JPS6217280B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプロセス制御装置に関するものであ
る。

プロセス制御を行なう場合、プロセスから制御
装置にはプロセスの状態を表わす入力信号が与え
られ、制御装置からプロセスにはプロセスを所望
の状態に維持するための出力信号が与えられる。
プロセス側において、入出力信号は多種多様な形
態をとるが、制御装置側においては、入出力信号
は統一された形態をとる。このためプロセスと制
御装置の間には入出力信号の変換機構が必要とさ
れる。このような変換機構は一般に制御装置に合
わせて造られているので、制御装置の種類が違う
とうまく適合しなくなるのが普通である。とく
に、アナログ制御システムとデイジタル制御シス
テムとにおいて、一方のための変換機構は他方に
は適合しない。ここで、もしどちらの方式の制御
装置にも適合する変換機構が実現すれば、プロセ
ス制御システムの構成を合理化するのに大きな効
果が期待できる。

計算機を用いたプロセス制御装置においてはイ
ンタフエイスとしてアナログ信号入力装置および
出力装置が必要とされる。従来のアナログ信号入
力装置は、多点のアナログ信号を計算機の指令に
基づいてマルチプレクサにより逐次サンプリング
してＡ／Ｄ変換し計算機に入力する。また従来の
アナログ信号出力装置は、計算機のデイジタル出
力信号を指令に基づいてＤ／Ａ変換しデマルチプ
レクサを用いて多点の制御対象に出力する。この
ような従来のアナログ信号入・出力装置において
は、マルチプレクサおよびデマルチプレクサが多
用されるが、それらは計算機の要求に合致する程
度に性能のよいものでなければならない。またマ
ルチプレクサ、デマルチプレクサを制御するのに
デイジタル回路が用いられるので、アナログ回路
とデイジタル回路とが近接して混在する。このた
め従来のアナログ信号・出力装置は設計、製造、
点検、保守等が不便になりがちである。

アナログ信号は信号源および制御対象の種類に
応じてさまざまな範囲の値をとるが、これらのア
ナログ信号はＡ／Ｄ変換器の直前、およびＤ／Ａ
変換器の直後においては規格化された統一信号と
なるように成形されている。この統一信号を以下
中間信号と呼ぶ。従来のアナログ信号入・出力装
置において、中間信号は単一のレンジの電圧また
は電流であり、振幅に情報を持つている。しかし
ながら振幅に情報を持つ信号はノイズの影響を受
け易いので、従来のアナログ信号入・出力装置に
おいてはノイズ除去のために周到な対策が必要と
される。ノイズのうちノルマルモードノイズに対
してはフイルタが設けられ、コモンモードノイズ
に対しては絶縁手段が設けられる。特に絶縁手段
は要所要所において多用され、構成の煩雑化の原
因になつている。

計算制御装置においてはアナログのモニタリン
グ手段およびバツクアツプ手段が設けられること
が多い。このためアナログ信号入・出力装置につ
ながる入力信号検出器と出力信号応動器をモニタ
リング手段やバツクアツプ手段に接続することが
必要になる。従来のアナログ信号入・出力装置に
おいては、このような接続はマルチプレクサおよ
びデマルチプレクサのプロセス側において行なわ
れていた。入力信号検出器、出力信号応動器とモ
ニタリング手段、バツクアツプ手段とは絶縁され
ていることが必要であるから、それらの接続点に
おいてはまた絶縁手段が必要とされる。また入力
信号検出器、出力信号応動器とモニタリング手
段、バツクアツプ手段相互の配置および配線が複
雑化しがちである。

プロセス側の入出力信号は一般に電気信号の形
で、各入出力信号に固有の伝送線を通じて伝達さ
れる。この場合、各信号伝送線は入力信号検出器
または出力信号応動器の設置場所の近いもの同士
が１つの多芯ケーブルにまとめられ、制御装置側
にもたらされる。したがつて同一ケーブルの中に
多様な形態の信号が混在している。プロセスが大
規模になると、このようなケーブルが多数にな
る。一方制御装置（またはその前段のインタフエ
イス）側では信号入出力端子は、一般に制御装置
側の都合に基づいて配列される。このためケーブ
ル中の各信号伝送線をそれぞれ制御装置側の所望
の入出力端子に接続するためには、信号伝送線を
再編集したうえで接続しなければならない。信号
伝送線は条件の悪いところを引き回されても大丈
夫なように、太い線が用いられるが、このような
太い線を再編集しながら制御装置の入出力端子に
接続することは、非常に労力を要する作業であ
る。このような状況はプロセス制御の場合に限ら
ず、プロセスを対象としたデータ処理一般に共通
する。

