(57)【要約】【課題】診断用パルス信号を正確に検出し、信号線のインピーダンスに影響されずに伝送線路の短絡、断線を検出できる制御システムを提供することを目的とする。【解決手段】制御装置１は、制御データを生成するとともに、操作端部を診断する診断用パルスデータを生成し、診断用パルス信号の帰還信号の波形から前記信号線及び前記操作端部の機能を診断する内部回路１３と、制御信号に診断用パルス信号を重畳させ、予め設定された信号レベルで前記操作端部に送る可変増幅回路１２と、帰還信号を受信し、前記内部回路に送る受信回路１６と、を備える診断用パルス信号生成部１０を備え、内部回路は、診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正する診断用パルスデータを補正する補正パルスデータ生成部を備え、信号線の長さが長い場合でも診断用パルス信号のパルス幅の拡張をしないで診断用パルス信号の受信が可能となるようにしたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御装置から操作端部に信号線を介して診断用パルス信号を送信して、当該操作端部までの接続状態の異常と当該操作端部の機能とを診断する制御システムであって、
前記制御装置は、前記操作端部を制御する前記制御データを予め設定された制御周期で生成するとともに、予め設定された診断周期で前記操作端部を診断する診断用パルスデータを生成し、当該操作端部の入力端から帰還した、前記診断用パルス信号の帰還信号の波形から前記制御装置から前記操作端部までの接続状態と前記操作端部の機能とを診断する内部回路と、
前記制御データに基づく前記制御信号を生成する非反転増幅回路と、前記診断用パルスデータに基づく診断用パルス信号を生成するＤＡ変換器と、前記制御信号に前記診断用パルス信号を重畳させ、予め設定された信号レベルで前記操作端部に送る加算器と、を備える可変増幅回路と、
前記帰還信号を受信し、前記内部回路に送る受信回路と、
を備える診断用パルス信号生成部を備え、
前記内部回路は、更に、送信する前記診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正する補正パルスデータを生成して診断用パルスデータを補正する補正パルスデータ生成部を備え、
前記診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正し、前記信号線の長さが長い場合でも前記診断用パルス信号のパルス幅の拡張をしないで前記操作端部で前記診断用パルス信号の受信が可能となるようにしたことを特徴とする診断用パルス信号を備える制御システム。
【請求項２】
前記内部回路は、前記帰還信号を受信して、送信した前記診断用パルス信号の立ち上がり時間及びパルス幅を計測し、当該計測値と前記補正パルスデータのパルス幅、及びそのパルス波高値とを予め対応付けした補正テーブルを備え、
前記帰還信号の計測値により前記補正テーブルを参照して前記診断用パルスデータを自動的に補正するようにしたる請求項１に記載の診断用パルス信号を備える制御システム。
【請求項３】
前記受信回路は、多段階の電位レベルを検出できる受信回路とし、
前記内部回路は前記電位レベルを受信して、前記電位レベルと、前記補正パルスデータのパルス幅、及びそのパルス波高値とを予め対応付けした補正テーブルを備え、
前記帰還信号の計測値により前記補正テーブルを参照して前記診断用補正パルスデータを自動補正するようにしたる請求項１に記載の診断用パルス信号を備える制御システム。
【請求項４】
前記操作端部の入力回路及び前記受信回路は、夫々、ホトカプラ絶縁回路とし、
前記入力回路は、一次側をホトカプラのダイオードとその電流制限抵抗とを直列に接続して構成し、その一端を前記可変増幅回路の出力に前記信号線を介して接続し、他端を前記受信回路の入力端に前記信号線を介して接続し、
前記受信回路は、前記ホトカプラの第１のダイオードのアノードに接続された端部を前記入力回路からの前記帰還信号の一端とし、当該第１のダイオードのカソードは前記ホトカプラ絶縁回路の接地電位に接続された端部を他端とし、更に、前記第１のダイオードと逆極性で接続された第２のダイオードとで構成し、
前記診断用パルス信号生成部は、更に前記可変増幅器の前記診断用パルス信号の低電位側を負電位とする負電源回路を備え、
前記内部回路は、前記帰還信号のパルス波形に負電位が検出されない場合、前記信号線間に「短絡あり」と判定するようにした請求項１に記載の診断用パルス信号を備える制御システム。
【請求項５】
前記操作端部の入力回路及び前記受信回路は、夫々、ホトカプラ絶縁回路とし、前記入力回路は、一次側をホトカプラのダイオードとその電流制限抵抗とを直列に接続して構成し、その一端を前記可変増幅回路の出力に前記信号線を介して接続し、他端を前記受信回路の入力端に前記信号線を介して接続し、
前記受信回路は、一次側のホトカプラのダイオードのアノードに接続された端部を前記入力回路からの前記帰還信号の一端とし、当該ダイオードのカソードは前記ホトカプラ絶縁回路の接地電位に接続された端部を他端として構成し、
