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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherheits-Kommunikationssystem mit einer Auswerteeinheit und einer Anzahl in Reihe geschalteter Teilnehmer mit je einem Sensor sowie ein Verfahren zum Signalisieren von Systemzuständen.
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Zur Abwendung von Gefahren für Menschen, Maschinen und Anlagen in der Automatisierungstechnik sind in der Regel Notausschalter und/oder andere Sensoren an entsprechenden Einrichtungen vorgesehen, mit denen die Maschinen oder Anlagen abgeschaltet und in einen sicheren Zustand versetzt werden können. Bei räumlich ausgedehnten Anlagen oder Automatisierungssystemen ist es zudem erforderlich, mehrere Sensoren, zum Beispiel Notausschalter, Temperatursensoren, Drucksensoren, Trittmatten, Lichtschranken und dergleichen bereitzustellen, um eine optimale Erreichbarkeit im Gefahrenfall zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheits-Kommunikationssystem sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit denen ein Signal für einen kritischen Systemzustand, z. B. ein Notaussignal, zuverlässig signalisiert und die Quelle eines Signals eindeutig lokalisiert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Sicherheits-Kommunikationssystem zum Bereitstellen einer Sicherheitsfunktion vor, welches eine Auswerteeinheit umfasst, an welcher eine Anzahl von in Reihe geschalteten Teilnehmern angeschlossen ist.
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Die Auswerteeinheit weist einen Signalausgang, einen Signaleingang, einen Masseanschluss und eine Einrichtung zum Bereitstellen eines vorbestimmten Signals für die Teilnehmer auf.
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Die Teilnehmer weisen jeweils einen Signaleingang, einen Signalausgang, einen Masseanschluss für ein Bezugspotential, einen Sensor sowie eine elektronische Schaltung auf. Jede elektronische Schaltung ist zum Modulieren des vorbestimmten Signals ausgebildet, um den Systemzustand zu signalisieren, welcher durch das Ausgangssignal des jeweiligen Sensors dargestellt wird.
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Die Auswerteeinheit ist zum Auswerten des modulierten vorbestimmten Signals und zum Steuern einer Sicherheitsfunktion unter Ansprechen auf das Auswerteergebnis ausgebildet.
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Bei dem Sensor kann es sich zum Beispiel um einen Notausschalter, einen Temperatursensor, einen Drucksensor, eine Trittmatte, eine Lichtschranke und ein Schutzgitter handeln. Das Ausgangssignal eines Sensors zeigt einen kritischen oder einen unkritischen Systemzustand an. Ein kritischer Systemzustand führt dazu, dass die Auswerteeinheit eine Sicherheitsfunktion auslöst. Vorteilhafter Weise wird das vorbestimmte Signal von den Teilnehmern derart moduliert, dass die Auswerteeinheit unter Ansprechen auf das modulierte vorbestimmte Signal den oder die diejenigen Teilnehmer lokalisieren kann, welche einen kritischen Systemzustand signalisiert haben.
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Eine vorteilhafte Ausbildungsform sieht vor, dass die elektronische Schaltung jedes Teilnehmers einen Logikbaustein und wenigstens einen Transistor umfasst, wobei der Transistor durch den Logikbaustein ansteuerbar ist. Der Transistor ist zwischen dem Signaleingang dem Signalausgang des jeweiligen Teilnehmers angeordnet und dazu ausgebildet, das am Signaleingang anliegende vorbestimmte Signal zu modulieren und über den Signalausgang an die Auswerteeinheit oder einen nachgeschalteten Teilnehmer zu übertragen.
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Die elektronische Schaltung kann weiterhin dazu ausgebildet sein, eine Versorgungsspannung für den Teilnehmer direkt aus dem am Signaleingang (21, 31, 41) anliegenden vorbestimmten Signal zu gewinnen, so dass keine separate Hilfsenergie bereitgestellt werden muss.
