JP2022550281A - コントローラと、アクチュエータと、機能的安全性を提供するためのアセンブリと、を含むシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、コントローラ（１６）と、アクチュエータ（４）と、機能的安全性を提供するためのアセンブリ（１８）とを備えるシステム（２）に関する。アセンブリ（１８）は、アクチュエータ（４）の電気供給線（８）に導入されたスイッチングユニット（２４）を含み、スイッチングユニット（２４）は、アセンブリ（１８）の制御装置（２２）によって動作され、制御装置（２２）は、コントローラ（１６）に信号技術的に接続されている。本発明はさらに、アセンブリ（１８）及びスイッチングユニット（２４）に関する。

Description

本発明は、コントローラと、アクチュエータと、アセンブリとを備えるシステムに関する。アセンブリは、機能的安全性を提供するように機能し、スイッチングユニット及び制御装置を含む。本発明はさらに、アセンブリ及びスイッチングユニットに関する。

産業設備といった設備は、通常、作業を実施するための１つ以上のアクチュエータを備えている。産業設備では、アクチュエータによって、例えば、ワークピースの作成及び／又は加工が行われる。アクチュエータが所望の機能に応じて動作するように、コントローラが設けられており、このコントローラによって、アクチュエータの給電が調節される。最も単純なケースでは、この場合、コントローラによって作動されるスイッチが設けられている。スイッチによって、アクチュエータのオンオフが行われる。このためスイッチは、アクチュエータの電気供給線に導入されている。ここで、スイッチ、コントローラ、及び、アクチュエータは、１つのシステムを形成している。

アクチュエータによって他の機械及び／又は作業者に危険を及ぼす可能性がある機能が実行される場合、機能的安全性が提供される必要がある。したがって、非常時には、アクチュエータの意図される機能が調節され、安全状態が実現される必要がある。この場合、所望の安全レベルに応じて、起こり得るシステムの故障が考慮される必要がある。ここで多くの場合、システムの個々の構成部品に場合によっては起こり得る破損、つまり例えばスイッチの破損も考慮される。したがって、コントローラによって作動され、代替手段として機能するさらなるスイッチを、供給線に配置する必要がある。供給線を有する給電網に過度の電圧変動及び／又は電流変動が生じること、又は、アクチュエータが誤動作することもあり得るため、回路遮断器及び／又は機器遮断器として機能する遮断器を供給線に設置することが必要となる。したがって遮断器も、コントローラによって作動されることが多い。

つまり、全部で３つの部品がコントローラによって作動されることになるので、所望の安全レベルが実現される。この場合、個々の部品を互いに対応して接続することが求められるため、組み付け時間が長くなる。また、比較的多数の異なる電線／ケーブルが必要となるため、製造費用が上昇する。加えて、個々の部品を互いに意図される用途に合わせて調整することが必要になる。

これらの部品のうちの１つが対応する要件を満たしていない場合、当該システムを備える設備全体は、所望の安全レベルを満たさないため、動作されないことになる。したがって、システムの設計時にも、個々の部品を互いに調整することが求められ、このため見積もり時間が長くなり、結果的に製造費用の上昇を招く。

設備及びシステムが複数のアクチュエータを備えている場合、各アクチュエータ用に、対応する数のスイッチや対応する配線が必要になる。ここで各スイッチは、コントローラによって作動されるので、コントローラには、スイッチ用のインターフェースが比較的多数設けられる。このため、製造費用及び空間要求が著しく上昇する。

本発明の課題は、有利にも製造が容易であり、好ましくは組み付け時間及び／又は製造費用が低減され、具体的には高い安全性を有する、コントローラ、アクチュエータ、及び、アセンブリを備える特に好適なシステムを提供すると共に、特に好適なアセンブリ、及び、特に好適なスイッチングユニットを提供することにある。

本課題は、システムについては請求項１の特徴によって、アセンブリについては請求項１１の特徴によって、スイッチングユニットについては請求項１２の特徴によって、本発明に基づき解決される。有効な発展形態及び構成は、従属請求項の対象である。

このシステムは、例えば、所定の機能を実施する設備の構成部品である。具体的には、この設備は産業設備であり、例えば、所定のワークピースの製造及び／又は加工に寄与するものである。このシステムは、コントローラ及びアクチュエータを備える。アクチュエータの一例は、電気モータであり、例えば回転電気モータ又はリニアモータである。あるいは、アクチュエータは、例えば、電気的に作動されるバルブである。アクチュエータは、電気エネルギーの供給を行う供給線を備えている。組み付け状態では、供給線は、例えば直流又は交流電圧を提供する給電網に電気的に接触している。供給線は、このために好適かつ有利に設置及び構成されている。動作時には、供給線によって、緊急時に例えば０．５Ａ～２０Ａ、１Ａ～１５Ａ、又は、２Ａ～１０Ａの電流が導かれる。ここで具体的には、電気供給線は、グランドに対して１０Ｖ、２０Ｖ、又は、１００Ｖを有する電位にある。例えば、電圧は、１０ｋＶ、５ｋＶ、又は、１ｋＶよりも小さい。具体的に言えば、この電圧は、直流電圧又は交流電圧である。

コントローラは、例えば、コンピュータによって提供され、具体的にはプログラム可能論理コントローラである。コントローラには、具体的には、アクチュエータを制御するための処理パラメータが格納されている。このアクチュエータが処理パラメータに応じて動作されるならば、アクチュエータは、所望の機能を実施する。

さらに、システムは、機能的安全性を提供するように機能するアセンブリを含む。換言すると、アセンブリによって、当該システムの安全インテグリティが確保される。ここで具体的には、所定の安全レベルが、アセンブリによって保障される。アセンブリは、スイッチングユニット及び制御装置を含む。スイッチングユニットは、アクチュエータの電気供給線に導入されており、スイッチングユニットによって、電気供給線を介して流れる電流を遮断及び調節することが可能である。具体的には、スイッチングユニットは、スイッチングユニットの他の全ての部品が内部に配置されたハウジングを備えている。好ましくは、ハウジングの壁のうちの１つは、供給線への端子を有している。換言すると、この端子は、ハウジングを貫通して突出しており、そのため、供給線はスイッチングユニットに接続されていることが可能である。端子は、具体的には、ハウジングの内部に配置されたスイッチングユニットの撚り線に繋がっている。

