JP4494313B2

JP4494313B2 - リレー出力装置

Info

Publication number: JP4494313B2
Application number: JP2005249057A
Authority: JP
Inventors: 貫造関
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP2007062483A

Description

この発明は、鉄道の信号保安システム等に使用するフェールセーフ性が要求されたリレー出力装置、特に地球環境に影響なく、かつ小形化とコスト低減化に関するものである。

鉄道の信号保安システムにおいては、輸送の安全を確保するために、使用する装置にフェールセーフ性が要求されている。このようにフェールセーフ性が要求されているシステムに用いる出力リレーの駆動回路として、特許文献１に示すように、フォトカプラと、一方の端子が直流電源の一方の極に接続され、他方の端子が出力リレーの一方の端子に接続され、フォトカプラが発光したときに導通するトランジスタを有する第１の開閉回路と、フォトカプラと、一方の端子が直流電源の他方の極に接続され、他方の端子が出力リレーの他方の端子に接続され、フォトカプラが発光したときに導通するトランジスタを有する第２の開閉回路及び第１の開閉回路と第２の開閉回路の出力端子に接続され、両端子間の電位状態を監視してチェック信号を出力するセンサを設けている。

そして第１の開閉回路と第２の開閉回路のフォトカプラに同時に直流制御信号が入力して、両開閉回路のフォトカプラが発行してトランジスタが導通し、出力リレーのコイルを励磁させ、直流制御信号の両方またはいずれか一方が入力しないときに、出力リレーのコイルを無励磁にするようにしている。この出力リレーの動作を制御しているとき、センサは第１の開閉回路と第２の開閉回路の出力端子間における電位状態を監視してチェック信号を出力し、第１の開閉回路と第２の開閉回路のそれぞれに入力する直流制御信号の印加状態の組合せとチェック信号の状態とを外部で監視して出力リレーの駆動回路の故障発生を検知するようにしている。
特公平６−４４１５号公報

特許文献１に示された出力リレーの駆動回路は、第１の開閉回路と第２の開閉回路の故障発生有無を検知しているが、出力リレー自体の動作状態を監視していないため、出力リレーの故障を診断できないという短所がある。

また、鉄道の信号保安システムにおいて使用する出力リレーは、動作時に発生する接点のチャタリングにより放電現象に伴う接点の急激な消耗や移転、蒸着などの対策として溶着しにくい接点材料を用いた大形の信号リレーを使用している。このため出力リレーが高価になってしまう。また、出力リレーが大形であるため、それを使用した各種装置が大形化してしまう短所がある。さらに、出力リレーに用いる溶着しにくい接点材料は有害物質、例えばカドミウム等を含むため地球環境規制対策として接点材料の代替を早急に検討する必要がある。

この発明は、このような短所を改善するとともに、地球環境に影響しない接点材料を使用した小形汎用リレーを使用したフェールセーフなリレー出力装置を提供することを目的とするものである。

この発明のリレー出力装置は、フェールセーフコンピュータ（以下、コンピュータという）とリレー駆動回路と出力リレーと接点照査入力回路と半導体スイッチとセンサ及びスイッチ・センサ入出力回路を有し、リレー駆動回路は、コンピュータから出力されるリレー制御信号により出力リレーをオン・オフ制御し、接点照査入力回路は、コンピュータから一定周期で出力される出力リレーの動作接点が閉成していることを照査するＮ接点照査信号と出力リレーの復旧接点が閉成していることを照査するＲ接点照査信号を出力リレーの動作接点と復旧接点に送り、出力リレーの共通接点から入力する出力リレーの動作状態を示すＲＹ入力信号をコンピュータに出力し、半導体スイッチは、出力リレーの動作接点と直列に接続され、外部の現場機器への出力回路を構成し、センサは、半導体スイッチの出力側と現場機器駆動電源の半導体スイッチが接続された電源入力端子とは反対側の電源入力端子に接続され、半導体スイッチのオン・オフ状態を検出し、スイッチ・センサ入出力回路は、コンピュータから入力するスイッチ制御信号により半導体スイッチをオン・オフ制御するとともにセンサで検出した半導体スイッチのオン・オフ状態を示すセンサ状態信号をコンピュータに出力し、
コンピュータは、出力回路の出力をオンに制御するとき、リレー制御信号をオンにして出力リレーを動作側に制御し、Ｎ接点照査信号とＲ接点照査信号を接点照査入力回路に出力し、接点照査入力回路に接続されている出力リレーの動作接点と復旧接点の動作状態を照査し、出力リレーの共通接点から接点照査入力回路を介して入力するＲＹ入力信号により、出力リレーの動作接点のチャタリング動作が終わったことを確認した後にスイッチ制御信号をオンにしてスイッチ・センサ入出力回路により半導体スイッチを導通側に制御させ、スイッチ・センサ入出力回路から入力するセンサ状態信号を監視し、半導体スイッチが導通状態になったことを検出したことを確認し、出力回路の出力をオフに制御するとき、スイッチ制御信号をオフにして半導体スイッチを非導通側に制御させてからリレー制御信号をオフにして出力リレーを復旧側に制御することを特徴とする。

