JP2010122857A - バックアップ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】主電源の投入直後の停電や瞬時停電に対応できるようにする。オンライン交換のリスクを小さくする。
【解決手段】バックアップコンデンサとして中容量(例えば、100F)の電気二重層コンデンサC1,C2,C3を設ける。バックアップコンデンサC1,C2,C3を並列に接続し、主電源の投入後、先ず、バックアップコンデンサC1の充電を開始させる。そして、バックアップコンデンサC1の充電の完了後、第1の電子スイッチSW1をオンとし、バックアップコンデンサC2の充電を開始させ、バックアップコンデンサC2の充電の完了後、第2の電子スイッチSW2をオンとし、バックアップコンデンサC3の充電を開始させる。
【選択図】 図2

Description

この発明は、主電源の遮断時にバックアップコンデンサに蓄えられている電荷を放電することによって負荷への電力の供給を継続するバックアップ装置に関するものである。
従来より、プラント機器を制御するプロセスコントローラにおいては、主電源の遮断時にその時点での動作データを保持して、次回起動時に使う必要がある。このために、バックアップコンデンサを設け、主電源断後の数秒〜数十秒の間はバックアップコンデンサに蓄えられている電荷を放電することによってCPUへの電力の供給を継続し、その間に不揮発性メモリであるフラッシュROM(Read Only Memory)などにデータを書き込む方法が採用されている(例えば、特許文献1参照)。
図5にバックアップコンデンサを用いた従来のプロセスコントローラの要部を示す。同図において、1はプロセスコントローラの主電源回路、2はバックアップコンデンサ、3はバックアップコンデンサ2への充電回路(定電流充電回路)、4はバックアップコンデンサ2からの出力電圧をドロップさせて安定化させるレギュレータ回路、5は主電源回路1からの出力電圧とレギュレータ回路4からの出力電圧の何れか高い方を出力するOR回路、6はCPU、7はOR回路5からの出力電圧をCPU6で必要な電圧にドロップさせて安定化させるレギュレータ回路、8は不揮発性メモリであるフラッシュROM、9は主電源回路1における出力電圧の遮断を検出する電源断検出回路である。
このプロセスコントローラでは、バックアップコンデンサ2と充電回路3とレギュレータ回路4とによってバックアップ装置100が構成され、バックアップコンデンサ2としては、電気二重層コンデンサと呼ばれる大容量のコンデンサが用いられている。この例では、300Fのコンデンサが用いられている。また、バックアップコンデンサ2の充電完了状態において、レギュレータ回路4からのOR回路5への出力電圧は、主電源回路1からのOR回路5への出力電圧よりも若干低いものとされている。
〔主電源の投入時〕
主電源回路1がオンとされると、主電源回路1からの出力電圧がOR回路5を介してレギュレータ回路7へ送られ、レギュレータ回路7によって安定化された電圧が動作電圧としてCPU6へ供給される。また、主電源回路1からの出力電圧が充電回路3へ与えられ、充電回路3から供給される定電流によって、バックアップコンデンサ2の充電が開始される。
例えば、主電源回路1からOR回路6に出力される電圧は5.5V、充電回路3に出力される電圧は6Vとされる。この場合、バックアップコンデンサ2の出力電圧は、充電完了時には6Vまで上昇する。このバックアップコンデンサ2の出力電圧はレギュレータ回路4へ送られる。レギュレータ回路4はバックアップコンデンサ2の出力電圧を例えば5V以下にドロップさせて安定化させる。
この場合、レギュレータ回路4からの出力電圧はOR回路5へ与えられるが、主電源回路1からのOR回路5への出力電圧の方が高いので、バックアップコンデンサ2の充電完了後も、主電源回路1からの出力電圧がレギュレータ回路7へ与えられ、この主電源回路1からの出力電圧より得られる動作電圧(例えば、3.3V)がCPU6へ供給される。
〔通常動作時〕
