JP4824897B2 - 安全スイッチング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気的負荷、特に電気的に駆動される機械の接続を安全に切り離すための安全スイッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
安全スイッチング装置はフェイルセーフ断路ユニットと信号ユニットを有し、その両方に外部の制御信号をまとめて供給することができ、制御信号がある規定された信号状態になると断路ユニットはそれに応じてフェイルセーフ方式で電気的負荷の接続を切り離し、一方信号ユニットは前記規定された信号状態に応じて外部報告信号を発生し、また断路ユニットは第一の遅延エレメントを有し、それによって負荷を切り離すプロセスが第一の時間間隔だけ遅らされる。
【０００３】
この様な安全スイッチング装置は、本発明の出願人によって既に以前から販売されている。
上に述べたタイプの安全スイッチング装置は特に工業の分野において、断路プロセスをフェイルセーフの考え方に従って実行するために使用されている。ここで言うフェイルセーフとは、スイッチング装置が少なくともヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１の安全カテゴリー３に適合することを意味する。これらの装置は例えば、非常停止ボタンの操作または防護ドアの開放に反応して、危険を伴う機械システムを停止するか、あるいは別の仕方でそれを安全な状態に移行させる。保守または修理作業を行うためにも、機械または機械システムの接続をフェイルセーフ方式で完全に、または少なくとも部分的に切り離すことが一般に必要となる。この様な状況の下での安全スイッチング装置の誤作動または故障は、人への危害に直接つながるので、かかるスイッチング装置のフェイルセーフ動作には非常に厳格な要求が課せられる。そのため構造が極めて複雑となり、安全スイッチング装置の開発と製造のための高いコストを伴うことになる。
【０００４】
用途によっては、接続を実際に切り離す前に、つまり供給電圧を除去する前に、機械または機械システムを制御された仕方で停止させる必要がある。この場合、機械は機械コントローラによって制御された仕方で、規定された停止状態に移行させられる。運転中に突然接続を切られた機械をその後再起動することに困難が伴う場合は、これは特に有利である。更にまた、実際に接続を切る前に制御された停止を行うことにより、例えば慣性力による機械の制御不能な動きを回避できる。
【０００５】
実際に接続を切る前に機械を制御された仕方で停止できるようにするために、既知の安全スイッチング装置は第一の遅延エレメントを有し、それによって切り離しプロセス、すなわち電源供給の中断が第一の時間間隔だけ遅らされる。この時間間隔が経過する前に、信号ユニットは外部報告信号の状態を変化させ、それにより制御ユニットに機械を停止状態に移行させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
既知の安全スイッチング装置においては、信号ユニットは基本的に２つの互いに冗長なリレーからなるが、それらは断路ユニット内のリレーとは異なり、それらの制御回路内に電流が流れない時は全く遅延無しにトリップする。それに対して断路ユニット内のリレーは断路遅延を有している。従って既知の安全スイッチング装置全体と同じように、信号ユニットもフェイルセーフ型に設計されており、それによりフェイルセーフ報告信号を発生する。しかし上で述べたように、このタイプの安全スイッチング装置は複雑でコストがかかる。
【０００７】
そこで本発明の目的は、安全スイッチング装置で、もっと低いコストで製造できるものを提供することである。
