(57)【要約】【課題】対費用効果の高い安全スイッチング装置および電気負荷のスイッチを開閉する方法を提供する。【解決手段】本安全スイッチング装置１０は、第１信号素子１８のための第１ポート３２と、第２信号素子２０のための第２ポート３４と、第１スイッチングアクティベータ３６に結合される第１スイッチング装置４０と、第２スイッチングアクティベータ３８に結合される第２スイッチング装置４２とを備える。時間モニター装置６０は、信号素子１８，２０の作動間の時間が所定の最大持続時間（Ｔｍａｘ）より短い場合に限り、第１および第２スイッチングアクティベータ３６，３８を駆動する。これにより、次にスイッチング装置４０，４２が導通され、ひいては負荷２２のスイッチが入れられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気負荷（２２）、特に自動設備（１６）のスイッチを安全に開閉する安全スイッチング装置（１０）であって、
第１信号素子（１８）を接続するための第１ポート（３２）と、第２信号素子（２０）を接続するための第２ポート（３４）と、第１スイッチングアクティベータ（３６）に結合される第１スイッチング装置（４０）と、第２スイッチングアクティベータ（３８）に結合される第２スイッチング装置（４２）と、    
前記第１信号素子（１８）の作動と前記第２信号素子（２０）の作動との間の時間が所定の最大持続時間（Ｔｍａｘ）より短いならば、前記第１および前記第２スイッチングアクティベータ（３６，３８）を駆動することによって前記第１および前記第２スイッチング装置（４０，４２）が導通するように構成される時間モニター装置（６０）と、
前記第１スイッチングアクティベータ（３６）と直列に接続される、第１スイッチング素子（４８）と、前記第２スイッチングアクティベータ（３８）と直列に接続される第２スイッチング素子（５２）とを備え、
前記時間モニター装置（６０）は、前記第１および前記第２信号素子（１８，２０）の作動を検出し、かつ前記最大持続時間（Ｔｍａｘ）に達しない場合には、前記第１および前記第２スイッチング素子（４８，５２）を駆動するように設計される第１マイクロコントローラ（５６）を有することを特徴とする、安全スイッチング装置（１０）。
【請求項２】
前記第１ポート（３２）を低抵抗に切り換えることにより、前記第１スイッチングアクティベータ（３６）を駆動するための第１電流経路（６２）がつながることを特徴とする、請求項１に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項３】
前記第１信号素子（１８）は、少なくとも１つの第１常開接点（Ｓ１ａ）および１つの第１常閉接点（Ｓ１ｂ）を有し、静止状態では、前記第１常開接点（Ｓ１ａ）が開いており、前記第１常閉接点（Ｓ１ｂ）が閉じており、かつ駆動状態では、前記第１電流経路（６２）が前記第１常開接点（Ｓ１ａ）を経てつながることを特徴とする、請求項２に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項４】
前記第１スイッチング装置（４０）に関連する第１スイッチングインジケータ（６６）と、前記第２スイッチング装置（４２）に関連する第２スイッチングインジケータ（６８）とを有し、前記第１スイッチングインジケータおよび前記第２スイッチングインジケータ（６８）のそれぞれの状態は、スイッチング装置（４０，４２）の期待される状態とこのスイッチング装置（４０，４２）の実際の状態との不一致を判定するために、前記第１マイクロコントローラ（５６）によって監視されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項５】
前記第１マイクロコントローラ（５６）は、前記負荷（２２）の状態を信号で知らせるためおよび前記負荷（２２）における故障事象を識別するためのモニター入力（７０）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項６】
前記第１マイクロコントローラ（５６）と相互作用するよう設計される冗長な第２マイクロコントローラ（５８）を有し、最大持続時間（Ｔｍａｘ）に達していないと前記第２マイクロコントローラ（５８）もまた判定した場合にのみ、前記第１および前記第２スイッチングアクティベータ（３６，３８）の駆動が行われることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項７】
前記第１スイッチングアクティベータ（３６）と直列に接続される第３スイッチング素子（５０）と、前記第２スイッチングアクティベータ（３８）と直列に接続される第４スイッチング素子（５４）とを有し、これらのスイッチング素子は、前記第２マイクロコントローラ（５８）によって駆動されることを特徴とする、請求項６に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項８】
前記第２信号素子（２０）は、少なくとも１つの第２常閉接点（Ｓ２ａ）および１つの第２常開接点（Ｓ２ｂ）を有し、静止状態では、前記第２常閉接点（Ｓ２ａ）が閉じており、かつ前記第２常開接点（Ｓ２ｂ）が開いており、かつ駆動状態では、前記第２電流経路（６４）が前記第２常開接点（Ｓ２ｂ）を経てつながり、前記第１常開接点（Ｓ１ａ）は、第１電圧電位（Ｕ１）に接続するようになり、かつ前記第２常開接点（Ｓ２ｂ）は、第２電圧電位（Ｕ２）に接続することを特徴とする、請求項３〜７のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項９】
