JP2013529832A - 設備のフェールセーフな接続または接続解除のための安全回路 - Google Patents

Abstract

【課題】信号装置および制御装置が物理的に互いに遠く離れている場合に、信号装置と制御装置との間の、より安価で、かつ、それでもフェールセーフな接続を可能にする安全回路および信号装置を提供する。
【解決手段】危険な設備24への電力供給路20をフェールセーフな仕方で接続または遮断するよう設計された制御装置12と、複数の回線50、52を介して制御装置12に接続された信号装置14を有している。信号装置14は、規定の第1状態と第2状態40’との間で変化することのできるアクチュエータ40を有し、信号装置のパルス発生器42は、アクチュエータ40が第1状態のときに、回線50、52上に複数の信号パルス46を有する規定のパルス化された信号44を生成するよう設計されている。信号装置14は、第1および第2コア50、52を有する2ワイヤ回線54を介して制御装置12に接続され、2つのコアの間には、アクチュエータ40が第2状態のときに、実質的に一定の電圧が存在し、複数の信号パルス46を生成するために、パルス発生器42が、第1コア50と第2コア52との間に電圧ディップ88を生じさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、危険な設備のフェールセーフな接続または接続解除用の安全回路であって、設備への電力供給路をフェールセーフな仕方で接続または遮断するよう設計された制御装置と、複数の回線を介して制御装置に接続された信号装置とを備え、該信号装置は、規定の第1状態と第2状態との間で変化することのできるアクチュエータと、該アクチュエータが第1状態のときに、回線上に複数の信号パルスを有する規定のパルス化された信号を生成するよう設計されたパルス発生器とを有する、安全回路に関するものである。

さらに、本発明は、このような安全回路用の信号装置に関し、該信号装置は、信号装置を制御装置に接続することができる多重ワイヤ回線を接続するための複数のコネクタと、規定の第1状態と第2状態との間で変化することのできるアクチュエータと、アクチュエータが規定の第1状態のときに、多重ワイヤ回線上の複数の信号パルスを有する規定のパルス化された信号を生成するよう設計されたパルス生成器を備えている。

この種の安全回路および信号装置は、下記特許文献1より公知である。
本発明に係る安全回路は、少なくとも2つの機能決定部品を有する回路構成であり、これらの機能決定部品は、技術設備の危険な運転から保護するように、すなわち、設備の付近にいる人々の健康または生命を危険にさらす事故を回避するように相互作用する。
1つの部品は制御装置であり、該制御装置は、設備を、危険でない電源切断された状態にするために、設備への電力供給路をフェールセーフな仕方で遮断するよう特に設計されている。比較的大きな設備の場合、制御装置のこの機能は設備の部分または領域に限定することができ、比較的大きな設備の異なる領域は、複数の制御装置により別々に制御することができる。不具合が発生した場合でも、制御装置が設備の安全な運転状態を保証することが重要である。例えば電子部品が不具合を起こした場合、結線が損傷し、または、別の不具合事例が発生する。ゆえに、個々の不具合を早期に識別し、不具合の蓄積を避けるため、制御装置は通常、多重チャネルの冗長性を備えて構成されており、内部の監視機能を有している。

適切な制御装置はプログラム可能な安全制御器であってもよく、または、大部分が固定された機能的な範囲を有する、より簡単な安全スイッチング装置であってもよい。通常、制御装置は、欧州規格EN 954-1カテゴリー3もしくはそれより上に関し、国際規格IEC 61508のSIL 2に関し、または、類似の規定に関し、単一不具合安全性を有している。
制御装置は、いわゆる信号装置またはセンサの運転状態を監視する。信号装置/センサは制御装置用に入力信号を生成し、この入力信号が制御装置により評価され、上記信号に依存して、例えば電気駆動装置またはソレノイドバルブなどの、設備のアクチュエータを接続または接続解除するために、適切であれば、論理的に相互接続される。

多くの場合、信号装置は、例えば機械的な保護ドアが閉じているかどうか、緊急停止ボタンが作動されているかどうか、光バリアが遮られているかどうかに関する非常に簡単なバイナリ情報を生成する。しかし、信号装置/センサは、例えばボイラの温度または駆動装置の回転速度などのアナログ値をも生成してもよい。
一般に、信号装置/センサからの信号に基づき運転が危険でないことが推定できるときにのみ、安全回路の制御装置は設備の運転を可能にする。しかし、例えば保護ドアを開けたままセットアップ運転モードを可能にするために、保護措置を意図的に無視する場合もある。

これらの場合、運転者によってこのような場合に作動される必要のある特別な許可ボタンがしばしば使用される。このような許可ボタンは安全関連の信号装置である。
大きな設備では、安全制御器に安全関連の入力信号を供給する、複数の信号装置/センサが備えられていてもよい。個々の信号装置/センサは互いに遠く離れて配置することもでき、その結果、セットアップにかなりの手間がかかることになる。

