JP5924510B2 - 冗長化演算処理システム - Google Patents

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Description

本発明は、演算処理装置の電源異常や過熱等を監視して所定の処理を実行する冗長化演算処理システムに関するものであり、特に電動機を駆動するインバータやサーボアンプ等の電力変換器やPLC等の制御対象機器の安全機能を実現するための冗長化演算処理システムに関するものである。
図4は、CPUの電源異常を監視してCPUを保護するための監視保護装置の従来技術を示している。図4において、10はCPU、20は過電圧検出回路、30はスイッチ、50は電源回路(定格電圧は、例えば直流5V)である。
この従来技術では、過電圧検出回路20が、電源回路50からスイッチ30を介してCPU10に供給される電源電圧を常時、監視している。そして、電源電圧がCPU10の許容電源電圧を超えたときに過電圧検出回路20の出力信号によりスイッチ30を遮断し、CPU10への電源供給を断ってCPU10を保護している。
一方、所定の機能安全規格に対応させるため、CPUを冗長化した演算処理システムが広く知られている。この種の演算処理システムでも、CPUを含む回路部品を保護するために、各種の監視保護対策が採られている。
例えば、図5は、特許文献1に記載された演算処理システムのブロック図である。
図5において、制御装置100は、メインCPU101及びサブCPU102を備えている。これらのCPU101,102には、直流電源108から電源回路103を介して電源電圧が供給されている。また、メインCPU101及びサブCPU102には、負荷駆動素子106,107を介して、負荷201,202がそれぞれ接続されている。なお、負荷駆動素子106,107には、直流電源108から電源電圧が供給されている。
更に、電源回路103と接地との間には、抵抗を介して内部温度センサ104,105が接続されており、これらの内部温度センサ104,105による温度検出値に相当する電圧がメインCPU101及びサブCPU102にそれぞれ入力されている。ここで、内部温度センサ104,105は、メインCPU101、サブCPU102の周囲温度を検出するために各CPUにそれぞれ近接して配置されている。
この従来技術では、内部温度センサ104が故障した場合や、内部温度センサ104による温度検出値がCPUの許容動作温度を超えてメインCPU101が故障または暴走した場合に、サブCPU102が内部温度センサ105による温度検出値に基づいて所定の処理を実行し、負荷駆動素子106,107を制御することにより、いわゆるフェイルセーフ動作を行っている。
特開2010−146135号公報(段落[0010],[0018],[0019]、図1等)
図4に示した従来技術は、もっぱらCPUを単独で使用している場合の監視保護技術であり、複数のCPUにより冗長化した演算処理システムや過熱保護対策等については考慮されていない。
また、図5の従来技術では、直流電源108や電源回路103の異常が直接、メインCPU101及びサブCPU102に波及するため、電源異常に対して脆弱であるという問題がある。
更に、この従来技術は、フェイルセーフ動作時に内部温度センサ105による温度検出値に基づいてサブCPU102が正常動作することが前提となっている。しかし、内部温度センサ105がサブCPU102の近傍に配置されていると、これらの周囲温度が高温になった場合、内部温度センサ105が正常に動作していても、サブCPU102にとっては周囲温度が許容動作温度を超えていて正常に動作しない可能性がある。
そこで、本発明の目的は、電源異常時や温度異常時にも、演算処理や保護動作、警報出力動作等を確実に実行可能な冗長化演算処理システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、ハードウェアやソフトウェアの負担も少なく、低コストにて実現可能な冗長化演算処理システムを提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、請求項1に記載するように、第1及び第2の演算処理装置により同一の演算処理を実行可能な冗長化演算処理システムに適用され、第1の演算処理装置に第1のスイッチを介して電源を供給する第1の電源回路と、第2の演算処理装置に第2のスイッチを介して電源を供給する第2の電源回路と、を備えている。また、本発明は、第1の電源回路の電源電圧が第1の演算処理装置の許容電源電圧の範囲外であることを検出して電圧異常検出信号を出力する第1の電圧異常検出回路と、第2の電源回路の電源電圧が第2の演算処理装置の許容電源電圧の範囲外であることを検出して電圧異常検出信号を出力する第2の電圧異常検出回路と、を備えている。
