JP2026018111A - アナログ入力モジュール、及び、制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数種類のアナログ信号の入力値を検出可能なアナログ入力モジュール、及び、制御システムを提供する。
【解決手段】本願は、制御対象から入力されるアナログ信号を検出するための複数のチャンネルを有するアナログ入力モジュールに関する。複数のチャンネルの各々は、入力端子に入力されたアナログ信号を電圧信号として検出するための検出回路を有する。アナログ信号の入力値は、検出回路で検出された電圧信号に基づいて算出される。検出回路の回路構成は、演算装置から受信する設定信号に基づいて切り替え可能である。
【選択図】図２

Description

本開示は、アナログ入力モジュール、及び、制御システムに関する。

例えば発電プラントのような多数の構成機器から構成されるプラント設備を制御対象とする制御システムが知られている。この種の制御システムでは、制御対象から検出される様々なアナログ信号の入力値を用いた演算処理によって生成される制御信号に基づいて、制御対象の制御を行う。例えば特許文献１に開示される制御システムでは、制御対象から入力されるアナログ信号の入力値を検出するためのアナログ入力モジュールを備え、アナログ入力モジュールで検出されたアナログ信号の入力値を用いて制御対象を制御するための演算処理を行うことが記載されている。

特開２０１６－１４６０３３号公報 特開昭６３－１４１１０３号公報

上記特許文献１に示す制御システムが備えるアナログ入力モジュールは、制御対象から入力されるアナログ信号を検出するための回路構成を有するように設計される。そのため、検出対象となるアナログ信号の種類が変更された場合には対応が困難であり、回路構成の設計変更を含むアナログ入力モジュールの設計開発が必要となってしまう。

本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、複数種類のアナログ信号の入力値を検出可能なアナログ入力モジュール、及び、制御システムを提供することを目的とする。

本開示の少なくとも一実施形態に係るアナログ入力モジュールは、上記課題を解決するために、
制御対象から入力されるアナログ信号を検出するための複数のチャンネルを有するアナログ入力モジュールであって、
前記複数のチャンネルの各々は、
前記アナログ信号が入力可能な入力端子と、
前記入力端子に入力された前記アナログ信号を電圧信号として検出するための検出回路と、
前記検出回路で検出された前記電圧信号に基づいて、前記アナログ信号の入力値を算出するための入力値算出部と、
前記アナログ信号の種類に基づいて、前記検出回路の回路構成を切り替えるための回路切替部と、
を備え、
前記回路切替部は、前記複数のチャンネルの前記入力値算出部でそれぞれ算出された前記入力値を用いて演算処理を行う演算装置から受信する設定信号に基づいて前記回路構成を切り替える。

本開示の少なくとも一実施形態に係る制御システムは、上記課題を解決するために、
本開示の少なくとも一実施形態に係るアナログ入力モジュールと、
前記演算処理を行うための演算装置と、
を備える。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、複数種類のアナログ信号の入力値を検出可能なアナログ入力モジュール、及び、制御システムを提供できる。

一実施形態に係る制御システムの全体構成を示す概略図である。 図１のアナログ入力モジュールの内部構成図である。 アナログ信号としてアナログ電流が入力される場合における図２の検出回路の回路構成を周辺構成とともに示す図である。 アナログ信号としてアナログ電圧が入力される場合における図２の検出回路の回路構成を周辺構成とともに示す図である。 アナログ信号として熱電対素子からのアナログ電圧が入力される場合における図２の検出回路の回路構成を周辺構成とともに示す図である。 図５の変形例である。 アナログ信号として測温抵抗体からのアナログ電圧が入力される場合における図２の検出回路の回路構成の一例を周辺構成とともに示す図である。 アナログ信号として測温抵抗体からのアナログ電圧が入力される場合における図２の検出回路の回路構成の他の例を周辺構成とともに示す図である。 アナログ信号として測温抵抗体からのアナログ電圧が入力される場合における図２の検出回路の回路構成の他の例を周辺構成とともに示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず図１を参照して、本開示の少なくとも一実施形態に係るアナログ入力モジュールを備える制御システム１の全体構成について説明する。図１は一実施形態に係る制御システム１の全体構成を示す概略図である。

制御システム１は、プラント設備等である制御対象３を制御するための分散制御システム（ＤＣＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）である。制御システム１は、制御対象３に含まれるセンサ等の計器からの入力信号Ｓｉを取得し、当該取得した入力信号Ｓｉを用いて各種演算処理を実施し、その演算結果に基づいた制御信号である出力信号Ｓｏを制御対象３に送信することにより、制御対象３の制御を実施するためのシステムである。

制御システム１は、入出力モジュール２、ＭＰＳ４、ＥＭＳ６、ＯＰＣ８、及び、ＡＣＳ１０を備える。これらの構成要素は、通信ネットワーク１２を介して互いに通信することにより、協働して制御対象３を制御可能である。これらの制御システム１の各構成要素は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えるコンピュータ等の電子演算装置によって構成される。

入出力モジュール２は、制御対象３とＭＰＳ４との間で入力信号Ｓｉ及び出力信号Ｓｏの入出力を行うためのインターフェイス機器である。入出力モジュール２は、アナログ信号又はデジタル信号を含む入力信号Ｓｉ及び出力信号Ｓｏの入出力が可能であり、図１では、入出力モジュール２の幾つかの構成要素として、入力信号Ｓｉとして制御対象３からのアナログ信号Ｓａが入力可能なアナログ入力モジュール１４と、入出力モジュール２を介して入出力される各種データ（入力信号Ｓｉ又は出力信号Ｓｏ）をＭＰＳ４との間で通信するための入出力アダプタ１６とが示されている。

