JP7076424B2 - 電気的負荷を開閉するためのスイッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、特にフェイルセーフな仕方で危険な機械設備をシャットダウンするために、電気的負荷のスイッチを選択的にオンオフするスイッチング装置に関する。

スイッチング装置は、機械の各機能および／または機械の各部品のスイッチを選択的に入れるかまたは切るために、多くの異なる機械および機械設備において使用されている。

安全スイッチング装置において、特に重要であると認識されていることは、それが、機械の機能または機械の部品が人々に危険を及ぼさない場合だけ作動することを確実にするために使われることである。

安全スイッチング装置は、特に故障が機械設備の中または安全スイッチング装置自体で起こるときでも、この安全機能を確実にしなければならない。例えば部品の故障または接続ケーブルの損傷があげられる。

したがって、特にEN 61508、ISO 13849、EN 62061等のような関連した標準において明記されているフェールセーフ性に対する特定の要求が、安全スイッチング装置にあてはまる。

さらに安全スイッチング装置は、上述した標準にしたがって少なくとも性能レベル（PL）ｄおよび／または安全度レベル（SIL）2を満たすスイッチング装置である。

特許文献１に、安全スイッチング装置および互いに直列に配置される複数の安全スイッチング装置から成るシステムが開示されている。

その１つの実施形態において、２つの常閉接点を有する緊急オフスイッチが入力部に接続されている。２つの入力信号が、各常閉接点を経て制御部に供給される。緊急オフスイッチが作動される場合、接点が開き、入力信号が入力部にもはや達しないので、それを制御部において検出することができる。

加えて、制御部は、前記入力信号の信頼性を監視している。例えば、制御部は入力信号が異なって選択された場合、ケーブルの損傷の結果であり得る短絡を検出できる。

制御部は、入力信号を、フェイルセーフな仕方で機械をシャットダウンするために用いることができる２つの出力スイッチング素子を制御するための基礎として用いる。

機械および機械設備は、入力信号を分配する複数のセンサ／信号送信器を、通常有する。各入力信号は、一つまたはそれ以上の負荷を切替えるために互いに論理的に結合される。

多くのスイッチング装置においては、適切なプログラミング言語のユーザープログラムを用いることによって、所定の管理プログラムを設定することによって、および／または各々所定の機能範囲を有するスイッチング装置の適切な選択および組合せによって、ユーザが個々に論理の組合せを定めることができる。

入力信号の数および負荷の数が増加するにつれて、負荷を切替えるための入力信号と出力信号間の論理の組合せの定義は、非常に厳しい仕事となり得る。さらに、論理の組合せの定義は、安全スイッチング装置の場合、安全性に関連する。

したがって論理の組合せにおいて、できるだけ速く、確実にエラーを検出することが望まれている。

特許文献２は、安全性に関連する信号送信機、例えば緊急オフスイッチおよび保護ドアスイッチなどの公知の入力モジュールを複数有し、フェールセーフな仕方でアクチュエータを動作させる少なくとも１つの出力モジュールを有するモジュラー式安全スイッチング装置システムを開示する。入出力モジュールは、異なる動作モードで作動することができる。所望の動作モードは、制御モジュールにおいて、キーを用いて選択することができる。

選択された動作モードは、LEDにより表示される。実際に選択された動作モードが正しく表示されていることを確実にするために、LEDは監視される。

したがって、故障したLEDを識別でき、システムは、必要であれば運転が停止される。

特許文献３には、ユーザによって選択可能に、直列に配置されたそれぞれ複数の入力モジュールと出力モジュールとを有する、さらなる安全スイッチング装置モジュールの配置が開示されている。

入力モジュールと一つまたはそれ以上の出力モジュールとの間の論理の関連は、モジュール列内の各入力モジュールの位置に、この場合依存している。

ユーザは、モジュール列の中での入力モジュールのモジュール位置の適切な選択によって、出力モジュール上の入力信号とアクチュエータ／負荷との間の論理の組合せを定めることができる。

特許文献４は、安全コントローラをプログラムする方法および装置を開示する。安全コントローラの入力信号と出力信号との間の論理の組合せは、この場合、プログラムモジュールの組から選択される、所定の関数に特有な（function specific）プログラムモジュールに基づいて定義される。

非特許文献１である取扱説明書は、２つの「安全出力」および２つのLEDを有する安全スイッチング装置を開示する。LEDは、安全出力のそれぞれの切替え状態を示す。ユーザは、LEDの動作状態に基づいて、安全スイッチング装置の安全関連の出力スイッチング要素が入ったことを知ることができる。

独国特許出願公開第 100 11 211 A1号明細書 独国特許出願公開第 100 20 074 A1号明細書 独国特許出願公開第 100 20 075 A1号明細書 独国特許出願公開第 101 18 962 A1号明細書

PNOZ E8.1p, 1002226-EN-06, Pilz GmbH & Co. KG, Felix-Wankel-Str. 2, 73760 Ostfildern, Germany