上記構成において、第1の演算処理装置は、第2の電圧異常検出回路から出力される電圧異常検出信号に基づいて第2のスイッチを遮断し、また、第2の演算処理装置は、第1の電圧異常検出回路から出力される電圧異常検出信号に基づいて第1のスイッチを遮断するものである。
なお、本発明は、請求項に記載するように、第1の演算処理装置が第2のスイッチを遮断した時に、第1の演算処理装置は警報を出力すると共に以後の演算処理を第2の演算処理装置の代わりに実行し、第2の演算処理装置が第1のスイッチを遮断した時に、第2の演算処理装置は警報を出力すると共に以後の演算処理を第1の演算処理装置の代わりに実行することが望ましい。
また、本発明は、請求項に記載するように、第1の演算処理装置の近傍に配置されて第1の演算処理装置の周囲温度を検出し、温度検出値を第2の演算処理装置に送出する第1の温度センサと、第2の演算処理装置の近傍に配置されて第2の演算処理装置の周囲温度を検出し、温度検出値を第1の演算処理装置に送出する第2の温度センサと、を備えている。
そして、第1の演算処理装置は、第2の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第2の演算処理装置の動作を停止させ、第2の演算処理装置は、第1の温度センサによる温度検出値が第1の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第1の演算処理装置の動作を停止させるものである。
この場合、請求項に記載するように、第1の演算処理装置が第2の演算処理装置の動作を停止させた時に、第1の演算処理装置は警報を出力すると共に以後の演算処理を第2の演算処理装置の代わりに実行し、第2の演算処理装置が第1の演算処理装置の動作を停止させた時に、第2の演算処理装置は警報を出力すると共に以後の演算処理を第1の演算処理装置の代わりに実行することが望ましい。
更に、本発明は、請求項に記載するように、請求項における第1,第2のスイッチ、第1,第2の電源回路、第1,第2の電圧異常検出回路と、請求項における第1,第2の温度センサとを備えていても良い。
この場合、第1の演算処理装置は、第2の電圧異常検出回路から出力される電圧異常検出信号に基づいて第2のスイッチを遮断し、第2の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第2の演算処理装置の動作を停止させる。また、第2の演算処理装置は、第1の電圧異常検出回路から出力される電圧異常検出信号に基づいて第1のスイッチを遮断し、第1の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第1の演算処理装置の動作を停止させるものである。
なお、請求項1に記載するように、第1の演算処理装置は、第2の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第2のスイッチを遮断し、第2の演算処理装置は、第1の温度センサによる温度検出値が第1の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第1のスイッチを遮断するようにしても良い。
本発明によれば、一方の演算処理装置に異常が発生した場合、具体的には、一方の演算処理装置の電源電圧が過電圧や低電圧になって許容電源電圧の範囲外となった場合、または、周囲温度が過熱や低温になって許容動作温度の範囲外となった場合に、他方の演算処理装置が、以後の演算処理や警報出力、一方の演算処理装置の保護動作等の異常保護処理を行うことができる。これにより、冗長化演算処理システムとしての演算処理を支障なく継続させることができ、また、過電圧または低電圧等の電圧異常や過熱または低温等の温度異常等の各種異常による回路部品の損傷を防止することができる。
更に、本発明は、回路構成や処理内容が比較的簡単であるため、ハードウェアやソフトウェアの負担も少なく、低コストにて実現可能である。
