(57)【要約】【課題】パルス信号を生成する回路と、パルス信号を出力する回路とが電気的に絶縁されたパルス出力装置において、パルス信号が正確に出力されているどうかを検査できるようにする。【解決手段】出力すべきパルス信号を生成するパルス生成部と、生成されたパルス信号に基づく伝送信号を絶縁伝送する絶縁伝送部と、伝送信号に基づく出力用パルス信号により、電源が供給される信号経路のスイッチングを行なうスイッチング素子と、信号経路上に設けられた第１の絶縁型信号伝送素子を含み、信号経路に電流が流れているか否かを検出するパルス電流検出部と、パルス電流検出部の検出結果と、パルス生成部により生成されたパルス信号とに基づいて、信号経路に出力すべきパルス信号が出力されているか否かを判定するパルス監視部とを備えたパルス出力装置。【選択図】図１
2014209675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力すべきパルス信号を生成するパルス生成部と、
前記パルス生成部により生成されたパルス信号に基づく伝送信号を絶縁伝送する絶縁伝送部と、
絶縁伝送された前記伝送信号に基づく出力用パルス信号により、電源が供給される信号経路のスイッチングを行なうスイッチング素子と、
前記信号経路上に設けられた第１の絶縁型信号伝送素子を含み、前記信号経路に電流が流れているか否かを検出するパルス電流検出部と、
前記パルス電流検出部の検出結果と、前記パルス生成部により生成されたパルス信号とに基づいて、前記信号経路に出力すべきパルス信号が出力されているか否かを判定するパルス監視部と、
を備えたことを特徴とするパルス出力装置。
【請求項２】
前記スイッチング素子と並列に接続された定電流素子と第２の絶縁型信号伝送素子とを含み、前記定電流素子に電流が流れているか否かを検出する電源検出部と、
前記電源検出部の検出結果に基づいて、前記電源が供給されているか否かを判定する電源監視部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のパルス出力装置。
【請求項３】
前記パルス生成部により生成されたパルス信号と前記パルス電流検出部の検出結果との排他的論理和を出力するＸＯＲ回路と、
前記ＸＯＲ回路の出力信号に基づいて前記信号経路に接続された信号線に関する異常を検出する遅れ時間監視部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のパルス出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス出力装置に関し、特に、パルス駆動側とパルス出力側とが絶縁されているパルス出力装置において、パルス信号が正確に出力されているどうかを検査する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
信号線を介して測定信号等を受信側機器に出力するフィールド機器において、測定値を示す４−２０ｍＡのアナログ信号を出力する方式や、測定値に応じたパルス信号を出力する方式が広く用いられている。パルス信号を出力する方式では、測定値を周波数に変換し、その周波数でパルスを出力したり、測定値の積算値があらかじめ設定された値に達する毎にパルスを出力することで、受信側機器に測定信号を伝達する。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すように、パルス信号を出力する方式を採用しているフィールド機器が備えるパルス出力装置において、パルス信号が正確に出力されているどうかを検査するが知られている。
【０００４】
図４は、パルス信号が正確に出力されているどうかを検査する従来のパルス出力装置の構成を示すブロック図である。本図において、ＣＰＵ３１０は、測定値等に基づく演算値をパルス数算出部３１２で単位時間当たりのパルス数に変換する。変換された単位時間当たりのパルス数はパルス出力部３１１に送られるとともにＲＡＭ３１３に記録される。
【０００５】
パルス出力部３１１は、変換された単位時間当たりのパルス数にしたがってパルス信号を生成し、Ｔｒのオンオフを制御する。これにより、パルス信号が図示しない受信側機器に出力される。
【０００６】
