JP2008544663A - 自動化設備における安全スイッチング装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動化設備において負荷１２を安全に接続解除する。
【解決手段】アナログ入力信号２８を受信するための少なくとも１つの入力端子１６と、アナログ入力信号２８をデジタル信号３１に変換するＡ／Ｄ変換器２２とが設けられている。評価制御ユニット３４が、デジタル信号３１に基づいて少なくとも１つの出力スイッチング素子４０、４２を制御する。アナログ結合信号２９を形成するために、アナログ信号結合器２０が、アナログ入力信号２８にアナログテスト信号２７を重畳するように設置されている。アナログ結合信号２９は前記Ａ／Ｄ変換器２２に供給される。
【効果】安全スイッチング装置の動作を、アナログテスト信号２７によって故障監視することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、自動化設備における負荷を安全に接続解除するための安全スイッチング装置であって、アナログ入力信号を受信するための少なくとも１つの入力を備え、アナログ入力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を備え、デジタル信号が供給される評価制御ユニットを備え、およびデジタル信号の機能として評価制御ユニットによって制御される少なくとも１つの出力スイッチング素子を備える安全スイッチング装置に関する。

本発明は、特に、自動化設備における負荷を安全に接続解除するための方法であって、少なくとも１つのアナログ入力信号を受信するステップと、アナログ入力信号をデジタル信号に変換するステップと、デジタル信号を評価するステップと、デジタル信号の機能として出力スイッチング素子を制御するステップとを含む方法に関する。

このような安全スイッチング装置およびこのような方法は、例えば、下記特許文献１から公知である。
自動化設備は、長年にわたって、ますます利用されるようになってきた。これは、物品の工業的生産用自動化設備の他に、例えば、空港でのコンベヤーベルトまたはスキー場でのケーブルカーといった、人または品を運ぶための自動化設備にも関するものである。また、テーマパークにおいておよびビルオートメーションにも、自動化設備がますます利用されてきている。原則的には、誤動作の結果としてまたは設備の操作手順にある欠陥の結果として、自動化設備は潜在的リスクとなるので、人および物に対する損害または危険の回避に関する安全面がますます重要な役割を果たしている。自動設備の保護に対する典型的な対策としては、光バリヤ、光グリッド、防護柵などによる防護区域を設けること、設備を（または設備の一部を）安全に接続解除できる緊急停止スイッチを備えることなどが挙げられる。しかし、例えば、新たに生産を稼働するために工作機械をセットアップする場合など、このような対策が適当でない用途がある。この場合、機械のオペレータが、防護扉を開けたまま、サンプルの加工中製品が正しく供給および加工されているかを検査しなければならず、また、生産工程内に立ち入らなければならないこともある。このような段取り作業は、典型的には、機械の回転速度を下げて、安全性関連のプロセス変数を表す減速させた回転速度を維持したまま行われる。

プロセス変数が正しく記録されてきたことを妥当性の比較によって確実にするために、このような安全性関連のプロセス変数が冗長的に検出されることは公知である。例えば、下記特許文献２には、適切な冗長設計の回転速度センサが記載されている。また、安全上の理由から、冗長な緊急停止スイッチ、防護扉スイッチ、または光バリヤの使用も公知である。

このような最後に挙げた信号機器は、２値出力信号（緊急停止スイッチが押されたか否か、防護扉が開いているか否か、光バリヤが遮断されたか否か）のみを生成するという点で、回転速度センサおよびアナログ式のプロセス変数を記録するためのセンサなどとは異なる。このような２値信号機器を用いると、例えば、緊急停止スイッチが何日間または何ヶ月間も動作されないため、および防護扉が何時間または何日間にわたって開けられないため、安全性関連の出力信号は長期間変化しないでいることが可能である。このような状況では、この２値信号機器の出力における静的信号状態は、例えば、ケーブルがつぶれて短絡してしまったといった故障の結果ではないことを確実にするために、２値信号機器からの出力信号が、２値信号機器に与えられるクロック信号を有する（正または強制された動的挙動）ことは公知である。例えば、下記特許文献３には、対応する安全スイッチング装置が記載されている。回転速度センサからなど、アナログ信号機器からの出力信号の場合には、センサ出力信号は連続的に変化するので、かかる問題は存在しない。一方、ここでは、適当な２つの信号状態のうちの一方を特定することは問題にしない。むしろ、それぞれのアナログセンサ信号の瞬時値は関連がある。

