JP2008210006A - アナログ出力デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】出力指令値が連続して変化し続ける状況であっても、精度よく診断が可能なリードバック診断機能を具備したアナログ出力デバイスを得る。
【解決手段】上位ＣＰＵからの信号を受信してディジタルの出力指令値を出力すると共に、この出力指令値をアナログ信号に変換して出力する出力指令部１と、前記アナログ信号を取り込み、ディジタル値に変換して今回のリードバック信号として出力するリードバック回路５と、前回出力指令値と前回リードバック値に基づいて、リードバック信号の判定基準値を生成する判定値生成部Ｓ、及び、リードバック回路からの今回のリードバック値と判定基準値とを比較し、今回のリードバック値が、前回出力指令値と前回リードバック値とで設定された前記判定基準値の範囲内であれば正常と判定するリードバック診断部４を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばプラント制御用の電圧や電流を出力するアナログ出力機能を有するアナログ出力デバイスに関し、特に、リードバック信号による診断機能を備えたアナログ出力デバイスに関するものである。

従来のアナログ出力デバイスにおける出力信号のリードバック診断は、出力指令値とリードバック値を比較し，その差が許容範囲内でなければ異常と判断する。
リードバックはフィルタを介して行うため、出力指令値に対してリードバック値は遅れがあり、出力指令値変化後、ある期間は上記診断を実施せず，出力指令値が一定値となり、ある期間経過するとリードバック診断を実施する。（例えば、特許文献１参照）

特開平３−１２３８１８号公報（第1図）

従来の技術では、出力指令値が変動した後しばらくは出力指令値とリードバック値は一致しないため、出力指令値変動後十分時間が経過した後にリードバック診断を行っており、
出力指令値がある期間一定でなければリードバック診断を行うことができず、従って、出力指令値が連続して変化し続けるような状況では、アナログ出力デバイスのリードバック診断ができないという問題点を有するものであった。

この発明は、上記のような従来の問題点を解消するためになされたもので、出力指令値が連続して変化し続ける状況であっても、誤検知することなく、精度よく診断が可能なリードバック診断機能を具備したアナログ出力デバイスを提供することを目的とする。

この発明に係わるアナログ出力デバイスは、上位ＣＰＵ（中央演算処理装置）からの信号を受信してディジタル値の出力指令値を出力すると共に、この出力指令値をアナログ信号に変換してアナログ出力部を介して対象機器に出力する出力指令部、対象機器へ出力される前記アナログ信号をアナログ入力部を介して読み込み、ディジタル値に変換して今回のリードバック信号として出力するリードバック回路、前記出力指令部が出力したディジタル出力指令値を前回出力指令値として保存する第１の保存領域（前回出力指令値領域）と、前記リードバック回路が出力するリードバック信号を前回リードバック値として保存する第２の保存領域（前回リードバック値領域）を有し、この前回出力指令値と前回リードバック値に基づいて、リードバック信号の判定基準値を生成する判定値生成部、および、前記リードバック回路からの今回のリードバック値と前記判定基準値とを比較し、今回のリードバック値が、前回出力指令値と前回リードバック値とで設定された前記判定基準値の所定範囲内であれば正常と判定するリードバック診断部を備えたものである。

この発明のアナログ出力デバイスによれば、前回リードバック値と前回出力指令値を基にリードバック値を予測することで、出力指令値変動の大きさに合わせて判定値の幅が変化するため、出力が連続して変動を続ける状況でも、誤検知無く、且つ、精度良くリードバック診断が可能なアナログ出力デバイスを得ることができる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１であるアナログ出力デバイスとしてのアナログ出力カードの要部を示す説明図で、上位ＣＰＵ（中央演算処理装置）からの信号を受信してから、対象機器へアナログ信号を出力し、ＡＩ部（アナログ入力部）から読み込んだリードバック値を診断するまでの流れを図示したものである。
図１において、１はアナログ出力カードの出力指令部で、上位ＣＰＵからの信号を受信してディジタル値の出力指令値１−１を出力すると共に、この出力指令値１−１をアナログ信号に変換してＡＯ部（アナログ出力部）を介して図示しない対象機器にアナログ信号を出力する。Ｓは、リードバック診断の判定基準値を算出する判定値生成部であって、前回のリードバック値１−２を保存する前回リードバック値領域２、および、前回の出力指令値１−３を保存する前回出力指令値領域３を有している。
４は、今回のリードバック値が正常か否かを判定するリードバック診断部、５は、対象機器へ出力されるアナログ信号をＡＩ部を介して読み込み、ディジタル値に変換して今回のリードバック信号として出力するリードバック回路で、１−５は今回のリードバック値である。

