JP2015064262A - 測定システムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主入力信号の測定データが測定データ取得毎に更新されているようにする。
【解決手段】主入力信号と副入力信号とを含んだ入力信号を順次切り替えて測定し、測定データをメモリに格納する測定処理モジュールと、測定処理モジュールに所定間隔で測定データ取得要求を送り、メモリに格納されている各測定データを取得する演算処理モジュールとを備え、測定処理モジュールは、主入力信号の後に副入力信号を測定するように測定順序が定められた取得パターンにしたがって測定を行ない、測定データ取得要求を受け付けると、取得パターンにしたがった測定を中断し、取得パターンの先頭に戻って測定を再開する測定システム。
【選択図】図１

Description

本発明はセンサ値を取得して測定値に変換する測定処理モジュールと測定値を用いて演算を行なう演算処理モジュールとを備えた測定システムおよびそのような測定システムにおける測定方法に関する。

プラント等では各種のフィールド機器が用いられているが、代表的なフィールド機器として温度、圧力、流量等の物理量を測定して出力する測定システムがある。

測定システムでは、センサ等から取得した測定データに基づいて演算を行ない、演算結果を測定結果として出力することが多いが、一般に、これらの一連の処理は単一の処理装置で行なわれている。近年、装置の共用化を図るために、機能毎にモジュール化することが行なわれるようになっており、測定システムでも測定データを取得する取得処理部と演算を行なう演算処理部とでモジュール化を進めることにより、それぞれのモジュールの汎用化や組み合わせ自由度の向上等が期待される。

図５は、モジュール化を行なった場合に想定される測定システムの構成例を示すブロック図である。本図に示すように測定システム３００は、測定処理モジュール３１０、演算処理モジュール３２０を備えている。測定処理モジュール３１０と演算処理モジュール３２０とは独立に構成されており、Ｍｏｄｂｕｓ等の通信プロトコルにより情報のやり取りを行なうものとする。

測定処理モジュール３１０は、切り替えスイッチ３１１、ＡＤ変換器３１２、測定管理部３１３を備えている。切り替えスイッチ３１１は、センサ等から入力される複数の入力チャンネルの信号を、測定管理部３１３の制御により順次切り替えてＡＤ変換器３１２に導く。センサは測定対象に応じたデバイスが利用される。例えば、測定対象が温度であれば、熱電対、測温抵抗体等が用いられる。

ここで、入力信号は、主入力信号と副入力信号の２種類に分類される。主入力信号は、例えば、センサから出力される被測定物理量に応じた信号等である。一方、副入力信号は、配線抵抗値、ゼロ点測定値等の主入力信号の補償あるいは正規化に用いられる信号や、配線の断線検知等の故障診断のための信号等である。主入力信号は、可能な限り高い応答性が求められる特徴を有し、副入力信号は優先順位が主入力信号より低く、必ずしも即時応答性は問われない特徴を有している。ここでは、主入力信号のチャンネル数をｎ個とし、副入力信号のチャンネル数をｍ個とする。

ＡＤ変換器３１２は、切り替えスイッチ３１１を介して入力されたアナログ信号の主入力信号および副入力信号をデジタル変換して測定データとして測定管理部３１３に出力する。

測定管理部３１３は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路等を備えたマイクロコントローラ等で構成され、切り替えスイッチ３１１を制御することにより入力信号から順次取得した測定データを測定データメモリ３１４に格納する。

図６に示すように、測定管理部３１３は、１つの入力信号に対して、まず、その入力信号がＡＤ変換器３１２に入力されるように切り替えスイッチ３１１を制御する（タイミングｔ０）。そして、ＡＤ変換器３１２から入力信号に対応する完全な測定データが出力するまで待機し（タイミングｔ１）、測定データを取得して、測定データメモリ３１４に格納する。１つの入力信号に対して行なう測定処理に要する時間をＴｉｎとする。

測定データメモリ３１４は、測定管理部３１３内のメモリ領域であり、図７に示すように、ｎ個の主入力信号の測定データとｍ個の副入力信号の測定データとを格納する。各測定データは、入力の度に上書き更新される。

測定データメモリ３１４に格納された各測定データは、演算処理モジュール３２０からの取得要求に応じて演算処理モジュール３２０に一括して受け渡される。これは、演算処理モジュール３２０がスペック上要求される測定結果の出力レートに間に合うように測定データを自主的に取得する必要があるのと、通信プロトコルの要求から、演算処理モジュール３２０をマスタとして動作させ、測定処理モジュール３１０をスレーブとして動作させるためである。

