JPH0328901A - プロセス制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野］ 本発明は、プロセスを制御する多重化プロセス制御装置
に関する。

（従来の技術） 近年、原子・力発電所のように高信頼性が要求されるプ
ラントに用いられるプロセス制御装置は、特に高信頼度
が要求される部分を３重化に構戊するのが一般的である
。これは３重化の場合、多数決理論に従った方法で最も
確からしい信号を簡単かつ確実に選択でき、一系列の故
障でプラントが影響を受けることを完全に防止できるた
めである。

この種の従来装置としては、例えば第２図に示す電流加
算による３重化選択装置がある。図において，制御装置
ＩＡ，ＩＢ，ＩＣの出力ＳＩＡ，ＳＩＢ，ＳＩＣは電流
増幅器２Ａ，２１１．２Ｃにより電流出力Ｓ２Ａ，Ｓ２
［３，Ｓ２Ｃに変換され、加算されて負荷電流Ｓ２とな
り、負荷３の一端に供給される．負荷３の他端は帰還抵
抗４に接続され、帰還抵抗４の端子電圧Ｓ４は電流増幅
器２Ａ　，　２Ｂ　，　２Ｃに帰還される．上記装置で
電流増幅器２Ａ　，　２Ｂ　，　２Ｃの動作は下記（１
）式で示される． ここで、上記（１）式中のＫＡ，ＫＢ，Ｋｃは電流増幅
器２Ａ，２Ｂ，２Ｃのゲインを表わす． また、負荷３に供給される電流Ｓ２は下記（２）式で示
される． Ｓ２＝Ｓ２Ａ＋Ｓ２Ｂ十Ｓ２Ｇ　　　　　　　　　　　
・・・（２）さらに，帰還抵抗４の端子電圧Ｓ４は、帰
還抵抗４の抵抗値をＲｆとした場合、下記（３）式で示
される． Ｓ４＝Ｒｆ−Ｓ２　　　　　　　　　　　　　　　　　
・・・（３）以上（１）〜（３）式より，制御装置出力
ＳＩＡ，ＳＩＲ，ＳＩＣと、負荷電流Ｓ２の関係は下記
（４）式のようになる． ここで，電流増幅器のゲインを下記（５）式のように選
ぶと、 ＲｆＫＡ，ＲｆＫｎ，ＲｆＫｃ＞＞１　　　　−（５）
制御装置出力ＳＩＡ，ＳＩＢ，ＳＩＣが一致している時
、負荷電流Ｓ２は，下記（６）式のようになる．Ｓ２二
ＳＩＡ／Ｒｆ　　　　　　　　　　　　・・・（６）し
かしながら、一般に電流増幅器の特性は第３図に示す通
り飽和特性を有しており、電流増幅器出力の線形領域を
一〇からＣとした場合、前記（１）式が成立するために
は， ＩｓＩ−Ｓ４　１　＜Ｃ／Ｋ（％）（Ｃ＝一定）・・・
（７）が成り立つことが必要である．ここでＳ１はＳＩ
Ａ，ＳＩＢ，ＳＩＣ，　ＫはＫＡ，ＫＢ，Ｋｃを表現し
ている．従って、ＩｓＩ−５４１が上記（７）式の範囲
を逸脱した場合は、第３図に示す通りＫは非常に小さく
なり、Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ，Ｓ２Ｃは一定範囲に収まる．こ
こで例えば制御装置ＩＣが故障し，制御装置出力ＳＩＣ
従ってｌ　ＳＩＣ−Ｓ４　１が上記範囲を逸脱した場合
には、上記電流増幅器の特性により、電流増幅器出力Ｓ
２ＣはＩｃ−Ｃ’ｌの範囲の値となる．従って、前記（
１）式で電流増幅器出力３２Ｇが正側の最大値に変化し
たとしてｓｚｃ＝ｃ’　とおき，負荷電流Ｓ２’　を求
めると、 は電流増＠器出力Ｓ２Ｃが負側の最大値に変化した場合
も同様である． 一方，制御装置ＩＢと１Ｃが故障し５２Ｂ＝５２Ｃ＝　
Ｃ　’となった場合の負荷電流Ｓ２’を求めると、とな
り、負荷電流Ｓ２に対するＳ２’の変動は、となり．Ｒ
ｆＫＡを十分大きく選べば、Ｓ２’はＳ２とほぼ等しく
なり、負荷電流を正常に保つことができる． ここで、帰還電圧Ｓ４’は（３）　，　（８）式よりと
なる．この時の負荷電流Ｓ２に対するＳ２’の変動は下
記（ｌ３）式のようになる． このとき，ＲｆＫ＾を十分に大きく選べばＳ２’はＳ２
とほぼ等しくなり、負荷電流は正常に保たれる。

