JP2018072860A - Analog output device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、制御対象機器に対してアナログ制御信号を出力するアナログ出力装置に関する。 The present invention relates to an analog output device that outputs an analog control signal to a device to be controlled.
プラント機器などの制御対象機器に対してアナログ制御信号を出力するのにアナログ出力装置が用いられる(特許文献1参照)。例えば、アナログ出力装置は、上位制御装置から制御指示を受信し、制御指示に含まれる信号を電圧/電流変換回路でアナログの電流信号に変換し、制御対象機器に出力する。 An analog output device is used to output an analog control signal to a control target device such as a plant device (see Patent Document 1). For example, the analog output device receives a control instruction from the host controller, converts a signal included in the control instruction into an analog current signal by the voltage / current conversion circuit, and outputs the analog current signal to the control target device.
この種のアナログ出力装置には信頼性が求められ、アナログ信号出力装置には内部の故障を検出するために診断機能が備えられる場合がある。 This type of analog output device is required to be reliable, and the analog signal output device may be provided with a diagnostic function in order to detect an internal failure.
特許文献1に記載された技術によれば、制御された電圧信号を電圧/電流変換抵抗により電流信号に変換して制御対象機器へ出力するアナログ出力装置において、アナログの出力信号からフィードバックされた信号の電圧値を、制御指示に基づくアナログ信号の電圧値と一致させるように制御が行われる。
According to the technique described in
フィードバックされる信号の電圧値が、制御指示に基づくアナログ信号の電圧値と一致するように制御されるので、電圧/電流変換抵抗が故障したとしてもフィードバックされる信号は異常な電圧値を示さない場合がある。そのため、電圧/電流変換抵抗の故障を検出することができない場合がある。 Since the voltage value of the fed back signal is controlled to match the voltage value of the analog signal based on the control instruction, the fed back signal does not show an abnormal voltage value even if the voltage / current conversion resistor fails. There is a case. For this reason, a failure of the voltage / current conversion resistor may not be detected.
本発明の目的は、電圧信号を電圧/電流変換回路で電流信号に変換して制御対象機器に出力するアナログ出力回路における電圧/電流変換抵抗の異常を検出することを可能にする技術を提供することである。 An object of the present invention is to provide a technique that makes it possible to detect an abnormality in a voltage / current conversion resistor in an analog output circuit that converts a voltage signal into a current signal by a voltage / current conversion circuit and outputs the current signal to a control target device. That is.
本発明の一態様によるアナログ出力装置は、デジタルの制御指示値をアナログの電圧信号に変換するデジタル/アナログ変換器と、直列接続された2つ以上の抵抗回路を含み、前記電圧信号に基づく制御電圧値を電流値に変換した制御電流信号を生成して制御対象機器に出力する電圧/電流変換回路と、前記電圧/電流変換回路において直列接続された前記抵抗回路により分圧された分圧電圧値を示す分圧電圧信号を入力とし、前記分圧電圧信号の電圧値が変化すると出力が変化する検知回路と、を有する。 An analog output device according to an aspect of the present invention includes a digital / analog converter that converts a digital control instruction value into an analog voltage signal, and two or more resistor circuits connected in series, and controls based on the voltage signal A voltage / current conversion circuit that generates a control current signal obtained by converting a voltage value into a current value and outputs the control current signal to a control target device, and a divided voltage divided by the resistor circuit connected in series in the voltage / current conversion circuit And a detection circuit that receives a divided voltage signal indicating a value and changes its output when the voltage value of the divided voltage signal changes.
本発明によれば、電圧信号を電圧/電流変換回路で電流信号に変換して制御対象機器に出力するアナログ出力回路における電圧/電流変換抵抗を2つ以上の抵抗回路の直列回路とし、分圧電圧信号を監視しているので、電圧/電流変換抵抗の異常を検出することができる。 According to the present invention, a voltage / current conversion resistor in an analog output circuit that converts a voltage signal into a current signal by a voltage / current conversion circuit and outputs the current signal to a controlled device is a series circuit of two or more resistance circuits, Since the voltage signal is monitored, the abnormality of the voltage / current conversion resistor can be detected.
