(57)【要約】【課題】電圧入力モジュールを２重化したシステムにおいて、モジュールを切り替える際に出力の急変を避けるために出力をホールドして、かつ入力側にスイッチを挿入していたが、ホールド時間が長くなるために出力の時間連続性が悪化し、かつスイッチのオフ故障を検出できなかった。本発明は出力の時間連続性および信頼性を高めることを目的にする。【解決手段】電圧入力モジュールを交換する際に、待機側モジュール内のフィルタのコンデンサを充放電して制御側モジュールと待機側モジュールの出力を一致させてから、待機側モジュールを信号源に接続する。過渡変動がなく、出力ホールド時間を短くでき、かつ入力側のスイッチをなくすることができるので、信頼性を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同じ構成を具備する２つのモジュールを用いて２重化システムを構成するシステムに用いる電圧入力モジュールであって、
アナログ電圧信号が入力され、コンデンサを内蔵するフィルタと、
前記コンデンサに電流を出力する電流源と、
前記２重化システムを構成する他方の電圧入力モジュールに内蔵される前記フィルタの出力に関連する信号、および当該モジュールに内蔵されるフィルタの出力に関連する信号が入力され、これらの信号が一致するように前記電流源を制御する制御部と、
を具備したことを特徴とする電圧入力モジュール。
【請求項２】
前記電流源は、
電流を吐き出す第１の電流出力部と、
電流を吸い込む第２の電流出力部と、
前記第１および第２の電流出力部の出力を前記コンデンサの両端に切り替えて出力する切替スイッチと、
を具備したことを特徴とする請求項１記載の電圧入力モジュール。
【請求項３】
測温抵抗体に定電流を供給する定電流回路、および／またはバーンアウト回路の定電流回路を、前記電流源として用いるようにしたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の電圧入力モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２重化システムに用いる電圧入力モジュールに関し、特に機能安全を必要とする安全計装システムに用いて好適な電圧入力モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プロセス制御では信頼性がなりより優先されるため、モジュール等を２重化する２重化システムがよく用いられる。図３に電圧入力モジュールを用いた２重化システムの構成を示す。
【０００３】
図３において、１０、２０は電圧入力モジュールであり、アナログ電圧が入力され、このアナログ電圧をデジタル値に変換して出力する。電圧入力モジュール１０、２０は同じ構成を有している。
【０００４】
電圧入力モジュール１０は動作している制御側モジュールであり、電圧入力モジュール２０は待機している待機側モジュールである。制御側モジュール１０に異常が発生すると、待機側モジュール２０が制御側モジュールとして動作を開始する。
【０００５】
制御側モジュール１０および待機側モジュール２０はいずれもターミナルボード２１に接続され、このターミナルボード２１を介してセンサ等の信号源２２の出力信号が入力される。
【０００６】
制御側モジュール１０と待機側モジュール２０は同じ構成を有しており、スイッチ１１、入力フィルタ１２、アナログデジタル変換器１３、スイッチ制御部１４で構成される。スイッチ１１はフィルタ１２の入力側に配置され、そのオンオフはスイッチ制御部１４によって制御される。また、入力フィルタ１２にはコンデンサ１２ａが内蔵されている。
【０００７】
制御側モジュール１０内のスイッチ１１はオンにされる。信号源２２の出力信号は制御側モジュール１０に入力され、入力フィルタ１２でノイズが除去された後、アナログデジタル変換器１３でデジタル値に変換される。このデジタル値は通信路２３を介して上位ＣＰＵモジュールに伝送される。Ｖｎはフィルタ１２の出力電圧である。
【０００８】
メンテナンス等によって制御側モジュール１０を交換するときは、制御権を待機側モジュール２０に移し、モジュール２０を新たな制御側モジュールとする。この後、モジュール１０側の信号ケーブルを取り外し、モジュール１０を取り外し、新たなモジュール１０を取り付け、この新たなモジュール１０側の信号ケーブルを接続する。そして、制御権をモジュール１０に戻して、モジュール１０を新たな制御側モジュールとする。すなわち、一時的にモジュール２０のみがターミナルボード２１に接続された状態になる。
