JP2009168532A - 外部制御手段の信号状態診断装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く外部制御手段の信号状態診断を行うことができる、外部制御手段の信号状態診断装置を提供することが課題である。
【解決手段】トランス1次側に設けられた中間タップに接続され、外部制御手段のON/OFF信号により2次側に設けられた外部制御手段に駆動電力を送出させるスイッチ回路と、スイッチ回路に接続されて外部制御手段の駆動により前記トランス2次側に流れる電流に対応して流れる1次側電流を測定する手段とを有し、該電流測定手段の測定結果で前記外部制御手段の信号状態を診断するようにした。
【選択図】図1
【解決手段】トランス1次側に設けられた中間タップに接続され、外部制御手段のON/OFF信号により2次側に設けられた外部制御手段に駆動電力を送出させるスイッチ回路と、スイッチ回路に接続されて外部制御手段の駆動により前記トランス2次側に流れる電流に対応して流れる1次側電流を測定する手段とを有し、該電流測定手段の測定結果で前記外部制御手段の信号状態を診断するようにした。
【選択図】図1
Description
本発明は、電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータからなる外部制御手段の信号状態診断装置に関し、特に、プラントや機器類の制御のために用いられるアクチュエータからなる外部制御手段への信号が正確に伝達されているかの確認と、回路の配線に断線や短絡が生じていないか、などの回路の健全性診断とを行うことができるようにした、外部制御手段の信号状態診断装置に関するものである。
プラントや機器類の制御用として、電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の外部制御手段としてのアクチュエータが用いられている。こういったアクチュエータは直流電圧で駆動されるものが多く、用途に応じて人体に対する影響を防止したりノイズなどの影響を避けるため、プラントや機器類に指示を与える側(以下指示側と称する)と、プラントや機器類で計測や駆動または制御を行う側(以下プラント側と称する)とを絶縁できるよう、指示側からプラント側に送る信号、及びプラント側から指示側に送る計測結果の信号などを、フォトカップラや信号絶縁リレー、絶縁アンプ、絶縁トランスなどを用いて絶縁したり、電力を必要とする場合は電源のトランスを絶縁トランスとしたりすることが行われている。
また計装の世界では、近年、出力信号や回路配線の健全性、すなわち電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータが指示通り動作しているか、配線に断線や短絡が生じていないか、などを確認してシステムの信頼性を高める要求も増大している。
こういった要請に対応し、電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータなどからなる外部制御手段における、従来の駆動回路例と健全性診断回路を付加した回路例を示したのが、図7、図8のブロック図である。この図7、図8において、160はアクチュエータ163を駆動するための駆動電圧信号、161はプラント側と指示側とを絶縁するための信号絶縁リレー、162はアクチュエータ駆動のための直流電源装置、163は電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータ、164は絶縁バリアである。
図8において101は、電流検知の信号変換回路164、変調回路165に電力を供給するための電源回路で、電源102からの電力をパルス電圧とするパルス発生回路103、そのパルス発生回路103からのパルス電圧を電圧変換し、プラント側と指示側とを絶縁する絶縁トランス104、絶縁トランス104で電圧変換されたパルスを整流する整流回路105、整流されたパルスを平滑化すると共に定電圧とする定電圧回路106で構成され、破線で示した線は、絶縁バリア107を表している。164は電流検知の信号変換回路、165は変調回路、166は絶縁トランス、167は復調回路、168は電流読返し信号である。
図7における駆動電圧信号160は、信号絶縁のための信号絶縁リレー161に入力されて、別途設けられた直流電源装置162から送られてくる電力がこの信号絶縁リレー161を介し、電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の対象物たるアクチュエータ163に送られて駆動される。
