JP2012211600A - ポジショナ - Google Patents

Abstract

【課題】一般的な電流入力型のポジショナに対する簡単な変更で、負荷抵抗を接続せずに電圧源側に接続しても過大電流が流れることがなく、また通信も支障なく行うことが可能な安価な構成の電圧入力型のポジショナを提供する。
【解決手段】通信回路１−２の前段に電圧電流変換回路１−５を設ける。電圧電流変換回路１−５には過電流防止回路ＣＢが組み込まれている。電圧電流変換回路１−５は、直流の電圧信号Ｖを直流の電流信号に変換し、交流の電圧信号Ｖｆを交流の電流信号に変換する。また、電圧電流変換回路１−５は、ポジショナ１Ｃが負荷抵抗６を接続せずに電圧源側に誤って接続されたような場合、内部回路へ流れようとする過大電流を所定の電流値以下（例えば、３０ｍＡ以下）に抑える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、上位側システムより一対の電線を介して直流の電気信号を受け、この直流の電気信号から自己の動作電源を生成する一方、その直流の電気信号の値に応じて調節弁の開度を制御するポジショナに関するものである。

従来より、この種のポジショナは、上位側システムより一対の電線を介して送られてくる４〜２０ｍＡの電流（直流の電流信号）で動作するように設計されている。例えば、調節弁を比例弁とし、上位側システムより４ｍＡの電流が送られてきた場合には比例弁の開度を０％とし、２０ｍＡの電流が送られてきた場合には比例弁の開度を１００％とする。

この場合、上位側システムからの供給電流は４ｍＡ（下限電流値）から２０ｍＡ（上限電流値）の範囲で変化するので、ポジショナの内部回路は上位側システムから供給される電流値として常に確保することの可能な４ｍＡ以下の電流より自己の動作電源を生成する。

ポジショナには上位側システムから調節弁に対する設定開度値が入力される。また、開度センサを介して調節弁の実開度値も得られる。したがって、ポジショナでは、調節弁の設定開度値と実開度値との関係を演算することによって、調節弁の異常診断や自己の異常診断などが可能である。このような異常診断機能をポジショナに設ければ、別途異常診断装置を設けなくてもよく、低コストでシステムの機能アップを図ることが可能となる（例えば、特許文献１参照）。

このような理由から、近年、ポジショナには、調節弁の弁開度制御という本来の機能に加えて、弁開度発信機能や調節弁の異常診断や自己の異常診断などの結果を上位側システムへ送信する機能を有するポジショナが提案されている。図８に上位側システムとの間の通信機能を有するポジショナを用いたシステムの要部の構成を示す。

図８において、１はポジショナ、２はポジショナ１と２線式の伝送路（一対の電線）Ｌ１，Ｌ２を介して接続された上位装置、３は伝送路Ｌ１，Ｌ２間に必要に応じて接続される通信装置、４は上位側システム、５は調節弁（比例弁）である。ポジショナ１は、本体回路１−１と、通信回路１−２と、定電圧回路１−３とを備えている。なお、この例の場合、上位側システム４は、上位装置２と通信装置３とで構成されている。

このシステムにおいて、上位装置２は、伝送路Ｌ１，Ｌ２を介して、４〜２０ｍＡの直流の電流信号Ｉをポジショナ１へ送る。ポジショナ１において、定電圧回路１−３は、上位装置２から送られてくる直流の電流信号Ｉより定電圧Ｖｐｏｓを生成し、通信回路１−２や本体回路１−１へ供給する。本体回路１−１は、上位装置２から送られてくる直流の電流信号Ｉの値に応じて、比例弁５の開度を制御する。また、比例弁５の異常診断や自己の異常診断などを行う。

通信装置３は、ポジショナ１への直流の電流信号Ｉに、通信用の交流の電流信号Ｉｆを重畳させる。ポジショナ１において、通信回路１−２は、電流入力型の通信回路であり、直流の電流信号Ｉに重畳されている交流の電流信号Ｉｆを抽出し、この交流の電流信号Ｉｆによって通知される通信装置３からの指令やデータを本体回路１−１へ伝える。また、通信回路１−２は、伝送路Ｌ１，Ｌ２の線間電圧を変化させることによって、本体回路１−１からの比例弁５の異常診断結果や自己の異常診断結果を通信装置３へ伝える。このような通信方式は特許文献２に開示されている。

