JP6714828B2

JP6714828B2 - フィールド機器

Info

Publication number: JP6714828B2
Application number: JP2016040100A
Authority: JP
Inventors: 佐野　孝史; 孝史佐野; 潤一滝口; 富男増尾; 和法梶本
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: JP2017157024A

Description

本発明は、フィールド機器に関し、特に、シリアルデータの絶縁伝送方式に関する。

フィールド機器では、機器内部でシリアルデータの絶縁伝送が行なわれる場合がある。図４は、絶縁伝送を行なうフィールド機器の一例である温度伝送器４００の構成を示すブロック図である。

本図に示すように、温度伝送器４００は、測定部４１０、Ａ／Ｄ変換部４２０、演算部４３０、絶縁伝送部４４０、出力部４５０を備えている。測定部４１０は、熱電対、測温抵抗体等から測定信号を入力し、アナログの測定データとして出力する。Ａ／Ｄ変換部４２０は、アナログの測定データをディジタル測定データに変換する。演算部４３０は、ディジタル測定データに基づいて測定温度値を算出し、シリアルデータとして出力する。絶縁伝送部４４０は、演算部４３０から出力部４５０にシリアルデータを絶縁伝送する。出力部４５０は、シリアルデータとして絶縁伝送された測定温度値を４−２０ｍＡの電流信号に変換して外部に出力する。

絶縁伝送部４４０を介した演算部４３０と出力部４５０との間の通信は、調歩同期方式のシリアル通信で行なわれる。調歩同期方式のシリアル通信の絶縁伝送を行なうために、従来は、図５（ａ）に示すようなパルストランス４４１を利用した絶縁伝送部４４０ａ、あるいは、図５（ｂ）に示すようなパルス間隔変調データをフォトカプラ４４４で伝送する絶縁伝送部４４０ｂが用いられている。

パルストランス４４１を利用した絶縁伝送部４４０ａは、パルストランス４４１と復調回路４４２とを備えており、図６（ａ）に示すように、絶縁伝送部４４０ａに入力されるシリアルデータのエッジをパルストランス４４１で伝送し、ロジック回路で構成した復調回路４４２で元のシリアルデータに戻して出力している。本質安全防爆構造とする場合には、例えば、パルストランス４４１の前段にコンデンサを安全保持部品として挿入し、パルストランス４４１に直流成分が混入しないようにすればよい。

パルス間隔変調データをフォトカプラ４４４で伝送する絶縁伝送部４４０ｂは、パルス間隔変調回路４４３、フォトカプラ４４４、パルス間隔復調回路４４５を備えている。

パルス間隔変調は、図６（ｂ）に示すように、０と１とでパルス間隔（パルス位置）を異ならせる変調方式である。本例では、ビットデータ１のときに間隔Ｄ１とし、ビットデータ０のときに間隔Ｄ２（＜間隔Ｄ１）とし、バイトの区切りは間隔Ｄ１以上の間隔Ｄ３としている。

本質安全防爆構造とする場合には、例えば、フォトカプラ４４４の発光側および受光側に電流を制限する抵抗を安全保持部品として挿入すればよい。

特開２００３−４２８５５号公報

図５（ａ）に示したパルストランス４４１を利用した絶縁伝送部４４０ａは、変化ビットのエッジを伝送するパルストランスが高周波ノイズも伝送してしまい、復調回路４４２がエッジとして誤検出してしまうおそれがある。また、復調回路４４２を構成するロジック回路の部品点数が多くなり、回路面積が大きくなるという問題もある。

図５（ｂ）に示したパルス間隔変調データをフォトカプラ４４４で伝送する絶縁伝送部４４０ｂは、パルス間隔変調が汎用的でないため、パルス間隔変調回路４４３とパルス間隔変調回路４４３とをゲートアレイで構成している。このため、コスト高になることに加え、回路規模が大きくなってしまう。また、０／１に関わらず、ビット毎にパルス発光するため、消費電力が大きくなる。

そこで、本発明は、回路規模が小さく、低消費電力で低コストな絶縁伝送部を備えたフィールド機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のフィールド機器は、機器内部で調歩同期方式のシリアルデータの絶縁伝送を行なう絶縁伝送部を有するフィールド機器であって、前記絶縁伝送部が、前記シリアルデータに対してＩｒＤＡ方式の変調を施すＩｒＤＡ変調部と、前記ＩｒＤＡ変調部により変調されたＩｒＤＡ変調データを絶縁伝送するフォトカプラと、前記フォトカプラを介して絶縁伝送された前記ＩｒＤＡ変調データを復調するＩｒＤＡ復調部と、スイッチング素子とを備えたことを特徴とする。
また、前記フィールド機器が、測定信号を入力する測定部と、電流信号を出力する出力部とを有し、前記測定部と前記出力部との間に前記絶縁伝送部を備えたことを特徴とする。
ここで、前記フォトカプラの発光素子と受光素子のそれぞれに、安全保持部品として電流制限用の抵抗が接続されていてもよい。

本発明によれば、回路規模が小さく、低消費電力で低コストな絶縁伝送部を備えたフィールド機器が提供される。

本実施形態のフィールド機器の構成を示すブロック図である。本実施形態の絶縁伝送部を説明するブロック図である。絶縁伝送部の伝送データを説明する波形タイミング図である。従来のフィールド機器の構成を示すブロック図である。従来のフィールド機器の絶縁伝送部を説明するブロック図である。絶縁伝送部の伝送データを説明する波形タイミング図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のシリアルデータの絶縁伝送を内部で行なうフィールド機器の構成を説明するブロック図である。本実施形態では、フィールド機器として、２線式の温度伝送器１００を例に説明するが、本発明は、２線式の温度伝送器に限られず、シリアルデータの絶縁伝送を機器内部で行なうフィールド機器全般に適用することができる。