CPU6は、主電源回路1からの出力電圧より得られる動作電圧の供給を受けて動作し、プラントの入力機器(例えば、センサ、圧力計、流量計など)のデータを収集し、この収集したデータを基に制御演算を実行し、プラントの出力機器(例えば、バルブ、ポンプなど)を制御する。
〔主電源の遮断時〕
例えば、停電によって、主電源回路1がオフになったとする。この場合、主電源回路1からのOR回路5への出力電圧がなくなるので、レギュレータ回路4からの出力電圧がOR回路5を通してレギュレータ回路7へ送られ、このレギュレータ回路4からの出力電圧より得られる動作電圧がCPU6へ供給されるものとなる。一方、主電源回路1がオフになると、電源断検出回路9は、主電源断検出信号をCPU6に出力する。
CPU6は、電源断検出回路9から主電源断検出信号が入力されると、主電源の遮断が生じたと判断して、その時の動作データを次回起動時に必要なデータとしてフラッシュROM8にセーブする。この時、CPU6は、レギュレータ回路4からの出力電圧より得られる動作電圧、すなわちバックアップコンデンサ2からの電力の供給を受けて動作し、バックアップコンデンサ2からの電力供給が可能な時間以内に、必要なデータをフラッシュROM7へセーブする。
主電源の遮断には、停電には至らない瞬時電圧低下(以下、瞬時停電と呼ぶ)もある。この瞬時停電の場合にも、停電時と同様にして、レギュレータ回路4からの出力電圧より得られる動作電圧がCPU6に供給される。これにより、瞬時停電が起きても、CPU6への動作電圧が途絶えることがなく、CPU6がリセットされてしまうということが防がれる。
特開平8−336233号公報
上述したプロセスコントローラでは、停電時のフラッシュROM8へのデータのセーブに必要な時間を確保するために、バックアップコンデンサ2の容量を大容量とする。バックアップコンデンサ2への充電電流は、主電源回路1からのCPU6への供給電流に影響を与えない値にするなどの制限を受けるため、小さな値にせざるを得ない。このため、バックアップコンデンサ2の充電にかなりの時間がかかる。
また、通常、バックアップコンデンサ2の容量は、経年劣化による容量低下を考慮して、想定される容量よりも大容量とする。例えば、図5に示したプロセスコントローラでは、バックアップコンデンサ2の想定される容量を200Fとし、これよりも余裕を持たせた300Fのコンデンサを用いている。このように、コンデンサの容量に余裕を持たせると、さらに充電時間が長くなる。
図6にバックアップコンデンサ2の出力電圧(充電電圧)と充電時間との関係を示す。この関係において、バックアップコンデンサ2の出力電圧がCPU6の動作電圧を確保し得る値VCLに達するまでに必要な充電時間は、バックアップコンデンサ2の容量に比例して長くなる。ここで、主電源の投入後、バックアップコンデンサ2の出力電圧がVCLに達するまでの間に停電が発生した場合、CPU6への動作電圧を確保することができず、フラッシュROM8へのデータのセーブが行われない。また、停電に至らずとも、瞬時停電が起きた場合、CPU6がリセットされてしまう。特に、起動時は、多くの機器が一斉起動するため、電源が不安定となり、瞬時停電が起こる虞が高い。これにより、プロセスコントローラが次回の起動に失敗したり、暴走したりするなどの問題が生じる。
また、上述したプロセスコントローラでは、プロセスコントローラの動作中、バックアップコンデンサ2を新品のコンデンサと交換したい場合がある。このプロセスコントローラの動作中のバックアップコンデンサの交換をオンライン交換と呼ぶ。しかし、この場合、バックアップコンデンサ2を外している間の停電や瞬時停電に対応することができず、オンライン交換のリスクが大きい。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、主電源の投入直後の停電や瞬時停電に対応することが可能で、かつオンライン交換のリスクの小さいバックアップ装置を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、主電源の遮断時にバックアップコンデンサに蓄えられている電荷を放電することによって負荷への電力の供給を継続するバックアップ装置において、主電源からの電流の供給を受けて充電される第1のバックアップコンデンサと、この第1のバックアップコンデンサの充電電圧が所定の電圧値に達したときにオンとされる第1のスイッチと、第1のバックアップコンデンサに第1のスイッチを介して並列に接続され、第1のスイッチがオンとされたときにこの第1のスイッチを通ずる主電源からの電流の供給を受けて充電される第2のバックアップコンデンサとを設けることを特徴とする。