次に動作について説明する。
（１） 上位ＣＰＵから信号を受信する出力指令部１は、出力指令値１−１のディジタル値をアナログ信号に変換し、カード外部へ出力するとともに、判定値生成部Ｓの前回出力指令値領域３にディジタル出力指令値１−１を入力し、前回出力指令値領域３でこれを保存する。
（２） ＡＩ部が読み込んだアナログ出力カードの出力信号であるアナログ信号を、リードバック回路５でディジタル値に変換し、このディジタル値に変換した値を今回のリードッバック値１−５として、リードバック診断部４に入力する。また、このリードッバック値１−５は判定値生成部Ｓの前回リードバック値領域２に供給され、前回リードバック値１−２として保存される
（３） リードバック診断部４は、判定値生成部Ｓの前回出力指令値１−３と前回リードバック値１−２、及び、リードバック回路５の今回のリードッバック値１−５を用いてリードバック診断を行う。
このときの判定基準は、今回のリードッバック値１−５が、前回リードバック値１−２と前回出力指令値１−３の間の値であるか否かをチェックするものであり、
＜出力指令値上昇時＞は、
（１−２）≦（１−５）≦（１−３）
＜出力指令値下降時＞は、
（１−３）≦（１−５）≦（１−２）
の範囲内であれば正常と診断するものである。

以上のように、この発明の実施の形態１のアナログ出力デバイスによれば、前回リードバック値と前回出力指令値を基にリードバック値を予測する（判定基準値を設定する）ことで、出力指令値変動の大きさに合わせて判定値の幅が変化するため、出力指令値が大きく変動している時は判定がゆるくなり、変動が小さい時は判定がきつくなる。そのため、出力が連続して変動を続ける状況でも、誤検知無く、且つ、出力の変動が小さい状況では精度良くリードバック診断が出来るという特徴がある。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図２に基づいて説明する。
図２は、アナログ出力デバイスとしてのアナログ出力カードの要部を示す説明図であり、図中、図１との同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとする。
図２において、この実施の形態２が実施の形態１と異なるところは、リードバック値の遅れを１次遅れとみなし、判定値生成部Ｓが、前回の出力指令値２−３と前回のリードバック値２−２から、一次遅れの上下限値より今回のリードバック予測値（リードバック判定上下限値）２−４を生成し、この予測値（上下限値）２−４と今回のリードバック値２−６と比較した結果が予測値の許容範囲内の差であれば、正常と判断するようにしたことである。

以下、判定値生成部Ｓで生成した予測値（上下限値）２−４を利用したリードバック診断方法について詳述する。また、この時の出力指令値、リードバック値、一次遅れのリードバック予測値（リードバック判定上下限値）のイメージ図を図５に示す。

（１） 実施の形態１と同様に、上位ＣＰＵから信号を受信する出力指令部１は、出力指令値２−１のディジタル値をアナログ信号に変換し、カード外部へ出力すると共に、判定値生成部Ｓの前回出力指令値領域３にディジタル出力指令値２−１を入力し、前回出力指令値領域３でこれを保存する。
（２） ＡＩ部が読み込んだアナログ出力カードの出力信号であるアナログ信号を、リードバック回路５でディジタル値に変換し、このディジタル値に変換した値を今回のリードッバック値２−６とする。
判定値生成部Ｓは、出力指令部１の出力した前回の出力指令値２−３と、ＡＩ部が読み込んだ前回の出力リードバック値２−２から、一次遅れの上下限値より今回のリードバック予測値（リードバック判定上下限値）２−４を生成する。リードバック診断部４Ａにおいて、今回のリードバック値２−６と比較した結果が、予測値（判定上下限値）２−４の許容範囲内の差であれば、正常と判断する。

以下にリードバック診断の判定式導出について説明する。
出力指令値はメインＣＰＵの演算周期毎にステップ的に変化するため、リードバック値の遅れを1次遅れとみなす。
ステップ応答の1次遅れは以下の通り表される。