スイッチングユニットは、アセンブリの制御装置によって動作される。換言すると、スイッチングユニットの作動は、制御装置によって行われる。ここで例えば、制御装置によって、スイッチングユニットの供給電流／供給電圧が直接調節される。特に好ましくは、動作時に、制御装置からスイッチングユニットに指令が送信され、これらの指令は、スイッチングユニットによって評価される。したがって、制御装置とスイッチングユニットとの間の配線に必要な手間が低減される。制御装置は、コントローラに信号技術的に接続されている。ここで具体的には、アクチュエータとコントローラとの信号技術的接続がアセンブリを介して行われ、コントローラとアクチュエータとの直接接続が行われていないことが都合がよい。したがって、アクチュエータを動作させるためには、コントローラから対応する信号が、アセンブリの制御装置に送信され、これによって、スイッチングユニットが対応して動作される。

したがって、当該システムを製造するためには、アセンブリをアクチュエータに接続するだけでよく、つまり電気供給線に導入してコントローラをアセンブリに接続するだけで良く、このため、製造が単純になる。まとめると、システムの部品間の接続は比較的わずかしか存在しないので、組み付け時間及び製造費用が低減される。また、空間要求も低減される。加えて、アセンブリによって、機能的安全性が提供されるので、アセンブリの個々の部品を互いに調節する必要はない。したがって、システムの個々の部品の誤調節が回避され、このため安全性が向上する。また、これによって、所定の安全レベル、つまり、アセンブリによって提供される安全レベルの実現が確保される。動作時には、具体的にはコントローラによって、処理パラメータ及び／又は指示がアセンブリに送信され、そこで、制御装置によって受信される。これに応じて、スイッチングユニットが作動され、アクチュエータは処理パラメータに従い動作される。

例えば、この設備は、多数のこのようなアセンブリを備えており、これらのアセンブリは、コントローラによって信号技術的に接続されている。各アセンブリには、当該アセンブリのスイッチングユニットによって動作される、好ましくは少なくとも１つのアクチュエータが割り当てられていることが好ましい。ここで、アクチュエータ同士、及び／又は、アセンブリ同士は、直接的に接続されているのではなく、常にコントローラを介して接続されていることが好ましく、これによって、配線に係る手間が低減され、交換可能性が向上する。

具体的には、アセンブリによって、所定の安全レベルが保証される。そしてこのシステムの安全レベルを変える必要がある場合、具体的には、アセンブリを交換するだけで良く、このためには、所定の数の電線又は同様のものを新たに接続させるだけで良い。したがって、安全レベルを向上又は変化させるための手間が低減される。またここで、個々の部品を対応して互いに調節する必要はない。なぜなら、このことは、アセンブリによって行われるからである。例えば、アセンブリは、追加的に電流供給部を含む。

電流供給部によって、動作時に、具体的には制御装置及び／又はスイッチングユニットの給電、並びに、設けられ得るアセンブリのさらなる部品の給電が行われる。したがって、フェールセーフがさらに向上する。また、制御装置の製造時に、所定の機能領域を、このために必要になる利用可能な電気エネルギーが十分でないために、あきらめる必要がなくなる。

例えば、スイッチングユニット、好適には設けられ得る撚り線は、１つのスイッチだけを備えている。しかしながら、特に好ましくは、スイッチングユニット、好適には設けられ得る撚り線は、電気的に直列接続された多数のスイッチング素子を含む。これらのスイッチング素子は、供給線に導入されている。したがって具体的には、２、３、４、又は、それ以上のスイッチング素子が設けられている。スイッチング素子のうちの１つを開放すると、供給線を介して流れる電流が遮断される。したがって、スイッチング素子のうちの１つが故障すると、さらにもう１つの電流の遮断が可能になり、これによって安全性が向上する。

スイッチング素子の少なくとも１つ、好ましくは２つ又はそれ以上のスイッチング素子は、好適には、機械式スイッチとして構成されており、つまり電気機械式スイッチとして構成されている。この機械式スイッチに対応する電圧を印加することによって、スイッチの開放／閉鎖が行われる。具体的には、この機械式スイッチは、リレー又は接触器として構成されている。例えば、機械式スイッチのうちの１つは、リレーとして構成され、別の機械式スイッチは、接触器として構成されているか、又は、両方の機械式スイッチが接触器として構成されているか、若しくは、両方の機械式スイッチがリレーとして構成されている。機械式スイッチに基づき、具体的には、開放時にガルバニック分離が行われ、これによって安全性がさらに向上する。ここで、具体的には、スイッチコネクタ又は他の構成部品が、物理的絶縁装置として機能する。好適には、場合によっては自ら開放する機械式スイッチの接点間に、例えばプラスチック又はセラミックから成る絶縁装置が導入される。つまりこれによって、追加的な物理的絶縁装置が設けられる。したがって、開放された接点間において、スパークの飛び移り及び／又はアークの形成が回避され、これによって、安全性がさらに向上する。機械式スイッチがリレーとして構成されている場合、これは、単安定リレーであることが都合がよい。これは、好ましくは、常時開接点（「ノーマリーオープン」）により構成される。したがって、機械式スイッチを閉鎖するためには、アクティブな駆動が必要になる。したがって、故障時及び／又は電流供給が遮断された場合には、機械式スイッチは開放され、これによって安全性が向上する。

これに対して選択的、又は、特に好ましくは組み合わせにおいて、スイッチング素子のうちの少なくとも１つは、半導体スイッチ、例えばフィールドエフェクトトランジスタである。好ましくは、半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、又は、ＧＴＯといったパワー半導体スイッチである。半導体スイッチでは、作動時にアークは生じないので、安全性が向上する。半導体スイッチは、エンハンスメント型であることが都合がよい。したがって、半導体スイッチによって、駆動された状態においてのみ電流が流れることが可能となる。したがって、駆動に障害が生じた場合、つまり故障時、及び／又は、電流供給が遮断された場合に、半導体スイッチを介して流れる電流が停止され、これによって安全性が向上する。半導体スイッチが単安定に構成されていることが都合がよい。