本発明では、さらに、第2のバックアップコンデンサの充電電圧が所定の電圧値に達したときにオンとされる第2のスイッチと、第2のバックアップコンデンサに第2のスイッチを介して並列に接続され、第2のスイッチがオンとされたときにこの第2のスイッチを通ずる主電源からの電流の供給を受けて充電される第3のバックアップコンデンサとを設けるようにしてもよい。
この発明によれば、バックアップコンデンサとして第1のバックアップコンデンサと第2のバックアップコンデンサが設けられ、主電源を投入すると、先ず、第1のバックアップコンデンサの充電が開始される。そして、この第1のバックアップコンデンサの充電電圧が上昇し所定の電圧値に達すると、第1のスイッチがオンとされ、第2のバックアップコンデンサの充電が開始される。そして、第2のバックアップコンデンサの充電電圧が上昇し所定の電圧値に達すると、第2のスイッチがオンとされ、第3のバックアップコンデンサの充電が開始される。
例えば、第1のバックアップコンデンサの容量を100F、第2のバックアップコンデンサの容量を100F、第3のバックアップコンデンサの容量を100Fとする。また、第1のスイッチをオンとする際の所定の電圧値を第1のバックアップコンデンサの充電完了時の電圧値とし、第2のスイッチをオンとする際の所定の電圧値を第2のバックアップコンデンサの充電完了時の電圧値とする。この場合、第1のバックアップコンデンサが短時間で充電完了状態となり、この第1のバックアップコンデンサが充電を完了した状態で、第2のバックアップコンデンサの充電が開始される。第2のバックアップコンデンサも短時間で充電完了状態となり、この第2のバックアップコンデンサが充電を完了した状態で、第3のバックアップコンデンサの充電が開始される。第3のバックアップコンデンサも短時間で充電完了状態となる。
これにより、主電源の投入後、第1のバックアップコンデンサの充電が完了した以降であれば、瞬時停電が起きても、第1のバックアップコンデンサに蓄えられている電荷を放電することによって、CPUなどの負荷への電力の供給を継続することができる。また、主電源の投入後、第2のバックアップコンデンサの充電が完了した以降であれば、停電が起きても、第1および第2のバックアップコンデンサに蓄えられている電荷を放電することによって、CPUなどの負荷への供給電力を確保し、不揮発性メモリへのデータのセーブなどを行わせることができる。また、主電源の投入後、第3のバックアップコンデンサの充電が完了した以降であれば、経年劣化によって第1および第2のバックアップコンデンサの容量が低下しても、第3のバックアップコンデンサに蓄えられている電荷によって負荷への供給電力の不足分を補って、停電に対応することことが可能となる。
また、動作中、第1のバックアップコンデンサを取り外した時には、第2および第3のバックアップコンデンサが充電完了状態で残され、第2のバックアップコンデンサを取り外した時には、第1および第3のバックアップコンデンサが充電完了状態で残され、第3のバックアップコンデンサを取り外した時には、第1および第2のバックアップコンデンサが充電完了状態で残される。この場合、残されたバックアップコンデンサでその間の少なくとも瞬時停電に対応させることが可能(場合によっては停電にも対応させることも可能)であり、オンライン交換のリスクが軽減される。
本発明によれば、バックアップコンデンサとして複数のバックアップコンデンサを設け、この複数のバックアップコンデンサの充電を順番に行うようにすることによって、個々のバックアップコンデンサの容量を小さくして、バックアップコンデンサの充電時間の短縮を図り、主電源の投入直後の停電や瞬時停電に対応することが可能となる。また、バックアップコンデンサを1つずつ取り外して交換するようにして、残されたバックアップコンデンサでその間の少なくとも瞬時停電に対応させることが可能であり、オンライン交換のリスクを軽減することができる。
