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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Überwachen einer Schließposition zweiter relativ zueinander
beweglicher Teile, insbesondere zur Verwendung als berührungsloser
Türkontaktschalter, mit einem Betätiger, der zumindest ein
erstes magnetisches Element beinhaltet, und mit einem Sensor, der
zumindest ein Hall-Element aufweist, wobei das Hall-Element in
Abhängigkeit von dem ersten magnetischen Element ein erstes
Ausgangssignal erzeugt.
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Die Erfindung betrifft des weiteren auch eine Anordnung mit
einer solchen Vorrichtung sowie einem externen Auswerte- und
Schaltgerät, das in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des
Sensors eine Schaltfunktion auslöst.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 196 22 447 A1 bekannt.
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Die aus der DE 196 22 447 A1 bekannte Vorrichtung besitzt einen
Betätiger, der zumindest ein magnetisches Element aufweist.
Sensorseitig besitzt die bekannte Vorrichtung ein oder zwei
Hall-Elemente, deren Ausgangssignal zum Ansteuern eines Relais
verwendet wird. Der ausgangsseitige Kontakt des Relais dient
zum Abschalten einer Maschine. Dies erfolgt dann, wenn der
Betätiger mit dem magnetischen Element soweit von dem Hall-
Element entfernt wird, daß dessen Ausgangssignal unter einen
bestimmten Schwellwert abfällt. Die bekannte Vorrichtung
besitzt des weiteren einen Reed-Schalter, der ebenfalls in
Abhängigkeit von dem Betätiger angesteuert wird. Die Schaltstellung
des Reed-Schalters wirkt sich ebenfalls auf den Schaltzustand
des genannten Relais aus, so daß die Vorrichtung insgesamt eine
gewisse Redundanz und damit Eigenfehlersicherheit besitzt.
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Aus der DE 198 40 620 C1 ist eine weitere gattungsgemäße
Vorrichtung bekannt, deren Sensor auch ein Hall-Element aufweist.
Außerdem ist eine Spulenanordnung vorhanden, die in der Art
eines Transponders arbeitet. Die Spulenanordnung ist redundant zu
dem Hall-Element, wodurch wiederum eine gewisse Eigensicherheit
gegenüber Fehlfunktionen erreicht wird.
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Eine weitere gattungsbildende Vorrichtung ist aus der DE 199 28 641 C1
bekannt. Eine Redundanz wird hier durch die Kombination
eines Transponders mit einem Hall-Element oder einem Reed-
Schalter erreicht.
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Allen bekannten Vorrichtungen ist gemeinsam, daß das
Ausgangssignal des Hall-Elements im wesentlichen direkt ausgewertet
wird, das heißt das Ausgangssignal des Hall-Elements nimmt im
direkten Einfluß darauf, ob die abgesicherte Maschine
abgeschaltet wird oder nicht. Betrachtet man das Hall-Element für
sich genommen, könnte dabei ein Abschalten der Maschine trotz
geöffneter Sicherheitstüre umgangen werden, indem ein
beliebiger Magnet in den Bereich des Hall-Elements gebracht wird. Um
derartige Manipulationen zu vermeiden, sind zusätzliche
Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, die bei den beiden zuletzt
genannten Vorrichtungen beispielsweise die Verwendung der Transponder
beinhalten. In einem Ausführungsbeispiel der DE 196 22 447 A1
findet zur Verhinderung von Manipulationen eine codierte
Anordnung von mehreren ersten magnetischen Elementen Anwendung, die
auf mehrere entsprechend ausgerichtete Hall-Elemente einwirken.
Mit derartigen Maßnahmen läßt sich grundsätzlich eine erhöhte
Sicherheit gegenüber Manipulationen und/oder unbeabsichtigte
Fehlfunktionen erreichen. Je nach konkreter Realisierung sind
die Maßnahmen jedoch aufwendig und/oder teuer.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben,
die eine einfache und kostengünstige Alternative zu den
bekannten Vorrichtungen darstellt, wobei zumindest gleichbleibende,
wenn nicht gar höhere Sicherheitsanforderungen erfüllt werden
sollen.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung
dadurch gelöst, daß der Sensor ferner einen Fensterkomparator
aufweist, dem das erste Ausgangssignal zugeführt ist, wobei der
Fensterkomparator ein zweites Ausgangssignal erzeugt, wenn das
erste Ausgangssignal innerhalb eines vorgegebenen
Signalbereichs liegt.
