JP2005210802A - 電子機器用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器用電源システムについて、既存の電源装置をそのまま利用して低コストな電源装置監視機能の実現できるようにする。
【解決手段】電源装置２から給電装置１を介して電子機器３へ電源を供給するようになっている電子機器用電源システムについて、電源装置の状態に関する監視データを収集する電源監視機能部５を記給電装置に設けるとともに、その電源監視機能部で得られる監視データを処理する監視データ処理装置４を設けるようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば各種プラントにおけるプラント設備の制御などに用いられている電子機器に電源電圧を供給する電子機器用電源システムに関する。

プラントなどで用いられている電子制御機器などの電子機器へ電源電圧を供給する電子機器用電源システムは、商用電源から電子機器用の例えば５ボルトといった電源電圧を電源装置により生成する。そしてこの電源電圧は、ノイズ除去や過電流防止などの役目を負っている給電装置を介して電子機器に供給される。

プラントなどにおいては、電子機器、特に制御用の電子機器の電源にトラブルを生じると甚大な影響をもたらす可能性がある。このため電子機器用電源システムについては、電源装置の状態を監視して異常を検出したり、電源装置の有寿命部品の残存寿命を予測したりすることにより、的確な予防保全や異常発生時の迅速な復旧をなせるようにし、電子機器へのより安定で効率のよい給電をなせるようにすることが重要である。

このようなことから、電源装置内部の監視回路により平滑コンデンサの温度やリップル電流を計測して異常状態の検出や寿命予測を行い、その結果を表示する技術が提案されている（例えば特許文献１）。また電解コンデンサの温度、電源装置のオン・オフ回数、出力負荷状態などを電源装置内部で計測し、電源装置から出力されたデータをもとにして上位の計算機が電源の寿命を予測演算する方法も提案されている（例えば特許文献２）。

特開平１１‐３５６０３６号公報 特開平２００３-７５４９２号公報

電子機器用電源システムの電源装置についてその状態を監視して予防保全などに役立てるという考え方は上記特許文献１や特許文献２の例のように、既に多く提案されている。しかし実際にはそのような電源監視機能の電子機器用電源システムへの導入はほとんど普及していない。これについては、従来の電源監視系が何れも電源装置に直接組み込む構成であり、そのためにコスト的負担が大きくなり過ぎるということが主な理由となっていたと考えられる。すなわち監視系を電源装置に組み込む場合には、電源装置が商用電源を扱う強電系でもあり、この強電系に監視系のような弱電系を組み込むことになるのでコスト高になる。そして既存の電子機器用電源システムに電源監視機能を導入するには、既存の高価な電源装置をさらに高価な監視機能付き電源装置に交換する必要があり、コスト的負担が大きくなり過ぎる。またこのコスト負担に関連して、従来の監視系は有寿命部品の残存寿命を予測する程度にとどまっており、コスト対機能性という点で不十分なものがあったことも電源監視機能の導入普及を妨げる原因になっていたと考えられる。

本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、例えば既存の電源装置をそのまま利用し、低コストで電源装置監視機能の実現を可能とする電子機器用電源システムの提供を目的とし、また機能性のより高い電源装置監視を可能とする電子機器用電源システムの提供も目的としている。

上記目的のために本発明では、電源装置から給電装置を介して電子機器へ電源を供給するようになっている電子機器用電源システムにおいて、前記電源装置の状態に関する監視データを収集する電源監視機能部が前記給電装置に設けられるとともに、前記電源監視機能部で得られる監視データを処理する監視データ処理装置が設けられていることを特徴としている。

また本発明では上記のような電子機器用電源システムについて、前記電源監視機能部に、前記電源装置から前記電子機器に供給される電源電圧の監視データを収集する電圧監視部、前記電源装置から前記電子機器に流れる電流の監視データを収集する電流監視部、および前記電源装置における温度雰囲気の監視データを収集する温度監視部を設け、そして前記各監視部で得られた各監視データを所定のサンプリング数量ごとに前記監視データ処理装置に送出できるようにしている。

