回路遮断システム

本発明は、回路遮断システムに関し、特に非常停止、サーボOFF等の安全上の条件により制御機器を駆動する電源を遮断する回路において、駆動電源と常時供給電源の間にショート故障があった場合に、制御機器への電源供給を遮断し、故障を検出する手段を備えた回路遮断システムに関する。

制御機器用の駆動電源には、電源を確実に遮断するために2重の接点で遮断する回路が使用されている。この場合、2重の接点の先で、他の電源(2重の接点で遮断されない電源)と駆動電源との間でショート故障があった場合には、2重の接点で遮断したとしても駆動電源に電源が供給されることとなる。電源間のショート故障は、電圧を監視することで検出することが可能であるが、電源遮断はできないため危険である。

図1に従来の機器制御システム1000の構成図を示す。電源4の電源出力端子41は、配線L1により出力機器1の常時供給電源用端子32と接続されると共に、配線L2により電源入力端子3に接続される。このようにして、電源4は出力機器1に電源(例えば、24[V])を供給する。電源出力端子41と常時供給電源用端子32との間には保護回路(ブレーカ)QF1が設けられ、電源出力端子41と電源入力端子3との間には保護回路(ブレーカ)QF2及び2重の開閉回路KM1,KM2が設けられている。なお、電源4の電源出力端子41とは異なる端子42は接地されている。

開閉回路KM1の開閉は、第1CPU61の出力端子DOからの信号により動作する第1操作コイル71により制御され、開閉回路KM2の開閉は第2CPU62の出力端子DOからの信号により動作する第2操作コイル72により制御される。なお、サーボ電源100とサーボアンプ300との間に設けられた電磁接触器200の接点の開閉も第1及び第2操作コイル71,72により制御される。

図1に示した機器制御システム1000において、2重の開閉回路KM1,KM2の先で、2重の接点で遮断されない常時供給電源用端子32と電源入力端子3との間でショート故障があった場合に、2重の開閉回路KM1,KM2で遮断したとしても駆動電源である電源入力端子3に常時供給電源用端子32から電源が供給される。

常時供給電源用端子32と電源入力端子3との間で生じるショート故障について、詳しく説明する。図2は、出力機器1と第1及び第2制御機器21,22との間で正常な配線が行われる例を示している。例えば、常時供給電源用端子32及び電源入力端子3が分岐端子台でそれぞれ複数の端子に分岐され、第1制御機器21及び第2制御機器22に接続されるものとする。ここで、第1制御機器21の内部で電源入力端子3と接続した2つの端子が導体210により接続されるものとする。

図3は、出力機器1と第1及び第2制御機器21,22との間で誤配線が行われた例を示している。例えば、第1制御機器21の導体210で接続された2つの端子の一方が点線で示すように常時供給電源用端子32に接続され、他方が電源入力端子3に接続されるような誤配線が生じる場合がある。このようにして、誤配線が生じることにより、常時供給電源用端子32と電源入力端子3とがショートする恐れがある。

このような電源間のショート故障は、図1に示すように、電源入力端子3の電圧を第1CPU61の入力端子DIと配線L2とを接続して監視することで異常を検出することは可能である。しかしながら、常時供給電源用端子32と電源入力端子3とのショートを遮断することはできないという問題がある。即ち、短絡故障時に、開閉回路KM1,KM2が共にOFFであっても、電源入力端子(OUTP)3に24[V]が出力され、電源入力端子3への電源の遮断を行うことができない。

また、異常発生時に電気回路を遮断する回路遮断器が知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1において、回路遮断器が開示されているが、遮断回路を構成する回路を制御するために半導体回路との併用が必要となり、また遮断回路の故障検出回路の追加が必要となるという問題があった。

特開2011−016391号公報

従来の回路遮断器においては、遮断回路を構成する回路を制御するために半導体回路との併用が必要となり、また遮断回路の故障検出回路の追加が必要となるという問題があった。