ところで、最近では、比例弁のみならず、オン／オフ弁でも異常診断を行いたいという要求があり、ポジショナが適用される場合も見られる。但し、オン／オフ弁は全開と全閉の２位置制御でよいので、通常は電磁弁が使用されるのが一般的であり、またその電磁弁を動作させるために一対の電線からは直流の電圧信号（通常、０〜２４Ｖ）が入力されるようになっている。そこで、このようなオン／オフ弁の弁開度を制御するポジショナの内部回路は電圧入力対応にする必要がある。

例えば、特許文献２において、一方の通信装置をポジショナ、他方の通信装置を上位装置とすれば、上位装置からは所定の範囲で変動する直流の電圧信号に通信用の交流の電圧信号を重畳させてポジショナ側に送信し、ポジショナ側は上位装置から受信した電圧信号のうち直流の電圧信号を抽出して、この直流の電圧信号の値に基づいて調節弁の開度を制御するとともに、上位装置へ帰還する線路電流を変化させることで、上位装置側に弁開度や異常診断結果を伝えることができる。この場合、ポジショナは、電圧入力対応となり、オン／オフ弁への適用が可能となる。また、上位側システムの電源を電流出力タイプ（ＡＯ：アナログアウトプット）ではなく、電圧出力タイプ（ＤＯ：デジタルアウトプット）として、比例弁の開度を制御することも可能となる。

なお、電圧出力タイプの電源を供給する方式は、フィールドバス方式と呼ばれており（例えば、特許文献３参照）、例えば９〜３２Ｖの電圧を上位側システムより供給する。
また、以下では、直流の電流信号を入力するタイプのポジショナを電流入力型のポジショナと呼び、直流の電圧信号を入力するタイプのポジショナを電圧入力型のポジショナと呼ぶ。

この場合、ポジショナを製造供給するメーカは、上位側システムとの間の通信機能を確保しつつ、オン／オフ弁に対応したり、フィールドバス方式に対応したりするために、電流入力型のポジショナと電圧入力型のポジショナの２機種を用意しなければならず、製造上の負担となる。また、電圧入力型のポジショナは、一般的な電流入力型のポジショナとは異なるものとして用意しておかなければならないので、高価となる。

そこで、この負担を解消すべく、１機種で、アナログ伝送路からの電流入力にもフィールドバス伝送路からの電圧入力にも対応することが可能な兼用型のポジショナが特許文献４に開示されている。この兼用型のポジショナでは、アナログ伝送路と接続するインタフェース回路（Ｉ／Ｖブロック）と、フィールドバス伝送路と接続するインタフェース回路（ＦＢブロック）とを設け、このＩ／ＶブロックとＦＢブロックとを必要に応じて切り替えて使用するようにしている。

特開平１−１４１２０２号公報 特開昭６１−０７０８２７号公報 特開２００４−２２６０９２号公報（特許第４１８５３６９号） 特開２００２−３６７０６９号公報

しかしながら、特許文献４に開示されている兼用型のポジショナでは、Ｉ／ＶブロックとＦＢブロックとを別個に設けなければならず、その構成が複雑となって、電流入力型のポジショナや電圧入力型のポジショナよりも高価になってしまうという問題がある。

そこで、本出願人は、図８に示した電流入力型のポジショナ１（１Ａ）において、通信回路１−２の前段に固定抵抗器１−４（図９参照）を設けることを考えた。なお、このポジショナ１（１Ｂ）を用いたシステムにおいて、上位側装置２（２Ｂ）は直流の電圧信号Ｖをポジショナ１Ｂへ送る。また、通信装置３（３Ｂ）はポジショナ１Ｂへの直流の電圧信号Ｖに通信用の交流の電圧信号Ｖｆを重畳させる。また、調節弁５（５Ｂ）は、電磁弁（オン／オフ弁）とする。

