JPH11296780A - 光信号を用いたデータ収集処理システム及びこれに用いるデータ収集装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 遠方に設置したセンサに給電するとともに、
その検出信号を電送するための配線費用は高価である。
そこで光信号（光線）を用いて給電とデータ電送の両方
を行う方法がある。しかし、１つの光信号で給電と電送
の両方を行うには、発電のための大パワーと、データ電
送のための高速応性を両立させなければならないので、
適当な光源を得ることが困難であった。 【解決手段】 給電用照射光６１の光源１３とデータ伝
送用の光信号６２の光源１６とを別々に設ける、これら
の光源に対応する受光器（光電変換器）もそれぞれ別の
ものを設ける。そして、別々の光源から出た２つの光は
給電用光学部２０で同軸にまとめて出射することで受光
の調整を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はプラントなどに設
置した各種センサを遠隔、且つ、ワイアレスで計測、操
作してデータを収集する光伝送式のデータ収集システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化学プラントなど、各種の工業プラント
の機器に取付けられた多数のセンサをコントローラで集
中管理しつつ、データを収集して処理する、いわゆるデ
ータ収集処理システムがある。従来これらセンサとコン
トローラとは伝送線（有線）で結ばれていたが、遠距離
では伝送線の費用が高く付くなどの理由から、これを光
通信で結ぶものが考案されている。

【０００３】図６は例えば実開平５−５２９９７号公報
に示された従来のデータ収集システムを示す構成図であ
り、図７は図６を詳細に説明するためのブロック図であ
る。図６において、５０１は外界環境その他を測定する
センサ、５０２はセンサ５０１に電源を供給し、且つ、
センサを操作してその検出信号を光信号５４１として転
送するデータ転送装置である。データ転送装置５０２は
プラントの塔の上など、一般には配線費用が高く付く、
又は困難な遠隔位置に取付けられている。５２０はデー
タ収集装置でありデータ転送装置５０２から光信号５４
１により送信されてくる検出信号（データ）を受信する
とともに、データ転送装置５０２へセンサ５０１を操
作、制御する（センサの起動停止や条件設定をする）た
めの操作用光信号５０４を送信するものである。１００
はデータ収集装置５２０に接続されたデータ処理計算機
（例えばパソコン）である。１０１はデータ収集装置５
２０に電力を供給する電源ラインである。

【０００４】図７は図６のデータ転送装置５０２とデー
タ収集装置５２０の内部構成について説明するもので、
まず、データ転送装置５０２について説明すると、５１
１はセンサ５０１を制御する光信号５０４を受光する第
１受光器、５１２は第１受光器５１１に接続され受信し
た信号をデコードするデコーダ、５１３は第１受光器５
１１からの電気エネルギーを蓄積する電池、５１４はデ
コーダ５１２により制御されるスイッチで、電池５１３
の電力をデコーダ５１２から指令を受けたときのみセン
サ５０１やデータ転送装置内部の各回路に給電するため
のものである。５１６はセンサ５０１からの信号をエン
コードするエンコーダ、５１７はエンコーダ５１６の信
号を増幅するドライバ、５１８はドライバ５１７により
駆動される第２発光器、５３１は第２発光器５１８に取
付けられたレンズである。光信号５４１は第２発光器５
１８によって出力されるものである。

【０００５】次にデータ収集装置５２０について説明す
る。５２１はデータ転送装置５０２からの光信号５４１
を受光する第２受光器、５２２は第２受光器５２１の信
号を増幅するプリアンプ、５２３はプリアンプ５２２の
信号を受けてセンサ５０１の検出信号をパソコン１００
などへ転送するための処理を行うとともに、センサ５０
１を制御、操作する指令信号を発する処理部である。処
理部５２３の処理する信号は複雑で多岐に渡るので、図
示しないがその内部にはいわゆるマイコンを収納してい
る。５２４は処理部５２３から出力されるセンサ制御用
信号を増幅するドライバ、５２５はドライバ５２４の出
力により駆動される第１発光器、５２６は第１発光器５
２５に取付けられたレンズである。

