JP2010108130A

JP2010108130A - スイッチング装置

Info

Publication number: JP2010108130A
Application number: JP2008277795A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Tanaka; 義雄田中; Kimihide Aoyama; 公英青山
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-13

Abstract

【課題】高い信頼性を得ることができるスイッチング装置を提供する。
【解決手段】すべてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンの状態としたとき、すべてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン抵抗値が正常な場合、電流（Ｉｒｂ１）と電流（Ｉｒｂ２）とは一致する。一方、スイッチＳＷ２のオン抵抗値に異常が発生すると、電流（Ｉｒｂ１）はスイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２の合成抵抗値に対応する値を、電流（Ｉｒｂ２）はスイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の合成抵抗値に対応する値を、それぞれ示すため、これらの電流の比が十分大きくなり、オン抵抗値の上昇が容易に検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチの切り替えにより負荷に対する電源のオン／オフを選択可能なスイッチング装置に関する。

プロセスオートメーションの分野では、電磁弁等のフィールド機器に対し、電源のオン／オフを切り替えるための装置が使用されている。このような装置では高い信頼性（例えば、IEC61508）が要求されるため、自らの状態を診断する機能が要求される。
特開２００５−４４０７４号公報

しかし、自己診断時には電源のオン／オフ状態を維持することが前提条件であるため、内部のスイッチを自由にオン／オフさせることができず、十全な自己診断が困難であるという事情がある。例えば、通常出力状態がオフである間の自己診断において、出力状態をオンできる状態にあるか否かを診断することができない等の問題がある。

本発明の目的は、高い信頼性を得ることができるスイッチング装置を提供することにある。

本発明のスイッチング装置は、スイッチの切り替えにより負荷に対する電源のオン／オフ状態を選択可能なスイッチング装置において、電源と負荷との間に形成され、回路中に複数のスイッチを含む回路網と、前記回路網に含まれる前記複数のスイッチをそれぞれ独立して制御する制御手段と、前記回路網中の回路の電流を監視する電流監視手段と、を備え、前記制御手段は、前記負荷に対する電源のオン／オフの状態を維持する条件下で前記複数のスイッチの状態を順次切り替える制御を実行するとともに、前記電流監視手段は前記制御実行時における前記電流を監視することを特徴とする。
このスイッチング装置によれば、電流監視手段により制御実行時における電流を監視するので、負荷に対する電源の状態を維持しつつスイッチング装置の異常を高精度に検出できる。

前記電流監視手段は、前記回路網中で互いに並列接続され、前記スイッチが挿入されたスイッチング回路のそれぞれに流れる電流を監視してもよい。

前記電源は交流電源であり、前記電流監視手段は前記電流の実効値を監視してもよい。

前記電源は交流電源であり、前記電流監視手段は前記交流電源の周期に合わせて取得した電流の瞬間値を監視してもよい。

前記電流監視手段は、現在の電流の瞬間値を前記交流電源の周期の整数倍だけ前に取得された電流の瞬間値と比較することで、前記現在の電流値を監視してもよい。

本発明のスイッチング装置によれば、電流監視手段により制御実行時における電流を監視するので、負荷に対する電源の状態を維持しつつスイッチング装置の異常を高精度に検出できる。

以下、本発明によるスイッチング装置の実施形態について説明する。

以下、図１〜図３を参照して、実施例１のスイッチング装置について説明する。

図１（ａ）は、実施例１のスイッチング装置の回路構成を示す図、図１（ｂ）はスイッチの構成を示す図である。

図１（ａ）に示すように、本実施例のスイッチング装置は、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を用いて構成される。図１（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１はＮ型の電界効果トランジスタ（MOSFET）Ｑ１１，Ｑ１２を組み合わせて構成される。スイッチＳＷ２〜スイッチＳＷ４も同様に構成される。スイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ４は制御回路４により互いに独立して制御可能とされる。