このポジショナ１Ｂでは、上位装置２Ｂからの直流の電圧信号Ｖが抵抗値ｒの固定抵抗器１−４で電流に変換され、本体回路１−１へ送られる。これにより、本体回路１−１は、固定抵抗器１−４で変換された電流の値、すなわち直流の電流信号Ｖ／ｒの値に基づいて、調節弁５Ｂの開閉を制御する。なお、ラインＬ１には、電圧源側への通信信号の侵入を防ぐために、固定抵抗器１−４の抵抗値ｒよりも大きい負荷抵抗６を設ける。また、固定抵抗器１−４の抵抗値ｒは小さくし、交流の電圧信号Ｖｆを電流の変化に変換する。

しかし、このようなポジショナ１Ｂでは、負荷抵抗６を接続せずに電圧源側に誤って接続すると（図１０参照）、固定抵抗器１−４の抵抗値ｒが小さいために、ポジショナ１Ｂの内部回路へ過大電流が流れ、ポジショナ１Ｂが破損してしまう虞がある。

そこで、図１１に示すように、固定抵抗器１−４の抵抗値をより大きな抵抗値Ｒとすることが考えられるが、このようにすると、交流の電圧信号Ｖｆに対するインピーダンスが電源側に比較して高くなりすぎて、変換される電流が小さくなり、通信ができなくなってしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、一般的な電流入力型のポジショナに対する簡単な変更で、負荷抵抗を接続せずに電圧源側に接続しても過大電流が流れることがなく、また通信も支障なく行うことが可能な安価な構成の電圧入力型のポジショナを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、上位側システムより一対の電線を介して直流の電気信号を受け、この直流の電気信号から自己の動作電源を生成する一方、その直流の電気信号の値に応じて調節弁の開度を制御するポジショナにおいて、上位側システムから直流の電気信号に重畳して送られてくる交流の電気信号を受信する電流入力型の通信回路と、通信回路の前段に設けられ、上位側システムからの直流の電気信号が電圧である場合、この電圧を電流に変換して通信回路に送る電圧電流変換回路とを備え、電圧電流変換回路は、所定の電流値以上の電流が流れるのを防止する過電流防止回路を備えることを特徴とする。

この発明によれば、上位側システムから直流の電圧信号（直流の電気信号）に重畳して交流の電圧信号（交流の電気信号）が送られてくると、電圧電流変換回路は、直流の電圧信号を直流の電流信号に変換し、交流の電圧信号を交流の電流信号に変換する。電圧電流変換回路で変換された交流の電流信号は電流入力型の通信回路に送られる。

また、この発明によれば、負荷抵抗を接続せずにポジショナを電圧源側に誤って接続したような場合、内部回路へ過大電流が流れようとするが、この過大電流は過電流防止回路によって所定の電流値以下に抑えられる。

なお、電圧電流変換回路に対して並列にバイパス回路を接続し、このバイパス回路の電圧電流変換回路への並列接続を有効／無効とする切替スイッチを設けるようにしてもよい。この場合、バイパス回路の電圧電流変換回路への並列接続を有効とすると、電圧電流変換回路が機能しなくなり、電流入力型のポジショナが得られる。

本発明によれば、通信回路の前段に、上位側システムからの直流の電気信号が電圧である場合、この電圧を電流に変換して通信回路に送る電圧電流変換回路を設け、この電圧電流変換回路を過電流防止回路を備える構成としたので、一般的な電流入力型のポジショナに対する簡単な変更で、負荷抵抗を接続せずに電圧源側に誤って接続しても過大電流が流れることがなく、また通信も支障なく行うことが可能な安価な構成の電圧入力型のポジショナを提供することが可能となる。