また本発明では上記のような電子機器用電源システムについて、前記電圧、電流、温度の各監視部それぞれにおける各監視データから前記電圧、電流、温度それぞれの状態についての異常を検出する異常検出部、および前記異常検出部が異常を検出した際に、その異常検出時点からの所定サンプリング数量の異常検出データを蓄積する異常検出データ蓄積部をさらに設けるものとしている。

また本発明では上記のような電子機器用電源システムについて、前記監視データ処理装置に、前記電源装置に対する負荷状態を判断するのに用いられる運転支援データを前記監視データに基づいて作成させるようにしている。

また本発明では上記のような電子機器用電源システムについて、前記監視データ処理装置に、前記電源装置の残存寿命ないし前記電源装置における有寿命部品の残存寿命に関する予防保全データを前記監視データに基づいて作成させるようにしている。

また本発明では上記のような電子機器用電源システムについて、前記監視データ処理装置に、前記監視データ処理装置は、前記異常検出データに基づいて前記電圧、電流、温度それぞれの状態についての異常を解析した異常解析データを作成させるようにしている。

本発明では電源監視機能部を給電装置に設けるようにしている。給電装置は、電源装置による電源電圧からノイズを除去する機能や電子機器に過電流が流れるのを防止するなどの機能を負っており、比較的簡単な回路からなる低コストな弱電系の装置であり、弱電系の電源監視機能部を組み込むにも低コストで済ませることができる。このため本発明によれば、例えば既存の電源装置をそのまま利用し、価格の安い給電装置を交換するだけで電源装置監視機能の実現することができ、したがって低コストで電源装置監視機能を実現することが可能となる。また本発明では、電源監視機能部で得られる監視データをもとに運転支援データや予防保全データあるいは異常解析データを作成させるようにしている。このため本発明によれば、機能性のより高い電源装置監視が可能となり、電源監視機能に関して、コスト対機能性を高めることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１に一実施形態による電子機器用電源システムの構成を示す。図に見られるように、電子機器用電源システムは、給電装置１と電源装置２を備えており、電源装置２からの電源電圧を、給電装置１を介して負荷（制御用電子機器など）３に供給するようになっている。また電子機器用電源システムは、後述する給電装置１の電源監視機能部で得られる監視データを処理する監視データ処理装置４を備えている。

電源装置２は、商用電源から例えば５ポルトといった負荷３用の電源電圧を生成させる。そのために電源装置２は種々の部品で構成されている。そしてその構成部品のなかには例えばアルミ電解コンデンサのような有寿命の部品が含まれている。したがって適切な時期にそれらの有寿命部品を交換することなどで、電源装置２にトラブルを招くようなこのないように予防保全すること必要である。

給電装置１は、電源装置２による電源電圧からノイズを除去する機能や負荷３に過電流が流れるのを防止するなどの機能を基本的機能として負っている。したがってこれらの機能のための回路を有しているが、その構成は既によく知られているものであるので図示を省略してある。

本発明では、このような基本的な機能を負った給電装置１に電源監視機能部として監視回路５を設けている。監視回路５は、電源装置２に関して電圧、電流および雰囲気温度についての監視データを収集する。そのために監視回路５には、電圧監視部として、電源装置２から負荷３に供給される電源電圧の電圧値を取り込む電源電圧入力回路６が設けられ、また電流監視部として、電源装置２から負荷３に供給される電源電圧の電流値を計測する電流センサ１１からの信号を取込む電流入力回路１２が設けられ、さらに温度監視部として、電源装置２の雰囲気温度（周囲温度）を計測する温度センサ１３からの信号を取込む温度センサ信号入力回路１４が設けられている。

