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Die
Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung
einer mindestens eine elektrisch betätigbare, mechanisch wirkende
Motorbremse aufweisenden Bremsvorrichtung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion einer solchen
Betätigungseinrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
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Bei
Antriebsmotoren von Werkzeugmaschinen, Robotern und dergleichen
ist es von großer
Bedeutung, dass diese in einem Fehlerfall möglichst schnell angehalten
werden können.
Hierdurch sollen die Sicherheit für den jeweiligen Bediener erhöht und Schäden an Maschine,
Werkzeug oder Werkstück verhindert
werden. Für
das hierzu erforderliche Bremsen eines Antriebsmotors sind sowohl
elektrisch als auch mechanisch wirkende Motorbremsen bekannt. Bei
den elektrisch wirkenden Bremsen wird ein Elektromotor durch eine
entsprechende Veränderung
seines elektromagnetischen Feldes gebremst. Diese Bremsen sind praktisch
verschleißfrei.
Es kann jedoch der Fall auftreten, z. B. bei einem vollständigen Stromausfall,
dass das zum elektrischen Bremsen erforderliche elektromagnetische
Feld gar nicht erzeugt werden kann. Daher müssen aus Sicherheitsgründen häufig zusätzlich mechanische
Bremsen vorgesehen sein, die in einem Fehlerfall einen kurzen Bremsweg
sowie das Anhalten vertikal beweglicher Maschinenteile, sogenannter
vertikaler oder hängender
Achsen, sicherstellen.
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Die
zur Betätigung
mechanischer Motorbremsen vorgesehene Schaltungsanordnung (Betätigungseinrichtung)
muss zuverlässig
auf ihre Funktion überprüfbar sein.
Denn nur dann kann sichergestellt werden, dass die aus den mechanischen
Motorbremsen der einzelnen Antriebsmotoren bestehenden Bremsvorrichtung
in einem Fehlerfall tatsächlich ausgelöst wird.
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Da
die mechanisch wirkenden Motorbremsen insbesondere auch bei einem
Stromausfall eine Bewegung des jeweils zugeordneten Antriebsmotors verhindern
sollen, wirken mechanische Motorbremsen im stromlosen Zustand und
müssen
daher vor dem Betreiben eines Motors jeweils aktiv gelöst werden.
Dies bedeutet, dass die jeweilige Motorbremse im stromlosen Zustand
mechanisch in den zugeordneten Antriebsmotor eingreift und erst
nach einem aktiven Lösen
einen Betrieb des Motors zuläßt. Bei einem
Stromausfall oder einer in sonsti ger Weise (z. B. durch Betätigen eines
entsprechenden Schalters) herbeigeführten Unterbrechung der Stromzufuhr greift
die entsprechende Motorbremse wieder in den zugeordneten Motor ein
und bremst diesen.
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Zur
Erfüllung
dieser Funktionen ist es bekannt, jeder mechanisch wirkenden Motorbremse
der Bremsvorrichtung einen Schalter zuzuordnen, der der jeweiligen
Motorbremse vorgeschaltet ist und im geöffneten Zustand ein Eingreifen
der jeweiligen Motorbremse in den zugeordneten Motor bewirkt; denn ein
geöffneter
Schalter entspricht einer Unterbrechung der Stromzufuhr. Durch Schließen des
Schalters kann der dem Schalter nachgeschalteten mechanisch wirkenden
Motorbremse Strom zugeführt und
diese außer
Eingriff mit dem zugeordneten Antriebsmotor gebracht werden.
