JP5904190B2 - Ｉ／ｏモジュール - Google Patents

Description

本発明は、Ｉ／Ｏモジュールに関する。

従来から、プラントや工場等においては、工業プロセスにおける各種の状態量（例えば、圧力、温度、流量等）を制御するプロセス制御システムが構築されており、高度な自動操業が実現されている。このようなプロセス制御システムは、概してフィールド機器と呼ばれる現場機器（測定器、操作器）がＩ／Ｏモジュールを介してコントローラに接続された構成であり、コントローラが測定器（例えば、センサ）の測定結果に応じて操作器（例えば、アクチュエータ）を制御することによって上述した各種の状態量が制御される。

ここで、プロセス制御システムで用いられるフィールド機器は、測定対象及び操作対象に応じて様々な種類のものが存在し、入出力される信号の信号形式も多様である。例えば、「４〜２０ｍＡ」信号等のアナログ信号の入出力を行うもの、「２４Ｖ」のディジタル信号の入出力を行うもの、接点信号の入出力を行うもの、熱電対信号の出力を行うもの等が存在する。このため、従来のプロセス制御システムでは、フィールド機器に応じたＩ／Ｏ回路がフィールド機器毎に設けられている。

プロセス制御システムに設けられるＩ／Ｏ回路の数は、おおむねプラント等の規模に応じて増減し、大規模なプラント等では１万点を超える場合がある。このため、Ｉ／Ｏ回路単体のコストはさほど高くなくとも、プロセス制御システム全体におけるＩ／Ｏ回路の総コストはかなり高くなることがある。このことから、Ｉ／Ｏ回路の数を減らしてコストを低減する必要がある。

以下の特許文献１には、フィールド機器の大多数を占める上記のアナログ信号や上記のディジタル信号の入出力を行うフィールド機器を接続可能な回路（以下、ユニバーサル回路という）が開示されている。具体的に、以下の特許文献１に開示されたユニバーサル回路は、上記アナログ信号の入力、上記アナログ信号の出力、上記ディジタル信号の入力、或いは上記ディジタル信号の出力を行うことが可能な回路である。このようなユニバーサル回路を複数備えるＩ／Ｏモジュール（以下、ユニバーサルＩ／Ｏモジュールという）を用いれば、チャネル毎にフィールド機器の種類に対応したＩ／Ｏ回路を設けることに比較し、１つのユニバーサルＩ／Ｏモジュールの複数チャネルに複数種類のフィールド機器を接続できるためコストの低減が期待できる。

米国特許第８３９２６２６号明細書

ところで、上述した大多数のフィールド機器を接続可能なユニバーサルＩ／Ｏモジュールを用いれば、Ｉ／Ｏモジュールの総数を低減することができるため、確かにコストの低減を図ることができると考えられる。しかしながら、フィールド機器の種類によっては、依然として上記のユニバーサルＩ／Ｏモジュールに接続することができないものも存在する。

例えば、ファンデーションフィールドバス（Foundation Fieldbus：登録商標）を介した通信を行うフィールド機器は、単純にプロセス値の送信や設定値の受信を行う訳ではなく、プロトコル処理を行う必要がある。このため、このようなフィールド機器をユニバーサルＩ／Ｏモジュールに接続しようとすると回路の複雑度が増大し、面積・コスト・消費電力等に課題がある。また、例えば熱電対信号を出力するフィールド機器は、熱電対信号の電圧が低すぎるため、ユニバーサルＩ／Ｏモジュールに接続することはできない。このため、低い電圧に対応した専用Ｉ／Ｏモジュールが必要になり、このような専用Ｉ／Ｏモジュールが追加されていくと、Ｉ／Ｏモジュールの総数やコストが増加してしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも多くの種類のフィールド機器を接続することが可能なＩ／Ｏモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のＩ／Ｏモジュールは、複数のフィールド機器（１１、１１ａ〜１１ｄ）を電気的に接続するＩ／Ｏモジュール（１２）において、前記フィールド機器が接続される複数の接続端子（Ｔ１）を有するベースプレート（ＢＰ）と、前記複数の接続端子に対応して前記ベースプレートに設けられ、前記フィールド機器からのアナログ信号の入力、前記フィールド機器へのアナログ信号の出力、前記フィールド機器からのディジタル信号の入力、及び前記フィールド機器へのディジタル信号の出力を行うことが可能な複数のユニバーサル回路（２１）と、前記ベースプレートに着脱可能に設けられ、前記複数の接続端子のうちの何れか１つの当該接続端子と当該接続端子に対応する前記ユニバーサル回路とに接続され、当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間を接続する第１回路（Ｃ１０、Ｃ２０）を有するオプションモジュール（Ｍ１）とを備え、前記第１回路が、当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間を電気的に接続する接続線を有する回路、当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間を電気的に絶縁しつつ信号の授受が可能に接続する回路、或いは当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間で授受される信号の増幅処理又は減衰処理を行う回路であることを特徴としている。
また、本発明のＩ／Ｏモジュールは、前記ベースプレートには、前記複数のユニバーサル回路に接続されて前記フィールド機器との間で授受される信号の処理を行う信号処理回路（２２）が設けられ、前記オプションモジュールが、当該ユニバーサル回路に接続されるとともに前記信号処理回路に接続され、前記第１回路と当該接続端子及び前記信号処理回路間を接続する第２回路（Ｃ３０）とを有することを特徴としている。
また、本発明のＩ／Ｏモジュールは、前記ベースプレートには、前記複数の接続端子に対応して、装着される前記オプションモジュールと前記信号処理回路とを接続する複数の通信バス（ＳＢ）が設けられており、前記オプションモジュール及び前記信号処理回路が、前記通信バスを介して接続され、前記第２回路が、前記通信バスを介して前記信号処理回路と通信を行うことを特徴としている。
また、本発明のＩ／Ｏモジュールは、前記オプションモジュールが、自モジュールの種類を識別するための識別用回路（Ｒ）を備えており、前記ベースプレートには、前記複数のユニバーサル回路に接続されて前記フィールド機器との間で授受される信号の処理を行う信号処理回路と、前記複数の接続端子に対応して、装着される前記オプションモジュールが備える前記識別用回路と前記信号処理回路とを接続する複数の識別用配線（ＳＴ）とが設けられており、前記信号処理回路が、前記識別用配線に現れる信号に基づいて、前記ベースプレートに装着される前記オプションモジュールの種類を識別することを特徴としている。
また、発明のＩ／Ｏモジュールは、前記ユニバーサル回路が、前記ベースプレートに着脱可能に設けられるユニバーサルＩ／Ｏモジュール（Ｍ２）に搭載されることを特徴としている。
また、本発明のＩ／Ｏモジュールは、前記ベースプレートに装着された前記オプションモジュールの少なくとも２つが、１つの前記フィールド機器に接続されて冗長化された同一のものであることを特徴としている。