本発明の第1実施形態を示すブロック図である。 本発明の第2実施形態を示すブロック図である。 本発明の第3実施形態を示すブロック図である。 従来の監視保護装置を示すブロック図である。 特許文献1に記載された従来技術を示すブロック図である。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示すブロック図である。図1において、11,12はそれぞれ第1,第2のCPUであり、これらのCPU11,12の演算出力は、図5に示した負荷制御素子等を介して共通の負荷に与えられている。ここで、第1,第2のCPU11,12は、同一の演算処理を実行可能であり、冗長化演算処理システムを構成している。
第1のCPU11には、第1の電源回路51から第1のスイッチ31を介して電源電圧が供給され、第2のCPU12には、第2の電源回路52から第2のスイッチ32を介して電源電圧が供給されている。ここで、第1,第2のCPU11,12に電源回路51,52からそれぞれ個別に電源を供給しているのは、所定の機能安全規格に対応させるためである。
第1のCPU11に供給される電源電圧は第1の電圧異常検出回路21に入力されており、電圧異常検出回路21から出力される電圧異常検出信号x1は第2のCPU12に入力されている。同様に、第2のCPU12に供給される電源電圧は第2の電圧異常検出回路22に入力されており、電圧異常検出回路22から出力される電圧異常検出信号x2は第1のCPU11に入力されている。
また、第1のスイッチ31は第2のCPU12から出力される遮断信号y1により、第2のスイッチ32は第1のCPU11から出力される遮断信号y2により、それぞれ遮断可能である。なお、第1,第2のCPU11,12は、信号a1,a2により、自己の動作情報や他方に対する制御情報等を相互に送受信可能となっている。
次に、この第1実施形態の動作を説明する。
いま、第1のCPU11にはスイッチ31を介して電源回路51から、第2のCPU12にはスイッチ32を介して電源回路52から、それぞれ電源が供給されているものとする。ここで、第1,第2のCPU11,12は、何れか一方(例えば、第1のCPU11)をメインCPU、他方(同じく第2のCPU12)をサブCPUとして使用することを予め決めておくものとする。
いま、例えばメインCPUである第1のCPU11側の電源回路51に異常が発生し、CPU11の予め定めた所定の許容電源電圧を超えると、第1の電圧異常検出回路21がこれを検出し、電圧異常検出信号x1を第2のCPU22に送出する。サブCPUである第2のCPU22では、電圧異常検出信号x1を受信すると遮断信号y1を出力して第1のスイッチ31を遮断し、電源回路51から第1のCPU11への電源供給を遮断してその動作を停止させる。
これにより、第1のCPU11が過大な電源電圧により故障または破壊されるのを防止することができ、CPU11の保護や負荷の誤動作等を未然に防ぐことができる。
以後、負荷に対しては、新たにメインCPUとなった第2のCPU12の動作により所定の演算処理を実行する。
第1のCPU11側の電源異常や電源遮断等の事象は、第2のCPU12の動作により、警報出力として表示または外部に送信すればよく、これらの表示技術や通信技術は容易に実現可能である。
また、メインCPUとサブCPUとが入れ替わったことや警報発生等の事象については、CPU11,12間の信号a1,a2の送受信によって相互に認識することができる。
第2のCPU12側の電源回路52に異常が発生した場合の動作は、実質的に前記同様であり、容易に類推可能であるため説明を省略する。
なお、上記実施形態では、電源異常として予め定めた所定の許容電源電圧を超えて過電圧となった場合について説明したが、予め定めた所定の許容電源電圧よりも低下して低電圧となった場合でも同様の保護動作を行うようにしてもよい。低電圧では第1のCPU11または第2のCPU12が破損する可能性は低いが、動作できなくなる(動作保証外になる)点では同じである。
そこで、第1の電圧異常検出回路21は第1の電源回路51の電源電圧が第1のCPU11の予め定めた所定の許容電源電圧よりも低下したことを検出して電圧異常検出信号x1を出力し、第2の電圧異常検出回路22は、第2の電源回路52の電源電圧が第2のCPU12の予め定めた所定の許容電源電圧よりも低下したことを検出して電圧異常検出信号x2を出力する。
そして、第1のCPU11は、第2の電圧異常検出回路22から出力される電圧異常検出信号x2に基づいて遮断信号y2により第2のスイッチ32を遮断し、第2のCPU12は、第1の電圧異常検出回路21から出力される電圧異常検出信号x1に基づいて遮断信号y1により第1のスイッチ31を遮断する。
