JP5576849B2 - Digital output circuit with failure detection function - Google Patents
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Description
本発明はデジタル出力回路に関し、例えば高信頼性、高稼働率が要求される鉄道システムを構成するデジタル出力回路に関し、特に簡易な構成で、負荷に対して誤出力することなく、故障検知が可能なデジタル出力回路に関するものである。 The present invention relates to a digital output circuit, for example, a digital output circuit constituting a railway system that requires high reliability and high availability, and can detect a failure with a simple configuration without erroneous output to a load. The present invention relates to a digital output circuit.
社会のインフラストラクチャーの基幹である鉄道システムは、高い信頼性、稼働率が要求され、突発的な事故や故障が発生した場合においてもシステムを速やかに復旧させることが要請される。 Railway systems, which are the backbone of social infrastructure, are required to have high reliability and availability, and even in the event of a sudden accident or failure, it is required to quickly restore the system.
この鉄道システムの高信頼性、高稼働率を実現するために、システムを構成する部品の故障有無を常に監視し、万一部品の故障を発見した場合には、速やかに該故障部品を新しい部品に交換し、システム全体の不稼働時間を最小限に保つ設計が必要不可欠である。 In order to realize the high reliability and high availability of this railway system, the system components are constantly monitored for failures, and if a failure of a component is discovered, the failed component is quickly replaced with a new component. It is essential to design the system so that the downtime of the entire system is minimized.
また、鉄道信号制御システムに用いられ、信号機や転轍機といった現場機器を実際に制御する役割を担うデジタル出力回路においても、故障部品を速やかに検出することが要請される。 In addition, a digital output circuit that is used in a railway signal control system and plays a role of actually controlling field devices such as traffic lights and switches is required to promptly detect a faulty part.
このようなデジタル出力回路を実現する手段として、直流出力回路を構成するスイッチ素子の出力側に電圧検知回路を接続する構成が一般に用いられる。 As a means for realizing such a digital output circuit, a configuration in which a voltage detection circuit is connected to the output side of a switch element constituting a DC output circuit is generally used.
例えば、複数のスイッチ素子を直列に接続し、各々のスイッチ素子の出力側に電圧センサを接続してスイッチ素子の故障を検出する直流出力回路において、前記直流出力回路の負極側出力に共通系スイッチ素子を接続し、一つのスイッチ素子が故障した場合でも、その故障スイッチ素子を検知し得るように構成した故障検知機能を持つ直流出力回路である(特許文献1)。 For example, in a DC output circuit in which a plurality of switch elements are connected in series and a voltage sensor is connected to the output side of each switch element to detect a failure of the switch element, a common system switch is connected to the negative output of the DC output circuit This is a DC output circuit having a failure detection function configured to detect a failure switch element even when the elements are connected and one switch element fails (Patent Document 1).
この直流出力回路は、スイッチ素子をオン制御した時に電圧検知回路が電圧有りを検知、及びスイッチ素子をオフ制御した時に電圧検知回路が電圧無を検知した場合、スイッチ素子は正常、逆にスイッチ素子をオン制御した時に電圧検知回路が電圧無を検知、及びスイッチ素子をオフ制御した時に電圧検知回路が電圧有りを検知した場合はスイッチ素子が故障したと判定するものである。 In this DC output circuit, if the voltage detection circuit detects the presence of voltage when the switch element is turned on, and the voltage detection circuit detects no voltage when the switch element is turned off, the switch element is normal, and conversely When the voltage detection circuit detects that there is no voltage when ON is controlled, and when the voltage detection circuit detects the presence of voltage when the switch element is OFF control, it is determined that the switch element has failed.
係る直流出力回路によれば、スイッチ素子の制御状態と電圧検知回路の直流検知電圧によってスイッチ素子の故障を確実に検知することが可能であり、極めて有効な手段である。 According to such a DC output circuit, it is possible to reliably detect a failure of the switch element by the control state of the switch element and the DC detection voltage of the voltage detection circuit, which is an extremely effective means.
