JP4802970B2

JP4802970B2 - 二重化電流出力装置

Info

Publication number: JP4802970B2
Application number: JP2006290978A
Authority: JP
Inventors: 薫佐野; 公英青山; 久齋藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-10-26
Also published as: JP2008108103A

Description

本発明は、複数の電流出力モジュール間で制御権を切り替えることができる二重化電流出力装置に関する。

プロセスオートメーション用制御機器（以下、外部機器という）に与える電流を出力する電流出力モジュールを２台用いることによりモジュールを二重化し、信頼性を向上させた装置が知られている。このような装置では、通常時には稼動側の電流出力モジュールから機器に電流を供給し、稼動側の動作に異常が発生した場合には、制御権を待機側の電流出力モジュールに切り替えて、待機側の電流出力モジュールから機器に電流を供給する。

図５は、従来の装置の構成を示すブロック図である。

図５に示すように、稼動側の電流出力モジュール１１０は、バルブ等の外部機器３０への電流を出力する出力回路１１と、外部機器３０への電流の供給／非供給を切り替えるＦＥＴで構成されたスイッチ１２と、出力回路１１およびスイッチ１２を制御するコントロール回路１３と、出力回路１１と外部機器３０との間に挿入されるダイオード１４とを備える。

同様に、待機側の電流出力モジュール１２０は、外部機器３０への電流を出力する出力回路２１と、外部機器３０への電流の供給／非供給を切り替えるＦＥＴで構成されたスイッチ２２と、出力回路２１およびスイッチ２２を制御するコントロール回路２３と、出力回路２１と外部機器３０との間に挿入されるダイオード２４とを備える。

電流出力モジュール１１０および電流出力モジュール１２０は、ダイオード１４およびダイオード２４を突き合わせることで外部機器３０に二重化接続されている。

通常時には、稼動側の電流出力モジュール１１０のスイッチ１２がオフ、待機側の電流出力モジュール１２０のスイッチ２２がオンになっている。制御権を待機側に切り替える場合には、スイッチ２２をオフとすることで、出力回路２１から出力された電流は外部機器３０に供給される。また、スイッチ１２をオンとすることで、出力回路１１から出力された電流はスイッチ１２に流れ、外部機器３０に供給されることはない。

特開２００２−６２９０３号公報

しかし、二重化切替時のスイッチ１２とスイッチ２２の動作タイミングにタイムラグ（スイッチ１２が遅くオンし、スイッチ２２が早くオフする）があるため、両側のスイッチが同時にオフするタイミングがある。そのため外部機器３０への供給電流が増加することがある。外部機器３０への供給電流が増えることは、システムとしての誤動作を招く可能性がある。

本発明の目的は、二重化切替時における外部機器への供給電流を調整できる二重化電流出力装置を提供することにある。

本発明の二重化電流出力装置は、第１の電流出力モジュールおよび第２の電流出力モジュールと、前記第１の電流出力モジュールから前記第２の電流出力モジュールに制御権を切り替えるための信号を発生させる信号発生手段と、前記信号発生手段からの信号に基づいて前記第１の電流出力モジュールおよび前記第２の電流出力モジュールからの直流出力電流をオン／オフさせるスイッチと、前記第１の電流出力モジュールおよび前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流を合成して出力する電流合成手段と、を備える二重化電流出力装置において、前記スイッチに与える前記信号発生手段からの信号のタイミングを調整することで、前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流をオンさせた後、所定時間経過後に前記第１の電流出力モジュールからの前記直流電流をオフさせるように、前記第１の電流出力モジュールまたは／オフのタイミングを調整するタイミング調整手段と、前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流をオンさせる際に、当該前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流が徐々に増加するようにその電流値を調整する電流値調整手段と、を備え、前記電流合成手段により合成される前記直流出力電流は、前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流をオンさせる際に、徐々に増加することを特徴とする。
この二重化電流出力装置によれば、スイッチに与える信号発生手段からの信号のタイミングを調整することで、第１の電流出力モジュールまたは第２の電流出力モジュールからの出力電流のオン／オフのタイミングを調整するので、二重化切替時における外部機器への供給電流を適切に調整できる。

前記第２の電流出力モジュールからの直流出力電流をオン／オフさせるスイッチは半導体スイッチであり、前記電流値調整手段は、前記半導体スイッチに与えられる前記信号発生手段からの信号の変化が穏やかになるように調整することで、前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流を徐々に増加させてもよい。

前記電流値調整手段は、回路の時定数を用いて前記信号を調整してもよい。

前記電流合成手段は、２つのダイオードを突き合わせて構成されてもよい。

本発明の二重化電流出力装置によれば、スイッチに与える信号発生手段からの信号のタイミングを調整することで、第１の電流出力モジュールまたは第２の電流出力モジュールからの出力電流のオン／オフのタイミングを調整するので、二重化切替時における外部機器への供給電流を適切に調整できる。