以上の背景に対し、ユーザーが論理の組合せを定義することを容易にし、特に機械または機械設備の始動の前に、安全性に関連した故障を識別して回避することを容易にするスイッチング装置を提供することが、本発明の目的である。

本発明の一つの局面によれば、前記目的は、所定の入力信号を受信するための入力部と、前記電気的負荷へつながる出力スイッチング素子を含む電流通路を有する出力部とを備え、前記出力スイッチング素子は、閉じた動作状態または開いた動作状態をとることができ、さらに、前記所定の入力信号に基づいて電流通路を完成させまたは中断するために、前記所定の入力信号に基づいて前記出力スイッチング素子を動作させる第１の動作モードを備える制御部と、第１の表示状態および代替の第２の表示状態を表示できる表示素子とを備え、前記表示素子は、前記制御部が第１の動作モードを実行中であり、前記出力スイッチング素子が閉じた動作状態において前記第１の表示状態を表示し、制御部が第１の動作モードを実行中であり、前記出力スイッチング素子が開いた動作状態であるときに前記第２の表示状態を表示する、下記の特徴を有するスイッチング装置において達成される。

すなわち前記制御部は、前記出力スイッチング素子が所定の入力信号に関係なく電流通路を中断する第２の動作モードを備え、前記表示素子は、前記制御部が第２の動作モードを実行中であるときに、前記所定の入力信号に基づいて、前記第１の表示状態または第２の表示状態を表示する。

該スイッチング装置の制御部は、少なくとも２つの代替的な動作モードを有し、それらのモードは、スイッチング装置が２つの動作モードの各々において作動することができるので、各々がアクティブである。

第１の動作モードは、「通常の」動作モードであり（しばしばRUNと呼ばれる）、そこにおいて制御部は、少なくとも一つの入力信号に基づいて電気的負荷への電流通路を開閉する。

第２の動作モードは、ある意味ではシミュレーション・モードである。

一方、負荷への電流通路は、第２の動作モードで永久に中断される。その結果、電気的負荷は、第２の動作モードにおける所定の入力信号に関係なくスイッチを切られる。ここが、第２の動作モードが第１の動作モードと異なるところである。

しかしながら、一方では、表示素子は、第２の動作モードの所定の入力信号に基づいて、第１の表示状態または第２の表示状態を表示する。

これは、表示素子が、実際、スイッチがオンになっている出力スイッチング素子がないという、シミュレーションされた仕方で、出力スイッチング素子のそれぞれの「理論的な」動作状態を表すことができることを意味する。

換言すれば、表示素子および出力スイッチング素子は、オペレータがディスプレイの各状態から各出力スイッチング素子の実際の動作状態を見分けることができるように、第１の動作モードで互いに結合される。

第１の表示状態は、出力スイッチング素子が閉じた動作状態にあることを伝え、第２の表示状態は、出力スイッチング素子が開いた動作状態であることを伝える。

若干の実施形態において、表示素子は、出力スイッチング素子が閉じた動作状態であるときに第１の色で光るLEDであり得る。したがって、負荷への電流通路は閉じられる。

出力スイッチング素子が開いた動作状態にあるときに、LEDは消灯するか、または第１の表示状態と異なる色によって光ることができる。

第２の動作モードにおいて、表示素子と出力スイッチング素子との間の結合は解除される。出力スイッチング素子が永久に開いた動作状態である一方、表示素子は、スイッチング装置が第１の動作モードであるときに出力スイッチング素子がとるであろう動作状態を報知することができる。

第２の動作モードで表示素子および出力スイッチング素子を切り離すことは、ユーザが、電気的負荷が実際のところスイッチを入れられていない個々のアプリケーションでスイッチング装置の動作をテストすることを、可能にする。

すなわちユーザは、機械または機械設備の個々の構成を、機械または機械設備を危険な動作状態に置くことなくテストすることができる。

したがって、本発明のスイッチング装置は、便利で安全な始動試験を可能にする。

電気的負荷が、第１の動作モードによって実際に始動する前に、スイッチング装置の構成におけるいかなるエラーも、第２の動作モードで、表示素子に基づいて検出することができる。

したがって、本発明のスイッチング装置は、機械または機械設備の安全な始動を容易に実現する。

よって、上述した本発明の目的は、完全に達成される。

好適な改良において、出力部は、前記制御部が第１の動作モードおよび第２の動作モードの両方における所定の入力信号に基づいて動作させる別の出力スイッチング素子を含むさらなる電流通路を有する。

この改良において、スイッチング装置は、２本の別々の電流通路を形成する少なくとも２つの出力スイッチング素子を有する。各電流通路は、所定の入力信号に基づいて制御部によって各々作動する。しかしながら、第１の動作モードから第２の動作モードへの変化は、上記の出力スイッチング素子に影響を及ぼすのみである。この改良の別の出力スイッチング素子は、第１の動作モードおよび第２の動作モード両方の、所定の入力信号に基づいて開閉される。