本発明の目的は、中間信号としてパルス幅やパ
ルス数または周波数などのように時間軸上に情報
を持つ信号を採用したプロセス制御装置を提供す
ることにある。

本発明の他の目的は、アナログ、デイジタルど
ちらの方式にも適合するプロセス制御装置を提供
することにある。

本発明の他の目的は、中間信号がノイズの影響
を受けにくいプロセス制御装置を提供することに
ある。

本発明の他の目的は、入出力信号の絶縁が容易
なプロセス制御装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、マルチプレクサ、デマル
チプレクサを用いずに多数の入出力が扱えるプロ
セス制御装置を提供することにある。

本発明の他の目的はアナログ系統とデイジタル
系統とが明確に分離されたプロセス制御装置を提
供することにある。

本発明の他の目的はモニタリングやバツクアツ
プのためのアナログ処理器の組合せが容易なプロ
セス制御装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、プロセスと制御装置との
間の入出力信号の変換と編集が合理化できるプロ
セス制御装置を提供することにある。

以下図面によつて本発明を説明する。第１図は
本発明実施例の概念的構成図である。第１図にお
いて、１，１′は入力信号検出器、２，２′は出力
信号応動器、３は入出力信号伝送線、４は信号変
換装置、４′は接点信号入出力装置、５はケーブ
ル、６は編集装置、７，８はケーブル、９はデイ
ジタル制御装置、１０はアナログ処理装置、１１
はアナログ・バツクアツプ装置、１２は信号変換
装置である。入力信号検出器１としては被検出信
号の種類に応じて様様なものがあるが、ここで
は、上から熱電対１０１、測温抵抗器１０２、差
圧変換器１０３、分析計１０４を例示してある。
これらはそれぞれ検出信号として、ｍＶ、Ω、ｍ
ＡおよびＶの単位で表わされる形態の異なつた信
号を生じる。入力信号検出器１′はプロセスのス
テータスを検出して接点信号を発生する。出力信
号応動器２は制御装置側からの出力信号に従つて
プロセスの所定個所を操作するもので、操作対象
に応じて種々のものがあるが、ここに示すような
流量操作弁２および電磁弁２′が典型的である。
流量操作弁２に与えられる出力信号の形態はｍＡ
領域の直流電流であり、電磁弁２′に与えられる
出力信号はオンオフ信号である。