前記安全スイッチング装置（１０）の動作モードを、信号素子（１８，２０）の種類に応じて設定するためのモード設定装置（７４）を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項１０】
前記第１マイクロコントローラ（５６）は、信号素子（１８，２０）の種類を検出するように設計されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の安全スイッチング装置（１０）。
【請求項１１】
電気負荷（２２）、特に自動設備（１６）のスイッチを安全に開閉する方法であって、
第１信号素子（１８）を提供する工程と、
第２信号素子（２０）を提供する工程と、
第１スイッチングアクティベータ（３６）に結合される第１スイッチング装置（４０）を提供する工程と、
第２スイッチングアクティベータ（３８）に結合される第２スイッチング装置（４２）を提供する工程と、
前記第１スイッチングアクティベータ（３６）と直列に接続される第１スイッチング素子（４８）を提供する工程と、
前記第２スイッチングアクティベータ（３８）と直列に接続される第２スイッチング素子（５２）を提供する工程と、
前記第１信号素子（１８）の作動と前記第２信号素子（２０）の作動との間の時間が所定の最大持続時間（Ｔｍａｘ）より短いならば、前記第１および前記第２スイッチングアクティベータ（３６，３８）を駆動することによって前記第１および前記第２スイッチング装置（４０，４２）を導通させる工程とを含む、方法であって、
前記第１信号素子（１８）の作動と前記第２信号素子（２０）作動との間の時間差（Ｔ）を、第１マイクロコントローラ（５６）を用いて検出する工程と、
制御信号が、前記第１マイクロコントローラ（５６）によって、前記第１および前記第２スイッチング素子（４８，５２）に送信されることによって、前記第１および前記第２スイッチングアクティベータ（３６，３８）を駆動する工程とを特徴とする、方法。
【請求項１２】
前記第１信号素子（１８）は、安全スイッチング装置（１０）の第１ポート（３２）に接続され、かつ前記スイッチングアクティベータ（３６）を駆動する前記電流経路（６２）は、前記ポート（３２）を経てつながることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安全に電気負荷、特に自動設備のスイッチを開閉する安全スイッチング装置であって、第１信号素子のための第１ポートと、第２信号素子のための第２ポートと、第１スイッチングアクティベータに結合される第１スイッチング装置と、第２スイッチングアクティベータに結合される第２スイッチング装置とを有し、第１信号素子の作動と第２信号素子の作動との間の時間が所定の最大持続時間より短いならば、第１および第２スイッチングアクティベータを駆動することによって第１および第２スイッチング装置を導通させるように構成される時間モニター装置をさらに有し、第１スイッチング素子は、第１スイッチングアクティベータと直列に接続され、かつ第２スイッチング素子は、第２スイッチングアクティベータと直列に接続される、安全スイッチング装置に関する。
【０００２】
本発明は、さらに、安全に電気負荷、特に自動設備のスイッチを開閉する方法であって、
第１信号素子を提供する工程と、
第２信号素子を提供する工程と、
第１スイッチングアクティベータに結合される第１スイッチング装置を提供する工程と、
第２スイッチングアクティベータに結合される第２スイッチング装置を提供する工程と、
第１スイッチングアクティベータと直列に接続される第１スイッチング素子を提供する工程と、
第２スイッチングアクティベータと直列に接続される第２スイッチング素子を提供する工程と、
第１信号素子の作動と第２信号素子の作動との間の時間が所定の最大持続時間より短いならば、第１および第２スイッチングアクティベータを駆動することによって第１および第２スイッチング装置を導通させる工程とを含む、方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
そのような安全スイッチング装置およびそのような方法は、下記特許文献１から公知である。
本発明の意味での安全スイッチング装置は、欧州規格ＥＮ  ９５４−１のカテゴリー３、好ましくはカテゴリー４または同等の安全規格に少なくとも適合する任意のスイッチング装置である。これには、特に、工業生産環境の分野における安全臨界機能を制御しかつ実行するために用いられるスイッチング装置、安全制御器、およびセンサおよびアクチュエータモジュールが含まれる。
【０００４】
この場合、特に、作動押しボタン、緊急オフスイッチ、保護ドア、または任意の他の所望の信号装置の動作位置を監視し、かつこれに応じて機械または機械部の接続を切るスイッチング装置が公知である。
そのような安全スイッチング装置の故障は、機械の操作を行うオペレータにとって生命を危険にさらす結果を有することがあり、その理由から、安全スイッチング装置は、監督機関（例えば、ドイツの災害防止および保険協会、「Berufsgenossenschaft」）によって許可されている場合のみ一般に用いられる。
【０００５】
そのような安全スイッチング装置の応用が、例えば両手スイッチング装置において提供されている。そのようなスイッチング装置の機能は、典型的に、オペレータが２つの押しボタンを押す場合のみ、機械または機械部の駆動を許可することである。この場合、例えば、オペレータの左側および右側の作動が必要とされるようにして押しボタンが好適に間隔が開けられることによって配置されている。このことは、オペレータが機械を駆動するのを防ぐことを目的としているが、一方オペレータの両手の一方は、なお機械の危険領域にある。
