JP2016201586A - 経路分岐器および電圧分岐回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電流信号を用いた電流データ通信を行うノードと電圧信号を用いた電圧データ通信を行うノードとを共存させた場合でも、配線経路を途中で２つに分岐可能とする。【解決手段】電圧分岐回路２が、主経路Ｍから分離した電圧データ通信に用いる主電圧信号Ｖｍを、分岐経路Ａを介した電圧データ通信に用いる分岐電圧信号Ｖａと、分岐経路Ｂを介した電圧データ通信に用いる分岐電圧信号Ｖｂとに分岐し、電流ループ回路３が、主経路Ｍから分離した電流データ通信に用いる主電流信号Ｉｍを、分岐経路Ａを介した電流データ通信に用いる分岐電流信号Ｉａ、および、分岐経路Ｂを介した電流データ通信に用いる分岐電流信号Ｉｂとして、順にループさせる。【選択図】 図１

Description

本発明は、通信システム技術に関し、特に電流信号を用いた電流データ通信を行うノードと電圧信号を用いた電圧データ通信を行うノードが、データ通信時に共用する２芯ケーブルからなる配線経路を、２つに分岐するための経路分岐技術に関する。

従来、ビル設備や工業設備を管理する設備管理システムでは、例えば各種サーバとコントローラとの間のデータ通信を担う上位ネットワークとしてＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）通信システムが用いられ、例えばコントローラと各ノードとの間のデータ通信を担う下位ネットワークとしてカレントループ通信システムが用いられている（例えば、特許文献１など参照）。

特開２００５−３４８５４９号公報

このような従来技術では、電流値を切り替える方式であるため、通信速度が４８００ｂｐｓ程度で非常に遅く、特に設備管理システムのインテリジェント化に伴い、下位ネットワークの高速化に対応できない。このような下位ネットワークを高速化する解決方法の１つとして、カレントループ通信システムをＥｔｈｅｒｎｅｔ通信システムに置き換える方法がある。この際、既設のカレントループ用伝送ケーブル（２芯）をＬＡＮケーブル（４芯）に変更する必要があるが、実際には、相当な期間と費用が発生し、場合によってはケーブル変更が困難な場合もある。

２芯のケーブルでデジタル通信を行う技術として、ＰＬＣ（Power Line Communication：電力線搬送通信）方式がある。このＰＬＣ方式は、２芯の電力線で、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通信をはじめとする各種デジタル通信を実現する技術であり、このＰＬＣ方式を用いて、カレントループ通信システムとＥｔｈｅｒｎｅｔ通信システムとを共存させる方法が考えられる。

図２は、ＰＬＣ方式を利用した通信システムの構成例である。すなわち、２芯の通信ケーブル４０によりカレントループ通信を行うＣノード１１と、通信ケーブル４０によりＰＬＣモデム２２を介してＥｔｈｅｒｎｅｔ通信を行うＥノード１２とが混在する際、通信ケーブル４０とＣノード１１との間にＣＰフィルタ３１を接続して、通信ケーブル４０からのＰＬＣ信号を遮断してカレントループ信号を通過させ、通信ケーブル４０とＰＬＣモデム２２との間にＰＰフィルタ３２を接続して、通信ケーブル４０からのカレントループ信号を遮断してＰＬＣ信号を通過させるようにしたものである。

一方、通信システムを実際に配置する場合、ノードの配置位置に応じて効率よく配線するため、通信ケーブルを途中で分岐させる場合がある。
図３は、通信ケーブルの分岐例を示す説明図である。図２の通信システムの場合、カレントループ通信の信号形態は電流信号であるため、図３の分岐例によれば、主経路Ｍおよび分岐例路Ａ，Ｂにおける電流信号Ｉｍ，Ｉａ，Ｉｂの値は等しくなるため、通信ケーブル４０を途中で分岐させた場合でもカレントループ通信は維持されることになる。

