JPS6151201A

JPS6151201A - 三重化制御装置

Info

Publication number: JPS6151201A
Application number: JP16760385A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Arita; 節男有田; Takao Sato; 隆雄佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1985-07-31
Publication date: 1986-03-13

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】〔発明の利用分野〕本発明は、三重化制御装置に係り、特にプラントに適用
するのに好適な三重化制御装置に関するものである。

〔発明の背景〕

一般に、各種のプラントにおいて、重要な制御系には高
信塾化のために同一機能を持つ制御装置を冗長化する方
法がとられている。例えば、実開昭５５−１１７００１
号公報に示されている並列冗長系選択装置がある。

上記公開公報に示された並列冗長系選択装置は、１つの
センサから信号を三重化された各制御装置にそれぞれ入
力し、この入力信号をもとにして各制御装置が演算処理
を行なって制御信号をそれぞれ出力し、中間値選択回路
が各制御装置から出力される制御信すのうち中間値を選
択して出力するように構成されている。選択された制御
信号は、制御対象に伝えられる。このため、例えば１つ
の制御装置が故障してこの制御装置の出力である制御信
号が異常になっても、これに何ら影響を受けることなく
、正常に制御対象の制御が続行できる。

しかしながら１例えば、センサの故障のように、センサ
を含み、そのセンサから制御装置の入力端までの回路が
故障すると、この影響を受けて各制御装置の出力信号が
異常になる。この結果、制御対象には異常な制御信号が
出力されるという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、以上の点に鑑みなされたものであり、
制御装置、センサ及びセンサと制御装置の間の回路が故
障しても制御対象の制御が続行できる信頼度の高い三重
化制御装置を提供するところにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、同じ種類の状態量を検出する３つのセ
ンサと、並列に配置されてしかも３つのセンサの各出力
信号を入力して３つの入力信号のうち中間値をそれぞれ
出力する３つの第１中間値選択回路と、並列に配置され
、しかも１つの第１中間値選択回路の出力信号を入力し
て制御信号をそれぞれ出力する３つの制御装置と、それ
らの制御装置が出力した３つの制御信号のうちで中間値
の制御信号を選択して出力する第２中間値選択回路とを
設けたことにある。

原子炉発電プラントに適用した本発明の好適な一実施例
である三重化制御装置を、第１図により説明する。原子
力発電プラントにおいては、重要な制御系に対しては、
同一種類の状態量を検出するために３つのセンサ２１，
２２および２３を設け、それらのセンサの検出信号（ア
ナログ信号）に基づいて制御対象機器をコントロールし
ている。

これらのセンサ２１，２２および２３の各出力信号は、
並列に配置された３つの中間値選択回路２４Ａ、２４Ｂ
および２４Ｇにそれぞれ入力される。中間値選択回路２
４Ａ、２４Ｂおよび２４Ｇは、各センサ２１〜２３の出
力信号のうちで中間値の信号をそれぞれ選択して出力す
る。中間値選択回路２４Ａにて選択された出力信号は演
算処理装置（コントローラ）２５Ａに中間値選択回路２
４Ｂにて選択された出力信号はコントローラ２５Ｂに、
及び中間値選択回路２４Ｃにて選択された出力信号はコ
ントローラ２５Ｃにそれぞれ入力される。これらのコン
トローラ２５Ａ〜２５Ｃは、入力した信号に基づいて、
演算、比較および判定等を行ない制御対象となる機器を
制御するための制御信号を出力する。各々のコントロー
ラ２５Ａ〜２５Ｃから出力された制御信号は、１つの中
間値選択回路２４Ｄに伝えられる。中間値選択回路２４
Ｄは、各制御信号の中間値を選択して、制御すべき機器
のアクチュエータ２６に出力する。

アクチュエータ２６は、中間値の制御信号に基づいて制
御対象機器を制御する。本実施例の三重化制御装置は、
センサ２１，２２および２３、中間値選択回路２４Ａ、
２４Ｂおよび２４Ｃまたはコントローラ２５Ａ、２５Ｂ
および２５Ｇで、各々の３つのうち１つが異常になって
出力信号が変化しても、常に真値に最も近い出力信号に
て機器を制御することができる。

