JP4836381B2 - 設備の安全な断路を行なうための回路配置及びそれに用いる安全スイッチ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、設備、特に機械設備の安全な断路を行なうための回路配置に関する。この回路配置は、設備の作動状態に応じて特定出力信号を出す信号装置と、特定出力信号に応じてフェールセーフに設備の断路を行なう安全スイッチ装置とを有し、前記特定出力信号は、設備の作動中に期間T1にわたって定常信号レベルを有している。
【０００２】
本発明は、さらに、このような回路配置において使用される安全スイッチ装置であって、前記信号装置を接続する少なくとも１個の入力部と、前記信号装置から出る特定出力信号に応じてフェールセーフ断路プロセスを起動する断路ユニットとを有している安全スイッチ装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
このような回路配置とこのような安全スイッチ装置とは公知であり、例えば、１９９７年にHuthig-Verlag社から出版されたWinfried Graf著の本「Maschinensicherheit」（機械の安全性）の２０４、２０５頁に書かれている。
この公知の回路配置において、信号装置は安全のための光バリアであって、これによってたとえばプレス設備または自動マシーニングセンターの危険区域を保護できる。この目的のために、安全のための光バリアは出力信号を出し、この出力信号は、光バリアの１つ以上の光ビームが破られたとき、第１信号状態から第２信号状態に変化する。この変化は、接続された安全スイッチ装置により確認され、次に、安全スイッチ装置は、モニターされる設備において断路プロセスをフェールセーフに起動する。断路プロセスは、モニターされる設備全体の電源からの断路を含んでいてもよい。しかしながら、多くの適用例において、設備の一部、例えばドライブの断路だけで充分である。
【０００４】
フェールセーフに断路を行なうためには、もし回路配置に故障があっても設備は故障しないように回路配置が設計されていなければならない。このことは、主として、信号装置と安全スイッチ装置との両方が、多チャンネルの冗長信号経路および／または繰り返し実施される自己テストのようなフェールセーフ手段を含むことにより達成できる。
本発明は、信号装置を光バリアにのみ限定するものではない。信号装置の他の例として、ドアコンタクトスイッチ、緊急停止ボタン、および一般にモニターされる設備が高安全性作動状態にあるか否かを感知できるすべてのタイプのセンサがあげられる。
【０００５】
原則として、現在では、そのような信号装置は２種類に分けられる。第１のタイプでは、信号装置は接点を備えた出力部を有している。これは、主としてスイッチであり、このスイッチの開閉位置は信号装置により左右される。接点を備えた出力部は、下流の安全スイッチ装置により評価され得る。この評価は、安全スイッチ装置自体が出したテスト信号をループ状のコンタクトスイッチを介してフィードバックすることにより達成される。それ自体が出したテスト信号をフィードバックされた入力信号と比較することにより、接点を備えた信号装置の出力部が開放されているかまたは閉鎖されているかを特定することができる。一般に、この場合、信号装置自体はアクティブな出力信号を出すことなく、信号装置の出力部はループ状接続部を介して安全スイッチ装置に接続されているといえる。
【０００６】
反対に、信号装置の第２のグループは、アクティブな信号出力部、すなわち一般に半導体出力部を有している。このことは、信号装置が、安全スイッチ装置とは無関係に、モニターされる設備の作動状態を示す電流信号および／または電圧信号を出すことを意味する。Grafの著書に書かれている公知の回路配置は、たとえば、このような半導体出力部を有する光バリアである。
多くの信号装置は、モニターされる設備が正常に作動している間は比較的まれにしか起動されず、したがって、信号装置の出力部は、長時間にわたって変化せず１つの信号状態を保っているという問題点を有している。スイッチ装置の観点からすると、このような場合にこの定常信号状態が設備の実際の作動状態に一致しているのか、またはこれが故障、たとえば分離されたラインの途中で生じた短絡により起こったものであるかどうかを特定できない。信号装置が接点を備えた出力部を有している場合、安全スイッチ装置が信号ループに送られたテスト信号を間隔を置いて周期的に変更することは、知られている。このようなゆっくりとした信号の変化によって、安全スイッチ装置は、信号装置の出力接点を介する接続とそれ自体の信号プロセシング経路との両方に故障が無いかどうかをチェックできる。このような装置は、たとえばドイツ特許第１９５１０３３２ Aｌに開示されており、公知である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法は、接点を持たないアクティブ信号出力部を備えた信号装置には使用できない。なぜならば、この場合、出力信号は安全スイッチ装置自体には制御されないからである。したがって、実際に使用されており、アクティブな信号出力部を有する信号装置のうちのいくつかは、追加テスト信号入力部を有しており、この入力部を介して、安全スイッチ装置はテストのための出力信号におけるゆっくりとした状態変化を要求することができる。この１つの例は、ドイツ、４０５４９ デュッセルドルフ市、Sick AG社製のFGS安全光バリアである。しかしながら、これらの場合、機能チェックを実施するために、安全スイッチ装置は常に信号装置と協働しなければならず、このことは、異なる信号装置との相互作動を制限する。
【０００８】
さらに、それらを利用して、内部に故障チェック手段を有しているアクティブ信号出力部を備えた信号装置が知られている。この場合、信号装置自体がその出力部において、特定時間間隔で短い信号変化を生じる。しかしながら、これらの信号変化は同様に下流の安全スイッチ装置によって制御されないので、これらは、使用されている信号装置とは無関係に安全スイッチ装置のセルフテストを実施するために使用するには適さない。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、安全スイッチ装置が、使用されている信号装置から独立して、それ自体の信号経路のセルフテストを実施できる代替的な回路配置を提供することである。本発明の他の目的は、対応する安全スイッチ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明の目的は、本願の特許請求の範囲に記載の回路配置により達成される。
さらに本発明の目的は、本願の特許請求の範囲に記載の安全スイッチ装置により達成される。
【００１１】
変調プロセスにより、安全スイッチ装置に制御されるクロック信号が、信号装置から出た出力信号と結合される。この結合は、変調によって、特定出力信号と周期クロック信号との情報内容がともに被変調出力信号に含まれるように行なわれる。この場合、クロック信号によって被変調出力信号は好ましくは周期的な信号変化を有し、そのために安全スイッチ装置は、それ自体の信号経路の自動的内部機能チェックを設備の作動中に実施できる。これは、出力信号とは関わりなく、したがって上記信号装置のいかなる協働とも関わりなく実施することができる。それにもかかわらず、安全スイッチ装置は特定出力信号内のいかなる信号変化をも常に感知できる。なぜならば、クロック信号が安全スイッチ装置に知られているからである。
【００１２】
本発明の回路配置は、したがって次のような利点を有する。すなわち、安全スイッチ装置は上記信号装置から独立して内部機能チェックを実施することが可能であり、上記信号装置がアクティブ信号出力部を有している場合でもこの内部機能チェックは正確に行なわれるという利点である。たとえば信号装置からのテスト信号を要求するなどの、セルフテストに信号装置を含むことはまったく必要でない。したがって本発明の安全スイッチ装置は、本発明の回路配置を構成するために、いかなる所望の信号装置とも結合することができる。
【００１３】
さらに、本発明の回路配置および対応する安全スイッチ装置は、多数の他の利点を有しており、これについては特に好ましい実施形態を参照して後に説明する。
本発明の回路配置の第一実施形態において、安全スイッチ装置は、被変調出力信号の関数として設備の断路を行なう。
この構成の代わりとして、原則的に、安全スイッチ装置をセルフテストするために、被変調出力信号を補助的にのみ使用することも可能である。この場合には、設備の作動状態を実際にモニターする際に、特定の変調されていない出力信号のみを用いる。逆に、上記の構成は、被変調出力信号が正確に信号経路を通るという利点が有り、このことは安全スイッチ装置の内部機能チェックにおいて重要である。これによって、一方では複雑な過程を単純化することができ、他方において機能チェックを途切れることなく連続的に実施することができる。
