JP4384174B2 - 電気負荷のフェールセーフ停止用の安全切換装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、入力側切換信号を受信し、評価する信号処理部と、信号処理部により制御される、負荷を停止するための出力側切換信号を提供する少なくとも１つのスイッチング素子、特に半導体スイッチング素子と、負荷が停止される際に、反応電圧スパイクを解消するサージ防止素子とを備える、電気負荷、特に、電動機械のフェールセーフ停止用安全切換装置に関する。

また、本発明は、入力側切換信号を受信し、評価するステップと、入力側切換信号の機能として負荷を停止するステップと、負荷が停止される際に、サージ防止素子により電圧スパイクを解消するステップとを備える、電気負荷、特に電動機械のフェールセーフ停止のための方法に関する。

先行技術の安全切換装置は、商標名ＰＮＯＺ（登録商標）で本発明の出願人により市販される。
安全切換装置は、たとえば作業者に対するリスクを防止するため、フェールセーフに技術システムおよび装置を制御する目的で、および必要に応じて、フェールセーフにそれらを停止する目的で設けられる。この場合の「フェールセーフ」とは、障害が安全切換装置内またはその周囲で発生した場合、たとえば、安全切換装置の構成要素が故障した場合ですら、正常な停止動作を確保する必要があることを意味する。したがって、先行技術の安全切換装置は、通常は冗長な設計で、多くの国で当該監督機関からの特別な認可を必要とする。本発明による安全切換装置は、欧州規格ＥＮ９５４−１のカテゴリー３またはその類似安全規格を少なくとも満たし、該当する安全重視用途のために特別に想定される安全切換装置である。ただし、この点に関し、本発明はより狭い意味での安全切換装置に限定されず、おそらくは複雑な制御タスクに加えて、以下より詳細に記載される種類の安全切換装置の機能を実行する安全コントローラおよびフィールドバスベースの安全システムも含む。

安全切換装置の信号処理部は、たとえば非常停止ボタン、防護ドア、光バリア装置、両手制御スイッチ、またはその他の安全送信機など、従来の適用で生成される入力側切換信号を受信し、評価する目的に供する。信号処理部はフェールセーフに切換信号を評価し、その評価に基づき、少なくとも１つ、しかし一般には２つまたはそれ以上の出力側スイッチング素子を制御する。スイッチング素子の出力信号は、接触器などの１つまたはそれ以上のアクチュエータに供給され、その作動接点により電流が監視される機械に供給される。さらに、油圧式駆動装置の一部である電磁弁が、既知の安全切換装置を用いて切り換えられることも多い。

接触器、電磁弁および同様のアクチュエータは、安全切換装置に対する誘導負荷を示すという点で共通している。すなわち、停止中に、正常な動作電圧を大幅に超過する過電圧スパイクが生じることを意味する。したがって、先行技術の安全切換装置の出力は、接触器または電磁弁の入力コイルと並列に連続して（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ）接続されるサージ防止素子、いわゆるサージ防止ダイオードを通常備える。このようなサージ防止ダイオードを有する安全切換装置は、たとえば下記特許文献１より公知である。
独国特許出願公開第１９９ ５４ ４６０ 号公報 国際公開第 ＷＯ ０１／６７６１０ 号公報

しかし、公知の安全切換装置のサージ防止素子は、実際の遂行に応じて深刻さの度合いは異なるが２つの主要な欠点を有する。第１の欠点は、接触器のコイルを通過する電流が停止中に緩やかに減衰して、停止動作を遅延させるという事実にある。第２の欠点は、特に、検査目的で頻繁に出力側スイッチング素子を切り換える必要がある信号処理部により、安全切換装置に不所望に熱が誘導されることである。切断中に生じる電圧スパイクは安全切換装置に配置されるサージ防止素子を介して解消され、接触器コイルに蓄積されるエネルギーは安全切換装置内の抵抗電力損失に変換される。

