JP4896522B2 - スイッチ回路及び鉄道信号用連動制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ＯＮ側を危険側とするフェールセーフ性を有するスイッチ回路に関するものである。

ＯＮ側を危険側とするフェールセーフ性が求められる場合にはスイッチ回路は回路を構成するスイッチ素子の内の一つが故障しても出力端子に電流を出力しない事が要求される。また、ある一つのスイッチ素子が故障した場合にその故障を潜在させたままではフェールセーフ性が保てないためスイッチ素子のＯＮ故障を検知できる事も要求される。加えて、ＯＮ側は危険側であるため、この故障検知は出力側に電流を出力しないまま行わなくてはならない。

なお、本明細書でいうＯＮとはスイッチ素子もしくはスイッチ回路が電流を通過させる状態であるとし、ＯＮ故障とは意図しない条件でスイッチ素子またはスイッチ回路がＯＮの状態になる状態であるとする。同様に、ＯＦＦとはスイッチが電流を遮断する状態であり、ＯＦＦ故障とはスイッチが意図しない条件で電流を遮断する状態のことであるとする。
従来にもこの要件を満たす回路は存在したが、特許文献１のように回路に機械式リレーを用いなければならなかった。機械式リレーを用いることが回路の小型化、高信頼性化に支障となっていた。
特開平９−１９１５５４号公報

本発明が解決しようとする問題点は、ＯＮ側を危険側とするフェールセーフ性を有するスイッチ回路において機械式リレーを使用しなければ信頼性のある回路を構成できないという点である。

本発明のスイッチ回路は、第１の電源側端子と第２の電源側端子、第１の出力側端子と第２出力側端子、前記第１の電源側端子と前記第１の出力側端子との間に配置された第１のスイッチ素子、前記第２の電源側端子と前記第２の出力側端子との間に配置された第２のスイッチ素子、前記第１の電源側端子と前記第２の出力側端子との間に配置された第１の電流・電圧検出用素子、前記第２の電源側端子と前記第１の出力側端子との間に配置された第２の電流・電圧検出用素子とを備え、前記各スイッチ素子へのＯＮ，ＯＦＦ指令と、前記各電流・電圧検知素子による電流・電圧の検出結果とから、前記スイッチ回路の出力側に電流を出力することなく、前記スイッチ素子のＯＮ故障および／または前記電流・電圧検知素子の故障を検知することを特徴とする。

本発明によれば、Ａ接点スイッチもしくはＢ接点スイッチを用いてＯＮ側を危険側とするフェールセーフ性を有するスイッチ回路を構成することができるようになったため、スイッチ素子に半導体リレーを用いることができるようになった。これにより回路を小型化、高信頼性化することができるようになった。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１に、本発明の実施例１のスイッチ回路を示す。実施例１のスイッチ回路を以下に記すように構成する。スイッチ回路は二つの電源側端子１，２を持ち、二つの出力側端子３，４を持つ。電源側端子１は配線２１により、Ａ接点スイッチ素子もしくはＢ接点スイッチ素子１１に接続されている。スイッチ素子１１のもう一方の接点は配線２２により出力側端子３に接続されている。電源側端子２は配線２３により、Ａ接点スイッチ素子もしくはＢ接点スイッチ素子１２に接続されている。スイッチ素子１２のもう一方の接点は配線２４により出力側端子４に接続されている。

配線２１は配線２５によりＡ接点スイッチ素子もしくはＢ接点スイッチ素子１３に接続され、スイッチ素子１３のもう一方の接点は配線２６により電圧計や電流計などのような電圧や電流を検知する素子１４に接続される。検知素子１４のもう一方の接点は配線２７により配線２４に接続される。ここでスイッチ素子１３と電流・電圧検知素子１４の配置が入替わったとしても機能上変りは無い。

配線２２は配線２８によりＡ接点スイッチ素子もしくはＢ接点スイッチ素子１５に接続され、スイッチ素子１５のもう一方の接点は配線２９により電流・電圧検知素子１６に接続される。検知素子１６のもう一方の接点は配線３０により配線２３に接続される。ここでスイッチ素子１５と電流・電圧検知素子１６の配置が入替わったとしても機能上変りは無い。

