CH632858A5

CH632858A5 - One-fault intrinsically safe switching device

Info

Publication number: CH632858A5
Application number: CH173778A
Authority: CH
Inventors: Adrian Allemann
Original assignee: Hasler Ag
Priority date: 1978-02-17
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1982-10-29
Also published as: DE2903370A1; FR2417895B1; FR2417895A1

Description

Die Erfindung betrifft eine ein-Fehler-eigensichere Schaltvorrichtung, die über ihre Schaltkontakte in Abhängigkeit von variablen elektrischen Grössen externe Geräte zu schalten gestattet. Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung einer derartigen Vorrichtung in einem Fahrzeug. The invention relates to a one-fault intrinsically safe switching device which allows switching of external devices as a function of variable electrical quantities via its switching contacts. The invention further relates to the use of such a device in a vehicle.

Aus der Mess- und Regeltechnik sind Schaltgeräte bekannt, deren Aufgabe darin besteht, bei genau festgelegten Span-nungs- oder Stromwerten über Ausgangskontakte externe Geräte zu schalten. Weiter ist es bekannt, aufgrund besonderer Sicherheitsforderungen Schalt- und Regelgeräte einer ständigen Funktionskontrolle zu unterziehen. In speziellen Fällen ist diese Kontrolle so ausgebildet, dass beim Auftreten eines beliebigen Einzelfehlers dieser Fehler jederzeit erkennbar wird. In solchen Fällen spricht man von Ein-Fehler-Eigensicherheit oder Fail-Safe-Sicherheit. Switching devices are known from measurement and control technology, the task of which is to switch external devices via output contacts at precisely defined voltage or current values. It is also known to subject switching and control devices to a permanent functional check due to special safety requirements. In special cases, this check is designed in such a way that this error can be identified at any time if any individual error occurs. In such cases, one speaks of one-fault intrinsic safety or fail-safe safety.

Bei schienengebundenen Nahverkehrsmitteln, beispielsweise einer Untergrundbahn, besteht die Aufgabe, die Türen des gesamten Verkehrsmittels automatisch und geschwindigkeitsabhängig zu öffnen und zu schliessen. Hierbei müssen die höchsten Sicherheitsanforderungen an die Steuerung gestellt werden, da unbedingt vermieden werden muss, dass bei höherer Geschwindigkeit beispielsweise die Türen öffnen oder dass nach der Abfahrt des Nahverkehrsmittels die Türen nicht schliessen. In the case of rail-bound local means of transport, for example an underground train, the task is to open and close the doors of the entire means of transport automatically and depending on the speed. The highest safety requirements must be placed on the control system, since it must be avoided that the doors open at higher speeds, for example, or that the doors do not close after the local transport has left.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine ein-Fehler-eigensichere Schaltvorrichtung anzugeben, die über Schaltkontakte in Abhängigkeit von variablen elektrischen Grössen externe Geräte zu schalten gestattet. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Verwendung der Schaltvorrichtung in Fahrzeugen anzugeben. The object of the invention is to provide a one-fault intrinsically safe switching device which allows switching of external devices as a function of variable electrical variables. Another object is to specify a use of the switching device in vehicles.

Diese Schaltvorrichtung ist gekennzeichnet durch die Kennzeichen von Anspruch 1. Spezielle Ausgestaltungen der Schaltvorrichtung werden durch die Ansprüche 2 und 3 gekennzeichnet und die Verwendung der Schaltvorrichtung durch die Ansprüche 4 und 5. This switching device is characterized by the features of claim 1. Special embodiments of the switching device are characterized by claims 2 and 3 and the use of the switching device by claims 4 and 5.

