JP4740504B2 - 安全スイッチング装置およびシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気的な負荷、特に電気的に駆動される機械を接続し、また安全に接続を切るための安全スイッチング装置に関し、前記安全スイッチング装置は少なくとも第一および第二の電子スイッチング素子、少なくとも第一および第二の出力端子、および各スイッチング素子に作用する第一のスイッチング信号のための少なくとも１つの入力端子を有する。
【０００２】
本発明はまた、上記の安全スイッチング装置を少なくとも２つ有する安全スイッチング装置システムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
上記のタイプの安全スイッチング装置はＤＥ １９６ ２６ １２９ Ａ１で教示されている。
この一般タイプの安全スイッチング装置は、プレスまたはフライス盤のような電気的に駆動される機械を接続し、また特に安全に接続を切るために、主に工業分野で用いられている。これらは特に、非常事態において迅速かつ確実に機械の接続を切るための機械的に動作可能な非常停止ボタンとの関連で使用されている。そのために、接続を切るべき機械への電源は、一般に２つのスイッチング素子のメーク接点を介して供給される。スイッチング素子はフェイルセーフ原則に従って、安全スイッチング装置によって駆動される。２つのスイッチング素子のいずれか一方がそのメーク接点を開放すると、機械への電源が直ちに遮断される。
【０００４】
このタイプの安全スイッチング装置は安全性が極めて重要な場所で使用されるので、多くの国において特別の認定を必要とされる。この（認定）プロセス中に、この装置に固有のフェイルセーフ機能の試験が行われる。本発明の目的のために、安全スイッチング装置とは、安全が極めて重要な用途に適していることが適切な認定により示されるもの、特にヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１に定める安全カテゴリー３またはそれ以上の要件に適合するものだけを指す。更に、その場合の安全スイッチング装置という言葉は、例えば保護ガード監視装置または２チャンネルの非常停止スイッチング装置として、製造者によって本質的に固定的に組み込まれた機能を持つ装置のみを意味する。これらの装置は、ある場合には所定の制約の範囲内で構成される可能性があるが、それらの基本的な機能は固定されており、従ってプログラム可能な安全ロジックコントローラーとは異なり、ユーザーが自由にプログラムすることはできない。
【０００５】
実際に有用性が証明された安全スイッチング装置は、これまでは主に電気機械的なものであった、つまりスイッチング素子はリレーまたは接触器であった。かかる安全スイッチング装置の一例が、ＤＥ １９７ ３６ １８３ Ｃ１に開示されている。これら従来のスイッチング装置の通常の用途を説明するために、それぞれ参照符号１０、１２、１４で示される３つの既知の安全スイッチング装置を図１に示す。
【０００６】
各安全スイッチング装置１０、１２、１４はコンパクトで所定の機能を持つ自律的な装置である。それぞれケースに収容されており、ここではケースは図示してないが、電気的および機械的な部品を収納している。アクセス可能なようにケースの外側に配置された入力端子１６と出力端子１８、２０を介して、入力側のスイッチング信号が供給され、また出力信号が出力される。これら従来のスイッチング装置の１つの特徴は、各々が少なくとも２つの出力端子１８、２０を有し、それらがその間に配置された電気機械的スイッチング素子であるメーク接点２２、２４を持つ１対の出力端子を構成することである。
【０００７】
ケースの内部では、安全スイッチング装置１０、１２、１４は各々、入力側のスイッチング信号をフェイルセーフの原則に従って判定し、それに従ってメーク接点２２、２４を駆動するフェイルセーフ評価および制御ユニット２６を持つ。設計および求められる安全カテゴリーによって、評価ユニット２６は１チャンネルまたは数チャンネルを持つように設計される。図１では、各評価ユニット２６は２つの評価チャンネル２８、３０を持っている。通常の動作では、安全スイッチング装置のメーク接点２２、２４は閉じており、それにより出力端子１８および２０の間の継続的な接続が維持される。２つの評価チャンネル２８、３０が入力側のスイッチング信号を識別すると、メーク接点２２、２４が開き、その結果出力端子１８および２０の間の導通が失われる。この断路の結果、機械が停止する。
【０００８】
実際には、非常停止スイッチ３２の操作、保護ガード３４の開放または光バリヤー３６の遮断など、多くのスイッチング事象が相互にＡＮＤ結合されることが多い。これを実現するために図１に示すように、複数の安全スイッチング装置１０、１２、１４のメーク接点２２、２４が直列に接続される。この直列接続の最後の安全スイッチング装置１４は通常、機械４２への電源を接続または切断する外部の接触器３８、４０に接続される。通常の運転中は、全てのメーク接点２２、２４は閉じている。従って接触器３８、４０は通電されており、電源は接続されている。上記のスイッチング事象のいずれか１つが対応する安全スイッチング装置１０、１２、１４によって認識されると、該当するメーク接点２２、２４がただちに開放する。その結果接触器３８、４０がトリップし、機械４２への電源が切断される。
【０００９】
最初に述べたＤＥ １９６ ２６ １２９ Ａ１には、電気機械的なスイッチング素子の代わりにいわゆるＭＯＳＦＥＴ、すなわち電子スイッチング素子を使用する改良型の安全スイッチング装置が記載されている。電子スイッチング素子は接点を持たずに動作するので、機械的磨耗を受けない。更にそれらは今日ではリレーよりも安価に入手でき、しかもスペースを取らない。しかしこれらの利点はあるものの、更に改良が望まれる。
【００１０】
本発明の目的は、上に述べた種類のもので様々な形で柔軟に使用できる低コストの安全スイッチング装置を明らかにすることである。
最初に述べた安全スイッチング装置では、第一および第二のスイッチング素子の各々が第一のスイッチング信号に従って第一の電位または第二の電位の出力信号を供給する出力を有し、第一のスイッチング素子の出力は第一の出力端子に接続され、第二のスイッチング素子の出力は第二の出力端子に接続されるという構成により、この目的が達成される。
【００１１】
【発明の開示】
本発明による安全スイッチング装置は電子的なスイッチング素子を持つので、接点を持つ従来の安全スイッチング装置と比較して、価格効果比が高くまた磨耗を受けにくい。しかし最初に述べた安全スイッチング装置と比較して、ここで使用するスイッチング素子は変更可能な電位のアクティブな出力信号を発生する。本発明によれば、この出力信号は下流側の安全スイッチング装置で更に直接処理することができる。
【００１２】
１つの利点は、それぞれの場合に１対の出力端子ではなく１つの出力端子しか必要とされないので、同じ数のスイッチング素子に対して必要とされる出力端子の数を低減できることである。これにより、機械的な接続を行う端子の物理的なスペースとコストが節減できる。
更に本発明の安全スイッチング装置は非常に柔軟性がある。具体的には、本発明によれば多くの安全スイッチング装置を直列に接続して論理回路を構成できる。この場合、本発明による１つの安全スイッチング装置の出力端子は、下流側の安全スイッチング装置の入力端子に接続され、安全スイッチング装置のシステムを形成する。それに対してこれまでは、入力端子を接続に含めることはできず、それぞれの出力端子を直列に接続することしかできなかった。新しい回路は応用範囲を拡げ、階層構造のインテリジェントな安全制御システムを、単純な構成で実現することを可能にした。本発明の別の利点は、複数の安全スイッチング装置の直列接続を、スイッチング素子を駆動するための変圧器、光カプラー等の複雑で高価な部品を必要とせずに実現できることである。
【００１３】
最後に更に別の利点は、スイッチ動作の遅延時間が大幅に短縮されることであるが、多くの安全スイッチング装置を直列に接続する場合には、これは実際には重要なことである。それは、この場合のような直列回路ではスイッチ動作の遅延時間が累積され、わずかな数の装置でも最大許容値を越えてしまうからである。本発明によれば、従来の安全スイッチング装置１個のスイッチング遅延時間以下で、多くの安全スイッチング装置を直列に接続することが可能となる。
【００１４】
本発明のさらなる改良では、各スイッチング素子は１つのトランジスタと少なくとも１つの抵抗で構成される直列回路からなり、前記直列回路には安全スイッチング装置のための電源電圧が供給され、スイッチング素子の出力を電源電圧の２つの電位の間で切り替えることができる。スイッチング素子のこの実施態様は実用上特に有利であることがわかった。特にこの構成は、外部アクチュエータを駆動するのに適したアクティブな出力信号を、単純かつ直接的な方法で発生することを可能にする。