制御対象に電流を出力したい場合にはスイッチ素子１１，１２両方をＯＮにし、制御対象にスイッチ素子１３，１５を介して逆方向に電流が流れることを防ぐためにスイッチ素子１３，１５のどちらかをＯＦＦに、出力側に電流が出力されたことを検知するためにスイッチ素子１３，１５のもう片方をＯＮにする。制御対象への電流を止めたい場合には最低限スイッチ素子１１，１２のどちらかをＯＦＦにし、かつスイッチ素子１３，１５のどちらかをＯＦＦにすればよい。

各スイッチ素子のＯＮ故障検知は出力側に電流を出力しない間に行う。スイッチ素子１１のＯＮ故障を検知するためにはスイッチ素子１１，１２，１３にＯＦＦの指令を出し、スイッチ素子１５にＯＮの指令を出す。このときに電流・電圧検知素子１６が電圧もしくは電流を検知した場合にはスイッチ素子１１はＯＮ故障している。スイッチ素子１２のＯＮ故障を検知するためにはスイッチ素子１１，１２，１５にＯＦＦの指令を出し、１３にＯＮの指令を出す。このときに電流・電圧検知素子１４が電圧もしくは電流を検知した場合にはスイッチ素子１２はＯＮ故障している。スイッチ素子１３のＯＮ故障を検知するためにはスイッチ素子１１，１３，１５にＯＦＦの指令を出し、スイッチ素子１２にＯＮの指令を出す。このときに電流・電圧検知素子１４が電圧もしくは電流を検知した場合にはスイッチ素子１３はＯＮ故障している。スイッチ素子１５のＯＮ故障を検知するためにはスイッチ素子１２，１３，１５にＯＦＦの指令を出し、スイッチ素子１１にＯＮの指令を出す。このときに電流・電圧検知素子１６が電圧もしくは電流を検知した場合にはスイッチ素子１５はＯＮ故障している。

図２は、本発明の実施例１のスイッチ回路を利用した鉄道信号用連動制御システムである。本発明のスイッチ回路はスイッチ装置５１内で利用されている。この例ではスイッチ素子６１，６２，６３，６４としてフォトカプラを用い、そのフォトカプラはスイッチ装置５１内のＣＰＵ７１によって制御される。電圧・電流検知素子６５，６６としてフォトカプラを用いる。フォトダイオード側に電流が流れるとスイッチ装置５１内のＣＰＵ７１に対しｌｏｗ信号を出力する構成とした。

電源側端子には電源装置５２が接続され、この例では出力側には鉄道用信号機５３が接続される。スイッチ装置５１は連動論理部５４により制御される。連動論理部５４は連動論理を記憶した記憶装置９１とＣＰＵ９２により構成される。ここでいう連動論理とは鉄道の運行に必要となる信号機や転てつ機などの機器の制御法を記述したデータのことである。

連動論理部５４のＣＰＵ９２は記憶装置９１内に記憶された連動論理に基づいて各スイッチ装置に制御指令を出力する。各スイッチ素子はその制御指令に従って出力側に接続された機器に対し電源を供給もしくは電源を遮断する。加えて、連動論理部５４は自駅の情報をＣＴＣ中央指令所に報告し、ＣＴＣ中央指令所から他駅情報や運行管理情報を受取る役目も果たす。

電源供給時に電圧・電流検知素子が電源電流を検知できない、電源遮断時に行われるスイッチ素子のＯＮ故障検知で故障が検知された際にはスイッチ装置５１内のＣＰＵ７１から連動論理部５４に対し異常が報告される。異常が報告された場合には連動論理部５４のＣＰＵ９２は警報を発し、以後は連動論理中の異常時の対応に従い各機器の制御を行う。