【００１４】
他の実施形態において、特定出力信号はデジタル信号であり、入力ステージは論理ユニットを含み、この論理ユニットは、特定出力信号をクロック信号と論理的相互接続することにより変調する。
この構成は、たとえばミキサーを用いたアナログ信号プロセシングに比べて極めて容易かつ低価格に実施することができる。さらに、未来の信号装置は一般にデジタル出力信号を提供すると考えられ、これらのデジタル出力信号は、変調にもかかわらず、この構成に基づいて容易に評価することができる。
【００１５】
上記の構成の別の実施形態において、論理的相互接続は排他的NOR相互接続または排他的OR相互接続である。
他の論理的相互接続、たとえばAND相互接続に比較して、これらの２つの相互接続は、クロック信号が被変調出力信号内に実質的に保持されているという利点を有する。この場合、特定出力信号の信号レベルに応じて、クロック信号は反転されるかまたは反転されない。その結果、被変調出力信号はクロック信号と同じ信号変化を有する。これにより、設備が不動態にあるときでさえ、連続的機能チェックがきわめて単純化される。
【００１６】
本発明において、入力ステージは、クロック信号と被変調出力信号とをフェールセーフに互いに分離する信号プロセシング手段を含む。
２つの信号のこのような分離は、本発明の他の実施形態についての下記の説明において述べるように、技術的に種々の方法で実施できる。概して、この構成は、一方のクロック信号と他方の被変調出力信号との混乱を減らすことができるという利点を有する。その結果、この構成は回路配置の安全性をかなり向上させることができる。なぜならば、それはクロック信号と被変調出力信号との間の誤った交差接続を避けるからである。
【００１７】
上記の構成の１つの実施形態において、信号プロセシング手段はクロック信号と被変調出力信号とを互いにガルバニック分離する（DC分離する）。
設備が故障なしにいったん使用されると、ガルバニック分離は、前記２つの信号間の短絡または交差接続を単純かつフェールセーフな方法で防ぐ。したがって、最初の使用の前またはスタート時に一度、回路の故障の無い作動をチェックするだけで充分である。この場合、その後の動作中に、たとえばトランジスタの破壊のような部品の故障によって、交差接続は起こらない。
【００１８】
上記の構成の他の実施形態において、信号プロセシング手段は、オプトカップラーによりクロック信号と被変調出力信号とを互いにガルバニック分離する。
ガルバニック分離を行なう他の方法に比べて、オプトカップラーは低価格で必要スペースが小さくて済み、さらに電磁干渉を受けにくいという利点を有する。また、それ自体が電磁干渉を発生させないか、もし発生させても比較的少量のみである。
【００１９】
別の実施形態において、被変調出力信号の少なくとも１個の信号パラメータをクロック信号と異なるように変更する変更手段をさらに含む。この発明の実施形態のための信号パラメータは、たとえば振幅、位相角の他、各信号の単位時間あたりのパルス数などである。変更手段が前記２つの信号の一方の信号パラメータを他方とは異なるように変更することにより、著しい特徴を生じ、それによって評価ユニットが２つの信号のどちらが実際に存在しているかを確実に感知することができる。この場合、この構成は、上記の構成に加えて使用してもよく、また上記の構成の代わりに使用してもよい。全体として、このことは、本発明による回路配置を発展させるための設計オプションを増す。もし必要であれば、これによってガルバニック分離に部品を使用するのを避けることも可能である。
【００２０】
本発明の他の実施形態において、安全スイッチ装置は外部からアクセスできる接続端子を備えたハウジングを含み、クロック信号は前記接続端子の１個を介して外側から入力ステージに供給される。
この構成の代わりに、クロック信号を安全スイッチ装置のハウジング内の入力ステージに供給することもまた原理的に可能である。しかしながら、この好ましい実施形態においては、クロック信号はハウジングの外に設けられたループ接続部を介して入力ステージに供給される。この構成は、接点を有する信号出力部を備えた信号装置を、極めて容易にかつこの目的のために本発明の安全スイッチ装置自体にまったく変更を必要とせずに、本発明の安全スイッチ装置に接続できるという利点を有する。この場合、もし同時に、アクティブ信号出力部を備えた信号装置を接続するための入力部に定常信号レベルが適用されているならば、クロック信号を前記信号装置の接点を介して送るだけで充分である。概して、この構成は、本発明の安全スイッチ装置の使用分野をかなり拡大する。
【００２１】
本発明の他の実施形態において、安全スイッチ装置は少なくとも２個の互いに分離可能なハウジングモジュールを含んでおり、この分離可能なハウジングモジュールの１個に入力ステージが配置されている。
この構成は、安全スイッチ装置の入力ステージを必要に応じてモジュール式に使用でき、したがって同様に本発明の安全スイッチ装置の使用分野を拡大できるという利点を有している。さらに、このことは、比較的古い安全スイッチ装置を本発明の方法により簡単に取り付けられることを意味する。
【００２２】
本発明によれば、入力ステージはフィルタ回路を含んでおり、このフィルタ回路によって、クロック信号の最短パルス期間よりも短い期間のパルスが抑制される。
この構成は、決定的に評価できない短いパルスという形で信号入力部に存在する干渉から、本発明の安全スイッチ装置を守れるという利点を有する。このようなパルスは、たとえば、多数の比較的最近の信号装置、例えば多数の光バリアがそれ自体の機能テストを実施するために発するテストパルスである。前記構成により、本発明の安全スイッチ装置はこのような干渉を比較的受けにくく、したがって、そのようなテストパルスが存在するかどうかに関係なく所望の信号装置と結合され得る。
【００２３】
他の実施形態において、クロック信号は安全スイッチ装置用の評価ユニットにより制御される。
この構成は、評価ユニットがクロック信号を完全に制御するという利点を有する。これによって、特定出力信号の変調に使用されるクロック信号と評価ユニットに知られているクロック信号との間に何らかの違いが生じることを実質的に防ぐ。
【００２４】
本発明の他の実施形態において、少なくとも安全スイッチ装置の入力ステージは、多チャンネルを有するように設計されている。
この構成により信頼性を増すことができる。なぜならば、少なくとも２個のチャンネル間での比較または相互チェックにより追加機能チェックを実施できるからである。
上記の特徴および下記に説明する特徴は、それぞれ記載した組み合わせのみならず、本発明の範囲を逸脱しない限り他の組み合わせまたはそれ自体で使用できることは言うまでもない。
【００２５】
本発明の実施形態を、添付図面を参照して下記にさらに詳細に説明する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明の回路配置は、全体として参照番号１０で示されている。
この場合、回路配置１０は、安全スイッチ装置１２と信号装置１４とを含む。この場合の信号装置１４は例として光バリアとなっているが、一般には、モニターされるべき設備の作動状態を示す特性出力信号を発する何らかの適切なセンサであってよい。
【００２７】
安全スイッチ装置１２は、ハウジングモジュール１８内のそれ自体に配置された入力ステージ１６を有する。安全スイッチ装置１２の他の構成要素は、第二ハウジングモジュール２０内に配置されており、このハウジングモジュール２０は、ハウジングモジュール１８から分離することができる。
参照番号２２は、回路配置１０により作動状態がモニターされる機械設備を示す。この作動状態には、機械の回転速度などの比較的狭い意味での機械パラメータだけでなく、たとえば機械設備２２に関する危険区域を保護するための緊急停止ボタンの位置、危険防止ドアの開閉または光バリア１４からの状態信号など、広い意味で機械設備２２に関わる状態変数が含まれる。
【００２８】
さらに、本発明は、水圧機やマシーニングセンターなどの機械設備にのみ限定されるものではない。最も一般的な形態において、モニターされる設備は、化学薬品製造プラントや、故障が起これば安全状態に変換しなければならない何らかのプロセスを含む。ここに示された機械設備２２では、たとえば電源を切ることにより安全状態がもたらされる。
安全スイッチ装置１２のハウジングモジュール２０内に配置された部分は、公知の方法で評価・断路ユニット２４を有しており、この評価・断路ユニット２４は、好ましくは２個のチャンネルと冗長設計とを有している。同様に公知の方法で、評価・断路ユニット２４は、出力リレーまたは出力コンタクタを有しており、それらのメーク接点２６、２８は、電源において機械設備２２に直列に接続されている。