閉じた開閉装置キャビネットまたは潰れ防止（pinch-proof）チューブの外側を延びるケーブル接続の場合、損傷の結果として起こり得る交差接続を、安全制御器により検知する必要がある。ゆえに、安全回路の信号装置/センサと制御装置との間の接続回線はしばしば冗長性を有しており、これにより複雑性がさらに増加する。
冒頭で言及した下記特許文献1は、複数の信号装置がフェールセーフな制御装置に直列に接続された安全回路を開示している。制御装置は2つの冗長な許可信号を生成し、許可信号は、2つの冗長な回線を介し、一連の信号装置を通って、制御装置へフィードバックされる。一連の信号装置のうちの一つが少なくとも1つの冗長な許可信号を遮断した場合、これは制御装置で検知され、設備への電力供給路が遮断される。

信号装置のスマートな実施(smart implementation)により、上記安全回線を介して、診断情報を制御装置に送信することもできる。ゆえに、公知の回路構成により、柔軟な診断可能性を有する比較的安価な設計が可能になる。
しかし、実際の実施形態には、許可信号を制御装置から信号装置へと供給し、再び戻すための少なくとも4つの別々の回線または回線コアが必要である。信号装置は、冗長な許可信号を伝えるための作動電圧を必要とする電子部品を使用するので、信号装置に作動電圧および対応する接地電位を供給するのに、通常2つのさらなる回線またはコア対が必要とされる。ゆえに、すでに実現している利点にもかかわらず、特に個々の信号装置と制御装置との間で大きな距離に架橋する必要があるときに、このような実施形態は依然として複雑である。

例えばスキーリフトを制御する場合、信号装置と制御装置との間に数キロメートルの距離がある場合があり、そのような場合、既存の回線を使用することが望ましいが、下記特許文献1に係る実施態様について利用可能な十分な回線コアが一般に存在しない。
下記特許文献2は、制御装置および複数の信号装置を有する別の安全回路を開示しており、複数の信号装置は互いに直列に制御装置へと接続されている。各信号装置は通常は閉じられた接点を有していて、コード信号生成器に連結されており、コード信号生成器は、接点が開かれているときに、特徴的なコード信号を制御装置へと供給する。実際の実施態様として、少なくとも3つの回線コアが必要とされる。しかし、制御装置の許可信号出力での回線と制御装置の許可信号入力での回線との間の交差接続は、容易に検知することができない。その結果、より高い安全カテゴリーに関し、さらなる冗長な信号回線が必要とされる場合がある。

下記特許文献3は、信号装置およびフェールセーフな制御装置を有する、さらなる安全回路を開示している。信号装置は、1つの接続回線を介した単一チャネル方式、または、2つの冗長な接続回線を介した2チャネル方式で、制御装置に接続されている。単一チャネル方式はそれ自体がフェールセーフ性をもたらすものではなく、スタートボタンについて提案されているのみである。スタートボタンはこのような場合には通常、危険な設備の近くに配置されている。一実施形態には、2つの異なるクロック信号が、許可信号として、緊急停止ボタンの冗長な接点を介し、フェールセーフな制御装置から供給されて、制御装置へと戻ることが記載されている。

下記特許文献4は、複数の信号装置および制御装置を有する、安全回路を開示しており、制御装置は直列に接続されて、異なる接続解除グループと階層的な制御システムを形成している。実施形態では、制御装置は単一チャネルの接続回線を介して連結されており、単一チャネルの接続回線を介して、規定の電位に対する静的な信号成分および動的な信号成分を有するスイッチング信号が送信される。この実施形態はさらに、接続された制御装置用に共通の接地を必要とする。さらに、接続された制御装置はそれぞれ作動電圧を必要とし、作動電圧は同様に、回線の実数がより多くなるように供給される必要がある。

下記特許文献5は、作動素子を有する信号装置を開示しており、作動素子は第1位置と少なくとも1つの第2位置との間で移動されることができる。作動素子の位置を検知するための検知素子は、個々のトランスポンダ識別を有するトランスポンダと、トランスポンダ識別のための読み取りユニットとを備えている。信号装置は試験信号を供給するための信号入力を有しており、試験信号により、トランスポンダ識別の読み取りを試験目的のために抑制することができる。くわえて、供給電圧用の接続、接地および信号出力が必要とされ、それらにより、信号装置は、検知素子からフェールセーフな制御装置へと情報を送信することができる。ゆえに、信号装置を制御装置に接続するには、少なくとも全部で4つの回線が必要とされる。

さらなる信号装置が下記特許文献6から公知である。信号装置の静止位置では、スイッチング素子は開いている。特定の作動位置では、スイッチング素子は閉じている。信号装置のフェールセーフな制御装置への接続に関する詳細は説明されていない。
さらに、ASI（アクチュエータ・センサ・インターフェース）と呼ばれるフィールドバスシステムが当業者に公知であり、上記ASIバスシステムは専用の二芯ケーブルにより実施することができ、自動化された設備の場平面でセンサおよびアクチュエータを相互接続するのに使用される。この場合、ASIバスマスタは、繰り返される時間間隔で、ASIバスに接続されたセンサへ要求を送信する。次いで、上記センサはそれらのセンサ状態をASIバスマスタに送信する。このシステムが必要とするのは2つの回線コアのみである。しかし、バスプロトコルを実施することのできる専用のインターフェースモジュールが必要とされる。冒頭で言及した種類の安全回路用に、制御装置および信号装置の両方がASIバスに適合したインターフェースモジュールを有している必要があり、これは、いくつかの用途のためには、あまりに複雑かつ高価である。