【０００６】次に、動作について説明する。データ収集
装置５２０は外部電源１０１を受けて動作する。処理部
５２３はドライバ５２４を駆動し第１発光器５２５を駆
動させる。第１発光器５２５からの光信号５０４はレン
ズ５２６で集光され、データ転送装置５０２に達してデ
ータ転送装置５０２の第１受光器５１１により電気エネ
ルギーに変換される。データ転送装置５０２は外部から
給電を受けていない。そして、前記電気エネルギーは電
池５１３に蓄積されるとともにデコーダ５１２を動作さ
せる。第１発光器５１１から計測スタートの指令が来る
とデコーダ５１２はスイッチ５１３を一定時間オンにし
て、電気エネルギーをセンサ５０１、エンコーダ５１
６、ドライバ５１７などに供給する。

【０００７】すると、センサ５０１が作動を開始し、セ
ンサ５０１の検出信号がエンコーダ５１６でコード化さ
れドライバ５１７を通して第２発光器５１８が駆動され
る。第２発光器５１８から発せられた光はレンズ５３１
を通してデータ収集装置５２０へ送られ、第２受光器５
２１に照射される。第２受光器５２１からの電気信号は
プリアンプ５２２で増幅され、処理部５２３に導入され
ることにより処理部５２３はセンサ５０１からの信号を
獲得し、所定の処理を行って、さらに高度なデータ処理
を行うためデータ処理計算機１００にデータ信号を送信
する。

【０００８】上記のように、データ収集装置５２０は、
電源パワーを供給する目的のための給電用照射光の発信
と、センサ５０１などを操作、制御するための指令を与
える通信のための光信号の発信とを同じ第１発光器５２
５を用いて行っている。ところで、信号を送る光には、
一般に光の透過性、高速応答の点滅発光又は光／電変換
がし易いなどの理由から赤外光を発する半導体発光器、
半導体光電変換素子が適していることは周知である。ま
た、センサ５０１には数Ｗていどの相当大きい電力を必
要とするものもある。

【０００９】一方、電気エネルギーを発生させるための
光には、発電素子として用いられるいわゆる太陽電池の
特性、ならびに容易に強い光が得られるなどの理由から
可視光が適していることも周知である。このように、デ
ータ通信のために用いられる光源と、発電のための光を
発する光源とは、その目的上、要求される性能が異なっ
ている。これを表１にまとめる。

【００１０】

【表１】

【００１１】このように、要求される性質にかなりの差
があるので、これらを１つの光源（第１発光器５２５）
で満たすためには、どの項目についても高い性能を満た
すものを用いる必要があるが、そのような光源を安価に
得ることは困難である。結局、いずれかの性能を不満足
なもので妥協する事が必要となるだけでなく、そのよう
な妥協をして得た光源も高価である。

【００１２】また、データ伝送と電力発生とを同一光源
で行うことは、第１受光器５１１にも問題を生じる、即
ち、高速応性と効率の良い電力変換とは必ずしも両立し
ないので、このいずれをも満たす光電変換素子を安価に
得ることが難しい。また、センサの制御やデータ転送の
ための複雑な処理を行うためのマイコンを有する専用の
システムを構成しているにも関わらず、データ処理のた
めには改めてパソコンなどを用いる必要があり、トータ
ルシステムとして見た場合、無駄が多い。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来のデータ収集装置
とデータ転送装置は以上のように構成されており、セン
サの制御やデータ転送のための複雑な処理を行うための
マイコンを有する専用のシステムを構成しているにも関
わらず、データ処理のためには改めてパソコンなどを用
いる必要があり、トータルシステムとして見た場合無駄
が多いという問題があった。また、データ伝送用と発電
用との光源が同一、また、データ伝送用と発電用との受
光素子が同一であるため、共用できる光源や受光器の選
定、入手が困難で、また、価格が高くなると言う問題が
あった。

【００１４】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、トータルシステムとして無駄が
なく、光源や受光器の入手が容易で価格も高くならない
光信号を用いたデータ収集処理システム及びこれに用い
るデータ収集装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明に係るデータ処
理システムは、外界環境その他を測定するセンサを有
し、このセンサの検出信号及びこのセンサを動作させる
ための制御信号を光信号としてデータ収集装置との間で
授受するとともに、前記データ収集装置から受けた給電
用照射光によって電力を発生する光／電変換素子を有
し、この光／電変換素子の発生電力によって作動するデ
ータ転送装置、このデータ転送装置との間で前記光信号
を授受し、前記電力を発生させるための前記給電用照射
光を発するデータ収集装置、このデータ収集装置の受け
た前記検出信号を処理するとともに、前記センサを作動
させるための制御信号を発信するコンピュータ、で構成
される光信号を用いたデータ収集処理システムにおい
て、前記データ収集装置は前記制御信号を発信するため
の光源と、前記給電用照射光を発するための光源とを個
別に設けるものであり、これによって、それぞれの用途
に適した光源の選択、入手を容易にし、価格も安価とす
ることが出来るものである。

