JP3630583B2

JP3630583B2 - フェールセーフスイッチのオンライン診断方法および装置

Info

Publication number: JP3630583B2
Application number: JP10615899A
Authority: JP
Inventors: 孝志北田; 久雄長山; 宗太草本; 邦之猪狩; 修一中道
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: JP2000298515A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラントの操作端など、稼動状態の機器の「非常停止」や「フェールセーフ」を行うスイッチ（本明細書では、フェールセーフスイッチと総称する）に係わり、特にＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子を用いるフェールセーフスイッチのオンライン故障診断に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラントなど複数の機器を連係動作させるやシステムでは、異常発生に伴う事故の拡大を防止するため、関連機器に対して所定のロジックに従った「非常停止」や「フェールセーフ」を行うためのフェールセーフスイッチを設けている。例えば、電源と機器間に接続したＦＥＴ素子を、常時は導通状態（オン状態）で使用し、異常時は制御指令によりオフ状態として、機器を電源から切り離す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
常時オン、非常時オフで使用するフェールセーフスイッチは、異常時に正しくオフできるかを日頃から確認しておく必要がある。従来は定検などのオフライン時に、人手によって点検していた。
【０００４】
しかし、オフライン点検ではプラントの点検周期が長くなる場合に、スイッチの健全性に問題が生じる。また、操作端とスイッチが離れている場合など、複数の人手による点検作業が行われることもある。
【０００５】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を克服し、フェールセーフスイッチのオンライン点検を自動的に行える故障診断方法および装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、常時は交流電源から機器への通電を行い、「非常停止」または「フェールセーフ」の指令によって前記機器への通電を断つスイッチ（以下、フェールセーフスイッチと呼ぶ）のオンライン診断方法において、前記機器へ通電中の前記スイッチを、所定時間だけオン状態からオフ状態に遷移するように制御し、前記交流電源の通常の変化（正弦波）に応じた制御前（オン状態）の負荷電流または負荷電圧の検出値が制御中（オフ状態）に特異変化をするか否かを検出して、前記スイッチの健全性を判定することを特徴とする。
【０００７】
前記所定短時間は、前記検出値がゼロから最大値未満の基準値（Ｒｅｆｆ）まで増加したときを基点に、前記スイッチのオン・オフ応答特性より定まる必要時間とする。たとえば、ＦＥＴの応答特性であれば、必要時間は数マイクロ秒程度で十分である。なお、この所定時間は負荷動作に影響を与えない範囲とする。
【０００８】
本発明の方法を実現するフェールセーフスイッチのオンライン診断装置は、前記機器の負荷電流または負荷電圧を検出する検出手段と、診断指令がオンの場合に、前記検出手段からの検出値が所定の基準値（Ｒｅｆｆ）を越えるタイミングで前記スイッチをオフ状態に制御する診断信号を発生する診断信号生成手段と、前記タイミングで保持されたホールド検出値と直後の検出値を比較し、前者が上回る場合は前記スイッチがオフ状態に遷移したと判定する判定手段と、を設けることを特徴とする。
【０００９】
また、人手またはソフトウエアによって発行される診断指令情報と、前記検出値が負から正に変わるゼロクロス点の検出情報とのＡＮＤにより、前記診断指令を発行する診断指令発行手段を設けることを特徴とする。
【００１０】
また、前記オンライン診断装置がプロセス入出力装置または前記機器に付設してなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の作用を説明する。本発明は、交流電源からフェールセーフスイッチを介して通電される機器の負荷電流または負荷電圧の検出値が、スイッチをオフ状態としたときに、オン状態の正弦波とは異なる変化を生じることを利用する。
