JPS6338158B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、２線式信号伝送システムに関するも
のである。さらに詳しくは、高周波交流電気を情
報および電力の担体として用いるようにした２線
式信号伝送システムに関するものである。

プロセス制御において、プロセスの各点と制御
部との間で情報をやりとりするために、２線式信
号伝送システムが用いられる。２線式信号伝送シ
ステムは、また、プロセスの各所に配置された端
末器たとえば検出器や操作器、制御部から作動用
の電力を供給する機能をも有する。従来の２線式
信号伝送システムは、直流電気を情報および電力
の担体として用いるのが普通であつて、例えば４
−20ｍＡの範囲の直流電流を用いて４ｍＡを端末
器作動用の電力分とし、その上の16ｍＡを情報分
としている。

端末器はプロセスの各所に分散されるが、制御
部は計器室等に集中される。そして各２線式信号
伝送系に対する電源供給は、計器室等において共
通の直流電源あるいは商用電源から行われる。各
２線式信号伝送系は、系統間で相互におよび各系
統内の入出力間においてそれぞれ絶縁されている
ことが望ましいので、共通の直流電源から給電さ
れる場合は、各系統ごとにDC／DCコンバータな
どによつて電源絶縁および入出力絶縁をすること
が必要になり、商用電源から給電される場合は、
電源トランスによつて電気絶縁は行われるもの
の、トランスの電力を直流化して利用するので入
出力絶縁用にやはりDC／DCコンバータ等を必要
とする。このため、従来の２線式信号伝送システ
ムは絶縁性を要求されると構成が複雑化するのが
避けられない。また伝送される信号は、電流の振
幅が情報を表わす信号なので、ノイズの影響を受
けやすく、高精度の情報が得がたい欠点がある。

制御部とプロセスの間でやりとりされる信号と
しては、値が連続的に変化する信号（以下連続値
信号）と値が２値的にしか変化しない信号（以下
２値信号）とがあり、かつそれぞれについてプロ
セスから制御部に入力される信号（入力信号）と
制御部からプロセスに出力される信号（出力信
号）とがある。従来の２線式信号伝送システム
は、連続値信号の入出力に用いられ、２値信号の
入出力には別のシステムが用いられる。このため
プロセス信号の伝送を総合的に行うためには全く
構成の異なる２つのシステムが必要となり、シス
テム構成が複雑化する。とくに２値信号の入出力
は多点化されることが多いから、システムの複雑
さが倍加する。

プロセス制御の信頼性を高めるために、１つの
端末器に対して制御部を２重化して、一方を現用
側、他方を待機側とし、現用側が故障したとき待
機側がバツクアツプすることが行われる。その場
合待機側は、現用側の入出力信号を監視して、バ
ツクアツプ時の制御の連続性を維持するように準
備されていなければならない。そのためには２線
式信号伝送システムは、異なる系統間で容易に信
号の交流ができるようになつていなければならな
いが、従来の２線式信号伝送システムはそれに適
した構成を持つておらず、しいてそれを可能にし
ようとすれば、構成が複雑化するのが避けられな
い。とくに系統間絶縁を保つたままで系統間の交
流を可能にしようとすれば、構成は著しく複雑化
する。

本発明の目的は、簡単な構成で、電源間および
入出力間の絶縁が容易で、高精度信号の伝送に適
し、連続値信号と２値信号のいずれの伝送にも統
一的に適用でき、多点化が容易で、２重化のため
の系統間交流が容易な２線式信号伝送システムを
提供することにある。

本発明は、制御部側に設けられる電源として高
周波交流電源を用い、この交流電源の出力電気の
波数に信号を乗せそのエネルギーを端末器作動用
の電力とするようにしたものである。

以下、図面によつて本発明を詳細に説明する。
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は制御部、２は２線式の伝送
部、３は端末部である。制御部１において、１１
は高周波の交流電源である。ここで「高周波」と
は、その周波数が後に述べる連続値信号を必要十
分な分解能で表現できる程度とする。交流電源の
出力電気の波形は矩形波、正弦波、三角波、その
他の任意の波形でよい。１２ａ〜１２ｄはトラン
ス、１３ａ〜１３ｄは制御部の各入出力ユニツト
であつて、１３ａは連続値信号出力ユニツトとし
て示され、１３ｂは連続値信号入力ユニツトとし
て示され、１３ｃは２値信号出力ユニツトとして
示され、１３ｄは２値信号入力ユニツトとして示
されている。これら各ユニツトは各入出力信号の
点数に応じて所要個数設けられるが、ここでは代
表例を１つずつ示す。各ユニツトは共通の交流電
源１１からそれぞれのトランスを通じて十分な電
力で給電される。それぞれのトランスは電気絶
縁、昇圧または降圧、インピーダンス変換等の作
用をなす。

