特許 7564012 フィールド機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-30

(45)【発行日】2024-10-08

(54)【発明の名称】フィールド機器

(51)【国際特許分類】

   G08C 19/02 20060101AFI20241001BHJP

   G08C 25/00 20060101ALI20241001BHJP

   G05B 23/02 20060101ALI20241001BHJP

【ＦＩ】

G08C19/02 A

G08C25/00 D

G05B23/02 302R

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021023051

(22)【出願日】2021-02-17

(65)【公開番号】P2022125458

(43)【公開日】2022-08-29

【審査請求日】2023-12-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】加藤 太一郎

【審査官】菅藤 政明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１２３０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－６０２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－２７２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－２１７１００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０８Ｃ １５／００－１９／４８

Ｇ０８Ｃ ２５／００－２５／０４

Ｇ０５Ｂ ２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２線式伝送路を介して上位装置へデータを伝送するフィールド機器において、
上位装置へ伝送するデータに応じた出力電流に対応する信号を出力するように構成された信号発生部と、
前記２線式伝送路を流れる出力電流が、前記信号発生部からの信号に応じた、所定の電流範囲の電流になるように調整するように構成されたＶ／Ｉ変換部と、
前記Ｖ／Ｉ変換部の出力電流に比例した電圧を検出し、検出した電圧の値が正常値と異なるときに、バーンアウト制御信号を出力するように構成された異常検出部と、
前記バーンアウト制御信号が出力されたときに、前記Ｖ／Ｉ変換部の出力電流の代わりに、前記所定の電流範囲外の電流をバーンアウト信号として出力するように構成されたバーンアウト信号出力部とを備えることを特徴とするフィールド機器。

【請求項2】

請求項１記載のフィールド機器において、
少なくとも前記信号発生部と前記Ｖ／Ｉ変換部の一部と前記異常検出部とが集積回路に搭載され、
前記Ｖ／Ｉ変換部は、
前記信号発生部から出力された信号を電流信号に変換するように構成された電圧電流変換アンプと、
前記電圧電流変換アンプから出力された電流信号を前記所定の電流範囲の出力電流に変換するように構成されたトランジスタと、
前記２線式伝送路を流れる出力電流のループに直列に挿入された抵抗とを含み、
前記Ｖ／Ｉ変換部のうち前記電圧電流変換アンプが前記集積回路に搭載され、前記トランジスタと前記抵抗とが前記集積回路の外部に設けられ、
前記異常検出部は、前記抵抗に生じた、前記出力電流に比例した電圧を検出し、
前記バーンアウト信号出力部は、
前記集積回路に搭載された第１のバーンアウト信号出力部と、
前記第１のバーンアウト信号出力部と同じ動作の冗長回路として前記集積回路の外部に設けられた第２のバーンアウト信号出力部とから構成されることを特徴とするフィールド機器。

【請求項3】

請求項１記載のフィールド機器において、
前記Ｖ／Ｉ変換部は、
前記信号発生部から出力された信号を電流信号に変換するように構成された電圧電流変換アンプと、
前記電圧電流変換アンプから出力された電流信号を前記所定の電流範囲の出力電流に変換するように構成されたトランジスタとを含むことを特徴とするフィールド機器。

【請求項4】

請求項１または３記載のフィールド機器において、
前記Ｖ／Ｉ変換部は、前記２線式伝送路を流れる出力電流のループに直列に挿入された抵抗を含み、
前記異常検出部は、前記抵抗に生じた、前記出力電流に比例した電圧を検出することを特徴とするフィールド機器。

【請求項5】

請求項２または４記載のフィールド機器において、
前記異常検出部は、
前記出力電流に比例した電圧をデジタル値に変換するように構成された第１のＡ／Ｄ変換部と、
前記出力電流に比例した電圧がとるべき正常値のデジタル値と前記第１のＡ／Ｄ変換部の出力値とを比較して、値が異なるときに前記バーンアウト制御信号を出力するように構成された判定部とから構成されることを特徴とするフィールド機器。

【請求項6】

請求項５記載のフィールド機器において、
前記異常検出部は、前記信号発生部のアナログ出力信号をデジタル値に変換するように構成された第２のＡ／Ｄ変換部をさらに備え、
前記判定部は、前記信号発生部のアナログ出力信号がとるべき正常値のデジタル値と前記第２のＡ／Ｄ変換部の出力値とを比較して、値が異なるときに前記バーンアウト制御信号を出力することを特徴とするフィールド機器。