パルス出力部３１１が生成したパルス信号は、外部回路３２０のパルス用カウンタ３２１にも入力され、単位時間当たりのパルス数がカウントされる。カウントされた単位時間当たりのパルス数は、レジスタ３２２に格納され、通信部３２３によってＣＰＵ３１０の照合部３１４に送信される。
【０００７】
照合部３１４は、ＲＡＭ３１３に記録された単位時間当たりのパルス数と通信部３２３から送信された単位時間当たりのパルス数のカウント値とを比較し、両者が一致しているかどうかを判断する。そして、一致していない場合には、パルス信号が正確に出力されていないものとして、異常通知部３１５を介してアラーム発生等の外部への異常通知を行なう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１５９４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
パルス信号を出力する方式のフィールド機器では、パルス出力装置内において、パルス信号を生成する回路と、パルス信号を出力する回路とが電気的に絶縁されていることが多い。この場合、パルス信号を生成する１次側回路の電源と、パルス信号を出力する２次側回路の電源も絶縁され、多くの場合、２次側回路はフィールド機器の外部から電源を供給される。また、パルス信号を生成する１次側回路からパルス信号を出力する２次側回路へは絶縁トランス等の絶縁伝送器を介してパルス信号が伝達される。
【００１０】
図４に示した従来のパルス出力装置は、絶縁される前の１次側回路のパルス信号の異常を検出する。しかし、絶縁伝送器を介してパルス信号を伝達するフィールド機器のパルス出力装置では、１次側回路でパルス信号が正確に生成されていると判定されていても、２次側回路からパルス信号が正確に出力されているとは限られない。例えば、２次側回路に電源が供給されていない場合、２次側回路から受信側機器への伝送路に異常がある場合、１次側回路から２次側回路への絶縁伝送器に異常がある場合、２次側回路のスイッチング素子に異常がある場合等である。
【００１１】
近年、機能安全向上への要求が高まっているが、このような絶縁伝送後のパルス出力異常は、従来のように生成されたパルス信号をカウントするだけでは検出することができない。このため、パルス信号を生成する回路と、パルス信号を出力する回路とが電気的に絶縁されたパルス出力装置において、パルス信号の出力異常を検出可能とすることが望まれている。
【００１２】
そこで、本発明は、パルス信号を生成する回路と、パルス信号を出力する回路とが電気的に絶縁されたパルス出力装置において、パルス信号が正確に出力されているどうかを検査できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明のパルス出力装置は、出力すべきパルス信号を生成するパルス生成部と、前記パルス生成部により生成されたパルス信号に基づく伝送信号を絶縁伝送する絶縁伝送部と、絶縁伝送された前記伝送信号に基づく出力用パルス信号により、電源が供給される信号経路のスイッチングを行なうスイッチング素子と、前記信号経路上に設けられた第１の絶縁型信号伝送素子を含み、前記信号経路に電流が流れているか否かを検出するパルス電流検出部と、前記パルス電流検出部の検出結果と、前記パルス生成部により生成されたパルス信号とに基づいて、前記信号経路に出力すべきパルス信号が出力されているか否かを判定するパルス監視部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記スイッチング素子と並列に接続された定電流素子と第２の絶縁型信号伝送素子とを含み、前記定電流素子に電流が流れているか否かを検出する電源検出部と、前記電源検出部の検出結果に基づいて、前記電源が供給されているか否かを判定する電源監視部と、をさらに備えるようにしてもよい。
また、前記パルス生成部により生成されたパルス信号と前記パルス電流検出部の検出結果との排他的論理和を出力するＸＯＲ回路と、前記ＸＯＲ回路の出力信号に基づいて前記信号経路に接続された信号線に関する異常を検出する遅れ時間監視部と、をさらに備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、パルス信号を生成する回路と、パルス信号を出力する回路とが電気的に絶縁されたパルス出力装置において、パルス信号が正確に出力されているどうかを検査できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係るフィールド機器のパルス出力装置の構成を示すブロック図。