健全性診断を行う図8に示した回路では、電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の対象物たるアクチュエータ163を駆動するため、図7と同様、直流電源装置162が設けられて電力が信号絶縁リレー161を介して対象物たるアクチュエータ163に送られる点は同一である。しかしこの図8の場合、対象物たるアクチュエータ163が指示通り動作しているか、配線に断線や短絡が生じていないかなどの健全性を診断するため、アクチュエータ163の電流検知用の信号変換回路164、検知した電流を電圧に変換する変調回路165、絶縁トランス166、電圧信号を電流信号に変換するための復調回路167などで構成される絶縁アンプが設けられ、信号変換回路164、変調回路165などを駆動するため、電源102、パルス発生回路103、絶縁トランス104、整流回路105、定電圧回路106などで構成される電源回路101が設けられる。
そして図7と同様、駆動電圧信号160は信号絶縁のための信号絶縁リレー161に入力されてこの信号絶縁リレー161がONされ、直流電源162から送られてくる電力が電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の対象物たるアクチュエータ163に送られて駆動される。そして直流電源162から信号絶縁リレー161を介して送られる電流が、電流検知用の信号変換回路164で検知されて電圧信号に変換され、変調回路165で交流信号に変換されて絶縁トランス166に与えられ、指示側で復調回路167により電流信号に変換されて、対象163に流れた電流が電流読み返し信号168として出力される。
以上がプラントや機器類の制御のために用いる電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータが指示通り動作しているか、配線に断線や短絡が生じていないか、などを確認する健全性診断機能を有した回路であるが、この従来の外部制御手段の信号状態診断装置の回路構成では、健全性診断を行う場合に下記のような問題があった。
A.アクチュエータの駆動信号の伝達回路とは別に、健全性診断のために電源や健
全性診断回路を追加する必要があり、部品点数が増えると共に回路構成が複雑
化し、製造コストが増加
B.回路の異常検知のためには過電流検出回路など、付加的な回路を設ける必要が
あり、さらにサーキットプロテクタやヒューズなどの過電流に対する保護手段
を別途設ける必要がある
そのため健全性診断を行う場合、大きなコストアップになるため、金がかかってもいいから信頼性を上げてほしい、という要望のある特別なものにしか適用できなかった。
A.アクチュエータの駆動信号の伝達回路とは別に、健全性診断のために電源や健
全性診断回路を追加する必要があり、部品点数が増えると共に回路構成が複雑
化し、製造コストが増加
B.回路の異常検知のためには過電流検出回路など、付加的な回路を設ける必要が
あり、さらにサーキットプロテクタやヒューズなどの過電流に対する保護手段
を別途設ける必要がある
そのため健全性診断を行う場合、大きなコストアップになるため、金がかかってもいいから信頼性を上げてほしい、という要望のある特別なものにしか適用できなかった。
なお、電線の断線を検出する技術については、例えば特許文献1に電線にパルス信号を印加し、そのとき電線に流れる電流を測定して電流波形を参照用の電流波形と比較し、その波形差から断線を検出するようにした電線の断線検出方法が示され、特許文献2には、断線を検知する信号線にチェック用パルス信号をインピーダンス素子を介して印加し、信号線から得られる信号とチェック用パルス信号とを比較して、信号線の断線を判定するようにした断線検知回路が示されている。
また電気回路の診断については、例えば特許文献3に、測定記録の管理を容易にして回路診断を行う際の作業効率を向上させ、さらに人為的な誤りが介入する余地を小さくするため、診断対象となる電気機器に組み込まれた不揮発性メモリに書き込み保存した電気機器の特性の測定結果、および測定に関連する情報、あるいは電気機器の特性の測定結果または測定に関連する情報を読み出し、電気機器について得られた最新の測定結果や測定に関連する情報と比較することで、電気機器の状態を診断するようにした電気回路診断方法およびその方法に使用する電気回路診断装置が示されている。
