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Die
Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung für eine Eingangsbaugruppe, insbesondere
eine Bus-Eingangsbaugruppe, zum sicheren Einlesen von an der Eingangsbaugruppe
anliegenden Eingangssignalen.
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Zum
Einlesen von Informationen aus einer Prozessumgebung, wie beispielsweise
aus einem Feld, durch über
entsprechend angeordnete Signalgeber bereitgestellte Eingangssignale
also insbesondere durch Schalter, Sensoren, werden Anforderungen
an die Fehlererkennung und das Ausfallverhalten einer hierzu aufgebauten
Schaltung sowie der Peripherie gestellt.
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So
betrifft beispielsweise die
DE 199 06 932 A1 eine Schaltungsanordnung,
die eine Referenzspannungsschaltung mit einer Referenzstromquelle und
einem Spannungsteiler mit umschaltbaren Teilerverhältnis umfasst.
Der Spannungsteiler ist dabei über
zwei Schalttransistor umschaltbar. Die Schaltung beinhaltet zumindest
einen Eingabekanal mit einem Komparator, der ein binäres Signal
an einem Signaleingang mit einer Referenzspannung am Referenzspannungseingang
vergleicht und über
einen Optokoppler einen Ausgang bzw. einen Auswertekreis ansteuert.
Der Eingabekanal kann in einem einen Testzyklus überprüft werden, unabhängig vom aktuellen
Pegel eines Eingangssignals. Dazu werden während eines Testzyklus verschiedene
Referenzspannungspegel nacheinander durchgeschaltet, so dass die
Auswerteeinrichtung einen Pegelwechsel am Ausgang detektiert, sofern
der Eingabekanal funktionsfähig
ist.
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Insbesondere
bei sicherheitsrelevanten Informationen auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik müssen diese
beispielsweise Standards gemäß DIN EN
954-1 oder nach IEC 61508 genügen.
Zum Erfüllen
derartiger Anforderungen sind komplexe, herkömmlicherweise zweikanalige
Strukturen der Eingangsschaltung erforderlich, was einen erhöhten Aufwand
in der Schaltungsrealisierung und in der Beschaltung der Peripherie
bedeutet, also insbesondere in Bezug auf die Verdrahtung zum Signalgeber, beispielsweise
zu einem Sicherheitsschalter. Derartige Schaltungen sind somit sehr
komplex aufgebaut und folglich auch kostenintensiv. Durch den erhöhten Bedarf
an Bauelementen sind diese Schaltungen ferner noch nachteilig in
Bezug auf deren Verfügbarkeit.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik einfacher
aufgebaute Schaltung zum Einlesen von sicherheitsrelevanten Signalen
und zum bereitstellen einer Schaltschwelle für einen Signalausgang bereitzustellen,
bei der insbesondere auf einen Komparatorbaustein inklusive einer
für diesen
notwendigen Spannungsversorgung verzichtet werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch eine Eingangsschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
und/oder bevorzugte Ausführungsformen,
Weiterbildungen, Verwendungen und/oder eine solche Einschaltungsschaltung
einsetzende oder umsetzende bzw. unterstützende Einrichtungen sind Gegenstand
der weiteren Ansprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Eingangsschaltung für eine Eingangsbaugruppe,
insbesondere eine Bus-Eingangsbaugruppe, zum sicheren Einlesen von an
der Eingangsbaugruppe anliegenden Eingangssignalen, welche insbesondere
den Standards Kat. 4 DIN EN 954 und SIL 3 IEC 61508 genügt, zeichnet sich
durch wenigstens einen Signaleingangsschaltkreis mit einkanaligem
Peripherieanschluss zum Anschließen wenigstens eines Signalgebers
aus, sowie durch einen mit dem Signaleingangsschaltkreis über ein
erstes Koppelglied elektrisch anschaltbaren Auswertekreis und einen
mit dem Signaleingangsschaltkreis elektrisch verbundenen Schaltkreis
zum Einstellen einer Referenzspannung, im Folgenden Vergleichsschaltkreis
genannt, zum Aktivieren und Deaktivieren des Koppelgliedes.