本発明の一実施例に係る回路遮断システムは、出力信号を出力する出力機器と、出力機器の出力信号により制御される制御機器と、制御機器へ電源供給を行なうための出力機器に具備された電源入力端子と、出力機器に電源供給を行ない、接地極を有する電源と、電源の接地極とは異なる電源出力端子と出力機器の電源入力端子との間に設けられた遮断回路と、遮断回路と電源出力端子との間に設けられた開閉回路と、電源入力端子と遮断回路との接続箇所と接地極との間に設けられた短絡回路と、を有し、遮断回路及び短絡回路は同時に閉しないように動作し、開閉回路が閉した場合、遮断回路を閉し短絡回路を開することにより出力機器への電源供給を行い、開閉回路が開した場合、遮断回路を開し短絡回路を閉することにより出力機器への電源供給を遮断し、かつ電源出力端子が誤って電源入力端子に短絡された場合においても短絡回路により出力機器に電源供給がされない、ことを特徴とする。

本発明の一実施例に係る回路遮断システムによれば、安全リレーの接点間の連動性に基づいた、常開接点と常閉接点が同時にONしない特性を利用し、電源がOFFしている間、常閉接点において電源出力を短絡することで、電源ショート時においても電源が供給されないようにすることができる。さらに、ON/OFF制御された電源の出力に対して、比較的簡単な回路(安全リレー1個)で電源のショート故障時に、電源遮断とショート故障の検出を行うことができる。

従来の機器制御システムの構成図である。

従来の出力機器と制御機器とが正常に配線された場合の配線図である。

従来の出力機器と制御機器との間で誤配線が生じた場合の配線図である。

本発明の実施例1に係る回路遮断システムの構成図である。

本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおける電流流出型出力を有する出力機器の構成図である。

本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおける電流流入型出力を有する出力機器の構成図である。

本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおける安全リレー、常閉接点、及び常開接点のタイミングチャートである。

本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおける安全リレーがOFFの場合の常閉接点、及び常開接点の動作を説明するための図である。

本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおける安全リレーがONの場合の常閉接点、及び常開接点の動作を説明するための図である。

本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおいて、常時供給電源用端子と電源入力端子とがショートした場合に流れる電流の経路を示す図である。

本発明の実施例2に係る回路遮断システムの構成図である。

本発明の実施例2に係る回路遮断システムにおける状態監視用信号と異常検出結果との関係を表す表である。

本発明の実施例3に係る回路遮断システムの構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る回路遮断システムについて説明する。

[実施例1] まず、本発明の実施例1に係る回路遮断システムについて説明する。図4に、本発明の実施例1に係る回路遮断システムの構成を表す構成図を示す。本発明の実施例1に係る回路遮断システム101は、出力機器1と、制御機器2と、電源入力端子3と、電源4と、遮断回路(KA1−2)と、保護回路(QF2)と、短絡回路(KA1−1)と、を有する。

出力機器1は、制御機器2に出力信号を出力する。また、出力機器1は、電源入力端子3、常時供給電源用端子32、及び接地極(0[V])を有する。常時供給電源用端子32には電源4から常時供給電源として、例えば24[V]が供給され、出力機器用の電源、及びネットワーク用電源として使用される。電源入力端子3は、制御機器2に駆動電源を出力する。電源入力端子3は、「OUTP」とも表す。

図5に電流流出型出力を有する出力機器の例を示す。電流流出型出力を有する出力機器1Aは、ネットワーク80に接続された複数(例えば、n個)のトランジスタTr11,Tr12,・・・,Tr1nを備えており、各トランジスタのエミッタに接続された複数(例えば、n個)の第1制御機器21,第2制御機器22,・・・,第n制御機器2nを制御する。

図6に電流流入型出力を有する出力機器の例を示す。電流流入型出力を有する出力機器1Bは、ネットワーク80に接続された複数(例えば、n個)のトランジスタTr21,Tr22,・・・,Tr2nを備えており、各トランジスタのコレクタに接続された複数(例えば、n個)の第1制御機器21,第2制御機器22,・・・,第n制御機器2nを制御する。

図5及び図6に示した例では、出力機器1A,1Bとして、トランジスタを用いた例を示したが、ネットワークで接続された他の出力モジュールを用いることもできる。制御機器21〜2nとして、例えば、リレー、電磁接触器、ソレノイドバルブ、I/O機器、周辺装置等を用いることができる。また、図5及び図6において、制御機器21〜2nが不用意にONしないために、サーボOFF時に駆動電源を遮断する必要がある。

図4において、制御機器2は、出力機器1の出力信号により制御される。図4には、制御機器2を1つのみ備えた例を示しているが、このような例には限られず、制御機器は図5及び図6に示したように複数個備えられていてもよい。