しかし、その反面、スイッチ素子の制御に手順が必要であり、またスイッチ素子が多数(3個)必要とするなど制御のための制御手段が複雑化し、経済的に課題があった。 However, on the other hand, a procedure is required for controlling the switch elements, and the control means for the control is complicated such that a large number (three) of the switch elements are required, resulting in an economical problem.
本発明は、係る点に鑑み、その目的は、簡易な構成で、かつ負荷に対して誤出力することがなく、スイッチ素子の故障検知が任意のタイミングで可能な、デジタル出力回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a digital output circuit that has a simple configuration, does not erroneously output a load, and can detect a failure of a switch element at an arbitrary timing. It is in.
上記目的を達成するため、本発明は、例えば直流電源と負荷との間に配置されたスイッチ素子をオン制御することによって負荷に直流電圧を印加するデジタル出力回路において、前記スイッチ素子の出力側に前記負荷と並列にコンデンサを接続し、且つ前記スイッチ素子の入力側に抵抗と交流電源の直列回路と該交流電源の交流電圧を検知する電圧検知回路から構成され、前記スイッチ素子の故障有無を検知する故障検知回路を接続したデジタル出力回路である。 In order to achieve the above object, the present invention provides a digital output circuit that applies a DC voltage to a load, for example, by turning on a switch element disposed between a DC power source and a load, and outputs the switch element on the output side of the switch element. A capacitor is connected in parallel with the load, and a resistor and an AC power supply series circuit on the input side of the switch element and a voltage detection circuit for detecting the AC voltage of the AC power supply are detected to detect the presence or absence of the switch element failure. This is a digital output circuit to which a failure detection circuit is connected.
本発明は、例えば前記電圧検知回路が、前記交流電源の電圧を検知する電圧検知部と、該電圧検知部の検知電圧が、閾値電圧より高いか低いかを判定し、高いと判定した場合、前記スイッチ素子が正常と判断し、低いと判定した場合、異常と判断する異常/正常判断部からなるデジタル出力回路である。 In the present invention, for example, when the voltage detection circuit determines whether the voltage detection unit for detecting the voltage of the AC power supply and the detection voltage of the voltage detection unit are higher or lower than a threshold voltage, The digital output circuit includes an abnormality / normality determination unit that determines that the switch element is normal and determines that the switch element is abnormal when it is determined to be low.
本発明は、例えばさらに前記スイッチ素子の出力側に前記直流電源の直流電圧を検知する第2の電圧検知回路から構成され、前記第2の電圧検知回路により、前記スイッチ素子の故障有無を検知する故障検知回路を接続し、前記負荷と前記コンデンサ間に双方向阻止型ツェナーダイオードを接続し、該双方向阻止型ツェナーダイオードの阻止電圧を、前記コンデンサの両端電圧よりも大きく設定したデジタル出力回路である。 The present invention further includes, for example, a second voltage detection circuit that detects a DC voltage of the DC power supply on the output side of the switch element, and the second voltage detection circuit detects whether or not the switch element is faulty. A digital output circuit in which a failure detection circuit is connected, a bidirectional blocking Zener diode is connected between the load and the capacitor, and a blocking voltage of the bidirectional blocking Zener diode is set larger than a voltage across the capacitor. is there.
また、本発明は、例えば直流電源と負荷との間に配置されたスイッチ素子をオン制御することによって負荷に直流電圧を印加するデジタル出力回路において、前記スイッチ素子の出力端に前記負荷と並列にコンデンサを接続し、且つ前記スイッチ素子の入力側に抵抗と交流電源の直列回路と該交流電源の交流電圧を検知する第1の電圧検知回路から構成され、また前記スイッチ素子の出力側に前記直流電源の直流電圧を検知する第2の電圧検知回路から構成され、前記第1、第2の電圧検知回路により、前記スイッチ素子の故障有無を検知する故障検知回路を接続し、前記負荷と前記コンデンサ間に双方向阻止型ツェナーダイオードを接続し、該双方向阻止型ツェナーダイオードの阻止電圧を、前記コンデンサの両端電圧よりも大きく設定したデジタル出力回路である。 Further, the present invention provides a digital output circuit that applies a DC voltage to a load by, for example, controlling a switch element disposed between a DC power supply and a load in parallel with the load at the output terminal of the switch element. A capacitor is connected to the input side of the switch element, and a series circuit of a resistor and an AC power source is constituted by a first voltage detection circuit for detecting an AC voltage of the AC power source, and the DC side is connected to the output side of the switch element. A second voltage detection circuit for detecting a DC voltage of the power supply; and a failure detection circuit for detecting the presence or absence of a failure of the switch element is connected by the first and second voltage detection circuits; and the load and the capacitor A bidirectional blocking Zener diode is connected between them, and the blocking voltage of the bidirectional blocking Zener diode is set larger than the voltage across the capacitor. A digital output circuit.