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Zur
Umsetzung einer solchen erfindungsgemäßen Eingangsschaltung schlägt die Erfindung
somit ferner einen Vergleichsschaltkreis für einen Signaleingangsschaltkreis
einer Eingangsbaugruppe, insbesondere einer Bus- Eingangsbaugruppe, mit einkanaligem
Peripherieanschluss zum Anschließen wenigstens eines Signalgebers
vor, wobei der Signaleingangsschaltkreis zum Einlesen von an der
Eingangsbaugruppe anliegenden Eingangssignalen über ein erstes Koppelglied
an einen Auswertekreis elektrisch anschaltbar ist, und wobei der
Vergleichsschaltkreis zum sicheren Einlesen der Eingangsignale Mittel
zum Einstellen einer Referenzspannung zum Aktivieren und Deaktivieren
des Koppelgliedes umfasst.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit durch den Vergleichsschaltkreis das anwendungsspezifische Setzen
von Schaltschwellen zwischen dem Signaleingangskreis und dem Auswertekreis,
so dass auch die Sicherheitsanforderungen nach Kategorie 4 DIN EN
954 und SIL 3 IEC 61508 erfüllt
werden können, wobei
der Signaleingangsschaltkreis für
eine sichere Eingangsschaltung zur Peripherie hin trotzdem einkanalig
ausgelegt ist und somit aus wenigen Bauteilen kosteneffizient und
mit wesentlich verbesserten Zeiten zwischen dem Auftreten von Fehler,
sogenannten MTBF (mean time between failures)-Zeiten und folglich
gesteigerter Verfügbarkeit
aufbaubar ist.
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Um
die Sicherheit zusätzlich
zu erhöhen,
ist in besonders bevorzugter Weise vorgesehen, dass der Vergleichsschaltkreis
eine Referenzspannungsquelle und eine Schaltung zum Testen der Referenzspannungsquelle
umfasst. Hierdurch kann der Vergleichsschaltkreis selbst getestet
und eine zur geforderten Sicherheit notwendige Schaltschwelle der Eingangssignale
auf einfache Weise sichergestellt und verifiziert werden.
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Zur
weiteren Steigerung der Sicherheit gegenüber Bauteilausfällen, weist
die Testschaltung gemäß vorteilhafter
Weiterbildung zwei, aus drei Widerständen aufgebaute, an einer Referenzdiode
angeschaltete Spannungsteiler zum Einstellen der Referenzspannung
auf.
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Von
Vorteil ist ferner, wenn jeder der Spannungsteiler an ein jeweiliges
zweites Koppelglied zum jeweils individuellen Aufprägen eines
Stromflusses angeschlossen ist. Hierdurch sind im Wesentlichen alle
kritischen Bauteile der Vergleichsschaltung und des Signaleingangsschaltkreises
sowie das Koppelglied testbar.
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In
zweckmäßiger Weise
ist bei der praktischen Umsetzung die Referenzdiode an eine Versorgungsspannung
angeschaltet, wobei zur Begrenzung der Versorgungsspannung für die Referenzdiode
ein im Leiter zwischen Referenzdiode und Versorgungsspannung angeordneter
Widerstand und eine parallel zur Referenzdiode geschaltete Z-Diode
vorgesehen sind.
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In
zweckmäßiger Weise
umfasst die Eingangsschaltung ferner eine im Signaleingangsschaltkreis
geschaltete Z-Diode zur Begrenzung der auf einem anliegenden Eingangssignal
basierenden Eingangsspannung auf einen Maximalwert. Nachfolgende
Bauteile können
somit insgesamt für
geringere Spannungen ausgelegt werden.