半導体スイッチだけでなく、少なくとも１つの機械式スイッチが設けられていることが好ましい。ここで、スイッチングユニットの作動時において、スイッチングユニットが非導電状態に移行する際には、まず半導体スイッチが開放され、その後、１つ又は複数の機械式スイッチが開放されることが都合がよい。これによって、機械式スイッチにアークは生じず、損傷が回避される。また、加熱も低減される。したがって、スイッチングユニットによって、比較的多数のスイッチング工程を行うことが可能である。スイッチングユニットを導電状態に移行させる際には、まず、全ての機械式スイッチを作動させて、その後、半導体スイッチを作動させることが都合がよい。したがってこの場合にも、アークの形成又は同様のものが回避され、損耗が低減される。

スイッチングユニットが、電流リミッタを備えていることが都合がよい。スイッチングユニットによって導かれる最大電流は、電流リミッタによって制限される。電流リミッタは、電流が最大電流で、所定の時間、例えば無制限に維持されるように、又は、維持可能なように、アクティブに構成されていることが都合がよい。反対に、最大電流を超えることは、実質的に不可能である。具体的には、最大電流の値は、実際の用途に合わせて調節される。好ましくは、電流リミッタは、電流が上昇するにつれて抵抗が増大する半導体で実現される。この増大は、非線形となっていることが都合がよい。場合によっては設けられる半導体スイッチが、電流リミッタとして用いられ、半導体スイッチは、対応して構成されていることが好ましい。これによって、具体的には、スイッチングユニットによって導かれる最大電流に近づくと、半導体スイッチのオーム抵抗は、好ましくは実質的に急峻に増大する。例えば、電流リミッタによって導かれる最大電流は、８Ａ～１２Ａ、又は、９Ａ～１１Ａである。したがって、電流リミッタによって、故障時、例えばアクチュエータでの短絡時にも安全性が向上し、起こり得る破損又は他の損害が低減される。

スイッチングユニットが、電気安全装置を含むことが特に好ましい。電気安全装置は、１つ又は複数のスイッチング素子に電気的に直列接続されており、供給線にも導入されている。安全装置は、具体的には、スイッチング素子の用途及び／又は構成には無関係であり、常に供給線に導入されていることが都合がよい。具体的には、安全装置は、ヒューズとして構成されており、例えば、いわゆるガラス管ヒューズ又は同様のものとして構成されている。過電流の場合は、安全装置によって、スイッチングユニットを介して流れる電流が遮断されるので、安全装置は、「フェールセーフ」素子として機能する。システムの個々の部品の故障、例えば、スイッチングユニットの個々の部品の故障が比較的広範にわたる場合には、安全装置によって、アクチュエータの動作の遮断が確保される。これによって、安全性が向上する。一代替例では、安全装置の代わりに、１つ又は複数の遮断器が用いられる。

例えば全てのスイッチング素子が、制御装置によって作動され、制御装置によって、対応する供給電圧が個々のスイッチング素子に印加される。しかしながら、特に好ましくは、スイッチングユニットが制御ユニットを含むことであり、この制御ユニットによって、１つ又は複数のスイッチング素子が作動される。ここで、制御装置によって、対応する信号が制御ユニットに送信され、制御ユニットによって、スイッチング素子が対応して作動される。このために、制御ユニットによって、対応する供給電圧がスイッチング素子に印加されることが都合がよい。これによって、配線の手間が低減される。制御ユニットは、互いに冗長に構成された２つの部分を含むことが都合がよい。ここで、各部分によって、スイッチング素子の対応する駆動が可能になる。したがって、これらの部分のうちの１つが故障した場合でも、制御ユニットは、さらに動作することが可能であり、これによって安全性がさらに向上する。例えば、これらの部分は、互いに同一に構成されているか、又は、特に好ましくは異なって構成されている。ここで具体的には、異なる製造業者の個々の構成要素が使用され、１つの部分の構成要素、具体的にはマイクロプロセッサが不良品であった場合に、他方の部分でさらに動作が可能である。

スイッチング素子が、どのスイッチング状態にあるかを通知する応答を発出するように構成されていることが特に好ましい。各スイッチング素子が機械式スイッチ／リレーである場合、これは、応答に寄与する補助接点を含むことが都合がよい。したがって、この補助接点は、例えば電流が各スイッチング素子を介して流れることが可能な場合は、常に電気的に接触し合う。電流が流れることが不可能な場合は、補助接点も互いに対して分離されることが都合がよい。あるいはその反対も同様である。補助接点は、好ましくは強制駆動され、例えば、いわゆるミラー接点として構成されている。各スイッチング素子が半導体スイッチとして構成されている場合、例えば、ゲートに印加される信号（ゲート信号）が、応答として使用される。一発展形態では、追加的に、半導体スイッチを流れる電流によって、及び／又は、半導体スイッチの絶縁強度によって、応答が伝達される。一代替例では、応答のために、半導体スイッチを介して流れる電流が検知、例えば測定される。選択的又は組み合わせにおいて、印加される電圧が検知、例えば測定される。つまり半導体スイッチの機能が監視（モニタリング）される。

応答は、例えば、制御装置によって直接読み出される。ここで、スイッチング素子の対応する状態を読み出す、制御ユニット又はさらなる制御ユニットが設けられていることが特に好ましい。状態は、好ましくは、信号として制御装置に送信される。したがって、配線の手間がさらに低減される。また、スイッチング素子の状態を読み出すことによって、アクチュエータの実際の状態を推測することが可能である。これに対して選択的又は特に好ましくは組み合わせて、スイッチングユニットは、スイッチングユニットによって導かれる電流及び／又は印加される電圧を検知するセンサを備える。換言すると、スイッチングユニットは、電流センサ及び／又は電圧センサを含む。好ましくは、このセンサも、制御ユニットによって読み出され、これに応じて、例えば、スイッチング素子のうちの１つ又は複数が作動される。スイッチング素子の作動は、好ましくは、印加された電圧及び／又はこれに導かれる電流が閾値を超えることに応じて、及び／又は、所定の時間内での電流及び／又は電圧の変動に応じて行われる。したがって、スイッチングユニットは、追加的に遮断器、具体的には回路遮断器又は装置遮断器の機能を担う。したがって、安全性がさらに向上する。