【００２９】
参照番号３０はクロック発生器を示し、そのクロック信号は、評価・断路ユニット２４により制御される。
参照番号３２は増幅器を示し、この増幅器３２は、この場合、すべての必要な方法、すなわちレベルマッチング、パルス形成および／またはインピーダンスマッチングなどを象徴的に表している。さらに、これによって、評価・断路ユニット２４は入力ステージ１６に影響を与えずに済む。
【００３０】
ハウジングモジュール２０は公知の方法で多数の接続端子を有しており、この場合、そのうちの２個は参照番号３４、３６で示されている。入力ステージ１６を有するハウジングモジュール１８もまた同様に接続端子を有しており、これらは参照番号３８、４０、４２で示されている。入力ステージ１６は、接続端子３４、３８を介してハウジングモジュール２０内のクロック発生器３０に接続されている。これらの端子３４、３８を介して、入力ステージ１６はクロック信号４４を受け取る。このクロック信号４４は、この場合、好ましくは周期クロック信号である。しかしながら、原則的には、クロック信号４４は非同期信号であってもよい。
【００３１】
入力ステージ１６は、接続端子４０を介して信号装置１４に接続されており、この接続端子４０を介して特定出力信号４６を受け取る。出力信号４６の信号状態は、機械設備２２の作動状態に依存する。この実施形態においては、出力信号４６は光バリアが破られていないときは高レベルのデジタル信号であり、光バリアが破られているときは低レベルのデジタル信号である。さらに、出力信号４６は短い断路パルスを有しているが、これについては図４を参照して後に詳述する。
【００３２】
入力ステージ１６は、さらに、接続端子３６、４２を介して増幅器３２に接続されている。入力ステージ１６はこの接続を利用して被変調出力信号４８を送る。被変調出力信号４８は、下記に説明するように、周期クロック信号４４と特定出力信号４６とを相互に連結することにより得られる。被変調出力信号４８は、次に、評価・断路ユニット２４により評価され、この評価に応じて評価・断路ユニット２４は機械設備２２への電源を切ることができる。
【００３３】
さらに、評価・断路ユニット２４は、被被変調出力信号４８を用いて安全スイッチ装置１２に対するそれ自体の機能テストを実施する。この過程で故障や非確定状態が感知されると、機械設備２２は同様に断路される。この目的のために、評価・断路ユニット２４は公知の方法で安全装置（ここには図示せず）を有している。
図２は入力ステージ１６の内部回路設計を示す。この場合、図１と同様の構成要素には同一の参照番号が付されている。さらに、論理的配線の説明に通常行なわれるように、クロック信号４４は略して文字Tで示され、特定出力信号４６はSで、被変調出力信号４８はDで示されている。
【００３４】
最初にクロック信号Tと特定出力信号Sとが２つの回路５２、５４を介して入力ステージ１６に受け入れられる。これらの回路５２、５４はレベルマッチング、パルス形成、フィルタリングなどに使用される。回路５２、５４は任意であり、それぞれの要件に公知の方法で適合している。その後、クロック信号Tと特定出力信号Sとはオプトカップラー５６に供給される。この場合、クロック信号Tは入力側の発光ダイオード５８を駆動し、また特定出力信号Sは感光トランジスタ６０のコレクタに送られる。発光ダイオード５８の陰極側接続部はレジスタ６２を介してアースされている。トランジスタ６０のエミッタ接続部は、回路６４に接続されている。この回路６４は、回路５２、５４と同様にレベルマッチング、パルス形成などに使用される。被変調出力信号Dは回路６４の出力側に形成される。
【００３５】
参照番号６６は入力側発光ダイオード６８と感光トランジスタ７０とを有する第２オプトカップラーを示す。発光ダイオード６８の陰極側接続部は、アースされている。発光ダイオード６８の陽極側接続部は、互いに平行に配置され、それぞれダイオードとレジスタとを有する２個の直列回路に接続されている。クロック信号Tは、２個の直列回路の一方、すなわちダイオード７２とレジスタ７４とを含む回路を介して、発光ダイオード６８に供給される。特定出力信号Sは、２個の直列回路の他方、すなわちダイオード７６とレジスタ７８とを含む回路を介して発光ダイオード６８に供給される。
【００３６】
オプトカップラー６６のトランジスタ７０のエミッタ側接続部は、再度アースされている。コレクタ側において、トランジスタ７０はレジスタ８０を介して電圧源に接続されている。さらに、トランジスタ７０のコレクタは、前方に偏向したダイオード８２を介してオプトカップラー５６のトランジスタ６０のエミッタに接続されている。
全体として、この場合、入力ステージ１６は、フェールセーフな排他的NOR相互接続を行なう。すなわち、信号S、T、Dは、次の真理値表に基づいて論理的に相互接続されている。
【００３７】
【表１】
【００３８】
入力ステージ１６は次のように作動する。
クロック信号Tが高レベルのときには、オプトカップラー５６のトランジスタ６０は、発光ダイオード５８を介してスイッチ・オンされる。同様に、オプトカップラー６６のトランジスタ７０は、発光ダイオード６８を介してスイッチ・オンされる。次に、特定出力信号Sは、オプトカップラー５６のトランジスタ６０を介して入力ステージ１６の出力端子４０に送られる。このとき、プルアップレジスタ１８は、信号レベルが安定していることを確認する。したがって、クロック信号Tが高レベルのとき、被変調出力信号Dの信号レベルは特定出力信号Sの信号レベルと同じである。
【００３９】
反対に、クロック信号Tが低レベルのときには、オプトカップラー５６のトランジスタ６０はスイッチ・オフされ、その結果、特定出力信号Sは出力端子４０に直接送られない。さらに、オプトカップラー６６のトランジスタ７０が高レベルの特定出力信号Sによりスイッチ・オンされないならば、このオプトカップラー６６のトランジスタ７０もまたスイッチ・オフされる。もし高レベルの特定出力信号Sによりスイッチ・オンされるならば、トランジスタ７０は被変調出力信号Dの信号レベルを引き下ろすので、低レベルとなる。反対に、特定出力信号Sが低レベルの場合には、オプトカップラー６６のトランジスタ７０もまたスイッチ・オフされ、被変調出力信号Dの信号レベルがプルアップレジスタ１８を介して高レベルに引き上げられる。概して、この場合、被変調出力信号Dは反転された出力信号Sに対応する。
【００４０】
一般に、特定出力信号Sが高レベルのとき、被変調出力信号Dはクロック信号Tに等しいといえる。一方、特定出力信号Sが低レベルのときには、被変調出力信号Dは周期クロック信号Tの逆になる。このことは、上記の表に示したように、排他的NOR相互接続に正確に対応している。
被変調出力信号Dは、このように周期的に交替する信号レベルを有し、これによって安全スイッチ装置１２の評価・断路ユニット２４は内部機能テストを実施できる。しかしながら、同時に、被変調出力信号Dは常に特定出力信号Sの現在の信号レベルを推定できる。したがって、安全スイッチ装置１２は、光バリア１４が破られたときはいつでも反応できる。
【００４１】
さらに、本実施形態の入力ステージ１６の排他的NOR相互接続もまた、起こり得る短絡や信号阻害に対してフェールセーフである。たとえば特定出力信号Sが高レベルの場合、短絡と発光ダイオード５８の阻害との両方ともがトランジスタ６０のスイッチ・オフを生じ、その結果、被変調出力信号Dは永久的に低レベルになる。トランジスタ６０の何らかの中断もまた同じ結果をもたらす。たとえば破壊によりトランジスタ６０に短絡が生じると、被変調出力信号Dは持続的に高レベルになる。正常な作動状態とは対照的に、被変調出力信号Dは、もはやいかなる場合にもクロックパルスを有することはなく、下流の評価・断路ユニット２４はこの事態を故障すなわち断路コマンドと判断する。
【００４２】
クロック信号Tが低レベルのときには、ダイオード７６またはレジスタ７８に何らかの阻害が生じると、オプトカップラー６６のトランジスタ７０がスイッチ・オフとなる。その結果、被変調出力信号Dが再度永久的高レベルとなり、これは故障すなわち断路コマンドとみなされ得る。
発光ダイオード６８の阻害に関連するダイオード７６の短絡もまた感知できる。なぜならば、この場合、オプトカップラー６６のトランジスタ７０が再度スイッチ・オフされて、被変調出力信号Dが永久的高レベルになるからである。ダイオード７２、レジスタ７４、レジスタ７８およびトランジスタ６０を含む信号経路を介しての、周期クロック信号Tと出力端子４０との可能な直接的カップリングは、この方法で同様に感知できる。さらに、オプトカップラー５６を使用することにより、クロック信号Tが出力端子４０に直接カップリングされるのを防止できる。
【００４３】
