(57)【要約】      （修正有）【課題】センサのアナログ入力信号のフェイルセーフ読み取りのための入力回路で、過電圧の発生によって生じる損傷に対する保護が改善された、フェイルセーフスイッチング装置を提供する。【解決手段】センサが接続可能な第１入力端子１６および第２入力端子１７と、第１入力端子１６に接続され電流測定装置１０ａを有する第１電流−測定信号変換器２．１と、第１電流−測定信号変換器２．１を流れる最大電流を制限するように構成された限流装置１８と、第２入力端子１７に接続され電流測定装置１０ｂを有し、第１電流−測定信号変換器２．１と電気的に直列に接続された第２電流−測定信号変換器２．２と、出力信号間の偏差が予め定めた閾値を越える場合、電流−測定信号変換器２．１，２．２の欠損を検出する検査装置３０とを備える。【選択図】図２
2019091452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのセンサ（１．１）のアナログ入力信号のフェイルセーフ読み取りのための入力回路（２）であって、
センサ（１．１）が接続可能な、第１入力端子（１６）および第２入力端子（１７）と、
第１入力端子（１６）に接続され、電流測定装置（１０ａ，２０ａ）を有する第１電流−測定信号変換器（２．１）とを含み、該電流測定装置は、入力回路（２）の動作中、アナログ入力信号から第１出力信号を決定するように構成されてなる、入力回路（２）において、
入力回路（２）は、
限流装置（１８，１９）であって、第１電流−測定信号変換器（２．１）内に形成され、動作中、第１電流−測定信号変換器（２．１）を流れる最大電流を制限するように構成された限流装置（１８，１９）と、
少なくとも１つの第２電流−測定信号変換器（２．２）であって、第２入力端子（１７）に接続され、電流測定装置（１０ｂ，２０ｂ）を有し、入力回路（２）の動作中、アナログ入力信号から第２出力信号を決定するように構成され、第１電流−測定信号変換器（２．１）と第２電流−測定信号変換器（２．２）とは、電気的に直列に接続された、第２電流−測定信号変換器（２．２）と、
検査装置（３０）であって、２つの電流−測定信号変換器（２．１，２．２）に接続され、出力信号間の偏差が、予め定めた、または予め定めることが可能である閾値を越える場合、電流−測定信号変換器（２．１，２．２）の欠損を検出するために、第１出力信号を第２出力信号と比較するように構成された検査装置と、
を備えることを特徴とする入力回路（２）。
【請求項２】
各電流測定装置（１０ａ，２０ａ，１０ｂ，２０ｂ）は、シャント抵抗器（１０．１，１０．２，２０．１，２０．２）と、それに並列に接続された増幅器、特にオペアンプ（１１．１，１１．２，２１．１，２１．２）を、シャント抵抗器（１０．１，１０．２，２０．１，２０．２）を介して降下する電圧の測定と増幅のために備えていることを特徴とする、請求項１に記載の入力回路（２）。
【請求項３】
限流装置（１８，１９）は、シリーズレギュレータを形成し、該シリーズレギュレータは、バイポーラトランジスタ（１２，２２）と、直列抵抗器（１４，２５）を備えたツェナーダイオード（１３，２３）とを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の入力回路（２）。
【請求項４】
バイポーラトランジスタ（１２，２２）は、エミッタフォロワとして接続されることを特徴とする、請求項３に記載の入力回路（２）。
【請求項５】
バイポーラトランジスタ（１２，２２）は、エミッタとコレクタとを備え、それらの間には、抵抗（２６）が、入力回路（２）における過電圧の場合に電力損失を受け入れるために設けられていることを特徴とする、請求項３または４に記載の入力回路（２）。
【請求項６】
入力回路（２）の第１入力端子（１６）とバイポーラトランジスタ（１２，２２）のエミッタとの間に、限界電流を規定するための抵抗器（２４）が設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の入力回路（２）。
【請求項７】
入力回路（２）は、限流装置（１８，１９）の機能を試験することが可能であるように構成される試験装置（１５，２７）を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の入力回路（２）。
【請求項８】
試験装置（１５，２７）は、入力回路（２）の、第１入力端子（１６）と第２入力端子（１７）との間で降下する電圧を測定するように構成されることを特徴とする、請求項７に記載の入力回路（２）。
【請求項９】
試験装置（１５，２７）は、限流装置（１８，１９）を介して降下する電圧を測定するように構成されることを特徴とする、請求項７に記載の入力回路（２）。
【請求項１０】
試験装置（１５，２７）は、限流装置（１８，１９）と第１電流−測定信号変換器（２．１）の電流測定装置（１０ａ，２０ａ）とを介して降下する電圧を測定するように構成されることを特徴とする、請求項７に記載の入力回路（２）。
【請求項１１】
自動作動装置において、ユーザ（７）が安全にスイッチをオフとするためのフェイルセーフスイッチング装置（１００）であって、
入力回路（２）であって、アナログセンサ（１．１）のアナログ入力信号をフェイルセーフ読み取りするように、そして、アナログ入力信号を少なくとも１つのアナログ出力信号に変換するように構成されてなる入力回路（２）と、
アナログ−デジタル変換器（３．１，３．２）であって、入力回路（２）の少なくとも１つの出力信号を少なくとも１つのデジタル信号に変換するように構成されてなるアナログ−デジタル変換器（３．１，３．２）と、
制御および評価ユニット（４）であって、少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器（３．１，３．２）のデジタル信号を受信して、処理する制御および評価ユニット（４）と、
少なくとも１つのアクチュエータ（６．１，６．２）であって、制御および評価ユニット（４）およびユーザ（７）に接続されて、デジタル信号に依存して制御可能であるアクチュエータ（６．１，６．２）とを含む、フェイルセーフスイッチング装置（１００）において、