入出力ユニツト１３ａ〜１３ｄは、それぞれ伝
送部２の２本の電線を通じて端末部３の各端末器
３１ａ〜３１ｄにそれぞれ接続される。ここで、
３１ａはアナログ操作器、３１ｂはアナログ検出
器、３１ｃは接点操作器、３１ｄは接点検出器と
してそれぞれ示されている。これらは制御部１の
各入出力ユニツトのそれぞれと対をなすものであ
り、対のものは共通の添字で示される。各端末器
も各入出力信号の点数に応じた所要個数が設けら
れる。

連続値信号出力ユニツト１３ａは、連続値出力
回路１３１ａの出力信号を変換回路１３２ａでパ
ルス幅信号に変換してドライバ１３３ａを通じて
変調回路１３４ａに与え、交流電源１１の出力電
気（電圧または電流）を変調して伝送線上に送り
出す。連続値出力回路１３１ａの出力信号の形態
は、アナログ信号またはデイジタル信号のどちら
でもよい。変調法は振幅変調、位相変調、
FSK／PSKなどいずれの変調により、伝送部２
を通じてアナログ操作器３１ａに与えられる交流
電気は、パルス幅信号の論理値に対応して振幅や
位相などが２値的に変化するものとなり、このう
ちパルス幅信号の論理値「１」に相当する部分の
波数が連続値信号の値を表わす。すなわち、連続
値信号の値はいわばパルス数によつて表わされる
ので、ノイズの影響を受けにくく、交流電気の周
波数を充分に高くすれば高精度の信号伝送が行え
る。

アナログ操作器３１ａは、このように変調され
た交流電気をトランス３１１ａを通じて受電し、
交流のままあるいは整流回路３１２ａで直流化し
た後に復調回路３１３ａで復調し、得られたパル
ス幅信号を変換回路３１４ａでアナログ信号に変
換して操作回路３１５ａに与え、操作回路３１５
ａを通じてプロセスを操作する。トランス３１１
ａが受電した交流電気は、また、整流回路３１２
ａで整流されて、アナログ操作器３１ａの各回路
に作動用電力として供給される。また必要に応じ
て交流電気の波からクロツクパルスを生成し、こ
れを復調やアナログ変換等のための規制信号とし
て利用する（図略）。トランス３１１ａは連続値
信号出力ユニツト１３ａとアナログ操作器３１ａ
間の絶縁を行うとともに、必要に応じて昇圧、降
圧、インピーダンス変換等の機能を果す。なお、
トランス３１１ａは図示の位置に限らず伝送線上
のどこに設けても、またいくつ設けてもよい。同
様のことが以下のどの端末器においてもいえる。

連続値信号入力ユニツト１３ｂは、トランス１
２ｂの交流電気を負荷状態検出回路１３４ｂを通
じて伝送線上に送り出す。この交流電気は、端末
部のアナログ検出器３１ｂによりトランス３１１
ｂを通じて受電され、整流回路３１２ｂで直流化
されてアナログ検出器３１ｂの各回路の作動用電
源とされる。交流電気から必要に応じてクロツク
パルスが生成される（図略）。アナログ検出器３
１ｂは、検出回路３１５ｂが検出したプロセスの
アナログ測定信号を変換回路３１４ｂでパルス幅
信号に変換する。クロツクパルスは変換回路３１
４ｂの動作規制に用いられる。このパルス幅信号
は負荷制御回路３１３ｂに与えられ、この負荷制
御回路３１３ｂにより整流回路３１２ｂまたはト
ランス３１１ｂの負荷量を、パルス幅信号の論理
値に対応して２値的に変化させる。このとき、パ
ルス幅信号の論理値「１」に相当する負荷状態に
含まれる交流電気の波数がアナログ測定信号の値
を表わす。このような負荷の変化に対応して伝送
電流が変化するので、これが連続値信号入力ユニ
ツト１３ｂの負荷検出回路１３４ｂによつて検出
され、受信回路１３３ｂでパルス幅信号が復元さ
れ、変換回路１３２ｂで連続値信号に変換されて
連続値入力回路１３１ｂに与えられる。この連続
値信号の形態は連続値入力回路１３１ｂの構成に
合わせてアナログ信号またはデイジタル信号とさ
れる。

