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技術 接点信号変換装置における防爆バリア

出願人 横河電機株式会社
発明者 金谷信宏
出願日 2014年5月22日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2014-105928
公開日 2015年12月10日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2015-222085
状態 特許登録済
技術分野 磁気駆動弁 電磁石の駆動回路
主要キーワード 開制御信号 内部キャパシタンス 本質安全防爆 点火限界 外部供給電源 危険場所 防爆仕様 バルブ開閉動作
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年12月10日)のものです。
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図面 (10)

課題

ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置において防爆設計を容易化する。

解決手段

オンオフの接点信号を、ソレノイド型電磁弁を動作させる制御信号に変換する接点信号変換装置においてソレノイド型電磁弁の動作電源電圧電流とを制限する防爆バリアであって、電圧を制限する電圧制限部品後段に、電流を制限する電流制限部品を配置した。

概要

背景

プラント等においてバルブ開閉遠隔操作する場合は、操作を行なう端末装置からバルブ駆動装置にバルブの開閉を指示する制御信号が送られる。従来、操作装置とバルブ駆動装置との通信は、端末装置とバルブ駆動装置との間に敷設した制御信号線を介した有線通信で行なわれていたが、近年では無線で通信が行なわれことも多くなっている。

図6は、無線通信を行なう端末装置とバルブ駆動装置との構成を示す図である。本図に示すように、操作を行なう端末装置51には、端末無線通信装置52が接続され、バルブ開閉動作を行なうバルブ駆動装置60にはバルブ側無線通信装置53が接続されている。

ここでは、バルブ開動作を例に説明する。オペレータが端末装置51でバルブ駆動装置60の開動作を指示すると、端末側無線通信装置52からバルブ側無線通信装置53にバルブ開接点信号オンが無線で送られ、バルブ駆動装置60に伝達される。

バルブ駆動装置60は、信号変換装置610、電磁弁620、空気圧開閉器630を備えている。信号変換装置610は、バルブ側無線通信装置53から開接点信号のオンが伝達されると、電磁弁620を動作させる開制御信号のオンに変換して、電磁弁620に出力する。電磁弁620が開制御信号のオンにしたがって電磁弁を切り替えると、空気圧開閉器630がバルブ70を駆動し、バルブ70を開にする。電磁弁620、空気圧開閉器630は、バルブ70の個数に対応して複数個設けることができ、信号変換装置610は、バルブ70毎に開制御信号を出力する。

オペレータが端末装置51でバルブ駆動装置60の動作停止を指示すると、端末側無線通信装置52からバルブ側無線通信装置53に開接点信号のオフが無線で送られ、バルブ駆動装置60に伝達される。バルブ駆動装置60の接点信号変換装置610は、バルブ開接点信号のオフを開制御信号のオフに変換して、電磁弁620に出力する。電磁弁620が開制御信号のオフにしたがって電磁弁を切り替えると、バルブ70の開動作が停止する。

電磁弁620は、小電力で動作が可能なピエゾ型電磁弁が広く用いられている。しかしながら、ピエゾ型電磁弁は、一般的でなく、選択の自由度が低い。また、国内では本質安全防爆仕様認定を受けているものが無いため、使用場所制約がある。

無線通信によるバルブの遠隔操作は、特に、危険場所において有益であるため、一般的で選択の自由度が高く、また、国内で本質安全防爆仕様の認定を受けている製品もあるソレノイド型電磁弁を使用したいという要望がある。

ただし、ソレノイド型電磁弁は、ピエゾ型電磁弁と比較して動作させるためにより大きな電力が必要である。具体的には、ピエゾ型電磁弁が6V、0.5mAの0.003W程度で動作させることができるのに対し、ソレノイド型電磁弁は、DC12V、34mA、408mW程度の電力が必要となる。したがって、無線通信によるバルブの遠隔操作でソレノイド型電磁弁を用いる場合には、接点信号変換装置において、電力供給防爆仕様とを両立させなければならない。