ここで、
ｃ：入出力カードの演算周期、Ｔ：リードバック回路の時定数
Bot：出力指令値のステップ変化前の値、Top：出力指令値のステップ変化後の値
Out1：出力指令値がステップ変化後、t1時間経過(インテリジェントＩＯの演算周期
数周期経過)した時点のリードバック値
Out2：出力指令値がステップ変化後、t1+c時間経過した時点のリードバック値
とすれば、リードバック値Out1とOut2は以下の通り表される。

上記の通り、(Out2−Out1)／(Top−Out1)は、リードバック回路の時定数ＴとＩＯの演算周期ｃをハ゜ラメータとする固定値であるため、定数Ｋとする。
以上より、Out2 ＝ (Top−Out1) K＋Out1と算出される。
また、定数Ｋには下記の考慮が必要である。
・時定数とその精度／温度ドリフト
・適用コンデンサの精度／温度ドリフト
・適用抵抗の精度／温度ドリフト
・電圧出力のリードバック値は接続された負荷による遅れ
・アナログ電圧出力回路／アナログ電流出力回路の時定数と演算周期

よって、リードバック診断の判定式は以下の通りとなる。
（前OD−前RBが０以上の場合）
リードバック値＜｛［(前OD−前RB)×KS］ + 前RB か 前RBの許容範囲 の小さい方｝
リードバック値＞{[(前OD−前RB)×KF] + 前RB か 前RBの許容範囲 の大きい方}
（前OD−前RBが０未満の場合）
リードバック値＜{[(前OD−前RB)×KF] + 前RB か 前RBの許容範囲 の小さい方}
リードバック値＞{[(前OD−前RB)×KS] + 前RB か 前RBの許容範囲 の大きい方}
ここで、
前OD：前回出力指令値
前RB：前回リードバック値
KS：応答が遅い側の係数
KF：応答が速い側の係数
である。

図５に示すように、実施の形態１の場合では、リードバック診断の判定値がｃになるのに対し、実施の形態２においては、上記手法を用いることでリードバック予測値の間(ａもしくはｂ)になり、リードバック値が、リードバック予測値の速い側と遅い側の間であれば正常と判断する。このことから実施の形態２においては、判定値に対して応答の遅れを考慮することで、出力が連続して変動する状況でも、実施の形態1よりも精度良く診断が出来るという特徴がある。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３のアナログ出力カードの要部を示す説明図である。
なお、図中、図２との同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとし、重複説明は省略する。
この実施の形態３が実施の形態２と異なるところは、図３において、ＡＩ部が読み込んだアナログ信号に対し、ノイズ等の外部要因で値が変動した場合を考慮し、リードバック回路５の前段に、過去の一定範囲内のリードバック平均値を算出し移動平均処理を行うＳ／Ｗフィルタ７を設け、このＳ／Ｗフィルタ７のアナログ信号３−７をリードバック回路５でディジタル値に変換した値を今回のリードッバック値３−６とするよう構成したことである。

この実施の形態３の動作は、実施の形態２と同様であり、判定値生成部Ｓは、出力指令部１の出力した前回の出力指令値３−３とＡＩ部が読み込んだ前回の出力リードバック値３−２から、一次遅れの上下限値より今回のリードバック予測値（リードバック判定上下限値）３−４を生成し、リードバック診断部４Ａにおいて、今回のリードバック値３−６と比較した結果が判定値生成部Ｓで生成した判定値３−４の許容範囲内の差（図５に示すリードバック予測値内（aもしくはｂ）であれば、正常と判断する

ここで、実施の形態３においては、上記の通り、Ｓ／Ｗフィルタ７を設け、アナログリードバック信号の移動平均処理を行うため、実施の形態２に比し、ノイズへの耐力ができるため、外部要因で値が変動する状況でも誤検知なく診断することが出来るという特徴がある。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４のアナログ出力カードの要部を示す説明図である。
なお、図中、図３との同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとし、重複説明は省略する。
この実施の形態４が実施の形態３と異なるところは、図４において、リードバック診断部４Ｂに、ノイズ等の外部要因でリードバック値が変動した場合を考慮し、リードバック診断を一定回数実施するリトライカウントを設けた点である。