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Die elektronische Schaltung umfasst zweckmäßiger Weise einen zweiten Transistor, mit dem der Signaleingang auf das Bezugpotential schaltbar ist.
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Der Logikbaustein der elektronischen Schaltung ist bevorzugt mit einer internen Funktionsüberwachung ausgestattet, wobei über den zweiten Transistor eine Signalisierung eines Fehlerzustands erfolgen kann, indem das vorbestimmte Signal auf das Bezugspotential gezogen und somit nicht mehr zum Eingang der Auswerteeinheit übertragen wird.
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Das oben genannte technische Problem wird ferner durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 6 gelöst.
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Demgemäß wird ein Verfahren zum Signalisieren von Systemzuständen mehrerer in Reihe geschalteter Teilnehmer eines Sicherheits-Kommunikationssystems zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte umfasst:
- a) Generieren eines vorbestimmten Signals in der Auswerteeinheit;
- b) Ausgeben des vorbestimmten Signals von der Auswerteeinheit an den ersten Teilnehmer des Sicherheits-Kommunikationssystems;
- c) Modulieren des empfangen vorbestimmten Signals in dem ersten Teilnehmer in vorbestimmter Weise;
- d) Ausgeben des modulierten vorbestimmten Signals an einen weiteren Teilnehmer;
- e) Modulieren des empfangenen, modulieren vorbestimmten Signals in dem weiteren Teilnehmer in Abhängigkeit des Zustandssignals, welches von dem, dem weiteren Teilnehmer zugeordneten Sensor bereitgestellt wird;
- f) Wiederholen der Schritte d) und e) in Abhängigkeit der Anzahl von Teilnehmern in dem Sicherheits-Kommunikationssystem;
- g) Ausgeben des modulierten vorbestimmten Signals von dem letzten Teilnehmer im Sicherheits-Kommunikationssystem an die Auswerteeinheit;
- h) Auswerten, in der Auswerteeinheit, des empfangenen, modulierten vorbestimmten Signals und Steuern einer Sicherheitsfunktion, wenn ein kritischer Systemzustand durch wenigstens einen Teilnehmer signalisiert wurde.
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Damit jeder Teilnehmer gegebenenfalls die Aktivierung eines Sensors signalisieren kann, enthält das vorbestimmte Signal einen Signalimpuls, dessen Impulslänge von der Anzahl der in Reihe geschalteten Teilnehmer abhängt.
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Zweckmäßigerweise sehen die Schritte c) und e) hierfür vor, dass jeder Teilnehmer den Signalimpuls des vorbestimmten Signals in Abhängigkeit des Systemzustands seines Sensors moduliert.
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Um den Teilnehmer, welcher einen kritischen Systemzustand signalisiert hat, lokalisieren zu können, moduliert jeder Teilnehmer den Signalimpuls des vorbestimmten Signals bevorzugt entsprechend ihrer Position in dem Sicherheits-Kommunikationssystem. Vorzugsweise moduliert jeder Teilnehmer den Signalimpuls an der ihr zugewiesenen Stelle innerhalb des Signalimpulses und/oder vorzugweise mit einem individuellen Modulationssignal.
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Damit die Teilnehmer das vorbestimmte Signal sicher erkennen können, kann das vorbestimmte Signal einen Startimpuls und eine erste Pause aufweisen, die dem Signalimpuls vorausgehen. Weiterhin kann der Signalimpuls einen Endimpuls enthalten, welchem eine zweite Pause folgt, welche zeitlich länger als die erste Pause ist.
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Um eine Überwachung einer Anlage während des gesamten Betriebs gewährleisten zu können, werden die Schritte a) bis h) zyklisch oder zu vorbestimmten Zeitpunkten wiederholt, wodurch die Schaltzustände der Teilnehmer zyklisch oder zu den vorbestimmten Zeitpunkten an die Auswerteeinheit übermittelt werden können.
