オンライン診断システム及び方法
【課題】ケーブル配線を設備することなく、現場機器から中央制御室に向けてセンサ信号を伝送するオンライン診断システムを提供する。
【解決手段】オンライン診断システムでは、中央制御室に設けられる制御用ＣＰＵ１３と、現場機器に設けられる子機ＣＰＵ２１との間で、高圧ケーブルの遮蔽層Ｌ１を用いて、交流信号の制御データ及びセンサ信号を伝送する。制御用ＣＰＵ１３は、複数の現場機器の内の１つを指定して、パルス幅変調された制御データを送り、指定された現場機器の子機ＣＰＵ２１は、制御データのコマンドに従って、パルス幅変調されたセンサ信号を制御用ＣＰＵ１３に向けて伝送する。
【解決手段】オンライン診断システムでは、中央制御室に設けられる制御用ＣＰＵ１３と、現場機器に設けられる子機ＣＰＵ２１との間で、高圧ケーブルの遮蔽層Ｌ１を用いて、交流信号の制御データ及びセンサ信号を伝送する。制御用ＣＰＵ１３は、複数の現場機器の内の１つを指定して、パルス幅変調された制御データを送り、指定された現場機器の子機ＣＰＵ２１は、制御データのコマンドに従って、パルス幅変調されたセンサ信号を制御用ＣＰＵ１３に向けて伝送する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オンライン診断システム及び方法に関し、更に詳しくは、工場やプラントなどの中央制御室から離れた現場機器のセンサによって検出されたセンサ信号を監視するオンライン診断システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場やプラントでは、各機器の運転中に異常検出や状態監視を行うオンライン診断システムが利用されている。オンライン診断システムでは、例えば高圧電動機などの現場機器の状態を計測するセンサからの信号を、中央制御室の制御用コンピュータに伝送し、そのセンサ信号に基づいて、現場機器の診断を行い、或いは、現場機器の制御を行っている。特に石油プラントなどのオンライン診断システムでは、現場の状況に応じて電気設備が気密構造を要求されるため、配線設備の構造や敷設場所などについての制約が大きく、配線設備のコストが全体の設備コストに大きなウエートを占める。
【０００３】
特許文献１は、高圧電力ケーブルの課電試験に際して、試験電圧を印加する電力ケーブルの測定端から電力ケーブルの末端側に向けて、特別な配線を用いることなく、課電を実行する旨の信号を伝送する技術を記載している。この技術では、送信機によって、高圧ケーブルの測定端の遮蔽層又は予備線に課電を行う旨の高周波信号を印加する。高圧ケーブルの末端側では、受信機によって、伝送された高周波信号を高圧ケーブルの遮蔽層又は予備線から受信することによって、これから課電が行われる旨を検出する。
【特許文献１】特開２００１−１５３９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
オンライン診断システムにおいて、上記公報に記載された技術を利用し、高圧ケーブルの遮蔽層を信号の伝送線路に使用すれば、高圧の防爆電気設備についても、特別な防爆配線工事を行うことなく、センサ信号の伝送が可能になる。しかし、オンライン診断システムでは、課電試験の場合とは異なり、電動機、変圧器、インバータ等の高圧電気設備に送電中の高圧ケーブルを用い、その遮蔽層を利用して信号を伝送するため、信号伝送に際して特別な対策が必要になる。
【０００５】
一般に、高圧ケーブルの遮蔽層や予備線を利用して信号を伝送する際には、高圧電気機器に設備された保護装置の誤動作を避けるために、送電中の商用電源の周波数とは異なる周波数の信号を伝送することが求められる。この場合、直流信号を用いることも考えられるが、直流電流による接地電極の電食などの問題があるため、利用できない。従って、誤動作を発生させない周波数の選定が必要になる。
【０００６】
オンライン診断システムでは、センサ信号の受信に加えて、現場機器のセンサに対して直流などの電源を送る必要があり、このための配線が必要になる。更に、現場機器が複数のセンサを有する場合には、複数の信号配線が必要になり、これら、電源配線及び信号配線を別に設備すれば、設備コストが上昇する。複数のセンサ信号を現場機器内でまとめてシリアル伝送することも考えられるが、多数の現場機器が存在する場合には、信号伝送のタイミングが問題になる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑み、高圧ケーブルの遮蔽層を利用し、中央制御室などの制御室と現場機器との間でシリアル信号伝送を行うことにより、特に信号配線および現場機器動作電源配線を設置することなく設備することが出来るため、経済的な設備構成を可能とするオンライン診断システム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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のオンライン診断システムは、制御室と現場機器との間に設備されたケーブルを用いてセンサ信号を伝送するオンライン診断システムであって、
前記制御室は、制御室から現場機器に向けてコマンドを含む制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードとを選択するモード選択手段と、前記制御データ伝送モードにおいて交流のシリアル制御データを生成すると共に、前記センサ信号伝送モードにおいて出力がハイインピーダンスに設定される制御データ生成手段と、第１巻線が前記制御データ生成手段の出力に接続され第２巻線が前記ケーブルの遮蔽層に接続される第１絶縁変圧器と、前記第１絶縁変圧器の第１巻線に接続され、前記センサ信号伝送モードにおいて該第１巻線を経由して伝送されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信手段とを備え、
前記現場機器は、第１巻線が前記遮蔽層に接続される第２絶縁変圧器と、入力が前記第２絶縁変圧器の第２巻線に接続され、前記制御データ伝送モードにおいて該第２絶縁変圧器の第２巻線を経由して前記交流制御データを受信する制御データ受信手段と、デジタルセンサ信号を生成するセンサ信号生成手段と、出力が前記第２絶縁変圧器の第２巻線に接続され、前記制御データ受信手段が受信した交流制御データのコマンドに従って、前記センサ信号伝送モードにおいて前記デジタルセンサ信号を交流センサ信号に変換して前記第２絶縁変圧器の第２巻線に伝送すると共に、前記制御データ伝送モードにおいて前記出力がハイインピーダンスに設定されるセンサ信号変換手段とを備える、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のオンライン診断方法は、制御用コンピュータを備える制御室と、現場コンピュータを備える現場機器との間に設備されたケーブルを用いてセンサ信号を伝送するオンライン診断方法であって、
制御室から現場機器に向けてコマンドを含む制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードとを選択するステップと、
前記制御データ伝送モードにおいて制御室から現場機器に向けて前記ケーブルの遮蔽層を介して交流シリアル制御データを伝送するステップと、
前記センサ信号伝送モードにおいて現場機器から制御室に向けて前記ケーブルの遮蔽層を介して交流センサ信号を伝送するステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のオンライン診断システム及び方法によると、特別な信号・電源配線を設置することなく、複数のセンサからの信号が現場機器から伝送されるため、低コストで設備できるオンライン診断システムが得られ、また、低コストの設備を利用したオンライン診断が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るオンライン診断システムを示す。オンライン診断システム１００は、中央制御室に備えられる各種処理装置と、現場機器を構成する高圧電動機の端子箱内に収容される各種制御機器及び現場機器内に設備されるセンサとを含み、双方の間の信号伝送には、高圧電動機に電力を送電する高圧ケーブルの遮蔽層Ｌ１が使用される
【００１２】