したがって（また）、安全性関連のアナログ信号を受信する場合には、アナログ信号を受信している回路部品が正しく動作していることを確実にしなければならない。このことが特に当てはまるのが、Ａ／Ｄ変換器によってアナログ信号がデジタル信号に変換され、その後、評価のためにデジタル評価制御ユニットに供給される場合である。これらの理由により、冒頭で引用した下記特許文献１は、単一チャネルのアナログ信号を２つの冗長なチャネルで受信するための入力回路を設計することを提案しており、それぞれの場合において、一方のチャネルに交互にテスト信号が与えられ、もう一方のチャネルはアナログ入力信号を受信している。これによって、初期段階で安全スイッチング装置の入力回路にある機能的な欠陥を特定することができる。さらに、冗長な入力チャネルを互いにテストすることによって、アナログ入力信号を連続して記録することができる。この解決法には、単一チャネルのアナログ信号を記録することにさえ、２つの冗長な入力チャネルと、入力信号およびテスト信号の間を切り換えるためのマルチプレクサとが必要とされるため、非常に複雑であるという欠点がある。

下記特許文献４は、（アナログ）センサ信号の安全な単一チャネルを評価する方法および装置を開示している。この特許文献４は、加算および減算によって２つの冗長なアナログ信号からさらに２つの冗長信号が生成されることを提案している。その後、２つのアナログ入力信号および２つの冗長信号はデジタル化され、評価制御ユニットに伝送される。ある例示的実施形態では、これらの信号を単一チャネルの伝送線路を介して伝送してもよい。しかし、この手順には、一般に２つの冗長な入力信号が必要とされ、一つの測定値を伝送するには、信号の変換（加算、減算およびデジタル化）を繰り返さねばならないという欠点がある。

下記特許文献５は、アナログセンサにテスト信号発生器が組み込まれ、その場合、このテスト信号発生器はより高レベルの評価制御ユニットによって作動されてもよいことを提案している。この提案には、安全スイッチング装置の入力回路を検査している間はセンサ信号が利用できないという欠点がある。さらに、この提案は、組み込まれたテスト信号発生器を有する特定のアナログセンサを必要とする。

下記特許文献６は、時折アナログ測定信号を抑制することによって（接地することによって）、アナログ測定信号を受信するための回路の入力回路にあるＡ／Ｄ変換器の検査を提案している。この手順もまた、アナログ入力信号は評価用には連続利用ができないという欠点がある。
独国特許第１００３５１７４Ａ１号明細書 独国特許第１９９３７７３７Ａ１号明細書 独国特許第１９９６２４９７Ａ１号明細書 独国特許第１００３７７３７Ａ１号明細書 独国特許第４３０９７８９Ａ１号明細書 独国特許第１９６４０９３７Ａ１号明細書 独国特許第１０３２０５２２Ａ１号明細書

この背景に対して、本発明は、アナログ入力信号が安全に連続して記録できる、冒頭に記載したタイプの安全スイッチング装置および対応する方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、本目的は、アナログ結合信号を形成するために、アナログテスト信号をアナログ入力信号に重畳するように設計されたアナログ信号結合器を備え、このアナログ結合信号はＡ／Ｄ変換器に供給される、冒頭に記載したタイプの安全スイッチング装置によって達成される。
また、本目的は、アナログ結合信号を形成するためにアナログ入力信号にアナログテスト信号が重畳される、かつ、そのアナログ結合信号がデジタル信号に変換される、冒頭に記載したタイプの方法によって達成される。

したがって、この新規な安全スイッチング装置および新規な方法は、もとのアナログ入力信号からの信号情報およびアナログテスト信号からの信号情報の両方を同時に含んだ、結合されたアナログ「入力信号」を作成するように、アナログ入力信号にアナログテスト信号を重畳するという思想に基づくものである。アナログ結合信号はＡ／Ｄ変換器に供給され、デジタル結合信号に変換される。もとの２つのチャネルからの信号情報はデジタル結合信号に含まれているので、評価制御ユニットはもとのアナログ入力信号を評価することができるのみならず、入力回路内の部品が適切に機能しているか、特に、Ａ／Ｄ変換器が適切に機能しているかを検査することができる。評価制御ユニットは、デジタル結合信号に含まれる信号成分同士を再度分離すればよいだけであり、このことは、測定された信号の結合によって容易に行うことができる。