好適な実施形態において、制御部は、第１の出力スイッチング素子を作動させ、および実行中の第１の動作モードに同期して別の出力スイッチング素子を動作させる。その結果、第１の出力スイッチング素子および第３は、ほぼ互いに同期して開閉する。

しかしながら、実行中の第２の動作モードにおいて、第１の出力スイッチング素子および第３は、もはや同期して切り替わらない。

その代わりに、第１の出力スイッチング素子は永久に開き、その一方で、第２の出力スイッチング素子は所定の入力信号に応じて開いたり閉じたりする。

好適な実施形態において、前記第３は信号出力として知られているものを提供し、その一方で、第１の出力スイッチング素子は電気的負荷を開閉する。これとは対照的に、信号出力は、例えば、第１の出力スイッチング素子およびそれに接続されたの各動作状態を上位の制御機に知らせるために、都合よく用いることができる。

この改良は、第２の動作モード（シミュレーション・モード）が第１の出力スイッチング素子の動作状態のみに影響を与えるという利点があるが、前記第３は、第１の動作モードおよび第２の動作モードで等しく動作する。したがって、この改良によって、本発明のスイッチング装置は、電気的負荷の始動の前にできるだけ現実的な方法でテストされることができる。

さらなる改良において、本発明のスイッチング装置は、制御部が第１の動作モード、または、第２の動作モードのいずれかに入ることが可能である動作モード選択信号を提供するための動作モード選択入力を有する。

この改良は、第１の動作モードと第２の動作モードの間の単純な切り替えを許容し、したがって電気的負荷の始動の間、本発明のスイッチング装置のための機能テストを可能にする。

若干の実施形態において、動作モード選択入力は、例えばキースイッチの形で、および／またはパスワードを要求するという形でのアクセス保護を備えていてもよい。この種のアクセス保護によって、動作モードの変化をオペレータの認可に依存させることができる。

第２の動作モード（シミュレーション・モード）は、公知のスイッチング装置と比較しても第１の動作モードと比較しても、安全性の向上を実現するので、アクセス保護を、他の実施形態において、省くことができる。

さらなる改良において、制御部は、第２の実行中の動作モードで、表示素子を駆動する。好ましくは、制御部も、この改良の実行中の第１の動作モードでも表示素子を駆動する。

この改良において、制御部は「単独で」表示素子のそれぞれの表示状態を変えることができる。その結果、制御部は第１の動作モードと第２の動作モードとの間で変化が生じた場合、好適な方法で表示素子を非常に容易に動作させることができる。その結果、表示素子および第１の出力スイッチング素子は互いに接続され、または切り離される。

この改良は、第１のモードおよび第２のモードの間で単純な実施および単純な変化を許容する。本発明のスイッチング装置がモジュラー設計され、そして、出力部が離れた出力モジュールに収容される場合、この改良は特に有利である。その理由はこの場合、制御部のモード選択に関係なく、出力モジュールが作動できるからである。

さらなる改良において、出力部は、実行中の第１の動作モードの表示素子を動作させる。若干の実施態様において、出力部は、実行中の第２の動作モードの表示素子を動作させることもできる。

この改良において、表示素子の動作は、少なくとも第１の動作モードの出力部に割り当てられる。よって、制御部が、第１の動作モードおよび第２の動作モードの両方において、同じ方法で出力部を動作させることができるという効果がある。

特に、出力部および制御部がバス接続を介して互いに通信する別々のモジュールに収容されるモジュラー設計の場合、この改良は、バス・メッセージの数を最小化するのを助けることができる。

さらなる改良形態において、本発明のスイッチング装置は、互いに結合でき、または互いから分離されることができる複数の収容モジュール(housing module)を備える。第１の収容モジュールは制御部を収容し、第２の収容モジュールは出力部を収容する。

この改良において、スイッチング装置は、少なくとも出力部および制御部が別々の収容モジュールに配置されるように設計されている。この改良は、入力数および出力数に関連して本発明のスイッチング装置の規模を適正にし安価にする。特に、この改良のスイッチング装置は、機械または機械設備のサイズに、非常に容易に合致することができる。

またさらなるモジュールを追加することによって、新らしい機械の機能を安価に実装することができる。スイッチング装置がより多くの入力および出力を有するほど、この利点は、より明確に感知される。

さらなる改良において、スイッチング装置は、制御部および出力部を互いに接続する通信バスを有する。

この改良において、制御部および出力部は、バス・メッセージを互いに交換する。バス・メッセージは、出力スイッチング素子をその開いた動作状態からその閉じた動作状態までとらせることが可能である制御命令を、含むことができる。

若干の好適な実施形態において、出力部は、バス・メッセージによって、制御部に出力スイッチング素子のそれぞれの瞬間的な動作状態を知らせる。この改良は、実現が非常に安価な方法で、多くの入力および出力を実装することを可能にする。

