JP6120723B2 - 制御回路、制御回路の短絡故障検知方法、転轍制御回路の短絡故障検知方法および鉄道信号用連動制御システム - Google Patents

Description

本発明は、転轍制御をその代表的な制御対象とする、双方向に通電切替え可能な制御対象機器の制御回路における短絡故障検知方法、および、それを応用した鉄道信号用連動制御システムに関するもので、特に、信号機や遮断機などのフェールセーフ性が求められる信号機器を制御対象とする場合に好適である。

例えば、電気転轍機（以下、単に「転轍機」という）は、印加される電圧が正電圧の場合と負電圧の場合とで動作方向が１８０度異なる性質を有している。そのため、転轍機の動作を制御する転轍制御装置は、半導体スイッチ、センサ、フェールセーフスイッチから構成され、それらを組み合わせて双方向に通電切替えすることにより、転轍機を正しい方向に動作させるようにしている。

この転轍機に関する制御について、先行技術としては、まず、非特許文献１に、転轍制御に関する一般的な技術が開示されている。また、特許文献１には、互いに独立した転極回路と接続回路から構成し、転極回路の単純化を図るとともに、フォトカップラを用い消費電力を少なくすることを可能とし、制御回路の２重化への対応が簡単で、稼動率を向上させることを目指した転轍制御回路が記載されている。そしてまた、特許文献２には、半導体スイッチとフェールセーフスイッチを使用した転轍制御回路において、このフェールセーフスイッチの溶着／落下をセンサにより検知する機能を付加し、制御装置の故障の潜在を防ぐようにした発明が記載されている。

特開２０００−３０２０４３号公報 特開２００７−３３１６４２号公報

「鉄道電気技術者のための信号概論 連動装置」（日本鉄道電気技術協会）

例えば、従来の転轍制御装置を例に取ると、この転轍制御装置を構成する半導体スイッチが短絡故障している際にそのまま転轍機の制御を行うと、制御装置内で短絡を発生させてしまい、当該転轍制御装置自身および電源装置を破損させるという問題点があった。

半導体スイッチが短絡故障した場合に発生する制御装置内の短絡異常について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、転轍機の制御に係る、電源、転轍制御回路、転轍機から成る構成を示す図である。

転轍制御回路は、図２に示すように、半導体スイッチ１と半導体スイッチ４、およびフェールセーフスイッチ５〜８を閉状態にすると、転轍機に図中の上から下へ向う方向に電流が流れる。また、図３に示すように、半導体スイッチ２と半導体スイッチ３、およびフェールセーフスイッチ５〜８を閉状態にすると、図２とは逆方向の電流を転轍機に流すことができる。これにより、転轍機に対して双方向に通電切替えを可能にし、転轍機の動作方向を１８０度異ならせることができる。ここで、フェールセーフスイッチ５〜８について、図１〜図７においては全てが連動して開閉動作する形式のもので表現しているが、これに限定されるものではなく、それぞれ個別に開閉動作する形式であっても差し支えない。

ここで、半導体スイッチ２または半導体スイッチ３が短絡故障を発生した場合に、半導体スイッチ１と半導体スイッチ４、およびフェールセーフスイッチ５〜８を閉状態にすると、図４に示すように短絡経路が構成されてしまい（図４は半導体スイッチ３が短絡故障の場合）、転轍制御回路および電源装置が破損する可能性がある。同様に、半導体スイッチ１または半導体スイッチ４が短絡故障を発生した場合にも、半導体スイッチ２と半導体スイッチ３、およびフェールセーフスイッチ５〜８を閉状態にすると、短絡経路が構成されてしまい、転轍制御回路および電源装置が破損する可能性がある。

上記のように、制御回路の短絡は、半導体スイッチが一つ短絡故障しただけでも発生し得るが、半導体スイッチが一つ短絡故障しただけでは、センサ９またはセンサ１０の両端には電圧および電流が発生せず、この短絡故障を事前に検知することができないという問題があった。