中間値選択回路２４Ａ〜２４Ｄの具体的な構成を第２図
に示す。中間値選択回路２４は、ＮＰＮトランジスタ３
１Ａ〜３１Ｆ、ＰＮＰトランジスタ３２Ａ、３２Ｂおよ
び３２Ｃおよび定電流回路３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｇおよ
び３３．Ｄを有している。なお、中間値選択回路２４は
、高値選択回路３４Ａ、３４Ｂおよび３４Ｇおよび低値
選択回路３５から構成される。高値選択回路３４Ａ〜３
４Ｂが前段に、低値選択回路３５が後段に配置される。

高値選択回路３４Ａは、一対のＮＰＮトランジスタ３１
Ａおよび３１Ｂおよび定電流回路３３Ａ力）ら構成され
る。高値選択回路３４Ｂは、ＮＰＮトランジスタ３１Ｇ
および３１Ｄおよび定電流回路３３Ｂから構成される。

高値選択回路３４．　Ｃは、ＮＰＮ　トランジスタ３１
Ｅおよび３１Ｆおよび定電流回路３３Ｇにて構成される
。また、低値選択回路３５は、ＰＮＰ　ｌ−ランジスタ
３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｇおよび定電流回路３３Ｄか
ら構成される。高値選択回路のＮＰＮトランジスタと低
値選択回路のＰＮＰ　トランジスタは、相補形半導体素
子である。以下に述べる他の実施例の高値および低値選
択回路のＮＰＮおよびＰＮＰトランジスタも相補形半導
体素子である。

３６Ａ、３６Ｂおよび３６Ｇは、中間値選択回路２４の
入力端子である。入力端子３６Ａは、回路４３によって
ＮＰＮｔ−ランジスタ３１ＡのベースおよびＮＰＮトラ
ンジスタ３１Ｆのベースに接続される。入力端子３６Ｂ
は、回＠４４によってＮＰＮ）−ランジスタ３１Ｂのベ
ースおよびＮＰＮトランジスタ３１Ｇのベースに接続さ
れる。入力端子３６Ｃは、ＮＰＮトランジスタ３１Ｄの
ベースおよびＮＰＮＩ−ランジスタ３１Ｅのベースに接
続される。、ＮＰＮトランジスタ３１Ａ〜３１Ｆのコレ
クタは、回路４６に接続される。回路４６は、端子３８
にフなかつ−でいる。ＮＰＮトランジスタ３１Ａおよび
３１Ｂのエミッタは、回路４７にて定電流回路３３Ａに
接続される。回路４８は、ＮＰＮトランジスタ３１Ｃお
よび３１Ｄのエミッタと定電流回路３３Ｂとを接続して
いる。定電流回路３３Ｃに接続される回路４９は−ＮＰ
Ｎトランジスタ３．１Ｅおよび３”ＩＦのエミッタに接
続される。定電流回路３３Ａ〜３３Ｃは、回路５０にて
端子３９に接続される。

回Ｍ５．１は、回路４７とＰＮＰトランジスタ３２Ｇの
ベースを接続している。ＰＮＰトランジスタ３２Ｂのベ
ースと回路４８は、回路５２によって接続される。ＰＮ
Ｐ　トランジスタ３２Ａのベースは、回路５３によって
回路４９に接続される。

ＰＮＰ）−ランジスタ３２Ａ〜３２Ｇのエミッタは、回
路５４を介して出力端子３７に接続している。

ＰＮＰトランジスタ３２Ａ〜３２Ｇのエミッタは、また
１回路５７によって定電流回路３３Ｄに接続される。回
路５６は、定電流回路３３Ｄと端子３８を接続する。一
方、ＰＮＰトランジスタ３２Ａ〜３２Ｃのコレクタは、
回路５５により端子３９に接続される。