さらなる改良において、出力部は、出力スイッチング素子の開いた動作状態および／または閉じた動作状態を表す瞬間的な動作状態信号を生成するリードバック回路を有し、制御部は動作状態信号に基づいて出力スイッチング素子を動作させる。

この改良は、制御部が、出力スイッチング素子のそれぞれの瞬間的な動作状態を監視することができて、それを予測した状態と比較できるという効果がある。

現在の動作状態と予測がもし一致しない場合、制御部はエラーメッセージを生成することができ、および／または電気的負荷が確実に始動しないようにすることができる。

第１の動作モードにおいて、前記予測は、それぞれの現在の制御命令に常に(regularly)対応する。第２の動作モードにおいては、前記予測は対照的に、出力スイッチング素子が開いた動作状態であるという予測であってもよい。

この改良は、第１の動作モードおよび第２の動作モードの両方において、出力部に「純正の」機能テストを実装する。

さらなる改良において、スイッチング装置は、それぞれ実行中の動作モードを表すビット・マスクを保存しているマスク・メモリを有する。出力スイッチング素子は、ビット・マスクに基づいて制御される。

この改良は、特にモジュラー設計において、本発明のスイッチング装置の非常に効果的な実装を許容する。この改良は、第１の動作モードおよび第２の動作モードでの出力部の異なる振る舞いを、それぞれマスク・メモリへ書き込まれる適切なビット・マスクによって、実質的に実現することができるという効果がある。

この改良において、バス・サイクル時間、信号処理時間および制御部および出力部の論理的な振る舞いは、それぞれ選択された動作モードに関係なく、同じものであり得る。その結果、この改良は、電気的負荷の始動の前に、スイッチング装置の非常に現実的な機能テストを実現する。

前述のおよび以下に説明される特徴は、ここに記述された組合せでだけでなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で、他の組合せでもまたは単独で、使用可能であることは言うまでもない。

本発明の実施形態に係るスイッチング装置を含む機械設備の概略図を示す。 図１のスイッチング装置のモジュール設計された形態を示す。 図２のスイッチング装置を説明するための論理図を示す。

本発明の実施形態を、図面を参照しながらより詳しく説明する。

図１において、本発明のスイッチング装置の実施形態を含む機械設備の全体が、参照番号10によって示される。

機械設備10は、例えば、危険な動作領域を有するロボット12を含み、それは保護ドア14によって、この場合保護されている。保護ドアは、そこに配置される保護ドアスイッチ16を有する。

保護ドアスイッチ16は、可動保護ドア14上のドアの一部16a、および閉じた状態にある保護ドア14が接するドア枠18上のフレーム部分16bを備えている。フレーム部分16bは、ドアの一部16aの存在を検出することができて、スイッチング装置22によって監視され評価される入力信号20を生成できる。

通常、ロボット12、さらに一般的にいえば機械設備10の移動動作は、機械コントローラ（簡明さの理由でここで示されない）によって制御される。

いくつかの実施形態において、スイッチング装置22は、機械コントローラに集積されてもよい。他の実施形態においては、スイッチング装置22は、機械コントローラとは別に設置されてもよい。後者の場合、スイッチング装置22は、例えば、２つの接触器24a、24bの各オン／オフ動作を切替えることができる。接触器24a、24bは各々、ロボット12への電流通路に配置される動作接点を有する。

接触器24a、24bは、スイッチオフ状態において、図１に示すように、動作接点は開いており、ロボット12の移動動作は停止される。

図１に示される実施形態において、接触器24ａ、24bは、スイッチング装置22によってスイッチを入／切されることが可能な電気的負荷である。

またさらなる実施形態によれば、本発明のスイッチング装置は、電磁弁、電気ドライブ、ポンプおよび他のいかなる電気的負荷をも、オン／オフ切替えするために用いられることができる。

スイッチング装置22は、入力部26、制御部28および出力部30を有する。保護ドアスイッチ16からの入力信号20は、入力部26に供給される。加えて、入力部26には、この場合、例えば、緊急オフスイッチ32からの入力信号31、および、モード選択スイッチ34からの入力信号33が供給される。

制御部28は、この実施形態では２チャネルの冗長性を有するように設計されている。これは、２台のプロセッサ36a、36bにより表される。プロセッサ36a、36bは、互いを監視し、および／またはそれらの処理結果を交換する。

危険な機械設備をシャットダウンするスイッチング装置のために、フェールセーフな仕方の多重チャンネルの冗長設計がよく利用される。

したがって、この実施形態のスイッチング装置22は、冒頭にあげた標準として性能レベルPL dもしくはPL eの要求および／またはSIL 2もしくはSIL 3の要求を満たす安全スイッチング装置または安全コントローラの一部である。

図１に示した構成から離れて、入力部26は、入力信号が例えばプロセッサ36a、36bの適切な入力接続部に直接送られるようにして、制御部28において集積されてもよい。