信号変換装置４は形態の異なるアナログの各入
力信号を同一形態でかつレンジが統一された中間
信号に変換するとともに、中間信号の形で与えら
れた制御装置の出力を、出力信号応動器２に適し
た形態のアナログ信号に変換するものである。中
間信号としてはパルス幅信号やパルス数信号、ま
たは周波数信号のように時間軸上に情報を持つ信
号が採用される。以下の説明ではパルス幅信号を
例にとる。信号変換装置４は入出力信号の形態に
応じて様々な変換ユニツトで構成される。信号変
換装置４における１つの単位ブロツクACBにつ
いて例示すれば、第２図のように、低電圧・パル
ス幅変換ユニツト４０１、抵抗・パルス幅変換ユ
ニツト４０２、電流・パルス幅変換ユニツト４０
３、電圧・パルス幅変換ユニツト４０４、およ
び、パルス幅・電流変換ユニツト４０５等があ
る。電圧をパルス幅信号に変換する回路は積分形
Ａ／Ｄ変換器の主要な構成単位として公知であ
り、また電流や抵抗を統一レンジの電圧に変換す
ることは容易である。したがつて、低電圧、抵
抗、電流、および電圧をそれぞれ統一レンジのパ
ルス幅信号に変換する各変換ユニツト４０１〜４
０４は容易に実現できる。またパルス幅信号を電
流に変換するには、定電圧電源をパルス幅信号に
よつてオンオフし、そのとき得られる断続電流を
平滑すればよいから、パルス幅・電流変換ユニツ
ト４０５は容易に実現できる。これら各変換ユニ
ツト４０１〜４０５において、パルス幅信号段に
絶縁手段が設けられる。パルス幅信号は時間軸上
に情報を持つものであるから、トランスやフオト
カプラによつて絶縁することが容易である。この
ため各信号変換ユニツト４０１〜４０５は絶縁形
の変換ユニツトとなり、これによつてプロセス側
と制御装置側とが絶縁される。入力信号変換ユニ
ツト４０１〜４０４、および出力信号変換ユニツ
ト４０５の基本構成をそれぞれ第３図および第４
図に示す。第３図の入力信号変換ユニツトにおい
て、アナログ信号はレンジ回路RBにおいて統一
範囲の電圧に変換され、電圧・パルス幅変換回路
Ｖ／Ｐにおいてパルス幅信号に変換され、フオト
カプラPCIを通じて出力される。電圧・パルス幅
変換回路Ｖ／ＰにはフオトカプラPC2を通じてタ
イミング信号が与えられ、変換動作のタイミング
を規制している。レンジ回路RBと電圧・パルス
幅変換回路Ｖ／Ｐには、DC／DCコンバータから
なる絶縁器ISを通じて電源電力が与えられる。第
４図の出力信号変換ユニツトにおいて、制御装置
側から与えられるパルス幅信号はフオトカプラ
PCを通じてパルス幅・電圧変換回路Ｐ／Ｖに与
えられてアナログ電圧に変換され、電圧・電流変
換回路Ｖ／Ａによつて電流に変換されて出力され
る。パルス幅・電圧変換回路Ｐ／Ｖと電圧・電流
変換回路Ｖ／Ａには絶縁器ISを通じて電源電力が
供給される。このような信号変換ユニツトにおい
ては、アナログ信号系統とデイジタル（パルス）
信号系統とは絶縁器を境にして電気的および機械
的に判然と分離されるので設計、製造、点検、保
守等が容易になる。これら各変換ユニツトは例え
ばそれぞれ１枚のプリント板上に構成され、入出
力信号伝送線３内の信号配列に合わせて自在に配
列できるようになつている。このため入出力信号
伝送線３内の各信号素線とその相手の変換ユニツ
トを対応づけることは容易である。

各変換ユニツトのパルス幅回路端はコネクタに
集約され、ケーブル５を通じてデイジタル制御装
置９または編集装置６に接続される。パルス幅信
号のレベルはデイジタル論理回路における信号の
レベルと同等でよいから、コネクタおよびケーブ
ル５はデイジタル論理装置における通常のもので
よい。編集装置６はケーブル７，８を通じてそれ
ぞれデイジタル制御装置９および信号変換装置１
２に接続される。信号変換装置１２はケーブル８
によつてアナログ処理装置１０に接続される。ア
ナログ処理装置１０として、ここではアラーム表
示器およびトレンドレコーダからなるモニタを例
示してある。編集装置６は信号変換装置４とデイ
ジタル制御装置９、およびアナログ処理装置１０
の間に流通する個々の信号について、その伝達径
路を編集するものである。伝達径路の編集は導線
を引き回すことによつてもよいが、デイジタル論
理回路によつて行なつたほうが便利である。すな
わち、編集装置６における伝送信号はパルス幅信
号であるから、デイジタル論理回路による取扱い
が容易である。その場合編集装置６の主な構成要
素は第５図および第６図にそれぞれ示すようなデ
ータセレクタ（IC）またはマトリツクス回路と
なる。これらは複数の入力信号径路の中から所望
のものを選び出して次段に接続する働きをする。
このような回路を用いれば、信号径路の結びつ
け、分岐、合流が容易に行なえるので、信号伝送
線の編集が容易に行なえる。