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図1はこの発明に係るバックアップ装置を用いたプロセスコントローラの一実施の形態の要部を示す図である。同図において、図5と同一符号は図5を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
このプロセスコントローラでは、バックアップコンデンサC1,C2,C3と充電回路3とレギュレータ回路4とコントロール回路10とによってバックアップ装置200を構成している。バックアップコンデンサC1,C2,C3としては、電気二重層コンデンサを用いているが、その容量はそれぞれ100Fとされている。
すなわち、従来のプロセスコントローラ(図5)におけるバックアップコンデンサ2の容量が300Fと大容量とされていたのに対し、この実施の形態で用いるバックアップコンデンサC1,C2,C3の容量は100Fと中容量のものとされている。
そして、このバックアップコンデンサC1,C2,C3に対して、このバックアップコンデンサC1,C2,C3への充電開始タイミングを制御するコントロール回路10を設けている。
図2にコントロール回路10の内部構成の概略を示す。コントロール回路10は、第1の電子スイッチSW1と、第2の電子スイッチSW2と、第1の電圧検出回路VDC1と、第2の電圧検出回路VDC2と、ダイオードD1,D2,D3とを備えている。
このプロセスコントローラにおいて、バックアップコンデンサC1は、コントロール回路10内のダイオードD1を介して、充電回路(定電流充電回路)3からの充電電流の入力ラインL1とレギュレータ回路4への充電電圧(出力電圧)の出力ラインL2との間に接続されている。ダイオードD1は、バックアップコンデンサC1とラインL2との間に、そのアノードをバックアップコンデンサC1側にして接続されている。
バックアップコンデンサC2は、コントロール回路10内のダイオードD2および第1の電子スイッチSW1を介して、ラインL1とラインL2との間に(バックアップコンデンサC1に対して並列に)接続されている。ダイオードD2は、バックアップコンデンサC2とラインL2との間に、そのアノードをバックアップコンデンサC2側にして接続されている。第1の電子スイッチSW1は、バックアップコンデンサC2とラインL1との間に接続されている。
バックアップコンデンサC3は、コントロール回路10内のダイオードD3および第2の電子スイッチSW2を介して、ラインL1とラインL2との間に(バックアップコンデンサC2に対して並列に)接続されている。ダイオードD3は、バックアップコンデンサC2とラインL2との間に、そのアノードをバックアップコンデンサC3側にして接続されている。第2の電子スイッチSW2はバックアップコンデンサC3とラインL1との間に接続されている。
コントロール回路10において、第1の電圧検出回路VDC1は、バックアップコンデンサC1の充電電圧VC1を監視し、この充電電圧VC1が予め定められている所定の電圧値Vth1以上となったとき、第1の電子スイッチSW1をオンとする機能を有している。この例において、所定の電圧値Vth1は、バックアップコンデンサC1の充電完了時の電圧値とされている。
第2の電圧検出回路VDC2は、バックアップコンデンサC2の充電電圧VC2を監視し、この充電電圧VC2が予め定められている所定の電圧値Vth2以上となったとき、第2の電子スイッチSW2をオンとする機能を有している。この例において、所定の電圧値Vth2は、バックアップコンデンサC2の充電完了時の電圧値とされている。
〔主電源の投入時〕
このプロセスコントローラにおいて、主電源回路1がオンとされると、主電源回路1からの出力電圧がOR回路5を介してレギュレータ回路7へ送られ、レギュレータ回路7によって安定化された電圧が動作電圧としてCPU6へ供給される。また、主電源回路1からの出力電圧が充電回路3へ与えられ、充電回路3から供給される定電流によって、バックアップコンデンサC1の充電が開始される。