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の入力回路（２）が実行されることを特徴とするフェイルセーフスイッチング装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのセンサのアナログ入力信号のフェイルセーフ読み取りのための入力回路に関し、該入力回路は、センサが接続可能な、第１入力端子および第２入力端子と、第１入力端子に接続され、電流測定装置を有する第１電流−測定信号変換器とを含み、該電流測定装置は、入力回路の動作中、アナログ入力信号から第１出力信号を決定するように構成されてなる。さらにまた、本発明は、自動作動装置において、ユーザが安全にスイッチをオフとするためのフェイルセーフスイッチング装置に関し、該フェイルセーフスイッチング装置は、入力回路であって、アナログセンサのアナログ入力信号をフェイルセーフ読み取りするように、そして、アナログ入力信号を少なくとも１つのアナログ出力信号に変換するように構成されてなる入力回路と、アナログ−デジタル変換器であって、入力回路の少なくとも１つの出力信号を少なくとも１つのデジタル信号に変換するように構成されてなるアナログ−デジタル変換器と、制御および評価ユニットであって、少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器のデジタル信号を受信して、処理する制御および評価ユニットと、少なくとも１つのアクチュエータであって、制御および評価ユニットおよびユーザに接続されて、デジタル信号に依存して制御可能であるアクチュエータとを含む。
【背景技術】
【０００２】
自動作動装置は、長年にわたり、ますます重要な役割を果たしてきており、広く普及してきている。この意味において、たとえば、工業用生産プロセスにおける自動作動装置、人または物を輸送するための自動作動装置、またはビルオートメーション化技術に利用される装置などが挙げられる。このような技術装置の場合、人または物の損傷防止のための安全性の観点が、ますます重要になる。なぜなら自動作動装置からは、種々の危険が生まれるおそれがあり、これらは特に、誤った操作によって、または、装置が動作しているときの間違いによって起こり得るものである。
【０００３】
自動作動装置の安全対策には、たとえば、光電センサ、光バリア、保護フェンスなどによる防護領域装置や、装置（または装置の一部）を安全にオフとすることを可能にする、非常用スイッチの利用などがある。自動作動装置の中心的な構成要素は、通信リンク内のセンサやアクチュエータと、たとえばフィールドバスを介してつながるフェイルセーフスイッチング装置である。フェイルセーフスイッチング装置は、特に、プログラム可能なフェイルセーフコントローラとして構成され得る評価および制御ユニットを備えることが可能である。フェイルセーフスイッチング装置は、デジタル入力信号を受信するためのデジタル入力部に加えて、アナログ入力部であって、それを介して、フェイルセーフスイッチング装置に、センサのアナログ測定信号を供給することが可能であるアナログ入力部を含んでもよい。単に例示であるが、これに代えて、フェイルセーフスイッチング装置に、アナログ測定信号、特に、アナログ電流信号を供給することが可能である、アナログ圧力センサ、温度センサ、速度センサまたは流量センサであってもよい。フェイルセーフスイッチング装置のアナログ入力部に直接接続できるセンサの例としては、エネルギ供給と測定信号が共通のケーブルを介して行われる、いわゆる２線式センサがある。さらにまた、３線式センサと４線式センサも利用される。
【０００４】
動作中にセンサによって検出される実際の測定値は、適切な方法でセンサによってレベルに標準化され、したがって、センサは、ある種の信号（たとえば、電流または電圧）と、数値（たとえば、規格ＥＮ６１１３１−２：２００７に従えば、電流信号の場合０ｍＡ〜２０ｍＡ、または電圧信号の場合０Ｖ〜１０Ｖ）からなり、フェイルセーフスイッチング装置の入力回路のためのアナログ入力信号を形成する標準化されたアナログ測定信号を出力する。
【０００５】
アナログセンサ信号をフェイルセーフスイッチング装置に送信するには、入出力ケーブルと低抵抗入力部を備えた電流インタフェースを使用することが好ましい。これらは、特に、比較的長距離のケーブルであっても干渉に反応しないという特徴がある。電流が０ｍＡ（すなわち測定範囲の始まり）においては、電流は流れておらず、したがってセンサはそれを駆動可能とするための外部電源を必要とするので、０ｍＡ〜２０ｍＡの信号のタイプは、適していない、または、条件付きで、前述の２線式センサに適しているだけであることがわかる。したがって、測定信号としてアナログ電流信号を供給するセンサの場合、４ｍＡ〜２０ｍＡの間の利用可能な信号帯域がしばしば利用される。したがって、センサがゼロ信号の場合にも、４ｍＡの電流が流れ、従って全信号帯域において（測定範囲の始まりにおいても）センサにエネルギを供給することができる。アナログ入力信号のフェイルセーフ読み取りのための入力回路は、典型的には、０ｍＡと２５ｍＡの間の範囲の電流を測定するように構成されている。４ｍＡ〜２０ｍＡの本来の作業領域外にある入力信号を検出すると、それらはエラーとみなされる。たとえば、出力および入力ケーブルにおいて、ケーブルの破損が生じたときには、フェイルセーフスイッチング装置への信号伝送が遮断される。入力回路は、作業範囲外にある０ｍＡの電流を失い、したがってこのエラーを検出がすることが可能である。
【０００６】
規格ＥＮ６１１３１−２：２００７に従えば、入力回路の入力抵抗は３００Ω以下でなければならない。この入力抵抗に２４Ｖの電圧がかかると、この抵抗において１．９２Ｗの電力が変換される。３０Ｖの電圧の場合、入力抵抗で変換された電力はそれに対して３Ｗである。アナログ回路においてしばしば利用される抵抗のタイプは、いわゆるＭｉｎｉ−ＭＥＬＦ抵抗で、これは表面実装デバイス設計で実施される。典型的には、このタイプのＭｉｎｉ−ＭＥＬＦ抵抗は、長さがおよそ３．６ｍｍで、直径がおよそ１．４ｍｍである。これは典型的な電力損失０．２５Ｗを有している。３０Ｖの入力電圧の場合、上述の規格に対応して、入力回路の入力抵抗を３００Ωに規定するためには、１２種類のＭｉｎｉ−ＭＥＬＦ抵抗を利用せねばならない。電流測定に使用することができる、適切な大きさの単一の抵抗（シャント抵抗器）も可能である。比較的大きな場所が必要であるので、入力回路に電流を流れる電流を測定するために電圧降下を測定することが可能である抵抗は、通常、３０Ｖの過電圧用に構成されてはいない。 