前記コンピュータは、Ｎ接点照査信号とＲ接点照査信号を出力して出力リレーの動作接点と復旧接点の動作状態を照査しているとき、Ｎ接点照査信号及びＲ接点照査信号と、出力リレーの共通接点から接点照査入力回路を介して入力するＲＹ入力信号との組合せにより出力リレーの故障を診断する。

また、コンピュータは、半導体スイッチが導通状態になったことを確認した後、スイッチ制御信号を一瞬だけオフにして半導体スイッチの出力側がオン側に固定しているか否を確認し、半導体スイッチが非導通状態で出力リレーの復旧接点が閉成しているときにスイッチ制御信号を一瞬だけオンにして半導体スイッチの出力側がオフ側に固定しているか否を確認して、半導体スイッチの故障を診断する。

さらに、前記出力リレーと出力回路を複数有し、コンピュータは、各出力リレーをオン制御しているとき、いずれかの出力リレーの接点状態が不定または復旧接点が閉成している安全側であるとき、該当する出力回路のみ機能を停止し、各出力リレーをオフ制御しているとき、いずれかの出力リレーの接点状態が不定である危険側であるとき、全ての出力回路の機能を停止する。

この発明は、出力リレーを動作側に制御してから出力リレーの動作接点のチャタリング動作が終了したことを確認してから、半導体スイッチを導通状態にし、半導体スイッチを非導通状態にしてから出力リレーを復旧側に制御するから、出力リレーの接点が放電現象により急激に消耗したり、移転や溶着などが生じることを防ぎ、出力リレーの接点として地球環境に影響する接点材料を使用しないですむとともに出力リレーを小形化することができる。また、出力リレーの接点に消耗や移転、溶着などが生じないから、出力リレーを長期間安定して使用することができる。

また、コンピュータで出力リレーの動作接点と復旧接点の動作状態や半導体スイッチの動作状態を確認するから、出力リレーや半導体スイッチの故障を確実に検出することができ、リレー出力の安全化とともに耐故障性を高めることができる。

さらに、出力リレーと出力回路を複数有する場合、コンピュータは、各出力リレーをオン制御しているとき、いずれかの出力リレーの接点状態が不定または復旧接点が閉成している安全側であるとき、該当する出力回路のみ機能を停止し、各出力リレーをオフ制御しているとき、いずれかの出力リレーの接点状態が不定である危険側であるとき、全ての出力回路の機能を停止するから、安全性を向上することができる。

図１はこの発明のリレー出力装置の構成を示すブロック図である。図に示すように、リレー出力装置１は、フェールセーフコンピュータ（以下、コンピュータという）２とリレー駆動回路３と出力リレー４と接点照査入力回路５と半導体スイッチ６とセンサ７及びスイッチ・センサ入出力回路８を有する。

コンピュータ２は、例えば上位の電子連動装置からの制御情報を入力して装置全体の動作を管理し、リレー出力に関する情報を表示情報として電子連動装置に出力する。リレー駆動回路３は例えばトランジスタアレイ３１を有し、コンピュータ２から出力されるリレー制御信号により出力リレー４をオン（動作）・オフ（復旧）制御する。接点照査入力回路５は、出力リレー４の動作接点（Ｎ接点）に接続されたトランジスタアレイ５１と、出力リレー４の復旧接点（Ｒ接点）に接続されたトランジスタアレイ５２と、出力リレー４の共通接点（Ｃ接点）に接続されたトランジスタアレイ５３を有し、コンピュータ２から出力される出力リレー４の動作接点が閉成していることを照査するＮ接点照査信号と出力リレー４の復旧接点が閉成していることを照査するＲ接点照査信号を出力リレー４の動作接点と復旧接点に送り、出力リレー４の共通接点から入力する出力リレー４の動作状態を示すＲＹ入力信号をコンピュータ２に出力する。半導体スイッチ６は、例えばチャタリングがなく、低オン抵抗で直流出力のフォトモスリレーからなり、出力リレー３の動作接点と直列に接続され、外部の現場機器９への出力回路１０を構成している。この出力回路１０を構成する出力リレー３の動作接点は、出力回路１０の両線にそれぞれ設けられ、他の出力回路のケーブルとの片線混触時に錯誤出力となるのを回避している。センサ７は、例えば直流入力のフォトカプラからなり、半導体スイッチ６の出力側と現場機器駆動電源１１の半導体スイッチ６が接続された電源入力端子とは反対側の電源入力端子に接続され、半導体スイッチ６のオン・オフ状態を検出する。スイッチ・センサ入出力回路８は、半導体スイッチ６の駆動側に接続されたトランジスタアレイ８１とセンサ７の出力側に接続されたトランジスタアレイ８２を有し、コンピュータ２から入力するスイッチ制御信号により半導体スイッチ６をオン・オフ制御するとともにセンサ７で検出した半導体スイッチ６のオン・オフ状態を示すセンサ状態信号をコンピュータ２に出力する。

