JP5924545B2 - 絶縁型信号伝送装置 - Google Patents

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Description

本発明は、制御側装置から制御対象装置に、直流電流信号と通信信号とを重畳した電気信号を絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置に関し、特に、制御側装置の故障時にも、制御対象装置の動作を可能とする絶縁型信号伝送装置に関する。
プラントにおいてバルブ操作等の制御動作を行なうフィールド機器では、分散制御システム（ＤＣＳ）等の上位機器から操作信号が入力される。一般に、操作信号は、４−２０ｍＡの直流電流信号が用いられており、直流電流信号を絶縁して伝送する絶縁型信号伝送装置としてアイソレータやディストリビュータが知られている。
近年では、直流電流信号にデジタル通信信号を重畳して伝送する、いわゆるスマート通信が広く行なわれるようになっており、スマート通信に対応した絶縁型信号伝送装置では、４−２０ｍＡの直流電流信号に加え、通信信号も絶縁伝送できるようになっている。
図１０は、スマート通信の絶縁伝送を行なう絶縁型信号伝送装置の適用例を示すブロック図である。本図は、制御側装置であるＤＳＣ４１０から制御対象装置であるバルブポジショナ４２０に、４−２０ｍＡの直流電流信号と通信信号とを重畳した電気信号を絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置の例であり、絶縁型信号伝送装置として出力アイソレータ５００を用いている。出力アイソレータ５００において、ＤＣＳ４１０と接続し、電気信号が入力される側をシステム側と称し、バルブポジショナ４２０と接続し、電気信号を出力する側をフィールド側と称している。
バルブポジショナ４２０は、４−２０ｍＡの直流電流信号を動作電源としても用いており、出力アイソレータ５００によって絶縁伝送された電気信号に従ってバルブ４３０の弁開度を操作する。
図１１は、従来の出力アイソレータ５００の構成を示すブロック図である。本図に示すように、出力アイソレータ５００は、コンデンサＣｉにより、システム側の入力端に入力された電気信号から通信信号と直流電流信号とを分離し、通信信号を通信信号用絶縁回路５４０でフィールド側に絶縁伝送する。通信信号用絶縁回路５４０は、絶縁トランス、絶縁アンプ等が用いられる。なお、通信信号による伝送は双方向で行なわれるためフィールド側にもコンデンサＣｏが設けられている。
４−２０ｍＡの直流電流信号は、直流信号入力回路５５０で、例えば、１−５Ｖの直流電圧信号に変換され、直流信号用絶縁回路５２０によりフィールド側に絶縁伝送される。直流信号用絶縁回路５２０は、フォトカプラ等が用いられる。そして、直流信号出力回路５３０で４−２０ｍＡの直流電流信号に変換される。
フィールド側に絶縁伝送された通信信号と４−２０ｍＡの直流電流信号とは再度重畳され、出力端から出力される。
得開２０１１−２３９３６２号公報
プラントの稼働中にＤＳＣ４１０が故障した場合、バルブポジショナ４２０を適切にコントロールしてプラント全体を安全にシャットダウンさせる必要がある。
ＤＣＳ４１０の故障の度合いが、通信信号は出力できないがバルブポジショナ４２０が動作可能な直流電流を出力できる程度であれば、図１２に示すように、出力アイソレータ５００とバルブポジショナ４２０との間にハンドヘルド情報端末装置等の通信機器４４０を接続し、通信機器４４０から通信信号をバルブポジショナ４２０に送信することで、バルブポジショナ４２０を適切にコントロールすることが可能である。この場合、バルブポジショナ４２０の動作に必要な直流電流はＤＣＳ４１０から供給されることになる。
しかしながら、ＤＣＳ４１０の故障の度合いが直流電流を出力できない程であれば、図１２に示した構成ではバルブポジショナ４２０を動作させることができない。このため、例えば、図１３に示すように、４−２０ｍＡの直流電流信号を出力する手動操作器４５０を出力アイソレータ５００のシステム側に接続して、バルブポジショナ４２０をアナログ信号でコントロールせざるを得ず、プラントを安全にシャットダウンさせるための対応が大がかりで煩雑なものとなる。