【０００９】
新たなモジュール１０側の信号ケーブルを接続したときに、新たなモジュール１０内の入力フィルタ１２とモジュール２０内の入力フィルタ１２によるループが形成される。一般に両モジュール内のコンデンサ１２ａの両端電圧は異なっているので、信号源２２と両モジュール内のコンデンサ１２ａの間で過渡電流が流れる。その結果、モジュール２０の入力電圧が急激に変動し、プロセスの制御に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１０】
この入力電圧の変動を防止するため、待機側となったモジュール内のスイッチ１１を常時オフにし、信号源２２と制御側モジュール内のフィルタ１２によるループと、待機側モジュール内のフィルタ１２を切断して、制御側モジュールの出力が急変しないようにする。
【００１１】
特許文献１には、２重化され、入力側にスイッチを有する電流入力モジュールが記載されている。特許文献１では、待機側モジュールに電流が流れたことを検出すると、稼働側（制御側）モジュールの動作を停止するようにすることにより、誤った信号の取り込みを防止し、かつ容易にシングル構成としても動作させることができるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−２０９６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、このような２重化システムに用いる電圧入力モジュールには、次のような課題があった。
待機側モジュール内のスイッチ１１は常時オフになっているので、制御側モジュール内のフィルタ１２の出力電圧Ｖｎと待機側モジュール内のフィルタ１２の出力電圧Ｖｎは異なっている。この状態で待機側モジュール内のスイッチ１１をオンにすると、過渡電流が流れて切り替え時に電圧入力モジュールの出力が急変してしまう。
【００１４】
このため、切り替え時は制御側モジュールの最終出力値をホールドして急変を防止するようにしているが、このホールドのために過渡応答時間における信号の時間連続性が失われてしまうという課題があった。
【００１５】
また、待機側モジュール内のスイッチ１１は常時オフになっているので、このスイッチ１１のオフ固着故障を検出することができない。オフ固着故障が発生すると、待機側モジュールに切り替えても信号源２２の出力信号が入力されないので、動作しないという課題もあった。
【００１６】
特許文献１に記載された発明は入力側にスイッチが配置されている点で、図３従来例と同様の構成を有しているが、電流入力モジュールに関するものであり、本願とは構成が異なる。
【００１７】
本発明の目的は、待機側モジュール内の入力フィルタの出力電圧を制御側モジュールのそれと一致させてから待機側モジュールを信号源に接続することにより、切り替え時の入力電圧の急変を低減し、かつ信頼性を向上させることができる電圧入力モジュールを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
同じ構成を具備する２つのモジュールを用いて２重化システムを構成するシステムに用いる電圧入力モジュールであって、
アナログ電圧信号が入力され、コンデンサを内蔵するフィルタと、
前記コンデンサに電流を出力する電流源と、
前記２重化システムを構成する他方の電圧入力モジュールに内蔵される前記フィルタの出力に関連する信号、および当該モジュールに内蔵されるフィルタの出力に関連する信号が入力され、これらの信号が一致するように前記電流源を制御する制御部と、
を具備したものである。電圧入力モジュールを切り替える際に、出力が急変しない。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記電流源は、
電流を吐き出す第１の電流出力部と、
電流を吸い込む第２の電流出力部と、
前記第１および第２の電流出力部の出力を前記コンデンサの両端に切り替えて出力する切替スイッチと、
を具備したものである。短時間で両モジュールの電圧を一致させることができる。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２に記載の発明において、
測温抵抗体に定電流を供給する定電流回路、および／またはバーンアウト回路の定電流回路を、前記電流源として用いるようにしたものである。構成を簡単にできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、および３の発明によれば、２つの電圧入力モジュールを用いた２重化システムにおいて、電流源を用いてフィルタ内に配置されたコンデンサを充放電できるようにして、電圧入力モジュールを交換する際に、２つのモジュール内のフィルタ出力を一致させてから、交換したモジュールを信号源に接続するようにした。