【００１５】
本発明の更にさらなる改良では、安全スイッチング装置は１つの論理接続ユニットと、少なくとも１つの別のスイッチング信号を供給するための少なくとも１つの別の入力端子とからなり、前記論理接続ユニットは少なくとも１つの別のスイッチング信号と第一のスイッチング信号を論理的に接続して、組み合わされたスイッチング信号を構成する。
論理接続は、好ましくはＡＮＤ演算である。しかし例えば確認ボタンと保護ガードモニターを単純な方法で組み合わせるには、ＯＲ演算であっても良い。
【００１６】
この場合、上流側の安全スイッチング装置からの出力信号を下流側の安全スイッチング装置の実際の入力側スイッチング信号とフェイルセーフ原則に従って組み合わせることが非常に容易にできるので、上記の手段には安全スイッチング装置が直列回路の構成に特に適しているという利点がある。そのため、安全スイッチング装置の利用に関する選択肢を大幅に増大することが可能になった。特に階層構造の柔軟な安全制御システムを、非常に単純な方法で構成することが可能になる。この場合、例えば外部接触器のような異なるアクチュエータが、互いに接続された安全スイッチング装置のそれぞれ別のものによって駆動される。これにより、直列接続内の１つの安全スイッチング装置でスイッチング事象が開始されると、下流側の全ての安全スイッチング装置で対応するスイッチング事象が生じるが、上流側の安全スイッチング装置には必ずしも生じない。機械の特定部分の接続を切り離すと、下流側の機械部分の接続も遮断されるが、上流側の機械部分の接続は遮断しないようにしたい場合に、この様な階層構成の安全スイッチング装置システムは特に有利である。例として油圧プレスをとると、「前面右側」のスイッチング信号を発生すると全てのポンプとバルブの電源を切り、「直列の最後」のスイッチング信号は特定のバルブの電源だけを切ってポンプと他のバルブの電源は投入されたままにすることができる。
【００１７】
この場合に２つの特定の（専用の）入力を追加すれば、ヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１の最も厳しい安全カテゴリー４に適合した安全スイッチング装置システムを、非常に簡単に構成することができる。安全スイッチング装置に直接関連するスイッチング信号は、上流側の安全スイッチング装置の出力信号と接続される前に、まず最初に接続ライン中に交差接続が無いかどうか見るためにチェックすることができる。
【００１８】
さらなる改良では、安全スイッチング装置は少なくとも第一および第二の動作モードの間の選択を可能にする動作モード選択手段を有し、スイッチング素子は第一の動作モードでは定常状態の出力信号を供給し、第二の動作モードではパルス状の出力信号を供給する。
ここで「本質的に定常状態の出力信号」とは、下流側にある同じタイプの安全スイッチング装置から見て定常状態にあると考えられるものである。これは、出力信号に信号の変化が含まれるがその変化は下流側の安全スイッチング装置で判定できないほど短く小さなものである、という状況を除外しない。他方パルス状の出力信号はそれとして識別され評価することが可能である。この手段によれば、安全スイッチング装置間の接続における交差接続を単純な方法で検出することが可能になる。これにより、装置が互いに接続されていてもヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１の（最も厳しい）安全カテゴリー４に適合することが非常に簡単にできる。
【００１９】
さらなる改良では、安全スイッチング装置は少なくとも２つの別の出力端子と１つのクロック発生器を持ち、後者は前記２つの別の出力端子に２つの異なる出力信号を発生する。
この構成によれば、接点を持つ非常停止スイッチのような受動的な信号発生器をフェイルセーフの原則に従って評価することができるが、運転中に信号発生器が非常にまれにしか作動しない場合には特にそうである。
【００２０】
さらなる改良では、安全スイッチング装置は第一および第二の出力端子のための交差接続モニター部材を持ち、前記交差接続モニター部材は無効にすることができる。
この構成によれば、以下の記述で説明するような仕方で各出力端子を互いに接続して、電流の増加を達成できる。従って例えばＰＬＣカードを直接駆動しまた電源を供給できる。
【００２１】
さらなる改良では、安全スイッチング装置は少なくとも第一および第二の相補的スイッチング素子を持ち、その出力はスイッチング装置の相補的出力端子にそれぞれ接続されている。
これにより相補的であり、また従って冗長度を持つ断路経路を、安全性が極めて重要な用途において、単純な方法で構成することができ、従って全体のフェイルセーフ機能を更に向上できる。
【００２２】
以上説明してきた機能と以下の記述において説明される機能は、説明された組み合わせだけでなく他の組み合わせでも、またそれら単独でも使用でき、その場合でも本発明の範囲から逸脱するものではないことは、自明のことである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施態様を更に詳細に説明する。
図２において、本発明による安全スイッチング装置はその全体が参照符５０によって示される。安全スイッチング装置５０は、ここでは模式的に示されているだけのフェイルセーフ評価および制御ユニット５２を持つ。フェイルセーフ評価および制御ユニット５２は、出願人のＰＮＯＺタイプ安全スイッチング装置に使用されているような、それ自体既知の部品から構成される。評価および制御ユニット５２の目的は、入力側に供給されたスイッチング信号をフェイルセーフ原則に従って評価し、それに応じた出力信号を発生することである。
【００２４】
図示した実施態様において、評価および制御ユニット５２は参照符号５４ａおよび５４ｂで示される２つのチャンネルを持っている。しかし評価および制御ユニット５２の他の構成も可能である。もっと詳しい説明は、例えばＷＩＮＦＲＩＥＤ ＧＲＡＦ著「機械の安全性」、Ｈｕｔｈｉｇ Ｖｅｒｌａｇ、１９９７を参照のこと。
安全スイッチング装置５０はまた、評価および制御ユニット５２から制御信号を受け取るスイッチング素子５６、５８も持っている。最も単純な場合には、スイッチング素子５６、５８は各々トランジスタであり、そのベースは制御信号を受け取り、エミッタまたはコレクタから出力信号が得られるが、この場合出力信号はスイッチング素子によって２つの異なる電位の間で切り替えられる。
【００２５】
この実施態様では、スイッチング素子５６、５８はそれぞれトランジスタ６０に加えて、２個の直列に接続された抵抗６２と増幅器６４を持つ。トランジスタ６０のコレクタは第一の基準電位ＵＢに接続され、トランジスタ６０のエミッタは直列接続された抵抗６２を介して第二の電位（アース）に接続されている。増幅器６４の入力側は２つの抵抗６２の接続点に接続され、その出力端子にフィードバック信号を出力する。
【００２６】
各スイッチング素子５６、５８からの出力信号はトランジスタ６０のエミッタから取り出され、出力６６で得られる。評価および制御ユニット５２からの出力信号は、更に入力６８を介してトランジスタ６０のベースに送られる。
各スイッチング素子５６、５８は、出力６６で発生する信号が入力６８における信号に応じて第一の電位と第二の電位の間で切り替えられるように設計される。本実施態様では、入力６８での入力信号がほぼ同じ電位であるときに、第一の電位ＵＢが出力６６に生じる。入力信号が第二の電位に近い場合は、出力６６での出力信号もまた第二の電位となる。
【００２７】
図２に示した安全スイッチング装置５０は、評価および制御ユニット５２に接続された２つの入力端子７０、７２を持つ。本実施態様では、これら２つの入力端子７０、７２に２チャンネルのスイッチ７４が接続されるが、具体的にはスイッチを閉じたときに入力端子７０が電位Ｐ１に接続されて入力端子７２が電位Ｐ２に接続される。スイッチ７４は例えば機械の非常停止スイッチ、または保護ガードである。
【００２８】
望ましい安全カテゴリーによっては、２つの電位Ｐ１とＰ２は同じ（カテゴリー３）であるか、または異なる（カテゴリー４）。後者は、電位Ｐ１とＰ２を異なるクロックで制御することでも達成できる。
安全スイッチング装置５０はまた出力端子７６、７８も持ち、各出力端子はそれぞれスイッチング素子５６、５８の出力６６に接続されている。従って各出力端子は１つのスイッチング素子に対応し、スイッチング素子からの出力信号は適切な出力端子を介して外部に取り出される。
【００２９】