したがって、新規の安全スイッチング装置の入力回路は、より良好なフェールセーフ性を可能にし、さらにより多くの利用を可能にするため、２チャネルの実施形態でも可能ではあるが、単一チャネルで設計されてもよい。さらに、新規な安全スイッチング装置は、標準センサからアナログ信号を受信して評価することができる。つまり、特定の安全なアナログセンサを必要としない。他の特に有利な点として、アナログ入力信号は、入力側のアナログ信号における安全性関連の変化に対して非常に迅速に反応できるように、連続的に監視して評価することができる。

したがって、上記の目的は、完全に達成される。
本発明の改良形態において、デジタルテスト信号からアナログテスト信号を生成するＤ／Ａ変換器が設けられている。
この改良形態によって、結合信号のアナログ／デジタル変換後にデジタルテスト信号を非常に簡単に分離することができるので、非常に簡易で柔軟な実施態様が可能となる。さらに、デジタル制御装置内でデジタルテスト信号を非常に容易に変化させることができ、また、これによって、アナログテスト信号の信号パラメータをテスト環境に非常に簡単に整合させることができる。

さらなる好適な改良形態において、評価制御ユニットはデジタルテスト信号を生成し、それをＤ／Ａ変換器に伝送する。
この場合、評価制御ユニットは検査に用いられているテスト信号の信号パラメータについて常時通知されるので、この改良形態は特に好ましい。テスト信号はアナログ信号または異なる必要条件に非常に簡単に整合させることができる。さらに、この改良形態によって、低コストの実施態様が可能となる。

さらなる改良形態において、アナログ信号結合器はアナログ加算器である。
アナログ加算器は、市販の演算増幅器によって非常に容易に製造することができる。さらに、アナログテスト信号とアナログ入力信号とを加法的に重畳することには、その後の信号分離を減算によって非常に容易に行うことができる、という利点がある。したがって、新規な安全スイッチング装置の入力回路における部品の検査は、アナログ入力信号に影響を及ぼさずに、非常に低価格かつ非常に迅速に行うことができる。

さらなる改良形態において、ローパスフィルタが設けられており、入力とアナログ信号結合器との間に配置されている。このローパスフィルタの遮断周波数は、好ましくは約１ｋＨｚである。
この改良形態は、アナログ入力信号とアナログテスト信号との加法的な重畳に関して特に有利ではあるが、例えば、乗法的な重畳に用いることもできる。ローパスフィルタはアナログ信号結合器の上流に位置しているので、アナログ入力信号は最大入力周波数に制限される。しかし、この後にしか重畳されないテスト信号は、より高い周波数であってもよい。このような周波数差は、使用されたテスト信号のその後の評価を簡単にする。アナログ入力信号が、最大周波数制限によって限られた割合でしか変化できないので、テスト信号から信号成分を除去するために、特に、ローパスフィルタによって、結合信号の連続するサンプル値同士を減算することができる。したがって、連続するサンプル値の最大許容差範囲を非常に簡単に定めることができる。

さらなる改良形態において、Ａ／Ｄ変換器の最大変換範囲は、アナログ入力信号の最大許容ダイナミックレンジより広い。
言いかえれば、この改良形態には、アナログ入力信号はＡ／Ｄ変換器の変換範囲を利用しないという思想が含まれている。この改良形態には、アナログ入力信号の値が最大と仮定した場合でも、アナログ入力信号にテスト信号を加算することができるという利点がある。したがって、入力信号の瞬時値に関係なく加法的に重畳することが可能であり、ゆえに２つの信号成分の評価が簡単になる。一方、加法的に重畳されたテスト信号によって、Ａ／Ｄ変換器をその変換範囲全体についてテストすることができ、それによって、アナログ入力信号の予想外に高い振幅値でさえも確実に特定できるようになる。