パルス幅信号はその性質からデイジタル信号と
の相互変換、およびアナログ信号との相互変換が
容易である。すなわち、パルス幅信号をデイジタ
ル信号に変換するには、第７図ａのように、パル
ス幅信号PWの値をクロツクパルスCLKでカウン
タ１１により計測すればデイジタル変換信号DIG
が得られ、第７図ｂのように、デイジタル信号
DIGの値をクロツクパルス・カウンタ１２の計数
値と比較器１３で比較すれば、比較器１３はパル
ス幅変換信号PWを生じる。また、パルス幅信号
をアナログ信号に変換するには、第８図ａのよう
に、定電圧電源１４の電圧をパルス幅信号PWに
よつてオン・オフ制御される直並列スイツチ１
５，１５′を通じて平滑回路１６に与えるか、第
８図ｂのように、定電圧電源１７の電圧をパルス
幅信号PWによつてオン・オフ制御されるスイツ
チ１８を通じて積分器１９に与えるようにすれ
ば、アナログ変換信号ANAが得られる。なお、
第８図ａの回路はパルス幅信号が一定周期で繰り
返すものである場合に適し、ｂの回路は一定周期
とは限らない場合に適する。アナログ信号をパル
ス幅信号に変換するには、前述のような積分形
Ａ／Ｄ変換器におけるパルス幅変換器等を用いれ
ばよい。このようにパルス幅信号はデイジタル信
号、アナログ信号どちらとも相互変換が容易であ
るから、編集装置６はデイジタル制御装置９およ
びアナログ処理装置１０に接続することができ
る。パルス幅信号とデイジタル信号の間の変換
は、デイジタル制御装置９内に設けられた回路に
よつて行なわれ、パルス幅信号とアナログ信号の
間の変換は信号変換装置１２によつて行なわれ
る。信号変換装置１２の構成要素は信号変換装置
４におけるものと共通である。

中間信号がパルス数や周波数信号のようなレー
ト信号である場合にも同様な取扱いができる。ア
ナログ信号とレート信号の間の相互変換はＶ／
Ｆ、Ｆ／Ｖコンバータ等の公知の手段を利用する
ことによつて容易に行なえる。

デイジタル制御装置９は、制御部SCU、電源
部PWR、アナログ変換部AGN、およびデイジタ
ル変換部DGNからなる。制御部SCUはNCバスに
よつてアナログ変換部AGNおよびデイジタル変
換部DGNと結合される。制御部SCUは実質的に
デイジタル計算機であり、マイクロコンピユータ
等が利用される。アナログ変換部AGNは第９図
のように、パルス幅信号を処理する複数のモジユ
ールNCM、Ｍ１〜Ｍ８からなる。これらのうち
モジユールＭ１〜Ｍ８はパルス幅信号とデイジタ
ル信号の間の変換を行なうものであり、共通モジ
ユールNCMを通じてNCバスに接続される。モジ
ユールＭ１〜Ｍ８は第１０図の入力モジユールま
たは第１１図の入出力モジユールのいずれかであ
る。第１０図の入力モジユールは、入力信号のパ
ルス幅の長さを計数する入力カウンタCTIと、そ
の計数値を保持する入力レジスタRGIとを２系統
持つている。入力レジスタRGIの内容は入力のア
ナログ信号に対応するデイジタル信号となる。入
力レジスタRGIの内容はNCバスを通じて制御部
SCUにより随時読み取られる。第１１図の入出
力モジユールは、入力信号のパルス幅を計数する
入力カウンタCTIとその計数値を保持する入力レ
ジスタRGIとからなる入力系統と、制御部SCUか
ら与えられたデイジタル信号を保持する出力レジ
スタRGOとその値をパルス幅信号に直す出力カ
ウンタCTOとからなる出力系統を持つている。
この入出力モジユールは入力信号と出力信号がプ
ロセスの１つの制御個所の１対の入出力信号であ
る場合に適用される。このモジユールの出力系統
により、制御部SCUからNCバスを通じて与えら
れたデイジタル信号が、パルス幅信号に変換され
て出力される。制御装置SCUはこのようなモジ
ユール群を持つアナログ変換部AGNを駆使して
パルス幅信号を入出力する。

出力レジスタRGOの値は、また、アナログ・
バツクアツプ装置１１により、制御回路CNTを
通じて変えることができる。アナログ・バツクア
ツプ装置１１は、パルス幅・電圧変換器Ｐ／Ｖを
通じて取り込んだ入力信号と出力信号に基づき、
自動演算または手動操作により、出力レジスタ
RGOの内容を変える。これによつて自動または
手動によるバツクアツプが行なえる。このような
アナログ・バツクアツプ装置１１は、アナログ自
動制御の分野の通常の手段により実現できる。バ
ツクアツプは必要な個所に対してだけ行なわれ
る。なお、アナログ・バツクアツプ装置１１のう
ちPMUはメインテナンス時等に使用する手動バ
ツクアツプ装置であつて可搬形のものである。こ
の装置PMUは信号変換装置４内の所望の信号変
換ユニツトに接続し、アナログ信号出力動作の肩
代りをさせるものである。