図５に示すように、演算処理モジュール３２０は、演算処理部３２１と表示器３２２とを備えている。演算処理部３２１は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路等を備えたマイクロコントローラ等で構成され、所定の周期Ｔｒｅｑで測定管理部３１３に測定データの取得要求を送り、測定データメモリ３１４に格納された各測定データを一括して取得する。そして、取得した主入力信号の測定データを副入力信号の測定データやあらかじめ定められた調整値等を用いて補正し、さらに単位変換、スケール変換等の必要な演算を行なって、演算結果を表示器３２２に表示させたり、上位装置に伝送したりする。

測定処理モジュール３１０の測定管理部３１３は、入力信号を連続的に順次測定していく。図８は、測定管理部３１３における入力信号の測定サイクルを説明する図である。本図に示すように、測定管理部３１３は１サイクルの間に、主入力信号についてはｎ個全部を測定するが、副入力信号については、即時応答性が問われないため、ｍ個のうちｋ個（１≦ｋ＜ｍ）を測定する。そして、測定サイクル毎に取得する副入力信号を変化させるようにする。

ここで、図９に示すように、測定管理部３１３において、ｎ個の主入力信号測定データの測定に要する時間をＴｍａ（＝ｎ×Ｔｉｎ）とし、１サイクルに要する時間をＴｃｙ（＝（ｎ＋ｋ）×Ｔｉｎ）とする。Ｔｉｎは、上述のように、１つの測定データの測定に要する時間である。

測定管理部３１３の測定データ格納タイミングと、演算処理部３２１の測定データ取得タイミングとは非同期であり、それぞれ独立した周期でデータの処理を行なうものとする。ただし、演算処理部３２１の取得要求の周期Ｔｒｅｑは、（ｎ＋１）×Ｔｉｎ≦Ｔｒｅｑ＜（ｎ＋ｍ）×Ｔｉｎを満たしているとする。

特開２０１３−１６０５０５号公報

演算処理部３２１は、取得要求の返信として、測定データメモリ３１４に格納された測定データを一括して取得するため、前回の取得要求の後に格納された測定データの値のみが更新され、前回の取得要求から上書きされていない測定データは前回と同じ値が取得される。

一般に、測定システムでは測定レートのスペック上の要求を満たすために、主入力信号に関しては、１回の取得要求でｎ個のすべての測定データが更新されている必要がある。このため、測定管理部３１３の１サイクルの時間Ｔｃｙよりも、演算処理部３２１の取得要求の間隔Ｔｒｅｑが長くなるようにしている。

しかしながら、測定管理部３１３と演算処理部３２１とは非同期で動作しているのに加え、測定管理部３１３の１サイクルの時間Ｔｃｙや、演算処理部３２１の取得要求の間隔Ｔｒｅｑは、リアルタイム性の低下やノイズの影響等で変化する場合がある。変動分を含んだ時間をそれぞれＴｃｙ'、Ｔｒｅｑ'とすると、図１０に示すように、Ｔｃｙ'＞Ｔｒｅｑ'となって、主入力信号の一部の測定データが更新されないおそれがある。

