JP2010108131A

JP2010108131A - スイッチング装置

Info

Publication number: JP2010108131A
Application number: JP2008277796A
Authority: JP
Inventors: Kimihide Aoyama; 公英青山; Yoshio Tanaka; 義雄田中
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-13

Abstract

【課題】高い信頼性を得ることができるスイッチング装置を提供する。
【解決手段】制御手段４は、負荷２に対する電源のオン／オフの状態を維持する条件下で複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態を順次切り替える制御を実行する。電圧監視回路３および電流監視回路５は上記制御実行時における電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）または電流（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）を監視することで負荷２への配線の状態または負荷２の状態を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチの切り替えにより負荷に対する電源のオン／オフを選択可能なスイッチング装置に関する。

プロセスオートメーションの分野では、電磁弁等のフィールド機器に対し、電源のオン／オフを切り替えるための装置が使用されている。このような装置では高い信頼性（例えば、IEC61508）が要求されるため、自らの状態やフィールド機器への電源配線の状態等を診断する機能が要望される。
特開２００５−４４０７４号公報

しかし、プラント操業中における診断時には電源のオン／オフ状態を維持することが前提条件となるため、内部のスイッチを自由にオン／オフさせることができず、十全な診断が困難であるという事情がある。例えば、負荷に対する電源がオフの状態では、配線等の断線を検出することが困難となる。

本発明の目的は、高い信頼性を得ることができるスイッチング装置を提供することにある。

本発明のスイッチング装置は、スイッチの切り替えにより負荷に対する電源のオン／オフ状態を選択可能なスイッチング装置において、電源と負荷との間に形成され、回路中に複数のスイッチを含む回路網と、前記回路網に含まれる前記複数のスイッチをそれぞれ独立して制御する制御手段と、前記回路網中の電圧または電流を監視することで前記負荷への配線の状態を検出する検出手段と、を備え、前記制御手段は、前記負荷に対する電源のオン／オフの状態を維持する条件下で前記複数のスイッチの状態を順次切り替える制御を実行するとともに、前記検出手段は前記制御実行時における前記電圧または前記電流を監視することで前記負荷への配線の状態または前記負荷の状態を検出することを特徴とする。
このスイッチング装置によれば、負荷に対する電源のオン／オフの状態を維持する条件下で複数のスイッチの状態を順次切り替えつつ電圧または電流を監視することで、配線の状態を検出するので、負荷への出力状態を維持しつつ配線の状態または前記負荷の状態を高精度に検出できる。

前記検出手段は、実際に監視される当該電圧または電流と、前記配線が正常な場合における前記回路網中の電圧または電流とを対比することで、前記配線の状態を検出してもよい。

前記検出手段は、前記配線の断線または短絡を検出してもよい。

前記検出手段は、前記負荷のインピーダンスを検出してもよい。

本発明のスイッチング装置によれば、負荷に対する電源のオン／オフの状態を維持する条件下で複数のスイッチの状態を順次切り替えつつ電圧または電流を監視することで、配線の状態または前記負荷の状態を検出するので、負荷への出力状態を維持しつつ配線の状態または前記負荷の状態を高精度に検出できる。

以下、本発明によるスイッチング装置の実施形態について説明する。

以下、図１〜図２を参照して、実施例１のスイッチング装置について説明する。

図１（ａ）は、実施例１のスイッチング装置の回路構成を示す図、図１（ｂ）はスイッチの構成を示す図である。

図１（ａ）に示すように、本実施例のスイッチング装置は、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を用いて構成される。図１（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１はＮ型の電界効果トランジスタ（MOSFET）Ｑ１１，Ｑ１２を組み合わせて構成される。スイッチＳＷ２〜スイッチＳＷ４も同様に構成される。スイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ４は制御回路４により互いに独立して制御可能とされる。

図１（ａ）に示すように、本実施例のスイッチング装置では、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２）が実効電圧値１００Ｖの交流電源１と負荷２との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ１，Ｒ２）の中点が、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ１）は電圧監視回路３により監視される。

同様に、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４）が交流電源１と負荷２との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ３，Ｒ４）の中点が、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ２）は電圧監視回路３により監視される。

抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は、通常オフ状態において負荷２に影響を与えない程度の高抵抗値とされる。

図１（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２が直列接続されたスイッチング回路には電流検出抵抗ＲＳ１が、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４が直列接続されたスイッチング回路には電流検出抵抗ＲＳ２が、それぞれ挿入されている。それぞれのスイッチング回路の電流値（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）は電流監視回路５により監視される。

電流検出抵抗ＲＳ１，ＲＳ２の抵抗値は、電圧降下が問題を生じさせない程度の低抵抗値とされる。

電圧監視回路３および電流監視回路５における監視結果は制御回路４に与えられ、制御回路４はこの監視結果に基づいて４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４についての診断を行うとともに、スイッチング装置と負荷２との間の配線についての診断を行う。

図２は正常動作時における各スイッチの状態と、監視される電圧、電流との関係を示す図である。

通常出力状態がオンである場合、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を、図２において「出力状態」がオンである状態（状態４，８，１２〜１６）に順次、切り替え、その時の実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）が図２に示す正しい電圧値となっていることを確認することで、各スイッチの健全性を自己診断できる。

同様に、通常出力状態がオフである場合、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を、図２において「出力状態」がオフである状態（状態１〜３，５〜７，９〜１１）に順次、切り替え、その時の実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）が図２に示す正しい電圧値となっていることを確認することで、各スイッチの健全性を自己診断できる。

図３は、スイッチＳＷ１またはスイッチＳＷ２を構成するトランジスタのいずれか１つがオン故障（オンに固着する故障）した場合に検出される実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）を示している。例えば、「状態１」の上段ではスイッチＳＷ１を構成するトランジスタＱ１１またはＱ１２のいずれかがオン故障した状態が示されており、「↓」はトランジスタＱ１１がオン故障しトランジスタＱ１２の寄生ダイオードを経由して電流が流れることを意味している。また、「↑」はトランジスタＱ１２がオン故障しトランジスタＱ１１の寄生ダイオードを経由して電流が流れることを意味している。

図３に示すように、トランジスタにオン故障が発生した場合には、図２に示す正常時とは異なる実効電圧（Ｖｒｂ１）が検出されるため、故障の発生を検知できる。

スイッチＳＷ３またはスイッチＳＷ４においてオン故障が発生した場合にも、同様に実効電圧（Ｖｒｂ２）に基づき故障の発生を検知できる。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のいずれかにオフ故障（オフに固着する故障）が生じた場合には、図２に示される状態群中の１つに対応した状態となり、実効電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）に基づきオフ故障が検出される。例えば、スイッチＳＷ４がオフ故障した場合には、各スイッチの状態が「状態２」のときに、実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）は、図２における「状態１」と同様の結果となる。このため、実効電圧に基づいてスイッチＳＷ４のオフ故障を検出できる。

また、本実施例のスイッチング装置では、監視される電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）および電流（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）に基づいて、スイッチング装置から負荷２に至る配線ないし負荷２の断線を検出できる。

図２において、右端にある「断線検出」の欄には、各状態における断線の検出条件が表示されている。一方、「Ｉｒｂ１」および「Ｉｒｂ２」の欄では、負荷２が接続されている場合の負荷２に流れる正常な電流値を「２」と表現しており、正常時には「Ｉｒｂ１」および「Ｉｒｂ２」の和が「２」となる。例えば、「状態１６」では、正常時に「Ｉｒｂ１＝Ｉｒｂ２＝１」となる。これに対し、配線等の断線時には「断線検出」の欄に表示されているように、「Ｉｒｂ１＝Ｉｒｂ２＝０」となり、断線を検出できる。その他、電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）に基づく断線の検出も可能であり、図２の「断線検出」の欄において「不可」と記載されている状態以外では、断線等の検出が可能である。負荷２に対する出力状態が「オフ」であっても、断線を検出できる（状態２，５，６，７，１０）。

