JP2005173848A - アナログ出力装置およびその診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
Ａ／Ｄ変換器等のアナログ素子を削減したコンパクトな回路構成で出力回路および出力診断回路を構成したアナログ出力装置及びその診断方法を実現する。
【解決手段】
通常アナログ出力に使用しているＤ／Ａ変換器２を、信号ホールド回路３および比較回路７と組合わせることにより、出力フィードバック信号のＤ／Ａ変換２としても動作させて、診断回路の部品点数を削減し、アナログ出力装置の出力回路１１と制御回路１間のディジタルインタフェース部分を絶縁回路１２で絶縁分離することにより、出力回路１１をコンパクトなモジュール構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラント制御機器のディジタル制御信号をアナログ信号に変換して出力するアナログ出力装置およびその診断方法に関する。

従来のアナログ出力装置としては、〔特許文献１〕に記載のように、Ｄ／Ａ変換器と並列に設けたＡ／Ｄ変換器から得られるフィードバック信号を検出して診断や補正を行う方法が知られている。

また、〔特許文献２〕に記載の例では、フィードバックするアナログ信号の絶縁回路に光アナログ素子を使用し、Ａ／Ｄ変換器の代わりに比較回路を設けて回路構成の小型化を図っている。

特開平８−２３２７５号公報 特開平１０−１４９２１６号公報

〔特許文献１〕に記載のように、Ｄ／Ａ変換器と並列に設けたＡ／Ｄ変換器から得られるフィードバック信号を検出して診断や補正を行う方法によると制御装置とプラント機器側の絶縁が必要な場合にフィードバックするアナログ信号の絶縁回路を構成するアナログ部品が増加し、回路構成が大型化する問題があった。

また、〔特許文献２〕に記載のように、フィードバックするアナログ信号の絶縁回路に光アナログ素子を使用した例では、光アナログ素子の性能が診断精度を左右するため高精度な診断が困難となり、比較回路の判定値には光素子感度の安定性を考慮した余裕を持たせ、一定の判定値による診断を行う必要があった。

本発明の目的は、コンパクトな回路構成で高精度なアナログ出力診断が可能なアナログ出力装置及びその診断方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、従来必要としていたＡ／Ｄ変換器の機能は、信号出力用のＤ／Ａ変換器と比較回路で構成するものである。また、Ｄ／Ａ変換器の出力部に信号ホールド回路を設けて、信号ホールド回路によりＤ／Ａ変換器とプラント側を切り離し、診断サイクルにおいてプラント側への出力信号を保持するものである。出力を保持した状態においてＤ／Ａ変換器の出力を変化させて、Ｄ／Ａ変換器の出力とプラント側出力信号のフィードバック信号を比較し一致点を検出してＤ／Ａ変換器に設定したデータがフィードバック信号に対応するディジタルデータであり、これによりＤ／Ａ変換器と同じ分解能を有するＡ／Ｄ変換器の機能を実現するものである。プラント側への出力用として設定したディジタル値は既知であり、これに対して前記フィードバック信号から検出したディジタル値を制御回路において誤差判定すると、出力信号のフィードバック診断が実現できる。

又、診断サイクルの第１ステップでＤ／Ａ変換器診断を行い、第２ステップで前記フィードバック診断を行うものであり、診断データの信頼性向上が図れる。

本発明によれば、Ａ／Ｄ変換器を使用しなくてもコンパクトな回路構成でアナログ出力信号のフィードバック診断ができる。

以下、本発明の一実施例を図１から図５により説明する。図１は本実施例のアナログ出力装置の回路構成を示す構成図である。

アナログ出力装置は、図１に示すように構成されている。図示していない上位制御装置とは通信ライン２２を介して制御回路１が接続されている。制御回路１は信号線２８によりそれぞれの出力回路１１内の絶縁回路１２に接続される一方、電源出力用の信号線２３により電源回路９に接続されている。制御回路１と出力回路１１との間を伝送されるディジタル信号は、フォトカプラで構成された絶縁回路１２により絶縁分離されている。絶縁回路１２には、信号線１４によりＤ／Ａ変換器２，信号線１５により比較回路７ａ，信号線１６により比較回路７ｂが並列接続されている。比較回路７ａ及び比較回路７ｂの一方は信号線２９によりＤ／Ａ変換器２の信号線２０と接続されている。Ｄ／Ａ変換器２の信号線２０は、スイッチ回路５とコンデンサ６で構成される信号ホールド回路３のスイッチ回路５と接続され、スイッチ回路５は、絶縁回路１２とホールド信号用の信号線１３により接続されている。信号ホールド回路３内部のスイッチ回路５の状態は制御回路１から信号線１３を介して伝送されるホールド信号により制御されるようになっている。信号ホールド回路３は、信号ホールド回路３からの電圧を電流に変換する電圧／電流変換回路４と信号線１７により接続されている。比較回路７ａの他方は電圧／電流変換回路４と接続され、比較回路７ｂの他方は信号線２１により基準電圧回路８と接続されている。電源回路９にはプラント機器１０を制御するための電流である制御信号を伝送する信号線１８が接続され、この制御信号はプラント機器１０と電圧／電流変換回路４とを接続する信号線
３０によりフィードバックされる。

