(57)【要約】【課題】  ハードウェアを追加することなしに内部の信号処理機能を二重化することが可能な伝送器を実現する。【解決手段】  入力信号を複数ステップの演算により出力信号に変換する伝送器において、  前記複数ステップを逆方向に演算する逆方向演算手段を備える。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス値を入力して複数ステップの演算により所定の出力信号に変換する伝送器において、
前記複数ステップを通常の演算方向とは逆の方向に進行させる逆方向演算手段を備えたことを特徴とする伝送器。
【請求項２】
前記複数ステップの各ステップの演算値と前記逆方向演算の各ステップの演算値の一致判定を実行する照合手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の伝送器。
【請求項３】
前記照合手段は、一致判定において少なくとも１個以上の不一致が発生したときにエラー警報することを特徴とする請求項２に記載の伝送器。
【請求項４】
前記照合手段は、一致判定において同一の不一致が複数回発生したときにエラー警報することを特徴とする請求項２に記載の伝送器。
【請求項５】
前記照合手段は、一致判定において所定の誤差範囲を設定することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の伝送器。
【請求項６】
前記逆方向演算及び前記一致判定は、前記複数ステップ演算の空き時間に分割して実行されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の伝送器。
【請求項７】
前記入力信号は、センサよりデジタル値で与えられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の伝送器。
【請求項８】
前記センサは、振動式差圧又は圧力センサであることを特徴とする請求項７に記載の伝送器。
【請求項９】
入力信号を複数ステップの演算で出力信号に変換する順方向演算ステップと、
前記複数ステップを逆方向に演算する逆方向演算ステップと、
前記順方向演算ステップと前記逆方向演算ステップの対応するステップの演算値の一致判定を行う照合ステップと、
を有することを特徴とする伝送器の二重化方法。
【請求項１０】
前記照合ステップにおいて、少なくとも１個以上の不一致が発生したときにエラー警報することを特徴とする請求項９に記載の伝送器の二重化方法。
【請求項１１】
前記照合ステップにおいて、同一の不一致が複数回発生したときにエラー警報することを特徴とする請求項９に記載の伝送器の二重化方法。
【請求項１２】
前記逆方向演算及び前記照合ステップは、前記順方向演算ステップの空き時間に分割して実行されることを特徴とステップする請求項９乃至１１のいずれかに記載の伝送器の二重化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス値に関連する入力信号を複数ステップの演算により所定の出力信号に変換する伝送器及びその二重化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス値に関連する入力信号を複数ステップの演算により所定の出力信号に変換する伝送器、例えば、振動式差圧伝送器に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【非特許文献１】横河技報 Vol.36 No.1(1992) P21-P28            「ＤＰｈａｒｐ電子式差圧伝送器」
【０００４】
近年、人身事故に対する保護、環境保護、設備保護の観点から安全計装システム（ＳＩＳ：Safety Instrumented System）の規格化が推進されており、安全度水準（ＳＩＬ：Safety Integrity Level）のレベルＳＩＬ２（作動要求１回あたりの失敗確率の逆数であるＲＲＦ（Risk Reduction Factor）が１００乃至１０００）を満足する伝送器の市場要求がある。
【０００５】
一般に、安全性や信頼性の要求されるシステムで使用される伝送器は２台以上の伝送器を設置してその要求を実現する。センサの信頼性が高くその二重化が要求されない場合には、伝送器自体は単体で、内部の信号処理機能を二重化する構成でもよい。図５は、内部の信号処理機能を二重化した従来技術による差圧伝送器の一例を示す機能ブロック図である。
【０００６】
鎖線の領域Ａは２線式の差圧伝送器を示し、プロセス値（差圧，圧力等）ＰＶを入力し、４−２０ｍＡの電流出力信号Ｉｏを発信すると共に、上位装置との通信機能を有し、自己の異常通知や上位からの情報を取得する機能を有する。
【０００７】
差圧伝送器Ａにおいて、１は振動式の圧力センサであり、プロセス値ＰＶに関連した２個の周波数信号を出力する。このセンサの構造及び動作原理については、非特許文献１に詳細に開示されているので説明を省略する。
