JP6289509B2 - 安全電源ユニットを有する安全開閉装置 - Google Patents

Description

本発明は、確実に安全に技術的設備をオンオフする安全開閉装置に関し、入力信号を受信する入力と、それに応じて技術的設備をオンオフする出力信号を生成するために入力信号を処理するフェールセーフ制御評価ユニットと、制御評価ユニットに少なくとも１つの動作電圧を供給する電源ユニットとを備えており、前記電源ユニットは接地接続を有し、前記電源ユニットは給電線を介して入力電圧を受け取り、出力側に所定の出力電圧を供給する。

この種の安全開閉装置は、例として特許文献１で知られている。

本発明に関する安全開閉装置およびフェールセーフ制御評価ユニットはそれぞれ、ＥＮ ＩＳＯ １３８４９−１規格に従うＰｌ ｄ（性能水準）、および／またはＥＮ／ＩＥＣ ６２０６１に従うＳＩＬ ２（安全度水準）に準拠する、それぞれ開閉装置および制御評価ユニットである。特に、これには工業生産環境の分野において安全を最重視すべき作業を制御し実施するために使用される開閉装置、安全制御装置、ならびにセンサモジュール、アクチュエータモジュールが含まれる。特に、緊急停止ボタンまたは防御扉の動作位置や、例として、光バリアの機能状態を監視し、これに応じて機械や機械エリアをオフにする開閉装置が知られている。この種の安全開閉装置の故障は、操作員に対して生命にかかわる結果をもたらす可能性があり、そのため、安全開閉装置は関連監督官庁に承認された場合にのみ使用してもよい。

一般に、この種の安全開閉装置は、信号装置を接続する入力と、負荷を確実に安全にオフにする出力側開閉装置と、信号装置に応答して開閉装置を制御する制御評価ユニットと、動作電圧を供給する電源ユニットとを備える。

安全開閉装置で使用する電源ユニットは、一般に安全開閉装置の電気コンポーネントに特定の動作電圧を供給するために使用される。一般に、高いＤ．Ｃ．電圧またはＡ．Ｃ．電圧を１つまたは複数の小さい動作電圧に変換する。

安全開閉装置の場合、通常、コンポーネントが故障している場合でも最大出力電圧を人にとって危険ではない値に制限するために、最初に外部電源ユニットを危険な人体電流に対する保護として使用する。一般的な安全開閉装置の場合、超えてはならないこの最大出力電圧は通常６５Ｖで、安全開閉装置の使用公称電圧は一般に２４Ｖである。

電気コンポーネントにエネルギを供給するために、安全開閉装置は、通常安全開閉装置に組み込まれており例として外部電源ユニットが供給する２４Ｖの公称電圧を、例として３．３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖまたは２４Ｖなどの低い所要動作電圧に変換する別の電源ユニットを備える。これらの電源ユニットは６５Ｖまでの過電圧に対処するように具現して、電源ユニット内に欠陥コンポーネントがあったとしても、過電圧によりエネルギを供給するべき安全開閉装置のコンポーネントが損傷しないようにしなければならない。

安全開閉装置用のこの種の過電圧保護装置は、例として、特許文献２で知られている。記述される装置は、この場合、比較器と、過電圧がある場合に安全モジュールへの電流路を遮断する電気制御可能な電流スイッチオフ手段とを備える。この過電圧保護の場合の欠点は、過電圧保護回路、特に電流スイッチオフ要素の欠陥コンポーネントがエネルギを供給するべきコンポーネントにも過電圧を引き起こす可能性があり、前記過電圧がエネルギを供給するべき前記コンポーネントを損傷させる可能性があることである。

特許文献３は、直列接続されている複数のリミッタ要素を有する別の過電圧保護装置を開示しており、この直列接続は制限するべき２つの電流接続の間に配置されている。リミッタ要素の順電圧の合計が、電流接続間の最大許容可能電圧を規定する。個々のリミッタ要素を部分的に橋絡し、リミッタ要素での電圧変化をリードバックすることにより、リミット要素の動作性、そのため保護装置全体の動作性をテストすることができる。この過電圧保護装置の欠点は、この措置が過渡的な過電圧に対してしか有効ではないことである。しかし、たえず存在する過電圧が過電圧保護装置のコンポーネントに損傷を引き起こし、そのため安全ではない状態になる可能性がある。

独国特許出願公開第１０ ２００６ ００４ ５５８号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００８ ０５１ ５１４号明細書 独国特許第４４３６８５８号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００４ ０２０ ９９５号明細書