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Um
eine zuverlässige Überprüfung der
einzelnen Schalter der Betätigungseinrichtung
zu ermöglichen,
weisen diese bei den bekannten Bremsvorrichtungen neben einem Arbeitskontakt,
der einer Motorbremse vorgeschaltet und zum Bremsen des Motors geöffnet ist,
einen hiermit zwangsgekoppelten Ruhekontakt auf. Es handelt sich
also um sogenannte zwangsgeführte
Schalter. Durch die Zwangskopplung zwischen dem Arbeitskontakt und
dem Ruhekontakt wird erreicht, dass der Arbeitskontakt einerseits
und der Ruhekontakt andererseits stets eine entgegengesetzten Schaltzustand
einnehmen. Bei geöffnetem
Arbeitskontakt ist der Ruhekontakt geschlossen und umgekehrt. Die
Ruhekontakte der einzelnen Schalter werden in Reihe geschaltet und
bilden eine Ruhekontaktkette, anhand derer die Funktion der Schalter überprüft werden
kann. Wenn beispielsweise sämtliche
Arbeitskontakte der Schalter geöffnet
sind, so dass sämtliche
Motorbremsen in den jeweils zugeordneten Antriebsmotor eingreifen, dann
sind die zugeordneten Ruhekontakte geschlossen. Dies kann anhand
eines Stromflusses durch die Ruhekontaktkette überprüft werden. Dies ermöglicht insbesondere
eine Überprüfung der
Funktion der Arbeitskontakte der Schalter ohne die einzelnen Motorbremsen
zu lösen,
also ohne die entsprechenden Arbeitskontakte schließen zu müssen. Dies
ist von Bedeutung, um eine Beanspruchung der Motoren beim Überprüfen der
Betätigungseinrichtung
der Bremsvorrichtung zu verhindern, vergleiche
DE 197 56 752 A1 .
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Als
zusätzliche
Sicherheit ist vor die aus je einem Ruhekontakt und einem Arbeitskontakt
bestehenden zweiten Schalter, die jeweils unmittelbar einer Motorbremse
zugeordnet sind, noch ein erster Schalter geschaltet, der im geöffneten
Zustand die Stromzufuhr zu sämtlichen
Motorbremsen unterbricht (sicherheitsgerichtetes System).
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Die
Verwendung von Schaltern mit zwangsgeführten Kontakten hat jedoch
den Nachteil, dass entsprechende Schütze bzw. Relais als elektromechanische
Bauteile vergleichsweise teuer und nicht in eine Halbleiterschaltung
integrierbar sind.
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Aus
der
DE 36 14 979 A1 ist
ein Sicherheitssystem für
eine Druckmaschine bekannt, die eine Antriebs- und Bremsvorrichtung
mit einer gattungsgemäßen Betätigungseinrichtung
aufweist. Dabei sind der Hauptantriebsbremse eines Motors der Antriebsvorrichtung
zwei als Arbeitskontakte ausgelegte elektrische Kontakte in Reihe
vorgeschaltet, wodurch die Hauptantriebsbremse nur dann gelüftet wird,
wenn beide Kontakte geschlossen sind. Eine Betätigung der Bremsvorrichtung
kann dabei in der Weise erfolgen, dass ein die Hauptantriebsbremse
entgegen einer Federkraft lösender
Elektromagnet abgeschaltet wird, so dass die Bremsvorrichtung automatisch
aktiviert wird, wenn die Stromzufuhr zu dem Elektromagneten unterbrochen
ist.
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Aus
der US-PS 4,984,659 ist ein Steuergerät für einen Aufzug bekannt, das
eine elektrisch entgegen der Wirkung einer Federkraft lösbare Bremse
für den
Antrieb des Aufzugs aufweist. Ein Stromsensor detektiert dabei den
Strom, der durch eine der Bremse zugeordnete Spule fließt und generiert
ein Auslösesignal,
wenn sich dieser Strom wegen eines Lösens der Bremse ändert. Das
Auslösesignal
bewirkt eine Bestromung des Antriebs des Aufzugs und ermöglicht einen
sanften Start desselben.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Betätigungseinrichtung für eine oder
mehrere elektrisch betätigbare,
mechanisch wirkende Motorbremsen der eingangs genannten Art weiter
zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf eine Reduzierung der
Kosten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Schaffung einer Betätigungseinrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Danach
ist parallel zu dem ersten elektrischen Schalter ein elektrischer
Widerstand angeordnet, über
dem zur Überprüfung der
Funktion der Betätigungseinrichtung
der Spannungsabfall gemessen wird.
