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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung, insbesondere eine
redundante Endstufenschaltung für
einen elektronischen Sicherheitsbegrenzer.
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Beispielsweise
bei elektronischen Sicherheitsbegrenzern, wie Elektroden-Wasserstandsbegrenzern,
sind die sicherheitsrelevanten Kontakte durch im Ruhestrom arbeitende
Relais gebildet. Unter einem im Ruhestrom arbeitenden Relais versteht man
dabei ein Relais, dessen Lastkreiskontakte geschlossen sind, wenn
dem Steuerkreis des Relais elektrische Energie zugeführt wird.
Die Energiezufuhr zum Steuerkreis derartiger Relais erfolgt beispielsweise
im Zusammenhang mit elektronischen Sicherheitsbegrenzern häufig durch
Schalter, die in der Regel durch Halbleiterschalter gebildet sind. Wenn
ein derartiger Halbleiterschalter, beispielsweise in Form eines
Transistors, einen Kurzschluss erfährt, kann das Problem auftreten,
dass dem Steuerkreis des durch diesen Transistor angesteuerten Relais
permanent Energie zugeführt
wird. Wenn es sich um ein im Ruhestromprinzip arbeitendes Relais
handelt, bleiben die Arbeitskontakte des Relais geschlossen, obwohl
der Kurzschluss des Transistors einen Erstfehler darstellt, der
nicht bemerkt wird. Um einen derartigen Erstfehler erkennen zu können, ist beispielsweise
für elektronische
Sicherheitsbegrenzer vorgesehen, dass die Relaiskontakte in bestimmten
Zeitintervallen geöffnet
werden, um die Funktionstüchtigkeit
der Schaltung zu überprüfen. Beispielsweise
das im Zusammenhang mit elektronischen Sicherheitsbegrenzern relevante
Regelwerk DIN-VDE 0116 toleriert in der Fehlereffektanalyse das
Auftreten eines Erstfehlers, stellt aber zur Bedingung, dass ein
zweiter Fehler im Moment des Auftretens zu erfassen ist. Zwei gleichzeitig
auftretende Fehler werden dabei ausgeschlossen.
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Aus
der
DE 42 42 792 C2 ist
eine Sicherheitsschalteranordnung zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung
von zwei ein Arbeitsgerät
in Betrieb setzenden Aktoren bekannt. In der Schalteranordnung sind
steuerbare Hilfsschalter angeordnet, die so kurzzeitig geöffnet werden,
dass aufgrund der Trägheit
der Aktoren das angeschlossene Arbeitsgerät nicht außer Betrieb gesetzt wird.
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Die
DE 41 34 396 C2 betrifft
ein Automatisierungssystem zur Steuerung und Überwachung einer technischen
Anlage, bei dem redundante Teilsysteme zyklisch Selbsttests durchführen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung
anzugeben, die das Auftreten eines Erstfehlers der oben beschriebenen
Art sicher detektiert.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Schaltung zumindest die folgenden Bauteile umfasst: einen
ersten Energiespeicher zum Ansteuern eines ersten Schalters und
einen zweiten Energiespeicher zum Ansteuern eines zweiten Schalters,
wobei die Bauteile derart verschaltet sind, dass der erste Energiespeicher
nur im nicht durchgeschalteten Zustand des zweiten Schalters geladen
wird, und dass der zweite Energiespeicher nur im nicht durchgeschalteten
Zustand des ersten Schalters geladen wird. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung
führt ein
Kurzschluss, d.h. ein ständig
durchgeschalteter erster Schalter oder ein ständig durchgeschalteter zweiter Schalter,
dazu, dass der dem jeweils anderen Schalter zugeordnete Energiespeicher
nicht mehr geladen bzw. nachgeladen wird, so dass der durch diesen
Energiespeicher angesteuerte Schalter in den nicht durchgeschalteten
Zustand gelangt und in diesem verbleibt. Das Auftreten eines Erstfehlers
kann somit sicher detektiert werden.
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Insbesondere
wenn es sich um eine redundante Endstufenschaltung für einen
elektronischen Sicherheitsbegrenzer handelt, umfasst die Schaltung vorzugsweise
weiterhin ein erstes Relais und ein zweites Relais, wobei der Steuerkreis
des ersten Relais im durchgeschalteten Zustand des ersten Schalters
angesteuert wird, während
der Steuerkreis des zweiten Relais im durchgeschalteten Zustand
des zweiten Schalters angesteuert wird. Verbleibt beispielsweise
der erste Schalter aufgrund eines Fehlerzustandes permanent im durchgeschalteten
Zustand, so wird zwar der Steuerkreis des ersten Relais permanent
mit Energie versorgt, so dass die Arbeitskontakte des ersten Relais
geschlossen bleiben. Allerdings führt der permanent durchgeschaltete
erste Schalter dazu, dass der zweite Energiespeicher nicht mehr
geladen wird. Da der zweite Energiespeicher den zweiten Schalter
ansteuert, gelangt dieser zweite Schalter nach einem bestimmten
Zeitabschnitt in den nicht durchgeschalteten Zustand und verbleibt
in diesem, so dass der Steuerkreis des zweiten Relais nicht länger mit
Energie versorgt wird und die Arbeitskontakte des zweiten Relais öffnen. Bei
dieser Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltung
ist es beispielsweise denkbar, das erste Relais und das zweite Relais
derart in Reihe zu schalten, dass das Auftreten eines Erstfehlers
zum sicheren Öffnen
des Lastkreises führt.