最後に、下記特許文献7は安全でない回路構成を開示しており、そこでは、作動電圧および制御信号の両方が、制御装置からソレノイドバルブへ（すなわちアクチュエータへ）二芯の接続回線を介して送信される。

独国特許出願公開第10 2004 020 997号明細書 独国特許出願公開199 11 698号明細書 独国特許出願公開100 11 211号明細書 独国特許出願公開102 16 226号明細書 独国特許出願公開103 48 884号明細書 独国特許出願公開100 23 199号明細書 独国特許出願公開43 33 358号明細書

これらの背景の下に、本発明の目的は、特に信号装置および制御装置が物理的に互いに遠く離れている場合に、信号装置と制御装置との間の、より安価で、かつ、それでもフェールセーフな接続を可能にする、冒頭で言及した種類の安全回路および信号装置を提供することである。

本発明の第1局面によれば、前記目的は、冒頭で言及した種類の安全回路に基づいて実現される。すなわち、信号装置が、第1および第2コアを有する2ワイヤ回線を介して制御装置に接続されており、第1および第2コアの間には、アクチュエータが第2状態のときに、実質的に一定の電圧(predominantly constant voltage)が存在しており、複数の信号パルスを生成するために、パルス発生器が、第1コアと第2コアとの間に電圧ディップを生じさせるように設計されている。

本発明のさらなる局面によれば、前記目的は、冒頭で言及した種類の信号装置に基づいて実現される。すなわち、多重ワイヤ回線が第1コアおよび第2コアを有する2ワイヤ回線であり、第1コアおよび第2コアの間には、アクチュエータが第2状態のときに、実質的に一定の電圧が存在しており、複数の信号パルスを生成するために、パルス発生器が、第1コアと第2コアとの間に電圧ディップを生じさせるように設計されている。

このように、本発明の安全回路は2ワイヤ回線を使用しており、2ワイヤ回線を介して信号装置が制御装置に接続される。ゆえに、公知の安全回路と比較して、接続回線の数が最小にまで低減される。実質的に一定の電圧が、2ワイヤ回線の2つのコアの間に存在しており、上記電圧は、信号装置に作動電圧を供給するために有利な構成で使用されている。それにもかかわらず、信号装置のパルス発生器は、例えば接続回線の2つのコアの間の単純な短絡により、規定のパルス化された信号を形成する複数の信号パルスを生成する。

いくつかの実施形態では、パルス発生器は、2つの回線コアの間の完全な短絡により、電圧ディップを生じさせる。次いで、2つの回線コアの間の電圧はゼロに低下される。
他の実施形態では、2つの回線コアの間の電気抵抗を励起することができ、これが電圧ディップにつながるが、ゼロよりも大きな残留電圧が許容される。例えば、2つの回線コアの間の電圧は、アクチュエータが第2状態のときに約24ボルトであってもよく、パルス発生器が電圧ディップを生じさせたときに約5ボルトに低下されてもよい。

このように、信号装置は動的信号（すなわち、経時変化する信号）を生成し、それは、この動的信号を制御装置への入力信号として利用可能にする。
しかし、公知の安全回路に対して、本発明の安全回路は、制御装置で始まり信号装置を介して制御装置に戻される信号ループを省いている。その代わりに、規定のパルス化された信号に関する期待値のみが制御装置に記録される。すなわち、制御装置は、アクチュエータが規定の第1状態とされているときに、信号装置からの、規定のパルス化された信号を正確に予測する。信号装置が、互いに異なる複数の規定のパルス化された信号を生成できるようにし、規定のパルス化された信号のセットからの規定のパルス化された信号それぞれが、アクチュエータが規定の第1状態にあるという情報を示すようにすることが考えられる。異なるパルス化された信号により、信号装置はさらなる情報を制御装置に送信することができ、上記情報を、設備の作動状況の診断用に制御装置において有利に使用することが可能になる。

アクチュエータが2チャネル設計を有している実施形態では、適切であれば、異なって規定されたパルス化された信号が、両方のアクチュエータチャネルが実際に規定の第1状態にあるか、または、そうでない場合に、どちらのアクチュエータチャネルが不具合を起こしているかに関する情報を示すことができる。
公知の安全回路は一般に、制御装置から信号装置への、および、再び戻る信号ループを使用している。これには、信号ループの進み回線および戻り回線の間の交差接続の危険が伴っており、このような交差接続は信号装置を架橋し、安全状態を制御装置に誤って示唆する。

本発明の安全回路はループを省いており、それゆえに、公知の安全回路でエラーの原因となる可能性のあったものを回避している。第二に、本発明の安全回路は複数の信号パルスを有する動的信号を生成し、その結果、信号装置での、または2ワイヤ回線のコアでの「縮退」故障がすばやく検知される。2つの特徴が組み合わさって、単なる二芯ケーブルを介して、信号装置および制御装置を互いにフェールセーフな仕方で接続することが可能になる。ゆえに、本発明の安全回路は、使用可能な回線コアの数が制限されている用途にまさに好適である。しかし、より多くの回線コアが一般に使用可能であったとしても、信号装置と制御装置との間の配線の複雑さが最小化されるため、本発明の安全回路は有利に使用することができる。

