DE102008056069B4 - Sicherheitsmodul und Automatisierungskomponente - Google Patents

Abstract

Sicherheitsmodul zur Realisierung des sicheren Betriebs einer Automatisierungskomponente, insbesondere für eine Sicherheitssteuerung oder für einen sicheren Antrieb, umfassend eine erste (19) und eine zweite (20) Logikeinheit, welche mittels Busleitungen (22) zu Kommunikationszwecken miteinander verbunden sind, wobei ein Mittel (12, 11) zur Realisierung eines Überspannungsschutzes vorgesehen ist, welches derart realisiert ist, dass die von den Logikeinheiten (19, 20) umfassten Bustreiber bei einer am Sicherheitsmodul auftretenden Überspannung vor Überlastung geschützt werden, dadurch gekennzeichnet, dassdas Mittel (12, 11) ein elektrisch ansteuerbares Schaltmittel (11) und ein Eingangsspannungsvergleichsmittel (12) umfasst, welches unter Berücksichtigung der Eingangsspannung des Sicherheitsmoduls das Schaltmittel (11) ansteuert und somit eine gesteuerte Ableitung des in den Busleitungen (22) auftretenden Stromes bewirkt,wobei das Eingangsspannungsvergleichsmittel (12) mit einem weiteren Mittel (14, 18) beschaltet ist, welches bei Anstieg der Versorgungsspannung an den Versorgungsspannungsanschlüssen (13) des Eingangsspannungsvergleichsmittels (12) eine Strombegrenzung für die Versorgungsspannungsanschlüsse (13) des Eingangsspannungsvergleichsmittels (12) bewirkt.