図２は、図１に示すアナログ出力装置の出力回路部分をモジュール化し、プラント側機器と接続した例を示す斜視図である。

アナログ出力装置２４は、制御回路モジュール２５と電源モジュール２６および出力回路モジュール２７で構成されている。アナログ出力装置２４間及び上位制御装置は、通信ライン２２で接続されており、アナログ出力装置２４と上位制御装置との間でデータの授受を行うようになっている。出力回路モジュール２７は、プラント機器１０への出力１点毎に制御回路モジュール２５とのディジタルインタフェース部分で絶縁分離されており、コネクタにより着脱可能な構造となっている。このため、１点毎の診断と保守ができ、プラント規模に応じて実装点数の増減に対応できるようになっている。

このように構成されたアナログ出力装置は、次のように動作する。制御回路１からの設定データは信号線２８を介して絶縁回路１２に伝送され、絶縁回路１２から信号線１４を介してＤ／Ａ変換器２に伝送され、Ｄ／Ａ変換器２でアナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号は、信号ホールド回路３に入力され、信号ホールド回路３の電圧は信号線１７により電圧／電流変換回路４に伝送されて、電圧／電流変換回路４により電流に変換される。

一方、プラント機器を制御する制御信号は、信号線３０を介して電圧／電流変換回路４にフィードバックされて電圧に変換され、電圧／電流変換回路４は、プラント機器１０からのフィードバック信号と信号線１７に入力されるアナログ信号が一致するよう動作する。このフィードバック信号は、信号線１９を介して比較回路７ａに入力される。一方、Ｄ／Ａ変換器２の出力信号は信号線２９を介して比較回路７ａに入力される。比較回路７ａの比較結果は、信号線２８を介して制御回路１に入力される。

制御回路１は、通信ライン２２を介して上位制御装置と通信制御を行い、上位制御装置は、診断サイクルと出力更新サイクルからなる出力回路１１の制御を行う。診断サイクルにおいては、信号線１３のホールド信号により信号ホールド回路３のスイッチ回路５をオフにし、プラント機器１０への出力信号を保持した状態とする。この状態で比較回路７ａおよび比較回路７ｂへ出力するＤ／Ａ変換器２の出力信号を変化させ、基準電圧回路８から出力される基準電圧とＤ／Ａ変換器２の出力信号，フィードバック信号との比較診断を行う。出力更新サイクルにおいては制御回路１から出力更新用設定データをＤ／Ａ変換器２に設定後、信号ホールド回路３のスイッチ回路５をオンすることにより新規アナログ出力信号を電源回路９側に出力し、電源回路９の出力の制御を行う。

このように、Ａ／Ｄ変換器の機能は、信号出力用のＤ／Ａ変換器と比較回路で代用でき、安価となる。又、Ｄ／Ａ変換器の出力部に信号ホールド回路を設けているので、信号ホールド回路によりＤ／Ａ変換器とプラント側を切り離し、診断サイクルにおいてプラント側への出力信号を保持することができる。このようにプラント側への出力信号を保持しているので、プラント側には診断サイクルで保持した出力信号で電源回路９の出力制御を行うことができる。

図３は、図１に示すアナログ出力装置の診断サイクルと出力更新サイクルにおける内部信号のタイミングを示す図である。

アナログ出力の１点単位で診断サイクル，出力更新サイクルを繰り返し、出力回路が正常であることを確認後に出力の更新を行う。診断サイクルにおいては、信号線１３のホールド信号をハイレベルに設定して信号ホールド回路３内のスイッチ回路５をオフ状態にし、プラント側への出力信号を保持する。

診断サイクルの第１ステップでは、Ｄ／Ａ変換器２の設定データとして、基準電圧回路８からの基準電圧±αに相当するデータを設定する。Ｄ／Ａ変換器２が正常時には、基準電圧−αに相当するデータＡを設定すると比較回路７ｂの出力信号はロウレベルとなり、基準電圧＋αに相当するデータＢを設定すると比較回路７ｂの出力信号はハイレベルとなる。そのため、Ｄ／Ａ変換器２の設定データとＤ／Ａ変換器の出力信号を比較することにより、Ｄ／Ａ変換器２の健全性を確認することができる。