２値信号出力ユニツト１３ｃは、２値信号出力
回路１３１ｃが生じる２値信号をドライバ１３３
ｃを通じて変調回路１３４ｃに与えて、この変調
回路で交流電源１１の出力電気を変調し、伝送線
を通じて接点操作器３１ｃに伝える。変調回路１
３４ｃによる変調は振幅変調（オンオフ変調）が
適当であるが、必ずしもそれに限らない。

接点操作器３１ｃは、伝えられた信号をトラン
ス３１１ｃを通じて受電し、復調回路３１３ｃで
復調（オンオフ変調の場合は単に整流）して２値
信号を復元し、この信号に従つてリレー等３１５
ｃを操作する。

２値信号入力ユニツト１３ｄは、負荷検出回路
１３４ｄを通じて交流電源１１の交流電気を伝送
線上に送り出す。この交流電気は、接点検出器３
１ｄによりトランス３１１ｄを通じて受電され、
整流回路３１２ｄで整流されて接点回路３１５ｄ
に与えられる。接点回路３１５ｄの接点は外部か
らの操作によつて開閉されるが、接点の開閉によ
つてトランス３１１ｄの負荷が２値的に変化する
から、このような負荷変化にともなう電流の変化
が２値信号入力ユニツト１３ｄにおいて負荷検出
回路１３４ｄによつて検出され、受信回路１３３
ｄで２値信号が復元されて２値入力回路１３１ｄ
に入力される。

このような２線式信号伝送システムは、高周波
交流電源の交流電気を信号および電力の担体とし
て用い、連続値信号は２値的に変調した交流電気
の１つの状態の波数で表わし、２値信号は２値変
調した信号そのもので表わすようにしたので、簡
単な構成で、電源間および入出力間絶縁が容易
で、高精度信号の伝送に適し、連続値信号と２値
信号のいずれの伝送にも統一的に適用できる２線
式信号伝送システムとなる。本システムにおいて
は、また、交流電源を複数の信号伝送系に対して
共通にし、電源の交流電気の波動からクロツクパ
ルスを生成して利用するようにすれば、複数の信
号伝送系の動作を互いに同期あるいは適宜のタイ
ミング関係を保つて行わせることができる。

このような信号伝送システムであるから、制御
部の入出力ユニツトを二重化して信頼性を高める
ことが容易にできる。第２図に二重化の例を示
す。第２図においては、端末部の１組のアナログ
操作、検出器３１ａ，３１ｂに対して２組の連続
値信号出、入力ユニツト１３ａ，１３ｂ，１３
a′，１３b′が設けられ、出力ユニツト１３ａ，１
３a′同志および入力ユニツト１３ｂ，１３b′同志
が共通の伝送線に並列に接続されている。このよ
うに構成すれば、アナログ検出器３１ｂが生じる
連続値入力信号すなわちパルス幅変調された負荷
状態は、連続値入力ユニツト１３ｂ，１３b′に共
通に入力される。そして、この入力信号に基づく
同じ値の操作出力が連続値出力ユニツト１３ａ，
１３a′からそれぞれ生成され、共通のアナログ操
作器３１ａに与えられる。交流電源１１が共通な
ので、パルス幅変調された２つの操作出力は同期
して与えることができる。このような状態で入出
力ユニツト対の一方が故障などによつてダウンし
ても、他方の対による入出力動作は正常に行わ
れ、プロセスへのサービスはとぎれることがな
い。すなわち、共通の端末器に対して２系統の入
力あるいは出力ユニツトの伝送線を並列接続する
だけで、２重化システムが簡単に構成することが
でき、しかも入出力絶縁が保たれる。また２重化
された系統間の相互絶縁を望むときは、適宜の位
置にトランスを挿入すればよい。上記は連続値信
号の伝送系を２重化した例であるが、２値信号の
伝送系も同様にして２重化できる。