【００１２】
フェールセーフスイッチにＦＥＴを使用する場合、その応答特性は速いもので数ナノ秒となる。一方、負荷として接続される機器（例えば、電磁弁）を動かすのに必要な電磁力Ｆと電圧Ｖ、電流Ｉの関係は数１で表される。
【００１３】
【数１】
Ｆ＝Ｋ×Ｉ＝１／Ｌ・∫Ｖｄｔ
Ｉ＝１／Ｌ・Ｖｄｔ
従って、微小な時間での負荷電流（電圧）の変化は、電磁弁を開または閉するための電磁力Ｆに影響を及ぼさない。すなわち、ＦＥＴのオン／オフ動作は数ナノ秒から数マイクロ秒で行われ、一方、機器の電磁力Ｆは数十ミリ秒から数秒の電源断によっても誤動作することはない。この特性差を利用すれば、瞬間的にＦＥＴをオフ制御し、負荷電流（電圧）の変化の挙動からその健全性を確認することができる。
【００１４】
本発明により、フェールセーフスイッチのオンライン診断が可能になるので、短い点検周期で信頼性の高い健全性チエックができ、スイッチの閉故障による事故の発生や拡大を防止できる。また、点検が簡単で、作業時間を大幅に削減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。図２は本発明の診断装置の一適用例となるプラント制御装置の概略構成を示す。全体の監視・制御を行う計算機２と複数の制御用コントローラ３はネットワークで結ばれ、計算機室などに配置される。各コントローラ３はプロセス入出力装置（ＰＩ／Ｏ）４、あるいはデバイスネット５を介して現場の操作端（機器）７を制御する。「非常停止」や「フェールセーフ」のためのフェールセーフスイッチにはＦＥＴ１０を使用し、交流電源６と機器７の間に常時導通状態で接続する。ＦＥＴ１０の状態遷移の健全性をオンラインで確認するＦＥＴ診断回路１が本発明の対象となる。
【００１６】
図１は、一実施例によるＦＥＴ診断装置の構成図である。本実施例では、操作端の電磁弁７の「フェールセーフスイッチ」となるＦＥＴ１０が診断回路１と共にＰＩ／Ｏ４に設置されている。ＦＥＴ１０のドレインＤが電源２に、ソースＳが電磁弁７側に接続され、ゲートＧはスイッチ制御回路１２を介して駆動回路１１に接続されている。
【００１７】
駆動回路１１はＦＥＴ１０をオン／オフする制御信号を発生する。たとえば、接合型のＦＥＴ１０をアナログスイッチとして使用する場合、ゲートＧを０Ｖにして（またはフローティング）オン状態（導通状態）とする。また、ゲートＧにピンチオフ電圧Ｖｐより高い電圧Ｖｇｓを印加してオフ状態とする。したがって、駆動回路１１からＶｇｓを発生し、常時はスイッチ制御回路１２のＩＮ−ＯＵＴ間を開いてＦＥＴ１０をオン状態にする。一方、コントローラ３から非常停止やフエールセーフの制御指令が制御端子１２１に印加されると、ＩＮ−ＯＵＴ間を閉じてＦＥＴ１０をオフ状態にし、電磁弁７への通電を遮断する。さらに、本実施例ではスイッチ制御回路１２にテスト端子１２２を設け、後述する診断パルスの印加でＩＮ−ＯＵＴ間を閉じて、ＦＥＴ１０をオフ状態にする。
【００１８】
診断回路１は、交流電源２から電磁弁７に供給している負荷電流の検出回路２０と、その検出値に基づくタイミングで診断パルスを発生する診断タイミング生成回路３０と、診断結果を判定・出力する判定回路４０を設けている。電流検出回路２０は負荷電流を検出するＣＴ２１と、この検出電流を電圧に変換する電圧検出回路２２からなる。
【００１９】
診断タイミング生成回路３０は、検出電圧Ｖと基準値Ｖｒｅｆｆ（例えば、１０ｖ）を比較し、Ｖ≧Ｖｒｅｆｆで”１”を出力、Ｖ＜Ｖｒｅｆｆで”０”を出力する比較回路３４と、この比較回路３４の１／０出力と診断指令出力回路３３の１／０出力とのＡＮＤを行うＡＮＤ回路３５と、ＡＮＤ回路３５の”１”出力により診断パルスを発生する診断パルス生成回路３６からなる。
【００２０】
診断指令出力回路３３は、人手またはソフトウエアにより少なくとも電源の１周期以上に亘って”１”を出力する診断指示情報３１と、検出電圧Ｖ（負荷電流Ｉ）が負から正になるゼロクロス点（ｔ０）を検出して”１”を出力するゼロクロス検出回路３２からの情報を入力し、両情報のＡＮＤが成立したｔ０からＴ１までの期間、論理”１”の出力を行う。
【００２１】