アナログ入力モジュール１４の具体的構成については後述するが、入出力モジュール２は、入力信号Ｓｉに含まれるアナログ信号Ｓａの種類に応じて、少なくとも１つのアナログ入力モジュール１４を備える。図１では、入出力モジュール２が複数のアナログ入力モジュール１４を備える場合を例示しているが、入出力モジュール２が備えるアナログ入力モジュール１４の数は限定されない。

尚、図１では図示を省略しているが、入出力モジュール２は、前述のアナログ入力モジュール１４に加えて、制御対象３からの入力信号Ｓｉに含まれるデジタル信号を入力するためのデジタル入力モジュール、出力信号Ｓｏに含まれるアナログ信号を制御対象３に出力するためのアナログ出力モジュール、又は、出力信号Ｓｏに含まれるデジタル信号を制御対象３に出力するためのデジタル出力モジュールの少なくとも１つを備えてもよい。

ＭＰＳ４は、制御対象３の自動制御、及び、関連する各種演算処理を実施するための制御装置である。具体的には、ＭＰＳ４は、入出力モジュール２を介して制御対象３に含まれる計器等から取得した入力信号Ｓｉを用いて、所定の制御ロジックに基づく各種演算処理を行うことにより、制御対象３に制御信号として出力される出力信号Ｓｏを生成する。

ＥＭＳ６は、制御システム１におけるシステム構築及び保守管理を行うエンジニアリング機能を有するメンテナンス端末である。ＥＭＳ６は、ＭＰＳ４で実施される制御ロジックの構築作業や、当該制御ロジックで用いられる各種パラメータの設定作業を介して、制御システム１によって自動制御が適切に実施されるようにメンテナンスが可能である。

ＯＰＳ８は、オペレータが制御システム１の監視・操作を行うための端末である。ＯＰＳ８は、オペレータが制御システムの稼働状態を確認するためのディスプレイ等のモニタリング装置や、制御システム１を操作するための操作端末を含む。

ＡＣＳ１０は制御システム１で取り扱われる各種データの収集、及び、収集したデータに基づいて帳票作成を行うための端末である。

続いて入出力モジュール２が備えるアナログ入力モジュール１４の内部構成について説明する。図２は図１のアナログ入力モジュール１４の内部構成図である。

アナログ入力モジュール１４は、入力コネクタ１７と、検出回路１８と、ＭＣＵ（マイクロコントローラユニット）２０とを備える。

入力コネクタ１７は、制御対象３からのアナログ信号Ｓａが入力可能な入力端子２４を備える。本実施形態では特に、入力コネクタ１７は複数のチャンネルＣＨ１、ＣＨ２、・・・にそれぞれ対応する複数の入力端子２４を有する。各入力端子２４は、アナログ信号Ｓａの正側及び負側がそれぞれ入力可能な一対の正入力端子２４ａ及び負入力端子２４ｂを含み、それぞれ対応する検出回路１８の入力側に接続される。

検出回路１８は、入力端子２４に入力されたアナログ信号Ｓａを検出するための構成であり、入力端子２４に入力されたアナログ信号Ｓａを電圧信号として検出するための回路構成を有する。検出回路１８の回路構成は、アナログ信号Ｓａを検出用の電圧信号に変換するための回路素子を含む電気回路として構成され、アナログ信号Ｓａの種類に応じて切り替え可能に構成される。

またアナログ入力モジュール１４では、このような検出回路１８は、入力コネクタ１７が有する入力端子２４ごとに設けられる。すなわち、複数の検出回路１８では、入力コネクタ１７が有する各チャンネルＣＨ１、ＣＨ２、・・・に対して、制御対象３から入力される複数のアナログ信号Ｓａをそれぞれ検出可能である。これらの複数の検出回路１８は互いに同じ回路構成を有するため、以下の説明では、特定の１つの検出回路１８について代表的に述べる。

ＭＣＵ２０は、アナログ入力モジュール１４に搭載されるマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ：Micro Controller Unit）であり、機能的構成として、アナログ入力モジュール１４において検出回路１８で検出された電圧信号に基づいて、アナログ信号Ｓａの入力値を算出するための入力値算出部２６と、アナログ信号Ｓａの種類に応じて検出回路１８の回路構成を切り替えるための回路切替部２８を含む。

尚、図２では図示を省略しているが、入力値算出部２６は、検出回路１８で検出された電圧信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータや、検出回路１８で検出された電圧信号が微小な場合に当該電圧信号を増幅するための増幅回路を含む。また入力モジュール１４は、入力コネクタ１７やＭＣＵ２０に接続された絶縁電源３０に電力を供給するためのＤＣ／ＤＣ電源３２、ＭＰＳ４との間で各種データの送受信を含む通信を行うためのＳＰＩ通信絶縁部３４、及び、ＭＣＵ２０の上位制御ユニットであるＦＰＧＡ３６を備える。

回路切替部２８は、アナログ信号Ｓａの種類に基づいて、検出回路１８の回路構成を切り替えるための構成である。回路切替部２８は、アナログ入力モジュール１４にとって上位制御装置であるＭＰＳ４から受信する設定信号Ｓｓに基づいて検出回路１８における回路構成の切り替えを行う。具体的には、ＭＰＳ４からの設定信号Ｓｓは、まずＦＰＧＡ３６によって取得されることにより、ＦＰＧＡ３６において設定信号Ｓｓに応じて検出回路１８の切替を行うための制御信号が生成される。この制御信号は、ＦＰＧＡ３６からＳＰＩ通信絶縁部３４を介してＭＣＵ２０が備える回路切替部２８に送信されることにより、検出回路１８の回路構成の切替が実現される。このようにアナログ入力モジュール１４では、入力コネクタ１７が有する入力端子２４に入力されるアナログ信号Ｓａの種類に基づいて検出回路１８の回路構成が切り替えられることにより、共通のモジュール構成のもと、異なる種類のアナログ信号Ｓａの入力値の検出が可能である。