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Zu
diesem Zweck kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Lastkreis
des ersten Relais und/oder der Lastkreis des zweiten Relais im angesteuerten
Zustand des entsprechenden Relais geschlossen ist, wie dies vorstehend
bereits angedeutet wurde.
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Zu
einer schaltungstechnisch relativ unaufwendigen Lösung kann
beitragen, dass ein erster Schaltungsknoten zwischen dem ersten
Schalter und dem ersten Relais mit dem zweiten Energiespeicher in
Verbindung steht.
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In ähnlicher
Weise kann zum selben Zweck vorgesehen sein, dass ein zweiter Schaltungsknoten zwischen
dem zweiten Schalter und dem zweiten Relais mit dem ersten Energiespeicher
in Verbindung steht.
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Um
ein ungewolltes Entladen des ersten Energiespeichers zu vermeiden,
ist der zweite Schaltungsknoten vorzugsweise über eine erste Diode mit dem
ersten Energiespeicher verbunden.
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Damit
ein ungewolltes Entladen des zweiten Energiespeichers vermieden
werden kann, ist der erste Schaltungs knoten vorzugsweise in ähnlicher Weise über eine
zweite Diode mit dem zweiten Energiespeicher verbunden.
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Um
den ersten Schalter in geeigneter Weise anzusteuern ist zwischen
dem ersten Energiespeicher und dem ersten Schalter vorzugsweise
ein dritter Schalter vorgesehen, der in geeigneter Weise angesteuert
wird.
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Ebenso
wird bevorzugt, dass zwischen dem zweiten Energiespeicher und dem
zweiten Schalter ein vierter Schalter vorgesehen ist.
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Der
dritte Schalter und/oder der vierte Schalter sind in der Regel durch
einen Halbleiterschalter, beispielsweise in Form eines Transistors,
gebildet.
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Obwohl
prinzipiell auch andere Energiespeicher, wie beispielsweise Induktivitäten, denkbar
sind, wird bevorzugt, dass der erste Energiespeicher und/oder der
zweite Energiespeicher durch einen Kondensator gebildet ist.
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Weiterhin
ist auch der erste Schalter und/oder der zweite Schalter vorzugsweise
durch einen Halbleiterschalter, beispielsweise einen Transistor,
gebildet.
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Zur
einwandfreien Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung müssen der
erste Schalter und der zweite Schalter immer wieder in den nicht
durchgeschalteten beziehungsweise abgeschalteten Zustand gebracht
werden, um den ersten Energiespeicher und den zweiten Energiespeicher
zu laden. Da im Lastkreis wesentlich größere Ströme als im Steuerkreis fließen, kann
dieses Abschalten auf einen sehr kurzen Zeitabschnitt reduziert
werden, beispielsweise auf den Bereich von einigen Millisekunden.
Aus diesem Grund umfasst die erfindungsgemäße Schaltung vorzugsweise Mittel,
beispielsweise in Form einer Steuerung oder einer Regelung, die den
ersten Schalter zum Laden des zweiten Energiespeichers für einen
derart kurzen ersten Zeitabschnitt in den nicht durchgeschalteten
Zustand versetzen, dass sich der Schaltzustand des ersten Relais
innerhalb des ersten Zeitabschnitts nicht ändert.
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In ähnlicher
Weise sind weiterhin Mittel, beispielsweise in Form einer Steuerung
oder einer Regelung, vorgesehen, die den zweiten Schalter zum Laden
des ersten Energiespeichers für
einen derart kurzen zweiten Zeitabschnitt in den nicht durchgeschalteten
Zustand versetzen, dass sich der Schaltzustand des zweiten Relais
innerhalb des zweiten Zeitabschnitts nicht ändert. Die Länge des
ersten und des zweiten Zeitabschnitts können dabei derart gewählt werden,
dass die Remanenz, d.h. der Restmagnetismus des entsprechenden Relaisankers,
der durch die Spulencharakteristik des entsprechenden Relais verursachte
langsame Stromabbau, der durch die vorzugsweise antiparallel geschalteten
Dioden gefördert
wird, und die Massenträgheit
der Relaisanker ausreichen, um zu verhindern, dass sich der Schaltzustand
des ersten Relais beziehungsweise des zweiten Relais ändert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand des in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltung
in Form einer redundanten Endstufenschaltung für einen elektronischen Sicherheitsbegrenzer.