これらの各入力回路からアナログ信号で取り込まれる監視データはＡ／Ｄ変換回路７で定周期にサンプリングされてデジタル信号に変換された後、一時記憶回路９に蓄積される。一時記憶回路９には一定サンプリング数量の監視データを蓄積できる容量が確保されている。そしてその容量を越えた場合には順次新しいデータに更新してゆくようにされている。

また監視回路５には、異常検出部として異常検出回路１６が設けられている。異常検出回路１６は、電源電圧入力回路６、電流入力回路１２および温度センサ信号入力回路１４それぞれが取込むアナログ信号を入力とし、その各入力信号のレベルを、電源装置２の定格などに基づいて予め設定してある基準値と比較して判定する。そして入力信号のレベルが基準値を超えた場合には異常検出信号１９を出力する。

異常検出信号１９が出力された場合には、その異常検出時の時刻データとともに異常検出時点から一定サンプル数量分の監視データを一時記憶回路９から異常検出データ蓄積部であるデータ蓄積回路１７に転送して異常検出データとして蓄積する。データ蓄積回路１７は、書込み可能な不揮発性メモリで構成されており、監視回路５の電源が停止しても蓄積データを保持できるようにされている。

ここで、異常検出信号１９が出力される状態では電源装置２が停止して監視回路５の電源が絶たれる場合も考えられる。そこで監視回路５には電源バックアップ回路１５を設け、電源装置２からの電源電圧の供給が途絶えても一定時間だけ監視回路５の動作を保証できるようにする。この電源バックアップ回路１５は、例えば大容量のコンデンサで構成することができる。

また監視回路５は通信回路１０を介してフィールドＬＡＮ１８に接続されている。そして一時記憶回路９とデータ蓄積回路１７それぞれに蓄積のデータは、フィールドＬＡＮ１８を経由して監視データ処理装置４により収集される。

また監視回路５には制御回路８が設けられており、以上のような信号サンプリング、Ａ／Ｄ変換、一時記憶回路９やデータ蓄積回路１７へのデータの蓄積および、その蓄積データの監視データ処理装置４への送出は、制御回路８によるそれらの動作タイミングの制御に下でなされるようにされている。

図２に、制御回路８による制御の下でなされる信号サンプリング動作の状態遷移を示す。定常動作においては、電圧、電流および温度の各信号対して、信号サンプリング（処理Ｓ１０１）、Ａ／Ｄ変換（処理Ｓ１０２）、一時記憶回路へ一時記憶（処理Ｓ１０３）の各動作を繰り返す。一方、異常検出時には、異常検出時点より一定サンプル数量分の信号サンプリング（処理Ｓ１０４）、Ａ／Ｄ変換（処理Ｓ１０５）、一時記憶回路９へ記憶（処理Ｓ１０６）の動作を繰り返し後、一時記憶回路９の蓄積データをデータ蓄積回路１７へ転送して異常検出時刻データとともに記録し（処理Ｓ１０７）、その後に定常動作状態に戻る。

以上のような電子機器用電源システムをプラントの制御系に適用する場合の構成例を図３に示す。図の例では、プラント２０に分散しているプロセス入出力装置２１に対応させて本発明による電子機器用電源システムを設ける例である。すなわちはプロセス入出力装置２１ごとに電源装置２と給電装置１が設けられ、電源装置２からの電源電圧が給電装置１を介してプロセス入出力装置２１に供給されるようになっている。

このような適用形態にあって、給電装置１は上述のような電源監視機能により電源装置２の状態を常時監視している。その監視で収集した監視データはフィールドＬＡＮ１８を経由して監視データ処理装置４に送られる。監視データ処理装置４は、その監視データをもとに、電圧、電流、温度それぞれの状態についての異常を解析した異常解析データ２２、電源装置２の残存寿命ないし電源装置２における有寿命部品の残存寿命に関する予防保全データ２３および電源装置２に対する負荷状態を判断するのに用いられる運転支援データ２４を作成する。そしてそれらのデータは、監視データ処理装置４に接続の表示装置２５に表示される。