Die Schaltvorrichtung ist relativ einfach und erfüllt die von ihr geforderte Ein-Fehler-Eigensicherheits-Anforderung. Weiter kann sie so aufgebaut werden, dass sie sich leicht in den Rahmen eines Gesamtsicherheitskonzeptes zur Ein-Fehler-Überwachung mehrerer zu überwachender Vorrichtungen integrieren lässt. The switching device is relatively simple and fulfills the one-fault intrinsic safety requirement that it requires. Furthermore, it can be constructed in such a way that it can be easily integrated into the framework of an overall security concept for single-fault monitoring of several devices to be monitored.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur beispielsweise näher erläutert. Die Figur zeigt das Blockschaltbild der Vorrichtung, die auf einem Fahrzeug, beispielsweise einem Triebfahrzeug einer Untergrundbahn montiert ist. 11 und 12 sind zwei unabhängige Geber, die ein der gefahrenen Geschwindigkeit proportionales Signal aufnehmen, und zwar entweder gemeinsam von einer Achse oder auch einzeln von getrennten Achsen. In den Messkanaleinheiten 13 und 14 wird in bekannter Weise aus den Gebersignalen ein der Geschwindigkeit proportionaler Signalstrom erzeugt. 21 und 22 sind Anzeigeinstrumente in den beiden Führerständen des Fahrzeugs. 23 ist ein Registriergerät. Die Geräte sind in Reihe an eine Ausgangsleitung der Messkanaleinheit 13 gelegt und werden vom geschwindigkeitsproportionalen Strom durchflössen. Über Leitung 24 erreicht dieser Strom den Komparator 26. The invention is explained in more detail below with reference to a figure, for example. The figure shows the block diagram of the device, which is mounted on a vehicle, for example a subway train. 11 and 12 are two independent encoders which receive a signal proportional to the speed, either jointly from one axis or individually from separate axes. In the measuring channel units 13 and 14, a signal current proportional to the speed is generated in a known manner from the sensor signals. 21 and 22 are display instruments in the two driver's cabs of the vehicle. 23 is a registration device. The devices are connected in series to an output line of the measuring channel unit 13 and the current proportional to the speed flows through them. This current reaches the comparator 26 via line 24.

Über Leitung 25 wird einem zweiten Eingang des Kompa-rators 26 der Signalstrom der Messkanaleinheit 14 zugeführt. Die Einheiten 11 und 12 sowie 13 und 14 sind identisch. Bei einwandfreiem Funktionieren sind daher auch die Ströme auf den Leitungen 24 und 25 innerhalb festgelegter Toleranzschwellen gleich, was durch den Komparator in noch zu zeigender Weise festgestellt wird. The signal current of the measuring channel unit 14 is fed via line 25 to a second input of the comparator 26. Units 11 and 12 and 13 and 14 are identical. If they function properly, the currents on lines 24 and 25 are therefore the same within defined tolerance thresholds, which is determined by the comparator in a manner to be shown.

31 bis 35 sind fünf identisch aufgebaute Schwellenschaltungen. Die Schwellenschaltungen 32 und 35 sind mit der Messkanaleinheit 14 verbunden, die anderen mit der Messkanaleinheit 13. Die Schwellwerte der Schwellenschaltungen sind so eingeteilt, dass sie sich alle voneinander unterscheiden. Die Schwellwerte steigen von Schwellenschaltung 31 bis Schwellenschaltung 35. Damit spricht die Schwellenschaltung 31 beim niedrigsten und die Schwellenschaltung 35 beim höchsten eingestellten Geschwindigkeitswert an. 31 to 35 are five identically constructed threshold circuits. The threshold circuits 32 and 35 are connected to the measuring channel unit 14, the others to the measuring channel unit 13. The threshold values of the threshold circuits are divided in such a way that they all differ from one another. The threshold values increase from threshold circuit 31 to threshold circuit 35. The threshold circuit 31 thus responds at the lowest and the threshold circuit 35 at the highest set speed value.

Die Schwellenschaltungen 31 bis 35 geben im Ruhezustand Signale ab, deren Werte abhängen von der Höhe der zugehörigen Schwellwerte. Die Schwellenschaltungen 32 bis 34 geben weiter im Ruhestand je einen Strom ab, durch den die Relais 52 bis 54 betätigt werden. Sobald eine Schwellenschaltung anspricht oder durch einen Defekt ausfällt, werden das Ausgangssignal und der Betätigungsstrom für das nachgeschaltete Relais unterbrochen. In the idle state, the threshold circuits 31 to 35 emit signals whose values depend on the level of the associated threshold values. The threshold circuits 32 to 34 each continue to output a current in the state through which the relays 52 to 54 are actuated. As soon as a threshold circuit responds or fails due to a defect, the output signal and the actuation current for the downstream relay are interrupted.