全般的に、電源ユニットの別の過電圧保護装置はクランプ回路として知られている。クランプ回路の場合出力電圧を監視し、過電圧があれば、サイリスタによって入力を接地に短絡する。これがヒューズ、例として保護ヒューズのトリガをもたらし、電流供給は永久に遮断される。前述の過電圧保護装置と対照的に、クランプ回路は電流の供給を安全に永久的に遮断するという利点を有する。しかし、クランプ回路の欠点は、電源ユニットの入力を実際に接地に短絡して、ヒューズがトリガしなければ、回路の動作性をテストすることができないということにある。結果的に、運転動作中にテストを行うことができない。

この背景に照らし、本発明の目的は、過電圧から効果的に保護され、運転動作中に保護機構をテストすることが可能な安全開閉装置を提供することである。

本発明の一態様によると、前記目的は冒頭に述べた種類の安全開閉装置であって、第１および第２のスイッチング要素が直列に接続されて、電源ユニットの入力を接地接続に接続しており、前記第１および前記第２のスイッチング要素が低インピーダンス状態の場合に給電線の遮断器要素がトリガし、前記第１および前記第２のスイッチング要素間に基準点が配置されて、前記基準点は、前記第１スイッチング要素が閉じた低インピーダンス状態の場合かつ前記第２スイッチング要素が開状態の場合に第１の所定の期待値に対応し、前記第１スイッチング要素が開状態かつ前記第２スイッチング要素が閉じた低インピーダンス状態の場合に第２の所定の期待値に対応する電圧値を有する、安全開閉装置によって実現される。

このように本発明の安全開閉装置の過電圧保護装置は、クランプ回路の基本原理に基づいている。直列接続されている第１および第２のスイッチング要素は、電源ユニットの入力を接地接続に接続している。優勢な出力電圧が所定の出力電圧よりも大きい場合、２つのスイッチング要素は閉じて、給電線が低インピーダンス状で接地に接続される。その結果、給電線から遮断器要素、例として保護ヒューズを経由して接地まで流れる高電流が遮断器要素をトリガし、電源ユニットは給電線から安全に永久的に分離される。電源ユニットへの電流供給は完全に遮断される。

したがって、先行技術で周知のクランプ回路と対照的に、過電圧保護装置は第１スイッチング要素に直列接続されている追加の第２スイッチング要素を備える。遮断器要素をトリガするためには、２つのスイッチング要素が作動して、同時に閉じなければならない。また、スイッチング要素間に基準点が設けられており、第１または第２のスイッチング要素の状態に応じて前記基準点で異なる規定電圧レベルが発生する。第１スイッチング要素だけが低インピーダンス状態の場合、例として、基準点では第２スイッチング要素が低インピーダンス状態の場合よりも高い電圧値が発生する。第１および第２のスイッチング要素が正しく機能している場合、基準点の電圧について正確な期待値を判定することができる。

第１および第２のスイッチング要素の動作性ならびにそれに関連するクランプ回路全体の動作性は、この構成によって、すなわち、スイッチング要素が個々に閉じ、基準点で優勢な電圧を期待値と比較することによって単純にテストすることができる。

運転動作中に安全機能をテストでき、技術的設備を停止する必要がないことは特に有利である。同時に、テスト手順中でも保護機能は完全に健全なままである。テストのために２つのスイッチング要素のうちの１つが低インピーダンス状態の場合に過電圧が発生しても、他方のスイッチング要素も低インピーダンス状態に移行する安全機能をなおもトリガすることができる。その後、遮断器要素をトリガすると、安全開閉装置が電流供給から分離されることになり、すると技術的設備はデフォルトにより安全な危険ではない状態に移行する。

本発明の別の利点は、電源ユニットの安全機能をテストできることから、安全開閉装置が前述した関連安全規格ＥＮ ＩＳＯ １３８４９−１およびＥＮ／ＩＥＣ ６２０６１に従うＰＬ ｅまたはＳＩＬ ３を、非常にコスト効率的に実現できることにある。部品システムのＰＬ ｅ／ＳＩＬ ３を検証するためには、診断カバー率ＤＣを示すことができる必要がある。しかし、部品システムの安全機能を継続的にテストすることができる場合、診断カバー率ＤＣを判定することしかできない。ＥＮ／ＩＥＣ ６２０６１よりもランクが高い規格であるＩＥＣ ６１５０８に従い必要なことから、電圧供給を考慮するため、したがってそれを部品システムとして評価するために安全特性値を計算する場合、その安全機能を継続的にテストすることが有利である。この種のテスト手順は、本発明による装置によって非常に単純に実現することができる。

このように、前述の目的は完全に達成される。

好適な改良形態では、安全開閉装置は、第１または第２のスイッチング要素を選択的に作動させて、基準点の電圧値を第１および第２の期待値と比較する制御要素を備える。

テスト手順は制御ユニットにより自動化することが可能である。このために、制御要素は第１および第２のスイッチング要素を交互に作動させて、基準点で発生する電圧を事前設定した期待値と比較する。期待値はメモリに格納するのが好ましいが、ダイオードまたは調整可能な分圧器、例としてツェナーなど、可変基準要素によって提供することもできる。測定した電圧を期待値と比較することによって、個々のスイッチング要素の動作性、そのため保護装置全体の動作性をテストすることが可能である。この改良形態の場合、保護装置を継続的にテストできることが特に有利である。