【０００７】
たとえば、本発明の出願人は、“ＰＳＳｕ”という記載では、１１５Ωの入力抵抗（シャント抵抗器）を有し、４０ｍＡの最大連続電流用に構成されてなる、入力回路を有する入力モジュールを意味している。最大入力電流は、４．６Ｖの入力電圧においてすでに達成されている。より高い入力電圧が印加された場合、シャント抵抗器は、破壊される可能性があり、したがって、入力モジュールは、もはや機能しなくなり、交換が必要になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、少なくとも１つのセンサのアナログ入力信号のフェイルセーフ読み取りのための入力回路、および、特に過電圧の発生によって生じる損傷に対する入力回路の保護が改善された、冒頭で挙げたタイプのフェイルセーフスイッチング装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題に対する解決手段は、請求項１の特徴部分の特徴を有する上述のタイプの入力回路を提供する。フェイルセーフスイッチング装置に関して、この課題は、請求項１１の特徴部分の特徴を有するフェイルセーフスイッチング装置によって達成される。従属請求項は、本発明の好適な実施形態に関する。
【００１０】
さらに詳しくは、本発明は、少なくとも１つのセンサ（１．１）のアナログ入力信号のフェイルセーフ読み取りのための入力回路（２）であって、
センサ（１．１）が接続可能な、第１入力端子（１６）および第２入力端子（１７）と、
第１入力端子（１６）に接続され、電流測定装置（１０ａ，２０ａ）を有する第１電流−測定信号変換器（２．１）とを含み、該電流測定装置は、入力回路（２）の動作中、アナログ入力信号から第１出力信号を決定するように構成されてなる、入力回路（２）において、
入力回路（２）は、
限流装置（１８，１９）であって、第１電流−測定信号変換器（２．１）内に形成され、動作中、第１電流−測定信号変換器（２．１）を流れる最大電流を制限するように構成された限流装置（１８，１９）と、
少なくとも１つの第２電流−測定信号変換器（２．２）であって、第２入力端子（１７）に接続され、電流測定装置（１０ｂ，２０ｂ）を有し、入力回路（２）の動作中、アナログ入力信号から第２出力信号を決定するように構成され、第１電流−測定信号変換器（２．１）と第２電流−測定信号変換器（２．２）とは、電気的に直列に接続された、第２電流−測定信号変換器（２．２）と、
検査装置（３０）であって、２つの電流−測定信号変換器（２．１，２．２）に接続され、出力信号間の偏差が、予め定めた、または予め定めることが可能である閾値を越える場合、電流−測定信号変換器（２．１，２．２）の欠損を検出するために、第１出力信号を第２出力信号と比較するように構成された検査装置と、
を備えることを特徴とする入力回路（２）である。
【００１１】
本発明において、各電流測定装置（１０ａ，２０ａ，１０ｂ，２０ｂ）は、シャント抵抗器（１０．１，１０．２，２０．１，２０．２）と、それに並列に接続された増幅器、特にオペアンプ（１１．１，１１．２，２１．１，２１．２）を、シャント抵抗器（１０．１，１０．２，２０．１，２０．２）を介して降下する電圧の測定と増幅のために備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、限流装置（１８，１９）は、シリーズレギュレータを形成し、該シリーズレギュレータは、バイポーラトランジスタ（１２，２２）と、直列抵抗器（１４，２５）を備えたツェナーダイオード（１３，２３）とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、バイポーラトランジスタ（１２，２２）は、エミッタフォロワとして接続されることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、バイポーラトランジスタ（１２，２２）は、エミッタとコレクタとを備え、それらの間には、抵抗（２６）が、入力回路（２）における過電圧の場合に電力損失を受け入れるために設けられていることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、入力回路（２）の第１入力端子（１６）とバイポーラトランジスタ（１２，２２）のエミッタとの間に、限界電流を規定するための抵抗器（２４）が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
本発明において、入力回路（２）は、限流装置（１８，１９）の機能を試験することが可能であるように構成される試験装置（１５，２７）を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明において、試験装置（１５，２７）は、入力回路（２）の、第１入力端子（１６）と第２入力端子（１７）との間で降下する電圧を測定するように構成されることを特徴とする。
【００１８】
本発明において、試験装置（１５，２７）は、限流装置（１８，１９）を介して降下する電圧を測定するように構成されることを特徴とする。
【００１９】
本発明において、試験装置（１５，２７）は、限流装置（１８，１９）と第１電流−測定信号変換器（２．１）の電流測定装置（１０ａ，２０ａ）とを介して降下する電圧を測定するように構成されることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、自動作動装置において、ユーザ（７）が安全にスイッチをオフとするためのフェイルセーフスイッチング装置（１００）であって、
入力回路（２）であって、アナログセンサ（１．１）のアナログ入力信号をフェイルセーフ読み取りするように、そして、アナログ入力信号を少なくとも１つのアナログ出力信号に変換するように構成されてなる入力回路（２）と、
アナログ−デジタル変換器（３．１，３．２）であって、入力回路（２）の少なくとも１つの出力信号を少なくとも１つのデジタル信号に変換するように構成されてなるアナログ−デジタル変換器（３．１，３．２）と、
