JP2016025596A

JP2016025596A - ユニバーサル入力モジュール

Info

Publication number: JP2016025596A
Application number: JP2014150168A
Authority: JP
Inventors: 仁野間; Hitoshi Noma
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-02-08

Abstract

【課題】ユニバーサル入力モジュールで入力モードの維持をモジュールの停電時にも可能にする。【解決手段】本願発明は、外部機器から電圧入力と電流入力のいずれが入力されても正しい回路接続が可能なユニバーサル入力モジュールにおいて、入力モジュールの電源がオフになった時にも、電圧入力回路および電流入力回路の内部インピーダンスを変化なく維持することで、外部ループに外乱を発生させないユニバーサル入力モジュールである。特に電流入力が複数の外部機器にシリーズに接続されているときに、ループが切れないことを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、コントローラ、測定装置その他の制御用機器におけるユニバーサル入力型の入力機構に関する発明である。

従来、外部機器から電圧入力と電流入力のいずれが入力されても正しい回路接続が可能なユニバーサルなアナログ入力モジュールが望まれている。
特許文献１における発明では、入力端子から入力されたアナログ信号を、電圧入力回路と電流入力回路に切り替え入力し、電圧入力回路と電流入力回路の出力信号をＡ／Ｄ変換器に入力し、Ａ／Ｄ変換器の出力データより入力端子から入力されたアナログ信号が電圧入力か電流入力かを制御手段で判定し、判別結果が電圧入力の場合は入力端子と電圧入力回路とＡ／Ｄ変換器とを接続し、判定結果が電流入力の場合は入力端子と電流入力回路とＡ／Ｄ変換器とを接続するようにして、制御手段が切り替え制御することを特徴とする。

また、特許文献２に示された発明では、入力の種類をアナログ電圧、電流以外の測温抵抗体、また接点入力まで拡張したものも提案されている。
いずれの発明も、順次にスイッチを切り替えることによって入力信号をＡ／Ｄ変換器に接続して、レンジ内の適正入力信号かどうかで判定し、正しい入力タイプを見極める技術は共通である。なお、この判定結果は記憶部に格納し、電源投入時に該記憶内容に応じて切り替えスイッチを制御することも公知である。

特開２００２−３３３９０６号公報特開２００５−０７１０７７号公報

一つの出力装置に対して、複数の入力装置を接続することは可能であり、よく行われる。出力装置が電圧出力型である場合は、並列に入力機器を接続すればよいし、一方、出力装置が電流出力型である場合は、直列に入力機器を接続すればよい。

電流出力の場合は、一つのアナログ電流出力装置と二つ以上の電流入力装置が常にループで接続されている必要がある。しかし、ユニバーサル型の入力装置ではシャント抵抗で端子間に固定結線することができないため、ひとつの入力装置側に停電時の対策が考慮されていないと、入力装置の内部でループが切れてしまうか、あるいはその内部インピーダンスが過大になってしまう。その結果、電流出力装置側が適正な値を出力できなくなってしまい、接続されている他の電流入力装置の測定に悪影響をもたらす。

本願発明は、このようなユニバーサル入力モジュールにおいて、停電状態が発生しても他の電流入力装置の測定に悪影響をもたらすことのない電流入力回路を課題とする。

本願発明は、外部機器から電圧入力と電流入力のいずれが入力されても正しい回路接続が可能なユニバーサル入力モジュールにおいて、
測定回路へ電圧入力または電流入力のいずれかに入力を切り替えるスイッチ回路と、
前記測定回路からの信号により前記の入力モードを指令するセットリセット回路と、
前記セットリセット回路から前記スイッチ回路の動作を制御して、その動作状態を停電後も保持する自己保持回路と、
を備えることを特徴とするユニバーサル入力モジュールである。

さらに、前記自己保持回路は、
前記セットリセット回路から指令で電流入力モードのセット信号を受けた場合に、
前記スイッチ回路のトランジスタスイッチをオンにして内部に電流ループを形成し、
そのセット信号が消滅した後でも、前記セットリセット回路から指令の電流入力モードのリセット信号を受けない限り、前記内部の電流ループを維持するユニバーサル入力モジュールである。

ユニバーサル入力モジュールにおいて、停電状態にあっても、シャント抵抗と同等に内部インピーダンスを保持するように内部電流ループを維持することで、電流出力装置及び他の電流入力装置の測定に悪影響をもたらすことのない入力回路が実現できる。

ユニバーサル入力モジュールと外部出力装置の接続構成図ユニバーサル入力モジュールの内部回路を示す図ユニバーサル入力モジュールの動作タイムチャートを示す図

本願発明の実施の形態を以下、図面に基づいて説明する。まず、図１において、１００はユニバーサル入力モジュールである。これは各種制御用の機器の一機能として、分散してラックなどに実装されることもあれば、単体のプリント板で組み込み実装されることもある。中枢部はマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）およびメモリなど（図外）で構成される。本願発明の主要部であるところの、測定回路１０と機能手段であるスイッチ回路１、セットリセット回路２、および自己保持回路３が示されている。