ここで，帰還電圧を求めると、 となる．これにより、 となる．これにより、 となり，１系列のみが故障した場合は（７）式の条件を
満足し、１系列故障による負荷電流の変動は、他の２系
列によって補償することができる．これとなり、前記（
７）式を満足しない．従って、２系列が同時に故障した
場合、残るｌ系列ではもはや、変動を補償することが不
可能となる。

第４図は、以上に述べたように第２図の３重系が全て正
常時、ｌ系故障時、２系故障時における第２図の装置全
体を１つの系にまとめてブロック線図で表わしたもので
ある。

正常時，この装置は同図（ａ）で示されるように、個々
の電流増幅器の３倍の増幅率３Ｋを持った増幅器５Ａと
、個々の電流増幅器の線形領域の３倍の制限値±３０を
持った制限器６Ａとを有する。閉ループに外乱が加わっ
た形のブロック図で表わされる．ここで、３重系のうち
１系が故障して，故障した系の電流増幅器の出力が正側
に飽和してＣ′となったとする．故障した系の電流増幅
器の増幅率は飽和して零となり、出力はＣ′で固定され
るため、装置全体としては、同図（ｂ）に示すように増
幅率２Ｋの増幅器５Ｂと制限値２Ｃの制限器６Ｂとなる
．このとき，外乱としては新たにＣ′が加わるが，第３
図から判るように、電流増幅器の飽和値±Ｃ′と線形領
域±Ｃはほぼ等しいので ２Ｃ＞Ｃ’　　　　　　　　　　　　　　・・・（１６
）となり、外乱による影響は帰還回路により完全に補償
される． 次に，３重系のうち２系が故障して、故障した系の電流
増幅器の出力が共に正側に飽和してＣ′となったとする
．１系故障時と同様にして装置全体としては増幅率の増
加器５Ｃと制限値Ｃの制限器６Ｃとなる．このとき外乱
としては新たに２Ｃ’　が加わり、 Ｃ＜２Ｃ’　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１
７）となり、外乱が制限器の範囲を越えてしまうので、
もはや正常な補償は不可能となる。

第５図は、このときの各部信号の変化を示したものであ
る．制御装置ＩＡ，ＩＢ，ＩＣの出力ＳＩＡ，ＳＩＢ，
Ｓ１Ｃが一致しているときは、各電流増幅器２Ａ，２Ｂ
，２Ｃによってそれぞれ等しい電流値Ｓ２Ａ．Ｓ２Ｂ，
Ｓ２Ｃに変換され、その加算電流Ｓ２が負荷３に流れる
。制御装置ＩＣの故障により、例えば制御装置出力ＳＩ
Ｃが低下すると、電流増Ｉｌｌ器２Ｃが負方向に飽和し
、その出力５２Ｃが低下するや一方，電流増幅器２Ａ，
２Ｂの出力Ｓ２Ａ，５２Ｂは、５２Ｃの低下分を補償す
るように正方向に変化する．この結果、負荷電流Ｓ２に
は変化がなく、不一致直前の値に保持される，次に．制
御装置ＩＢ，ＩＣの故障により制御装置出力ＳＩＢ，Ｓ
ＩＣ，ＳＩＣが低下すると、電流増幅器２Ｂ，２Ｃが負
方向に飽和し、その出力３２Ｂ，５２Ｃが低下する．こ
のとき，電流増幅器２Ａの出力Ｓ２Ａは、Ｓ２Ｂ，５２
Ｃの低下分を補償しようと、正側に変化するが飽和して
しまい、５２Ｂ，５２Ｃの低下分を完全に補償すること
はできない。この結果．負荷電流Ｓ２は不一致発生と共
に、正常値から負方向へと逸脱する。

（発明が解決しようとする課題） 上記のように多数決理論に伴う多重化選択装置では、制
御装置の故障が少数系列の故障であれば正常な出力を維
持することが可能であるが，多数系列の制御装置が故障
した場合、特殊な場合を除き正常な出力を維持すること
が困難となる。