定電流回路の一例を第３図に示す。この定電流回路は、
一般にカレントミラーと呼ばれる定電流回路である。定
電流回路３３Ａ〜３３Ｇは、ＮＰＮトランジスタ６８〜
７０にて構成される。定電流回路３３Ｄは、ＰＮＰ　ト
ランジスタ７１にて構成される。回路６１は、端子３８
とＰＮＰＩ−ランジスタ５８のエミッタを接続する。抵
抗６０が設けられる回路６３は、ＰＮＰトランジスタ５
８のコレクタとＮＰＮトランジスタ５９のコレクタを接
続している。端子３９に接続される回路６５は、ＮＰ’
Ｎトランジスタ５９のエミッタに接続される。

回路６２は、ＰＮＰトランジスタ７１のベースとＰＮＰ
）−ランジスタ５８のベースを接続する。

ＰＮＰトランジスタ５８のベースおよびコレクタを接続
する回路６６が、回路６２と回路６３に接続される。Ｎ
ＰＮ　トランジスタ５９のベースに接続される回路６４
は、ＮＰＮトランジスタ６８〜７０のベースにそれぞれ
接続される。回路６３と回路６４は、ＮＰＮトランジス
タ５９のベースおよびコレクタを接続する回路６７にて
接続される。

端子３８には正極の直流電圧、端子３９には負極の直流
電圧が印加される。第３図の定電流回路は、ＮＰＮトラ
ンジスタ５８、抵抗６０およびＮＰＮトランジスタ５９
に流れる電流が、ＰＮＰトランジスタ３３ＤおよびＮＰ
Ｎトランジスタ３３Ａ〜３３Ｇに各々流れるようにした
ものである。

本実施例に用いられる中間値選択回路２４の作用を以下
に説明する。今、入力端子３６Ａ、３６Ｂおよび３６Ｃ
にそれぞれ入力される信号Ａ、ＢおよびＣ（アナログ信
号）の電圧を、Ｅ□、Ｅ２およびＥ、と仮定する。また
、電圧Ｅ、、Ｅ、およびＥ３の間には、Ｅｉ＞Ｅｚ＞Ｅ
ａの関係があるものとする。電圧Ｅ１の信号Ａは、回路
４３によりＮＰＮトランジスタ３１Ａおよび３１Ｆのベ
ースに入力される。電圧Ｅ、の信号Ｂは、回路４４によ
りＮＰＮトランジスタ３１Ｂおよび３１Ｇのベースに印
加される。電圧Ｅ２の信号Ｃは、回路４５を通ってＮＰ
Ｎトランジスタ３１Ｄおよび３１Ｈのベースに達する６
高値選択回路３４のＮＰＮトランジスタ３１Ａおよび３
１Ｂのエミッタの接続点である出力端子には、Ｅ　１＞
　Ｅ　ｚであるため、電圧Ｅ１よりＮＰＮ）−ランジス
タ３１ＡのＶ、□たけ低い電圧（Ｅ　Ｉ　　Ｖ　ｓ　ｍ
　）が出力される。この電圧信号は、回路４７および５
１を通り、高値選択回路３４Ａの出力として低値選択回
路３５のＰＮＰトランジスタ３２Ｃのベースに入力され
る。Ｖｌｌｌｌは、トランジスタのベース・エミッタ間
電圧である。

高値選択回路３４ＢのＮＰＮトランジスタ３１Ｃおよび
３１Ｄに入力される信号の電圧Ｅ、、　Ｅ、はＥ　２＞
　Ｅ　ａの関係がある。このため、それらのトランジス
タのエミッタ接続点には、電圧Ｅ２よりＮＰＮトランジ
スタ３１Ｇの■。たけ低い電圧（Ｅ　２　　Ｖ　Ｒ＊　
）が出力される。この電圧信号＜　Ｅ　２　　Ｖ　ｎ　
＊　）は、回路４８および５２を通り、高値選択回路３
４Ｂの出力として低値選択回路３５のＰＮＰ　トランジ
スタ３２Ｂのベースに入力される。さらに、高値選択口
＋Ｒｔ３４ＣのＮＰＮトランジスタ３１Ｅおよび３１Ｆ
のエミッタの接続点には、Ｅｌ＞Ｅ３のため、Ｅｌより
ＮＰＮトランジスタ３１ＦのＶ□だけ低い電圧（Ｅｌ　
−ｖ。）が出力される。この電圧信号（Ｅ　１Ｖ　ｎ　
＊　）は、回路４９および５３を通って高値選択回路３
４Ｃの出力として低値選択回路３５のＰＮＰトランジス
タ３２Ａのベースに入力される。