別の改良形態において、第１スイッチング要素および第２スイッチング要素が開状態の場合、基準点で第３の所定の期待値が発生する。

第１および第２のスイッチング要素がともに開、すなわち、非導電状態である場合、基準点で第１および第２の期待値とは異なる別の電圧値が発生する。この電圧値は第１および第２の期待値の平均値であることが好ましい。さらに、この平均値は、欠陥のあるスイッチング要素が変動する入力電圧によって誤って示されないように、特に、入力電圧に依存することが好ましい。ある実施形態において、この平均値を単純でコスト効果的に生成するために、分圧器は遮断器要素のすぐ下流に配置されている。第３の所定の期待値は別の妥当性テストに有利なように評価することができる。

別の改良形態において、スイッチング要素１つだけが閉じた低インピーダンス状態の場合には、遮断器要素はトリガされない。

２つのスイッチング要素がともに低インピーダンス状態の場合、電源ユニットの入力だけが短絡される。その結果、２つのスイッチング要素は遮断器要素をトリガしなくても個々に作動させることができる。この改良形態はスイッチング要素を独立してテストすることを可能にする。

別の改良形態において、安全開閉装置は出力電圧に接続されている第１監視ユニットおよび第２監視ユニットを備えており、第１監視ユニットは出力電圧が第１規定電圧値を超える場合に第１スイッチング要素を作動させ、第２監視ユニットは出力電圧が第２規定電圧値を超える場合に第２スイッチング要素を作動させる。

この改良形態において、スイッチング要素は各監視ユニットによって個々に作動させられ、第１監視ユニットは第１スイッチング要素を作動させ、第２監視ユニットは第２スイッチング要素を作動させる。第１および第２の監視ユニットは、電源ユニットの出力電圧に接続されており、出力電圧の第１または第２の所定の電圧値からの偏差を検出して、第１および第２のスイッチング要素を互いに独立して作動させるように構成されている。第１および第２の所定の電圧値が等しいことが好ましい。そのため、出力電圧の増加は２つのスイッチング要素を低インピーダンス状態に移行させ、電源ユニットの入力を接地に短絡させることをもたらす。第１および第２の監視ユニットは、出力電圧を所定の基準電圧と比較する比較器によって実現することができる。ただし、あるいは、電圧偏差を検出するために異なる回路を使用することもできる。

第１および第２の所定の電圧値は、特に好適な改良形態において調整することができる。

調整可能な第１および第２の電圧値を用いて、スイッチング要素を監視装置によって作動させることをもたらす電圧差を変えることが可能である。このように、公差範囲を柔軟かつ単純に調整することが可能である。

別の改良形態において、安全開閉装置は、第１および／または第２の監視ユニットを優勢な出力電圧とは独立して調整することのできる制御要素を備える。

制御要素によって、第１および／または第２の監視ユニットを優勢な出力電圧とは独立して調整することが可能である、言い換えると、それが存在しない場合でも第１および／または第２の監視ユニットは上昇電圧を認識する。その結果、監視ユニットの動作性、また監視ユニットによって制御されるスイッチング要素の動作性は非常に単純に、少数のコンポーネントでコスト効果的にテストすることができる。そのため、この改良形態は、このように過負荷保護機能を完全に自動的にテストすることができるため、特に有利である。

別の改良形態において、フェールセーフ制御評価ユニットは、互いに冗長的に入力信号を処理し、それに応じて出力信号を生成するために論理信号演算を行う少なくとも２つの処理ユニットを備える。

それぞれ少なくとも１つの処理ユニットを有する２つの冗長信号処理チャンネルは、安全開閉装置のフェールセーフ性に寄与する。冗長設計は、電流安全規格に照らしてどのようにフェールセーフ性を実現することが可能かに関して１つの選択肢を示す。２チャンネルまたは多重チャンネルの安全開閉装置は、関連安全規格のＰｌ ｄまたはＳＩＬ ２の指定を受けることを可能にする。

特に好適な改良形態において、制御評価ユニットの２つの処理ユニットは、電源ユニットが供給しなければならない異なる動作電圧を必要とする。

処理ユニットの異なる電圧要件によって生じる多様性冗長は、フェースセーフ性を高めることを可能にする。電圧が降下する場合、有利なことに、処理ユニットは異なる形態で、少なくとも時間に関してオフセットして反応する。