図３は、スイッチ装置５１の状態遷移図である。直接的にはスイッチ装置５１はＣＰＵ７１に制御され図３のような状態遷移をする。スイッチ装置５１はＯＦＦ状態、ＯＮ状態、異常状態の三つの状態をとりえる。ＯＦＦ状態からＯＮ状態への状態遷移、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への状態遷移は連動論理部５４の制御指令によって行われる。スイッチ装置５１が異常を検知した場合にはその時のスイッチ装置の状態に関わらず異常状態に遷移する。異常状態からは連動論理部５４の故障復帰指令によりＯＦＦ状態に復帰することが可能である。ＯＮ状態では信号機５３に電流を流しつつ、信号機５３に流す電流の監視、スイッチ素子６３，６４および検知素子６５，６６の故障検知を行う。ＯＦＦ状態では信号機５３に電流を流さないままスイッチ素子６１，６２，６３，６４および検知素子６５，６６の故障検知を行う。

図４は、ＯＦＦ状態の状態遷移図である。ＯＦＦ状態では、図５で説明するスイッチ素子６１，６２の故障検知、図６のスイッチ素子６３，６４の故障検知、図７の検知素子６５，６６の故障検知を順番に行う。検知素子６５，６６の故障検知が終わった後は再びスイッチ素子６１，６２の故障検知から各素子の故障検知を順次繰返し、他の状態に遷移するまで故障検知を順番に繰返す。

図５は、スイッチ素子６１，６２の故障検知の方法を示したフローチャートである。図４の状態遷移図中のスイッチ素子６１，６２の故障検知の詳細である。ステップＳ５０１においてスイッチ素子６１，６２，６３をＯＦＦとし、ステップＳ５０２においてスイッチ素子６４のみをＯＮとし、ステップＳ５０３において検知素子６６が電流を検知したかでスイッチ素子６１のＯＮ故障の有無を検知する。ステップＳ５０１において電流が検知された場合には、ステップＳ５０４においてスイッチ素子６１はＯＮ故障の可能性があるので、ステップＳ５０５において図４の状態遷移図中の異常状態に遷移する。ステップＳ５０３において電流を検知しなかった場合には次の過程に進む。次に、ステップＳ５０６においてスイッチ素子６４をＯＦＦとし、一度全てのスイッチ素子をＯＦＦにする。その後にステップＳ５０７においてスイッチ素子６３をＯＮとし、スイッチ素子６２のＯＮ故障の有無を検知する。ステップＳ５０８において検知素子６５の検知結果によりスイッチ素子６２のＯＮ故障の有無を検知する。ステップＳ５０８において電流が検知された場合にはステップＳ５０９においてスイッチ素子６２はＯＮ故障の可能性があるのでステップＳ５１０において図４の状態遷移図中の異常状態に遷移する。電流を検知しなかった場合にはステップＳ５１１においてスイッチ素子６３をＯＦＦとし、全てのスイッチ素子をＯＦＦにした状態でステップＳ５１２においてスイッチ素子６１，６２の故障検知を終わる。

図６は、図５と同様にスイッチ素子６３，６４の故障検知の方法を示したフローチャートである。図４の状態遷移図中のスイッチ素子６３，６４の故障検知の詳細である。ステップＳ６０１においてスイッチ素子６１，６３，６４をＯＦＦとし、ステップＳ６０２においてスイッチ素子６２のみをＯＮとし、ステップＳ６０３において検知素子６５の検知結果からスイッチ素子６３のＯＮ故障の有無を検知する。スイッチ素子６３が電流を検知した場合にはステップＳ６０４においてスイッチ素子６３がＯＮ故障の可能性があるのでステップＳ６０５において異常状態に遷移する。スイッチ素子６３が電流を検知しない場合にはステップＳ６０６においてスイッチ素子６２をＯＦＦとし、一度全てのスイッチ素子をＯＦＦとした後にステップＳ６０７においてスイッチ素子６１をＯＮとし、ステップＳ６０８において検知素子６６の検知結果からスイッチ素子６４のＯＦＦ故障の有無を検知する。検知素子６６が電流を検知した場合には、ステップＳ６０９においてスイッチ素子６４がＯＮ故障の可能性があるのでステップＳ６１０において異常状態に遷移する。検知素子６６が電流を検知しない場合には、ステップＳ６１１においてスイッチ素子６１をＯＦＦとし全てのスイッチ素子をＯＦＦにした状態でステップＳ６１２においてスイッチ素子６３，６４の故障検知を終了する。