そこで、本発明は、制御側装置から制御対象装置に、直流信号と通信信号とを重畳した電気信号を絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置において、制御側装置の故障時にも制御対象装置の動作を可能とすることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の絶縁型信号伝送装置は、所定範囲の直流信号に通信信号を重畳した電気信号を、制御側装置から前記直流信号を動作電源とする制御対象装置に絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置であって、前記制御側装置からの直流信号が前記制御対象装置の最小動作値未満の場合に、前記制御対象装置に前記制御対象装置の最小動作値以上、前記所定範囲の下限値未満の直流信号を出力するための下限リミッタ回路を備えたことを特徴とする。
ここで、前記直流信号は、４−２０ｍＡの直流電流信号とすることができる。
また、前記下限リミッタ回路が、前記制御側装置からの直流信号が前記所定範囲の上限値超の場合に、前記制御対象装置に前記上限値の直流信号を出力する上限リミット機能を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、制御側装置から制御対象装置に、直流信号と通信信号とを重畳した電気信号を絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置において、制御側装置の故障時にも制御対象装置の動作が可能となる。
本実施形態に係る出力アイソレータの構成を示すブロック図である。 下限リミッタ回路の入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の特性と出力アイソレータの入力電流Ｉ１と出力電流Ｉ２の特性を示す図である。 本実施形態の出力アイソレータの各ブロックの具体的な回路構成例を示す図である。 ＤＣＳの出力故障時に通信機器を用いてバルブポジショナを動作させる場合の構成を示す図である。 本発明の変形例を説明するブロック図である。 電流下限リミッタ回路を用いた本発明の変形例を説明するブロック図である。 電流下限リミッタ回路を用いた本発明の変形例を説明するブロック図である。 直流電流信号経路と通信信号経路とを共通にした本発明の変形例を説明するブロック図である。 上限リミット機能を追加した出力アイソレータの入力電流Ｉ１と出力電流Ｉ２の特性を示す図である。 スマート通信の絶縁伝送を行なう絶縁型信号伝送装置の適用例を示すブロック図である。 従来の出力アイソレータの構成を示すブロック図である。 ＤＣＳの故障時に通信機器を用いてバルブポジショナを動作させる場合の構成を示す図である。 ＤＣＳの故障時に手動操作器を用いてバルブポジショナを動作させる場合の構成を示す図である。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明の絶縁型信号伝送装置を出力アイソレータに適用した場合について説明する。図１は、本実施形態に係る出力アイソレータ１００の構成を示すブロック図である。
出力アイソレータ１００は、ＤＣＳ等の制御側装置から４−２０ｍＡの直流電流信号と通信信号とを重畳した電気信号を入力し、バルブポジショナ、電空変換器等の制御対象装置に絶縁伝送する。
本図に示すように、出力アイソレータ１００は、直流信号入力回路１１０、直流信号用絶縁回路１２０、直流信号出力回路１３０、通信信号用絶縁回路１４０、下限リミッタ回路１５０、および電気信号から直流信号と通信信号とを分離するシステム側のコンデンサＣｉ、フィールド側のコンデンサＣｏを備えている。
直流信号入力回路１１０は、４−２０ｍＡの直流電流信号Ｉ１を、例えば、１−５Ｖの直流電圧信号Ｖ１に変換する。直流信号用絶縁回路１２０は、直流電圧信号Ｖ２をシステム側からフィールド側に絶縁伝送する。直流信号出力回路１３０は、例えば、１−５Ｖの直流電圧信号Ｖ２を４−２０ｍＡの直流電流信号Ｉ２に変換する。通信信号用絶縁回路１４０は、通信信号を双方向に絶縁伝送する。