続いて、アナログ信号Ｓａの種類ごとに、アナログ入力モジュール１４が有する検出回路１８の回路構成の切替制御について具体的に説明する。まず図３を参照して、アナログ信号Ｓａとしてアナログ電流Ｉａが入力される場合における検出回路１８の回路構成について説明する。図３はアナログ信号Ｓａとしてアナログ電流Ｉａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成を周辺構成とともに示す図である。

図３に示す回路構成では、制御対象３に含まれる計測用機器によって計測されたアナログ電流Ｉａが、アナログ信号Ｓａとして、入力端子２４（正入力端子２４ａ及び負入力端子２４ｂ）を介して検出回路１８に入力される。図３では、図示をわかりやすくするために図２に示す入力コネクタ１７は省略されている。

この場合、回路切替部２８（図２を参照）は、ＭＰＳ４からの設定信号Ｓｓに基づいて、検出回路１８の回路構成を、アナログ電流Ｉａの入力値を取得するための回路構成に切り替える。具体的には、回路切替部２８は、スイッチＳＷ１及びＳＷ４をオン状態に切り替えるとともに、スイッチＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ５をオフ状態に切り替えることにより、入力端子２４から入力されたアナログ電流Ｉａが電流検知抵抗である第１抵抗Ｒ１を流れ、且つ、第１抵抗Ｒ１の両端の電位差Ｖ１が電圧信号として、ＭＣＵ２０の電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力されるように、検出回路１８の回路構成を切り替える。ＭＣＵ２０では、電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力された電圧信号に基づいて第１抵抗Ｒ１の両端の電位差Ｖ１を特定し、入力値算出部２６は、アナログ電流Ｉａの入力値を次式により算出する。
Ｉａ＝Ｖ１／Ｒ１ （１）

ここで検出回路１８に入力されるアナログ電流Ｉａが微小である場合、第１抵抗Ｒ１の両端間の電位差Ｖ１も微小となりＭＣＵ２０による検出精度が低下するおそれがある。そのため図３の回路構成では、ＭＣＵ２０が有するバイアス電圧出力端子ＩＢから第１抵抗Ｒ１に対してバイアス電流Ｉｂを出力するようになっている。このように検出回路１８に入力されるアナログ電流Ｉａが微小である場合には、第１抵抗Ｒ１にバイアス電流Ｉｂを供給することで第１抵抗Ｒ１の両端間の電位差Ｖ１をかさ上げして、ＭＣＵ２０による電位差Ｖ１の検出精度を向上させてもよい。

このようにアナログ入力モジュール１４に入力されるアナログ信号Ｓａがアナログ電流Ｉａである場合、図３に示すように検出回路１８の回路構成を切り替えることにより、アナログ入力モジュール１４においてアナログ電流Ｉａの入力値を好適に検出することができる。

続いて図４を参照して、アナログ信号Ｓａとしてアナログ電圧Ｖａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成について説明する。図４はアナログ信号Ｓａとしてアナログ電圧Ｖａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成を周辺構成とともに示す図である。

図４に示す実施形態では、制御対象３に含まれる計測用機器によって計測されたアナログ電圧Ｖａが、アナログ信号Ｓａとして、入力端子２４（正入力端子２４ａ及び負入力端子２４ｂ）を介して検出回路１８に入力される。図４では、図示をわかりやすくするために図１に示す入力コネクタ１７は省略されている。

この場合、回路切替部２８（図２を参照）は、ＭＰＳ４からの設定信号Ｓｓに基づいて、検出回路１８の回路構成を、アナログ電圧Ｖａの入力値を取得するための回路構成になるように切り替える。具体的には、回路切替部２８は、スイッチＳＷ２及びＳＷ４をオン状態に切り替えるとともに、スイッチＳＷ１、ＳＷ３及びＳＷ５をオフ状態に切り替えることにより、検出回路１８に入力されたアナログ電圧Ｖａが、第２抵抗Ｒ２及び第３抵抗Ｒ３を含む分圧回路３８に印加されるように、検出回路１８の回路構成が切り替えられる。そしてＭＣＵ２０の電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－には、分圧回路３８のうち第２抵抗Ｒ２の両端間における電位差Ｖ２が入力されるようになっている。ＭＣＵ２０では、電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力された電圧信号に基づいて第２抵抗Ｒ２の両端間の電位差Ｖ２を特定し、入力値算出部２６は、アナログ電圧Ｖａの入力値を次式により算出する。
Ｖａ＝Ｖ２×（Ｒ３＋Ｒ２）／Ｒ２ （２）

このようにアナログ入力モジュール１４に入力されるアナログ信号Ｓａがアナログ電圧Ｖａである場合、図４に示すように検出回路１８の回路構成を切り替えることにより、アナログ入力モジュール１４においてアナログ電圧Ｖａの入力値を好適に検出することができる。特に、アナログ電圧Ｖａを分圧回路３８を用いて分圧することでＭＣＵ２０によって検出する電圧信号を生成することで、アナログ電圧ＶａがＭＣＵ２０の検出可能なレンジを超える場合においても、アナログ電圧Ｖａの検出を好適に行うことができる。