この場合、バックアップコンデンサC1の容量は100Fとされているので、短時間で充電完了状態となる。すなわち、従来のバックアップコンデンサ2の容量は300Fと大容量であったため、充電電圧がなかなか上昇せず、充電完了状態となるまでにかなりの時間がかかっていた。これに対して、バックアップコンデンサC1の容量は100Fと小さいため、充電電圧の上昇スピードが速く、短時間で充電完了状態となる。
電圧検出回路VDC1は、バックアップコンデンサC1の充電電圧VC1が上昇し充電完了時の電圧値Vth1に達すると、第1の電子スイッチSW1をオンとする。これにより、バックアップコンデンサC1の充電が完了した状態で、バックアップコンデンサC2の充電が開始される。バックアップコンデンサC2も短時間で充電完了状態となる。
電圧検出回路VDC2は、バックアップコンデンサC2の充電電圧VC2が上昇し充電完了時の電圧値Vth2に達すると、第2の電子スイッチSW2をオンとする。これにより、バックアップコンデンサC2の充電が完了した状態で、バックアップコンデンサC3の充電が開始される。バックアップコンデンサC3も短時間で充電完了状態となる。
図3にバックアップコンデンサC1,C2,C3への充電が順番に行われて行く様子を示す。図4に充電に伴ってバックアップコンデンサC1,C2,C3の全体に対する電荷の蓄積量が増大して行く様子を示す。バックアップコンデンサC1への充電が完了した時点では、コンデンサC1,C2,C3の全体では100F分の電荷Q1が蓄積され、バックアップコンデンサC2への充電が完了した時点では、コンデンサC1,C2,C3の全体では200F分の電荷Q2が蓄積され、バックアップコンデンサC3への充電が完了した時点では、コンデンサC1,C2,C3の全体では300F分の電荷Q3が蓄積される。
このようにして、本実施の形態では、バックアップコンデンサC1,C2,C3への充電が順番に行われて行き、主電源の投入後、バックアップコンデンサC1の充電が完了した以降であれば(図3に示すt1点以降)、瞬時停電が起きても、バックアップコンデンサC1に蓄えられている電荷を放電することによって、CPU6への電力の供給を継続することができる。
また、主電源の投入後、バックアップコンデンサC2の充電が完了した以降であれば(図3に示すt2点以降)、停電が起きても、バックアップコンデンサC1,C2に蓄えられている電荷を放電することによって、CPU6への供給電力を確保し、フラッシュROM8へのデータのセーブを行わせることができる。
また、主電源の投入後、バックアップコンデンサC3の充電が完了した以降であれば(図3に示すt3点以降)、経年劣化によってバックアップコンデンサC1,C2の容量が低下しても、バックアップコンデンサC3に蓄えられている電荷によってCPU6への供給電力の不足分を補って、停電に対応することことが可能となる。
〔オンライン交換〕
バックアップコンデンサC1,C2,C3の容量は経年劣化によって低下して行く。バックアップコンデンサC1,C2,C3の容量の低下は、例えば、電源遮断時のCPU6による必要なデータのフラッシュROM6への書き込み完了時刻から供給電力量の不足から動作不能になるまでの時間を余裕時間として求め、この余裕時間を予め定められている寿命判定時間と比較することによって知ることが可能である。この場合、余裕時間が寿命判定時間よりも短くなれば、バックアップコンデンサC1,C2,C3が寿命を迎えていると判断し、バックアップコンデンサの交換を促す警告を出すようにする。
この警告が出された場合、プロセスコントローラの管理者は、バックアップコンデンサのオンライン交換を行う。この場合、従来のプロセスコントローラでは、大容量のバックアップコンデンサを1つしか設けていなかったので、バックアップコンデンサを外している間の停電や瞬時停電に対応することができず、オンライン交換のリスクが大きかった。