特定出力信号Sが低レベルのとき、比較故障分析を実施できる。すなわち、この場合、起こったすべての短絡および阻害を感知することができる。なぜならば、それらによって、被変調出力信号Dの応答が不変になるからである。入力ステージ１６は、このようにフェールセーフに設計されている。
図３において、本発明による回路配置の第２実施形態の全体が、参照番号９０で示されている。この図では、図１に示された構成要素と同じ構成要素に同じ番号が付されている。回路配置９０は信号装置１４を含み、常に２個のチャンネルを有するように設計されている。これらの２個のチャンネルを区別するために、同じ参照符号に文字「a」および「ｂ」が付されている。
【００４４】
回路配置９０の場合、安全スイッチ装置９２はハウジング９４の内部に完全に配置されている。したがってこの場合、安全スイッチ装置９２の入力ステージ１６は、安全スイッチ装置９２内に永久的に一体化されている。
クロック発生器３０から出た周期クロック信号Tと、信号装置１４から出た特定出力信号Sとは、オプトカップラー９６を介して入力ステージ１６において再度相互接続される。この場合、周期クロック信号Tは入力側発光ダイオードを再度制御し、一方特定出力信号Sはコレクタ・エミッタ経路を介して感光トランジスタに通される。しかしながら前記第１実施形態とは違って、この場合には、論理的相互接続に影響を与える回路はこれ以上存在しない。従って、この場合、論理的AND接続となる。しかし、この実施形態の入力ステージ１６は、排他的NOR接続または排他的OR接続のいずれかをも含むことはいうまでもない。
【００４５】
２個のチャンネルのそれぞれにおいて、オプトカップラー９６はフィルタ回路９８を伴っており、このフィルタ回路９８は、周期クロック信号Tの最短パルス期間よりも短い期間のパルスが抑制されるように設計されている。フィルタ回路９８の効果は図４のタイミング線図により明らかである。
参照番号１００a、１００bはシュミットトリガ入力を有する２個のインバータを示し、これらは濾過された被変調出力信号Dを反転させるのに使用される。その結果、被変調出力信号Dを常に周期クロック信号Tと区別することが可能であり、それによって２つの信号間の誤った交差接続が評価・断路ユニット２４において感知できる。
【００４６】
安全スイッチ装置９２の特別の長所は、クロック発生器３０から出た周期クロック信号Tが先ず出力端子３４a、３４bを介してハウジング９４から外へ送られ、次にループ接続部と入力端子３８a、３８bを介して入力ステージ１６へ供給される。原則として、そしてこれとは対照的に、クロック信号Tをハウジング９４内の入力ステージ１６に供給することも可能である。しかしながら、逆に、この実施形態においては、接点を有する信号装置を安全スイッチ装置９２に容易に接続することができる。これを行なうために、周期クロック信号Tはそのような信号装置の出力接点を介して入力端子４０a、４０bへ送られる。次に、同時に、入力ステージ１６の入力端子３８a、３８bに定常高レベルが適用されねばならない。
【００４７】
回路配置９０の作動方法は、図４の時間座標図により理解できる。この場合の上部の信号座標図は、信号装置１４から出た特定出力信号４６を示している。図から明らかなように、この場合には、短いテストパルス１０２が重ねて図示されている。このテストパルス１０２の期間T3は、特定出力信号４６が定常信号レベルにある期間T1に比較して極めて短い。時間t1において、光バリア１４が破られたと考えられ、これは、このときに特定出力信号４６が高レベルから低レベルに変化したことを意味する。
【００４８】
第２の信号座標図は周期クロック信号４４を示しており、この周期クロック信号４４は一定間隔でパルス期間T2のパルスを有している。パルス期間T2はテストパルス１０２のパルス期間T3よりもかなり長い。しかしながら、それは特定出力信号４６の期間T1よりもかなり短い。
第３の時間座標図は被変調出力信号４８を示している。この被変調出力信号４８は、２個の信号４６、４４の論理的AND相互接続により得られる。図から理解されるように、時間t1において光バリア１４がいったん破られると、被変調出力信号４８は定常低レベルとなり、評価・断路ユニット２４はそれを断路コマンドであると判断できる。
【００４９】
第４の信号座標図１１０は、フィルタ回路９８の出力における被変調出力信号４８を示している。フィルタ回路９８において短いパルス１０２は抑制される。さらに、これは、安全スイッチ装置９２の入力ステージ１６のフィルタ遅延時間T4を考慮に入れている。
第５の時間座標図１１２は、インバータ１００の出力における信号を示している。図から理解されるように、この信号は常に周期クロック信号４４とは異なるので、評価・断路ユニット２４は、常にインバータ１００の出力における被変調出力信号を周期クロック信号４４から分離することができる。これによって、評価・断路ユニット２４は、誤った交差接続を感知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の回路配置の第１実施形態を示す図であって、安全スイッチ装置の入力ステージは別のハウジングモジュールに配置されている。
【図２】 図１に示す入力ステージの構成を示す図である。
【図３】 本発明の回路配置の第２実施形態を示す図である。
【図４】 特定出力信号と、クロック信号と、被変調出力信号との間の時間関係を示す図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、設備、特に機械設備の安全な断路を行なうための回路配置に関する。この回路配置は、設備の作動状態に応じて特定出力信号を出す信号装置と、特定出力信号に応じてフェールセーフに設備の断路を行なう安全スイッチ装置とを有し、前記特定出力信号は、設備の作動中に期間T1にわたって定常信号レベルを有している。
【０００２】
本発明は、さらに、このような回路配置において使用される安全スイッチ装置であって、前記信号装置を接続する少なくとも１個の入力部と、前記信号装置から出る特定出力信号に応じてフェールセーフ断路プロセスを起動する断路ユニットとを有している安全スイッチ装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
このような回路配置とこのような安全スイッチ装置とは公知であり、例えば、１９９７年にHuthig-Verlag社から出版されたWinfried Graf著の本「Maschinensicherheit」（機械の安全性）の２０４、２０５頁に書かれている。
この公知の回路配置において、信号装置は安全のための光バリアであって、これによってたとえばプレス設備または自動マシーニングセンターの危険区域を保護できる。この目的のために、安全のための光バリアは出力信号を出し、この出力信号は、光バリアの１つ以上の光ビームが破られたとき、第１信号状態から第２信号状態に変化する。この変化は、接続された安全スイッチ装置により確認され、次に、安全スイッチ装置は、モニターされる設備において断路プロセスをフェールセーフに起動する。断路プロセスは、モニターされる設備全体の電源からの断路を含んでいてもよい。しかしながら、多くの適用例において、設備の一部、例えばドライブの断路だけで充分である。
【０００４】
フェールセーフに断路を行なうためには、もし回路配置に故障があっても設備は故障しないように回路配置が設計されていなければならない。このことは、主として、信号装置と安全スイッチ装置との両方が、多チャンネルの冗長信号経路および／または繰り返し実施される自己テストのようなフェールセーフ手段を含むことにより達成できる。
本発明は、信号装置を光バリアにのみ限定するものではない。信号装置の他の例として、ドアコンタクトスイッチ、緊急停止ボタン、および一般にモニターされる設備が高安全性作動状態にあるか否かを感知できるすべてのタイプのセンサがあげられる。
【０００５】
原則として、現在では、そのような信号装置は２種類に分けられる。第１のタイプでは、信号装置は接点を備えた出力部を有している。これは、主としてスイッチであり、このスイッチの開閉位置は信号装置により左右される。接点を備えた出力部は、下流の安全スイッチ装置により評価され得る。この評価は、安全スイッチ装置自体が出したテスト信号をループ状のコンタクトスイッチを介してフィードバックすることにより達成される。それ自体が出したテスト信号をフィードバックされた入力信号と比較することにより、接点を備えた信号装置の出力部が開放されているかまたは閉鎖されているかを特定することができる。一般に、この場合、信号装置自体はアクティブな出力信号を出すことなく、信号装置の出力部はループ状接続部を介して安全スイッチ装置に接続されているといえる。
【０００６】