診断サイクルの第２ステップでは、Ｄ／Ａ変換器２の設定データとして初期値Ｃを現在出力中のデータ−ｎで設定し、Ｃ＋１＝Ｄ，Ｄ＋１＝Ｆというように初期値に対して＋１ずつ設定データを順次増加させ、比較回路７ａの出力信号がロウレベルからハイレベルに変化する点を検知する。比較回路７ａの出力信号が変化した時に設定しているデータＨがフィードバック信号に相当するディジタルデータである。

このように、出力を保持した状態においてＤ／Ａ変換器の出力を変化させながら、Ｄ／Ａ変換器の出力とプラント側出力信号のフィードバック信号を比較していくと一致点を検出することができ、一致点を検出した時にＤ／Ａ変換器に設定したデータがフィードバック信号に対応するディジタルデータであり、Ｄ／Ａ変換器と同じ分解能を有するＡ／Ｄ変換器の機能を実現することができる。プラント側への出力用として設定したディジタル値は既知であり、これに対してフィードバック信号から検出したディジタル値を制御回路において誤差判定すると、出力信号のフィードバック診断ができる。又、比較回路から出力される状態信号はフィードバック信号の比較結果とＤ／Ａ変換器の診断結果であり、２ビットのディジタル信号となる。また、Ｄ／Ａ変換器や信号ホールド回路の制御信号を含めると１出力回路当り数本のディジタル信号で制御回路側との接続が可能となり、ディジタル信号部分での信号絶縁やデータ処理が容易になる。また、精度に影響を与え、実装スペースが大きいＡ／Ｄ変換器等のアナログ素子数を使用しなくてもよく、ディジタルインタフェースのアナログ出力回路モジュールがコンパクトに構成できる。

このようにして診断サイクルで、出力回路が正常であることが確認されると、出力更新サイクルに移行する。出力更新サイクルでは、Ｄ／Ａ変換器２の設定データを新規出力データに更新し、更新後に、信号線１３のホールド信号をロウレベルとすることにより信号ホールド回路３内のスイッチ回路５をオン状態とし、更新後の新規出力データをプラント機器１０に出力する。

図４は、図３で説明した診断サイクルの処理手順で、アナログ出力装置の制御回路内部で行う診断処理手順を示す流れ図である。第１ステップＳ１０では、Ｄ／Ａ変換器２の健全性の確認を行い、第２ステップＳ２０ではフィードバック診断を行う。

第１ステップＳ１０では、処理Ｓ１０１において、Ｄ／Ａ変換器２の設定データとして（基準電圧−α）のデータを設定後、比較回路７ｂの出力判定Ｓ１０２を実施し、期待値との相違を判定する。次に、処理Ｓ１０３では、Ｄ／Ａ変換器２の設定データとして（基準電圧＋α）のデータを設定後、比較回路７ｂの出力判定Ｓ１０４を実施し、期待値との相違を判定する。これらの期待値との相違を判定して、Ｄ／Ａ変換器２が正常動作するか否か健全性を判定する。

第２ステップＳ２０では、処理Ｓ２０１において、まず比較データの初期値として現出力データ−ｎを設定し、処理Ｓ２０２において比較データを書き込む、処理Ｓ２０３では比較回路７ａの出力が１か否かを判別する。比較回路７ａの出力が１でなければ、処理
Ｓ２０４において、初期値を１減算した数値を算出して処理Ｓ２０１に戻る。以下、処理Ｓ２０１から処理Ｓ２０３を繰り返し、フィードバック信号と比較するためにＤ／Ａ変換器２に設定する比較データを変化させて、Ｄ／Ａ変換器２の出力が１となればフィードバック信号であると判定する。比較回路７ａの出力により、処理Ｓ２０５においてフィードバックデータを決定し、処理Ｓ２０６においてフィードバックデータと現出力データの誤差判定を行い、処理Ｓ２０７で誤差許容範囲であれば処理を終了する。ここで、第１ステップ，第２ステップともに判定結果が異常の場合には、処理Ｓ３０によりエラー報告等の異常処理を行う。

以上説明したように、本実施例によれば、Ａ／Ｄ変換器を使用しなくてもコンパクトな回路構成でアナログ出力信号のフィードバック診断ができる。又、診断分解能は、アナログ出力回路に使用しているＤ／Ａ変換器と同等の性能を満足できる。また出力回路をディジタル信号部分で絶縁分離することにより、出力１点単位のモジュール化構成が容易となり、１点単位の診断と保守やプラント規模に応じた実装効率の向上を図ることが可能となる。