中央制御室には、パーソナルコンピュータ１１、ＵＳＢ通信ユニット１２、制御用コンピュータ（ＣＰＵ）１３、パルス幅検定ユニット１４、パルス列受信ユニット１５、パルス列電力増幅ユニット１６、及び、絶縁変圧器１７が設置される。現場機器を構成する各高圧電動機にはそれぞれ、絶縁変圧器１８、電力ユニット１９、パルス列検定ユニット２０、現場（子機）ＣＰＵ２１、ＦＩＦＯメモリ２２、ＡＤ変換装置２３、マルチプレクサ（ＭＵＸ）２４、及び、複数のセンサ２５が設置される。
【００１３】
パーソナルコンピュータ１１は、ＵＳＢ通信ユニット１２を経由して、制御用ＣＰＵ１３に対して、信号伝送のタイミング設定や信号伝送の指示などの制御データの入力を行い、また、各現場機器からのセンサ信号を入力し、現場機器の制御に必要な制御信号を生成して制御用ＣＰＵ１３に伝送する。制御用ＣＰＵ１３は、パーソナルコンピュータ１１からの制御データや設定データに基づいて、各現場機器のＣＰＵ（子機ＣＰＵ）２１に必要な制御データを生成し、パルス列電力増幅ユニット１６、絶縁変圧器１７及び遮蔽層Ｌ１を介して各現場機器に伝送する。また、各現場機器の子機ＣＰＵ２１が制御データの指示に応答して伝送するセンサ信号（計測データ）を受け取り、これを復号化してパーソナルコンピュータ１１に与える。
【００１４】
パルス列電力増幅ユニット１６は、制御用ＣＰＵ１３から受信するモード選択信号に応答して、制御用ＣＰＵ１３から現場機器に向けて制御データを伝送する制御データ伝送モード、又は、現場機器からセンサ信号を制御用ＣＰＵ１３に向けて伝送するセンサ信号伝送モードの何れかを選択する。パルス列電力増幅ユニット１６は、制御データ伝送モードでは、制御用ＣＰＵ１３から、現場機器への指示のための制御データをポートＡ１及びＡ２から受信し、受信した制御データを交流信号に変換すると共にこれを増幅して、現場機器に向けて伝送する。また、センサ信号伝送モードでは、その出力ノードｎ１をハイインピーダンスに維持する。
【００１５】
パルス列受信ユニット１５は、センサ信号伝送モードにおいて、現場機器から遮蔽層Ｌ１及び絶縁変圧器１７を経由して伝送された交流信号をノードｎ１で受け取り、これをパルス列に変換して、パルス幅検定ユニット１４に与える。パルス幅検定ユニット１４は、受信したパルス列の各パルス幅から、伝送されたデータを再生し、これを制御用ＣＰＵ１３に与える。
【００１６】
現場機器の電力ユニット１９は、制御データ伝送モードにおいて、絶縁変圧器１８を経由して遮蔽層Ｌ１から交流信号を受け取り、これから直流電力を再生し、高圧電動機内に設備された各種制御機器やセンサの作動のための電力を供給する。電力ユニット１９は、また、センサ信号伝送モードにおいて、子機ＣＰＵ２１からポートＢ１、Ｂ２を経由してセンサの計測データを受信して、これを交流信号に変換し、絶縁変圧器１８及び遮蔽層Ｌ１を経由して中央制御室に向けてその交流信号を伝送する。
【００１７】
パルス列検定ユニット２０は、遮蔽層Ｌ１及び絶縁変圧器１８を経由して受信したパルス列を成形して子機ＣＰＵ２１に入力する。子機ＣＰＵ２１は、パルス列検定ユニット２０によって成形された制御データに含まれるＩＤ番号に基づいて、各現場機器の子機ＣＰＵのうち自装置への指示か否かを判断し、自装置への指示でかつ計測データ出力の指示であれば、各センサ２５のデジタル計測データをシリアル信号として出力する。各センサ２５のアナログ検出信号は、ＭＵＸ２４を介してＡＤ変換装置２３に入力され、ＦＩＦＯメモリ２２に入力されており、その入力順に子機ＣＰＵ２１に入力され、制御データに含まれる指示に従って、子機ＣＰＵ２１から出力される。
【００１８】
図２は、制御用ＣＰＵ１３及びその周辺機器の構成及び接続の詳細を示している。パーソナルコンピュータ１１と制御用ＣＰＵ１３との間は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）通信ユニット１２によって接続されている。パーソナルコンピュータ１１には、インタフェイスプログラム２６がインストールされ、このプログラム２６によって、現場機器などから送られてくる信号を、例えばグラフにして、図示しない制御コンソールに与える。また、現場機器から伝送されるセンサ信号を処理することにより、各現場機器を制御するための制御データを生成する。
【００１９】
制御用ＣＰＵ１３は、モード選択手段３０、コマンド・アドレス受信部３１、リード・ソロモン符号化部３２、パルス列生成部３３、出力ポート３４、通信ユニット制御部３５、再送信コマンド生成部３６、リード・ソロモン復号化部３７、及び、入出力ポート３８を有する。モード選択手段３０は、中央制御室から現場機器に向けて制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から中央制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードの何れかを選択する。コマンド・アドレス受信部３１は、パーソナルコンピュータ１１から制御データや設定データを受信し、制御データから、コマンドの内容及びそのコマンドを実行させる現場機器のアドレスを抽出する。抽出されたコマンド及びアドレスは、リード・ソロモン符号化部３２によって符号化され、パルス列生成部３３によってパルス列に変換され、出力ポート３４から出力されて、パルス列電力増幅ユニット１６に送られる。
【００２０】
現場機器から伝送される各センサの計測データは、パルス列受信ユニット１５からパルス幅検定ユニット（ＣＰＵ）１４に入力され、そのパルス幅に基づいたデジタル信号に変換されて、６ビット毎に制御用ＣＰＵ１３のリード・ソロモン復号化部３７に入力する。リード・ソロモン復号化部３７は、受信したデータに誤りがないと判断すると、そのデータを８ビット毎にまとめて、通信ユニット制御部３５に与える。通信ユニット制御部３５は、伝送すべき計測データが現場から得られると、パーソナルコンピュータ１１に対して受信要求を発行することで、パーソナルコンピュータ１１に計測データを与える。一方、リード・ソロモン復号化部３７で受信したデータに誤りがあると判断されると、その情報は再送信コマンド生成部３６に送られ、再送信コマンド生成部３６は、当該計測データの再送信要求を生成し、リード・ソロモン符号化部３２を経由して現場機器に伝送する。
【００２１】
図３は、パルス列電力増幅ユニット１６及び絶縁変圧器１７の構成を示している。パルス列電力増幅ユニット１６は、ＮＰＮトランジスタＮ１、Ｎ２、ＰＮＰトランジスタＰ１、Ｐ２、コンデンサＣ１〜Ｃ３、及び、抵抗Ｒ１〜Ｒ６を有する。トランジスタＮ１及びＮ２はダーリントン接続され、トランジスタＰ１及びＰ２はダーリントン接続されている。制御用ＣＰＵの出力ポートＡ１は、コンデンサＣ１を経由してトランジスタＰ１のベースに接続され、出力ポートＡ２は、コンデンサＣ２を経由してトランジスタＮ１のベースに接続される。Ｐ１、Ｎ１のベースはそれぞれＲ１、Ｒ３およびＲ２、Ｒ４により、それぞれＰ２、Ｎ２のエミッタレベルに接地されており、ＣＰＵの出力ポートＡ１、Ａ２とはコンデンサにより交流的に接続されているので、Ａ１およびＡ２の信号変化が生じない時は、Ｐ２、Ｎ２ともに遮断している。このとき、出力ノードｎ１はハイインピーダンス状態になっている。
【００２２】
パルス列電力増幅ユニット１６の動作は以下の通りである。双方のポートＡ１及びＡ２の信号レベルが何れも“Ｌ（０ボルト）”のときを受信モードとして、出力ノードｎ１はハイインピーダンスとなっている。
ここで、双方のポートＡ１およびＡ２の信号レベルを同時に“Ｈ（５ボルト）”とすると、電位の変化はＣ１、Ｃ２を伝わりＰ１、Ｎ１のベース電位それぞれ引き上げる。結果、ダーリントン接続されたＰ１、Ｐ２はそれぞれＯＦＦし、ダーリントン接続されたＮ１、Ｎ２はＯＮするため、出力ノードｎ１は０ボルトに移行する。この状態は、Ｐ１、Ｐ２についてはそれぞれのベース回路とＲ１、Ｒ３およびＣ１、Ｒ２、Ｒ４およびＣ２で定まる時定数Ｔ１の間継続する。
【００２３】
次に、Ｔ１よりも短い間に双方のポートＡ１およびＡ２の信号レベルを同時に“Ｌ（０ボルト）”とすると、電位の変化はＣ１、Ｃ２を伝わりＰ１、Ｎ１のベース電位それぞれ引き下げる。結果、Ｐ１、Ｐ２がＯＮし、Ｎ１、Ｎ２がＯＦＦするため、出力ノードｎ１は電源電圧（この例では２４ボルト）に移行する。