本発明によれば、ベースプレートに装着されたオプションモジュールによって、ベースプレートに設けられた複数の接続端子の何れか１つの接続端子（当該接続端子）と、この接続端子に対応するユニバーサル回路（当該ユニバーサル回路）とを接続し、装着されたオプションモジュールに設けられた第１回路（当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間を電気的に接続する接続線を有する回路、当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間を電気的に絶縁しつつ信号の授受が可能に接続する回路、或いは当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間で授受される信号の増幅処理又は減衰処理を行う回路）を介して、当該接続端子に接続されたフィールド機器と当該ユニバーサル回路とを接続するようにしているため、従来よりも多くの種類のフィールド機器を接続することが可能であるという効果がある。
また、本発明によれば、ベースプレートには複数のユニバーサル回路に接続されてフィールド機器との間で授受される信号の処理を行う信号処理回路が設けられているが、オプションモジュールと信号処理回路とを接続する通信バスを設けることで、ユニバーサル回路を介さずともフィールド機器との接続が可能であり、更に多くの種類のフィールド機器を接続することが可能であるという効果がある。
また、本発明によれば、オプションモジュール内部にオプションモジュールの種類を識別するための識別用回路を備えることで、ユニバーサル回路及び信号処理回路の選択・設定が可能であるという効果がある。

本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールが用いられるプロセス制御システムの全体構成の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールの外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールが備えるベースプレートの正面図である。 本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールに用いられるオプションモジュールの内部回路の例を示す図である。 本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールに用いられるオプションモジュールの内部回路の例を示す図である。 本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールに用いられるユニバーサルＩ／Ｏモジュールの内部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールの変形例を簡略化して示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールの他の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールについて詳細に説明する。

〔プロセス制御システム〕
図１は、本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールが用いられるプロセス制御システムの全体構成の一例を示すブロック図である。図１に示すプロセス制御システム１は、複数のフィールド機器１１、Ｉ／Ｏモジュール１２、コントローラ１３、及び監視装置１４を備えており、監視装置１４の監視の下でコントローラ１３がＩ／Ｏモジュール１２を介してフィールド機器１１を制御することによって、プラントや工場等で実現される工業プロセスの制御を行う。

尚、コントローラ１３には、複数のフィールド機器１１が接続されるＩ／Ｏモジュール１２が複数接続されるが、図１においては図示を簡略化するために１つのＩ／Ｏモジュール１２のみを図示している。また、フィールド機器１１とＩ／Ｏモジュール１２との間には、ジャンクションボックスやマーシャリングと呼ばれる集線装置が設けられていても良い。

フィールド機器１１は、例えばプラントや工場等の現場に設置され、工業プロセスの制御のために必要となる測定対象の測定及び操作対象の操作の少なくとも一方を行う。具体的に、フィールド機器１１は、例えば流量計や温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、プラント内の状況や対象物を撮影するカメラやビデオ等の撮像機器、プラント内の異音等を収集したり警報音等を発したりするマイクやスピーカ等の音響機器、各機器の位置情報を出力する位置検出機器、その他の機器である。

Ｉ／Ｏモジュール１２は、フィールド機器１１とコントローラ１３との間との間に設けられ、複数のフィールド機器１１が接続可能であり、接続されたフィールド機器１１とコントローラ１３との間で入出力される信号の処理を行う。この、Ｉ／Ｏモジュール１２は、複数のフィールド機器１１をコントローラ１３に接続し、フィールド機器１１で入出力される信号とコントローラ１３で入出力される信号との中継を行うモジュールであるということもできる。尚、Ｉ／Ｏモジュール１２の詳細については後述する。

コントローラ１３は、監視装置１４の監視の下でフィールド機器１１の制御を行う。具体的には、あるフィールド機器１１（例えば、センサ機器）からの測定データを収集し、他のフィールド機器１１（例えば、バルブ機器）を制御する制御データを演算して他のフィールド機器１１（例えば、バルブ機器）に送信する処理を行う。

監視装置１４は、例えばプラント等の運転員によって操作されてプロセスの監視のために用いられる装置である。具合的に、監視装置１４は、フィールド機器１１の入出力データをコントローラ１３から取得して表示を行う。そして、監視装置１４は、運転員の必要に応じた操作によって入力された指示に応じてフィールド機器１１の操作を行う。