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、実施例1によるアナログ出力装置の回路構成図である。アナログ出力装置1は、制御回路4、デジタル/アナログ(D/A)変換器5、電圧/電流変換回路6、電源回路7、およびアナログ/デジタル(A/D)変換器10を有している。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an analog output device according to a first embodiment. The
制御回路4は、通信ライン3により上位制御装置2と接続している。制御回路4は、通信ライン3を介して上位制御装置2から制御指示信号を受信し、制御指示信号を解析し、それにより得られた制御指示値を、信号線11を通してD/A変換器5に送信する。また、抵抗回路9が故障すると電圧値Vrが正常値から変化し、変化した電圧値VrはA/D変換器10でリードバックデータが搭載されたデジタル信号に変換され制御回路4に入力するので、制御回路4は、通信ライン3を介して上位制御装置2にリードバックデータを伝送する。本実施例では、一例として抵抗Ra、Rb、Rc、Rdの抵抗値が全て等しいので、正常時の電圧値Vr=Vf/2である。
The
D/A変換器5は、制御指示値を電圧値Viで示すアナログの電圧信号に変換し、信号線12を通じて電圧/電流変換回路6に入力する。
The D /
電圧/電流変換回路6は、抵抗回路9を備え、電圧値Viを示す電圧信号を、抵抗回路9により、電圧値Vi=Vfを電流値により示すアナログ電流信号に変換し、信号線14で制御対象機器であるプラント機器8に出力する。その際、電圧/電流変換回路6は、電圧値Viとフィードバック信号の電圧値Vfとをオペアンプに入力し、電圧値Vfを電圧値Viに一致させるように動作する。
The voltage /
オペアンプの出力信号はトランジスタのベースに入力される。トランジスタのコレクタがプラント機器8に接続される信号線14に接続され、エミッタが抵抗回路9に接続されるとともに電圧値Vfのフィードバック信号をオペアンプにフィードバックする。
The output signal of the operational amplifier is input to the base of the transistor. The collector of the transistor is connected to the
抵抗回路9は、2つの抵抗回路を直列接続した構成を有し、一方の端部がトランジスタのエミッタに接続され、他方の端部が接地されている。2つの抵抗回路の接続点からは、電圧値Vfを分圧した電圧値Vrを示す分圧信号が信号線15を通じてA/D変換器10に入力されている。
The
電源回路7は、アナログ出力装置1からの出力信号をプラント機器8に出力するための電源を提供する。
The power supply circuit 7 provides a power supply for outputting the output signal from the
A/D変換器10は、信号線15上のアナログ信号の電圧値Vrをデジタル値に変換し、異常の有無を示す検知信号として信号線16を通じて制御回路4に送る。
The A /
以上説明したように本実施例によるアナログ出力装置1は、デジタルの制御指示値をアナログの電圧信号に変換するD/A変換器5と、直列接続された2つ以上の抵抗回路を含み、前記電圧信号に基づく制御電圧値を電流値に変換した制御電流信号を生成してプラント機器8に出力する電圧/電流変換回路6と、電圧/電流変換回路6において直列接続された抵抗回路9により分圧された分圧電圧値を示す分圧電圧信号を入力とし、分圧電圧信号の電圧値が変化すると出力が変化する検知回路であるA/D変換器10と、を有している。電圧信号を電圧/電流変換回路6で電流信号に変換して制御対象のプラント機器8に出力するアナログ出力回路1における電圧/電流変換抵抗となる抵抗回路9を2つ以上の抵抗回路の直列回路とし、分圧電圧信号を検知回路(A/D変換器10)で監視しているので、抵抗回路9の異常を検出することができる。
As described above, the