【０００８】
２及び３は、二重化された第１計数手段及び第２計数手段であり、圧力センサ１より２個の周波数信号を夫々入力して計数する。４及び５は、二重化された第１プロセッサ及び第２プロセッサであり、夫々第１計数手段２及び第２計数手段３からのパルス信号を入力して演算する。
【０００９】
第１プロセッサ４において、４１は第１演算手段であり、第１計数手段２からのパルス信号を複数ステップで演算してパルス幅変調される演算値出力Ｄｏ１を生成する。同様に第２プロセッサ５において、５１は第２演算手段であり、第２計数手段３からのパルス信号を複数ステップで演算してパルス幅変調される演算値出力Ｄｏ２を生成する。
【００１０】
６はＥＥＰＲＯＭであり、第１演算手段４１の補正演算で参照される係数等を保持するメモリである。ＲＯＭ７及びＲＡＭ８は第１演算手段４１の演算に使用されるメモリである。同様に、９はＥＥＰＲＯＭであり、第２演算手段５１の補正演算で参照される係数等を保持するメモリである。ＲＯＭ１０及びＲＡＭ１１は第２演算手段５１の演算に使用されるメモリである。
【００１１】
第１プロセッサ４は主プロセッサであり、正常状態ではこのプロセッサの第１演算手段４１の演算値出力Ｄｏ１が電流出力信号Ｉｏに変換されて伝送される。第２プロセッサ５は従プロセッサであり、このプロセッサの第２演算手段５１演算値出力Ｄｏ２は、第１プロセッサ４の演算値出力Ｄｏ１との一致を照合するためにのみ機能する。
【００１２】
第１プロセッサ４において、４２は比較手段であり、第１演算手段４１演算値出力Ｄｏ１及び第２演算手段５１演算値出力Ｄｏ２を入力し所定条件で一致を照合し、不一致が判定されたときには警報指令ＡＬを出力する。
【００１３】
４３は切り換え手段であり、正常状態では第１演算手段４１の演算値出力Ｄｏ１を選択するが、比較手段４２より警報指令ＡＬを受けると異常警報手段４４からのバーンアウト信号Ｄａを選択して出力手段１２に入力する。１３は第１プロセッサ４の処理情報の表示手段である。
【００１４】
出力手段１２は、切り換え手段４３を介して第１演算手段４１の演算値出力Ｄｏ１を入力する正常状態では、デジタルの演算値出力Ｄｏ１をアナログ値に変換し更に４−２０ｍＡのスパンを持つ電流出力信号Ｉｏを生成して外部の伝送路１４に発信する。
【００１５】
出力手段１２は、切り換え手段４３を介して異常警報手段４４からのバーンアウト信号Ｄａを入力する異常状態では、デジタルのバーンアウト信号Ｄａをアナログ値に変換し更に
３．２ｍＡ又は２１．６ｍＡのバーンアウト電流出力信号を生成して外部の伝送路１４に発信する。
【００１６】
１５は伝送路１４に挿入された外部直流電源、１６は伝送路１４に接続されたメンテナンス用のハンドヘルドターミナル、１７は同じく伝送路１４に接続され上位装置である。１８は、出力手段１３に接続された通信インターフェースであり、第１プロセッサ４と通信して
伝送路１４に重畳させたデジタル信号により上位装置１７に異常発生を通知し、上位装置からの各種情報を取得する。
【００１７】
次に、第１演算手段４１及び第２演算手段５１における複数ステップの演算内容を、第１演算手段４１を代表として説明する。まず、第１計数手段２からのパルス信号からセンサ周波数ｆｃ，ｆｒを算出する。
【００１８】
第１ステップの演算４１ａでは、算出されたｆｃ，ｆｒとセンサの特性を示す定数Ａ，Ｂ，Ｃを用いて次式により差圧信号Ｘを算出する。
【００１９】
【数１】
2005309913.tif 000003
【００２０】
第２ステップの演算４１ｂでは、算出されたＸとＥＥＰＲＯＭ６に保存された温度および静圧に依存する動的な補正係数ｋｉ用いて次式により温度及び静圧が補正された差圧ｄｐｃｏｍｐをＸのｎ次多項式として算出する。
【００２１】
【数２】
2005309913.tif 000004
【００２２】
第３ステップの演算４１ｃでは、算出されたｄｐｃｏｍｐに対してユーザー指定レンジであるｕｒｖ（１００％）とｌｒｖ（０％）でスケーリングした差圧ｄｐｓｃａｌｅｄを次式で算出する。
【００２３】
【数３】
2005309913.tif 000005
【００２４】
第４ステップの演算４１ｄでは、算出されたｄｐｓｃａｌｅｄ及びＥＥＰＲＯＭ６に保存された温度依存性のある動的な補正係数Ｃｉを用いて多項式により、パルス幅変調されるデジタル信号ｐｗｍを次式で算出する。
【００２５】
【数４】
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【００２６】
以上４ステップの演算を経て算出されたデジタル信号ｐｗｍが第１プロセッサの演算値出力ｄｏ１として比較手段４２に入力されると共に切り換え手段４３を経由して出力手段１２に入力され、４−２０ｍＡの電流出力信号Ｉｏに変換される。
【００２７】