この実施形態では出力部30は、5つの出力スイッチング素子38、40、42、44、46を有する。スイッチング素子38、40は、互いに直列に配置されて、接触器24aへの電流通路を含む第１の安全出力を形成する。スイッチング素子42、44は、互いに直列に配置されて、接触器24bへの電流通路を含む第２の安全出力を形成する。

制御部28は、直列に配列されたそれぞれのスイッチング素子38、40およびスイッチング素子42、44に基づいた２チャネルの冗長性を使用して、接触器24a、24bの各々のスイッチを切ることができる。これによって、たとえスイッチング素子38、40およびスイッチング素子42、44の1つに故障があっても、接触器24a、24bのスイッチを切ることが可能となる。

この実施形態のもう一つのスイッチング素子46は、非安全な信号出力部を形成する。制御部28は、情報信号を出力するために信号出力を使用できる。

いくつかの好適な実施形態において、制御部28は、互いに同期してスイッチング素子38～46を動作させる。

スイッチング素子46の出力における情報信号は、スイッチング素子38～44の各動作状態（開閉）をロボット12の機械コントローラにおよび／または他の上位のコントローラに報告するために、都合よく用いることができる。

図１は、バイポーラトランジスタの各スイッチング素子38～46を示す。これに代えて、いくつかまたはすべてのスイッチング素子38～46に、電界効果トランジスタ、サイリスタ、リレーその他を採用することができる。

スイッチング装置22は、言うまでもなく、第３、さらなる安全出力端子および／またはさらなる信号出力端子を持つこともできる。

図１に示す参照番号48は、制御部28が、スイッチング素子38、40、42、44のそれぞれの動作状態を読み込むことができるリードバック回路を示す。

好適な実施形態において、制御部28は、入力部26上の入力信号20、31、33に基づいてだけでなく、リードバック回路48のそれぞれの動作状態信号に基づいてもスイッチング素子38～46を動作させる。

特に、制御部28は、スイッチング素子38～44の現在の動作状態が、制御部28でそれぞれ選択された動作状態に１つでも対応しない場合、制御部28は安全出力で電気的負荷（この場合、接触器24a、24b）を遮断する。

この事態は、例えばトランジスタが故障しまたはリレー接点が溶解し、または、対応するスイッチング装置が永久に閉じた動作状態にある場合に、発生する。

好適な実施形態において、スイッチング装置22は、出力スイッチング素子のそれぞれの動作状態を示すことができる複数の表示素子を有する。例えば、図１に第１のLED 50、第２のLED 52および第３のLED 54を示す。

第１のLED 50は、第１の安全出力での、スイッチング素子38、40の動作状態を示す。第２のLED 52は、第２の安全出力での、スイッチング素子42、44の動作状態を示す。第３のLED 54は、信号出力でのスイッチング素子46の動作状態を示す。

好適な実施形態において、各安全出力は、関連する適切な表示素子（例えばLED）を備える。好ましくは、信号出力も、関連する表示素子を備える。

表示素子50、52、54は、互いに異なる第１の表示状態および少なくとも一つの第２の表示状態を示す。

第１の表示状態は、関連するスイッチング素子（またはスイッチング素子列）が第１の動作状態にあることを示し、第２の表示状態は、関連するスイッチング素子もしくは関連するスイッチング素子列が第２の動作状態にあることを示す。

例えばLED 50、52、54は、それぞれの関連するスイッチング素子が閉じた動作状態にあるときに、スイッチオン状態にあって輝く。LED 50、52、54は、それぞれの関連するスイッチング素子が開いた動作状態にあるときに、スイッチオフ状態となる。

さらなる実施形態において、スイッチング素子の動作状態の信号を送るために、表示素子は、2つの異なるアクティブ・表示状態（例えば異なる色）を持つこともできる。

加えて表示素子50、52、54は、グラフィックディスプレイまたはさらなる実施形態の他のタイプの表示素子（例えば機械式表示素子）を採用することもできる。

図２は、図１のスイッチング装置のモジュラー設計による実施形態を示す。同一の参照番号は、前のとおり同じ素子を意味する。

制御部28は、この場合、第１の収容モジュール58に配置される。複数のさらなる収容モジュール60が、そのそばに配置される。収容モジュール58、60は、このようにモジュール列を形成する。

若干の収容モジュール60は、入力信号を受信するための入力部を収容している。例えば保護ドアスイッチ16に関連するモジュール26’および緊急オフスイッチ32に関連するモジュール26’’’である。図２は、実施例として収容モジュール26’’のための遮光62をさらに示す。

収容モジュール60の各々は、それぞれセンサー／信号送信器を接続することができる複数の接続端子64を有する。

モジュール列のさらなる収容モジュールは、接触器24a、24bが接続される接続端子を有する出力部30を備える（ここでは部分のみ示す）。参照番号66は電動機を意味する。それは例えばロボット12の駆動源（ドライブ）であり得る。

