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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Schaltfähigkeit wenigstens eines zur Schaltung eines elektrischen Verbrauchers dienenden Halbleiterschalters, der im Stromkreis zwischen einer Spannungsquelle und dem Verbraucher geschaltet ist.
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Werden Verbraucher, beispielsweise elektropneumatische Antriebe, in sicherheitskritischen Anwendungen und Umgebungen eingesetzt, ist der Anlagenbetreiber verpflichtet, dafür zu sorgen, dass die automatisierte Anlage unter Beachtung des Risikopotentials und der möglichen Schadenshöhe keinen Schaden durch Fehlfunktionen, beispielsweise Schaltfehler, anrichten kann. Dies weist er in der Regel durch eine FMEA und die Einstufung der Anlage in eine Sicherheitskategorie, zum Beispiel Safety-Integrity-Level (SIL) oder Proformance-Level (PL) nach. Dieser Nachweis erstreckt sich in der Regel auf eine Vielzahl von Komponenten, deren Hersteller die Unbedenklichkeit für den spezifizierten Einsatzfall bestätigen, wobei dies auch häufig eine akkreditierte Zulassungsstelle (zum Beispiel TÜV oder BG) zertifiziert.
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Der Einsatz von Sicherheitsabschaltsystemen ist eine mögliche Maßnahme, um energiereiche Anlagenkomponenten zu inaktivieren, sobald eine Fehlersituation oder ein unsicherer Eingriff durch Menschen erkannt wird. Die Aktion des Sicherheitsabschaltsystems ist in jedem gefährlichen Fall die Unterbrechung der Primärenergie. Ist der elektrische Strom die Primärenergie, dann wird die Strom- beziehungsweise Spannungsquelle gesichert und ein- oder zweikanalig vom Verbraucher abgetrennt, so dass im Gefahrenfall kein Schaden entstehen kann. Dies geschieht üblicherweise durch Halbleiterschaltelemente. Um sicherzustellen, dass die Halbleiterschaltelemente im Gefahrenfall auch wirklich in der Lage sind, den Sicherheitsstromkreis zu öffnen, wird dieser in bekannter Weise kurzzeitig geöffnet und die Auswirkung auf eine Detektionsschaltung überwacht. Dies wird in bekannter Weise durch Beobachtung der Spannung der geschalteten Seite realisiert. Das Wiedereinschalten des Verbrauchers erfolgt adaptiv nach eindeutiger Detektion des Abschaltimpulses. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass dieser so lang werden kann, dass die Reaktion der Abschaltung für die Last relevant und damit gegebenenfalls auch funktionsschädlich sein kann.
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In der
WO 02/095282 A1 ist ein solches Verfahren beschrieben, welches den beschriebenen Nachteil dadurch vermeidet, dass in einem Lastpfad eine Reihenschaltung eines Sicherheitsschaltmoduls, der Last und eines zweiten Sicherheitsschaltmoduls vorgesehen ist, wobei in jedem der zweipolig ausgebildeten Sicherheitsschaltmodule jeweils zwei zueinander parallele Schaltpfade realisiert sind, die zur Zeit des Prüfimpulses abwechselnd die unterbrechungsfreie Versorgung der Last übernehmen, und dass im jeweiligen Schaltpfad bei Abschaltung eine Potentialänderung detektiert werden kann. Ein Ausbleiben der Potentialänderung während der Testphase wird als Fehler erkannt, der eine sofortige Abschaltung des gesamten Sicherheitsschaltmoduls zur Folge hat. Diese Reihenschaltung der jeweils zweipolig ausgebildeten Sicherheitsschaltmodule führt jedoch zu erhöhtem Platz- und Kostenaufwand der gesamten Anordnung.