【０００６】
装置の誤動作または誤操作の可能性を減じるために、両手スイッチング装置には、時間モニター装置が装備されることが多い。この時間モニター装置は、機械の駆動についての、すなわちある最大持続時間のみが第１および第２押しボタン、より一般的には第１および第２信号素子の作動間に経過すべきであるというさらなる条件を設定する。この最大持続時間を超えるならば、機械は、両方の押しボタンが押された場合でも駆動されない。このことは、オペレータが片手で第１押しボタンを押し、許可されていないのにロックする／クランプする、かつ次に同じ手で第２押しボタンを作動するのを防ぐことを目的としている。
【０００７】
この意味で、下記特許文献１は、安全スイッチング装置のための回路を提案している。本明細書で開示する両手スイッチングシステムの原理は、いずれの場合にも、１つのコンデンサが２つのチャネルで充電されるということに基づいている。第１押しボタンが今押されるなら、第１リレーが接続される。同時に、第２コンデンサの充電動作は、該コンデンサが電源電圧の１つの極から減結合されかつ調整可能電位計を経て電源電圧の他の極に接続されるおかげで終了される。このようにして、第２コンデンサの放電工程が開始される。第２押しボタンが今押されるならば、第２コンデンサに残っているエネルギーが第２リレーに伝えられる。短い時間しか経過しなかったならば、コンデンサの充電は、リレーを導通し閉じるには十分である。他方、あまりにも時間が経過した、すなわちコンデンサが充電され過ぎたならば、エネルギーは、第２リレーを閉じるには不十分である。この場合、負荷のスイッチを入れることができない。
【０００８】
しかしながら、提案した回路の１つの欠点は、ある状況の下では、短期間望ましくないやり方で負荷のスイッチを入れることが可能であるということである。このことは、例えば、少なくとも一時的にリレーを供給する回路は、リレーを動作位置に保持することができないが、コンデンサがリレーを経て放電される場合に当てはまる。この場合、短期間にわたって、負荷のスイッチを入れたり切ったりするが、このことは安全の観点からも設置の観点からも望ましくない。
【０００９】
さらに、コンデンサを用いてリレーを間接的に導通させる結果として、常にコンデンサ、リレーおよび電位計を互いに適合させる必要があるという欠点がある。電圧および／または温度の変化の場合には、適合工程は、規則的に繰り返される必要がある。
本出願人による，例えば製品ＰＮＯＺｅ２．１ｐおよびＰＮＯＺｅ２．２ｐ等の、電子安全スイッチング装置もまた市場で公知である。これらの装置は完全に電子的であるので、制御ループを、非常に正確に規定することができ、かつ適合または較正の必要性を避けることができる。しかしながら、単に電子的な解決策の場合には、エネルギーの流れおよび切り換え情報が別々に処理されるので、それらは、部品部分およびソフトウエアについて高レベルの複雑さを必要とする。
【特許文献１】独国特許発明第４２１５３２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本背景に対して、本発明の１つの目的は、対費用効果の高い安全スイッチング装置および電気負荷のスイッチを開閉する方法を開示することであり、誤って短期間スイッチを入れるという危険が避けられ、かつ時間監視が、より直接的に起こりかつ周囲条件を変化させる場合にも変動にさらされることが少なくなるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、冒頭に述べた種類の安全スイッチング装置において、時間モニター装置は、最大持続時間に達しない場合には、第１および第２信号素子の作動を検出しかつ第１および第２スイッチング素子をオンにするように設計される少なくとも第１マイクロコントローラを有する。
さらに、本発明の方法は、冒頭に述べた方法においてさらに、第１信号素子の作動と第２信号素子の作動との間の時間差を、第１マイクロコントローラを用いて検出する工程と、第１および第２スイッチングアクティベータを、制御信号が第１マイクロコントローラから第１および第２スイッチング素子に送信されることによって駆動する工程とが行われるものである。
【００１２】
本発明の特徴は、電気部品および電子部品がここで有利な方法で組み合わされるということにある。まず第一に、エネルギーの流れおよび入力情報の処理、たとえば「安全回路が閉鎖される」ことが、組み合わされて起こる。このことは、エネルギーの流れが、原則により、閉鎖した安全回路もまた常に必要とすることを意味している。したがって、信号素子によって制御される安全回路の専用監視は必要とされない。
【００１３】
第二に、スイッチングアクティベータ、例えばリレーの駆動は、信号素子も存在する同じ電流経路を経て実現される。結果として、短期間望ましくない方法でスイッチングアクティベータのスイッチを入れることができないようにする。
同時性の安全関連監視、すなわち信号素子の作動間にある最大持続時間を超えないことを保証するための時間監視は、少なくとも１つのマイクロコントローラを用いて安全スイッチング装置の電子部品で行われる。したがって、時間モニター装置は、非常に正確に設定されることが可能であり、かつ無視できる電圧および温度依存（または容易に補償される他の依存）のみ有する。したがって、スイッチングアクティベータのスイッチを入れることは、まず第一に、安全回路が信号素子を用いて閉じたかどうかに依存しており、さらに第二に、スイッチング素子を経た非ブロック化／解除がマイクロコントローラによって得られるということにも依存している。したがって、本発明による装置および方法は、非常に信頼性がある。