２００は外部出力装置である。少なくとも電圧出力型または電流出力型の出力回路２０で構成される。その構成は任意であり、ＭＰＵ構成でなくともアナログ機器の場合もある。

本図では、出力装置２００の端子＋−、および各ユニバーサル入力モジュール１００の端子＋−の接続について、破線で示すのが電圧出力／入力の場合（並列接続）であり、実線で示すのが電流出力・入力の場合（直列接続）である。
以降、ユニバーサル入力モジュール１００の内部機能の説明を次の実施例で述べる。

（１）出力回路２０について
図２では、まず左側にある出力装置２００の出力回路２０の等価回路を示す。
電圧出力型の場合は電圧源Ｖｏとその出力インピーダンスＺｏが直列に接続されて出力されて、ユニバーサル入力モジュール１００の入力端子に接続する。
出力インピーダンスＺｏは理想的には０である。

また、出力回路２０が電流出力型の場合は電流源Ｉｏとその出力コンダクタンスＧｏが並列に接続されて、ユニバーサル入力モジュール１００の入力端子に接続する。
出力コンダクタンスＧｏは理想的には０である。
以降の説明では、出力インピーダンスＺｏおよび出力コンダクタンスＧｏは理想的な０であるとして簡素化して述べることにする。

（２）測定回路１０の入力モードとその動作について
ユニバーサル入力モジュール１００の測定回路１０は、次の二つの入力モードで動作する。
０：電圧入力型として動作の場合を入力モード０と呼ぶ。
測定回路１０のディジタル出力Ｄ０により起動される。
１：電流入力型として動作の場合を入力モード１と呼ぶ。
測定回路１０のディジタル出力Ｄ１により起動される。
少なくとも、この二つのモードを切り替えるのが基本的動作である。

測定回路１０は、中枢の制御回路１３はＭＰＵで実装されて、入力段からの入力信号を差動増幅器（オペａｍｐ）１１で受けて、Ａ／Ｄ変換器１２に入力する。測定回路１０には電源Ｖｃｃが供給されている。ＤＣ５~２４Ｖ程度である。

差動増幅器１１には、入力モード０のとき、内部電圧Ｖｎが出力回路２０から電圧Ｖｏに等しく入力され、入力モード１のときは、内部電流Ｉｎは出力回路２０から電流Ｉｏに等しく入力される。

そして、電圧Ｖｎまたは電流Ｉｎ（＊抵抗Ｒ１による抵抗降下分）が、シグナルコモンＳＣの電位との差分で差動増幅器１１にて求められる。これがＡ／Ｄ変換器１２でディジタル値に変換されて制御回路１３および測定回路１０で処理されて、ユニバーサル入力モジュール１００のアウトプットとなる。

（３）ユニバーサル入力処理部について
本項で、本願発明の主要部について説明する。
まず、測定回路１０へ電圧入力または電流入力のいずれかに入力を切り替えるスイッチ回路１は少なくとも二つのスイッチ機能部を有する。一つは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ３によるスイッチであり、また差動増幅器１１への入力を切り替えるスイッチ１５である。

入力モード０のときは、Ｑ３はオフであり、スイッチ１５はモード０と記す方のＶｎ入力を選択する。一方、入力モード１のときは、Ｑ３はオンであり、スイッチ１５はモード１と記す方のＩｎ相当入力を選択する。なお、差動増幅器１１の入力インピーダンスは理想的には無限大である。

次に、セットリセット回路２の動作を説明する。
トランジスタＱ４，Ｑ２は制御回路１３からのディジタル出力Ｄ０，Ｄ１によってオンオフに制御される。

セットリセット回路２のリセット動作時には、Ｄ０がオン出力されてＶｒｅｓｅｔ電圧がトランジスタＱ４ベースに印可される。セット動作時には、Ｄ１がオン出力されてＶｓｅｔ電圧がトランジスタＱ２ベースに印可される。Ｄ０，Ｄ１はオフ出力のときは０電位であり、それぞれのトランジスタＱ４，Ｑ２はオフとなるが、Ｄ０，Ｄ１がオン時はトランジスタＱ４，Ｑ２のベースエミッタ間閾値（約０．７Ｖ）を超えてトランジスタをオン導通させる。なお、ディジタル出力Ｄ１はさらに、スイッチ１５のモード切り替え信号に利用する。