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Durch die Verwendung des Fensterkomparators wird das
Ausgangssignal des Hall-Elements einer doppelten Überprüfung
unterzogen. Das Ausgangssignal muß einerseits eine erste
Vergleichsschwelle überschreiten, um beispielsweise die Inbetriebnahme
einer abgesicherten Maschine zu ermöglichen. Andererseits darf
das Ausgangssignal des Hall-Elements jedoch eine zweite höhere
Vergleichsschwelle nicht überschreiten, so daß gewissermaßen
ein Signalfenster gebildet wird, in dem sich das Ausgangssignal
des Hall-Elements bewegen muß, um die Inbetriebnahme der
Maschine zu ermöglichen. Durch die Verwendung eines solchen
Fensterkomparators wird eine Manipulation der Vorrichtung mit
einem beliebigen Magneten ausgeschlossen. Um nämlich ein
Freigabesignal für die Inbetriebnahme einer abgesicherten Maschine zu
erhalten, muß ein Magnet mit exakt definierten Eigenschaften in
den Bereich des Hall-Elements gebracht werden, damit dieses ein
Ausgangssignal erzeugt, das innerhalb des vorgegebenen
Signalbereichs (Signalfenster) liegt. Die Vergleichsschwellen des
Fensterkomparators können bei der Entwicklung und Herstellung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit an sich bekannten Mitteln
(geeignete Dimensionierung von Widerständen etc.) auf einfache
und sehr kostengünstige Weise eingestellt und auch variiert
werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher bei
gleichbleibenden Sicherheitsanforderungen einfacher und
kostengünstiger aufgebaut werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Sensor ferner
zumindest einen Reed-Schalter auf, der in Abhängigkeit von dem
Betätiger ein drittes Ausgangssignal erzeugt.
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Durch die zusätzliche Verwendung des an sich bekannten Reed-
Schalters läßt sich die Eigensicherheit der Vorrichtung weiter
erhöhen. Dabei bietet die Verwendung eines Reed-Schalters in
Kombination mit einem Hall-Element, dessen Ausgangssignal über
einen Fensterkomparator ausgewertet wird, eine besonders
einfache und sehr kostengünstige Möglichkeit, die trotzdem höchsten
Sicherheitsanforderungen genügt. Die Kombination Hall-Element/
Reed-Schalter bietet zudem eine besonders hohe Sicherheit, da
die kombinationsbedingte Diversität (Verschiedenheit der
Überwachungskreise) der gleichzeitige Ausfall beider
Überwachungskreise extrem unwahrscheinlich wird.
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Eine noch größere Steigerung der Sicherheit gegenüber
Manipulationen kann zudem dadurch erreicht werden, daß zumindest der
Reed-Schalter magnetisch "negativ" vorgespannt wird, so daß
auch hier das magnetische Element im Betätiger eine vorgegebene
Feldstärke überschreiten muß.
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In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Betätiger
zumindest ein zweites magnetisches Element, wobei der Reed-Schalter
das dritte Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem zweiten
Element erzeugt.
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Alternativ zu dieser Ausgestaltung ist es auch möglich, daß der
Betätiger nur ein magnetisches Element aufweist, das sowohl mit
dem Hall-Element als auch mit dem Reed-Schalter zusammenwirkt.
Die zuvor genannte Maßnahme besitzt demgegenüber den Vorteil,
daß der Kreis, der den Reed-Schalter enthält, vollständig von
dem Kreis, der das Hall-Element enthält, getrennt werden kann,
so daß eine vollständig zweikanalige Auslegung möglich wird.
Hierdurch ist die Eigensicherheit der Anordnung nochmals
erhöht.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor zumindest zwei
Hall-Elemente auf, die zumindest zwei erste Ausgangssignale
liefern.
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Durch die Verwendung zusätzlicher Hall-Elemente wird die
Redundanz der Anordnung und damit die Eigensicherheit gegenüber
Fehlfunktionen und/oder Manipulationen noch weiter gesteigert.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor zur Auswertung
der zwei ersten Ausgangssignale zumindest zwei
Fensterkomparatoren mit zumindest teilweise verschiedenen Vergleichsschwellen
auf.