図４に、運転支援データ２４の作成処理の例を示す。処理Ｓ２０１と処理Ｓ２０２において監視データ処理装置４は、定周期で給電装置１に対して電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔについての監視データの送信要求処理を行う。給電装置１は、送信要求を受けた時点で保有しているＶ、Ｉ、Ｔに関する監視データを送信し、処理Ｓ２０３において監視データ処理装置４がこれを受信する。ここで、各監視データの量は図１の一時記憶回路９が蓄積している最新データから過去ｎ回のサンプリングに対応した監視データとし、データ量は一定範囲で指定できるようにしておく。処理Ｓ２０４において、Ｖ、Ｉ、Ｔそれぞれの監視データについて指定したデータ量で平均値をとり、電圧、電流、温度の各物理量に変換し、収集した時刻データとともに記憶する。電力Ｐおよび負荷率Ｌのデータ作成では、ＶとＩそれぞれのデータの平均値を使用し、Ｐ＝Ｉ×Ｖ（Ｗ）、Ｌ＝（Ｐ／電源出力定格）×１００（％）として算出する。リップル電圧推定値Ｖｒｐの作成においては、電圧Ｖに対するｎ回のサンプリングデータの中からＶｒｐ＝最大値−最小値として算出する。これらのデータは各時刻における電源装置２の運転状態を示しており、処理Ｓ２０５において運転支援データ２４として編集され、表示装置２５の画面上に時系列で表示される。その運転支援データ２４は、例えば電源装置２の負荷を再配分して最適化するなどのための基礎データとして用いることができる。

図５に、予防保全データ２３として電源寿命データの作成処理の例を示す。電源装置２の寿命は内部に搭載された部品の寿命を計算することにより算出する。部品の寿命は、一般に使用条件による自己発熱と周囲温度による温度上昇に依存し、電源装置２における出力の負荷率の影響を受けることが考えられる。したがって例えばアルミ電解コンデンサなどの有寿命部品については、電源装置２の負荷率に応じた部品の温度上昇Ｔｂを予め測定しておき、電源装置２が実環境で動作している状態での電源装置２の周囲温度と負荷率を計測すれば、部品単品の温度上昇が推定でき、これから寿命予測が可能となる。データの作成手順としては、処理Ｓ３０１、Ｓ３０２において、運転支援データとして過去に計測した温度データＴおよび負荷率Ｌの累積から平均値Ｔａ、Ｌａを求める。処理Ｓ３０３では、負荷率をパラメータとする周囲温度対寿命特性に前記Ｔａ、Ｌａの値を代入して寿命Ａを算出する。周囲温度対寿命特性は負荷率に対する部品の温度上昇の測定データをもとに作成する。アルミ電解コンデンサの場合を例にとると、寿命は１０℃半減則に従うため、部品の温度上昇をＴｂ、電源装置２の周囲温度をＴａ、部品の寿命規定が１０５℃において２０００時間であった場合、「寿命Ａ＝２０００×２の（（１０５−Ｔａ−Ｔｂ）／１０）乗」となり、Ｔｂは負荷率に応じて変化することから、負荷率をパラメータとする周囲温度対寿命特性を作成することができる。そしてこの特性表に実動作状態における平均負荷率Ｌａと電源装置２の平均周囲温度を代入すると、現時点での寿命Ａを求めることが可能である。処理Ｓ３０４では電源装置２の残りの寿命を計算する。ここでは運転支援データから電源装置２の稼働時間の累積を求め、電源装置２の寿命残は、「寿命残＝寿命Ａ―稼働時間の累計」として求める。このようにして作成された予防保全データ２３は、電源装置２の予防保全を適切に実施するのに役立てられる。