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Um
ein Testen des zwischen Signaleingangskreises und Auswertekreises
angeordneten Koppelgliedes ferner unabhängig von dem Vergleichsschaltkreis
zu gewährleisten,
welche eine nochmals erhöhte
Sicherheit bietet, umfasst eine erfindungsgemäße Eingangsschaltung in Weiterbildung
ferner eine mit dem Signaleingangsschaltkreiskreis elektrisch verbundene
Testschaltung zum Testen des ersten Koppelgliedes.
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In
besonders einfacher Weise ist bevorzugt vorgesehen, dass die Testschaltung
zum Testen des ersten Koppelgliedes ein drittes Koppelglied aufweist, über welches
eine Testspannung an das erste Koppelglied in dem Signaleingangsschaltkreis
anlegbar ist.
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Um
eine Entkopplung verschiedener Spannungsbereiche zu gewährleisten,
ist in weiterer bevorzugter Ausbildung wenigstens das erste Koppelglied
ein Optokoppler, besonders bevorzugt sind alle Koppelglieder Optokoppler.
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Eine
nochmals erhöhte
Sicherheit stellt sich ein, wenn der Auswertekreis zweikanalig aufgebaut ist.
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Von
Vorteil ist ferner, dass redundante Signalgeber in Reihe an den
Signaleingangsschaltkreis schaltbar sind. Da der Signaleingangsschaltkreis
für den
redundanten Kanal somit vollständig
entfällt,
verbessert sich zum Einen nochmals die Verfügbarkeit und zum Anderen wird
der Verdrahtungsaufwand weiter reduziert, da folglich auch bei der
Verwendung von redundanten Signalgebern, wie z. B. Sicherheitsschaltern,
weiterhin nur eine Klemme erforderlich ist.
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Von
weiterem Vorteil ist, dass eine Vielzahl von Signaleingangsschaltkreisen
an den Vergleichsschaltkreis parallel anschaltbar ist, da somit
bereits ein Vergleichsschaltkreis für eine Vielzahl von Eingangskreisen
ausreichend ist.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung
ist somit bevorzugt in der Sicherheitstechnik zum Einlesen von sicherheitsrelevanten
Sensorsignalen verwendbar und/oder innerhalb einer Buseingangsbaugruppe integriert,
welche Teil eines Masters, einer sicheren Steuerung und/oder einer
Feldeinheit ist. Die Schaltung gewährleistet hierbei einen einkanaligen
Aufbau im Peripheriebereich hin zu einer zweikanaligen Auswertung
im Logikbereich, wodurch die Herstellungskosten sowie der Platzbedarf
deutlich reduziert werden. Ferner kann im wesentlichen die komplette Schaltung
mit einfachen Mitteln sowie die Schaltschwellen zu 100% getestet
werden. Diese Schaltung kann neben einem Erfassen von sicheren Signalen
ferner zum Erfassen von Standard-Signalen, insbesondere wenn erhöhte Anforderungen
bestehen, verwendet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
beschrieben, wobei in der Zeichnung
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1 eine
beispielhafte Struktur einer erfindungsgemäßen sicheren Eingangsschaltung
darstellt.
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Die
erfindungsgemäße Eingangsschaltung gemäß 1 umfasst
einen Eingangskreis 100, der im Wesentlichen durch einen
Signaleingangsschaltkreis 110 und einen mit dem Signaleingangsschaltkreis 110 über ein
Koppelglied IC1 elektrisch anschaltbaren Auswertekreis 120 aufgebaut
ist. Der Signaleingangsschaltkreis besitzt einen einkanaligen Peripherieanschluss ”INO K1” zum Anschließen wenigstens
eines Signalgebers, wie z. B. einen Sensor oder Schalter. Die Eingangsschaltung
umfasst ferner einen mit dem Signaleingangsschaltkreis 100 elektrisch
verbundenen Vergleichsschaltkreis 200 mit testbarer Referenzspannungsquelle 210 und
eine Testschaltung 300 für das Koppelglied IC1.
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Die
Verbindung zwischen dem Vergleichsschaltkreis 200 und dem
Eingangskreis 100 erfolgt über den Signaleingangsschaltkreis 110 an
einem mit ”COMMON
IN” bezeichneten
Anschlusspunkt, an welchem durch den Vergleichsschaltkreis 200 eine Referenzspannung
zum Aktivieren oder Deaktivieren des Koppelglieds IC1 eingestellt
werden kann.
