JP4572711B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電源装置と機器とを電源バスにより接続して構成された電源システムに関し、とくに、電源バスの断線に対処可能な電源装置に関する。

プラント各部に設定されるバルブやセンサ等のフィールド機器を、フィールドバスを介して接続するシステムとして、FOUNDATION Fieldbus 仕様に準拠するフィールドバスシステムが知られている。このフィールドバスは、フィールド機器と上位システムとの間、あるいはフィールド機器間での通信を実行するための通信バスとして使用される。また、フィールドバスには、フィールド機器のための電源装置が接続され、フィールドバスは各フィールド機器に電源電圧を供給する電源バスとしても機能する。

特願平０５−２１８９０８号公報

上記システムでは、単一の電源装置を共通のフィールドバスを介して各フィールド機器に接続する。このため、電源ラインの引き回しが少なくて済むという利点がある。しかし、フィールドバスが切断された場合には、切断部位より先のフィールド機器が機能停止に陥るため、電源供給状態の迅速な復帰が望まれる。

本発明の目的は、電源バスの断線に適切に対処しうる電源システムを提供することにある。

本発明の電源システムは、通信バスおよび電源バスの両者として機能するフィールドバスに接続された複数のフィールド機器に、前記フィールドバスを介して電源供給を行う電源システムにおいて、前記フィールドバスの一端側に接続され、正常時に機能して前記フィールドバスを介して前記複数のフィールド機器のすべてに電源を供給する主電源と、前記フィールドバスの他端側に接続され、前記正常時には機能しない予備電源と、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側との間における前記フィールドバスの断線を検出する第１の断線検出手段と、前記第１の断線検出手段により前記フィールドバスの断線が検出された場合に、前記フィールド機器の機能が継続できるタイミングで電源供給が開始されるように前記予備電源を機能させる電源制御手段と、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側における通信信号波形を比較することにより、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側との間での前記フィールドバスの断線を、前記予備電源が機能している状態において、前記フィールドバスの通信状態に基づき前記第１の断線検出手段と独立して検出する第２の断線検出手段と、前記第２の断線検出手段により前記フィールドバスの断線が検出された場合に、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側とを通信機能上接続することで前記フィールド機器間の通信状態を正常化する接続手段と、を備えることを特徴とする。

前記接続手段は、前記第２の断線検出手段により前記フィールドバスの断線が検出された場合に、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側とを短絡して接続し、前記第１の断線検出手段は、前記接続手段により前記フィールドバスが接続された場合に前記フィールドバスの断線状態が解消したことを検出し、前記電源制御手段は、前記第１の断線検出手段により前記断線状態の解消が検出された場合に前記予備電源の機能を停止させてもよい。

前記第１の断線検出手段は、前記フィールドバスの一端側における電源電圧と前記フィールドバスの他端側における電源電圧に基づいて断線を検出してもよい。

前記第２の断線検出手段は、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側における通信信号波形を比較することにより、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側との間での前記フィールドバスの断線を検出してもよい。

本発明の電源システムによれば、断線が検出された場合に、電源バスの両端間を接続するので、電源バスに接続されたすべての機器に対する電源供給を迅速に復活させることができる。また、本発明の電源システムによれば、断線が検出された場合に、第１の電源供給手段および第２の電源供給手段を機能させるので、電源バスに接続されたすべての機器に対する電源供給を迅速に復活させることができる。

図１は本発明による電源システムを機能的に示すブロック図である。

図１（ａ）において、断線検出手段１０１は、電源バスの断線を検出する。接続手段１０２は、断線検出手段１０１により断線が検出された場合に、電源バスの両端間を接続する。

図１（ｂ）において、第１の電源供給手段１０４Ａは、電源バスの一端側に接続され、電源バスを介してフィールド機器に接続される。第２の電源供給手段１０４Ｂは、電源バスの他端側に接続され、電源バスを介してフィールド機器に接続される。断線検出手段１０５は、通信バスの断線を検出する。制御手段１０６は、断線検出手段１０５により断線が検出された場合に、第１の電源供給手段１０４Ａおよび第２の電源供給手段１０４Ｂを機能させる。

