JP2021174246A - 本質安全防爆型検知器及び本質安全防爆型検知システム - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明の一態様である本質安全防爆型検知器によれば、監視する環境情報の様々な種類、又は検知する異常の様々な種類に対応し、かつ、電源部の管理コストを低減することができる
本発明の実施の形態は、工場電気設備防爆指針で規定される危険箇所にて、検知器により、環境情報の監視(温度、振動、圧力、ガス濃度、音、衝撃、回転速度等)、ならびに各種異常状態の検知(火災、温度異常、危険物の漏洩、ガス漏れ等)をおこない、同危険箇所にて当該信号を上位へ無線伝送する本質安全防爆型検知システムに係るものである。
<システム構成>
以下、本発明の第1の実施の形態に係る本質安全防爆型検知システムについて説明する。
各検知器10には、消費電力を制御する機能を有するCPUである演算処理部12、入出力部14、操作部16、センサ部20と接続するための接続端子18と、が含まれる(図3参照)。入出力部14には、アドレス識別部24及びバリア22が含まれる。各検知器10は、大半をスリープモード(消費電流:数百nA)又はCPU停止、電源断状態で過ごし、環境情報の取得時にのみランニングモード(消費電流:数μA〜数100μA)へ移行する。また、上記環境情報の取得サイクルは検知器10によって異なるものの、ランニングモードとなるのは1回あたり約60〜90[s]程度であり、1日の大半を待機モードにて過ごす(図4参照)。また同図の通り、各検知器10は上記の周期ごとに検知器10自体の診断をおこない、取得情報と共に機能情報(診断情報)を信号送受信器72に出力するようにしてもよい。なお、上記消費電力を制御する機能を有するCPUとしてルネサスエレクトロニクス株式会社製のREマイコン(SOTB)がある。
検知器10の演算処理部12は、CPUで構成されている。演算処理部12を、機能実現手段毎に分割した機能ブロックで説明すると、図5に示すように、演算処理部12は、信号取得部26、検知部群28、検知内容種設定部30、入出力制御部32、及びセンサ情報記憶部34を備えている。
信号送受信器72は、図6に示すように、信号送受信部52、周期記憶部54と、検知内容種設定部56と、周期管理部58と、を備えている。なお、周期管理部58が、電源制御部の一例である。
検知器210には、演算処理部12、入出力部214、周期管理部216、操作部16、接続端子18と、バリア22、222と、電源部226と、周期記憶部254とが含まれる(図9参照)。入出力部214には、無線受信部228と、無線送信部230と、アンテナ232とが含まれる。なお、周期管理部216が、電源制御部の一例である。また、消費電流を制御する機能を有するCPUが、演算処理部12として機能する。当該CPUとしてルネサスエレクトロニクス株式会社製のREマイコン(SOTB)がある。
本発明の実施の形態に係る本質安全防爆型検知システム100では、各検知器10と信号送受信器72間の信号(固有アドレス/環境情報/異常情報等)の授受を、異なる2種類の伝送方式にておこなう。
本実施の形態においては、上記で説明した2種類の伝送ライン(MBP、差動信号伝送)が、1本のケーブル部90に収められることを特徴とする(図2参照)。こうすることにより、省配線化による施工コスト低減や、ケーブル誤接続のリスク低減を図れる。加えて上記ケーブル部90と検知器10とをT分岐コネクタ90Cを介して接続できるものとすれば、より一層の施工コスト低減につながり、誤接続や検知器10の筐体内への異物混入リスクも低減できる。
本実施の形態においては、下位無線送受信器62、73が、信号送受信器72と無線子機76間の信号(固有アドレス/環境情報/異常情報等)の授受を、無線伝送にておこなう。
本発明の実施の形態においては、検知器10、210の省電力制御や、省電力化された各種通信を用いる。これにより、各検知器10、210だけでなく、電源部74や信号送受信器72、ならびに下位無線送受信器73についても、工場電気設備防爆指針で規定される本質安全防爆仕様を満たすことができ、本質安全防爆型検知システム100全体が当該箇所へ設置される。
有線通信はLVDS(350mV、3.5mA、30kbps)であり、無線通信はLPWA(20mW、4.4kbps)である。検知器の動作消費電力は2V、0.5mAであり、検知器のスリープ時電力は2V、3.5[μA]である。検知器の通信容量は大凡100bitであり、接続台数は約100台である。また、通信は1日8回(3時間に1回)であり、電池容量を5Ahとする。