概要

ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置において防爆設計を容易化する。オンオフの接点信号を、ソレノイド型電磁弁を動作させる制御信号に変換する接点信号変換装置においてソレノイド型電磁弁の動作電源電圧電流とを制限する防爆バリアであって、電圧を制限する電圧制限部品後段に、電流を制限する電流制限部品を配置した。

目的

本発明は、ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置において防爆設計を容易化することを目的とする

効果

実績

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牽制数
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請求項1

オンオフ接点信号を、ソレノイド型電磁弁を動作させる制御信号に変換する接点信号変換装置において前記ソレノイド型電磁弁の動作電源電圧電流とを制限する防爆バリアであって、電圧を制限する電圧制限部品後段に、電流を制限する電流制限部品を配置したことを特徴とする防爆バリア。

請求項2

前記電圧制限部品の前段に、前記接点信号に基づいてオンオフが切り替えられるスイッチを配置したことを特徴とする請求項1に記載の防爆バリア。

請求項3

前記電圧制限部品は、ツェナーダイオードであり、前記電流制限部品は、抵抗であることを特徴とする請求項1または2に記載の防爆バリア。

技術分野

0001

本発明は、バルブ動作を指示する接点信号電磁弁制御信号に変換する接点信号変換装置係り、特に、ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置における防爆バリアに関する。

背景技術

0002

プラント等においてバルブの開閉遠隔操作する場合は、操作を行なう端末装置からバルブ駆動装置にバルブの開閉を指示する制御信号が送られる。従来、操作装置とバルブ駆動装置との通信は、端末装置とバルブ駆動装置との間に敷設した制御信号線を介した有線通信で行なわれていたが、近年では無線で通信が行なわれことも多くなっている。

0003

図6は、無線通信を行なう端末装置とバルブ駆動装置との構成を示す図である。本図に示すように、操作を行なう端末装置51には、端末無線通信装置52が接続され、バルブ開閉動作を行なうバルブ駆動装置60にはバルブ側無線通信装置53が接続されている。

0004

ここでは、バルブ開動作を例に説明する。オペレータが端末装置51でバルブ駆動装置60の開動作を指示すると、端末側無線通信装置52からバルブ側無線通信装置53にバルブ開接点信号のオンが無線で送られ、バルブ駆動装置60に伝達される。

0005

バルブ駆動装置60は、信号変換装置610、電磁弁620、空気圧開閉器630を備えている。信号変換装置610は、バルブ側無線通信装置53から開接点信号のオンが伝達されると、電磁弁620を動作させる開制御信号のオンに変換して、電磁弁620に出力する。電磁弁620が開制御信号のオンにしたがって電磁弁を切り替えると、空気圧開閉器630がバルブ70を駆動し、バルブ70を開にする。電磁弁620、空気圧開閉器630は、バルブ70の個数に対応して複数個設けることができ、信号変換装置610は、バルブ70毎に開制御信号を出力する。

0006

オペレータが端末装置51でバルブ駆動装置60の動作停止を指示すると、端末側無線通信装置52からバルブ側無線通信装置53に開接点信号のオフが無線で送られ、バルブ駆動装置60に伝達される。バルブ駆動装置60の接点信号変換装置610は、バルブ開接点信号のオフを開制御信号のオフに変換して、電磁弁620に出力する。電磁弁620が開制御信号のオフにしたがって電磁弁を切り替えると、バルブ70の開動作が停止する。

0007

電磁弁620は、小電力で動作が可能なピエゾ型電磁弁が広く用いられている。しかしながら、ピエゾ型電磁弁は、一般的でなく、選択の自由度が低い。また、国内では本質安全防爆仕様認定を受けているものが無いため、使用場所制約がある。

0008

無線通信によるバルブの遠隔操作は、特に、危険場所において有益であるため、一般的で選択の自由度が高く、また、国内で本質安全防爆仕様の認定を受けている製品もあるソレノイド型電磁弁を使用したいという要望がある。