電源入力端子3は、制御機器2へ電源供給を行なうための出力機器1に具備されている。

電源4は、出力機器1に電源供給を行ない、接地極に接続された端子42を有する。供給する電源電圧は例えば24[V]とすることができるが、このような例には限られず、他の電圧としてもよい。

遮断回路(KA1−2)は、電源4の端子42とは異なる電源出力端子41と出力機器1の電源入力端子3との間に設けられている。遮断回路(KA1−2)は、常開(ノーマリーオープン)接点であり、安全リレーKA1により開閉制御される。本実施例では安全リレーを例に挙げたが、他の開閉器(例えば、継電器、電磁接触器等)を使用することも可能である。

保護回路(ブレーカ)QF2は、開閉回路(KM1,KM2)と電源出力端子41との間に設けられている。

短絡回路(KA1−1)は、電源入力端子3と遮断回路(KA1−2)との接続箇所Pと接地極との間に設けられている。短絡回路(KA1−1)は、常閉(ノーマリークローズ)接点であり、安全リレーKA1により開閉制御される。遮断回路(KA1−2)及び短絡回路(KA1−1)は安全リレーKA1によって開閉制御され、両者が同時に閉しないように動作する。安全リレーKA1、短絡回路(KA1−1)、及び遮断回路(KA1−2)によって回路遮断器5が構成される。

開閉回路(KM1,KM2)が閉した場合、遮断回路(KA1−2)を閉し、短絡回路(KA1−1)を開することにより、出力機器1への電源供給が行われる。

開閉回路(KM1,KM2)が開した場合、遮断回路(KA1−2)を開し、短絡回路(KA1−1)を閉することにより、出力機器1への電源供給が遮断される。その結果、電源出力端子41が、誤って電源入力端子3に短絡された場合においても、短絡回路(KA1−1)により出力機器1に電源供給がされないようにすることができる。

電源4の電源出力端子41は、配線L1により出力機器1の常時供給電源用端子32と接続されると共に、配線L2により電源入力端子3に接続される。このようにして、電源4は出力機器1に電源(例えば、24[V])を供給する。電源出力端子41と常時供給電源用端子32との間には保護回路(ブレーカ)QF1が設けられ、電源出力端子41と電源入力端子3との間には保護回路(ブレーカ)QF2及び2つの開閉回路(補助接点)KM1,KM2が設けられている。なお、電源4の電源出力端子41とは異なる端子42は接地極(0[V])に接続されている。

開閉回路KM1の開閉は、第1CPU61の出力端子DOからの信号により動作する第1操作コイル71により制御され、開閉回路KM2の開閉は第2CPU62の出力端子DOからの信号により動作する第2操作コイル72により制御される。なお、サーボ電源100とサーボアンプ300との間に設けられた電磁接触器200の接点(主接点)の開閉も第1CPU61,第2CPU62により制御される。電磁接触器200の状態監視は、主接点に連動した常閉接点を第1CPU61、第2CPU62の入力端子DIをモニタすることにより行われる。電磁接触器200の主接点、開閉回路(補助接点)KM1,KM2、常閉接点(モニタ)は第1及び第2操作コイル71,72への信号により連動して動作する。

次に、安全リレーの動作について図7に示したタイミングチャートを用いて説明する。まず、時刻t₁の前まで、安全リレーKA1がOFF、短絡回路(KA1−1)が閉状態、遮断回路(KA1−2)が開状態であるとする。

まず、安全リレーKA1をOFFからONへ切り替えるときの動作について説明する。時刻t₁において、安全リレーKA1がONとなった後も時刻t₂までは、短絡回路(KA1−1)は閉状態、遮断回路(KA1−2)は開状態を維持する。

その後、時刻t₂において、短絡回路(KA1−1)が開状態となる。その結果、短絡回路(KA1−1)及び遮断回路(KA1−2)の両者が開状態となる。

その後、時刻t₃において、短絡回路(KA1−1)が開状態、遮断回路(KA1−2)が閉状態となる。

このようにして、安全リレーKA1がOFFからONとなる段階において、KA1−1(常閉接点)とKA1−2(常開接点)は、同時には閉しないようにすることができる。

次に、安全リレーKA1をONからOFFへ切り替えるときの動作について説明する。時刻t₄において、安全リレーKA1がONからOFFとなった後も時刻t₅までは、短絡回路(KA1−1)は開状態、遮断回路(KA1−2)は閉状態を維持する。