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Da über den
gemeinsamen Anschlusspunkt ”COMMON
IN” weitere
Eingangskreise anschließbar sind,
ist ein erstes wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Eingangsschaltung
somit, dass der Vergleichsschaltkreis 200 nur einmal vorhanden
sein muss, um auch mehrere Eingangskreise zu bedienen. Da solche
weiteren Eingangskreise zweckmäßiger Weise
entsprechend dem Eingangskreis 100 aufgebaut sind, beschränkt sich
die nachfolgende Beschreibung auf die in 1 dargestellte
Ausführungsform
und ist auf solche weiteren Eingangskreise übertragbar.
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Das
Koppelglied IC1 ist zur galvanischen Trennung des Auswertekreises 120 vom
Signaleingangsschaltkreis 110 ein Optokoppler, welchem
auf der Primärseite
zur Strombegrenzung ein Widerstand R1 vorgeschaltet ist. Der dargestellte
Signaleingangsschaltkreis 110 weist beispielhaft einen
aus Widerständen
R2 und R3 aufgebauten Spannungsteiler für ein am Eingang des Peripherieanschlusses ”INO K1” anliegendes
Eingangssignal auf sowie zwei Kondensatoren C2 und C3 zur Kompensation
von parasitären
Effekten. Es sei darauf hingewiesen, das diesbezüglich grundsätzlich auch
eine andere Schaltung als dargestellt umfasst sein kann.
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Ferner
umfasst der Signaleingangsschaltkreis 110 eine Z-Diode D1 zur letztendlichen
Begrenzung einer am Eingang des Peripherieanschluss ”INO K1” anliegenden
Eingangsspannung im High-Zustand auf einen vorbestimmten maximalen High-Zustands-Eingangsspannungswert
sowie eine dem Optokoppler IC1 auf der Primärseite nachgeschaltete Diode
V1 zum Schutz des Optokopplers gegen negative Spannung.
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Die
Sekundärseite
des Optokopplers IC1 ist mit einer Spannungsversorgung VCC und dem
Auswertekreis 200 verbunden. Im Beispiel gemäß 1 ist
der Auswertekreis 200 zum nicht dargestellten weiteren
Logikbereich auf zwei Kanäle ”INO K1
Logik K1” und ”INO K1
LOGIK K2” aufgeteilt,
so dass die einkanalig anliegenden Eingangssignale im Logikbereich
auch zweikanalig bearbeitet werden können, welches die Sicherheit
in Bezug auf die Auswertung erhöht,
jedoch anwendungsspezifisch nicht zwingend erforderlich sein muss.
Der dem Kanal ”INO
K1 LOGIK K2” zugeordnete
Widerstand ist hierbei als gewendelter Widerstand dargestellt, so
dass eine Entkopplung der beiden Kanäle gegen Überspannung und somit Rückkopplungsfreiheit
gewährleistet ist.
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Der
gemäß 1 dargestellte
Vergleichsschaltkreis 200 umfasst eine Testschaltung 220,
welche zwei, aus drei Widerständen
R21, R22, R23 aufgebaute Spannungsteiler aufweist, welche an der Referenzdiode
IC23 einer Referenzspannungsquelle 210 angeschaltet sind.
Ein im Leiter zwischen der Referenzdiode IC23 und einer Versorgungsspannung
US1 angeordneter Widerstand R24 und eine parallel zur Referenzdiode
geschaltete Z-Diode D2 begrenzen die Versorgungsspannung US1 für die Referenzdiode
IC23 auf einen vorbestimmten Wert. Die Widerstände R21, R22, R23 und R24 sind
ebenfalls als gewendelte Widerstände
dargestellt.