電圧/電流変換回路6の抵抗回路9は4個の抵抗Ra、Rb、Rc、Rdで構成される。抵抗回路9において、抵抗Raと抵抗Rbが並列接続された抵抗回路と、抵抗Rcと抵抗Rdが並列接続された抵抗回路とが直列接続されている。一例として、抵抗Ra、Rb、Rc、Rdは全て同じ抵抗値の抵抗素子である。抵抗Raと抵抗Rbからなる抵抗回路の他方の端部はトランジスタのエミッタに接続されている。抵抗Rcと抵抗Rdからなる抵抗回路の他方の端部は接地されている。そして、それら2つの抵抗回路の接続点から信号線15を通じて分圧電圧VrがA/D変換器10に入力している。
The
電圧値Vfを抵抗回路9により分圧されたリードバック信号の分圧電圧Vrは、Vr=Vf×(Ra+Rb)×Rc×Rd/((Ra+Rb)×Rc×Rd+Ra×Rb×(Rc+Rd))となる。
The divided voltage Vr of the readback signal obtained by dividing the voltage value Vf by the
本実施例のように、抵抗Ra、Rb、Rc、Rdの抵抗値が全て等しい場合、Vr=Vf/2となる。電圧値Vrのリードバック信号はA/D変換器10に入力され、A/D変換器10で、電圧値Vrを示すリードバックデータが搭載されたデジタル信号に変換される。デジタル信号はA/D変換器10から制御回路4に伝送される。制御回路4は通信ライン3を介して上位制御装置2にリードバックデータを伝送し、上位制御装置2がリードバック診断する。
When the resistance values of the resistors Ra, Rb, Rc, and Rd are all equal as in this embodiment, Vr = Vf / 2. The readback signal having the voltage value Vr is input to the A /
以上のように、電圧/電流変換回路6は、複数の抵抗を並列接続した複数の回路を直列接続した抵抗回路を含む。そのため、抵抗Ra、Rb、Rc、Rdのどの抵抗がショートあるいはオープンのいずれの異常となっても分圧電圧値Vrが正常値から変化し、異常を検知することができる。
As described above, the voltage /
また、電圧/電流変換回路6は、一例として、抵抗値が等しい2個の抵抗を並列接続した2個の回路を直列接続した前記抵抗回路を含むので、いずれかの抵抗がショートあるいはオープンのいずれの異常となっても、分圧電圧値Vrが変化するので、異常の検知漏れを低減できる。
The voltage /
また、電圧/電流変換回路6は、4個の全ての抵抗Ra、Rb、Rc、Rdの抵抗値が等しい。そのため、いずれかの抵抗がオープンとなる異常となったとき、分圧電圧が正常時の2/3倍または4/3倍となり、ショートとなったとき、分圧電圧が正常時の2倍または0Vとなるので、分圧電圧の変化が判別しやすく、容易に異常を検出できる。また異常となった抵抗がどれかの推定も可能である。
In the voltage /
図2は、D/A変換器5とA/D変換器10の入出力特性を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing input / output characteristics of the D /
ここでは一例としてD/A変換器5は、アナログ信号であるフィードバック信号の電圧値Vfの最大値と、4000digitという値のデジタルのデータとが対応するスケールである。また、A/D変換器10も電圧値Vfの最大値と、4000digitという値のデジタルのデータとが対応するスケールとしている。
Here, as an example, the D /
上述のように抵抗回路9が抵抗値の等しい2つの抵抗回路を直列接続した構成なので、抵抗回路9に異常がなければ、リードバック信号の電圧値Vrは0〜Vf/2[V]の範囲内の値となる。しかし、リードバック信号の電圧値Vrは抵抗回路9が異常となった場合に正常時の2倍になる場合がある。よって、A/D変換器10のデータは正常時の入力でフルスケールの1/2以内となるようにし、異常時にA/D変換器10のデータが飽和しないようにしている。