〔Ｉ／Ｏモジュール〕
図２は、本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールの外観を示す斜視図である。図２に示す通り、Ｉ／Ｏモジュール１２は、ベースプレートＢＰ、オプションモジュールＭ１、及びユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２を備える。尚、図２に示すＩ／Ｏモジュール１２は、１６個のオプションモジュールＭ１と２個のユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２がベースプレートＢＰに装着可能なものである。ベースプレートＢＰに装着可能なオプションモジュールＭ１の最大数は１６個よりも少なくても多くても良く、また、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２は、１つのみ若しくは３つ以上が装着されていても良い。

ベースプレートＢＰは、オプションモジュールＭ１及びユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２が装着され、これらのモジュール等の間を電気的に接続する配線等が形成されている長方形板状のバックボードである。図３は、本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールが備えるベースプレートの正面図である。図３に示す通り、ベースプレートＢＰは、１６個のオプションスロットＳＬ１（第１スロット）、２つのユニバーサルスロットＳＬ２（第２スロット）、複数の接続端子Ｔ１、Ｉ／Ｏバス接続端子Ｔ２、外部電源接続端子Ｔ３、システム電源接続端子Ｔ４、及びグランド接続端子Ｔ５等を備える。

オプションスロットＳＬ１は、オプションモジュールＭ１が装着されるスロットであり、ベースプレートＢＰの中央部よりやや左側（紙面左側）において、ベースプレートＢＰの長手方向に沿って配列されている。尚、図示は省略しているが、オプションスロットＳＬ１に設けられる端子（オプションモジュールＭ１の端子と接続される端子）の配置は、全てのオプションスロットＳＬ１で同じにされている。これは、任意のオプションモジュールＭ１を、任意のオプションスロットＳＬ１に装着可能とするためである。

ユニバーサルスロットＳＬ２は、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２が装着されるスロットであり、ベースプレートＢＰの中央部よりやや右側（紙面右側）において、ベースプレートＢＰの短手方向に沿って２つ配列されている。尚、上記のオプションスロットＳＬ１と同様に、ユニバーサルスロットＳＬ２に設けられる端子（ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２の端子と接続される端子）の配置は、２つのユニバーサルスロットＳＬ２で同じにされている。

各オプションスロットＳＬ１は、２つのユニバーサルスロットＳＬ２にそれぞれ電気的に接続されている。ここで、オプションスロットＳＬ１とユニバーサルスロットＳＬ２とを接続する配線を全て図示すると煩雑になるため、図３においては、オプションスロットＳＬ１とユニバーサルスロットＳＬ２とを接続する配線を「配線Ｌ」として図示している。尚、オプションスロットＳＬ１（オプションモジュールＭ１）と、ユニバーサルスロットＳＬ２（ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２）とを接続する配線の詳細については後述する。

接続端子Ｔ１は、フィールド機器１１が接続される端子であり、各オプションスロットＳＬ１に対応して設けられている（換言すると、オプションスロットＳＬ１は、接続端子Ｔ１に対応して設けられている）。尚、図３では、ベースプレートＢＰに設けられている接続端子Ｔ１の総数が６４であり、各オプションスロットＳＬ１に対して４つの接続端子Ｔ１が対応して設けられている例を図示している。このような図３に示すベースプレートＢＰには、オプションスロットＳＬ１と同数の１６個のフィールド機器１１を接続することが可能である。尚、図３では、煩雑化をさけるためベースプレートＢＰに形成されているオプションスロットＳＬ１と接続端子Ｔ１とを接続する配線の図示も省略している。

Ｉ／Ｏバス接続端子Ｔ２は、ユニバーサルスロットＳＬ２を外部のＩ／Ｏバス（コントローラ１３が接続されるバス）に接続するための端子である。尚、図３では、煩雑化をさけるためベースプレートＢＰに形成されているユニバーサルスロットＳＬ２とＩ／Ｏバス接続端子Ｔ２とを接続する配線の図示も省略している。外部電源接続端子Ｔ３及びシステム電源接続端子Ｔ４は、Ｉ／Ｏモジュール１２の動作に必要な電力を供給する外部電源及びシステム電源がそれぞれ接続される端子であり、グランド接続端子Ｔ５は、Ｉ／Ｏモジュール１２の基準電位を規定するグランドに接続される端子である。

オプションモジュールＭ１は、ベースプレートＢＰに設けられたオプションスロットＳＬ１に着脱可能に設けられ、様々なフィールド機器１１をユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に接続可能とするモジュールである。このオプションモジュールＭ１は、直方体形状のモジュールであり、その内部にはフィールド機器１１をユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に接続するために必要となる回路が設けられている。

ここで、オプションモジュールＭ１は、内部に設けられた回路の種類に拘わらず同様の形状とされている。また、オプションモジュールＭ１の各々に設けられた不図示の端子（オプションスロットＳＬ１の端子と接続される端子）の配置は同じにされている。これは、任意のオプションモジュールＭ１を、任意のオプションスロットＳＬ１に装着可能とするためである。

図４，図５は、本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールに用いられるオプションモジュールの内部回路の例を示す図である。尚、図４は、マイクロプロセッサを備えないオプションモジュールの内部回路の例を示す図であり、図５は、マイクロプロセッサを備えるオプションモジュールの内部回路の例を示す図である。以下では、まずオプションモジュールＭ１に共通する構成を説明し、次いでオプションモジュールＭ１の種類に応じた個別の構成を説明する。