0009

ただし、ソレノイド型電磁弁は、ピエゾ型電磁弁と比較して動作させるためにより大きな電力が必要である。具体的には、ピエゾ型電磁弁が6V、0.5mAの0.003W程度で動作させることができるのに対し、ソレノイド型電磁弁は、DC12V、34mA、408mW程度の電力が必要となる。したがって、無線通信によるバルブの遠隔操作でソレノイド型電磁弁を用いる場合には、接点信号変換装置において、電力供給防爆仕様とを両立させなければならない。

先行技術

0010

特表2003−528269

発明が解決しようとする課題

0011

図7は、ソレノイド型電磁弁を用いたとした場合のバルブ駆動装置60の接点信号変換装置610の構成例を示している。本例では、2系統のソレノイド型電磁弁620(620a、620b)を動作させるものとする。

0012

本図に示すように、接点信号変換装置610は、ソレノイド型電磁弁620の動作電源となる電池611、防爆バリア612、スイッチ613(613a、613b)、ORゲート614を備えている。

0013

電池611は、ソレノイド型電磁弁620を駆動する電力を供給するため、例えば、公称電圧3.6V(最大開路電圧3.9V)の電池を8個直列にして構成する。これにより、公称電圧28.8V(最大開路電圧31.2V)となる。

0014

防爆バリア612は、ソレノイド型電磁弁620に供給する電圧電流とを、それぞれソレノイド型電磁弁620の本安回路最大電圧、本安回路最大電流以下に制限する回路である。

0015

スイッチ613(613a、613b)は、防爆バリア612の出力とソレノイド型電磁弁620(620a、620b)との間に配置され、バルブ側無線通信装置53からの開接点信号に応じてオンオフが切り替えられる。オンになったスイッチ613に接続されたソレノイド型電磁弁620に、電池611からの電力が防爆バリア612を介して供給される。

0016

ORゲート614は、2系統の開接点信号のいずれかがオンになるとハイとなる防爆バリア制御信号を防爆バリア612に出力する。

0017

図8は、防爆バリア612の構成例を示している。ここでは、ソレノイド型電磁弁620の本安回路最大電圧が29.4Vであり、本安回路最大電流が93.8mAであるとし、防爆バリア612は、電圧を29.4Vに制限し、電流を93.8mAに制限するものとする。

0018

本図に示すように防爆バリア612は、電池611側に電流制限部品である抵抗R11とスイッチSW11を配置し、スイッチ613およびソレノイド型電磁弁620側に電圧制限部品であるツェナーダイオードZD11、ZD12を配置している。これは、電流を制限してから電圧を制限した方が、より大きな電力をソレノイド型電磁弁620に供給することができるからである。

0019

ツェナーダイオードZD11、ZD12は、本安回路最大電圧Uoを29.4Vに制限するため、例えば、ツェナー電圧Vzが26.7〜28.1Vのものを用いる。抵抗R11は、本安回路最大電流Ioを93.8mAに制限するため、電池611の最大開路電圧31.2V/93.8mA≒333Ω以上の抵抗を用いる。スイッチSW11は、防爆バリア制御信号がハイになるとオンに切り替わるスイッチであり、例えば、FETを用いる。

0020

図9は、防爆バリア612の電圧−電流特性を示す図である。防爆バリア612は、電流を制限してから電圧を制限しているため、出力電流が小さい領域で、出力電圧がツェナー電圧Vzで一定に制限され、本図に示すように、電圧−電流特性は非線形となる。

0021

一般に、防爆バリアを介して供給される電力の電圧−電流特性が線形であれば、既存の計算式を用いて、認証機関防爆構造規格を満たす防爆設計を容易に行なうことができる。

0022

しかしながら、電圧−電流特性が非線形の場合には、計算法確立されておらず、より厳しい条件で実験的に本質安全性の評価を行なわざるを得ない。このため、防爆設計が複雑で困難な作業となる。

0023

そこで、本発明は、ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置において防爆設計を容易化することを目的とする。