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Aus der
DE 195 07 071 A1 ist eine Schaltung zum Ein- und Ausschalten einer elektrischen Last mit wenigstens zwei in Reihe mit der Last geschalteten Halbleiterschaltern bekannt, bei der ein Komparator vorgesehen ist, der die an der Last auftretende Spannung mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht und der ein Signal abgibt, das einen Einschaltzustand der elektrischen Last anzeigt, und bei der ein Vergleicher vorgesehen ist, der das Einschaltzustandssignal mit wenigstens einem Signal vergleicht.
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Die
JP 10248243 A offenbart einen Stromkreis mit zwei parallel zueinander geschalteten Stromzweigen, wobei der erste Stromzweig als Laststromzweig ausgebildet ist und wobei im zweiten Stromzweig eine Parallelschaltung einer Freilaufdiode und eines Kondensators vorgesehen ist. Die beiden parallel geschalteten Stromzweige sind in Reihe zur Stromquelle sowie zu einer Transistorschaltung angeordnet, wobei mit Hilfe der Transistorschaltung eine Unterbrechung des Stromkreises herbeigeführt werden kann.
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Die
DE 42 42 792 A1 offenbart eine Sicherheitsschalteranordnung zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung von zwei in Abhängigkeit vom Einschalten des Stromes gemeinsam ein Arbeitsgerät in Betrieb setzenden, in Reihe zum Arbeitsgerät geschalteten Relais. Jedem der Relais ist eine Steuerschaltung zugeordnet, die im Relais-Laststromkreis zwischen einer Stromversorgung und dem jeweiligen Relais angeordnet ist und die einen elektronischen Halbleiter-Hauptschalter umfasst, der über ein Steuersignal, das an einem Steuersignaleingang des Halbleiter-Hauptschalters eingespeist werden kann, angesteuert werden kann. Das Steuersignal wird von einem Halbleiter-Hilfsschalter bereitgestellt, der normalerweise geschlossen ist und der zur Schaffung einer Testphase über einen ersten Steuereingang in regelmäßigen Zeitabständen zeitversetzt zu dem jeweils anderen Halbleiter-Hilfsschalter des anderen Relais so kurzzeitig geöffnet wird, dass die dadurch – bei einwandfreiem Zustand des zugeordneten Halbleiter-Hauptschalters – bewirkte kurzzeitige Öffnung des Halbleiter-Hauptschalters aufgrund der Trägheit der Relais nicht ausreicht, das angeschlossene Arbeitsgerät außer Betrieb zu setzen. Ferner ist eine als Stromüberwachungseinrichtung im Stromkreis zwischen dem elektrischen Verbraucher und der Spannungsquelle ausgebildete Testschaltung vorgesehen, welche während der Testpause prüft, ob auch der dem jeweiligen Halbleiter-Hilfsschalter zugeordnete Halbleiter-Hauptschalter geöffnet ist. Sofern ermittelt wird, dass der Halbleiter-Hauptschalter während der Testpause nicht öffnet, wird der jeweils andere Halbleiter-Hilfsschalter, der dem anderen Halbleiter-Hauptschalter zugeordnet ist, in den Öffnungszustand gesetzt und dauerhaft in diesem gehalten, womit der zugeordnete Halbleiter-Hauptschalter und das damit gekoppelte Relais ebenfalls geöffnet werden sollen, um die Energieversorgung der Arbeitsmaschine zu unterbrechen und diese in einen sicheren Zustand zu überführen. Eine Anordnung einer weiteren Steuerschaltung im erdpoligen Teil des jeweiligen Relais-Laststromkreises würde zwar die Sicherheit des Gesamtsystems erhöhen, jedoch nur für den speziellen Fehlerfall des Kurzschließens der beiden in den Relais-Laststromkreisen eingeschleiften Halbleiter-Hauptschalter, nicht jedoch für den eher zu erwartenden Fall eines Festklemmens der Kontakte in den Relais.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Vorrichtung zur Überwachung der Schaltfähigkeit wenigstens eines zur Schaltung eines elektrischen Verbrauchers dienenden Halbleiterschalters zu schaffen, die den genannten Nachteil vermeidet und sehr kurze Abschaltintervalle beziehungsweise Stromunterbrechungen zulässt, ohne dass der Betrieb des Verbrauchers merkbar beeinträchtigt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Da beim Abschalten beziehungsweise Öffnen des Halbleiterschalters der Stromfluss umgehend zum Erliegen kommt, kann in vorteilhafter Weise gemäß der Erfindung durch eine einfache Stromüberwachung das korrekte Öffnen des Halbleiterschalters überwacht werden, und zwar während sehr kurzer und so kurzer Zeitintervalle, dass der Verbraucher beziehungsweise die Last keinerlei Beeinträchtigung in der Funktion erfährt. Ein den Halbleiterschalter überbrückender Strompfad während des Abschaltvorgangs ist nicht mehr erforderlich, so dass durch eine einfache Stromüberwachung eine schaltungstechnisch sehr einfache und kostengünstige Überwachung des Halbleiterschalters erzielt wird.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.