例えばリレーまたは接触器であるアクチュエータ８０は、出力端子７６、７８の各々に接続される。２つのリレー８０のメーク接点８２は直列に接続され、模式的に示されているだけの機械８４への電源ラインを開閉するために使用される。本実施態様では、両方のメーク接点８２が閉じているとき、すなわちリレー８０を作動させるのに十分な信号が両出力端子７６、７８に生じたときにだけ、機械８４が作動する。
【００３０】
安全スイッチング装置５０は更に入力端子８６を持ち、これに起動信号が供給される。この起動信号は、電位Ｐ１に接続することにより起動スイッチ８８によって生成される。リレー８０の更に２つのメーク接点９０が起動スイッチ８８と直列に接続され、またメーク接点８２と正にリンクされているが、それらと異なりブレーク接点の形を持つ。すなわち、２つのメーク接点８２の少なくとも１つが閉じているときは、入力端子８６は常に電位Ｐ１から切り離された状態となる。
【００３１】
安全スイッチング装置５０の役割は、入力端子８６に起動信号が与えられたときにメーク接点８２を閉じることである。すると機械８４が起動する。異常が発生して非常停止スイッチ７４が押されると、評価および制御ユニット５２はこのスイッチング事象を評価し、それに応じてスイッチング素子５６、５８を駆動する。２つのリレー８０を流れる電流が遮断されるように、出力信号は第二の電位（アース）に切り替えられる。すると２つのメーク接点８２は開放し、機械８４は停止する。評価および制御ユニット５２はこの場合ヨーロッパ安全基準の意味でフェイルセーフの原則に従って動作し、例えばリレー８０の溶接されたメーク接点または２つの入力端子７０、７２の間の交差接続が認識される。更にまたフィードバック信号により、スイッチング素子５６、５８の故障の認識も可能となる。
【００３２】
図３は安全スイッチング装置のシステム１００を示すが、このシステムは本発明の２つの安全スイッチング装置５０、５０’を有する。
２つの安全スイッチング装置５０、５０’は２本のライン１０２、１０４を介して互いに接続されており、２本のライン１０２、１０４は一方の端が安全スイッチング装置５０の出力端子７６、７８に接続され、他方の端が安全スイッチング装置５０’の入力端子７０、７２に接続されている。例えば非常停止スイッチである２チャンネルスイッチ１０６はライン１０２、１０４内に配置され、これが作動すると安全スイッチング装置５０、５０’の間の電気的接続が切り離される。
【００３３】
第一の安全スイッチング装置５０の入力端子７０、７２、８６は図２に示すように接続される。また安全スイッチング装置５０’の入力端子８６は図２に示すように接続される。リレー８０は機械８４を制御するために、第二の安全スイッチング装置５０’の出力端子７６、７８に接続される。
従って２つの安全スイッチング装置５０、５０’は互いにリンクされ、２つのスイッチ７４、１０６の一方の動作だけで十分にリレー８０のメーク接点８２を開放して機械８４を停止させることができる。
【００３４】
第二の安全スイッチング装置５０’の２つの入力端子７０、７２は同じ電位にあるので、２本のライン１０２、１０４の間の交差接続を検出することは不可能であり、そのためこのシステムは安全カテゴリー３だけを満足する。
安全カテゴリー４を達成するために、図４は安全スイッチング装置のシステム１０８の別の実施態様を示す。この安全スイッチング装置システム１０８の設計は、図３で説明した安全スイッチング装置システム１００の設計に基本的に対応している。違いは第二の安全スイッチング装置１１０の設計である。この構成は入力端子７０、７２に加えて、専用の入力として使用される別の２つの入力端子１１２、１１４を持っている。入力端子１１２、１１４はライン１０２、１０４を介して第一の安全スイッチング装置５０の出力端子７６、７８に接続されている。
【００３５】
第二の安全スイッチング装置１１０の２つの入力端子７０、７２は、電位Ｐ１およびＰ２への接続を可能にするスイッチ７４に接続されている。２つの電位Ｐ１およびＰ２が異なるように選択されると、２つの入力端子７０、７２の間の交差接続を検出することが可能になる。２本のライン１０２、１０４の間の交差接続は、第一の安全スイッチング装置５０内のスイッチング素子５６、５８からのフィードバック信号で検出できる。これにより安全カテゴリー４が達成される。
【００３６】
安全スイッチング装置のシステム１００と同じ機能を実現するために、安全スイッチング装置１１０内の評価および制御ユニット５２は論理結合ユニット１１６を持つ。論理結合ユニット１１６には、追加の入力端子１１２、１１４に加えられる信号が供給される。論理結合ユニット１１６の機能は、第一の安全スイッチング装置５０のためのスイッチ７４が作動しているときでも、リレー８０の電流をスイッチング素子５６、５８を通じて遮断することである。この機能を実現するための可能な方法は、入力端子７０および１１２と入力端子７２および１１４に加えられる信号のＡＮＤ結合を取ってスイッチング信号の組み合わせを構成し、その結果得られる２つの組み合わされたスイッチング信号が、安全スイッチング装置５０内の入力端子７０、７２に加えられる入力信号と同じように処理されるようにしたものである。論理結合ユニット１１６は、入力端子７０および１１２また更に入力端子７２および１１４に加えられた信号を、どの信号も安全スイッチング装置の出力に現れないうちに互いに結合する。
【００３７】
原則として論理演算は、ディジタル「布線」論理回路で既知の手段により実行できる。評価および制御ユニット５２が電子回路で構成されている場合は、論理演算は好適には、マイクロプロセッサおよびメーカーによる適切なプログラミング、あるいは適切なＡＳＩＣによって実現される。別の実施態様では代替の論理演算、例えばＡＮＤ演算あるいはＯＲ演算が可能である。望ましいタイプの論理演算は、インターフェース（Ｖ２４、ＵＳＢ、赤外線など）を介して安全スイッチング装置内の内部メモリーに送ることができる。更に別の実施態様では、望ましいタイプの論理演算は交換可能なスマートカードを使用して決定できる。
【００３８】
ＯＲ論理演算の場合は、追加の検出を行ってそれを１つの出力に与えることが望ましく、この検出は機械が限定されたスピードでのみ回転するように制御するために利用できる。
図５は、参照符号１２０で示される安全スイッチング装置システムの別の実施態様を示す。安全スイッチング装置のシステム１２０は図４に示されたものと本質的に対応している。この理由により、同一の参照符号で示される部分の詳しい説明は行わない。
【００３９】
図４に示された安全スイッチング装置のシステム１０８と異なる点は、２つの別のリレー１２２、より一般には２つの別のアクチュエータが備えられていることであり、それらは機械または機械部分１２４への電源を接続しまた遮断することができる。２つのリレー１２２はそれぞれメーク接点１２６を持っている。リレー１２２の一方は出力端子７６に接続され、他方は第一のスイッチング装置５０の出力端子７８に接続される。従ってメーク接点１２６は、第一の安全スイッチング装置５０の出力端子７６、７８に現れる信号の関数として操作される。
【００４０】
これは全体として安全スイッチング装置の階層（hierarchical）型システムをもたらすが、このシステムは直列回路内の１つの安全スイッチング装置の位置に応じて、１つまたはそれ以上のリレー８０、１２２の接続を切る。例として、リレー８０がバルブ（図示せず）のスイッチングを行い、リレー１２２が油圧プレスのポンプ（図示せず）のスイッチングを行う。
本実施態様では、第一の安全スイッチング装置５０に関連するスイッチ７４が作動すると、リレー１２２のメーク接点１２６とリレー８０のメーク接点８２の両方が開放される。これにより機械の両方の部分（バルブとポンプ）８４、１２４は停止させられる。しかし第二の安全スイッチング装置１１０に関連するスイッチ７４が作動すると、メーク接点８２だけを開放させ、従って機械部分８４（バルブ）だけを停止させる。機械部分１２４（ポンプ）はこのスイッチング事象によっては影響を受けない。
【００４１】
一般にこの階層構造の安全スイッチング装置システム１２０の動作は、あるスイッチの動作が下流側の安全スイッチング装置だけに実際に影響を与え、上流側のものには影響しないと述べることで説明できる。
図６は、参照符号１３０で示される安全スイッチング装置のシステムの別の実施態様を示すものである。安全スイッチング装置システム１３０は、図３に示した安全スイッチング装置システム１００に本質的に対応する。この理由により、同一の参照符号で示される部分の詳しい説明は行わない。
【００４２】