この安全スイッチング装置に対しては、信号ユニットを、非フェイルセーフ型報告信号をスイッチング装置の１つの出力に発生させる非フェイルセーフ型ユニットとすることにより、この目的が達成される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による解決は、報告信号の発生がそれ自体として、また機械の接続を切り離す全体のプロセスとは異なり、安全性を直接左右するものではないサブプロセスであることに着目して実現したものである。それは、第一の時間間隔の終わりまでには電源供給は落とされるので、報告信号を発生する上での誤作動は遅くとも第一の時間間隔が経過するまでには検出されるからである。従って本発明によれば、信号ユニットのフェイルセーフ機能に対する要求はあまり厳格でなくても、安全スイッチング装置全体のフェイルセーフ機能を低下させることはない。もしも信号ユニットを全くフェイルセーフ設計でないようにすれば、複雑さが大幅に低減されて本発明による安全スイッチング装置を全体としてより容易に、また従って低いコストで製造することが可能となる。
【０００９】
かくして前記の目的は完全に達成される。
信号ユニットを完全に無くす構成と対比すると、本発明の安全スイッチング装置は接続を切り離すべき機械が切り離される前に、一般に制御された仕方で停止させることができるという利点がある。これにより再起動の際の困難が回避される。
本発明において、規定された信号状態が発生すると、信号ユニットは全く遅延無しに報告信号をアクティブでなくする。
【００１０】
このことは、制御信号の規定された信号状態の発生と事実上同時に、信号ユニットが外部報告信号の状態を変化させることを意味する。技術に依存する信号遅延時間のために、厳密な時間の一致は実際には達成できないことは、言うまでもない。そのため「遅延無く」というのは、信号ユニットの反応に不可避な信号遅延時間を越えた余分な遅延が無いことを意味する。この手段は、機械を制御された仕方で停止させるために利用できる最大の時間を、機械の作動制御システムが有することが出来るという利点がある。第一の時間間隔は反対に非常に短く保つことができ、それによって安全スイッチング装置が全体として迅速に反応することができる。
本発明の好ましい改良において、制御信号はスイッチング装置のための動作電圧を含み、規定された信号状態は動作電圧が無いことに相当する。
【００１１】
従って安全スイッチング装置は、それ自体の動作電圧が失われたときに自動的に断路プロセスを開始するので、安全性が更に高まる。安全スイッチング装置が故障した場合、モニターされている機械は自動的に停止状態に移行し、フェイルセーフの原則に従って電源が切られる。
更なる改良において、安全スイッチング装置はトリップエレメントに対する外部から供給された断路信号に動作電圧を関連づける論理ＯＲゲートを有し、規定された信号状態は動作電圧が無い状態か、またはトリップエレメントの作動に対応する。
【００１２】
この手段は安全スイッチング装置の単純な仕方での２チャンネル駆動を実現し、従ってフェイルセーフ機能を更に向上する。
本発明の更なる改良において、信号ユニットは第二の遅延エレメントを有し、スイッチング装置がＯＮになったときに報告信号の発生がそれによって第二の時間間隔だけ遅らされる。
この手段は、信号ユニットが外部報告信号を発生し、それにより機械の動作制御システムが機械を起動する前に、機械の供給電圧が既に安定した仕方で使用可能になっているという利点がある。この場合、外部の回路やタイマーを何も追加せずにこの有利な時間的順序を実現でき、その結果本発明による安全スイッチング装置の使用と取り付けが単純化される。
【００１３】
本発明の更なる改良において、断路ユニットは互いに直列に配置された少なくとも２つの互いに冗長なスイッチング手段を有する。
この手段はそれ自体周知のものであるが、断路ユニットをヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１の意味でのフェイルセーフなものにすることを可能にし、従って本発明による安全スイッチング装置が全体としてこの規格に適合できる。
上記の手段の更なる改良において、スイッチング手段はモニタリング回路内に接続された少なくとも１つの能動的に案内された補助接点を有する。
【００１４】
この手段は、モニターされる断路ユニットの動作可能性を更に許容するので、フェイルセーフ機能を更に向上する。
本発明の更なる改良において、断路ユニットと信号ユニットは共通のスイッチング装置外囲器の中に配置される。