【請求項7】

請求項５または６記載のフィールド機器において、
上位装置へ伝送するデータに応じた出力電流の設定値に基づいて、前記正常値のデジタル値を前記異常検出部に出力するように構成されたＣＰＵをさらに備えることを特徴とするフィールド機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２線式伝送路を介して上位装置へデータを伝送するフィールド機器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

圧力発信器、電磁流量計、ポジショナなどの２線式の伝送路を用いるフィールド機器は、電源の異常、クロック信号の異常、センサ信号の異常、出力電流の異常などを検知した場合に、通常の出力信号（４～２０ｍＡ）とは異なるバーンアウト信号を出力する（特許文献１、特許文献２参照）。フィールド機器は、搭載されたＣＰＵによるバーンアウト設定により、通常信号より大きい電流（バーンアウトＨＩＧＨ）をバーンアウト信号として出力するか、または通常信号より小さい電流（バーンアウトＬＯＷ）をバーンアウト信号として出力する。

【0003】

図３に特許文献１に開示されたフィールド機器の構成を示し、図４に特許文献２に開示されたフィールド機器の構成を示す。図３のフィールド機器１０００において、ＣＰＵ１０３は、センサ部１０１、Ａ／Ｄ変換器１０２、ＣＰＵ１０３、Ｄ／Ａ変換器１０４、通信部１０５および電源部１０６の出力を監視し、これら各部の異常を自己の機器内で生じる各種の異常として検出すると、通信部１０５から伝送路Ｌへバーンアウト信号を出力させる。

【0004】

図４のフィールド機器１００１において、Ｄ／Ａ変換器１１４において異常が生じ、Ａ／Ｄ変換器１１８から入力されるデジタル信号によって示される値と本来の計測値との間に閾値以上のずれが生じると、ＣＰＵ１１３は、Ａ／Ｄ変換器１１８からのデジタル信号によって示される値を異常と判断し、信号選択器１１６を切り替える。これにより、信号選択器１１６においてバーンアウト信号源１１９からのバーンアウト信号（電圧信号）が選択され、この選択されたバーンアウト信号がＶ／Ｉ変換器１１５へ送られ、Ｖ／Ｉ変換器１１５によって電流信号に変換されて、伝送路Ｌに出力される。

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示された図３の構成では、通信部１０５の異常を異常検出部１０３－３で検出できない可能性があった。その理由は、通信部１０５の出力が負の電位になることから、一般的な電気回路では通信部１０５の異常を検出できないためである。また、通信部１０５の異常を検出できたとしても、通信部１０５が故障しているとバーンアウト信号を出力することができないという課題があった。

【0006】

また、特許文献２に開示された図４の構成では、Ｖ／Ｉ変換器１１５の異常を検出することができないという課題があり、さらにＶ／Ｉ変換器１１５が故障しているとバーンアウト信号を出力することができないという課題があった。

【0007】

特許文献１、特許文献２に開示された構成では、いずれも通信部またはＶ／Ｉ変換器から予め定められたバーンアウト信号を伝送路を介して上位装置へ送信できることが前提条件である。しかしながら、通信部またはＶ／Ｉ変換器にバーンアウト信号を出力できないほどの故障が生じている場合には上位装置へバーンアウト信号を出力できない可能性があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００９－２６６０７０号公報

【文献】特開２０１０－１２３０２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、Ｖ／Ｉ変換部に異常がある場合でも確実にバーンアウト信号を出力することができるフィールド機器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】

【0010】

本発明は、２線式伝送路を介して上位装置へデータを伝送するフィールド機器において、上位装置へ伝送するデータに応じた出力電流に対応する信号を出力するように構成された信号発生部と、前記２線式伝送路を流れる出力電流が、前記信号発生部からの信号に応じた、所定の電流範囲の電流になるように調整するように構成されたＶ／Ｉ変換部と、前記Ｖ／Ｉ変換部の出力電流に比例した電圧を検出し、検出した電圧の値が正常値と異なるときに、バーンアウト制御信号を出力するように構成された異常検出部と、前記バーンアウト制御信号が出力されたときに、前記Ｖ／Ｉ変換部の出力電流の代わりに、前記所定の電流範囲外の電流をバーンアウト信号として出力するように構成されたバーンアウト信号出力部とを備えることを特徴とするものである。