本発明の制御方法は、上記した鉄道設備における転轍機を始めとして、フェールセーフ性が求められる双方向に通電切替え可能な制御対象機器に対して、その制御を行う前にセンサにより故障検知動作を行うことで、半導体素子のようなスイッチ手段の短絡故障を検知することを特徴とする。

本発明によれば、鉄道設備における転轍機を始めとして、フェールセーフ性が求められる双方向に通電切替え可能な制御対象機器に対して、その制御を行う前に半導体素子のようなスイッチ手段の短絡故障を検知することができ、このスイッチ手段が短絡故障した場合に起り得た制御回路内での短絡事故を未然に防止するという効果を奏する。

図１は、転轍機の制御に係る、電源、転轍制御回路、転轍機を示す構成図である。 図２は、転轍機に対して、図中の上側から下側へ向う電流を流す場合の転轍制御回路の結線図である。 図３は、図２とは逆向きの電流を転轍機に流す場合の転轍制御回路の結線図である。 図４は、半導体スイッチ３が短絡故障した時に、図２と同様の転轍機の制御により発生する転轍制御回路の短絡経路を示す図である。 図５は、図２と同じ転轍機の制御を行う場合の故障検知動作のシーケンスを示す図である。 図６は、図３と同じ転轍機の制御を行う場合の故障検知動作のシーケンスを示す図である。 図７は、本発明を鉄道信号用連動制御システムに適用した実施例を示す図である。

以下、本発明の実施形態として、転轍機の制御に適用した実施例、および、それを応用した鉄道信号用連動制御システムにおける実施例、について説明する。

本発明の制御方法は、転轍機の制御に先立って、図５および図６に示すような故障検知動作を行い、転轍機への出力を行う前に半導体スイッチの短絡故障を検知して転轍制御回路の短絡事故を未然に防止する。

図５は、図２と同じ通電方向に転轍機を制御する前に行う故障検知動作のシーケンスを示している。
まず、故障検知動作１（図５の上段）では、半導体スイッチ２を閉状態にして、その他の半導体スイッチ１、３、４および全てのフェールセーフスイッチ５〜８を開状態とする。この状態において、半導体スイッチ３が正常時には、センサ１０の両端で電圧および電流が発生しないのでセンサ１０は検知動作をしないが、半導体スイッチ３が短絡故障している異常時には、センサ１０の両端で電圧および電流が発生してセンサ２がそれを検知するため、半導体スイッチ３の短絡故障の有無が判別できる。

同様に、故障検知動作２（図５の中段）では、半導体スイッチ３を閉状態にして、その他の半導体スイッチ１、２、４および全てのフェールセーフスイッチ５〜８を開状態として、センサ１０の検知動作の有無で半導体スイッチ２の短絡故障の有無を判別する。

次に、半導体スイッチ２または３に短絡故障が無いことを確認した後に、半導体スイッチ１と４およびフェールセーフスイッチ５〜８を閉状態にして、転轍機の制御を行う（図５下段の「出力開始」）。これにより、半導体スイッチ２または３の短絡故障による転轍制御回路の短絡事故の発生を未然に防止することができる。

図６は、図３と同じ通電方向（図２および図５の場合とは逆方向）に転轍機を制御する前に行う故障検知動作のシーケンスを示している。
図５と同様に、転轍機の制御を行う前に、故障検知動作１（図６の上段）では半導体スイッチ１を、続いて、故障検知動作２（図６の中段）では、半導体スイッチ４を、それぞれ片方ずつ閉状態にして、センサ９の検知動作の有無により、半導体スイッチ４または半導体スイッチ１それぞれの短絡故障の有無を判別する。

そして、半導体スイッチ１または４に短絡故障が無いことを確認した後に、半導体スイッチ２と３およびフェールセーフスイッチ５〜８を閉状態にして転轍機の制御を行う（図６下段の「出力開始」）。これにより、半導体スイッチ１または４の短絡故障による転轍制御回路の短絡事故の発生を未然に防止することができる。