前記診断用パルス信号生成部は、前記可変増幅器の出力端と前記受信回路の入力端との間に接続される当該出力端と当該入力端の前記信号線への接続を入れ替えて、前記入力回路に対する前記診断用パルス信号の印加方向を切り替える信号線切り替えスイッチを備え、
前記内部回路は、前記信号線切り替えスイッチを切り替えて、いずれの場合も前記帰還信号に同じパルス波形が検出された場合には、前記信号線間に「短絡あり」と判定するようにした請求項１に記載の診断用パルス信号を備える制御システム。
【請求項６】
前記診断用パルス信号生成部は、前記可変増幅回路の出力端と前記信号線の一端との間に直列に接続された可変整合抵抗を備え、
更に、当該可変整合抵抗の前記信号線の一端を入力端として接続される前記診断パルス信号の出力フィードバック回路と、
を備え、
前記内部回路は、前記出力フィードバック回路から出力されたパルス波形を観測し、反射振動波が有る場合には「断線あり」、または、そうでない歪みがある場合には「短絡あり」と判定するようにした請求項１に記載の診断用パルス信号を備える制御システム。
【請求項７】
制御装置から操作端部に信号線を介して診断用パルス信号を送信して、当該操作端部までの接続状態の異常と当該操作端部の機能とを診断する制御システムの制御装置であって、
前記制御装置は、前記操作端部を制御する前記制御データを予め設定された制御周期で生成するとともに、予め設定された診断周期で前記操作端部を診断する診断用パルスデータを生成し、当該操作端部の入力端から帰還した、前記診断用パルス信号の帰還信号の波形から前記制御装置から前記操作端部までの接続状態と前記操作端部の機能とを診断する内部回路と、
前記制御データに基づく前記制御信号を生成する非反転増幅回路と、前記診断用パルスデータに基づく診断用パルス信号を生成するＤＡ変換器と、前記制御信号に前記診断用パルス信号を重畳させ、予め設定された信号レベルで前記操作端部に送る加算器と、を備える可変増幅回路と、
前記帰還信号を受信し、前記内部回路に送る受信回路と、
を備える診断用パルス信号生成部を備え、
前記内部回路は、更に、送信する前記診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正する補正パルスデータを生成して診断用パルスデータを補正する補正パルスデータ生成部を備え、
前記診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正し、前記信号線の長さが長い場合でも前記診断用パルス信号のパルス幅の拡張をしないで前記操作端部で前記診断用パルス信号の受信が可能となるようにしたことを特徴とする診断用パルス信号を備える制御システムの制御装置。
【請求項８】
前記内部回路は、前記帰還信号を受信して、送信した前記診断用パルス信号の立ち上がり時間及びパルス幅を計測し、当該計測値と、前記補正パルスデータのパルス幅、及びそのパルス波高値とを予め対応付けした補正テーブルを備え、
前記帰還信号の計測値により前記補正テーブルを参照して前記診断用パルスデータを自動的に補正するようにしたる請求項７に診断用パルス信号を備える制御システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、診断用パルス信号を備える制御システム、及びその制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年国際標準として、装置の製造者・供給者に対して、機能安全規格が国際電気標準化会議の規格IEC61508「電気・電子・プログラマブル電子安全関連系の機能安全」として纏められ、更に、システムの設計者・インテグレータ・ユーザに対しては、プロセス用アプリケーション規格として、IEC61508が発行されている。
【０００３】
これらの規格では、システムの設計、保守、廃棄に至るライフサイクルにおける安全を評価し、リスク軽減の要求レベルである安全度水準（SIL; Safety Integrity Level）を定量的な評価尺度として定めている。
【０００４】
このような背景において、プラントなどの安全停止システム全体の安全度水準を高める為には、センサ、制御装置（Logic Solver：LSとも言う）、及び最終エレメント（Final Elementsとも言う。以後、ここでは操作端部と言う）の各装置の内部の故障診断だけでなく制御装置と各装置間を接続する信号線を含む故障診断を行う要求がある。
【０００５】
一般に、センサ、操作端部は高度な診断機能を有さないため、この制御装置とセンサや操作端部との信号線の故障診断機能は、制御装置に備えられるべきものである。
【０００６】
ところで、制御装置による操作端部の診断機能としては、操作端部からの信号を制御装置内で受信し、操作端部が正常に出力信号を送っているか否かを検出する技術が知られている（例えば特許文献１参照。）。
【０００７】