別の改良形態において、電源ユニットは少なくとも１つの別の動作電圧を供給するように構成されており、第３および第４の監視ユニットが別の動作電圧に接続されており、第３監視ユニットは別の動作電圧が第３の規定電圧値を超える場合に第１スイッチング要素を作動させ、第４監視ユニットは別の動作電圧が第４の規定電圧値を超える場合に第２スイッチング要素を作動させる。

この改良形態において、電源ユニットは少なくとも１つの別の動作電圧を供給する。この動作電圧も、偏差を検出するために、２つの追加監視ユニットによって監視する。予期しない動作電圧の偏差がある場合、第１および第２のスイッチング要素が作動し、したがって電源ユニットへの電気供給が遮断される。このように、電源ユニットによって複数の異なる動作電圧を生成することができ、前記動作電圧は同じ過電圧保護機構に差し戻す。

前述した特徴および次に説明する特徴は、本発明の範囲から逸脱しなければ、それぞれ開示される組合せだけでなく他の組合せにおいても、あるいは単独で使用できることは理解されるべきである。

本発明の実施形態を図に示し、次の明細書本文でさらに詳細に説明する。

安全開閉装置の実施形態を示す簡略図である。 安全開閉装置の電源ユニットの実施形態を示す模式図である。 図２に示す実施形態の状態図を示す。 図２に示す実施形態の実施態様の例を示す。

図１は、確実に安全に危険な設備１１をオンオフする安全開閉装置１０の実施形態の簡略図を示す。言い換えると、安全開閉装置１０は安全関連作業のために使用される。例として、設備１１は作業動作時の動きがロボット１２の動作範囲に存在する人間にとって危険であるロボット１２を備える。このため、ロボット１２の動作範囲は防護扉１４を有する防護柵で保護されている。防護扉１４は、例えば、保守作業や設置作業のためにロボット１２の動作範囲へのアクセスを可能にする。しかし、ロボット１２は、通常運転中、防護扉１４が閉まっている場合にのみ動作してもよい。防護扉１４が開くとすぐにロボット１２はオフするか別の方法で安全な状態に移行しなければならない。

防護扉１４の閉鎖状態を検出するために、防護扉１４には扉部１６とフレーム部１８とを有する防護扉スイッチが取り付けられている。フレーム部１８は、線１９を介して本発明の安全開閉装置１０に送信される防護扉信号を線１９上に生成する。

安全開閉装置１０は、線１９を介して送信される防護扉信号を受信する少なくとも１つの第１入力などの入力信号を受信する少なくとも１つの入力を備える。この実施形態において、安全開閉装置１０は複数の入出力を有するＩ／Ｏ部２４を備える。入出力は接続（外部接続または装置接続）として構成されている。一部の実施形態において、接続は安全開閉装置１０のハウジング２７のハウジング面に配置されている接続端子またはＦ端子である。例として、前記接続はばね式端子やねじ式端子とすることができる。他の実施形態において、接続は、それぞれが接続を形成する複数の接触要素（ピン）を備えるプラグインコネクタまたはソケットとすることができる。現場面に信号装置または他のセンサを接続するために、５本の接触ピンを有するＭ８ソケットが頻繁に使用されている。したがって、本発明の安全開閉装置１０の実施形態は、ロボット１２に物理的に近接した開閉器キャビネットの外部に配置されているフィールドデバイスとするか、またはそれを備えることができる。

安全開閉装置１０は、フェールセーフ制御評価ユニット２８をさらに備える。制御評価ユニット２８は、線１９を介して送信される防護扉信号などの入力信号を処理して、それに応じて危険な設備１１をオンオフする出力信号を生成する。この実施形態において、フェールセーフ制御評価ユニット２８は２つの処理ユニット２８ａ、２８ｂを備える。処理ユニット２８ａ、２８ｂはそれぞれＩ／Ｏ部２４に接続されている。処理ユニット２８ａ、２８ｂは入力信号を互いに冗長的に処理し、それに応じて出力信号を生成するために、（例えば、図１に矢印２９で示すように、信号を比較することによって）論理信号演算を行う。そのため、安全開閉装置１０は、この実施形態において２つの冗長信号処理チャンネルを備える。処理ユニットは、例として、マイクロコントローラとして設けることができる。２つのマイクロコントローラの代わりに、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡおよび／または論理演算を行う他の信号処理回路を使用することができる。ロボット１２をオフにするようにスイッチング要素を制御するために、出力信号を使用する。そのため、この種の安全開閉装置１０は設備１１、この場合ロボット１２を確実に安全にオフにするために使用することができる。

ここで図示される場合において、安全開閉装置１０は２つの冗長なスイッチング要素３０ａ、３０ｂを備える。これら２つのスイッチング要素のそれぞれは、コンタクタ４０ａ、４０ｂに電流を流すことを可能にするために、またはこの電流の流れを遮断することを可能にするために、高電位差を通して安全開閉装置１０の出力または装置接続３８ａ、３８ｂに接続することができる。その結果、スイッチング要素３０のそれぞれが、コンタクタまたはソレノイドバルブなどのアクチュエータをオフにすることができる。