本発明に係るポジショナの一実施の形態（実施の形態１）を用いたシステムの要部の構成を示す図である。 このシステムにおけるポジショナの通信回路の前段に設けられた電圧電流変換回路の回路構成を示す図である。 この電圧電流変換回路の入力電圧−電流特性を示す図である。 この電圧電流変換回路にダイオードを付加した例を示す図である。 電圧電流変換回路を設けたポジショナを負荷抵抗を接続せずに電圧源側に誤って接続した状態を示す図である。 電圧電流変換回路に対して並列に切替スイッチを介してバイパス回路を設けた例（実施の形態２）を示す図である。 電圧電流変換回路に並列に設けられたバイパス回路中の切替スイッチをオンとし電流入力型のポジショナとして使用した例を示す図である。 上位側システムとの間の通信機能を有するポジショナ（一般的な電流入力型のポジショナ）を用いたシステムの要部の構成を示す図である。 電流入力型のポジショナの通信回路の前段に固定抵抗器（抵抗値小）を設けて電圧入力型のポジショナに変更しようとした例を示す図である。 このポジショナを負荷抵抗を接続せずに電圧源側に誤って接続した状態を示す図である。 電流入力型のポジショナの通信回路の前段に固定抵抗器（抵抗値大）を設けて電圧入力型のポジショナに変更しようとした例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１はこの発明に係るポジショナの一実施の形態（実施の形態１）を用いたシステムの要部の構成を示す図である。同図において、図９と同一符号は図９を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。

このシステムでは、図９に示したシステムと比較して分かるように、ポジショナ１（１Ｃ）に抵抗１−４に替えて電圧電流変換回路１−５を設けている。この電圧電流変換回路１−５には、所定の電流値以上の電流が流れるのを防止する過電流防止回路ＣＢが組み込まれている。

図２に電圧電流変換回路１−５の回路構成を示す。この電圧電流変換回路１−５は、通信回路へ至るラインＬＡ中に挿入接続され、ラインＬＡの上位側システム側ＬＡ１にそのコレクタが接続された第１のトランジスタＱ１と、第１のトランジスタＱ１のエミッタにその一端が接続され、ラインＬＡの通信回路側ＬＡ２にその他端が接続された抵抗ｒ１の第１の抵抗Ｒ１と、第１のトランジスタＱ１のコレクタにその一端が接続され、第１のトランジスタＱ１のベースにその他端が接続された第２の抵抗Ｒ２と、抵抗ｒ２の第２の抵抗Ｒ２の他端にそのコレクタが接続され、第１のトランジスタＱ１のエミッタにそのベースが接続され、第１の抵抗Ｒ１の他端にそのエミッタが接続された第２のトランジスタＱ２とから構成されている。

なお、この実施の形態において、抵抗Ｒ１の抵抗値ｒ１は２０Ω、抵抗Ｒ２の抵抗値ｒ２は１０ｋΩとされており、後述するトランジスタＱ１，Ｑ２の動作によって、図３に示すように、３０ｍＡまではリニアに電流を流すが、３０ｍＡになった時点で、その電流を３０ｍＡで飽和させ、それ以上の電流が流れないようにする。すなわち、３０ｍＡを設定電流値（遮断電流）とし、設定電流値以上の電流が流れないように制限する。

この場合、電圧電流変換回路１−５では、トランジスタＱ１→抵抗Ｒ１の経路で電流が流れる。また、この電圧電流変換回路１−５において、抵抗Ｒ１は電圧を電流に変換する役割を果たし、この抵抗Ｒ１に対して付加されたトランジスタＱ１，Ｑ２および抵抗Ｒ２よりなる回路構成が過電流防止回路ＣＢを構成している。

このポジショナ１Ｃでは、上位装置２Ｂからの直流の電圧信号Ｖが電圧電流変換回路１−５における抵抗Ｒ１で電流に変換され、本体回路１−１へ送られる。これにより、本体回路１−１は、電圧電流変換回路１−５で変換された電流の値、すなわち直流の電流信号Ｖ／ｒ１の値に基づいて、調節弁５Ｂの開閉を制御する。