まず、図４，図５に示す通り、オプションモジュールＭ１は、ベースプレートＢＰに設けられた接続端子Ｔ１に接続される４つの端子Ｔ１１〜Ｔ１４と、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に接続される４つの端子Ｔ２１〜Ｔ２４とを備える。尚、図４，図５に示す通り、オプションモジュールＭ１の４つの端子Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４に接続される接続端子Ｔ１をそれぞれ接続端子ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ，ＴＤとする。

また、図４，図５に示す通り、オプションモジュールＭ１の４つの端子Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３，Ｔ２４には、接続線Ｌ１、接続線Ｌ２、ステータス線ＳＴ（識別用配線）、及びシリアル通信が行われる通信バスＳＢがそれぞれ接続される。これらは、オプションスロットＳＬ１とユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２とを接続する配線である。尚、上記の通信バスＳＢは、独自のシリアルバスであっても汎用的なシリアルバスであっても良い。

また、図４，図５に示す通り、オプションモジュールＭ１は、自モジュールの種類を識別するための識別用抵抗Ｒ（識別用回路）を備える。この識別用抵抗Ｒは、オプションモジュールＭ１毎に異なる抵抗値が設定されており、一端が端子Ｔ２３（ステータス線ＳＴに接続される端子）に接続され、他端がグランドに接続されている。この識別用抵抗Ｒは、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に設けられた信号処理回路２２（図６参照；詳細は後述する）がオプションモジュールＭ１を識別する際に用いられる。

次に、図４（ａ）に示すオプションモジュールＭ１は、バルブ機器１１ａが接続されるものである。図４（ａ）に示すオプションモジュールＭ１には、端子Ｔ１１と端子Ｔ２１との間を接続する接続線と、端子Ｔ１２と端子Ｔ２２との間を接続する接続線とからなる回路Ｃ１０（第１回路）が設けられている。ここで、バルブ機器１１ａは、接続端子ＴＡ，ＴＢに接続されている。このため、図４（ａ）に示すオプションモジュールＭ１に設けられた回路Ｃ１０は、バルブ機器１１ａを接続線Ｌ１，Ｌ２に電気的に接続する回路ということができる。尚、図４（ａ）ではバルブ機器１１ａがオプションモジュールＭ１に接続される例を示したが、「４〜２０ｍＡ」の伝送器や接点スイッチ等が接続されても良い。

図４（ｂ）に示すオプションモジュールＭ１は、例えばアクチュエータを駆動するためのソレノイドを有するフィールド機器（電磁弁）１１ｂが接続されるものである。図４（ｂ）に示すオプションモジュールＭ１には、絶縁回路Ｃ２０（第１回路）と外部電源接続端子Ｔ３０とが設けられている。絶縁回路Ｃ２０は、例えばフォトカプラ又はトランスを備えており、端子Ｔ１１と端子Ｔ２１との間、及び端子Ｔ１２と端子Ｔ２２との間を電気的に絶縁しつつ、端子Ｔ１１と端子Ｔ２１との間の信号の授受、及び端子Ｔ１２と端子Ｔ２２との間の信号の授受を可能に接続する回路である。

外部接続端子Ｔ３０は、端子Ｔ１２と絶縁回路Ｃ２０との間に外部電源（図２，図３に示す外部電源接続端子Ｔ３に接続される外部電源）を接続するための端子である。この外部接続端子Ｔ３０は、フィールド機器１１ｂに設けられたソレノイドを駆動するための電力を外部電源から得るために設けられる。ここで、フィールド機器１１ｂは、接続端子ＴＡ，ＴＢに接続されている。このため、図４（ｂ）に示すオプションモジュールＭ１に設けられた絶縁回路Ｃ２０は、フィールド機器１１ｂと接続線Ｌ１，Ｌ２の間を電気的に絶縁しつつ、これらの間の信号の授受を可能に接続する回路ということができる。

尚、マイクロプロセッサを備えないオプションモジュールＭ１としては、図４（ａ），（ｂ）に示すもの以外に、接続されるフィールド機器１１の種類に応じて種々のものがある。例えば、端子Ｔ１１と端子Ｔ２１との間で授受される信号、及び端子Ｔ１２と端子Ｔ２２との間で授受される信号の処理を行う回路を備えるものがある。この回路は、端子Ｔ１１と端子Ｔ２１との間で授受される信号、及び端子Ｔ１２と端子Ｔ２２との間で授受される信号がアナログ信号である場合には、例えばアンプ等で、アナログ信号の電圧又は電流を増幅させ、或いは減衰させる回路である。ディジタル信号である場合には、ディジタル信号を電圧又は電流増幅させ、或いは減衰させる回路である。そして、オプションモジュールＭ１は、フィールド機器１１とユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２とを絶縁するフォトカプラやトランス等の絶縁回路を設けずに、単に、増幅や減衰等の信号処理を行う回路だけを設ける構成でも良い。

図５（ａ）に示すオプションモジュールＭ１は、ＨＡＲＴ（登録商標）やファンデーションフィールドバス（登録商標）等の産業用通信規格に準拠した通信を行うフィールド機器（伝送器）１１ｃが接続されるものである。図５（ａ）に示すオプションモジュールＭ１には、マイクロプロセッサＣ３１及び絶縁回路Ｃ３２，Ｃ３３からなる回路Ｃ３０（第２回路）とシステム電源接続端子Ｔ４０とが設けられている。