【００１４】
マイクロコントローラの使用はまた、簡単な方法で電気負荷のスイッチを入れるために満たす必要があるさらなる条件を検査する可能性を広げる。したがって、マイクロコントローラは、例えば第１および第２スイッチングアクティベータの駆動について関連があるよう意図されているさらなる信号の存在を照会することができる。
したがって、上述の目的は、全体として達成される。
【００１５】
本発明の改良形態では、第１スイッチングアクティベータを駆動するための第１電流経路は、第１スイッチングアクティベータを駆動するための第１ポートを低抵抗に切り換える必要があるように、第１ポートを経て経路指定される。
この結果、スイッチングアクティベータを駆動するために、よって例えばリレーのスイッチを入れるために満たす必要があるさらなる条件が生じる。言い換えると、このことは、第１スイッチングアクティベータの駆動を可能にするために、電流が第１ポートおよびスイッチングアクティベータの両方を経て流れなければならないことを意味している。
【００１６】
「低抵抗で」という用語は、この場合第１信号装置の第１ポートの方向に回路から作用する入力抵抗により、スイッチングアクティベータを駆動するのに十分高い電流が供給されることを意味していると理解されるべきである。抵抗が高すぎるならば、結果として生じる電流の流れは、スイッチングアクティベータを駆動するには不十分である。
入力抵抗を考慮すると、第１ポートを経て電流経路に沿うおよび第１スイッチングアクティベータを通る抵抗を考慮する必要があることに注目されたい。
【００１７】
あるいはまたはさらに、本発明は、第２スイッチングアクティベータを駆動する第２ポートを低抵抗で切り換える必要があると規定することもできる。
本発明のさらなる改良形態では、第１信号素子は、少なくとも１つの第１常閉接点および１つの第１常開接点を有し、静止状態では、第１常開接点が開いており、かつ第１常閉接点が閉じており、かつ駆動状態では、第１電流経路が第１常開接点を経て経路指定される。「駆動状態」という用語は、それぞれのスイッチングアクティベータが静止状態から動作状態まで移動された状態を意味していると理解されている。
【００１８】
そのような実施形態により、さらなる安全関連検査ができるようになる。したがって、例えば、静止状態では、常閉接点が閉じているかどうかを検査することができる。このことは、所定の設計を考慮すると、第１常閉接点をある電圧に接続する必要があるので、電圧測定を用いて起こることがある。さらに、常閉接点が開くとすぐ、第１信号素子の作動の開始を識別することができ、かつ所望の実施態様によっては、時間検出を開始することができる。
【００１９】
しかしながら、第１常開接点が閉じるときに、スイッチングアクティベータを通る電流の流れのみ可能である。故障のときに、第１常開接点が閉じないならば、第１スイッチングアクティベータを駆動することができない。第１常閉接点および第１常開接点が異なる電圧電位に依存しているので、安全スイッチング装置は、少なくとも３つの異なる状態を識別することができる。
【００２０】
第１電圧電位、例えば０ボルトが測定される場合、常閉接点が閉じているという結論を出すことが可能である。安全スイッチング装置から第１ポートに正電流も負電流も流れないならば、このことから、第１信号素子が接続されないか、中間状態が存在するかがわかり、第１常閉接点は開いたが、第１常開接点はまだ閉じていない。他方、第２電圧電位、例えば２４ボルトが検出されるならば、これによって、第１常閉接点が開き、かつ第１常開接点が閉じたという結論を出すことが可能になる。
【００２１】
あるいはまたはさらに、少なくとも１つの第２常閉接点および１つの第２常開接点と同じように第２信号素子を装備することが可能である。
本発明のさらなる改良形態では、第１スイッチングインジケータは、第１スイッチング装置に関連し、かつ第２スイッチングインジケータは、第２スイッチング装置に関連し、第１スイッチングインジケータおよび第２スイッチングインジケータのそれぞれの状態は、スイッチング装置の期待される状態とこのスイッチング装置の実際の状態との間の不一致を判定するために、第１マイクロコントローラによって監視される。
【００２２】
このことは、さらに安全性を増す。スイッチングインジケータは、この場合、特にそれぞれのスイッチング装置を用いて確実に駆動されるように配置される。このことは、それぞれのスイッチング装置の状態を、スイッチングインジケータを用いて検出することができることを意味している。このことは、スイッチング装置に対する予期せぬ状態を識別することができる限りは、安全という点で重要である。
【００２３】
例えば、第１スイッチングアクティベータが駆動されないならば、この結果、第１スイッチング装置が開くことになる。しかしながら、第１スイッチングインジケータを用いて、第１スイッチング装置がまだ閉じていることが検出されるならば、このことを故障として識別することができ、かつ停止を実行することができる。原則として、第１スイッチング装置のみまたは第２スイッチング装置のみにスイッチングインジケータを設けることも可能である。
【００２４】
本発明のさらなる改良形態では、第１マイクロコントローラは、負荷の状態を信号で知らせるためおよび負荷における故障事象を識別するためのモニター入力を有する。
この対策により、安全性をさらに増すことができる。負荷の状態に関する情報が今存在しており、かつ負荷における故障事象を識別することができるので、安全スイッチング装置自体は故障なく機能するが、第１および第２スイッチング装置がオンになるのを抑制することが可能である。