その後、時刻t₅において、遮断回路(KA1−2)が開状態となる。その結果、短絡回路(KA1−1)及び遮断回路(KA1−2)の両者が開状態となる。

その後、時刻t₆において、短絡回路(KA1−1)が閉状態、遮断回路(KA1−2)が開状態となる。

このようにして、安全リレーKA1がONからOFFとなる段階において、KA1−1(常閉接点)とKA1−2(常開接点)は同時には閉しないようにすることができる。

次に、安全リレーKA1の動作機構について説明する。図8は、本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおける安全リレーKA1がOFFの場合の常閉接点KA1−1、及び常開接点KA1−2の動作を説明するための図である。常開接点KA1−2は可動接点P1と固定接点P2を備えている。安全リレーKA1がOFFの場合は、接点P1とP2との間には接点間ギャップが形成され、常開接点KA1−2は開状態となっている。

一方、常閉接点KA1−1は固定接点P3と可動接点P4を備えている。安全リレーKA1がOFFの場合は、接点P3とP4とが接触し、常閉接点KA1−1は閉状態となっている。また、可動接点P1とP4は、可動接点連結部Cによって連結されている。

次に、安全リレーKA1がONの場合の動作について説明する。図9は、本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおける安全リレーがONの場合の常閉接点、及び常開接点の動作を説明するための図である。安全リレーKA1がONの場合は、接点P1とP2とが接触し、常開接点KA1−2は閉状態となる。

一方、安全リレーKA1がONの場合は、接点P3とP4との間には接点間ギャップが形成され、常閉接点KA1−1は開状態となる。

ここで、接点P1とP2との間、または接点P3とP4との間にギャップが形成されるように各接点が構成されており、可動接点P1及びP4は可動接点連結部Cで連結されている。その結果、可動接点P1及びP4が動いた瞬間に全ての接点が接触しない状態となるため、常開接点KA1−2と常閉接点KA1−1が共に閉状態となることはない。

このように、本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおいて、遮断回路(KA1−2)と短絡回路(KA1−1)は、それぞれリレー接点とすることができる。また、遮断回路(KA1−2)を常開接点とし、短絡回路(KA1−1)を常閉接点とすることができる。さらに、常開接点と常閉接点は図8及び図9に示すように機械的に連結しており、機械的な連結により、常開接点と常閉接点が同時に閉しないようにすることができる。

ここで、電源出力端子41には、予め決められた値以上の電流が流れた場合に、出力を遮断する保護回路を設けるようにしてもよい。図10に本発明の実施例1に係る回路遮断システムにおいて、常時供給電源用端子と電源入力端子とがショートした場合に流れる電流の経路を示す。図10において、常時供給電源用端子32と電源入力端子3とがショートした場合に流れる電流の経路を点線矢印で示す。

短絡回路KA1−1により、電源4がショートし、ブレーカQF1がトリップする。ブレーカQF1に高速に遮断する保護回路(例えば電子式保護回路)を使用することで、短絡電流を制限し、常閉接点へのストレスを低減させることも可能である。

このように、電源出力端子が、誤って電源入力端子に短絡された場合においても、保護回路が電源出力端子の短絡による過電流を検出し、電源出力端子の出力を遮断することができる。

以上説明したように、本発明の実施例1に係る回路遮断システムによれば、安全リレーの接点間の連動性に基づいた、常開接点と常閉接点が同時にONしない特性を利用し、電源がOFFしている間、常閉接点において電源出力を短絡することで、電源ショート時においても電源が供給されないようにすることができる。