一方、信号装置は、制御装置から独立して（すなわち、制御装置からの事前の要請なしに）動的な情報信号を送信する。この点で本発明の安全回路はバスベースのシステムと異なっている。バスベースのシステムは一般に、制御装置が、接続された信号装置に応答させる双方向の情報のフローを有している。ゆえに、本発明の安全回路は、双方向の通信プロトコルなしに、安全関連の接続または接続解除情報を制御装置に送信することができる。信号装置および/または制御装置に、専用の、そしてそれゆえに比較的高価な通信制御器を使用する必要はない。しかしそれでも、制御装置と信号装置との間のバスベースの通信は、それが他の理由で有利であれば、本明細書で説明した一方向の情報パスに加えて、自然に実施することができる。

ゆえに、全体として、本発明の安全回路はおよび本発明の信号装置は、非常に安価ではあるがフェールセーフな実施形態を可能にする。上述した目的は完全に達成される。
本発明の改良形態では、制御装置が、第1コアに電気的に接続された信号入力コネクタと、第2コアに電気的に接続された接地コネクタとを有している。
この改良形態では、規定のパルス化された信号が、基準電位に対する信号とされている。この信号は、電圧パルスの形態で、2つのコアの間に存在している。第2コアは、信号パルス用の基準電位を第1コアへと通過させる。この改良形態の変形例では、接地コネクタが、制御装置の装置接地に電気的に接続されており、または、装置接地と同じにさえなっている。本構成には、本発明の信号装置が公知の制御装置と互換性があるという利点がある。ゆえに、本発明の安全回路は、本発明の信号装置とともに安価に実施することができる。

さらなる改良形態では、第1コアが、信号装置から遠方に配置された作動電圧源にさらに接続されている。作動電圧源は制御装置の領域に配置されているのが好ましい。第1コアがプルアップ抵抗器を介してコネクタに接続されており、上記コネクタが制御装置の作動電圧電位に結合されているのが特に好ましい。別の変形例では、作動電圧源は、規定の負荷独立電流を2ワイヤ回線内へと供給できる電流源である。

この改良形態は、前の改良形態と組み合わせると特に有利である。しかし、これは、それと別体で実施することもできる。この改良形態の特別な特徴は、第1コアが、（信号装置から制御装置への）制御装置用の入力信号両方を伝導し、信号装置用に逆の方向に作動電圧を供給することにある。ゆえに、第1コアは二重の機能を果たす。これにより、信号装置および制御装置が互いに遠く離れて配置されている場合に、特に簡単で安価な実施形態が可能になる。さらに、この改良形態自体が、アースへの電気接続が基準電位を提供する場合に特に、簡単なやり方で信号装置に作動電圧を供給できるという利点を有している。電流源はまた、より素早い2コア回線の電荷の反転を、そしてそれゆえに、本発明の安全回路の増し加わった反応速度を可能にする。

さらなる改良形態では、信号装置が、第1および第2コアの間の実質的に一定の電圧を使用して、パルス発生器用の大部分一定の作動電圧を生成する電圧調整器を有している。
この改良形態は、第1コアが上述した二重の機能で（すなわち、まず、規定のパルス化された信号を送信するために、次に、作動電圧を信号装置に供給するために）使用された場合でも、信号装置の安定した途切れない作動を保証することに貢献する。パルス化された信号により、第1および第2コアの間の電圧は、設計の結果として、繰り返し低下する。電圧調整器は、電圧ディップに敏感なマイクロコントローラまたは別の部品により信号生成器を実施したとしても信号装置の安定した作動が可能なように、これらの電圧ディップをよく補償することができる。

さらなる改良形態では、信号生成器が、信号処理回路と、信号処理回路により駆動され、第1および第2コアの間に配置されるスイッチング素子とを有している。好ましい実施形態では、信号処理回路はマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、ASICまたはFPGA、すなわちプログラマブル信号処理回路とされている。
この改良形態では、第1および第2コアの間の短絡を可能にするスイッチング素子が、アクチュエータのそれぞれの現在状態を判断するのが好ましい信号処理回路から分離されている。本改良形態は、最適な特徴を有するスイッチング素子を備えた短絡を実現して、短絡中の電流および熱負荷を吸収することを可能にする。ゆえに、本改良形態は、本発明の信号装置および本発明の安全回路の長い寿命および高度な作動の信頼性に貢献する。第二に、プログラマブル信号処理回路は、規定のパルス化された信号の選択および生成に関して、高度の柔軟性をもたらす。比較的長いおよび比較的短い信号パルスの規定のシーケンスを有する「複雑な」パルス化された信号を容易に生成することができる。規定のパルス化された信号が、より独特で複雑であれば、制御装置による信号装置からの情報の評価を、より個別で安全にすることができる。