しかしながら、ＰＬＣモデム２２を用いたＥｔｈｅｒｎｅｔ通信の信号形態は電圧信号であるため、図３の分岐例によれば、主経路Ｍおよび分岐例路Ａ，Ｂにおける電圧信号Ｖｍ，Ｖａ，Ｖｂの値は等しくなくなり、実際には電圧信号ＶｍがＶａ，Ｖｂに分断されてしまうため、通信ケーブル４０を途中で分岐させた場合、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ通信ができなくなるという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、電流信号を用いた電流データ通信を行うノードと電圧信号を用いた電圧データ通信を行うノードとを共存させた場合でも、配線経路を途中で２つに分岐できる経路分岐技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる経路分岐器は、電流信号を用いた電流データ通信を行うノードと電圧信号を用いた電圧データ通信を行うノードとが、データ通信時に共用する２芯ケーブルからなる配線経路を、２つに分岐するための経路分岐器であって、主経路から分離した前記電圧データ通信に用いる主電圧信号を、第１の分岐経路を介した前記電圧データ通信に用いる第１の分岐電圧信号と、第２の分岐経路を介した前記電圧データ通信に用いる第２の分岐電圧信号とに分岐する電圧分岐回路と、前記主経路から分離した前記電流データ通信に用いる主電流信号を、前記第１の分岐経路を介した前記電流データ通信に用いる第１の分岐電流信号、および、前記第２の分岐経路を介した前記電流データ通信に用いる第２の分岐電流信号として、順にループさせる電流ループ回路とを備えている。

また、本発明にかかる上記経路分岐器の一構成例は、前記電圧分岐回路が、一次側が対をなす主コンデンサを介して前記主経路に接続されたインピーダンス変換トランスと、二次側が対をなす第１のコンデンサを介して前記第１の分岐経路に接続された第１の伝送線路トランスと、二次側が対をなす第２のコンデンサを介して前記第２の分岐経路に接続された第２の伝送線路トランスとを備え、これら第１および第２の伝送線路トランスの一次側が前記インピーダンス変換トランスの二次側に対して並列接続されている。

また、本発明にかかる上記経路分岐器の一構成例は、前記電流ループ回路が、前記主経路の一方の線路と前記第１の分岐経路の一方の線路とを接続する第１のコイルと、前記第１の分岐経路の他方の線路と前記第２の分岐経路の一方の線路とを接続する第２のコイルと、前記第２の分岐経路の他方の線路と前記主経路の他方の線路とを接続する第２のコイルとを備えている。

また、本発明にかかる電圧分岐回路は、データ通信に用いる電圧信号を主経路から第１および第２の伝送経路に分岐する電圧分岐回路であって、一次側が前記主経路に接続されたインピーダンス変換トランスと、二次側が前記第１の分岐経路に接続された第１の伝送線路トランスと、二次側が前記第２の分岐経路に接続された第２の伝送線路トランスとを備え、これら第１および第２の伝送線路トランスの一次側が前記インピーダンス変換トランスの二次側に対して並列接続されている。

また、本発明にかかる上記電圧分岐回路の一構成例は、前記インピーダンス変換トランスが、二次側の特性インピーダンスとして、前記第１および第２の伝送線路トランスの一次側の特性インピーダンスの１／２の特性インピーダンスを有している。

本発明によれば、電流信号を用いた電流データ通信を行うノードと電圧信号を用いた電圧データ通信を行うノードとを共存させた場合でも、配線経路を途中で２つに分岐することが可能となる。したがって、本発明にかかる経路分岐器を配線経路の途中に配置することにより、配線経路の配置位置に制限されることなく、ノードの設置位置を選択することができ、通信システムさらには設備管理システムとして、自由度が高い柔軟性に富むシステムを構築することが可能となる。

本発明にかかる経路分岐器の構成を示す回路図である。 ＰＬＣ方式を利用した通信システムの構成例である。 通信ケーブルの分岐例を示す説明図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［経路分岐器］
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態にかかる経路分岐器１について説明する。図１は、本発明にかかる経路分岐器の構成を示す回路図である。