また、このポジショナ１Ｃでは、通信装置３Ｂからの交流の電圧信号Ｖｆが電圧電流変換回路１−５における抵抗Ｒ１で電流に変換され、電流入力型の通信回路１−２に送られる。この場合、ラインＬ１に接続されている負荷抵抗６によって、電源側への通信信号の侵入が防がれるとともに、電圧電流変換回路１−５において交流の電圧信号Ｖｆがほゞそのままの形で交流の電流信号に変換され、電流入力型の通信回路１−２へ送られることになる。

図５にこのポジショナ１Ｃを負荷抵抗６を接続せずに電圧源側に誤って接続した状態を示す。この場合、電圧電流変換回路１−５における抵抗Ｒ１の値が小さいため、ポジショナ１Ｃの内部回路へ大きな電流が流れ込もうとする。ここで、流れ込む電流が３０ｍＡに達する前は、トランジスタＱ１にコレクタ電流が流れ、トランジスタＱ２には流れない（２０Ω×２９ｍＡ＝０．５８Ｖで、トランジスタＱ２のＶｂｅが０．６Ｖ未満で動作できないため、トランジスタＱ２には電流が流れない。）。これが３０ｍＡに達すると、２０Ω×３０ｍＡ＝０．６Ｖとなり、トランジスタＱ２のＶｂｅが０．６Ｖとなり動作を開始し、トランジスタＱ２のＶｃｅ間が０Ｖに近づく。これはトランジスタＱ１のＶｂｃ間を０Ｖに近づけて０．６Ｖ未満になることに等しいため、トランジスタＱ１が動作しなくなる（ＯＦＦ）。このバランスを保つことで、電圧電流変換回路１−５を通過する電流が３０ｍＡ以上にならないように制御される。

このようにして、本実施の形態では、図８に示した一般的な電流入力型のポジショナ１Ａの通信回路１−２の前段に過電流防止回路ＣＢを組み込んだ電圧電流変換回路１−５を設けるだけで、負荷抵抗６を接続せずに電圧源に誤って接続しても過大電流が流れることがなく、また通信も支障なく行うことが可能な安価な構成の電圧入力型のポジショナ１Ｃを提供することができる。

なお、この実施の形態では、電圧電流変換回路１−５での過電流の設定電流値を３０ｍＡとしたが、必ずしも３０ｍＡに限られるものではない。例えば、抵抗Ｒ１，Ｒ２の値を変えることによって、電圧電流変換回路１−５での過電流の設定電流値を５０ｍＡとする等としてもよい。

また、図４に示すように、電圧電流変換回路１−５において、抵抗Ｒ１とラインＬＡの通信回路側ＬＡ２との間にダイオードＤ１を設けるようにしてもよい。この場合、ダイオードＤ１のアノードを抵抗Ｒ１の他端に接続し、ダイオードＤ１のカソードをラインＬＡの通信回路側ＬＡ２に接続する。このようなダイオードＤ１を設けることによって、電圧源との接続の極性が誤って反対とされた場合でも、確実に過電流がポジショナ１Ｃの内部回路に流れることを防止することができる。

〔実施の形態２〕
図１に示したポジショナ１Ｃは電圧入力型のポジショナとして使用される。このポジショナ１Ｃを電流入力型にするには電圧電流変換回路１−５を取り外さなければならない。そこで、実施の形態２では、図６に示すように、電圧電流変換回路１−５に対して並列にバイパス回路（短絡回路）１−６を設け、このバイパス回路１−６中に切替スイッチ１−７を設けている。

このポジショナ１（１Ｄ）を電圧入力型のポジショナとして使用する場合には、図６に示されるように、切替スイッチ１−７をオフとする。これにより、バイパス回路１−６の電圧電流変換回路１−５への並列接続が無効とされ、電圧電流変換回路１−５が機能し、電圧入力型のポジショナとなる。

これに対し、ポジショナ１Ｄを電流入力型のポジショナとして使用する場合には、図７に示されるように、切替スイッチ１−７をオンとする。これにより、バイパス回路１−６の電圧電流変換回路１−５への並列接続が有効とされ、電圧電流変換回路１−５が機能しなくなり、電流入力型のポジショナとなる。