この手段は、本発明による安全スイッチング装置がコンパクトな部品として入手可能となり、従ってモニターされる機械システムの中へのその取り付けを大幅に単純化するという利点を有する。この場合、断路ユニットと信号ユニットの間の時間的順序が装置内で制御され、それにより取り付けの間違いや望ましくない不正な取り扱いが回避されると言う点で、特に有利である。
【００１５】
上に述べた特徴と以下の本文で説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ説明された組み合わせだけではなく、その他の組み合わせで、またそれら自体として使用できることは言うまでもない。
本発明の実施態様を以下の記述においてより詳しく説明し、図面で図示する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１において、一般的なタイプの安全スイッチング装置全体を参照符号１０で示す。
安全スイッチング装置１０は、外部からアクセス可能な多くの接続端子を有するコンパクトな装置外囲器１２の中に取り付けられる。この実施態様では、接続端子はネジ端子の形態をしており、図１ではそのようなスイッチング装置に対する通常の様態で示されている。
【００１７】
接続端子Ａ１およびＡ２は１つの入力を形成するが、この入力を通して安全スイッチング装置１０は装置の内部動作電圧Ｕ_Bの供給を受ける。ＯＮに切り替えられると、動作電圧Ｕ_Bは端子Ｓ３３とＳ３４および端子Ｙ１およびＹ２の間の外部リンク１４を介して送られ、先ず４つのリレーＫ１、Ｋ２、Ｋ４およびＫ５の補助接点で形成される直列回路１６に入力され、次にＯＦＦ遅延リレーＫ３の制御回路にも入力される。リレーＫ１、Ｋ２、Ｋ４およびＫ５の補助接点はブレーク接点であり、これらは停止状態では閉じている。そのため、安全スイッチング装置１０がＯＮに切り替えられると、電流が最初はリレーＫ３の制御接点を通って流れる。するとそのメーク接点１８、２０が閉じ、同時にその補助接点２２も閉じる。動作電圧Ｕ_Bは次にリレーＫ３のメーク接点１８、２０を介して既に述べたリレーＫ１、Ｋ２、Ｋ４およびＫ５の制御回路に入力される。それらのメーク接点２４、２６、２８、３０は安全スイッチング装置１０の２つの出力回路を形成するが、これらは端子３２、３３および３４、３５を介してアクセス可能である。
【００１８】
リレーＫ１、Ｋ２、Ｋ４およびＫ５が引き込まれると、直列回路内１６内のそれらの補助接点が開き、かつメーク接点２４、２６、２８、３０が閉じる。更にまた２つの別の補助接点３６、３８が閉じて、リレーＫ３の動作位置に関係なくリレーＫ１、Ｋ２、Ｋ４およびＫ５の制御回路を通る電流を維持する。所定のＯＦＦ遅延時間が経過すると、リレーＫ３はトリップする。
これらのプロセスが完了すると、安全スイッチング装置１０の２つの出力回路内のメーク接点２４、２６、２８、３０が閉じた状態となり、安全スイッチング装置１０に接続されている機械（図示せず）の電源がＯＮとなる。もしも入力端子Ａ１およびＡ２から動作電圧Ｕ_Bが無くなると、図１に示すように全ての接点がそれぞれの停止位置に戻る。その結果、端子３２と３３の間の電流経路がほぼ同時に切れる。それに対して端子３４と３５の間の電流経路は、リレーＫ４およびＫ５のＯＦＦ遅延時間に対応する遅延時間の後に切れる。
【００１９】
実際の動作中は、電源を切るべき機械には端子３４と３５の間の電流経路を通って電源が供給され、報告信号は端子３２と３３の間の電流経路を介して流れる。これからわかるように、この場合の報告信号の発生には、機械の接続を切るのに要するのとちょうど同じ数のリレーが必要となる。
図２において、本発明による安全スイッチング装置の実施態様が全体として参照符号４０で示される。この場合に同一の参照符は図１と同じエレメントを示す。
【００２０】
この安全スイッチング装置４０も、端子３４と３５の間の出力回路内にある２つのリレーＫ１とＫ２のメーク接点２４、２６（これらは直列に配置されている）を有する。リレーＫ１とＫ２の入力回路は最初、図１に示した安全スイッチング装置１０と同様に、リレーＫ３のメーク接点１８、２０を介して電源が供給される。リレーＫ１とＫ２が閉じると、リレーＫ３が遅延時間の後にトリップする。そしてリレーＫ１とＫ２の入力回路への電源が補助接点３６と３８を介して供給されるが、これらの接点はこの時閉じている。この限りでは、安全スイッチング装置４０の設計は安全スイッチング装置１０の設計に対応している。