【００１６】また、前記制御信号の光信号と給電用照射
光とを同心円状にまとめる出射光学部を有するデータ転
送装置を有するものである。同心円状にまとめられた光
は、受光側での光線の受光調整を容易にする。

【００１７】また、出射光学部が、前記制御信号の光信
号を伝送する光ファイバと、この光ファイバの回りに配
置した前記給電用照射光を伝送する光ファイバとを有す
るものである。光ファイバは両光線を容易に同心円状に
まとめる。

【００１８】また、この出射光学部の前記給電用照射光
を伝送する光ファイバは、この出射光学部を収納したデ
ータ収集装置の外部に設けられた電力発生用光源に接続
されているものである。光源が分離されていることはデ
ータ収集装置の発熱を少なくする。

【００１９】また、この出射光学部は、前記制御信号の
光信号を集光するレンズと、このレンズの光軸に交差角
αで交差する方向に設けられ前記給電用照射光を集光す
るレンズと、前記交差する位置に交差角α／２となるよ
う設けられたビーム分離鏡とを有するものである。ビー
ム分離鏡は必要な波長の光のみを透過、反射によって分
離する事が出来るので、波長の選択が容易になる。

【００２０】また、この給電用照射光の光源は、光源
と、この光源の前面に設けた赤外光カットフィルタと、
この赤外光カットフィルタの後に接続された光ファイバ
とを有するものである。

【００２１】また、このデータ転送装置は、前記制御信
号を受信するための光信号受信部と、前記給電用照射光
を受けるための太陽電池とを設けたものである。それぞ
れの用途別に受光部を設けたことにより、用途に応じた
適切な受光センサを用いることが出来る。

【００２２】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の
データ処理システムの構成を示す図である。図２は図１
の各ユニットの内部構成を示すブロック図である。図に
於いて１はこの発明によるデータ転送装置でセンサ５０
１を有している。２はこの発明によるデータ収集装置で
データ処理計算機（パソコン）１００に接続されてい
る。１３は給電用照射光６１を発生するための発電用光
源で、白熱灯、ハロゲンライト、キセノンライト、メタ
ルハライドライト、レーザなどを用いることが出来る。
１０１は発電用光源１３の電源であり、バッテリ又は商
用ラインのいずれでも良い。１２は発電用光源１３とデ
ータ収集装置２とを接続し、給電用照射光６１を伝送す
る光ファイバである。５２４は発光器１６のドライバ、
２０は発電用光源１３の光を整える給電用光学部であ
る。

【００２３】１７は給電用照射光６１とデータ伝送用光
６２とをまとめて出射する出射光学部でその詳細は後述
する。５２１はデータ転送装置１からの光信号５４１を
受光する第２受光器、５２２は第２受光器５２１の信号
を増幅するプリアンプ、１９はパソコン１００と信号を
授受するインタフェース回路、１６はインタフェース回
路１９の出力を光信号６２に変換する発光器で光信号６
２の波長は光源１３の発する光６１の波長と十分（一般
的なフィルタで選別可能という意味）離れている。

【００２４】３１はデータ転送装置１の表面に設けた太
陽電池（光／電変換素子）で照射光６１を受けるもの、
３２はデータ収集装置２からの制御信号６２を受光する
受光器であり、給電用光６１に対しては感度が低く、発
光器１６の発する光信号６２に対しては感度が高い光電
変換素子又はそのような特性のフィルタを備えている。
データ転送装置１の内部のその他の部分は従来の図６、
図７に示すものと同じである。

【００２５】図３はデータ収集装置２の内部構造を図示
したものであり、内部へ導入された光ファイバ束１２は
発光器１６から出た信号用光ファイバ２２を中心として
同心円状に束ねられた給電用光学部２０に接続されてい
る。給電用光学部２０と信号用光ファイバ２２の端面に
は出射光学部１７が外部に向けて配置されている。な
お、第２の受光器５２１は出射光学部１７に接して配置
されている。