図７は、検知素子６５，６６の故障検知の方法を示したフローチャートである。図４の状態遷移図中の検知素子６５，６６の故障検知の詳細である。上記のスイッチ素子の故障検知ではスイッチ素子が未故障であることは検知素子６５，６６が電流を検知していないことを基準として判断している。仮に検知素子６５，６６が故障で電流を検知できない状態であった場合にはスイッチ素子の故障を見落としている可能がある。そのため、この過程では検知装置６５，６６の未故障を検証する。始めにステップＳ７０１においてスイッチ素子６１，６４をＯＦＦとし、ステップＳ７０２においてスイッチ素子６２，６３をＯＮとする。この際にステップＳ７０３において検知素子６５が電流を検知できなければステップＳ７０４においてスイッチ素子６５が故障の可能性があるのでステップＳ７０５において異常状態へ遷移する。検知素子６５が電流を検知した場合には、次にステップＳ７０５においてスイッチ素子６２，６３をＯＦＦとし、ステップＳ７０７においてスイッチ素子６１，６４をＯＮとする。この際にステップＳ７０７において検知素子６６が電流を検知できなければステップＳ７０９において６６が故障の可能性があるのでステップＳ７１０において異常状態へ遷移する。最後にステップＳ７１１においてスイッチ素子６１，６４をＯＦＦとし全てのスイッチ素子をＯＦＦにした状態でステップＳ７１２において検知素子６５，６６の故障検知を終わる。

図８は、ＯＮ状態のフローチャートである。最初にステップＳ８０１においてスイッチ素子６４をＯＦＦとし、スイッチ素子６４，６３を経由して信号機５３に逆向きに電流が流れることを防止する。ステップＳ８０２においてスイッチ素子６１，６２をＯＮとし信号機５３に電流が流れるようにする。ステップＳ８０３においてスイッチ素子６３をＯＮとし、ステップＳ８０４において検知素子６５が電流を検知しており、かつ、ステップＳ８０５において検知素子６６が電流を検知していないことを確認する。そうでない場合はステップＳ８０６，８０７においていずれかの素子が故障している可能性があるのでステップＳ８０８，Ｓ８０９において異常状態に遷移する。次に、ステップＳ８１０においてスイッチ素子６３をＯＦＦとして、ステップＳ８１１においてスイッチ素子６４をＯＮとする。今度は逆にステップＳ８１２において検知素子６６が電流を検知しており、かつ、ステップＳ８１３において検知素子６５が電流を検知していないことを確認する。そうでない場合は、ステップＳ８１４，Ｓ８１５においていずれかの素子が故障している事を示すのでステップＳ８１６，Ｓ８１７において異常状態に遷移する。その後はステップＳ８１８においてスイッチ素子６４をＯＦＦとして他の状態に遷移するまで故障検知を繰返す。

図９は、異常状態のフローチャートである。いずれかの素子の故障が検知された場合には即座にこの状態に遷移し、ステップＳ９０１において全てのスイッチ素子をＯＦＦとする。ステップＳ９０２において連動論理部に異常を報告し、その後は、ステップＳ９０３において連動論理部５４からの故障復帰指令が出るまで待機する。

本発明のスイッチ回路を使用することにより機械式リレーを用いずに鉄道システムのスイッチ回路を構成することが出来るようになりスイッチ回路を小型化、高信頼性化することが可能になった。