マイクロプロセッサＣ３１は、端子Ｔ１１〜Ｔ１４と絶縁回路Ｃ３２，Ｃ３３とに接続されており、端子Ｔ１１，Ｔ１２から入力される信号（フィールド機器１１ｃからの信号）に対して通信プロトコルの変換処理等を行って絶縁回路Ｃ３２に出力する。ここで、マイクロプロセッサＣ３１が行う通信プロトコルの変換処理は、フィールド機器１１ｃとの間の通信に用いられる通信プロトコルと、通信バスＳＢを介した信号処理回路２２（図６参照；詳細は後述する）との間の通信に用いられる通信プロトコルとを変換する処理である。

絶縁回路Ｃ３２は、例えばフォトカプラを備えており、マイクロプロセッサＣ３１と端子Ｔ２４との間を電気的に絶縁しつつ、これらの間の信号の授受を可能とする通信回路である。絶縁回路Ｃ３３は、例えばトランスを備えており、マイクロプロセッサＣ３１及びシステム電源接続端子Ｔ４０に接続されており、マイクロプロセッサＣ３１とシステム電源接続端子Ｔ４０との間を電気的に絶縁しつつ、システム電源接続端子Ｔ４０に接続されるシステム電源（図２，図３に示すシステム電源接続端子Ｔ４に接続されるシステム電源）の電源電圧をマイクロプロセッサＣ３１に適した電源電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換回路である。

ここで、フィールド機器１１ｃは、接続端子ＴＡ，ＴＢに接続されている。このため、図５（ａ）に示すオプションモジュールＭ１に設けられた回路Ｃ３０は、フィールド機器１１ｃと通信バスＳＢとの間を電気的に絶縁しつつ、フィールド機器１１ｃからの信号を通信プロトコルの変換処理を行って通信バスＳＢに送信する回路ということができる。尚、図５（ａ）に示すオプショモジュールＭ１は、通信バスＳＢを介した信号の授受は行うが、接続線Ｌ１，Ｌ２を介した信号の授受は行わない。

図５（ｂ）に示すオプションモジュールＭ１は、熱電対センサ１１ｄ及びＲＪＣ（Reference Junction Compensation：基準接点補償）１５が接続されるものである。図５（ｂ）に示すオプションモジュールＭ１には、図５（ａ）に示すオプションモジュールＭ１と同様に、マイクロプロセッサＣ３１及び絶縁回路Ｃ３２，Ｃ３３からなる回路Ｃ３０（第２回路）とシステム電源接続端子Ｔ４０とが設けられている。但し、図５（ｂ）に示すオプションモジュールＭ１は、図５（ａ）に示すオプションモジュールＭ１とは別のものであり、以下で説明する通りマイクロプロセッサＣ３１で行われる処理が相違する。

マイクロプロセッサＣ３１は、端子Ｔ１１〜Ｔ１４と絶縁回路Ｃ３２，Ｃ３３とに接続されており、端子Ｔ１１，Ｔ１２から入力される信号（熱電対センサ１１ｄからの信号）に対してアナログ／ディジタル変換処理、補償処理、増幅処理等の処理を行って絶縁回路Ｃ３２に出力する。このマイクロプロセッサＣ３１は、ＲＪＣ１５からの信号（熱電対センサ１１ｄの周囲の温度を示す信号）を用いて、熱電対センサ１１ｄからの信号を補償（温度補償）するための補償処理を行う。ここで、マイクロプロセッサＣ３１は、上記の各種処理を行った信号を、通信バスＳＢを介した通信が可能な形式で絶縁回路Ｃ３２に出力する。尚、絶縁回路Ｃ３２，Ｃ３３は、図５（ａ）に示す絶縁回路Ｃ３２，Ｃ３３と同様のものである。

ここで、熱電対センサ１１ｄは接続端子ＴＡ，ＴＢに接続されており、ＲＪＣ１５は接続端子ＴＣ，ＴＤに接続されている。このため、図５（ｂ）に示すオプションモジュールＭ１に設けられた回路Ｃ３０は、熱電対センサ１１ｄと通信バスＳＢとの間を電気的に絶縁しつつ、熱電対センサ１１ｄからの信号に対する補償（温度補償）を行って、通信バスＳＢに送信する回路ということができる。尚、図５（ｂ）に示すオプションモジュールＭ１は、図５（ａ）に示すオプショモジュールＭ１と同様に、通信バスＳＢを介した信号の授受は行うが、接続線Ｌ１，Ｌ２を介した信号の授受は行わない。

ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２は、ベースプレートＢＰに設けられたユニバーサルスロットＳＬ２に着脱可能に設けられ、オプションモジュールＭ１を介して入出力される信号に対して予め規定された処理を行うモジュールである。このユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２は、上述したオプションモジュールＭ１よりも外形寸法が大きな直方体形状のモジュールである。

ここで、ベースプレートＢＰに装着される２つのユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２は同じものである。このように、２つのユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２を装着可能とするのは、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２の冗長化を可能として信頼性を高めるためである。尚、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２は、フィールド機器１１の種類に応じたものが用いられるオプションモジュールＭ１と異なり、フィールド機器１１の種類に拘わらず同じものが用いられる。このため、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２は、例えば故障等が生じた場合以外には取り外しや交換がされることはない。

図６は、本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールに用いられるユニバーサルＩ／Ｏモジュールの内部構成を示すブロック図である。図６に示す通り、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２は、複数のユニバーサル回路２１と信号処理回路２２とを備える。ユニバーサル回路２１は、例えば前述した特許文献１に開示された回路と同様の回路であり、オプションモジュールＭ１を介して接続されるフィールド機器１１で入出力される信号の入出力が可能な回路である。