安全スイッチング装置のシステム１００と異なる点は、安全スイッチング装置１３２の構成である。既に上で述べたように、安全カテゴリー４を達成するために、第一の安全スイッチング装置１３２内のスイッチ７４には２つの異なる電位Ｐ１とＰ２が加えられている。しかし２つの異なる電位を加える代わりに、２つの異なるクロック信号、例えば位相シフトしたクロック信号をスイッチ７４に加えることも可能であり、スイッチ７４が閉じたときはこれらのクロック信号は入力端子７０、７２にフィードバックされる。２つの異なるクロック信号は安全スイッチング装置１３２中のクロック発生器１３４によって発生され、２つの出力端子１３６、１４８に出力される。各信号はここから電気的接続を介してスイッチ７４に送られる。すると評価および制御ユニット５２は入力端子７０、７２を介してこれら２つのクロック信号を検出し、それらを出力端子１３６、１３８に現れた最初の信号と比較する。もしも何らかの相違が検出されれば、スイッチ７４が作動したか、または信号ラインに不具合があることを示す。すると評価および制御ユニット５２はスイッチング素子５６、５８を駆動して、リレー８０のメーク接点８２を第二の安全スイッチング装置５０’を介して開放させ、機械８４が停止させられる。
【００４３】
２つの安全スイッチング装置１３２、５０’の間の２本のライン１０２、１０４の故障を検出するために、これらのラインにもクロック信号が同様に加えられる。第一の安全スイッチング装置１３２内のスイッチング素子５６、５８はこれによりクロックモードで作動させられ、対応するクロック信号が出力端子７６、７８に発生させられる。
このようなクロック信号はリレー８０の駆動には適してないので、安全スイッチング装置１３２または５０’を第一の動作モード（通常モード）と第二の動作モード（クロックモード）の間で、スイッチ１４０を介して切り替えることができる。通常モードでは、リレーの駆動に適した信号が出力端子７６、７８に出力され、クロックモードでは下流側の安全スイッチング装置によって処理できるクロック信号が出力端子７６、７８に出力される。
【００４４】
本実施態様では、安全スイッチング装置１３２はクロックモードで動作し、安全スイッチング装置５０’は通常モードで動作するが、それは後者がリレー８０の駆動を目的としているからである。
安全スイッチング装置のシステムの様々な実施態様を、図３〜６を参照して説明してきたが、個々のシステムは分かりやすさのために２つの安全スイッチング装置だけを持つものとして示されている。必要であれば、直列に接続された安全スイッチング装置の数をもっと大きくできることは、言うまでもない。その数の選択を制約する要因は、システム全体のスイッチング遅延時間だけである。使用されるスイッチング素子５６、５８のスイッチング遅延時間は非常に短いため、この制約は図１に示されるシステムの場合よりもかなり広いものである。
【００４５】
図７は、参照符号１５０で示される安全スイッチング装置の別の実施態様を示す。安全スイッチング装置１５０は図２に示す安全スイッチング装置５０に本質的に対応するので、同一の参照符号で示される部分の詳しい説明は行わない。図２に示す安全スイッチング装置５０と異なり、安全スイッチング装置１５０は出力端子７６、７８に加えて、別の出力端子１５２、１５４を備えている。出力端子７６、７８、１５２、１５４の各々はスイッチング素子５６、５８、１５６、１５８の出力に接続され、これらのスイッチング素子はそのための制御信号をそれぞれ評価および制御ユニット５２から受け取る。
【００４６】
出力端子７６、７８、１５２、１５４に現れる信号は互いに結合され、例えばＰＬＣ基板１６０への供給に使用される。各信号を互いに結合することにより、電流レベルを増加することができる。
各出力同士の結合が評価および制御ユニット５２によるフィードバック信号の評価によって短絡と判定されるのを防止するために、定義された信号を制御信号入力端子１６２に加えることにより、安全スイッチング装置１５０内でのこの評価を無効にすることができる。
【００４７】
図８は、参照符号１７０で示される安全スイッチング装置の別の実施態様を示す。安全スイッチング装置１７０は図２を参照して説明した安全スイッチング装置５０に本質的に対応する。相違点は、出力が２極を持つように設計されている点である。このことは、出力端子７６、７８に対してそれぞれ関連する相補的出力端子１７２、１７４が備えられていることを意味する。２つの相補的出力端子１７２、１７４はそれぞれ関連する相補的スイッチング素子１７６、１７８を持つ。出力端子の対７６、１７２または７８、１７４に接続されたリレー８０に電流を流すために、それぞれのスイッチング素子の対５６、１７６および５８、１７８は互いに相補的であるように設計される。２つのスイッチング素子５６、１７６または５８、１７８がＯＮになると、それぞれの出力端子７６および７８は第一の電位に切り替えられ、出力端子１７２および１７４は第二の電位に切り替えられるが、これら２つの電位は異なる。
【００４８】
２極構成は、リレー８０に対して追加の断路経路が利用でき、その結果安全スイッチング装置１７０のフェイルセーフ機能が向上するという利点を持っている。
安全スイッチング装置１７０は上で述べた安全スイッチング装置システム内でも使用できることは、言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の安全スイッチング装置のシステムの模式図である。
【図２】 本発明の安全スイッチング装置のシステムの模式図である。
【図３】 図２に示した２つの安全スイッチング装置を直列に接続したものの模式図である
【図４】 図２の安全スイッチング装置と別の実施態様による別の安全スイッチング装置を直列に接続したものの模式図である。
【図５】 図４の安全スイッチング装置のシステムにアクチュエータを備えたものを示す。
【図６】 別の実施態様による２つの安全スイッチング装置を直列に接続したもの模式図である。
【図７】 別の実施態様による安全スイッチング装置の模式図である
【図８】 更に別の実施態様による安全スイッチング装置の模式図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は電気的な負荷、特に電気的に駆動される機械を接続し、また安全に接続を切るための安全スイッチング装置に関し、前記安全スイッチング装置は少なくとも第一および第二の電子スイッチング素子、少なくとも第一および第二の出力端子、および各スイッチング素子に作用する第一のスイッチング信号のための少なくとも１つの入力端子を有する。
【０００２】
本発明はまた、上記の安全スイッチング装置を少なくとも２つ有する安全スイッチング装置システムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
上記のタイプの安全スイッチング装置はＤＥ １９６ ２６ １２９ Ａ１で教示されている。
この一般タイプの安全スイッチング装置は、プレスまたはフライス盤のような電気的に駆動される機械を接続し、また特に安全に接続を切るために、主に工業分野で用いられている。これらは特に、非常事態において迅速かつ確実に機械の接続を切るための機械的に動作可能な非常停止ボタンとの関連で使用されている。そのために、接続を切るべき機械への電源は、一般に２つのスイッチング素子のメーク接点を介して供給される。スイッチング素子はフェイルセーフ原則に従って、安全スイッチング装置によって駆動される。２つのスイッチング素子のいずれか一方がそのメーク接点を開放すると、機械への電源が直ちに遮断される。
【０００４】
このタイプの安全スイッチング装置は安全性が極めて重要な場所で使用されるので、多くの国において特別の認定を必要とされる。この（認定）プロセス中に、この装置に固有のフェイルセーフ機能の試験が行われる。本発明の目的のために、安全スイッチング装置とは、安全が極めて重要な用途に適していることが適切な認定により示されるもの、特にヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１に定める安全カテゴリー３またはそれ以上の要件に適合するものだけを指す。更に、その場合の安全スイッチング装置という言葉は、例えば保護ガード監視装置または２チャンネルの非常停止スイッチング装置として、製造者によって本質的に固定的に組み込まれた機能を持つ装置のみを意味する。これらの装置は、ある場合には所定の制約の範囲内で構成される可能性があるが、それらの基本的な機能は固定されており、従ってプログラム可能な安全ロジックコントローラーとは異なり、ユーザーが自由にプログラムすることはできない。
【０００５】
実際に有用性が証明された安全スイッチング装置は、これまでは主に電気機械的なものであった、つまりスイッチング素子はリレーまたは接触器であった。かかる安全スイッチング装置の一例が、ＤＥ １９７ ３６ １８３ Ｃ１に開示されている。これら従来のスイッチング装置の通常の用途を説明するために、それぞれ参照符号１０、１２、１４で示される３つの既知の安全スイッチング装置を図１に示す。