本発明の実施例１のスイッチ回路の回路図である。 本発明の実施例１のスイッチ回路を使用したシステムの概略図である。 本発明のスイッチ回路の状態遷移図である。 本発明のＯＦＦ状態での状態遷移図である。 本発明のスイッチ素子６１，６２の故障検知のフローチャートである。 本発明のスイッチ素子６３，６４の故障検知のフローチャートである。 本発明のスイッチ素子６５，６６の故障検知のフローチャートである。 本発明のＯＮ状態のフローチャートである。 本発明の異常状態のフローチャートである。

符号の説明

１ 電源側端子
２ 電源側端子
３ 出力側端子
４ 出力側端子
１１ Ａ接点スイッチ素子もしくはＢ接点スイッチ素子
１２ Ａ接点スイッチ素子もしくはＢ接点スイッチ素子
１３ Ａ接点スイッチ素子もしくはＢ接点スイッチ素子
１４ 電流・電圧検知素子
１５ Ａ接点スイッチ素子もしくはＢ接点スイッチ素子
１６ 電流・電圧検知素子
２１ 配線
２３ 配線
２２ 配線
２４ 配線
２５ 配線
２６ 配線
２７ 配線
２８ 配線
２９ 配線
３０ 配線
５１ スイッチ装置
５２ 電源装置
５３ 鉄道用信号機
５４ 連動論理部
６１ スイッチ素子（フォトカプラ）
６２ スイッチ素子（フォトカプラ）
６３ スイッチ素子（フォトカプラ）
６４ スイッチ素子（フォトカプラ）
６５ 電流・電圧検知素子（フォトカプラ）
６６ 電流・電圧検知素子（フォトカプラ）
７１ スイッチ装置内のＣＰＵ
９１ 連動論理部内のハードディスク
９２ 連動論理部内のＣＰＵ

Claims (17)