図６に、異常解析データ２２の作成処理の例を示す。監視データ処理装置４は、処理Ｓ４０１、Ｓ４０２において給電装置１に対して異常検出データの送信要求を定周期で行う。異常検出データはデータ蓄積回路１７に異常検出時刻データとともに記憶されているため、処理Ｓ４０３、Ｓ４０４で受信したデータ内容を確認することにより、異常発生の有無を診断し、また異常が発生した場合にはその時刻を把握することができる。電源トリップなどにより給電装置１の監視回路５への給電が停止した場合においても、一定時間は電源バックアップ回路１５が動作するため、異常検出データの診断周期をバックアップ可能時間より短くしておけば、通信不能となる前に異常検出データの収集が可能である。異常検出時には、処理Ｓ４０５において検出日時を表示するとともに、異常検出時点からサンプリング間隔ごとの電圧Ｖと電流Ｉの過度的な変化をグラフ化し、異常解析データ２２として表示する。これにより、電源装置２の一時的な異常動作や不具合現象を正確にとらえることができ、不具合部位を迅速に診断してメンテナンスすることが可能となる。

本発明は、電子機器用電源システムについて低コストで電源装置監視機能を実現することが可能とし、また電源監視機能に関してコスト対機能性を高めることを可能とする。したがって本発明は、電子機器用電源システムへの電源監視機能導入の広い普及に大きく寄与することができる。

一実施形態による電子機器用電源システムの構成を示す図である。 信号サンプリング動作の状態遷移を示す図である。 図１の電子機器用電源システムをプラントの制御系に適用する場合の構成例を示す図である。 運転支援データの作成処理の例を示す図である。 予防保全データである電源寿命データの作成処理の例を示す図である。 異常解析データの作成処理例を示す図である。

符号の説明

１ -給電装置
２ 電源装置
３ 負荷
４ 監視データ処理装置
５ 監視回路（電源監視機能部）
６ 電源電圧入力回路（電圧監視部）
９ 一時記憶回路
１０ 通信回路
１２ 電流入力回路（電流監視部）
１４ 温度センサ信号入力回路（温度監視部）
１６ 異常検出回路（異常検出部）
１７ データ蓄積回路（異常検出データ蓄積部）
２２ 異常解析データ
２３ 予防保全データ
２４ 運転支援データ

Claims (6)

1. 電源装置から給電装置を介して電子機器へ電源を供給するようになっている電子機器用電源システムにおいて、
   前記電源装置の状態に関する監視データを収集する電源監視機能部が前記給電装置に設けられるとともに、前記電源監視機能部で得られる監視データを処理する監視データ処理装置が設けられていることを特徴とする電子機器用電源システム。
2. 前記電源監視機能部に、前記電源装置から前記電子機器に供給される電源電圧の監視データを収集する電圧監視部、前記電源装置から前記電子機器に流れる電流の監視データを収集する電流監視部、および前記電源装置における温度雰囲気の監視データを収集する温度監視部が設けられ、そして前記各監視部で得られた各監視データを所定のサンプリング数量ごとに前記監視データ処理装置に送出できるようにされている請求項１に記載の電子機器用電源システム。
3. 前記電圧、電流、温度の各監視部それぞれにおける各監視データから前記電圧、電流、温度それぞれの状態についての異常を検出する異常検出部、および前記異常検出部が異常を検出した際に、その異常検出時点からの所定サンプリング数量の異常検出データを蓄積する異常検出データ蓄積部がさらに設けられている請求項２に記載の電子機器用電源システム。
4. 前記監視データ処理装置は、前記電源装置に対する負荷状態を判断するのに用いられる運転支援データを前記監視データに基づいて作成するようにされている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電子機器用電源システム。
5. 前記監視データ処理装置は、前記電源装置の残存寿命ないし前記電源装置における有寿命部品の残存寿命に関する予防保全データを前記監視データに基づいて作成するようにされている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電子機器用電源システム。
6. 前記監視データ処理装置は、前記異常検出データに基づいて前記電圧、電流、温度それぞれの状態についての異常を解析した異常解析データを作成するようにされている請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の電子機器用電源システム。

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