【０００６】
各安全スイッチング装置１０、１２、１４はコンパクトで所定の機能を持つ自律的な装置である。それぞれケースに収容されており、ここではケースは図示してないが、電気的および機械的な部品を収納している。アクセス可能なようにケースの外側に配置された入力端子１６と出力端子１８、２０を介して、入力側のスイッチング信号が供給され、また出力信号が出力される。これら従来のスイッチング装置の１つの特徴は、各々が少なくとも２つの出力端子１８、２０を有し、それらがその間に配置された電気機械的スイッチング素子であるメーク接点２２、２４を持つ１対の出力端子を構成することである。
【０００７】
ケースの内部では、安全スイッチング装置１０、１２、１４は各々、入力側のスイッチング信号をフェイルセーフの原則に従って判定し、それに従ってメーク接点２２、２４を駆動するフェイルセーフ評価および制御ユニット２６を持つ。設計および求められる安全カテゴリーによって、評価ユニット２６は１チャンネルまたは数チャンネルを持つように設計される。図１では、各評価ユニット２６は２つの評価チャンネル２８、３０を持っている。通常の動作では、安全スイッチング装置のメーク接点２２、２４は閉じており、それにより出力端子１８および２０の間の継続的な接続が維持される。２つの評価チャンネル２８、３０が入力側のスイッチング信号を識別すると、メーク接点２２、２４が開き、その結果出力端子１８および２０の間の導通が失われる。この断路の結果、機械が停止する。
【０００８】
実際には、非常停止スイッチ３２の操作、保護ガード３４の開放または光バリヤー３６の遮断など、多くのスイッチング事象が相互にＡＮＤ結合されることが多い。これを実現するために図１に示すように、複数の安全スイッチング装置１０、１２、１４のメーク接点２２、２４が直列に接続される。この直列接続の最後の安全スイッチング装置１４は通常、機械４２への電源を接続または切断する外部の接触器３８、４０に接続される。通常の運転中は、全てのメーク接点２２、２４は閉じている。従って接触器３８、４０は通電されており、電源は接続されている。上記のスイッチング事象のいずれか１つが対応する安全スイッチング装置１０、１２、１４によって認識されると、該当するメーク接点２２、２４がただちに開放する。その結果接触器３８、４０がトリップし、機械４２への電源が切断される。
【０００９】
最初に述べたＤＥ １９６ ２６ １２９ Ａ１には、電気機械的なスイッチング素子の代わりにいわゆるＭＯＳＦＥＴ、すなわち電子スイッチング素子を使用する改良型の安全スイッチング装置が記載されている。電子スイッチング素子は接点を持たずに動作するので、機械的磨耗を受けない。更にそれらは今日ではリレーよりも安価に入手でき、しかもスペースを取らない。しかしこれらの利点はあるものの、更に改良が望まれる。
【００１０】
本発明の目的は、上に述べた種類のもので様々な形で柔軟に使用できる低コストの安全スイッチング装置を明らかにすることである。
最初に述べた安全スイッチング装置では、第一および第二のスイッチング素子の各々が第一のスイッチング信号に従って第一の電位または第二の電位の出力信号を供給する出力を有し、第一のスイッチング素子の出力は第一の出力端子に接続され、第二のスイッチング素子の出力は第二の出力端子に接続されるという構成により、この目的が達成される。
【００１１】
【発明の開示】
本発明による安全スイッチング装置は電子的なスイッチング素子を持つので、接点を持つ従来の安全スイッチング装置と比較して、価格効果比が高くまた磨耗を受けにくい。しかし最初に述べた安全スイッチング装置と比較して、ここで使用するスイッチング素子は変更可能な電位のアクティブな出力信号を発生する。本発明によれば、この出力信号は下流側の安全スイッチング装置で更に直接処理することができる。
【００１２】
１つの利点は、それぞれの場合に１対の出力端子ではなく１つの出力端子しか必要とされないので、同じ数のスイッチング素子に対して必要とされる出力端子の数を低減できることである。これにより、機械的な接続を行う端子の物理的なスペースとコストが節減できる。
更に本発明の安全スイッチング装置は非常に柔軟性がある。具体的には、本発明によれば多くの安全スイッチング装置を直列に接続して論理回路を構成できる。この場合、本発明による１つの安全スイッチング装置の出力端子は、下流側の安全スイッチング装置の入力端子に接続され、安全スイッチング装置のシステムを形成する。それに対してこれまでは、入力端子を接続に含めることはできず、それぞれの出力端子を直列に接続することしかできなかった。新しい回路は応用範囲を拡げ、階層構造のインテリジェントな安全制御システムを、単純な構成で実現することを可能にした。本発明の別の利点は、複数の安全スイッチング装置の直列接続を、スイッチング素子を駆動するための変圧器、光カプラー等の複雑で高価な部品を必要とせずに実現できることである。
【００１３】
最後に更に別の利点は、スイッチ動作の遅延時間が大幅に短縮されることであるが、多くの安全スイッチング装置を直列に接続する場合には、これは実際には重要なことである。それは、この場合のような直列回路ではスイッチ動作の遅延時間が累積され、わずかな数の装置でも最大許容値を越えてしまうからである。本発明によれば、従来の安全スイッチング装置１個のスイッチング遅延時間以下で、多くの安全スイッチング装置を直列に接続することが可能となる。
【００１４】
本発明のさらなる改良では、各スイッチング素子は１つのトランジスタと少なくとも１つの抵抗で構成される直列回路からなり、前記直列回路には安全スイッチング装置のための電源電圧が供給され、スイッチング素子の出力を電源電圧の２つの電位の間で切り替えることができる。スイッチング素子のこの実施態様は実用上特に有利であることがわかった。特にこの構成は、外部アクチュエータを駆動するのに適したアクティブな出力信号を、単純かつ直接的な方法で発生することを可能にする。
【００１５】
本発明の更にさらなる改良では、安全スイッチング装置は１つの論理接続ユニットと、少なくとも１つの別のスイッチング信号を供給するための少なくとも１つの別の入力端子とからなり、前記論理接続ユニットは少なくとも１つの別のスイッチング信号と第一のスイッチング信号を論理的に接続して、組み合わされたスイッチング信号を構成する。
論理接続は、好ましくはＡＮＤ演算である。しかし例えば確認ボタンと保護ガードモニターを単純な方法で組み合わせるには、ＯＲ演算であっても良い。
【００１６】
この場合、上流側の安全スイッチング装置からの出力信号を下流側の安全スイッチング装置の実際の入力側スイッチング信号とフェイルセーフ原則に従って組み合わせることが非常に容易にできるので、上記の手段には安全スイッチング装置が直列回路の構成に特に適しているという利点がある。そのため、安全スイッチング装置の利用に関する選択肢を大幅に増大することが可能になった。特に階層構造の柔軟な安全制御システムを、非常に単純な方法で構成することが可能になる。この場合、例えば外部接触器のような異なるアクチュエータが、互いに接続された安全スイッチング装置のそれぞれ別のものによって駆動される。これにより、直列接続内の１つの安全スイッチング装置でスイッチング事象が開始されると、下流側の全ての安全スイッチング装置で対応するスイッチング事象が生じるが、上流側の安全スイッチング装置には必ずしも生じない。機械の特定部分の接続を切り離すと、下流側の機械部分の接続も遮断されるが、上流側の機械部分の接続は遮断しないようにしたい場合に、この様な階層構成の安全スイッチング装置システムは特に有利である。例として油圧プレスをとると、「前面右側」のスイッチング信号を発生すると全てのポンプとバルブの電源を切り、「直列の最後」のスイッチング信号は特定のバルブの電源だけを切ってポンプと他のバルブの電源は投入されたままにすることができる。
【００１７】
この場合に２つの特定の（専用の）入力を追加すれば、ヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１の最も厳しい安全カテゴリー４に適合した安全スイッチング装置システムを、非常に簡単に構成することができる。安全スイッチング装置に直接関連するスイッチング信号は、上流側の安全スイッチング装置の出力信号と接続される前に、まず最初に接続ライン中に交差接続が無いかどうか見るためにチェックすることができる。
【００１８】
さらなる改良では、安全スイッチング装置は少なくとも第一および第二の動作モードの間の選択を可能にする動作モード選択手段を有し、スイッチング素子は第一の動作モードでは定常状態の出力信号を供給し、第二の動作モードではパルス状の出力信号を供給する。