また、制御装置と操作端部間の診断機能としては、操作端部に接続された制御装置からの信号線を制御装置に再度フィードバックし、制御装置からの出力信号が正しく操作端部に送られたか否かを検出する技術が知られている（例えば特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４１３１１３４号公報
【特許文献２】特許第３６９５２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
石油化学などのプラントのシステムでは、制御装置から操作端部までの距離が数百メートル離れる場合がある。この様な長距離の伝送線路の場合、上述した特許文献１および特許文献２においては、診断用パルス信号の波形が伝送線路の遅延成分により歪み、制御装置に戻ってきた診断用パルス信号が正常に検出なくなる問題がある。
【００１０】
また、上述した特許文献１においては、制御装置の入力回路の検査は可能だが、制御装置と操作端部間の信号線の短絡や断線を検出出来ない問題がある。
【００１１】
また、上述した特許文献２においては、装置間の信号線の断線は検出可能だが、操作端部及び装置間の信号線のインピーダンスが電流検出用の抵抗値に比べ小さい場合、信号線の短絡を検出出来ない問題がある。
【００１２】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、制御装置から診断用パルス信号を操作端部に送信して、その信号線及び操作端部を診断する制御装置とその制御システムにおいて、診断用パルス信号を正確に検出し、長距離を伝送する信号線のインピーダンスに影響されずに伝送線路の短絡及び断線を検出できる診断用パルス信号を備える制御システム、及びその制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本実施例の診断用パルス信号を備える制御システムは、制御装置から操作端部に信号線を介して診断用パルス信号を送信して、当該操作端部までの接続状態の異常と当該操作端部の機能とを診断する制御システムであって、前記制御装置は、前記操作端部を制御する前記制御データを予め設定された制御周期で生成するとともに、予め設定された診断周期で前記操作端部を診断する診断用パルスデータを生成し、当該操作端部の入力端から帰還した、前記診断用パルス信号の帰還信号の波形から前記制御装置から前記操作端部までの接続状態と前記操作端部の機能とを診断する内部回路と、前記制御データに基づく前記制御信号を生成する非反転増幅回路と、前記診断用パルスデータに基づく診断用パルス信号を生成するＤＡ変換器と、前記制御信号に前記診断用パルス信号を重畳させ、予め設定された信号レベルで前記操作端部に送る加算器と、を備える可変増幅回路と、前記帰還信号を受信し、前記内部回路に送る受信回路と、を備える診断用パルス信号生成部を備え、前記内部回路は、更に、送信する前記診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正する補正パルスデータを生成して診断用パルスデータを補正する補正パルスデータ生成部を備え、前記診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正し、前記信号線の長さが長い場合でも前記診断用パルス信号のパルス幅の拡張をしないで前記操作端部で前記診断用パルス信号の受信が可能となるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
上記目的を達成するために、本実施例による診断用パルス信号を備える制御システムの制御装置は、制御装置から操作端部に信号線を介して診断用パルス信号を送信して、当該操作端部までの接続状態の異常と当該操作端部の機能とを診断する制御システムの制御装置であって、前記制御装置は、前記操作端部を制御する前記制御データを予め設定された制御周期で生成するとともに、予め設定された診断周期で前記操作端部を診断する診断用パルスデータを生成し、当該操作端部の入力端から帰還した、前記診断用パルス信号の帰還信号の波形から前記制御装置から前記操作端部までの接続状態と前記操作端部の機能とを診断する内部回路と、前記制御データに基づく前記制御信号を生成する非反転増幅回路と、前記診断用パルスデータに基づく診断用パルス信号を生成するＤＡ変換器と、前記制御信号に前記診断用パルス信号を重畳させ、予め設定された信号レベルで前記操作端部に送る加算器と、を備える可変増幅回路と、前記帰還信号を受信し、前記内部回路に送る受信回路と、を備える診断用パルス信号生成部を備え、前記内部回路は、更に、送信する前記診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正する補正パルスデータを生成して診断用パルスデータを補正する補正パルスデータ生成部を備え、前記診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正し、前記信号線の長さが長い場合でも前記診断用パルス信号のパルス幅の拡張をしないで前記操作端部で前記診断用パルス信号の受信が可能となるようにしたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１の構成図。