コンタクタ４０ａ、４０ｂはそれぞれ動作接点４２ａ、４２ｂを備える。動作接点４２ａ、４２ｂはこの場合、電流供給４４からロボット１２への電流供給路に互いに直列に配置されている。安全開閉装置１０がコンタクタ４０ａ、４０ｂをオフにするとすぐコンタクタ４２が開いて、ロボット１２への電流供給がオフにされる。当業者には、この種の「根本的な」スイッチオフがここでは例として記載されていることは明白である。その代わりに、ロボット１２の、危険な駆動装置など一部のみをオフにする一方、ロボット１２の他の部分はいつでも機能できる状態のままとする安全要件の場合も可能である。遅延スイッチオフも実現可能であるため、必要な場合、駆動装置をオフにする前に、ロボット１２を制御された形で減速することができる。

この実施形態において、安全開閉装置１０は線１９上の防護扉スイッチからの信号に応じて、また緊急停止ボタン４６からの別の入力信号に応じて、スイッチング要素３０ａ、３０ｂを制御する。緊急停止ボタン４６は線を介して、安全開閉装置１０の装置接続にも接続されている。特に、安全開閉装置１０は緊急停止ボタン４６からの入力信号を受信するための第２入力を備える。好ましくは、入力信号のそれぞれが冗長的に存在する、もっと厳密にいうと、２本の入出力線および接続をそれぞれに設けることができる（図１には図示せず）。図１に図示する実施例では、緊急停止ボタン４６に、緊急停止ボタン４６からの入力信号を各々が送る２本の入力線または２個の入力を設けることが可能である。防護扉スイッチからの信号にも同様に当てはまる。

一部の実施形態において、安全開閉装置１０は、個々の信号装置に送信される出力信号を生成する。例として、この種の出力信号は、線４８を介して防護扉スイッチのフレーム部１８に送信される。フレーム部１８は、扉部１６がフレーム部１８の近傍にある場合、つまり、防護扉１４が閉鎖している場合、安全開閉装置１０の出力信号を線４８から線１９に通す。そのため、安全開閉装置１０は、線４８の出力信号によって、また線１９の入力信号によって、防護扉スイッチを監視することができる。同様に、安全開閉装置１０は緊急停止ボタン４６を監視する。

図１の図から離れて、別個の信号線を介して信号装置に送信され、この信号装置を経由して安全開閉装置１０に戻ってくる安全開閉装置１０からの２つの冗長出力信号が実際には頻繁に使用される。このような実施態様プロセスの例として、特許文献４が参照されるが、本文献は、信号装置を冗長監視するこの種のプロセスの詳細に関して参照により組み込まれる。また、実際には、緊急停止ボタン４６も、前述のように、冗長入出力線を用いて頻繁に監視される。

図２は、本発明の安全開閉装置１０の電源部５０の実施形態の簡略模式図を示す。主に、電源ユニット５０は給電線５２と、電圧コンバータ７８と、過負荷保護装置８６とを備え、前記給電線は遮断器要素６２を有する。

入力電圧は線５２を介して電圧コンバータ７８に送信され、前記入力電圧は安全開閉装置の場合通常外部電源ユニットから供給され、ＤＣ電圧である。そのため、電圧コンバータ７８はＤＣ電圧コンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）である。しかし、あるいは、入力側に異なるＤＣ電圧またはＡＣ電圧も印加することができ、それに対応する電圧コンバータが使用される。電圧コンバータ７８は出力側に、安全開閉装置の動作に適切な、例えば３．３Ｖまたは５Ｖの、動作電圧を供給する。

給電線の遮断器要素６２は電流に依存し、遮断器要素を流れる電流が規定値を超えるとトリガする。遮断器要素６２は、例として、所定の電流強度を超えるとヒューズ要素が溶解させられる単純な保護ヒューズとして具現することができる。あるいは、例として、電流が予め規定された電流強度を所定の期間超えると電流回路を遮断する回路遮断機など、複雑な過電流保護装置も使用することもできる。

図２における実施形態において、過電圧保護装置８６は、直列接続されている２つのスイッチング要素５４、５６と、２つの監視装置７４、７６と、制御要素７０と、分圧器８０とを備える。直列接続されているスイッチング要素５４、５６は遮断器要素６２の下流かつ入力５８の上流で給電線５２を接地接続６０に接続している。正常な動作中、２つのスイッチング要素５４、５６は開いており、言い換えると、接地６０への電流の流れが遮断される。電源部のコンポーネントにとって危険な予期しない状態が生じると、２つのスイッチング要素５４、５６は閉じ、言い換えると低インピーダンス状態に移行して、給電線５２は接地６０に短絡する。その結果、給電線５２の電流強度は、遮断器要素６２にとって決定的な電流強度を超えて、前記遮断器要素をトリガする点まで上昇する。遮断器要素６２のトリガ後、電圧コンバータ７８の入力５８は給電線５２から完全に分離される。