As described above, since the
以上説明したように、本実施例では、検知回路は、分圧電圧信号を、分圧電圧値を示すデジタルの分圧電圧情報に変換するA/D変換器10である。分圧電圧信号をデジタルの分圧電圧情報に変換するので、分圧電圧の異常を分圧電圧情報から容易に検知することができる。
As described above, in this embodiment, the detection circuit is the A /
また、電圧/電流変換回路6は、抵抗値が等しい2個の抵抗回路を直列接続した抵抗回路を含み、A/D変換器10は、電圧/電流変換回路6の抵抗回路9に異常がないときの最大入力電圧の2倍以上の電圧まで変換可能である。電圧/電流変換回路6の抵抗が異常となったとき分圧電圧が最大で2倍まで上昇するが、そのときにも飽和せずにデジタル値に変換することができる。
The voltage /
また、本実施例では、制御回路4は、上位制御装置2から制御指示値を受信してD/A変換器5に入力し、分圧電圧値Vrのリードバック信号に基づくリードバックデータを上位制御装置2に送信する。具体的には、電圧値Vrのリードバック信号はA/D変換器10で、電圧値Vrを示すリードバックデータが搭載されたデジタル信号に変換される。デジタル信号はA/D変換器10から制御回路4に伝送される。制御回路4は通信ライン3を介して上位制御装置2にリードバックデータを伝送し、上位制御装置2がリードバック診断する。上位制御装置2との連携により制御対象であるプラント機器8への制御を行うことができるとともに、電圧/電流変換回路6の抵抗の異常も上位制御装置2で容易に検出することが可能となる。
In the present embodiment, the
図3は、上位制御装置2が実行する処理を示すフローチャートである。上位制御装置2は、アナログ出力装置1がプラント機器8に出力するアナログ信号の電圧値をアナログ出力装置1に設定するとともに、アナログ出力装置1からのリードバックデータに基づいてアナログ出力装置1の電圧/電流変換回路6における抵抗回路9の異常を監視する。
FIG. 3 is a flowchart showing processing executed by the
図3を参照すると、上位制御装置2は、ステップ101にて、アナログ出力装置1に対して、プラント機器8に出力するアナログ信号の電圧値を示す出力データを設定する。続いて、上位制御装置2は、ステップ102にて、アナログ出力装置1からのリードバックデータの正常性を検証するための上限判定値および下限判定値を算出する。
Referring to FIG. 3, the
その際、上位制御装置2は、まず、式(1)を用いて、出力データDaoから、正常時の理論的なリードバックデータの値である理論データDr1を算出する。
Dr1=Dao×(Ra+Rb)×Rc×Rd/((Ra+Rb)×Rc×Rd+Ra×Rb×(Rc+Rd))・・・式(1)
At that time, the
Dr1 = Dao × (Ra + Rb) × Rc × Rd / ((Ra + Rb) × Rc × Rd + Ra × Rb × (Rc + Rd)) (1)
次に、上位制御装置2は、式(2)を用いて、理論データDr1から上限判定値Dr1Aを算出する。
Dr1A=Dr1+α・・・式(2)
Next, the
Dr1A = Dr1 + α (2)
同様に、上位制御装置2は、式(3)を用いて、理論データDr1から下限判定値Dr1Bを算出する。
Dr1B=Dr1−α・・・式(3)
Similarly, the
Dr1B = Dr1-α (3)
式(2)および式(3)におけるαは、リードバックデータの許容誤差である。ここでは式(2)と式(3)に同じ値の許容誤差を用いているが、それぞれ異なる値の許容誤差を用いてもよい。 Α in the equations (2) and (3) is an allowable error of the readback data. Here, the same tolerance value is used in Equation (2) and Equation (3), but different tolerance values may be used.