図１（ａ）に示すように、本実施例のスイッチング装置では、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２）が実効電圧値１００Ｖの交流電源１と負荷２との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ１，Ｒ２）の中点が、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ１）は電圧監視回路３により監視される。

同様に、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４）が交流電源１と負荷２との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ３，Ｒ４）の中点が、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ２）は電圧監視回路３により監視される。

抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は、通常オフ状態において負荷２に影響を与えない程度の高抵抗値とされる。

図１（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２が直列接続されたスイッチング回路には電流検出器ＣＴ１が、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４が直列接続されたスイッチング回路には電流検出器ＣＴ２が、それぞれ設けられている。それぞれのスイッチング回路の電流値（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）は電流監視回路５により監視される。

電圧監視回路３における監視結果は制御回路４に与えられ、制御回路４はこの監視結果に基づいて４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４について診断を行う。

図２は正常動作時における各スイッチの状態と、監視される電圧との関係を示す図である。

通常出力状態がオンである場合、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を、図２において「出力状態」がオンである状態（状態４，８，１２〜１６）に順次、切り替え、その時の実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）が図２に示す正しい電圧値となっていることを確認することで、各スイッチの健全性を自己診断できる。

同様に、通常出力状態がオフである場合、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を、図２において「出力状態」がオフである状態（状態１〜３，５〜７，９〜１１）に順次、切り替え、その時の実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）が図２に示す正しい電圧値となっていることを確認することで、各スイッチの健全性を自己診断できる。

図３は、スイッチＳＷ１またはスイッチＳＷ２を構成するトランジスタのいずれか１つがオン故障（オンに固着する故障）した場合に検出される実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）を示している。例えば、「状態１」の上段ではスイッチＳＷ１を構成するトランジスタＱ１１またはＱ１２のいずれかがオン故障した状態が示されており、「↓」はトランジスタＱ１１がオン故障しトランジスタＱ１２の寄生ダイオードを経由して電流が流れることを意味している。また、「↑」はトランジスタＱ１２がオン故障しトランジスタＱ１１の寄生ダイオードを経由して電流が流れることを意味している。

図３に示すように、トランジスタにオン故障が発生した場合には、図２に示す正常時とは異なる実効電圧（Ｖｒｂ１）が検出されるため、故障の発生を検知できる。

スイッチＳＷ３またはスイッチＳＷ４においてオン故障が発生した場合にも、同様に実効電圧（Ｖｒｂ２）に基づき故障の発生を検知できる。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のいずれかにオフ故障（オフに固着する故障）が生じた場合には、図２に示される状態群中の１つに対応した状態となり、実効電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）に基づきオフ故障が検出される。例えば、スイッチＳＷ４がオフ故障した場合には、各スイッチの状態が「状態２」のときに、実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）は、図２における「状態１」と同様の結果となる。このため、実効電圧に基づいてスイッチＳＷ４のオフ故障を検出できる。

このように、本実施例のスイッチング装置では、通常出力状態がオン、オフのいずれにおいても、その出力状態を維持しながらスイッチ群の自己診断が可能であり、異常を検出した際、速やかに交換等のメインテナンスを行うことが可能となる。また、電源にパルスを重畳させることによる診断を不要とすることができ、負荷への外乱を防止できる。

しかし、電圧の監視のみでは、オン時におけるスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の抵抗値が大きくなる故障については検出が困難である。電流値（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）の監視は、このような抵抗値が大きくなるようなモードでのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の故障を検出することを目的としている。

図４は、すべてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンの状態（図２における「状態１６」）において、スイッチの抵抗値が大きくなるようなモードでの故障時に監視される電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）および電流（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）を示している。

図４の例では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の正常時のオン抵抗値を０．２Ωとし、負荷２のインピーダンスを１００Ωまたは５００Ωとした場合に検出される電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）および電流（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）を示している。

ここで、例えばスイッチＳＷ２のオン抵抗値が正常な状態の５倍である１Ωという異常値を示す場合でも、電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）の変化は微小であり、オン抵抗値の異常を検出することができない。