図１のように、接触器24a、24bは、それぞれ常閉接点として示されている。それはドライブ66への電流通路の中の常開接点に接続している。よって、常閉接点は、各常開接点と同期して動作する。

電流通路68は、出力部30の出力端子から、直列に配列された接触器24a、24bの常閉接点を介して、出力部30の入力接続部までつながっている。出力部30は、接触器24a、24bのそれぞれの動作状態（開／閉）を監視して、入力信号としてそれを制御部28に報告するために、電流通路68を使用する。

図２に示すように、この実施形態に係る収容モジュール60は、それぞれ、FPGAにより作られた回路（FPGA回路）を有する。

FPGA回路は通信インタフェースを収容し、通信バス70を形成する。通信バス70によって、制御部28は、入力部26’、26’’、26’’’および出力部30と通信する。

入力部および出力部はそれぞれ、入力部または出力部のそれぞれの機能を実施するためのマイクロコントローラまたは異なる論理回路をさらに有することができる。

原理的には、FPGA回路は、マイクロコントローラの機能を含むこともできる。

収容モジュール60は、入力部26および出力部30を含むこともできる。

図２の実施形態において、制御部28は、センサ／信号送信機16、32、62、68から入力信号を周期的に読み取って、これに基づいて出力スイッチング素子のための各制御信号を生成する。入力部26’、26’’、26’’’は、したがって、センサ／信号送信機16、32、62、68の入力信号に対応するデータを、通信バス70を介して、適切なバス・メッセージ７２を使用して制御部28に送信する。制御部28はそこから、IPI（input processing image; 入力処理イメージ）のプロセスイメージを生成する。それはすべてのセンサ／信号送信器の状態を表す。

IPIに基づいて、制御部28はOPI（output processing image; 出力処理イメージ）のプロセスイメージを生成する。それは各出力スイッチング素子のための制御命令を表す。

制御部28は、適切なバス・メッセージを介してOPIを出力部30に送信する。出力部30は、OPIに基づいて、出力スイッチング素子を開閉する。

すでに上で説明したように、本発明のスイッチング装置の実施形態は少なくとも２つの異なる動作モードを有する。

第１の動作モードにおいて、出力スイッチング素子38～46（図１を参照）は、表示素子50、52、54とほぼ同期して切替わる。したがって、ユーザは、表示素子に基づいて、出力スイッチング素子の各動作状態を識別できる。

これと異なる第２の動作モードにおいて、一方では、制御部２８は、機械設備のこのような危険なオペレーティングモードを防止するために、センサ／信号送信器の所定の入力信号に関係なく、安全性に関連した出力スイッチング素子38～44を開く。

しかしながら、表示素子50、52、54は、実行中の第２の動作モードの入力信号に基づいて、オンまたはオフに切替えられ続ける。

このように表示素子50、52は、この第２の動作モードでは、スイッチング素子38～44の実際の動作状態の信号を送らず、むしろスイッチング装置が第１の動作モードである場合にスイッチング素子38～44が推定するであろう動作状態の信号を送る。したがって、スイッチング素子38～44の動作状態は、第２の動作モードでシミュレーションされる。

このシミュレーションは、表示素子50、52によって可視化されるようになって、これによりユーザがスイッチング装置22を構成することをより容易にする。

第１の動作モードと第２の動作モードとの切替えは、好ましくはモード選択スイッチ34によって実施されることが可能である。第１の動作モードおよび第２の動作モードにおける表示素子の活性化は、さまざまな方法で実現することができる。

いくつかの実施形態において、制御部28は選択された各動作モードを出力部30に送信することができる。その結果、出力部30は選択された動作モードに基づいて、表示素子を出力スイッチング素子と同期した状態に、または、同期していない状態に切替えることができる。例えば、実施例は、以下の方法ステップを含むことができる。
（1）ユーザが、モード選択スイッチをSIMUポジションに切り替える。
（2）制御部は、すべてのモジュールにモードメッセージ「SIMUモード」を送信する。
（3）すべてのモジュールは、モードを記憶する。
（4）各モジュールは、制御部に、動作モードを確認した旨の応答を送る（オプション）。
（5）制御部は、すべてのモジュールが応答したかどうか点検する（オプション）。
（6）制御部は、循環した作業を始める。
（7）制御部は、各モジュールにOPI（出力処理イメージ）のプロセスデータメッセージを送信する。
（8）各モジュールは、その出力スイッチを切られたままにしておく。この事象はOPIの内容に関係なく起こる。
（9）各モジュールは、OPIにしたがって、そのLEDを切替える。
（10）各モジュールは、その出力で、スイッチング・プロセスの結果を読み込む。
（11）各モジュールは、その入力を読み込む。
（12）各モジュールは、制御部（IPI＋OPI）に、プロセスデータメッセージ応答を返す。
（13）制御部は、すべてのモジュールからすべての応答を受け取ったかどうか点検する。
（14）制御部は、それらの結果（OPIs）が、その予測に適合しているかどうか調べる。予測は、すべての出力がオフ状態にある、ということである。
（15）制御部は、各IPIが、もっともらしい(plausible)かどうか点検する。
（16）制御部は、新しい各OPIを算出して、再びステップ（７）から始める。