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Durch
die Spannungsteiler R23 und R21 bzw. R23 und R22 an der Referenzdiode
IC23 plus Vorwärtsspannung
der Diode V1 und des Optokopplers IC1 wird durch eine am Anschlusspunkt ”COMMON
IN” anliegende
Referenzspannung eine untere Schaltschwelle der Eingangsspannung
eingestellt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Eingang erst ab einer Eingangsspannung
die größer als
die vorgegebene Schaltschwellenspannung ist, als gesetzt erkannt
werden kann.
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Die
gemäß 1 dargestellte
Testschaltung 300 zum Testen des Optokopplers IC1 umfasst
einen Optokoppler IC3, über
welchen eine Testspannung an den Optokoppler IC1 anlegbar ist. Ein
Test zur Prüfung
der Funktionsfähigkeit
des Optokopplers IC1 wird zweckmäßig durchgeführt, wenn
ein an ”INO
K1” anliegendes
Eingangssignal im High-Zustand ist oder vom Low-Zustand in den High-Zustand
wechselt, der High-Zustands-Eingangsspannungswert somit größer als
die Schaltschwellenspannung ist/wird und der Auswertekreis 120 im
Normalbetrieb den Eingang folglich als gesetzt erkennt. Bei Anlegen
eines Testsignals ”INO
K1 TEST” an
den Optokoppler IC3 wird dann der Optokoppler IC1 gemäß der in 1 dargestellten
Beschaltung überbrückt und
mittels geeigneter Dimensionierung der dem Optokoppler IC3 vor-
und nachgeschalteten Widerstände
R5 bzw. R6 eine Testspannung an den Optokoppler IC1 anlegt, bei
welcher der Auswertekreis 120 bei fehlerfreiem Betrieb
den Eingang als nicht gesetzt erkennt.
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Beim
Vergleichsschaltkreis 200 besitzen ferner insbesondere
die Widerstände
R23, R21 und R22 eine besondere Bedeutung. Da über sie die minimale Eingangsschaltschwelle
sicherzustellen ist, ist die Eingangsschaltung an dieser Stelle
zur Erhöhung
der Sicherheit bevorzugt redundant aufgebaut. Jeder der Spannungsteiler
bestehend aus R23 und R21 bzw. R23 und R22 ist über einen Optokoppler IC21
bzw. IC22 zum jeweils individuellen Aufprägen eines Stromflusses an einen
mit ”COMMON
IN TEST1” bzw. ”COMMON
IN TEST2” bezeichneten Leitungsweg
angeschlossen. Durch die redundante Ausführung können überdies die Spannungsteiler R23
und R21 bzw. R23 und R22, die Optokoppler IC21, IC22 sowie die Referenzdiode
IC23 vollständig getestet
werden. Ferner ist zusätzlich
der Optokoppler IC1 testbar.
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Nachfolgend
werden verschiedene Zustände der
Vergleichsschaltung 200 und entsprechende Fehlererkennungen
beim Durchführen
von Tests beschrieben.
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Die
Tests werden zweckmäßiger Weise ebenfalls
durchgeführt,
wenn das an ”INO
K1” anliegende
Eingangssignal im High-Zustand
ist, der High-Zustands-Eingangsspannungswert somit größer als
die Schaltschwellenspannung ist und der Auswertekreis 120 im
Normalbetrieb den Eingang folglich als gesetzt erkennt.
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Die
beiden Spannungsteiler R23 und R21 bzw. R23 und R22 werden nacheinander
eingeschaltet und das Ergebnis auf der Logikseite, d. h. die Signale
der Kanäle ”INO K1
Logik K1” und ”INO K1
Logik K2” des
Auswertekreises 120 verglichen.
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Bei
fehlerfreiem Betrieb ist die vorgegebene Schaltschwelle der Eingangsschaltung
zum Erfassen des an der Eingangsklemme bzw. dem Peripherieanschlusses
INO angeschlossenen Eingangs im High-Zustand dann korrekt eingestellt,
wenn nur einer der beiden Optokoppler IC21 und IC22, gesetzt ist.