以下、図２〜図６を参照して、本発明による電源システムの実施例について説明する。

図２は実施例１の電源システムの構成を示すブロック図である。

図２に示すように、本実施例の電源システムは、２本の導線から構成され、フィールド機器１，１，・・・を共通に接続するフィールドバス２と、フィールドバス２を介してフィールド機器１，１，・・・に接続されるインターフェースモジュール３と、を備える。図２に示すように、各フィールド機器１は端子台１１を介してフィールドバス２に接続される。

フィールドバス２には、電源ライン２２ａおよび電源ライン２３ａを介して電源装置２０が接続されている。電源装置２０は、フィールドバス２の断線を検出する断線検出部２１と、電源ライン２２ａに向けて電源電圧を出力する第１電源部２２と、電源ライン２３ａに向けて電源電圧を出力する第２の電源部２３と、を具備する。このように、電源装置２０は、フィールドバス２を介して各フィールド機器１に接続され、各フィールド機器１に共通の電源装置として機能し、フィールドバス２は各フィールド機器１に共通の電源バスとして機能する。フィールドバス２の２本の導線間に、電源電圧が印加される。

電源装置２０の断線検出部２１においてフィールドバス２の断線を検出する方法は限定されない。例えば、電源ライン２２ａあるいは電源ライン２３ａの電圧に基づいて断線を検出することができる。また、例えば第１電源部２２から電源ライン２２ａに、システムの動作に妨害を与えない程度の微小な振幅でかつ周波数の高い検出信号を出力して電源電圧に重畳させ、第２電源部２３においてこの検出信号を検出するようにしてもよい。この場合、第２電源部２３において検出信号が検出されなければ、フィールドバス２に断線が発生したものと判断することができる。

図２に示すように、フィールドバス２はインターフェースモジュール３を介して制御ステーション５に接続される。制御ステーション５は、フィールドバス２およびインターフェースモジュール３を介してフィールド機器１，１，・・・と通信することで、フィールド機器１，１，・・・を制御する。また、フィールド機器１，１，・・・は、フィールドバス２を介して互いに通信可能とされている。図２に示すように、通信バス２の両端には、正常な通信状態を確保するための終端抵抗７が設けられている。このように、フィールドバス２は通信バスとしても機能する。フィールドバス２では、電源装置２０の電源電圧に通信データ（デジタル信号）を重畳することで上記通信を実行している。

また、本実施例では、フィールドバス２の両端の信号を比較してフィールドバス２の断線を検出する断線検出装置８と、フィールドバス２の両端を接続するスイッチ９と、が設けられている。断線検出装置８は、常時フィールドバス２の両端の信号波形を比較し、その信号波形の差分を検知した場合、フィールドバス２が断線したものと判断し、スイッチ９を切り替える。断線検出装置８によりフィールドバス２の断線が検出された場合、スイッチ９は、フィールドバス２の両端から終端抵抗７を切り離すとともに、フィールドバス２の両端を互いに接続する。

さらに、端子台１１には終端抵抗が内蔵されており、フィールドバス２の切断時には切断部位の近傍で終端抵抗をフィールドバス２に接続する機能を有する。

次に、本実施例の動作について説明する。

図２に示すように、フィールドバス２の正常時には、インターフェースモジュール３と、すべてのフィールド機器１とが、フィールドバス２によって互いに接続されている。また、電源装置２０は第１電源部２２のみ機能（オン）しており、電源ライン２２ａおよびフィールドバス２を介してすべてのフィールド機器１に電源電圧が供給される。

図３は、フィールドバス２の部位Ｐ（図２）に断線が発生した直後の状態を示すブロック図、図４は仮復旧した状態を示すブロック図である。

図３に示すように、断線が発生した場合、電源装置２０の断線検出部２１は断線発生直後に断線を検出する。このため、第２電源部２３の側が迅速に機能し、電源ライン２３ａを介してフィールド機器１Ａに電源電圧が供給される。フィールド機器１には短時間の電源供給停止の影響を回避する機能が備わっているため、フィールド機器１Ａを含めてフィールド機器１が機能停止状態に陥ることはない。