以上のように、フェールセーフスイッチを開状態にしたままで故障検知動作を行うことが可能となり、半導体スイッチに短絡故障が発生している場合においても、転轍機に通電することなく故障検知を行うことができる。

図７は、本発明を鉄道信号用連動制御システムに応用した実施例である。半導体スイッチとフェールセーフスイッチは転轍制御装置内のＣＰＵによって制御され、センサの出力信号も転轍制御装置内のＣＰＵに入力される。このＣＰＵは、実施例１で示した本発明の故障検知動作のシーケンスを機能させるソフトウェアを実行する。

具体的構成において、図７に示すように、転轍制御装置は、故障に対する信頼性を向上させるために二重化構成（Ａ系転轍制御装置２１、Ｂ系転轍制御装置３１）とし、それぞれは連動論理部１１により制御される。連動論理部１１は、図示しないＣＴＣ指令所からの指令情報に基づいて、Ａ系およびＢ系の転轍制御装置２１および３１を含む各機器の制御を行う。ここでいう指令情報とは、鉄道の運行に必要となる転轍機、信号機等の駅構内に設置されている各種装置に対する制御を記述したデータのことである。

Ａ系転轍制御装置２１およびＢ系転轍制御装置３１は、連動論理部１１から新たに転轍機を動作させる制御指示を受取った際に、まず、実施例１で示した本発明の故障検知動作のシーケンスを機能させるソフトウェアをＡ系ＣＰＵ２２およびＢ系ＣＰＵ３２が実行することによって、それぞれの制御装置内の半導体スイッチの短絡故障の有無を確認する。それにより、短絡故障が無く正常な場合は、連動論理部１１からの制御指示に従ってＡ系ＣＰＵ２２またはＢ系ＣＰＵ３２により転轍機を制御することになる。しかし、短絡故障が検知された場合は、故障が検知された転轍制御装置側では転轍機の制御は行われない。

上記のように、Ａ系ＣＰＵ２２およびＢ系ＣＰＵ３２が本発明の故障検知動作のシーケンスを実行した結果は、装置情報の一部としてＡ系ＣＰＵ２２およびＢ系ＣＰＵ３２から連動論理部１１へ通知される。連動論理部１１は、この通知された装置情報をもとに、二重系の内のどちら側の転轍制御装置で実際に転轍機の制御を行うかを判断する。

したがって、片方の転轍制御装置（仮に、Ａ系転轍制御装置２１とする）で半導体スイッチの短絡故障が検知された場合でも、二重化された転轍制御装置の他方の転轍制御装置（Ｂ系転轍制御装置３１）により転轍機の制御を行えば、鉄道運行への支障を最小限にしてその運行を継続することが可能となる。

以上では、本発明の実施形態として、転轍制御、および、それを含む鉄道信号用連動制御システム、への適用例を示したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、双方向に通電切替え可能な制御対象機器の制御回路に対して広く適用できるものであり、特に、信号機や遮断機などのフェールセーフ性が求められる信号機器の制御回路に対しては好適である。このように、本発明は、事前に半導体素子のようなスイッチ手段の短絡故障を検知し、短絡事故を未然に防止するための簡単で有効な検知方法である。

１、２、３、４・・・半導体スイッチ
５、６、７、８・・・フェールセーフスイッチ
９、１０・・・センサ
１１・・・連動論理部
２１・・・Ａ系転轍制御装置
２２・・・Ａ系ＣＰＵ
３１・・・Ｂ系転轍制御装置
３２・・・Ｂ系ＣＰＵ

Claims (5)

