JP4802971B2

JP4802971B2 - アナログ出力装置

Info

Publication number: JP4802971B2
Application number: JP2006290979A
Authority: JP
Inventors: 篤寺山; 幸雄馬庭
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-10-26
Also published as: JP2008107224A

Description

本発明は、設定された基準範囲の出力電流を、電圧源より出力端を介して外部機器に供給するアナログ出力装置に関するものである。

図４は、断線診断機能を持つ従来のアナログ出力装置を二重化したシステム構成例を示す機能ブロック図である。断線検出回路を持つアナログ出力装置に関しては、特許文献１に技術開示がある。

１は上位のプロセッサであり、稼動側のアナログ出力装置２に対してプラントのバルブ等の外部機器３に、電圧源ＶＤＡより４〜２０ｍＡの基準範囲の出力電流Ｉ０の供給を指令する。

外部機器３を共通にして右側のエリアが稼動側（Ａ）、左側のエリアが待機側（Ｂ）である。待機側（Ｂ）においても、電圧源ＶＤＢより外部機器３に対して４〜２０ｍＡの基準範囲の出力電流Ｉ０を供給できるアナログ出力装置４が配置されている。

稼動側（Ａ）のアナログ出力装置は、マルチチャンネル構成になっており、電圧源ＶＤＡを共通とし、プロセッサ１からの指令で他の外部機器（図示せず）に出力電流を供給する他チャンネルのアナログ出力装置が配置されている。簡単のため、代表として１台の他チャンネルアナログ出力装置５が図示されている。

稼動側（Ａ）において、プロセッサ１の出力設定手段１１より指令される４〜２０ｍＡの出力設定値は、Ｄ／Ａ変換器２１でアナログの設定値Ｖｉに変換され、他チャンネルを切り換えるマルチプレクサ２２を介してコンデンサＣに保持され、演算増幅器２３に入力される。演算増幅器２３の出力は、トランジスタ素子２４の制御端子に接続される。

トランジスタ素子２４は、電圧源ＶＤＡから出力端Ｐ１，Ｐ２間に接続された外部機器３に供給される出力電流Ｉ０を操作する。電圧源ＶＤＡとトランジスタ素子２４の途中に電流検出抵抗２５が挿入されている。

トランジスタ素子２４と電流検出抵抗２５の接続点に発生する電圧は、出力電流Ｉ０に比例する値となるので、これをソース電流値Ｖｓとする。演算増幅器２３は、このソース電流値Ｖｓとプロセッサ１から与えられる出力設定値Ｖｉを入力し、その偏差に基づいてトランジスタ素子２４の制御端子の電位を操作し、Ｖｓ＝Ｖｉのフィードバック制御を実行する。

ソース電流値Ｖｓは、マルチプレクサ２６、Ａ／Ｄ変換器２７を介してプロセッサ１にリードバックされる。プロセッサ１に設けられた断線診断手段１２は、出力設定手段１１で現在設定している出力設定値とリードバックされたソース電流値Ｖｓを比較し、出力端子Ｐ１，Ｐ２間の断線診断を実行する。

出力端Ｐ１，Ｐ２間に接続されたシャントスイッチ２８は、プロセッサ１からの二重化制御信号により、自己装置が稼動側であれば開に操作される。自己装置が待機側であれば、アナログ出力装置４内に示すようにシャントスイッチは閉に操作され、外部機器３への出力電流Ｉ０をバイパスする。

他チャンネルのアナログ出力装置５は、マルチプレクサ２２及び２６により、Ｄ／Ａ変換器２１及びＡ／Ｄ変換器２７を切り換えて共用しているが、その他の構成要素は、同一要素をチャンネル毎に備える構成となっている。

特開２００１−０３４３４８号公報

ソース電流値をリードバックする従来のアナログ出力装置では、外部機器に流れる電流を直接測定していないため、稼動側及び待機側で以下の問題点に対応できない。

（１）稼動側において、多チャンネル構成の場合に、出力端に他のチャンネルの出力端を接続させる誤操作をユーザが行ってしまうと（以後チャンネル間短絡と呼ぶ）、外部機器には出力設定値とは異なる電流が流れてしまうことになるが、電圧源から供給される出力電流Ｉ０は出力設定値通りで変化していないので、この異常の判断ができない。

また、内部ハードウェア異常が発生した場合に、出力設定値通りの電流が出力されていないのにもかかわらず、リードバックしたソース電流値は出力設定値通りであり、この異常を検出できない。