【００２１】
ＯＮに切り替えられた後の上に述べた状態では、電流経路は端子３４、３５を介して閉じており、電気機械４２は供給電圧Ｕ_Vに接続されている。
参照符号４４、４６は２つのコンデンサを示すが。これらはそれぞれリレーＫ１およびＫ２の制御回路と並列に接続されている。ＯＮに切り替えられた状態では、２つのコンデンサ４４、４６は充電されている。入力側の動作電圧Ｕ_Bが無くなると、２つのコンデンサ４４、４６はリレーＫ１およびＫ２の制御回路を介して放電する。コンデンサの放電が完了するまではリレーＫ１およびＫ２はトリップせず、それらのメーク接点２４、２６は開いている。そのため機械４２は遅延時間Ｔ₁の後にＯＦＦに切り替えられるが、この遅延時間はコンデンサ４４、４６の放電時間に対応する。従ってコンデンサ４４、４６は、本発明のこの構成では第一の遅延エレメントである。
【００２２】
安全スイッチング装置４０の上記の部品が断路ユニットを構成するが、以下の説明では断路ユニット全体を参照符号４８で示す。ここで断路ユニット４８は周知の仕方で２チャンネルの冗長度を有する設計となっており、それによりヨーロッパ規格ＥＮ９５４−１の意味でのフェイルセーフ機能を達成している。更に２つのリレーＫ１およびＫ２の各々は、能動的に案内された（positively-guided）補助接点５０、５２を有しており、これはリレーＫ３に結合されて、メーク接点２４、２６のうち１つが開いたときは安全スイッチング装置４０は動作状態に入れないようにされる。従って補助接点５０、５２はモニタリング回路内に含まれる。
【００２３】
しかし図１に示す安全スイッチング装置１０とは違い、安全スイッチング装置４０は、フェイルセーフ型の設計ではなく報告信号５８を発生する信号ユニット５４を有する。報告信号５８は出力端子５６に生じるフェイルセーフ型でない信号である。従って報告信号５８を、機械４２の制御ユニット６０に単純な仕方で供給することができる。
最も単純な場合では、報告信号５８を発生するために、出力端子５６は動作電圧Ｕ_Bに直接接続される。しかし信号ユニット５４の好ましい実施態様は、下に図を参照して説明されるものである。
【００２４】
図３において、信号ユニット５４は２つのトランジスタＴ１およびＴ２と多くの抵抗Ｒ１〜Ｒ６からなる増幅回路で構成される。この場合、報告信号５８はトランジスタＴ２のコレクタに接続された抵抗Ｒ６の両端から取られるが、このことは図示の回路では報告信号５８がアクティブの状態では、内部動作電圧Ｕ_Bにほぼ対応し、また非アクティブにされて生きていない状態では高インピーダンス状態となる。
【００２５】
図４に示す好ましい実施態様では、信号ユニット５４の回路には更にコンデンサ６２が追加されており、そのためコンデンサ６２がほぼ充電されたときにだけ報告信号５８がアクティブな信号状態となる。従って、安全スイッチング装置４０の電源がＯＮに切り替えられると、報告信号５８の発生はコンデンサ６２に支配される第二の時間間隔だけ遅れる。
図５に安全スイッチング装置４０の時間的順序をグラフの形で示す。時刻ｔ０には安全スイッチング装置４０の動作電圧ＵＢがＯＮとなる。ほとんど同時にリレーＫ１およびＫ２のメーク接点２４、２６が閉じ、それによって供給電圧ＵＶが機械４２に印加される。それに対して報告信号５８は第二の時間間隔Ｔ２が経過するまではアクティブ状態とはならず、この時間間隔はコンデンサ６２を充電する時間にほぼ対応する。
【００２６】
時刻ｔ₂に安全スイッチング装置４０から動作電圧Ｕ_Bが無くなると、報告信号５８はほとんど同時に非アクティブの高いインピーダンス状態に反転する。しかしリレーＫ１、Ｋ２のメーク接点２４、２６は、コンデンサ４４、４６の放電が完了するまで閉じたままとなる。その結果、時間間隔Ｔ１が経過するまで機械４２の供給電圧Ｕ_Vとの接続は切れない。機械４２の制御ユニット６０には従って、供給電圧Ｕ_VをＯＦＦに切り替える前に機械４２を制御された仕方で停止状態にするまでの十分な時間が残っている。
【００２７】