本発明の二重化電流出力装置によれば、スイッチに与える信号発生手段からの信号の変化を調整することで、第１の電流出力モジュールおよび第２の電流出力モジュールからの出力電流の和を調整するので、二重化切替時における外部機器への供給電流を適切に調整できる。

以下、図１〜図４を参照して、本発明による二重化電流出力装置の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の二重化電流出力装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の二重化電流出力装置は、バルブ等のフィールド機器である外部機器３０に電流を供給する電流出力モジュール１０および電流出力モジュール２０を備える。

電流出力モジュール１０は稼動側モジュールとして機能し、通常時には電流出力モジュール１０に制御権が与えられ、電流出力モジュール１０から外部機器３０に電流が供給される。一方、電流出力モジュール２０は待機側モジュールとして機能し、電流出力モジュール１０での制御に異常が生じた場合に、電流出力モジュール２０に制御権が切り替えられ、電流出力モジュール２０から外部機器３０に電流が供給される。

図１に示すように、電流出力モジュール１０は、外部機器３０への電流を出力する出力回路１１と、外部機器３０への電流の供給／非供給を切り替えるＦＥＴで構成されたスイッチ１２と、出力回路１１およびスイッチ１２を制御するコントロール回路１３と、出力回路１１と外部機器３０との間に挿入されるダイオード１４とを備える。

スイッチ１２がオフの場合には、出力回路１１からの電流が外部機器３０に供給される。スイッチ１２がオンすると、出力回路１１からの電流はスイッチ１２に流れ、外部機器３０に電流は供給されない。

同様に、電流出力モジュール２０は、外部機器３０への電流を出力する出力回路２１と、外部機器３０への電流の供給／非供給を切り替えるＦＥＴで構成されたスイッチ２２と、出力回路２１およびスイッチ２２を制御するコントロール回路２３と、出力回路２１と外部機器３０との間に挿入されるダイオード２４とを備える。

スイッチ２２がオフの場合には、出力回路２１からの電流が外部機器３０に供給される。スイッチ２２がオンすると、出力回路２１からの電流はスイッチ２２に流れ、外部機器３０に電流は供給されない。

電流出力モジュール１０および電流出力モジュール２０は、ダイオード１４およびダイオード２４を突き合わせることで外部機器３０に二重化接続されている。

図１に示すように、コントロール回路１３およびスイッチ１２のゲート間には調整回路１５が、コントロール回路２３およびスイッチ２２のゲート間には調整回路２５が、それぞれ接続されている。

図２は、調整回路１５および調整回路２５の構成を示す回路図である。

図２に示すように、調整回路１５および調整回路２５は、所定の時定数を構成する抵抗５１およびコンデンサ５２と、抵抗５１に並列接続されたダイオード５３とを備える。

図３は、本実施形態の二重化電流出力装置の動作を示すタイミングチャートである。図３の例では、稼動側の電流出力モジュール１０から待機側の電流出力モジュール２０に制御権が切り替えられた場合の動作を示している。

制御権が電流出力モジュール１０にあるとき、電流出力モジュール１０のスイッチ１２はオフ、電流出力モジュール２０のスイッチ２２はオンになっている。この状態から制御権を待機側に移すとき、スイッチ１２をオンに、スイッチ２２をオフにする。この際、スイッチ１２およびスイッチ２２のオン、オフを制御するコントロール信号を生成する回路構成に依存したコントロール信号のタイムラグにより、スイッチ１２あるいはスイッチ２２をオン状態からオフさせる動作時間（Ｔ１）よりも、オフ状態からオンさせる動作時間（Ｔ２）が長い場合を示している（図３）。

図２に示すように、本実施形態の二重化電流出力装置では、スイッチ２２をオン状態からオフさせる場合、抵抗５１の抵抗値およびコンデンサ５２の容量で決まる時定数に従ってゲート電圧が徐々に低下する。このため、図３の点線５５により示すように、電流出力モジュール２０からの供給電流は徐々に増加し、所定の電流値に到達するタイミングを遅らせることができる。一方、スイッチ１２をオフ状態からオンさせる場合には、実質的にダイオード５３の順方向のインピーダンスは無視できるため、調整回路１５がない場合と同様、ゲート電圧は速やかに上昇する。このため、図３に示すように、電流出力モジュール１０からの供給電流はコントロール信号に従って比較的迅速に遮断される。

外部機器３０への供給電流は、電流出力モジュール１０および電流出力モジュール２０からの供給電流の和となるため、図３の点線５６により示すように、外部機器３０への供給電流は、電流出力モジュール２０からの供給電流に対応して調整回路２５で決まる時定数との関係に従い増加する。このため調整回路１５，２５がない場合の電流値（図３の実線）に比べてグリッチを減少させることができる。また、電流増加時の変化を調整できるので、外部機器３０への悪影響を抑制できる。

なお、制御権を電流出力モジュール２０から電流出力モジュール１０に切り替える場合には、調整回路１５によって電流出力モジュール１０からの電流供給のタイミングが遅らされるとともに、その供給電流の立ち上がりが調整回路１５で決まる時定数との関係に従い増加する。このため、図３に示す場合と同様、グリッチを減少させることができるととともに電流増加時の変化を調整することで、外部機器３０への悪影響を抑制できる。