ここで「本質的に定常状態の出力信号」とは、下流側にある同じタイプの安全スイッチング装置から見て定常状態にあると考えられるものである。これは、出力信号に信号の変化が含まれるがその変化は下流側の安全スイッチング装置で判定できないほど短く小さなものである、という状況を除外しない。他方パルス状の出力信号はそれとして識別され評価することが可能である。この手段によれば、安全スイッチング装置間の接続における交差接続を単純な方法で検出することが可能になる。これにより、装置が互いに接続されていてもヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１の（最も厳しい）安全カテゴリー４に適合することが非常に簡単にできる。
【００１９】
さらなる改良では、安全スイッチング装置は少なくとも２つの別の出力端子と１つのクロック発生器を持ち、後者は前記２つの別の出力端子に２つの異なる出力信号を発生する。
この構成によれば、接点を持つ非常停止スイッチのような受動的な信号発生器をフェイルセーフの原則に従って評価することができるが、運転中に信号発生器が非常にまれにしか作動しない場合には特にそうである。
【００２０】
さらなる改良では、安全スイッチング装置は第一および第二の出力端子のための交差接続モニター部材を持ち、前記交差接続モニター部材は無効にすることができる。
この構成によれば、以下の記述で説明するような仕方で各出力端子を互いに接続して、電流の増加を達成できる。従って例えばＰＬＣカードを直接駆動しまた電源を供給できる。
【００２１】
さらなる改良では、安全スイッチング装置は少なくとも第一および第二の相補的スイッチング素子を持ち、その出力はスイッチング装置の相補的出力端子にそれぞれ接続されている。
これにより相補的であり、また従って冗長度を持つ断路経路を、安全性が極めて重要な用途において、単純な方法で構成することができ、従って全体のフェイルセーフ機能を更に向上できる。
【００２２】
以上説明してきた機能と以下の記述において説明される機能は、説明された組み合わせだけでなく他の組み合わせでも、またそれら単独でも使用でき、その場合でも本発明の範囲から逸脱するものではないことは、自明のことである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施態様を更に詳細に説明する。
図２において、本発明による安全スイッチング装置はその全体が参照符５０によって示される。安全スイッチング装置５０は、ここでは模式的に示されているだけのフェイルセーフ評価および制御ユニット５２を持つ。フェイルセーフ評価および制御ユニット５２は、出願人のＰＮＯＺタイプ安全スイッチング装置に使用されているような、それ自体既知の部品から構成される。評価および制御ユニット５２の目的は、入力側に供給されたスイッチング信号をフェイルセーフ原則に従って評価し、それに応じた出力信号を発生することである。
【００２４】
図示した実施態様において、評価および制御ユニット５２は参照符号５４ａおよび５４ｂで示される２つのチャンネルを持っている。しかし評価および制御ユニット５２の他の構成も可能である。もっと詳しい説明は、例えばＷＩＮＦＲＩＥＤ ＧＲＡＦ著「機械の安全性」、Ｈｕｔｈｉｇ Ｖｅｒｌａｇ、１９９７を参照のこと。
安全スイッチング装置５０はまた、評価および制御ユニット５２から制御信号を受け取るスイッチング素子５６、５８も持っている。最も単純な場合には、スイッチング素子５６、５８は各々トランジスタであり、そのベースは制御信号を受け取り、エミッタまたはコレクタから出力信号が得られるが、この場合出力信号はスイッチング素子によって２つの異なる電位の間で切り替えられる。
【００２５】
この実施態様では、スイッチング素子５６、５８はそれぞれトランジスタ６０に加えて、２個の直列に接続された抵抗６２と増幅器６４を持つ。トランジスタ６０のコレクタは第一の基準電位ＵＢに接続され、トランジスタ６０のエミッタは直列接続された抵抗６２を介して第二の電位（アース）に接続されている。増幅器６４の入力側は２つの抵抗６２の接続点に接続され、その出力端子にフィードバック信号を出力する。
【００２６】
各スイッチング素子５６、５８からの出力信号はトランジスタ６０のエミッタから取り出され、出力６６で得られる。評価および制御ユニット５２からの出力信号は、更に入力６８を介してトランジスタ６０のベースに送られる。
各スイッチング素子５６、５８は、出力６６で発生する信号が入力６８における信号に応じて第一の電位と第二の電位の間で切り替えられるように設計される。本実施態様では、入力６８での入力信号がほぼ同じ電位であるときに、第一の電位ＵＢが出力６６に生じる。入力信号が第二の電位に近い場合は、出力６６での出力信号もまた第二の電位となる。
【００２７】
図２に示した安全スイッチング装置５０は、評価および制御ユニット５２に接続された２つの入力端子７０、７２を持つ。本実施態様では、これら２つの入力端子７０、７２に２チャンネルのスイッチ７４が接続されるが、具体的にはスイッチを閉じたときに入力端子７０が電位Ｐ１に接続されて入力端子７２が電位Ｐ２に接続される。スイッチ７４は例えば機械の非常停止スイッチ、または保護ガードである。
【００２８】
望ましい安全カテゴリーによっては、２つの電位Ｐ１とＰ２は同じ（カテゴリー３）であるか、または異なる（カテゴリー４）。後者は、電位Ｐ１とＰ２を異なるクロックで制御することでも達成できる。
安全スイッチング装置５０はまた出力端子７６、７８も持ち、各出力端子はそれぞれスイッチング素子５６、５８の出力６６に接続されている。従って各出力端子は１つのスイッチング素子に対応し、スイッチング素子からの出力信号は適切な出力端子を介して外部に取り出される。
【００２９】
例えばリレーまたは接触器であるアクチュエータ８０は、出力端子７６、７８の各々に接続される。２つのリレー８０のメーク接点８２は直列に接続され、模式的に示されているだけの機械８４への電源ラインを開閉するために使用される。本実施態様では、両方のメーク接点８２が閉じているとき、すなわちリレー８０を作動させるのに十分な信号が両出力端子７６、７８に生じたときにだけ、機械８４が作動する。
【００３０】
安全スイッチング装置５０は更に入力端子８６を持ち、これに起動信号が供給される。この起動信号は、電位Ｐ１に接続することにより起動スイッチ８８によって生成される。リレー８０の更に２つのメーク接点９０が起動スイッチ８８と直列に接続され、またメーク接点８２と正にリンクされているが、それらと異なりブレーク接点の形を持つ。すなわち、２つのメーク接点８２の少なくとも１つが閉じているときは、入力端子８６は常に電位Ｐ１から切り離された状態となる。
【００３１】
安全スイッチング装置５０の役割は、入力端子８６に起動信号が与えられたときにメーク接点８２を閉じることである。すると機械８４が起動する。異常が発生して非常停止スイッチ７４が押されると、評価および制御ユニット５２はこのスイッチング事象を評価し、それに応じてスイッチング素子５６、５８を駆動する。２つのリレー８０を流れる電流が遮断されるように、出力信号は第二の電位（アース）に切り替えられる。すると２つのメーク接点８２は開放し、機械８４は停止する。評価および制御ユニット５２はこの場合ヨーロッパ安全基準の意味でフェイルセーフの原則に従って動作し、例えばリレー８０の溶接されたメーク接点または２つの入力端子７０、７２の間の交差接続が認識される。更にまたフィードバック信号により、スイッチング素子５６、５８の故障の認識も可能となる。
【００３２】
図３は安全スイッチング装置のシステム１００を示すが、このシステムは本発明の２つの安全スイッチング装置５０、５０’を有する。
２つの安全スイッチング装置５０、５０’は２本のライン１０２、１０４を介して互いに接続されており、２本のライン１０２、１０４は一方の端が安全スイッチング装置５０の出力端子７６、７８に接続され、他方の端が安全スイッチング装置５０’の入力端子７０、７２に接続されている。例えば非常停止スイッチである２チャンネルスイッチ１０６はライン１０２、１０４内に配置され、これが作動すると安全スイッチング装置５０、５０’の間の電気的接続が切り離される。
【００３３】
第一の安全スイッチング装置５０の入力端子７０、７２、８６は図２に示すように接続される。また安全スイッチング装置５０’の入力端子８６は図２に示すように接続される。リレー８０は機械８４を制御するために、第二の安全スイッチング装置５０’の出力端子７６、７８に接続される。
従って２つの安全スイッチング装置５０、５０’は互いにリンクされ、２つのスイッチ７４、１０６の一方の動作だけで十分にリレー８０のメーク接点８２を開放して機械８４を停止させることができる。