1伝送に要する時間は、100[bit]÷30[kbps]=3.33[ms]である。100台全て往復通信を行うと、要する時間は、3.33[ms]×100台×2=0.67[s]である。なお、1回のポーリングを想定し「×2」をしている。
上記を1日8回実施すると、0.67[s]×8[回]=5.36[s]≒5.5[s]である。消費電力量は、5.0[s]÷3600[s/h]×3.5[mA]×350[mA]×350[mV]=1.9×10-6[Wh]である。
1台あたりの1日消費電力量は、動作時電力量+待機時電力量=[0.5[mA]×2[V]×90s/86400s×8回)]+[3.5[μA]×2[V]×24h]=8.33×10-6[Wh]+1.68×10-4[Wh]=1.77×10-4[Wh]である。
従って、100台あたりの1日消費電力量は、1.77×10-4[Wh]×100≒1.8×10-2[Wh]である。
まず、伝送量は、100[bit]×100[台]=10000[bit]である。伝送に要する時間は、10000[bit]÷4.4[kbps]×2.5=4.5[s]である。なお、1回のポーリングを想定し「×2」をしている。
上記を1日8回実施すると、4.5[s]×8[回=36[s]である。消費電力量は、31.5[s]÷3600[s/h]×20「mW]=2.0×10-4[Wh]である。
待機電力を考慮すると、2.0×10-4[Wh]×1.01=2.02×10-4[Wh]である。つまり、常時、通信電力の1/100程度の待機電力が必要となる。
次に、本発明の第1の実施の形態に係る本質安全防爆型検知システム100の作用について説明する。
伝送の方法については、監視周期又は検知周期の制御方法によって異なる。例えば信号送受信器72で周期制御をおこなう場合は、当該信号送受信器72からのポーリング(問いかけ)にてデータ伝送をおこなう(図18)。
一方、検知器210単体ごとに周期制御をおこなう場合、各検知器210から信号送受信器72へ任意周期毎にデータを伝送する(図19)。ただし本手法では各検知器210が単独でデータ伝送をおこなうため、伝送データの混信や消失等のリスクが生じる。したがって、信号送受信器72にてデータ受信を正常にできなかった場合、当該信号送受信器72からのポーリングにてデータの再伝送を検知器210へ指令する。
ケーブル部90において断線又は短絡時が発生した場合、任意の検知器10で監視不可状態(電源供給がなされない状態、信号伝送がなされない状態等)が発生する可能性がある(図21)。本質安全防爆型検知システム100では、以下の手法にて断線及び短絡の監視を行い、上位システム80へ断線/短絡警報を出力する。
本質安全防爆型検知システム100では、上述したように、検知器10の情報取得要求が一定周期でなされる。従って、信号送受信器72からの情報取得要求信号に対して応答がない場合、断線の発生を疑う。ここで、検知器10に対しては固有のアドレスが付与されるため、図21(A)に示すように、ケーブル部90上で断線が発生した場合や、図21(B)に示すように、ケーブル部90の支線上で断線が発生した場合には、1サイクルの情報取得要求を経て応答がないアドレスを基に、信号送受信器72にて断線箇所の特定が可能である。
本質安全防爆型検知システム100では、図21(C)に示すように、ケーブル部90上で短絡が発生した場合や、図21(D)に示すように、ケーブル部90の支線上で短絡が発生した場合には、短絡箇所の特定は行えないものの、信号送受信器72ないし電源部74にて短絡電流を監視することで、短絡を検知することが可能である。
<システム構成>
以下、本発明の第2の実施の形態に係る本質安全防爆型検知システムについて説明する。なお、第1の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
12 演算処理部
14 入出力部
16 操作部
18 接続端子
20 センサ部
22、70、70A、70B バリア
28 検知部群
30 検知内容種設定部
34 センサ情報記憶部
54、254 周期記憶部
58、216 周期管理部
62 下位無線送受信器
64 信号変換器
66 上位無線送受信器
72、72A、72B 信号送受信器
74、74A、74B、226 電源部
76 無線子機
80 上位システム
90、290A、290B ケーブル部
90A、90B 信号伝送線