さらなる改良形態において、アナログテスト信号は、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング間隔より大きいパルス間隔を有するパルス信号である。
結合信号のサンプル値の中には、このような時間パラメータゆえに、重畳されたテスト成分を有さないものもあるため、この改良形態によって、テストのために結合された信号成分を特に容易に分離することができる。したがって、テスト成分は、結合信号の連続するサンプル値を単純に減算することによって特定することができる。

さらなる改良形態において、評価制御ユニットは、デジタル信号の連続する値を互いに比較し合い、これらの連続する値が定められた差値よりも大きく相互に異なる場合に、故障信号を生成するように設計されている。
この改良形態は、既に説明した能力を利用する。それによって、新規な方法および新規な安全スイッチング装置を非常に簡単な形で実現できる。さらに、この改良形態において非常に結合信号を評価することができる。

さらなる改良形態において、アナログ入力信号の機能として変化するが、アナログテスト信号からは独立している少なくとも１つの出力が提供される。
言いかえれば、この改良形態は、重畳されたテスト信号に影響を受けない信号が供給される少なくとも１つの出力を提供する。好ましくは、これは信号、特にデジタル信号であり、アナログ入力信号に本質的に対応するものである。この改良形態によって、閉ループ制御のために、アナログ入力信号をさらに直接処理することができる。しかし、入力回路を新たに検査した結果、出力信号を「安全信号」としてさらに処理することができる。

さらなる改良形態において、少なくとも２つのアナログ入力信号を受信するために少なくとも２つの入力が提供され、また、少なくとも２つのアナログ入力信号それぞれにアナログテスト信号を重畳するように設計されている、少なくとも２つのアナログ信号結合器が設けられている。好ましくは、少なくとも２つのＡ／Ｄ変換器および少なくとも２つの評価制御ユニット（例えば、２チャネル評価制御ユニット）も設けられ、それによって全体に２つのチャネルを備えた信号処理経路を形成する。

この改良形態によって、安全スイッチング装置に変更を加えることなく、一方では冗長なアナログ信号を処理することができ、もう一方では単一チャネルのアナログ信号も処理することができるので、新規な安全スイッチング装置を特に柔軟に使用することができる。この改良形態では、新規な安全スイッチング装置を、動作環境の変化に非常に柔軟に整合させることができる。

さらなる改良形態において、評価制御ユニットは、互いに対して反転される２つのアナログ入力信号を評価するように設計されている。
この改良形態は、強い電磁干渉場が存在する用途に特に有利である。このような干渉は、相互に反転されたアナログ入力信号の評価によって、例えば減算によって、非常に効果的に除去することができる。したがって、この改良形態は、アナログ信号の受信に対して特に高いフェールセーフ性を有する実施を可能にする。

さらなる改良形態において、評価制御ユニットは、Ａ／Ｄ変換器およびアナログ信号結合器から物理的に離れて配置されており、補助制御装置がＡ／Ｄ変換器の出力に配置されて、評価制御ユニットと通信する。ある好適な実施例において、この通信は、上記特許文献７からそれ自体公知であるように、コード化された形で単一チャネルの伝送路を介して行う。これとは別の方法として、他の好適な例示的実施形態における通信は、ＣＡＮバスリンクのようなバスシステムを介して行う。

この改良形態は、かなり普及している設備において本発明の実施を簡単なものにし、ゆえに、設置コスト削減に貢献している。さらに、これによって、１つの共通の評価制御ユニットを用いて、アナログ出力信号で複数のセンサを評価することができる。また、この評価制御ユニットは、安全スイッチング装置のモジュール設計にとっても有利であり、個々のモジュールは互いに間隔を広く空けずに、選択的に連結することができる。ある好適な実施において、評価制御ユニットは、複数の異なるＩ／Ｏモジュール（入出力モジュール）を接続できる、いわゆるヘッドモジュールである。この場合、Ａ／Ｄ変換器およびアナログ信号結合器への入力は、モジュールの入力ユニットを形成する。

上述の特徴および以下にさらに説明する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ記載の組み合わせのみならず他の組み合わせ、またはそれらのみでも用いることができることは自明である。