このリレー出力装置１の動作を図２のタイムチャートを参照して説明する。

リレー出力装置１のリレー出力をオフからオンに制御する場合は、図２（ａ）に示すように、コンピュータ２は、リレー制御信号をオンにしてリレー駆動回路３に出力し出力リレー４を動作側に制御し、Ｎ接点照査信号とＲ接点照査信号を接点照査入力回路５に出力し、接点照査入力回路５に接続されている出力リレー４の動作接点と復旧接点の動作状態を照査し、出力リレー４の共通接点から接点照査入力回路５を介して入力するＲＹ入力信号により、出力リレー４の動作接点の状態を把握する。この出力リレー４の動作接点と復旧接点の動作状態を把握するときのチェックタイミングと真理値表を図３（ａ）に示す。コンピュータ２は、図３（ａ）に示すように、一定周期でＮ接点照査信号とＲ接点照査信号を断続的に接点照査入力回路５に出力して出力リレー４の動作接点と復旧接点の動作状態を照査し、ＲＹ入力信号を入力する。この処理Ｎｏ１から処理Ｎｏ６を繰り返して一定回数一致したことを確認すると接点のチャタリング動作が終わって動作接点が確実に閉成したと判定し、スイッチ制御信号をオンにしてスイッチ・センサ入出力回路８により半導体スイッチ６を導通側に制御させる。そしてスイッチ・センサ入出力回路８から入力するセンサ状態信号を監視し、センサ７で半導体スイッチ６が導通状態になったことを検出したことを確認する。出力リレー４が動作状態になり、出力回路に設けられた出力リレー４の動作接点がオンになり、半導体スイッチ６が導通すると、現場機器駆動電源１１から出力回路１０を介してリレー出力を現場機器９に送る。

この状態でリレー出力をオフに制御する場合は、図２（ｂ）に示すように、コンピュータ２は、スイッチ制御信号をオフにしてスイッチ・センサ入出力回路８により半導体スイッチ６を非導通側に制御させる。そしてスイッチ・センサ入出力回路８から入力するセンサ状態信号を監視し、センサ７で半導体スイッチ６が非導通状態になったことを検出したことを確認すると、現場機器駆動電源１１から現場機器９に送っているリレー出力がオフになったと判断する。その後、リレー制御信号をオフにしてリレー駆動回路３に出力し出力リレー４を復旧側に制御し、Ｎ接点照査信号とＲ接点照査信号を接点照査入力回路５に出力し、接点照査入力回路５に接続されている出力リレー４の動作接点と復旧接点の動作状態を照査し、出力リレー４の共通接点から接点照査入力回路５を介して入力するＲＹ入力信号により、出力リレー４の復旧接点の状態を把握する。この出力リレー４の復旧接点の状態を把握するとき、コンピュータ２は、図３（ｂ）に示すように、一定周期でＮ接点照査信号とＲ接点照査信号を断続的に接点照査入力回路５に出力して出力リレー４の動作接点と復旧接点の動作状態を照査し、ＲＹ入力信号を入力する。この処理Ｎｏ１から処理Ｎｏ６を繰り返して一定回数一致したことを確認すると接点のチャタリング動作が終わって復旧接点が確実に閉成したと判定する。

このように出力リレー４を動作側に制御してから出力リレー４の動作接点のチャタリング動作が終了したことを確認してから、半導体スイッチ６を導通状態にし、半導体スイッチを非導通状態にしてから出力リレー４を復旧側に制御するから、出力リレー４の接点が放電現象により急激に消耗したり、移転や溶着などが生じることを防ぐことができ、出力リレー４の接点として例えばカドミウム等を含む地球環境に影響する接点材料を使用しないで済むとともに出力リレーを小形化することができる。また、出力リレー４の接点に消耗や移転、溶着などが生じないから、出力リレー４を長期間安定して使用することができる。