判定回路４０は検出電圧Ｖを入力し、上記診断パルスのタイミングで検出値（＝Ｖｒｅｆｆ）を保持するホールド回路４１と、ホールド回路４１の出力値と検出電圧Ｖを比較しＶｒｅｆｆ≧Ｖで”１”を出力する比較回路４２と、比較回路４２の出力”１”を診断パルスの立ち下がりでラッチするフリップフロップ４３、ラッチした出力”１”を表示する表示器（たとえば、ＬＥＤ）４４からなる。
【００２２】
次に、本診断装置の動作を説明する。図３はＦＥＴ診断装置の各部の信号変化を示すタイムチャートである。ａは負荷電流Ｉを変換した検出電圧Ｖの波形で、通常は交流電源２の正弦波（５０／６０Ｈｚ、周期２０ｍｓ）と同じである。
【００２３】
ｂは診断指令情報３１、ｃは検出電圧Ｖの負⇒正のゼロクロス点ｔ０の検出情報、ｄは比較回路３４の出力で、検出電圧Ｖが基準値Ｖｒｅｆ（１０ｖ）に到達した時点ｔ１から”１”となる。なお、ゼロクロス検出情報ｂは時刻ｔ０で開始して時刻ｔ１を含み、それより若干長い信号幅Ｔ１として出力される。
【００２４】
診断指令ｂ、ゼロクロス検出情報ｃ及び比較回路３４の出力ｄの３つのＡＮＤ条件が成立すると、診断パルスｅがｔ１より若干遅れたタイミングで出力される。なお、診断パルスｅのパルス幅はＦＥＴ１０の状態遷移に必要で、かつ電磁弁７の動作に影響を生じない時間で、数μｓ〜１ｍｓ程度となる。この診断パルスｅが制御回路１２のテスト端子１２１に入力されると、駆動回路１１からのターンオフ信号ｆがゲートＧに印加される。ＦＥＴ１０が正常であればＴ２の期間、ＦＥＴ状態ｇはオン状態からオフ状態に遷移する。そして、診断パルスｅが消失すると、ＦＥＴ状態ｇはオフ状態からオン状態に復旧する。
【００２５】
診断パルスｅはＨＯＬＤ端子にも印加されるので、ホールド回路４１はそのタイミングの検出電圧（ほぼ、Ｖｒｅｆｆ）をホールド出力ｈとして、比較回路４２の＋側入力とする。一方、ＦＥＴ１０のオフ状態により電磁弁７の通電が断たれると、比較回路４２の−側入力の検出電圧Ｖが急降下し、ｔ１から僅か後のｔ２ではＶｒｅｆ≧Ｖとなり、検出Ｖ低下情報ｉが出力される。比較回路４２からの低下情報ｉはｔ２からｔ４までおよそＴ２期間続き、Ｆ／Ｆ回路４３に入力される。また、Ｆ／Ｆ回路４３のＬＡＴＣＨ端には診断パルスｅの立ち下がりが印加され、このタイミングｔ３（ｔ４より前）で低下情報ｉをラッチし、ＦＥＴオフ検出情報ｊを表示器４４に出力する。つまり、診断パルスｅの発生でＦＥＴ１０が正常にオフ状態に遷移したことが、表示器４４の表示（点灯）より確認できる。
【００２６】
ところで、比較回路３４の出力ｄはＦＥＴがオン状態に復帰すると、再び”１”を出力し始める。しかし、次の電源周期まで負から正に変わるゼロクロス点は出現しないので、診断パルスｅが発行されることはない。もし、診断指令ｂが数周期に亘って持続していれば、上記した正常な診断動作が繰り返されるので、表示器４４を点滅表示させることも可能である。
【００２７】
また、診断中のＦＥＴに閉故障がある場合にも誤検出の恐れがない。すなわち、タイミングｔ１で診断パルスｅを印加してＦＥＴがオフ状態に遷移しない場合、検出電圧Ｖは負荷電流Ｉに準じて変化する。この間、ホールド回路４１はタイミングｔ１でＶｒｅｆｆをホールドしているので、検出電圧ＶがＶｒｅｆ⇒Ｖｍａｘ⇒Ｖｒｅｆの間は比較回路４２の出力が”０”となる。また、Ｆ／Ｆ４３のラッチは診断パルスｅの立ち下がり（ｔ３）で行われる。この結果、表示器４４に誤って”１”が出力されることが二重に防止できる。
【００２８】
このように、本実施例のＦＥＴ診断装置によれば、常時オン状態のＦＥＴに対するオフ状態遷移への診断をオンラインで行えるので、短い点検周期でＦＥＴの健全性の確認が可能になり、ＦＥＴの故障によるプラント事故の発生や拡大を確実に防止できる。また、点検作業は点検の指示と表示器の確認のみとなるので、簡単かつ短時間で行える。さらに、診断時の誤検出を二重に防止しているので、診断結果に対する信頼性が高い。
【００２９】
なお、本実施例の診断回路１はＰＩ／Ｏ４に組み込まれているが、図２の一部に示すように、操作端の機器７に付設する構成としてもよい。また、診断指令情報３１の入力や診断結果の表示は、計算機２の入出力装置によってもよい。
【００３０】
次に、本発明の他の実施例を説明する。図４は、他の実施例によるＦＥＴ診断装置の構成図で、図１と同一部分には同一符号を付している。上記実施例との相違は、診断回路１を機器（電磁弁）７に付設し、かつ電流検出回路２０に代えて電圧検出回路２５を設けた点にある。