Description

• Die Erfindung entspringt dem Gebiet der Automatisierungstechnik und beschreibt ein Sicherheitsmodul mit einer Anordnung zur Spannungsüberwachung.
• Automatisierungssystemkomponenten, wie beispielsweise Antriebsverstärker oder Steuerungen, werden von Maschinenherstellern beispielsweise zum Bau von Bearbeitungsmaschinen eingesetzt. Die Maschinenhersteller müssen hierbei die einschlägigen Normen und Maschinenrichtlinien beachten und benötigen daher Komponenten, mit denen ein sicherer Betrieb der Maschinen gemäß Maschinenrichtlinie realisierbar ist. Zur Lösung dieses Problems bietet die Anmelderin für Automatisierungssystemkomponenten ein sogenanntes Sicherheitsmodul an, mittels dessen ein sicherer Betrieb der von der Anmelderin hergestellten und vertriebenen Automatisierungssystemkomponenten realisierbar ist. Damit jedoch auch der sichere Betrieb dieses Moduls selbst sichergestellt ist, müssen diverse schaltungstechnische Vorkehrungen für das Modul getroffen werden, insbesondere zum Schutz der Signalelektronik vor Überspannungen.
• Aus der EP 0 614 298 A2 ist ein Endstellengerät mit einer Einrichtung zur Ableitung einer Betriebsspannung bekannt, wobei über Widerstandsnetzwerke die Spannung der Datenleitungen im Ruhezustand des Bus-System einstellbar ist. Weiterhin ist eine Schutzschaltung vorgesehen, welche die Datenleitung mit Masse verbindet.
• Aus der DE 201 17 639 U1 ist eine Eingangsschutzbeschaltung für Buskoppler an einem Bussystem mit zumindest einem Überstromschutzelement bekannt, welches zwischen je einer Datenleitung des Bussystems und je einem Eingang des Buskopplers geschaltet ist und ein Überspannungsschutzelement aufweist, welches den jeweiligen Eingang mit einem Bezugspotenzial verbindet.
• Aus der DE 102 51 473 B3 ist eine Schutzschaltung zum Schutz gegen Überspannung für einen spannungsmäßig für ein erstes Bordnetz ausgelegten CAN-Bus-Transceiver bekannt, welcher in einem zweiten Bordnetz mit einer gegenüber dem ersten Bordnetz mehrfach höheren Bordnetzspannung betrieben wird.
• Aus der DE 10 2006 056 591 A1 ist die Verwendung einer Schaltung bestehend aus Komparator und Transistor zum Ableiten von Überspannungsereignissen bekannt.
• Es sind Schaltungsanordnungen zur Abschaltung bei Überstrom oder bei Überspannung zum Schutz eines Verbrauchers bekannt. Eine solche Anordnung zeigt die deutsche Patentschrift DE 2504648 C2 . Die DE 38 29 705 A1 zeigt eine Überspannungsschutzeinrichtung für eine Elektronikschaltung.
• Würden derartige Schaltungen jedoch zum Schutz des oben genannten Moduls verwendet, so würden diese den sehr hohen Anforderungen an die Betriebsbereitschaft und Funktionssicherheit nicht genügen. Insbesondere würden derartige Schaltungen von den Zertifizierungsstellen nicht akzeptiert. Um die Normen und Richtlinien zu erfüllen, muss die Betriebsbereitschaft der Überspannungsüberwachung auch in den ungünstigsten Fällen sichergestellt sein.
• Das erfindungsgemäße Sicherheitsmodul, umfasst Logikeinheiten, wie Mikrocontroller, Speicher, (z.B. Dual Port RAM), oder programmierbare Logikbausteine, welche zur Kommunikation untereinander mittels Busleitungen verbunden sind. Tritt in einer dieser Logikeinheiten, zum Beispiel verursacht durch einen Fehler in der Spannungsversorgung, eine Überspannung auf, so kann dies dazu führen, dass aufgrund fehlender Schutzmechanismen die betroffene Logikeinheit und an den mittels des Busses angekoppelten weiteren Logikeinheiten ein irreversibler Schaden entsteht. Beispielsweise könnten aufgrund eines durch Überspannung verursachten Überstromes die Eingangsstufen der Logikeinheiten zerstört werden.
• Ausgehend von einem Sicherheitsmodul mit einer ersten und einer zweiten Logikeinheit, welche mittels Busleitungen zu Kommunikationszwecken miteinander verbunden sind, schlägt die Erfindung die Verwendung eines Mittels zur Realisierung eines Überspannungsschutzes vor. Das Mittel ist derart realisiert, dass die von den Logikeinheiten umfassten Bustreiber bei einer am Sicherheitsmodul auftretenden Überspannung vor Überlastung aktiv geschützt werden. Der aktive Schutz beinhaltet, dass das Mittel bei einer von ihm erkannten Überspannung selbsttätig aktiv wird und die Schutzmaßnahme vorsorglich einleitet. Vorzugsweise umfassen die Busleitungen Strombegrenzungsmittel, wie elektrische Widerstände, mit möglichst niedrigen Werten, um die Signalqualität der mittels der Busleitungen geführten Signale so wenig wie möglich zu beeinflussen. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Sicherheitsmodul, insbesondere die darauf angeordneten Signalleitungen, vor hohen statischen Überspannungen geschützt ist.
• Das Mittel ist vorzugsweise derart realisiert, dass ein auftretender Strom an den Busleitungen bei erkannter Überspannung abgeleitet wird, indem alle Busleitungen im wesentlichen gleichzeitig mit einem gemeinsamen Potential, vorzugsweise mit der Schaltungsmasse, verbunden werden. Damit kein Kurzschluss zwischen den Busleitungen selbst entsteht sind Ableitdioden vorgesehen, welche Kathodenseitig sternförmig miteinander verbunden sind und Anodenseitig mit den Busleitungen verbunden sind.