図６において、本発明による安全スイッチング装置の別の実施態様全体を参照府７０で示す。安全スイッチング装置７０が図２に示した安全スイッチング装置４０と異なる主な点は、図６で参照府７２で示される論理ＡＮＤリンクを有していることである。ＡＮＤゲート７２の出力は信号ユニット５４に供給される。ＡＮＤゲート７２は第一の入力端子でトリップエレメント７４からの断路信号を受け取るが、トリップエレメントはこの場合２つのチャンネルを有し、また例としてここでは２チャンネルの非常停止ボタンである。その第二の入力端子では、ＡＮＤゲート７２は動作電圧Ｕ_Bから導かれる信号を受け取る。従って、その存在が安全スイッチング装置７０に機械４２のＯＦＦへの切り替えを開始させる規定された信号状態は、動作電圧Ｕ_Bの不在とトリップエレメント７４の作動の両方に対応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の基礎となる一般的なタイプの安全スイッチング装置の模式図である。
【図２】 本発明による安全スイッチング装置の実施態様の模式図である。
【図３】 図２に示した安全スイッチング装置のための信号ユニットの設計の第一の実施態様を示す。
【図４】 信号ユニットの第二の実施態様を示す。
【図５】 本発明による安全スイッチング装置における時間的関係を示す。
【図６】 本発明による安全スイッチング装置の第二の実施態様の模式図である。
【符号の説明】
１０ 安全スイッチング装置
１２ 安全スイッチング装置外囲器
４２ 電気的負荷
４４、４６ 第一の遅延エレメント
４８ フェイルセーフ断路ユニット
５４ 信号ユニット
５６ 出力
５８ 非フェイルセーフ型の報告信号
７４ 外部制御信号

Claims (7)

1. 電気的に駆動される機械である電気的負荷（４２）の電源を安全に切るための安全スイッチング装置であって、
   前記安全スイッチング装置がフェイルセーフ断路ユニット（４８）と信号ユニット（５４）を有し、その両方に外部制御信号（Ｕ_Ｂ；Ｕ_Ｂ ，７４）をまとめて供給することができ、前記制御信号（Ｕ_Ｂ；Ｕ_Ｂ ，７４）がある規定された信号状態になると前記断路ユニット（４８）がそれに応じてフェイルセーフ方式で電気的負荷（４２）の接続を切り離し、前記信号ユニット（５４）は前記規定された信号状態になると遅延無く外部報告信号（５８；Ｕ_Ｍ）を非アクティブにするものであり、
   前記断路ユニット（４８）が第一の遅延エレメント（４４，４６）を有し、それによって前記電気的負荷（４２）の電源を切るプロセスが第一の時間間隔（Ｔ_１）だけ遅らされ、また前記信号ユニット（５４）がスイッチング装置（４０）の１つの出力（５６）に非フェイルセーフ型の報告信号（５８；Ｕ_Ｍ）を発生させる非フェイルセーフ型のユニットであることを特徴とする、安全スイッチング装置。
2. 前記制御信号がスイッチング装置（４０）のための動作電圧（Ｕ_Ｂ）を含み、前記規定された信号状態が動作電圧（Ｕ_Ｂ）の存在しないことに対応する、請求項１記載の安全スイッチング装置。
3. 前記制御信号がトリップエレメント（７４）からの出力信号を含み、前記規定された信号状態がトリップエレメント（７４）の作動に対応する、請求項１または２記載の安全スイッチング装置。
4. 前記信号ユニット（５４）が第二の遅延エレメント（６２）を有し、それによりスイッチング装置（４０）の電源がＯＮになったときの報告信号（５８；Ｕ_Ｍ）の発生が第二の時間間隔（Ｔ_２）だけ遅らされる、請求項１ないし３いずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
5. 前記断路ユニット（４８）が、互いに直列に配置された少なくとも２つの互いに冗長なスイッチング手段（Ｋ１，Ｋ２；２４，２６）を有する、請求項１ないし４いずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
6. 前記スイッチング手段（Ｋ１，Ｋ２）がモニタリング回路に含まれる少なくとも１つの能動的に案内される補助接点（５０，５２）を有する、請求項５記載の安全スイッチング装置。
7. 前記断路ユニット（４８）と前記信号ユニット（５４）が共通のスイッチング装置外囲器（１２）の中に配置されている、請求項１ないし６いずれか１項に記載の安全スイッチング装置。

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