【図２】実施例１の詳細構成図。
【図３】実施例１の診断用パルス信号の動作を説明するタイムチャート。
【図４】実施例１の診断用パルス信号の問題点の説明図。
【図５】実施例１の動作原理を説明する図。
【図６】実施例２の構成図。
【図７】実施例２の変形例。
【図８】実施例３の構成と動作説明図。
【図９】実施例４の構成と動作説明図。
【図１０】実施例５の構成と動作説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１乃至図５を参照して、実施例１について説明する。先ず、図１を参照して構成を説明する。
【００１８】
本実施例の制御システムは、操作端部２を制御する制御装置１と、制御装置１からの制御信号で制御される操作端部２と、制御装置１から操作端部２に制御信号に診断用パルス信号を重畳させて送る信号線３と、で構成される。
【００１９】
制御装置１は、操作端部２の機能を診断する診断用パルス信号生成部１０を備え、診断用パルス信号生成部１０は、操作端部２を制御する制御信号の制御データと診断用パルスデータとを生成する内部回路１３と、内部回路１３で生成した制御データに診断用パルスデータを重畳させ、操作端部２の受信信号レベルに適合させた出力信号を生成する可変増幅部１２と、この可変増幅器１２から送信した出力信号を操作端部２の入力端から帰還した帰還信号を受信する受信回路１６とを備える。
【００２０】
操作端部２は、例えば、バルブのような装置であって、制御装置１からの制御信号を、信号線３を介して受信する入力回路２１と、操作端部２自身を制御し、入力回路２１で受信した信号に応答する内部回路２３と、を備える。
【００２１】
一般に、診断用パルス信号は、信号線３とその入力回路２１までの機能を診断する場合には、入力回路２１の入力端からの帰還信号で処理されるが、内部回路２３の機能を診断する場合には、破線で示したように操作端部２に診断応答データ送信回路２４と制御装置１に診断応答データの受信回路１３４とを備え、内部回路２３から送られた診断応答データを制御装置１でその良否を診断する。
【００２２】
また、診断用パルス信号は、信号線３の制御信号を出力する各ビットに重畳させて出力するが、出力信号の形態は、パラレル出力、シリアル出力の何れでも良いし、その回路も操作端部２までの伝送距離や絶縁方式により種々の形式が採用できる。本実施例では、出力の１ビットについて図示したものである。
【００２３】
次に、各部の詳細について説明する。先ず、内部回路１３は、操作端部２を制御する制御データを予め設定された制御周期Tｃで生成する制御データ生成部１３１と、予め設定された制御周期と異なり、制御周期よりも長い診断周期Tｄで操作端部２を診断する診断用パルスデータを生成する診断用パルスデータ生成部１３２と、操作端部２の入力端から帰還した帰還信号の波形から、診断用パルスデータを補正し、診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正するための補正パルスデータを生成する補正パルスデータ生成部１３３と、を備える。
【００２４】
また、内部回路１３は、図示しない、演算プロセッサを備え、帰還された診断用パルス信号（帰還信号）から、制御装置１と操作端部２との接続状態の異常や操作端部２の動作状態の良否を診断する診断機能も備える。
【００２５】
さらに、詳細には、補正パルスデータ生成部１３３は、送信する診断用パルス信号の立ち上がり及び立ち下がり時間を補正する補正パルスデータを生成し、内部回路１３は、この補正パルスデータを用いて、診断用パルスデータを補正し、診断用パルス信号の立ち上がり時間を補正し、信号線３が長距離の伝送路の場合でも診断用パルス信号のパルス幅を拡張しないで操作端部２で診断用パルス信号の受信が可能とする。
【００２６】
また、可変増幅回路１２は、図２に示すように、制御データに基づく制御信号を生成する非反転増幅回路１２１と、診断用パルスデータに基づく診断用パルス信号を生成するＤＡ変換器１２２と、制御信号に診断用パルス信号を重畳させ、外部の絶縁電源から電源ＶＤＣを供給して、操作端部２に適合した信号レベルとして出力する加算器１２３と、を備える。
【００２７】
また、受信回路１６は、制御装置１の内部と絶縁するためホトカプラ１６１を使用し、１次側のホトダイオードのアノードは、操作端部２からの帰還信号の帰還ルートとなる信号線３２に接続され、ホトダイオードのカソードは、電流制限抵抗１６２を経由して外部のグランド電位ＧＮＤに接続され、帰還信号の電位レベルを検出する。
【００２８】
また、操作端部２の入力回路２１は、操作端部２の内部と絶縁するためのホトカプラ２１１と、予め設定される電流制限抵抗２１２と、を備え、ホトカプラ２１１のアノードは一方の信号線３１に接続され、他方は負荷抵抗２１２を介して他方の信号線３２に接続される。
【００２９】
本実施例では、制御装置１と操作端部２とをホトカプラで絶縁する場合のインタフェースを示したが、電流制限抵抗２１２は、信号線３１と３２間で入力回路２１１に並列に挿入したり、信号線３１とホトカプラ２１１のアノードと直列に接続したり、操作端部２の入力回路と信号船の伝送距離とにより種々のインタフェース形態とすることが可能である。