具体的に、ユニバーサル回路２１は、フィールド機器１１からのアナログ信号の入力、フィールド機器１１へのアナログ信号の出力、フィールド機器１１からのディジタル信号の入力、及びフィールド機器１１へのディジタル信号の出力を行うことが可能である。尚、ユニバーサル回路２１に上記の入出力の何れを行わせるかは、例えばコントローラ１３の制御によって予め設定される。

ユニバーサル回路２１は、ベースプレートＢＰに設けられたオプションスロットＳＬ１に対応して設けられている。換言すると、ユニバーサル回路２１は、オプションスロットＳＬ１に対応する接続端子Ｔ１（図４，図５に示す４つの接続端子ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ，ＴＤを１組にしたもの）に対応して設けられている。各ユニバーサル回路２１は、一対の信号線Ｌ１，Ｌ２を介して対応するオプションスロットＳＬ１に接続されるとともに、信号処理回路２２に接続される。

信号処理回路２２は、複数のユニバーサル回路２１と、各オプションスロットＳＬ１に接続されているステータス線ＳＴ及び通信バスＳＢとに接続されており、ユニバーサル回路２１又は通信バスＳＢを介してフィールド機器１１との間で授受される信号の処理を行う。また、信号処理回路２２は、コントローラ１３との間で通信を行い、フィールド機器１１からの信号をコントローラ１３に向けて送信するとともに、コントローラ１３から送信されてくるフィールド機器１１への信号を受信する。

加えて、信号処理回路２２は、オプションスロットＳＬ１に装着されたオプションモジュールＭ１の種類を識別する。ここで、信号処理回路２２は、各オプションスロットＳＬ１に接続されているステータス線ＳＴに現れる電圧に基づいて、各オプションスロットＳＬ１に装着されているオプションモジュールＭ１の種類を識別する。

前述の通り、各オプションモジュールＭ１に設けられた識別用抵抗Ｒは、ステータス線ＳＴに接続される。このため、例えば識別用抵抗Ｒに一定の電流が流れると、識別用抵抗Ｒの抵抗値に応じた電圧降下が識別用抵抗Ｒに生じ、その電圧降下がステータス線ＳＴに現れることになる。このようにして、信号処理回路２２は、ステータス線ＳＴに現れる電圧に基づいて各オプションスロットＳＬ１に装着されているオプションモジュールＭ１の種類を識別する。尚、信号処理回路２２で識別された結果は、コントローラ１３へ送信される。

〔Ｉ／Ｏモジュールの動作〕
次に、以上説明したＩ／Ｏモジュール１２の動作について説明する。尚、以下では、図４（ａ）に示すフィールド機器１１としてのバルブ機器１１ａを操作する制御信号（アナログ信号、又はディジタル信号）がコントローラ１３からバルブ機器１１ａに向けて送信される場合の動作、及び図５（ａ）に示すフィールド機器１１ｃからの信号（ディジタル信号）がコントローラ１３に向けて送信される場合の動作を例に挙げて説明する。

まず、図４（ａ）に示すバルブ機器１１ａを操作するための制御信号がコントローラ１３から出力されると、この制御信号はユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に設けられた信号処理回路２２で受信され、ユニバーサル回路２１の何れか１つ（バルブ機器１１ａが接続された接続端子Ｔ１に対応するユニバーサル回路２１）に出力される。尚、このユニバーサル回路２１は、予めコントローラ１３の制御によって、制御信号（アナログ信号或いはディジタル信号）の入出力が可能なように設定されている。

ユニバーサル回路２１から出力された制御信号は、一対の信号線Ｌ１，Ｌ２を介した後に、端子Ｔ２１，Ｔ２２を介してオプションモジュールＭ１に入力される。そして、オプションモジュールＭ１に設けられた回路Ｃ１０（２本の接続線からなる回路）を介して端子Ｔ１１，Ｔ１２からオプションモジュールＭ１の外部に出力され、端子Ｔ１（接続端子ＴＡ，ＴＢ）を介してバルブ機器１１ａに入力される。

このように、図４（ａ）に示す例では、フィールド機器１１としてのバルブ機器１１ａが接続された接続端子Ｔ１（接続端子ＴＡ，ＴＢ）と、この接続端子Ｔ１に対応するユニバーサル回路２１とが、オプションモジュールＭ１に設けられた回路Ｃ１０によって電気的に接続される。このため、ユニバーサル回路２１から出力されたバルブ機器１１ａへの制御信号は、オプションモジュールＭ１を単にスルーしてバルブ機器１１ａに入力される。

次に、図５（ａ）に示すフィールド機器１１ｃからディジタル信号が出力されると、そのディジタル信号はまずベースプレートＢＰに設けられた接続端子Ｔ１（接続端子ＴＡ，ＴＢ）に入力される。接続端子ＴＡ，ＴＢに入力されたディジタル信号は、端子Ｔ１１，Ｔ１２を介して図５（ａ）に示すオプションモジュールＭ１に入力され、オプションモジュールＭ１に設けられたマイクロプロセッサＣ３１でプロトコル変換処理等が行われた後に、絶縁回路Ｃ３２及び端子Ｔ２４を順に介してオプションモジュールＭ１の外部に出力される。

ここで、オプションモジュールＭ１の端子Ｔ２４は、通信バスＳＢが接続されている。このため、オプションモジュールＭ１の外部に出力された信号は、通信バスＳＢを介してユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に入力され、ユニバーサル回路２１に入力されることなく信号処理回路２２に入力される。信号処理回路２２に入力されたディジタル信号は、予め規定された処理（例えば、コントローラ１３に送信するためのプロトコル変換処理）が行われた後に、コントローラ１３に向けて送信される。