本発明の例示的実施形態を、以下により詳細に説明し、以下の図面に示す。
図１では、新規な安全スイッチング装置の例示的実施形態全体が、参照符号１０で示されている。安全スイッチング装置１０は、自動化設備における負荷を安全に接続解除するためにここで用いられている。例えば、入力側のセンサ信号の機能として、フェールセーフ形式で接続解除されなければならないモータ１２が図示されている。本明細書において、フェールセーフとは、安全スイッチング装置１０が、少なくとも欧州規格ＥＮ９５４−１のカテゴリ３の要件、またはＩＥＣ６１５０８および／またはＩＳＯ１３８４９−１の意図する範囲内の同等の要件に準拠しなければならないことを意味する。

安全スイッチング装置１０は、入力端子１６を有する入力回路１４と、入力端子１６に接続されたローパスフィルタ１８と、ローパスフィルタ１８に接続された信号結合器とを備えている。この場合、信号結合器は、アナログ加算器回路またはアナログ加算器２０の形状である。アナログ加算器２０は、演算増幅器によって容易に製造することができる。かかる回路は、この分野に従事する当業者にとっては基礎知識であり、分かりやすくするため、より詳細な図示は行わない。

加算器２０の出力は、Ａ／Ｄ変換器２２に接続される。Ａ／Ｄ変換器２２からの出力はマイクロコントローラ２４に達する。さらに、マイクロコントローラ２４はＤ／Ａ変換器２６に接続され、アナログ信号２７を加算器２０に供給する。加算器２０は、入力端子１６に接続されたアナログセンサ３０のアナログ信号２７とローパスフィルタ１８によって制限されたアナログ入力信号２８とを重畳する。その結果、加算器２０の出力でアナログ結合信号２９が生成され、Ａ／Ｄ変換器２２によってデジタル結合信号３１に変換される。例えば、センサ３０は、回転速度センサ、温度センサ、圧力センサなどであってもよい。

安全スイッチング装置１０を、第２の冗長入力回路１４’とともに、図１に示す。冗長入力回路１４’内の部品は、入力回路１４と同じ参考符号で示しているが、それぞれにプライム符号を付けている。２つの入力回線１４、１４’を冗長的にまたは互いに独立して選択的に用いることができるので、これら２つの冗長入力回線１４、１４’を備えた安全スイッチング装置１０の構成には、高い柔軟性がある。しかし、原則として、安全スイッチング装置１０は単に１つの入力回路１４で製造されてもよく、ゆえに、以下の本文は１つの入力回路１４のみを参照するものである。

２つの冗長入力回線１４、１４’を有する例示的実施形態において、入力回路１４’は反転されたアナログ入力信号２８’を反転センサ３０’から受信するように設計されていることが好ましい。この反転されたアナログ入力信号２８、２８’を評価することで、後続の評価制御ユニットで減算処理を行うことによって、入力信号２８、２８’に重畳された電磁干渉を容易に抑制することができる。

ここで、マイクロコントローラ２４は、インタフェース３２に接続され、インタフェース３２を介してより高レベル（この場合、２チャネル）の評価制御ユニット３４と通信する。この評価制御ユニット３４は、入力回路１４から物理的に離れていてもよい。インタフェース３２は、例えば、いわゆるSafetyBus（登録商標）として知られるものに基づいたバスインタフェースであってもよい。このSafetyBus（登録商標）は本発明の所有者によって開発されて市販されているものである。これとは別の方法として、上記特許文献７に記載のように、入力回路１４と評価制御ユニット３４との間の伝送に、単一チャネルの伝送線路を用いることもできる。さらに、通信のために、一般的に２つのチャネルを用いてもよく、または、評価制御ユニット３４は、入力回路１４とともに、小型で一体化された安全スイッチング装置を形成してもよい。

特に好適なある実施形態では、図示したさらなる要素とともに、入力端子１６、信号結合器２０、およびＡ／Ｄ変換器２２は、いわゆるヘッドモジュールに入力モジュールとして接続されるモジュールハウジング３３内に配置され、ヘッドモジュールは評価制御ユニット３４を備えている。そして、入力モジュール３３および入出力モジュール３４は、例えば、個々のモジュールが差し込まれた「後壁バス」を介して通信する。ある例示的実施形態では、後壁バスはＣＡＮバスに基づいたものである。

