JP2008108196A - 出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プロセッサからの出力設定状態を監視し、スイッチのオン／オフ診断相当の診断を実行する機能を備えた出力装置を実現する。
【解決手段】 電圧源より給電され、プロセッサよりインターフェイス部を介して与えられる出力設定に基づいてアナログ出力を外部機器に出力すると共に、その出力値を、前記インターフェイス部を介して前記プロセッサに読み返すアナログ信号処理部を具備する出力装置において、
前記インターフェイス部を前記アナログ信号処理部より切り離して前記インターフェイス部の状態を監視する、出力設定診断手段を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧源より給電され、プロセッサよりインターフェイス部を介して与えられる出力設定に基づいて出力を外部機器に出力すると共に、その出力値を、前記インターフェイス部を介して前記プロセッサに読み返す信号処理部を具備する出力装置であって、特に、安全計装システムの規格であるＳＩＬ３取得に必要な、高信頼性の診断機能とフェイルセイフ機能を持った出力装置に関するものである。

図３は、ＳＩＬ３規格を満たすために、プロセッサが二重化されたディジタル出力装置の構成例を示す機能ブロック図である。第１のプロセッサ１及び第２のプロセッサ２は、二重化システムを構成している。

プロセッサ２は、出力端Ｐ１，Ｐ２に接続された外部機器３に対して電圧源ＶＤＤよりカットオフスイッチ４を経由して給電されている出力スイッチ５をオンまたはオフに設定し、２値信号を外部機器３に与える。

カットオフスイッチ４はプロセッサ１により常時はオン状態とされ、異常時にはオフに操作される。このカットオフスイッチ４及び出力スイッチ５の状態は、夫々プロセッサ１及びプロセッサ２に読み返されて診断されている。

カットオフスイッチ４の診断は、電圧源ＶＤＤからの給電を断たないように、スイッチが並列に二重化され、設定信号を片側ずつオンオフ操作して動作状態を確認する。

出力スイッチ５の診断は、設定信号に高速の診断用パルス信号を重畳し、出力スイッチ５の高速にオンオフ操作して動作の状態を確認する。

尚、定常状態を妨げないでカットオフスイッチ４のオンオフ状態を確認する診断手法については、特許文献１に詳細な技術開示がある。
定常状態を妨げないで出力スイッチ５のオンオフ状態を確認する診断手法については、特許文献２に詳細な技術開示がある。
プロセッサの二重化による信頼性確保の手法については、特許文献３に詳細な技術開示がある。

両スイッチのオンオフ診断で、片方が固着していることが判明した場合でも、システムの異常時にはもう片方のスイッチにより外部機器３を電圧源ＶＤＤから確実に遮断できることを保障することができる。

図４は、プロセッサ２から外部機器３に出力される信号が、４〜２０ｍＡ等の電流信号である出力装置の構成例を示す機能ブロック図である。尚、プロセッサ１とカットオフスイッチ４の構成は、図３のディジタル出力装置の構成と同一である。

この出力装置は、マルチチャンネル構成になっており、電圧源ＶＤＤを共通とし、プロセッサ２からの出力設定で他の外部機器（図示せず）に出力電流を供給する他チャンネルの出力装置が配置されている。簡単のため、代表として１台の他チャンネル出力装置８が図示されている。

プロセッサ２の出力設定手段２１より指令される４〜２０ｍＡの出力設定値は、インターフェイス部６のＤ／Ａ変換器６１でアナログの出力設定値Ｖｉに変換され、アナログ信号処理部７に渡される。

アナログ信号処理部７において、出力設定値Ｖｉは、他チャンネルを切り換えるマルチプレクサ７１を介してコンデンサＣに保持され、演算増幅器７２に入力される。演算増幅器７２の出力は、トランジスタ素子７３の制御端子に接続される。

トランジスタ素子７３は、電圧源ＶＤＤからカットオフスイッチ４を介して出力端Ｐ１，Ｐ２間に接続された外部機器３に供給される出力電流Ｉ０を操作する。カットオフスイッチ４とトランジスタ素子７３の途中に電流検出抵抗７４が挿入されている。