第１計数手段３からのパルス信号を入力する、第２プロセッサ５内の第２演算手段５１による複数の演算ステップ５１ａ乃至５１ｄの算出は、上述した第１プロセッサ内の第１演算手段４１による複数の演算ステップ４１ａ乃至４１ｄの算出と全く同一内容であり、その演算値出力Ｄｏ２は比較手段４２に導かれてＤｏ１と比較される。
【００２８】
比較手段４２は、演算値出力Ｄｏ１とＤｏ２を照合し、両者が所定の許容条件を超えて不一致である場合には伝送器異常と判断し警報指令ＡＬを出力し、切り換え手段４３を異常警報手段１３側に切り換えて電流出力信号Ｉｏをバーンアウトさせ、上位装置１７に伝送器異常を通知する。
【００２９】
４５は診断手段であり、圧力センサ１の故障診断（振動式の場合には周波数異常や発振停止）、計数手段２，３の信号停止、伝送器出力が一定期間途絶えた場合や一定期間変化がない場合、プロセッサ自体の動作異常等を監視し、異常の場合には信号Ｄｓを切り換え手段４３に発信して電流出力信号Ｉｏをバーンアウトさせる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
安全性が要求されるシステムで使用される伝送器は、一般には２台以上の伝送器が必要となり、計装コストは高くつく。センサの信頼性が高くその二重化が要求されない場合には、伝送器自体は単体で、内部の信号処理機能を二重化する図５で説明した構成によれば、ハードウェアの完全な多重化に比べてコストの低減は可能である。
【００３１】
しかしながら、図５で説明した構成でも第２計数手段３、第２プロセッサ５及び９乃至１１のメモリがハードウェア的に追加されるのでコスト問題は完全に解決されず、更にハードウェアの増加が伝送器の小型化設計の障害要因となっている。
【００３２】
従って本発明が解決しようとする課題は、ハードウェアを追加することなしに内部の信号処理機能を二重化することが可能な伝送器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）プロセス値を入力して複数ステップの演算により所定の出力信号に変換する伝送器において、
前記複数ステップを通常の演算方向とは逆の方向に進行させる逆方向演算手段を備えたことを特徴とする伝送器。
【００３４】
（２）前記複数ステップの各ステップの演算値と前記逆方向演算の各ステップの演算値の一致判定を実行する照合手段を備えたことを特徴とする（１）に記載の伝送器。
【００３５】
（３）前記照合手段は、一致判定において少なくとも１個以上の不一致が発生したときにエラー警報することを特徴とする（２）に記載の伝送器。
【００３６】
（４）前記照合手段は、一致判定において同一の不一致が複数回発生したときにエラー警報することを特徴とする（２）に記載の伝送器。
【００３７】
（５）前記照合手段は、一致判定において所定の誤差範囲を設定することを特徴とする（２）乃至（４）のいずれかに記載の伝送器。
【００３８】
（６）前記逆方向演算及び前記一致判定は、前記複数ステップ演算の空き時間に分割して実行されることを特徴とする（２）乃至（５）のいずれかに記載の伝送器。
【００３９】
（７）前記入力信号は、センサよりデジタル値で与えられることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の伝送器。
【００４０】
（８）前記センサは、振動式差圧又は圧力センサであることを特徴とする（７）に記載の伝送器。
【００４１】
（９）入力信号を複数ステップの演算で出力信号に変換する順方向演算ステップと、
前記複数ステップを逆方向に演算する逆方向演算ステップと、
前記順方向演算ステップと前記逆方向演算ステップの対応するステップの演算値の一致判定を行う照合ステップと、
を有することを特徴とする伝送器の二重化方法。
【００４２】
（１０）前記照合ステップにおいて、少なくとも１個以上の不一致が発生したときにエラー警報することを特徴とする（９）に記載の伝送器の二重化方法。
【００４３】
（１１）前記照合ステップにおいて、同一の不一致が複数回発生したときにエラー警報することを特徴とする（９）に記載の伝送器の二重化方法。
【００４４】
（１２）前記逆方向演算及び前記照合ステップは、前記順方向演算ステップの空き時間に分割して実行されることを特徴とステップする（９）乃至（１１）のいずれかに記載の伝送器の二重化方法。
【発明の効果】
【００４５】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）一つのハードウェア上で、ソフトウェアによる信号処理で、複数ステップの演算を逆方向に実行して順方向演算の各ステップの演算値と照合することにより、演算値出力を照合するためのハードウェアを二重化することと等価機能を実現することができる。これにより、小型安価でかつ 安全計装／一般計装両方で使用可能な、汎用性の高い伝送器を提供することができる。
【００４６】