反対に、信号装置の第２のグループは、アクティブな信号出力部、すなわち一般に半導体出力部を有している。このことは、信号装置が、安全スイッチ装置とは無関係に、モニターされる設備の作動状態を示す電流信号および／または電圧信号を出すことを意味する。Grafの著書に書かれている公知の回路配置は、たとえば、このような半導体出力部を有する光バリアである。
多くの信号装置は、モニターされる設備が正常に作動している間は比較的まれにしか起動されず、したがって、信号装置の出力部は、長時間にわたって変化せず１つの信号状態を保っているという問題点を有している。スイッチ装置の観点からすると、このような場合にこの定常信号状態が設備の実際の作動状態に一致しているのか、またはこれが故障、たとえば分離されたラインの途中で生じた短絡により起こったものであるかどうかを特定できない。信号装置が接点を備えた出力部を有している場合、安全スイッチ装置が信号ループに送られたテスト信号を間隔を置いて周期的に変更することは、知られている。このようなゆっくりとした信号の変化によって、安全スイッチ装置は、信号装置の出力接点を介する接続とそれ自体の信号プロセシング経路との両方に故障が無いかどうかをチェックできる。このような装置は、たとえばドイツ特許第１９５１０３３２ Aｌに開示されており、公知である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法は、接点を持たないアクティブ信号出力部を備えた信号装置には使用できない。なぜならば、この場合、出力信号は安全スイッチ装置自体には制御されないからである。したがって、実際に使用されており、アクティブな信号出力部を有する信号装置のうちのいくつかは、追加テスト信号入力部を有しており、この入力部を介して、安全スイッチ装置はテストのための出力信号におけるゆっくりとした状態変化を要求することができる。この１つの例は、ドイツ、４０５４９ デュッセルドルフ市、Sick AG社製のFGS安全光バリアである。しかしながら、これらの場合、機能チェックを実施するために、安全スイッチ装置は常に信号装置と協働しなければならず、このことは、異なる信号装置との相互作動を制限する。
【０００８】
さらに、それらを利用して、内部に故障チェック手段を有しているアクティブ信号出力部を備えた信号装置が知られている。この場合、信号装置自体がその出力部において、特定時間間隔で短い信号変化を生じる。しかしながら、これらの信号変化は同様に下流の安全スイッチ装置によって制御されないので、これらは、使用されている信号装置とは無関係に安全スイッチ装置のセルフテストを実施するために使用するには適さない。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、安全スイッチ装置が、使用されている信号装置から独立して、それ自体の信号経路のセルフテストを実施できる代替的な回路配置を提供することである。本発明の他の目的は、対応する安全スイッチ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明の目的は、本願の特許請求の範囲に記載の回路配置により達成される。
さらに本発明の目的は、本願の特許請求の範囲に記載の安全スイッチ装置により達成される。
【００１１】
変調プロセスにより、安全スイッチ装置に制御されるクロック信号が、信号装置から出た出力信号と結合される。この結合は、変調によって、特定出力信号と周期クロック信号との情報内容がともに被変調出力信号に含まれるように行なわれる。この場合、クロック信号によって被変調出力信号は好ましくは周期的な信号変化を有し、そのために安全スイッチ装置は、それ自体の信号経路の自動的内部機能チェックを設備の作動中に実施できる。これは、出力信号とは関わりなく、したがって上記信号装置のいかなる協働とも関わりなく実施することができる。それにもかかわらず、安全スイッチ装置は特定出力信号内のいかなる信号変化をも常に感知できる。なぜならば、クロック信号が安全スイッチ装置に知られているからである。
【００１２】
本発明の回路配置は、したがって次のような利点を有する。すなわち、安全スイッチ装置は上記信号装置から独立して内部機能チェックを実施することが可能であり、上記信号装置がアクティブ信号出力部を有している場合でもこの内部機能チェックは正確に行なわれるという利点である。たとえば信号装置からのテスト信号を要求するなどの、セルフテストに信号装置を含むことはまったく必要でない。したがって本発明の安全スイッチ装置は、本発明の回路配置を構成するために、いかなる所望の信号装置とも結合することができる。
【００１３】
さらに、本発明の回路配置および対応する安全スイッチ装置は、多数の他の利点を有しており、これについては特に好ましい実施形態を参照して後に説明する。
本発明の回路配置の第一実施形態において、安全スイッチ装置は、被変調出力信号の関数として設備の断路を行なう。
この構成の代わりとして、原則的に、安全スイッチ装置をセルフテストするために、被変調出力信号を補助的にのみ使用することも可能である。この場合には、設備の作動状態を実際にモニターする際に、特定の変調されていない出力信号のみを用いる。逆に、上記の構成は、被変調出力信号が正確に信号経路を通るという利点が有り、このことは安全スイッチ装置の内部機能チェックにおいて重要である。これによって、一方では複雑な過程を単純化することができ、他方において機能チェックを途切れることなく連続的に実施することができる。
【００１４】
他の実施形態において、特定出力信号はデジタル信号であり、入力ステージは論理ユニットを含み、この論理ユニットは、特定出力信号をクロック信号と論理的相互接続することにより変調する。
この構成は、たとえばミキサーを用いたアナログ信号プロセシングに比べて極めて容易かつ低価格に実施することができる。さらに、未来の信号装置は一般にデジタル出力信号を提供すると考えられ、これらのデジタル出力信号は、変調にもかかわらず、この構成に基づいて容易に評価することができる。
【００１５】
上記の構成の別の実施形態において、論理的相互接続は排他的NOR相互接続または排他的OR相互接続である。
他の論理的相互接続、たとえばAND相互接続に比較して、これらの２つの相互接続は、クロック信号が被変調出力信号内に実質的に保持されているという利点を有する。この場合、特定出力信号の信号レベルに応じて、クロック信号は反転されるかまたは反転されない。その結果、被変調出力信号はクロック信号と同じ信号変化を有する。これにより、設備が不動態にあるときでさえ、連続的機能チェックがきわめて単純化される。
【００１６】
本発明において、入力ステージは、クロック信号と被変調出力信号とをフェールセーフに互いに分離する信号プロセシング手段を含む。
２つの信号のこのような分離は、本発明の他の実施形態についての下記の説明において述べるように、技術的に種々の方法で実施できる。概して、この構成は、一方のクロック信号と他方の被変調出力信号との混乱を減らすことができるという利点を有する。その結果、この構成は回路配置の安全性をかなり向上させることができる。なぜならば、それはクロック信号と被変調出力信号との間の誤った交差接続を避けるからである。
【００１７】
上記の構成の１つの実施形態において、信号プロセシング手段はクロック信号と被変調出力信号とを互いにガルバニック分離する（DC分離する）。
設備が故障なしにいったん使用されると、ガルバニック分離は、前記２つの信号間の短絡または交差接続を単純かつフェールセーフな方法で防ぐ。したがって、最初の使用の前またはスタート時に一度、回路の故障の無い作動をチェックするだけで充分である。この場合、その後の動作中に、たとえばトランジスタの破壊のような部品の故障によって、交差接続は起こらない。
【００１８】
上記の構成の他の実施形態において、信号プロセシング手段は、オプトカップラーによりクロック信号と被変調出力信号とを互いにガルバニック分離する。
ガルバニック分離を行なう他の方法に比べて、オプトカップラーは低価格で必要スペースが小さくて済み、さらに電磁干渉を受けにくいという利点を有する。また、それ自体が電磁干渉を発生させないか、もし発生させても比較的少量のみである。
【００１９】
別の実施形態において、被変調出力信号の少なくとも１個の信号パラメータをクロック信号と異なるように変更する変更手段をさらに含む。この発明の実施形態のための信号パラメータは、たとえば振幅、位相角の他、各信号の単位時間あたりのパルス数などである。変更手段が前記２つの信号の一方の信号パラメータを他方とは異なるように変更することにより、著しい特徴を生じ、それによって評価ユニットが２つの信号のどちらが実際に存在しているかを確実に感知することができる。この場合、この構成は、上記の構成に加えて使用してもよく、また上記の構成の代わりに使用してもよい。全体として、このことは、本発明による回路配置を発展させるための設計オプションを増す。もし必要であれば、これによってガルバニック分離に部品を使用するのを避けることも可能である。