さらなる改良形態では、信号装置が、第1および第2コアに対して互いに並列に接続された第1および第2パルス発生器を有している。
この改良形態では、信号装置は、少なくとも2つの冗長なパルス発生器を有している。好ましい実施形態では、2つのパルス発生器はそれぞれ、規定のパルス化された信号を生成することができる。冗長性により、まず有利な2チャネルの実施形態が可能になり、それゆえに、増し加わったフェールセーフ性がもたらされる。さらに、冗長性により利用可能性も増し加わり、その結果、本発明の信号装置は、例えば信号生成器の一方が不具合を起こした場合でも、診断目的で、パルス化された信号を制御装置に送信することができる。

さらなる改良形態では、第1および第2パルス発生器がともに、規定のパルス化された信号を生成する。好ましい実施形態では、2つのパルス発生器はそれぞれ、信号パルスのいくらかを生成し、その際、パルス発生器により生成された信号パルスの組み合わせのみが、制御装置での期待値に対応する規定のパルス化された信号を形成する。いくつかの変形例では、第1パルス発生器は、第2パルス発生器に対してマスター機能を有している。これは、第2パルス発生器が、第1コアで第1パルス発生器の複数の信号パルスを複数検知していた場合に、規定のパターンに従って信号パルスを発生させるだけであるためである。これに対応して、各パルス発生器がリードバック入力を有しているのも好ましい。リードバック入力を介して、それは制御装置へと続く回線上の信号パルスを読み取ることができる。

本改良形態は、2つの冗長なパルス発生器により、「2チャネルの」パルス化された信号の非常に簡単な生成を可能にする。ゆえに、本発明の信号装置は、2チャネルの変形例において非常に安価な仕方で実施することもできる。パルス発生器でのリードバック入力はさらに、不具合状態の、より簡単な診断を可能にする。この理由でこの変形例は、単一チャネルの信号装置において有利である場合もある。

さらなる改良形態では、信号装置が、アクチュエータおよびパルス発生器が配置されている、大部分閉じた装置ハウジングを有している。好ましい実施形態では、アクチュエータは機械的に動かされるアクチュエータ、特に手動で作動される作動素子である。
この改良形態では、本発明の信号装置の本質的な部品が、装置ハウジング内に封入されている。特に、アクチュエータおよびパルス発生器の少なくとも電気接続が、装置ハウジング内に配置されている。本改良形態は、意図せぬ間違った操作によりアクチュエータをパルス発生器から切り離すことができないという利点を有しており、その結果、交差接続などの結果としてのパルス発生器の規定のパルス化された信号が、アクチュエータの実際の状態を表すことがない。ゆえに、本改良形態はフェールセーフ性を増大させる。

さらなる改良形態では、制御装置が、規定のパルス化された信号に基づき、信号装置の不具合状態を判断するよう設計されている。好ましい変形例では、制御装置はさらに、例えば、制御装置に配置された表示ユニット上に、および/または、診断出力で提供される診断信号により、不具合状態を示唆するように設計されている。
この改良形態では、信号装置のフェールセーフ性が制御装置で「生み出されて」いる。すなわち、不具合状態が存在するかどうかに関する決定、および、信号装置の不具合の可能性に対する反応が、制御装置で起こる。ゆえに、パルス化された信号自体は必ずしも「安全な」信号ではない。制御装置でのパルス化された信号の解釈（特に制御装置に記録された期待値との比較）のみが、不具合があるかどうかを判断することを可能にする。不具合検知機構がいずれにせよ制御装置内に必要とされるため、本改良形態により非常に安価な実施が可能になる。信号装置の実施形態を、より簡単に、そしてそれゆえに、より安価にすることができる。

本発明の実施形態に係る安全回路の構成を示す概略図である。 図1に示す安全回路で使用される本発明の信号装置の実施形態を示す概略図である。

上述した、および、以下に説明する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ言及した組み合わせだけでなく、他の組み合わせでも、または単独でも使用することができる。
本発明の実施形態を図に示し、以下の記述において、より詳細に説明する。
図1では、本発明の安全回路の実施形態全体を参照番号10で示している。安全回路10は制御装置12および信号装置14を備えている。この実施形態では、制御装置12は、大部分が固定された機能範囲を有する安全スイッチング装置である。適切な安全スイッチング装置が、PNOZ（登録商標）という商標で出願人により販売されている。

安全スイッチング装置12は、信号装置からの入力信号を、例えば上記入力信号に基づいて、接触器、ソレノイドバルブまたは電気駆動装置などのアクチュエータを接続または接続解除するために、処理するよう設計されている。安全スイッチング装置の代わりに、制御装置12は、別の種類のPSS（登録商標）という商標で出願人により販売されているようなプログラマブル安全制御器であってもよい。

不具合が起きたときに、監視されている設備を安全な状態にするために、制御装置12は、多重チャネルの冗長性を有しており、内部の部品部分の不具合および回路内の外的な不具合を検知するように設計された試験機能を含んでいる。
好ましい実施形態では、制御装置12は、欧州規格EN 954-1カテゴリー3以上に関連して、国際規格IEC 61508に係るSIL2に関連して、または、類似の規格に関連してフェールセーフである。この場合、それぞれがスイッチング素子18a、18b を駆動する2つのマイクロコントローラ16a、16bの形態の2つの冗長な信号処理チャネルが、簡略化された形態で図示されている。マイクロコントローラの代わりに、制御装置12は、マイクロプロセッサ、ASIC、FPGAまたは他の信号およびデータ処理回路を有していてもよい。