また、電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）のみの監視では、自己診断の実行前にスイッチの１つが故障していた場合、自己診断時のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン／オフ切り替え動作により、意図しない出力状態となってしまうという問題がある。例えば、図４の例においてスイッチＳＷ２のオン抵抗値が無限大となっていても、すべてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンの状態（図２における「状態１６」）を起点とする自己診断を行う場合、この状態では電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）に基づいてスイッチＳＷ２の異常を検出できない。この状態から診断を開始し、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４をオフする状態まで移行した段階で出力状態が意図せずにオフ状態となってしまう。

これに対し、電流（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）に基づけば、スイッチのオン抵抗値の増大を容易に検出できる。

図４に示すように、すべてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンの状態（図２における「状態１６」）としたとき、すべてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン抵抗値が正常な場合、電流（Ｉｒｂ１）と電流（Ｉｒｂ２）とは一致する。一方、スイッチＳＷ２のオン抵抗値に異常が発生すると、電流（Ｉｒｂ１）はスイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２の合成抵抗値に対応する値を、電流（Ｉｒｂ２）はスイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の合成抵抗値に対応する値を、それぞれ示すため、これらの電流の比が十分大きくなり、オン抵抗値の上昇が容易に検出できる。例えば、スイッチＳＷ２のオン抵抗値が１Ωの場合には、電流比（Ｉｒｂ２／Ｉｒｂ１）は負荷２のインピーダンスと無関係に３倍となる。したがって、スイッチの抵抗値の異常が容易に検出される。

また、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切り替えによる自己診断の実行前に、このような電流（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）に基づく異常検出を実行することで、意図しない出力状態の発生を防止できる。

なお、スイッチの直列数および並列数は２つに限定されず、それぞれ３以上であってもよい。また、電源は直流電源でもよい。

以下、図５を参照して、実施例２のスイッチング装置について説明する。

図５は実施例２のスイッチング装置の回路構成を示す図である。なお、実施例１と同一構成要素には同一符合を付している。

図５に示すように、本実施例のスイッチング装置は、実施例１と同様、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を用いて構成される。スイッチＳＷ１はＮ型の電界効果トランジスタ（MOSFET）Ｑ１１，Ｑ１２を組み合わせて構成される。スイッチＳＷ２〜スイッチＳＷ４も同様に構成される。スイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ４は制御回路４により互いに独立して制御可能とされる。

図１に示すように、本実施例のスイッチング装置では、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２）が実効電圧値１００Ｖの交流電源１と負荷２との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ１，Ｒ２）の中点が、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ１）は電圧監視回路３１により監視される。

同様に、独立にオン／オフ制御可能な２個のスイッチ（スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４）が交流電源１と負荷２との間に直列に接続され、交流電源１の交流電圧Ｖを分圧するように直列に接続された同一抵抗値の抵抗（Ｒ３，Ｒ４）の中点が、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４の中点に接続されている。また、この中点の電圧（Ｖｒｂ２）は電圧監視回路３１により監視される。

図５に示すように、本実施例のスイッチング装置では、負荷２に流れる電流（Ｉｒｂ）が電流検出器ＣＴにより計測され、計測された電流値は電流監視部５１により監視される。また、電流監視部５１には、計測された電流値を順次格納するロータリバッファ５２が接続される。

電圧監視回路３１における監視結果は制御部４１に与えられ、制御部４１はこの監視結果に基づいて４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を独立して制御する。電圧監視回路３１を介して監視される電圧に基づく自己診断は、実施例１と同様の手順で実行される。

次に、電流監視部５１における電流の監視動作について説明する。

実施例１のスイッチング装置では、電流の実効値の監視を行っている。しかし、実効値を計測するためには少なくとも交流電源の１周期分の電位を検出、演算が必要である。電源１の周波数が５０Ｈｚの場合には周期は２０ｍｓ、６０Ｈｚの場合には周期は１６．６６ｍｓとなる。また、電源１の周波数として５０Ｈｚおよび６０Ｈｚの両者に対し同一の診断動作を適用する場合には、診断結果を得るための時間として１００ｍｓを要する。そのため、診断結果を動作に反映させるまでの応答時間がかかり、意図しない出力状態が発生するおそれもある。