制御および評価ユニット（４）であって、少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器（３．１，３．２）のデジタル信号を受信して、処理する制御および評価ユニット（４）と、
少なくとも１つのアクチュエータ（６．１，６．２）であって、制御および評価ユニット（４）およびユーザ（７）に接続されて、デジタル信号に依存して制御可能であるアクチュエータ（６．１，６．２）とを含む、フェイルセーフスイッチング装置（１００）において、
上述の入力回路（２）が実行されることを特徴とするフェイルセーフスイッチング装置（１００）である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に従った入力回路は、
限流装置であって、第１電流−測定信号変換器内に形成され、動作中、第１電流−測定信号変換器を流れる最大電流を制限するように構成された限流装置と、
少なくとも１つの第２電流−測定信号変換器であって、第２入力端子に接続され、電流測定装置を有し、入力回路の動作中、アナログ入力信号から第２出力信号を決定するように構成され、第１電流−測定信号変換器と第２電流−測定信号変換器とは、電気的に直列に接続された、第２電流−測定信号変換器と、
検査装置であって、２つの電流−測定信号変換器に接続され、出力信号間の偏差が、予め定めた、または予め定めることが可能である閾値を越える場合、電流−測定信号変換器の欠損を検出するために、第１出力信号を第２出力信号と比較するように構成された検査装置と、
を備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、頑丈で、フェイルセーフなアナログ入力回路を提供し、該入力回路は、センサのアナログ電流信号を受信して処理することが可能である。第１電流−測定信号変換器に統合された限流装置があるので、入力回路を流れる電流を、特に、過電圧の場合に、効果的に制限することが可能であり、従って、たとえば、入力回路の電流−測定信号変換器の構成要素の損傷を効果的に防止することが可能である。２つの電流−測定信号変換器に接続された検査装置の助けを借りて、第１電流−測定信号変換器の第１出力信号を、第２電流−測定信号変換器によって付与される第２出力信号と比較することが可能である。したがって、好適な方法で、特に、フェイルセーフの観点からみて好適な方法で、２つの電流−測定信号変換器によって出力される出力信号間の偏差が、予め定めた、または予め定めることが可能である閾値を越える場合、電流−測定信号変換器の起こり得る欠損を検出することが可能となる。検査装置は、２つの電流−測定信号変換器に接続された別個の（特にアナログ）の構成群、または構成要素、特に、コンパレータであることが可能である。あるいは、検査装置は、ここでは入力回路を備えるフェイルセーフ装置の評価および制御ユニットの一部であってもよい。 
【００２３】
好ましい実施形態では、各電流測定装置は、シャント抵抗器と、それに並列に接続された増幅器、特にオペアンプを、シャント抵抗器を介して降下する電圧の測定と増幅のために備えている。オペアンプは、たとえば、計測アンプとして実施することが可能である。従って、電流測定装置は、電流−電圧変換器を形成し、該電流−電圧変換器の場合、シャント抵抗器を介して降下する電圧を測定することによって、電流強さが間接的に決定される。このような電流測定装置は、高い測定精度と堅牢な構成とを特徴とする。両電流−測定信号変換器が、１つの電流測定装置を備えることによって、フェイルセーフの観点から見て特に好適な冗長性がもたらされる。
【００２４】
特に好ましい実施形態では、限流装置は、シリーズレギュレータを形成し、該シリーズレギュレータは、バイポーラトランジスタと、直列抵抗器を備えたツェナーダイオードとを備える。逆方向に接続されたツェナーダイオードによって、効果的な電圧制限を達成することが可能であり、従って、場合によっては、損傷に、特にシャント抵抗器の損傷につながるおそれのある、入力回路内の過電圧を有効に防止することが可能である。バイポーラトランジスタは、特に、ＮＰＮトランジスタ、またはＰＮＰトランジスタとして実施することが可能である。好ましいことに、バイポーラトランジスタは、エミッタフォロワとして接続することが可能である。。
【００２５】
好ましく実施形態において、バイポーラトランジスタは、エミッタとコレクタとを備え、それらの間には、抵抗が、入力回路における過電圧の場合に電力損失を受け入れるために設けられている。ツェナーダイオードの降伏電圧によって定義される過電圧の場合には、入力電流の一部は、エミッタとコレクタとの間の抵抗を通って流れる。これにより、電力損失の一部をこの抵抗によって受け入れることが可能であり、従って、過電圧の場合のバイポーラトランジスタの損傷の危険が低減される。本実施形態は、バイポーラトランジスタが、ＮＰＮトランジスタ、またはＰＮＰトランジスタとして実施されるときに有利である。
【００２６】
好ましい実施形態において、入力回路の第１入力端子とバイポーラトランジスタのエミッタとの間に、限界電流を規定するための抵抗器が設けられている。
【００２７】
好ましいさらなる構成においては、入力回路は、限流装置の機能を試験することが可能であるように構成される試験装置を有してもよい。したがって、限流装置に欠損があればそれを検出可能であり、したがって、入力回路の、この欠損から生じる機能上の制限を検出することが可能である。
【００２８】
試験装置は全く異なる方法で構成することが可能である。
【００２９】
第１変形例においては、試験装置は、入力回路の、第１入力端子と第２入力端子との間で降下する電圧を測定するように構成することが可能である。
【００３０】
第２変形例においては、試験装置は、限流装置を介して降下する電圧を測定するように構成することが可能である。
【００３１】
さらなる変形例においては、試験装置は、限流装置と第１電流−測定信号変換器の電流測定装置とを介して降下する電圧を測定するように構成することが可能である。
【００３２】