本発明は、多重化された制御装置のうち多数系列が故障
した場合でも，残る正常な制御装置により、プラントの
運転を継続することのできるプロセス制御装置を提供す
ることを目的とする，［発明の構戊］ （課題を解決するための手段） 本発明は，多重化された各制御装置と各電流増幅器の異
常をそれぞれ検出する診断回路を設け、この診断回路で
異常を検出した時に該当する異常系の出力を電流加算か
ら切り離し、零となるようにしたものである． （作用） 多重化された制御装置が故障しても１系列でも正常であ
れば、故障した制御装置は自らの異常を検出し、出力を
零とするため、残る１系列の制御装置により負荷に流れ
る電流は正常に保たれ、プラントの運転は継続される。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例によるプロセス制御装置の構
成図を示したもので、制御装置ＩＡ，ＩＢ，ＩＣの出力
ＳＩＡ，ＳＩＢ，ＳＩＣと帰還電圧Ｓ４との差は、電流
増幅器２Ａ　，　２Ｂ　，　２Ｃにて電流に変換増幅さ
れて、電流出力Ｓ２Ａ’　，５２Ｂ’　，３２Ｃ’　と
なる．この電流出力Ｓ２Ａ’　，５２Ｂ’　，５２Ｃ’
は診断回路７Ａ　，　７８　．　７Ｃの出力信号Ｓ７Ａ
，Ｓ７Ｂ，５７Ｃによって開閉する接点８Ａ　，　８Ｂ
　，　８Ｇに接続され、接点の他端の信号Ｓ２Ａ，Ｓ２
Ｂ，Ｓ２Ｃは合成されて負荷電流Ｓ２となり、負荷３の
一端に供給される．負荷３の他端は帰還抵抗４に接続さ
れ、帰還電圧４の端子電圧Ｓ４は電流増幅器２Ａ，２Ｂ
，２Ｃに帰還される． 診断回路７Ａ，７８．７Ｃは制御装置ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ
と電流増幅器２Ａ，２Ｂ，２Ｃの状態を表わす情報Ｓ９
Ａ，Ｓ９Ｂ，Ｓ９Ｃを入力して、制御装置ＩＡ，１Ｂ，
ＩＣと電流増幅器２Ａ　，　２Ｂ　，２Ｃの診断を行う
ように構威されている．以上の構成で、接点８Ａ　，　
８Ｂ　，　８Ｇが閉じている時は、前記（１）〜（３）
式が成り立ち，制御装置出力ＳＩＡ，ＳＩＢ，ＳＩＣと
負荷電流Ｓ２との関係は下記（ｌ８）式のようになる． ここで電流増幅器のゲインを下記（１９）式のように選
ぶと、 ＲｆＫＡ，ＲｆＫｓ，ＲｆＫｃ　＞＞　　１’　　　”
｛１９）制御装置出力ＳＩＡ，ＳＩＢ，ＳＩＣが一致し
ている時、負荷電流Ｓ２は下記（２０）式のようになる
．Ｓ２まＳＩＡ／Ｒｆ　　　　　　　　　　　　・・・
（２０）ここで仮に制御装置ＩＢが故障した場合には、
診断回路７８により制御装置ＩＢの異常を検出し、その
出力５７Ｂにより、接点８Ｂを開き、Ｂ系列の電流出力
３２Ｂを零とする．これは，実質上制御装置の出力ＳＩ
Ｂと、電流増幅器２ＢのゲインＫａを零としたことに等
しいため、前記（ｌ８）式より、となる。

従って、制御装置出力ＳＩＡ，ＳＩＣが一致している時
、電流増幅器２Ａ，２Ｂ，２Ｃのゲインを前記（１９）
式のように選べば、負荷電流Ｓ２は、下記（２３）式の
ように正常時と同一に保たれる。

Ｓ２’　去ＳＩＡ／　Ｒｆ　　　　　　　　　　　・・
・（２２）ここで帰還電圧Ｓ４を求めると， Ｓ４云ＳＩＡ　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
２３）となり、これにより、 ｌ　ＳＩＡ−Ｓ４　１″：Ｏ　　　　　　　　　　・・
・（２４）となり，電流増幅器が線形領域で動作する前
記全体式（７）を満足する． 次に、制御装１ｔｌＢとＩＣが故障した場合には、診断
回路７Ｂ　，　７Ｃが制御装１ｉ１Ｂ，ＩＣの異常を検
出し、出力信号５７Ｂ，５７Ｃにより接点８Ｂ　，　８
Ｃを開き，電流増幅器の出力５２Ｂ，Ｓ２Ｃを零とする
．これは、制御装置の出力ＳＩＢ，５１Ｃと電流増幅器
２Ｂ，２ＣのゲインＫＢ，ＫＣを共に零としたことと等
価であるため、前記（ｌ８）式より、負荷電流は下記（
２５）式となる．１＋Ｒｆ 従って，電流増幅器のゲインを前記（１９）式のように
選べば、負荷電流は下記（２６）式のように正常時と同
一に保たれる． Ｓ２’去ＳＩＡ／Ｒｆ　　　　　　　　　　　・・・（
２６）ここで帰還電圧Ｓ４を求めると、 ８４″：ＳＩＡ　　　　　　　　　　　　　　　・・・
（２７）となり、これにより， ｌ　ＳＩＡ−Ｓ４　ｌま０　　　　　　　　　　・・・
（２８）となり、電流増幅器２Ａは線形領域で正常に動
作していることになる． これを第４図を用いて説明すると、正常時には、同図（
ａ）で示されるように、プロセス制御装置全体は、増幅
率３Ｋを持った増幅器５Ａと、制限値３Ｃを持った制限
器６Ａと負荷３と、帰還路とを有する回路に外乱が加わ
った形のブロック線図で表わせる。