続いて図５を参照して、アナログ信号Ｓａとして制御対象３に含まれる熱電対素子３ａからのアナログ電圧Ｖａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成について説明する。図５はアナログ信号Ｓａとして熱電対素子３ａからのアナログ電圧Ｖａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成を周辺構成とともに示す図である。

図５に示す実施形態では、制御対象３に含まれる熱電対素子３ａからのアナログ電圧Ｖａが、アナログ信号Ｓａとして、入力端子２４（正入力端子２４ａ及び負入力端子２４ｂ）を介して検出回路１８に入力される。図５では、図示をわかりやすくするために図１に示す入力コネクタ１７は省略されている。

この場合、回路切替部２８は、ＭＰＳ４からの設定信号Ｓｓに基づいて、検出回路１８の回路構成を、熱電対素子３ａからのアナログ電圧Ｖａの入力値を取得するための回路構成になるように切り替える。具体的には、回路切替部２８は、スイッチＳＷ３をオン状態、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４及びＳＷ５をオフ状態に切り替えることにより、入力端子２４から入力されたアナログ電圧Ｖａが電圧信号として、ＭＣＵ２０の電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力されるように、検出回路１８の回路構成を切り替える。ＭＣＵ２０では、電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力された電圧信号に基づいてアナログ電圧Ｖａの入力値が検出される。

入力値算出部２６は、このように検出されるアナログ電圧Ｖａに基づいて、温度計測値を算出してもよい。この場合、アナログ電圧Ｖａと温度計測値との関係を示すテーブルを予めメモリ等の記憶手段に記憶しており、ＭＣＵ２０で検出されたアナログ電圧Ｖａを当該テーブルに照らし合わせることにより、温度検出値を算出することができる。

ここで熱電対素子３ａからのアナログ電圧Ｖａは一般的に微小であるため、検出回路１８は、図４を参照して前述した実施形態のように分圧回路３８で分圧されることなく、直接的にＭＣＵ２０の電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力される。またＭＣＵ２０では、電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力されたアナログ電圧Ｖａが許容範囲を下回る程度に微小である場合には、ＭＣＵ２０に内蔵された不図示の増幅回路によって、アナログ電圧Ｖａを増幅してもよい。この場合、入力値算出部２６は、増幅後のアナログ電圧Ｖａと温度検出値との関係を示すテーブルを予めメモリ等の記憶手段に記憶しており、アナログ電圧Ｖａを増幅した結果を当該テーブルに照らし合わせることにより、温度検出値を算出してもよい。

また本回路構成では、入力端子２４と熱電対素子３ａとの間を接続する配線４０に断線が生じた場合に、入力値算出部２６で算出される温度計測値が高温側に固定されるように（すなわち断線時にバーンアップ動作になるように）、暗電流出力端子ＩＤ１から正入力端子２４ａに対して暗電流Ｉｄ１が供給される。具体的には、暗電流Ｉｄ１が流れる経路上には第６抵抗Ｒ６が配置されており、配線４０に断線が生じた場合には、正入力端子２４ａには、所定の電圧（ＭＣＵ２０の電源電圧が第６抵抗Ｒ６によってプルアップされた電圧）が印加される。これにより、配線４０に断線が生じた場合には入力値算出部２６で算出される温度計測値が高温側に固定されることで、制御状態が不安定になることを好適に防止できる。

図６は図５の変形例である。図６に示す変形例では、図５と同様に、検出回路１８の回路構成によって、熱電対素子３ａからのアナログ電圧Ｖａを好適に検出可能であるが、入力端子２４と熱電対素子３ａとの間を接続する配線４０に断線が生じた場合に、入力値算出部２６で算出される温度計測値が低温側に固定されるように（すなわち断線時にバーンダウン動作になるように）、暗電流出力端子ＩＤ２から負入力端子２４ｂに対して暗電流Ｉｄ２が供給される。具体的には、暗電流Ｉｄ２が流れる経路上には第７抵抗Ｒ７が配置されており、配線４０に断線が生じた場合には、負入力端子２４ｂには、所定の電圧（ＭＣＵ２０の電源電圧が第７抵抗Ｒ７によってプルアップされた電圧）が印加される。これにより、配線４０に断線が生じた場合には入力値算出部２６で算出される温度計測値が低温側に固定されることで、制御状態が不安定になることを好適に防止できる。

続いて図７を参照して、アナログ信号Ｓａとして、制御対象３に含まれる測温抵抗体３ｂからのアナログ電圧Ｖａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成について説明する。図７はアナログ信号Ｓａとして測温抵抗体３ｂからのアナログ電圧Ｖａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成の一例を周辺構成とともに示す図である。

図７に示す実施形態では、制御対象３に含まれる測温抵抗体３ｂからのアナログ電圧Ｖａが、アナログ信号Ｓａとして、入力端子２４（正入力端子２４ａ及び負入力端子２４ｂ）を介して検出回路１８に入力される。図７では、図示をわかりやすくするために図１に示す入力コネクタ１７は省略されている。尚、この測温抵抗体３ｂは、例えば、図５及び図６に示される熱電対素子３ａの温度検出値に対する冷接点補償用の周囲温度計測用として使用されてもよい。