試験装置は、好ましくは、オペアンプとして実施される増幅器、特に、計測アンプを備えることが可能であり、該増幅器は、対応する電圧降下を測定し、出力信号として、増幅された電圧信号を出力することが可能である。この出力信号は、たとえば、アナログ−デジタル変換器によってデジタル化されて、特に、入力回路を含むフェイルセーフスイッチング装置の評価および制御ユニットに供給されることが可能である。評価および制御ユニットは、出力信号を評価し、特に、所定の値と比較し、限流装置の起こり得るエラーを検出する。試験装置はまた、アナログ比較器を備えることが可能であり、これにより、そのような比較を実施することが可能である。
【００３３】
本発明に従ったフェイルセーフスイッチング装置は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の入力回路が実行されることを特徴とする。上記で詳細に説明した入力回路の特別な構成によって、有利な方法において、入力回路を、損傷から、特に過電圧による損傷から保護することが改善される。
【００３４】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照して、以下の好ましい実施形態の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】センサ手段に、および自動作動装置におけるユーザの制御のための２つのアクチュエータに接続されたフェイルセーフスイッチング装置の信号の推移の詳細を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例に従って実施される、図１のフェイルセーフスイッチング装置用の入力回路である。
【図３】本発明の第２実施形態に従って実施される、図１のフェイルセーフスイッチング装置用の入力回路である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１を参照し、まず以下において、自動作動装置のためのフェイルセーフスイッチング装置１００の基本的な構造の詳細はについて詳細に説明する。フェイルセーフスイッチング装置１００は、センサ１．１に接続され、入力回路２を備え、該入力回路２は、センサ１．１からのアナログ入力信号を受信し、さらに処理可能な測定信号に変換するように構成される。入力回路２は、この目的のために、第１電流−測定信号変換器２．１と第２電流−測定信号変換器２．２とを備える。これら２つの電流−測定信号変換器２．１，２．２を備える入力回路２２の詳細を図２および図３を参照して以下により詳細に説明する。フェイルセーフスイッチング装置１００においては、冗長性の理由から、２チャンネルの、部分的に交差する信号経路が実装されており、個々の信号経路は、対応する矢印によって図１に示されている。
【００３７】
第１電流−測定信号変換器２．１は、第１Ａ／Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）３．１に接続され、該第１Ａ／Ｄ変換器３．１は、第１電流−測定信号変換器２．１によって付与される第１アナログ出力信号をデジタル信号に変換する。第２電流−測定信号変換器２．２は、第２Ａ／Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）３．２に接続され、該第２Ａ／Ｄ変換器３．２は、第２電流−測定信号変換器２．２によって付与される第２アナログ出力信号をデジタル信号に変換する。これら２つのＡ／Ｄ変換器３．１，３．２は、評価および制御ユニット４に接続され、該評価および制御ユニット４は、２つのＡ／Ｄ変換器３．１，３．２によって生成されたデジタル信号を処理して評価するように構成される。
【００３８】
評価および制御ユニット４は、ここでは２チャンネルの冗長なものであって、これは、図１においては、２つのマイクロコントローラ４．１，４．２によって簡略的に示されている。評価および制御ユニット４は、たとえば、本発明の出願人によって、ＰＳＳ（登録商標）という標章で販売されている、プログラム可能なフェイルセーフ制御装置のＣＰＵであってもよい。また、その代わりとして、評価及び制御ユニット４は、本発明の出願人によって、種々の変形例において、ＰＮＯＺ（登録商標）という標章で、提供されているような、フェイルセーフスイッチング装置の一部であってもよく、または、フェイルセーフスイッチング装置１のモジュール構造のためのヘッドモジュールであってもよい。これらのマイクロコントローラ４．１，４．２は、特に、交互に機能不全を監視し、および／またはデータを相互に交換することが可能である。
【００３９】
さらにまた、フェイルセーフスイッチング装置１は、２つの冗長出力段５．１，５．２を有する出力部５を有し、２つのマイクロコントローラ４．１，４．２のそれぞれが、評価および制御ユニット４によって処理されて評価されたデジタル信号に依存して、両出力段５．１，５．２を制御可能とするために、これらの出力段５．１，５．２のそれぞれに接続されている。これによって、安全の観点に基づいた、特に、フェイルセーフの観点に基づいた、好適な冗長性が得られる。
【００４０】
フェイルセーフスイッチング装置１の出力段５．１，５．２は、それぞれアクチュエータ６．１，６．２に接続されている。出力部５の第１出力段５．１は、第１アクチュエータ６．１（第１アクチュエータ）に接続されている。それに対して、出力部５の第２出力段５．２は、第２アクチュエータ６．２（第２アクチュエータ）に接続されている。これら２つのアクチュエータ６．１，６．２は電気的に直列に接続され、自動作動装置においてユーザ７に接続される。両アクチュエータ６．１，６．２は、ユーザ７に接続されているので、必要に応じてフェイルセーフをオフにすることが可能である。
【００４１】
図２を参照して、以下において、フェイルセーフスイッチング装置１００の入力回路２の第１実施例を詳細に説明する。上述のように、入力回路２は、２つの電流−測定信号変換器２．１，２．２を備え、これらは、電気的に直列に接続され、センサ１．１からのアナログ入力信号を受信することが可能である。この目的のために、入力回路２は、第１入力端子１６（＋）と第２入力端子１７（−）とによって形成される差動入力部を備える。センサ１．１は、特に、いわゆる２線式センサとして形成することができ、この場合、電源とアナログ測定信号は、共通線を介して案内される。アナログ測定信号は、ここでは電流信号である入力信号として、２つの入力端子１６，１７を介して、入力回路２に付与される。センサ１．１は、特に、圧力センサ、温度センサ、速度センサ、フローセンサとすることが可能である。