【００２５】
本発明のさらなる改良形態は、第１および第２スイッチングアクティベータの駆動が、最大持続時間に達していないと第２マイクロコントローラもまた判定した場合にのみ起こるように、第１マイクロコントローラと相互作用するよう設計される冗長第２マイクロコントローラを含む。
本対策はまた、本発明による装置または本発明による方法の安全性をさらに改良する。例えば、第１マイクロコントローラに欠陥が生じることもあり、それによって最大持続期間を超えた場合でも第１および第２スイッチングアクティベータ自体が駆動されるようになる。そのような欠陥を、第２マイクロコントローラを用いて識別しかつ取り除くことができる。
【００２６】
この場合、第１および第２マイクロコントローラは、好ましくは、互いに監視するように、かつ評価の結果において不一致があるときに、第１および第２スイッチングアクティベータの駆動が抑制されるように構成される。２つのマイクロコントローラが同じ信号によってさらに駆動されるならば、受信された信号の識別における差を、故障としても識別することができ、かつ相応して扱うことができる。
【００２７】
本発明のさらなる改良形態では、第３スイッチング素子は、第１スイッチングアクティベータと直列に接続され、かつ第４スイッチング素子は、第２スイッチングアクティベータと直列に接続され、該スイッチング素子は、第２マイクロコントローラによって駆動される。
このことは、フェイルセーフ性を増すためのさらなる態様である。例えば、万一第１スイッチングアクティベータを通る電流の流れが今起こったら、第１および第３スイッチング素子を、ともにオンにする必要がある。これらの素子の一方のみがオフであれば、スイッチングアクティベータを駆動することができず、かつ第１スイッチング装置がオンにならないようにされる。
【００２８】
本発明のさらなる改良形態では、第２信号素子は、少なくとも１つの第２常閉接点および１つの第２常開接点を有し、静止状態では、第２常閉接点が閉じており、かつ第２常開接点が開いており、かつ駆動状態では、第２電流経路が第２常開接点を経て経路指定され、第１常開接点は、第１電圧電位に第１接続するようなり、かつ第２常開接点は第２電圧電位に第２接続するようになる。
【００２９】
本改良形態には、このように、スイッチングアクティベータの駆動がクロスオーバの場合に抑制されるおかげで、さらなる安全関連態様が加わる。
本発明のさらなる改良形態は、安全スイッチング装置の動作モードを、信号素子の種類に応じて設定するためのモード選択装置を含む。
いくつかの応用では、信号装置が簡単な常開接点の形であれば十分である。しかしながら、安全の理由で、信号装置が常閉接点と常開接点との組合せの形であれば有利である。異なる信号装置が、異なる状態シーケンスを通ることができるので、対応する回路は、用いられる信号装置に適合される必要がある。改良形態は、回路を簡単にさまざまな信号装置に合わせることができるように、好ましくは第１および／または第２マイクロコントローラにモード選択装置を一体化する有利なオプションを提供する。
【００３０】
第１の種類（常開接点のみ）の信号装置が用いられるならば、モード選択装置は、マイクロコントローラのみが常開接点の開閉を監視するという効果を有する。他方、第２の種類（常閉接点と常開接点との組合せ）の信号装置が用いられるならば、マイクロコントローラは、信号素子の常閉接点についても常開接点についてもこの監視を行うことができる。その結果、動作シーケンスの故障を判定することができ、かつ妥当性検査を行うことができる。
【００３１】
本発明の１つの改良形態では、第１マイクロコントローラは、信号素子の種類を検出するように設計される。
このようにして、他方、モード選択装置の構成を、簡単な方法で行うことができる。しかしながら、第二に、行われる調整のための妥当性検査を行うことも可能である。したがって、例えば、構成工程を、電気負荷の第１の使用の前に要求することができ、かつこの構成工程は、信号素子の作動を必要とする。
【００３２】
マイクロコントローラが、例えば、「高抵抗」、「電圧電位」および「高抵抗」という状態を判定する場合、第１の種類の信号装置が監視ポートで接続されると結論づけることが可能である。他方、例えば、「第１電圧電位」、「高抵抗」および「第２電圧電位」というシーケンスが生じる場合、これは、第２の種類の信号装置が押されるということの表れである。この情報を、動作モードを設定するために、または動作モードが他の方法で予め定められるならば、動作モードを検査するために今用いることができる。
【００３３】
上述の特徴および以下でなお説明すべき特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、それぞれ与えられた組み合わせのみならず、他の組み合わせでまたは単独で用いることができるということを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の例証的な実施形態を、図面に詳細に示し、かつ以下の説明でより詳細に説明する。
図１において、新規安全スイッチング装置１０を含む構成を、全体として参照番号１２によって示す。この場合の構成１２は、電源１４、機械１６、ならびに第１信号装置１８および第２信号装置２０が接続される安全スイッチング装置１０を含む。
【００３５】
機械１６は、負荷２２であり、当該負荷２２は、第１信号素子１８の作動と第２信号素子２０の作動との間の期間Ｔが所定の最大持続時間Ｔｍａｘ以下である場合にのみ、作業動作のためにスイッチ・オンされる負荷２２である。