これに対し、本実施例のスイッチング装置では、電流監視部５１における診断動作を電源電圧の変化に同期させることで、異常の発生や意図しない出力状態の発生を即時に検出することができる。

図６は電流監視部５１の動作を示すフローチャート、図７はロータリバッファ５２への書き込み動作を示す図である。ここでは、電源の周波数が５０Ｈｚであり、ロータリバッファ５２のサイズを２０ｍｓ分のデータに対応させた場合について説明する。

図６のステップＳ１〜ステップＳ２は、電流監視部５１における起動処理を示している。この処理は、電源投入およびこれに引続くリセット解除後に実行され、定周期タイマの周期でトリガを発生させる。このトリガによりタイマ割り込み処理が実行される。

図６のステップＳ１では、定周期タイマを起動する。続いて、ステップＳ２では、タイマがタイムアップするのを待って、トリガを発生させる処理を繰り返す。これにより、定周期タイマの周期でトリガが繰り返し発生される。定周期タイマの周期は、電源周期の整数倍の約数である時間（図７の例では電源周期の１／１６に相当する時間）とされ、ロータリバッファ５２には、この電源周期の整数倍の約数でサンプリングされた電流計測値のＡＤ（アナログ／デジタル）変換結果が格納される。

図６のステップＳ１１〜ステップＳ１７は、上記トリガに応じて実行される電流監視部５１におけるタイマ割り込み処理を示している。

図６のステップＳ１１では、電流検出器ＣＴにより計測された現在の電流値をＡＤ変換する。

次に、ステップＳ１２では、書き込みポインタを参照して、ロータリバッファ５２の参照先データを読み出す。

次に、ステップＳ１３では、ステップＳ１１において得られたデータと、ステップＳ１２において読み出されたデータとを比較し、両者の差が所定範囲内にあるか否か判断する。ここで、ロータリバッファ５２のサイズは２０ｍｓ分のデータに対応しており、交流電源の１周期分の時間に相当している。このため、書き込みポインタが示す位置の参照先データは１周期分前のデータであり、その間、異常が発生していなければ両者のデータが一致するはずである。図７の例では、ロータリバッファ５２のバッファ領域を１６分割しており、１／１６周期ごとにデータ（ＡＤ０，ＡＤ１，ＡＤ２，・・・ＡＤ１６）が書き込まれる。個々のバッファ領域には、１周期分ずつタイミングのずれたデータが順次、上書きされる。

ステップＳ１３における判断が肯定されればステップＳ１４へ進み、否定されればステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１４では、エラーカウンタをクリアし、ステップＳ１６へ進む。一方、ステップＳ１４では、エラーカウンタをインクリメントし、ステップＳ１６へ進む。

ステップＳ１６では、書き込みポインタの指しているバッファにステップＳ１１において得られたデータを格納（上書き）する。

ステップＳ１７では、書き込みポインタを次のバッファに更新して、割り込み処理から復帰する。

このように、１周期前のデータと現在のデータとが一致していない（両者に所定範囲以上の差がある）間、エラーカウンタがインクリメントされ、不一致の連続数がエラーカウント数として提示される。エラーカウンタ数は制御部４１にリアルタイムに与えられ、エラーカウント数が所定値を超えると、異常と判断されて所定の処理が実行される。

なお、異常と判断するエラーカウント数によって、異常発生に対する処理の応答性を調整することができる。また、異常の誤検出等を防止することもできる。

また、ロータリバッファのサイズを１００ｍｓ分のＡＤ変換によるデータに対応させることにより、５０Ｈｚの６周期あるいは６０Ｈｚの５周期分のデータが格納できることから、電源の周期が５０Ｈｚおよび６０Ｈｚのいずれであってもファームウェアの切り替えなしに対応可能となる。この場合には、１周期前のデータとの比較ではなく、現在の電流の瞬間値を交流電源の周期の整数倍（５倍または６倍）だけ前に取得された電流の瞬間値（５周期前または６周期前のデータ）と比較することになる。