[実施例2] 次に、本発明の実施例2に係る回路遮断システムについて説明する。図11に本発明の実施例2に係る回路遮断システムの構成図を示す。本発明の実施例2に係る回路遮断システム102が、本発明の実施例1に係る回路遮断システム101と異なっている点は、複数の入力信号(SFDI1,SFDI2)が入力される第1CPU61,第2CPU62を有し、出力機器1の電源入力端子3の電圧の監視と、遮断回路KA1−2と短絡回路KA1−1の状態の監視を、第1CPU61,第2CPU62に入力される入力信号を用いて行い、第1CPU61,第2CPU62が電源入力端子3の電圧の異常や、遮断回路KA1−2及び短絡回路KA1−1の状態の異常を検出した場合に、異常を通知する点である。実施例2に係る回路遮断システム102におけるその他の構成は、実施例1に係る回路遮断システム101における構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図11に示すように、回路遮断器51には電源24[V]に一端が接続された接点KA1−3が設けられている。接点KA1−3は安全リレーKA1によって制御される。接点KA1−3からの信号SFDI1は第1CPU61に入力され、入力信号SFDI1により安全リレーKA1の状態を監視することができる。

出力機器1の電源入力端子3(OUTP)の電圧はSFDI2として第2CPU62によって監視される。

以上のことから、第1CPU61の入力信号SFDI1、第2CPU62の入力信号SFDI2、電源入力端子3(OUTP)の電圧、及び安全リレーKA1のON/OFF状態から、回路遮断器51が正常か否かを判断することができる。これらの各種状態と異常の有無の判定結果の例を図12に示す。

例えば、KM1及びKM2を共にOFFとした場合に、SFDI1がON、SFDI2がON、OUTPが0[V]、KA1がOFFとなった場合は、回路遮断システム102は正常と判断できる。また、KM1及びKM2を共にONとした場合に、SFDI1がOFF、SFDI2がOFF、OUTPが24[V]、KA1がONとなった場合も、回路遮断システム102は正常と判断できる。

一方、SFDI1がON、SFDI2がOFF、OUTPが24[V]、KA1がOFFの場合は、正常であればOUTPは0[V]となるはずであるので、KM1及びKM2がONかOFFかに関わらず、回路遮断システム102は異常と判断できる。また、SFDI1がOFF、SFDI2がON、OUTPが0[V]、KA1がONの場合は、正常であればOUTPは24[V]となるはずであるので、KM1及びKM2がONかOFFかに関わらず、回路遮断システム102は異常と判断できる。

以上のように、本発明の実施例2に係る回路遮断システムによれば、回路遮断器及び出力機器の端子電圧を監視することにより回路の異常を検出することができる。

[実施例3] 次に、本発明の実施例3に係る回路遮断システムについて説明する。図13に本発明の実施例3に係る回路遮断システムの構成図を示す。本発明の実施例3に係る回路遮断システム103が、本発明の実施例1に係る回路遮断システム101と異なっている点は、遮断回路KA1−2は直列に接続された少なくとも1つの遮断回路部KA1−4を有し、短絡回路KA1−1は並列に接続された少なくとも1つの短絡回路部KA1−3を有し、少なくとも1つの遮断回路部KA1−4は遮断回路KA1−2と同様に開閉し、少なくとも1つの短絡回路部KA1−3は短絡回路KA1−1と同様に開閉する点である。実施例3に係る回路遮断システム103におけるその他の構成は、実施例1に係る回路遮断システム101における構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図13に示すように、安全リレーKA1は、多接点構成のリレーが使用可能であるため、回路遮断器52を容易に実現可能である。なお、図13に示した例では回路遮断器52において遮断回路として接点を2つ直列接続した例を示したが、このような例には限られず、接点は3個以上直列接続させるようにしてもよい。また、図13に示した例では短絡回路として接点を2つ並列接続した例を示したが、このような例には限られず、接点は3個以上並列接続させるようにしてもよい。

遮断回路と直列に接続された少なくとも1つの遮断回路部を設けることによって、接点の開閉に伴うアーク放電によるダメージを軽減することができ、接点の寿命を延ばすことが可能となる。さらに、短絡回路と並列に接続された少なくとも1つの短絡回路部を設けることによって、異物の付着等により1つの短絡回路が動作不良となっても他の短絡回路が機能させることができる。従って、本発明の実施例3に係る回路遮断システムによれば、冗長性の向上、接触信頼性の向上、及び接点の長寿命化を図ることができる。

1 出力機器 2 制御機器 3 電源入力端子 4 電源 32 常時供給電源用端子 41 電源出力端子 42 端子 5,51,52 回路遮断器 71 第1操作コイル 72 第2操作コイル KA1 安全リレー KA1−1 短絡回路 KA1−2 遮断回路 QF1,QF2 保護回路 KM1、KM2 開閉回路