トランジスタ素子７３と電流検出抵抗７４の接続点に発生する電圧は、出力電流Ｉ０に比例する値となるので、これをソース電流値Ｖｓとする。演算増幅器７２は、このソース電流値Ｖｓとプロセッサ１から与えられる出力設定値Ｖｉを入力し、その偏差に基づいてトランジスタ素子２４の制御端子の電位を操作し、Ｖｓ＝Ｖｉのフィードバック制御を実行する。

ソース電流値Ｖｓは、マルチプレクサ７５を介して、インターフェイス部６のＡ／Ｄ変換器６２に渡される。Ａ／Ｄ変換器６２は、ソース電流値Ｖｓをディジタル変換してプロセッサ２に読み返す。プロセッサ２に設けられた出力端診断手段２２は、出力設定手段２１で現在設定している出力設定値と読み返されたソース電流値Ｖｓとを比較し、出力端Ｐ１，Ｐ２間の断線診断を実行する。

他チャンネルの出力装置８は、マルチプレクサ７１及び７５により、インターフェイス部６のＤ／Ａ変換器６１及びＡ／Ｄ変換器６２を切り換えて共用しているが、アナログ信号処理部７のその他の構成要素は、同一要素をチャンネル毎に備える構成となっている。

特開２００６−２０８１５３

特開２００６−２０９６１８

特開２００６−２０９５２３

図３で説明したディジタル出力装置では、プロセッサ２からの出力設定は、出力スイッチ５をオン／オフ動作させる形態であり、この出力スイッチ５の診断は、出力設定の反対レベルの信号を高速にオン／オフして確認できる診断であり、遅延が少ないことから比較的簡単にできる。

しかしながら、図４で説明した出力装置では、プロセッサ２からの設定出力は、４〜２０ｍＡのようなリニアなアナログ出力であり、また、出力の応答も遅く過渡的になってしまう現象があり、ディジタル出力のようなスイッチのオン／オフ診断相当の診断ができない。

このために、アナログ出力の固着が起きたとしても検出することができない。カットオフスイッチ４も固着が起こった場合に、外部機器３を電圧源ＶＤＤより遮断することはできず、ディジタル出力装置と同等のフェイルセイフ機能を実現できない問題がある。

また、図４のように出力装置を多チャンネル構成とするとき、マルチプレクサ７１により、１つのＤ／Ａ変換器６１を共通に使用して出力設定を行う設計では、このＤ／Ａ変換器６１は全チャンネルの出力設定に共通な重要部分となるが、その診断手法が提供されていない問題がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、プロセッサからの出力設定状態を監視し、スイッチのオン／オフ診断相当の診断を実行する機能を備えた出力装置の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）電圧源より給電され、プロセッサよりインターフェイス部を介して与えられる出力設定に基づいてアナログ出力を外部機器に出力すると共に、その出力値を、前記インターフェイス部を介して前記プロセッサに読み返すアナログ信号処理部を具備する出力装置において、
前記インターフェイス部を前記アナログ信号処理部より切り離して前記インターフェイス部の状態を監視する、出力設定診断手段を備えることを特徴とする出力装置。

（２）前記電圧源と前記アナログ信号処理部との間に設けられたカットオフスイッチと、このカットオフスイッチの状態を監視するカットオフスイッチ診断手段とを備えることを特徴とする（１）に記載の出力装置。

（３）前記プロセッサは、異常時に前記外部機器に与える出力値を安全停止レベルにする出力設定の処理と、前記カットオフスイッチをオフにする処理の少なくとも一方の処理を実行することを特徴とする（２）に記載の出力装置。

（４）前記インターフェイス部と前記アナログ信号処理部との間に挿入されたバイパス部を備え、
前記出力設定診断手段は、診断時に、前記バイパス部により前記インターフェイス部の出力設定を、前記インターフェイス部の読み返し入力にバイパスさせることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の出力装置。

（５）前記出力設定診断手段は、診断時に、前記インターフェイス部が備えるＤ／Ａ変換器に任意の値を設定してその状態を診断することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の出力装置。

（６）前記出力設定診断手段は、診断時に、前記インターフェイス部が備えるＡ／Ｄ変換器からの読み返しによりその状態を診断することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の出力装置。

（７）前記出力設定診断手段は、前記外部機器の安全停止レベルの前記出力値を出力設定オフとみなし、前記外部機器の動作範囲の前記出力値を出力設定オンとみなして診断することを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の出力装置。