図５は、図１に示すアナログ出力装置を二重化構成にした例を示す構成図である。この例では、１つのプラント機器１０について、常用系の出力回路１１と待機系の出力回路
１１を設けている。２つの出力回路１１は、互いに絶縁されており、一方を常用系として使用し、他方を待機系として使用する。

常用系の電源回路９とプラント機器１０とは電線１８ａで、待機系の電源回路９とプラント機器１０とは電線１８ｂで接続され、常用系の電圧／電流変換回路４とプラント機器１０とは信号線３０ａで、待機系の電圧／電流変換回路４とプラント機器１０とは信号線３０ａで接続されている。

待機系の電源回路９の出力は、信号線の電源出力制御信号により電源断に設定されており、上述したように、診断回路の動作で、常用系の出力回路１１の異常が検出された場合は、出力系を常用系から待機系に切り換えることにより高信頼なアナログ出力回路を実現することが可能となる。

本発明の一実施例であるアナログ出力装置の回路構成図である。 図１に示すアナログ出力装置の出力回路部分をモジュール化したプラント側機器と接続し、プラント側機器と接続した例を示す斜視図である。 図１に示すアナログ出力装置の診断サイクルと出力更新サイクルにおける内部信号のタイミングを示す図である。 図３で説明した診断サイクルの処理手順で、アナログ出力装置の制御回路内部で行う診断処理手順を示す流れ図である。 図１に示すアナログ出力装置を二重化構成にした例を示す構成図である。

符号の説明

１…制御回路、２…Ｄ／Ａ変換器、３…信号ホールド回路、４…電圧／電流変換回路、５…スイッチ回路、６…コンデンサ、７ａ，７ｂ…比較回路、８…基準電圧回路、９…電源回路、１０…プラント機器、１１…出力回路、１２…絶縁回路、１３，１４，１５，
１６，１７，１８，１９，２０，２１，２３…信号線、２２…通信ライン、２４…アナログ出力装置、２５…制御回路モジュール、２６…電源モジュール、２７…出力回路モジュール。

Claims (5)

1. 制御回路と、該制御回路に接続された出力回路及び電源回路と、該電源回路に接続されたプラント機器とを有し、前記出力回路が、前記制御回路から設定されるディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器の出力側に接続され前記制御回路の信号により開閉制御されるスイッチ回路とコンデンサで構成した信号ホールド回路と、該信号ホールド回路の電圧を電流に変換する電圧／電流変換回路と、前記電圧／電流変換回路の電流フィードバック点から取り出した電圧信号とＤ／Ａ変換器の出力を入力する第１の比較器とを備えたアナログ出力装置。
2. 前記Ｄ／Ａ変換器の出力と基準電圧回路からの基準電圧を入力する第２の比較器とを備えた請求項１に記載のアナログ出力装置。
3. 診断サイクルにおいては制御回路から信号ホールド回路のスイッチをオフし、外部出力信号を保持した状態で、制御回路からのディジタル信号により電源回路を制御してプラント機器に供給される電力をフィードバックし、制御回路電圧／電流変換回路の電流フィードバック点から取り出した電圧信号とＤ／Ａ変換器の出力を第１の比較回路に入力し、該第１の比較回路へ入力する前記Ｄ／Ａ変換器の出力を変化させて前記Ｄ／Ａ変換器の出力がフィードバック電圧に等しくなる点を前記第１の比較回路の信号変化から検知してフィードバック電圧のディジタル値を決定し、出力更新サイクルにおいては制御回路からの更新データをＤ／Ａ変換器に設定後、信号ホールド回路のスイッチをオンさせて外部への出力信号更新を行うアナログ出力装置の診断方法。
4. 基準電圧回路の基準電圧と前記Ｄ／Ａ変換器の出力を基準電圧から一定値低い設定値と基準電圧から一定値高い設定値に切り換えて第２の比較回路に入力し、該第２の比較回路の出力変化により前記Ｄ／Ａ変換器の健全性を判別する請求項３に記載のアナログ出力装置の診断方法。
5. 前記制御回路からのディジタル信号を入力する出力回路の絶縁回路により前記Ｄ／Ａ変換器，電圧／電流変換回路、前記第１の比較回路もしくは第２の比較回路を含むアナログ回路を前記制御回路から絶縁分離すると共に、前記出力回路をディジタルインタフェースのモジュール構成とし、１出力回路単位で着脱可能としたアナログ出力装置。
   

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