この種の実施は、同じメッセージ構造を有する同じ数のバス・メッセージを、２つの動作モードの各々において用いることが可能であるという利点がある。不利な点は、それぞれの選択された動作モードが、制御部28から、影響を受けるすべての出力部まで送られる必要があるということである。

また、各出力部は、出力スイッチング素子と同期した状態、または、非同期の状態で表示素子を切替えることができなければならず、それは出力部の特定の知能(intelligence)を必要とする。

他の実施態様において、制御部28は、例えば表示素子のための切替え命令を含む適切なバス・メッセージによって、表示素子をオンまたはオフに切り替えることができる。この種の実施形態は、以下のとおりに実施することができる。
（1）ユーザは、モード選択スイッチを位置SIMUに切り替える。
（2）制御部は、循環作業を始める。
（3）制御部は、各モジュールに、出力を切るための命令を含むプロセスデータメッセージを送信する（OPI＝0）。
（4）制御部は、これがRUNモードで起こるように、LEDをオン／オフするLEDメッセージを、各モジュールに送信する。
（5）各モジュールは、受け取ったプロセスデータメッセージに従って、その出力を切替える。
（6）各モジュールは、受け取ったLEDメッセージに従って、そのLEDを切替える。
（7）各モジュールは、その出力でのスイッチング過程の結果を読み込む。
（8）各モジュールは、その入力を読み込む。
（9）各モジュールは、制御部にプロセスデータメッセージ応答を返す（IPI＋OPI）。
（10）制御部は、すべてのモジュールから応答を受け取ったかどうか、調べる。
（11）制御部は、結果（OPIs）がその予測に適合するかどうか調べる。予測とは、すべての出力がオフに状態にあるということである。
（12）制御部は、IPIがもっともらしい(plausible)かどうか調べる。
（13）制御部は、新規なOPIsを算出して、再びステップ（３）から始める。

この実施は、スイッチング装置がどの動作モードにあるかに関係なく、同じ方法シーケンスを常に出力部において実行できるという利点がある。出力部は、スイッチング装置が第１の動作モードにあるか、または、第２の動作モードにあるかに関する情報を必要としない。

不利な点は、付加的なバス・メッセージが、表示素子をオンオフするために必要とされるということである。

制御部において、選択された動作モードに応じて、結果として異なる処理時間がかかることがあり得る。

さらなる実施形態において、制御部28は、すべての出力部30にビット・マスクを有するバス・メッセージを送るための基礎として、選択された動作モードを採用する。

ビット・マスクは、出力スイッチング素子38～44のための遮蔽(mask)された制御命令を生成するために、出力部30のOPIと結合されるマスク値を含む。

図３は、バス・メッセージ72およびビット・マスク74を表す模式図である。

バス・メッセージ72は、モジュール列の中で出力部30を識別するための送信先アドレス76を含む。バス・メッセージ72は、OPI78および、例えば伝送誤差を識別するためのＣＲＣ（巡回冗長検査）のような任意のさらなるメッセージ要素をさらに含む。

出力部30において、ビット・マスク74は、出力スイッチング素子を動作させるために用いる新規なOPI(new OPI)を決定するために、OPIと論理積がとられる。

安全スイッチング装置の好適な実施形態において、論理積機能は、2本のチャネルを使用して実現される。例えば、ビット・マスク74は第１の動作モードの出力スイッチング素子ごとに「1」を含むことができるが、ビット・マスク７４は第２の動作モードの出力スイッチング素子ごとに「0」を含む。

したがって、この実施は、次の各工程を含むことができる。
（1）ユーザは、モード選択スイッチを位置SIMUに切り替える。
（2）制御部は、すべてのモジュールにbit_mask＝00を有するマスク・メッセージを送信する。
（3）制御部は循環作業を始める。
（4）制御部は、各モジュールにプロセスデータメッセージ（OPI）を送信する。
（5）各モジュールは、プロセスデータメッセージのOPIにしたがって、そのLEDを切替える。
（6）各モジュールは、受信したOPIをビット・マスクと結合して「新規なOPI」を得る。
（7）各モジュールは、「新規なOPI」にしたがって、その出力を切替える。
（8）各モジュールは、その出力においてスイッチング過程の結果を読み込む。
（9）各モジュールは、その入力を読み込む。
（10）各モジュールは、制御部にプロセスデータメッセージ応答を返す（IPI＋OPI）。
（11）制御部は、すべてのモジュールから応答を受け取ったかどうか調べる。
（12）制御部は、その予測をマスクと結合して、「新しい予測」を得る。
（13）制御部は、結果（OPIs）が「新しい予測」に適合しているかどうか調べる。
（14）制御部は、IPIがもっともらしいかどうか調べる。
（15）制御部は、新規なOPIsを算出して、再びステップ（4）から始める。