この場合、回路切替部２８（図２を参照）は、ＭＰＳ４からの設定信号Ｓｓに基づいて、検出回路１８の回路構成を、測温抵抗体３ｂに対して所定のセンス電流Ｉｓ１を印加するとともに、測温抵抗体３ｂの両端間の電位差Ｖ４を電圧信号として検出するための回路構成になるように切り替える。具体的には、回路切替部２８は、スイッチＳＷ３及びＳＷ４をオン状態に切り替えるとともに、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ５をオフ状態に切り替えることにより、測温抵抗体３ｂに対して、センス電流出力端子ＩＳ１からセンス電流Ｉｓ１を印加するとともに、その際に、測温抵抗体３ｂの両端の電位差Ｖ４がＭＣＵ２０の電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力されるように、検出回路１８の回路構成が切り替えられる。ＭＣＵ２０の入力値算出部２６では、電圧検出用端子Ｖ－と接地電位との間の電位差（センス電流計測用電圧Ｖｓ）及び第４抵抗Ｒ４に基づいてセンス電流Ｉｓ１の実測値を次式により算出する。
Ｉｓ１＝Ｖｓ／Ｒ４ （３－１）
そして入力値算出部２６は、電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力された電位差Ｖ４、及び、上記（３－１）式を用いて、測温抵抗体３ｂの抵抗値ＲＴＤを次式により算出する。
ＲＴＤ＝Ｖ４／Ｉｓ１ （３－２）

また入力値算出部２６は、測温抵抗体３ｂの抵抗値ＲＴＤと温度測定値との関係を示すテーブルを予めメモリ等の記憶手段に記憶しており、上式で算出された抵抗値ＲＴＤの実測値を当該テーブルに照らし合わせることにより、測温抵抗体３ｂの温度測定値を算出する。このように算出された測温抵抗体３ｂの温度測定値は、前述のように熱電対素子３ａの冷接点補償用の周囲温度値として利用可能である。本実施形態のように検出回路１８の回路構成を切り替えることで、アナログ入力モジュール１４は、いわゆる２線方式を用いた測温抵抗体３ｂの温度計測値を好適に得ることができる。

続いて図８はアナログ信号Ｓａとして測温抵抗体３ｂからのアナログ電圧Ｖａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成の他の例を周辺構成とともに示す図である。図８に示す構成例では、測温抵抗体３ｂに対して、入力コネクタ１７が有する２つのチャンネル（第１チャンネルＣＨ１及び第２チャンネルＣＨ２）が４線方式で接続されており、測温抵抗体３ｂとの間の各配線に、所定の配線抵抗ｒが存在している。この場合、第１チャンネルＣＨ１のＭＣＵ２０と、第２チャンネルＣＨ２のＭＣＵ２０とは互いに協働することにより、測温抵抗体３ｂの温度計測値を検出することができる。

この回路構成では、第１チャンネルＣＨ１に対応する検出回路１８Ａの回路構成は、測温抵抗体３ｂに対して、センス電流出力端子ＩＳ２からセンス電流Ｉｓ２を印加するとともに、当該センス電流Ｉｓ２の実測値を計測するように切り替えられる。具体的には、検出回路１８Ａでは、スイッチＳＷ４がオン状態に切り替えられるとともに、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ５がオフ状態に切り替えられることにより、センス電流出力端子ＩＳ２から測温抵抗体３ｂに対してセンス電流Ｉｓ２が供給される。入力値算出部２６は、電圧検出用端子Ｖ－に入力された電圧値（センス電流計測用電圧Ｖｓ）及び第４抵抗Ｒ４を用いて、センス電流Ｉｓ２の実測値を次式により算出する。
Ｉｓ２＝Ｖｓ／Ｒ４ （４－１）

一方の第２チャンネルＣＨ２に対応する検出回路１８Ｂの回路構成は、測温抵抗体３ｂの両端間の電位差Ｖ５を電圧信号として検出するように切り替えられる。具体的には、回路切替部２８は、測温抵抗体３ｂの両端の電位差Ｖ５がＭＣＵ２０の電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力されるように、スイッチＳＷ３及びＳＷ４をオン状態に切り替えるとともに、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ５をオフ状態に切り替える。

前述のように第１チャンネルＣＨ１で検出されたセンス電流Ｉｓ２、及び、第２チャンネルＣＨ２で検出された電位差Ｖ５は、ＦＰＧＡ３６（図２を参照）を介して、第１チャンネルＣＨ１及び第２チャンネルＣＨ２のＭＣＵ２０によって互いに共有され、少なくとも一方のＭＣＵ２０内の入力値算出部２６において、測温抵抗体３ｂの抵抗値ＲＴＤが次式により求められる。
ＲＴＤ＝Ｖ５／Ｉｓ２ （４－２）

また少なくとも一方のＭＣＵ２０内の入力値算出部２６は、測温抵抗体３ｂの抵抗値ＲＴＤと温度測定値との関係を示すテーブルを予めメモリ等の記憶手段に記憶しており、上式で算出された抵抗値ＲＴＤの実測値を当該テーブルに照らし合わせることにより、測温抵抗体３ｂの温度測定値を算出することができる。このように算出された測温抵抗体３ｂの温度検出値は、前述のように熱電対素子３ａの冷接点補償用の周囲温度値として利用可能である。

尚、第２チャンネルＣＨ２では、ＭＣＵ２０のバイアス電流出力端子ＩＢから第４抵抗Ｒ４に対してバイアス電流Ｉｂを供給してもよい。これにより、第２チャンネルＣＨ２において検出回路１８に入力されるアナログ電圧Ｖａが微小である場合においても、第４抵抗Ｒ４にバイアス電流Ｉｂを供給することで、電圧検出用端子Ｖ＋、Ｖ－に入力される電位差Ｖ５をかさ上げして、ＭＣＵ２０による検出精度を向上させてもよい。