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Zweckmäßiger Weise wird vor Ausführung des Schrittes a) eine Konfigurationsphase durchlaufen, in welcher die Auswerteeinheit die Anzahl der Teilnehmer innerhalb des Sicherheits-Kommunikationssystems ermittelt und in welcher die Teilnehmer ihre Position innerhalb des Sicherheits-Kommunikationssystems ermitteln.
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Das erfindungsgemäße Sicherheits-Kommunikationssystem zeichnet sich gegenüber bekannten Sicherheitssystemen durch eine Lokalisierbarkeit aller in dem Sicherheits-Kommunikationssystem Teilnehmer aus, die einen kritischen Systemzustand signalisieren. Durch die automatische Ermittlung von Anzahl und Position der Teilnehmer ist ein solches Sicherheits-Kommunikationssystem besonders einfach erweiterbar.
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Die Form und die Frequenz des vorbestimmten Signals weisen eine ausreichende Robustheit gegenüber Störeinstrahlungen auf, so dass Sicherheits-Kommunikationssysteme mit Leitungslängen von mehr als 1 km Länge möglich sind. Die Zykluszeiten der Signalübertragung sind für mehr als 20 Teilnehmer ausreichend kurz, um den Anforderungen der Sicherheitstechnik für Automatisierungsanlagen zu genügen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen Notausschaltreis mit drei Notauseinheiten und einer Auswerteeinheit,
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2 ein schematisches Schaltbild einer Notauseinheit mit einem an einer elektronischen Schaltung angekoppelten Notausschalter,
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3 ein Signal-Zeitdiagramm des Notausschaltkreises während einer automatischen Konfigurationsphase,
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4 ein Signal-Zeitdiagramm des Notausschaltkreises während eines normalen Arbeitsbetriebs, d. h. wenn kein Notausschalter geschaltet ist, und
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5 ein Signal-Zeitdiagramm des Notausschaltkreises bei zwei von drei aktivierten.
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Das in der 1 beispielhaft dargestellte Sicherheits-Kommunikationssystem 1 kann ein Notausschaltkreis sein, der eine Auswerteeinheit 10 sowie beispielsweise drei in Reihe geschaltete Teilnehmer 20, 30 und 40 aufweisen, die zum Beispiel in einem Feld verteilt an einer weiträumigen Automatisierungsanlage angebracht sind. Die Teilnehmer 20, 30, 40 werden im Folgenden auch als Notauseinheiten bezeichnet, die als Sensor jeweils einen Notausschalter 23, 33, 43 aufweisen, mit denen eine Sicherheitsfunktion gleichberechtigt angefordert werden kann. Die in Reihe geschalteten Teilnehmer 20, 30, 40 bilden eine Teilnehmerkette.
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Wie aus der 1 ersichtlich ist, sind die Notausschalter 23, 33, 43 jeweils mit einer elektronischen Schaltung 24, 34, 44 verbunden, die für jeden Notausschalter eine sichere elektronische Ankopplung an den Notausschaltkreis bereitstellen.
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Die Auswerteeinheit 10 weist einen Signalausgang 11 und einen Signaleingang 12 auf, an denen die drei Notauseinheiten 20, 30 und 40 in Reihe angeschlossen sind.
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Die Notauseinheiten sind untereinander jeweils über Signaleingänge 21, 31, 41 und Signalausgänge 22, 32, 42 verschaltet, die von den elektronischen Schaltungen 24, 34, 44 bereitgestellt sind.
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Die Auswerteeinheit 10 kann nicht dargestellte weitere Signalausgänge und Signaleingänge aufweisen, an denen weitere nicht dargestellte Notauseinheiten jeweils in Reihe anschließbar sind, die zusätzliche parallele Teilnehmerketten bilden.