以上のように、本実施例のスイッチング装置によれば、異常発生を即時に検出できる。また、異常判定の条件をエラーカウント数の閾値等により調整することで、異常判定の即応性や感度を最適化できる。

図８は、２つの電流検出器を設けた構成例を示す図である。

図８の例では、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２を含むスイッチング回路の電流（Ｉｒｂ１）を電流検出器ＣＴ１により、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４を含むスイッチング回路の電流（Ｉｒｂ２）を電流検出器ＣＴ２により、それぞれ検出し、電流監視部５１Ａに与えている。電流監視部５１Ａは、負荷２に流れる電流、すなわち、電流（Ｉｒｂ１）および電流（Ｉｒｂ２）の和をロータリバッファ５２に格納し、現在の電流（Ｉｒｂ１）および電流（Ｉｒｂ２）の和と、ロータリバッファ５２に格納されているデータとを対比する。

図８に示す構成の場合にも、図５に示す構成と同様、異常発生を迅速に検出できる。

以上説明したように、本発明のスイッチング装置によれば、電流監視手段により制御実行時における電流を監視するので、負荷に対する電源の状態を維持しつつスイッチング装置の異常を高精度に検出でき、高い信頼性を得ることができる。
また、交流電源の周期に合わせて取得した電流の瞬間値を監視するので、異常検出を即時に行うことができる。

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、スイッチの切り替えにより負荷に対する電源のオン／オフを選択可能なスイッチング装置に対し、広く適用することができる。

実施例１のスイッチング装置の構成を示す図であり、（ａ）は、スイッチング装置の回路構成を示す図、（ｂ）はスイッチの構成を示す図。正常動作時における各スイッチの状態と、監視される電圧との関係を示す図。オン故障時に検出される実効電圧（Ｖｒｂ１およびＶｒｂ２）を示す図。スイッチの抵抗値が大きくなるようなモードでの故障時に監視される電圧（Ｖｒｂ１，Ｖｒｂ２）および電流（Ｉｒｂ１，Ｉｒｂ２）を示す図。実施例２のスイッチング装置の回路構成を示す図。電流監視部の動作を示すフローチャート。ロータリバッファへの書き込み動作を示す図。２つの電流検出器を設けた構成例を示す図。

符号の説明

１電源
２負荷
４制御回路（制御手段）
５電流監視回路（電流監視手段）
４１制御部（制御手段）
５１電流監視部（電流監視手段）

Claims

スイッチの切り替えにより負荷に対する電源のオン／オフ状態を選択可能なスイッチング装置において、
電源と負荷との間に形成され、回路中に複数のスイッチを含む回路網と、
前記回路網に含まれる前記複数のスイッチをそれぞれ独立して制御する制御手段と、
前記回路網中の回路の電流を監視する電流監視手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記負荷に対する電源のオン／オフの状態を維持する条件下で前記複数のスイッチの状態を順次切り替える制御を実行するとともに、前記電流監視手段は前記制御実行時における前記電流を監視することを特徴とするスイッチング装置。
前記電流監視手段は、前記回路網中で互いに並列接続され、前記スイッチが挿入されたスイッチング回路のそれぞれに流れる電流を監視することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング装置。
前記電源は交流電源であり、前記電流監視手段は前記電流の実効値を監視することを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング装置。
前記電源は交流電源であり、前記電流監視手段は前記交流電源の周期に合わせて取得した電流の瞬間値を監視することを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング装置。
前記電流監視手段は、現在の電流の瞬間値を前記交流電源の周期の整数倍だけ前に取得された電流の瞬間値と比較することで、前記現在の電流値を監視することを特徴とする請求項４に記載のスイッチング装置。