【００３４】
第二の安全スイッチング装置５０’の２つの入力端子７０、７２は同じ電位にあるので、２本のライン１０２、１０４の間の交差接続を検出することは不可能であり、そのためこのシステムは安全カテゴリー３だけを満足する。
安全カテゴリー４を達成するために、図４は安全スイッチング装置のシステム１０８の別の実施態様を示す。この安全スイッチング装置システム１０８の設計は、図３で説明した安全スイッチング装置システム１００の設計に基本的に対応している。違いは第二の安全スイッチング装置１１０の設計である。この構成は入力端子７０、７２に加えて、専用の入力として使用される別の２つの入力端子１１２、１１４を持っている。入力端子１１２、１１４はライン１０２、１０４を介して第一の安全スイッチング装置５０の出力端子７６、７８に接続されている。
【００３５】
第二の安全スイッチング装置１１０の２つの入力端子７０、７２は、電位Ｐ１およびＰ２への接続を可能にするスイッチ７４に接続されている。２つの電位Ｐ１およびＰ２が異なるように選択されると、２つの入力端子７０、７２の間の交差接続を検出することが可能になる。２本のライン１０２、１０４の間の交差接続は、第一の安全スイッチング装置５０内のスイッチング素子５６、５８からのフィードバック信号で検出できる。これにより安全カテゴリー４が達成される。
【００３６】
安全スイッチング装置のシステム１００と同じ機能を実現するために、安全スイッチング装置１１０内の評価および制御ユニット５２は論理結合ユニット１１６を持つ。論理結合ユニット１１６には、追加の入力端子１１２、１１４に加えられる信号が供給される。論理結合ユニット１１６の機能は、第一の安全スイッチング装置５０のためのスイッチ７４が作動しているときでも、リレー８０の電流をスイッチング素子５６、５８を通じて遮断することである。この機能を実現するための可能な方法は、入力端子７０および１１２と入力端子７２および１１４に加えられる信号のＡＮＤ結合を取ってスイッチング信号の組み合わせを構成し、その結果得られる２つの組み合わされたスイッチング信号が、安全スイッチング装置５０内の入力端子７０、７２に加えられる入力信号と同じように処理されるようにしたものである。論理結合ユニット１１６は、入力端子７０および１１２また更に入力端子７２および１１４に加えられた信号を、どの信号も安全スイッチング装置の出力に現れないうちに互いに結合する。
【００３７】
原則として論理演算は、ディジタル「布線」論理回路で既知の手段により実行できる。評価および制御ユニット５２が電子回路で構成されている場合は、論理演算は好適には、マイクロプロセッサおよびメーカーによる適切なプログラミング、あるいは適切なＡＳＩＣによって実現される。別の実施態様では代替の論理演算、例えばＡＮＤ演算あるいはＯＲ演算が可能である。望ましいタイプの論理演算は、インターフェース（Ｖ２４、ＵＳＢ、赤外線など）を介して安全スイッチング装置内の内部メモリーに送ることができる。更に別の実施態様では、望ましいタイプの論理演算は交換可能なスマートカードを使用して決定できる。
【００３８】
ＯＲ論理演算の場合は、追加の検出を行ってそれを１つの出力に与えることが望ましく、この検出は機械が限定されたスピードでのみ回転するように制御するために利用できる。
図５は、参照符号１２０で示される安全スイッチング装置システムの別の実施態様を示す。安全スイッチング装置のシステム１２０は図４に示されたものと本質的に対応している。この理由により、同一の参照符号で示される部分の詳しい説明は行わない。
【００３９】
図４に示された安全スイッチング装置のシステム１０８と異なる点は、２つの別のリレー１２２、より一般には２つの別のアクチュエータが備えられていることであり、それらは機械または機械部分１２４への電源を接続しまた遮断することができる。２つのリレー１２２はそれぞれメーク接点１２６を持っている。リレー１２２の一方は出力端子７６に接続され、他方は第一のスイッチング装置５０の出力端子７８に接続される。従ってメーク接点１２６は、第一の安全スイッチング装置５０の出力端子７６、７８に現れる信号の関数として操作される。
【００４０】
これは全体として安全スイッチング装置の階層（hierarchical）型システムをもたらすが、このシステムは直列回路内の１つの安全スイッチング装置の位置に応じて、１つまたはそれ以上のリレー８０、１２２の接続を切る。例として、リレー８０がバルブ（図示せず）のスイッチングを行い、リレー１２２が油圧プレスのポンプ（図示せず）のスイッチングを行う。
本実施態様では、第一の安全スイッチング装置５０に関連するスイッチ７４が作動すると、リレー１２２のメーク接点１２６とリレー８０のメーク接点８２の両方が開放される。これにより機械の両方の部分（バルブとポンプ）８４、１２４は停止させられる。しかし第二の安全スイッチング装置１１０に関連するスイッチ７４が作動すると、メーク接点８２だけを開放させ、従って機械部分８４（バルブ）だけを停止させる。機械部分１２４（ポンプ）はこのスイッチング事象によっては影響を受けない。
【００４１】
一般にこの階層構造の安全スイッチング装置システム１２０の動作は、あるスイッチの動作が下流側の安全スイッチング装置だけに実際に影響を与え、上流側のものには影響しないと述べることで説明できる。
図６は、参照符号１３０で示される安全スイッチング装置のシステムの別の実施態様を示すものである。安全スイッチング装置システム１３０は、図３に示した安全スイッチング装置システム１００に本質的に対応する。この理由により、同一の参照符号で示される部分の詳しい説明は行わない。
【００４２】
安全スイッチング装置のシステム１００と異なる点は、安全スイッチング装置１３２の構成である。既に上で述べたように、安全カテゴリー４を達成するために、第一の安全スイッチング装置１３２内のスイッチ７４には２つの異なる電位Ｐ１とＰ２が加えられている。しかし２つの異なる電位を加える代わりに、２つの異なるクロック信号、例えば位相シフトしたクロック信号をスイッチ７４に加えることも可能であり、スイッチ７４が閉じたときはこれらのクロック信号は入力端子７０、７２にフィードバックされる。２つの異なるクロック信号は安全スイッチング装置１３２中のクロック発生器１３４によって発生され、２つの出力端子１３６、１４８に出力される。各信号はここから電気的接続を介してスイッチ７４に送られる。すると評価および制御ユニット５２は入力端子７０、７２を介してこれら２つのクロック信号を検出し、それらを出力端子１３６、１３８に現れた最初の信号と比較する。もしも何らかの相違が検出されれば、スイッチ７４が作動したか、または信号ラインに不具合があることを示す。すると評価および制御ユニット５２はスイッチング素子５６、５８を駆動して、リレー８０のメーク接点８２を第二の安全スイッチング装置５０’を介して開放させ、機械８４が停止させられる。
【００４３】
２つの安全スイッチング装置１３２、５０’の間の２本のライン１０２、１０４の故障を検出するために、これらのラインにもクロック信号が同様に加えられる。第一の安全スイッチング装置１３２内のスイッチング素子５６、５８はこれによりクロックモードで作動させられ、対応するクロック信号が出力端子７６、７８に発生させられる。
このようなクロック信号はリレー８０の駆動には適してないので、安全スイッチング装置１３２または５０’を第一の動作モード（通常モード）と第二の動作モード（クロックモード）の間で、スイッチ１４０を介して切り替えることができる。通常モードでは、リレーの駆動に適した信号が出力端子７６、７８に出力され、クロックモードでは下流側の安全スイッチング装置によって処理できるクロック信号が出力端子７６、７８に出力される。
【００４４】
本実施態様では、安全スイッチング装置１３２はクロックモードで動作し、安全スイッチング装置５０’は通常モードで動作するが、それは後者がリレー８０の駆動を目的としているからである。
安全スイッチング装置のシステムの様々な実施態様を、図３〜６を参照して説明してきたが、個々のシステムは分かりやすさのために２つの安全スイッチング装置だけを持つものとして示されている。必要であれば、直列に接続された安全スイッチング装置の数をもっと大きくできることは、言うまでもない。その数の選択を制約する要因は、システム全体のスイッチング遅延時間だけである。使用されるスイッチング素子５６、５８のスイッチング遅延時間は非常に短いため、この制約は図１に示されるシステムの場合よりもかなり広いものである。
【００４５】