【図２】パルス出力装置の動作を説明するタイミング図。
【図３】外部電源Ｅと信号Ｖ５との関係を説明するタイミング図。
【図４】パルス信号が正確に出力されているどうかを検査する従来のパルス出力装置の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、本実施形態に係るフィールド機器のパルス出力装置の構成を示すブロック図である。本図に示すようにフィールド機器のパルス出力装置１００は、測定値等を示す出力データに応じたパルス信号を外部に出力する回路であり、制御部１１０、トランジスタＴｒ１、絶縁トランスＴ１、平滑部１２０、パルス電流検出部１３０、外部電源検出部１４０、ＸＯＲ回路を備えている。
【００１７】
パルス出力装置１００のパルス出力端には、絶縁トランスＴ１の２次側回路の電源として用いられる外部電源Ｅが信号線２００を介して接続されている。パルス出力装置１００のパルス出力は電流で動作規定されるため、信号線２００には、パルス出力装置１００が出力するパルス電流を検出するための電流検出抵抗ＲＬが接続されており、外部カウンタ２１０によって単位時間当たりのパルス数がカウントされる。
【００１８】
外部電源Ｅ、外部カウンタ２１０は、パルス出力装置１００を含んだフィールド機器外の装置であり、受信側装置として不特定の装置がユーザにより信号線２００を介して接続される。ただし、２次側回路の電源を１次側回路の電源と独立させてフィールド機器内に備えるようにしてもよい。
【００１９】
パルス出力装置１００の制御部１１０は、ＣＰＵ、ロジックＩＣ等を用いて構成することができ、パルス生成部１１１、駆動部１１２、パルス監視部１１３、外部電源監視部１１４、遅れ時間監視部１１５、異常通知部１１６を備えている。
【００２０】
パルス生成部１１１は、制御部１１０内部あるいは外部で生成された出力データをあらかじめ定められた規則にしたがってパルス信号ＶＰに変換して出力する。出力データは、例えば、測定値とすることができ、パルス生成部１１１は、測定値を周波数に変換し、その周波数でパルス信号ＶＰを生成したり、測定値の積算値があらかじめ設定された値に達する毎にパルス信号ＶＰを生成する。パルス信号ＶＰは、駆動部１１２に出力されるとともに、パルス監視部１１３およびＸＯＲ回路に出力される。
【００２１】
駆動部１１２は、パルス信号ＶＰに基づいて駆動信号ＶＴｒを出力し、絶縁トランスＴ１の１次側に接続されたトランジスタＴｒ１のオンオフを制御する。絶縁トランスＴ１の１次側の他端は電源に接続されており、トランジスタＴｒ１のオンオフにより、絶縁トランスＴ１の１次側には、パルス信号ＶＰに応じた電流Ｉ１が流れる。
【００２２】
なお、出力データによってはパルス信号ＶＰの周期が長くなることがあり、パルス信号ＶＰのまま絶縁トランスＴ１で２次側回路に伝送させようとすると、大型の絶縁トランスＴ１が必要になり、パルス出力装置１００の大型化、高コスト化を招くことになる。そこで、駆動部１１２は、絶縁トランスＴ１の大型化を防ぐため、パルス信号ＶＰの周波数より高い周波数でパルス信号ＶＰを変調して駆動信号ＶＴｒを生成し、トランジスタＴｒ１のオンオフを制御するようにしている。
【００２３】
絶縁トランスＴ１の２次側に絶縁伝送された駆動信号ＶＴｒに基づく信号は、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１で構成された平滑部１２０で平滑化され、パルス信号ＶＰに準じたパルス信号ＶＱとなる。なお、絶縁伝送器として、絶縁トランスＴ１に代えて、フォトＭＯＳリレー、フォトカプラ等の光を利用した絶縁素子を用いた場合には、パルス信号ＶＰの高周波数変調は不要となり、平滑部１２０も不要となる。
【００２４】
パルス信号ＶＰに準じたパルス信号ＶＱは、スイッチング素子であるＦＥＴＱ１のオンオフを制御する。ＦＥＴＱ１には、信号線２００を介して外部電源Ｅが印加されているため、信号線２００には、パルス信号ＶＱに応じたパルス電流Ｉ２が流れる。このパルス電流Ｉ２が電流検出抵抗ＲＬにて電圧に変換され、外部カウンタ２１０でカウントされることにより、受信側装置にパルス信号が伝達されることになる。