また、コンピュータ２でＮ接点照査信号とＲ接点照査信号を接点照査入力回路５に出力し、接点照査入力回路５に接続されている出力リレー４の動作接点と復旧接点の動作状態を照査しているとき、出力リレー４の共通接点から接点照査入力回路５を介して入力するＲＹ入力信号により出力リレー４の動作接点と復旧接点の動作状態を確認できるから出力リレー４の故障を確実に検出することができる。すなわち、コンピュータ２でＮ接点照査信号をオンにして接点照査入力回路５に出力して出力リレー４の動作接点の動作状態を照査しているときＲＹ入力信号がオンにならない場合や、Ｎ接点照査信号をオフにしたときＲＹ入力信号がオフにならない場合は出力リレー４に故障が生じたと判定する。また、Ｒ接点照査信号をオンにして出力リレー４の復旧接点の動作状態を照査しているときＲＹ入力信号がオンにならない場合や、Ｒ接点照査信号をオフにしたときＲＹ入力信号がオフにならない場合も出力リレー４に故障が生じたと判定する。

次に、リレー出力装置１で半導体スイッチ６の故障の有無を診断するときの処理を図４のチェックタイミングと真理値表を参照して説明する。

コンピュータ２は、リレー制御信号をオンにして出力リレー４を動作側に制御し、出力リレー４の動作接点と復旧接点のチャタリング動作が終わって動作接点が確実に閉成してからスイッチ制御信号をオンにして半導体スイッチ６を導通側に制御させ、センサ状態信号により半導体スイッチ６が導通状態になったことを確認した後、図４（ａ）に示すように、スイッチ制御信号を一瞬だけオフにして半導体スイッチ６の出力側がオン側に固定しているか否を確認する。この処理を一定周期毎に繰り返して、スイッチ制御信号をオフにしたとき、センサ状態信号により半導体スイッチ６が非導通状態になると半導体スイッチ６は正常に動作していると判定し、スイッチ制御信号をオフにしたとき、センサ状態信号により半導体スイッチ６が導通状態のままであると、半導体スイッチ６は故障と判定し、出力回路１０の機能を停止にする。

また、コンピュータ２は、スイッチ制御信号をオフにしてスイッチ・センサ入出力回路８により半導体スイッチ６を非導通側に制御させてセンサ状態信号により半導体スイッチ６が非導通状態になったことを検出してからリレー制御信号をオフにして出力リレー４を復旧側に制御し、出力リレー４の接点のチャタリング動作が終わって復旧接点が確実に閉成したことを確認した後、図４（ｂ）に示すように、スイッチ制御信号を一瞬だけオンにして半導体スイッチ６の出力側がオフ側に固定しているか否を確認する。この処理を一定周期毎に繰り返してスイッチ制御信号をオンにしたとき、センサ状態信号により半導体スイッチ６が導通状態になると半導体スイッチ６は正常に動作していると判定し、スイッチ制御信号をオンにしたとき、センサ状態信号により半導体スイッチ６が非導通状態のままであると、半導体スイッチ６は故障と判定し、出力回路１０の機能を停止にする。

このようにコンピュータ２で出力リレー４の動作接点と復旧接点の動作状態や半導体スイッチ６の動作状態に基づいて出力リレー４や半導体スイッチ６の故障を確実に検出することができ、リレー出力の安全化とともに耐故障性を高めることができる。

前記説明ではリレー出力装置１に１組の出力回路１０を設けた場合について説明したが、リレー出力装置１に複数組の出力回路１０を設けた場合、接点照査入力回路５は、図５に示すように、Ｎ接点照査信号とＲ接点照査信号を各出力リレー４の動作接点と復旧接点に共通に入力しても良い。この場合、コンピュータ２は、各出力リレーをオン制御しているとき、いずれかの出力リレーの接点状態が不定または復旧接点が閉成している安全側であるとき、その出力リレーの動作接点が接続された出力回路１０のみ機能を停止する。また、コンピュータ２は、各出力リレーをオフ制御しているとき、いずれかの出力リレーの接点状態が不定である危険側であるとき、全ての出力回路１０の機能を停止し、安全性を向上させることができる。