こうした背景の下、本発明の目的は、安全切換装置への熱の誘導が低減される、最初に言及した種類の安全切換装置を提供することである。

最初に言及した種類の安全切換装置に関して、本発明の目的は、サージ防止素子が、互いに代替として始動可能な少なくとも第１のおよび第２の動作モードを有するという事実により達成される。
また、本目的は、サージ防止素子が互いに代替として始動可能な少なくとも第１のおよび第２の動作モードを有し、好ましくは、負荷を停止するために第１の動作モードから第２の動作モードに切り換えられる、最初に言及した種類の方法により達成される。

本発明は、安全切換装置の場合にサージ防止素子を可変に設計するという概念に基づく。このため、サージ防止素子を様々な状況や要件に合わせて別々に設計し、それぞれのケースで所望の用途に最適化することができる。よって、サージ防止素子は、意図される用途や状況に応じて作動させることのできる異なるサージ防止動作モードを有する。
安全停止のため、サージ防止素子は好ましくは、誘導負荷内の電流の減衰ができるだけ迅速に達成されるように設計される。この状況では、負荷の迅速かつ安全な停止が最も重要であるため、安全切換装置への熱の誘導は副次的にしか重要でない。

安全停止は先行技術の安全切換装置で比較的まれにしか生じないので、この状況における熱の誘導は比較的些細な問題である。しかし、これは、定期的に実施される停止検査の場合には当てはまらない。こうした停止検査は安全切換装置の動作中に定期的に実施され、また、妨げとなる上位の安全目的はないため、この場合には、サージ防止素子が最適速度の観点からではなく熱の最小限の誘導の観点から最適化されることが有益である。

サージ防止素子が様々な動作モード向けに設計されるという事実により、いろいろな目的をまとめて達成することができる。さらに、異なるサージ防止動作モードを有するサージ防止素子は、異なる（誘導）負荷の個々の特性の点からも、より容易に最適化することができる。
したがって、上記目的は完全に達成される。

本発明の改良例では、サージ防止動作モードは信号処理部により設定することができる。
本改良例では、信号処理部がサージ防止素子の機能を完全に制御することができ、その結果、安全停止が信号処理部により始動される際、最適の短い減衰時間を確保できるという利点を有する。

さらなる改良例では、信号処理部は、負荷がオンに切り換えられる第１の動作状態と負荷を停止する第２の動作状態とを有する。サージ防止素子は好ましくは、第１の動作状態中は第１のサージ防止動作モードにあり、第２の動作中は第２のサージ防止動作モードにある。
本改良例は、特に安全停止の際に、サージ防止動作モードを変更することにより、基本概念を最適利用する。安全停止は主に接続負荷を安全状態に切り換える目的に供するが、接続負荷は定常動作間の安全切換装置の内部機能シーケンスによってさほど影響を及ぼされない場合が多い。少なくとも１つの出力側スイッチング素子が検査目的で短時間開放されても、接続負荷はアクチュエータの緩慢さのために影響を及ぼされないことが多い。負荷が停止されるときにサージ防止動作モードが変化することにより、定常状態監視モード間、および安全停止の際に、様々な対象層に対して最適に適応させることができる。

さらなる改良例では、信号処理部が第１の動作状態で、少なくとも１つのスイッチング素子をパルス状にオフに切り換えるように設計される。
本改良例は、検査目的の停止動作と「実際の」安全停止とが区別される場合にサージ防止動作モードの変更が特に有益であるため、前述の動作を継続する。様々な対象層により、サージ防止動作モードの変更がこの場合特に有効である。

さらなる改良例では、サージ防止素子が第１のサージ防止動作モードでは低いレスポンス閾値を有し、第２のサージ防止動作モードでは高いレスポンス閾値を有する。
本改良例では、サージ防止素子が停止検査中の安全切換装置への熱の誘導を最小限にとどめる一方で、安全停止の際に誘導負荷を通過する電流の減衰をできる限り迅速化するという観点から特に最適化される。