1. 第１の電源側端子と第２の電源側端子、
   第１の出力側端子と第２の出力側端子、
   前記第１の電源側端子と前記第１の出力側端子との間に配置された第１のスイッチ素子、前記第２の電源側端子と前記第２の出力側端子との間に配置された第２のスイッチ素子、
   前記第１の電源側端子と前記第２の出力側端子との間に配置された第１の電流・電圧検出用素子、前記第２の電源側端子と前記第１の出力側端子との間に配置された第２の電流・電圧検出用素子とを備え、
   前記各スイッチ素子へのＯＮ，ＯＦＦ指令と、前記各電流・電圧検出用素子による電流・電圧の検出結果とから、前記スイッチ回路の出力側に電流を出力することなく、前記スイッチ素子のＯＮ故障および／または前記電流・電圧検出用素子の故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
2. 請求項１記載のスイッチ回路において、
   前記第１及び第２のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第２の電流・電圧用検出用素子が電圧もしくは電流を検出した場合には、前記第１のスイッチ素子のＯＮ故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
3. 請求項１または請求項２記載のスイッチ回路において、
   前記第１及び第２のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第１の電流・電圧用検出用素子が電圧もしくは電流を検出した場合には、前記第２のスイッチ素子のＯＮ故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のスイッチ回路において、
   前記第１のスイッチ素子へＯＮ指令が出され、前記第２のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第２の電流・電圧用検出用素子が電圧もしくは電流を検出しない場合には、前記第２の電流・電圧用検出用素子の故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のスイッチ回路において、
   前記第２のスイッチ素子へＯＮ指令が出され、前記第１のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第１の電流・電圧用検出用素子が電圧もしくは電流を検出しない場合には、前記第１の電流・電圧用検出用素子の故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
6. 第１の電源側端子と第２の電源側端子、
   第１の出力側端子と第２の出力側端子、
   前記第１の電源側端子と前記第１の出力側端子との間に配置された第１のスイッチ素子、前記第２の電源側端子と前記第２の出力側端子との間に配置された第２のスイッチ素子、前記第１の電源側端子と前記第２の出力側端子との間に配置された第３のスイッチ素子、前記第２の電源側端子と前記第１の出力側端子との間に配置された第４のスイッチ素子、
   前記第１の電源側端子と前記第２の出力側端子との間に前記第３のスイッチ素子と直列に接続されて電圧もしくは電流を検出する第１の電流・電圧検出用素子、
   前記第２の電源側端子と前記第１の出力側端子との間に前記第４のスイッチ素子と直列に接続されて電圧もしくは電流を検出する第２の電流・電圧検出用素子とを備え、
   前記各スイッチ素子へのＯＮ，ＯＦＦ指令と、前記各電流・電圧検出用素子による電流・電圧の検出結果とから、前記スイッチ回路の出力側に電流を出力することなく、前記スイッチ素子のＯＮ故障および／または前記電流・電圧検出用素子の故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
7. 請求項６記載のスイッチ回路において、
   前記第４のスイッチ素子へＯＮ指令が出され、前記第１及び第２及び第３のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第２の電流・電圧検出用素子が電圧もしくは電流を検出した場合には、前記第１のスイッチ素子のＯＮ故障を検知することを特徴とするスッチ回路。
8. 請求項６または請求項７記載のスイッチ回路において、
   前記第３のスイッチ素子へＯＮ指令が出され、前記第１及び第２及び第４のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第１の電流・電圧検出用素子が電圧もしくは電流を検出した場合には、前記第２のスイッチ素子のＯＮ故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
9. 請求項６ないし請求項８のいずれかに記載のスイッチ回路において、
   前記第２のスイッチ素子へＯＮ指令が出され、前記第１及び第３及び第４のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第１の電流・電圧検出用素子が電圧もしくは電流を検出した場合には、前記第３のスイッチ素子のＯＮ故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
10. 請求項６ないし請求項９のいずれかに記載のスイッチ回路において、
    前記第１のスイッチ素子へＯＮ指令が出され、前記第２及び第３及び第４のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第２の電流・電圧検出用素子が電圧もしくは電流を検出した場合には、前記第４のスイッチ素子のＯＮ故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
11. 請求項６ないし請求項９のいずれかに記載のスイッチ回路において、
    前記第１及び第４のスイッチ素子へＯＮ指令が出され、前記第２及び第３のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第２の電流・電圧検出用素子が電圧もしくは電流を検出しない場合には、前記第２の電流・電圧検出用素子の故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
12. 請求項６ないし請求項９のいずれかに記載のスイッチ回路において、
    前記第２及び第３のスイッチ素子へＯＮ指令が出され、前記第１及び第４のスイッチ素子へＯＦＦ指令が出された際に、前記第１の電流・電圧検出用素子が電圧もしくは電流を検出しない場合には、前記第１の電流・電圧検出用素子の故障を検知することを特徴とするスイッチ回路。
13. 請求項１ないし請求項１２いずれかに記載のスイッチ回路において、
    前記スイッチ素子は、半導体スイッチ素子により構成されていることを特徴とするスイッチ回路。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載のスイッチ回路において、
    前記スイッチ素子は、Ａ接点スイッチもしくはＢ接点スイッチにより構成されていることを特徴とするスイッチ回路。
15. 請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載のスイッチ回路において、
    前記スイッチ素子および／または前記電流・電圧検出用素子は、フォトカプラを用いて構成されていることを特徴とするスイッチ回路。
16. 請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載のスイッチ回路とＣＰＵとを備え、前記ＣＰＵの制御により、前記複数のスイッチ素子をＯＮ，ＯＦＦし、前記電流・電圧検出用素子により電流・電圧を検出して、前記スイッチ素子ＯＮ側故障および／または前記電流・電圧検出用素子の故障を検知することを特徴とするスイッチ装置。
17. 請求項１６記載のスイッチ装置の出力端が鉄道用信号機に接続され、前記スイッチ素子および前記電流・電圧検出用素子のいずれかの故障が検知された場合に、全ての前記スイッチ素子をＯＦＦとすることにより、前記各スイッチ素子のＯＮ側故障または前記電流・電圧検出用素子の故障により前記鉄道用信号機に電流が出力されることを防止することを特徴とする鉄道信号用連動制御システム。

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