この実施形態において、２つの監視ユニット７４、７６はスイッチング要素５４、５６の作動を担う。監視ユニットはともに電圧コンバータ７８の出力に接続されており、前記電圧コンバータが生成する電圧を評価する。監視ユニットは、出力電圧７９を所定の基準電圧と比較する比較器であることが好ましい。出力電圧７９が予め規定した所望の電圧から変則的に逸脱する場合、第１監視ユニット７４が第１スイッチング要素５４を作動させ、第２監視ユニット７６が第２スイッチング要素５６を作動させる。２つのスイッチング要素５４、５６が前述したように閉じると、遮断器要素６２がトリガし、電流供給が遮断する。

基準点６４は、第１および第２のスイッチング要素５４、５６の間に配置されており、電圧値は前記基準点でキャプチャすることができる。電圧値は、第１および第２のスイッチング要素５４、５６の開閉状態に応じて、第１、第２または第３の期待値６６、６８、７２の範囲内である。第１スイッチング要素５４が閉じ、かつ第２スイッチング要素５６が開いている場合、第１期待値６６が合致する。スイッチング要素が逆の位置にある場合、言い換えると、第２スイッチング要素５６が閉じ、かつ第１スイッチング要素が開いている場合、第２期待値６８が合致する。２つのスイッチング要素５４、５６が開いていて、装置が正常に動作している場合、第３期待値が合致する。第３期待値７２は第１および第２の期待値６６、６８の平均値である、言い換えると、第１期待値６６は第３期待値７２に対して高い電圧偏差を表し、第２期待値６８は低い電圧偏差を表すことが好ましい。

基準点はまた分圧器８０の中央接点に接続されており、分圧器はさらに入力側で遮断器要素６２を介して給電線５２に接続されている。分圧器８０は、期待値６６、６８、７２も増加するように、給電線の入力電圧に依存する所定のオフセット電圧だけ基準点の電圧を増加する。第１、第２、および第３の期待値６６、６８、７２間の電圧差は変化しないままである。分圧器８０は２つの同一の抵抗器８１、８１ａと対称的に具現されるのが好ましい。

また、この実施形態の基準点６４は、基準点６４の電圧を評価して、第１、第２または第３の期待値６６、６８、７２からの偏差を検出することのできる制御要素７０に接続されている。制御要素７０はさらに第１および第２の監視ユニット７４、７６に接続されて、前記監視ユニットを離調または調整するように具現されている。「離調」とは、この文脈において、電圧コンバータ７８の出力に規定電圧が印加される場合でも、監視ユニットが関連スイッチング要素を作動させることを意味すると理解される。例として、比較器として具現される監視ユニットの場合、基準電圧を変化することによって離調プロセスを引き起こすことができる。

期待値からの偏差は、過電圧保護装置８６のスイッチング要素５４、５６の欠陥を示す。第１期待値６６の偏差が第１スイッチング要素５４の欠陥を示し、第２期待値６８の偏差が第２スイッチング要素５６の欠陥を示す。第１および第２の期待値の偏差は第３期待値に関係付けて測定するのが好ましい。

スイッチング要素でテストを自動的に行い、過電圧保護装置８６の正常な動作を行うために、制御要素７０は第１および第２の監視ユニット７４、７６を交互に離調または調整し、その結果、第１および第２のスイッチング要素５４、５６が交互に作動させられる。基準点６４の電圧値をリードバックして、その後、スイッチング要素５４、５６が正常に動作しているかどうかをテストするために、期待値６６、６８、７２と比較する。テストは、テスト手順中に保護機能を損なうことなく、監視するべき技術的設備の運転動作中継続的に行われる。

図２ａに示す図は、図２に示す実施形態がとることのできる個々の状態を明確にする。このために、図を過電圧保護装置８６の状態をそれぞれ表す６つのセクション（ＩからＶＩ）に分けている。参照番号８２および８４のグラフは、スイッチング要素５４、５６の開閉状態を示す。グラフ８２によって状態が示される第１スイッチング要素５４は、開で非導電状態（０で示される）、または閉で導電状態（１で示される）のいずれかである。第２スイッチング要素５６の状態は、グラフ８４によって同様に明らかである。

正常な動作の過電圧保護装置８６はセクションＩ、ＩＩＩおよびＶにある。「正常な動作」とは、この文脈において、出力電圧が有効に監視されており、現在スイッチング要素がテストされてないことを意味する。スイッチング要素５４、５６は開いており、基準点６４の電圧値は第３期待値７２付近である。