【0011】

また、本発明のフィールド機器の１構成例は、少なくとも前記信号発生部と前記Ｖ／Ｉ変換部の一部と前記異常検出部とが集積回路に搭載され、前記Ｖ／Ｉ変換部は、前記信号発生部から出力された信号を電流信号に変換するように構成された電圧電流変換アンプと、前記電圧電流変換アンプから出力された電流信号を前記所定の電流範囲の出力電流に変換するように構成されたトランジスタと、前記２線式伝送路を流れる出力電流のループに直列に挿入された抵抗とを含み、前記Ｖ／Ｉ変換部のうち前記電圧電流変換アンプが前記集積回路に搭載され、前記トランジスタと前記抵抗とが前記集積回路の外部に設けられ、前記異常検出部は、前記抵抗に生じた、前記出力電流に比例した電圧を検出し、前記バーンアウト信号出力部は、前記集積回路に搭載された第１のバーンアウト信号出力部と、前記第１のバーンアウト信号出力部と同じ動作の冗長回路として前記集積回路の外部に設けられた第２のバーンアウト信号出力部とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明のフィールド機器の１構成例において、前記Ｖ／Ｉ変換部は、前記信号発生部から出力された信号を電流信号に変換するように構成された電圧電流変換アンプと、前記電圧電流変換アンプから出力された電流信号を前記所定の電流範囲の出力電流に変換するように構成されたトランジスタとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明のフィールド機器の１構成例において、前記Ｖ／Ｉ変換部は、前記２線式伝送路を流れる出力電流のループに直列に挿入された抵抗を含み、前記異常検出部は、前記抵抗に生じた、前記出力電流に比例した電圧を検出することを特徴とするものである。

【0012】

また、本発明のフィールド機器の１構成例において、前記異常検出部は、前記出力電流に比例した電圧をデジタル値に変換するように構成された第１のＡ／Ｄ変換部と、前記出力電流に比例した電圧がとるべき正常値のデジタル値と前記第１のＡ／Ｄ変換部の出力値とを比較して、値が異なるときに前記バーンアウト制御信号を出力するように構成された判定部とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明のフィールド機器の１構成例において、前記異常検出部は、前記信号発生部のアナログ出力信号をデジタル値に変換するように構成された第２のＡ／Ｄ変換部をさらに備え、前記判定部は、前記信号発生部のアナログ出力信号がとるべき正常値のデジタル値と前記第２のＡ／Ｄ変換部の出力値とを比較して、値が異なるときに前記バーンアウト制御信号を出力することを特徴とするものである。
また、本発明のフィールド機器の１構成例は、上位装置へ伝送するデータに応じた出力電流の設定値に基づいて、前記正常値のデジタル値を前記異常検出部に出力するように構成されたＣＰＵをさらに備えることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、Ｖ／Ｉ変換部の異常を検出することができ、Ｖ／Ｉ変換部に異常がある場合でも、確実にバーンアウト信号を出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の第１の実施例に係るフィールド機器の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、本発明の第２の実施例に係るフィールド機器の構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、従来のフィールド機器の構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、従来のフィールド機器の別の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係るフィールド機器の構成を示すブロック図である。フィールド機器１００は、計測対象の物理量（例えば圧力）に応じたアナログ信号を出力するセンサ１と、センサ１から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２と、Ａ／Ｄ変換部２から出力されたデジタル信号をサンプリングして物理量の計測データを求めるＣＰＵ（Central Processing Unit）３と、ＣＰＵ３が求めた計測データに対応する出力電流Ｉが得られるデジタル変調信号を出力する変調信号発生部４と、変調信号発生部４から出力されたデジタル変調信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部５と、２線式伝送路Ｌを流れる出力電流Ｉが、Ｄ／Ａ変換部５からの信号に応じた、所定の電流範囲（４～２０ｍＡ）の電流になるように調整するＶ／Ｉ変換部６と、Ｖ／Ｉ変換部６の出力電流Ｉに比例した電圧を検出し、検出した電圧の値が正常値と異なるときに、バーンアウト制御信号ＶＣを出力する異常検出部７と、バーンアウト制御信号ＶＣが出力されたときに、Ｖ／Ｉ変換部６の出力電流の代わりに所定の電流範囲外の電流をバーンアウト信号として出力するバーンアウト信号出力部８と、フィールド機器１００の電源電圧を生成する基準電圧発生部９とを備えている。変調信号発生部４とＤ／Ａ変換部５とは、信号発生部１１を構成している。