図８に示す実施形態では、このように第２チャンネルＣＨ２側にセンス電流Ｉｓ２が流れない回路構成となるため、各配線が有する配線抵抗ｒによる電圧降下の影響を受けない。そのため、測温抵抗体３ｂとの間に接続される配線が長い場合においても、精度のよい測温抵抗体３ｂの抵抗値ＲＴＤの検出が可能である。

続いて図９はアナログ信号Ｓａとして測温抵抗体３ｂからのアナログ電圧Ｖａが入力される場合における図２の検出回路１８の回路構成の他の例を周辺構成とともに示す図である。図９に示す構成例では、測温抵抗体３ｂに対して、入力コネクタ１７が有する２つのチャンネル（第１チャンネルＣＨ１及び第２チャンネルＣＨ２）が３線方式で接続される。

この構成例では、第１チャンネルＣＨ１に対応する検出回路１８Ａの回路構成は、測温抵抗体３ｂに対して、センス電流出力端子ＩＳ２からセンス電流Ｉｓ３を印加するとともに、当該センス電流Ｉｓ３によって測温抵抗体３ｂの両端間に生じる電位差Ｖ６（測温抵抗体３ｂと正入力端子２４ａとの間の配線抵抗ｒ、及び、測温抵抗体３ｂと負入力端子２４ｂとの間の配線抵抗ｒによる電圧降下を含む）を計測するように切り替えられる。具体的には、スイッチＳＷ３及びＳＷ４がオン状態に切り替えられるとともに、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ５がオフ状態に切り替えられることにより、センス電流出力端子ＩＳ３から測温抵抗体３ｂに対してセンス電流Ｉｓ３が供給される。このとき第１チャンネルＣＨ１の電圧検出用端子Ｖ＋及びＶ－間の電位差Ｖ６は、測温抵抗体３ｂの抵抗値ＲＴＤ、配線抵抗ｒ、センス電流Ｉｓ３を用いて次式で表される。
Ｖ６＝（ＲＴＤ＋ｒ＋ｒ）×Ｉｓ３ （５－１）

一方の第２チャンネルＣＨ２に対応する検出回路１８Ｂの回路構成は、測温抵抗体３ｂの両端間に生じる電位差Ｖ７（測温抵抗体３ｂと正入力端子２４ａとの間の配線抵抗ｒによる電圧降下を含む）を計測するように切り替えられる。具体的には、スイッチＳＷ３及びＳＷ４がオン状態に切り替えられるとともに、スイッチＳＷ３及びＳＷ４がオン状態に切り替えられるとともに、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ５がオフ状態に切り替えられる。このとき第２チャンネルＣＨ２の電圧検出用端子Ｖ＋及びＶ－間の電位差Ｖ７は、測温抵抗体３ｂの抵抗値ＲＴＤ、配線抵抗ｒ、センス電流Ｉｓ３を用いて次式で表される。
Ｖ７＝（ＲＴＤ＋ｒ）×Ｉｓ３ （５－２）

そして入力値算出部２６は、上記（５－１）式及び（５－２）式を用いて次式のように配線抵抗ｒの項をキャンセルする。
２Ｖ７―Ｖ６＝ＲＴＤ×Ｉｓ３ （５－３）
この式を変形することにより、測温抵抗体３ｂの抵抗値ＲＴＤは次式により算出される。
ＲＴＤ＝（２Ｖ２―Ｖ１）／Ｉｓ３ （５－４）

このように図９に示す実施形態では、各チャンネルの配線ケーブルによって生じる配線抵抗による電圧降下の影響を排除することにより、３線方式によって精度のよい測温抵抗体の抵抗値ＲＴＤの検出が可能である。

その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）一態様に係るアナログ入力モジュールは、
制御対象から入力されるアナログ信号を検出するための複数のチャンネルを有するアナログ入力モジュールであって、
前記複数のチャンネルの各々は、
前記アナログ信号が入力可能な入力端子と、
前記入力端子に入力された前記アナログ信号を電圧信号として検出するための検出回路と、
前記検出回路で検出された前記電圧信号に基づいて、前記アナログ信号の入力値を算出するための入力値算出部と、
前記アナログ信号の種類に基づいて、前記検出回路の回路構成を切り替えるための回路切替部と、
を備え、
前記回路切替部は、前記複数のチャンネルの前記入力値算出部でそれぞれ算出された前記入力値を用いて演算処理を行う演算装置から受信する設定信号に基づいて前記回路構成を切り替える。

上記（１）の態様によれば、アナログ入出力モジュールが有する複数のチャンネルの各々では、入力端子に入力されるアナログ信号の種類に基づいて検出回路の回路構成が切り替えられることにより、入力端子に入力されるアナログ信号が電圧信号として検出される。検出回路で検出された電圧信号はアナログ信号の入力値に換算される。このように検出回路の回路構成を切り替えることで、共通のモジュール構成のもと、異なる種類のアナログ信号の入力値を検出可能なアナログ入力モジュールを実現できる。
また、各チャンネルにおける検出回路の回路構成の切替は、各チャンネルの入出力算出部でそれぞれ算出された入力値を用いて演算処理を行う演算装置から受信する設定信号に基づいて行われる。すなわち、アナログ入力モジュールの各チャンネルで検出されたアナログ信号の入力値を用いて演算処理を行う上位の演算装置によって指定されるアナログ信号の種類に対応するように、検出回路の回路構成が切り替えられる。これにより、演算装置で実施される演算処理に必要なアナログ信号の入力値の検出に適した回路構成の切替が可能となる。

（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
前記複数のチャンネルは、前記アナログ信号を互いに独立して検出可能な複数の前記検出回路をそれぞれ含む。