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Diese Ausgestaltung bildet die zuvor genannte Maßnahme weiter,
wobei hiernach die einzelnen Hall-Elemente getrennt von
einander und mit unterschiedlichen Fensterkomparatoren ausgewertet
werden. Durch diese Maßnahme wird die Eigensicherheit auf eine
vor allem in produktionstechnischer Hinsicht sehr einfache
Weise noch weiter erhöht. Da die Vergleichsschwellen der
Fensterkomparatoren sehr einfach und kostengünstig dimensioniert
werden können, ist trotz der nochmals erhöhten Sicherheit eine
kostengünstige Herstellung möglich.
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In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Sensor eine
Konstant-Stromquelle, die das zumindest eine Hall-Element speist.
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Es ist an sich bekannt, daß ein Hall-Element zum
bestimmungsgemäßen Betrieb von einem Strom durchflossen sein muß. Die
Anordnung einer Konstant-Stromquelle innerhalb des Sensors führt
darüber hinaus jedoch zu exakt definierten Verhältnissen
innerhalb des Sensors, wodurch die Vergleichsschwellen des bzw. der
Fensterkomparatoren sehr exakt und fein abgestimmt werden
können. Auch durch diese Maßnahme wird die Sicherheit der
Vorrichtung gegen Manipulationen noch weiter gesteigert.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Stromquelle in
Abhängigkeit von einem externen Taktsignal ausschaltbar.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die erfindungsgemäße
Vorrichtung in einer Anordnung zu betreiben, bei der fehlerhafte
Querschlüsse innerhalb des Sensors und/oder in
Verbindungsleitungen zum Sensor erkannt werden können. Damit ist eine weitere
Erhöhung der Eigensicherheit gegenüber Fehlfunktionen möglich.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung diese
Ausgestaltung mit Taktsignalen gespeist, die von einem
nachfolgenden, externen Auswerte- und Schaltgerät erzeugt werden.
Derartige Schaltgeräte werden beispielsweise von der Anmelderin der
vorliegenden Erfindung unter der Bezeichnung PNOZ bzw. PSS
vertrieben, so daß die nochmals erhöhte Sicherheit ohne
zusätzlichen Entwicklungs- oder Produktionsaufwand erreichbar ist.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die
nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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Fig. 2 ein Schutzgitter zur Absicherung einer
Maschinenanlage, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung aus
Fig. 1 beispielhaft Verwendung findet,
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Fig. 3 Signalverläufe zu Erläuterung der Funktionsweise
eines Fensterkomparators, und
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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung unter
Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer
Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die Vorrichtung 10 beinhaltet einen Betätiger 12 sowie einen
Sensor 14. Wie in Fig. 2 dargestellt, dient die Vorrichtung 10
bevorzugt als berührungsloser Türkontaktschalter zur
Absicherung von automatisiert arbeitenden Maschinen und dergleichen,
wobei der Betätiger 12 in der Regel an einer Schutztür 16 und
der Sensor 14 an dem feststehenden Teil eines Schutzzauns 18
befestigt sind. Die Schutztür 16 kann in Richtung des Pfeils 20
bewegt werden und ermöglicht somit einen kontrollierten Zutritt
in den Gefahrenbereich der hier nicht dargestellten Maschine.
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Der Betätiger 12 besitzt in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel zwei magnetische Elemente 22, 24, wobei das
magnetische Element 22 in der hier gewählten Terminologie das erste
magnetische Element ist, während das Element 24 als zweites
magnetisches Element bezeichnet wird. Die beiden magnetischen
Elemente 22, 24 wirken in der nachfolgend beschriebenen Weise
mit dem Sensor 14 zusammen.
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Der Sensor 14 ist hier durchgehend zweikanalig aufgebaut, wobei
der erste Kanal in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 26
und der zweite Kanal mit der Bezugsziffer 28 bezeichnet sind.
Der zweite Kanal 28 beinhaltet im wesentlichen einen Reed-
Schalter 30, der in einem Auswertekreis 32 angeordnet ist.
Seriell zu dem Reed-Schalter befindet sich ein Widerstand 34 zur
Strombegrenzung. Weitere an sich bekannte Schaltungsmaßnahmen
zur Signalformung, Störbeseitigung und dergleichen sind der
Einfachheit halber hier nicht näher dargestellt.
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Der Auswertekreis 32 besitzt zwei Anschlüsse 36, 38, über die
einerseits ein Eingangssignal eingespeist werden kann und
andererseits ein Ausgangssignal abgreifbar ist. Das Ausgangssignal,
das hier beispielsweise am Anschluß 38 abgegriffen wird, ist in
der hier gewählten Terminologie das dritte Ausgangssignal des
Sensors 14.