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Anschließend werden
beide Optokoppler IC21 und IC22 gesetzt, wodurch die Referenzspannung
am Anschlusspunkt ”COMMON
IN” bei
fehlerfreiem Betrieb auf eine vorbestimmte Spannung oberhalb des
durch die Z-Diode D1 vorbestimmten maximalen High-Zustands-Eingangsspannungswerts
angehoben wird. Da die Eingangspannung durch die Z-Diode D1 somit
auf einen Wert unterhalb der Schaltschwellenspannung begrenzt wird,
fließt kein
Strom mehr durch den Optokoppler IC1. In diesem Zustand sind, wenn
kein Fehler vorliegt, die Logiksignale der Kanäle ”INO K1 Logik K1” und ”INO K1 Logik
K2” des
Auswertekreises im Low-Zustand.
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Begrenzt
die Z-Diode D1 z. B. den maximalen High-Zustands-Eingangsspannungswerts auf 8,2 V und
liegt, wenn nur einer der Optokoppler IC21 und IC22 gesetzt ist,
die eingestellte Spannung im Anschlusspunkt ”COMMON IN” bei 4,85 Volt, fließt bei einem
im High-Zustand befindlichen Eingang Strom durch den Optokoppler
IC1 bei fehlerfreiem Betrieb und der Auswertekreis 120 erkennt
den Eingang als gesetzt. Die zwei möglichen Zustände, dass
nur einer der Optokoppler IC21 und IC22 gesetzt ist, werden ferner
benutzt, um die Widerstände
R23, R21 und R22 und die Optokoppler IC21 und IC22 zu überprüfen, indem
die Optokoppler IC21 und IC22 im Wechsel angesteuert werden. Sind
beide Optokoppler IC21 und IC22 gesetzt, beträgt die eingestellte Spannung
im Anschlusspunkt ”COMMMON
IN” beispielsweise
8,47 Volt. Dieser Zustand wird folglich insbesondere auch benutzt,
um die Z-Diode D1 und die Rückkopplung
des Eingangs zu überprüfen.
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Somit
wird durch die erfindungsgemäße Eingangschaltung
zum einen der Optokoppler IC1 und der Eingangskreis 100 insgesamt
mit zwei unterschiedlichen Verfahren und gleichzeitig der Vergleichsschaltkreis 200 getestet
und es werden im wesentlichen alle kritischen Fehler aufgedeckt,
wobei der sichere Zustand der Schaltung der Low-Zustand ist.
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Die
erfindungsgemäße Eingangsschaltung gemäß 1 bietet
somit eine einfach realisierbare Möglichkeit die einkanalig am
Peripherieanschluss ”INO
K1” anliegende
Eingangsinformation eines Eingangskreises zur Auswertung auf zwei
Kanäle
zu übertragen.
Obwohl die Schaltung im Peripheriebereich somit nur einkanalig realisiert
ist, deckt sie die Anforderungen an zweikanalige Systeme nach DIN EN
61508 und DIN EN 954 ab. Sie benötigt
folglich nur eine Anschlussklemme zum Anschluss externer Sensoren,
wie z. B. Sicherheitsschalter, was den Verdrahtungsaufwand reduziert,
wobei redundante Schalter/Sensoren bei entsprechend gefordertem Einsatz
in Reihe geschaltet werden können,
welches den Verdrahtungsaufwand nochmals wesentlich reduziert. Die
erfindungsgemäße Schaltung
eignet somit bevorzugt zum Erfassen von sicherheitsrelevanten Signalen
an einer Eingangsbaugruppe und ist ferner bevorzugt innerhalb einer
nicht näher
dargestellten Eingangsbaugruppe, insbesondere einer Bus-Eingangsbaugruppe,
integriert, welche z. B. auch Teil eines Masters, einer sicheren
Steuerung und/oder einer Feldeinheit sein kann. Die erfindungsgemäße Schaltung
kann jedoch ferner auch zum Erfassen von Standard-Signalen, insbesondere
wenn erhöhte
Anforderungen bestehen, verwendet werden.