このように、図５（ａ）に示す例では、フィールド機器１１ｃが接続された接続端子Ｔ１（接続端子ＴＡ，ＴＢ）と通信バスＳＢとが、オプションモジュールＭ１に設けられた回路Ｃ３０によって電気的に接続される。このため、フィールド機器１１ｃから出力されたディジタル信号は、オプションモジュールＭ１で通信プロトコルの変換処理が行われ、通信バスＳＢを介してユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２設けられた信号処理回路２２に入力される。そして、信号処理回路２２で所定の信号処理が行われた上で、コントローラ１３に向けて送信される。

以上の通り、本実施形態では、フィールド機器１１が接続される複数の接続端子Ｔ１を有するベースプレートＢＰに対し、複数のユニバーサル回路２１及び信号処理回路２２を備えるユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２と、フィールド機器１１をユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に接続するためのオプションモジュールＭ１とを着脱可能に設けている。このため、ベースプレートＢＰの接続端子Ｔ１に接続されたフィールド機器１１に応じたオプションモジュールＭ１をベースプレートＢＰに装着すれば、そのフィールド機器１１をユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に設けられたユニバーサル回路２１又は信号処理回路２２に接続することができる。このため、本実施形態では、従来よりも多くの種類のフィールド機器を接続することが可能である。

また、本実施形態では、複数の接続端子Ｔ１、オプションモジュールＭ１（オプションスロットＳＬ１）、及ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２（ユニバーサルスロットＳＬ２）を接続する接続線はベースプレートＢＰに形成されている。このため、これらを接続線で接続する作業、或いは接続線の交換作業が不要になるため、メンテナンスを容易に行うことができる。

また、本実施形態では、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に設けられた信号処理回路２２が、ベースプレートＢＰに装着されたオプションモジュールＭ１の種類を、ステータス線ＳＴを介した識別用抵抗Ｒの電圧に基づいて認識し、その認識結果をコントローラ１３に送信することができる。このため、Ｉ／Ｏモジュール１２が設置された現場に作業員が現場に赴かなくともオプションモジュールＭ１の設置状況を把握することができ、Ｉ／Ｏモジュール１２のメンテナンスの効率を高めることができる。

〔Ｉ／Ｏモジュールの変形例〕
図７は、本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールの変形例を簡略化して示すブロック図である。尚、図７においては、図４，図５に示すブロックに相当するブロックについては同一の符号を付してある。上述した実施形態で説明したＩ／Ｏモジュール１２で用いられるオプションモジュールＭ１は、マイクロプロセッサが搭載されておらずフィールド機器１１をユニバーサル回路２１に接続するもの（図４参照）、或いはマイクロプロセッサが搭載されていて通信バスＳＢを介してフィールド機器１１を信号処理回路２２に接続するもの（図５参照）であった。

これに対し、図７に示すＩ／Ｏモジュール１２で用いられるオプションモジュールＭ１は、いわば図４に示すオプションモジュールＭ１の機能と図５に示すオプションモジュールＭ１の機能とを併せもったものである。つまり、図７に示すオプションモジュールＭ１は、マイクロプロセッサＣ３１が搭載されていて通信バスＳＢを介してフィールド機器１１を信号処理回路２２に接続するとともに、フィールド機器１１をユニバーサル回路２１に接続するものである。

図７に示す通り、変形例で用いられるオプションモジュールＭ１は、例えば図４（ａ）に示す回路Ｃ１０と、図５（ａ）に示すマイクロプロセッサＣ３１とを備える。尚、図７においては、図５（ａ）に示す絶縁回路Ｃ３２，Ｃ３３の図示を省略している。このような構成のオプションモジュールＭ１は、例えばＨＡＲＴ（登録商標）等のハイブリッド通信を行うフィールド機器１１の接続を可能とするものである。ここで、ハイブリッド通信とは、アナログ信号にディジタル信号を重畳させることによって、アナログ信号とディジタル信号とを同時に通信することが可能な通信方式である。

つまり、図７に示すオプションモジュールＭ１は、ハイブリッド通信におけるアナログ信号を、回路Ｃ１０を介してユニバーサル回路２１に出力するとともに、アナログ信号に重畳されたディジタル信号をマイクロプロセッサＣ３１で処理（例えば、プロトコル変換処理）し、通信バスＳＢを介して信号処理回路２２に送信するものである。このようなオプションモジュールＭ１を用いることで、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に余分な回路（例えば、アナログ信号とディジタル信号とを分離する分離回路）を設ける必要がなくなり、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２を簡素化することができる。また、本構成による付随効果として、マイクロプロセッサＣ３１の回路を追加することで信号処理回路２２の負荷を低減させる効果がある。

また、上記の分離回路等がユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に設けられている場合には、フィールド機器１１の交換やアップデート等によりフィールド機器１１で用いられている通信プロトコルに変更が生じた場合には、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２及びオプションモジュールＭ１の双方を交換する必要がある。しかしながら、図７に示す構成の場合には、ユニバーサルモジュールＭ２を交換する必要はなく、オプションモジュールＭ１の交換、或いはオプションモジュールＭ１のマイクロプロセッサＣ３１で用いられているプログラムの変更等で対応することができる。

また、図７に示す構成のオプションモジュールＭ１では、マイクロプロセッサＣ３１がフィールド機器１１からの信号（アナログ信号に重畳されたディジタル信号）を解釈することにより、オプションモジュールＭ１に接続されているフィールド機器１１の種類を認識することができる。ここで、マイクロプロセッサＣ３１の認識結果を、通信バスＳＢ及び信号処理回路２２を介してコントローラ１３に送信するようにすれば、フィールド機器１１が接続されているユニバーサル回路２１の入出力動作の設定を自動的に行うことも可能である。