これにより、第1のCPU11または第2のCPU12が低電圧により動作できなくなるのを防止することができ、第1のCPU11または第2のCPU12の保護や負荷の誤動作等を未然に防ぐことができる。
第1実施形態によれば、冗長化演算処理システムにおける一方のCPUの電源異常を検出して他方のCPUが電源遮断や警報出力等を行うことにより、一方のCPUや負荷を保護しながら所定の演算処理を継続して行うことができる。
次に、図2は本発明の第2実施形態を示すブロック図である。この第2実施形態は、冗長化演算処理システムにおける過熱保護機能に関するものである。
図2において、第1のCPU11の近傍には第1の温度センサ41が配置され、第2のCPU12の近傍には第2の温度センサ42が配置されている。また、第1の温度センサ41による温度検出信号z1は第2のCPU12に入力され、第2の温度センサ42による温度検出信号z2は第1のCPU11に入力されている。
ここで、第1のCPU11及び第1の温度センサ41と、第2のCPU12及び第2の温度センサ42とは、ある程度離して装置内部に配置されているものとする。さらに、第1のCPU11及び第1の温度センサ41と、第2のCPU12及び第2の温度センサ42とは、両者の間に断熱層を設けて熱的に分離するようにしてもよい。また、第1,第2のCPU11,12にそれぞれ別個に温度センサ41,42を配置するのは、第1実施形態における電源回路51,52と同様に、所定の機能安全規格に対応させるためである。
次いで、この実施形態の動作を説明する。
例えば、メインCPUである第1のCPU11の内部故障や周辺回路の故障等により、第1のCPU11及び第1の温度センサ41の周囲温度が上昇したとする。このとき、第1の温度センサ41による温度検出信号z1は第2のCPU12に入力されているので、第2のCPU12では、入力された温度検出値がCPU11の予め定めた所定の許容動作温度を超えるほど高い値であってCPU11の周囲温度が過熱状態にあることを認識可能である。
なお、第1のCPU11の周囲温度が許容動作温度を超えても、第2のCPU12を第1のCPU11からある程度離して配置することにより、第2のCPU12は過熱による影響を受けずに正常に動作することができる。
そこで、第2のCPU12は、信号a2を第1のCPU11に送ってCPU11の動作を停止させ、以後は自らがメインCPUとして、負荷に対する所定の演算処理を実行する。
第1のCPU11側の過熱異常は、第2のCPU12の動作により、警報出力として表示または外部に送信すればよい。また、第1実施形態と同様に、メインCPUとサブCPUとが入れ替わったことや警報発生等の事象については、CPU11,12間の信号a1,a2の送受信によって相互に認識可能である。
第2のCPU12側に過熱異常が発生した場合の動作は、容易に類推可能であるため、ここでは説明を省略する。
第2実施形態によれば、冗長化演算処理システムにおける一方のCPU側の過熱異常を検出して他方のCPUが代替処理や警報出力等を行うことにより、一方のCPUや負荷を保護しながら所定の演算処理を継続して行うことができる。
なお、上記第2実施形態では、温度異常として予め定めた所定の許容動作温度を超えて過熱状態となった場合について説明したが、予め定めた所定の許容動作温度よりも低下する低温状態(例えばマイナス10°よりも低い状態等)となった場合でも同様の保護動作を行うようにしてもよい。低温状態では第1のCPU11または第2のCPU12が破損する可能性は低いが、動作できなくなる(動作保証外になる)点では同じであり、また低温になると結露が発生してCPUに問題が生じる可能性もある。
そこで、第1のCPU11は、第2の温度センサ42による温度検出値が第2のCPU12の予め定めた所定の許容動作温度よりも低下した時に温度検出信号z2に基づいて第2のCPU12の動作を停止させ、第2のCPU12は、第1の温度センサ41による温度検出値が第1のCPU11の予め定めた所定の許容動作温度よりも低下した時に温度検出信号z1に基づいて第1のCPU11の動作を停止させる。
これにより、第1のCPU11または第2のCPU12が低温状態により動作できなくなるのを防止することができ、第1のCPU11または第2のCPU12の保護や負荷の誤動作等を未然に防ぐことができる。
図3は、本発明の第3実施形態を示すブロック図である。