100、200 本質安全防爆型検知システム
228 無線受信部
230 無線送信部
Claims (24)
- センサによって検出されたセンサ情報に基づいて、環境情報の監視、又は所定の異常を検知したか否かの判定を行う検知部と、
前記検知部による監視結果又は判定結果を、デジタル信号に変換し、無線通信により上位装置へ前記デジタル信号を送信する送受信部と、
電力を供給する電源部と、
前記環境情報又は前記所定の異常の種類に対して予め定められた監視周期又は検知周期に応じて、前記電源部からの電力の供給を制御する電源制御部と、
を含む本質安全防爆型検知器。 - センサと接続するための接続端子と、
前記接続端子に接続された前記センサによって検出されたセンサ情報に基づいて、環境情報の監視、又は所定の異常を検知したか否かの判定を行う検知部と、
前記環境情報又は前記所定の異常の種類毎に、予め定められた監視周期又は検知周期を記憶した周期記憶部と、
前記検知部による監視結果又は判定結果を、デジタル信号に変換し、上位装置へ前記デジタル信号を送信する送受信部と、
電力を供給する電源部と、
前記環境情報又は前記所定の異常の種類に対応する前記監視周期又は前記検知周期に応じて、前記電源部からの電力の供給を制御する電源制御部と、
を含む本質安全防爆型検知器。 - 前記所定の異常の種類毎に、前記所定の異常を検知するための閾値を記憶したセンサ情報記憶部を更に含み、
前記検知部は、前記所定の異常を検知したか否かの判定を行う際に、前記所定の異常の種類に対応する前記閾値を用いて前記判定を行う請求項2記載の本質安全防爆型検知器。 - 前記送受信部は、無線通信により、上位装置へ前記デジタル信号を送信する請求項2又は3記載の本質安全防爆型検知器。
- 前記上位装置は、一定時間毎に前記本質安全防爆型検知器の状態、及び判定結果を順に監視し、前記本質安全防爆型検知器の状態が異常状態である場合、若しくは前記判定結果が前記所定の異常を検知したことを示す場合、又は
前記本質安全防爆型検知器から前記所定の異常を検知したことを示す前記判定結果のデジタル信号の出力があった場合には、前記上位装置より上位の装置へ所定のメッセージを伝送する請求項1〜請求項4の何れか1項記載の本質安全防爆型検知器。 - 前記検知部は、REマイコン(SOTB)を用いて構成される請求項1〜請求項5の何れか1項記載の本質安全防爆型検知器。
- 前記本質安全防爆型検知器の待機時の消費電流は、300nA以下である請求項1〜請求項6の何れか1項記載の本質安全防爆型検知器。
- 前記電源制御部は、クロック発生部、リアルタイムクロック、又はカウンタを有し、
前記本質安全防爆型検知器の待機時は、前記電源制御部の前記クロック発生部、前記リアルタイムクロック、又は前記カウンタのみが動作する請求項1〜請求項7の何れか1項記載の本質安全防爆型検知器。 - センサによって検出されたセンサ情報に基づいて、環境情報の監視、又は所定の異常を検知したか否かの判定を行う検知部、及び
前記検知部による監視結果又は判定結果をデジタル信号として信号送受信器へ出力するとともに、前記信号送受信器とデジタル信号を授受する入出力部
を含む複数台の検知器と、
無線通信により、前記検知器と上位装置との間における信号の授受の中継を行う信号送受信器と、
前記複数台の検知器の各々へ電力を供給する電源部と、
前記信号送受信器と前記入出力部との間を接続するように設けられた、前記デジタル信号を伝送するための信号伝送線を含むと共に、前記検知器に対して前記電源部からの電力供給を行う伝送ケーブル部と、
前記複数台の検知器の各々に対して、前記検知器における前記環境情報又は前記所定の異常の種類に対して予め定められた監視周期又は検知周期に応じて、前記電源部からの電力の供給を制御する電源制御部と、
を含む本質安全防爆型検知システム。 - 前記伝送ケーブル部は、複数の信号伝送線を含み、