低値選択回路３５のＰＮＰトランジスタ３２Ａ〜３２Ｃ
は各々の電圧信号を入力すると、（Ｅ　ｘ−■□）＞　
（Ｅｌ　　ｖ□）の関係があるので、３個のＰＮＰｈラ
ンジスタのエミッタの接続点には。

電圧（Ｅｌ−Ｖ□）よりＰＮＰ　トランジスタ３２Ｂの
ｖｌｌ、たけ高い電圧［（Ｅ、　−Ｖ、、）　＋ｖ１１
．）、すなわちＥｌが出力される。この出力信号は、出
力端子３７より中間値選択回路２４の出力信号として出
力される。

ｖｌｌｍは一種の誤差である。高値選択回路３４Ａ〜３
４Ｇではその誤差が負の値となり、低値選択回路３４Ｄ
ではこの誤差が正の値となる。さらに詳細に説明すれば
、これらの誤差は、ＮＰＮ）−ランジスタとＰＮＰトラ
ンジスタの特性の違いによって生じるものである。本実
施例の如く特性が互の高値選択回路と低値選択回路を組
合せることによって、前者で生じる誤差が後者で生じる
誤差にて補償され、中間値選択回路としての誤差が減少
する。それだけ中間値選択回路の精度が向上することに
なる。特に、本実施例の如く、高値選択回路３４Ａ〜３
４Ｇおよび低値選択回路３５に定電流回路３３Ａ〜３３
Ｄをそれぞれ設けることによって、高値選択回路および
低値選択回路のＶ□の絶対値は等しくなる。従って、高
値選択回路の出力信号の誤差は低値選択回路の出力信号
の誤差によって実質的に相殺されてしまう。この時、中
間値選択回路の精度は、最も高くなる。中間値選択回路
２４は、３つの入力信号の中間レベルの信号と同じレベ
ルの信号を出力する。

端子３８と端子３９との間に印加される直流電源電圧が
変動すると、高値選択回路３４Ａ〜３４Ｃおよび低値選
択回路３５の定電流回路３３Ａ〜３３Ｄの電流も変動す
る。しかし、これらの定電流回路の電流の変動値は同一
であり、各トランジスタによって生じるＶ□の変動値の
絶対値は等しくなる。この場合でも、■□の変動分は、
前述したように高値選択回路と低値選択回路の各々の出
力信号によって相殺される。

以上述べた高値選択回路と低値選択回路の誤差が相殺さ
れる理由を、以下に詳細に説明する。

トランジスタのベース・エミッタ間電圧Ｖ。は、次式に
て示される。

ここで、にはボルツマン定数（１，３８Ｘｌ０−”Ｊ／
ｌ、ｑは電子の電荷量（１，６ｘ　１０−”クーロン）
、Ｔは絶対温度、エアはトランジスタのコレクタ電流お
よび工、はトランジスタのエミッタ面積当りのコレクタ
接合逆飽和電流である。

Ｅ　−＞　Ｅ　ｘ　＞　Ｅ　３であるので、中間値選択
回路２４の出力電圧Ｅ　、、ｔは、次式で示される。

Ｅ、５ｔ＝Ｅ２Ｖ、、、＋Ｖ、１ｍ＋、　　　’　　”
’（２）Ｖ　ｍ　ｌ　？＋は高値選択回路のトランジス
タのベース・エミッタ間電圧であり、Ｖ□１．は低値選
択回路のトランジスタのベース・エミッタ間電圧である
。

これらのベース・エミッタ間は、各々次式で表わされる
。ただし、定電流回路を用いているので、各トランジス
タのコレクタ電流工、は、定電流回路の出力電流■。に
等しくなる。