【００３０】
次に、このように構成された診断用パルス生成部１０の動作について、図２及び図３（ａ）を参照して説明する。
【００３１】
内部回路３は、図３（ａ）に示すように、制御システム１の制御性能の要求から、予め設定される制御周期Tｃ、例えば，１msecで制御データを更新し、また、診断用パルスデータは、予め設定される比較的遅い診断周期Tｄ、例えば、１secで更新し、制御データに基づく制御信号ｓ１が非反転増幅回路１２１から、また、診断用パルスデータに基づく診断用パルス信号ｓ２がＤＡ変換機１２２から、夫々、加算器１２３に入力される。
【００３２】
非反転増幅回路１２１は、制御データ生成部１３１から出力される制御データに対応する制御信号を生成するもので、出力に自由度を持たせるには、ＤＡ変換器で構成することも出来る。
【００３３】
加算器１２３では、これらの信号を合成し、例えば、制御信号ｓ１と診断用パルス信号ｓ２との論理積を求め、操作端部２の受信電位レベルに適合する信号レベルとして、可変増幅回路１２に供給される外部の電位ＶＤＣと受信回路１６を介して接地されるグランド電位ＧＮＤとを基準として出力する。
【００３４】
可変増幅回路１２で生成された診断用パルス信号ｓ３の１つのパルスは、理想的には、図３（ｂ）に示すような波形となる。
【００３５】
ところで、ISA（米国計測機器工業会）による規格に拠れば、化学プロセスの産業の安全計装システムの安全規格が発行されているが、これによると安全停止システム（Safety Shutdown System）の出力信号は、通常制御時はHiレベル（危険側動作信号は、操作端部２がバルブの場合、バルブ開を意味する）、停止時はLoレベル（安全側動作信号は、操作端２がバルブの場合、バルブ閉）となる。
【００３６】
操作端部２のテストは、制御システム１が、通常制御されている状態で行われるため、出力信号は通常、Hiレベルとなる。
【００３７】
ここで、制御装置１が必要時にLoレベルが出力出来るかを確認するため、周期的に診断用パルス信号が出力される。Loレベル出力の機能を確認するための診断用パルス信号は、図３（ｂ）に示すようにLoレベルのパルス信号となる。
【００３８】
また、診断用パルス信号のLoレベルは、受信回路１６での誤検出を避けるために、受信回路１６のLoレベル検出可能最高電位VＬ以下となる。また診断用パルス信号のHiレベルもまた、受信回路１６での誤検出を避けるために、受信回路１６のHiレベル検出可能最低電位VＨ以上となる。
【００３９】
また、診断用パルス信号のパルス幅TOは、操作端部２の誤動作を避けるために、操作端部２の最長不感時間幅TFEより短く設定される。
【００４０】
このように、制御装置１の可変増幅回路１２は、内部回路１３から出力される診断用パルス信号は、制御信号に重畳して、上述するようなパルス波形の信号を出力する。
【００４１】
しかしながら、実際の安全停止システムの適用においては、制御装置１から操作端部２までの距離が数百メートル離れる場合がある。このような場合、図４（ａ）に示すように、制御装置１から単なるパルス信号を出力した場合、パルス信号のパルス波形が長距離の信号線３の（ＲＣ）遅延成分により変化し、制御装置１の受信回路１６に帰還されたパルス波形が、図４（ｂ）に示すような波形になる場合がある。
【００４２】
図４に示すように、診断用パルス信号の出力パルス幅TOは、制御装置１の受信回路１６では信号線３の遅延成分により歪み、実効パルス幅TＲ（制御装置１がLoレベルと検出するパルス時間幅）が、制御装置１の最短検出時間幅TFを下回る事がある。
【００４３】
この場合、制御装置１は、信号線３１に出力したパルスを、受信回路１６において検出する事が出来ない。
【００４４】
この問題に対しては、出力パルス幅TOの時間幅を拡大する方法があるが、あまりパルス幅を長くすると、出力パルス幅が操作端部２の最長不感時間幅TFEを上回ってしまい、診断用パルス信号が操作端部２の誤操作（例えば、バルブ閉）を招く可能性がある。
【００４５】
この問題を解決するために、図５（ａ）に示すように、本実施例１の制御装置１の診断用パルス生成部１０は、診断用パルス信号のパルス波形の立ち上がり電圧を高めたパルスを出力する機能を備える。（以下、パルス波形の立ち上がり、立ち下がりの２種類の波形を、共に「立ち上がり」と呼ぶ。）。
【００４６】
図５（ａ）は、制御装置１の出力端Poにおけるパルス波形を示し、図５（ｂ）は制御装置１の入力端Piにおける診断用パルス信号のパルス波形を示す。
【００４７】
即ち、制御装置１の可変増幅回路１２から出力されるパルス波形について、パルスの立ち上がりにおける電位差を図５（ａ）に示すように一定時間の間拡大する事により、従来は破線で示したような応答波形であったものが、図５（ｂ）に示すように立ち上がり時間が早まる。
【００４８】
これにより、実効パルス幅TＲが制御装置１の最長検出時間幅TFEを下回り、パルス幅を拡大することなく、制御装置１が受信したパルス信号を検出可能となる。