この第3実施形態は、図1の第1実施形態と図2の第2実施形態とを組み合わせたものに相当する。図3において、図1,図2と同一の部品、回路、信号には同一の参照符号を付してある。
この第3実施形態では、第1のCPU11に第2のCPU12側の電圧異常検出信号x2及び温度検出信号z2が入力されていると共に、第2のCPU12に第1のCPU11側の電圧異常検出信号x1及び温度検出信号z1が入力されている。
そして、第1実施形態と同様に、第1のCPU11から第2のスイッチ32に遮断信号y2が出力され、第2のCPU12から第1のスイッチ31に遮断信号y1が出力されるようになっている。なお、遮断信号y1,y2は、他方のCPU側の電圧異常検出信号x1,x2を検出した場合にのみ発生させて電源を遮断しても良いし、これに加えて、他方のCPU側の温度検出信号z1,z2から過熱や低温等の温度異常を検出した場合にも発生させて電源を遮断しても良い。
この第3実施形態によれば、他方のCPU側の過電圧や低電圧等の電源異常及び過熱や低温等の温度異常の双方に対応可能な冗長化演算処理システムを提供することができる。
第1〜第3実施形態では、二重化したCPU11,12からなる冗長化演算処理システムについて説明したが、本発明は、MPUやDSP等を含む各種の演算処理装置を二重化した冗長化演算処理システムに適用可能である。
本発明は、各種制御装置、計測装置等の冗長化演算処理システムとして利用することができる。
11,12:CPU
21,22:電圧異常検出回路
31,32:スイッチ
41,42:温度センサ
51,52:電源回路

Claims (10)

  1. 第1の演算処理装置及び第2の演算処理装置により、同一の演算処理を実行可能な冗長化演算処理システムにおいて、
    第1の演算処理装置に第1のスイッチを介して電源を供給する第1の電源回路と、
    第2の演算処理装置に第2のスイッチを介して電源を供給する第2の電源回路と、
    第1の電源回路の電源電圧が第1の演算処理装置の許容電源電圧の範囲外であることを検出して電圧異常検出信号を出力する第1の電圧異常検出回路と、
    第2の電源回路の電源電圧が第2の演算処理装置の許容電源電圧の範囲外であることを検出して電圧異常検出信号を出力する第2の電圧異常検出回路と、
    を備え、
    第1の演算処理装置は、第2の電圧異常検出回路から出力される電圧異常検出信号に基づいて第2のスイッチを遮断し、
    第2の演算処理装置は、第1の電圧異常検出回路から出力される電圧異常検出信号に基づいて第1のスイッチを遮断することを特徴とする冗長化演算処理システム。
  2. 請求項1に記載した冗長化演算処理システムにおいて、
    前記第1の電圧異常検出回路は、第1の電源回路の電源電圧が第1の演算処理装置の許容電源電圧を超えたことを検出して電圧異常検出信号を出力し、
    前記第2の電圧異常検出回路は、第2の電源回路の電源電圧が第2の演算処理装置の許容電源電圧を超えたことを検出して電圧異常検出信号を出力することを特徴とする冗長化演算処理システム。
  3. 請求項に記載した冗長化演算処理システムにおいて、
    前記第1の電圧異常検出回路は、第1の電源回路の電源電圧が第1の演算処理装置の許容電源電圧よりも低下したことを検出して電圧異常検出信号を出力し、
    前記第2の電圧異常検出回路は、第2の電源回路の電源電圧が第2の演算処理装置の許容電源電圧よりも低下したことを検出して電圧異常検出信号を出力することを特徴とする冗長化演算処理システム。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載した冗長化演算処理システムにおいて、
    第1の演算処理装置が第2のスイッチを遮断した時に、第1の演算処理装置は警報を出力すると共に以後の演算処理を第2の演算処理装置の代わりに実行し、
    第2の演算処理装置が第1のスイッチを遮断した時に、第2の演算処理装置は警報を出力すると共に以後の演算処理を第1の演算処理装置の代わりに実行することを特徴とする冗長化演算処理システム。
  5. 第1の演算処理装置及び第2の演算処理装置により、同一の演算処理を実行可能な冗長化演算処理システムにおいて、
    第1の演算処理装置の近傍に配置されて第1の演算処理装置の周囲温度を検出し、その温度検出値を第2の演算処理装置に送出する第1の温度センサと、
    第2の演算処理装置の近傍に配置されて第2の演算処理装置の周囲温度を検出し、その温度検出値を第1の演算処理装置に送出する第2の温度センサと、