ポートＡ１、Ａ２の電位を時定数Ｔ１よりも短い時間でパルス的に変化させることでパルス列電力ユニットは増幅動作を行う。
また、ポートＡ１、Ａ２の信号変化を、時定数Ｔ１より十分長く停止することで出力ノードｎ１は自動的にハイインピーダンス状態に遷移する。
【００２４】
制御用ＣＰＵ１３は、ポートＡ１及びＡ２に相補信号となるパルス列を出力し、その各パルスのパルス幅で制御データを符号化し、かつ、出力する相補信号の極性をパルス毎に反転させる。このため、パルス列電力増幅ユニット１６からは、制御データに応じたパルス幅を持ち、かつ、出力電位がデータ毎に反転する交流信号が出力される。絶縁変圧器１７は、この信号電圧を巻線比、例えば４：５で上昇させて遮蔽層Ｌ１に印加する。
【００２５】
図４は、パルス列受信ユニット１５の構成を示す。パルス列受信ユニット１５は、カスケード接続された２つのバンドパスフィルタ３９、３９と、二値化ゲート４０とから構成される。パルス列受信ユニット１５は、現場機器から伝送される交流信号のパルス列から低周波及び高周波のノイズを除去しつつ、信号電圧波形を整形する。パルス幅検定ユニット１４は、この整形された信号電圧のパルス幅に基づいて、現場機器から伝送された信号データを再生する。
【００２６】
図５は、現場機器側に設置される電力ユニット１９及びパルス列検定ユニット２０の構成を示す。電力ユニット１９は、絶縁変圧器１８の２次側電圧を整流して直流電源を出力する全波整流回路と、全波整流回路の出力で充電され且つ高圧電動機側の各機器に電源を供給するバッテリ２７と、子機ＣＰＵ２１から出力される計測データから交流信号を生成する交流信号生成回路とから構成される。全波整流回路は、ダイオードＤ１〜Ｄ４と抵抗Ｒ７、Ｒ８とから構成され、絶縁変圧器１８を経由して伝送された交流信号から直流電圧を生成し、バッテリ２７を充電する機能を有する。交流信号生成回路は、ＮＰＮトランジスタＮ３〜Ｎ６と、ダイオードＤ５、Ｄ６と、抵抗Ｒ９、Ｒ１０とから構成される。
【００２７】
交流信号生成回路は、以下の構成を有する。子機ＣＰＵの出力ポートＢ１は、トランジスタＮ３のベースと、ダイオードＤ６及び抵抗Ｒ１０を介してトランジスタＮ６のベースに接続される。トランジスタＮ３のコレクタは、バッテリ２７の正電極（５ボルト）に接続され、エミッタはトランジスタＮ４のコレクタに接続される。トランジスタＮ４のエミッタはバッテリ２７の負電極に接続される。子機ＣＰＵ２１の出力ポートＢ２は、トランジスタＮ５のベースと、ダイオードＤ５及び抵抗Ｒ９を介してトランジスタＮ４のベースに接続される。トランジスタＮ５のコレクタは、バッテリ２７の正電極（５ボルト）に接続され、エミッタはトランジスタＮ６のコレクタに接続される。トランジスタＮ６のエミッタはバッテリ２７の負電極に接続される。ここで、ＮＰＮトランジスタＮ３とＮ４、ＮＰＮトランジスタＮ５とＮ６とを直列に接続して用いる理由は、ＮＰＮトランジスタＮ４及びＮ６に代えてＰＮＰトランジスタＰ３及びＰ４をそれぞれ使用すると、トランジスタＮ３とＰＮＰトランジスタＰ４とが同時にＯＮしたときに、ノードｎ２とノードｎ３との間で生ずる電源短絡を防止するためである。
【００２８】
交流信号生成回路は、以下のように動作する。センサ信号伝送モードでは、ポートＢ１及びＢ２には、“Ｈ（５ボルト）”又は“Ｌ（０ボルト）”の相補電圧が印加される。ポートＢ１が“Ｈ”、ポートＢ２が“Ｌ”のときには、トランジスタＮ３がＯＮ、トランジスタＮ４がＯＦＦ、トランジスタＮ５がＯＦＦ、トランジスタＮ６がＯＮとなるので、ノードｎ２の電位がノードｎ３の電位よりも高くなり、遮蔽層Ｌ１が接地電位よりも高い正電圧に充電される。逆に、ポートＢ１が“Ｌ”、ポートＢ２が“Ｈ”のときには、各トランジスタの動作が逆になり、ノードｎ２の電位がノードｎ３の電位よりも低くなるので、遮蔽層Ｌ１は接地電位よりも低い負電圧に充電される。子機ＣＰＵ２１は、ポートＢ１及びＢ２に相補信号となるパルス列を出力し、その各パルスのパルス幅で制御データを符号化し、かつ、出力する相補信号の極性をパルス毎に反転させる。このため、電力ユニット１９からは、センサ信号に応じたパルス幅を持ち、かつ、出力電位がセンサ信号毎に反転する交流信号が出力される。絶縁変圧器１８は、この信号電圧を巻線比で上昇させて遮蔽層Ｌ１に印加する。
【００２９】
子機ＣＰＵ２１は、制御データ伝送モードでは、ポートＢ１及びＢ２を何れも“Ｌ”に設定するので、電力ユニット１９では、トランジスタＮ３〜Ｎ６がすべてＯＦＦになり、ノードｎ２及びｎ３をハイインピーダンス状態に維持する。このとき、遮蔽層Ｌ１から伝送される制御データは、ノードｎ３からパルス列検定ユニット２０に送られると共に、バッテリ２７を充電する。
【００３０】
バッテリの充電は、以下のように行われる。遮蔽層Ｌ１に正電圧が印加されるときには、ダイオードＤ１に順方向電圧が、ダイオードＤ３に逆方向電圧が印加されるように、伝送される制御データの信号電圧値に合わせて予め各絶縁変圧器１７、１８の巻数比を定めてある。また、パルス列検定ユニット２０の抵抗Ｒ１１、１２は、電力ユニット１９の抵抗Ｒ７、Ｒ８よりも十分に大きい抵抗値を有する。また、Ｒ７、Ｒ８は等しい値を選ぶ。つまり、中央制御室から遮蔽層Ｌ１を介してノードｎ２およびｎ３間に伝送される信号電圧は、整流ダイオードによる順方向降下を考慮した６．２ボルト以上の電圧Ｖボルトに設定されており、従って、ダイオードＤ１及びＤ４には、順方向電圧が印加され、これらダイオードがＯＮとなる。このとき、電池Ｂ１は、ｉ＝（Ｖ―６．２）／Ｒ７の電流で充電される。また、パルス列検定ユニット２０の入力であるノードｎ３の電圧は、−０．６ボルトの負電圧となり、その出力は“０”になる。逆に、遮蔽層から負電圧の信号が伝送されるときには、ダイオードＤ２、Ｄ３がＯＮするので、抵抗Ｒ８を経由してバッテリ２７に充電電流が供給される。このとき、パルス列検定回路の入力ノードｎ３は、５．６＋Ｒ８×ｉボルトになり、パルス列検定ユニット２０の出力は、“１”になる。パルス列検定ユニット２０は、このように、受信した信号電圧を整形し、デジタルデータとして子機ＣＰＵ２１に与える。
【００３１】
図６を参照すると、子機ＣＰＵ２１は、センサ信号伝送モードでＦＩＦＯメモリ２２から計測データを入力して中央制御室側に伝送する計測データ伝送部と、制御データ伝送モードで中央制御室から伝送された制御データを受信し、これを解析して計測データ伝送部を制御する制御データ解析部とから構成される。制御データ解析部は、パルス幅検定部４１、リード・ソロモン復号化部４２、アドレス検定部４３、コマンド解析部４４、及び、入出力ポート４８から構成され、計測データ伝送部は、リード・ソロモン符号化部４５、パルス列生成部４６、及び、出力ポート４７から構成される。
【００３２】
パルス幅検定部４１は、パルス列検定ユニット２０から整形された制御データパルスを受信すると、そのパルス幅に基づいて制御データを再生する。リード・ソロモン復号化部４２は、再生された制御データに誤りがないか否かを判定し、誤りがない場合にはその制御データをアドレス検定部４３に与える。誤りがある場合には、その制御データは無視される。制御データは、モードの種類を識別するデータ部分、各現場機器のＩＤ部分、及び、コマンド部分を含む。アドレス検定部４３は、制御データのＩＤ部分に基づいて、その制御データが自装置のための制御データであるか否かを判定し、自装置以外の制御データである場合には、制御データを破棄する。
【００３３】
アドレス検定部４３は、制御データが自装置のためのコマンドであると判断する場合には、その制御データをコマンド解析部４４に与える。制御データのコマンド部分は、ＡＤ変換実行及びＦＩＦＯメモリ２２に格納、計測データ送信実行、又は、計測データ再送信実行などからなる。コマンド解析部４４は、制御データからコマンドを解析し、そのコマンドに基づいて自装置内の計測データ伝送部や、センサ、各機器を制御する。
【００３４】