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Die
erfindungsgemäße Lösung hat
den Vorteil, dass eine Überprüfung der
zweiten Schalter, die mit ihrem Arbeitskontakt jeweils unmittelbar
einer Motorbremse zugeordnet sind, auch ohne die Verwendung zusätzlicher
Ruhekontakte erfolgen kann. Denn der geöffnete Zustand sämtlicher
zweiter Schalter läßt sich
dadurch feststellen, dass über
dem Widerstand, der parallel zu dem ersten Schalter angeordnet ist,
keine elektrische Spannung abfällt.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die zweiten elektrischen Schalter einen unendlichen Widerstand bilden und
somit keinen Stromfluss zulassen, wenn sie sich sämtlich im
geöffneten
Zustand befinden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit
die Verwendung zweiter (unmittelbar jeweils einer Motorbremse zugeordneter)
Schalter, die nur einen einzelnen Kontakt (Arbeitskontakt) aufweisen und
bei denen keine Zwangsführung
(Zwangskopplung zu einem weiteren Kontakt in Form eines Ruhekontaktes)
vorgesehen ist. Hierdurch werden die Kosten für diese Schalter erheblich
reduziert.
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Darüber hinaus
können
nun für
die zweiten Schalter nicht nur Schütze oder Relais ohne Ruhekontakt
sondern auch Halbleiterschalter (z.B. MOSFETs oder IGBTs) verwendet
werden, die z.B. in das Leistungsteil des Umrichters der jeweiligen
Motorsteuerung integriert sind. Somit können die den einzelnen Motorbremsen
unmittelbar zugeordneten zweiten Schalter einen Bestandteil der
entsprechenden Motorsteuerungen bilden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung eignet
sich insbesondere zur Verwendung bei sogenannten sicherheitsgerichteten
Steuerungen mit zwei Mikroprozessoren, die sich gegenseitig überprüfen.
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Der
elektrische Widerstand, über
dem zur Überprüfung der
zweiten Schalter die Spannung gemessen wird, wird parallel zu dem
Arbeitskontakt des ersten Schalters geschaltet.
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Der
erste Schalter ist vorzugsweise als zwangsgeführter Schalter in Form eines
Schütz
oder Relais ausgebildet, dessen Arbeitskontakt mit einem Ruhekontakt
zwangsgekoppelt ist. Der Ruhekontakt des ersten Schalters kann dann
zur Überprüfung der Funktion
des ersten Schalters in eine Ruhekontaktkette der jeweiligen Antriebsanordnung
geschaltet werden.
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Grundsätzlich kann
jedoch auch der erste Schalter als ein einfacher Schalter mit nur
einem Arbeitskontakt und keinem hiermit zwangsgekoppelten Ruhekontakt
ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Überprüfung des ersten Schalters in
der Weise erfolgen, dass dieser geöffnet und ein einzelner zweiter
Schalter geschlossen wird. Anschließend wird der Spannungsabfall über dem
parallel zum ersten Schalter angeordneten elektrischen Widerstand
gemessen. Über
dem parallel zu dem ersten Schalter angeordneten elektrischen Widerstand
muss dann eine Spannung gemessen werden. Anderenfalls ist entweder
der erste Schalter oder die Anordnung zur Messung der Spannung über dem
elektrischen Widerstand (Spannungsüberwachung) defekt. Aus der Schaltungsanordnung
selbst heraus läßt sich
zwar nicht feststellen, ob der erste Schalter oder die Spannungsüberwachung
defekt ist; die entsprechende Maschine darf jedoch in diesem Fall
keineswegs in betrieb genommen werden. Es muss dann eine zusätzliche,
separate Überprüfung des
zweiten Schalters sowie der Spannungsüberwachung erfolgen.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Überprüfung des
ersten Schalters sowie der zweiten Schalter ergeben sich im einzelnen
aus den Patentansprüchen
16 bis 20.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Überwachung
der einzelnen Schalter der Betätigungseinrichtung
zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Überprüfung der
Schalter durchgeführt
werden kann, ohne dass dabei eine Motorbremse gelöst, d. h.
mit dem zugeordneten Motor außer
Eingriff gebracht werden müßte.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Figur erläutert
werden.
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Die
einzige Figur zeigt eine Schaltungsanordnung (Betätigungseinrichtung)
zur Betätigung
von Motorbremsen einer Werkzeugmaschine.