連続値信号出力系統の一例を第３図に示す。第
３図において、変調回路１３４ａはスイツチＳと
抵抗Ｒの並列回路で構成され、スイツチＳがドラ
イバ１３３ａによつてパルス幅信号に従つて開閉
されるようになつている。スイツチＳの開閉につ
れて、交流電源１１から伝送線に与えられる交流
電圧の振幅は大小２値に変調される。このように
変調された交流電圧は、トランス３１１ａの２次
側に取出され、整流回路３１２ａで整流されて需
要回路３１０ａに与えられる。需要回路３１０ａ
は、第１図における復調回路３１３ａ、変換回路
３１４ａおよび操作回路３１５ａを含むものであ
る。整流回路３１２ａの出力電力はダイオードＤ
を通じてコンデンサＣに充電され、この充電され
た電力が需要回路３１０ａに作動用電力として与
えられる。

第４図は、連続値信号出力系統の他の例の構成
を示したものであつて、トランス１２a′のセンタ
ー・タツプ付１次コイル両端に高周波交流電源１
１の出力電気を半サイクルずつ交互に印加し、２
次側に誘起した交流電圧を伝送線を通じて需要側
に与えるようにしたものである。トランス１２
a′の１次コイルのセンター・タツプは抵抗Ｒとト
ランジスタＱのコレクタ・エミツタ回路の並列回
路を通じてコモン点に接続される。トランジスタ
Ｑはそのベースに与えられるパルス幅信号によつ
てオンオフされる。トランジスタＱのオンオフに
つれてトランス１２a′の１次コイルに加わる電圧
が大小２値に変調されるので、需要側にはパルス
幅信号に応じて振幅変調された交流電圧が供給さ
れる。このような交流電圧はトランス３１１ａを
通り、整流回路３１２ａで整流され、抵抗ｒを通
じてゼナーダイオードＺとコンデンサＣの並列回
路に与えられ、ゼナーダイオードで一定化されて
コンデンサＣに充電される。抵抗ｒの電圧降下お
よびコンデンサＣの電圧は需要回路３１０ａにそ
れぞれ信号および電源電圧として与えられる。抵
抗ｒの電圧降下はパルス幅信号に応じて振幅変調
されているので、パルス幅信号から連続値信号を
復元することによりプロセス操作信号を得ること
ができる。

連続値信号入力系統の一例を第５図に示す。第
５図において、交流電源１１の電圧は、スイツチ
Ｓの開閉によつて振幅変調され一定周期のタイミ
ング信号が重畳されて信号線に送出される。な
お、タイミング信号の重畳は場合によつては省略
してよい。このような電圧はトランス３１１ｂを
通り、整流回路３１２ｂで整流されて検出変換回
路３１０ｂに与えられるとともにダイオードＤを
通じてコンデンサＣに充電される。整流回路３１
２ｂの出力端間には抵抗ｒとトランジスタＱの直
列回路が設けられる。コンデンサＣの電圧は検出
変換回路３１０ｂに電源電圧として与えられる。
検出変換回路３１０ｂは第１図における変換回路
３１４ｂと検出回路３１５ｂを含むものである。
検出変換回路３１０ｂは整流回路３１２ｂから与
えられる直流電圧に含まれるタイミング信号に規
制されて動作し、アナログ検出信号をパルス幅信
号に変換してこのパルス幅信号でトランジスタＱ
をオンオフする。トランジスタＱのオンオフにつ
れて整流回路３１２ｂの負荷すなわちトランス３
１１ｂの負荷が２値的に変化し、それに対応した
伝送電流の変化が電源側において抵抗R′の電圧
降下を観測している受信回路１３３ｂによつて検
知され、それに基づいてパルス幅信号とそれに対
応した連続値信号が復元される。

連続値信号入力系統の他の例の構成を第６図に
示す。第６図において、高周波交流電源１１の出
力電圧はトランス１２b′のセンター・タツプ付１
次コイルの両端に半サイクルずつ交互に与えら
れ、これによつて２次側に誘起した交流電圧が伝
送線を通じて送出される。トランス１２b′のセン
ター・タツプは抵抗ＲとトランジスタＱのコレク
タ・エミツタ回路を通じてコモン点に接続され
る。トランジスタＱはそのベースに与えられるタ
イミング信号によつてオンオフされる。トランジ
スタＱのオンオフにつれてトランス１２b′の１次
コイルに加わる電圧が大小２値に変調されるの
で、伝送線にはタイミング信号が振幅変調によつ
て重畳された交流電圧が送出される。このような
交流電圧はトランス３１１ｂを通り、整流回路３
１２ｂで整流され、抵抗r′を通じてゼナーダイオ
ードＺとコンデンサＣの並列回路に与えられ、ゼ
ナーダイオードＺで一定化されてコンデンサＣに
充電される。抵抗r′の電圧降下およびコンデンサ
Ｃの電圧は、検出変換回路３１０ｂにそれぞれタ
イミング信号および電源電圧として与えられる。