スイッチング素子18はこの場合、作動接点が互いに直列に配置された中継器として示されている。作動接点は、電源22と、この場合、機械設備を表す電気駆動装置24との間に、電力供給路20を形成する。実際の機械設備が、複数の電気駆動装置および他のアクチュエータを含んでいてもよいことは言うまでもない。
本発明は、狭義の生産機械における機械設備に限定されない。これは、作動中に危険を及ぼし、そのような場合に、特に電力供給路20の遮断により安全な状態にされる必要のある、すべての技術設備に使用することができる。

中継器18の代わりに、または中継器18に加えて、制御装置12は電子的なスイッチング素子、特にパワートランジスタを有していてもよい。いくつかの実施形態では、制御装置12は、出力側に複数の冗長な電子的なスイッチング素子を有している。電子的なスイッチング素子はそれぞれ、規定の電位を参照して出力信号を供給し、電子的なスイッチング素子により、外部の接点、ソレノイドバルブなどを駆動することができる。

好ましい実施形態では、制御装置12は、個々の部品（特にプロセッサ16およびスイッチング素子18）が配置された装置ハウジング26を有している。コネクタが装置ハウジングに配置されており、上記コネクタのいくつかを本明細書では参照番号28、30、32および34で示している。
コネクタ30はこの場合、制御装置12に作動電圧UBを供給するためのコネクタである。いくつかの実施形態では、作動電圧UBは、プロセッサ16、スイッチング素子18、および、制御装置12のさらなる部品に供給するために必要な24ボルトの直流電圧である。コネクタ32はこの場合、供給電圧UB用の基準電位である接地コネクタである。ゆえに、コネクタ32はこの場合、制御装置12の装置接地電位である。

コネクタ34は制御装置12の信号入力である。コネクタ34に印加される入力信号は、上記信号に依存してスイッチング素子18を駆動するために、冗長な仕方でマイクロコントローラ16に供給され、冗長な仕方でマイクロコントローラ16により評価される。
好ましい実施形態によれば、制御装置12はこの場合、コネクタ30でコネクタ34を作動電圧UBに接続するプルアップ抵抗器36を有している。ゆえに、コネクタ34の電位は作動電圧UBの電位へと「引き上げられる（pulled up）」。これは、以下に説明する信号装置に関連して、特に好ましい実施形態である。いくつかの実施形態では、プルアップ抵抗器36はコネクタ30、34に一体化されていてもよい。他の実施形態では、プルアップ抵抗器36は制御装置12の外部に配置されていてもよい。

信号装置14はアクチュエータ40を有しており、アクチュエータ40はこの場合、手動で作動されるボタンである。アクチュエータ40はバネ（図示せず）を介して第1作動位置へと据えられ、その際、電気接点41が上記第1作動位置で開放されている。本実施形態では、これはアクチュエータ40の休止した静止状態（第2状態）である。アクチュエータ40は、バネ力に抗して、電気接点41が閉じられた第2作動位置40'に持ってゆくことができる。電気接点41が閉じられると、パルス発生器42が作動電圧UBに接続される。

次いで、パルス発生器42は、複数の信号パルス46を有する、規定のパルス化された信号44を生成する。その結果、状態40'が本発明に関連して、規定の第1状態となる。
一実施形態では、パルス発生器42は、アクチュエータ40が作動されたときに、信号パルス46を生成するために必要な作動電圧を受信するのみである。そうでなければ、これは休止している。

本発明のすべての実施形態において、パルス発生器42は、アクチュエータ40が規定の状態40'に位置しているときにのみ、パルス化された信号44を生成する。
図示した実施形態では、アクチュエータは、単純な、手動の、通常は開いた接点である。別の実施形態では、アクチュエータは、通常は閉じた接点、または、通常は閉じた接点と通常は開いた接点との組み合わせであってもよい。さらに、アクチュエータは、トランスポンダ、光バリア、または、温度、圧力、電圧など用の測定値変換器であってもよい。

好ましい実施形態では、信号装置14が、試験およびセットアップ目的で、駆動装置24を安全に接続するために使用される。信号装置14はこの場合、駆動装置24および制御装置12から大きく距離を空けて配置することができる。一実施形態では、制御装置12は、駆動装置24の近傍の開閉装置キャビネット内に配置されており、信号装置14は開閉装置キャビネットから数百メートルの距離にある。他の実施形態では、信号装置14は、緊急停止ボタン、保護ドアスイッチ、近接スイッチ、光バリア、温度モニタなどの形態をしていてもよい。

信号装置14はこの場合、2ワイヤ回線54の2つの回線コア50、52を介して、制御装置12に接続されている。第1回線コア50は、信号装置のコネクタ56から制御装置のコネクタ34へと延びている。第2回線コア52は、信号装置のコネクタ58からコネクタ32へと延びている。コネクタ56、58は、パルス発生器42およびアクチュエータ40（可能であれば）を包囲する装置ハウジング60上に配置されている。