機械１６をスイッチ・オンするために、安全スイッチング装置１０は、その作業接点２８，３０が電源１４と機械１６との間で接続されるように配置される２つの接触器２４，２６を駆動する。機械１６は、両方の接触器２４，２６が、それらの作業接点２８，３０を閉じる場合にのみ作業動作を行うことができる。
【００３６】
信号素子１８，２０の作動前または作動中に故障が識別されるならば、接触器２４，２６の少なくとも一方は係合しない。その結果、機械１６は、電流が流れないままである。作業接点２８，３０が接続された時点で故障が識別されるならば、接触器２４，２６の少なくとも一方の非係合によって機械１６の電源を切ることができる。
安全スイッチング装置１０の好ましい実施形態を以下で説明する。この場合、同じ参照符号は、前と同じ要素を示す。
【００３７】
図２は、安全スイッチング装置１０の簡略化された回路図を示す。第１ポート３２には、第１常開接点Ｓ１ａおよび第１常閉接点Ｓ１ｂを有する第１信号素子１８が接続される。第１常開接点Ｓ１ａは、その一方側では、第１ポート３２の常閉接点Ｓ１ｂに接続される。その他方側では、第１常開接点Ｓ１ａは、第１端子Ｋ１の第１電圧電位Ｕ１に接続される。他方、常閉接点Ｓ１ｂは、第２端子Ｋ２の第２電圧電位Ｕ２に接続される。第２ポート３４には、第２信号素子２０が接続される。第２素子２０は、それぞれ第２ポート３４側の一端で互いに接続される第２常開接点Ｓ２ｂおよび第２常閉接点Ｓ２ａを有する。それぞれの残りの側では、第２常開接点Ｓ２ｂは、第２端子Ｋ２の第２電圧電位Ｕ２に接続され、かつ第２常閉接点Ｓ２ａは、第１端子Ｋ１の第１電圧電位Ｕ１に接続される。
【００３８】
安全スイッチング装置１０は、第１スイッチングアクティベータ３６および第２スイッチングアクティベータ３８を有する。本実施形態では、スイッチングアクティベータ３６，３８は、各々リレーのコイルの形である。第１スイッチングアクティベータ３６は、第１スイッチング装置４０と相互作用し、かつ第２スイッチングアクティベータ３８は、第２スイッチング装置４２と相互作用する。第１スイッチングアクティベータ３６に十分高い電流が流れるならば、スイッチング装置４０は閉じる。第２スイッチングアクティベータ３８に十分高い電流が流れるならば、スイッチング装置４２が閉じる。２つのスイッチング装置４０，４２が閉じている場合のみ、電流は出力端子４４，４６間を流れることができる。
【００３９】
第１スイッチング素子４８および第３スイッチング素子５０は、第１スイッチングアクティベータ３６と直列に接続される。したがって、第１スイッチングアクティベータ３６を通る電流の流れについて、第１スイッチング素子４８および第３スイッチング素子５０の両方がオンにされることが絶対に必要である。このことは、第２スイッチングアクティベータ３８と直列に接続される第２スイッチング素子５２および第４スイッチング素子５４に対応して当てはまる。
【００４０】
スイッチング素子４８，５０，５２，５４は、この場合、トランジスタの形である。この場合、第１スイッチング素子４８および第２スイッチング素子５２は、第１マイクロコントローラ５６によってそれぞれベース駆動される。第３スイッチング素子５０および第４スイッチング素子５４は、第２マイクロコントローラ５８によってそれぞれベース駆動される。マイクロコントローラ５６，５８、およびマイクロコントローラ５６，５８用の配線は、故障を識別することができるように冗長であるよう設計される。
【００４１】
マイクロコントローラ５６，５８は時間モニター装置６０の一部分であって、第１信号素子１８の作動と第２信号素子２０の作動との間が所定の最大持続時間に達しなかった場合のみ、第１および第２スイッチングアクティベータ３６，３８を駆動することによって、第１および第２スイッチング装置４０，４２がオンになるように設計される。
第１および第３スイッチング素子４８，５０がオンにされるならば、第１電流経路６２を、第１スイッチングアクティベータ３６を経てつなぐことができる。そのような第１電流経路６２をつなぐことができるように、第１ポート３２を低抵抗で切り換える必要がある。さもないとスイッチングアクティベータ３６を通して電流が流れないか、または流れても不十分である。よって、第１ポート３２の方向の第１スイッチングアクティベータ３６から見ると、第１ポート３２は（高抵抗で）開いているべきではない。そのためには、低抵抗素子を、第１ポート３２を、この場合第１常開接点Ｓ１ａで接続する必要がある。したがって、第１および第３スイッチング素子４８，５０を簡単にオンにするだけでは、第１電流経路６２を確立するのに不十分である。
【００４２】
本解決策の特徴は、第２スイッチングアクティベータ３６が、第１ポート３２に接続されず、端子Ｋ１の電位に直接接続されるという、代わりのケースが考慮される場合に識別することができる。この場合、第１電流経路６２は、第１および第３スイッチング素子４８，５０がオンになるときはいつでも確立することができるだろう。したがって、第１電流経路６２は、第１ポート３２の状態とは無関係に生じることがあるだろう。
【００４３】
また、いったん第２および第４スイッチング素子５２，５４がオンになると、第２スイッチングアクティベータ３８を流れる第２電流経路６４についても同じ状況が生じる。この場合、第２ポート３４を、この場合第２常開接点Ｓ２ｂを用いて低抵抗に切り換える必要がある。
安全スイッチング装置１０はまた、第１スイッチング装置４０に関連する第１スイッチングインジケータ６６、および第２スイッチング装置４２に関連する第２スイッチングインジケータ６８を有する。