好ましくは、アクチュエータは、動作時に電位として、グランド、具体的にはアースを備える接地線を含む。例えば、アクチュエータのハウジングは、この接地線と電気的に接触しており、これによって接触保護が実現される。好ましくは、スイッチングユニットは、アクチュエータの接地線に導入された追加的なスイッチング素子を含む。したがって、接地線もスイッチングユニットを介して導かれる。動作時には、追加的なスイッチング素子も、具体的には、設けられ得る制御ユニットによって作動される。したがって、追加的なスイッチング素子によって、接地線を電気的に遮断することや、したがってアクチュエータを、グランドからだけでなく、供給線が導かれる電位からも電気的に分離することが可能になる。これによって安全性が向上する。一代替実施形態では、追加的なスイッチング素子は設けられておらず、したがって接地線は特に装備されていない。例えば、接地線は、少なくとも部分的にスイッチングユニットによって提供されるか、又は、接地線はスイッチングユニットの構成部品でなくてもよい。

例えば、接地線には、このような追加的なスイッチング素子が多数導入されており、これによって安全性が向上する。例えば、追加的なスイッチング素子のうちの少なくとも１つは、機械式スイッチとして構成されており、追加的なスイッチング素子のうちの別の１つは、半導体スイッチとして構成されている。しかしながら、追加的なスイッチング素子は１つだけ設けられていることが好ましく、こうすることによって製造コストが低減される。好ましくは、この追加的なスイッチング素子は、機械式スイッチとして構成され、追加的なスイッチング素子が開放されると、ガルバニック分離、つまり電気的絶縁が実現される。

このシステムは、例えば、アクチュエータと同じ構造を有するさらなるアクチュエータを備えていることが都合がよい。具体的には、両方のアクチュエータは協働し、コントローラによって互いに調和して動作される。これに対して選択的に、両方のアクチュエータは、例えば互いに無関係であり、各アクチュエータによって、例えば異なるワークピースの動作／作成が行われる。さらなるアクチュエータは、さらなる供給線を含む。

具体的には、スイッチングユニットは、電気的に直列接続された多数のさらなるスイッチング素子を備える。これらは、さらなる供給線に導入されている。したがって、スイッチングユニットによって、さらなるアクチュエータを給電するための電流も導かれる。例えば、さらなるスイッチング素子は、場合によっては設けられるスイッチング素子とほぼ同じ構造を有し、そのため、スイッチングユニットは、同じ構造を有する２つの撚り線を備えている。撚り線のうちに一方が供給線に割り当てられ、他方の撚り線がさらなる供給線に割り当てられる。ここで、具体的には、さらなる供給線に導入されたさらなる安全装置が設けられている。制御ユニットが設けられている場合は、さらなるスイッチング素子も、これによって作動されることが都合がよい。換言すると、スイッチングユニットは、１つの制御ユニットだけを有しており、この制御ユニットによって、全てのスイッチング素子又は同様のものが作動され、及び／又は、場合によっては設けられる全てのセンサが読み出される。ここで、各撚り線がこれらのセンサの少なくとも１つに割り当てられる。したがって、ハードウェア要件は少ない。一発展形態では、さらなる安全装置の代わりに、対応する遮断器が用いられる。

これに対する一代替例では、アセンブリは、スイッチングユニットと同じ構造のさらなるスイッチングユニットを備える。しかしながら、さらなるスイッチングユニットは、さらなる供給線に導入されており、そのため、さらなるスイッチングユニットによって、さらなる供給線を介して導かれる電流を遮断することが可能である。また、さらなるスイッチングユニットは、制御装置によって動作される。したがって、制御装置によって、スイッチングユニットだけでなく、さらなるスイッチングユニットも動作される。さらなるスイッチングユニットによって、システムのモジュール式の構造が実現されるので、比較的多数のさらなるアクチュエータを、このシステムによって動作可能である。したがって、多数のさらなるアクチュエータが設けられていることが好ましい。例えば、このうちの一部は、それぞれ、さらなるスイッチングユニットのうちの１つに割り当てられ、例えば、スイッチングユニット又はさらなるスイッチングユニットには、それぞれ、さらなるスイッチング素子が割り当てられる。換言すると、アセンブリの各スイッチングユニットによって、少なくとも２つ又はそれ以上のアクチュエータが動作される。したがって、スイッチングユニットの総数は低減される。

制御装置及びスイッチングユニットは、好ましくは、信号技術的に互いに接続されているだけであり、これらの間では、単に信号が交換されるだけである。これらは、有利にも所定の一電圧レベルを有しており、そのため処理が長く続く。制御装置及びスイッチングユニットは、第１のバスシステムによって信号技術的に接続されていることが好ましい。ここで制御装置は、第１のバスシステムのマスタとして構成されていることが都合がよい。したがって、スイッチングユニットはスレーブである。このようなスイッチングユニット、つまり、例えばさらなるスイッチングユニットが、多数設けられている場合、これらは、具体的には全てが、スレーブとして構成される。アセンブリが、常に設けられる１つの制御装置だけを有しているので、マスタの明確な識別が容易になる。また、比較的多数の別々のスイッチングユニットを利用することが可能になる。スイッチングユニットは、具体的には、場合によっては設けられる制御ユニットに信号技術的に接続されている。

好ましくは、制御装置及び／又はスイッチングユニットは、複数の端子を備えており、これらの端子のうちのそれぞれが、第１のバスシステムの対応する電線に接続されている。したがって、信号技術的接続の冗長性が実現される。好ましくは、第１のバスシステムは、プロフィバス、プロフィネット、イーサキャット、イーサネットＩＰ又はＩＯリンク規格を満たしており、好適には、安全性に関連した機能が支援されており、具体的には安全層が提供されている。したがって好ましくは、第１のバスシステム用のバス規格として、プロフィセーブ（Profisave）、セーフティオーバーイーサキャット（Safety over Ethercat (FSoE)）、セーフティオーバーＩＯリンク（Safety over IO Link）、又は、ＣＩＰセーフティ（CIP Safety）が使用される。これによって、具体的には互いに構築された通信が行われ、それによって、各メッセージを送信した際に、具体的には、以前のメッセージを識別する値が共に処理される。したがって、第１のバスシステムによって交換されるメッセージが、第１のバスシステムの各参加者、つまりマスタとスレーブから、正確に受信されることが確保される。