評価制御ユニット３４は、２つのマイクロコントローラ３６、３８によって簡易に図示されるように、ここで２チャネル冗長性を有している。例えば、評価制御ユニット３４は、商標名ＰＳＳ（登録商標）で本発明の所有者によって市販されるような、プログラム可能安全コントローラであってもよい。あるいは、評価制御ユニット３４は、商標名ＰＮＯＺ（登録商標）で本発明の所有者によって様々な変形で市販されるような、安全スイッチング装置であってもよく、あるいは、既に述べた、モジュール設計向けのヘッドモジュールである。

この場合、２つのマイクロコントローラ３６、３８は、それぞれ出力側のスイッチング素子４０、４２に接続される。スイッチング素子４０、４２は、それぞれ出力端子４４、４６から出力信号を生成する。この場合、この出力信号を、電位を基準とした出力信号として示す。あるいは、出力スイッチング素子４０、４２は、例えば、浮動リレー接点の場合もある。

評価制御ユニット３４の出力端子４４、４６には、２つの接点素子４８、５０が接続されている。この接点素子４８、５０の常時開接点５２、５４は、互いに直列に接続され、モータ１２への電力供給路と直列に接続される。さらに、モータ１２と、接点素子４８、５０の常時開接点５２、５４との間には、周波数変換器５６も配置される。この周波数変換器５６は、評価制御ユニット３４の出力５８での信号によって制御され、入力信号２８、２８’の機能としてすなわち入力信号２８、２８’に基づいてモータ１２の回転速度を調整する。このために、評価制御ユニット３４は、入力回路１４、１４’によって受信されるアナログ入力信号２８、２８’を評価し、周波数変換器５６への出力端子５８において動作信号を生成する。

入力回路１４、１４’および特にＡ／Ｄ変換器２２、２２’が正しく動作しているかを監視するために、各アナログ入力信号２８、２８’にテスト信号２７が重畳され、以下に説明する方法で評価される。ある好適な例示的実施形態では、テスト信号は、評価制御ユニット３４によってデジタルテスト信号６０の形で生成される。Ｄ／Ａ変換器は、デジタルテスト信号６０をアナログテスト信号２７に変換する。アナログテスト信号２７は、アナログ加算器２０のアナログ入力信号２８（および２８’）に重畳される。

アナログ入力信号２８およびアナログテスト信号２７を含む結合信号２９は、Ａ／Ｄ変換器２２によってデジタル結合信号３１に変換され、その後、インタフェース３２を介して評価制御ユニット３４へ伝送することができるように、マイクロコントローラ２４において前処理される。あるいは、マイクロコントローラ２４においてデジタルテスト信号６０が生成される場合もある。

図２は、アナログテスト信号２７が重畳されるアナログ入力信号２８からの詳細を示している。この場合、アナログテスト信号２７は、複数のパルス６６、６８を含み、パルス距離をＤＰと示している。破線７０、７２、７４、７６は、アナログ結合信号２９のサンプル値を表しており、Ａ／Ｄ変換器２２はこれらのサンプル値を受信してデジタル値に変換する。２つのサンプル値の間隔、いわゆるＡ／Ｄ変換器２２のサンプリング間隔は、参照符号７８で表している。

線８０は、Ａ／Ｄ変換器２２の変換範囲の上下限値を示す。これに対して、線８２は、入力信号２８の最大ダイナミックレンジを示す。図２に見られるように、この場合、ダイナミックレンジ８２は、Ａ／Ｄ変換器２２が許容する変換範囲８０よりも狭い。あるいは、入力信号２８は、Ａ／Ｄ変換器２２の変換範囲８０を十分に利用する場合もある。
図３は、新規な方法の例示的実施形態の簡易フローチャートを示している。ステップ８６では、加算器２０の出力で結合信号２９（Ｓ_a）をサンプリングする。例えば、ここでは図２からのサンプル値７０をとらえ、これをデジタル値に変換する。ステップ８８によれば、アナログテストパルス６６が重畳されて、ステップ９０での次のサンプル値になる。したがって、サンプル値７２は、アナログ入力信号２８の瞬時値および加算されたテストパルス６６の瞬時値で構成される。言いかえれば、図３のフローチャートのサンプル値７２（Ｓ_a（ｔ₁））は、テストパルス６６の瞬時値によって実際のアナログ信号２８を上回る。