【００４９】
この理由は、パルス波形の電圧変化時の電位差を拡大する補正により、補正後のパルス信号が受信可能電位に達する時間を短縮した事による。
【００５０】
次に、このような診断用パルス信号のパルス波形の生成原理について説明する。制御装置１の受信回路１６で受信したパルス信号を検出可能とする為に、図５（ａ）に示すパルス波形の拡大電位差Vｏおよび、拡大時間幅ｔについて、下記式（１）および（２）を満たすような補正パルスデータを内部回路１３３で生成し、診断用パルスデータ生成部１３２でこの補正を行い、補正された診断用パルス信号を可変増幅回路１２から出力する。
【００５１】
即ち、診断用パルス信号の拡大電位差VO（V）および、拡大時間幅ｔ（ｓ）は、下記式で定義された範囲の値で与えられる。  
VF≦（VO+VDC）（１−e−ｔ／CR）                （１）
TO−TF≧ｔ                                  （２）
ここで、
VDC：パルス電位差（V）、
VF：（制御装置の）検出可能最低電位差（V）、
e：自然対数の底（2.71828…）、
C：信号線の容量成分（F）、R：信号線の抵抗成分（Ω）、
T０：（制御装置の出力端POでの）出力パルス幅（s）、
TF：（制御装置の入力端PI）最短検出時間幅（s））とする。
【００５２】
以下、式（１）、（２）の導出理由を説明する。上記（１）式、（２）式は、信号線３の等価回路を図４に示すような一次遅れ（RC）回路とすると、RC回路の入力電位差Vinと、容量成分Cの出力電圧Voutとの関係は、一般に、
Vout≦Vin・（１−e−ｔ／CR）                                （３）
となる関係がある。  
ここで、Voutは、検出可能最低電位差VFを上回る必要がある。  （４）
【００５３】
また、
Vin＝VＯ（拡大電位差）＋VDC（パルス電位差）となる。        （５）
したがって、式（３）、条件（４）、式（５）から、式（１）が求まる。
【００５４】
また、診断用パルス信号による操作端部２の誤操作（例えば、バルブ閉）を防ぐ為には、制御装置１の入力端PIでの実効パルス幅TＲが、最長検出時間幅TＦＥより短くなる必要がある。
【００５５】
また、拡大時間幅tの値は、式（２）で定義される。
【００５６】
尚、図５において、補正パルスデータは、拡大電位差×拡大時間（VO×ｔ）、または、（拡大電位差＋パルス電位差）×拡大時間（（VO+VDC）×ｔ）の何れでも良い。
【００５７】
以上、本実施の形態によれば、診断用パルス信号のパルス波形が歪むような遅れ回路特性を持つ長距離の伝送線路においても、診断用パルス信号のパルスの時間幅を拡大することなく、パルス波形の立ち上がり時間を補正することができるので、帰還信号から制御信号の異常の有無を正確に診断することができる。
【実施例２】
【００５８】
図６を参照して、実施例２について説明する。実施例２の各部について、実施例１の制御システムと同一部分は同一の符号で示し、その説明を省略する。
【００５９】
実施例２の制御システムが、実施例１と異なる点は、実施例１においては、補正パルスデータを自動生成する機能を備えていなかったが、実施例２においては、補正パルスデータ生成部１３３に補正テーブル１３３ａを備え、帰還信号からパルス波形の立ち上がり時間とそのパルス幅とを検出して、予めこの立ち上がり波形の特性に対応する補正パルスデータ（拡大電位差×拡大時間）を求めておき、操作端部２までの伝送線路長が変っても補正テーブル１３３ａを参照して、自動的に補正パルスデータが生成されるようにしたことにある。
【００６０】
このような構成の実施例２に拠れば、操作端部２の入力回路や伝送線路の特性が変化しても、自動的に補正された診断用パルスデータを生成することができる。
【００６１】
また、図７に示すように、入力回路１６を変形して、帰還信号の信号レベルを多段階にレベル分解できる多段レベル受信回路１６ａとし、この多段レベル受信回路１６ａの出力と補正パルスデータとを予め対応付けした補正テーブル１３３ａを備え、帰還信号のレベル状態を判定して対応する補正テーブル１３３ａを参照して自動補正するように構成することも可能である。
【実施例３】
【００６２】
図８を参照して、実施例２について説明する。実施例３の各部について、実施例１の制御システムと同一部分は同一の符号で示し、その説明を省略する。
【００６３】
実施例３の制御システムが、実施例１と異なる点は、実施例１においては、診断用パルス信号は、伝送線路の状態の良否を判定する機能を備えていなかったが、実施例３においては、診断用パルス信号により、信号線３の短絡を検出するようにしたことにある。
【００６４】
実施例３の制御装置１は、実施例１の構成に加えて、図８に示す負電源回路１５と、受信回路１６に代えて、ホトカプラの入力側のホトダイオードと並列に逆極性でダイオードとを更に備えた受信回路１６ｂとし、帰還信号が双方向に流れるリターン回路を形成する。
【００６５】