（８）前記プロセッサは、前記カットオフスイッチ診断手段を内在する第１のプロセッサと、前記出力設定診断手段を内在する第２のプロセッサにより二重化されていることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の出力装置。

（９）電圧源より給電され、プロセッサよりインターフェイス部を介して与えられる出力設定に基づいて出力を外部機器に出力すると共に、その出力値を、前記インターフェイス部を介して前記プロセッサに読み返す信号処理部を具備する出力装置において、
前記インターフェイス部を前記アナログ信号処理部より切り離して前記インターフェイス部の状態を監視する、出力設定診断手段を備えることを特徴とする出力装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
（１）Ｄ／Ａ変換器の出力設定をプロセッサ側に直接読み返して診断を行うことにより、外部機器に誤出力することなく、ディジタル出力装置にて行っていたパルス信号による出力設定のオン／オフ診断と同等の監視効果を期待できる。

（２）カットオフスイッチのオン／オフ診断及び出力設定のオン／オフ診断による二重化したオン／オフ診断の組み合わせによって、異常時に確実に外部機器を電圧源から遮断することが可能となり、ディジタル出力装置と同等のフェイルセイフ効果を期待できる。

（３）ルーチン的なオン／オフ診断だけでなく、Ｄ／Ａ変換器に任意の出力設定をして詳細診断を行うことができるので、プロセッサ側からの出力設定異常、固着異常を確実に診断する高機能な診断を実現できる。結果として、外部機器へ正しく出力させることを保障できる。

（４）更に、出力設定だけでなく、アナログ信号処理部の出力値を読み返えすためのＡ／Ｄ変換器によりＤ／Ａ変換器の出力設定を直接読み返すことで、読み返し側の診断を実行することができ、高機能診断を実現できる。

（５）カットオフスイッチの診断機能及びアナログ出力の診断機能構成と、プロセッサの二重化構成とを共に実現することで、ＳＩＬ３取得に必要な高機能の診断と、異常時のフェイルセイフ機能を出力装置において実現できる。

（６）多チャネル構成とするときに、コスト面や実装効率面、またはプロセッサなどの資源の制約上の要因でＤ／Ａ変換器を１つの構成とすることがある。この場合では、Ｄ／Ａ変換器は全チャネルに共通な部品となるので、高い信頼性が要求されることになるが、本発明によればＤ／Ａ変換器に対する任意の出力設定と診断を行うことで、高機能診断が可能となる。

（７）Ｄ／Ａ変換器の出力を、Ａ／Ｄ変換器の入力に接続するためのバイパス部は、簡単なスイッチ素子の追加で実現できるので、コストアップの問題はない。多チャネル構成の場合は、もともと１：Ｎ等のマルチプレクサを備えているので、このマルチプレクサの機能を使用してバイパスさせることも可能であり、更に低コストで装置を実現することができる。

（８）プロセッサは、異常時に外部機器に与える出力値を安全停止レベルにする出力設定の処理と、カットオフスイッチをオフにする処理の少なくとも一方の処理を実行する。これによって、ＳＩＬ３取得に必要な異常時のフェイルセイフ機能を出力装置において実現できる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した出力装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図４で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図４の従来装置に追加された本発明の特徴部は、インターフェイス部６とアナログ信号処理部７との間に挿入されたバイパス部１００及びプロセッサ２内に設けられた出力設定診断手段２００の構成である。

バイパス部１００は、Ｄ／Ａ変換器６１の出力をマルチプレクサ７１の入力から切り離すスイッチ１０１と、Ａ／Ｄ変換器６２の入力をマルチプレクサ７５の出力から切り離すと共に、Ｄ／Ａ変換器６１の出力を入力する切り換えスイッチ１０２よりなる。

バイパス部１００のスイッチ１０１，１０２は、定常の出力設定では図示の切り換え状態にあり、Ｄ／Ａ変換器６１の出力をマルチプレクサ７１の入力に接続すると共に、Ａ／Ｄ変換器６２の入力をマルチプレクサ７５の出力に接続しているが、診断時には、出力設定診断手段２００からのバイパス指令信号で切り換え操作され、インターフェイス部６の出力設定をインターフェイス部の読み返し入力にバイパスさせる。