以上のようにして上限判定値Dr1Aおよび下限判定値Dr1Bを算出すると、次に、上位制御装置2は、ステップ103にて、実際のリードバックデータの実測データDr2を取得する。
When the upper limit determination value Dr1A and the lower limit determination value Dr1B are calculated as described above, the
次に、上位制御装置2は、ステップ104にて、実測データDr2が上限判定値Dr1A以下であるか否か判定する。Dr2がDr1A以下でなければ上位制御装置2はステップ106にて異常処理を行う。異常処理とは、例えば、異常の発生を知らせるウィンドウをディスプレイ画面にポップアップ表示したり、異常の発生を知らせる警告音を発生させたりすることが考えられる。
Next, in
ステップ104にてDr2がDr1A以下であれば、上位制御装置2は、ステップ105にて、実測データDr2が下限判定値Dr1B以上であるか否か判定する。Dr2がDr1B以上でなければ上位制御装置2はステップ106にて異常処理を行う。ステップ105にてDr2がDr1B以上であれば、上位制御装置2は処理を終了する。
If Dr2 is not more than Dr1A in
図4は、分圧電圧信号の電圧値Vrと故障部位および故障モードとの関係を示す表である。 FIG. 4 is a table showing the relationship between the voltage value Vr of the divided voltage signal, the failure part, and the failure mode.
電圧/電流変換回路6の抵抗Ra、Rb、Rc、Rdのうち、いずれかの抵抗が故障してリードバック診断で異常となった場合のリードバック信号の電圧が示されている。抵抗Raと抵抗Rbのいずれかがオープンになると電圧値Vrは正常時の2/3倍となる。抵抗Raと抵抗Rbのいずれかがショートになると電圧値Vrは正常時の2倍となる。抵抗Rcと抵抗Rdのいずれかがオープンになると電圧値Vrは正常時の4/3倍となる。抵抗Rcと抵抗Rdのいずれかがショートになると電圧値Vrは0[V]となる。このように故障部位と故障モードによりリードバック信号の電圧Vrが異なる。そのため、故障時はリードバックデータから故障部位と故障モードを推定することができる。
The voltage of the readback signal when one of the resistors Ra, Rb, Rc, Rd of the voltage /
実施例1では、A/D変換器10を用いてリードバック診断を行い、抵抗回路9の異常を検知する例を示したが、実施例2では、2つの比較器20、21を用いてリードバック診断を行い、抵抗回路9の異常を検知する。
In the first embodiment, an example in which a readback diagnosis is performed using the A /
図5は、実施例2によるアナログ出力装置の回路構成図である。図5のアナログ出力装置1は、図1に示した実施例1によるアナログ出力装置1と比べると、A/D変換器10の代わりに、比較器20と比較器21を有する点で相違する。
FIG. 5 is a circuit configuration diagram of an analog output device according to the second embodiment. The
比較器20には信号線12と信号線15が入力されている。比較器20は、式(4)を用いて、信号線12から与えられる電圧値Viから、分圧電圧Vrと比較する上限判定値Vr1Aを生成する。さらに、比較器20は、信号線15から与えられる実際の分圧電圧Vrと、上限判定値Vr1Aとを比較し、分圧電圧Vrが上限判定値Vr1A以下か否かを示す上限比較結果信号を信号線22に出力する。
Vr1A=Vi×(Ra+Rb)×Rc×Rd/((Ra+Rb)×Rc×Rd+Ra×Rb×(Rc+Rd))+α・・・式(4)
The
Vr1A = Vi × (Ra + Rb) × Rc × Rd / ((Ra + Rb) × Rc × Rd + Ra × Rb × (Rc + Rd)) + α (4)
比較器21にも信号線12と信号線15が入力されている。比較器21は、式(5)を用いて、信号線12から与えられる電圧値Viから、分圧電圧Vrと比較する下限判定値Vr1Bを生成する。さらに、比較器21は、信号線15から与えられる実際の分圧電圧Vrと、下限判定値Vr1Bとを比較し、分圧電圧Vrが下限判定値Vr1B以上か否かを示す下限比較結果信号を信号線23に出力する。
Vr1B=Vi×(Ra+Rb)×Rc×Rd/((Ra+Rb)×Rc×Rd+Ra×Rb×(Rc+Rd))−α・・・式(5)
式(4)および式(5)におけるαは、分圧電圧Vrの許容誤差である。ここでは式(4)と式(5)に同じ値の許容誤差を用いているが、それぞれ異なる値の許容誤差を用いてもよい。
The
Vr1B = Vi × (Ra + Rb) × Rc × Rd / ((Ra + Rb) × Rc × Rd + Ra × Rb × (Rc + Rd)) − α (5)
Α in the equations (4) and (5) is an allowable error of the divided voltage Vr. Here, the same value of tolerance is used in Equation (4) and Equation (5), but different values of tolerance may be used.