本発明によれば、簡易な構成で、しかも負荷に対して誤出力することがなく、スイッチ素子の故障検知が任意のタイミングで行うことが可能なデジタル出力回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a digital output circuit having a simple configuration and capable of detecting a switch element failure at an arbitrary timing without erroneous output to a load.
以下発明の実施形態について、鉄道制御システムに適用されるデジタル出力回路を例に図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, taking a digital output circuit applied to a railway control system as an example.
図1は本発明のデジタル出力回路の基本構成を示す回路図、図2は本発明の電圧検知回路の一構成例を示す機能ブロック図、図3はデジタル出力回路が正常か故障かを判断する制御手順を説明するためのフロー図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a digital output circuit of the present invention, FIG. 2 is a functional block diagram showing a configuration example of a voltage detection circuit of the present invention, and FIG. 3 judges whether the digital output circuit is normal or faulty. It is a flowchart for demonstrating a control procedure.
図1において、1は直流電源、2は交流電源、3は抵抗、4は交流電源2をデジタル出力回路に接続したり、該接続を切り離したりする切り替えスイッチ、5は電圧検知回路、6は負荷8へ電圧を印加する、しないを制御するスイッチ素子、7はコンデンサ、8は負荷である。 In FIG. 1, 1 is a DC power supply, 2 is an AC power supply, 3 is a resistor, 4 is a changeover switch for connecting / disconnecting the AC power supply 2 to / from the digital output circuit, 5 is a voltage detection circuit, and 6 is a load. A switch element for controlling whether or not to apply a voltage to 8, 7 is a capacitor, and 8 is a load.
直流電源1と負荷8の間には、切り替えスイッチ4とスイッチ素子6が直列に接続されている。また、電圧検知回路5、コンデンサ7および交流電源2と抵抗3の直列回路が並列に接続されている。
A changeover switch 4 and a switch element 6 are connected in series between the DC power supply 1 and the load 8. Moreover, the
コンデンサ7はスイッチ素子6の後段側に位置し、負荷に並列接続され、交流電源2と抵抗3の直列回路は、前段側に配置され、それらの間には電圧検知回路5が配置されている。
The capacitor 7 is located on the rear side of the switch element 6 and is connected in parallel to the load. The series circuit of the AC power source 2 and the
交流電源2と抵抗3の直列回路の一端は切り替えスイッチ4の一方の固定端子に接続され、他端は直流電源1の負極側に接続されている。
One end of the series circuit of the AC power supply 2 and the
電圧検知回路5の一端は、直流電源1の正極側の切り替えスイッチ4とスイッチ素子6の可動接点側に接続され、他端は直流電源1の負極側に接続されている。切り替えスイッチ4の他端は直流電源1の正極側に接続され、スイッチ素子6の固定端子は負荷8の一端側に接続されている。
One end of the
電圧検知回路5はスイッチ素子6に異常や故障などが生じたとき、直流電源1や交流電源2の電圧を検知し、該電圧検知をもってスイッチ素子6の異常や故障などを判定するものであって、図2に示す如く、電圧を検知する電圧検知部51および該電圧検知部の検知電圧が所定の閾値を超えているか否かを判定し、スイッチ素子6の異常/故障などを判断する故障判定部52を備えている。
The
ここで、交流電源2と抵抗3の直流回路と電圧検知回路5はスイッチ素子6の故障有無を検知する故障検知回路を構成している。故障検知回路の動作については後述する。
Here, the AC circuit 2 and the DC circuit of the
係る構成の如く、回路の状態、つまり切り替えスイッチ4を直流電源1または交流電源2側に切り替えた状態において、スイッチ素子6に故障が発生したとき、その故障を適確に検知することができる。この故障検知は、例えばスイッチ素子6が異常発生によりオフした場合には、直流電源1または交流電源2の電圧が閾値電圧より高いか低いかを判定することにより行うことができる。 As in this configuration, when a failure occurs in the switch element 6 in the circuit state, that is, in the state where the changeover switch 4 is switched to the DC power supply 1 or the AC power supply 2 side, the failure can be detected accurately. This failure detection can be performed, for example, by determining whether the voltage of the DC power supply 1 or the AC power supply 2 is higher or lower than the threshold voltage when the switch element 6 is turned off due to an abnormality.