【００４４】
スイッチングインジケータ６６，６８の機能を、第１スイッチングインジケータ６６について説明する。
通常の動作について、第１スイッチング装置４０は、第１電流経路６２が存在している場合に閉じており、かつ第１スイッチング装置４０は、第１電流経路６２が遮断されている場合に開いていると仮定する。
【００４５】
しかしながら、故障のときには、第１スイッチング装置４０が、第１電流経路６２の存在にもかかわらず開いたままであり、または第１スイッチング装置４０が、第１電流経路６２の遮断にもかかわらず閉じたままであるという状況が生じることがある。
そのような故障事象を識別するための可能な解決策は、第１スイッチング装置４０に直接結合される第１スイッチングインジケータ６６である。したがって、第１スイッチング装置４０の状態を、スイッチングインジケータ６６の状態によって決定することができる。
【００４６】
図示した実施形態では、第１スイッチング装置４０が実際に開いている場合のみ第１スイッチングインジケータ６６が閉じているように選択される。マイクロコントローラ５６,５８の少なくとも一方が、スイッチング装置４０の期待した切り換え状態が、第１スイッチングインジケータ６６を用いて決定された切り換え状態からずれていることを検出するならば、このことは、故障事象として識別され、かつ相応して扱われるだろう。
【００４７】
また、前の記述を、第２スイッチングインジケータ６８の場合に読み替えることもできる。
安全スイッチング装置１０内の故障を判定する上述の可能性に加えて、図示した安全スイッチング装置１０は、故障識別のためのさらなる機構を有する。この目的のために、第１および第２マイクロコントローラ５６，５８は、各々モニター入力７０を有する。モニター入力７０は、電気負荷２２の信号出力を接続することができる制御接続部７２に接続される。負荷２２の無故障動作は、専用信号または専用信号レベルによって、マイクロコントローラ５６，５８を通して示される。
【００４８】
図示した実施形態では、マイクロコントローラ５６，５８は、電気負荷２２が制御接続部７２で電気接続されるようにし、かつこの電気接続は、端子Ｋ１の第１電圧電位Ｕ１に戻るモニター入力７０の電圧レベルを生じさせる。期待した電圧レベルが不足している場合、故障を想定することができ、かつスイッチング装置４０，４２は、開いたままである、または開かれる。
【００４９】
図示した安全スイッチング装置１０のさらなる特徴は、この場合マイクロコントローラ５６，５８に一体化されるモード選択装置７４である。モード選択装置７４を用いて、安全スイッチング装置１０の動作モードを設定することが可能である。この場合、動作モードを、特に、信号素子１８，２０の種類に応じて設定することができる。
モード選択装置７４の動作を説明する前に、まず、安全スイッチング装置１０の一般的な機能を説明する。
【００５０】
静止状態では、安全スイッチング装置１０は、図２に示されたようになる。常開接点Ｓ１ａ，Ｓ２ａおよびスイッチング装置４０，４２は、開いている。常閉接点Ｓ１ｂ，Ｓ２ａおよびスイッチングインジケータ６６，６８は、閉じている。スイッチング素子４８，５０，５２，５４はオフである。動作電圧ＵＢは、端子Ｋ１とＫ２との間に存在する。ここでは、一例として、端子Ｋ１が、＋２４ボルトの第１電圧電位Ｕ１であり、かつ端子Ｋ２が、０ボルトの第２電圧電位Ｕ２であると仮定する。また、負荷２２は、故障を信号で知らせておらず、よって制御接続部７２で導電接続が提供されていると仮定する。
【００５１】
さて、負荷２２のスイッチを入れるために、オペレータがまず信号素子１８を操作するとする。このため、まず第一に、第１常閉接点Ｓ１ｂが開き、かつその後第１常開接点Ｓ１ａが閉じる。
マイクロコントローラ５６，５８の観点から、このことは、静止状態では０ボルトの電圧がかけられている第１ポート３２は、第１常開接点Ｓ１ａおよび第２常閉接点Ｓ１ｂが同時に開いているので、最初は高抵抗にあることを意味している。いったん第１常開接点Ｓ１ａが閉じると、次に２４ボルトの電圧が第１ポート３２に生ずる。
【００５２】
同時に、第１ポート３２は、第１常開接点Ｓ１ａのみが低抵抗を示すので、電流経路６２に関して今では低抵抗値に達している。第１ポート３２のこの状態は、第１常閉接点Ｓ１ｂのみが閉じられるならば生じない。第１常閉接点Ｓ１ｂが第１電流経路６２にないからである。
本シーケンスまたは本シーケンスの一部は、マイクロコントローラ５６，５８によって、信号素子１８の完全な作動および時間測定の開始として識別される。第１スイッチング素子３６に２４ボルトの電圧が今すでに存在しているが、第１および第３スイッチング素子４８，５０がまだオフであるので、第１電流経路６２は遮断されたままである。
【００５３】
つぎに第２信号素子の作動により、まず第２常閉接点Ｓ２ａが開くようになり、その後第２常開接点Ｓ２ｂが閉じるようになる。よって、第２ポート３４は、２４ボルト、高抵抗、０ボルトという順で変わる。
同時に、第２ポート３４は、第２常開接点Ｓ２ｂのみが低抵抗を示すので、電流経路６４に関連して今では低抵抗値に達している。第２ポート３４のこの状態は、第２常閉接点Ｓ２ａのみが閉じられるならば生じないだろう。第２常閉接点Ｓ２ａが第２電流経路６４にないからである。
【００５４】
本シーケンスは、第２信号素子２０の完全な作動として、マイクロコントローラ５６，５８によって把握される。時間測定が終了し、時間測定の開始と終了との間に経過した持続時間が、規定された最大持続時間以下であるならば、マイクロコントローラ５６，５８は、スイッチング素子４８，５０，５２，５４をスイッチ・オンする。