• Erfindungsgemäß ist das Mittel mittels eines elektrisch ansteuerbaren Schaltmittels und mittels eines Eingangsspannungsvergleichsmittels realisiert, wobei das Eingangsspannungsvergleichsmittel unter Berücksichtigung der Eingangsspannung des Sicherheitsmoduls das Schaltmittel ansteuert. Es wird somit eine gesteuerte Ableitung des in den Busleitungen auftretenden Stromes bewirkt, wobei die Steuerung mittels einer definierbaren Schaltschwelle beeinflussbar ist. Das Mittel ist derart realisiert, dass dessen Funktion während des Betriebs des Sicherheitsmoduls fortlaufend und in Echtzeit gewährleistet ist, so dass eine permanente Überwachung der am Sicherheitsmodul anliegenden Spannungen möglich ist.
• Das Schaltmittel wird vorzugsweise mittels eines Transistors realisiert und das Eingangsspannungsvergleichsmittel wird vorzugsweise mittels eines Komparators realisiert, wobei der Steuereingang des Transistors mit dem Steuerausgang des Komparators verbunden ist, so dass die Busleitungen mit einem gemeinsamen Potential verbunden werden können. Auf diese Weise lässt sich die Schaltung unter Verwendung preiswerter Bauelemente kostengünstig herstellen.
• Erfindungsgemäß wird das Eingangsspannungsvergleichsmittel mit einem Mittel beschaltet, welches bei Anstieg der Versorgungsspannung an den Versorgungsspannungsanschlüssen des Eingangsspannungsvergleichsmittels eine Strombegrenzung für die Versorgungsspannungsanschlüsse des Eingangsspannungsvergleichsmittels bewirkt. Besonders bevorzugt ist das Eingangsspannungsvergleichsmittel derart beschaltet, dass bei Anstieg der Versorgungsspannung an zumindest einem Eingang des Vergleichsmittels und/oder an den Versorgungsspannungsanschlüssen des Vergleichsmittels eine Strombegrenzung für das Eingangsspannungsvergleichsmittel bewirkt wird. Steigt die Eingangsspannung der Überspannungsüberwachung beispielsweise aufgrund eines Fehlers an, so sogt diese Beschaltung dafür, dass das Vergleichsmittel selbst vor einer zu hohen Spannung geschützt wird. Dies wird mittels eines Bauelementes erreicht, welches das Verhalten einer Stromquelle aufweist, die in Serie mit einem Spannungsbegrenzungsmittel geschaltet ist. Die Wirkung dieser Anordnung hat zur Folge, dass aufgrund der spannungsunabhängigen Stromversorgung mittels der Stromquelle stets ein definierter und gleichmäßiger Strom im Spannungsbegrenzungsmittel auftritt und somit der Eingang des Vergleichsmittels und/oder die Versorgungsspannungsanschlüsse des Vergleichsmittels unabhängig von der tatsächlich anliegenden Spannung an der Anordnung stets mit definiertem Potential beaufschlagt werden. Diese Lösung ermöglicht es, dass die erfindungsgemäße Überspannungsüberwachung einen Spannungshub der Versorgungsspannung bis zu 65 Volt abdecken kann. Auch im Fehlerfalle, bei dem Spannungen bis zu 65 Volt auftreten können, bleibt die Überwachungsfunktion damit aktiv. Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Lösung auch bei extrem niedrigen Versorgungsspannungen unter 5 Volt noch arbeiten.
• Vorzugsweise umfasst eine Automatisierungskomponente, insbesondere eine Sicherheitssteuerung oder ein sicherer Antrieb, ein Sicherheitsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches Sicherheitsmodul den sicheren Betrieb der Automatisierungskomponente bewirkt.
• 1 zeigt, wie die erfindungsgemäße Überspannungsüberwachung beispielhaft realisiert sein könnte.
• Die Schaltung zeigt als aktive Bauelemente einen Transistor T1 11 und einen Komparator K1 12 sowie als passive Bauelemente CDRs (Current Regulative Diode) 14,18, Widerstände 15 und Z-Dioden 16, 17. Der Spannungsteiler 15 ist derart dimensioniert, dass der Komparator 12 beim Überschreiten einer bestimmten Schaltschwelle, verursacht durch die Eingangsspannung VCC_HOST 13 der Anordnung, aktiv wird. Als Referenzspannung wird mittels des CDR 14 und der Z-Diode 16 beispielsweise in dieser Schaltung ein Referenzspannungswert VREF um 2,5 Volt erzeugt, mit dem einer der Komparatoreingänge beschaltet ist. Überschreitet VCC_HOST 13 die Referenzspannung am Spannungsteiler 15, so wird eine Überspannung erkannt und der Transistor T1 11 legt die Busleitungen 22 zwischen den Logikeinheiten 19, 20 über die Dioden 23 auf Massepotential. Der in den Busleitungen 22 auftretende Strom wird in diesem Falle mittels der Längswiderstände 21 und der Ableitdioden 23 abgeleitet. Kommt es zu einer starken Überlastung der Längswiderstände 21, können diese zwar zerstört werden, was naturgemäß jedoch nicht zum Verlust der Schutzfunktion führt.
• Eine Überlastung der Schutzdioden kann durch entsprechende Dimensionierung ausgeschlossen werden.
• Die CDRs 14,18 arbeiten ähnlich wie eine Stromquelle und liefern unabhängig von der anliegenden Spannung einen definierten Strom. Die Serienschaltung der CDRs 14, 18 mit den Z-Dioden 17, 16 könnte auch durch eine andere Schaltungsanordnung gleicher Wirkung (beispielsweise einer Stromquelle und Z-Dioden) ersetzt werden. Der Vorteil dieser Lösung liegt in einem weiten Eingangspannungshub, der hiermit erreicht wird und den Betrieb der Überwachung auch im Falle einer fehlerbedingten und überhöhten Eingangspannung VCC_HOST sicherstellt. Die Überspannungsüberwachung ist derart realisiert, dass sie bis zu einer Überspannung VCC_HOST von max. 65V funktioniert. Die Schaltung deckt wegen der Verwendung der CDRs einen Spannungsbereich von ca. 4,5 bis circa 65 Volt ab.
• Prinzipiell bestehen die beiden Interfaces (Host- und Safety) aus digitalen Treiber-/Receiver Bausteinen, die über die Signalleitungen 22 miteinander verbunden sind.