２つ連続したサンプル値Ｓ_a（ｔ₀）およびＳ_a（ｔ₁）は、ステップ９２で互いから減算する。さらに、この差が定められたしきい値Ｓより小さいかどうかを判断するために検査を行う。この大きさの差が定められたしきい値より大きいと、誤動作が生じ、ステップ９４によれば、例えば、モータ１２の接続解除といった反応を引き起こす。これに対して、この大きさの差が定められたしきい値Ｓより小さいと、重畳されたテストパルス６６が除去された結合信号の瞬時値を用いることができる（ステップ９６）。方法ステップ８６〜９６は反復して繰り返される（ループ９８）。

図３に示す方法によって、入力回路１４が作動可能に、および特に検査対象のＡ／Ｄ変換器２２が作動可能になり、また、遮断されることなくアナログ入力信号を受信し、処理することができる。しかし、テストパルス６６に関して記載した状況は、アナログ入力信号が２つのサンプル値間で変化する場合に、若干困難になっている。この状況は、テストパルス６８について図示されている。図２の参照符号１００が示すように、ステップ９２からの減算処理は、ここで比較的大きな差ΔＳを生じてしまう。しかし、ローパスフィルタ１８によって、アナログ信号２８は、最初のうちは、１つのサンプル値から次のサンプル値までの各信号変化にしか影響されない。この最大可能信号変化（さらに任意の許容差を追加）が最大許容可能しきい値Ｓとして定義されれば、新規な方法は、このように困難な状況であっても、入力回路１４の部品の使用可能性に関して確実に説明できる。

動作範囲全体についてＡ／Ｄ変換器２２をテストするために、本発明の好ましい例示的実施形態において、アナログ入力信号２８を介して可変テスト信号が与えられる。この可変テスト信号は、例えば、異なる振幅および／または異なる数学的符号を有するテストパルス６６、６８を含んでいてもよい。しかし、比較的簡易な例示的実施形態では、変化しないテストパルス６６、６８を用いることも可能である。さらに、原則的に、テスト信号の成分がすべてのサンプル値について分かっていれば、パルスの形ではないアナログ信号をテスト信号として用いることも可能である。さらに、その後の信号分離工程がより複雑になるものの、原則的に、テスト信号を加法的ではなく乗法的に重畳することが実現可能である。乗法的に重畳する場合、フーリエ解析（ここでは図示せず）によって信号分離を行う場合もある。

特に、上記の方法は、Ａ／Ｄ変換器２２におけるコードエラーおよび増幅不良を特定するために用いることができる。可変テスト信号を用いれば、Ａ／Ｄ変換器２２の線形不良を特定することも可能である。Ａ／Ｄ変換器２２内のオフセット誤差は、例えば、ローパスフィルタ１８の上流または下流に配置されたスイッチング素子（ここでは図示せず）を用いることによって、発することのできるアナログ入力信号２８を短時間接続解除することにより特定できる。

連続するサンプル値の妥当性を図３に示す方法で監視するので、この方法は、単一チャネル入力回路１４を１つだけ有する安全スイッチング装置１０に特に適している。さらに、冗長な入力回路１４の場合には、２つの冗長なチャネルにおけるサンプル値の間で妥当性を比較することもでき、それによって、安全性を向上させることができる。
重畳されたテスト信号を、サンプル値７０〜７６から計算によって「除去」してしまうと、それらのサンプル値は、モータ１２の閉ループ制御に用いることができる。このため、図１に示す評価制御ユニット３４は、出力端子５８で適切な制御信号を生成し、この制御信号は、テスト信号２７の機能としてではなく、アナログ入力信号２８の機能としてすなわちアナログ入力信号２８に基づいて変化する。これに対して、出力スイッチング素子４０、４２のスイッチ位置は、主に、テスト信号２７による故障監視が入力回路１４における正しい動作を信号伝達するか否かによって決まる。

図１に示す例示的実施形態では、新規な方法が故障条件を特定する場合および／または入力端子１６で受信したアナログ信号が制限値をオーバーシュートまたはアンダーシュートする場合、新規の安全スイッチング装置１０は、フェールセーフ形式でモータを接続解除する。これとは別の方法として、好適な冗長的実施態様では、少なくとも１つの出力スイッチング素子によって警報信号を生成することもができ、例えば、それ以上処理されないアナログ値が記録される。別のアナログチャネルが利用可能であれば、この入力信号は単独でさらなる処理に用いることができる。