また、図３に示すように、フィールドバス２が切断されると、切断部位Ｐの近傍の端子台１１がフィールドバス２の切断を検知して、終端抵抗１１ａをフィールドバス２に接続する。

断線発生直後、図３に示すように、フィールドバス２が２つのセグメントに分断される。このため、フィールド機器１Ａはインターフェースモジュール３および他のフィールド機器１から切り離され、通信不能となる。しかし、フィールド機器１Ａを含めて、すべてのフィールド機器１に対する電源装置２０による電源供給が実質的に継続される。このため、通信状態が復帰するまでの間、フィールド機器１は、フィールド機器１が有するフェイルセイフ機能により、最終出力値の保持等の所定の処理を実行し、安全状態を確保することができる。

断線検出装置８がフィールドバス２の断線を検出すると、図４に示すように、スイッチ９を切り替える。このため、フィールドバス２の両端が互いに接続されるとともに、終端抵抗７がフィールドバス２から切り離される。

図４の状態では、スイッチ９を介して、第１電源部２２とフィールド機器１Ａとが接続されるため、第１電源部２２のみですべてのフィールド機器１に電源電圧を供給できる接続状態が確保される。また、スイッチ９およびフィールドバス２を介して、インターフェースモジュール３およびすべてのフィールド機器１が互いに接続されるため、正常な通信状態に復帰する。一方、断線検出部２１では、スイッチ９の切り替えによりフィールドバス２の切断状態が解消されたことを検知して、第２電源部２３の機能を停止する。したがって、正常時と同様、第１電源部２２がすべてのフィールド機器１に対して、電源電圧を供給する状態となる。

以上のように、本実施例では、フィールドバス２の切断が検出されると、スイッチ９によりフィールドバス２の両端を接続するので、電源供給を迅速に復帰させることができる。また、断線発生直後に断線検出部２１が断線を検出し、スイッチ９の切り替えが実行されるまでの間（図３）、第１電源部２２および第２電源部２３の両者が機能する。したがって、実質的に継続して、すべてのフィールド機器１に電源電圧を供給できる。

図５は実施例２の電源システムの構成を示すブロック図である。実施例１と同一要素には同一符号を付している。

図５に示すように、本実施例の電源システムでは、インターフェースモジュール３Ａおよびインターフェースモジュール３Ｂが、それぞれフィールドバス２の両端側に接続されている。

図５に示すように、正常時には、電源装置２０は第１電源部２２のみが機能しており、電源ライン２２ａおよびフィールドバス２を介してすべてのフィールド機器１に電源電圧が供給される。

また、正常時には、インターフェースモジュール３Ａが稼動状態、インターフェースモジュール３Ｂが待機状態にあり、インターフェースモジュール３Ａのみが稼動している。しかしインターフェースモジュール３Ａおよびインターフェースモジュール３Ｂの両者において、フィールドバス２の両端においてそれぞれ取得されるセグメント情報を、上位の制御ステーション５に随時送信する。

制御ステーション５Ａでは、両者のセグメント情報を比較し、相違していれば断線が発生したと判定する。

図９はフィールドバス２に断線が発生した後の状態を示すブロック図である。

図９に示すように、断線が発生した場合、フィールドバス２が２つのセグメントに分断され、２台のフィールド機器１はインターフェースモジュール３Ａに、１台のフィールド機器１Ａはインターフェースモジュール３Ｂにそれぞれ接続される。しかし、電源装置２０の断線検出部２１は断線発生直後に断線を検出する。このため、第２電源部２３の側が迅速に機能し、電源ライン２３ａを介してフィールド機器１Ａに電源電圧が供給される。したがって、第１電源部２２および第２電源部２３により、２つのセグメントのそれぞれに電源電圧が供給されることになる。フィールド機器１には短時間の電源供給停止の影響を回避する機能が備わっているため、フィールド機器１Ａを含めてフィールド機器１が機能停止状態に陥ることはない。