そこで、本発明は、主入力信号と副入力信号とを含んだ入力信号を順次切り替えて測定し、測定データをメモリに格納する測定処理モジュールと、測定処理モジュールに測定データ取得要求を送り、メモリに格納されている各測定データを取得する演算処理モジュールとを備えた測定システムにおいて、主入力信号の測定データが測定データ取得毎に更新されているようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である測定システムは、主入力信号と副入力信号とを含んだ入力信号を順次切り替えて測定し、測定データをメモリに格納する測定処理モジュールと、前記測定処理モジュールに所定間隔で測定データ取得要求を送り、前記メモリに格納されている各測定データを取得する演算処理モジュールとを備え、前記測定処理モジュールは、前記主入力信号の後に前記副入力信号を測定するように測定順序が定められた取得パターンにしたがって前記測定を行ない、前記測定データ取得要求を受け付けると、前記取得パターンにしたがった測定を中断し、前記取得パターンの先頭に戻って測定を再開することを特徴とする。
ここで、前記取得パターンは複数種類用意されており、前記測定処理モジュールは、前記取得パターンにしたがった測定が完了すると、別の取得パターンにしたがった測定を開始するようにしてもよい。
また、前記測定処理モジュールは、前回の測定データ取得要求の受け付け後、前記取得パターンにしたがった測定の完了前に今回の測定データ取得要求を受け付けた場合に、その旨を前記演算処理モジュールに通知するようにしてもよい。
このとき、前記演算処理モジュールは、前記通知を受け取ると、次回の測定データ取得要求を送る際の間隔を前記所定間隔より長くすることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である測定方法は、主入力信号と副入力信号とを含んだ入力信号を順次切り替えて測定し、測定データをメモリに格納する測定処理モジュールと、前記測定処理モジュールに測定データ取得要求を送り、前記メモリに格納されている各測定データを取得する演算処理モジュールとを備えた測定システムにおける測定方法であって、前記測定処理モジュールが、前記主入力信号の後に前記副入力信号を測定するように測定順序が定められた取得パターンにしたがって前記測定を行ない、前記測定データ取得要求を受け付けると、前記取得パターンにしたがった測定を中断し、前記取得パターンの先頭に戻って測定を再開することを特徴とする。

本発明によれば、主入力信号と副入力信号とを含んだ入力信号を順次切り替えて測定し、測定データをメモリに格納する測定処理モジュールと、測定処理モジュールに測定データ取得要求を送り、メモリに格納されている各測定データを取得する演算処理モジュールとを備えた測定システムにおいて、主入力信号の測定データが測定データ取得毎に更新されているようになる。

本実施形態の測定システムの構成例を示すブロック図である。 測定サイクルの取得パターンについて説明する図である。 本実施形態の測定管理部の動作を説明するフローチャートである。 取得要求があったときの動作を説明するタイミング図である。 モジュール化を行なった場合に想定される測定システムの構成例を示すブロック図である。 １つの入力信号から測定データを取得するタイミングを説明する図である。 測定データメモリの構造を示す図である。 測定管理部における入力信号の測定サイクルを説明する図である。 １サイクルの時間と取得要求の間隔とを説明する図である。 主入力信号の一部の測定データが更新されないおそれがあることを説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る測定システムの構成を示すブロック図である。本図に示すように測定システム１００は、測定処理モジュール１１０、演算処理モジュール１２０を備えている。測定処理モジュール１１０と演算処理モジュール１２０とは独立に構成されており、Ｍｏｄｂｕｓ等の通信プロトコルにより情報のやり取りを行なうものとする。

測定処理モジュール１１０は、切り替えスイッチ１１１、ＡＤ変換器１１２、測定管理部１１３を備えている。切り替えスイッチ１１１は、センサ等から入力されるｎ個の主入力信号、ｍ個の副入力信号を、測定管理部１１３の制御により順次切り替えてＡＤ変換器１１２に導く。センサは測定対象に応じたデバイスが利用される。例えば、測定対象が温度であれば、熱電対、測温抵抗体等が用いられる。

ＡＤ変換器１１２は、切り替えスイッチ１１１を介して入力されたアナログ信号の主入力信号および副入力信号をデジタル変換して測定データとして測定管理部１１３に出力する。

測定管理部１１３は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路等を備えたマイクロコントローラ等で構成され、切り替えスイッチ１１１を制御することにより入力信号から順次取得した測定データを測定データメモリ１１４に格納する。

測定データメモリ１１４は、図７に示した構成とする。すなわち、ｎ個の主入力信号の測定データとｍ個の副入力信号の測定データとを格納する。各測定データは、入力の度に上書き更新される。測定データメモリ１１４に格納された各測定データは、演算処理モジュール１２０からの取得要求に応じて演算処理モジュール１２０に一括して受け渡される。

測定処理モジュール１１０の測定管理部１１３は、入力信号を連続的に順次取得していく。測定管理部１１３は１サイクルの間に、主入力信号についてはｎ個全部を取得するが、副入力信号については、ｍ個のうちｋ個（１≦ｋ＜ｍ）を取得する。そして、測定サイクル毎に取得する副入力信号を変化させるようにする。

ここで、測定サイクル毎に取得する副入力信号は、図２に示すような取得パターンとして定められているものとする。本図に示すように、取得パターンは、１サイクルにおける入力信号の取得順番を定めたものであり、測定管理部１１３は取得パターンにしたがって切り替えスイッチ１１１を制御する。