【００２５】
本実施形態では、パルス生成部１１１が生成したパルス信号ＶＰに準じたパルス信号ＶＱが正常に受信側装置に出力されているかどうかを検査するために、パルス電流検出部１３０が設けてられている。
【００２６】
パルス電流検出部１３０は、パルス信号ＶＱの信号経路上に配置されたフォトカプラＰＣ１により、信号経路上を流れるパルス電流を検出し、検出結果を信号Ｖ３として制御部１１０のパルス監視部１１３に入力する。具体的には、第１の絶縁型信号伝送素子として機能するフォトカプラＰＣ１の発光側をパルス信号ＶＱの伝送路に接続し、動作電源を印加した受光側を、インバータを介してパルス監視部１１３に接続している。第１の絶縁型信号伝送素子として、フォトカプラＰＣ１に代えてフォトＭＯＳリレー等を用いるようにしてもよい。
【００２７】
パルス監視部１１３は、パルス生成部１１１が生成したパルス信号ＶＰの単位時間当たりのパルス数と、パルス電流検出部１３０が検出したパルス電流の単位時間当たりのパルス数とを比較し、両者が一致しているかどうかを判断する。そして、一致していない場合には、パルス信号ＶＱが正確に出力されていないものとして、異常通知部１１６を介してアラーム発生等の外部への異常通知を行なう。
【００２８】
また、本実施形態では、外部電源Ｅが正常に供給されているかどうかを検査するために、外部電源検出部１４０が設けられている。外部電源検出部１４０は、ＦＥＴＱ１と並列に接続された定電流ダイオードＣＲＤとフォトカプラＰＣ２により、外部電源Ｅが供給されているかどうかを検出し、検出結果を信号Ｖ５として制御部１１０の外部電源監視部１１４に入力する。
【００２９】
具体的には、定電流ダイオードＣＲＤと第２の絶縁型信号伝送素子として機能するフォトカプラＰＣ２の発光側とを接続し、動作電源を印加した受光側を、インバータを介して外部電源監視部１１４に接続している。このため、外部電源Ｅが正常に供給されていれば、外部電源監視部１１４に入力される信号Ｖ５はＨｉｇｈ状態となり、外部電源Ｅが正常に供給されていなければ、外部電源監視部１１４に入力される信号Ｖ５はＬｏｗ状態となる。第２の絶縁型信号伝送素子として、フォトカプラＰＣ２に代えてフォトＭＯＳリレー等を用いるようにしてもよい。
【００３０】
外部電源Ｅが供給されているときに定電流ダイオードＣＲＤが流す定電流は、フォトカプラＰＣ２が動作可能な電流値であり、かつ電流検出抵抗ＲＬで電圧に変換されたときに、外部カウンタ２１０がパルスとして検出しない程度の小さい電流値とする。
【００３１】
一般には、パルス電流として５〜１００ｍＡが設定されるため、定電流ダイオードＣＲＤが流す定電流として１００〜２００μＡを設定すると、フォトカプラＰＣ２が動作可能であり、かつパルス電流に対して無視できる電流値とすることができる。また、定電流ダイオードＣＲＤが流す定電流を小さい電流値とすることで、外部電源監視部１１４を設けたことによる消費電力への影響も低減することができる。
【００３２】
外部電源検出部１４０を設けることより、パルス信号ＶＱが正常に受信側装置に出力されていない場合に、異常通知部１１６は、その原因が外部電源Ｅにあるかどうかを判定することができる。異常通知部１１６は、この判定内容に応じて異常通知の態様を変更するようにしてもよい。
【００３３】
また、本実施形態では、パルス出力装置１００に接続される信号線２００の経時劣化や接触不良等を検出するために、パルス生成部１１１が生成したパルス信号ＶＰとパルス電流検出部１３０が検出したパルス電流Ｉ２との時間的なずれを検出するＸＯＲ回路を設けている。ＸＯＲ回路は、パルス生成部１１１の出力であるパルス信号ＶＰとパルス電流検出部１３０の出力である信号Ｖ３とを入力し、排他的論理和の演算結果を信号Ｖｘとして制御部１１０の遅れ時間監視部１１５に出力する。
【００３４】
２次側のパルス電流Ｉ２は、１次側のパルス電流Ｉ１に対して、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１を含んだ平滑部１２０の時定数分の遅れに加え、電流検出抵抗ＲＬや、信号線２００が含む抵抗成分、容量成分等に起因する遅れが生じている。