このように構成されたプロセス制御装置は、制
御部SCUにおけるデイジタル・データ処理に従
つてプロセスの制御を遂行する。制御部SCUは
必要に応じて上位の計算機等に接続し、さらに高
度なプロセス制御を行なうようにしてもよい。

以上は中間信号としてパルス幅信号を採用した
場合の例であるが、中間信号はこれに限らず、パ
ルス数信号や周波数信号のようなレート信号であ
つてもよい。

このような本発明は次のような効果を持つ。

(1) 時間軸上に情報を持つ信号を中間信号として
採用したので、本装置はアナログ、デイジタル
どちらの方式にも適合する。

(2) 中間信号が上記のようなものであるため、本
装置はノイズの影響を受けにくい高精度のもの
となる。

(3) 中間信号が上記のようなものであるため、本
装置においては絶縁が容易であり、絶縁点にお
いて信号を分岐することが容易であり、かつ本
質安全構造とすることが容易である。

(4) マルチプレクサ、デマルチプレクサを用いな
いので、従来装置の場合のようにそれらに起因
するわずらわしさがなく、かつ構成が単純明快
になる。

(5) アナログ系統とデイジタル系統が絶縁器を境
にして判然と分離されるので、構成の単純さと
ああまつて本装置の設計、製造、点検、保守等
が容易になる。

(6) モニタリングやバツクアツプのためのアナロ
グ手段を容易に組合せまたは取外しできる。

(7) 中間信号は従来の装置におけるように振幅に
情報を持つものではないので、信号の振幅は従
来の装置におけるよりも格段に小さくすること
ができる。このため中間信号の伝送ラインは従
来の装置におけるよりも細い線を用いることが
でき、コスト低減ができる。

(8) 信号伝達径路の編集がデイジタル論理回路に
よつて行なえるので、編集装置は小形で整然と
したものとなり、従来のように錯綜した配線は
不要になる。

(9) デイジタル論理回路によつて編集が行なえる
ので、フアン・イン、フアン・アウトが容易で
あり、このため装置の多重化が容易であるか
ら、冗長化により信頼性を高めることが容易で
ある。

(10) 本発明による装置は、プロセスにおける情報
の発生点および需要点に近接して設置するのに
適しているので、そのように設置した場合に、
従来の装置において必要とされたプロセスの１
次信号ラインを集約するための１次端子を省略
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の概念的構成図、第２図
〜第１１図は第１図の装置の一部の構成図であ
る。 １，１′……入力信号検出器、２，２′……出力
信号応動器、３……入出力信号伝送線、４，４′
……信号変換装置、５……ケーブル、６……編集
装置、７，８……ケーブル、９……デイジタル制
御装置、１０……アナログ処理装置、１１……ア
ナログ・バツクアツプ装置、１２……信号変換装
置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の検出手段及び出力信号応動器をひとつ
   のグループとしこれらのグループが複数個存在す
   るプロセスと、前記複数の検出手段の個々に対応
   して設けられ当該各検出手段からの各出力信号を
   それぞれ時間軸上に情報を持つ統一された形態と
   レンジの中間信号に変換する複数個の信号変換装
   置と、前記複数の出力信号応動器の個々に対応し
   て設けられ当該各出力信号応動器に対して前記中
   間信号を種々の形態とレンジのアナログ信号に変
   換して出力する複数個の信号変換装置と、前記各
   複数個の信号変換装置にそれぞれ接続され前記各
   信号変換装置からの複数のプロセス入出力信号の
   配列を少なくともアナログ信号系統とデイジタル
   信号系統とに分離、配列するデイジタル論理回路
   からなる編集装置と、この編集装置に接続された
   アナログデータ処理装置と、前記編集装置に接続
   されこの編集装置から導かれた中間信号群をこれ
   ら中間信号の個々に対応して設けられた変換保持
   ユニツトによつてデイジタル信号に変換し保持す
   るとともに、前記編集装置に向けられたデイジタ
   ル信号群をこれらデイジタル信号の個々に対応し
   て設けられた保持変換ユニツトによつて保持しか
   つ中間信号に変換するインタフエイス装置を含み
   このインタフエイス装置に保持されたデイジタル
   信号に基づいてデータ処理を行なうデイジタル・
   データ処理装置とを具備したプロセス制御装置。