取得パターンは、先にｎ個すべての主入力信号を取得してからｋ個の副入力信号を取得するように定められている。すなわち、各測定サイクルにおいて、必ずｎ個すべての主入力信号が副入力信号よりも先に測定される。

各取得パターンで定められるｋ個の副入力信号は、ｍ個の副入力信号の中から抽出されたものである。ｋ個の副入力信号は、取得パターンを変化させたときに、各副入力信号が同じ頻度で取得されるように定めてもよいし、副入力信号の性質に応じて取得頻度を定めるようにしてもよい。例えば、比較的頻繁に値が変動する副入力信号の取得頻度を高くし、ほとんど値が変化しない副入力信号の取得頻度を低くしてもよい。なお、主入力信号は、各取得パターンにおいて副入力信号より先にｎ個すべてが取得されるが、取得順序は変化させてもよい。

図１の説明に戻って、測定管理部１１３は、測定サイクル同期処理部１１５を備えている。測定管理部１１３は、演算処理モジュール１２０から測定データの取得要求を受け付けると、測定データメモリ１１４に格納されている測定データを一括して演算処理モジュール１２０に受け渡すが、本実施形態では、さらに、測定サイクル同期処理部１１５が、実行中の測定サイクルを中断し、改めてその測定サイクルの取得パターンを先頭から開始する。

演算処理モジュール１２０は、演算処理部１２１と表示器１２２とを備えている。演算処理部１２１は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路等を備えたマイクロコントローラ等で構成され、所定の周期Ｔｒｅｑで測定管理部１１３に測定データの取得要求を送り、測定データメモリ１１４に格納された各測定データを一括して取得する。そして、取得した主入力信号の測定データを副入力信号の測定データやあらかじめ定められた調整値等を用いて補正し、さらに単位変換、スケール変換等の必要な演算を行なって、演算結果を表示器１２２に表示させたり、上位装置に伝送したりする。

次に、本実施形態の測定システム１００の測定管理部１１３の動作について図３のフローチャートを参照して説明する。

動作を開始すると、まず取得パターンを設定する（Ｓ１０１）。取得パターンは、所定の順序にしたがって設定することができる。そして、設定された取得パターンで測定サイクルを開始する（Ｓ１０２）。測定サイクルでは、測定対象の入力信号を特定し（Ｓ１０３）、その入力信号がＡＤ変換器１１２に導かれるように切り替えスイッチ１１１を制御する（Ｓ１０４）。

測定対象の入力信号について測定データ出力が完了すると（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）、測定データを測定データメモリ１１４に格納する（Ｓ１０７）。以上の処理を、取得パターンにしたがって測定対象を切り替えながら測定サイクルが終了するまで繰り返す。測定サイクルが終了すると（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、次の取得パターンを設定し（Ｓ１０１）、設定された取得パターンで測定サイクルを開始する（Ｓ１０２）。

測定サイクルの途中で、演算処理部１２１から測定データの取得要求があると（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、測定データメモリ１１４に格納されている測定データを一括して演算処理部１２１に受け渡す（Ｓ１０９）。このとき、前回の一括受け渡しから更新されている測定データを特定する情報を付加して演算処理部１２１に受け渡すようにしてもよい。なお、演算処理部１２１からの取得要求判定処理（Ｓ１０５）は、便宜的に処理（Ｓ１０４）と処理（Ｓ１０６）との間で行なうようにしているが、取得要求は外部からの割り込みであるため、このタイミングに限られるものではない。

そして、測定サイクル同期処理部１１５が、実行中の測定サイクルを中断し（Ｓ１１０）、改めて現在設定されている取得パターンを先頭から開始する（Ｓ１０２）。ただし、次の取得パターンを設定して先頭から開始するようにしてもよい。

各取得パターンでは、先にｎ個すべての主入力信号を測定してからｋ個の副入力信号を測定するように定められている。取得要求に基づいて測定データを受け渡すと、改めて取得パターンを先頭から開始するため、各測定サイクルでは、ｎ個の主入力信号が必ず先に測定されることになる。このため、時間的な変動が生じて測定サイクルの時間Ｔｃｙ'＞取得要求の間隔Ｔｒｅｑ'となっても、取得要求を受けた時点で主入力信号はすべて更新されていることになる。もちろん、最大の時間変動が生じても、主入力信号ｎ個の測定時間Ｔｍａ'≦Ｔｒｅｑ'が保証されるように設計を行なうものとする。