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In vorteilhafter Weise sind die Detektoreinrichtung und/oder die Signalisierungs- beziehungsweise Meldemittel in der Sicherheitsschalteinrichtung integriert und können beispielsweise durch einen einzigen Mikrocontroller dargestellt werden. Dies gilt auch bei Vorhandensein von zwei Halbleiterschaltern zum zweipoligen Abschalten des Verbrauchers. Für diesen Fall ist es auch möglich, separate Sicherheitsschalteinrichtungen für jeden Halbleiterschalter vorzusehen.
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Die wenigstens eine Stromüberwachungseinrichtung ist zweckmäßigerweise im Stromkreis zwischen dem wenigstens einen Halbleiterschalter und der Spannungsquelle angeordnet. Prinzipiell möglich ist auch eine Anordnung zwischen Halbleiterschalter und Verbraucher.
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Vorzugsweise kann jedem Halbleiterschalter eine eigene Stromüberwachungseinrichtung zugeordnet sein oder es ist nur eine einzige Stromüberwachungseinrichtung in einem der Zweige vorhanden. Eine besonders exakte Überwachung und detailliertere Informationen erhält man dadurch, dass die Halbleiterschalter jeweils nacheinander geöffnet werden, wobei die Stromüberwachung in einer oder in beiden Zuleitungen durchgeführt wird. Hierdurch ist es möglich, den defekten Halbleiterschalter unter den beiden Halbleiterschaltern zu erkennen, wobei zusätzlich Querströme als weitere Fehlerursache erkannt werden können.
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Die Sicherheitsschalteinrichtung ist zweckmäßigerweise über ein Bussystem mit einer externen elektronischen Einrichtung zum Steuern der Halbleiterschalter und/oder zur Übertragung von Meldungen der Signalisierungs- und/oder Meldemittel verbunden.
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Rein ohmsche Lasten beziehungsweise Verbraucher werden in vorteilhafter Weise durch einen parallelgeschalteten Pufferkondensator vom Abschaltimpuls entkoppelt, während induktive Lasten durch eine parallelgeschaltete Freilaufdiode gegenüber dem oder den Halbleiterschaltern inaktiviert werden. Dies trägt dazu bei, dass der Prüfimpuls so kurz wie möglich ausgestaltet werden kann, ohne dass störende Rückwirkungen auf den Verbraucher zu beobachten wären.
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Als vorteilhafte sicherheitsrelevante Maßnahme besitzt die Sicherheitsschalteinrichtung Mittel zum den Verbraucher abschaltenden Öffnen des wenigstens einen Halbleiterschalters bei einer Stromerkennung während des kurzzeitigen Öffnens des wenigstens einen Halbleiterschalters aufgrund eines Defekts.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer Überwachungsvorrichtung mit zweipoliger Verbraucherabschaltung als Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
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Gemäß dem in 1 als Ausführungsbeispiel dargestellten Schaltbild ist eine Spannungsquelle 10 über eine Schalteinrichtung 11 mit einem Verbraucher 12 verbunden. Als Verbraucher 12 ist symbolisch ein Ersatzschaltbild eines allgemeinen Verbrauchers dargestellt, der als ohmscher und/oder induktiver und/oder kapazitiver Verbraucher ausgebildet sein kann, beispielsweise als Elektromagnet, elektrischer Linearantrieb, Magnetventilanordnung, elektronische Einrichtung oder dergleichen.