図８（ａ）において、負電源回路１５は、電源VDCとGNDから、グランド電位GNDを０Vとした際の、負の電位となる負電圧−VDCXを生成する回路であり、生成された負電圧−VDCXは可変増幅回路１２に入力される。
【００６６】
受信回路１６ｂは、信号線３２とブランド電位GNDの電圧が負電圧−VDCXとなっても、電流を通過させることが可能となる回路である。
【００６７】
実施例３の可変増幅回路１２は、電源VDC及び負電源回路１５から供給される負電圧−VDCXから、図８（ｂ１）に示すパルス波形を生成する。
【００６８】
このように構成された実施例３の制御装置１は、信号線３１と信号線３２の短絡故障を検出する事が出来る。以下、この短絡検出の動作について説明する。
【００６９】
信号線３間に短絡故障が発生した場合、可変増幅回路１２の生成する診断用パルス信号は入力回路２１をパスする事により、可変増幅回路１２→信号線３１→信号線３２→受信回路１６の経路順にパルス信号が流れる。この時、可変増幅器１２の出力端ｓ３から負電圧となる出力波形は図８（ｂ１）を印加すると、パルス電流は逆方向に流れ、受信回路１６ｂの２次側の出力ｓ５は、夫々、図８（ｂ２）、（ｂ３）に示す半波整流出力となる。
【００７０】
一方、もし短絡故障が起きていない、正常時の場合、負電圧パルスに対しては、操作端部２の受信回路２１に逆方向の逆電圧がかかるため、ホトカプラ２１１のホトダイオードの整流機能により、信号線３１、信号線３２には信号電流が流れない。
【００７１】
この時、可変増幅器１２の出力端ｓ３、受信回路２次側の出力ｓ５は、夫々、ハイインピーダンスとなり、夫々の端部の電位に固定される。
【００７２】
したがって、負電圧パルスに対しては、正常時は、検出出来ないはずの診断用パルス信号が受信回路１６で検出されたならば、即ち、信号線短絡、もしくは何らかの故障により、操作端２の受信回路２１がパスされたと制御装置１は判断することが可能である。
【００７３】
以上、本実施例によれば、制御装置と操作端部を結ぶ信号線の短絡故障を、信号線の経路のインピーダンスとは無関係に制御装置が検出することが可能となり、安全停止システムの故障検出機能を向上させることができる。
【実施例４】
【００７４】
図８を参照して、実施例４について説明する。実施例４の各部について、実施例１の制御システムと同一部分は同一の符号で示し、その説明を省略する。
【００７５】
実施例４の制御システムが、実施例１と異なる点は、実施例１においては、診断用パルス信号は、伝送線路の状態の良否を判定する機能を備えていなかったが、実施例４においては、更に、診断用パルス信号により、信号線３の短絡を検出するようにしたことにある。
【００７６】
実施例４の制御装置１は、実施例１の可変増幅回路１２のから操作端部２に印加する診断用パルス信号を信号線３１または信号線３２に接続し、受信回路１６を信号線３２または信号線３１に接続する、信号線切替スイッチ１４を備える。
【００７７】
切り替えは、図示しない内部回路１３の診断用パルスデータ生成部１３２から信号線切替スイッチ１４に対して切替指令ｓ６を出力するように構成することも出来る。
【００７８】
信号線切替スイッチ１４は、可変増幅器１２の出力端と受信回路１６の入力端との間に接続される当該出力端と当該入力端の信号線３への接続を入れ替えて、入力回路２１に対する診断用パルス信号の印加方向を切り替えるものである。
【００７９】
詳細には、可変増幅回路１２の出力ｓ３を第１の経路（信号線切替スイッチａ１−ｂから信号線３１、信号線３２から信号線切替スイッチｃ−ａ２、実線に示す）に接続し、または、第２の経路（信号線切替スイッチａ１−ｃから信号線３２、信号線３１から信号線切替スイッチｄ―ａ２、破線に示す）に接続し、可変増幅器１２の出力の操作端部２に印加する方向を切り替える。
【００８０】
このような構成の実施例４の制御装置１は、信号線３１と信号線３２の短絡故障を検出する事が出来る。以下、その検出動作について説明する。
【００８１】
もし信号線切り替えスイッチ１４が第１の経路で接続され、信号線３１と信号線３２が短絡故障を起こしている場合、制御装置１による診断用パルス信号を印加しても、短絡故障を検出する事が出来ない。
【００８２】
なぜなら短絡故障が起きた場合の第１の経路は、正常時に対しては受信回路２１をパスする程度の変化であり、診断用パルス信号には顕著な変化が起こらない為である。
【００８３】
一方、信号線切り替えスイッチ１４が第２の経路に接続された場合、制御装置１は短絡故障を検出可能である。
【００８４】
短絡故障時、診断用パルス信号は、受信器入力回路２１をパスし、可変増幅回路１２→信号線３２→信号線３１→受信回路１６の経路で流れる。ここで、短絡故障が起きていない場合には、信号線切り替えスイッチ１４が第２の経路においては、操作端部２の入力回路２１には逆電圧がかかり、ホトダイオードの整流機能により、信号線３１、信号線３２には信号電流が流れない。
【００８５】
したがって、信号線切り替えスイッチ１４が第２の経路で接続された場合、正常時は検出出来ないはずの診断用パルス信号が受信回路１６で検出されたならば、即ち、信号線短絡、もしくは何らかの故障により、操作端部２の入力回路２１がパスされたと制御装置１で判断することが出来る。