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Gemäß 1 ist
ein erster Energiespeicher C1 zum Ansteuern eines ersten Schalters
S1 vorgesehen, der im dargestellten Fall zwischen Masse und einem
Anschluss eines Steuerkreises eines ersten Relais K1 liegt. Ein
zweiter Anschluss des Steuerkreises des ersten Relais K1 ist mit
einer Versorgungsspannung UB verbunden. In ähnlicher Weise ist ein zweiter
Energiespeicher C2 zum Ansteuern eines zweiten Schalters S2 vorgesehen,
der zwischen Masse und einem ersten Anschluss eines zweiten Relais
K2 vorgesehen ist. Ein zweiter Anschluss des Steuerkreises des zweiten
Relais K2 ist ebenfalls mit der Versorgungsspannung UB verbunden.
Wie dies 1 zu entnehmen ist, sind die
Bauteile derart verschaltet, dass der erste Energiespeicher C1 in
Form eines Kondensators nur dann geladen wird, wenn sich der zweite
Schalter S2 im nicht durchgeschalteten Zustand befindet. In ähnlicher
Weise wird der zweite Energiespeicher C2, der bei der dargestellten Ausführungsform
ebenfalls durch einen Kondensator gebildet ist, nur dann geladen,
wenn sich der erste Schalter S1 im nicht durchgeschalteten Zustand
befindet. Zu diesem Zweck steht der zweite Energiespeicher C2 über eine
zweite Diode D2 mit einem ersten Schaltungsknoten P1 zwischen dem
ersten Schalter S1 und dem ersten Relais K1 in Verbindung. Die in
Form einer Ladung in dem zweiten Energiespeicher C2 gespeicherte
Energie wird dem Steueranschluss des zweiten Schalters S2 über einen
vierten Schalter S4 zugeführt.
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In ähnlicher
Weise ist der erste Energiespeicher C1 über eine erste Diode D1 mit
einem zweiten Knotenpunkt P2 zwischen dem zweiten Schalter S2 und
dem zweiten Relais K2 verbunden. Die in Form einer Ladung in dem
ersten Energiespeicher C1 gespeicherte Energie wird dem Steueranschluss
des ersten Schalters S1 über
einen dritten Schalter S3 zugeführt.
Der dritte Schalter S3 und der vierte Schalter S4 sind dazu vorgesehen,
den ersten Schalter S1 beziehungsweise den zweiten Schalter S2 unabhängig vom
Ladezustand des ersten Energiespeichers C1 beziehungsweise des zweiten
Energiespeichers C2 abzuschalten, damit der erste Energiespeicher C1
und der zweite Energiespeicher C2 geladen werden können.
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Nachfolgend
wird auf die Arbeitsweise der in 1 dargestellten
Schaltung eingegangen. Während
des Normalbetriebes der erfindungsgemäßen Schaltung werden der erste
Schalter S1 und der zweite Schalter S2 immer wieder abgeschaltet,
um den ersten Energiespeicher C1 beziehungsweise den zweiten Energiespeicher
C2 mit Energie zu versorgen. Da im nicht dargestellten Lastkreis
des ersten Relais K1 und im ebenfalls nicht dargestellten Lastkreis
des zweiten Relais K2 wesentlich größere Ströme als in den Steuerkreisen
dieser Relais K1, K2 fließen,
kann das Abschalten des ersten Schalters S1 und des zweiten Schalters
S2 wie erwähnt
auf einen kurzen Zeitabschnitt reduziert werden, der beispielsweise
im Bereich einiger Millisekunden liegen kann. Dieser Zeitabschnitt
wird derart gewählt,
dass die Remanenz des Relaisankers, der durch den Spulencharakter
des Relais verursachte langsame Stromabbau und die Masseträgheit des
Relaisankers ausreichen, um ein Öffnen
der entspre chenden Relaiskontakte zu verhindern. Demzufolge dürfen die
bei der dargestellten Ausführungsform über den
dritten Schalter S3 und den vierten Schalter S4 zugeführten Abschaltimpulse
für den
ersten Schalter S1 und den zweiten Schalter S2 einen maximalen Zeitabschnitt
nicht überschreiten,
der insbesondere durch die physikalischen Eigenschaften der Relais
K1, K2 mitbestimmt wird. Je nach Ausführungsform und Bauart des ersten
Relais K1 und des zweiten Relais K2 ergeben sich daher feste Zeitfenster,
in denen ein zeitlich fest definierter Abschaltimpuls erfolgen muss.
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Mit
der erfindungsgemäßen Schaltung
ist es möglich,
Fehlerzustände
zu erfassen und beispielsweise die entsprechenden Relais K1, K2
sicher abzuschalten. Beispielsweise eine vorgeschaltete Auswerteschaltung
kann daher mit nur einem Prozess realisiert werden, ohne dass hinsichtlich
der Sicherheit Kompromisse eingegangen werden müssen, was insbesondere bei
elektronischen Sicherheitsbegrenzern von entscheidender Bedeutung
ist.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.