【００３１】
図４に示すように、電磁弁７の電磁力Ｆを発生するコイル７１の両端電圧（負荷電圧）をＰＴ２６により検出し、ＡＭＰ２７で増幅して図３と同じ検出電圧Ｖを得ている。以後の診断動作は、図１、図３で説明した方法と同様となるので、説明を省略する。
【００３２】
以上、２つの実施例を通して本発明のフェールセーフスイッチの診断方法と診断装置を説明した。上記の実施例ではフェールセーフスイッチにＦＥＴを使用したがこれに限られるものではない。オン抵抗小、オフ抵抗大で、かつ電源波形の正負に関係なく双方向性を有する電子的スイッチ素子であれば（リードリレーなどの機械的接点では応答速度の点で問題がある）、広く適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、プラントの制御端末等の機器に付設されその非常停止やフェールセーフを行うフェールセーフスイッチを、常時オン状態において瞬時オフ状態に遷移するよう制御し、制御前（オン状態）に前記スイッチを介して交流電源から通電される負荷電流または負荷電圧の検出値が、制御中（オフ状態）に生じる特異変化（正常な電源変化とは異なる変化）から、前記スイッチの正常なオフ動作を確認するので、スイッチの健全性をオンラインで診断できる。この結果、診断周期を大幅に短縮できるので、スイッチの信頼性が顕著に向上し、スイッチ不良による事故発生を回避できる。また、点検作業が簡単で人手を要しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるＦＥＴオンライン診断装置の構成図。
【図２】本発明を適用するプラント制御装置の概略図。
【図３】図１のオンライン診断装置の動作を示すタイムチャート。
【図４】本発明の他の実施例によるＦＥＴオンライン診断装置の構成図。
【符号の説明】
１…ＦＥＴ診断回路、３…コントローラ、４…プロセス入出力装置（ＰＩ／Ｏ）、７…電磁弁（機器）、７１…コイル、１０…ＦＥＴ、１１…駆動回路、１２…スイッチ制御回路、２０…電流検出回路、２１…ＣＴ、２２…電圧検出回路、２５…電圧検出回路、２６…ＰＴ、３０…診断タイミング生成回路、３１…診断指示情報、３２…ゼロクロス検出回路、３３…診断指令出力回路、３４…比較回路、３５…ＡＮＤ回路、３６…診断パルス生成回路、４０…判定回路、４１…ホールド回路、４２…比較回路、４３…フリップフロップ（Ｆ／Ｆ）、４４…表示器（ＬＥＤ）。

Claims

常時は交流電源から機器への通電を行い、「非常停止」または「フェールセーフ」の指令によって前記機器への通電を断つスイッチ（以下、フェールセーフスイッチと呼ぶ）のオンライン診断方法において、
前記フェールセーフスイッチのオフ動作が前記機器の動作に影響を及ぼさない所定時間に行われるものであって、
前記機器へ通電中の検出値が基準値を超えたとき、前記フェールセーフスイッチを前記所定時間だけオン状態からオフ状態に遷移するように診断パルスを与え、前記診断パルスにより前記所定時間だけ前記フェールセーフスイッチをオン状態からオフ状態に駆動し、前記オフ状態で前記機器を流れる検出値が前記基準値を下回るのを検出して、前記フェールセーフスイッチの健全性を判定することを特徴とするフェールセーフスイッチのオンライン診断方法。
常時は交流電源から機器への通電を行い、「非常停止」または「フェールセーフ」の指令によって前記機器への通電を断つスイッチ（以下、フェールセーフスイッチと呼ぶ）のオンライン診断装置において、
前記機器の負荷電流または負荷電圧を検出する検出手段と、診断指令がオンの場合に、前記検出手段からの検出値が所定の基準値（Reff）を越えるタイミングで前記スイッチをオフ状態に制御する診断信号を発生する診断信号生成手段と、前記タイミングで保持されたホールド検出値と直後の検出値を比較し、前者が上回る場合は前記スイッチがオフ状態に遷移したと判定する判定手段を設けることを特徴とするフェールセーフスイッチのオンライン診断装置。
請求項２において、人手またはソフトウエアによって発行される診断指令情報と、前記検出値が負から正に変わるゼロクロス点の検出情報とのＡＮＤにより、前記診断指令を発行する診断指令発行手段を設けることを特徴とするフェールセーフスイッチのオンライン診断装置。
請求項２または３において、前記オンライン診断装置がプロセス入出力装置または前記機器に付設してなるフェールセーフスイッチのオンライン診断装置。