また、前記説明ではリレー駆動回路３と接点照査入力回路５及びスイッチ・センサ入出力回路８にトランジスタアレイを使用した場合について説明したが、フォトカプラを使用しても良い。また、半導体スイッチ６に交直両用のフォトモスリレーを使用したり、センサ７に交直両用入力のフォトカプラを使用しても良い。

この発明のリレー出力装置の構成を示すブロック図である。リレー出力装置の動作を示すタイムチャートである。出力リレーの接点状態を確認するときのチェックタイミングと真理値表を示す図である。半導体スイッチの故障診断動作のチェックタイミングと真理値表を示す図である。多出力の場合における接点照査入力回路の構成図である。

符号の説明

１；リレー出力装置、２；フェールセーフコンピュータ、３；リレー駆動回路、
４；出力リレー、５；接点照査入力回路、６；半導体スイッチ、７；センサ、
８；スイッチ・センサ入出力回路、９；現場機器、１０；出力回路、
１１；現場機器駆動電源。

Claims

フェールセーフコンピュータ（以下、コンピュータという）とリレー駆動回路と出力リレーと接点照査入力回路と半導体スイッチとセンサ及びスイッチ・センサ入出力回路を有し、
前記リレー駆動回路は、前記コンピュータから出力されるリレー制御信号により出力リレーをオン・オフ制御し、
前記接点照査入力回路は、コンピュータから一定周期で出力される出力リレーの動作接点が閉成していることを照査するＮ接点照査信号と出力リレーの復旧接点が閉成していることを照査するＲ接点照査信号を出力リレーの動作接点と復旧接点に送り、出力リレーの共通接点から入力する出力リレーの動作状態を示すＲＹ入力信号をコンピュータに出力し、
前記半導体スイッチは、出力リレーの動作接点と直列に接続され、外部の現場機器への出力回路を構成し、
前記センサは、半導体スイッチの出力側と現場機器駆動電源の半導体スイッチが接続された電源入力端子とは反対側の電源入力端子に接続され、半導体スイッチのオン・オフ状態を検出し、
前記スイッチ・センサ入出力回路は、コンピュータから入力するスイッチ制御信号により半導体スイッチをオン・オフ制御するとともにセンサで検出した半導体スイッチのオン・オフ状態を示すセンサ状態信号をコンピュータに出力し、
前記コンピュータは、前記出力回路の出力をオンに制御するとき、リレー制御信号をオンにして出力リレーを動作側に制御し、Ｎ接点照査信号とＲ接点照査信号を接点照査入力回路に出力し、接点照査入力回路に接続されている出力リレーの動作接点と復旧接点の動作状態を照査し、出力リレーの共通接点から接点照査入力回路を介して入力するＲＹ入力信号により、出力リレーの動作接点のチャタリング動作が終わったことを確認した後にスイッチ制御信号をオンにしてスイッチ・センサ入出力回路により半導体スイッチを導通側に制御させ、スイッチ・センサ入出力回路から入力するセンサ状態信号を監視し、半導体スイッチが導通状態になったことを検出したことを確認し、
前記出力回路の出力をオフに制御するとき、スイッチ制御信号をオフにして半導体スイッチを非導通側に制御させてからリレー制御信号をオフにして出力リレーを復旧側に制御することを特徴とするリレー出力装置。
前記コンピュータは、Ｎ接点照査信号とＲ接点照査信号を出力して出力リレーの動作接点と復旧接点の動作状態を照査しているとき、Ｎ接点照査信号及びＲ接点照査信号と、出力リレーの共通接点から接点照査入力回路を介して入力するＲＹ入力信号との組合せにより出力リレーの故障を診断する請求項１記載のリレー出力装置。
前記コンピュータは、半導体スイッチが導通状態になったことを確認した後、スイッチ制御信号を一瞬だけオフにして半導体スイッチの出力側がオン側に固定しているか否を確認し、半導体スイッチが非導通状態で出力リレーの復旧接点が閉成しているときにスイッチ制御信号を一瞬だけオンにして半導体スイッチの出力側がオフ側に固定しているか否を確認して、半導体スイッチの故障を診断する請求項１又は２に記載のリレー出力装置。
前記出力リレーと出力回路を複数有し、
前記コンピュータは、各出力リレーをオン制御しているとき、いずれかの出力リレーの接点状態が不定または復旧接点が閉成している安全側であるとき、該当する出力回路のみ機能を停止し、各出力リレーをオフ制御しているとき、いずれかの出力リレーの接点状態が不定である危険側であるとき、全ての出力回路の機能を停止する請求項１乃至３のいずれかに記載のリレー出力装置。