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Der erste Kanal 26 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel ein
Hall-Element 40, das von einer Stromquelle 42 in an sich
bekannter Weise mit einem konstanten Strom gespeist wird. Das
Ausgangssignal 44 des Hall-Elements 40 (in der gewählten
Terminologie das erste Ausgangssignal) ist gleichzeitig zwei jeweils
als Komparator betriebenen Verstärkern zugeführt, die aufgrund
unterschiedlicher Vergleichsspannungen gemeinsam einen
Fensterkomparator 46 bilden. Die unterschiedlichen
Vergleichsspannungen werden in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer
Widerstandskette erzeugt. Das Ausgangssignal des Fensterkomparators
46 ist auf einen Anschluß 48 geführt, an dem somit ein Signal
bereit steht, das in der hier gewählten Terminologie das zweite
Ausgangssignal ist. An einen weiteren Anschluß 50 kann in der
nachfolgend näher beschriebenen Weise ein Taktsignal angelegt
werden, mit dem die Stromquelle 42 zyklisch abschaltbar ist.
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In Fig. 3 sind zwei Signalverläufe schematisch dargestellt,
anhand derer die Funktionsweise des Fensterkomparators 46
erkennbar ist. Der obere Signalverlauf 60 zeigt den Verlauf des
Ausgangssignals 44 des Hall-Elements 40, wenn der Betätiger 12 mit
dem magnetischen Element 22 zunächst in den Bereich des Sensors
14 bewegt wird und anschließend von diesem wieder entfernt
wird. In Abhängigkeit von der zunehmenden magnetischen
Feldstärke erzeugt das Hall-Element 40 zunächst ein ansteigendes
Ausgangssignal 44, das anschließend weitgehend konstant bleibt,
wenn die Schutztür 16 geschlossen ist und der Betätiger 12
damit den geringsten Abstand zum Sensor 14 aufweist. Wird die
Schutztür 16 geöffnet, nimmt die im Bereich des Hall-Elements
40 auftretende magnetische Feldstärke wieder ab, so daß da
Ausgangssignal 44 ebenfalls zurückgeht.
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Mit den Bezugsziffern 64 und 66 sind zwei Vergleichsschwellen
bezeichnet, die einen Signalbereich 68 aufspannen. Der
Signalbereich 68 entspricht dem Überwachungsfenster des
Fensterkomparators 46.
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Der untere Signalverlauf 62 in Fig. 3 zeigt das Ausgangssignal
des Fensterkomparators 46, das heißt das zweite Ausgangssignal
in der hier gewählten Terminologie. Sobald der Signalverlauf 60
die untere Vergleichsschwelle 64 überschreitet, erzeugt der
Fensterkomparator 46 einen (hier) positiven Signalpegel, der so
lange gehalten wird, bis der Signalverlauf 60 die untere
Vergleichsschwelle 64 wieder unterschreitet. Darüber hinaus nimmt
der Fensterkomparator 46 den positiven Signalpegel auch zurück,
wenn der Signalverlauf 60 die obere Vergleichsschwelle 66
überschreitet, was hier durch die Extrapolation 70 angedeutet ist.
Das zweite Ausgangssignal weist daher im vorliegenden
Ausführungsbeispiel nur dann einen positiven Signalpegel auf, wenn
das erste Ausgangssignal des Hall-Elements 40 innerhalb des
Signalbereichs 68 liegt.
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Die Vorrichtung 10 liefert an ihren beiden Anschlüssen 38, 48
somit zwei Ausgangssignale, die jeweils einen ersten
Signalzustand aufweisen, wenn der Betätiger 12 im Bereich des Sensors
14 angeordnet ist, und die einen zweiten unterschiedlichen
Signalzustand aufweisen, wenn der Betätiger 12 von dem Sensor 14
entfernt ist. Die zueinander redundanten Ausgangssignale des
Reed-Schalters 30 und des Hall-Elements 40 lassen sich dann in
an sich bekannter Weise fehlersicher auswerten, um eine
überwachte Maschine oder dergleichen abzuschalten.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
der Reed-Schalter 30 bei der Vorrichtung 10 hier über ein
weiteres magnetisches Element 80 "negativ" vorgespannt. Dies
bedeutet, daß das magnetische Element 80 den Reed-Schalter 30
hier in einem geschlossenen Zustand hält, so daß der Reed-
Schalter 30 nur durch ein entgegengesetzt gerichtetes,
stärkeres Magnetfeld geöffnet werden kann. Auf diese Weise wird hier
der Reed-Schalter 30, der an sich ein Schließer ist, zu einem
Öffner gemacht. In Kombination mit dem hier gezeigten Hall-
Element 40 erhält man dadurch eine noch größere Diversität.