【００２２】
制御側モジュールと待機側モジュールのフィルタ出力が一致しているので、モジュールを交換する際に過渡応答が生じて出力が急変することがなくなるという効果がある。また、制御側モジュールの出力のホールド時間を短くすることができるので、モジュールの交換の際に出力信号の時間連続性が高くなるという効果もある。
【００２３】
さらに、入力側にスイッチを挿入しなくてもよいので、スイッチのオフ固着故障が発生することがない。このため、システムの信頼性を高めることができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】図１実施例の動作を示すフローチャートである。
【図３】従来の２重化された電圧入力モジュールの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る電圧入力モジュールの一実施例を示した構成図である。なお、図３と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００２６】
図１において、３０、４０は電圧入力モジュールであり、同じ構成を有している。電圧入力モジュール３０は制御側モジュールとして動作し、電圧入力モジュール４０は待機側モジュールとして動作している。図３従来例と同様に、制御側モジュール３０、待機側モジュール４０共に電源が供給され、かつターミナルボード２１を介して信号源２２の出力信号が入力されている。なお、制御側モジュール３０はスロット１に、待機側モジュール４０はスロット２に挿入されているとする。
【００２７】
電圧入力モジュールである制御側モジュール３０、待機側モジュール４０はコンデンサ１２ａを内蔵したフィルタ１２、アナログデジタル変換器１３、制御部３１、および電流源３２で構成される。
【００２８】
信号源２２の出力信号はフィルタ１２でノイズが除去され、アナログデジタル変換器１３でデジタル値に変換される。このデジタル値は制御部３１に入力される。制御部３１は通信路２３を介して入力されたデジタル値を上位ＣＰＵモジュール（図示せず）に送信し、また上位ＣＰＵモジュールが送信した他方の電圧入力モジュール（待機側モジュール４０の場合は制御側モジュール３０）のデジタル値を取り込んで、電流源３２を制御する。
【００２９】
電流源３２は、電流を吐き出す電流出力部３２ａ、電流を吸い込む電流出力部３２ｂ、スイッチ３２ｃおよび３２ｄ、切替スイッチ３２ｅで構成される。電流出力部３２ａ、３２ｂは、それぞれ第１、第２の電流出力部に相当する。
【００３０】
スイッチ３２ｃ、３２ｄは同時にオンオフし、それぞれ電流出力部３２ａ、３２ｂを切替スイッチ３２ｅに接続し、また切り離す。切替スイッチ３２ｅは、制御部３１の指示により、電流出力部３２ａ、３２ｂの出力電流を選択してコンデンサ１２ａのいずれかの端子に出力する。切替スイッチ３２ｅが実線のように接続されるとコンデンサ１２ａは充電されるのでその端子間電圧は増加し、点線のように接続されるとコンデンサ１２ａは放電されるので、その端子間電圧は減少する。
【００３１】
次に、図２フローチャートに基づいてこの実施例の動作を説明する。通常動作のときは、制御側モジュール３０および待機側モジュール４０内のスイッチ３２ｃ、３２ｄはオフにされる。このため、これらのモジュール内の電流出力部３２ａ、３２ｂはコンデンサ１２ａから切り離される。
【００３２】
スロット１に挿入されている制御側モジュール３０が故障すると制御側モジュール３０は故障モジュール３０になり、スロット２に挿入されている待機側モジュール４０が新しい制御側モジュールになる。工程（Ｐ２−１）で故障モジュール３０からターミナルボード２１に接続されている信号ケーブルを外し、スロット１から故障モジュール３０を抜き取って新しいモジュールを挿入する。このとき、信号ケーブルは接続しない。以下、スロット１に挿入されているモジュールを新待機側モジュール３０、スロット２に挿入されているモジュールを新制御側モジュール４０とする。
【００３３】
次に、工程（Ｐ２−２）で、新待機側モジュール３０は自身のスイッチ３２ｃ、３２ｄをオンにして、工程（Ｐ２−３）で最新の信号源２２の出力値であるデジタル値を取り込む。このデジタル値は、上位ＣＰＵモジュールから送信される。