課題を解決するための手段

0024

上記課題を解決するため、本発明の防爆バリアは、オンオフの接点信号を、ソレノイド型電磁弁を動作させる制御信号に変換する接点信号変換装置において前記ソレノイド型電磁弁の動作電源の電圧と電流とを制限する防爆バリアであって、電圧を制限する電圧制限部品の後段に、電流を制限する電流制限部品を配置したことを特徴とする。
ここで、前記電圧制限部品の前段に、前記接点信号に基づいてオンオフが切り替えられるスイッチを配置してもよい。
例えば、前記電圧制限部品は、ツェナーダイオードとし、前記電流制限部品は、抵抗とすることができる。

発明の効果

0025

本発明によれば、ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置において防爆設計を容易化することができる。

図面の簡単な説明

0026

本実施形態に係るバルブ駆動装置の接点信号変換装置の構成例を示す図である。
本実施形態の防爆バリアの構成例を示す図である。
防爆バリアの電圧−電流特性を示す図である。
本実施形態の防爆バリアの電圧−電流特性と負荷線を示す図である。
本実施形態の変形例の防爆バリアの電圧−電流特性と負荷線を示す図である。
無線通信を行なう端末装置とバルブ駆動装置との構成を示す図である。
ソレノイド型電磁弁を用いたとした場合のバルブ駆動装置の接点信号変換装置610の構成例を示す図である。
防爆バリアの構成例を示す図である。
防爆バリアの電圧−電流特性を示す図である。

実施例

0027

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に係るバルブ駆動装置10の接点信号変換装置110の構成例を示している。本実施例では、2系統のソレノイド型電磁弁120(120a、120b)を動作させるものとする。なお、バルブ駆動装置10は、図6に示した構成と同様に、無線通信でバルブの開閉を遠隔操作する構成において、バルブ側無線通信装置とバルブとの間に配置される。

0028

本図に示すように、接点信号変換装置110は、ソレノイド型電磁弁120の動作電源となる電池111、防爆バリア112、スイッチ113(113a、113b)、ORゲート114を備えている。図6に示したように、それぞれのソレノイド型電磁弁120(120a、120b)は、バルブを動作させる空気圧開閉器を駆動する。

0029

電池111は、ソレノイド型電磁弁120を駆動する電力を供給するため、例えば、公称電圧3.6V(最大開路電圧3.9V)の電池を8個直列にして構成する。これにより、公称電圧28.8V(最大開路電圧31.2V)となる。ただし、ソレノイド型電磁弁120を動作させる電力を供給可能な外部供給電源を用いるようにしてもよい。

0030

防爆バリア112は、ソレノイド型電磁弁120に供給する電圧と電流とを、それぞれソレノイド型電磁弁120の本安回路最大電圧、本安回路最大電流以下に制限する回路である。

0031

スイッチ113(113a、113b)は、防爆バリア112の出力とソレノイド型電磁弁120(120a、120b)との間に配置され、バルブ側無線通信装置からの開接点信号に応じてオンオフが切り替えられる。オンになったスイッチ113に接続されたソレノイド型電磁弁120に、電池111からの電力が防爆バリア112を介して供給される。

0032

ORゲート114は、2系統の開接点信号のいずれかがオンになるとハイとなる防爆バリア制御信号を防爆バリア112に出力する。開接点信号の系統数に対応した入力数を有するものとし、開接点信号が1系統の場合は不要である。

0033

図2は、本実施形態の防爆バリア112の構成例を示している。ここでは、ソレノイド型電磁弁120の本安回路最大電圧が29.4Vであり、本安回路最大電流が93.8mAであるとし、防爆バリア112は、電圧を29.4Vに制限し、電流を93.8mAに制限するものとする。

0034

本図に示すように防爆バリア112は、電池111側にスイッチSW1と電圧制限部品であるツェナーダイオードZD1、ZD2を配置し、スイッチ113およびソレノイド型電磁弁120側に電流制限部品である抵抗R1を配置している。すなわち、電圧制限部品の後段に電流制限部品である抵抗R1を配置しているため、
スイッチSW1は、防爆バリア制御信号がハイになるとオンに切り替わるスイッチであり、例えば、FETを用いる。トランジスタフォトカプラ等を用いてもよい。スイッチSW1により、いずれかの接点信号がオンになって防爆バリア制御信号がハイとなった場合にのみ、電池111から電流が流れるため、電池111の寿命を伸ばすことができる。