（２）二重化構成とした場合に、待機側のアナログ出力装置のシャントスイッチは閉に操作されていることで、待機側より外部機器に電流を出力することはない。しかしながら、待機側でシャントスイッチが開となる異常が発生した場合に、外部機器に待機側からも電流が流れることになる。

結果として、外部機器に対して稼動側と待機側の両方から電流と流すことになり、出力設定値とは異なる電流を流してしまうことになる。この異常の場合、従来構成では、稼動側と待機側の両方共に、リードバックしたソース電流値は出力設定値通りの電流値であり、この異常を検出できない。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、配線異常とハードウェア異常を切り分けて検出すると共に、外部機器に流れる電流を正確に把握して異常状態に応じて適切なフェイルセーフ処理を実行できるアナログ出力装置の実現を目的とする。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りになっている。
（１）設定された基準範囲の出力電流を、電圧源より出力端を介して外部機器に供給するアナログ出力装置において、
前記外部機器を流れるリターン電流を検出するリターン電流検出手段と、
このリターン電流検出手段から取得してリードバックされるリターン電流値が、設定された前記出力電流に対して所定の許容範囲外の場合に異常と判断する異常診断手段と、
を備え、
前記異常診断手段は、リードバックされる前記リターン電流値が前記許容範囲外の場合に、前記出力電流を前記基準範囲の下限値以下に変更し、その状態でリードバックされるリターン電流値が前記下限値以下である場合には配線異常と判断すると共に、リードバックされるリターン電流値が前記下限値以上である場合には装置のハードウェア異常と判断することを特徴とするアナログ出力装置。

（２）設定された基準範囲の出力電流を、電圧源より出力端を介して外部機器に供給するアナログ出力装置において、
前記外部機器を流れるリターン電流を検出するリターン電流検出手段と、
このリターン電流検出手段から取得してリードバックされるリターン電流値が、設定された前記出力電流に対して所定の許容範囲外の場合に異常と判断する異常診断手段と、
を備え、
前記異常診断手段は、リードバックされる前記リターン電流値が前記許容範囲外の場合に、前記出力電流を前記基準範囲の下限値以下に変更し、その状態でリードバックされるリターン電流値が前記下限値以上である場合には、ハードウェア異常と判断することを特徴とするアナログ出力装置。

（３）前記異常診断手段は、配線異常と判断した場合、前記出力端の開放または前記電圧源を共通とする他チャンネル装置へのチャンネル間短絡のいずれかであると推定することを特徴とする（１）に記載のアナログ出力装置。

（４）前記異常診断手段は、装置のハードウェア異常と判断した場合には、前記電圧源の電圧供給を遮断することを特徴とする（２）に記載のアナログ出力装置。

（５）二重化システム構成において自己装置が待機側であるとき、前記異常診断手段は、リードバックされる前記リターン電流値が所定値以上である場合には、前記外部機器への出力電流供給をバイパスするシャントスイッチの異常と判断し、前記電圧源の電圧供給を遮断することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のアナログ出力装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
（１）リターン電流値をリードバックすることにより、外部機器に流れる電流を正確に検出でき、出力設定された電流値と異なる状態の検出が可能となる。

（２）一般的に、配線異常と内部ハードウェア異常は切り分けが必要である。本発明によれば、ユーザの誤操作に起因する配線異常（出力端の開放、開放チャンネル間短絡等）と、ハードウェア内部で発生する異常とを明確に切り分けることが可能となる。

（３）多チャンネル構成では、ひとつのチャンネルの配線異常の場合には、他のチャンネルは正常であるので、稼働率を考慮してそのまま動作させ続けることができる。

（４）二重化システム構成では、ハードウェア異常の場合には二重化システムを待機側に切り換え、チャンネル間短絡のようなユーザが起こした配線異常の場合には、二重化システムへの切り換えを実行しないことができる。

（５）上記（１）項の異常電流の検出と、上記（２）項の異常状態の切り分けが可能となることで、それに応じたフェイルセーフ動作を行うことが可能となり、外部機器へのリスクを確実に回避できる。

（６）また同様に、二重化システムにおいて、待機側のシャントスイッチのハードウェア故障を検出でき、それに応じたフェイルセーフ動作を行うことが可能となり、外部機器へのリスクを確実に回避できる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したアナログ出力装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図４で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