しかしながらこれら特許文献1、特許文献2に示された技術は電線の断線検出に関するものではあるが、パルス信号の印加手段や参照用電流波形の記憶装置などが必要であり、特許文献3に示された、電気回路診断装置は電気機器の特性の測定結果、および測定に関連する情報を記憶したメモリが必要であると共に、回路の特性測定と状態診断のための比較手段などが必要で複雑な構成であり、前記A、Bに示したような問題点の解決方法とはならない。
そのため本発明においては、簡単な構成で外部制御手段である被駆動体の駆動状態や、配線の断線、短絡といった障害発生の信号の伝達と電力の伝達を同一の手段で行えるようにし、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く信号の伝達、回路の健全性診断を行うことができる、外部制御手段の信号状態診断装置を提供することが課題である。
上記課題を解決するため本発明になる外部制御手段の信号状態診断装置は、
絶縁手段を介して伝達されるON/OFF信号により駆動電力を供給されて動作する外部制御手段の動作状態診断装置であって、
矩形パルスを含む交流の発生手段と、該交流発生手段が1次側に、前記外部制御手段が2次側に接続された前記絶縁手段としての絶縁トランスと、該絶縁トランス1次側に設けられた中間タップに接続されて前記ON/OFF信号により動作し、前記絶縁トランス2次側に設けられた前記外部制御手段に駆動電力を送出させるスイッチ回路と、該スイッチ回路に接続され、前記外部制御手段の駆動により前記トランス2次側に流れる電流に対応して流れる1次側電流を測定する電流測定手段とを有し、該電流測定手段の測定結果で前記外部制御手段の信号状態を診断することを特徴とする。
絶縁手段を介して伝達されるON/OFF信号により駆動電力を供給されて動作する外部制御手段の動作状態診断装置であって、
矩形パルスを含む交流の発生手段と、該交流発生手段が1次側に、前記外部制御手段が2次側に接続された前記絶縁手段としての絶縁トランスと、該絶縁トランス1次側に設けられた中間タップに接続されて前記ON/OFF信号により動作し、前記絶縁トランス2次側に設けられた前記外部制御手段に駆動電力を送出させるスイッチ回路と、該スイッチ回路に接続され、前記外部制御手段の駆動により前記トランス2次側に流れる電流に対応して流れる1次側電流を測定する電流測定手段とを有し、該電流測定手段の測定結果で前記外部制御手段の信号状態を診断することを特徴とする。
このように絶縁トランス1次側に設けられた中間タップに接続されて、ON/OFF信号により外部制御手段に駆動電力を送出させるスイッチ回路を設け、絶縁トランスを介して1次側から送られる電力が、2次側に接続された外部制御手段によって消費されることで生じる1次側電流の変化を測定し、それによって外部制御手段の信号状態の診断を行うことで、電力の供給と外部制御手段の診断を単一の回路で行うことができ、従来装置における前記A、Bのように、健全性診断にために電源や絶縁トランスなどの絶縁手段、信号変換回路や復調回路などを設ける必要が無く、非常に簡単な構成で、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く計測結果の伝達や回路の健全性診断を行うことができる、外部制御手段の信号状態診断装置とすることができる。
そして、前記スイッチ回路は前記外部制御手段のON/OFF信号により、前記交流発生手段出力をON/OFFさせ、前記スイッチ回路は前記外部制御手段のOFF信号で、前記外部制御手段が稼働しない電力を前記トランス2次側に出力させるよう構成することで、外部制御手段が断線した場合は電流が測定されず、短絡した場合は通常より大きな電流が流れて絶縁トランス1次側電流もそれに応じて変化し、外部制御手段のON/OFF状態、断線、短絡を推定することができ、回路の断線や短絡を常に監視できる信号状態診断装置とすることができる。
以上記載のごとく本発明になる外部制御手段の信号状態診断装置は、従来装置のように被駆動体毎に電源や絶縁トランスなどの絶縁手段、信号変換回路や復調回路を設ける必要が無く、非常に簡単な構成で、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く計測結果の伝達や回路の健全性診断を行うことができる、外部制御手段の信号状態診断装置とすることができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図1、図2、図3は、電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータからなる外部制御手段への信号が正確に伝達されているかの確認と、回路の配線に断線や短絡が生じていないか、などの回路の健全性診断とを行う、本発明になる信号状態診断装置のブロック図(図1)と具体的回路例(図2)、及び図1、図2の回路における対象80たるアクチュエータの動作状態や配線の断線、短絡の各状態における電流値を示したグラフ(図3)である。