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In der Schalteinrichtung 11 sind in beiden Verbindungsleitungen 13, 14 zum Verbraucher 12 je eine Stromüberwachungseinrichtung 15, 16 und ein dazu in Reihe geschalteter Halbleiterschalter 17, 18 geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter 17, 18 dienen zum zweipoligen Ein- und Ausschalten des Verbrauchers 12.
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Jede Stromüberwachungseinrichtung 15, 16 besteht aus einem Strommesswiderstand 19, 20 und einem den Spannungsabfall am Strommesswiderstand 19, 20 verstärkenden Verstärker 21, 22. Die Ausgänge der Stromüberwachungseinrichtungen 15, 16 sind mit einer Sicherheitsschalteinrichtung 23 verbunden, die auch zum Schalten der Halbleiterschalter 17, 18 dient. Die Sicherheitsschalteinrichtung 23 ist über ein Bussystem 24 oder eine andere drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationseinrichtung mit einer zur Vereinfachung nicht dargestellten externen elektronischen Einrichtung verbunden. Über das Bussystem 24 können externe Steuersignale zur Steuerung des Verbrauchers 12 beziehungsweise der Schalteinrichtung 11 empfangen und Statusrückmeldungen und/oder Diagnoserückmeldungen an diese elektronische Einrichtung rückgemeldet werden. Die Sicherheitsschalteinrichtung 23 kann auch ein eigenständiges Steuerprogramm zur Steuerung des Verbrauchers 12 enthalten, das als selbständiges Programm oder als Teilprogramm zur Ergänzung der Steuersignale der externen Einrichtung ausgebildet sein kann. Hierzu enthält die Sicherheitsschalteinrichtung 23 zweckmäßigerweise wenigstens einen Mikrocontroller.
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Die Sicherheitsschalteinrichtung 23 dient auch zur Überwachung der Schaltfähigkeit beziehungsweise Funktionalität der beiden Halbleiterschalter 17, 18. Der Prüf- beziehungsweise Überwachungsvorgang wird nachfolgend anhand des in 2 dargestellten Flussdiagramms erläutert. Die entsprechenden Funktionen und Vorgänge können programmgesteuert im Mikrocontroller der Sicherheitsschalteinrichtung 23 ablaufen, wobei prinzipiell hierzu auch ein entsprechendes Schaltwerk oder eine Kombination eines Schaltwerks mit einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor vorgesehen sein kann.
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Das Prinzip der Überprüfung und Überwachung der Schaltfähigkeit der Halbleiterschalter besteht darin, den jeweiligen Halbleiterschalter 17 beziehungsweise 18 jeweils für eine so kurze Zeit zu öffnen, dass die Funktion des Verbrauchers noch nicht oder nicht merkbar beeinträchtigt wird. Während dieser Zeit wird dann mittels der jeweiligen Stromüberwachungseinrichtung 15, 16 geprüft, ob der Stromfluss während dieser sehr kurzen Zeit von beispielsweise 3 μs umgehend zum Erliegen kommt. Nur in diesem Fall ist die Funktion des Halbleiterschalters 17 beziehungsweise 18 korrekt.