従来装置に追加された本発明の特徴部は、外部機器３のリターン電流回路に直列に挿入されたリターン電流検出手段１００、このリターン電流検出手段１００から取得されるリターン電流値をプロセッサ１にリードバックするマルチプレクサ２００及びＡ／Ｄ変換器３００、電圧源からの電圧供給を遮断するカットオフスイッチ４００、プロセッサ１内に設けた異常診断部５００である。

尚、この実施形態では、図４の従来装置で設けられている、ソース電流値Ｖｓをプロセッサ１にリードバックするためのマルチプレクサ２６及びＡ／Ｄ変換器２７の接続は省かれている。ソース電流値Ｖｓをプロセッサ１にリードバックする実施形態については、図３で説明する。

リターン電流検出手段１００は、抵抗ｒで実現され、一端が出力端のリターン側Ｐ２に接続され、他端がシャントスイッチ２８の一端と共に接地電位に接続されている。この抵抗ｒを流れるリターン電流Ｉｒにより接地電位に対し発生する電圧Ｖｒが、プロセッサ１にリードバックされるリターン電流値である。

マルチプレクサ２００は、他チャンネルのアナログ出力装置５からのリターン電流値を切り換えて取得し、共通に使用されるＡ／Ｄ変換器３００を介してプロセッサ１に各チャンネルのリターン電流値をリードバックする。

カットオフスイッチ４００は、異常診断部５００からハードウェア異常の通知を取得すると強制的にオフに規制され、電圧源ＶＤＡからの電圧供給を遮断する。

異常診断部５００は、異常診断手段５０１、リターン電流値リードバック手段５０２、出力電流の設定値を所定値に変更する出力変更手段５０３よりなり、配線異常及びハードウェア異常を切り分けて通知する機能を備える。

次に、アナログ出力装置２が稼動側（Ａ）である場合の動作を説明する。異常診断部５００の異常診断手段５０１は、リターン電流値リードバック手段５０２にリードバックされるリターン電流値Ｖｒを入力して常に監視する。

このリターン電流値Ｖｒが、出力設定手段１１で設定される出力電流の設定値に対して所定の許容範囲内にあるかを比較し、許容範囲外である場合には、外部機器３に設定した出力電流以外の電流が流れていて異常であると判断する。

異常診断手段５０１は、異常であると判断した場合は、出力変更手段５０３に指令して出力電流の設定値を、基準範囲の下限値４ｍＡ以下の所定値、例えば１．２５ｍＡに変更して外部機器３に流れる出力電流Ｉ０を変更させる。

異常診断手段５０１は、この変更状態でリードバックされるリターン電流値Ｖｒが基準範囲の下限値４ｍＡ以下である場合には、出力端開放またはチャンネル間短絡等の配線異常と判定する。

異常診断手段５０１は、この変更状態でリードバックされるリターン電流値Ｖｒが基準範囲の下限値４ｍＡ以上である場合には、ハードウェア異常と判定する。ハードウェアが異常である場合には、出力電流を設定値通りに出力できない状態であることが考えられるので、カットオフスイッチ４００をオフとすることで完全に出力電流を絶つ、フェイルセーフ処理を実行する。

ある２つのチャンネルが短絡された場合には、その両方において異常が検出される。内部的には故障していないので、出力電流を変えることは可能である。また、出力電流は外部機器の配線の状況によっては、ある１つのチャンネルの方に両方の出力電流が流れ込む可能性がある。よって、異常を検出して１．２５ｍＡを設定した場合には、流れる出力電流の最大値は２．５ｍＡになる。

また、４ｍＡを設定値変更のための基準値としたのは、一般的にプラントの操作端に使用されるバルブ等の外部機器の駆動範囲は４ｍＡ〜２０ｍＡであり、４ｍＡ以下であればバルブとしてはオフの状態、つまりは安全な方向と考えた経緯がある。

二重化システムの場合では、ある条件で二重化システムを切り換える必要がある。一方で、チャンネル間短絡のようなユーザが起こす配線異常の場合には、二重化システムの切り換えを行わせたくない要求がある。

本発明によれば、配線異常とハードウェア異常とは確実に切り分けられる。異常判定でハードウェア異常と判定された場合には、二重化切り換えの要求が発生し、稼動側は待機側になり、シャントスイッチ２８がオフからオンへ切り換えられると共に、待機側は稼動側になり、シャントスイッチ２８Ｂはオンからオフへと確実に切り換えられる。