【００２０】
本発明の他の実施形態において、安全スイッチ装置は外部からアクセスできる接続端子を備えたハウジングを含み、クロック信号は前記接続端子の１個を介して外側から入力ステージに供給される。
この構成の代わりに、クロック信号を安全スイッチ装置のハウジング内の入力ステージに供給することもまた原理的に可能である。しかしながら、この好ましい実施形態においては、クロック信号はハウジングの外に設けられたループ接続部を介して入力ステージに供給される。この構成は、接点を有する信号出力部を備えた信号装置を、極めて容易にかつこの目的のために本発明の安全スイッチ装置自体にまったく変更を必要とせずに、本発明の安全スイッチ装置に接続できるという利点を有する。この場合、もし同時に、アクティブ信号出力部を備えた信号装置を接続するための入力部に定常信号レベルが適用されているならば、クロック信号を前記信号装置の接点を介して送るだけで充分である。概して、この構成は、本発明の安全スイッチ装置の使用分野をかなり拡大する。
【００２１】
本発明の他の実施形態において、安全スイッチ装置は少なくとも２個の互いに分離可能なハウジングモジュールを含んでおり、この分離可能なハウジングモジュールの１個に入力ステージが配置されている。
この構成は、安全スイッチ装置の入力ステージを必要に応じてモジュール式に使用でき、したがって同様に本発明の安全スイッチ装置の使用分野を拡大できるという利点を有している。さらに、このことは、比較的古い安全スイッチ装置を本発明の方法により簡単に取り付けられることを意味する。
【００２２】
本発明によれば、入力ステージはフィルタ回路を含んでおり、このフィルタ回路によって、クロック信号の最短パルス期間よりも短い期間のパルスが抑制される。
この構成は、決定的に評価できない短いパルスという形で信号入力部に存在する干渉から、本発明の安全スイッチ装置を守れるという利点を有する。このようなパルスは、たとえば、多数の比較的最近の信号装置、例えば多数の光バリアがそれ自体の機能テストを実施するために発するテストパルスである。前記構成により、本発明の安全スイッチ装置はこのような干渉を比較的受けにくく、したがって、そのようなテストパルスが存在するかどうかに関係なく所望の信号装置と結合され得る。
【００２３】
他の実施形態において、クロック信号は安全スイッチ装置用の評価ユニットにより制御される。
この構成は、評価ユニットがクロック信号を完全に制御するという利点を有する。これによって、特定出力信号の変調に使用されるクロック信号と評価ユニットに知られているクロック信号との間に何らかの違いが生じることを実質的に防ぐ。
【００２４】
本発明の他の実施形態において、少なくとも安全スイッチ装置の入力ステージは、多チャンネルを有するように設計されている。
この構成により信頼性を増すことができる。なぜならば、少なくとも２個のチャンネル間での比較または相互チェックにより追加機能チェックを実施できるからである。
上記の特徴および下記に説明する特徴は、それぞれ記載した組み合わせのみならず、本発明の範囲を逸脱しない限り他の組み合わせまたはそれ自体で使用できることは言うまでもない。
【００２５】
本発明の実施形態を、添付図面を参照して下記にさらに詳細に説明する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明の回路配置は、全体として参照番号１０で示されている。
この場合、回路配置１０は、安全スイッチ装置１２と信号装置１４とを含む。この場合の信号装置１４は例として光バリアとなっているが、一般には、モニターされるべき設備の作動状態を示す特性出力信号を発する何らかの適切なセンサであってよい。
【００２７】
安全スイッチ装置１２は、ハウジングモジュール１８内のそれ自体に配置された入力ステージ１６を有する。安全スイッチ装置１２の他の構成要素は、第二ハウジングモジュール２０内に配置されており、このハウジングモジュール２０は、ハウジングモジュール１８から分離することができる。
参照番号２２は、回路配置１０により作動状態がモニターされる機械設備を示す。この作動状態には、機械の回転速度などの比較的狭い意味での機械パラメータだけでなく、たとえば機械設備２２に関する危険区域を保護するための緊急停止ボタンの位置、危険防止ドアの開閉または光バリア１４からの状態信号など、広い意味で機械設備２２に関わる状態変数が含まれる。
【００２８】
さらに、本発明は、水圧機やマシーニングセンターなどの機械設備にのみ限定されるものではない。最も一般的な形態において、モニターされる設備は、化学薬品製造プラントや、故障が起これば安全状態に変換しなければならない何らかのプロセスを含む。ここに示された機械設備２２では、たとえば電源を切ることにより安全状態がもたらされる。
安全スイッチ装置１２のハウジングモジュール２０内に配置された部分は、公知の方法で評価・断路ユニット２４を有しており、この評価・断路ユニット２４は、好ましくは２個のチャンネルと冗長設計とを有している。同様に公知の方法で、評価・断路ユニット２４は、出力リレーまたは出力コンタクタを有しており、それらのメーク接点２６、２８は、電源において機械設備２２に直列に接続されている。
【００２９】
参照番号３０はクロック発生器を示し、そのクロック信号は、評価・断路ユニット２４により制御される。
参照番号３２は増幅器を示し、この増幅器３２は、この場合、すべての必要な方法、すなわちレベルマッチング、パルス形成および／またはインピーダンスマッチングなどを象徴的に表している。さらに、これによって、評価・断路ユニット２４は入力ステージ１６に影響を与えずに済む。
【００３０】
ハウジングモジュール２０は公知の方法で多数の接続端子を有しており、この場合、そのうちの２個は参照番号３４、３６で示されている。入力ステージ１６を有するハウジングモジュール１８もまた同様に接続端子を有しており、これらは参照番号３８、４０、４２で示されている。入力ステージ１６は、接続端子３４、３８を介してハウジングモジュール２０内のクロック発生器３０に接続されている。これらの端子３４、３８を介して、入力ステージ１６はクロック信号４４を受け取る。このクロック信号４４は、この場合、好ましくは周期クロック信号である。しかしながら、原則的には、クロック信号４４は非同期信号であってもよい。
【００３１】
入力ステージ１６は、接続端子４０を介して信号装置１４に接続されており、この接続端子４０を介して特定出力信号４６を受け取る。出力信号４６の信号状態は、機械設備２２の作動状態に依存する。この実施形態においては、出力信号４６は光バリアが破られていないときは高レベルのデジタル信号であり、光バリアが破られているときは低レベルのデジタル信号である。さらに、出力信号４６は短い断路パルスを有しているが、これについては図４を参照して後に詳述する。
【００３２】
入力ステージ１６は、さらに、接続端子３６、４２を介して増幅器３２に接続されている。入力ステージ１６はこの接続を利用して被変調出力信号４８を送る。被変調出力信号４８は、下記に説明するように、周期クロック信号４４と特定出力信号４６とを相互に連結することにより得られる。被変調出力信号４８は、次に、評価・断路ユニット２４により評価され、この評価に応じて評価・断路ユニット２４は機械設備２２への電源を切ることができる。
【００３３】
さらに、評価・断路ユニット２４は、被被変調出力信号４８を用いて安全スイッチ装置１２に対するそれ自体の機能テストを実施する。この過程で故障や非確定状態が感知されると、機械設備２２は同様に断路される。この目的のために、評価・断路ユニット２４は公知の方法で安全装置（ここには図示せず）を有している。
図２は入力ステージ１６の内部回路設計を示す。この場合、図１と同様の構成要素には同一の参照番号が付されている。さらに、論理的配線の説明に通常行なわれるように、クロック信号４４は略して文字Tで示され、特定出力信号４６はSで、被変調出力信号４８はDで示されている。
【００３４】
最初にクロック信号Tと特定出力信号Sとが２つの回路５２、５４を介して入力ステージ１６に受け入れられる。これらの回路５２、５４はレベルマッチング、パルス形成、フィルタリングなどに使用される。回路５２、５４は任意であり、それぞれの要件に公知の方法で適合している。その後、クロック信号Tと特定出力信号Sとはオプトカップラー５６に供給される。この場合、クロック信号Tは入力側の発光ダイオード５８を駆動し、また特定出力信号Sは感光トランジスタ６０のコレクタに送られる。発光ダイオード５８の陰極側接続部はレジスタ６２を介してアースされている。トランジスタ６０のエミッタ接続部は、回路６４に接続されている。この回路６４は、回路５２、５４と同様にレベルマッチング、パルス形成などに使用される。被変調出力信号Dは回路６４の出力側に形成される。