子機ＣＰＵ２１は、アドレス検定部４３が制御データは自装置以外のコマンドであると判断した場合には、電力ユニット１９の出力ノードｎ２をハイインピーダンスとして、伝送される交流信号を電力ユニット１９による充電動作のみに利用するスリープモードに移行する。また、制御データが自装置のためのコマンドである場合には、計測データ伝送部を作動させて、計測データを生成して待機する。制御データのモード部分が、センサ信号伝送モードに変わり、かつ、制御データのＩＤ部分が自装置のＩＤを指定すると、既に生成した計測データを中央制御室に向けて伝送する。この計測データは、制御用ＣＰＵ１３を経由してパーソナルコンピュータ１１に伝送されて、インターフェイスプログラム２６に従って利用される。
【００３５】
計測データ伝送部は、リード・ソロモン符号化部４５及びパルス列生成部４６からなり、リード・ソロモン符号化部４５は、ＦＩＦＯメモリ２２から入力ポート４８を経由して受信したセンサ信号について、リード・ソロモン法による符号化を行って、パルス列生成部４６に与える。パルス列生成部４６は、符号化されたセンサ信号から、シリアルデータを生成して、出力ポートＢ１及びＢ２から電力ユニット１９に出力する。本実施形態では、現場機器のＩＤの指定によって、センサ信号は、指定された現場機器に設置された一連のセンサ信号が順次に出力される。なお、制御データのアドレス部分にセンサのアドレスまでを加えれば、制御データでセンサ毎に指定してセンサ信号を出力するように構成することも出来る。
【００３６】
上記実施形態に係るオンライン診断システムでは、高圧電気ケーブルの遮蔽層を信号配線として利用することにより、高圧電気室を中心としたネットワークの構成が容易になる。つまり、遮蔽層を一括に接続して信号配線として利用できる。また、センサの電源配線及び信号配線を設備する必要がないので、配線設備のコストが低減する。特に、石油プラントなどの防爆電気工事が必要な場所では、ケーブル配線を要しないため、そのコスト低減の効果は大である。更に、制御データ及びセンサ信号を交流の電圧信号として伝送する構成を採用したので、ノイズ耐性が大きくなり、なおかつ、電力を現場機器に効率的に伝送できる。
応用の際、交流信号として使用する周波数の選定は、高圧電気系統を保護する保護継電器の誤動作を起こさない周波数帯であることが必要である。かつ、現場機器とケーブル遮蔽層とを結合するコンデンサ容量（図１のＣ４の値）を極力小さくして事故時に現場機器に流れ込む電流をなるべく小さくする配慮が要る。これらに加え、ケーブルの対地静電容量の影響下で現場機器の電池を十分に充電するための設定として、通信周波数は数十〜１００ｋＨｚの保護継電器が誤動作を起こさない周波数帯、また、結合コンデンサ（図１のＣ４）の値は０．０５μＦ以下のなるべく大きな値が望ましい。
【００３７】
上記実施形態では、パルス幅変調方式を利用して信号を伝送している。プラントなどでは、センサ信号の伝送自体には、それほどの高速を要しないので、このようなパルス幅変調方式が好ましいものの、その他に位相変調方式、或いは、周波数変調方式の採用も可能である。
【００３８】
本発明のオンライン診断システムは、新たなケーブルの配線を必要としないので、既設の高圧電気機器などに容易にかつ低コストで適用可能である。なお、上記実施形態では、高圧ケーブルの遮蔽層を利用する例を挙げたが、ケーブルに予備線があれば遮蔽層に代えて予備線を利用することもできる。
【００３９】
以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明のオンライン診断システム及び方法は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。また、本発明の好適な態様として記載した各構成や実施形態で記載した各構成については、本発明の必須の構成と共に用いることが好ましいが、単独であっても有益な効果を奏する構成については、必ずしも本発明の必須の構成として説明した全ての構成と共に用いる必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るオンライン診断システムの構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した中央制御室の制御用ＣＰＵ及びその周辺機器のブロック図。
【図３】図１に示したパルス列電力増幅ユニットのブロック図。
【図４】図１に示したパルス列受信ユニットのブロック図。
【図５】図１に示した電力ユニット及びパルス列検定ユニットのブロック図。
【図６】図１に示した子機ＣＰＵ及びその周辺回路及びセンサを示すブロック図。
【符号の説明】
【００４１】
１１：パーソナルコンピュータ
１２：ＵＳＢ通信ユニット
１３：制御用ＣＰＵ
１４：パルス幅検定ユニット
１５：パルス列受信ユニット
１６：パルス列電力増幅ユニット
１７：絶縁変圧器
１８：絶縁変圧器
１９：電力ユニット
２０：パルス列検定ユニット
２１：子機ＣＰＵ
２２：ＦＩＦＯメモリ
２３：ＡＤ変換装置
２４：ＭＵＸ
２５：センサ
２６：インターフェイスプログラム
２７：バッテリ
３０：モード選択手段
３１：コマンド・アドレス受信部
３２：リード・ソロモン符号化部
３３：パルス列生成部
３４：出力ポート
３５：通信ユニット制御部
３６：再送信コマンド生成部
３７：リード・ソロモン復号化部
３８：入出力ポート
３９：バンドパスフィルタ
４０：二値化ゲート
４１：パルス幅検定部
４２：リード・ソロモン複号化部
４３：アドレス検定部
４４：コマンド解析部
４５：リード・ソロモン符号化部
４６：パルス列生成部
４７：出力ポート
４８：入力ポート
Ｎ１〜Ｎ６：ＮＰＮトランジスタ
Ｐ１〜Ｐ２：ＰＮＰトランジスタ
Ｒ１〜Ｒ１２：抵抗
Ｄ１〜Ｄ４：ダイオード
ｎ１〜ｎ３：ノード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オンライン診断システム及び方法に関し、更に詳しくは、工場やプラントなどの中央制御室から離れた現場機器のセンサによって検出されたセンサ信号を監視するオンライン診断システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場やプラントでは、各機器の運転中に異常検出や状態監視を行うオンライン診断システムが利用されている。オンライン診断システムでは、例えば高圧電動機などの現場機器の状態を計測するセンサからの信号を、中央制御室の制御用コンピュータに伝送し、そのセンサ信号に基づいて、現場機器の診断を行い、或いは、現場機器の制御を行っている。特に石油プラントなどのオンライン診断システムでは、現場の状況に応じて電気設備が気密構造を要求されるため、配線設備の構造や敷設場所などについての制約が大きく、配線設備のコストが全体の設備コストに大きなウエートを占める。
【０００３】
特許文献１は、高圧電力ケーブルの課電試験に際して、試験電圧を印加する電力ケーブルの測定端から電力ケーブルの末端側に向けて、特別な配線を用いることなく、課電を実行する旨の信号を伝送する技術を記載している。この技術では、送信機によって、高圧ケーブルの測定端の遮蔽層又は予備線に課電を行う旨の高周波信号を印加する。高圧ケーブルの末端側では、受信機によって、伝送された高周波信号を高圧ケーブルの遮蔽層又は予備線から受信することによって、これから課電が行われる旨を検出する。
【特許文献１】特開２００１−１５３９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
オンライン診断システムにおいて、上記公報に記載された技術を利用し、高圧ケーブルの遮蔽層を信号の伝送線路に使用すれば、高圧の防爆電気設備についても、特別な防爆配線工事を行うことなく、センサ信号の伝送が可能になる。しかし、オンライン診断システムでは、課電試験の場合とは異なり、電動機、変圧器、インバータ等の高圧電気設備に送電中の高圧ケーブルを用い、その遮蔽層を利用して信号を伝送するため、信号伝送に際して特別な対策が必要になる。
【０００５】
一般に、高圧ケーブルの遮蔽層や予備線を利用して信号を伝送する際には、高圧電気機器に設備された保護装置の誤動作を避けるために、送電中の商用電源の周波数とは異なる周波数の信号を伝送することが求められる。この場合、直流信号を用いることも考えられるが、直流電流による接地電極の電食などの問題があるため、利用できない。従って、誤動作を発生させない周波数の選定が必要になる。
【０００６】