さらなる改良例では、過電圧保護素子がスイッチング素子と並列に配置される。
様々なサージ防止動作モードに加えて、本改良例は、出力側スイッチング素子の保護を向上させ、より迅速な安全停止を可能にする。たとえば、第２のサージ防止動作モードのサージ防止素子は、出力側スイッチング素子の保護を考慮に入れずに、安全停止の点から最適化することができる。

さらなる改良例では、過電圧保護素子が、サージ防止素子の低レスポンス閾値よりも高い第３のレスポンス閾値を有する。
この例は上記の概念を利用している。さらに、誘導負荷に蓄積されるエネルギーが停止検査中「外部」に保管される、すなわち、過電圧保護素子により抵抗熱損失に変換されないことが特に有益である。この手段のさらなる利点は、いったん停止検査が終了すれば、誘導負荷を再度課す必要はない、あるいは、再度少量課すだけでよく、停止検査の実行を簡易化する点にある。

さらなる改良例では、サージ防止素子が、サージ防止部品として、切換可能な半導体部品、好ましくはサイリスタを備える。
切換可能な半導体部品、特にサイリスタは、オン状態での低順電圧のため、停止検査を実行する際に切換装置への熱の誘導を最小限にとどめるのに特に有効であることが分かっている。

さらなる改良例では、切換可能半導体部品は安全切換装置に組み込まれる。
本改良例では、安全切換装置に加えてユーザ側からサージ防止素子を配線する必要はないため、新規な安全切換装置をより容易に設置することができる。一方、安全切換装置の熱負荷を過度に増加させずに、安全切換装置へサージ防止素子を組み込むことが可能である。

言うまでもなく、上記特徴と後述する特徴はそれぞれのケースで明示された組合せだけでなく、本発明の範囲を逸脱せずに他の組合せで、あるいは独自に使用することができる。

本発明の典型的な実施形態を、図面を用いてより詳細に説明する。
図１では、新規な安全切換装置の実施形態全体が、参照符号１０で示される。
安全切換装置１０は、ここでは概略的に示される、２つの重複するマイクロコントローラ１４、１６を有する信号処理部１２を備える。２つの重複マイクロコントローラ１４、１６は、矢印１８で示されるように互いを監視する。言うまでもなく、２つのマイクロコントローラ１４、１６はそれぞれ、ここでは簡潔化のために図示しないが、適切な周辺装置（メモリ、通信インタフェースなど）を有する。さらに、３つ以上の重複チャネルを、信号処理のために設けることもできる。

好適な実施形態によると、安全切換装置１０は、ここでは電子スイッチング素子（半導体部品、この場合ＭＯＳトランジスタ）として図示される２つの重複する出力側スイッチング素子２０、２２を有する。本発明はこれらのスイッチング素子に限定されないが、上記スイッチング素子の場合、本発明の利点が特に有効に成果を挙げる。保護素子２４、２６は、各スイッチング素子２０、２２に並列に接続される。好適な実施形態によると、この場合、保護素子２４、２６は２つのスイッチング素子２０、２２のソース−ドレイン路を架橋し、ここでは２つの対向するツェナーダイオードの形で実装される。

２つのスイッチング素子２０、２２の出力信号は、出力２８、３０を介して２つの外部に接続されたアクチュエータ３２、３４に供給される。アクチュエータ３２、３４は、この場合、それぞれの作動接点が互いに直列に配置される接触器として示される。三相電源３６は、接触器３２、３４の作動接点を介して、この場合の１例として機能を果たす駆動装置３８に接続される。駆動装置３８は、たとえば自動ロボットあるいはコンベヤベルトを発動させる駆動装置である。さらなる実施形態では、アクチュエータ３２、３４は電磁弁であり、それを用いて、たとえば油圧プレスの作業運動を制御する。

また、安全切換装置１０は２つのサージ防止素子４０、４２を有し、各素子は対応する出力２８、３０に並列に、スイッチング素子２０、２２に接続される。サージ防止素子４０、４２の好適な実装を、図２を参照して以下詳細に説明する。図１に示されるように、この場合、サージ防止素子４０、４２は、信号処理部１２によるサージ防止動作モードの観点から制御され、切り換えられる（以下詳細を説明する）。