次に、アナログ出力装置が待機側（Ｂ）である場合の動作を説明する。二重化システムの待機側において、通常時、シャントスイッチ２８Ｂはオンとなり出力電流Ｉ０を内部にバイパスすことで、外部機器３には出力電流を流さない構成となっている。

従って、正常状態では、リターン電流検出手段１００の抵抗ｒには電流が流れず、リードバックしたリターン電流値Ｖｒは０ｍＡとなる。待機側でシャントスイッチ２８Ｂがオフとなる異常が発生した場合、外部機器３には待機側で設定された出力電流Ｉ０が流れることになる。従って、このときには外部機器３には、稼動側と待機側の両方の設定電流値が足し合わされた電流が流れることになる。

異常診断部５００において、リターン電流値Ｖｒをリードバックした値が０ｍＡでない場合には、出力端または外部機器３に設定電流以外の電流値が流れて異常であると判断する。この場合、シャントスイッチ２８Ｂのハードウェア異常と判断し、カットオフスイッチ４００Ｂをオフとすることで完全に出力を遮断するフェイルセーフ処理を実行する。

図２は、本発明の他の実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の特徴は、図１の実施形態においてプロセッサ１内に設けたソフトウェア機能で実現された異常診断部５００の機能を、ハードウェアで実現した構成にある。

いま外部機器３に、設定された出力電流以外の電流が流れた場合を考えると、リターン電流検出手段１００からリードバックされるリターン電流値Ｖｒと、コンデンサＣに保持された出力電流の設定値Ｖｉとを適当なヒステリシス特性を持つ比較器６０１により比較診断することで、異常が検出される。

このとき、出力変更スイッチ７００を操作して設定値を１．２５ｍＡ側に切り換え、外部機器３に流す出力電流を、１．２５ｍＡに設定する。このときのリターン電流値Ｖｒと４ｍＡの設定値を適当なヒステリシス特性を持つ比較器６０２により比較診断する。

リターン電流値Ｖｒが４ｍＡ以下では、配線異常（出力端開放、チャンネル間短絡等）と判断されるので、比較器６０１の出力と比較器６０２の反転出力を入力するＡＮＤ回路８０１より配線異常をプロセッサ１に通知する。

リターン電流値Ｖｒが４ｍＡ以上では、ハードウェア異常と判断されるので、比較器６０１の出力と比較器６０２の出力を入力するＡＮＤ回路８０２よりハードウェア異常をプロセッサ１に通知すると共に、この場合は外部機器３に流れる電流を制御できないことから、カットオフスイッチ４００をオフとし、電圧源ＶＤＡを遮断して外部機器への過電流を防止する。

図３は、本発明の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の特徴は、図１の実施形態に追加して、図４の従来装置で設けられていた、ソース電流値Ｖｓをプロセッサ１にリードバックするためのマルチプレクサ２６及びＡ／Ｄ変換器２７を接続した構成にある。

Ａ／Ｄ変換器２７から渡されるソース電流値Ｖｓは、プロセッサ１内に設けたソース電流値リードバック手段９００で取得され、異常診断手段５０１に渡される。以下、ソース電流値のＶｓリードバックによる診断例を説明する。

通常時、出力端Ｐ１の電圧（Ｖ１とする）は、出力電流Ｉｚおよび負荷の抵抗値Zと抵抗ｒより算出される。
Ｖ１＝（Ｚ＋ｒ）×Ｉｚ
例えば、出力電流Ｉｚ＝２０［ｍＡ］、Ｚ＋ｒ＝５００［Ω］であるとすると、１０［Ｖ］と算出される。

しかしながら、端子間Ｐ１，Ｐ２間にインピーダンスの大きな負荷が接続された場合、電圧値Ｖ１は電圧源ＶＤＡの電圧（Ｖｄａとする）および抵抗Ｒの動作電圧，トランジスタ素子の動作電圧から決まる電圧値に制限させる。このとき出力電流Ｉｚは、出力設定された電流が流れるのではなく、この電圧値Ｖ１に応じた電流Ｉｚが流れることになる。

出力端に大きな負荷が接続された場合、Ｖ１は下記の式から算出される。
Ｖ１＝Ｖｄａ−｛（抵抗Ｒの動作電圧）＋（トランジスタ素子の動作電圧）｝
電流値Ｉｚは、以下の式から算出される。
Ｉｚ＝Ｖ１／（Ｚ＋ｒ）
例えば、Ｚ＋ｒ＝１０００［Ω］、Ｖ１＝１８［Ｖ］であるとすると、電流値Ｉｚは１８［ｍＡ］と算出され、設定電流よりも低い電流値が流れることになる。
このとき、ソース電流値Ｖｓもリターン電流値Ｖｒも１８［ｍＡ］相当が読み込まれることになる。
つまり、出力端に大きな負荷が接続された場合、出力電流が低くなり、ソース電流値Ｖｓもリターン電流値Ｖｒも異常となる。