Claims (6)

1. Sicherheitsmodul zur Realisierung des sicheren Betriebs einer Automatisierungskomponente, insbesondere für eine Sicherheitssteuerung oder für einen sicheren Antrieb, umfassend eine erste (19) und eine zweite (20) Logikeinheit, welche mittels Busleitungen (22) zu Kommunikationszwecken miteinander verbunden sind, wobei ein Mittel (12, 11) zur Realisierung eines Überspannungsschutzes vorgesehen ist, welches derart realisiert ist, dass die von den Logikeinheiten (19, 20) umfassten Bustreiber bei einer am Sicherheitsmodul auftretenden Überspannung vor Überlastung geschützt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (12, 11) ein elektrisch ansteuerbares Schaltmittel (11) und ein Eingangsspannungsvergleichsmittel (12) umfasst, welches unter Berücksichtigung der Eingangsspannung des Sicherheitsmoduls das Schaltmittel (11) ansteuert und somit eine gesteuerte Ableitung des in den Busleitungen (22) auftretenden Stromes bewirkt, wobei das Eingangsspannungsvergleichsmittel (12) mit einem weiteren Mittel (14, 18) beschaltet ist, welches bei Anstieg der Versorgungsspannung an den Versorgungsspannungsanschlüssen (13) des Eingangsspannungsvergleichsmittels (12) eine Strombegrenzung für die Versorgungsspannungsanschlüsse (13) des Eingangsspannungsvergleichsmittels (12) bewirkt.
2. Sicherheitsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die Busleitungen (22) Strombegrenzungsmittel (21) umfassen.
3. Sicherheitsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (12, 11) derart realisiert ist, dass ein auftretender Strom an den Busleitungen (22) bei erkannter Überspannung abgeleitet wird, indem die Busleitungen (22) mit einem gemeinsamen Potential verbunden werden.
4. Sicherheitsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (12, 11) derart realisiert ist, dass dessen Funktion während des Betriebs des Sicherheitsmoduls fortlaufend und in Echtzeit gewährleistet ist.
5. Sicherheitsmodul gemäß Anspruch 4, wobei das Schaltmittel (11) mittels eines Transistors (11) realisiert ist und wobei das Eingangsspannungsvergleichsmittel (12) mittels eines Komparators (12) realisiert ist, wobei der Steuereingang des Transistors (11) mit dem Steuerausgang des Komparators (12) verbunden ist, so dass die Busleitungen (22) mit einem gemeinsamen Potential verbunden werden können.
6. Automatisierungskomponente, insbesondere Sicherheitssteuerung oder sicherer Antrieb, umfassend ein Sicherheitsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches Sicherheitsmodul den sicheren Betrieb der Automatisierungskomponente bewirkt.

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