オンライン診断システムでは、センサ信号の受信に加えて、現場機器のセンサに対して直流などの電源を送る必要があり、このための配線が必要になる。更に、現場機器が複数のセンサを有する場合には、複数の信号配線が必要になり、これら、電源配線及び信号配線を別に設備すれば、設備コストが上昇する。複数のセンサ信号を現場機器内でまとめてシリアル伝送することも考えられるが、多数の現場機器が存在する場合には、信号伝送のタイミングが問題になる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑み、高圧ケーブルの遮蔽層を利用し、中央制御室などの制御室と現場機器との間でシリアル信号伝送を行うことにより、特に信号配線および現場機器動作電源配線を設置することなく設備することが出来るため、経済的な設備構成を可能とするオンライン診断システム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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のオンライン診断システムは、制御室と現場機器との間に設備されたケーブルを用いてセンサ信号を伝送するオンライン診断システムであって、
前記制御室は、制御室から現場機器に向けてコマンドを含む制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードとを選択するモード選択手段と、前記制御データ伝送モードにおいて交流のシリアル制御データを生成すると共に、前記センサ信号伝送モードにおいて出力がハイインピーダンスに設定される制御データ生成手段と、第１巻線が前記制御データ生成手段の出力に接続され第２巻線が前記ケーブルの遮蔽層に接続される第１絶縁変圧器と、前記第１絶縁変圧器の第１巻線に接続され、前記センサ信号伝送モードにおいて該第１巻線を経由して伝送されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信手段とを備え、
前記現場機器は、第１巻線が前記遮蔽層に接続される第２絶縁変圧器と、入力が前記第２絶縁変圧器の第２巻線に接続され、前記制御データ伝送モードにおいて該第２絶縁変圧器の第２巻線を経由して前記交流制御データを受信する制御データ受信手段と、デジタルセンサ信号を生成するセンサ信号生成手段と、出力が前記第２絶縁変圧器の第２巻線に接続され、前記制御データ受信手段が受信した交流制御データのコマンドに従って、前記センサ信号伝送モードにおいて前記デジタルセンサ信号を交流センサ信号に変換して前記第２絶縁変圧器の第２巻線に伝送すると共に、前記制御データ伝送モードにおいて前記出力がハイインピーダンスに設定されるセンサ信号変換手段とを備える、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のオンライン診断方法は、制御用コンピュータを備える制御室と、現場コンピュータを備える現場機器との間に設備されたケーブルを用いてセンサ信号を伝送するオンライン診断方法であって、
制御室から現場機器に向けてコマンドを含む制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードとを選択するステップと、
前記制御データ伝送モードにおいて制御室から現場機器に向けて前記ケーブルの遮蔽層を介して交流シリアル制御データを伝送するステップと、
前記センサ信号伝送モードにおいて現場機器から制御室に向けて前記ケーブルの遮蔽層を介して交流センサ信号を伝送するステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のオンライン診断システム及び方法によると、特別な信号・電源配線を設置することなく、複数のセンサからの信号が現場機器から伝送されるため、低コストで設備できるオンライン診断システムが得られ、また、低コストの設備を利用したオンライン診断が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るオンライン診断システムを示す。オンライン診断システム１００は、中央制御室に備えられる各種処理装置と、現場機器を構成する高圧電動機の端子箱内に収容される各種制御機器及び現場機器内に設備されるセンサとを含み、双方の間の信号伝送には、高圧電動機に電力を送電する高圧ケーブルの遮蔽層Ｌ１が使用される
【００１２】
中央制御室には、パーソナルコンピュータ１１、ＵＳＢ通信ユニット１２、制御用コンピュータ（ＣＰＵ）１３、パルス幅検定ユニット１４、パルス列受信ユニット１５、パルス列電力増幅ユニット１６、及び、絶縁変圧器１７が設置される。現場機器を構成する各高圧電動機にはそれぞれ、絶縁変圧器１８、電力ユニット１９、パルス列検定ユニット２０、現場（子機）ＣＰＵ２１、ＦＩＦＯメモリ２２、ＡＤ変換装置２３、マルチプレクサ（ＭＵＸ）２４、及び、複数のセンサ２５が設置される。
【００１３】
パーソナルコンピュータ１１は、ＵＳＢ通信ユニット１２を経由して、制御用ＣＰＵ１３に対して、信号伝送のタイミング設定や信号伝送の指示などの制御データの入力を行い、また、各現場機器からのセンサ信号を入力し、現場機器の制御に必要な制御信号を生成して制御用ＣＰＵ１３に伝送する。制御用ＣＰＵ１３は、パーソナルコンピュータ１１からの制御データや設定データに基づいて、各現場機器のＣＰＵ（子機ＣＰＵ）２１に必要な制御データを生成し、パルス列電力増幅ユニット１６、絶縁変圧器１７及び遮蔽層Ｌ１を介して各現場機器に伝送する。また、各現場機器の子機ＣＰＵ２１が制御データの指示に応答して伝送するセンサ信号（計測データ）を受け取り、これを復号化してパーソナルコンピュータ１１に与える。
【００１４】
パルス列電力増幅ユニット１６は、制御用ＣＰＵ１３から受信するモード選択信号に応答して、制御用ＣＰＵ１３から現場機器に向けて制御データを伝送する制御データ伝送モード、又は、現場機器からセンサ信号を制御用ＣＰＵ１３に向けて伝送するセンサ信号伝送モードの何れかを選択する。パルス列電力増幅ユニット１６は、制御データ伝送モードでは、制御用ＣＰＵ１３から、現場機器への指示のための制御データをポートＡ１及びＡ２から受信し、受信した制御データを交流信号に変換すると共にこれを増幅して、現場機器に向けて伝送する。また、センサ信号伝送モードでは、その出力ノードｎ１をハイインピーダンスに維持する。
【００１５】
パルス列受信ユニット１５は、センサ信号伝送モードにおいて、現場機器から遮蔽層Ｌ１及び絶縁変圧器１７を経由して伝送された交流信号をノードｎ１で受け取り、これをパルス列に変換して、パルス幅検定ユニット１４に与える。パルス幅検定ユニット１４は、受信したパルス列の各パルス幅から、伝送されたデータを再生し、これを制御用ＣＰＵ１３に与える。
【００１６】
現場機器の電力ユニット１９は、制御データ伝送モードにおいて、絶縁変圧器１８を経由して遮蔽層Ｌ１から交流信号を受け取り、これから直流電力を再生し、高圧電動機内に設備された各種制御機器やセンサの作動のための電力を供給する。電力ユニット１９は、また、センサ信号伝送モードにおいて、子機ＣＰＵ２１からポートＢ１、Ｂ２を経由してセンサの計測データを受信して、これを交流信号に変換し、絶縁変圧器１８及び遮蔽層Ｌ１を経由して中央制御室に向けてその交流信号を伝送する。
【００１７】
パルス列検定ユニット２０は、遮蔽層Ｌ１及び絶縁変圧器１８を経由して受信したパルス列を成形して子機ＣＰＵ２１に入力する。子機ＣＰＵ２１は、パルス列検定ユニット２０によって成形された制御データに含まれるＩＤ番号に基づいて、各現場機器の子機ＣＰＵのうち自装置への指示か否かを判断し、自装置への指示でかつ計測データ出力の指示であれば、各センサ２５のデジタル計測データをシリアル信号として出力する。各センサ２５のアナログ検出信号は、ＭＵＸ２４を介してＡＤ変換装置２３に入力され、ＦＩＦＯメモリ２２に入力されており、その入力順に子機ＣＰＵ２１に入力され、制御データに含まれる指示に従って、子機ＣＰＵ２１から出力される。
【００１８】
図２は、制御用ＣＰＵ１３及びその周辺機器の構成及び接続の詳細を示している。パーソナルコンピュータ１１と制御用ＣＰＵ１３との間は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）通信ユニット１２によって接続されている。パーソナルコンピュータ１１には、インタフェイスプログラム２６がインストールされ、このプログラム２６によって、現場機器などから送られてくる信号を、例えばグラフにして、図示しない制御コンソールに与える。また、現場機器から伝送されるセンサ信号を処理することにより、各現場機器を制御するための制御データを生成する。