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In
der Figur ist eine Betätigungseinrichtung
in Form einer Steuerung zur Betätigung
von Motorbremsen B1, B2, B3, ... Bn einer Mehrzahl von Antriebsmotoren
M1, M2, M3, ... Mn einer NC-Werkzeugmaschine dargestellt. Dabei
ist jedem der Motoren M1, M2, M3, ... Mn genau eine elektrisch betätigbare,
mechanisch wirkende Motorbremse B1, B2, B3, ... Bn zugeordnet.
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Die
mechanisch wirkenden Motorbremsen B1, B2, B3, ... Bn sollen insbesondere
bei einem Stromausfall eine Bewegung des jeweils zugeordneten Antriebsmotors
M1, M2, M3, ... Mn zuverlässig und
mit kurzem Bremsweg verhindern. Aus diesem Grund muss sichergestellt
sein, dass bei einer Unterbrechung der Stromversorgung zu den einzelnen Motorbremsen
B1, B2, B3, ... Bn die jeweilige Bremse mit dem zugeordneten Antriebsmotor
in Eingriff gerät,
um eine Drehbewegung des Motors zu verhindern.
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Darüber hinaus
sollen die Motorbremsen B1, B2, B3, ... Bn auch mittels zugeordneter
Schalter betätigbar
sein, und zwar einerseits um ein Lösen der jeweiligen Bremse zum
Zwecke der Aktivierung des entsprechenden Antriebsmotors zu ermöglichen
und andererseits um eine Motorbremse auch aus anderen Gründen als
einem Stromausfall in Eingriff mit dem zugeordneten Antriebsmotor
bringen zu können.
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Hierzu
ist jeder Motorbremse B1, B2, B3, ... Bn ein elektrischer Schalter
S1, S2, S3, ... Sn vorgeschaltet. Die Reihenschaltungen aus den
Schaltern S1, S2, S3, ... Sn und den zugeordneten Motorbremsen B1,
B2, B3, ... Bn sind parallel zueinander geschaltet. Jede der Motorbremsen
B1, B2, B3, ... Bn befindet sich im stromlosen Zustand, wenn der
jeweils vorgeschaltete Schalter S1, S2, S3, ... Sn geöffnet ist.
In diesem Fall greift die jeweilige Motorbremse B1, B2, B3, ...
Bn in einen Motor M1, M2, M3, ... Mn ein und hindert diesen an einer
Drehbewegung. Die Schalter S1, S2, S3, ... Sn bestehen vorzugsweise
aus jeweils einem Arbeitskontakt und können beispielsweise als Halbleiterschalter
in die Leistungsteile der Umrichter der Motorsteuerungen integriert sein.
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Der
Gesamtheit der Motorbremsen B1, B2, B3, ... Bn ist ein weiterer
Schalter Sg (erster Schalter bzw. gemeinsamer Schalter) vorgeschaltet,
der vorzugsweise als Relais bzw. Schütz ausgebildet ist und einen
Arbeitskontakt A in Form eines Schließers sowie einen Ruhekontakt
R in Form eines Öffners
aufweist. Der Arbeitskontakt A sowie der Ruhekontakt R sind zwangsgekoppelt,
so das bei geschlossenem Arbeitskontakt A der Ruhekontakt R keinesfalls
auch geschlosen sein kann, sondern zwangsweise geöffnet ist.
Ein geschlossener Ruhekontakt R zeigt daher zuverlässig an,
dass der Arbeitskontakt A geöffnet ist.
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Der
Arbeitskontakt A des ersten Schalters Sg ist zwischen eine Spannungsversorgung
und die Motorbremsen B1, B2, B3, ... Bn mit den zugeordneten zweiten
Schaltern S1, S2, S3, ... Sn geschaltet. Bei geöffnetem Arbeitskontakt A des
ersten Schalters Sg sind daher sämtliche
Motorbremsen B1, B2, B3, ... Bn stromlos und greifen in den jeweils
zugeordneten Antriebsmotor M1, M2, M3, ... Mn ein.