以下、そのスイッチ素子6の故障検知操作、手順について説明する。まず、切り替えスイッチ4を交流電源2側に切り替えた状態とする。 Hereinafter, the failure detection operation and procedure of the switch element 6 will be described. First, the changeover switch 4 is switched to the AC power supply 2 side.
この場合は電圧検知回路5の電圧検知部51が交流電源2の電圧を検知し、異常(故障)/正常判定部52が図3に示すように、スイッチ素子6がオフ(ステップS401)したとき、電圧検知回路5の検知電圧が、所定の閾値電圧より高いと判定(ステップS402)した場合には、正常と判断し、閾値電圧より低いと判定した場合には、異常と判断(S403)する。
In this case, when the
スイッチ素子6がオン(ステップS404)したときは、逆に、検知電圧が閾値電圧より低いと判定(ステップS405)した場合した場合には、正常と判断し(ステップS406)、閾値電圧より高いと判定(ステップS405)した場合には、異常と判断(ステップS403)する。 When the switch element 6 is turned on (step S404), conversely, when it is determined that the detected voltage is lower than the threshold voltage (step S405), it is determined normal (step S406) and is higher than the threshold voltage. If it is determined (step S405), it is determined as abnormal (step S403).
一連の故障検知操作、制御手順の中で、負荷8に対しては抵抗3とコンデンサ7のインピーダンスの比で決まる電圧しか印加されない。このため抵抗3の抵抗値、コンデンサ7の静電容量、交流電源2の周波数を適切に選定すれば、負荷8に印加される電圧が負荷8を誤動作させないようにすることが可能となる。これにより、リレー10の故障に伴って、負荷8が誤動作することはない。
In a series of failure detection operations and control procedures, only a voltage determined by the ratio of the impedance of the
図4は本発明を利用したデジタル出力回路の一具体例を示す電子回路図、図5は図3の電圧検知回路5および11の構成例を示す機能ブロック図、図6はデジタル出力回路の操作制御手順を説明するためのフロー図である。
4 is an electronic circuit diagram showing a specific example of a digital output circuit using the present invention, FIG. 5 is a functional block diagram showing a configuration example of the
図4において、9、10はリレーを示し、該リレーは負荷8に対する出力を制御するものであって、図1の切り替えスイッチ4、スイッチ素子6に相当する。リレー9、10は半導体リレーでも、機械接点式リレーでもよい。
4,
リレー9、10はCPUの励磁オン/オフ制御部を含むリレー制御回路13により、制御される。このリレー制御回路13は、連動装置と呼ばれるシステムにおいて、信号機や踏み切りといった機器を制御するために使用されるものである。例えば、本リレー制御回路13が信号灯制御に用いられる場合、同図のCPUは連動装置の制御部(連動論理部)から通信ネットワーク経由で伝送される指示を受け、リレー9、10を励磁し、信号を点灯制御する。一連の動作は連動装置の動作論理(例えば侵入してくる列車を検知したら赤信号を点灯するなど)に従って自動的に実行される。
The
11はリレー10の後段で、コンデンサ7の前段の位置に並列接続された電圧検知回路である。該電圧検知回路11は直流電源1の直流電圧有無を検知するものであり、図5に示すように直流電源1の電圧有無を検知する直流電圧有無検知部112および該検知電圧の検知状態からスイッチ素子の異常/故障などを判定、判断する異常(故障)/正常判定部111を備えている。その動作については後述する。
12は負荷8に直列に接続された双方向阻止型ツェナーダイオードである。その他は図1、図2と同一なので、同一部分には同一番号を付してその説明は省略する。 A bidirectional blocking Zener diode 12 is connected in series with the load 8. The other parts are the same as those in FIG. 1 and FIG.