本発明の安全回路10の一つの特徴は、2ワイヤ回線54を介して制御装置12に供給される、規定の「専用の」パルス化された信号44を、純粋にアクチュエータ40の作動に依存して生成する、信号装置14の能力である。公知の安全回路と異なり、好ましい実施形態の信号装置14は、制御装置12から許可信号または要請信号を受信しない。代わりに、これは、アクチュエータ40が規定の第1状態40'に置かれるとすぐに、パルス化された信号44を自動的に生成する。規定のパルス化された信号44は、期待値(expectation)として制御装置12に（より詳しくは、例えばマイクロコントローラ16に含まれるメモリに）記録される。

マイクロコントローラ16が、規定のパルス化された信号44を信号入力34で識別するとすぐに、これはアクチュエータ40の作動であると解釈される。
図示した実施形態では、次いで、マイクロコントローラ16がスイッチング素子18を介して駆動装置24を接続する。
一方、信号装置14が緊急停止ボタンとして働くことが意図されている場合、アクチュエータ40の静止状態は、パルス発生器42が、緊急停止ボタンの作動に応じて、連続的に、パルス化された信号44を生成しパルス化された信号44を遮断するように選択されているのが好ましい。マイクロコントローラ16は、パルス化された信号44の欠如を識別し、それに応じて駆動装置24を接続解除する。

図1に示すように、安全回路10はさらなる信号装置14'を備えていてもよい。信号装置14'は、コネクタ32、34へ、信号装置14と並列に接続される。好ましくは、信号装置14'は、パルス化された信号44と異なるパルス化された信号44'を生成する。次いで、制御装置12は、パルス化された信号に基づき、入力34に存在するパルス化された信号が生じる信号装置を識別することができる。

図2は、本発明の信号装置のさらなる実施形態を示している。同一の参照符号は、先程と同じ要素を示している。
この実施形態では、信号装置14が、マイクロコントローラ70aと、マイクロコントローラ70aにより駆動されるスイッチング素子72aとを有している。スイッチング素子72aはこの場合、そのソース端子およびドレイン端子がコネクタ56、58の間に配置されている電界効果トランジスタ（FET）である。このように、FETは、2ワイヤ回線54の回線コア50、52の間に短絡を起こすことができる。FETの代わりに、バイポーラトランジスタを、そのコレクタ端子およびエミッタ端子とともに、コネクタ56、58の間に配置することができる。

変更された実施形態では、制御装置においてプルアップ抵抗器36とともに分圧器を形成する電気抵抗器73を、スイッチング素子と2つのコネクタ56、58の一方との間に配置することができる。このような抵抗器には、2つの回線コア50、52の間の電圧が、信号装置により電圧ディップが発生した場合にゼロまで低下せず、分圧器36、73の分圧比に対応する電圧値に低下するという効果がある。この変更例には、信号パルス46が生成されたときに、信号装置用の作動電圧が完全に絶たれることがないという利点がある。

参照番号74aは、コネクタ56に存在する電圧をダイオード76aを介して受け取る電圧調整器（直流−直流変換器）を示している。その出力78aにおいて、電圧調整器は、マイクロコントローラ70a用の作動電圧として機能する、例えば5ボルトの調整された直流電圧を生成する。電圧調整器74aは特に、パルス化された信号44の生成の結果として生じる回線コア50の電圧ディップを補償する。さらに、電圧調整器74は、例えば信号装置14’により生じるものを含む他の電圧変動をも補償する。

参照番号40aはこの場合、アクチュエータ40の、通常は開いた接点を示している。接点40aはこの場合、抵抗器80aとともに（さらなる）分圧器を形成しており、その際、マイクロコントローラ70aの入力は上記分圧器の中央のタップ（tap）に接続されている。このように、マイクロコントローラ70aはアクチュエータ40の作動状態を読み取ることができ、これに依存して、スイッチング素子42によって回線コア50、52の間に短絡を起こすことにより、パルス化された信号44を生成することができる。

参照番号82a、84aは、コネクタ56、58と平行に配置された第2分圧器を形成する、2つのさらなる抵抗器を示している。分圧器82a、84aの中央のタップは、マイクロコントローラ70aの別の入力に接続されている。マイクロコントローラ70aは、分圧器82a、84aにより、信号パルス46をリードバックすることができる。
いくつかの実施形態では、信号装置14は単一チャネルの設計を有している。

しかし、好ましい実施形態では、信号装置14は、この場合に全体を参照番号86bで示す、冗長な第2チャネルを有している。図示した実施形態では、チャネル86bは、上述の第1チャネル86aと同じ構成を有している。すなわち、マイクロコントローラ70b、スイッチング素子72bおよび電圧調整器74bを有している。スイッチング素子72bは、コネクタ56、58の間にスイッチング素子72aと平行に接続されており、その結果、スイッチング素子70bは、同様にコネクタ56、58の間に電圧ディップを生成することができる。

好ましい実施形態では、2つのマイクロコントローラ70、70bは、アクチュエータ40が作動された状態になるのに連動してすぐに、規定のパルス化された信号44を生成する。例えば、マイクロコントローラ70aはまず、スイッチング素子72aを規定の期間（パルス持続時間）の間、オン状態にすることにより、第1信号パルス46aを生成する。マイクロコントローラ70bは、分圧器82b、84bを介して信号パルス46aを読み取ることができ、マイクロコントローラ70b内に設定された遅延時間ののち、今度はスイッチング素子72bをオン状態にすることにより、第2信号パルス46bを生成する。