検出変換回路３１０ｂは、前置増幅回路Ａと、
パルス幅変換用の、積分回路Ｉと比較回路Ｈとフ
リツプフロツプ回路Ｆとからなる。前置増幅回路
Ａは被変換のアナログ電圧を積分回路Ｉに入力す
る。積分回路Ｉはこのアナログ信号を単独で、あ
るいはスイツチＫが閉じているときは基準電圧ｅ
との差をとつて積分し、積分出力を比較回路Ｈに
与える。比較回路Ｈは積分出力が零になつたかど
うかを検出し、その出力信号でフリツプフロツプ
回路Ｆをリセツトする。フリツプフロツプ回路Ｆ
は抵抗r′の電圧降下に含まれるタイミング信号に
よつてセツトされ、このセツトされた出力信号で
積分回路ＩのスイツチＫをオンにする。積分回路
Ｉ、比較回路Ｈ、およびフリツプフロツプ回路Ｆ
からなる部分は積分形の電圧／パルス幅変換器と
して知られるものであつて、このような変換器に
よつて、前置増幅回路Ａのアナログ出力電圧はタ
イミング信号が与えられるたびにパルス幅信号に
変換される。したがつてこのパルス幅信号でトラ
ンジスタＱをオンオフすれば、電源側において抵
抗Ｒの電圧降下を観測している受信回路１３３ｂ
によつてパルス幅信号を検知することができる。

以上のように、本発明は、制御部側に設けられ
る電源として高周波交流電源を用い、この交流電
源の出力電気の波数に信号を乗せそのエネルギー
に端末器作動用の電力を乗せるようにした。この
ため、本発明によれば、簡単な構成で、電源間お
よび入出力間の絶縁が容易で、高精度信号の伝送
に適し、連続値信号と２値信号のいずれの伝送に
も統一的に適用でき、２重化のための系統間交流
が容易な２線式信号伝送システムが実現できる。

【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
図は、２重化システムの場合の概念的構成図、第
３図および第４図は、連続値出力系の具体的構成
図、第５図および第６図は、連続値入力系の具体
的構成図、である。 １……制御部、１１……交流電源、１２ａ〜１
２ｄ……トランス、１３ａ……連続値信号出力ユ
ニツト、１３ｂ……連続値信号入力ユニツト、１
３ｃ……２値信号出力ユニツト、１３ｄ……２値
信号入力ユニツト、２……伝送部、３……端末
部、３１ａ……アナログ操作器、３１ｂ……アナ
ログ検出器、３１ｃ……接点操作器、３１ｄ……
接点検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電源側に配置された制御部からプロセス側に
   配置された端末部に２本の伝送線を通じて信号及
   び電源電力を供給するシステムであつて、 前記電源として高周波交流電源を用い、 前記制御部は高周波交流電源の電気を２値変調
   して交流電源の波数に変換する形式で信号を乗せ
   前記伝送線に送出する変調手段と、前記端末部か
   ら伝送された２値変調信号を検知する２値信号検
   知手段とを有し、 前記端末部は前記伝送線を介して伝送された２
   値変調信号を復調する復調手段と、検出回路から
   の測定信号を交流電源に対する負荷状態を２値変
   調して１つの負荷状態に相当する交流電気の波数
   に信号を乗せ前記伝送線に送出する伝送信号送出
   手段と、前記伝送線を介して伝送された信号のエ
   ネルギーを端末部作動用の電力として供給する電
   源手段とを有する ことを特徴とする２線式信号伝送システム。 ２ 端末部において、伝送信号送出手段が受ける
   信号は、プロセスの状態を示すアナログ信号であ
   る特許請求の範囲第１項記載の２線式信号伝送シ
   ステム。 ３ 端末部において、復調手段は伝送線を介して
   伝送された信号の中からクロツクパルスを復調
   し、伝送信号送出手段はこのクロツクパルスを利
   用して測定信号を２値変調信号に変換して送出す
   る特許請求の範囲第１項記載の２線式信号伝送シ
   ステム。