図７は、参照符号１５０で示される安全スイッチング装置の別の実施態様を示す。安全スイッチング装置１５０は図２に示す安全スイッチング装置５０に本質的に対応するので、同一の参照符号で示される部分の詳しい説明は行わない。図２に示す安全スイッチング装置５０と異なり、安全スイッチング装置１５０は出力端子７６、７８に加えて、別の出力端子１５２、１５４を備えている。出力端子７６、７８、１５２、１５４の各々はスイッチング素子５６、５８、１５６、１５８の出力に接続され、これらのスイッチング素子はそのための制御信号をそれぞれ評価および制御ユニット５２から受け取る。
【００４６】
出力端子７６、７８、１５２、１５４に現れる信号は互いに結合され、例えばＰＬＣ基板１６０への供給に使用される。各信号を互いに結合することにより、電流レベルを増加することができる。
各出力同士の結合が評価および制御ユニット５２によるフィードバック信号の評価によって短絡と判定されるのを防止するために、定義された信号を制御信号入力端子１６２に加えることにより、安全スイッチング装置１５０内でのこの評価を無効にすることができる。
【００４７】
図８は、参照符号１７０で示される安全スイッチング装置の別の実施態様を示す。安全スイッチング装置１７０は図２を参照して説明した安全スイッチング装置５０に本質的に対応する。相違点は、出力が２極を持つように設計されている点である。このことは、出力端子７６、７８に対してそれぞれ関連する相補的出力端子１７２、１７４が備えられていることを意味する。２つの相補的出力端子１７２、１７４はそれぞれ関連する相補的スイッチング素子１７６、１７８を持つ。出力端子の対７６、１７２または７８、１７４に接続されたリレー８０に電流を流すために、それぞれのスイッチング素子の対５６、１７６および５８、１７８は互いに相補的であるように設計される。２つのスイッチング素子５６、１７６または５８、１７８がＯＮになると、それぞれの出力端子７６および７８は第一の電位に切り替えられ、出力端子１７２および１７４は第二の電位に切り替えられるが、これら２つの電位は異なる。
【００４８】
２極構成は、リレー８０に対して追加の断路経路が利用でき、その結果安全スイッチング装置１７０のフェイルセーフ機能が向上するという利点を持っている。
安全スイッチング装置１７０は上で述べた安全スイッチング装置システム内でも使用できることは、言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の安全スイッチング装置のシステムの模式図である。
【図２】 本発明の安全スイッチング装置のシステムの模式図である。
【図３】 図２に示した２つの安全スイッチング装置を直列に接続したものの模式図である
【図４】 図２の安全スイッチング装置と別の実施態様による別の安全スイッチング装置を直列に接続したものの模式図である。
【図５】 図４の安全スイッチング装置のシステムにアクチュエータを備えたものを示す。
【図６】 別の実施態様による２つの安全スイッチング装置を直列に接続したもの模式図である。
【図７】 別の実施態様による安全スイッチング装置の模式図である
【図８】 更に別の実施態様による安全スイッチング装置の模式図である。
Claims (11)
- 電気的負荷（８４、１２４）を接続しまた安全に接続を切るための安全スイッチング装置であって、
第一の電子スイッチング素子（５６）と、第一の電子スイッチング素子の出力信号を提供する第一の出力端子（７６）と、第二の電子スイッチング素子（５８）と、第二の電子スイッチング素子の出力信号を提供する第二の出力端子（７８）と、第一および第二の電子スイッチング素子を動作させる第一のスイッチング信号を入力するための少なくとも１つの入力端子（７０、７２）とを有してなり、
第一および第二の電子スイッチング素子が各々、第一の電位（ＵＢ）または第二の電位（アース）の出力信号を供給する出力（６６）を持ち、
第一の電子スイッチング素子（５６）の出力（６６）が第一の出力端子（７６）に接続され、第二の電子スイッチング素子（５８）の出力（６６）が第二の出力端子（７８）に接続され、
各電子スイッチング素子（５６、５８）が、電源電圧（ＵＢ）が供給されるスイッチング回路（６０，６２）を構成し、前記スイッチング回路（６０，６２）は、前記第一のスイッチング信号に応じて電子スイッチング素子（５６、５８）の出力（６６）を電源電圧（ＵＢ）の２つの電位（ＵＢ；アース）の間で切り替えることができる、安全スイッチング装置。 - 前記スイッチング回路（６０，６２）がトランジスタ（６０）と少なくとも１つの抵抗（６２）で構成される直列回路を含む、請求項１記載の安全スイッチング装置。
- 論理接続ユニット（１１６）と、少なくとも１つの別のスイッチング信号を供給するための少なくとも１つの別の入力端子（１１２、１１４）を有し、前記論理接続ユニット（１１６）が少なくとも１つの別のスイッチング信号と前記第一のスイッチング信号を論理的に結合して、組み合わされたスイッチング信号を形成する、請求項１または２記載の安全スイッチング装置。
- 論理接続ユニット（１１６）が前記少なくとも１つの別のスイッチング信号と前記第一のスイッチング信号との論理的ＡＮＤ結合を行う、請求項３記載の安全スイッチング装置。
- 前記安全スイッチング装置が少なくとも第一および第二の動作モードの間の選択を可能にする動作モード選択手段（１４０）を有し、電子スイッチング素子（５６、５８）が第一の動作モードでは定常状態の出力信号を供給し、第二の動作モードではパルス状の出力信号を供給する、請求項１ないし４のいずれかに記載の安全スイッチング装置。
- 少なくとも２つの別の出力端子（１３６、１３８）と、前記２つの別の出力端子（１３６、１３８）に２つの異なるクロック信号を発生させるクロック発生器（１３４）とを有する、請求項１ないし５のいずれかに記載の安全スイッチング装置。
- 前記第一および第二の出力端子（７６、７８、１５２、１５４）のための交差接続（cross-connection）モニター部材（１６２）を有し、前記交差接続モニター部材（１６２）は無効にすることができる、請求項１ないし６のいずれかに記載の安全スイッチング装置。
- 少なくとも第一および第二の相補的スイッチング素子（１７６、１７８）を有し、その出力がスイッチング装置の相補的出力端子（１７２、１７４）にそれぞれ接続されている、請求項１ないし７のいずれかに記載の安全スイッチング装置。
- 上流側の安全スイッチング装置と、下流側の安全スイッチング装置とを有する安全スイッチングシステムであって、
前記上流側の安全スイッチング装置は、第一の電子スイッチング素子(56)と、第一の電子スイッチング素子の出力信号を提供する第一の出力端子（７６）と、第二の電子スイッチング素子（５８）と、第二の電子スイッチング素子の出力信号を提供する第二の出力端子(78)と、第一および第二の電子スイッチング素子を動作させる第一のスイッチング信号を入力するための少なくとも１つの入力端子（７０、７２）とを有してなり、第一および第二の電子スイッチング素子は、各々、第一の電位（ＵＢ）または第二の電位（アース）の出力信号を第一の出力端子（７６）および第二の出力端子（７８）にそれぞれ供給する出力（６６）を持ち、
前記下流側の安全スイッチング装置は、第三の電子スイッチング素子（５６）と、第三の電子スイッチング素子の出力信号を提供する第三の出力端子（７６）と、第四の電子スイッチング素子(58)と、第四の電子スイッチング素子の出力信号を提供する第四の出力端子(78)と、第三および第四の電子スイッチング素子（５６、５８；５６、５８、１５６、１５８；５６、５８、１７６、１７８）を動作させる第三、第四のスイッチング信号を入力するための少なくとも第三および第四の入力端子（７０、７２）とを有してなり、第三および第四の電子スイッチング素子は各々、第三の電位（ＵＢ）または第四の電位（アース）の出力信号を、第三の出力端子（７６）および第四の出力端子（７８）にそれぞれ供給する出力（６６）を持ち、
前記上流側の安全スイッチング装置と前記下流側の安全スイッチング装置とは直列に接続され、第一の出力端子(76)が第三の入力端子（７０）に接続され、第二の出力端子(78)が第四の入力端子（７２）に接続されている、安全スイッチングシステム。 - １つの安全スイッチング装置（５０）の第一および第二の出力端子（７６、７８）と下流側の安全スイッチング装置（５０’）の第三および第四の入力端子（７０、７２）の間の接続（１０２、１０４）が少なくとも１つのスイッチ（１０６）を含む、請求項９記載の安全スイッチングシステム。
- １つの安全スイッチング装置（５０）の第一および第二の出力端子（７６、７８）と下流側の安全スイッチング装置（１１０）の第三および第四の入力端子（７０、７２）の間の接続（１０２、１０４）が少なくとも１つのアクチュエータ（１２２）を含む、請求項９または１０記載の安全スイッチングシステム。
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