ここで、双方向阻止型ツェナーダイオード12は、例えば、回路定数を
抵抗3:100kΩ
コンデンサ7:1μF
交流電源100V 50Hz
に設定すれば、コンデンサ7の両端電圧は約3V(実効値)になり、このときのピーク電圧を考慮し、ツェナーダイオード12は余裕を見て5Vのものを選定する。
Here, the bidirectional blocking type Zener diode 12 has a circuit constant of, for example, a resistance of 3: 100 kΩ.
Capacitor 7: 1μF
AC power supply 100V 50Hz
If the voltage is set to, the voltage across the capacitor 7 is about 3V (effective value). Considering the peak voltage at this time, the Zener diode 12 is selected with a margin of 5V.
以下、このデジタル出力回路の操作、制御手順について、図6を参照して説明する。 The operation and control procedure of this digital output circuit will be described below with reference to FIG.
まず、デジタル出力回路をオフ制御する場合には、リレー9,10を共に励磁しない。リレー9、10の励磁はリレー制御回路13(CPUの励磁オン/オフ制御部)をもって行う。
First, when the digital output circuit is turned off, the
係る状態において、電圧検知回路5の電圧検知部51が交流電源2の電圧を検知し、異常(故障)/正常判定部52が図6に示すステップS502にて、該検知電圧が所定の閾値電圧よりも高いと判定した場合には、回路は正常と判断する。
In this state, the
また、電圧検知回路5の異常(故障)/正常判定部52が図6に示すステップSにて、所定の閾値電圧よりも低いと判定した場合には、リレー9、10、交流電源2、抵抗3、電圧検知回路5のいずれか、または複数に異常があると判断する。
When the abnormality (failure) /
特に、リレー10が短絡故障している場合は、交流電源2、抵抗3、コンデンンサ7、リレー10から構成される閉回路に交流電流が流れ、コンデンサ7の両端には抵抗3とコンデンサ7のインピーダンスの比で定まる交流電圧が印加される。
In particular, when the
このとき、コンデンサ7の両端電圧よりも双方向阻止型ツェナーダイオード12の阻止電圧を大きく設計しておけば、負荷8に交流電圧が印加されることを防止でき、リレー10の故障に伴って、負荷8が誤動作することはない。 At this time, if the blocking voltage of the bidirectional blocking Zener diode 12 is designed to be larger than the voltage across the capacitor 7, it is possible to prevent an AC voltage from being applied to the load 8. The load 8 does not malfunction.
デジタル出力回路をオン制御する場合は、まずリレー9を励磁する。この結果電圧検知回路5の電圧検知部51は直流電源1が出力する直流電圧を検知する。もし電圧検知回路5の電圧検知部51が直流電圧を検知しない場合は、直流電源1、リレー9、電圧検知回路5のいずれか一つ、または複数の故障と判断することができる。
When the digital output circuit is turned on, the
次に、リレー10を励磁する。このときは、電圧検知回路11の直流電圧有無検知部112で直流電圧を検知し、図6に示すように異常(故障)/正常判定部111をもって、デジタル出力回路が正常に出力を行なったと判断する。
Next, the
ここで電圧検知回路11の直流電圧有無検知部112が直流電圧を検知しなければ、コンデンサ7あるいは負荷8側の故障と判断する。
Here, if the DC voltage presence /
以上述べた本発明の実施例によれば、デジタル出力回路を構成する各部品の健全性を確認した上で出力を行なうが可能となる。また、故障検知を行なう手順の中で負荷を誤動作させるようなことは解消できる。 According to the embodiment of the present invention described above, it is possible to perform output after confirming the soundness of each component constituting the digital output circuit. In addition, it is possible to eliminate a malfunction of the load in the procedure for performing the failure detection.