入力側において、安全切換装置１０は、この場合、たとえば防護ドアセンサ４４、光バリア装置４６および緊急停止ボタン４８により表される１つまたはそれ以上の安全送信機から信号を受信する。安全切換装置は実質上、１種類の安全送信機用に特別に設計されることが多いため、典型的には安全送信機は合同で表示される。しかし、ここで図示されるように、各種安全送信機を接続することのできる安全切換装置もある。言うまでもなく、本発明はここに示される安全送信機を評価する目的に限定されず、他の種類の信号センサ用の安全切換装置も含む。特に、先の安全切換装置は、たとえば上記特許文献２に記載されるような信号センサとしての機能を果たすこともできる。

本発明は、ここでは安全切換装置１０の例を使用して示され、切換装置には、信号処理部１２、スイッチング素子２０、２２、サージ防止素子４０、４２が共通の装置ハウジング５０内に配置される。安全切換装置１０は、たとえばスイッチギヤキャビネットに搭載され配線されることにより、小型モジュールとしてシステム全体に一体化させることができる。しかし、最初に述べたように、本発明はこれに限定されない。その代わりに、本発明はたとえば商標名ＰＳＳRで本出願人により提供される複雑な安全コントローラ内で、あるいは、分散型スイッチング素子を有するフィールドバスベースのシステム内で使用することもできる。

下記のサージ防止素子４０の好適な実施形態の説明では、前と同じ構成要素には同じ参照符号を付す。
図２は、好適な回路設計のサージ防止素子４０を示す。サージ防止素子は、２つの抵抗器６０、６２を有する分圧器を備え、抵抗器の自由端はスイッチング素子２０の出力に接続され、抵抗器６２の自由端は接地されている。順方向に配列されるキャパシタンス６４および保護ダイオード６６は、抵抗器６０に並列に接続される。さらに、サイリスタ６８は分圧器６０、６２と並列に配列され、サイリスタ６８の制御端子は２つの抵抗器６０、６２の接合点に接続される。よって、サイリスタ６８は、分圧器６０、６２の分圧比により決定される制御電圧を取得する。

さらに、サージ防止素子４０は、抵抗器７０、およびここでは第１の切換位置７２（開）に図示されるスイッチから成る直列回路を有する。第２の切換位置（閉）は、参照符号７４で示される。抵抗器７０とスイッチ７２／７４を備える直列回路は、抵抗器６０と並列に接続される。つまり、分圧器６０、６２の分圧比、よってサイリスタ６８のゲートトリガ端子に印加されるトリガ電圧は、スイッチ７２／７４により変動させることができる。

図３では、出力２８、３０での安全切換装置１０の出力信号を概略的に示す。勾配８０で、安全切換装置１０の出力２８、３０で電圧がオンに切り換えられる。その結果、接触器３２、３４はそこに電流を流させ、作動接点を閉ざす。結果的に、駆動装置３８は電源３６に接続され、起動する。
駆動装置３８が動作している間（動作モード）、安全切換装置１０は、安全送信機４４、４６および４８から入力に印加されるセンサ信号を監視する。信号処理部１２は、フェールセーフに安全送信機からの入力側切換信号を評価し、場合により勾配８２によって図３に示される駆動装置３８の安全停止を始動する。安全停止のため、信号処理部１２はスイッチング素子２０、２２を開放し、その結果、出力２８、３０で電圧が降下し、結果的に接触器３２、３４の作動接点を開放させる。これにより、駆動装置３８が電源３６から遮断される。