設定診断手段２００は、診断時には、バイパス指令信号をバイパス部１００に与えてインターフェイス部６の出力設定をインターフェイス部の読み返し入力にバイパスさせた状態で、出力設定手段２１に診断設定指令し、Ｄ／Ａ変換器６１に対して診断用の出力設定を実行する。

設定診断手段２００は、出力設定指令による診断用の出力設定の値と、これをＡ／Ｄ変換器６２で読み返した値を入力し、インターフェイス部６の状態を監視する診断を実行すし、出力設定をオフにしたいときに確実にオフにできることを確認する。

診断時には、バイパス部１００のスイッチ１０１，１０２によってアナログ信号処理部７とは切り離されるので、アナログ信号処理部７の定常動作、並びにアナログ出力値を、インターフェース部６を介してプロセッサ２に読み返す出力端診断手段２２にの診断機能には影響を与えることはない。
定常動作に影響を与えない理由は、コンデンサCによって、一定時間出力設定が保持されるためである。

設定診断手段２００は、出力設定のオン／オフ診断において外部機器３の安全停止レベルのアナログ出力値を出力設定オフとみなし、外部機器３の動作範囲のアナログ出力値を出力設定オンとみなして診断することができる。

例えば、アナログ出力が所定の基準範囲をもつ４〜２０ｍＡの直流電圧または１〜５Ｖの直流電圧の場合、基準範囲の下限値４ｍまたは１Ｖ以下の出力設定を出力設定オフ、基準範囲内の所定の電流値または電圧値を出力設定オンとみなすオン／オフ診断を実行することができる。

外部機器３の安全停止レベルが０Ｖで、これを中心に正負の所定範囲の電圧信号で駆動される場合には、０Ｖの出力設定を出力設定オフ、所定電圧の出力設定を出力設定オンとみなすオン／オフ診断を実行することができる。

設定診断手段２００は、このようなルーチン的なオン／オフ診断に加えて、Ｄ／Ａ変換器６１に任意の出力設定を指令して詳細診断を行うことができるので、プロセッサ２側からの出力設定異常、固着異常を確実に診断する高機能診断を実現することができる。

設定診断手段２００は、出力設定だけでなく、アナログ信号処理部の出力値を読み返すためのＡ／Ｄ変換器６２によりＤ／Ａ変換器６１の出力設定を読み返すことで、読み返し側の診断を実行することができ、高機能診断を実現することができる。

設定診断手段２００は、インターフェイス部６のＤ／Ａ変換器６１、Ａ／Ｄ変換器６２の診断だけではなく、必要に応じて、プロセッサ内部の出力設定データを格納するメモリ、Ｄ／Ａ変換器に出力設定を行うための通信資源及びその通信経路の異常、更に、プロセッサ内部の読み返しデータを格納するメモリ、読み返しを行うための通信資源及びその通信経路の異常についても診断することができる。

本発明ではプロセッサが二重化されており、互いに状態を監視している。
プロセッサ１が暴走した場合は、カットオフスイッチ４をオフすることができなくなる場合があるが、この異常状態をプロセッサ２により監視し出力設定でオフすることができる。
また、プロセッサ２が暴走した場合は、出力設定でオフすることができなくなる場合があるが、この異常状態をプロセッサ１により監視しカットオフスイッチ４をオフすることができる。
つまり、プロセッサ１，２がどちらかが制御不能状態に陥っても、もう片方のプロセッサからそれぞれのスイッチをオフできるので、高機能なフェイルセイフ効果を期待できる。

プロセッサ１，２は、異常時に外部機器３に与える出力値を安全停止レベルにする出力設定の処理と、カットオフスイッチ４をオフにする処理の少なくとも一方の処理を実行する構成になっている。これによって、ＳＩＬ３取得に必要な異常時のフェイルセイフ機能をアナログ出力装置において実現した。

図２は、本発明の他の実施形態を示す出力装置の機能ブロック図である。この実施形態の特徴は、図１で説明した診断機能に追加して、バイパス部１００のスイッチ資源を利用して、インターフェイス部６を擬似負荷（または回路）９が接続されたアナログ信号処理部１０に接続し、フィールド側のバルブ機器等と同等の擬似負荷９に対するランプ応答等の出力設定を行うことで、外部機器の特性をシミュレートする環境を提供したものである。