上記（２）の態様によれば、アナログ入力モジュールが有する各チャンネルの検出回路では、それぞれに入力されるアナログ信号に対応して回路構成が切り替えられることで、互いに独立してアナログ信号の入力値を検出可能である。

（３）他の態様では、上記（１）又は（２）の態様において、
前記回路切替部は、前記アナログ信号がアナログ電流である場合、前記アナログ電流が前記電圧信号として検出されるように前記回路構成を切り替える。

上記（３）の態様によれば、入力端子に入力されるアナログ電流が電圧信号として検出されるように検出回路の回路構成を切り替えることにより、入力端子に入力されるアナログ電流の入力値を好適に検出することができる。

（４）他の態様では、上記（１）から（３）のいずれか一態様において、
前記回路切替部は、前記アナログ信号がアナログ電圧である場合、前記電圧信号が前記回路構成の許容電圧以下になるように前記アナログ電圧を分圧するための分圧回路を含むように前記回路構成を切り替える。

上記（４）の態様によれば、入力端子に入力されるアナログ電圧が分圧回路によって許容電圧以下に分圧された電圧信号として検出されるように検出回路の回路構成を切り替えることにより、入力端子に入力されるアナログ電圧の入力値を好適に検出することができる。

（５）他の態様では、上記（１）から（４）のいずれか一態様において、
前記回路切替部は、前記アナログ信号が熱電対素子からのアナログ電圧である場合、前記アナログ電圧を前記電圧信号に増幅するための増幅回路が含まれるように前記回路構成を切り替える。

上記（５）の態様によれば、入力端子に入力される熱電対素子からのアナログ電圧が微小な場合であっても、アナログ電圧を増幅回路によって増幅された電圧信号として検出することで、入力端子に入力されるアナログ電圧に基づいて熱電対素子によって測定される温度の入力値を好適に検出できる。

（６）他の態様では、上記（５）の態様において、
前記回路切替部は、前記熱電対素子との間の配線に断線が生じた場合に、前記電圧信号が所定電圧に固定的に設定されるように前記回路構成を切り替える。

上記（６）の態様によれば、検出回路の回路構成は、熱電対素子との間の配線に断線が生じた場合に、電圧信号が所定電圧に固定的に設定されるように切り替えられる。これにより、津尾外配線に断線が生じることにより熱電対素子によって測定される温度の検出が不能な状態に陥った場合においても、制御状態が不安定化することを好適に防止できる。

（７）他の態様では、上記（１）から（６）のいずれか一態様において、
前記回路切替部は、前記入力端子を介して測温抵抗体にセンス電流が印加された際に前記センス電流が流れる抵抗の両端間の電位差、及び、前記測温抵抗体の両端間の電位差が前記アナログ信号として入力されるように、前記回路構成を切り替える。

上記（７）の態様によれば、入力端子に接続される測温抵抗体の抵抗値を２線方式で検出することができる。具体的には、検出回路の回路構成を切り替えることにより、入力端子を介して測温抵抗体にセンス電流を印加した際に、センス電流が流れる抵抗の両端間の電位差、及び、測温抵抗体の両端間に生じる電位差を検出する。これにより、抵抗の両端間の電位差から算出可能なセンス電流と測温抵抗体の両端間の電位差とに基づいて測温抵抗体の抵抗値を好適に検出できる。

（８）他の態様では、上記（１）から（７）のいずれか一態様において、
前記複数のチャンネルは、互いに独立的に前記アナログ信号を検出可能な第１チャンネル及び第２チャンネルにそれぞれ対応する前記検出回路を含み、
前記回路切替部は、
前記第１チャンネルに対応する前記検出回路において、前記入力端子に接続された測温抵抗体にセンス電流が印加された際に前記センス電流が流れる抵抗の両端間の電位差を検出するように前記回路構成を切り替えるとともに、
前記第２チャンネルに対応する前記検出回路において、前記測温抵抗体の両端間の電位差を検出するように前記回路構成を切り替え、
前記入力値算出部は、前記抵抗の両端間の電位差に基づいて算出される前記センス電流、及び、前記測温抵抗体の両端間の電位差に基づいて、前記測温抵抗体の抵抗値を算出する。

上記（８）の態様によれば、第１チャンネルに対応する検出回路において、測温抵抗体にセンス電流を印加するとともに、第２チャンネルに対応する検出回路において、センス電流が流れる抵抗の両端間の電位差、及び、測温抵抗体の両端間の電位差を検出する。これにより、抵抗の両端間の電位差から算出されるセンス電流と、測温抵抗体の両端間の電位差とに基づいて、４線方式において測温抵抗体の抵抗値を好適に算出できる。

（９）他の態様では、上記（１）から（８）のいずれか一態様において、
前記複数のチャンネルは、互いに独立的に前記アナログ信号を検出可能な第１チャンネル及び第２チャンネルにそれぞれ対応する前記検出回路を含み、
前記回路切替部は、
前記第１チャンネルに対応する前記検出回路において、前記入力端子に接続された測温抵抗体にセンス電流が印加された際に前記センス電流が流れる抵抗の両端間の電位差、及び、前記測温抵抗体の両端間の第１電位差を検出するように前記回路構成を切り替えるとともに、
前記第２チャンネルに対応する前記検出回路において、前記測温抵抗体の両端間の第２電位差を検出するように前記回路構成を切り替え、
前記入力値算出部は、前記抵抗の両端間の電位差に基づいて算出される前記センス電流、前記第１電位差、及び、前記第２電位差に基づいて、前記測温抵抗体の抵抗値を算出する。