次に、自己保持回路３であるが、これはセットリセット回路２からの信号を受けて、トランジスタＱ１のオンオフ動作が主な機能である。セットリセット回路２のリセット動作時には、トランジスタＱ４がオンになるためＦＥＴトランジスタＱ３の暗電流が抵抗Ｒ４を通じて流れてＱ４のコレクタエミッタ間電位は低下して、トランジスタＱ１のベース電位Ｖｈｏｌｄは閾値以下となりＱ１はオフである。

次に、セットリセット回路２のセット動作時には、トランジスタＱ４はオフで、トランジスタＱ２がオンになるため、Ｖｈｏｌｄが上昇してＱ１はオンになる。その結果、スイッチ回路１のトランジスタＱ３のゲート電位が下げられて、トランジスタＱ３はオンしてそのドレインソース間での電圧降下は少なくなりＱ３スイッチは導通状態になる。
こうして、電流Ｉｎについて、端子（＋）→Ｑ３→Ｒ１→Ｒ３→端子（−）へと内部電流（Ｉｎ）ループが完成する。

こうして出来上がった電流ループは、測定回路１０への供給電源ＶＣＣが停電したときにもループが維持される。停電時は制御回路１３のディジタル出力Ｄ０，およびＤ１がどちらも不定で低下してトランジスタＱ２，Ｑ４がオフになる。しかし、一旦形成された電流ループは外部電流入力であるＩｏを電源として、動作するのである。

なお、各種バイアス用の抵抗は、例えば、
Ｒ１＝１００オーム、Ｒ２＝１００Ｋオーム、Ｒ３＝４００オーム、
Ｒ４＝１００Ｋオーム、Ｒ５＝２００Ｋオーム程度であればよい。
なお、電源電圧などの条件に従って、チューニング設計は自由である。

（４）本願発明の動作タイミングについて
タイムチャート図３によって説明する。
まず、制御回路１３からの初期的な指令でＶｒｅｓｅｔ（Ｄ０）がオンになり、入力モード０が選ばれたとする。その他の信号（Ｖｓｅｔ，Ｖｈｏｌｄ，Ｉｎ）は０である。ここで電圧入力Ｖｎがスイッチ回路１で選択されてそのＡ／Ｄ変換が行われて、外部入力が電圧入力で適正かどうかが判断される。もし適正な電圧入力であるならばモード０で制御回路１３は継続する。

次に、入力モード０から入力モード１への移行になると、Ｖｒｅｓｅｔ（Ｄ０）はオフにされ、Ｖｓｅｔ（Ｄ１）がオンにされる。そしてＶｈｏｌｄの電位が上昇して自己保持回路３（トランジスタＱ１）がオン機能する。引き続いて、ＦＥＴトランジスタＱ３の導通により電流Ｉｎが流れて、電流ループが形成される。同時に、スイッチ回路１によって電流値の読み込みが行われる。これが適正な結果と判断されたなら、Ｖｓｅｔは維持されて、制御回路１３で入力モード１が維持される。

入力モード1のときに、時刻Ｔｐｄにおいて、本ユニバーサル入力モジュール１００の電源Ｖｃｃに停電が発生したとすると、Ｖｓｅｔは低下していくが、Ｖｈｏｌｄ，および電流Ｉｎは自己保持されて、電流ループはそのまま継続する。こうして、外部機器に電流信号に外乱を発生させることがない。さらに、復電後の再スタート時は内部に記憶したモードで開始するようにすれば、バンプレスに運転が復旧できる。

本願発明は、実施例で述べた以外にも、ローレベル電圧入力、測温抵抗体入力その他の測定物理量にも対応するように広く利用できる。そのような応用にも本願発明の範囲は及ぶ。
その他、回路上はラッチングリレーを併用することなども可能である。

１スイッチ回路
２セットリセット回路
３自己保持回路
１０測定回路
１１差動増幅器
１２Ａ／Ｄ変換器
１３制御回路
１５入力切替スイッチ
２０出力回路
１００ユニバーサル入力モジュール
２００外部出力装置

Claims

外部機器から電圧入力と電流入力のいずれが入力されても正しい回路接続が可能なユニバーサル入力モジュールにおいて、
測定回路へ電圧入力または電流入力のいずれかに入力を切り替えるスイッチ回路と、
前記測定回路からの信号により入力モードを指令するセットリセット回路と、
前記セットリセット回路から前記スイッチ回路の動作を制御して、その動作状態を停電後も保持する自己保持回路と、
を備えることを特徴とするユニバーサル入力モジュール。
請求項１に記載のユニバーサル入力モジュールにおいて、
前記自己保持回路は、
前記セットリセット回路から指令で電流入力モードのセット信号を受けた場合に、
前記スイッチ回路のトランジスタスイッチをオンにして内部に電流ループを形成し、
そのセット信号が消滅した後でも、前記セットリセット回路から指令の電流入力モードのリセット信号を受けない限り、前記内部の電流ループを維持するユニバーサル入力モジュール。