（３）および（４）式の関係がらＶ　Ｂ　Ｘ　Ｒ”　Ｖ
　１１　Ｍ　Ｌとなる。この関係を（２）式に代入する
と、Ｅ、ｕｔ＝Ｅ２となる。従って、中間値選択２４の
入力電圧と出力電圧の差ΔＥ　、、ｔは、Ｏ＝（’Ｅ。

−＝　Ｅ　２）である。

第４図は、中間値選択回路２４の３つの入力信号Ｅ、、
Ｅ、、Ｅ、と出力信号Ｅ。、Ｌとの関係を示したもので
ある。中間値選択回路２４は、常に中間レベルの信号を
出力している。

入力端子３６Ａ〜３６Ｇに入力する信号の大小関係が変
っても、前述したように中間値選択回路２４は、３つの
入力信号のうち、常に中間レベルの信号を選択して出力
端子３９より出力する。

以上述べた機能を有する中間値選択回路２４を、中間値
選択回路２４Ａ〜２４Ｄに用いて構成した本実施例の三
重化制御装置の動作を以下に詳細に説明する。

センサ２１，２２および２３にてそれぞれ検出された原
子力発電プラントの状態量信号同一種類の状Ｓ量は、並
列に配置された中間値選択回路２４Ａ、２４Ｂおよび２
４Ｃにすべて入力される。

中間値選択回路２４Ａ、２４Ｂおよび２４Ｃは、各セン
サの出力信号のうち中間値の信号をそれぞ力選択しコン
トローラ２５．Ａ、２５Ｂ、２５Ｃに出力する。例えば
、センサ２１の出力信号を８１、センサ２２の出力信号
を８２、センサ２３の出力信号Ｓ３とし、これらの信号
が、５１）Ｓ、）Ｓ３の関係になっているとすると、中
間値選択回路２４Ａ。

２４Ｂ、２４ＧはいずれもＳ、を選択する。そして、中
間値選択回路２４Ａはコントローラ２５Ａに、中間値選
択回路２４Ｂはコントローラ２５Ｂに、および中間値選
択回路２４Ｇはコントローラ２５Ｇに信号Ｓ２をそれぞ
れ出力する。

コントローラ２５Ａ〜２５Ｇは入力信号に基づいて、演
算、比較および判定等を行ない対象とする機器を制御す
るための制御信号を出力する。コントローラ２５Ａ〜２
５Ｃからそれぞれ出力された制御信号は、１つの中間値
選択回路２４Ｄに入力される。中間値選択回路２４Ｄは
、コントローラ２５Ａ〜２５Ｃから出力される制御信号
のうち中間値の信号を選択し、制御すべき機器のアクチ
ュエータ２６に出力する。例えば、コントローラ２５Ａ
からの制御信号をＣ０、コントローラ２５Ｂからの制御
信号Ｃ２、コントローラ２５Ｃからの制御信号をＣ３と
し、これらの信号が０１　＞　Ｃ２＞Ｃ１の関係になっ
ているとすると、中間値選択回路２４ＤはＣ２を選択し
てアクチュエータ２６にこの信号Ｃ２を出力する。

この結果、センサ２１，２２，２３のうち１台が故障し
て、このセンサの出力信号が異常になったとしても、中
間値選択回路２４Ａ、２４Ｂ。

２４Ｃによってセンサ２１〜２３の出力信号のうち最も
確からしい１つの信号（中間値の信号）のみがコントロ
ーラ２５Ａ〜２５Ｂにそれぞれ入力されるため、制御対
象の機器を安定に制御することができる。また、コント
ローラ２５Ａ、２５Ｂ。

２５Ｇのうち１台が故障してこのコントローラから出力
された制御信号が異常になったとしても、中間値選択回
路２４Ｄによって、コントローラからの制御信号のうち
最も確からしい１つの信号、（中間値の信号）のみが７
クチユエータ２６に出力されるため、制御対象の機器を
安定に制御できる。中間値選択回路２４Ａ、２４Ｂおよ
び２４Ｃのうち１台が故障してこの中間値選択回路の出
力ｍ号が異常になった場合は、故障した中間値選択回路
の出力信号を入力している１台のコントローラの出力信
号が異常になるだけであり、中間値選択回路２４Ｄが３
台のコントローラの出力信号のうちで中間値の信号をア
クチュエータ２６に出力するので、制御対象機器は安定
に制御される。