0035

ツェナーダイオードZD1、ZD2は、本安回路最大電圧Uoを29.4Vに制限するため、例えば、ツェナー電圧Vzが26.7〜28.1Vのものを用いる。もちろん、複数個のツェナーダイオードを直列に接続して本安回路最大電圧Uoを29.4Vに制限するようにしてもよい。

0036

抵抗R1は、本安回路最大電流Ioを93.8mAに制限するため、電圧制限部品の最大電圧28.1V/93.8mA≒300Ω以上の抵抗を用いる。本実施形態では、電圧制限部品の後段に電流制限部品である抵抗R1を配置しているため、電池111の最大開路電圧31.2Vではなく、電圧制限部品の最大電圧28.1Vに基づいて抵抗R1の下限値が定められる。もちろん、複数個の抵抗を用いて300Ω以上の電流制限部品を構成してもよい。

0037

なお、スイッチSW1のオン抵抗や電池111の内部抵抗が極めて小さい場合には、電圧制限部品と電池111との間に小さな抵抗を挿入することが望ましい。

0038

図3は、防爆バリアの電圧−電流特性を示す図である。本図における実線が本実施形態の防爆バリア112の電圧−電流特性であり、破線が電流を制限してから電圧を制限する防爆バリア612の電圧−電流特性である。

0039

本実施形態の防爆バリア112は、電圧を制限してから電流を制限しているため、本図に示すように、電圧−電流特性は線形となる。このため、既存の計算式を用いて、認証機関の防爆構造規格を満たす防爆設計を容易に行なうことができる。

0040

また、本実施形態の防爆バリア112において、電流制限部品である抵抗R1の値は、300Ω以上の範囲で選択することができる。これは、電流を制限してから電圧を制限する防爆バリア612の電流制限部品の下限値333Ωよりも小さい値である。このため抵抗値選択範囲が広くなり、回路設計の自由度が増すことになる。

0041

ただし、本図に示すように、本実施形態の防爆バリア112は、同一の出力電流での出力電圧は、電流を制限してから電圧を制限する防爆バリア612に比べて低くいため、出力できる電力は小さくなる。

0042

しかしながら、図4に示す、電力が408mWとなる負荷線と本実施形態の防爆バリア112の電圧−電流特性との関係から分かるように、本実施形態の防爆バリア112でも、ソレノイド型電磁弁120の動作に必要な408mW以上の電力を出力することができる。このため、無線によるバルブの遠隔操作システムにおけるソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置の防爆バリアとして用いることが可能である。

0043

なお、上記の実施形態では、電圧制限部品により本安回路最大電圧Uoを29.4Vに制限するようにしていたが、本安回路最大電圧Uoを24V以下に制限することにより、点火限界曲線による本質安全性の評価を行なうことができるようになるため、一層防爆設計が容易となる。

0044

この場合、図2におけるツェナーダイオードZD1、ZD2として、例えば、ツェナー電圧Vzが20.9〜23.1Vのものを用いればよい。このとき、抵抗R1は、本安回路最大電流Ioを93.8mAに制限するため、電圧制限部品の最大電圧23.1V/93.8mA≒256Ω以上の抵抗を用いるようにする。

0045

これにより、本安回路最大電圧Uoが24V以下に制限されるため、点火限界曲線による本質安全性の評価を行なうことができるようになる。すなわち、点火限界曲線で本質安全性の評価を行なうことで、接点信号変換装置110内部キャパシタンスおよび内部インダクタンスによっては、試験装置を用いた評価を省略することができる。

0046

なお、本安回路最大電圧Uoを24V以下に制限した場合であっても、図5に示すように、ソレノイド型電磁弁120の動作に必要な408mW以上の電力を出力可能動作点が存在する。このため、無線によるバルブの遠隔操作システムにおけるソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置の防爆バリアとして用いることが可能である。

0047

10…バルブ駆動装置
110…接点信号変換装置
111…電池
112…防爆バリア
113…スイッチ
114…ORゲート
120…ソレノイド型電磁弁

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