46 ist eine Grösstwertgewichtungseinheit, die ermittelt, welches der durch die Schwellenschaltungen 31 bis 35 abgegebenen Signale den höchsten Wert besitzt. Sie besteht im wesentlichen aus einer Logik mit kaskadierten Exklusiv-Oder-Toren und gibt ein Signal ab, welches in der Grösse mit dem detektierten höchsten Wert korrespondiert. 46 is a maximum value weighting unit which determines which of the signals output by the threshold circuits 31 to 35 has the highest value. It essentially consists of logic with cascaded exclusive-OR gates and emits a signal which corresponds in size to the highest value detected.

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

632858 632858

Die Relais 52 bis 54 besitzen je einen Umschaltkontakt 52.1 bis 54.1. Die Mittelabgriffe dieser Kontakte sind mit Masse verbunden. Die Ruhekontakte dienen zum Schalten von Funktionen, die von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig sind. Diese Funktionen sind beispielsweise das öffnen der Türen unterhalb einer gewissen Geschwindigkeit oder das Schliessen der Türen oberhalb einer gewissen Geschwindigkeit. The relays 52 to 54 each have a changeover contact 52.1 to 54.1. The center taps of these contacts are connected to ground. The normally closed contacts are used to switch functions that depend on the speed of the vehicle. These functions include opening the doors below a certain speed or closing the doors above a certain speed.

Die Arbeitskontakte der Umschaltkontakte 52.1 bis 54.1 sind über Optokoppler. 72 bis 74 signalmässig mit einem Eingang eines Komparators 47 verbunden. Eine nicht gezeigte Stromadditionsschaltung, die im wesentlichen ein passives Widerstandsnetzwerk ist, bildet an diesem Eingang ein Summensignal aus den Signalen der Optokoppler 72 bis 74 und aus dem Signal der Schwellenschaltung 31. Der andere Eingang des Komparators 47 ist mit der Grösstwertgewichtungseinheit 46 verbunden. The make contacts of the changeover contacts 52.1 to 54.1 are via optocouplers. 72 to 74 signal connected to an input of a comparator 47. A current addition circuit, not shown, which is essentially a passive resistance network, forms at this input a sum signal from the signals from the optocouplers 72 to 74 and from the signal from the threshold circuit 31. The other input of the comparator 47 is connected to the maximum value weighting unit 46.

Die Vorrichtung besitzt drei identisch aufgebaute Komparatoren 15,26 und 47. Die beiden letzteren wurden bereits erwähnt. Jeder Komparator besitzt drei Eingänge. Über zwei dieser Eingänge werden zu überwachende Gleichstromsignale eingegeben. Über den dritten Eingang erreicht ein vom Oszillator 48 ausgesandtes Wechselsignal jeden Komparator, indem es nacheinander die Leitungen 61,62 und 63 durchläuft, die die Komparatoren 26,47 und 15 in Reihe verbinden. The device has three identically constructed comparators 15, 26 and 47. The latter two have already been mentioned. Each comparator has three inputs. DC signals to be monitored are entered via two of these inputs. An alternating signal emitted by the oscillator 48 reaches each comparator via the third input by successively traversing the lines 61, 62 and 63, which connect the comparators 26, 47 and 15 in series.