【００３５】
参照番号６６は入力側発光ダイオード６８と感光トランジスタ７０とを有する第２オプトカップラーを示す。発光ダイオード６８の陰極側接続部は、アースされている。発光ダイオード６８の陽極側接続部は、互いに平行に配置され、それぞれダイオードとレジスタとを有する２個の直列回路に接続されている。クロック信号Tは、２個の直列回路の一方、すなわちダイオード７２とレジスタ７４とを含む回路を介して、発光ダイオード６８に供給される。特定出力信号Sは、２個の直列回路の他方、すなわちダイオード７６とレジスタ７８とを含む回路を介して発光ダイオード６８に供給される。
【００３６】
オプトカップラー６６のトランジスタ７０のエミッタ側接続部は、再度アースされている。コレクタ側において、トランジスタ７０はレジスタ８０を介して電圧源に接続されている。さらに、トランジスタ７０のコレクタは、前方に偏向したダイオード８２を介してオプトカップラー５６のトランジスタ６０のエミッタに接続されている。
全体として、この場合、入力ステージ１６は、フェールセーフな排他的NOR相互接続を行なう。すなわち、信号S、T、Dは、次の真理値表に基づいて論理的に相互接続されている。
【００３７】
【表１】
入力ステージ１６は次のように作動する。
クロック信号Tが高レベルのときには、オプトカップラー５６のトランジスタ６０は、発光ダイオード５８を介してスイッチ・オンされる。同様に、オプトカップラー６６のトランジスタ７０は、発光ダイオード６８を介してスイッチ・オンされる。次に、特定出力信号Sは、オプトカップラー５６のトランジスタ６０を介して入力ステージ１６の出力端子４０に送られる。このとき、プルアップレジスタ１８は、信号レベルが安定していることを確認する。したがって、クロック信号Tが高レベルのとき、被変調出力信号Dの信号レベルは特定出力信号Sの信号レベルと同じである。
【００３９】
反対に、クロック信号Tが低レベルのときには、オプトカップラー５６のトランジスタ６０はスイッチ・オフされ、その結果、特定出力信号Sは出力端子４０に直接送られない。さらに、オプトカップラー６６のトランジスタ７０が高レベルの特定出力信号Sによりスイッチ・オンされないならば、このオプトカップラー６６のトランジスタ７０もまたスイッチ・オフされる。もし高レベルの特定出力信号Sによりスイッチ・オンされるならば、トランジスタ７０は被変調出力信号Dの信号レベルを引き下ろすので、低レベルとなる。反対に、特定出力信号Sが低レベルの場合には、オプトカップラー６６のトランジスタ７０もまたスイッチ・オフされ、被変調出力信号Dの信号レベルがプルアップレジスタ１８を介して高レベルに引き上げられる。概して、この場合、被変調出力信号Dは反転された出力信号Sに対応する。
【００４０】
一般に、特定出力信号Sが高レベルのとき、被変調出力信号Dはクロック信号Tに等しいといえる。一方、特定出力信号Sが低レベルのときには、被変調出力信号Dは周期クロック信号Tの逆になる。このことは、上記の表に示したように、排他的NOR相互接続に正確に対応している。
被変調出力信号Dは、このように周期的に交替する信号レベルを有し、これによって安全スイッチ装置１２の評価・断路ユニット２４は内部機能テストを実施できる。しかしながら、同時に、被変調出力信号Dは常に特定出力信号Sの現在の信号レベルを推定できる。したがって、安全スイッチ装置１２は、光バリア１４が破られたときはいつでも反応できる。
【００４１】
さらに、本実施形態の入力ステージ１６の排他的NOR相互接続もまた、起こり得る短絡や信号阻害に対してフェールセーフである。たとえば特定出力信号Sが高レベルの場合、短絡と発光ダイオード５８の阻害との両方ともがトランジスタ６０のスイッチ・オフを生じ、その結果、被変調出力信号Dは永久的に低レベルになる。トランジスタ６０の何らかの中断もまた同じ結果をもたらす。たとえば破壊によりトランジスタ６０に短絡が生じると、被変調出力信号Dは持続的に高レベルになる。正常な作動状態とは対照的に、被変調出力信号Dは、もはやいかなる場合にもクロックパルスを有することはなく、下流の評価・断路ユニット２４はこの事態を故障すなわち断路コマンドと判断する。
【００４２】
クロック信号Tが低レベルのときには、ダイオード７６またはレジスタ７８に何らかの阻害が生じると、オプトカップラー６６のトランジスタ７０がスイッチ・オフとなる。その結果、被変調出力信号Dが再度永久的高レベルとなり、これは故障すなわち断路コマンドとみなされ得る。
発光ダイオード６８の阻害に関連するダイオード７６の短絡もまた感知できる。なぜならば、この場合、オプトカップラー６６のトランジスタ７０が再度スイッチ・オフされて、被変調出力信号Dが永久的高レベルになるからである。ダイオード７２、レジスタ７４、レジスタ７８およびトランジスタ６０を含む信号経路を介しての、周期クロック信号Tと出力端子４０との可能な直接的カップリングは、この方法で同様に感知できる。さらに、オプトカップラー５６を使用することにより、クロック信号Tが出力端子４０に直接カップリングされるのを防止できる。
【００４３】
特定出力信号Sが低レベルのとき、比較故障分析を実施できる。すなわち、この場合、起こったすべての短絡および阻害を感知することができる。なぜならば、それらによって、被変調出力信号Dの応答が不変になるからである。入力ステージ１６は、このようにフェールセーフに設計されている。
図３において、本発明による回路配置の第２実施形態の全体が、参照番号９０で示されている。この図では、図１に示された構成要素と同じ構成要素に同じ番号が付されている。回路配置９０は信号装置１４を含み、常に２個のチャンネルを有するように設計されている。これらの２個のチャンネルを区別するために、同じ参照符号に文字「a」および「ｂ」が付されている。
【００４４】
回路配置９０の場合、安全スイッチ装置９２はハウジング９４の内部に完全に配置されている。したがってこの場合、安全スイッチ装置９２の入力ステージ１６は、安全スイッチ装置９２内に永久的に一体化されている。
クロック発生器３０から出た周期クロック信号Tと、信号装置１４から出た特定出力信号Sとは、オプトカップラー９６を介して入力ステージ１６において再度相互接続される。この場合、周期クロック信号Tは入力側発光ダイオードを再度制御し、一方特定出力信号Sはコレクタ・エミッタ経路を介して感光トランジスタに通される。しかしながら前記第１実施形態とは違って、この場合には、論理的相互接続に影響を与える回路はこれ以上存在しない。従って、この場合、論理的AND接続となる。しかし、この実施形態の入力ステージ１６は、排他的NOR接続または排他的OR接続のいずれかをも含むことはいうまでもない。
【００４５】
２個のチャンネルのそれぞれにおいて、オプトカップラー９６はフィルタ回路９８を伴っており、このフィルタ回路９８は、周期クロック信号Tの最短パルス期間よりも短い期間のパルスが抑制されるように設計されている。フィルタ回路９８の効果は図４のタイミング線図により明らかである。
参照番号１００a、１００bはシュミットトリガ入力を有する２個のインバータを示し、これらは濾過された被変調出力信号Dを反転させるのに使用される。その結果、被変調出力信号Dを常に周期クロック信号Tと区別することが可能であり、それによって２つの信号間の誤った交差接続が評価・断路ユニット２４において感知できる。
【００４６】
安全スイッチ装置９２の特別の長所は、クロック発生器３０から出た周期クロック信号Tが先ず出力端子３４a、３４bを介してハウジング９４から外へ送られ、次にループ接続部と入力端子３８a、３８bを介して入力ステージ１６へ供給される。原則として、そしてこれとは対照的に、クロック信号Tをハウジング９４内の入力ステージ１６に供給することも可能である。しかしながら、逆に、この実施形態においては、接点を有する信号装置を安全スイッチ装置９２に容易に接続することができる。これを行なうために、周期クロック信号Tはそのような信号装置の出力接点を介して入力端子４０a、４０bへ送られる。次に、同時に、入力ステージ１６の入力端子３８a、３８bに定常高レベルが適用されねばならない。
【００４７】
回路配置９０の作動方法は、図４の時間座標図により理解できる。この場合の上部の信号座標図は、信号装置１４から出た特定出力信号４６を示している。図から明らかなように、この場合には、短いテストパルス１０２が重ねて図示されている。このテストパルス１０２の期間T3は、特定出力信号４６が定常信号レベルにある期間T1に比較して極めて短い。時間t1において、光バリア１４が破られたと考えられ、これは、このときに特定出力信号４６が高レベルから低レベルに変化したことを意味する。
【００４８】