【００４２】
好ましくは、アナログセンサ１．１は、４ｍＡ〜２０ｍＡの使用可能な信号範囲にある、アナログ電流信号を伝送可能なように構成することが可能である。２つの入力端子１６，１７によって形成された差動入力部は、特に、標準化された４ｍＡ〜２０ｍＡの入力インタフェースとして実施することが可能である。センサ１．１が、ゼロ信号の場合、まだ４ｍＡの電流が流れ、したがってセンサ１．１に、全信号範囲において、したがって測定範囲の始まりにおいてもエネルギを供給することが可能である。入力回路２は、０ｍＡ〜２５ｍＡの範囲の電流を測定するように構成することが好ましい。４ｍＡ〜２０ｍＡの実際の動作範囲外にある入力信号が検出された場合、これらはエラーとして評価される。
【００４３】
第１電流−測定信号変換器２．１は、電流測定装置１０ａを備え、該電流測定装置１０ａは、本実施例においては、電流の間接測定のために利用されるシャント抵抗器１０．１によって、およびオペアンプ１１．１によって、特に、計測アンプによって形成され、これらは互いに並列に接続される。第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置１０ａは、第１入力部１１０ａと、第２入力部１１１ａと、第１（アナログ）出力信号の出力のために設けられた出力部１１２ａとを備え、第１入力部１１０ａは、限流装置１８を介して、入力回路２の第１入力端子１６と結合されている。
【００４４】
第２電流−測定信号変換器２．２は、電流測定装置１０ｂを備え、ここに示す実施例においては、電流の間接的測定に利用されるシャント抵抗器１０．２によって、およびオペアンプ１１．２によって形成され、これらも互いに並列に接続される。第２電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置１０ｂは、第１入力部１１０ｂと、第２入力部１１１ｂと、第２（アナログ）出力信号の出力のために設けられる出力部１１２ｂとを含み、第２入力部１１１ｂは、入力回路２の第２入力端子１７と結合される。
【００４５】
２つの、電流−測定信号変換器２．１，２．２は、電気的に直列に接続されるので、第１電流測定装置１０ａの第２入力部１１１ａは、第２電流測定装置１０ｂの第１入力部１１０ｂと結合される。シャント抵抗器１０．１，１０．２は、低抵抗で実施され、たとえば、５０Ωの抵抗値を有する。
【００４６】
２つの電流測定装置１０ａ，１０ｂは、機能的な観点から２つの電流−電圧変換器を形成する。電流が、２つのシャント抵抗器１０．１，１０．２を介して流れると、この電流は、電流測定装置１０ａ，１０ｂの入力部１１０ａ，１１１ａ間で、または入力部１１０ｂ，１１１ｂ間において電圧降下をもたらす。この場合、この電圧降下は、オームの法則に従い、電流強さに比例する。オペアンプ１１．１，１１．２は、測定された電圧信号を増幅する目的に役立ち、したがって、この増幅された信号は、出力信号として出力されることが可能である。電流−測定信号変換器２．１，２．２は電気的に直列接続されているので、通常動作中に電流測定装置１０ａ，１０ｂを流れる電流は同一である。同じ寸法のシャント抵抗器１０．１，１０．２の場合、シャント抵抗器１０．１における第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置１０ａによって測定される電圧降下は、したがって、第２電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置１０ｂのシャント抵抗器１０．２における電圧降下に対応する。
【００４７】
さらにまた、入力回路２は、第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置１０ａと、第２電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置１０ｂとの機能を検査するための検査装置３０を備え、該検査装置３０は、上述したように、増幅された電圧信号である、両電流測定装置１０ａ，１０ｂの出力信号を比較し、起こり得る偏差を測定することが可能であるように構成される。出力信号の偏差が、電流測定装置１０ａ，１０ｂの欠損を示唆する予め定めた、または予め定めることが可能な閾値を超えた場合には、検査装置３０は、フェイルセーフスイッチング装置１００の評価および制御ユニット４に、適切なエラー信号を付与する。また代わりに、検査装置３０は、評価および制御ユニット４内に実装されてもよい。
【００４８】
入力回路２の第１電流−測定信号変換器２．１はさらにまた、上述の限流装置１８を備え、該限流装置１８は、第１入力端子１６と第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置１０ａとの間に形成され、第１電流−測定信号変換器２．１を流れ、電気的に直列接続であるので、よって第２電流−測定信号変換器２．２にも流れることになる最大電流を制限するように構成される。
【００４９】
限流装置１８は、シリーズレギュレータの機能を有し、本実施例では、ツェナーダイオード１３とバイポーラトランジスタ１２とを備えている。その場合、直列抵抗器１４は、降伏が生じた場合にツェナーダイオード１３を流れる電流を制限するために、入力回路２の第１入力端子１６とツェナーダイオード１３との間に接続されている。直列抵抗器１４の抵抗は、たとえば、４．７ｋΩとすることが可能である。バイポーラトランジスタ１２は、本実施形態においては、ベースと、エミッタと、エミッタフォロワとして（したがってコレクタ回路に）接続された、コレクタとを有するＮＰＮトランジスタであり、したがって、バイポーラトランジスタ１２のコレクタは、正の電圧が印加される、入力回路２の第１入力端子１６と結合される。バイポーラトランジスタ１２のベースは、直列ズ抵抗器１４とツェナーダイオード１３との間に接続される。ツェナーダイオード１３は、ツェナーダイオード１３の降伏電圧によって規定される、たとえば５．６Ｖとすることが可能である、入力回路２の限界電圧を規定する。