スイッチング素子４８，５０，５２，５４がオンにされる結果、第１電流経路６２は、第１スイッチングアクティベータ３６によって閉じられ、かつ第２電流経路６４は、第２スイッチングアクティベータ３８によって閉じられる。スイッチングアクティベータ３６，３８の駆動によって、次にスイッチング装置４０，４２が閉じ、かつスイッチングインジケータ６６，６８が開く。したがって、負荷２２は、スイッチが投入され、かつその作業動作を行うことができる。
【００５５】
信号素子１８，２０の一方のオペレータがもはや該信号素子を作動しなくなるとすぐ、第１常開接点Ｓ１ａおよび／または第２常開接点Ｓ２ｂが開き、次に第１および／または第２電流経路６２，６４を直接遮断する。この結果、スイッチング装置４０，４２が開き、かつ負荷２２の接続が切断される。
この切断は、マイクロコントローラ５６，５８の応答と無関係に、かつスイッチング素子４８，５０，５２，５４の状態と無関係に起こることに注目されたい。しかしながら、マイクロコントローラ５６，５８は、少なくとも１つの信号装置１８，２０に作動がないことを登録するので、スイッチング素子４８，５０，５２，５４は、再びオフにされる。さらに、スイッチングインジケータ６６，６８を今確認することができるので、かつ万一スイッチング装置４０，４２がまだ閉じているなら、故障を信号で知らせることができる。
【００５６】
まとめとして、いままで図示した安全スイッチング装置１０の２つの特徴の詳細を再び説明する。
まず第一に、安全スイッチング装置１０は、電気部品および電子部品の特に有利な組合せを示している。それぞれの電流経路６２，６４は、スイッチングアクティベータ３６，３８および対応するスイッチング素子４８，５０，５２，５４を経て実現される。他方、時間モニター装置６０は、電子構造を有し、よって高い精度を提供する。比較的安価なかつ同時に確実な電気構造の電子時間モニター装置６０との組合せにより、非常に良好な価格／性能比の安全スイッチング装置１０が実現される。
【００５７】
第二に、安全スイッチング装置１０は、スイッチング装置４０，４２が閉じられるのに、第１常開接点Ｓ１ａおよび第２常開接点Ｓ２ｂを経る閉鎖電流経路６２，６４が常に必要とされるために、特に高度の安全性を提供する。このことは、スイッチング素子４８，５０，５２，５４にイネーブル信号が与えられる場合でも、常開接点Ｓ１ａ，Ｓ２ｂが閉じていなければ、負荷２２のスイッチを入れることができないことを意味している。
【００５８】
さて、モード選択装置７４を説明するために、図３を参照する。同じ参照符号は、以前と同じ要素を示す。
安全スイッチング装置１０を、この場合、単にブロックとして図示する。
上で既に説明したように、第１信号素子１８が非作動状態から作動状態まで移るときに、０ボルト、高抵抗、２４ボルトの状態シーケンスを、第１ポート３２で識別することができる。第２信号素子２０についてのこのシーケンスは、２４ボルト、高抵抗、０ボルトである。信号素子１８，２０を作動状態から非作動状態まで変化させると、これらのシーケンスは、いずれの場合にも逆の形をとる。
【００５９】
さて、信号素子１８，２０に各々１つの常開接点Ｓ１ａ,Ｓ２ｂのみ装備される図４を考慮すれば、第１ポート３２は、信号素子１８が作動される場合には、高抵抗状態から２４ボルトまで変化する。第２ポート３４は、相応して高抵抗から０ボルトまで変化する。信号素子１８，２０がもはや作動されないなら、２つのポート３２，３４は、高抵抗状態まで戻る。
【００６０】
モード選択装置７４を用いて、どの種類の信号素子１８、２０が安全スイッチング装置１０に接続されるかを前もって設定することが可能である。したがって、マイクロコントローラ５６，５８は、信号素子１８，２０の作動または解除にもとづいて、あるシーケンスを期待する。実際に決定されたシーケンスが、期待されるシーケンスからずれているならば、このことを、故障として出力することができ、かつ負荷２２のスイッチが入れられないようにすることができる。例えば、モード選択装置７４は、常閉接点と常開接点との組合せが信号素子１８，２０として期待されるように構成されているが、実際に図４に示すような信号素子１８，２０が接続されるならば、静止状態では、高抵抗状態がポート３２，３４に予期せず表示される。次に、安全スイッチング装置１０は、これに応答することができる。
【００６１】
しかしながら、接続される信号素子１８，２０の種類を検出するために、モード選択装置７４を用いることもできる。例えば、この目的のために、オペレータが、信号素子１８，２０を作動し、かつ次に該信号素子を解除する第１工程を提供することができる。この場合に生じる特定のシーケンスを用いて、それらがどの種類の信号素子１８，２０であるかを判定することが可能である。次に、前記工程において判定される種類を、シーケンスにおけるその後の変化が、新規構成としてではなく故障事象として識別されるように記録することができる。したがって、モード選択装置７４は、同時に、故障識別のためのさらなる機構を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】安全スイッチング装置を持つ装置の設計の一例を示す。
【図２】２つの信号装置を持つ安全スイッチング装置の基本設計を示す。
【図３】図２の簡略化された図を、ブロック回路図として示す。
【図４】異なる種類の信号装置の代わりの使用を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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