新規な安全スイッチング装置の第１の例示的実施形態について説明する簡易ブロック図を示す。 アナログテスト信号が重畳されたアナログ入力信号の一例を示す。 新規な方法の実施形態について説明する簡易フローチャートを示す。

Claims (13)

1. 自動化設備における負荷（１２）を安全に接続解除するための安全スイッチング装置であって、
   アナログ入力信号（２８）を受信するための少なくとも１つの入力端子（１６）と、前記アナログ入力信号（２８）をデジタル信号（３１）に変換するＡ／Ｄ変換器（２２）と、前記デジタル信号（３１）が供給される評価制御ユニット（３４）と、前記デジタル信号（３１）の機能として前記評価制御ユニット（３４）によって制御される少なくとも１つの出力スイッチング素子（４０、４２）とを備える安全スイッチング装置であり、
   アナログ結合信号（２９）を形成するためにアナログテスト信号（２７；６６、６８）を前記アナログ入力信号（２８）に重畳するように設計されたアナログ信号結合器（２０）を特徴とし、前記アナログ結合信号（２９）は前記Ａ／Ｄ変換器（２２）に供給される安全スイッチング装置。
2. デジタルテスト信号（６０）から前記アナログテスト信号（２７）を生成するＤ／Ａ変換器（２６）を備える、請求項１に記載の安全スイッチング装置。
3. 前記評価制御ユニット（３４）が前記デジタルテスト信号を生成し、前記Ｄ／Ａ変換器（２６）に前記デジタルテスト信号を伝送する請求項２に記載の安全スイッチング装置。
4. 前記アナログ信号結合器（２０）がアナログ加算器である請求項１〜３のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
5. 前記入力端子（１６）と前記アナログ信号結合器（２０）との間に配置されているローパスフィルタ（１８）を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
6. 前記Ａ／Ｄ変換器（２２）の最大変換範囲（８０）が、前記アナログ入力信号（２８）の最大ダイナミックレンジ（８２）より広い請求項１〜５のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
7. 前記アナログテスト信号（２７）が、前記Ａ／Ｄ変換器（２２）のサンプリング間隔（７８）より大きいパルス間隔（ＤＰ）を有するパルス信号である請求項１〜６のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
8. 前記評価制御ユニット（３４）が、前記デジタル信号（３１）の連続する値を互いに比較し合い（９２）、前記連続する値が定められた差値（Ｓ）よりも大きく相互に異なる場合に、故障信号（９４）を生成するように設計されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
9. 前記アナログ入力信号（２８）に基づいて変化するが、前記アナログテスト信号（２７）からは独立している少なくとも１つの出力信号の端子（５８）を備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
10. 少なくとも２つのアナログ入力信号（２８、２８’）を受信するための少なくとも２つの入力端子（１６、１６’）、および前記少なくとも２つのアナログ入力信号（２８、２８’）それぞれにアナログテスト信号（２７）を重畳するように設計されている少なくとも２つのアナログ信号結合器（２０、２０’）を備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
11. 前記評価制御ユニット（３４）が、互いに対して反転している２つのアナログ入力信号（２８、２８’）を評価するように設計されている請求項１０に記載の安全スイッチング装置。
12. 前記評価制御ユニット（３４）が、前記Ａ／Ｄ変換器（２２）および前記アナログ信号結合器（２０）から物理的に離れて配置されていることを特徴とし、前記評価制御ユニット（３４）と通信する補助制御装置（２４）が、前記Ａ／Ｄ変換器（２２）の出力に配置されている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置。
13. 自動化設備における負荷（１２）を安全に接続解除するための方法であって、
    （ａ）少なくとも１つのアナログ入力信号（２８）を受信するステップと、
    （ｂ）前記アナログ入力信号（２８）をデジタル信号（３１）に変換するステップと、
    （ｃ）前記デジタル信号（３１）を評価するステップと、
    （ｄ）前記デジタル信号（３１）に基づいて出力スイッチング素子（４０、４２）を制御するステップとを含み、
    アナログ結合信号（２９）を形成するために前記アナログ入力信号（２８）にアナログテスト信号（２７）が重畳されること、かつ、前記アナログ結合信号（２９）が前記デジタル信号（３１）に変換されることを特徴とする安全スイッチング方法。

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