前記入出力部及び前記信号送受信器の各々は、前記複数の信号伝送線で、それぞれ異なる信号伝送手法を用いて前記デジタル信号の授受を行う請求項9記載の本質安全防爆型検知システム。 - 前記入出力部及び前記信号送受信器の各々は、前記信号伝送手法の一つとして、前記入出力部へ印加される電圧の変調又は電圧の振幅により生成される前記デジタル信号を用いて、前記デジタル信号の授受を行う請求項10記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記入出力部及び前記信号送受信器の各々は、前記信号伝送手法の一つとして、前記入出力部から前記信号送受信器へ流れる電流を変調して生成される前記デジタル信号を用いて、前記デジタル信号の授受を行う請求項10又は11記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記入出力部及び前記信号送受信器の各々は、前記信号伝送手法の一つとして、イーサネット(登録商標)を用いて、前記デジタル信号の授受を行うと共に、前記電力供給を行う請求項10〜請求項12の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記伝送ケーブル部は、前記複数の信号伝送線を収めた1本の伝送ケーブルで構成される請求項10〜請求項13の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記電源部は、一次電池又は二次電池で構成される請求項9〜請求項14の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記入出力部と前記信号送受信器との間に設けられた、前記電源部から供給される電流及び電圧を制限するためのバリアを更に含む請求項9〜請求項15の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記複数台の検知器の各々は、前記伝送ケーブル部に接続され、
前記複数台の検知器の各々が、前記信号送受信器と双方向通信を行う請求項9〜請求項16の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。 - 前記複数台の検知器の各々に対して固有のアドレスが予め付与されており、
前記検知器と前記信号送受信器との間で授受される前記デジタル信号は、前記検知器のアドレスを含む、請求項9〜請求項17の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。 - 前記信号送受信器は、一定時間毎にポーリングにて各検知器の状態、前記伝送ケーブル部の状態、及び判定結果を順に監視し、前記検知器の状態又は前記伝送ケーブル部の状態が異常状態である場合、若しくは前記判定結果が前記所定の異常を検知したことを示す場合、又は
前記検知器から前記所定の異常を検知したことを示す前記判定結果のデジタル信号の出力があった場合には、上位装置へ所定のメッセージを伝送する請求項9〜請求項18の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。 - 前記信号送受信器は、2台以上の検知器から、前記検知器の状態が異常状態であることを示す前記デジタル信号、又は前記判定結果が前記所定の異常を検知したことを示す前記デジタル信号の出力があった場合に、各検知器の状態及び判定結果を順に監視し、監視結果を上位装置へ伝送する請求項9〜請求項19の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記伝送ケーブル部の前記異常状態は、前記信号伝送線又は電源ケーブルの断線又は短絡である請求項19又は20記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記検知器は、複数の入出力部を備え、
前記伝送ケーブル部、前記電源部、及び前記信号送受信器を含む中位構成が複数設けられ、
前記複数の入出力部の何れか一つ及び前記複数の中位構成の何れか一つを用いて、前記デジタル信号の授受が行われる請求項9〜請求項21の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。 - 前記検知部は、前記環境情報として、湿度、圧力、振動、衝撃、ガス濃度、音、又は回転を監視し、あるいは、前記所定の異常として、温度、湿度、圧力、振動、衝撃、ガス濃度、音、若しくは回転に関する異常、火災、又は液漏れを検知したか否かを判定する請求項9〜請求項22の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。
- 前記検知器、前記電源部、前記信号送受信器、前記伝送ケーブル部、及び前記電源制御部のいずれか又は全部が、工場電気設備防爆指針で規定される危険箇所(ZONE 0)に設置される請求項9〜請求項23の何れか1項記載の本質安全防爆型検知システム。
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