この実施の形態４の動作は、基本的には実施の形態３と同様であり、上位ＣＰＵから信号を受信する出力指令部１の出力指令値４−１は、ディジタル値をアナログ信号に変換されカード外部へ出力されるとともに、判定値生成部Ｓの前回出力指令値領域３に入力され、前回出力指令値としてディジタル値が保存される。
ＡＩ部が読み込んだアナログ信号に対し、対ノイズ性を考慮し過去の一定範囲内のリードバック平均値を算出するＳ／Ｗフィルタ７を通した後、リードバック回路５でディジタル値に変換した値を今回のリードッバック値４―６とする。
判定値生成部Ｓは、出力指令部１の出力した前回の出力指令値４−３とＡＩ部が読み込んだ前回の出力リードバック値４−２から、一次遅れの上下限値より今回のリードバック予測値（リードバック判定上下限値）４−４を生成し、今回のリードバック値４−６と比較した結果が判定値生成部Ｓで生成した判定値４−４の許容範囲内の差（図５に示すリードバック予測値内（ａもしくはｂ）であれば、正常と判断する。

ここで、実施の形態４においては、ノイズ等の外部要因でリードバック値が変動した場合を考慮し、継続した異常を検知するためのリトライカウントをリードバック診断部４Ｂ
に設け、リードバック診断部４Ｂにおけるリードバック診断を一定回数実施するようにしている。
従って、この実施の形態４によれば、実施の形態３に比し、より一層ノイズへの耐力ができ、外部要因で値が変動する状況でも誤検知なく、且つ精度良く診断することが出来るという特徴がある。

この発明の実施の形態１におけるアナログ出力カードの要部を示す説明図である。 この発明の実施の形態２におけるアナログ出力カードの要部を示す説明図である。 この発明の実施の形態３におけるアナログ出力カードの要部を示す説明図である。 この発明の実施の形態４におけるアナログ出力カードの要部を示す説明図である。 この発明の実施の形態２〜４における出力指令値、リードバック値、一次遅れのリードバック予測値（上下限判定値）のイメージ図である。

符号の説明

１ 出力指令部、Ｓ 判定値生成部、２ 前回リードバック値領域、
３ 前回出力指令値領域、４、４Ａ、４Ｂ リードバック診断部、
５ リードバック回路、７ Ｓ／Ｗフィルタ

Claims (5)

1. 上位ＣＰＵ（中央演算処理装置）からの信号を受信してディジタル値の出力指令値を出力すると共に、この出力指令値をアナログ信号に変換してアナログ出力部を介して対象機器に出力する出力指令部、対象機器へ出力される前記アナログ信号をアナログ入力部を介して読み込み、ディジタル値に変換して今回のリードバック信号として出力するリードバック回路、前記出力指令部が出力したディジタル出力指令値を前回出力指令値として保存する第１の保存領域（前回出力指令値領域）と、前記リードバック回路が出力するリードバック信号を前回リードバック値として保存する第２の保存領域（前回リードバック値領域）を有し、この前回出力指令値と前回リードバック値に基づいて、リードバック信号の判定基準値を生成する判定値生成部、および、前記リードバック回路からの今回のリードバック値と前記判定基準値とを比較し、今回のリードバック値が、前回出力指令値と前回リードバック値とで設定された前記判定基準値の所定範囲内であれば正常と判定するリードバック診断部を備えたことを特徴とするアナログ出力デバイス。
2. 前記判定値生成部は、前回出力指令値と前回リードバック値とで判定基準範囲を設定し、前記リードバック診断部は、今回のリードバック値が前回出力指令値と前回リードバック値の間にあれば正常と判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のアナログ出力デバイス。
3. 前記判定値生成部は、前回出力指令値と前回リードバック値から、以下の算式に基づいて、一次遅れの今回のリードバック予測値（リードバック判定上下限値）を算出し、前記リードバック診断部は、今回のリードバック値が前記予測値（上下限値）の許容範囲内であれば正常と判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のアナログ出力デバイス。
   今回のリードバック予測値＝（前ＯＤ−前ＲＢ）×Ｋ＋前ＲＢ
   
   但し、前ＯＤ：前回出力指令値、前ＲＢ：前回リードバック値
   Ｋ：リードバック回路の時定数とアナログ出力デバイスの処理周期
   で決定される係数
4. 前記リードバック回路の前段に、読み込んだアナログ信号に対して移動平均処理を行うＳ／Ｗフィルタを設けたことを特徴とする請求項３に記載のアナログ出力デバイス。
5. 前記リードバック診断部に、リードバック値を判定する際に診断を複数回数実施するリトライカウントを追加したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のアナログ出力デバイス。

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