【００２６】次に動作について説明する。図１におい
て、データ収集装置２はパソコン１００とはケーブルを
介して接続され、光源１３とは光ファイバ束１２を介し
て接続された状態で使用するが、測定対象となるセンサ
５０１を有するデータ転送装置１を直視できる位置へデ
ータ収集装置２を運搬した後、データ収集装置２の位置
と方位を決める。そして、パソコン１００を操作してデ
ータ収集装置２を起動するとともに光源用電源１０１よ
り光源１３を点灯する。

【００２７】図２において、装置の起動は次のように行
う。パソコン１００からインタフェース１９を通じて送
信された電気信号は発光器１６に送られ、赤外領域の光
信号６２へ変換され、出射光学部１７へ送られる。出射
光学部１７は主としてレンズ（図示しない）により構成
され、出射光を適当な角度の広がりに整えるものであ
る。一方、光源１３から出た給電用照射光６１は光ファ
イバ束１２及び給電用光学部２０を通じて出射光学部１
７へと送られる。

【００２８】図３に示すように光ファイバ束１２を通っ
て給電光学部２０に導入された給電用照射光６１は給電
用光学部２０によって光の断面がリング状に変換され
る。一方、光信号６２はリング状の照射光の中心に配列
される。給電用光学部２０及び信号用光ファイバ２２の
端面から同心円状に出射した給電用照射光６１及び光信
号６２は出射光学部１７に導入され、図１のデータ転送
装置１に向けて使用距離即ちデータ転送装置１１とデー
タ収集装置２の間の距離に応じた広がり角をもって照射
される。その給電用照射光６１及び起動用光信号６２は
太陽電池３１及び受光器３２に照射される。

【００２９】太陽電池３１が電力を生じるとデータ転送
装置１の電源が立上がる。更に光信号６２が受光器３２
に入力されることによりデータ転送装置１が起動し、セ
ンサ５０１を動作させる上で必要な命令が伝達されて、
センサ５０１による計測が行われる。

【００３０】発光器１６の発する光６２と給電用光源１
３の発する光６１とは光源が分離されているので、それ
ぞれの目的に適した波長、と光源を選択することが出
来、装置の性能の向上を安価に達成することが出来る。
また、インタフェース１９はパソコン１００の指令によ
って受動的に動作するものであれば良く、市販品を流用
することもできる。データ収集装置２の内部にはマイコ
ンのごときインテリジェントな素子を設置する必要がな
いので、この点からも安価に構成することが出来る。な
お、センサ５０１はデータ転送装置１から離れた位置に
設けてあっても良い。また、以上の説明ではデータ転送
装置１とデータ処理装置２とは１対１で対応するもので
あるかのように説明したが、１台のデータ処理装置２を
回転台や移動車上に搭載して、複数のデータ転送装置１
に対応させるようにすることもできる。

【００３１】実施の形態２．図４は本発明の実施の形態
２によるデータ収集装置２の内部の構成を説明するもの
である。内部へ導入された光ファイバ束１２の端部には
レンズＡが配置され、発光器１６の出口にはレンズＢが
配置され、それぞれ平行光線を出射する。レンズＡとレ
ンズＢは光軸が角度αで交差するように配置されてい
る。ここで角度αは４５度〜１３５度程度の角度であ
る。そして光軸の交差点には透過型反射板で作られたビ
ーム分離鏡２１が角度αを２分割する角度でセットされ
ている。

【００３２】ビーム分離鏡２１は赤外領域の光は透過
し、可視領域の光は反射するようなもの（公知）を用い
るので可視光のドーナツ型ビーム６１の中心に赤外領域
の信号ビーム６２が包まれた形で発射される。その他の
部分は図３の構成と同様であるので、詳細な図示説明は
省略する。

【００３３】実施の形態３．図５は本発明による給電用
光源１３の構造を示すもので、光源として白熱電球４１
を用いた場合である。反射鏡付ランプ２６の光を赤外光
カットフィルタ２５を通して集光レンズ２７で集光して
から光ファイバ束１２に入射して、光ファイバ束１２の
出力光が赤外光を含まないようにしている。データ収集
装置２と光源１３とを分離したことにより、データ収集
装置２の内部での発熱を低減し、データ収集装置２の冷
却を不要にして小型化することを可能にする。９９は光
の経路を説明するための説明補助線である。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、この発明によればデータ
収集装置の給電用光源と信号用光源とを別個の構成とし
たのでそれぞれの目的に適した波長の光、あるいは光源
を使い分けることで、データ処理システムの性能の向
上、価格の低減を達成することが出来る。また、フィル
タによる波長の選択を容易に行うことが出来る。また、
給電用光を導く光ファイバ束を信号用光ファイバを包込
むように配置したので、両信号光を同一光軸上にまとめ
ることが容易に出来る。