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Hierzu wird zunächst im Schritt 30 der Halbleiterschalter 17 geöffnet. Dann wird mittels der beiden Stromüberwachungseinrichtungen 15, 16 der Strom in der jeweiligen Verbindungsleitung 13, 14 gemessen. Mittels einer in der Sicherheitsschalteinrichtung 23 enthaltenen Detektoreinrichtung wird dann im Schritt 32 geprüft, ob der Strom I zu null geworden ist. Ist dies der Fall, dann wird im Schritt 33 eine Okay-Meldung gespeichert und/oder gemeldet, beispielsweise durch in oder an der Sicherheitsschalteinrichtung 23 vorhandene Signalisierungs- und/oder Meldemittel, wobei solche Meldemittel dann eine entsprechende Meldung über das Bussystem 24 melden können. Anschließend wird im Schritt 34 der Halbleiterschalter 17 wieder geschlossen, also nach ca. 3 μs. Derselbe Vorgang wird nun in der Schrittfolge 35 für den zweiten Halbleiterschalter 18 durchgeführt.
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Wird im Schritt 32 festgestellt, dass der Strom I nicht zu null geworden ist, dann wird im Schritt 36 geprüft, ob in der Stromüberwachungseinrichtung 15 ein Strom festgestellt worden ist. Ist dies der Fall, dann wird im Schritt 37 festgestellt, dass der Halbleiterschalter 17 defekt ist. Falls kein Stromfluss festgestellt wird, dann wird im Schritt 38 ein Querstrom als Defekt erkannt. In beiden Fällen wird dann im Schritt 39 eine entsprechende Fehlerbildung signalisiert beziehungsweise gemeldet. Anschließend wird im Schritt 40 auch der andere Halbleiterschalter 18 geöffnet, so dass nunmehr beide Halbleiterschalter 17, 18 aus Sicherheitsgründen wegen des festgestellten Defekts geöffnet sind, wodurch die Schaltung in einen sicheren Zustand versetzt wird.
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Ist der Verbraucher 12 eine rein ohmsche Last, dann erfolgt eine Abkopplung vom Abschaltimpuls durch einen zum Verbraucher 12 parallelgeschalteten Pufferkondensator 25. Bei einer induktiven Last erfolgt eine Inaktivierung gegenüber den Halbleiterschaltern 17, 18 durch eine parallelgeschaltete Freilaufdiode 26. Dabei schaltet eine negative Spannungsspitze beim Abschalten einer induktiven Last die ansonsten in Sperrrichtung angeordnete Freilaufdiode 26 durch. Kapazitive Lasten wirken sich nicht auf den Stromfluss aus. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, dass der Prüfimpuls, also das jeweils kurzzeitige Öffnen der Halbleiterschalter 17, 18, so kurz ausgestaltet sein kann, dass eine Änderung der Lastspannung nicht mehr zu beobachten ist und das Verfahren dadurch rückwirkungsfrei für die Last selber ist.
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In Abwandlung des dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiels kann der Verbraucher 12 auch mittels eines einzigen Halbleiterschalters einpolig geschaltet werden. In diesem Fall ist selbstverständlich nur eine Stromüberwachungseinrichtung 15 beziehungsweise 16 erforderlich.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stromüberwachungseinrichtungen 15, 16 jeweils zwischen den zugeordneten Halbleiterschalter 17, 18 und die Spannungsquelle 10 geschaltet. Eine Anordnung der Stromüberwachungseinrichtungen 15, 16 auf der jeweils anderen Seite der Halbleiterschalter 17, 18 ist prinzipiell ebenfalls möglich.
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Anstelle einer einzigen Sicherheitsschalteinrichtung 23 kann auch jedem Halbleiterschalter 17, 18 eine eigene Sicherheitsschalteinrichtung 23 zugeordnet sein, die dann jeweils Signale der mit dem jeweiligen Halbleiterschalter 17, 18 in Reihe geschalteten Stromüberwachungseinrichtung 15, 16 oder Signale von der jeweils anderen Stromüberwachungseinrichtung erhält.
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Das jeweilige kurzzeitige Öffnen der Halbleiterschalter 17, 18 durch kurze Prüfsignale beziehungsweise Prüfimpulse kann zyklisch in einem festen Zeitraster oder azyklisch oder durch äußere Ereignisse gesteuert erfolgen, beispielsweise jeweils nach einem Ausschalten des Verbrauchers 12.