第２の信号座標図は周期クロック信号４４を示しており、この周期クロック信号４４は一定間隔でパルス期間T2のパルスを有している。パルス期間T2はテストパルス１０２のパルス期間T3よりもかなり長い。しかしながら、それは特定出力信号４６の期間T1よりもかなり短い。
第３の時間座標図は被変調出力信号４８を示している。この被変調出力信号４８は、２個の信号４６、４４の論理的AND相互接続により得られる。図から理解されるように、時間t1において光バリア１４がいったん破られると、被変調出力信号４８は定常低レベルとなり、評価・断路ユニット２４はそれを断路コマンドであると判断できる。
【００４９】
第４の信号座標図１１０は、フィルタ回路９８の出力における被変調出力信号４８を示している。フィルタ回路９８において短いパルス１０２は抑制される。さらに、これは、安全スイッチ装置９２の入力ステージ１６のフィルタ遅延時間T4を考慮に入れている。
第５の時間座標図１１２は、インバータ１００の出力における信号を示している。図から理解されるように、この信号は常に周期クロック信号４４とは異なるので、評価・断路ユニット２４は、常にインバータ１００の出力における被変調出力信号を周期クロック信号４４から分離することができる。これによって、評価・断路ユニット２４は、誤った交差接続を感知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の回路配置の第１実施形態を示す図であって、安全スイッチ装置の入力ステージは別のハウジングモジュールに配置されている。
【図２】 図１に示す入力ステージの構成を示す図である。
【図３】 本発明の回路配置の第２実施形態を示す図である。
【図４】 特定出力信号と、クロック信号と、被変調出力信号との間の時間関係を示す図である。
Claims (15)
- 設備（２２）の安全な断路を行なうための回路配置であって、
前記設備（２２）の作動状態に応じて特定出力信号（４６；Ｓ）を出力する信号装置（１４）と、前記特定出力信号（４６；Ｓ）に基づいてフェールセーフな態様で前記設備（２２）の断路を行なう安全スイッチ装置（１２；９２）とを有し、
前記特定出力信号（４６；Ｓ）は前記設備（２２）が正常な状態で作動中に一定期間（T1）にわたって定常信号レベルを有するものであり、
前記安全スイッチ装置（１２；９２）は、クロック信号（４４；Ｔ）を出力するクロック発生器（３０）と、前記信号装置（１４）からの特定出力信号（４６；Ｓ）をクロック信号（４６；Ｔ）によって変調することにより被変調出力信号（４８；Ｄ）を生成して出力する入力ステージ（１６）とを有し、
前記入力ステージ（１６）は、前記クロック信号（４６；Ｔ）と前記被変調出力信号（４８；Ｄ）とをフェールセーフな態様で互いに分離する信号プロセシング手段（５６、６６；９６）を含んでいることを特徴とする、回路配置。 - 前記安全スイッチ装置（１２；９２）が、被変調出力信号（48；D）に基づいて設備（２２）の断路を行なうことを特徴とする、請求項１記載の回路配置。
- 前記特定出力信号（４６；S）がデジタル信号であり、前記入力ステージ（１６）が、前記特定出力信号（４６；S）を前記クロック信号（４４；T）と論理的相互接続することにより変調する論理ユニットを含んでいることを特徴とする、請求項１または２記載の回路配置。
- 前記論理的相互接続が排他的NOR相互接続であることを特徴とする、請求項３記載の回路配置。
- 前記論理的相互接続が排他的OR相互接続であることを特徴とする、請求項３記載の回路配置。
- 前記信号プロセシング手段（５６、６６；９６）が前記クロック信号（４４；T）と被変調出力信号（４８；D）とを互いにガルバニック分離することを特徴とする、請求項１記載の回路配置。
- 前記信号プロセシング手段（５６、６６；９６）が、オプトカップラーにより、前記クロック信号（４４；T）と被変調出力信号（４８；D）とを互いにガルバニック分離することを特徴とする、請求項６記載の回路配置。
- 前記被変調出力信号（４８；D）の少なくとも１個の信号パラメータを前記クロック信号（４４；T）とは異なるように変更する変更手段（１００）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の回路配置。
- 前記安全スイッチ装置（１２；９２）は、外部からアクセスできる接続ターミナル（３４〜４２）を備えたハウジング（９４）を含んでおり、前記クロック信号（４４；T）は、外側から前記接続ターミナルの少なくとも１個（３８）を介して前記入力ステージ（１６）に供給されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の回路配置。
- 前記安全スイッチ装置（１２；９２）は、少なくとも２個の互いに分離可能なハウジングモジュール（１８、２０）を含んでおり、前記入力ステージ（１６）は、前記分離可能なハウジングモジュール（１８、２０）の１個（１８）に配置されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の回路配置。
- 前記被変調出力信号（４８；Ｄ）を用いて安全スイッチ装置（１２）に対する機能テストを実施する評価ユニット（２４）をさらに有し、前記評価ユニット（２４）は、前記クロック発生器（３０）の前記クロック信号（４４；T）のを制御することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の回路配置。
- 少なくとも前記入力ステージ（１６）が多チャンネルを有するように設計されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の回路配置。
- 設備（２２）の安全な断路を行なうための回路配置であって、
前記設備（２２）の作動状態に応じて特定出力信号（４６；Ｓ）を出力する信号装置（１４）と、前記特定出力信号（４６；Ｓ）に基づいてフェールセーフな態様で前記設備（２２）の断路を行なう安全スイッチ装置（１２；９２）とを有し、
前記特定出力信号（４６；Ｓ）は前記設備（２２）が正常な状態で作動中に一定期間（T1）にわたって定常信号レベルを有するものであり、
前記安全スイッチ装置（１２；９２）は、クロック信号（４４；Ｔ）を出力するクロック発生器（３０）と、前記信号装置（１４）からの特定出力信号（４６；Ｓ）をクロック信号（４６；Ｔ）によって変調することにより被変調出力信号（４８；Ｄ）を生成して出力する入力ステージ（１６）とを有し、
前記入力ステージ（１６）は、前記クロック信号（４４；T）の最短パルス期間（T2）よりも短い期間（T3）のパルス（１０２）を抑制できるフィルタ回路（９８）を含み、
前記特定出力信号（４６；S）は、フィルタ回路（９８）の遅延時間（T4）よりも長い期間（T1）にわたって前記定常信号レベルにあることを特徴とする、回路配置。 - 設備（２２）の安全な断路を行なうための安全スイッチ装置であって、
クロック信号（４４；Ｔ）を出力するクロック発生器（３０）と、
前記設備（２２）の作動状態に応じて信号装置（１４）から得られる特定出力信号（４６；Ｓ）を前記クロック信号（４６；Ｔ）によって変調して被変調出力信号（４８；Ｄ）を生成する入力ステージ（１６）と、
この被変調出力信号（４８；Ｄ）に基づいてフェールセーフな態様で前記設備（２２）の断路プロセスを起動する断路ユニット（２４）とを有し、
前記特定出力信号（４６；Ｓ）は前記設備（２２）が正常な状態で作動中に一定期間（T1）にわたって定常信号レベルを有するものであり、
前記入力ステージ（１６）は、前記クロック信号（４６；Ｔ）と前記被変調出力信号（４８；Ｄ）とをフェールセーフな態様で互いに分離する信号プロセシング手段（５６、６６；９６）を含んでいることを特徴とする、安全スイッチ装置。 - 設備（２２）の安全な断路を行なうための安全スイッチ装置であって、
クロック信号（４４；Ｔ）を出力するクロック発生器（３０）と、
前記設備（２２）の作動状態に応じて信号装置（１４）から得られる特定出力信号（４６；Ｓ）を前記クロック信号（４６；Ｔ）によって変調して被変調出力信号（４８；Ｄ）を生成する入力ステージ（１６）と、
この被変調出力信号（４８；Ｄ）に基づいてフェールセーフな態様で前記設備（２２）の断路プロセスを起動する断路ユニット（２４）とを有し、
前記特定出力信号（４６；Ｓ）は前記設備（２２）が正常な状態で作動中に一定期間（T1）にわたって定常信号レベルを有するものであり、
前記入力ステージ（１６）は、前記クロック信号（４４；T）の最短パルス期間（T2）よりも短い期間（T3）のパルス（１０２）を抑制できるフィルタ回路（９８）を含み、
前記特定出力信号（４６；S）は、フィルタ回路（９８）の遅延時間（T4）よりも長い期間（T1）にわたって前記定常信号レベルにあることを特徴とする、安全スイッチ装置。
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