セクションＩＩは第１スイッチング要素のテストを示す。第１スイッチング要素５４は閉じており、スイッチング要素５４が正常に動作している場合、基準点６４で第１期待値６６付近の電圧値が発生し、この実施例における前記期待値は第３期待値７２よりも大きい。セクションＩＶは同様に、第２スイッチング要素５６のテストを示す。この場合、スイッチング要素５６が正常に機能している場合、電圧は基準点６４の第２期待値６８付近の値に降下する。ここに図示する実施形態の場合、第３期待値７２は第１および第２の期待値６６、６８の平均値である。

最後のセクションＶＩは、過電圧が発生した場合のスイッチング要素５４、５６の状態を示す。第１および第２のスイッチング要素５４、５６は閉じており、その結果、給電線５２は接地６０に短絡する。遮断器要素６２がトリガして、装置全体が給電線５２から分離する時点まで、基準点６４に規定されていない値が発生する。

図３は、図２に示す実施形態の開閉技術を用いた有利な実施態様、特に過電圧装置８６を示す。図２に示すものと同じ参照番号は同じ部品を示す。給電線５２と平行して、最初に平滑コンデンサ９１が並列接続されており、この実施形態ではリセット可能なＰＴＣヒューズである遮断器要素６２は前記平滑コンデンサの下流に位置付けられている。並列接続されている分圧器８０は遮断器要素６２の下流に位置付けられており、前記分圧器はこの場合２つの対称的な抵抗器８１、８１ａから具現されて、基準点６４の出力側に給電線５２の大きさの半分のオフセット電圧を供給する。

図３に図示する実施形態において、給電線５２に印加される、例として２４Ｖの電圧は外部電源ユニットによって供給される。給電線５２は遮断器要素６２を介して電源ユニット（ここでは図示せず）の入力５８に接続されている。図示されていない電源ユニットの場合、前記電源ユニットは、この場合２４Ｖの入力電圧を、この場合３．３Ｖの出力電圧７９、７９ａに変換するＤＣ−ＤＣコンバータとすることができる。電源ユニットの出力電圧７９、７９ａは、過負荷保護装置８６の第１および第２の監視ユニット７４、７６に接続されている。

第１および第２の監視ユニット７４、７６は、それぞれ、出力電圧７９、７９ａを、分圧器９２、９２ａを介して基準要素９０、９０ａに接続している。基準要素９０、９０ａは、この場合、可変ツェナーシャントコントローラである。供給されるべき出力電圧７９、７９ａが分圧器９２、９２ａおよび基準要素９０、９０ａによって規定される最高出力電圧よりも高い場合、第１および第２のスイッチング要素５４、５６が作動させられる。第１および第２のスイッチング要素５４、５６は直列接続されており、遮断器要素６２の下流の給電線を接地接続６４に接続している。スイッチング要素は、それぞれ制御回路９４、９４ａを介して基準要素９０、９０ａに接続されている自動ロック式ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ８８、８８ａであるのが好ましい。出力電圧７９、７９ａの偏差の結果として、２つのスイッチング要素が閉じる場合、給電線５２は短絡し、遮断器要素６２がトリガされる。

各監視ユニット７４、７６を別々に離調または調整することができる回路がさらに設けられる。このために、基準要素９０、９０ａの制御可能な基準電圧が変えられる。基準電圧は分圧器９２、９２ａによって設定され、分圧器９２、９２ａの第１抵抗器は追加のスイッチング要素９３、９３ａによって橋絡することができる。橋絡構成は、分圧器９２、９２ａの出力側電圧、またひいては基準要素９０、９０ａの基準電圧を変化させる。その後、基準電圧の調整が関連するスイッチング要素５４、５６の作動をもたらす。第１監視ユニット７４の離調は、接続９６に存在する信号によって行われ、スイッチング要素９３を作動させる。第２監視ユニット７６は、接続９６ａおよびスイッチング要素９３ａによって同様に離調される。このように、スイッチング要素５４、５６は、論理信号によって、例として、詳細に図示していない制御要素によって自動的に個別に作動させることができる。

さらに、接続９８によって基準点６４の電圧を測定することも可能で、したがって、前述した形態で、スイッチング要素５４、５６の動作性およびそれに関連する過電圧保護装置８６全体の動作性をテストすることが可能である。

Claims (11)