一方、取得要求後の副入力信号の測定はそのサイクルでは行なわれないが、同じ取得パターンで改めて測定サイクルを開始するため、変動が解消されると副入力信号は予定通り取得されることになる。

例えば、Ｔｃｙ'＜Ｔｒｅｑ'の正常状態であれば、図４（ａ）に示すように、取得パターンＡの測定サイクルが完了して、次の取得パターンＢの測定サイクルが開始された後で取得要求を受け付けることになる。この場合、取得パターンＢの測定サイクルを中断し、改めて取得パターンＢの測定サイクルを先頭から開始することになる。このとき、演算処理部１２１には、ｎ個の主入力信号とｋ個の副入力信号のすべてが更新された（２回以上の更新を含む）測定データが受け渡されることになる。

一方、時間変動が生じてＴｃｙ'＞Ｔｒｅｑ'の状態になると、図４（ｂ）に示すように、取得パターンＡの測定サイクルの完了前に、取得要求を受け付けることになる。この場合、取得パターンＡの測定サイクルを中断し、改めて取得パターンＡの測定サイクルを先頭から開始することになる。このとき、演算処理部１２１には、ｎ個の主入力信号すべてとｋ個の副入力信号中の一部が更新された測定データが受け渡されることになる。

なお、Ｔｃｙ'＞Ｔｒｅｑ'が発生したこと、すなわち、前回の測定データ取得要求の受け付け後、その測定サイクルの完了前に今回の測定データ取得要求を受け付けたことを測定管理部１１３から演算処理部１２１に通知するようにしてもよい。この場合、次の測定サイクルではＴｃｙ'＜Ｔｒｅｑ'の状態を確保できるように、演算処理部１２１は、この通知に応じて、次回の取得要求のタイミングを遅らせるように微調整するようにしてもよい。調整量は、任意とすることができるが、例えば、Ｔｒｅｑの最大時間変動幅を超えない程度とすることができる。

１００ 測定システム
１１０ 測定処理モジュール
１１１ 切り替えスイッチ
１１２ ＡＤ変換器
１１３ 測定管理部
１１４ 測定データメモリ
１１５ 測定サイクル同期処理部
１２０ 演算処理モジュール
１２１ 演算処理部
１２２ 表示器

Claims (5)

1. 主入力信号と副入力信号とを含んだ入力信号を順次切り替えて測定し、測定データをメモリに格納する測定処理モジュールと、
   前記測定処理モジュールに所定間隔で測定データ取得要求を送り、前記メモリに格納されている各測定データを取得する演算処理モジュールとを備え、
   前記測定処理モジュールは、前記主入力信号の後に前記副入力信号を測定するように測定順序が定められた取得パターンにしたがって前記測定を行ない、
   前記測定データ取得要求を受け付けると、前記取得パターンにしたがった測定を中断し、前記取得パターンの先頭に戻って測定を再開することを特徴とする測定システム。
2. 前記取得パターンは複数種類用意されており、前記測定処理モジュールは、前記取得パターンにしたがった測定が完了すると、別の取得パターンにしたがった測定を開始することを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
3. 前記測定処理モジュールは、前回の測定データ取得要求の受け付け後、前記取得パターンにしたがった測定の完了前に今回の測定データ取得要求を受け付けた場合に、その旨を前記演算処理モジュールに通知することを特徴とする請求項１または２に記載の測定システム。
4. 前記演算処理モジュールは、前記通知を受け取ると、次回の測定データ取得要求を送る際の間隔を前記所定間隔より長くすることを特徴とする請求項３に記載の測定システム。
5. 主入力信号と副入力信号とを含んだ入力信号を順次切り替えて測定し、測定データをメモリに格納する測定処理モジュールと、前記測定処理モジュールに測定データ取得要求を送り、前記メモリに格納されている各測定データを取得する演算処理モジュールとを備えた測定システムにおける測定方法であって、
   前記測定処理モジュールが、前記主入力信号の後に前記副入力信号を測定するように測定順序が定められた取得パターンにしたがって前記測定を行ない、
   前記測定データ取得要求を受け付けると、前記取得パターンにしたがった測定を中断し、前記取得パターンの先頭に戻って測定を再開することを特徴とする測定方法。