断線の有無は、正常時、あるいは断線発生時に計測される電圧、電流パターンのテーブルと、実際に計測された電圧、電流パターンとの比較により判定することができる。

なお、断線検出を優先する場合には、断線を検出できない状態（状態１，３，９，１１）を省略し他の状態のみで遷移させることで、断線の検出速度を向上させることができる。

このように、本実施例のスイッチング装置では、負荷に対する出力状態を維持したまま断線診断を行えるため、システムの信頼性を大幅に向上できる。また、小さな回路規模により容易に断線診断が可能であり、システムの小型化を図ることができるうえ、全体での消費電力を抑制できる。さらに、メカニカルリレーを使用しないため、長寿命化を図ることができる。なお、電流検出器として、カレントトランスやホール素子を用いた電流センサを使用してもよい。

以下、図４を参照して、実施例２のスイッチング装置について説明する。本実施例では、実施例１のスイッチング装置を用いて、負荷のインピーダンスを確認する方法を示している。

図４は負荷のインピーダンスを確認する場合のスイッチの状態を示している。

図４に示すように、負荷のインピーダンスを確認する場合には、スイッチＳＷ１を開き、スイッチＳＷ２〜ＳＷ４を閉じる。この状態は、図２における「状態８」に相当する。このような状態で、電流（Ｉｒｂ１）および電流（Ｉｒｂ２）の値を使用することで、負荷２のインピーダンスを確認することができる。例えば、ヒーター等のように経年劣化により異常を発生させる負荷の場合、負荷における異常発生を事前に予測することが可能となる。

以下、図５〜図６を参照して、実施例３のスイッチング装置について説明する。本実施例のスイッチング装置は、複数の負荷に対して電源のオン／オフを制御可能なように、複数のチャネルを備えている。

図５は、実施例３のスイッチング装置の回路構成を示す図である。

図５に示すように、本実施例のスイッチング装置は、電磁弁ＲＬ１への電源のオン／オフを制御する第１のチャンネルＣｈ１と、電磁弁ＲＬ２への電源のオン／オフを制御する第２のチャンネルＣｈ２と、を備える。いずれの電磁弁ＲＬ１，ＲＬ２も交流電源１を共通の電源として使用する。

チャネルＣｈ１は、４つのスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４を用いて構成される。実施例１と同様、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４はＮ型の電界効果トランジスタ（MOSFET）Ｑ１１，Ｑ１２を組み合わせて構成される。

チャネルＣｈ１では、実施例１と同様、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２）が実効電圧値１００Ｖの交流電源１と電磁弁ＲＬ１との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ１１，Ｒ１２）の中点が、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ１１）は電圧監視回路３Ａにより監視される。

また、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ１３およびスイッチＳＷ１４）が交流電源１と電磁弁ＲＬ１との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ１３，Ｒ１４）の中点が、スイッチＳＷ１３およびスイッチＳＷ１４の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ１２）は電圧監視回路３Ａにより監視される。

同様に、チャネル２では、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ２１およびスイッチＳＷ２２）が実効電圧値１００Ｖの交流電源１と電磁弁ＲＬ２との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ２１，Ｒ２２）の中点が、スイッチＳＷ２１およびスイッチＳＷ２２の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ２１）は電圧監視回路３Ａにより監視される。

また、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ２３およびスイッチＳＷ２４）が交流電源１と電磁弁ＲＬ２との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ２３，Ｒ２４）の中点が、スイッチＳＷ２３およびスイッチＳＷ２４の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ２２）は電圧監視回路３Ａにより監視される。

抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値および抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４の抵抗値は、通常オフ状態において電磁弁に影響を与えない程度の高抵抗値とされる。

電圧監視回路３Ａにおける監視結果は制御回路４Ａに与えられ、制御回路４Ａはこの監視結果に基づいてスイッチ群についての診断を行う。各チャネルＣｈ１，Ｃｈ２におけるスイッチ群の診断は、実施例１と同様の手順で実行される。これにより、各スイッチの健全性を自己診断できる。

図５に示すようにチャネルＣｈ１では、スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２が直列接続されたスイッチング回路には電流検出抵抗ＲＳ１１が、スイッチＳＷ１３およびスイッチＳＷ１４が直列接続されたスイッチング回路には電流検出抵抗ＲＳ１２が、それぞれ設けられている。それぞれのスイッチング回路の電流値（Ｉｒｂ１１，Ｉｒｂ１２）は電流監視回路５Ａにより監視される。

