JP4969571B2 - 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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(Sa)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(Sa(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。
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。
Claims (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安全スイッチング装置であって、
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’)と、
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)を前記少なくとも2つのアナログ入力信号(28、28’)のそれぞれに重畳するように設計された少なくとも2つのアナログ信号結合器(20、20’)と、
前記アナログ結合信号(29)をデジタル信号(31)に変換するA/D変換器(22、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。 - 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1に記載の安全スイッチング装置。
- 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、
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)と、
前記アナログ結合信号(29)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、
前記アナログテスト信号(27;66、68)はパルス信号であり、
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;66、68)から独立している少なくとも1つの出力信号の端子(58)をさらに備える、安全スイッチング装置。 - 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〜請求項3のいずれか1項に記載の安全スイッチング装置。
- 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4に記載の安全スイッチング装置。
- 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〜請求項5のいずれか1項に記載の安全スイッチング装置。
- 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〜請求項6のいずれか1項に記載の安全スイッチング装置。
- 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〜請求項7のいずれか1項に記載の安全スイッチング装置。
- 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〜請求項8のいずれか1項に記載の安全スイッチング装置。
- 前記評価制御ユニット(34)が、前記デジタル信号(31)の少なくとも2つ時点の値を互いに比較し合い(92)、前記各値が定められた差値(ΔS)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〜請求項9のいずれか1項に記載の安全スイッチング装置。
- 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〜請求項10のいずれか1項に記載の安全 スイッチング装置。
- 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、
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)と、
前記アナログ結合信号(29)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、
前記評価制御ユニット(34)が、前記デジタル信号(31)の少なくとも2つ時点の値を互いに比較し合い(92)、前記各値が定められた差値(ΔS)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、安全スイッチング装置。 - 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)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)を重畳するステップと、
(c)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、
(d)前記デジタル信号(31)を評価するステップと、
(e)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、
前記ステップ(d)において、前記デジタル信号(31)の少なくとも2つ時点の値を互いに比較し合い(92)、前記各値が定められた差値(ΔS)よりも大きく相互に異なる場合に、故障信号(94)を生成する手順をさらに含む、安全スイッチング方法。
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