【0016】

Ｖ／Ｉ変換部６は、基準電圧発生部６０と、反転入力端子が基準電圧発生部６０の出力端子に接続された電圧電流変換アンプ６１と、ベース端子が後述するスイッチＳＷ１を介して電圧電流変換アンプ６１の出力端子に接続され、コレクタ端子がフィールド機器１００の正側出力端子Ｔ１に接続されたトランジスタＱ１と、一端がＤ／Ａ変換部５の出力端子に接続され、他端が電圧電流変換アンプ６１の非反転入力端子に接続された抵抗Ｒ１と、一端が抵抗Ｒ１の他端に接続され、他端がフィールド機器１００の負側出力端子Ｔ２に接続された抵抗Ｒ２と、一端が負側出力端子Ｔ２に接続され、他端がグラウンドに接続された抵抗Ｒ３と、一端がトランジスタＱ１のエミッタ端子に接続され、他端がグラウンドに接続された抵抗Ｒ４とから構成される。

【0017】

異常検出部７は、Ｄ／Ａ変換部５から出力されたアナログ信号ＶＡをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部７０と、抵抗Ｒ４に生じた、出力電流Ｉに比例した電圧ＶＢをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部７１と、Ｄ／Ａ変換部５が出力すべき正常な出力信号ＶＡのデジタル値とＡ／Ｄ変換部７０の出力値が異なるとき、または出力電流Ｉに比例した電圧ＶＢがとるべき正常値のデジタル値とＡ／Ｄ変換部７１の出力値が異なるときに、バーンアウト制御信号ＶＣを出力する判定部７２とから構成される。

【0018】

バーンアウト信号出力部８は、電圧電流変換アンプ６１の出力端子とトランジスタＱ１のベース端子との間に挿入されたスイッチＳＷ１と、トランジスタＱ１のベース端子とグラウンドとの間に挿入されたスイッチＳＷ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点とグラウンドとの間に挿入されたスイッチＳＷ３とから構成される。

【0019】

まず、フィールド機器１００の通常時の動作について説明する。ＣＰＵ３は、Ａ／Ｄ変換部２からのデジタル信号をサンプリングして例えば圧力の計測データを求める。そして、ＣＰＵ３は、計測データに応じた出力電流Ｉの電流設定値に対応するデジタル変調信号を出力するよう変調信号発生部４に対して指示する。ＣＰＵ３は、図示しないメモリに格納されたプログラムに従って本実施例で説明する処理を実行する。

【0020】

変調信号発生部４は、ＣＰＵ３から指示されたデジタル変調信号を出力する。Ｄ／Ａ変換部５は、変調信号発生部４から出力されたデジタル変調信号をアナログ信号に変換する。

【0021】

上位装置２００には、直流電圧源ＶＳＵＰが設けられており、２線式伝送路Ｌを介してフィールド機器１００に駆動電圧を供給している。また、上位装置２００には、負荷抵抗ＲＬが設けられており、フィールド機器１００と上記直流電圧源ＶＳＵＰとで形成されるループに直列に挿入されている。

【0022】

Ｖ／Ｉ変換部６の電圧電流変換アンプ６１は、Ｄ／Ａ変換部５から出力されたアナログ信号を電流信号に変換する。
通常時には、後述する異常検出部７からバーンアウト制御信号ＶＣが出力されていないので、バーンアウト信号出力部８のスイッチＳＷ１はオン、スイッチＳＷ２，ＳＷ３はオフとなっている。トランジスタＱ１は、電圧電流変換アンプ６１からの電流を４～２０ｍＡの範囲の出力電流Ｉに変換する。以上の通常時の動作は従来と同様である。

【0023】

次に、フィールド機器１００の異常時の動作について説明する。異常検出部７のＡ／Ｄ変換部７０は、Ｄ／Ａ変換部５の出力信号ＶＡをデジタル値に変換する。ＣＰＵ３は、計測データに応じた出力電流Ｉの電流設定値に基づいて、Ｄ／Ａ変換部５が出力すべき正常な出力信号ＶＡのデジタル値を判定部７２に出力する。

【0024】

変調信号発生部４とＤ／Ａ変換部５とが正常な場合は、ＣＰＵ３から出力された正常な出力信号ＶＡのデジタル値とＡ／Ｄ変換部７０の出力値とが一致する。一方、値が不一致の場合には、変調信号発生部４またはＤ／Ａ変換部５のうち少なくとも一方が異常と判断できる。判定部７２は、正常な出力信号ＶＡのデジタル値とＡ／Ｄ変換部７０の出力値とが異なる場合、バーンアウト制御信号ＶＣを出力する。

【0025】

また、トランジスタＱ１のエミッタ端子とグラウンドとの間に設けられた抵抗Ｒ４には、出力電流Ｉに比例した電圧ＶＢが生じる。Ａ／Ｄ変換部７１は、電圧ＶＢをデジタル値に変換する。ＣＰＵ３は、計測データに応じた出力電流Ｉの電流設定値に基づいて、電圧ＶＢがとるべき正常値のデジタル値を判定部７２に出力する。