【００３５】
この遅れによるずれ幅は、ＸＯＲ回路の信号Ｖｘの幅として出力されるが、信号線２００の経時劣化や接触不良等により抵抗成分、容量成分等が変化すると、ずれ幅も変化する。そこで、遅れ時間監視部１１５は、正常時のずれ幅を記録しておき、そのずれ幅の変化が所定の基準値以上になった場合に、信号線２００に異常が生じたものとして異常通知部１１６を介してアラーム発生等の外部への異常通知を行なう。所定の基準値は任意に定めることができるが、例えば、正常時のずれ幅に対して１０数％〜数１０％程度とすることができる。
【００３６】
次に、上記構成のパルス出力装置１００の動作について図２のタイミング図を参照して説明する。パルス生成部１１１が出力データに基づいてパルス波形ＶＰを出力すると、駆動部１１２が、高周波数で変調して駆動波形ＶＴｒを出力する。駆動波形ＶＴｒによりＴｒ１がオンオフするため、絶縁トランスＴ１の１次側に、駆動波形ＶＴｒと同じ波形の電流Ｉ１が流れる。
【００３７】
絶縁トランスＴ１の２次側に伝送された波形は、平滑部１２０で平滑化され、波形ＶＱとなり、ＦＥＴＱ１を駆動し、パルス電流Ｉ２を流す。ここで、ＦＥＴＱ１がオンのとき、パルス電流Ｉ２は（Ｅ−ＶＦ−ＶＤＳ）／ＲＬとなり、ＦＥＴＱ１がオフのとき、パルス電流Ｉ２は０となる。ただし、ＶＦは、フォトカプラＰＣ１の順方向電圧降下、ＶＤＳは、ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース電圧である。
【００３８】
パルス電流Ｉ２は、パルス電流検出部１３０により検出され信号Ｖ３としてパルス監視部１１３に入力され、正常であるかどうかが判定される。また、信号Ｖ３は、パルス波形ＶＰとともにＸＯＲ回路に入力される。ＸＯＲ回路が出力する信号Ｖｘは、パルス波形ＶＰと信号Ｖ３とのずれ時間ｄＴ１を示し、遅れ時間監視部１１５に入力される。
【００３９】
また、外部電源Ｅが供給されているときは、図３に示すように、外部電源検出部１４０が出力する信号Ｖ５がＨｉｇｈ状態となるが、外部電源Ｅが供給されないと、信号Ｖ５はＬｏｗ状態となる。このため、外部電源監視部１１４は、外部電源Ｅが供給されているかどうかを判定することができる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態のフィールド機器のパルス出力装置１００によれば、２次側の信号経路に、フォトカプラＰＣ１を含んだパルス電流検出部１３０を設け、検出結果を１次側の制御部１１０に入力しているため、パルス信号が受信側装置に正確に出力されているどうかを検査できる。
【００４１】
また、本実施形態のフィールド機器のパルス出力装置１００は、外部電源検出部１４０を設けているため、外部電源Ｅが正常に供給されているかどうかを検査することができる。
【００４２】
さらに、本実施形態のフィールド機器のパルス出力装置１００は、ＸＯＲ回路と遅れ時間監視部１１５により、生成されたパルス信号と実際に出力されたパルス信号とのずれを検出しているため、パルス出力装置１００に接続される信号線２００の経時劣化や接触不良等を検出することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１００…パルス出力装置、１１０…制御部、１１１…パルス生成部、１１２…駆動部、１１３…パルス監視部、１１４…外部電源監視部、１１５…遅れ時間監視部、１１６…異常通知部、１２０…平滑部、１３０…パルス電流検出部、１４０…外部電源検出部、２００…信号線、２１０…外部カウンタ、３１１…パルス出力部、３１２…パルス数算出部、３１３…ＲＡＭ、３１４…照合部、３１５…異常通知部、３２０…外部回路、３２１…パルス用カウンタ、３２２…レジスタ、３２３…通信部、ＣＲＤ…定電流ダイオード、Ｄ１…ダイオード、Ｅ…外部電源、ＰＣ１…フォトカプラ、ＰＣ２…フォトカプラ、Ｒ１…抵抗、ＲＬ…電流検出抵抗、Ｔ１…絶縁トランス、Ｔｒ１…トランジスタ
【図１】
2014209675.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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