これに対して選択的又は特に好ましくは組み合わせにおいて、制御装置及びコントローラは、第２のバスシステムによって信号技術的に接続されている。ここで、例えば、制御装置は、第２のバスシステムのスレーブとして構成されており、コントローラは、有利にも第２のバスシステムのマスタとして構成されている。したがって、同様に、モジュール式の構造が提供されるので、複数のアセンブリを使用可能である。ここで、アセンブリの各制御装置がスレーブとして構成されていることが都合がよい。好ましくは、第２のバスシステムは、プロフィバス、プロフィネット、イーサキャット、イーサネットＩＰ又はＩＯリンク規格を満たしており、好適には安全性に関連した機能が支援されており、具体的には安全層が提供されている。したがって、好ましくは、第２のバスシステム用のバス規格として、プロフィセーブ（Profisave）、セーフティオーバーイーサキャット（Safety over Ethercat (FSoE)）、セーフティオーバーＩＯリンク（Safety over IO Link）、又は、ＣＩＰセーフティ（CIP Safety）が使用される。好適には、制御装置及びコントローラがそれぞれ、複数の端子を有しており、これらの端子はそれぞれ、互いに平行な異なる電線に割り当てられている。したがってここでも、制御装置とコントローラとの冗長な信号技術的接続が実現されている。

第１のバスシステム及び第２のバスシステムが設けられていることが特に好ましい。ここでスイッチングユニットと制御装置との接続が、第１のバスシステムによって行われているので、コントローラにおいて、スイッチングユニットの構造に関する正確な知識は必要ない。また、スイッチングユニット、具体的には設けられ得る制御ユニットには、第２のバスシステムにおけるアドレスは割り当てられておらず、第１のバスシステムのアドレスだけが割り当てられているので、第２のバスシステムにおける参加者の数が低減される。したがって、第２のバスシステム及び第１のバスシステムにおけるサイクル時間を延長することが可能であり、したがって、データ交換の速度が上昇する。また、アセンブリの交換時に、コントローラのプログラミングを変更する必要がないので、メンテナンスが容易になる。また、第１のバスシステムに故障が生じた場合に、第２のバスシステムへの悪影響、したがってコントローラへの悪影響が回避されるので、設けられ得るさらなるアセンブリを、さらに安全に動作させることが可能である。換言すると、システムのさらなる部品への悪影響が低減される。これによって安全性が向上する。

複数のスイッチング素子、具体的には両方の機械式スイッチ及び／又は半導体スイッチが設けられている場合、これらによって、スイッチ群が形成されることが都合がよい。好適には、このスイッチ群は、スイッチングユニットの全ての撚り線、つまり、設けられ得るさらなるスイッチング素子及び／又は追加的なスイッチング素子を含んでいるので、スイッチングユニットは、場合によっては設けられる、個々のスイッチング素子を有する制御ユニット及びスイッチ群によって形成される。好適には、設けられ得る安全装置及び／又はさらなる安全装置はいずれも、スイッチ群の一構成部品である。スイッチ群は、個々のモジュールとして実現されていることが好適である。

このシステムの動作時には、システムによって、アクチュエータの作動が行われる。この作動が処理パラメータに従って行われる場合、処理パラメータは、好適にはスイッチングユニットに送信される。スイッチングユニットが、スイッチング素子又は同様のものであって、そのうちの１つの安全レベルが閾値よりも大きく、別の安全レベルが閾値よりも小さい、例えば、機械式スイッチ及び半導体スイッチを有している場合、安全レベルが低い方のスイッチング素子、つまり半導体スイッチが作動されることが、都合が良い。しかしながら、コントローラによって、アクチュエータが所定の安全機能、例えばＳＴＯ（safe torque off）によって作動される必要があるように規定されている限り、最も安全レベルが高いスイッチング素子、又は、少なくとも、安全レベルが閾値よりも高いスイッチング素子、つまり機械式スイッチが作動される。この場合、まず半導体スイッチが作動され、その後、機械式スイッチが作動されて、アークの形成が阻止されることが都合がよい。

アセンブリは、機能的安全性を提供することに寄与し、追加的にコントローラ及びアクチュエータを備えるシステム内に設定されることに適しており、具体的にはそのように規定及び構成されている。組み付け状態では、アセンブリのスイッチングユニットは、アクチュエータの電気供給線に導入されている。アセンブリは、アセンブリを動作させる制御装置をさらに備える。アセンブリはさらに、信号技術的にコントローラと接続されることに適しており、具体的にはそのように規定及び構成されている。具体的には、制御ユニットは、このために好適な回路を含む。この回路は、例えば多数の電気構成要素及び／又は電子構成要素によって実現される。好ましくは、この回路は、冗長に構成されており、異なる製造業者の構成要素／部品が使用されることが好ましい。したがって、フェールセーフがさらに向上する。具体的には、制御装置は、当該システムのコントローラ及び／又はさらなる構成部品に信号技術的に接続するための多数のインターフェースを備えている。

スイッチングユニットは、アクチュエータの電気供給線に導入されることに適しており、具体的にはそのように規定及び構成されている。加えて、スイッチングユニットは、機能的安全性の提供に寄与する、アセンブリの一構成部品である。好ましくは、スイッチングユニットは、スイッチングユニットの他の全ての構成部品、具体的には設けられ得るスイッチング素子及び／又は安全装置が内部に配置されたハウジングを備えている。好ましくは、スイッチングユニットは、ハウジング内に配置された制御ユニットを備えている。制御ユニットは、冗長に構成されていることが有利であり、好ましくは２つの部分を有している。これらの部分のそれぞれは、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。ハウジングは、好ましくは、プラスチック又は金属から成り、組み付け状態において、有利には、グランドに電気的に接触しており、このために適しており、具体的にはそのように規定及び構成されている。したがって、接触保護が実現される。

このシステムに関連して説明した発展形態及び利点は、同様に、アセンブリ／スイッチングユニットにも適用されると共に、互いに入れ替え可能であり、その逆もまた可能である。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照しながらより詳細に説明する。
コントローラ、アクチュエータ、及び、アセンブリを含むシステムを示す概略図である。 さらなるアクチュエータと、アセンブリの変形されたスイッチングユニットとを備える、図１のシステムを示す図である。 さらなるスイッチングユニットを備える、図２のシステムを示す図である。