さらに、センサとコントローラが同時に故障しても中間
値選択回路２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｇおよび２４Ｄによっ
て、制御対象機器を安定に制御することが可能である。

その−例を以下に述べる。

例えば、センサ２１とコントローラ２５Ｂが故障し、こ
れらの出力信号が異常な値になったとする。まず、中間
値選択回路２４Ａ、２４Ｂおよび２４Ｇによって、セン
サ２１，２２および２３の出力信号のうち最も確からし
い１つの信号（中間値の信号）が選択される。各センサ
２１〜２３の各出力信号の大小関係がＳ、＞Ｓ２＞Ｓ、
又はＳｌ〈Ｓ、＜Ｓ３であれば、中間値選択回路２４Ａ
〜２４Ｃは信号Ｓ２を選択し、各出力信号の大小関係が
Ｓｌ＞Ｓ、＞Ｓ、又はＳｌ＜Ｓ、＜Ｓ、であれば、中間
値選択回路２４Ａ〜２４Ｃは信号Ｓ３を選択する。

従って、中間値選択回路２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｇはセン
サ２」からの異常な信号ではなく正常なセンサ２２また
は２３の出力信号を選択し、各コントローラ２５Ａ〜２
５Ｃに出力する。コントローラ２５Ａ〜２５Ｃはこの正
常な入力信号にもとづいて制御信号を出力する。ところ
が、コントローラ２５Ｂが故障しているため、コントロ
ーラ２５Ｂから出力された制御信号は異常な値である。

しかし、中間値選択回路２４Ｄによって、上述と同様に
正常な制御信号のみが選択されアクチュエータ２６に出
力される。

以上のように、本実施例によれば、系統の異なるセンサ
とコントローラが同時に故障しても安定に制御すること
が可能である。また、系統の異なるセンサとコントロー
ラの入力側の中間値選択回路とが故障しても、前述の場
合と同様に制御対象機器の制御を安定に続行することが
できる。同一；　　　　　　　　系統のセンサ、コント
ローラ及びコントローラの入力側に位置する中間値選択
ｉ路が故障した場合は、中間値選択回路２４Ｄによって
正常な制御信号が選択されて安定に制御対象機器を制御
することができる。

本実施例では制御対象機器が１つの場合について述べた
が、複数台の制御対象機器が設けられた場合についても
、センサとコントローラとの間およびコントローラと制
御対象との間に各々中間値選択回路を備えて同様に構成
できることは容易に理解できよう。

さらに、センサ及びコントローラの冗長度を増した５重
化やその他の多重化についても同様に適用できることは
容易に理解できよう。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、センサ、制御装置
およびセンサと制御装置との間に配置された中間値選択
回路をそれぞれ三重化することにより、三重化した回路
部分のいずれかに故障を生じても、制御対象機器を安定
に制御することができ、信頼性の著しく高い三重化制御
装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である。三重化制御装
置の構成図、第２図は第１図に示す中間値選択回路の回
路図、第３図は第３図に適用した定電流回路の回路図、
第４図は第２図に示した中間値選択回路の動作を示す説
明図である。２１．２２．２３・・・センサ、２４，２４Ａ、２４Ｂ
。２４Ｃ，２４Ｄ・・・中間値選択回路、２５Ａ、２５Ｂ
。２５Ｃ・・・コントローラ、２６・・・アクチュエータ
。

Claims

【特許請求の範囲】

１、同じ種類の状態量を検出する３つのセンサと、並列
に配置されてしかも３つの前記センサの各出力信号を入
力して３つの入力信号のうちで中間値の信号をそれぞれ
選択して出力する３つの第１中間値選択回路と、並列に
配置され、しかも１つの前記第１中間値選択回路の出力
信号を入力して制御信号をそれぞれ出力する３つの制御
装置と、入力した各々の前記制御装置の３つの制御信号
のうちで中間値の制御信号を選択して出力する第２中間
値選択回路とを有する三重化制御装置。