下限リミッタ回路１５０は、入力電圧Ｖ１が所定の下限電圧値Ｖｍｉｎ以上であればそのままの電圧値を出力電圧Ｖ２として出力し、入力電圧Ｖ１が所定の下限電圧値Ｖｍｉｎ未満のときは、所定の下限電圧値Ｖｍｉｎが出力電圧Ｖ２として出力されるように制御する。
ここで、所定の下限電圧値Ｖｍｉｎについて説明する。一般に、制御対象装置であるバルブポジショナ等のフィールド機器には、３．８ｍＡ等の最小動作電流値Ｉｍｉｎが定められている。下限リミッタ回路１５０は、直流信号出力回路１３０が出力する直流電流信号Ｉ２の値がＩｍｉｎとなるときの電圧Ｖ２の値を下限電圧値Ｖｍｉｎとして設定するようにする。このため、下限リミッタ回路１５０の入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２との関係は、図２（ａ）に示すような特性となり、この結果、出力アイソレータ１００の入力直流電流信号Ｉ１と出力直流電流信号Ｉ２との関係は、図２（ｂ）に示すような特性となる。
ただし、下限電圧値Ｖｍｉｎは、直流信号出力回路１３０が出力する直流電流信号Ｉ２の値がＩｍｉｎとなるときの電圧Ｖ２の値以上であって、４−２０ｍＡの直流電流信号に影響を与えない値であればよい。このため、少なくとも最小動作電流値Ｉｍｉｎ以上の直流電流信号が出力アイソレータ１００から出力されることになる。
本構成の出力アイソレータ１００においては、システム側の入力端に入力された電気信号からコンデンサＣｉにより通信信号と直流電流信号とを分離し、通信信号を通信信号用絶縁回路１４０でフィールド側に絶縁伝送する。４−２０ｍＡの直流電流信号は、直流信号入力回路１１０で、例えば、１−５Ｖの直流電圧信号に変換され、下限リミッタ回路１５０を介して、直流信号用絶縁回路１２０によりフィールド側に絶縁伝送される。そして、直流信号出力回路１３０で４−２０ｍＡの直流電流信号に変換される。フィールド側に絶縁伝送された通信信号と４−２０ｍＡの直流電流信号とは再度重畳され、出力端から出力される。
図３は、本実施形態の出力アイソレータ１００の各ブロックの具体的な回路構成例を示す図である。ただし、出力アイソレータ１００は、本図の回路構成例に限られず、各ブロックを実現する種々の回路で構成することができる。
本図に示す例では、直流信号入力回路１１０を、直流電流信号Ｉ１を直流電圧信号Ｖ１に変換する抵抗Ｒｉとバッファとで構成している。直流信号用絶縁回路１２０は、直流電圧信号Ｖ２をパルス幅信号に変換するＰＷＭ１２１と、パルス信号を光伝送するフォトカプラ１２２と、パルス信号を直流電圧信号Ｖ２に変換するＬＰＦ１２３とで構成している。直流信号出力回路１３０は、トランジスタＴｒと抵抗Ｒｏとオペアンプを用いて定電流回路を構成し、直流電圧信号Ｖ３を直流電流信号Ｉ２に変換するようにしている。また、通信信号用絶縁回路１４０は、絶縁トランスを用いて構成している。
下限リミッタ回路１５０は、電源電圧、オペアンプ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、ダイオードＤ１を用いた一般的な回路を採用しており、電源電圧をＶｍｉｎとすることで、下限電圧値がＶｍｉｎとなるようにしている。なお、下限電圧値Ｖｍｉｎは、制御対象装置の最小動作電流値Ｉｍｉｎに応じて変更できるようにすることが望ましい。
本実施形態の出力アイソレータ１００によれば、図４に示すように、ＤＣＳ４１０が故障して、バルブポジショナ４２０の最小動作電流を出力できない場合でも、バルブポジショナ４２０に最小動作電流を供給することができるため、バルブポジショナ４２０を動作させることが可能となる。
このため、既存の配線を利用してハンドヘルド情報端末装置等の通信機器４４０を出力アイソレータ１００とバルブポジショナ４２０との間に接続し、通信機器４４０から通信信号をバルブポジショナ４２０に送信することで、バルブポジショナ４２０を適切にコントロールすることが可能となる。これにより、手動操作器を用いた煩雑な作業を経ることなく安価にプラントを安全にシャットダウンさせることができる。
なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、下限リミッタ回路１５０をシステム側に設けていたが、図５に示すように、下限リミッタ回路１５０をフィールド側に設けるようにしてもよい。この場合、下限リミッタ回路１５０は、直流信号用絶縁回路１２０と直流信号出力回路１３０との間に設けて、直流信号用絶縁回路１２０の出力電圧Ｖ１が下限電圧値Ｖｍｉｎ未満となった場合に、下限電圧値Ｖｍｉｎを直流信号出力回路１３０に出力するようにする。
また、上記の実施形態では、下限電圧値Ｖｉｍを出力する下限リミッタ回路１５０を用いていたが、最小動作電流値Ｉｍｉｎを下限電流値とする電流下限リミッタ回路を用いてもよい。
この場合、例えば、図６に示すように、システム側の直流信号入力回路１１０の前段に電流下限リミッタ回路１６０を配置するか、図７に示すように、フィールド側の直流信号出力回路１３０の後段に電流下限リミッタ回路１６０を配置するようにする。
また、上記の実施形態では、出力アイソレータ１００の内部において直流信号の経路と通信信号の経路とを分けていたが、図８に示すように、直流信号の経路と通信信号の経路とを共通としてもよい。本図において、出力アイソレータ２００は、直流電流信号と通信信号が重畳された重畳電流信号を信号入力回路２１０で重畳電圧信号に変換する。この重畳電圧信号を、下限リミッタ回路１５０を介して、信号絶縁回路２２０に入力し、システム側からフィールド側に絶縁伝送する。そして、信号出力回路２３０で重畳電流信号に変換して出力するようにする。
また、制御対象機器を過電流から保護するために、下限リミッタ回路１５０に上限電圧値Ｖｍａｘで制限する上限リミット機能を付加するようにしてもよい。ここえ、上限電圧値Ｖｍａｘは直流信号出力回路１３０が出力する直流電流信号Ｉ２の値が制御対象機器の動作保証最大電流Ｉｍａｘとなるときの電圧Ｖ２の値を上限電圧値Ｖｍａｘとして設定するようにする。この場合、出力アイソレータ１００の入力直流電流信号Ｉ１と出力直流電流信号Ｉ２との関係は、図９に示すような特性となる。
また、上記の実施形態では、ＤＣＳ等の制御側装置から４−２０ｍＡの直流電流信号と通信信号とを重畳した電気信号を入力する場合について説明したが、本発明は、ＤＣＳ等の制御側装置から１−５Ｖの直流電圧信号と通信信号とを重畳した電気信号を入力する場合にも適用することができる。この場合、直流電流信号を直流電圧信号に変換する直流信号入力回路１１０を入力バッファに置き換えればよい。
１００…出力アイソレータ、１１０…直流信号入力回路、１２０…直流信号用絶縁回路、１２１…ＰＷＭ、１２２…フォトカプラ、１２３…ＬＰＦ、１３０…直流信号出力回路、１４０…通信信号用絶縁回路、１５０…下限リミッタ回路、１６０…電流下限リミッタ回路、２００…出力アイソレータ、２１０…信号入力回路、２２０…信号絶縁回路、２３０…信号出力回路

Claims (3)

  1. 所定範囲の直流信号に通信信号を重畳した電気信号を、制御側装置から前記直流信号を動作電源とする制御対象装置に絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置であって、
    前記制御側装置からの直流信号が前記制御対象装置の最小動作値未満の場合に、前記制御対象装置に前記制御対象装置の最小動作値以上、前記所定範囲の下限値未満の直流信号を出力するための下限リミッタ回路を備えたことを特徴とする絶縁型信号伝送装置。
  2. 前記直流信号は、４−２０ｍＡの直流電流信号であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁型信号伝送装置。
  3. 前記下限リミッタ回路が、前記制御側装置からの直流信号が前記所定範囲の上限値超の場合に、前記制御対象装置に前記上限値の直流信号を出力する上限リミット機能を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁型信号伝送装置。
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