〔その他の変形例〕
図８は、本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールの他の変形例を示す図である。図８に示す通り、本変形例は、１つのフィールド機器１１に対して同一のオプションモジュールＭ１を２つ並列して設け、オプションモジュールＭ１を冗長化したものである。尚、この２つのオプションモジュールＭ１は、図２に示す２つのオプションスロットＳＬ１を用いてベースプレートＢＰに装着されることになる。このように、フィールド機器１１に直結されて故障リスクの高いオプションモジュールＭ１を冗長化することで、プロセス制御システム１の信頼性を高めることができ、プロセス制御システム１の稼働率の向上を期待することができる。尚、オプションモジュールＭ１の並列数は「３」以上であっても良い。

また、オプションスロットＳＬ１（オプションモジュールＭ１）とユニバーサルスロットＳＬ２（ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２）とを接続する通信バスＳＢは、図１に示すプロセス制御システム１が構築されるプラント等に敷設されているバスを用いることができる。例えば、通信バスＳＢがファンデーションフィールドバス（登録商標）等に準拠していれば、マイクロプロセッサＣ３１（図５参照）で行われるプロトコル変換処理を省略することができる。

以上、本発明の一実施形態によるＩ／Ｏモジュールについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、複数のユニバーサル回路２１と信号処理回路２２とをユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２に設け、ユニバーサルＩ／ＯモジュールＭ２をベースプレートＢＰに着脱可能に設けた例について説明した。しかしながら、上述のユニバーサル回路２１をベースプレートＢＰに設けて信号処理回路２２のみを着脱可能に設けても良い。或いは、上述のユニバーサル回路２１及び信号処理回路２２の双方をベースプレートＢＰに設けても良い。

１１ フィールド機器
１１ａ バルブ機器
１１ｂ，１１ｃ フィールド機器
１１ｄ 熱電対センサ
１２ Ｉ／Ｏモジュール
２１ ユニバーサル回路
２２ 信号処理回路
ＢＰ ベースプレート
Ｃ１０ 回路
Ｃ２０ 絶縁回路
Ｃ３０ 回路
Ｍ１ オプションモジュール
Ｍ２ ユニバーサルＩ／Ｏモジュール
Ｒ 識別用抵抗
ＳＢ 通信バス
ＳＬ１ オプションスロット
ＳＬ２ ユニバーサルスロット
ＳＴ ステータス線
Ｔ１ 接続端子

Claims (6)

1. 複数のフィールド機器を電気的に接続するＩ／Ｏモジュールにおいて、
   前記フィールド機器が接続される複数の接続端子を有するベースプレートと、
   前記複数の接続端子に対応して前記ベースプレートに設けられ、前記フィールド機器からのアナログ信号の入力、前記フィールド機器へのアナログ信号の出力、前記フィールド機器からのディジタル信号の入力、及び前記フィールド機器へのディジタル信号の出力を行うことが可能な複数のユニバーサル回路と、
   前記ベースプレートに着脱可能に設けられ、前記複数の接続端子のうちの何れか１つの当該接続端子と当該接続端子に対応する前記ユニバーサル回路とに接続され、当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間を接続する第１回路を有するオプションモジュールと
   を備え、
   前記第１回路は、当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間を電気的に接続する接続線を有する回路、当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間を電気的に絶縁しつつ信号の授受が可能に接続する回路、或いは当該接続端子及び当該ユニバーサル回路間で授受される信号の増幅処理又は減衰処理を行う回路である
   ことを特徴とするＩ／Ｏモジュール。
2. 前記ベースプレートには、前記複数のユニバーサル回路に接続されて前記フィールド機器との間で授受される信号の処理を行う信号処理回路が設けられ、
   前記オプションモジュールは、当該ユニバーサル回路に接続されるとともに前記信号処理回路に接続され、前記第１回路と当該接続端子及び前記信号処理回路間を接続する第２回路とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載のＩ／Ｏモジュール。
3. 前記ベースプレートには、前記複数の接続端子に対応して、装着される前記オプションモジュールと前記信号処理回路とを接続する複数の通信バスが設けられており、
   前記オプションモジュール及び前記信号処理回路は、前記通信バスを介して接続され、
   前記第２回路は、前記通信バスを介して前記信号処理回路と通信を行う
   ことを特徴とする請求項２記載のＩ／Ｏモジュール。
4. 前記オプションモジュールは、自モジュールの種類を識別するための識別用回路を備えており、
   前記ベースプレートには、前記複数のユニバーサル回路に接続されて前記フィールド機器との間で授受される信号の処理を行う信号処理回路と、前記複数の接続端子に対応して、装着される前記オプションモジュールが備える前記識別用回路と前記信号処理回路とを接続する複数の識別用配線とが設けられており、
   前記信号処理回路は、前記識別用配線に現れる信号に基づいて、前記ベースプレートに装着される前記オプションモジュールの種類を識別する
   ことを特徴とする請求項１記載のＩ／Ｏモジュール。
5. 前記ユニバーサル回路は、前記ベースプレートに着脱可能に設けられるユニバーサルＩ／Ｏモジュールに搭載されることを特徴とする請求項１記載のＩ／Ｏモジュール。
6. 前記ベースプレートに装着された前記オプションモジュールの少なくとも２つは、１つの前記フィールド機器に接続されて冗長化された同一のものであることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載のＩ／Ｏモジュール。

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