全ての図において、互いに対応する部材には、同一の参照番号が付されている。

図１は、詳細には図示されていない産業設備の一構成部品である、システム２の概略図である。システム２は、電気機械式バルブの形のアクチュエータ４を備えている。このアクチュエータ４によって、管を通るガスや液体といった流体の流れが調整される。アクチュエータ４は、給電網１２に電気的に接触した、供給線８及び接地線１０を有する。この例では、給電網１２は、詳細には図示されていない整流器によって提供されている。接地線１０はまた、グランド１４に電気的に導かれている。供給線８及び接地線１０によって、いずれも一定の電位が導かれ、これらの間には、２００Ｖの電圧が印加される。

システム２は、アクチュエータ４を作動させるための処理パラメータが格納されたコントローラ１６をさらに含み、そのため、流体供給の好適な制御／調整を行うことが出来る。コントローラ１６は、プログラム可能論理コントローラであり、このコントローラ１６によって、産業設備の詳細には図示されていない他の部品の制御及び／又は調整が行われる。他の部品の例としては、ここでは詳細に図示されていない他の機械及び／又は他のアクチュエータが挙げられる。

加えて、システム２は、機能的安全性の提供に寄与するアセンブリ１８を含む。アセンブリ１８は、電流供給部２０、制御装置２２、及び、スイッチングユニット２４を含む。これらはいずれも、並べて接続可能なモジュールとして構成されており、詳細には図示されていないスイッチキャビネット内に配置される。スイッチングユニット２４は、組み付け及び／又は交換の目的で制御装置２２から取り外し可能な別個の構成要素として構成されている。電流供給部２０は、電源２６を備えており、電源２６によって、２４Ｖの直流電圧を提供可能である。電源２６は、電流供給部２０の２つの電源端子２８に繋がっており、これらの２つの電源端子２８は、制御装置２２及びスイッチングユニット２４のそれぞれ対応する電源端子２８に電気的に接続されている。そのため、電流供給部２０によって、制御装置２２及びスイッチングユニット２４の電力供給が行われる。

制御装置２２は、電源端子２８を介して給電される制御モジュール３０を含む。さらに、制御モジュール３０は、制御装置２２の２つの第２の端子３２を介して、第２のバスシステム３６の各第２のバス配線３４を通ってコントローラ１６と信号技術的に接続されている。これら両方の第２のバス配線３４及びこれら両方の第２の端子３２によって、冗長性が提供される。第２のバスシステム３６は、プロフィセーフ規格又はセーフティオーバーＩＯリンク規格を満たし、コントローラ１６は、第２のバスシステム３６のマスタとして構成されている。制御装置２２、具体的には制御モジュール３０は、第２のバスシステム３６のスレーブとして構成されている。多数のアセンブリ１８が設けられている場合、各制御装置２２が、それぞれ、第２のバスシステム３６のスレーブとして構成される。

フェールセーフを提供するために、制御モジュール３０は、２つのサブエリア３８を含む。これらのサブエリア３８は、同一の機能を満たすが、１つのサブエリア３８によって、互いに異なる回路が提供される。換言すると、制御モジュール３０も、冗長に構成されている。制御モジュール３０は、２つの第１の端子４０によって、それぞれに関連する第１のバスシステム４４の各第１のバス配線４２を介して、スイッチングユニット２４の対応する端子４６に接続されている。したがってここでも、冗長な信号技術的接続が、制御装置２２とスイッチングユニット２４との間に実現される。端子４６に、２つの部分５０を備える制御ユニット４８が信号技術的に接続されている。これらの部分５０は、動作時には同一の機能を実施するので、制御ユニット４８も冗長に構成されている。制御ユニット４８の給電は、電源端子２８によって実現される。

まとめると、制御装置２２、つまり制御モジュール３０と、スイッチングユニット２４、つまり制御ユニット４８とは、プロフィセーフ規格又はセーフティオーバーＩＯリンク規格に従って動作する第１のバスシステム４４によって、信号技術的に接続されている。ここで、制御装置２２は、第１のバスシステム４４のマスタとして構成され、スイッチングユニット２４は、スレーブとして構成されている。換言すると、第１のバスシステム４４における通信は、制御装置２２によって事前に設定されている。ここで、第１のバスシステム４４は、第２のバスシステム３６とは無関係であり、スイッチングユニット２４には、第２のバスシステム３６内のアドレスは割り当てられていない。

スイッチングユニット２４は、供給線８の中に設けられた撚り線５２を備えている。換言すると、動作時に、撚り線５２によって、電気エネルギーの一部が給電網１２からアクチュエータ４に導かれ、スイッチングユニット２４が供給線８に導入されている。撚り線５２は、具体的には、電気的に直列接続された３つのスイッチング素子５４を含む。これらのスイッチング素子５４のうちの２つは、機械式スイッチ５６として構成されている。機械式スイッチ５６は接触器である。残りのスイッチング素子５４は、ＭＯＳＦＥＴの形の半導体スイッチ５８である。半導体スイッチ５８は、電流リミッタとしても機能する。電流が１０Ａを超えると、半導体スイッチ５８のオーム抵抗は増加するので、電流がさらに上昇することはない。したがって、半導体スイッチ５８によって、アクチュエータ４、及び、スイッチングユニット２４のさらなる構成部品の保全が行われる。まとめると、スイッチング素子５４は、供給線８に導入されて、電気的に直列接続されている。

ここで、スイッチング素子５４は、制御ユニット４８によって作動される。このために、制御ユニット４８によって、各供給電圧がスイッチング素子５４に印加されて、スイッチング素子５４は導電状態又は非導電状態となる。加えて、スイッチング素子５４は、電圧が印加されることによって、どちらかのスイッチング状態にあるかが確認されることが可能なように構成されている。スイッチング素子５４の状態は、いずれも、制御ユニット４８によって確認される。