1. 電源と制御対象機器とを備えた制御回路において、
   前記電源の正極側と前記制御対象機器の一方側との間に直列に接続する第１のスイッチ手段と第５のスイッチ手段と、
   前記電源の正極側と前記制御対象機器の他方側との間に直列に接続する第２のスイッチ手段と第６のスイッチ手段と、
   前記電源の負極側と前記制御対象機器の前記一方側との間に直列に接続する第３のスイッチ手段と第７のスイッチ手段と、
   前記電源の負極側と前記制御対象機器の前記他方側との間に直列に接続する第４のスイッチ手段と第８のスイッチ手段と、
   前記第１のスイッチ手段と前記第５のスイッチ手段との接続点および前記第４のスイッチ手段と第８のスイッチ手段との接続点の間の電圧を監視する第１のセンサと、
   前記第２のスイッチ手段と前記第６のスイッチ手段との接続点および前記第３のスイッチ手段と第７のスイッチ手段との接続点の間の電圧を監視する第２のセンサとを有し、
   前記第１から前記第４の各スイッチ手段は前記電源側に接続され、
   前記第５から前記第８の各スイッチ手段は前記制御対象機器側に接続され、
   前記第５から前記第８の各スイッチ手段をオフにした状態で、
   前記第２のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段を片方ずつオンした時の前記第２のセンサの各検知結果に基づき、前記第２のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段の各々の短絡故障の有無を判別し、
   前記第１のスイッチ手段および前記第４のスイッチ手段を片方ずつオンした時の前記第１のセンサの各検知結果に基づき、前記第１のスイッチ手段および前記第４のスイッチ手段の各々の短絡故障の有無を判別する
   ことを特徴とする制御回路。
2. 電源正極側から順に第１のスイッチ手段と第５のスイッチ手段を介して制御対象機器の一方側に接続する経路と、
   電源正極側から順に第２のスイッチ手段と第６のスイッチ手段を介して前記制御対象機器の他方側に接続する経路と、
   電源負極側から順に第３のスイッチ手段と第７のスイッチ手段を介して前記制御対象機器の前記一方側に接続する経路と、
   電源負極側から順に第４のスイッチ手段と第８のスイッチ手段を介して前記制御対象機器の前記他方側に接続する経路と
   前記第１のスイッチ手段と前記第５のスイッチ手段との接続点および前記第４のスイッチ手段と第８のスイッチ手段との接続点の間の電圧を監視する第１のセンサと、
   前記第２のスイッチ手段と前記第６のスイッチ手段との接続点および前記第３のスイッチ手段と第７のスイッチ手段との接続点の間の電圧を監視する第２のセンサと
   から構成される双方向に通電切替え可能な前記制御対象機器の制御回路であって、
   前記第５から前記第８の各スイッチ手段をオフにした状態で、
   前記第２のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段を片方ずつオンした時の前記第２のセンサの各検知結果に基づき、前記第２のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段それぞれの短絡故障の有無を判別する第１のステップと、
   前記第１のスイッチ手段および前記第４のスイッチ手段を片方ずつオンした時の前記第１のセンサの各検知結果に基づき、前記第１のスイッチ手段および前記第４のスイッチ手段それぞれの短絡故障の有無を判別する第２のステップとを有し、
   少なくとも前記ステップのいずれかを実行する
   ことを特徴とする前記制御回路の短絡故障検知方法。
3. 請求項１に記載の制御回路において、
   前記第５から前記第８の各スイッチ手段は連動して一括に開閉する構造である
   ことを特徴とする制御回路。
4. 請求項２に記載の短絡故障検知方法において、
   前記制御対象機器が転轍機である
   ことを特徴とする転轍制御回路の短絡故障検知方法。
5. 請求項４に記載の転轍制御回路の短絡故障検知方法を、前記第１から前記第８の各スイッチ手段を制御するＣＰＵにより実行する鉄道信号用連動制御システムであって、
   前記ＣＰＵは、ＣＴＣが発する指令情報および前記両センサの監視結果を入力とする連動論理部から制御指示を受け、
   前記ＣＰＵおよび前記転轍制御回路を二重化構成とし、
   前記ＣＰＵによる前記短絡故障検知方法の実行により二重化構成した前記転轍制御回路の片系に短絡故障が検知されると、前記連動論理部は二重化構成した前記転轍制御回路の他系を動作させるように制御する
   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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