これに対して、本実施の形態では、プロセスコントローラの動作中、バックアップコンデンサC1を取り外した時には、バックアップコンデンサC2,C3が充電完了状態で残され、バックアップコンデンサC2を取り外した時には、バックアップコンデンサC1,C3が充電完了状態で残され、バックアップコンデンサC3を取り外した時には、バックアップコンデンサC1,C2が充電完了状態で残される。この場合、残されたバックアップコンデンサでその間の少なくとも瞬時停電に対応させることが可能(場合によっては停電にも対応させることが可能)であり、オンライン交換のリスクが軽減される。
なお、上述した実施の形態では、バックアップコンデンサの経年劣化による容量低下を考慮して、バックアップコンデンサC1,C2に対してバックアップコンデンサC3を追加して設けたが、バックアップコンデンサC1,C2のみとしてもよい。また、例えば、バックアップコンデンサC1,C2の容量を150Fとし、合計で300F分の電荷を蓄積させるようにしてもよい。また、上述した実施の形態では、バックアップコンデンサをC1,C2,C3の3つとしたが、さらにバックアップコンデンサの数を増やしてもよい。また、本発明において、負荷はCPUに限られるものでもない。
また、上述した実施の形態では、バックアップコンデンサC1,C2,C3の容量を100Fとしたり、合計の容量を300Fとしたりしたが、これらの値はあくまでも例示であって、このような値に限られるものでないことは言うまでもない。
また、バックアップコンデンサのオンライン交換を行う場合、必ずしも劣化診断を行わせるようにしなくてもよい。例えば、使用期間が5年過ぎたら、1つづつバックアップコンデンサをオンライン交換するようにしたりしてもよい。
本発明に係るバックアップ装置を用いたプロセスコントローラの一実施の形態の要部を示す図である。 このプロセスコントローラに用いられているバックアップ装置におけるコントロール回路の内部構成の概略を示す図である。 このプロセスコントローラにおいてバックアップコンデンサC1,C2,C3への充電が順番に行われて行く様子を示す図である。 充電に伴ってバックアップコンデンサC1,C2,C3の全体に対する電荷の蓄積量が増大して行く様子を示す図である。 バックアップコンデンサを用いた従来のプロセスコントローラの要部を示す図である。 従来のプロセスコントローラにおけるバックアップコンデンサの出力電圧(充電電圧)と充電時間との関係を示す図である。
符号の説明
1…主電源回路、3…充電回路、4…レギュレータ回路、5…OR回路、6…CPU、7…レギュレータ回路、8…フラッシュROM、9…電源断検出回路、10…コントロール回路、C1,C2,C3…バックアップコンデンサ、D1,D2,D3…ダイオード、SW1…第1の電子スイッチ、SW2…第2の電子スイッチ、VDC1…第1の電圧検出回路、VDC2…第2の電圧検出回路、200…バックアップ装置。

Claims (2)

  1. 主電源の遮断時にバックアップコンデンサに蓄えられている電荷を放電することによって負荷への電力の供給を継続するバックアップ装置において、
    前記主電源からの電流の供給を受けて充電される第1のバックアップコンデンサと、
    この第1のバックアップコンデンサの充電電圧が所定の電圧値に達したときにオンとされる第1のスイッチと、
    前記第1のバックアップコンデンサに前記第1のスイッチを介して並列に接続され、前記第1のスイッチがオンとされたときにこの第1のスイッチを通ずる前記主電源からの電流の供給を受けて充電される第2のバックアップコンデンサと
    を備えることを特徴とするバックアップ装置。
  2. 請求項1に記載されたバックアップ装置において、
    前記第2のバックアップコンデンサの充電電圧が所定の電圧値に達したときにオンとされる第2のスイッチと、
    前記第2のバックアップコンデンサに前記第2のスイッチを介して並列に接続され、前記第2のスイッチがオンとされたときにこの第2のスイッチを通ずる前記主電源からの電流の供給を受けて充電される第3のバックアップコンデンサと
    を備えることを特徴とするバックアップ装置。
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