結果として生じた短絡を参照番号88で図2に示す。次いで、マイクロコントローラ70a、70bは、回線コア50、52をそれぞれ短絡させることにより、規定の順序で信号パルス46a、46bを生成し、これは次いで、規定のパルス化された信号44となる。
図2は、第1チャネル86aの信号パルス90および第2チャネル86bの信号パルス92の組み合わせの結果として生じる、パルス化された信号44を示している。

さらなる実施形態では、第2チャネル86bはスイッチング素子72bを含んでいてもよく、スイッチング素子72bは、コネクタ56、58の間にスイッチング素子72aと直列に配置されている。さらに、2つのチャネル86a、86bをAND素子（図示せず）を介して組み合わせることができる。次いで、AND素子はスイッチング素子72aを駆動するのが好ましい。図2に示す変形例には、これに対して、各マイクロコントローラ70a、70bが、他のそれぞれのチャネルから独立して、規定のパルス化された信号を生成することができるという利点がある。これは、2つのチャネル86a、86bのどちらが欠陥のあるパルス化された信号の原因であるかを判断するために、制御装置12において有利に使用することができる。

Claims (10)

1. 設備（24）のフェールセーフな接続または接続解除用の安全回路であって、
   前記設備（24）への電力供給路（20）をフェールセーフな仕方で接続または遮断するよう設計された制御装置（12）と、複数の回線（50、52）を介して前記制御装置（12）に接続された信号装置（14）とを備え、
   前記信号装置（14）は、規定の第1状態と第2状態（40’）との間で変化することのできるアクチュエータ（40）と、前記アクチュエータ（40）が前記規定の第1状態のときに、前記回線（50、52）上に複数の信号パルス（46）を有する規定のパルス化された信号（44）を生成するよう設計されたパルス発生器（42）とを有し、
   前記信号装置（14）は、第1および第2コア（50、52）を有する2ワイヤ回線（54）を介して前記制御装置（12）に接続され、前記第1および第2コア（50、52）の間には、前記アクチュエータ（40）が前記第2状態のときに、実質的に一定の電圧が存在しており、
   前記複数の信号パルス（46）を生成するために、前記パルス発生器（42）が、前記第1コア（50）と前記第2コア（52）との間に電圧ディップ（88）を生じさせるように設計されている、安全回路。
2. 前記制御装置（12）が、前記第1コア（50）に電気的に接続された信号入力コネクタ（34）と、前記第2コア（52）に電気的に接続された接地コネクタ（32）とを有している、請求項1に記載の安全回路。
3. 前記第1コア（50）が、前記信号装置（14）から遠方に配置された作動電圧源（UB）にさらに接続されている、請求項1または請求項2に記載の安全回路。
4. 前記信号装置（14）が、前記第1および第2コア（50、52）の間の前記実質的に一定の電圧を使用して、前記パルス発生器（42）用の一定の作動電圧を生成する電圧調整器（74）を有している、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の安全回路。
5. 前記パルス発生器（42）が、信号処理回路（70）と、前記信号処理回路（70）により駆動され、前記第1および第2コア（50、52）の間に配置されるスイッチング素子（72）とを有している、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の安全回路。
6. 前記信号装置（14）が、前記第1および第2コア（50、52）に対して互いに並列に接続された第1および第2パルス発生器（70a、72a、70b、72b）を有している、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の安全回路。
7. 前記第1および第2パルス発生器（70a、72a、70b、72b）がともに、前記規定のパルス化された信号（44）を生成する、請求項6に記載の安全回路。
8. 前記信号装置（14）が、前記アクチュエータ（40）および前記パルス発生器（42）が配置されている、実質的に閉じた装置ハウジング（60）を有している、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の安全回路。
9. 前記制御装置（12）が、前記規定のパルス化された信号（44）に基づき、前記信号装置（14）の不具合状態を判断するよう設計されている、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の安全回路。
10. 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の安全回路用の信号装置であって、
    前記信号装置（14）を前記制御装置（12）に接続することができる多重ワイヤ回線（54）を接続するための複数のコネクタ（56、58）と、規定の第1状態と第2状態（40’）との間で変化することのできるアクチュエータ（40）と、前記アクチュエータ（40）が前記規定の第1状態のときに、前記多重ワイヤ回線（54）上に複数の信号パルス（46）を有する規定のパルス化された信号（44）を生成するよう設計されたパルス発生器（42）とを備え、
    前記多重ワイヤ回線（54）は、第1コア（50）および第2コア（52）を有する2ワイヤ回線であって、前記第1コア（50）および第2コア（52）の間には、前記アクチュエータ（40）が前記第2状態のときに、実質的に一定の電圧が存在しており、前記複数の信号パルス（46）を生成するために、前記パルス発生器（42）が、前記第1コア（50）と前記第2コア（52）との間に短絡（88）を生じさせるように設計されている、信号装置。

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