同様に、チャネルＣｈ２では、スイッチＳＷ２１およびスイッチＳＷ２２が直列接続されたスイッチング回路には電流検出抵抗ＲＳ２１が、スイッチＳＷ２３およびスイッチＳＷ２４が直列接続されたスイッチング回路には電流検出抵抗ＲＳ２２が、それぞれ設けられている。それぞれのスイッチング回路の電流値（Ｉｒｂ２１，Ｉｒｂ２２）は電流監視回路５Ａにより監視される。

電圧監視回路５Ａにおける監視結果は制御回路４Ａに与えられ、制御回路４Ａはこの監視結果に基づいてスイッチ群についての診断を行う。

次に、電圧監視回路３Ａおよび制御回路４Ａにおける配線等の短絡検出の手順について説明する。

図６（ａ）は、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値および抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４の抵抗値、各スイッチのオン抵抗（Ｒｏｎ）、オフ抵抗（Ｒｏｆｆ）、電磁弁の抵抗値を示している。

図６（ａ）の表示においてチャンネルＣｈｎ、抵抗Ｒｎ１，Ｒｎ２，Ｒｎ３，Ｒｎ４、およびスイッチＳＷｎ１，ＳＷｎ２，ＳＷｎ３，ＳＷｎ４における添え字「ｎ」はチャネル番号を示している。図５の例では２つのチャネルＣｈ１，Ｃｈ２を備えるので、それぞれのチャネルは、「ｎ＝１」および「ｎ＝２」となる。

図６（ａ）の例では、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値および抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４の抵抗値は１００ｋΩ、各スイッチのオン抵抗（Ｒｏｎ）は０．５Ω、オフ抵抗（Ｒｏｆｆ）は１０ＭΩ、電磁弁ＲＬ１，ＲＬ２のインピーダンスはそれぞれ２００Ωである。

図６（ｂ）はチャネルＣｈ１およびチャネルＣｈ２がいずれもオン出力状態の場合に監視される電圧を示している。図６（ｂ）に示す表の「ｃｈ間短絡」の欄において、「無」はチャネル間短絡のない場合を、「有」はチャネル間短絡がある場合を示している。チャネル間短絡は、図５に示すように、電磁弁ＲＬ１および電磁弁ＲＬ２に至る両チャネルの配線どうしが接触している場合を想定している。また、図６（ｂ）において、「ＯＮ」は対応するスイッチがオンしている状態を、「ＯＦＦ」は対応するスイッチがオフしている状態を、「↓」は状態が上段の状態（オン／オフ）を引き継ぐことを、それぞれ示している。図６（ｃ）および図６（ｄ）においても同様である。

図６（ｂ）に示すように、チャネルＣｈ１およびチャネルＣｈ２がいずれもオン出力状態の場合には、すべてのスイッチが閉じている状態からスイッチＳＷ２４のみを開くと、チャネル間短絡がある場合には、チャネルＣｈ１側の電圧（Ｖｒｂ１１）および電圧（Ｖｒｂ１２）が変動する。この例では、各電圧が９９．８７５Ｖ→９９．８３４Ｖに変化する。このため、電圧（Ｖｒｂ１１）および電圧（Ｖｒｂ１２）の変動に基づいて、チャネル間短絡を検出できる。

図６（ｃ）はチャネルＣｈ１がオン出力状態で、チャネルＣｈ２がオフ出力状態の場合に監視される電圧を示している。この場合には、スイッチＳＷ２４をオンした場合に、短絡がなければ電圧（Ｖｒｂ２２）が０Ｖ付近となるのに対し、チャネル間短絡がある場合には、電圧（Ｖｒｂ２２）が１００Ｖ付近の値を示す。このため、電圧（Ｖｒｂ２２）に基づいてチャネル間短絡を検出できる。

図６（ｄ）はチャネルＣｈ１およびチャネルＣｈ２がいずれもオフ出力状態の場合に監視される電圧を示している。この場合には、チャネル間短絡がある場合には、スイッチＳＷ２４をオンした際の電圧（Ｖｒｂ２２）と、その状態からスイッチＳＷ１４をオンした際の電圧（Ｖｒｂ１２）とが、それぞれ変化するため、チャネル間短絡を検出できる。