さらに、撚り線５２には、安全装置６０が導入されている。したがって、安全装置６０は、スイッチング素子５４と電気的に直列接続されている。安全装置６０は、ガラス管ヒューズとして構成されている。安全装置６０は、例えば制御ユニット４８、電流リミッタとしても機能する半導体スイッチ５８、又は、スイッチングユニット２４の他の構成部品が故障した際の、最終的な安全装置として機能する。安全装置６０が起動すると、安全装置６０は壊れることによって、撚り線５２が分離される。したがって、給電網１２からアクチュエータ４への電流供給は遮断される。

接地線１０も同様に、スイッチングユニット２４を通って延びており、したがって、スイッチングユニット２４は、アクチュエータ４の接地線１０に導入されている。この例では、機械式スイッチとして、つまり接触器として構成された追加的なスイッチング素子６２が、接地線１０に導入されており、そのため、接地線１０も遮断可能である。また、追加的なスイッチング素子６２は、制御ユニット４８によって作動され、追加的なスイッチング素子６２の状態についても、確認されることが可能である。

動作時には、コントローラ１６から、第２のバスシステム３６を介して、アセンブリ１８の制御装置２２に、アクチュエータ４を作動させるためのリクエストが送信される。このために、安全なプロトコルが用いられ、リクエストは、安全な機能、つまり、例えばＳＴＯ（「セーフトルクオフ（safe torque off）」）を実行することによって作成される。リクエストは、制御モジュール３０によって処理され、まず照合される。次に、いずれのスイッチング素子５４を作動させるべきかが、リクエストから導き出される。また、追加的なスイッチング素子６２を作動させるべきかが検証される。アクチュエータ４を供給線１２から分離させる必要がある場合には、まず半導体スイッチ５８を作動させ、その後、撚り線５２の機械式スイッチ５６を作動させるという指令が、制御ユニット４８に第２のバスシステムを介して送信される。その後、追加的なスイッチング素子６２が作動されることになる。この要求は、制御ユニット４８によって受信され、制御ユニット４８によって照合される。その後、まず、半導体スイッチ５８が、これに電圧が好適に印加されることによって、非導電状態に移行する。これが起こると、機械式スイッチ５６が、制御ユニット４８によって開放され、このために、好適な電圧が制御ユニット４８に印加される。その後、まず追加的なスイッチング素子６２が作動されることにより、接地線１０も分離される。したがって、アクチュエータ４は、給電網１２から完全にガルバニック分離される。この手順によれば、機械式スイッチ５６や追加的なスイッチング素子６２には、電気アークは生じない。そのため、比較的多数のスイッチング工程を行うことが可能になる。

アクチュエータ４を給電する処理パラメータが設けられているならば、コントローラ１６によって、対応するリクエストが制御装置２２に送信される。そこで、このリクエストはまず照合され、その後、追加的なスイッチング素子６２を閉鎖した後に、機械式スイッチ５６を閉鎖することを求める要求が、制御モジュール３０によって制御ユニット４８に送信される。その後、半導体スイッチ５８は、導電状態に移行する。したがってこの場合にも、アークの形成が阻止され、その後、アクチュエータ４が、給電網１２と電気的に接触する。これによって、スイッチングユニット２４は、制御装置２２によって動作される。

さらに、スイッチングユニット２４は、撚り線５２によって導かれる電流や、それによって導かれる電位を監視する、詳細には図示されていないセンサを含む。センサは、制御ユニット４８によって読み取られる。センサは、例えば、複数のスイッチング素子５４、又は、スイッチング素子５４のうちの少なくとも１つと一体化されているか、又は、別々の構成要素である。電流及び／又は電位及び／又はその変動が、所定の閾値よりも大きい場合、スイッチング素子５４、つまり全てのスイッチング素子５４、のうちの少なくとも１つは、制御ユニット４８によって制御され、それによって、当該スイッチング素子５４は非導電状態に移行する。したがって、スイッチングユニット２４も、遮断器として機能する。

制御モジュール３０、バスシステム３６、４４、及び、制御ユニット４８が、冗長に構成されており、複数のスイッチング素子５４が設けられているため、アセンブリ１８は、所定の安全レベルを満たし、アセンブリ１８の個々の構成部品は互いに調節される。ここで、組み付け時に求められる配線の手間は、比較的わずかである。

図１に示されるシステム２の詳細には図示されていない変形例では、半導体スイッチ５８及び／又は安全装置６０は設けられていない。

図２には、アセンブリ１８の一変形例が示されている。この変形例では、スイッチングユニット２４だけが変更されている。スイッチングユニット２４は、撚り線５２と同じ構造を有するさらなる撚り線６４を備えている。したがって、さらなる撚り線６４は、３つのさらなるスイッチング素子６６を含む。これらのうちの各スイッチング素子６６は、スイッチング素子５４のうちの１つに対応し、これに応じて互いに電気的に接続されている。さらなるスイッチング素子６６のうちの２つは機械式スイッチであり、１つはＭＯＳＦＥＴの形の半導体スイッチであり、これらのさらなるスイッチング素子６６は、同じく制御ユニット４８によって作動され、制御ユニット４８によって、動作中のさらなるスイッチング素子６６の状態が読み取られる。また、さらなる撚り線６４には、さらなる安全装置６８が導入されている。さらなる安全装置６８は、さらなる撚り線６４において、撚り線５２における安全装置６０と同じ機能を果たしている。

さらなる撚り線６４は、さらなるアクチュエータ７２のさらなる供給線７０に導入されている。さらなるアクチュエータ７２はまた、さらなる接地線７４を含む。さらなる接地線７４にも、スイッチングユニット２４が導入されている。したがって、スイッチングユニット２４は、追加的なスイッチング素子６２に対応する、さらなる追加的なスイッチング素子７６を含む。さらなる接地線７４は、グランド１４に対して導かれており、このため接地線１０と接触していることが好適である。ここで、さらなる追加的なスイッチング素子７６は、さらなるアクチュエータ７２と、接地線１０との電気接続部との間に配置されている。

動作時には、制御ユニット４８によって、コントローラ１６の側から与えられたリクエスト／指令に応じて、さらなるスイッチング素子６６及びさらなる追加的なスイッチング素子７６も作動される。また、さらなる撚り線６４及びさらなる接地線７４を介して導かれる電流／印加される各電位の監視が行われる。