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Jeder
der Motoren M1, M2, M3, ... Mn ist somit gegen einen unerwünschten
Betrieb doppelt gesichert. Ein Betreiben jedes der Motoren M1, M2,
M3, ... Mn ist nur dann möglich,
wenn die jeweils zugeordnete Motorbremse B1, B2, B3, ... Bn gelöst ist,
also außer
Eingriff mit dem entsprechenden Motor steht. Hierzu muss sowohl
der Arbeitskontakt A des ersten Schalters Sg als auch der jeweils
zugeordnete Schalter S1, S2, S3, ... Sn geschlossen sein. Mit anderen Worten
ausgedrückt,
befindet sich eine Motorbremse B1, B2, B3, ... Bn schon dann in
Eingriff mit dem jeweils zugeordneten Antriebsmotor M1, M2, M3,
... Mn, wenn entweder der erste Schalter Sg oder der der jeweiligen
Motorbremse B1, B2, B3, ... Bn zugeordnete zweite Schalter S1, S2,
S3, ... bzw. Sn geöffnet
ist.
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Im
Ergebnis wird erreicht, dass eine bestimmte Motorbremse B1, B2,
B3, ... bzw. Bn sowohl bei einem Spannungs-/Stromausfall im System
insgesamt als auch bei geöffnetem
ersten Schalter Sg und/oder geöffnetem
unmittelbar vorgeschalteten Schalter S1, S2, S3, ... Sn in den zugeordneten
Motor M1, M2, M3, ... oder Mn eingreift und diesen an einer Drehbewegung
hindert. Die Möglichkeit,
eine Motorbremse sowohl durch Öffnen
des ersten Schalters Sg als auch durch Öffnen eines unmittelbar vorgeschalteten
zweiten Schalters S1, S2, S3, ... Sn stromlos zuschalten und dadurch
zwei voneinander unabhängige
Möglichkeiten
zur Verfügung
zu stellen, um eine Motorbremse mit dem jeweils zugeordneten Antriebsmotor
in Eingriff zu bringen, trägt
zu einer erhöhten
Sicherheit der Anordnung bei.
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Zum Überprüfen der
Funktion des ersten Schalters Sg kann dessen Ruhekontakt R in eine
Ruhekontaktkette geschaltet werden. Hierdurch läßt sich ohne weiteres überprüfen, ob
der Arbeitskontakt A des ersten Schalters Sg ordnungsgemäß geöffnet werden
kann, um die Motorbremsen B1, B2, B3, ... Bn in Eingriff mit den
jeweils zugeordneten Motor zu bringen. Denn der geöffnete Zustand
des Arbeitskontaktes A entspricht dem geschlossenen Zustand des hiermit
zwangsgekoppelten Ruhekontaktes R, welcher sich wiederum ohne weiteres
dadurch überprüfen läßt, dass
der Ruhekontakt R bzw. eine Kontaktkette, in die der Ruhekontakt
R integriert ist, einen elektrischen Strom leitet.
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Zur Überprüfung der
zweiten Schalter S1, S2, S3, ... Sn dient ein elektrischer Widerstand
R, der parallel zu dem Arbeitskontakt A des ersten Schalters Sg
geschaltet ist und an den eine Einrichtung zur Spannungsüberwachung Ü angeschlossen
ist. Zur Überprüfung der
zweiten Schalter S1, S2, S3, ... Sn auf ihre Funktionsfähigkeit
werden diese Schalter – bei
geöffnetem
Arbeitskontakt A des ersten Schalters Sg – geöffnet, und es wird die Spannung
gemessen, die über
dem Widerstand R abfällt.
Wenn sämtliche zweite
Schalter S1, S2, S3, ... Sn ordnungsgemäß geöffnet sind, dann fällt über dem
Widerstand R keine Spannung ab. Umgekehrt kann auf einen Defekt eines
der Schalter S1, S2, S3, ... Sn geschlossen werden, wenn mittels
der Spannungsüberwachung Ü eine über dem
Widerstand R abfallende Spannung detektiert wird. In diesem Fall
ist einer der Schalter nicht ordnungsgemäß geöffnet.