この経路分岐器１は、電流信号を用いた電流データ通信を行うノードと電圧信号を用いた電圧データ通信を行うノードとが、データ通信時に共用する２芯ケーブルからなる配線経路を、２つに分岐する機能を有している。ここでは、ポートＰｍに接続された主経路Ｍを、ポートＰａに接続された分岐経路（第１の分岐経路）Ａと、ポートＰｂに接続された分岐経路（第２の分岐経路）Ｂとの２つに分岐する場合を例として説明する。

経路分岐器１が適用される通信システムとしては、例えば、ビル設備や工業設備を管理する設備管理システムで用いられて、２芯ケーブルからなる配線経路により、電流信号を用いるカレントループ通信を行うノードと、電圧信号を用いるＰＬＣモデムを介してＥｔｈｅｒｎｅｔ通信を行うノードとが混在するような通信システムがある。

経路分岐器１には、主な回路部として、電圧分岐回路２と電流ループ回路３とが設けられている。
電圧分岐回路２は、主経路Ｍから分離した電圧データ通信に用いる主電圧信号Ｖｍを、分岐経路Ａを介した電圧データ通信に用いる分岐電圧信号（第１の分岐電圧信号）Ｖａと、分岐経路Ｂを介した電圧データ通信に用いる分岐電圧信号（第２の分岐電圧信号）Ｖｂとに分岐する機能を有している。

具体的には、電圧分岐回路２は、一次側が対をなすコンデンサ（主コンデンサ）Ｃｍ１，Ｃｍ２を介して主経路Ｍに接続されたインピーダンス変換トランスＴｍと、二次側が対をなすコンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃａ１，Ｃａ２を介して分岐経路Ａに接続された伝送線路トランス（第１の伝送線路トランス）Ｔａと、二次側が対をなすコンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃｂ１，Ｃｂ２を介して分岐経路Ｂに接続された伝送線路トランス（第２の伝送線路トランス）Ｔｂとを備え、これら伝送線路トランスＴａ，Ｔｂの一次側がインピーダンス変換トランスＴｍの二次側に対して並列接続されている。

インピーダンス変換トランスＴｍは、一次側と二次側とを電磁結合させることによりインピーダンス変換を行う、一般的なコンベンショナルトランスであり、一次側と二次側の巻線が電気的に分離されている。
一方、伝送線路トランスＴａ，Ｔｂは、交流的には一次側と二次側とが電磁結合され、直流的には一次側と二次側とが接続された構成を有しているトランスである。

コンデンサＣｍ１，Ｃｍ２は、ポートＰｍに接続された主経路Ｍから主電圧信号Ｖｍを主電流信号Ｉｍと分離して、インピーダンス変換トランスＴｍの一次側に入力する機能と、インピーダンス変換トランスＴｍの一次側から出力された主電圧信号Ｖｍを主経路Ｍに重畳する機能とを有している。

コンデンサＣａ１，Ｃａ２は、伝送線路トランスＴａの二次側から出力された分岐電圧信号Ｖａを、ポートＰａに接続された分岐経路Ａに重畳する機能と、分岐経路Ａから分岐電圧信号Ｖａを分岐電流信号Ｉａと分離して、伝送線路トランスＴａの二次側に入力する機能とを有している。

コンデンサＣｂ１，Ｃｂ２は、伝送線路トランスＴｂの二次側から出力された分岐電圧信号Ｖｂを、ポートＰｂに接続された分岐経路Ｂに重畳する機能と、分岐経路Ｂから分岐電圧信号Ｖｂを分岐電流信号Ｉｂと分離して、伝送線路トランスＴｂの二次側に入力する機能とを有している。