Außerdem kann durch geeignete Dimensionierung des magnetischen
Elements 80 verhindert werden, daß der Reed-Schalter 30 von
außen mit einem beliebigen Magneten betätigt werden kann, was
eine Manipulation weiter erschwert.
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In weiteren Ausführungsbeispielen (hier nicht dargestellt)
besitzt die Vorrichtung 10 mehrere Hall-Elemente 40 und/oder
Reed-Schalter 30. Bevorzugt weist dann auch der Betätiger 12
weitere magnetische Elemente 22, 24 auf, die gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführung codiert angeordnet sind. Eine
Codierung wird dadurch erreicht, daß die magnetischen Elemente
22, 24 mit unterschiedlicher Polarität ausgerichtet sind, wobei
die entsprechend zugeordneten Hall-Elemente 40 und Reed-
Schalter 30 auf die jeweilige Polarität abgestimmt sind. In
diesem Fall ist eine Manipulation noch weiter erschwert, da der
Sensor 14 die gewünschten Ausgangssignale zur Inbetriebnahme
der Maschine nur dann liefern kann, wenn eine richtig codierte
Magnetanordnung erkannt wird.
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In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente
bezeichnen wie zuvor. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet
der Sensor 14 zwei weitgehend identisch aufgebaute Kanäle 26,
die jeweils ein Hall-Element 40 aufweisen. Eine Diversität wird
hier erreicht, indem die Hall-Elemente von verschiedenen
Herstellern stammen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der
Aufbau der Kanäle 26 hier im Detail nicht dargestellt, er
entspricht jedoch demjenigen in Kanal 26 in Fig. 1. Bevorzugt sind
die Fensterkomparatoren 46 in den beiden Kanälen auf
unterschiedliche Vergleichsschwellen abgestimmt, worauf die
magnetischen Elemente im Betätiger 12 entsprechend angepaßt sind.
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Mit der Bezugsziffer 90 ist ein Auswerte- und Schaltgerät
bezeichnet, das in an sich bekannter Weise über redundante
Ausgänge 92, 94 verfügt. Mit den Ausgängen 92, 94 sind in
ebenfalls an sich bekannter Weise redundante Schaltelemente 96, 98
verbunden. Das Auswerte- und Schaltgerät 90 ist in der Lage, in
Abhängigkeit von zugeführten Eingangssignalen beispielsweise
eine Maschine zweikanalig und damit fehlersicher abzuschalten.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Auswerte- und
Schaltgerät 90 hier um eines, das von der Anmelderin der vorliegenden
Erfindung unter der Typenbezeichnung PNOZ vertrieben wird.
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Das Auswerte- und Schaltgerät 90 stellt an zwei weiteren
Ausgängen externe Taktsignale 100, 102 bereit. Die Taktsignale
100, 102 sind hier jeweils an die Anschlüsse 50 der Kanäle 26
geführt. Aufgrund des in Fig. 1 näher dargestellten Aufbaus
wird die Stromquelle 42 hier in Abhängigkeit von den
Taktsignalen 100 bzw. 102 zyklisch abgeschaltet. Infolgedessen
verschwindet das erste Ausgangssignal 44 der Hall-Element 40, auch
wenn der Betätiger 12 in der Nähe des Sensors 14 angeordnet
ist. Da dieser Signalwechsel von dem Auswerte- und Schaltgerät
90 determiniert hervorgerufen wird, ist eine
Querschlußerkennung auf den Verbindungsleitungen 104, 106 sowie innerhalb des
Sensors 14 möglich.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden
Taktsignal 100, 102 phasenverschieden. Damit ist eine noch
zuverlässigere Querschlußerkennung möglich.
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In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung beinhaltet die
in Fig. 4 dargestellte Anordnung unterschiedliche Kombinationen
von Kanälen 26, 28, das heißt die in Fig. 4 dargestellte
Anordnung kann auch mit einem Sensor 14 realisiert sein, der Reed-
Schalter 30 aufweist. Darüber hinaus ist auch die Verwendung
von Transpondern und dergleichen zur weiteren Erhöhung der
Sicherheit möglich.