【００３５】また、給電用光と信号用光とを交差させ、
この交差点にビーム分離鏡を設けることで両信号光を容
易に同一光軸上にまとめるとともに、フィルタ機能によ
り必要な波長域のみを抽出することが出来る。また、給
電用光源をデータ収集装置の外側に分離して設置するこ
とでデータ収集装置を小型化することが出来るという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるデータ収集シ
ステムの構成図である。

【図２】 図１の内部ブロック図である。

【図３】 図１のデータ収集システムのデータ収集装置
部分の内部構造を示す図である。

【図４】 データ収集装置の工学系の他の構成例を示す
図である。

【図５】 給電用光源の構成図である。

【図６】 従来のデータ収集システムの構成図である。

【図７】 図６のデータ収集システムのブロック図であ
る。

【符号の説明】

１ データ転送装置、 ２ データ収集装置、 １２
光ファイバ束、１３ 給電用光源、 １６ 発光
器、 １７ 出射光学部、１９ インタフェー
ス、 ２０ 給電用光学部、２２ 信号用光ファイバ、
３１ 太陽電池、３２ 受光器、 ６１給電用光
信号、 ６２ 制御用光信号、１００ データ処理計算
機（パソコン）、 ５０１ センサ、５１４ スイ
ッチ、 ５１８ 第２発光器、 ５２１ 第２受光
器、５２２ プリアンプ、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/14 10/04 10/06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外界環境その他を測定するセンサを有
   し、このセンサの検出信号及びこのセンサを動作させる
   ための制御信号を光信号としてデータ収集装置との間で
   授受するとともに、前記データ収集装置から受けた給電
   用照射光によって電力を発生する光／電変換素子を有
   し、この光／電変換素子の発生電力によって作動するデ
   ータ転送装置、 このデータ転送装置との間で前記光信号を授受し、前記
   電力を発生させるための前記給電用照射光を発するデー
   タ収集装置、 このデータ収集装置の受けた前記検出信号を処理すると
   ともに、前記センサを作動させるための制御信号を発信
   するコンピュータ、で構成される光信号を用いたデータ
   収集処理システムにおいて、 前記データ収集装置は前記制御信号を発信するための光
   源と、前記給電用照射光を発するための光源とを個別に
   設けたものであることを特徴とするデータ収集処理シス
   テム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のデータ収集装置は、前
   記制御信号の光信号と給電用照射光とを同心円状にまと
   める出射光学部を有することを特徴とするデータ収集処
   理システム。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のデータ収集処理システ
   ムに使用されるデータ収集装置であって、その出射光学
   部は、前記制御信号の光信号を伝送する光ファイバと、
   この光ファイバの回りに配置した前記給電用照射光を伝
   送する光ファイバとを有するものであることを特徴とす
   るデータ収集装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の出射光学部の前記電力
   発生のための光信号を伝送する光ファイバは、この出射
   光学部を収納したデータ収集装置の外部に設けられた給
   電用照射光の光源に接続されているものであることを特
   徴とするデータ収集装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載のデータ収集装置の出射
   光学部は、前記制御信号の光信号を集光するレンズと、
   このレンズの光軸に交差角αで交差する方向に設けられ
   前記給電用照射光を集光するレンズと、前記交差する位
   置に交差角α／２となるよう設けられたビーム分離鏡と
   を有するものであることを特徴とするデータ収集装置。
6. 【請求項６】 請求項４に記載の給電用照射光の光源
   は、光源装置と、この光源装置の前面に設けた赤外光カ
   ットフィルタと、この赤外光カットフィルタの後に接続
   された光ファイバとを有することを特徴とするデータ収
   集装置。
7. 【請求項７】 請求項１に記載のデータ転送装置は、制
   御信号を受信するための光信号受信部と、給電用照射光
   を受けるための太陽電池とを設けたものであることを特
   徴とするデータ収集処理システム。