電流ループ回路３は、主経路Ｍから分離した電流データ通信に用いる主電流信号Ｉｍを、分岐経路Ａを介した電流データ通信に用いる分岐電流信号（第１の分岐電流信号）Ｉａ、および、分岐経路Ｂを介した電流データ通信に用いる分岐電流信号（第２の分岐電流信号）Ｉｂとして、順にループさせる機能を有している。

具体的には、電流ループ回路３は、主経路Ｍのうちの一方の線路Ｌｍ１と分岐経路Ａのうちの一方の線路Ｌａ１とを接続するコイル（第１のコイル）Ｌ１と、分岐経路Ａのうちの他方の線路Ｌａ２と分岐経路Ｂのうちの一方の線路Ｌｂ１とを接続するコイル（第２のコイル）Ｌ２と、分岐経路Ｂのうちの他方の線路Ｌｂ２と主経路Ｍのうちの他方の線路Ｌｍ２とを接続するコイル（第３のコイル）Ｌ３とから構成されている。

［本実施の形態の動作］
次に、図１を参照して、本実施の形態にかかる経路分岐器１の動作について説明する。

［電圧信号の分岐動作］
まず、経路分岐器１における電圧信号に関する分岐動作について説明する。
主経路Ｍから入力された電圧データ通信に用いる主電圧信号Ｖｍは、ポートＰｍを介して経路分岐器１に入力され、コンデンサＣｍ１，Ｃｍ２により、主経路Ｍを流れる電流データ通信用の主電流信号Ｉｍと分離されて、電圧分岐回路２に入力される。

この後、主電圧信号Ｖｍは、インピーダンス変換トランスＴｍの一次側に入力され、インピーダンス変換されて二次側から出力され２つに分岐され、伝送線路トランスＴａ，Ｔｂの一次側にそれぞれ入力される。
この際、伝送線路トランスＴａ，Ｔｂの一次側および二次側は、分岐経路Ａ，Ｂとインピーダンスマッチングさせるため、分岐経路Ａ，Ｂの特性インピーダンス、例えばＺｏ＝１２０Ωと等しい特性インピーダンスを有している。

同様に、インピーダンス変換トランスＴｍの一次側も、主経路Ｍとインピーダンスマッチングさせるため、主経路Ｍの特性インピーダンス、例えばＺｏ＝１２０Ωと等しい特性インピーダンスを有している。
一方、インピーダンス変換トランスＴｍの二次側は、伝送線路トランスＴａ，Ｔｂの一次側の特性インピーダンスの１／２の特性インピーダンスを有している。

このため、インピーダンス変換トランスＴｍの二次側と、伝送線路トランスＴａ，Ｔｂの一次側との接続区間において、特性インピーダンスが整合され、インピーダンス変換トランスＴｍの二次側から出力された主電圧信号Ｖｍは、１／√２だけ減衰する。
これにより、伝送線路トランスＴａの二次側からは、Ｖｍ／√２に相当する振幅電圧を有する分岐電圧信号Ｖａが出力される。
同様に、伝送線路トランスＴｂの二次側からは、Ｖｍ／√２に相当する振幅電圧を有する分岐電圧信号Ｖｂが出力される。

この後、分岐電圧信号Ｖａは、コンデンサＣａ１，Ｃａ２により、分岐経路Ａを介した電流データ通信用の分岐電流信号Ｉａと合成されて、ポートＰａに接続された分岐経路Ａへ出力される。
また、分岐経路Ａから入力された分岐電圧信号Ｖａについては、前述と逆順の信号経路を経た後、主電圧信号Ｖｍとして、コンデンサＣｍ１，Ｃｍ２により、主経路Ｍを介した電流データ通信用の主電流信号Ｉｍと合成されて、ポートＰｍに接続された主経路Ｍへ出力される。