この図1、図2において1は電源、2はパルス発生回路、3は絶縁トランス、4は整流回路、6は絶縁トランス3の1次側電流、7は絶縁バリア、80はON/OFFの2値電圧信号により電力を供給されて駆動される電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等の外部制御手段としてのアクチュエータ、81はFET(図2に於いて83)などを用いたスイッチ回路、82はアクチュエータ80を駆動するための駆動電圧信号である。また図2において21、22は整流回路を構成するダイオード、23、24は同じく整流回路を構成するコンデンサ、26はコンデンサ、25、84は抵抗、83は駆動電圧信号82でON/OFFするFET、85、86は絶縁トランス3の1次巻線両端に交互にパルス電圧を印加するためのFETである。
図3において縦軸は電流信号6の電流で、横軸はON/OFFの状態を示すためのものであり、上部に「ON」として示したグラフはアクチュエータ80がONの状態の場合の電流値、「OFF」として示したグラフはアクチュエータ80がOFFの状態の場合の電流値、グラフ中に「正常」として示したのはON/OFFそれぞれの場合に流れる電流値の範囲、グラフ原点に「断」として示したのは回路に断線が生じた場合の電流値、「短絡」として示したのは回路に短絡が生じた場合の電流値である。
まず図1のブロック図について説明すると、従来回路の場合と同様、電源1を供給されたパルス発生回路2からパルスを供給されたスイッチ回路81は、駆動電圧信号82のON/OFF信号によりON/OFFされて、アクチュエータ80を駆動するための電圧と、駆動するに足りない電圧とを絶縁トランス3に供給する。そのためアクチュエータ80は、駆動電圧信号82のON状態で絶縁トランス3から整流回路4を介して10〜20Wの電力を供給され、OFF状態ではアクチュエータ80を駆動するに足りない電力を供給される。
そのため、絶縁トランス3の2次側には、アクチュエータ80の駆動で電流が流れ、その2次側電流に対応した電流が絶縁トランス3の1次側に流れるから、それを電流信号6として図示していない電流測定装置で計測することで、アクチュエータ80が消費した電流を推測することができ、また、回路に断線や短絡がある場合は、1次側電流が流れない、過大電流が流れる、などで状態を判断することができる。
次に図2の詳細回路について説明すると、絶縁トランス3の2次側には、全波整流回路を構成するようダイオード21、22、コンデンサ23、24が接続され、その出力側にアクチュエータ80が接続されている。また、絶縁トランス3の1次側には、電源1からの電力で動作するパルス発生回路2からのパルスが、電源Vccから電力を供給されているFET85、86に入力され、それぞれのFETがONになることで電圧Vccが、絶縁トランス3の1次側巻線の両端に交互に印加される。また、絶縁トランス3の1次側巻線はその中点に中間タップが設けられ、スイッチ回路81たる抵抗84を並列に接続されたFET83が接続され、その先に抵抗25とコンデンサ26が並列接続されている。
パルス発生回路2は、電源1の供給を受けて矩形波のパルスを発生し、FET85、86を介して絶縁トランス3の1次巻線の両端に交互に電圧Vccを供給する。スイッチ回路81を構成するFET83に駆動電圧信号82のON信号が印加されるとFET83がONとなり、絶縁トランス3の1次側には抵抗25(図2参照)で決まる電流が流れる。そして昇圧された2次側から、ダイオード21、22、コンデンサ23、24で構成される整流回路で整流された直流が、外部制御手段たるアクチュエータ80に供給されて駆動される。
そのため、アクチュエータ80の駆動により絶縁トランス3の2次側に電流が流れるが、そのとき、絶縁トランス3の1次側にはこの2次側に流れたアクチュエータ80の駆動電流に対応した電流信号6が流れるから、その電流を図示していない電流測定装置で測定し、その値から実際にアクチュエータ80の駆動に用いた電流を推定する。そうすることで、電磁弁、ランプ、リレー、小型直流モータ等のアクチュエータ80の駆動に用いた電流を、前記した従来回路のように、アクチュエータのON/OFF信号の伝達回路とは別に、健全性診断のために電源や健全性診断回路を設ける、回路の異常検知のためには過電流検出回路など、付加的な回路を設ける、など、部品点数を増やして回路構成を複雑化し、製造コストが増加する方法を用いずに、精度良く外部制御手段の信号状態の健全性診断を行うことができる