【００５０】
電圧がツェナーダイオード１３の降伏電圧未満である通常動作では、小型のベース−エミッタ電流が流れ、比較的高いエミッタ−コレクタ電流を制御する。バイポーラトランジスタ１２は、このように、したがって、閉じた回路のように作用する。バイポーラトランジスタ１２は、ツェナーダイオード１３によって規定された制限電圧（降伏電圧）に到達した場合、第１電流−測定信号変換器２．１を流れる電流を制限することが可能である。第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置１０ａのシャント抵抗器１０．１における電圧は制限され、よって両電流測定装置１０ａ，１０ｂのシャント抵抗器１０．１，１０．２を流れる電流も制限される。降伏が生じた場合には、ツェナーダイオード１３の直列抵抗器１４の大きさによって制限された電流がツェナーダイオード１３を流れ、続いて第２電流−測定信号変換器２．２を流れる。降伏が生じた場合には、第１電流−測定信号変換器２．１のシャント抵抗器１０．１を流れる電流が制限され、そして直列抵抗器１４によって制限された電流が、第２電流−測定信号変換器２．２のツェナーダイオード１３を流れるので、第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置１０ａのシャント抵抗器１０．１の損傷、および第１電流−測定信号変換器２．１に電気的に直列に接続された第２電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置１０ｂのシャント抵抗器１０．２の損傷を、好適な方法で防止することが可能である。
【００５１】
さらにまた、入力回路は、限流装置１８の適切な機能を試験する目的を果たす試験装置１５を備える。図示された実施例において、試験装置１５は、オペアンプ１５．１、特に、計測アンプを備え、該計測アンプは、第１電流−測定信号変換器２．１の限流装置１８と電流測定装置１０ａを介する電流に基づいて降下する電圧を測定し、増幅するように構成される。この測定された電圧降下は、まずはアナログ信号であり、該アナログ信号は、デジタル信号に適切に変換されて評価および制御ユニット４によって受信され、評価されて、予め定められた電圧閾値と比較することが可能である。電圧閾値を越えた場合には、評価および制御ユニット４が、適切なエラー信号を出す。別の実施例においては、試験装置１５は、該試験装置１５が、第１入力端子１６と第２入力端子１７との間で低下する電圧を測定することが可能であるように構成することが可能である。電圧閾値を越えた場合には、評価および制御ユニット４が、適切なエラー信号を出す。基本的に、上述の両変形例において、試験装置１５が、測定された電圧降下を電圧閾値と比較可能なアナログコンパレータを備える場合、測定された電圧降下を直接試験装置１５において行うことも可能である。
【００５２】
図３を参照して、入力回路２の第２実施例について詳細に説明する。入力回路２は、両電流−測定信号変換器２．１，２．２を備え、これらの電流−測定信号変換器２．１，２．２は、電気的に直列に接続され、動作中、ここではふたたびアナログ電流信号である、アナログ入力信号をセンサ１．１から受信することが可能である。この目的のために、入力回路は、第１入力端子１６と第２入力端子１７とによって形成される差動入力部を有する。センサ１．１は、すでに説明したように、電源供給と、アナログ測定信号とが共通線を介して案内される、いわゆる２線式センサとして実施することが可能である。アナログ電流信号であるアナログ測定信号は、両入力端子１６，１７を介して入力信号として入力回路に付与される。センサ１．１は、特に、上述のように実施可能であって、利用可能な信号範囲が、４ｍＡ〜２０ｍＡにあるアナログ電流信号を伝送可能なように構成される。
【００５３】
第１電流−測定信号変換器２．１は、電流測定装置２０ａを備え、該電流測定装置２０ａは、本実施例においても、シャント抵抗器２０．１によって、およびオペアンプ２１．１によって、特に計測アンプによって形成され、これらは互いに並列に接続されている。第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置２０ａは、第１入力部２１０ａと、第２入力部２１１ａと、第１出力信号の出力のために設けられた出力部２１２ａとを備え、第１入力部２１０ａは、限流装置１９を介して、入力回路２の第１入力端子１６と結合されている。
【００５４】
第２電流−測定信号変換器２．２は、電流測定装置２０ｂを備え、該電流測定装置２０ｂは、本実施例においても、シャント抵抗器２０．２によって、およびオペアンプ２１．２によって形成され、これらは互いに並列に接続されている。第１電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置２０ｂは、第１入力部２１０ｂと、第２入力部２１１ｂと、第２出力信号の出力のために設けられた出力部２１２ｂとを備え、第２入力部２１１ｂは、入力回路２の第２入力端子１７と結合されている。
【００５５】
２つの、電流−測定信号変換器２．１，２．２は、電気的に直列に接続されるので、第１電流測定装置２０ａの第２入力部２１１ａは、第２電流測定装置２０ｂの第１入力部２１０ｂと結合される。シャント抵抗器２０．１，２０．２は、たとえば、５０Ωの抵抗値を有することが可能である。
【００５６】
２つの電流測定装置２０ａ、２０ｂは、機能的な観点から２つの電流−電圧変換器を形成する。電流が、２つのシャント抵抗器２０．１、２０．２を介して流れると、この電流は、電流測定装置２０ａ，２０ｂの入力部２１０ａ，２１１ａ間で、または入力部２１０ｂ，２１１ｂ間において電圧降下をもたらす。この場合、この電圧降下は、オームの法則に従い、電流強さに比例する。オペアンプ２１．１，２１．２は、測定された電圧信号を増幅する目的に役立ち、したがって、この増幅された信号は、出力信号として出力されることが可能である。電流−測定信号変換器２．１，２．２は電気的に直列接続されているので、通常動作中に電流測定装置２０ａ、２０ｂを流れる電流は同一である。同じ寸法のシャント抵抗器２０．１，２０．２の場合、シャント抵抗器２０．１における第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置２０ａによって測定される電圧降下は、したがって、第２電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置２０ｂのシャント抵抗器２０．２における電圧降下に対応する。