一方、分岐電圧信号Ｖｂは、コンデンサＣｂ１，Ｃｂ２により、分岐経路Ｂを介した電流データ通信用の分岐電流信号Ｉｂと合成されて、ポートＰｂに接続された分岐経路Ｂへ出力される。
また、分岐経路Ｂから入力された分岐電圧信号Ｖｂについては、前述と逆順の信号経路を経た後、主電圧信号Ｖｍとして、コンデンサＣｍ１，Ｃｍ２により、主経路Ｍを介した電流データ通信用の主電流信号Ｉｍと合成されて、ポートＰｍに接続された主経路Ｍへ出力される。

［電流信号の分岐動作］
次に、経路分岐器１における電流信号に関する分岐動作について説明する。
主経路Ｍの線路Ｌｍ１から入力された電流データ通信に用いる主電流信号Ｉｍは、ポートＰｍを介して経路分岐器１の電流ループ回路３に入力される。ここで、コイルＬ１により、主経路Ｍを流れる電圧データ通信用の主電圧信号Ｖｍと分離された後、分岐経路Ａを流れる電圧データ通信用の分岐電圧信号Ｖａと合成され、分岐電流信号Ｉａとして、ポートＰａに接続された分岐経路Ａの線路Ｌａ１に供給される。

また、分岐経路Ａに接続されたノード（図示せず）を介して線路Ｌａ２に戻ってきた分岐電流信号Ｉａは、ポートＰａを介して経路分岐器１の電流ループ回路３に入力される。ここで、コイルＬ２により、分岐経路Ａの分岐電圧信号Ｖａと分離された後、分岐経路Ｂを流れる電圧データ通信用の分岐電圧信号Ｖｂと合成され、分岐電流信号Ｉｂとして、ポートＰｂに接続された分岐経路Ｂの線路Ｌｂ１に供給される。

また、分岐経路Ｂに接続されたノード（図示せず）を介して線路Ｌｂ２に戻ってきた分岐電流信号Ｉｂは、ポートＰｂを介して経路分岐器１の電流ループ回路３に入力される。ここで、コイルＬ３により、分岐経路Ｂの分岐電圧信号Ｖｂと分離された後、主経路Ｍの主電圧信号Ｖｍと合成され、主電流信号Ｉｍとして、ポートＰｍに接続された主経路Ｍの線路Ｌｍ２に供給される。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、電圧分岐回路２が、主経路Ｍから分離した電圧データ通信に用いる主電圧信号Ｖｍを、分岐経路Ａを介した電圧データ通信に用いる分岐電圧信号Ｖａと、分岐経路Ｂを介した電圧データ通信に用いる分岐電圧信号Ｖｂとに分岐し、電流ループ回路３が、主経路Ｍから分離した電流データ通信に用いる主電流信号Ｉｍを、分岐経路Ａを介した電流データ通信に用いる分岐電流信号Ｉａ、および、分岐経路Ｂを介した電流データ通信に用いる分岐電流信号Ｉｂとして、順にループさせるようにしたものである。

また、電圧分岐回路２の具体的構成として、一次側が対をなす主コンデンサＣｍ１，Ｃｍ２を介して主経路Ｍに接続されたインピーダンス変換トランスＴｍと、二次側が対をなすコンデンサＣａ１，Ｃａ２を介して分岐経路Ａに接続された伝送線路トランスＴａと、二次側が対をなすコンデンサＣｂ１，Ｃｂ２を介して分岐経路Ｂに接続された伝送線路トランスＴｂとを備え、これら伝送線路トランスＴａ，Ｔｂの一次側をインピーダンス変換トランスＴｍの二次側に対して並列接続するようにしたものである。

これにより、電流信号を用いた電流データ通信を行うノードと電圧信号を用いた電圧データ通信を行うノードとを共存させた場合でも、配線経路を途中で２つに分岐することが可能となる。したがって、本発明にかかる経路分岐器を配線経路の途中に配置することにより、配線経路の配置位置に制限されることなく、ノードの設置位置を選択することができ、通信システムさらには設備管理システムとして、自由度が高い柔軟性に富むシステムを構築することが可能となる。