【００１９】
制御用ＣＰＵ１３は、モード選択手段３０、コマンド・アドレス受信部３１、リード・ソロモン符号化部３２、パルス列生成部３３、出力ポート３４、通信ユニット制御部３５、再送信コマンド生成部３６、リード・ソロモン復号化部３７、及び、入出力ポート３８を有する。モード選択手段３０は、中央制御室から現場機器に向けて制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から中央制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードの何れかを選択する。コマンド・アドレス受信部３１は、パーソナルコンピュータ１１から制御データや設定データを受信し、制御データから、コマンドの内容及びそのコマンドを実行させる現場機器のアドレスを抽出する。抽出されたコマンド及びアドレスは、リード・ソロモン符号化部３２によって符号化され、パルス列生成部３３によってパルス列に変換され、出力ポート３４から出力されて、パルス列電力増幅ユニット１６に送られる。
【００２０】
現場機器から伝送される各センサの計測データは、パルス列受信ユニット１５からパルス幅検定ユニット（ＣＰＵ）１４に入力され、そのパルス幅に基づいたデジタル信号に変換されて、６ビット毎に制御用ＣＰＵ１３のリード・ソロモン復号化部３７に入力する。リード・ソロモン復号化部３７は、受信したデータに誤りがないと判断すると、そのデータを８ビット毎にまとめて、通信ユニット制御部３５に与える。通信ユニット制御部３５は、伝送すべき計測データが現場から得られると、パーソナルコンピュータ１１に対して受信要求を発行することで、パーソナルコンピュータ１１に計測データを与える。一方、リード・ソロモン復号化部３７で受信したデータに誤りがあると判断されると、その情報は再送信コマンド生成部３６に送られ、再送信コマンド生成部３６は、当該計測データの再送信要求を生成し、リード・ソロモン符号化部３２を経由して現場機器に伝送する。
【００２１】
図３は、パルス列電力増幅ユニット１６及び絶縁変圧器１７の構成を示している。パルス列電力増幅ユニット１６は、ＮＰＮトランジスタＮ１、Ｎ２、ＰＮＰトランジスタＰ１、Ｐ２、コンデンサＣ１〜Ｃ３、及び、抵抗Ｒ１〜Ｒ６を有する。トランジスタＮ１及びＮ２はダーリントン接続され、トランジスタＰ１及びＰ２はダーリントン接続されている。制御用ＣＰＵの出力ポートＡ１は、コンデンサＣ１を経由してトランジスタＰ１のベースに接続され、出力ポートＡ２は、コンデンサＣ２を経由してトランジスタＮ１のベースに接続される。Ｐ１、Ｎ１のベースはそれぞれＲ１、Ｒ３およびＲ２、Ｒ４により、それぞれＰ２、Ｎ２のエミッタレベルに接地されており、ＣＰＵの出力ポートＡ１、Ａ２とはコンデンサにより交流的に接続されているので、Ａ１およびＡ２の信号変化が生じない時は、Ｐ２、Ｎ２ともに遮断している。このとき、出力ノードｎ１はハイインピーダンス状態になっている。
【００２２】
パルス列電力増幅ユニット１６の動作は以下の通りである。双方のポートＡ１及びＡ２の信号レベルが何れも“Ｌ（０ボルト）”のときを受信モードとして、出力ノードｎ１はハイインピーダンスとなっている。
ここで、双方のポートＡ１およびＡ２の信号レベルを同時に“Ｈ（５ボルト）”とすると、電位の変化はＣ１、Ｃ２を伝わりＰ１、Ｎ１のベース電位それぞれ引き上げる。結果、ダーリントン接続されたＰ１、Ｐ２はそれぞれＯＦＦし、ダーリントン接続されたＮ１、Ｎ２はＯＮするため、出力ノードｎ１は０ボルトに移行する。この状態は、Ｐ１、Ｐ２についてはそれぞれのベース回路とＲ１、Ｒ３およびＣ１、Ｒ２、Ｒ４およびＣ２で定まる時定数Ｔ１の間継続する。
【００２３】
次に、Ｔ１よりも短い間に双方のポートＡ１およびＡ２の信号レベルを同時に“Ｌ（０ボルト）”とすると、電位の変化はＣ１、Ｃ２を伝わりＰ１、Ｎ１のベース電位それぞれ引き下げる。結果、Ｐ１、Ｐ２がＯＮし、Ｎ１、Ｎ２がＯＦＦするため、出力ノードｎ１は電源電圧（この例では２４ボルト）に移行する。
ポートＡ１、Ａ２の電位を時定数Ｔ１よりも短い時間でパルス的に変化させることでパルス列電力ユニットは増幅動作を行う。
また、ポートＡ１、Ａ２の信号変化を、時定数Ｔ１より十分長く停止することで出力ノードｎ１は自動的にハイインピーダンス状態に遷移する。
【００２４】
制御用ＣＰＵ１３は、ポートＡ１及びＡ２に相補信号となるパルス列を出力し、その各パルスのパルス幅で制御データを符号化し、かつ、出力する相補信号の極性をパルス毎に反転させる。このため、パルス列電力増幅ユニット１６からは、制御データに応じたパルス幅を持ち、かつ、出力電位がデータ毎に反転する交流信号が出力される。絶縁変圧器１７は、この信号電圧を巻線比、例えば４：５で上昇させて遮蔽層Ｌ１に印加する。
【００２５】
図４は、パルス列受信ユニット１５の構成を示す。パルス列受信ユニット１５は、カスケード接続された２つのバンドパスフィルタ３９、３９と、二値化ゲート４０とから構成される。パルス列受信ユニット１５は、現場機器から伝送される交流信号のパルス列から低周波及び高周波のノイズを除去しつつ、信号電圧波形を整形する。パルス幅検定ユニット１４は、この整形された信号電圧のパルス幅に基づいて、現場機器から伝送された信号データを再生する。
【００２６】
図５は、現場機器側に設置される電力ユニット１９及びパルス列検定ユニット２０の構成を示す。電力ユニット１９は、絶縁変圧器１８の２次側電圧を整流して直流電源を出力する全波整流回路と、全波整流回路の出力で充電され且つ高圧電動機側の各機器に電源を供給するバッテリ２７と、子機ＣＰＵ２１から出力される計測データから交流信号を生成する交流信号生成回路とから構成される。全波整流回路は、ダイオードＤ１〜Ｄ４と抵抗Ｒ７、Ｒ８とから構成され、絶縁変圧器１８を経由して伝送された交流信号から直流電圧を生成し、バッテリ２７を充電する機能を有する。交流信号生成回路は、ＮＰＮトランジスタＮ３〜Ｎ６と、ダイオードＤ５、Ｄ６と、抵抗Ｒ９、Ｒ１０とから構成される。
【００２７】
交流信号生成回路は、以下の構成を有する。子機ＣＰＵの出力ポートＢ１は、トランジスタＮ３のベースと、ダイオードＤ６及び抵抗Ｒ１０を介してトランジスタＮ６のベースに接続される。トランジスタＮ３のコレクタは、バッテリ２７の正電極（５ボルト）に接続され、エミッタはトランジスタＮ４のコレクタに接続される。トランジスタＮ４のエミッタはバッテリ２７の負電極に接続される。子機ＣＰＵ２１の出力ポートＢ２は、トランジスタＮ５のベースと、ダイオードＤ５及び抵抗Ｒ９を介してトランジスタＮ４のベースに接続される。トランジスタＮ５のコレクタは、バッテリ２７の正電極（５ボルト）に接続され、エミッタはトランジスタＮ６のコレクタに接続される。トランジスタＮ６のエミッタはバッテリ２７の負電極に接続される。ここで、ＮＰＮトランジスタＮ３とＮ４、ＮＰＮトランジスタＮ５とＮ６とを直列に接続して用いる理由は、ＮＰＮトランジスタＮ４及びＮ６に代えてＰＮＰトランジスタＰ３及びＰ４をそれぞれ使用すると、トランジスタＮ３とＰＮＰトランジスタＰ４とが同時にＯＮしたときに、ノードｎ２とノードｎ３との間で生ずる電源短絡を防止するためである。
【００２８】
交流信号生成回路は、以下のように動作する。センサ信号伝送モードでは、ポートＢ１及びＢ２には、“Ｈ（５ボルト）”又は“Ｌ（０ボルト）”の相補電圧が印加される。ポートＢ１が“Ｈ”、ポートＢ２が“Ｌ”のときには、トランジスタＮ３がＯＮ、トランジスタＮ４がＯＦＦ、トランジスタＮ５がＯＦＦ、トランジスタＮ６がＯＮとなるので、ノードｎ２の電位がノードｎ３の電位よりも高くなり、遮蔽層Ｌ１が接地電位よりも高い正電圧に充電される。逆に、ポートＢ１が“Ｌ”、ポートＢ２が“Ｈ”のときには、各トランジスタの動作が逆になり、ノードｎ２の電位がノードｎ３の電位よりも低くなるので、遮蔽層Ｌ１は接地電位よりも低い負電圧に充電される。子機ＣＰＵ２１は、ポートＢ１及びＢ２に相補信号となるパルス列を出力し、その各パルスのパルス幅で制御データを符号化し、かつ、出力する相補信号の極性をパルス毎に反転させる。このため、電力ユニット１９からは、センサ信号に応じたパルス幅を持ち、かつ、出力電位がセンサ信号毎に反転する交流信号が出力される。絶縁変圧器１８は、この信号電圧を巻線比で上昇させて遮蔽層Ｌ１に印加する。