チャネル間短絡の有無は、正常時、あるいはチャネル短絡発生時に計測される電圧パターンのテーブルと、実際に計測された電圧パターンとの比較により判定することができる。

図７に示すように、チャネルＣｈ１およびチャネルＣｈ２がいずれもオン出力状態の場合には、すべてのスイッチが閉じている状態からスイッチＳＷ２４のみを開くと、チャネル間短絡の有無によって、チャネルＣｈ２側の電流（Ｉｒｂ２１）の電流値に差異が生じるため、チャネル間短絡を検出できる。この例では、スイッチＳＷ２４を開く前のＣｈ２側の電流（Ｉｒｂ２１）と（Ｉｒｂ２２）の電流値の和から、チャネル間短絡が無い場合には、スイッチＳＷ２４を開いたときのＣｈ２側の電流（Ｉｒｂ２１）の値は４９６．３Ａが期待できる。一方、チャネル間短絡がある場合には、Ｃｈ２側の電流（Ｉｒｂ２１）は３３１．７Ａとなり，期待される値の約２／３の値となる。このことから、電流値に基づいて、チャネル間短絡を検出できる。

以上説明したように、本発明のスイッチング装置によれば、負荷に対する電源のオン／オフの状態を維持する条件下で複数のスイッチの状態を順次切り替えつつ電圧または電流を監視することで、配線の状態または前記負荷の状態を検出するので、負荷への出力状態を維持しつつ配線の状態または前記負荷の状態を高精度に検出できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、スイッチの切り替えにより負荷に対する電源のオン／オフを選択可能なスイッチング装置に対し、広く適用することができる。

実施例１のスイッチング装置の構成を示す図であり、（ａ）は、スイッチング装置の回路構成を示す図、（ｂ）はスイッチの構成を示す図。正常動作時における各スイッチの状態と、監視される電圧との関係を示す図。オン故障時に検出される実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）を示す図。負荷のインピーダンスを確認する場合のスイッチの状態を示す図。実施例３のスイッチング装置の回路構成を示す図。チャネル間短絡の検出方法を示す図であり、（ａ）は各素子等の抵抗値およびインピーダンスの一覧を示す図、（ｂ）はチャネルＣｈ１およびチャネルＣｈ２がいずれもオン出力状態の場合に監視される電圧を示す図、（ｃ）はチャネルＣｈ１がオン出力状態で、チャネルＣｈ２がオフ出力状態の場合に監視される電圧を示す図、（ｄ）はチャネルＣｈ１およびチャネルＣｈ２がいずれもオフ出力状態の場合に監視される電圧を示す図。チャネル間短絡の検出方法を示す図であり、チャネルＣｈ１およびチャネルＣｈ２がいずれもオン出力状態の場合に監視される電流を示す図。

符号の説明

１電源
２負荷
３電圧監視回路（検出手段）
３Ａ電圧監視回路（検出手段）
４制御回路（制御手段、検出手段）
４Ａ制御回路（制御手段、検出手段）
５電流監視回路（検出手段）
５Ａ電流監視回路（検出手段）
４１制御部（制御手段）
５１電流監視部（電流検出手段）

Claims

スイッチの切り替えにより負荷に対する電源のオン／オフ状態を選択可能なスイッチング装置において、
電源と負荷との間に形成され、回路中に複数のスイッチを含む回路網と、
前記回路網に含まれる前記複数のスイッチをそれぞれ独立して制御する制御手段と、
前記回路網中の電圧または電流を監視することで前記負荷への配線の状態または前記負荷の状態を検出する検出手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記負荷に対する電源のオン／オフの状態を維持する条件下で前記複数のスイッチの状態を順次切り替える制御を実行するとともに、前記検出手段は前記制御実行時における前記電圧または前記電流を監視することで前記負荷への配線の状態または前記負荷の状態を検出することを特徴とするスイッチング装置。
前記検出手段は、実際に監視される当該電圧または電流と、前記配線が正常な場合における前記回路網中の電圧または電流とを対比することで、前記配線の状態を検出することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング装置。
前記検出手段は、前記配線の断線または短絡を検出することを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング装置。
前記検出手段は、前記負荷のインピーダンスを検出することを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング装置。