デジタル出力回路の各部品の故障有無を判断する必要なシステムであるならば、鉄道用制御システムに特定する必要なく、応用可能である。 If it is a system that needs to determine whether or not each component of the digital output circuit is faulty, it can be applied without being specified as a railway control system.
1 直流電源
2 交流電源
3 抵抗
4 切り替えスイッチ
5 電圧検知回路
6 スイッチ素子
7 コンデンサ
8 負荷
9 リレー
10 リレー
11 電圧検知回路
12 双方向阻止型ツェナーダイオード
13 リレー制御回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC power supply 2
Claims (4)
前記スイッチ素子の出力側に前記負荷と並列にコンデンサを接続し、且つ前記スイッチ素子の入力側に前記スイッチ素子の故障有無を検知する故障検知回路を接続し、前記故障検知回路は、抵抗と交流電源の直列回路と該交流電源の交流電圧を検知する電圧検知回路から構成されることを特徴とするデジタル出力回路。 In the digital output circuit for applying a DC voltage to the load by turning on the control placed the switch element between the DC power supply and the load,
A capacitor is connected in parallel with the load on the output side of the switch element, and a failure detection circuit for detecting the presence or absence of a failure of the switch element is connected on the input side of the switch element. digital output circuit, wherein the benzalkonium consists voltage detection circuit for detecting a series circuit and the AC AC voltage of the power supply of the power supply.
前記負荷と前記コンデンサ間に双方向阻止型ツェナーダイオードを接続し、該双方向阻止型ツェナーダイオードの阻止電圧を、前記コンデンサの両端電圧よりも大きく設定したことを特徴とするデジタル出力回路。 2. The digital output circuit according to claim 1, further comprising a second voltage detection circuit that detects a DC voltage of the DC power supply on an output side of the switch element, and the switch element is provided by the second voltage detection circuit. Connect a failure detection circuit that detects the presence or absence of
A digital output circuit, wherein a bidirectional blocking Zener diode is connected between the load and the capacitor, and a blocking voltage of the bidirectional blocking Zener diode is set larger than a voltage across the capacitor.
前記スイッチ素子の出力端に前記負荷と並列にコンデンサを接続し、且つ
前記スイッチ素子の入力側に故障検知回路を接続し、当該故障検知回路は、抵抗と交流電源の直列回路と該交流電源の交流電圧を検知する第1の電圧検知回路と、前記スイッチ素子の出力側に前記直流電源の直流電圧を検知する第2の電圧検知回路とから構成されて、前記第1、第2の電圧検知回路により、前記スイッチ素子の故障有無を検知し、
前記負荷と前記コンデンサ間に双方向阻止型ツェナーダイオードを接続し、該双方向阻止型ツェナーダイオードの阻止電圧を、前記コンデンサの両端電圧よりも大きく設定した
ことを特徴とするデジタル出力回路。
In the digital output circuit for applying a DC voltage to the load by turning on the control placed the switch element between the DC power supply and the load,
A capacitor is connected in parallel with the load to the output end of the switch element, and a failure detection circuit is connected to the input side of the switch element. The failure detection circuit includes a series circuit of a resistor and an AC power source and the AC power source. a first voltage detection circuit for detecting an AC voltage, is composed of a second voltage detection circuit for detecting a DC voltage of the DC power supply to an output side of the switching element, the first, second voltage detection The circuit detects the failure of the switch element ,
A digital output circuit, wherein a bidirectional blocking Zener diode is connected between the load and the capacitor, and a blocking voltage of the bidirectional blocking Zener diode is set larger than a voltage across the capacitor.
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