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Im
Ergebnis kann somit sowohl die Überprüfung des
Arbeitskontaktes A des ersten Schalters Sg (unter Verwendung von
dessen Ruhekontakt R) als auch die Funktion der zweiten Schalter
S1, S2, S3, ... Sn jeweils geprüft
werden, während
der entsprechende Schalter geöffnet
ist. Dies bedeutet, dass die Motorbremsen B1, B2, B3, ... Bn jeweils
in die zugeordneten Antriebsmotoren M1, M2, M3, ... Mn eingreifen,
so dass keine Motorbewegung stattfinden kann. Somit kann die Überprüfung sämtlicher
Schalter durchgeführt
werden, ohne dass ein Betrieb der Antriebsmotoren erfolgt. Dadurch
tritt an den mechanischen Motorbremsen kein Verschleiß auf und
für die Überprüfung der
Bremsen müssen
keine speziellen Spindel- oder Achsstellungen angefahren werden.
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Darüber hinaus
lassen sich die zweiten Schalter S1, S2, S3, ... Sn auch jeweils
einzeln daraufhin überprüfen, ob
Sie ordnungsgemäß geschlossen
werden können.
Hierzu werden diese Schalter S1, S2, S3, ... Sn – bei geöffnetem Arbeitskontakt A des
ersten Schalters Sg – der
Reihe nach jeweils einzeln geschlossen, und es wird dabei gemessen,
ob über
dem Widerstand R eine Spannung abfällt. Nur wenn eine Spannung über dem
Widerstand R festgestellt werden kann, ist der zu überprüfende zweite Schalter
ordnungsgemäß geschlossen.
Bei dieser Prüfung
kann also ein eventueller Defekt unmittelbar einem Schalter zugeordnet
werden, nämlich
demjenigen zweiten Schalter, der zur Überprüfung geschlossen werden sollte.
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Demgegenüber ist
bei der zuvor beschriebenen Überprüfung der
zweiten Schalter darauf, ob sich diese ordnungsgemäß öffnen lassen,
im Fall eines Defektes dieser nicht eindeutig einem zweiten Schalter
zuzuordnen. Vielmehr kann ledig lich festgestellt werden, dass mindestens
ein zweiter Schalter nicht ordnungsgemäß geöffnet ist, wenn über dem
Widerstand R eine Spannung abfällt.
Die entsprechende Werkzeugmaschine darf dann nicht in Betrieb genommen
werden. Anschließend
muss eine separate Überprüfung der
einzelnen zweiten Schalter vorgenommen werden.
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Bei
einer Abwandlung des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels
ist auch der erste Schalter Sg als ein einfacher Schalter ausgebildet, der
lediglich einen Arbeitskontakt A jedoch keinen hiermit zwangsgekoppelten
Ruhekontakt aufweist. Eine Darstellung dieses Ausführungsbeispiels
läßt sich
aus der einzigen Figur dieser Anmeldung ableiten, indem bei dem
ersten Schalter Sg der Ruhekontakt R weggelassen wird. Es verbleibt
dann lediglich noch der Arbeitskontakt A.
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In
diesem Fall wird zu Überprüfung der
Funktion des ersten Schalters wie folgt verfahren:
Bei geöffnetem
ersten Schalter Sg wird ein zweiter Schalter S1, S2, S3, ... oder
Sn geschlossen. An dem parallel zum ersten Schalter Sg angeordneten
Widerstand R muss dann die angelegte Spannung abfallen, was mittels
der Spannungsüberwachung
meßbar
ist. Wird der Test in Verbindung mit einer hängenden Achse einer Werkzeugmaschine
durchgeführt, so
muss der zugehörige
Antriebsmotor derart bestromt werden, dass er aus eigener Kraft
eine Bewegung der Achse im Fehlerfall verhindern kann.
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Fällt an dem
Widerstand R nicht die erwartete Spannung ab, so ist entweder der
erste Schalter Sg oder die Spannungsüberwachung Ü defekt. Es ist dann eine weitere Überprüfung dieser
Bauelemente erforderlich.
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Die Überprüfung der
zweiten Schalter S1, S2, S3, ... Sn erfolgt vorzugsweise, nachdem
durch Überprüfung des
ersten Schalters Sg festgestellt worden ist, dass dieser tatsächlich geöffnet ist.