【００２９】
子機ＣＰＵ２１は、制御データ伝送モードでは、ポートＢ１及びＢ２を何れも“Ｌ”に設定するので、電力ユニット１９では、トランジスタＮ３〜Ｎ６がすべてＯＦＦになり、ノードｎ２及びｎ３をハイインピーダンス状態に維持する。このとき、遮蔽層Ｌ１から伝送される制御データは、ノードｎ３からパルス列検定ユニット２０に送られると共に、バッテリ２７を充電する。
【００３０】
バッテリの充電は、以下のように行われる。遮蔽層Ｌ１に正電圧が印加されるときには、ダイオードＤ１に順方向電圧が、ダイオードＤ３に逆方向電圧が印加されるように、伝送される制御データの信号電圧値に合わせて予め各絶縁変圧器１７、１８の巻数比を定めてある。また、パルス列検定ユニット２０の抵抗Ｒ１１、１２は、電力ユニット１９の抵抗Ｒ７、Ｒ８よりも十分に大きい抵抗値を有する。また、Ｒ７、Ｒ８は等しい値を選ぶ。つまり、中央制御室から遮蔽層Ｌ１を介してノードｎ２およびｎ３間に伝送される信号電圧は、整流ダイオードによる順方向降下を考慮した６．２ボルト以上の電圧Ｖボルトに設定されており、従って、ダイオードＤ１及びＤ４には、順方向電圧が印加され、これらダイオードがＯＮとなる。このとき、電池Ｂ１は、ｉ＝（Ｖ―６．２）／Ｒ７の電流で充電される。また、パルス列検定ユニット２０の入力であるノードｎ３の電圧は、−０．６ボルトの負電圧となり、その出力は“０”になる。逆に、遮蔽層から負電圧の信号が伝送されるときには、ダイオードＤ２、Ｄ３がＯＮするので、抵抗Ｒ８を経由してバッテリ２７に充電電流が供給される。このとき、パルス列検定回路の入力ノードｎ３は、５．６＋Ｒ８×ｉボルトになり、パルス列検定ユニット２０の出力は、“１”になる。パルス列検定ユニット２０は、このように、受信した信号電圧を整形し、デジタルデータとして子機ＣＰＵ２１に与える。
【００３１】
図６を参照すると、子機ＣＰＵ２１は、センサ信号伝送モードでＦＩＦＯメモリ２２から計測データを入力して中央制御室側に伝送する計測データ伝送部と、制御データ伝送モードで中央制御室から伝送された制御データを受信し、これを解析して計測データ伝送部を制御する制御データ解析部とから構成される。制御データ解析部は、パルス幅検定部４１、リード・ソロモン復号化部４２、アドレス検定部４３、コマンド解析部４４、及び、入出力ポート４８から構成され、計測データ伝送部は、リード・ソロモン符号化部４５、パルス列生成部４６、及び、出力ポート４７から構成される。
【００３２】
パルス幅検定部４１は、パルス列検定ユニット２０から整形された制御データパルスを受信すると、そのパルス幅に基づいて制御データを再生する。リード・ソロモン復号化部４２は、再生された制御データに誤りがないか否かを判定し、誤りがない場合にはその制御データをアドレス検定部４３に与える。誤りがある場合には、その制御データは無視される。制御データは、モードの種類を識別するデータ部分、各現場機器のＩＤ部分、及び、コマンド部分を含む。アドレス検定部４３は、制御データのＩＤ部分に基づいて、その制御データが自装置のための制御データであるか否かを判定し、自装置以外の制御データである場合には、制御データを破棄する。
【００３３】
アドレス検定部４３は、制御データが自装置のためのコマンドであると判断する場合には、その制御データをコマンド解析部４４に与える。制御データのコマンド部分は、ＡＤ変換実行及びＦＩＦＯメモリ２２に格納、計測データ送信実行、又は、計測データ再送信実行などからなる。コマンド解析部４４は、制御データからコマンドを解析し、そのコマンドに基づいて自装置内の計測データ伝送部や、センサ、各機器を制御する。
【００３４】
子機ＣＰＵ２１は、アドレス検定部４３が制御データは自装置以外のコマンドであると判断した場合には、電力ユニット１９の出力ノードｎ２をハイインピーダンスとして、伝送される交流信号を電力ユニット１９による充電動作のみに利用するスリープモードに移行する。また、制御データが自装置のためのコマンドである場合には、計測データ伝送部を作動させて、計測データを生成して待機する。制御データのモード部分が、センサ信号伝送モードに変わり、かつ、制御データのＩＤ部分が自装置のＩＤを指定すると、既に生成した計測データを中央制御室に向けて伝送する。この計測データは、制御用ＣＰＵ１３を経由してパーソナルコンピュータ１１に伝送されて、インターフェイスプログラム２６に従って利用される。
【００３５】
計測データ伝送部は、リード・ソロモン符号化部４５及びパルス列生成部４６からなり、リード・ソロモン符号化部４５は、ＦＩＦＯメモリ２２から入力ポート４８を経由して受信したセンサ信号について、リード・ソロモン法による符号化を行って、パルス列生成部４６に与える。パルス列生成部４６は、符号化されたセンサ信号から、シリアルデータを生成して、出力ポートＢ１及びＢ２から電力ユニット１９に出力する。本実施形態では、現場機器のＩＤの指定によって、センサ信号は、指定された現場機器に設置された一連のセンサ信号が順次に出力される。なお、制御データのアドレス部分にセンサのアドレスまでを加えれば、制御データでセンサ毎に指定してセンサ信号を出力するように構成することも出来る。
【００３６】
上記実施形態に係るオンライン診断システムでは、高圧電気ケーブルの遮蔽層を信号配線として利用することにより、高圧電気室を中心としたネットワークの構成が容易になる。つまり、遮蔽層を一括に接続して信号配線として利用できる。また、センサの電源配線及び信号配線を設備する必要がないので、配線設備のコストが低減する。特に、石油プラントなどの防爆電気工事が必要な場所では、ケーブル配線を要しないため、そのコスト低減の効果は大である。更に、制御データ及びセンサ信号を交流の電圧信号として伝送する構成を採用したので、ノイズ耐性が大きくなり、なおかつ、電力を現場機器に効率的に伝送できる。
応用の際、交流信号として使用する周波数の選定は、高圧電気系統を保護する保護継電器の誤動作を起こさない周波数帯であることが必要である。かつ、現場機器とケーブル遮蔽層とを結合するコンデンサ容量（図１のＣ４の値）を極力小さくして事故時に現場機器に流れ込む電流をなるべく小さくする配慮が要る。これらに加え、ケーブルの対地静電容量の影響下で現場機器の電池を十分に充電するための設定として、通信周波数は数十〜１００ｋＨｚの保護継電器が誤動作を起こさない周波数帯、また、結合コンデンサ（図１のＣ４）の値は０．０５μＦ以下のなるべく大きな値が望ましい。
【００３７】
上記実施形態では、パルス幅変調方式を利用して信号を伝送している。プラントなどでは、センサ信号の伝送自体には、それほどの高速を要しないので、このようなパルス幅変調方式が好ましいものの、その他に位相変調方式、或いは、周波数変調方式の採用も可能である。
【００３８】
本発明のオンライン診断システムは、新たなケーブルの配線を必要としないので、既設の高圧電気機器などに容易にかつ低コストで適用可能である。なお、上記実施形態では、高圧ケーブルの遮蔽層を利用する例を挙げたが、ケーブルに予備線があれば遮蔽層に代えて予備線を利用することもできる。
【００３９】
以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明のオンライン診断システム及び方法は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。また、本発明の好適な態様として記載した各構成や実施形態で記載した各構成については、本発明の必須の構成と共に用いることが好ましいが、単独であっても有益な効果を奏する構成については、必ずしも本発明の必須の構成として説明した全ての構成と共に用いる必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るオンライン診断システムの構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した中央制御室の制御用ＣＰＵ及びその周辺機器のブロック図。