ここで、３重系のうち１系が故障して故障した系の電流
増幅器が正側に飽和した場合、同図（ｂ）で示されるよ
うに装置全体の増幅率は２Ｋ、制限値は２Ｃとなるが，
故障した系は切り離されるため，外乱の変化はなく、正
常な制御が継続される．次に、３重系のうち２系が故障
して故障した系の電流増幅器が２系とも正側に飽和した
場合、同図（ｃ）で示されるように装置全体の増幅率は
Ｋ、制限値はＣとなるが、故障した系は切り離されるた
め外乱の変化はなく，正常な制御が継続される。

ところで、本発明によるプロセス制御装置の構成要素の
１つである診断回路は、例えば次の方式により実現でき
る．まず、制御装置の診断は、制御装置の出力が考えら
れる一定範囲を逸脱したことを検出することによって、
異常と診断する。また，ディジタル制御装置である場合
には、ディジタル制御装置で一般に行われている、プロ
グラム処理渋滞制御異常、メモリパリティチェック，ク
ロツク停止、演算チェック等のＣＰＵ異常や、データ伝
送異常，電源異常等を利用することによって行うことが
できる．一方、電流増幅器の診断は、増幅率で与えられ
る入出力間の関係が損なわれることを検出することによ
って行うことができる．この場合、診断回路は一括別置
としてもよいことは言う迄もない． なお、上記の実施例では，故障検出後の処理を、今回故
障系の出力を切り離して零とする接点等の出力切り離し
手段を設けて行ったが、故障系の出力に飽和特性を持つ
回路を接続して電流増幅器の飽和値より小さな値に出力
を制限したり，故障系の出力を入力信号の極性に応じた
一定値に切り替えることでも同様の効果が得られる． また，上記実施例では３重化したプロセス制御装置を例
にとって説明したが、本発明はこれに限らず多重化した
全てのプロセス制御装置に適用可能であることは勿論の
ことである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、多重化された制御
装置のうち多数系列が故障した場合でも、正常な系列が
一系列でもあれば、その一系列でプロセスの正常な運転
を継続することが可能となり、稼動率の高いプロセス制
御装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるプロセス制御装置の構
成図、第２図は従来のプロセス制御装置の構或図、第３
図は電流増幅器の入出力特性図、第４図（ａ）〜（Ｃ）
はプロセス制御装置の故障状態を説明するためのブロッ
ク線図、第５図は第２図の動作を説明するためのタイム
チャートである。 ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ・・・制御装置、２Ａ　，　２Ｂ　，
　２Ｃ・・・電流増幅器、３・・・負荷、４・・・電圧
帰還器、５＾，　５８　．　５Ｃ・・・接点、６Ａ．６
Ｂ，６Ｃ・・・診断回路，７・・・比例増＃４器、８・
・・制限第２図 第１図 エｊ）電洗 第 ３ 図 第 ４ 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多重化された制御装置と、これらの各制御装置か
   らの出力信号をそれぞれ入力する複数の電流増幅器と、
   これら複数の電流増幅器からの出力電流を合成して負荷
   に流す回路と、その負荷に直列接続された帰還抵抗と、
   この帰還抵抗を介して前記複数の電流増幅器にそれぞれ
   負荷電流に応じた信号を帰還する帰還路とを有するプロ
   セス制御装置において、前記複数の制御装置と複数の電
   流増幅器の異常を検出する診断回路と、前記診断回路に
   より異常と診断された制御装置に接続された電流増幅器
   の出力あるいは異常と診断された電流増幅器自身の出力
   を切り離す出力切り離し手段とを備えることを特徴とし
   たプロセス制御装置。
2. （２）前記出力切り離し手段として電流制限回路を設け
   たことを特徴とする請求項１記載のプロセス制御装置。