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Damit die Notauseinheiten insbesondere die Betätigung des jeweiligen Notausschalters der Auswerteeinheit 10 signalisieren können, erzeugt die Auswerteeinheit 10 ein vorbestimmtes Signal UA (siehe 4), das am Signalausgang 11 ausgegeben wird. Dieses Signal UA kann im Wesentlichen als binäres Spannungssignal ausgebildet sein, das zwischen einem High und einem Low Pegel variiert wird, wobei der Low Pegel bevorzugt dem Bezugspotential GND an einem Masseanschluss 15 der Auswerteeinheit 10 entspricht. Das Spannungssignal UA dient der Übermittlung von Informationen zwischen den Notauseinheiten und der Auswerteeinheit und stellt vorteilhafter Weise gleichermaßen eine Versorgungsspannung für die elektronischen Schaltungen 24, 34, 44 und/oder für die Sensoren bereit.
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Die Schaltungen 24, 34, 44 der Notauseinheiten 20, 30, 40 des Notausschaltkreises 1 sind identisch aufgebaut, so dass in der 2 nur das Schaltbild der Notauseinheit 20 beispielhaft dargestellt ist. Das Schaltbild stellt insbesondere den Aufbau der Schaltung 24 detailliert dar.
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Die Schaltung 24 umfasst einen Signaleingang 21, einen Signalausgang 22 sowie einen Logikbaustein 210, der bevorzugt durch einen Mikrokontroller oder alternativ durch einen FPGA, CPLD bzw. ein ASIC realisiert werden kann.
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Der Notausschalter 23 ist über Ports P8 und P9 sowie Ports P11 und P12 zweikanalig an dem Logikbaustein 210 angeschlossen. Für eine solche zweikanalige und somit sichere Anbindung an die Schaltung sind alle auf dem Markt erhältlichen zweikanaligen Notausschalter grundsätzlich geeignet, d. h. es können prinzipiell sowohl Notausschalter mit zwei Öffnern oder zwei Schließern, als auch einem Öffner/Schließer-Paar für die Notauseinheit verwendet werden. Der entsprechend verwendete Schaltertyp muss lediglich durch Soft- oder Hardwaremittel an dem Logikbaustein 210 eingestellt werden. Alternativ können auch andere Sensortypen, wie Trittmatten, Temperatur- und Drucksensoren, Lichtschranken, Schutzgitter usw. an einer Notauseinheit angeschlossen werden. Des Weiteren können an einer Notauseinheit mehrere Sensoren über verschiedene Ports des Logikbausteins 210 angeschlossen werden.
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Die Schaltung 24 umfasst einen Transistor 220 und optional einen Transistor 260, die mit ihrem jeweiligen Gateanschluss mit dem Logikbaustein 210 verbunden sind. Der Transistor 220 ist zwischen dem Signaleingang 21 und dem Signalausgang 22 geschaltet, während der Transistor 260 zwischen dem Signaleingang 21 und dem Masseanschluss 25 geschaltet ist. Alternativ könnte der zweite Transistor 260 auch zwischen dem Signalausgang 22 und dem Masseanschluss 25 geschaltet sein. Der Logikbaustein 210 steuert die Transistoren 220 und 260 derart an, dass das am Signaleingang 21 anliegende Spannungssignal UA, welches das vorbestimmte Signal ist, durch den Transistor 220 moduliert und auf den Signalausgang 22 ausgegeben werden kann. Mittels des Transistors 260 kann das Spannungssignal UA am Eingang 21 auf das Bezugspotential des Masseanschluss 25 gezogen werden, wodurch allen Teilnehmern des Notausschaltkreises, d. h. der Auswerteeinheit 10 und den anderen in der Reihenschaltung nachfolgenden Notauseinheiten 33, 43 ein Fehlerzustand signalisiert werden kann.
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Die elektronische Schaltung 24 verfügt des Weiteren über eine Diode 231 und einen Kondensator 232, die zwischen dem Signaleingang 21 und dem Masseanschluss 25 mit dem Bezugspotential GND in Reihe geschaltet sind und über eine Versorgungseinrichtung 233 eine Spannungsversorgung für den Logikbaustein 210 bereitstellen. Beispielsweise kann die Versorgungseinrichtung 233 als Schaltnetzteil oder als Spannungsregler ausgeführt sein.