制御回路4は、比較器20からの上限比較結果信号に含まれる情報と比較器21からの下限比較結果信号に含まれる情報とに基づいて、抵抗回路9に異常が生じているか否かを判定し、判定結果の情報を上位制御装置2に送信する。分圧電圧Vrは、下限判定値Vr1B以上、上限判定値Vr1A以下であれば、正常範囲である。分圧電圧Vrが下限判定値Vr1Bより小さい値であるとき、あるいは上限判定値Vr1Aよりも大きい値であるとき、制御回路4は抵抗回路9に異常が発生していることを通知する。
The
本実施例では、検知回路は比較器20と比較器21を有し、比較器20が分圧電圧信号を所定の上限値と比較し、比較器21が分圧電圧信号を所定の下限値と比較する。分圧電圧信号を上限値および下限値と比較するので、分圧電圧値Vrが所定の範囲から外れたことを容易に検知することができる。
In the present embodiment, the detection circuit includes a
実施例1、2では、電圧/電流変換回路6の抵抗回路9は4つの抵抗素子を備えていたが、実施例3は抵抗回路9は直列接続の2つの抵抗を備えている。
In the first and second embodiments, the
図6は、実施例3によるアナログ出力装置の回路構成図である。実施例3のアナログ出力装置1は、抵抗回路9が2つの抵抗Re、Rfを直列接続した構成である点で図1に示した実施例1のものと相違する。
FIG. 6 is a circuit configuration diagram of an analog output device according to the third embodiment. The
アナログ出力装置1は、複数の抵抗Re、Rfを直列接続した抵抗回路9を含む。そのため、抵抗Reか抵抗Rfのどちらの抵抗がショートあるいはオープンのいずれの異常となっても分圧電圧値Vrが正常値から変化し、異常を検知することができる。
The
1…アナログ出力装置、2…上位制御装置、3…通信ライン、4…制御回路、5…D/A変換器、6…電圧/電流変換回路、7…電源回路、8…プラント機器、9…抵抗回路、10…A/D変換器、11,12,13,14,15,16…信号線、20,21…比較器、22,23…信号線
DESCRIPTION OF
Claims (7)
直列接続された2つ以上の抵抗回路を含み、前記電圧信号に基づく制御電圧値を電流値に変換した制御電流信号を生成して制御対象機器に出力する電圧/電流変換回路と、
前記電圧/電流変換回路において直列接続された前記抵抗回路により分圧された分圧電圧値を示す分圧電圧信号を入力とし、前記分圧電圧信号の電圧値が変化すると出力が変化する検知回路と、
を有するアナログ出力装置。 A digital / analog converter for converting a digital control instruction value into an analog voltage signal;
A voltage / current conversion circuit that includes two or more resistor circuits connected in series, generates a control current signal obtained by converting a control voltage value based on the voltage signal into a current value, and outputs the control current signal to a control target device;
A detection circuit that receives a divided voltage signal indicating a divided voltage value divided by the resistor circuit connected in series in the voltage / current conversion circuit, and whose output changes when the voltage value of the divided voltage signal changes. When,
An analog output device.
前記アナログ/デジタル変換器は、前記電圧/電流変換回路の抵抗回路に異常がないときの最大入力電圧の2倍以上の電圧まで変換可能である、請求項5に記載のアナログ出力装置。 The voltage / current conversion circuit includes a resistance circuit in which two resistance circuits having the same resistance value are connected in series,
6. The analog output device according to claim 5, wherein the analog / digital converter is capable of converting up to a voltage twice or more of a maximum input voltage when there is no abnormality in the resistance circuit of the voltage / current conversion circuit.
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JP2020047092A (en) * | 2018-09-20 | 2020-03-26 | 矢崎総業株式会社 | Voltage measurement device with self diagnosis function and self diagnosis method for voltage measurement device |
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