【００８６】
以上、本実施の形態によれば、制御装置と操作端部を結ぶ信号線の短絡故障を、信号経路のインピーダンスとは無関係に制御装置が検出することが可能であり、安全停止システムの故障検出機能を向上させることができる。
【実施例５】
【００８７】
図１０を参照して、実施例５について説明する。実施例５の各部について、実施例１の制御システムと同一部分は同一の符号で示し、その説明を省略する。
【００８８】
実施例５の制御システムが、実施例１と異なる点は、実施例１においては、診断用パルス信号は、伝送線路の状態の良否を判定する機能を備えていなかったが、実施例４においては、更に、診断用パルス信号により、信号線３の短絡及び断線を検出するようにしたことにある。
【００８９】
実施例６の制御装置１は、実施例１の構成に加えて、可変増幅回路１２から信号線３１への出力を制御装置１内部で直接受信する出力フィードバック回路１７２と、可変増幅回路１２と信号線３１の間に直列に挿入された、インピーダンス調整回路（可変整合抵抗）１７１とを備える。
【００９０】
出力フィードバック回路１７２は、インピーダンス調整回路１７１を経由した可変増幅器１２の出力信号に対して、高い入力インピーダンスを備え、入力信号の電位レベルを検出し、内部回路１３に検出結果を通知する機能を備える。
【００９１】
インピーダンス調整回路１７１は、抵抗値が可変の直列抵抗とし、インピーダンス調整回路１７１は、信号線３１と入力回路２１と信号線３２とを１本のケーブルと見立てた場合の特性インピーダンスと、インピーダンス調整回路１７１自身のインピーダンスとを調整する機能を備える。
【００９２】
このように構成された実施例５の制御装置１は、信号線３１と信号線３２の短絡故障と、信号線３１の断線故障を検出することが出来る。以下にその検出動作について説明する。
【００９３】
信号線３を伝わる電気信号は波の性質を持ち、伝送線路端やケーブル接続箇所で反射が起きる可能性がある。しかし、異種のケーブルを接続しても、その特性インピーダンスが等しい時は反射が起こらない。しかし、異種ケーブルの特性インピーダンスが異なると、接続点で信号の一部は透過し、残りは反射する。
【００９４】
しかしながら、インピーダンス調整ずみのインピーダンス調整回路１７１の出口信号線の一端と信号線３１との接続点とにおいて、両線の特性インピーダンスは一致するように調整されているので反射は起こらない。
【００９５】
ここで、信号線３１と信号線３２の短絡故障時には、信号線３１と入力回路２１と信号線３２を１本のケーブルと見立てた場合の特性インピーダンスが変化すると、短絡前に調整ずみのインピーダンス調整回路１７１の出口信号線の一端と信号線３１の接続点において、両線の特性インピーダンスが異なることになり、ここで信号の反射が起こる。
【００９６】
この反射波と診断用パルス信号の出力パルス波が重畳することにより、接続点における診断用パルス信号のパルス波形が歪む。正常時とは異なる診断用パルス信号の波形を出力フィードバック回路１７２で検出する。
【００９７】
また、信号線３１または信号線３２の断線故障時には、断線部分で信号波形の全反射が起こり、短絡故障時同様に、全反射波と出力パルス波の重畳により、接続点における診断用パルス信号のパルス波形が、大きく歪む。
【００９８】
この歪んだパルス波形は、出力フィードバック回路１７２に入力され、正常時とは異なる診断用パルス信号の波形が出力フィードバック回路１７２により検出される。これにより、制御装置１は信号線３１から先の信号線路で、断線故障を含む何らかの異常が発生した事を検出する事が出来る。
【００９９】
以上、本実施の形態によれば、制御装置と操作端部を結ぶ信号線の短絡故障または断線故障を、制御装置が検出することが可能であり、安全停止システムの故障検出機能を向上させることができる。
【０１００】
尚、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明と均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０１】
１  制御装置
２  操作端部
１０  診断用パルス信号生成部
１２  可変増幅回路
１３  内部回路
１４  信号線切替スイッチ
１５  負電源回路
１６  受信回路
１６ａ  多段レベル受信回路
１６ｂ  受信回路
２１  入力回路
２３  内部回路
２４  診断応答データ送信回路
３１、３２  信号線
１３１  制御データ生成部
１３２  診断用パルスデータ生成部
１３３  補正パルスデータ生成部
１３４  診断応答データ受信回路
１７１  整合可変抵抗
１７２  出力フィードバック回路
１６１、２１１  ホトカプラ
１６２、２１２  電流制限抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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