上記（９）の態様によれば、第１チャンネルに対応する検出回路において、測温抵抗体にセンス電流を印加するとともに第１電位差を検出し、第２チャンネルに対応する検出回路において、測温抵抗体の両端間の第２電位差を検出する。これにより、センス電流、第１電位差及び第２電位差に基づいて、３線方式において測温抵抗体の抵抗値を好適に算出できる。

（１０）一態様に係る制御システムは、
上記（１）から（９）のいずれか一態様に係るアナログ入力モジュールと、
前記演算装置と、
を備える。

上記（１０）の態様によれば、アナログ入力モジュールによって検出されたアナログ信号の入力値を用いて演算処理を行うことで、制御対象を好適に制御可能な制御システムを実現できる。

１ 制御システム
２ 入出力モジュール
３ 制御対象
３ａ 熱電対素子
１２ 通信ネットワーク
１４ アナログ入力モジュール
１６ 入出力アダプタ
１７ 入力コネクタ
１８ 検出回路
２０ ＭＣＵ
２４ 入力端子
２４ａ 正入力端子
２４ｂ 負入力端子
２６ 入力値算出部
２８ 回路切替部
３０ 絶縁電源
３２ ＤＣ／ＤＣ電源
３４ ＳＰＩ通信絶縁部
３８ 分圧回路

Claims (10)

1. 制御対象から入力されるアナログ信号を検出するための複数のチャンネルを有するアナログ入力モジュールであって、
   前記複数のチャンネルの各々は、
   前記アナログ信号が入力可能な入力端子と、
   前記入力端子に入力された前記アナログ信号を電圧信号として検出するための検出回路と、
   前記検出回路で検出された前記電圧信号に基づいて、前記アナログ信号の入力値を算出するための入力値算出部と、
   前記アナログ信号の種類に基づいて、前記検出回路の回路構成を切り替えるための回路切替部と、
   を備え、
   前記回路切替部は、前記複数のチャンネルの前記入力値算出部でそれぞれ算出された前記入力値を用いて演算処理を行う演算装置から受信する設定信号に基づいて前記回路構成を切り替える、アナログ入力モジュール。
2. 前記複数のチャンネルは、前記アナログ信号を互いに独立して検出可能な複数の前記検出回路をそれぞれ含む、請求項１に記載のアナログ入力モジュール。
3. 前記回路切替部は、前記アナログ信号がアナログ電流である場合、前記アナログ電流が前記電圧信号として検出されるように前記回路構成を切り替える、請求項１又は２に記載のアナログ入力モジュール。
4. 前記回路切替部は、前記アナログ信号がアナログ電圧である場合、前記電圧信号が前記回路構成の許容電圧以下になるように前記アナログ電圧を分圧するための分圧回路を含むように前記回路構成を切り替える、請求項１又は２に記載のアナログ入力モジュール。
5. 前記回路切替部は、前記アナログ信号が熱電対素子からのアナログ電圧である場合、前記アナログ電圧を前記電圧信号に増幅するための増幅回路が含まれるように前記回路構成を切り替える、請求項１又は２に記載のアナログ入力モジュール。
6. 前記回路切替部は、前記熱電対素子との間の配線に断線が生じた場合に、前記電圧信号が所定電圧に固定的に設定されるように前記回路構成を切り替える、請求項５に記載のアナログ入力モジュール。
7. 前記回路切替部は、前記入力端子を介して測温抵抗体にセンス電流が印加された際に前記センス電流が流れる抵抗の両端間の電位差、及び、前記測温抵抗体の両端間の電位差が前記アナログ信号として入力されるように、前記回路構成を切り替える、請求項１又は２に記載のアナログ入力モジュール。
8. 前記複数のチャンネルは、互いに独立的に前記アナログ信号を検出可能な第１チャンネル及び第２チャンネルにそれぞれ対応する前記検出回路を含み、
   前記回路切替部は、
   前記第１チャンネルに対応する前記検出回路において、前記入力端子に接続された測温抵抗体にセンス電流が印加された際に前記センス電流が流れる抵抗の両端間の電位差を検出するように前記回路構成を切り替えるとともに、
   前記第２チャンネルに対応する前記検出回路において、前記測温抵抗体の両端間の電位差を検出するように前記回路構成を切り替え、
   前記入力値算出部は、前記抵抗の両端間の電位差に基づいて算出される前記センス電流、及び、前記測温抵抗体の両端間の電位差に基づいて、前記測温抵抗体の抵抗値を算出する、請求項１又は２に記載のアナログ入力モジュール。
9. 前記複数のチャンネルは、互いに独立的に前記アナログ信号を検出可能な第１チャンネル及び第２チャンネルにそれぞれ対応する前記検出回路を含み、
   前記回路切替部は、
   前記第１チャンネルに対応する前記検出回路において、前記入力端子に接続された測温抵抗体にセンス電流が印加された際に前記センス電流が流れる抵抗の両端間の電位差、及び、前記測温抵抗体の両端間の第１電位差を検出するように前記回路構成を切り替えるとともに、
   前記第２チャンネルに対応する前記検出回路において、前記測温抵抗体の両端間の第２電位差を検出するように前記回路構成を切り替え、
   前記入力値算出部は、前記抵抗の両端間の電位差に基づいて算出される前記センス電流、前記第１電位差、及び、前記第２電位差に基づいて、前記測温抵抗体の抵抗値を算出する、請求項１又は２に記載のアナログ入力モジュール。
10. 請求項１又は２に記載のアナログ入力モジュールと、
    前記演算装置と、
    を備える、制御システム。