また、切断部位の近傍の端子台１１がフィールドバス２の切断を検知して、終端抵抗１１ａをフィールドバス２に接続する。

フィールドバス２が切断されると、両者のセグメント情報に基づいて、制御ステーション５Ａで断線が発生したと判定する。断線が発生したと判定された場合には、制御ステーション５Ａは、インターフェースモジュール３Ａおよびインターフェースモジュール３Ｂを介してフィールドバス２の通信データを制御することで、２つのセグメントの情報を等値化し、正常時と同様の動作を確保する。

以上のように、本実施例では、断線発生直後に断線検出部２１が断線を検出し、第１電源部２２および第２電源部２２の両者が機能する。したがって、実質的に継続して、すべてのフィールド機器１に電源電圧を供給できる。

上記各実施例における電源装置２０は、分断された２つのセグメントに独立して電源供給可能な構成であればよく、第１電源部２１および第２電源部２２を一体的な電源装置として設けてもよいし、第１電源部２１および第２電源部２２を分離して設けてもよい。また、単一の電源部と、各セグメントへの電源供給を制御する回路とを組み合わせることで、第１の電源供給手段１０４Ａおよび第２の電源供給手段１０４Ｂ（図１）を構成することもできる。

上記各実施例では、電源バスとして、電源供給用と通信用のバスを兼用した例（フィールドバス）を例示したが、本発明はこのようなバスを使用する場合に限定されることはなく、電源バスにより機器と電源装置とを接続して構成された、あらゆる電源システムについて適用される。

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、フィールド機器に電源を供給する電源システムに限定されることなく、あらゆる機器に対する電源システムに対し、広く適用することができる。

本発明による電源システムを機能的に示すブロック図。 実施例１の電源システムの構成を示すブロック図。 電源バスに断線が発生した直後の状態を示すブロック図。 仮復旧した状態を示すブロック図。 実施例２の電源システムの構成を示すブロック図。 電源バスに断線が発生した後の状態を示すブロック図。

符号の説明

８ 断線検出装置（断線検出手段１０１）
９ スイッチ（接続手段）
２１ 断線検出部（断線検出手段１０５、制御手段）
２２ 第１電源部（第１の電源供給手段）
２３ 第２電源部（第２の電源供給手段）
１０１ 断線検出手段
１０２ 接続手段
１０４Ａ 第１の電源供給手段
１０４Ｂ 第２の電源供給手段
１０５ 断線検出手段
１０６ 制御手段

Claims (4)

1. 通信バスおよび電源バスの両者として機能するフィールドバスに接続された複数のフィールド機器に、前記フィールドバスを介して電源供給を行う電源システムにおいて、
   前記フィールドバスの一端側に接続され、正常時に機能して前記フィールドバスを介して前記複数のフィールド機器のすべてに電源を供給する主電源と、
   前記フィールドバスの他端側に接続され、前記正常時には機能しない予備電源と、
   前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側との間における前記フィールドバスの断線を検出する第１の断線検出手段と、
   前記第１の断線検出手段により前記フィールドバスの断線が検出された場合に、前記フィールド機器の機能が継続できるタイミングで電源供給が開始されるように前記予備電源を機能させる電源制御手段と、
   前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側との間における前記フィールドバスの断線を、前記予備電源が機能している状態において、前記フィールドバスの通信状態に基づき前記第１の断線検出手段と独立して検出する第２の断線検出手段と、
   前記第２の断線検出手段により前記フィールドバスの断線が検出された場合に、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側とを通信機能上接続することで前記フィールド機器間の通信状態を正常化する接続手段と、
   を備えることを特徴とする電源システム。
2. 前記接続手段は、前記第２の断線検出手段により前記フィールドバスの断線が検出された場合に、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側とを短絡して接続し、
   前記第１の断線検出手段は、前記接続手段により前記フィールドバスが接続された場合に前記フィールドバスの断線状態が解消したことを検出し、前記電源制御手段は、前記第１の断線検出手段により前記断線状態の解消が検出された場合に前記予備電源の機能を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記第１の断線検出手段は、前記フィールドバスの一端側における電圧と前記フィールドバスの他端側における電圧に基づいて前記フィールドバスの断線を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
4. 前記第２の断線検出手段は、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側における通信信号波形を比較することにより、前記フィールドバスの一端側と前記フィールドバスの他端側との間での前記フィールドバスの断線を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源システム。

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