Jeder Komparator besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker, der mit seinem Arbeitspunkt so eingestellt ist, dass er bei gleichgrossen Gleichstromsignalen das Wechselsignal verstärkt. Weichen die beiden Gleichstromsignale stärker voneinander ab, als vorgegebene Toleranzen erlauben, so wandert der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers in ein Gebiet, in dem keine Verstärkung des Wechselsignals mehr erfolgt. Am Ausgang des Operationsverstärkers erscheint damit kein Wechselsignal mehr. Each comparator essentially consists of an operational amplifier which is set with its operating point in such a way that it amplifies the AC signal in the case of DC signals of the same size. If the two direct current signals deviate from one another to a greater extent than predetermined tolerances allow, the operating point of the operational amplifier moves into an area in which the alternating signal is no longer amplified. An alternating signal no longer appears at the output of the operational amplifier.

Der Komparator 15 ist über die Leitung 64 mit einem Trennübertrager 81 verbunden und dieser wiederum mit zwei Relais 82 und 83, die je einen Umschaltkontakt 82.1 und 83.1 besitzen. Der Ruhekontakt von 82.1 und der Arbeitskontakt von 83.1 sind mit einer Spannung +B verbunden. Der Arbeitskontakt von 82.1 und der Ruhekontakt von 83.1 sind mit einer Spannung -B verbunden. Die Mittelkontakte sind mit Ausgangsleitungen 85 bzw. 86 verbunden. The comparator 15 is connected via line 64 to an isolating transformer 81, which in turn is connected to two relays 82 and 83, each of which has a changeover contact 82.1 and 83.1. The normally closed contact of 82.1 and the normally open contact of 83.1 are connected to a voltage + B. The make contact of 82.1 and the normally closed contact of 83.1 are connected to a voltage -B. The center contacts are connected to output lines 85 and 86, respectively.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Bei Stillstand des Fahrzeuges geben die beiden Sonden 11 und 12 kein Signal ab und die Mess-Signale auf den Leitungen 24 und 25 sind Null. Sobald das Fahrzeug sich in Bewegung setzt, spricht die Schwellen-5 schaltung 31, die den niedrigsten Schwellenwert besitzt, als erste Schwellenschaltung an. Mit steigender Geschwindigkeit sprechen nacheinander die Schwellenschaltungen 32,33,34 und schliesslich 35 an. Damit ist die Höchstgeschwindigkeit erreicht. The device works as follows: when the vehicle is stationary, the two probes 11 and 12 emit no signal and the measurement signals on lines 24 and 25 are zero. As soon as the vehicle starts to move, threshold circuit 31, which has the lowest threshold value, responds as the first threshold circuit. With increasing speed, the threshold circuits 32, 33, 34 and finally 35 respond. The top speed is reached.

io Bei Verminderung der Geschwindigkeit wird durch die Grösstwertgewichtungseinheit 46 festgestellt, ob die Schwellenschaltung 35 abgefallen ist, wenn nacheinander die Schwellenschaltungen 34 bis 31 abfallen. When the speed is reduced, the maximum value weighting unit 46 determines whether the threshold circuit 35 has dropped out if the threshold circuits 34 to 31 drop out in succession.

Der Komparator 47 vergleicht laufend das Ausgangssignal 15 der Schwellenschaltung 31 und den Schaltzustand der Relais 52,53 und 54 mit dem Ausgangswert der Grösstwertgewichtungseinheit 46, der Komparator 26 den Gleichlauf der beiden Gleichstrom-Mess-Signale auf den Leitungen 24 und 25 und der Komparator 15 den Speisestrom der Sonden mit einem Refe-20 renzstrom. Die Komparatoren 15,26 und 47 ihrerseits werden einschliesslich des Oszillators 48 dadurch überwacht, dass das Wechselsignal des Oszillators 48 über den Trennübertrager 81 die Relais 82 und 83 zum Ansprechen bringen muss. The comparator 47 continuously compares the output signal 15 of the threshold circuit 31 and the switching state of the relays 52, 53 and 54 with the output value of the maximum value weighting unit 46, the comparator 26 the synchronism of the two direct current measurement signals on lines 24 and 25 and the comparator 15 the feed current of the probes with a reference current. The comparators 15, 26 and 47, in turn, including the oscillator 48, are monitored in that the alternating signal of the oscillator 48 via the isolating transformer 81 has to trigger the relays 82 and 83.