【0026】

Ｖ／Ｉ変換部６が正常な場合は、ＣＰＵ３から出力された電圧ＶＢの正常値とＡ／Ｄ変換部７１の出力値とが一致する。一方、値が不一致の場合には、Ｖ／Ｉ変換部６が異常と判断できる。判定部７２は、電圧ＶＢの正常値とＡ／Ｄ変換部７１の出力値とが異なる場合、バーンアウト制御信号ＶＣを出力する。

【0027】

バーンアウト制御信号ＶＣが出力されることにより、バーンアウト信号出力部８のスイッチＳＷ１はオフ、スイッチＳＷ２，ＳＷ３はオンとなる。これにより、Ｖ／Ｉ変換部６の機能がオフになり、通常の出力電流Ｉの下限値（４ｍＡ）を下回る電流値のバーンアウト信号が出力される。具体的には、スイッチＳＷ１がオフ、スイッチＳＷ２，ＳＷ３がオンになることにより、トランジスタＱ１がオフになるので、基準電圧発生部９に内部消費電流分の電流が流れ、その消費電流は抵抗Ｒ３のグラウンドからフィールド機器１００の負側出力端子Ｔ２に流れる。フィールド機器１００の消費電流を４ｍＡ未満にしておくことで、トランジスタＱ１のオフ時に、その消費電流がバーンアウト信号（４ｍＡ未満）となる。

【0028】

こうして、本実施例では、変調信号発生部４とＤ／Ａ変換部５とＶ／Ｉ変換部６の異常を検出することができる。また、本実施例では、Ｖ／Ｉ変換部６とは別にバーンアウト信号出力部８を設けたことにより、Ｖ／Ｉ変換部６に異常がある場合でも、確実にバーンアウト信号を出力することができる。

【0029】

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図２は本発明の第２の実施例に係るフィールド機器の構成を示すブロック図である。本実施例のフィールド機器１００ａは、センサ１と、Ａ／Ｄ変換部２と、ＣＰＵ３と、変調信号発生部４と、Ｄ／Ａ変換部５と、Ｖ／Ｉ変換部６と、異常検出部７と、バーンアウト信号出力部８，８ａと、基準電圧発生部９とを備えている。

【0030】

バーンアウト信号出力部８ａは、電圧電流変換アンプ６１の出力端子とトランジスタＱ１のベース端子との間に挿入されたスイッチＳＷ４と、トランジスタＱ１のベース端子とグラウンドとの間に挿入されたスイッチＳＷ５と、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点とグラウンドとの間に挿入されたスイッチＳＷ６とから構成される。

【0031】

本実施例では、Ａ／Ｄ変換部２とＣＰＵ３と変調信号発生部４とＤ／Ａ変換部５とＶ／Ｉ変換部６の一部と異常検出部７とを集積回路１０で実現する例を示している。この場合、バーンアウト信号出力部８も集積回路１０に搭載することが考えられる。バーンアウト信号出力部８を集積回路１０に搭載した場合、Ｄ／Ａ変換部５やＶ／Ｉ変換部６だけでなく、バーンアウト信号出力部８にも異常が発生することが有り得る。

【0032】

そこで、本実施例では、バーンアウト信号出力部８の冗長回路として、集積回路１０の外部にバーンアウト信号出力部８ａを設ける。バーンアウト信号出力部８ａのスイッチＳＷ４の動作はバーンアウト信号出力部８のスイッチＳＷ１の動作と同じであり、スイッチＳＷ５，ＳＷ６の動作はスイッチＳＷ２，ＳＷ３の動作と同じである。

【0033】

こうして、本実施例では、集積回路１０内のＶ／Ｉ変換部６とバーンアウト信号出力部８に異常がある場合でも、確実にバーンアウト信号を出力することができる。

【産業上の利用可能性】

【0034】

本発明は、フィールド機器に適用することができる。

【符号の説明】

【0035】

１…センサ、２，７０，７１…Ａ／Ｄ変換部、３…ＣＰＵ、４…変調信号発生部、５…Ｄ／Ａ変換部、６…Ｖ／Ｉ変換部、７…異常検出部、８，８ａ…バーンアウト信号出力部、９，６０…基準電圧発生部、１０…集積回路、１１…信号発生部、６１…電圧電流変換アンプ、７２…判定部、１００，１００ａ…フィールド機器、２００…上位装置、Ｑ１…トランジスタ、Ｒ１～Ｒ４…抵抗、ＳＷ１～ＳＷ６…スイッチ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】