以下第１の動作状態としても称される動作モード間に、信号処理部１２は、スイッチング素子２０、２２を短時間（パルス状に）開き、その後再度閉じることにより、定期的な停止検査を実行する。２つの上記停止検査が、図３の出力信号において参照数字８４で示される。
停止パルス８４は接触器３２、３４の解除時間より一般に短く、その結果、駆動装置３８は停止パルス８４にかかわらず妨げられず動作し続ける。可能であれば、停止パルス８４は、駆動装置３８の安定動作のために接触器３２、３４の上流でろ過されてもよい。信号処理部１２は、リードバック線（ここでは図示せず）を介してスイッチング素子２０、２２が無事開放されていることを監視することができる。よって、信号処理部１２は、安全停止の場合、スイッチング素子２０、２２が確実に機能を果たすよう確保することができる。

当業者にとっては既知なように、誘導負荷の停止（短期間でさえ）は、図４において振幅プロファイルで概略的に示される電圧スパイク（参照符号８６）を引き起こす。安全切換装置１０の出力での上記電圧スパイク８６の反応は、サージ防止素子４０、４２による制御下でもたらされる。
サージ防止素子４０、４２の動作モードは以下のとおりである。動作モードでは、電圧スパイク８６は、停止パルス８４の場合に増大される。この電圧スパイク８６は、分圧器６０、６２を介して、サイリスタ６８のトリガ端子でトリガ電圧を生成する。分圧器６０、６２の範囲は、サイリスタ６８のレスポンス閾値が保護素子２４、２６のレスポンス閾値より低くなるように選択される。図４では、２つのレスポンス閾値は、参照符号８８、９０により示される。レスポンス閾値８８を超過する場合、サイリスタ６８が起動されることにより、接触器３２を介して放電回路を閉じる。サイリスタは約１．４ボルトの低い順電圧を有するため、この場合、わずかの熱しか安全切換装置１０に誘導されない。

スイッチング素子２０、２２が停止検査の最後に再度閉じられるとすぐに、あるいは、接触器３２を通過する減衰電流が十分に減衰する場合、サイリスタ６８は再度オフ状態に切り換わる。ここで、サイリスタ６８のレスポンス閾値８８は、本質的に分圧器６０、６２の分圧比により決定される。
信号処理部１２は、安全停止を引き起こそうとする場合、スイッチ７２／７４を作動させることにより、サージ防止素子４０、４２を第２のサージ防止動作モードに移行させる。分圧器の異なる分圧比のため、サイリスタ６８は、図４において参照符号９２で示される高レスポンス閾値でのみ起動されている。図４中のレスポンス閾値９２は、保護素子のレスポンス閾値９０より高い。すなわち、この場合、保護素子２４、２６はサイリスタ６８の前ですら応答する。しかし、レスポンス閾値９０、９２は、図４の閾値とほぼ等しく、あるいはそれとは逆順になるように選択することもできる。安全停止のためのレスポンス閾値９２の柔軟な範囲設定のため、接触器３２、３４の減磁挙動は、熱要件とは無関係に動作モードにおいて最適速度に設定することができる。可能であれば、電圧スパイク８６の減衰は、短絡回路により置き換えられる抵抗器７０によって完全に抑制させることができる（Ｒ＝０オーム）。

完璧を期すため、保護ダイオード６６が許容不能なほど高い逆電圧に対してサイリスタ６８を保護する一方で、キャパシタンス６４はトリガ端子とサイリスタの陰極間の電圧を平滑化する目的に供することに言及しておくべきである。
サージ防止素子４０、４２に関して示される配置によると、安全切換装置上での停止検査に起因する熱誘導は、本出願人により約１２ワットから約１ワットまで低減することができる。これにより、安全切換装置が一層小型化されるだけでなく、熱による故障のリスクが低減される。すなわち、安全切換装置のフェールセーフ性が新規のサージ防止素子４０、４２により向上される。

新規な安全切換装置の実施形態の概略ブロック図である。 図１の新規な安全切換装置中のサージ防止素子の好適な実施形態を示す。 は切断電圧スパイクを考慮に入れない、図１に示される新規な安全切換装置の出力における信号プロファイルを概略的に示す。 は誘導負荷が停止されるときの振幅信号プロファイルを概略的に示す。