Die Vorrichtung bildet ein Fail-Save-System, welches den 25 höchsten Sicherheitsaspekten genügt. Sie zeigt jeden Einzelfehler lückenlos an, d. h. sie spricht an bei folgenden Ausfällen: Ausfall der Speisespannung, einer Messkanaleinheit (13,14) oder eines Gebers (11,12), bei Leitungsbrüchen, bei defekten Schwellenschaltungen (31 bis 35), bei Ausfall eines Relais (52, 30 53,54,82,83), eines Optokopplers (72 bis 74), des Oszillators (48), der Komparatoren (15,26,47), bei Defekt des Trennübertragers (81) usw. The device forms a fail-save system which meets the 25 highest security aspects. It shows every single error without gaps, i.e. H. it responds to the following failures: failure of the supply voltage, a measuring channel unit (13, 14) or an encoder (11, 12), line breaks, defective threshold circuits (31 to 35), failure of a relay (52, 30 53.54 , 82.83), an optocoupler (72 to 74), the oscillator (48), the comparators (15,26,47), in the event of a defect in the isolating transformer (81), etc.

Die Vorrichtung kann erweitert werden durch zusätzliche Komparatoren, die in Reihe mit den anderen Komparatoren 35 geschaltet sind. Weiter ist es möglich, die Relais 52,53,54,82 und 83 durch Schaltungen zu ersetzen, die auf elektronischem Wege die Schaltfunktionen von Relais nachbilden. Die Anordnung ist schliesslich nicht an eine bestimmte Anzahl von Schwellenschaltungen (31 bis 35) gebunden. Sie kann eine belie-4o bige Anzahl von Schwellenschaltungen und diesen nachgeschaltete Nachfolgeschaltungen bzw. Relais (52 bis 54) umfassen. The device can be expanded by additional comparators which are connected in series with the other comparators 35. It is also possible to replace the relays 52, 53, 54, 82 and 83 with circuits which emulate the switching functions of relays electronically. Finally, the arrangement is not tied to a specific number of threshold circuits (31 to 35). It can comprise any number of threshold circuits and subsequent circuits or relays (52 to 54) connected downstream of these.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

632858 PATENT CLAIMS

1. A fault-intrinsically safe switching device that allows switching of external devices via its switching contacts depending on variable electrical sizes, characterized by controlled changeover contacts (52.1, 53.1, 54.1), which are connected to ground with their center contacts and have the normally closed contacts external devices can be connected; by threshold value circuits (32 ... 34) which, in their idle state, emit current to hold one of the switch contacts (52.1, 53.1, 54.1) in the working position and threshold signals, the values of the threshold signals depending on the level of the assigned threshold values , wherein each threshold value circuit (32 ... 34) tilts into its working state as soon as the assigned electrical quantity exceeds its threshold value and wherein all threshold values are set differently; by a maximum value weighting unit (46) which selects the largest in each case from the threshold value signals supplied to it and emits a corresponding maximum value signal; by optocouplers (72 ... 74), each of which has its input connected to the normally open contact and one of the changeover contacts (52.1,53.1,54.1), and which are interconnected with their outputs to form a current addition signal; and by a comparator (47) which continuously compares the current addition signal with the maximum value signal and, if they match, passes on a received AC signal to its output.

2. Switching device according to claim 1, characterized in that the controlled changeover contacts (52.1, 53.1, 54.1) are relay contacts.

3. Switching device according to claim 1, characterized in that the changeover contacts (52.1,53.1,54.1) are part of electronic circuits which emulate the switching functions of relays.

4. Use of the switching device according to claim 1 in a vehicle, characterized in that the different threshold values are assigned to different high direct currents, which generate speedometers (11, 12, 13, 14) as a function of the vehicle speed and that the switching contacts (52.1, 53.1,54.1) vehicle functions dependent on the speed are triggered.

5. Use of the switching device according to claim 4, characterized in that the vehicle is a rail-bound local transport, and that the opening and closing of the doors is triggered via the switching contacts (52.1,53.1,54.1).