この状態で、出力電流の設定を１．２５ｍＡに変更すると、出力電流も１．２５ｍＡに変更され、４ｍＡ以下となることから配線異常と判断できる。

また、電流変換回路部にて異常が発生した場合に、ハードウェア的な固着故障が考えられるが、この場合には、ソース電流値Ｖｓもリターン電流値Ｖｒも異常となる。この状態で、出力設定を１．２５ｍＡに変更しても、固着故障のために出力は変更されずに、４ｍＡ以上となる。このときハードウェア異常と判断して、カットオフスイッチ４００をオフに規制する。この実施形態における診断機能をまとめると、表１のようになる

異常が発生した場合の、ソース電流値の状態、リターン電流値の状態、出力変更後のリターン電流値の状態の違いよって、各異常状態の切り分けが可能となり、更に高信頼性の診断機能を持つアナログ出力装置を構成することができる。

以上説明した実施形態では、外部機器３としてプラントの操作端で使用されるバルブを例示したが、これに限定されるものではなく、電流信号により駆動される機器一般に本発明を適用することができる。

本発明を適用したアナログ出力装置を二重化したシステムの実施形態を示す機能ブロック図である。本発明の他の実施形態を示す機能ブロック図である。本発明の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。断線診断機能を持つ従来のアナログ出力装置を二重化したシステム構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１プロセッサ
１１出力設定手段
２稼動側アナログ出力装置
２１Ｄ／Ａ変換器
２２マルチプレクサ
２３演算増幅器
２４トランジスタ素子
２５電流検出抵抗
２６マルチプレクサ
２７Ａ／Ｄ変換器
２８シャントスイッチ
３外部機器
４待機側アナログ出力装置
５他チャンネルアナログ出力装置
１００リターン電流検出手段
２００マルチプレクサ
３００Ａ／Ｄ変換器
４００カットオフスイッチ
５００異常診断部
５０１異常診断手段
５０２リターン電流リードバック手段
５０３出力変更手段

Claims

設定された基準範囲の出力電流を、電圧源より出力端を介して外部機器に供給するアナログ出力装置において、
前記外部機器を流れるリターン電流を検出するリターン電流検出手段と、
このリターン電流検出手段から取得してリードバックされるリターン電流値が、設定された前記出力電流に対して所定の許容範囲外の場合に異常と判断する異常診断手段と、
を備え、
前記異常診断手段は、リードバックされる前記リターン電流値が前記許容範囲外の場合に、前記出力電流を前記基準範囲の下限値以下に変更し、その状態でリードバックされるリターン電流値が前記下限値以下である場合には、配線異常と判断することを特徴とするアナログ出力装置。
設定された基準範囲の出力電流を、電圧源より出力端を介して外部機器に供給するアナログ出力装置において、
前記外部機器を流れるリターン電流を検出するリターン電流検出手段と、
このリターン電流検出手段から取得してリードバックされるリターン電流値が、設定された前記出力電流に対して所定の許容範囲外の場合に異常と判断する異常診断手段と、
を備え、
前記異常診断手段は、リードバックされる前記リターン電流値が前記許容範囲外の場合に、前記出力電流を前記基準範囲の下限値以下に変更し、その状態でリードバックされるリターン電流値が前記下限値以上である場合には、ハードウェア異常と判断することを特徴とするアナログ出力装置。
前記異常診断手段は、配線異常と判断した場合、前記出力端の開放または前記電圧源を共通とする他チャンネル装置へのチャンネル間短絡のいずれかであると推定することを特徴とする請求項１に記載のアナログ出力装置。
前記異常診断手段は、装置のハードウェア異常と判断した場合には、前記電圧源の電圧供給を遮断することを特徴とする請求項２に記載のアナログ出力装置。
二重化システム構成において自己装置が待機側であるとき、前記異常診断手段は、リードバックされる前記リターン電流値が所定値以上である場合には、前記外部機器への出力電流供給をバイパスするシャントスイッチの異常と判断し、前記電圧源の電圧供給を遮断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアナログ出力装置。