【００３４】
次に、工程（Ｐ２−４）で、新待機側モジュール３０内の制御部３１は、自身の切替スイッチ３２ｅを制御して、アナログデジタル変換器１３の出力デジタル値を、上位ＣＰＵモジュールから送られてきたデジタル値に一致させる。
【００３５】
新待機側モジュール３０、新制御側モジュール４０は入力電圧をフィルタ１２に入力し、このフィルタ１２の出力をデジタル値に変換するものであるので、アナログデジタル変換器１３の出力デジタル値は、フィルタ１２の出力に関連する信号である。上位ＣＰＵから送られてくるデジタル値は新制御側モジュール４０内のアナログデジタル変換器１３の出力デジタル値なので、他方の電圧入力モジュール内のフィルタ１２の出力に関連する信号である。
【００３６】
２つのデジタル値が一致すると、工程（Ｐ２−５）で新待機側モジュール３０はスイッチ３２ｃ、３２ｄをオフにして、一致したことを外部に通知する。この通知は、新待機側モジュール３０が配置されている機器に付属するＬＥＤ等の表示器で行ってもよく、また通信路２３を経由して一致したことを示すデータを上位ＣＰＵモジュールに送信して、上位ＣＰＵが他の機器に表示するようにしてもよい。
【００３７】
切替スイッチ３２ｅを制御することにより、電流出力部３２ａ、３２ｂの出力電流をコンデンサ１２ａのいずれの端子にも供給することができるので、コンデンサ１２ａを充電しあるいは放電して、その端子間電圧を変化させることができる。このため、短時間でアナログデジタル変換器１３の出力デジタル値を取り込んだデジタル値に一致させることができる。また、必要に応じてスイッチ３２ｃ、３２ｄを操作して、電流出力部３２ａ、３２ｂを切り離すようにしてもよい。
【００３８】
一致したことを表す通知が表示されると、工程（Ｐ２−６）でメンテナンス要員は新待機側モジュール３０に信号ケーブルを取り付けて信号源２２に接続する。工程（Ｐ２−４）の操作で新待機側モジュール３０と新制御側モジュール４０内のフィルタ１２の出力値が一致しているので、新待機側モジュール３０と新制御側モジュール４０の入力端子が信号ケーブルで接続されても、出力値が急変することはない。
【００３９】
このように、制御側モジュールと待機側モジュールの出力値を一致させてから待機側モジュールを信号源に接続するようにしたので、待機側モジュールを信号源に接続したときに出力値が急変することがなく、かつ過渡応答が生じることもなくなる。このため、モジュール切り替え時における制御側モジュールの出力値のホールド時間を短くすることができるので、出力値の時間連続性を高めることができる。
【００４０】
また、入力側にスイッチを用いないので、このスイッチのオフ固着故障による誤動作がなくなる。このため、信頼性を向上させることができる。
【００４１】
なお、図１実施例では出力側にコンデンサが配置されたフィルタを用いたが、これに限られることはない。コンデンサを内蔵した他の構成のフィルタに適用することもできる。
【００４２】
また、電流源３２は本実施例の構成に限られることはなく、他の構成を用いることもできる。要はコンデンサを充放電できる構成であればよい。
【００４３】
また、本実施例ではフィルタ１２の出力信号をアナログデジタル変換器１３でデジタル値に変換して出力するようにしたが、アナログ電圧信号をそのまま出力する構成の電圧入力モジュールに適用することもできる。
【００４４】
また、ＴＣ（Thermo Couple：熱電対）による温度測定器ではバーンアウトのための定電流回路を、そしてＲＴＤ（Resistance Temperature Detector：測温抵抗体）による温度測定器では測温抵抗体に励起電流を供給する定電流回路を具えている。これらの定電流回路を電流源３２として用いると、構成を簡単にすることができる。
【００４５】
さらに、本発明は安全計装システムだけでなく、高信頼性を要求される計測、制御システムで２重化された他のアナログ検出モジュールに適用することもできる。
【符号の説明】
【００４６】
１２  フィルタ
１２ａ  コンデンサ
１３  アナログデジタル変換器
３０  制御側モジュール（新待機側モジュール）
３１  制御部
３２  電流源
３２ａ、３２ｂ  電流出力部
３２ｃ、３２ｄ  スイッチ
３２ｅ  切替スイッチ
４０  待機側モジュール（新制御側モジュール）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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