本図に示すように、温度伝送器１００は、測定部１１０、Ａ／Ｄ変換部１２０、演算部１３０、絶縁伝送部１４０、出力部１５０を備えている。測定部１１０は、熱電対、測温抵抗体等から測定信号を入力し、アナログの測定データとして出力する。Ａ／Ｄ変換部１２０は、アナログの測定データをディジタル測定データに変換する。演算部１３０は、ディジタル測定データに基づいて測定温度値を算出し、シリアルデータとして出力する。絶縁伝送部１４０は、演算部１３０から出力部１５０にシリアルデータを絶縁伝送する。出力部１５０は、シリアルデータとして絶縁伝送された測定温度値を４−２０ｍＡの電流信号に変換して外部に出力する。

絶縁伝送部１４０を介した演算部１３０と出力部１５０との間の通信は、調歩同期方式のシリアル通信で行なわれる。調歩同期方式のシリアル通信の絶縁伝送を行なうために、本実施形態の温度伝送器１００では、図２に示すようなＩｒＤＡ変調データをフォトカプラ１４２で伝送する絶縁伝送部１４０が用いられている。

本図に示すように、絶縁伝送部１４０は、ＩｒＤＡ変調部１４１と、フォトカプラ１４２と、ＩｒＤＡ復調部１４３と、ＦＥＴ等のスイッチング素子１４４とを備えている。なお、絶縁伝送部１４０内に同じ回路を逆並列に設け、双方向通信を可能としてもよい。

ＩｒＤＡ変調部１４１は、絶縁伝送部１４０に入力された調歩同期方式のシリアルデータをＩｒＤＡ方式で変調する。ここで、ＩｒＤＡ方式の変調は、赤外線による光無線データ通信として汎用的な変調方式であり、図３の波形タイミング図に示すように、ビットデータが０の場合に所定幅のパルスを出力し、ビットデータが１の場合はパルスを出力しない方式である。ここでは、出力するパルスの幅は、ビット幅の１／１６としている。

ＩｒＤＡ方式で変調された伝送データでスイッチング素子１４４のオンオフを制御することにより、フォトカプラ１４２の発光素子の発光状態を変化させる。具体的は、パルスが出力されたときにフォトカプラ１４２の発光素子が発光するようにする。

フォトカプラ１４２の発光素子は、電源Ｖｃｃ１を駆動電圧としており、安全保持部品である電流制限用の抵抗Ｒ１が直列に接続されている。また、電圧安定用のコンデンサＣ１が並列に接続されている。

フォトカプラ１４２の受光素子は、電源Ｖｃｃ２を駆動電圧としており、電圧安定用のコンデンサＣ２が並列に接続されている。伝送データは、抵抗Ｒ２１に生じる電圧によって検出され、安全保持部品である電流制限用の抵抗Ｒ２２を介してＩｒＤＡ復調部１４３に入力される。抵抗Ｒ２１は、安全保持部品としても機能する。

ＩｒＤＡ復調部１４３は、図３の波形タイミング図に示すように、ＩｒＤＡ方式で変調された伝送データから調歩同期方式のシリアルデータを復調し、出力データとして出力部１５０に出力する。

ＩｒＤＡ方式の変調は汎用的であるため、ＩｒＤＡ変調部１４１、ＩｒＤＡ復調部１４３は、演算部１３０や出力部１５０として温度伝送器１００に実装されているプロセッサに搭載されている機能を流用することができる。このため、独立した回路を設ける必要はなく、容易に省スペース化、低コストを実現することができる。

また、ビットデータが０の場合にビット幅の１／１６という極めて短時間の発光をし、ビットデータが１の場合は発光しないため、消費電力を小さくすることができる。２線式の温度伝送器１００は、消費電力の制約が大きいため、特に有益である。

さらに、フォトカプラ１４２で絶縁伝送を行なっているため、高い耐高周波ノイズ性が得られる。なお、本質安全防爆構造は、フォトカプラ１４２、電流制限用の抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２１、抵抗Ｒ２２で実現することができる。

シリアル通信の転送速度は容易に変更することができるため、本実施形態の絶縁伝送部１４０は、多くの機器がその仕様に合わせて採用することができる設計の自由度が高い構成である。

上述の例では、出力するパルス幅をビット幅の１／１６としているが、パルス幅はフォトカプラ１４２の応答性を考慮して任意に設定することができる。このため、部品選定の自由度も高い構成となっている。

１００…温度伝送器、１１０…測定部、１２０…Ａ／Ｄ変換部、１３０…演算部、１４０…絶縁伝送部、１４１…ＩｒＤＡ変調部、１４２…フォトカプラ、１４３…ＩｒＤＡ復調部、１４４…スイッチング素子、１５０…出力部

Claims

機器内部で調歩同期方式のシリアルデータの絶縁伝送を行なう絶縁伝送部を有するフィールド機器であって、
前記絶縁伝送部が、前記シリアルデータに対してＩｒＤＡ方式の変調を施すＩｒＤＡ変調部と、前記ＩｒＤＡ変調部により変調されたＩｒＤＡ変調データを絶縁伝送するフォトカプラと、前記フォトカプラを介して絶縁伝送された前記ＩｒＤＡ変調データを復調するＩｒＤＡ復調部と、スイッチング素子とを備えた
ことを特徴とするフィールド機器。
測定信号を入力する測定部と、電流信号を出力する出力部とを有し、
前記測定部と前記出力部との間に前記絶縁伝送部を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。
前記フォトカプラの発光素子と受光素子のそれぞれに、安全保持部品として電流制限用
の抵抗が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のフィールド機器。