（２）順方向演算を最優先とし、逆方向演算(確かめ算)をブロック分けして順方向演算の空き時間に小刻みに振り分ける分割処理行うことで、全体として応答が遅れない、高速な伝送器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用した差圧伝送器の一実施形態を示す機能ブロック図である。図５で説明した従来伝送器と同一要素には同一符号を付し、説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。
【００４８】
図１において、１００は本発明が適用された単一のプロセッサであり、単一の計数手段２からのパルス信号を入力する。プロセッサ１００において、１０１は順方向演算手段であり、その複数ステップ１０１ａ乃至１０１ｄの演算内容と演算値出力ｄｏは、図５の従来伝送器の第１演算手段４１のステップ４１ａ乃至４１ｄの演算内容及び演算値出力ｄｏ１全く同一である。
【００４９】
１０２は照合手段であり、順方向演算手段１０１の各ステップで算出された演算値を保持する順方向演算値保持手段１０２ａを有し、後述する逆方向演算手段の各ステップの演算値との一致を照合する。
【００５０】
１０３は本発明特有の逆方向演算手段であり、順方向演算手段１０１の演算値出力ｄｏを入力して、順方向演算手段１０１の各演算ステップを通常の演算方向とは逆の方向に進行させるモノである。即ち、順方向演算手段１０１の各演算ステップの逆演算を実行して周波数信号ｆｃ，ｆｒまで戻る。逆演算の各ステップの演算値は照合手段１０２に入力され、順方向演算値保持手段１０２ａに保持されている順方向演算の各ステップの演算値と照合される。
【００５１】
照合手段１０２は、各ステップの照合において１個でも逆方向演算値が順方向演算値に設定される誤差範囲をこえて不一致の場合、又は同一不一致が所定回数発生した場合に警報指令ＡＬを換え手段１０４に出力する。切り換え手段１０４、異常警報手段１０５、診断手段１０６は、図５で示した要素４３乃至４５と同一機能であり、説明を省略する。
【００５２】
逆方向演算における各ステップの演算値の算出式を説明する。順方向の演算値出力ｄｏであるｐｗｍよりｄｐｃａｌｅｄ´を逆算する逆演算ステップ１０２ｄは、次式で算出される。
【００５３】
【数５】
2005309913.tif 000007
【００５４】
順方向演算で算出されたｄｓｃａｌｅｄよりｄｐｃｏｍｐ´を逆算する逆演算ステップ１０２ｃは、次式で算出される。
【００５５】
【数６】
2005309913.tif 000008
【００５６】
順方向演算で算出されたｄｐｃｏｍｐよりＸ´を逆算する逆演算ステップ１０２ｂは、次式で算出される。
【００５７】
【数７】
2005309913.tif 000009
【００５８】
順方向演算で算出されたＸより周波数ｆｃ´を逆算する逆演算ステップ１０２ａは、次式で算出される。
【００５９】
【数８】
2005309913.tif 000010
【００６０】
図２は、順方向演算と逆方向演算における演算ステップの処理方向と算出式を対比して示したイメージ図であり、本発明のソフトウェア的な二重化処理の機能構成を視覚的にわかりやすく表したものである。
【００６１】
次に、照合手段１０２における各演算ステップの一致判定の条件について説明する。逆演算ステップ１０２ｄの算出値ｄｐｃａｌｅｄ´の判定条件は次式で与えられる。
【００６２】
【数９】
2005309913.tif 000011
【００６３】
逆演算ステップ１０２ｃの算出値ｄｐｃｏｍｐ´の判定条件は次式で与えられる。
【００６４】
【数１０】
2005309913.tif 000012
【００６５】
逆演算ステップ１０２ｂの算出値Ｘ´の判定条件は次式で与えられる。
【００６６】
【数１１】
2005309913.tif 000013
【００６７】
逆演算ステップ１０２ａの算出値ｆｃ´の判定条件は次式で与えられる。
【００６８】
【数１２】
2005309913.tif 000014
【００６９】
各条件判定式におけるα，β，χ，δは一致判定の許容誤差範囲を示す定数であり、演算誤差、伝送器の動作範囲、精度によって適正値が設定される。
【００７０】
図３は、本発明のソフトウェア的な二重化方法の信号処理手順を説明するフローチャートである。ステップＳ１で処理をスタートし、ステップＳ２では順方向演算の各演算ステップを実行してステップＳ３で各演算ステップの演算値を保持する。この保持値は判定ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ９，Ｓ１１で参照される。
【００７１】
ステップＳ４では、逆演算ステップ１０２ｄが実行されてｄｓｃａｌｅｄ´が算出され、ステップＳ５で順方向演算値ｄｐｃａｌｅｄとの一致判定が行われる。この判定に合格すればステップＳ６で逆演算ステップ１０２ｃが実行されてｄｐｃｏｍｐ´が算出され、ステップＳ７で順方向演算のｄｐｃｏｍｐとの一致判定が実行される。