以上のように、本実施形態の二重化電流出力装置によれば、調整回路１５および調整回路２５によって電流出力装置１０および電流出力装置２０からの電流供給のタイミングあるいはその立ち上がりを調整することにより、二重化切替時における外部機器３０への供給電流を適切に制御することができる。

なお、調整回路１５，２５を変更することで、スイッチ１２，２２のスイッチングのタイミングを自由にコントロールすることができる。例えば、抵抗５１の抵抗値あるいはコンデンサ５２の容量を変えることで時定数を変更でき、スイッチングのタイミングや供給電流の変化速度を変えることができる。

また、ダイオード５３の向きを反転させることで、スイッチ１２，２２がオフからオンになるタイミングのみを遅らせることができる。この場合、スイッチ１２，２２をオフ状態からオンさせる場合、抵抗５１の抵抗値およびコンデンサ５２の容量で決まる時定数に従ってゲート電圧が徐々に上昇する。このため、電流出力モジュール１０または電流モジュール２０からの供給電流は徐々に減少し、供給電流が所定値まで減少するタイミングを遅らせることができる。一方、スイッチ１２，２２をオン状態からオフさせる場合には、実質的にダイオード５３の順方向のインピーダンスは無視できるため、ゲート電圧は速やかに下降する。このため、電流出力モジュール１０または電流出力モジュール２０からの供給電流はコントロール信号に従って比較的迅速に上昇する。

また、例えば、ダイオード５３と直列に抵抗を挿入すれば、スイッチオンからオフ、およびオフからオンのタイミングや供給電流の変化を自由に設定できる。

さらに、調整回路の構成は、抵抗やコンデンサによる時定数を用いたもの、あるいはダイオードによりスイッチングの方向により調整パラメータを変化させるものに限定されることはない。例えば、コントロール回路１３，２３内で動作スピードを調整するようにしてもよい。

供給電流の立ち上がりや立下りを独立して制御することにより、制御権の切り換え時における外部機器３０への供給電流の変動をさらに減少させることも可能である。

図４は、供給電流の変化のタイミングを調整することにより、外部機器への供給電流を一定にする概念を示す図である。図４の例では、制御権の切り換え時における電流出力モジュールからの出力電流の和を一定とするように、スイッチングのタイミングを調整している。ここでは、切り換えにより制御権が与えられるモジュールからの出力電流の増加と、制御権を失うモジュールからの出力電流の減少とが、同様に変化するため、出力電流の合成値の変化が生じない。このため、二重切り換え時における外部機器への電流供給が変化せず、理想的な動作を確保できる。

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、複数の電流出力モジュール間で制御権を切り替えることができる二重化電流出力装置に対し、広く適用することができる。

一実施形態の二重化電流出力装置の構成を示すブロック図。調整回路の構成を示す回路図。二重化電流出力装置の動作を示すタイミングチャート。供給電流の変化のタイミングを調整することにより外部機器への供給電流を一定にする概念を示す図。従来の二重化電流出力装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０電流出力モジュール
２０電流出力モジュール
１２，２２スイッチ
１４，２４ダイオード（電流合成手段）
１５，２５調整回路（調整手段）

Claims

第１の電流出力モジュールおよび第２の電流出力モジュールと、
前記第１の電流出力モジュールから前記第２の電流出力モジュールに制御権を切り替えるための信号を発生させる信号発生手段と、
前記信号発生手段からの信号に基づいて前記第１の電流出力モジュールおよび前記第２の電流出力モジュールからの直流出力電流をオン／オフさせるスイッチと、
前記第１の電流出力モジュールおよび前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流を合成して出力する電流合成手段と、
を備える二重化電流出力装置において、
前記スイッチに与える前記信号発生手段からの信号のタイミングを調整することで、前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流をオンさせた後、所定時間経過後に前記第１の電流出力モジュールからの前記直流電流をオフさせるように、前記第１の電流出力モジュールまたは／オフのタイミングを調整するタイミング調整手段と、
前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流をオンさせる際に、前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流が徐々に増加するようにその電流値を調整する電流値調整手段と、
を備え、
前記電流合成手段により合成される前記直流出力電流は、前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流をオンさせる際に、徐々に増加することを特徴とする二重化電流出力装置。
前記第２の電流出力モジュールからの直流出力電流をオン／オフさせるスイッチは半導体スイッチであり、
前記電流値調整手段は、前記半導体スイッチに与えられる前記信号発生手段からの信号の変化が穏やかになるように調整することで、前記第２の電流出力モジュールからの前記直流出力電流を徐々に増加させることを特徴とする請求項１に記載の二重化電流出力装置。
前記電流値調整手段は、回路の時定数を用いて前記信号を調整することを特徴とする請求項２に記載の二重化電流出力装置。
前記電流合成手段は、２つのダイオードを突き合わせて構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の二重化電流出力装置。