なお、上述した実施の形態１，２では、調節弁５Ｂを電磁弁としたが、ポジショナ１Ｃ，１Ｄへの電源の供給方式をフィールドバス方式とし、調節弁５Ｂを比例弁とするようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１，２では、通信装置３を伝送路Ｌ１，Ｌ２間に必要に応じて接続するようにしたが、上位装置３とポジショナ１との間で通信が行われるシステムであってもよい。

本発明のポジショナは、調節弁の開度を制御する機器として、プロセス制御など様々な分野で利用することが可能である。

１（１Ａ〜１Ｄ）…ポジショナ、１−１…本体回路、１−２…通信回路、１−３…定電圧回路、１−４…抵抗、１−５…電圧電流変換回路、１−６…バイパス回路、１−７…切替スイッチ、２（２Ａ，２Ｂ）…上位装置、３（３Ａ，３Ｂ）…通信装置、４…上位側システム、５（５Ａ，５Ｂ）…調節弁、６…負荷抵抗、Ｌ１，Ｌ２…伝送路（一対の電線）、ＬＡ…ライン、ＬＡ１…ラインＬＡの上位側システム側、ＬＡ２…ラインＬＡの通信回路側、ＣＢ…過電流防止回路、Ｑ１…第１のトランジスタ、Ｑ２…第２のトランジスタ、Ｒ１…第１の抵抗、Ｒ２…第２の抵抗、Ｄ１…ダイオード。

Claims (4)

1. 上位側システムより一対の電線を介して直流の電気信号を受け、この直流の電気信号から自己の動作電源を生成する一方、その直流の電気信号の値に応じて調節弁の開度を制御するポジショナにおいて、
   前記上位側システムから前記直流の電気信号に重畳して送られてくる交流の電気信号を受信する電流入力型の通信回路と、
   前記通信回路の前段に設けられ、前記上位側システムからの直流の電気信号が電圧である場合、この電圧を電流に変換して前記通信回路に送る電圧電流変換回路とを備え、
   前記電圧電流変換回路は、所定の電流値以上の電流が流れるのを防止する過電流防止回路を備える
   ことを特徴とするポジショナ。
2. 請求項１に記載されたポジショナにおいて、
   前記電圧電流変換回路に対して並列に接続されたバイパス回路と、
   前記バイパス回路の前記電圧電流変換回路への並列接続を有効／無効とする切替スイッチと
   を備えることを特徴とするポジショナ。
3. 請求項１又は２に記載されたポジショナにおいて、
   前記電圧電流変換回路は、
   前記通信回路へ至るライン中に挿入接続され、
   前記ラインの前記上位側システム側にそのコレクタが接続された第１のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタのエミッタにその一端が接続され、前記ラインの前記通信回路側にその他端が接続された第１の抵抗と、
   前記第１のトランジスタのコレクタにその一端が接続され、前記第１のトランジスタのベースにその他端が接続された第２の抵抗と、
   前記第２の抵抗の他端にそのコレクタが接続され、前記第１のトランジスタのエミッタにそのベースが接続され、前記第１の抵抗の他端にそのエミッタが接続された第２のトランジスタと
   を備えることを特徴とするポジショナ。
4. 請求項１又は２に記載されたポジショナにおいて、
   前記電圧電流変換回路は、
   前記通信回路へ至るライン中に挿入接続され、
   前記ラインの前記上位側システム側にそのコレクタが接続された第１のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタのエミッタにその一端が接続された第１の抵抗と、
   前記第１の抵抗の他端にそのアノードが接続され、前記ラインの前記通信回路側にそのカソードが接続されたダイオードと、
   前記第１のトランジスタのコレクタにその一端が接続され、前記第１のトランジスタのベースにその他端が接続された第２の抵抗と、
   前記第２の抵抗の他端にそのコレクタが接続され、前記第１のトランジスタのエミッタにそのベースが接続され、前記第１の抵抗の他端にそのエミッタが接続された第２のトランジスタと
   を備えることを特徴とするポジショナ。

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