【００７２】
この判定に合格すればステップＳ８で逆演算ステップ１０２ｂが実行されてＸ´が算出され、ステップＳ９で順方向演算値Ｘとの一致判定が行われる。この判定に合格すればステップＳ１０で逆演算ステップ１０２ａが実行されてｆｃ´が算出され、ステップＳ１１で順方向演算のｆｃとの一致判定が実行される。
【００７３】
この判定に合格すればステップＳ１２で総合判定が実行され、すべての一致判定に合格すればＯＫの正常処理となり、上記ルーチンを繰り返す。判定ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ９，Ｓ１１で不一致判定となった場合には直ちにステップＳ１２の総合判定にスキップし、ＮＧのエラー処理となる。
【００７４】
総合判定におけるエラー処理は、不一致が１個でも発生したときに直ちにエラー処理とするか、不一致が所定回数発生したときにエラー処理とするか、同一不一致が所定回数発生したときにエラー処理とするか等、適当なアルゴリズムを持たせた判定処理が可能である。
【００７５】
上記図３で説明したフローチャートでは、逆方向演算の各ステップにおける一致判定結果で分岐処理して総合判定する例を説明したが、分岐処理をせずに各ステップにおける一致判定結果の情報を保持しておいて、すべての情報に基づいて総合判定を実行する方法をとることも可能である。
【００７６】
図４は、順方向演算及び逆方向演算のタイミングチャートを示す。Ｔは演算周期を示し、たかだか１００ｍｓｅｃ以下の一定時間である。各演算周期において、ステップＳ２は図３のフローチャートのステップＳ２に相当する順方向演算時間であり、演算周期Ｔの２／３程度の時間に設計され、演算周期毎に順方向演算は完結する。
【００７７】
一方、逆方向演算は各演算周期における１／３の空き時間に分割して実行される。各演算周期で分割実行される逆方向演算時間は、周期Ｔの１／１０程度である。
【００７８】
最初の演算周期（１）においてハッチング示した時間で方向演算ステップＳ３が実行され、次の演算周期（２）で逆方向演算ステップＳ４，Ｓ５及びＳ６，Ｓ７が実行される。
【００７９】
次の演算周期（３）で逆方向演算ステップＳ８，Ｓ９が実行され、次の演算周期（４）で逆方向演算ステップＳ１０，Ｓ１１が実行され、次の演算周期（５）で総合判断ステップＳ１２が実行される。
【００８０】
次の演算周期（６）は、順方向演算ステップＳ２のみを実行し、逆方向演算は休止する。この休止は、例えば１秒毎に周期的に挿入される。
【００８１】
このように、逆方向演算を順方向演算の空き時間をぬって(空き時間があれば)分割して実行することにより、逆方向演算を追加しても応答遅れが発生しない伝送器を実現することが可能となる。
【００８２】
以上説明した伝送器の実施形態では、圧力又は差圧伝送器を例示したが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、入力信号を複数の演算ステップで出力信号に変換する形態の伝送器一般に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明を適用した差圧伝送器の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】順方向演算と逆方向演算における演算ステップの処理方向と算出式を対比して示したイメージ図である。
【図３】ソフトウェア的な二重化方法の信号処理手順を説明するフローチャートである。
【図４】順方向演算及び逆方向演算のタイミングチャートである。
【図５】内部の信号処理機能を二重化した、従来技術による差圧伝送器の一例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００８４】
Ａ  差圧伝送器
１  圧力センサ
２  計数手段
６  ＥＥＰＲＯＭ
７  ＲＡＭ
８  ＲＯＭ
１２  出力手段
１３  表示手段
１４  伝送路
１５  直流電源
１６  ハンドヘルドターミナル
１７  上位装置
１８  通信インターフェース
１００  プロセッサ
１０１  順方向演算手段
１０２  照合手段
１０２ａ  順方向演算値保持手段
１０３  逆方向演算手段
１０４  切り換え手段
１０５  異常警報手段
１０６  診断手段
【図１】
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【図２】
2005309913.tif 000016
【図３】
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【図４】
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【図５】
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