【００５７】
さらにまた、入力回路２は、第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置２０ａと、第２電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置２０ｂとの機能を検査するための検査装置３０を備え、該検査装置３０は、上述したように、増幅された電圧信号である、両電流測定装置２０ａ，２０ｂの出力信号を比較し、起こり得る偏差を測定することが可能であるように構成される。出力信号の偏差が、電流測定装置２０ａ，２０ｂの欠損を示唆する予め定めた、または予め定めることが可能な閾値を超えた場合には、検査装置３０は、評価および制御ユニット４に、適切なエラー信号を付与する。また代わりに、検査装置３０は、評価および制御ユニット４内に実装されてもよい。
【００５８】
入力回路２の第１電流−測定信号変換器２．１はさらにまた、上述の限流装置１９を備え、該限流装置１９は、第１入力端子１６と第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置２０ａとの間に形成され、第１電流−測定信号変換器２．１を流れ、電気的に直列接続であるので、よって第２電流−測定信号変換器２．２にも流れることになる最大電流を制限するように構成される。
【００５９】
限流装置１９は、本実施例においては、ツェナーダイオード２３を備え、該ツェナーダイオード２３は、電圧降伏の場合にツェナーダイオード２３を流れる電流を制限するために前もって接続されており、さらに、限流装置１９は、バイポーラトランジスタ２２を備えており、該バイポーラトランジスタ２２は、ここではＰＮＰトランジスタとして実施されており、ベースと、エミッタと、コレクタとを備え、エミッタフォロワとしてコレクタ回路内に接続されている。ツェナーダイオード２３の抵抗は、たとえば、１０ｋΩとすることが可能である。バイポーラトランジスタ２２のベースは、ツェナーダイオード２３と抵抗２５との間に接続される。ツェナーダイオード２３は、限流装置１９のここに示した実施形態の場合、バイポーラトランジスタ２２の作業点の調整を可能にし、ツェナーダイオード２３の降伏電圧によって与えられる、たとえば２．７Ｖとすることが可能である、入力回路２の限界電圧を規定する。バイポーラトランジスタ２２のエミッタにはさらに、たとえば５６Ωの大きさにすることが可能であり、限界電流を規定することが可能である抵抗２４が接続される。バイポーラトランジスタ２２のエミッタとコレクタとの間には（そしてエミッタ−コレクタ距離に並列に）、たとえば１ｋΩの大きさにすることが可能である抵抗２６が接続される。この抵抗２６は、ツェナーダイオード２３の破壊につながる過電圧の場合に、電気的損失を受け入れることが可能である。
【００６０】
電圧が、ツェナーダイオード２３の降伏電圧未満である通常動作では、バイポーラトランジスタ２２は、第１実施例におけるように、閉じた回路のように動作し、したがって、かなり高いエミッタ−コレクタ電流が流れる。バイポーラトランジスタ２２は、ツェナーダイオード２３によって規定された降伏電圧に達した場合に、第１測定信号変換器２．１を流れる電流を制限することが可能である。ツェナーダイオード２３において電圧降伏となると、バイポーラトランジスタ２２は、シリーズレギュレータのように動作し、したがって電流は一定に維持される。抵抗２４の大きさとツェナーダイオード２３の降伏電圧の大きさとによって制限される電流は、降伏が生じた場合には、第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置２０ａのシャント抵抗器２０．１を流れ、次いで第２電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置２０ｂのシャント抵抗器２０．２を流れる。さらにまた、入力電流が増加すると（または過電圧が増加する場合も）、ツェナーダイオード２３と抵抗２５とを、わずかに増加する電流が流れる。
【００６１】
ツェナーダイオード２３に降伏が生じた場合には、制限された電流だけが、第１電流−測定信号変換器２．１の電流測定装置２０ａのシャント抵抗器２０．１と、第２電流−測定信号変換器２．２の電流測定装置２０ｂのシャント抵抗器２０．２とを流れるので、過電圧によって生じ得るシャント抵抗器２０．１，２０．２の損傷が、有利なことに効果的に防止される。
【００６２】
さらにまた、入力回路は、限流装置１９の適切な機能を試験する目的を果たす試験装置２７を備える。図示された実施例において、試験装置２７は、オペアンプ２７．１、特に、計測アンプを備え、該計測アンプは、限流装置１９を介する電流に基づいて降下する電圧を測定し、増幅するように構成される。この測定された電圧降下は、まずはアナログ信号であり、該アナログ信号は、デジタル信号に適切に変換されて評価および制御ユニット４によって受信され、評価されて、予め定められた電圧閾値と比較することが可能である。電圧閾値を越えた場合には、評価および制御ユニット４が、適切なエラー信号を出す。別の実施形態においては、試験装置２７は、該試験装置２７が、第１入力端子１６と第２入力端子１７との間で低下する電圧を測定することが可能であるように構成することが可能である。電圧閾値を越えた場合には、評価および制御ユニット４が、適切なエラー信号を出す。基本的に、上述の両変形例において、試験装置２７が、測定された電圧降下を電圧閾値と比較可能なアナログコンパレータを備える場合、測定された電圧降下を直接試験装置２７において行うことも可能である。
【図１】
2019091452.tif 000003
【図２】
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【図３】
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