そして駆動電圧信号82がOFFの場合はスイッチ回路81を構成するFET83がOFFとなり、FET83に並列に挿入した抵抗84と抵抗25を通して電流が流れて絶縁トランス3の1次側にかかる電圧が定電圧となり、駆動電圧信号82がOFFの場合でも絶縁トランス3の2次側にアクチュエータ80が動作しないような電圧が生じる。それによって、電流信号6が流れなくなった場合は配線が断線したと考えられ、また予想よりも大きな電流が流れる時は配線が短絡していると考えられる。
その場合の電流信号6を示したのが図3のグラフである。この図3のグラフは縦軸が電流を表し、横軸はアクチュエータ80の駆動電圧信号82がONのとき(左のグラフ)と、OFF(右のグラフ)のときの電流の状態を表していて、駆動電圧信号82がONの場合は前記したように図2のFET83がONとなり、絶縁トランス3の1次側には抵抗25で決まる電流が流れて絶縁トランス3の2次側には、図3の左のグラフに「正常」と記した値の範囲の電流が流れる。
駆動電圧信号82がOFFの場合、前記したようにFET83がOFFとなるため、電流はこのFET83に並列に挿入した抵抗84と抵抗25の両方を流れ、絶縁トランス3の2次側にはアクチュエータを動作させない程度の、図3の右のグラフに「正常」と記した値の範囲の微弱な電流が流れる。しかし回路の配線が短絡した場合、回路には大きな電流が流れるから、この図3に「短絡」と記した値の電流が流れ、また断線した場合は、微弱な電流も流れなくなるから同じくこの図3に「断」と記したほぼ0の値となる。
すなわち本発明では、前記したように、アクチュエータ80の駆動によって絶縁トランス3の2次側に流れる電流に対応した1次側電流で、アクチュエータ80の駆動に用いた電流を推定すると共に、回路に常時微弱な電流を流すことで、配線の断線、短絡も診断できるわけである。
なお、このように定電圧回路を設けない電源を用い、トランスを介して被駆動体の駆動と診断を行った場合、特にアナログ信号の伝達においてはその精度が問題となる。特にこの回路方式の場合、伝達されるエネルギに対して絶縁トランス3で損失されるロスが誤差として発生する。しかしながらこういった信号の伝達における誤差が、要求された精度に許容される誤差範囲以下であれば問題はないから、例えば0.2%から0.25%程度の精度で良い場合は通常のトランスを用いることも可能である。
また、それ以上の精度、例えば0.1%以下の精度が要求される場合、最も問題となるのはトランスの温度によるコアロス変化であるが、例えばこのコアロスが温度に対してほぼ一定であれば測定結果をその分加味して判断すればよく、精度を保った測定やアナログ信号の伝達が可能となる。そのため本発明においては、図4に温度におけるコアロスの特性を示したように、例えばTDK株式会社製のPC44、PC47といった通常100℃前後にピーク特性を持つコア材料に対し、ピーク特性はこのPC44、PC47より劣るが、広い温度範囲でコアロス変動が比較的少ない、やはりTDK株式会社製のPC95と称するコア材料を用いてトランスを構成した。なお、この図4において横軸は温度(℃)、縦軸はPcv(kW/cm3)である。
さらに本願出願人は、このトランスの1次側巻線における略中間部に中間タップを設け、電流測定手段をこの中間タップに接続して、2次側に供給する電力が消費されることで生じる1次側電流の変化を測定するようにしたが、これら1次側のコイルと2次側のコイルを図5に示した模式図のように、1次側コイルを中間タップを中心に前半11と後半13の2つに分け、前記したPC95で形成したコア10に前半11と後半13のコイルで2次側コイル12を挟むようにして巻回することで、良好な信号伝達特性が得られることを見いだした。
その場合の実験結果を示したのが図6(A)のグラフである。このグラフは上記したようにTDK株式会社製のPC95と称するコア材料を用い、図5に示したように1次側コイルを中間タップを中心に前半11と後半13の2つに分けて、前半11と後半13のコイルで2次側コイル12を挟むようにして巻回した絶縁トランスを用い、デイストリビュータアイソレーションアンプを構成して、直線性と温度ドリフトの状態を計測したものである。