切り換えスイッチ１０２は、アナログ信号処理部１０をＡ／Ｄ変換器６２の入力に接続する切り換え機能が追加されると共に、Ｄ／Ａ変換器６１の出力をアナログ処理部１０に入力するスイッチ１０３が新設されている。図示の各スイッチは、シミュレート時の切り換え状態を示している。

実施形態では、出力設定診断手段２００をプロセッサ２内に形成してソフトウェア処理する実施例を示したが、プロセッサ２外においてハードウエア手段により診断機能を実現する構成とすることも可能である。

実施形態では、外部機器３としてプラントの操作端で使用されるバルブを例示したが、これに限定されるものではなく、電流または電圧のアナログ出力により駆動される機器一般に本発明を適用することができる。

実施形態では、アナログ信号の出力装置を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ディジタル信号の出力装置に適用してもよい。本発明は、信号処理部と外部機器の部分が制御対象に影響を及ぼす構成に適用できる。

本発明を適用した出力装置の実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明の他の実施形態を示す出力装置の機能ブロック図である。 プロセッサが二重化されたディジタル出力装置の構成例を示す機能ブロック図である。 プロセッサが二重化された出力装置の構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 第１のプロセッサ
２ 第２のプロセッサ
２１ 出力設定手段
２２ 出力端診断手段
３ 外部機器
４ カットオフスイッチ
６ インターフェイス部
６１ Ｄ／Ａ変換器
６２ Ａ／Ｄ変換器
７ アナログ信号処理部
７１、７５ マルチプレクサ
７２ 演算増幅器
７３ トランジスタ素子
７４ 電流検出抵抗
８ 他チャンネル出力装置
１００ バイパス部
１０１ スイッチ
１０２ 切り換えスイッチ
２００ 出力設定診断手段

Claims (9)

1. 電圧源より給電され、プロセッサよりインターフェイス部を介して与えられる出力設定に基づいてアナログ出力を外部機器に出力すると共に、その出力値を、前記インターフェイス部を介して前記プロセッサに読み返すアナログ信号処理部を具備する出力装置において、
   前記インターフェイス部を前記アナログ信号処理部より切り離して前記インターフェイス部の状態を監視する、出力設定診断手段を備えることを特徴とする出力装置。
2. 前記電圧源と前記アナログ信号処理部との間に設けられたカットオフスイッチと、このカットオフスイッチの状態を監視するカットオフスイッチ診断手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の出力装置。
3. 前記プロセッサは、異常時に前記外部機器に与える出力値を安全停止レベルにする出力設定の処理と、前記カットオフスイッチをオフにする処理の少なくとも一方の処理を実行することを特徴とする請求項２に記載の出力装置。
4. 前記インターフェイス部と前記アナログ信号処理部との間に挿入されたバイパス部を備え、
   前記出力設定診断手段は、診断時に、前記バイパス部により前記インターフェイス部の出力設定を、前記インターフェイス部の読み返し入力にバイパスさせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の出力装置。
5. 前記出力設定診断手段は、診断時に、前記インターフェイス部が備えるＤ／Ａ変換器に任意の値を設定してその状態を診断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の出力装置。
6. 前記出力設定診断手段は、診断時に、前記インターフェイス部が備えるＡ／Ｄ変換器からの読み返しによりその状態を診断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の出力装置。
7. 前記出力設定診断手段は、前記外部機器の安全停止レベルの前記出力値を出力設定オフとみなし、前記外部機器の動作範囲の前記出力値を出力設定オンとみなして診断することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の出力装置。
8. 前記プロセッサは、前記カットオフスイッチ診断手段を内在する第１のプロセッサと、前記出力設定診断手段を内在する第２のプロセッサにより二重化されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の出力装置。
9. 電圧源より給電され、プロセッサよりインターフェイス部を介して与えられる出力設定に基づいて出力を外部機器に出力すると共に、その出力値を、前記インターフェイス部を介して前記プロセッサに読み返す信号処理部を具備する出力装置において、
   前記インターフェイス部を前記アナログ信号処理部より切り離して前記インターフェイス部の状態を監視する、出力設定診断手段を備えることを特徴とする出力装置。

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