    を備え、
    第1の演算処理装置は、第2の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第2の演算処理装置の動作を停止させ、
    第2の演算処理装置は、第1の温度センサによる温度検出値が第1の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第1の演算処理装置の動作を停止させることを特徴とする冗長化演算処理システム。
  6. 請求項5に記載した冗長化演算処理システムにおいて、
    前記第1の演算処理装置は、第2の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度を超えた時に第2の演算処理装置の動作を停止させ、
    前記第2の演算処理装置は、第1の温度センサによる温度検出値が第1の演算処理装置の許容動作温度を超えた時に第1の演算処理装置の動作を停止させることを特徴とする冗長化演算処理システム。
  7. 請求項に記載した冗長化演算処理システムにおいて、
    前記第1の演算処理装置は、第2の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度よりも低下した時に第2の演算処理装置の動作を停止させ、
    前記第2の演算処理装置は、第1の温度センサによる温度検出値が第1の演算処理装置の許容動作温度よりも低下した時に第1の演算処理装置の動作を停止させることを特徴とする冗長化演算処理システム。
  8. 請求項5〜7のいずれか1項に記載した冗長化演算処理システムにおいて、
    第1の演算処理装置が第2の演算処理装置の動作を停止させた時に、第1の演算処理装置は警報を出力すると共に以後の演算処理を第2の演算処理装置の代わりに実行し、
    第2の演算処理装置が第1の演算処理装置の動作を停止させた時に、第2の演算処理装置は警報を出力すると共に以後の演算処理を第1の演算処理装置の代わりに実行することを特徴とする冗長化演算処理システム。
  9. 第1の演算処理装置及び第2の演算処理装置により、同一の演算処理を実行可能な冗長化演算処理システムにおいて、
    第1の演算処理装置に第1のスイッチを介して電源を供給する第1の電源回路と、
    第2の演算処理装置に第2のスイッチを介して電源を供給する第2の電源回路と、
    第1の電源回路の電源電圧が第1の演算処理装置の許容電源電圧の範囲外であることを検出して電圧異常検出信号を出力する第1の電圧異常検出回路と、
    第2の電源回路の電源電圧が第2の演算処理装置の許容電源電圧の範囲外であることを検出して電圧異常検出信号を出力する第2の電圧異常検出回路と、
    第1の演算処理装置の近傍に配置されて第1の演算処理装置の周囲温度を検出し、温度検出値を第2の演算処理装置に送出する第1の温度センサと、
    第2の演算処理装置の近傍に配置されて第2の演算処理装置の周囲温度を検出し、温度検出値を第1の演算処理装置に送出する第2の温度センサと、
    を備え、
    第1の演算処理装置は、第2の電圧異常検出回路から出力される電圧異常検出信号に基づいて第2のスイッチを遮断し、第2の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第2の演算処理装置の動作を停止させ、
    第2の演算処理装置は、第1の電圧異常検出回路から出力される電圧異常検出信号に基づいて第1のスイッチを遮断し、第1の温度センサによる温度検出値が第1の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第1の演算処理装置の動作を停止させることを特徴とする冗長化演算処理システム。
  10. 請求項9に記載した冗長化演算処理システムにおいて、
    第1の演算処理装置は、第2の温度センサによる温度検出値が第2の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第2のスイッチを遮断し、
    第2の演算処理装置は、第1の温度センサによる温度検出値が第1の演算処理装置の許容動作温度の範囲外である時に第1のスイッチを遮断することを特徴とする冗長化演算処理システム
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