また、電圧分岐回路２において、インピーダンス変換トランスＴｍが、二次側の特性インピーダンスとして、伝送線路トランスＴａ，Ｔｂの一次側の特性インピーダンスの１／２の特性インピーダンスを有するようにしたので、インピーダンス変換トランスＴｍの二次側と、伝送線路トランスＴａ，Ｔｂの一次側との接続区間において、特性インピーダンスが整合され、インピーダンス変換トランスＴｍの二次側から出力された主電圧信号Ｖｍの反射を抑制することができる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１…経路分岐器、２…電圧分岐回路、３…電流ループ回路、Ｔｍ…インピーダンス変換トランス、Ｔａ，Ｔｂ…伝送線路トランス、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…コイル、Ｃｍ１，Ｃｍ２，Ｃａ１，Ｃａ２，Ｃｂ１，Ｃｂ２…コンデンサ、Ｍ…主経路、Ａ，Ｂ…分岐経路、Ｌｍ１，Ｌｍ２，Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２…線路、Ｐｍ，Ｐａ，Ｐｂ…ポート、Ｖｍ…主電圧信号、Ｖａ，Ｖｂ…分岐電圧信号、Ｉｍ…主電流信号、Ｉａ，Ｉｂ…分岐電流信号。

Claims (5)

1. 電流信号を用いた電流データ通信を行うノードと電圧信号を用いた電圧データ通信を行うノードとが、データ通信時に共用する２芯ケーブルからなる配線経路を、２つに分岐するための経路分岐器であって、
   主経路から分離した前記電圧データ通信に用いる主電圧信号を、第１の分岐経路を介した前記電圧データ通信に用いる第１の分岐電圧信号と、第２の分岐経路を介した前記電圧データ通信に用いる第２の分岐電圧信号とに分岐する電圧分岐回路と、
   前記主経路から分離した前記電流データ通信に用いる主電流信号を、前記第１の分岐経路を介した前記電流データ通信に用いる第１の分岐電流信号、および、前記第２の分岐経路を介した前記電流データ通信に用いる第２の分岐電流信号として、順にループさせる電流ループ回路と
   を備えることを特徴とする経路分岐器。
2. 請求項１に記載の経路分岐器において、
   前記電圧分岐回路は、一次側が対をなす主コンデンサを介して前記主経路に接続されたインピーダンス変換トランスと、二次側が対をなす第１のコンデンサを介して前記第１の分岐経路に接続された第１の伝送線路トランスと、二次側が対をなす第２のコンデンサを介して前記第２の分岐経路に接続された第２の伝送線路トランスとを備え、これら第１および第２の伝送線路トランスの一次側が前記インピーダンス変換トランスの二次側に対して並列接続されていることを特徴とする経路分岐器。
3. 請求項１または請求項２に記載の経路分岐器において、
   前記電流ループ回路は、前記主経路の一方の線路と前記第１の分岐経路の一方の線路とを接続する第１のコイルと、前記第１の分岐経路の他方の線路と前記第２の分岐経路の一方の線路とを接続する第２のコイルと、前記第２の分岐経路の他方の線路と前記主経路の他方の線路とを接続する第２のコイルとを備えることを特徴とする経路分岐器。
4. データ通信に用いる電圧信号を主経路から第１および第２の伝送経路に分岐する電圧分岐回路であって、
   一次側が前記主経路に接続されたインピーダンス変換トランスと、二次側が前記第１の分岐経路に接続された第１の伝送線路トランスと、二次側が前記第２の分岐経路に接続された第２の伝送線路トランスとを備え、これら第１および第２の伝送線路トランスの一次側が前記インピーダンス変換トランスの二次側に対して並列接続されていることを特徴とする電圧分岐回路。
5. 請求項４に記載の電圧分岐回路において、
   前記インピーダンス変換トランスは、二次側の特性インピーダンスとして、前記第１および第２の伝送線路トランスの一次側の特性インピーダンスの１／２の特性インピーダンスを有することを特徴とする電圧分岐回路。

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