なお、この計測に用いた絶縁トランスの諸元は図4(B)に示した表の通りであり、計測は、10ppm/℃の精密抵抗を用いて実施した。図4(A)のグラフは、横軸がデイストリビュータアイソレーションアンプの出力電流で単位がmA、縦軸がフルスケール誤差%(4〜20mAを100%とする)である。
従来用いられていた、例えばTDK株式会社製のPC44、PC47と称するコア材料を用い、1次側コイルを前半11と後半13とも連続して巻回し、その上に2次側コイル12を巻いた場合は、直線性±0.05%以下、0〜60℃の環境で±0.25%程度であるが、この図6(A)のグラフからわかるとおり、絶縁トランスを上記したように構成することで、直線性±0.01%以下、0〜85℃の環境で±0.1%、−40〜85℃の環境で+0.15%/−0.1%と、直線性、温度ドリフト共に良好な結果が得られることがわかる。なお、絶縁トランスの形状や大きさを工夫し、コイル巻き数を増加させるなどにより、温度特性の向上を始め、さらなる高精度化が可能と考えられる。
本発明によれば、従来はコスト増加で見送られていた外部制御手段の動作確認や回路の健全性診断を、電力の供給と外部制御手段の診断を同時に行う簡単な構成で、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を招くことなく実施でき、信頼性の確保が望まれる回路に容易に適用することができる。
1 電源
2 パルス発生回路
3 絶縁トランス
4 整流回路
6 1次側電流
7 絶縁バリア
80 被駆動体
81 スイッチ回路
82 駆動電圧信号
2 パルス発生回路
3 絶縁トランス
4 整流回路
6 1次側電流
7 絶縁バリア
80 被駆動体
81 スイッチ回路
82 駆動電圧信号
Claims (3)
- 絶縁手段を介して伝達されるON/OFF信号により駆動電力を供給されて動作する外部制御手段の動作状態診断装置であって、
矩形パルスを含む交流の発生手段と、該交流発生手段が1次側に、前記外部制御手段が2次側に接続された前記絶縁手段としての絶縁トランスと、該絶縁トランス1次側に設けられた中間タップに接続されて前記ON/OFF信号により動作し、前記絶縁トランス2次側に設けられた前記外部制御手段に駆動電力を送出させるスイッチ回路と、該スイッチ回路に接続され、前記外部制御手段の駆動により前記トランス2次側に流れる電流に対応して流れる1次側電流を測定する電流測定手段とを有し、該電流測定手段の測定結果で前記外部制御手段の信号状態を診断することを特徴とする外部制御手段の信号状態診断装置。 - 前記スイッチ回路は前記外部制御手段のON/OFF信号により、前記交流発生手段出力をON/OFFさせることを特徴とする請求項1に記載した外部制御手段の信号状態診断装置。
- 前記スイッチ回路は前記外部制御手段のOFF信号で、前記外部制御手段が稼働しない電力を前記トランス2次側に出力させるよう構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載した外部制御手段の信号状態診断装置。
Priority Applications (7)
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PL09700858T PL2177921T3 (pl) | 2008-01-11 | 2009-01-09 | Urządzenie do diagnostyki statusu sygnału dla zewnętrznych środków sterowania, które mają być uruchomione, gdy są zasilane elektryczną mocą napędową przez sygnał WŁ/WYŁ nadawany poprzez środki izolujące |
US12/674,426 US8432155B2 (en) | 2008-01-11 | 2009-01-09 | Signal status diagnosing device for external control means to be activated when fed with driving electric power by on/off signal transmitted through insulating means |
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