図２に示されるシステム２の詳細には図示されていない変形例では、さらなる安全装置６８は設けられていない。また例えば、さらなる撚り線６４は、半導体スイッチを備えていないが、撚り線５２は、半導体スイッチ５８を備えている。さらなる代替例では、撚り線５２も、半導体スイッチ５８を備えていない。

図３には、システム２のさらなる一変形例が示されている。ここで、アセンブリ１８は、図１に示される実施形態に構成されている。したがって、スイッチングユニット２４及び電流供給部２０には変更はない。しかしながら、図２に示される実施形態と同様に、さらなる接地線７４及びさらなる供給線７０を備えるさらなるアクチュエータ７２が設けられている。加えて、スイッチングユニット２４と同様に構成された、さらなるスイッチングユニット７８が設けられている。しかしこのさらなるスイッチングユニット７８は、さらなる供給線７０及びさらなる接地線７４に導入されている。ここで、スイッチングユニット２４は、供給線８及び接地線１０にのみ導入されている。したがって、各アクチュエータ４、７２に、スイッチングユニット２４、７８のうちのそれぞれ１つが割り当てられている。

さらなるスイッチングユニット７８は、アセンブリ１８の電源２６にも電気的に接続されており、したがって、電流供給部２０によって電気エネルギーの供給を受ける。また、第１のバスシステム４４が拡大されていることにより、両方のスイッチングユニット２４、７８は、制御装置２２に信号技術的に接続されている。この場合、両方のスイッチングユニット２４、７８はいずれも、スレーブとして構成されている。

コントローラ１６によって、アクチュエータ４、７２の動作を変更するためのリクエスト／指令が生成される場合、これは、制御装置２２によって受信され、そこで照合される。その後、制御モジュール３０によって、どちらのスイッチングユニット２４、７８を作動すべきかが判定される。これに応じて、対応する指令が、既に図１について説明したように、各制御ユニット４８に対して第１のバスシステム４４に供給される。したがって、両方のスイッチングユニット２４、７８は、制御装置２２によって作動される。

本発明は、上述の実施形態に限定されない。むしろ、本発明の他の様々な変形例が、当業者により、本発明の対象から逸脱することなく想定可能である。特に、また、実施形態に関連して記載される全ての個々の特徴を、本発明の対象から逸脱することなく、別の方法で互いに組み合わせることも可能である。

２ システム
４ アクチュエータ
８ 供給線
１０ 接地線
１２ 給電網
１４ グランド
１６ コントローラ
１８ アセンブリ
２０ 電流供給部
２２ 制御装置
２４ スイッチングユニット
２６ 電源
２８ 電源端子
３０ 制御モジュール
３２ 第２の端子
３４ 第２のバス配線
３６ 第２のバスシステム
３８ サブエリア
４０ 第１の端子
４２ 第１のバス配線
４４ 第１のバスシステム
４６ 端子
４８ 制御ユニット
５０ 部分
５２ 撚り線
５４ スイッチング素子
５６ 機械式スイッチ
５８ 半導体スイッチ
６０ 安全装置
６２ 追加的なスイッチング素子
６４ さらなる撚り線
６６ さらなるスイッチング素子
６８ さらなる安全装置
７０ さらなる供給線
７２ さらなるアクチュエータ
７４ さらなる接地線
７６ さらなる追加的なスイッチング素子
７８ さらなるスイッチングユニット

Claims (12)

1. コントローラ（１６）と、アクチュエータ（４）と、機能的安全性を提供するためのアセンブリ（１８）と、を備えるシステム（２）であって、前記アセンブリ（１８）は、前記アクチュエータ（４）の電気供給線（８）に導入されたスイッチングユニット（２４）を含み、前記スイッチングユニット（２４）は、前記アセンブリ（１８）の制御装置（２２）によって動作され、前記制御装置（２２）は、前記コントローラ（１６）に信号技術的に接続されている、システム（２）。
2. 前記スイッチングユニット（２４）は、電気的に直列接続された多数のスイッチング素子（５４）であって、前記供給線（８）に導入されスイッチング素子（５４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（２）。
3. 前記スイッチング素子（５４）のうちの２つは、いずれも、機械式スイッチ（５６）であることを特徴とする、請求項２に記載のシステム（２）。
4. 前記スイッチング素子（５４）のうちの１つは、半導体スイッチ（５８）であることを特徴とする、請求項２又は３に記載のシステム（２）。
5. 前記スイッチングユニット（２４）は、前記スイッチング素子（５４）と電気的に直列接続された安全装置（６０）を含むことを特徴とする、請求項２～４のいずれか１項に記載のシステム（２）。
6. 前記スイッチングユニット（２４）は、制御ユニット（４８）を含み、前記制御ユニット（４８）によって、前記スイッチング素子（５４）が作動されることを特徴とする、請求項２～５のいずれか１項に記載のシステム（２）。
7. 前記スイッチングユニット（２４）は、前記アクチュエータ（４）の接地線（１０）に導入された追加的なスイッチング素子（６２）を含むことを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載のシステム（２）。
8. さらなる供給線（７０）を備えるさらなるアクチュエータ（７２）であって、前記スイッチングユニット（２４）は、電気的に直列接続された多数のさらなるスイッチング素子（６６）を含み、前記さらなるスイッチング素子（６６）は、前記さらなる供給線（７０）に導入されている、さらなるアクチュエータ（７２）、又は、前記アセンブリ（１８）は、前記さらなる供給線（７０）に導入されていると共に前記制御装置（２２）によって動作されるさらなるスイッチングユニット（７８）を含む、さらなるアクチュエータ（７２）を特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のシステム（２）。
9. 前記制御装置（２２）及び前記スイッチングユニット（２４）は、第１のバスシステム（４４）によって信号技術的に接続されており、前記制御装置（２２）は、前記第１のバスシステム（４４）のマスタとして構成されていることを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載のシステム（２）。
10. 前記制御装置（２２）及び前記コントローラ（１６）は、第２のバスシステム（３６）によって信号技術的に接続されており、前記制御装置（２２）は、前記第２のバスシステム（３６）のスレーブとして構成されていることを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載のシステム（２）。
11. 請求項１～１０のいずれか１項に記載の、機能的安全性を提供するためのアセンブリ（１８）。
12. 請求項１～１０のいずれか１項に記載のスイッチングユニット（２４）。

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