1. 確実に安全に技術的設備（１１）をオンオフする安全開閉装置（１０）であって、入力信号を受信する入力（２４）と、前記入力信号を処理し、それに応じて前記技術的設備（１１）をオンオフする出力信号を生成するフェールセーフ制御評価ユニット（２８）と、前記制御評価ユニット（２８）に少なくとも１つの動作電圧を供給する電源ユニット（５０）とを備え、前記電源ユニット（５０）は接地接続（６０）を有し、前記電源ユニット（５０）は給電線（５２）を介して入力電圧を受け取り、出力側で所定の出力電圧を供給する、前記安全開閉装置（１０）において、
   直列に配置されて、前記電源ユニットの前記入力（５８）を前記接地接続（６０）に接続する第１および第２のスイッチング要素（５４、５６）と、前記第１および前記第２のスイッチング要素（５４、５６）が閉じた低インピーダンスのときにトリガする前記給電線（５２）の遮断器要素（６２）とであって、前記第１および前記第２のスイッチング要素（５４、５６）の間に基準点（６４）が配置されて、前記基準点は、前記第１スイッチング要素（５４）が閉じた低インピーダンス状態で、かつ前記第２スイッチング要素（５６）が開状態のときに第１期待値（６６）に対応し、また前記第１スイッチング要素（５４）が開状態で、かつ前記第２スイッチング要素（５６）が閉じた低インピーダンス状態のときに第２期待値（６８）に対応する電圧値を有することを特徴とする、安全開閉装置（１０）。
2. 前記第１または前記第２のスイッチング要素（５４、５６）を選択的に作動させて、前記基準点（６４）の前記電圧値を前記第１および第２の期待値（６６、６８）と比較する制御要素（７０）を有する、請求項１に記載の安全開閉装置。
3. 前記第１スイッチング要素（５４）および前記第２スイッチング要素（５６）が開状態の場合に、前記基準点（６４）に第３期待値（７２）が発生する、請求項１または請求項２に記載の安全開閉装置。
4. 前記遮断器要素（６２）は、前記第１または前記第２のスイッチング要素（５４、５６）のみが閉じた低インピーダンス状態の場合にはトリガしない、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の安全開閉装置。
5. 前記出力電圧に接続されている第１監視ユニット（７４）および第２監視ユニット（７６）であって、前記第１監視ユニット（７４）は、前記出力電圧が第１規定電圧値を超える場合に前記第１スイッチング要素（５４）を作動させ、前記第２監視ユニット（７６）は、前記出力電圧が第２規定電圧値を超える場合に前記第２スイッチング要素（５６）を作動させる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の安全開閉装置。
6. 前記第１および第２の規定電圧値は調整可能である、請求項５に記載の安全開閉装置。
7. 瞬時出力電圧とは独立して、前記第１および／または第２の監視ユニット（７６、７６）を調整することができる制御要素（７０）を有する、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の安全開閉装置。
8. 前記フェールセーフ制御評価ユニット（２８）は、前記入力信号を互いに冗長的に処理し、それに応じて出力信号を生成するために論理信号演算を行う少なくとも２つの処理ユニット（２８ａ、２８ｂ）を備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の安全開閉装置。
9. 前記少なくとも２つの処理ユニット（２８ａ、２８ｂ）は異なる動作電圧を必要とする、請求項８に記載の安全開閉装置。
10. 前記電源ユニット（５０）は少なくとも１つの別の動作電圧を生成するように構成されており、第３および第４の監視ユニットが前記別の動作電圧に接続されて、前記第３監視ユニットは、前記別の動作電圧が第３規定電圧値を超える場合に前記第１スイッチング要素（５４）を作動させ、前記第４監視ユニットは、前記別の動作電圧が第４規定電圧値を超える場合に前記第２スイッチング要素（５６）を作動させる、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の安全開閉装置。
11. 確実に安全に技術的設備（１１）をオンオフする安全開閉装置（１０）の電源ユニット（５０）を監視する方法であって、前記安全開閉装置（１０）は、入力信号を受信する入力（２４）と、それに応じて前記技術的設備（１１）をオンオフする出力信号を生成するために前記入力信号を処理するフェールセーフ制御評価ユニット（２８）とを備えており、前記電源ユニット（５０）は接地接続（６０）を有し、給電線（５２）を介して入力電圧を受け取り、出力側に所定の出力電圧を供給する、方法において、
    直接に接続されて、前記電源ユニットの前記入力（５８）を前記接地接続（６０）に接続する第１および第２のスイッチング要素（５４、５６）と、前記第１および前記第２のスイッチング要素（５４、５６）が同時に作動させられる場合にトリガする前記給電線（５２）の遮断器要素（６２）であって、前記第１および前記第２のスイッチング要素（５４、５６）の間に基準点（６４）が配置されており、前記基準点で電圧値がリードアウトされ、その電圧値は、前記第１スイッチング要素（５４）が閉じた低インピーダンスの場合で、かつ前記第２スイッチング要素（５６）が開状態の場合に第１期待値（６６）付近であり、前記電圧値は、前記第１スイッチング要素（５４）が開状態の場合で、かつ前記第２スイッチング要素（５６）が閉じた低インピーダンス状態の場合に第２期待値（６８）付近であることを特徴とする方法。

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