この実施の不利な点は、ビット・マスク74が、OPIに加えて出力部30に送信されることを必要とするということである。そのため、付加的であるか、より長いバス・メッセージ72を必要とする。

一方、この実施の利点は、これらの方法シーケンスが、選択された動作モードに関係なく、制御部および出力部において同じであり得るということである。特に、それぞれの選択されたモードに関係なく、同一のソフトウェアコードを実行できる。

すべての好適な実施形態において、安全性に関連しない出力スイッチング素子46は、第１の動作モード、第２の動作モードの両方の所定の入力信号に基づいて作動するが、安全性に関連した出力スイッチング素子38～44は、第１の動作モードのみの所定の入力信号に基づいて作動して、第２の動作モードでは開いている。

Claims (10)

1. 選択的に電気的負荷（24a、24b）のスイッチを入れ、および／またはスイッチを切るための、機械設備（10）をフェイルセーフな仕方でシャットダウンするためのスイッチング装置であって、
   所定の入力信号（20）を受信するための入力部（26）と、前記電気的負荷（24a、24b）へつながる出力スイッチング素子（38、40、42、44）を含む電流通路を有する出力部（30）とを備え、
   前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）は、それぞれ閉じた動作状態または開いた動作状態をとることができ、
   さらに、前記所定の入力信号（20）に基づいて電流通路を完成させまたは中断するために、前記所定の入力信号（20）に基づいて前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）を動作させる第１の動作モードを備える制御部（28）と、
   第１の表示状態および代替の第２の表示状態を表示できる表示素子（50、52）とを備え、
   前記表示素子（50、52）は、前記制御部（28）が第１の動作モードを実行中であり、前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）が閉じた動作状態において前記第１の表示状態を表示し、前記制御部（28）が第１の動作モードを実行中であり、前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）が開いた動作状態であるときに前記第２の表示状態を表示し、
   前記制御部（28）は、前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）が所定の入力信号（20）に関係なく電流通路を中断する第２の動作モードを備え、
   前記表示素子（50、52）は、前記制御部（28）が第２の動作モードを実行中であるときに、前記所定の入力信号（20）に基づいて、前記第１の表示状態または前記第２の表示状態を表示する、スイッチング装置。
2. 前記出力部（30）は、別の出力スイッチング素子（46）を含むさらなる電流通路を有し、
   前記制御部（28）は、前記第１の動作モードおよび第２の動作モードの両方における所定の入力信号（20）に基づいて前記別の出力スイッチング素子（46）を動作させる、請求項１に記載のスイッチング装置。
3. 前記制御部（28）は、第１の動作モードに、または第２の動作モードに選択的に入ることが可能である動作モード選択信号（34）を供給するための動作モード選択入力を備える、請求項１または請求項２に記載のスイッチング装置。
4. 前記制御部（28）は、前記第２の動作モードで前記表示素子（50、52）を動作させる、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
5. 前記出力部（30）は、前記第１の動作モードで前記表示素子（50、52）を動作させる、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
6. 互いに結合されることができるかまたは互いから分離されることができる複数の収容モジュール（58、60）を備え、その中の第１の収容モジュール（58）は前記制御部（28）を収容し、第２の収容モジュール（60）は前記出力部（30）を収容する、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
7. 前記制御部（28）および前記出力部（30）を接続する通信バス（70）を備える、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
8. 前記出力部（30）は、前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）の所定の電位に基づいて前記出力スイッチング素子の開いた動作状態または閉じた動作状態を瞬間的に表す動作状態信号を生成するリードバック回路（48）を有し、
   前記制御部（28）は、前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）の前記動作状態信号に基づく動作状態が前記所定の入力信号（20）に基づいた動作状態に１つでも対応しない場合に、前記電気的負荷（24a、24b）への電流通路を中断するように、前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）を動作させる、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
9. それぞれ実行中の動作モードを表すビット・マスク（74）を保存するマスク・メモリを備え、
   前記制御部（28）において前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）のための制御命令を表す ＯＰＩ（Output Processing Image; 出力処理イメージ）が生成され、
   前記ビット・マスク（74）は、前記ＯＰＩと結合されるべきマスク値を含み、
   前記出力部（30）において前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）を動作させるために用いる新規なＯＰＩを決定するために、前記ＯＰＩと前記マスク値との論理積がとられ、
   前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）は、前記新規なＯＰＩに基づいて制御される、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
10. 前記ビット・マスク（74）は前記第１の動作モードの前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）ごとに「１」のマスク値を含み、前記ビット・マスク（74）は前記第２の動作モードの前記出力スイッチング素子（38、40、42、44）ごとに「０」のマスク値を含む、請求項９に記載のスイッチング装置。

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