Claims (11)

1. 電気負荷（３８）のフェールセーフ停止用安全切換装置であって、
   入力側切換信号を受信し、評価する信号処理部（１２）と、
   前記信号処理部（１２）により制御され、負荷（３８）を停止するための出力側切換信号を提供する少なくとも１つのスイッチング素子（２０、２２）と、
   前記スイッチング素子（２０、２２）に接続され、前記出力側切換信号を、少なくとも１つのアクチュエータ（３２，３４）に供給するための出力（２８，３０）と、
   前記出力（２８，３０）に並列に接続され、前記負荷（３８）が停止される際に発生する反応電圧スパイク（８６）を解消するサージ防止素子（４０、４２）とを有し、
   互いに代替として作動させることのできる少なくとも第１のおよび第２のサージ防止動作モード（７２、７４）が備えられ、
   前記第１のサージ防止動作モード（７２）において前記サージ防止素子（４０、４２）は低レスポンス閾値（８８）で動作し、前記第２のサージ防止動作モード（７４）において前記サージ防止素子（４０、４２）は高レスポンス閾値（９２）で動作するものである、安全切換装置。
2. 前記各サージ防止動作モード（７２、７４）を前記信号処理部（１２）により設定することができる、請求項１記載の安全切換装置。
3. 前記信号処理部（１２）が、前記負荷（３８）がオンに切り換えられる第１の動作状態と、前記負荷（３８）を停止させる第２の動作状態とを有する、請求項１または２記載の安全切換装置。
4. 前記サージ防止素子（４０、４２）が第１の動作状態の間は第１のサージ防止動作モード（７２）にあり、第２の動作状態の間は第２のサージ防止動作モード（７４）にある、請求項３記載の安全切換装置。
5. 前記信号処理部（１２）が第１の動作状態で、少なくとも１つのスイッチング素子（２０、２２）をパルス状にオフに切り換えるように設計される、請求項３または４記載の安全切換装置。
6. 過電圧保護素子（２４、２６）が前記スイッチング素子（２０、２２）と並列に配置される、請求項１ないし５のいずれか記載の安全切換装置。
7. 前記過電圧保護素子（２４、２６）が、前記サージ防止素子（４０、４２）の低レスポンス閾値（８８）よりも高い第３のレスポンス閾値（９０）を有する、請求項６記載の安全切換装置。
8. 前記サージ防止素子（４０、４２）がサージ防止部品としてサイリスタ（６８）を備える、請求項１ないし７のいずれか記載の安全切換装置。
9. 前記サイリスタ（６８）が安全切換装置（１０）に組み込まれる、請求項８記載の安全切換装置。
10. 電気負荷（３８）のフェールセーフ停止のための方法であって、
    入力側切換信号を受信し、評価するステップと、
    前記入力側切換信号に対応して少なくとも１つのスイッチング素子（２０、２２）から出力側切換信号を提供するステップと、
    前記出力側切換信号の提供に応じて、アクチュエータ（３２，３４）の作動接点を開き、負荷（３８）を停止するステップと、
    サージ防止素子（４０、４２）により、前記負荷（３８）が停止される際に前記アクチュエータ（３２，３４）に発生する電圧スパイク（８６）を解消するステップとを備え、
    互いに代替として作動させることのできる少なくとも第１のおよび第２のサージ防止動作モード（７２、７４）が備えられ、
    前記電圧スパイク（８６）を解消するステップにおいて、前記第１のサージ防止動作モード（７２）において前記サージ防止素子（４０、４２）は低レスポンス閾値（８８）で動作し、前記第２のサージ防止動作モード（７４）において前記サージ防止素子（４０、４２）は高レスポンス閾値（９２）で動作するものである、安全切換方法。
11. 前記サージ防止素子（４０、４２）が、負荷（３８）を停止する際に前記第１のサージ防止動作モード（７２）から前記第２のサージ防止動作モード（７４）へ切換えられる、請求項１０記載の安全切換方法。

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