【図３】図１に示したパルス列電力増幅ユニットのブロック図。
【図４】図１に示したパルス列受信ユニットのブロック図。
【図５】図１に示した電力ユニット及びパルス列検定ユニットのブロック図。
【図６】図１に示した子機ＣＰＵ及びその周辺回路及びセンサを示すブロック図。
【符号の説明】
【００４１】
１１：パーソナルコンピュータ
１２：ＵＳＢ通信ユニット
１３：制御用ＣＰＵ
１４：パルス幅検定ユニット
１５：パルス列受信ユニット
１６：パルス列電力増幅ユニット
１７：絶縁変圧器
１８：絶縁変圧器
１９：電力ユニット
２０：パルス列検定ユニット
２１：子機ＣＰＵ
２２：ＦＩＦＯメモリ
２３：ＡＤ変換装置
２４：ＭＵＸ
２５：センサ
２６：インターフェイスプログラム
２７：バッテリ
３０：モード選択手段
３１：コマンド・アドレス受信部
３２：リード・ソロモン符号化部
３３：パルス列生成部
３４：出力ポート
３５：通信ユニット制御部
３６：再送信コマンド生成部
３７：リード・ソロモン復号化部
３８：入出力ポート
３９：バンドパスフィルタ
４０：二値化ゲート
４１：パルス幅検定部
４２：リード・ソロモン複号化部
４３：アドレス検定部
４４：コマンド解析部
４５：リード・ソロモン符号化部
４６：パルス列生成部
４７：出力ポート
４８：入力ポート
Ｎ１〜Ｎ６：ＮＰＮトランジスタ
Ｐ１〜Ｐ２：ＰＮＰトランジスタ
Ｒ１〜Ｒ１２：抵抗
Ｄ１〜Ｄ４：ダイオード
ｎ１〜ｎ３：ノード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御室と現場機器との間に設備されたケーブルを用いてセンサ信号を伝送するオンライン診断システムであって、
前記制御室は、
制御室から現場機器に向けてコマンドを含む制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードとを選択するモード選択手段と、
前記制御データ伝送モードにおいて交流のシリアル制御データを生成すると共に、前記センサ信号伝送モードにおいて出力がハイインピーダンスに設定される制御データ生成手段と、
第１巻線が前記制御データ生成手段の出力に接続され第２巻線が前記ケーブルの遮蔽層に接続される第１絶縁変圧器と、
前記第１絶縁変圧器の第１巻線に接続され、前記センサ信号伝送モードにおいて該第１巻線を経由して伝送されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信手段とを備え、
前記現場機器は、
第１巻線が前記遮蔽層に接続される第２絶縁変圧器と、
入力が前記第２絶縁変圧器の第２巻線に接続され、前記制御データ伝送モードにおいて該第２絶縁変圧器の第２巻線を経由して前記交流制御データを受信する制御データ受信手段と、
センサによって得た電気信号をデジタル変換するセンサ信号生成手段と、
出力が前記第２絶縁変圧器の第２巻線に接続され、前記制御データ受信手段が受信した交流制御データのコマンドに従って、前記センサ信号伝送モードにおいて前記デジタルセンサ信号を交流センサ信号に変換して前記第２絶縁変圧器の第２巻線に伝送すると共に、前記制御データ伝送モードにおいて前記出力がハイインピーダンスに設定されるセンサ信号変換手段とを備える、
ことを特徴とするオンライン診断システム。
【請求項２】
前記現場機器は、更に前記制御データ伝送モードにおいて前記遮蔽層から伝送される交流制御データ信号を整流して現場機器作動用の直流電源を生成する整流手段を備える、請求項１に記載のオンライン診断システム。
【請求項３】
制御用コンピュータを備える制御室と、現場コンピュータを備える現場機器との間に設備されたケーブルを用いてセンサ信号を伝送するオンライン診断方法であって、
制御室から現場機器に向けてコマンドを含む制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードとを選択するステップと、
前記制御データ伝送モードにおいて制御室から現場機器に向けて前記ケーブルの遮蔽層を介して交流シリアル制御データを伝送するステップと、
前記センサ信号伝送モードにおいて現場機器から制御室に向けて前記ケーブルの遮蔽層を介して交流センサ信号を伝送するステップと、
を有することを特徴とするオンライン診断方法。
【請求項４】
前記現場機器で、前記制御データ伝送モードにおいて前記交流シリアル信号を整流して直流電源を生成するステップを更に有する、請求項３に記載のオンライン診断方法。
【請求項１】
制御室と現場機器との間に設備されたケーブルを用いてセンサ信号を伝送するオンライン診断システムであって、
前記制御室は、
制御室から現場機器に向けてコマンドを含む制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードとを選択するモード選択手段と、
前記制御データ伝送モードにおいて交流のシリアル制御データを生成すると共に、前記センサ信号伝送モードにおいて出力がハイインピーダンスに設定される制御データ生成手段と、
第１巻線が前記制御データ生成手段の出力に接続され第２巻線が前記ケーブルの遮蔽層に接続される第１絶縁変圧器と、
前記第１絶縁変圧器の第１巻線に接続され、前記センサ信号伝送モードにおいて該第１巻線を経由して伝送されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信手段とを備え、
前記現場機器は、
第１巻線が前記遮蔽層に接続される第２絶縁変圧器と、
入力が前記第２絶縁変圧器の第２巻線に接続され、前記制御データ伝送モードにおいて該第２絶縁変圧器の第２巻線を経由して前記交流制御データを受信する制御データ受信手段と、
センサによって得た電気信号をデジタル変換するセンサ信号生成手段と、
出力が前記第２絶縁変圧器の第２巻線に接続され、前記制御データ受信手段が受信した交流制御データのコマンドに従って、前記センサ信号伝送モードにおいて前記デジタルセンサ信号を交流センサ信号に変換して前記第２絶縁変圧器の第２巻線に伝送すると共に、前記制御データ伝送モードにおいて前記出力がハイインピーダンスに設定されるセンサ信号変換手段とを備える、
ことを特徴とするオンライン診断システム。
【請求項２】
前記現場機器は、更に前記制御データ伝送モードにおいて前記遮蔽層から伝送される交流制御データ信号を整流して現場機器作動用の直流電源を生成する整流手段を備える、請求項１に記載のオンライン診断システム。
【請求項３】
制御用コンピュータを備える制御室と、現場コンピュータを備える現場機器との間に設備されたケーブルを用いてセンサ信号を伝送するオンライン診断方法であって、
制御室から現場機器に向けてコマンドを含む制御データを伝送する制御データ伝送モードと、現場機器から制御室に向けてセンサ信号を伝送するセンサ信号伝送モードとを選択するステップと、
前記制御データ伝送モードにおいて制御室から現場機器に向けて前記ケーブルの遮蔽層を介して交流シリアル制御データを伝送するステップと、
前記センサ信号伝送モードにおいて現場機器から制御室に向けて前記ケーブルの遮蔽層を介して交流センサ信号を伝送するステップと、
を有することを特徴とするオンライン診断方法。
【請求項４】
前記現場機器で、前記制御データ伝送モードにおいて前記交流シリアル信号を整流して直流電源を生成するステップを更に有する、請求項３に記載のオンライン診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２４８１２７（Ｐ２００７−２４８１２７Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６９２９１（Ｐ２００６−６９２９１）
【出願日】平成１８年３月１４日（２００６．３．１４）
【出願人】（０００１７６７６３）三菱化学エンジニアリング株式会社 (85)
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１４日（２００６．３．１４）
【出願人】（０００１７６７６３）三菱化学エンジニアリング株式会社 (85)
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
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