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Aus einem zwischen 0 V und 24 V variierenden Signal am Signaleingang 21 kann eine konstante Versorgungsspannung von z. B. 3,3 V oder 5 V für den Logikbaustein gewonnen werden, so dass in bevorzugter Weise keine zusätzliche Leitung für eine Hilfsenergie der Notauseinheiten 20, 30, 40 in einem Notausschaltkreis erforderlich ist.
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Alternativ kann aber auch eine zusätzliche Leitung die Versorgungsspannung zu den Notauseinheiten und diesen zugeordneten Notausschalter führen. Die Energieversorgung erfolgt in diesem Fall nicht über die Signalleitungen, so dass die Diode 231 und der Kondensator 232 zu Gunsten eines zusätzlichen Anschlusses entfallen können.
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Die Funktion des Notausschaltkreises 1 sowie der einzelnen in Reihe geschalteten Notauseinheiten wird im Folgenden unter Bezugnahme der in den 3 bis 5 dargestellten Signal-Zeitdiagramme für verschiedene Betriebszustände erläutert. An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass an dem in der 1 dargestellten Notausschaltkreis nur Beispielhaft drei Notauseinheiten angeschlossen sind. Der Notausschaltkreis 1 ist grundsätzlich für den Betreib mit einer Vielzahl von Notauseinheiten geeignet, die entlang einer Strecke einer räumlich ausgedehnten Automatisierungsanlage verteilt und untereinander in Reihe geschaltet sind. Der Notausschaltkreis 1 ermöglicht insbesondere eine einfache Erweiterbarkeit um zusätzliche Notauseinheiten, die zum Beispiel zwischen der Notauseinheit 30 und der Notauseinheit 40 eingefügt werden können. Die Sicherheitsfunktion des Notausschaltkreises ist ab einer angeschlossenen Notauseinheit gewährleistet.
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Bei jeder Inbetriebnahme durchläuft der Notausschaltkreis 1 zunächst eine Konfigurationsphase, in der die Anzahl der angeschlossenen Notauseinheiten 20, 30, 40 durch die Auswerteeinheit 10 ermittelt wird und die Notauseinheiten ihre Position in der Reihenschaltung ermitteln. Zu Beginn dieser Konfigurationsphase ist der Transistor 220 einer jeweiligen Notauseinheit zunächst gesperrt, so dass die in 3 gezeigten Konfigurationssignale an den Signaleingängen 21, 31, 41 der jeweiligen Notauseinheiten zunächst nicht zu deren Signalausgängen 22, 32, 42 weitergeleitet werden.
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In der 3 sind die Spannungsverläufe der während der Konfigurationsphase erzeugten Konfigurationssignale UAk, UBk, UCk und UDk, die jeweils an den Signaleingängen 21, 31, 41 der Notauseinheit 20, 30 und 40 sowie dem Signaleingang 12 der Auswerteeinheit 10 anliegen, dargestellt. Das Konfigurationssignal UAk wird von der Auswerteeinheit generiert und über den Signalausgang 11 an den Eingang 21 der ersten Notauseinheit 20 übertragen. Das Konfigurationssignal UAk wird z. B. durch einen Mikrokontroller in der Auswerteeinheit 10 erzeugt und folgt einer vorgegebenen Pulsfolge in Bezug auf einen Systemtakt.
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Zum Zeitpunkt t1 zunächst ein erster Energieimpuls 311 auf den Signalausgang 11 gegeben, der über eine Dauer von drei Takten Tb anliegen bleibt und im Wesentlichen zur Versorgung der Notauseinheiten dient. Das Signal UAk wird für einen Takt zurückgesetzt, so dass eine Signalpause 312 auf den Energieimpuls 311 folgt. Im Anschluss wird ein Signalimpuls 313 über die Dauer eines Takts gesendet, auf den eine zweite Pause 314 von zwei Takten folgt.
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Mit Blick auf die 2 wird deutlich, dass die erste Notauseinheit 20 durch den Energieimpuls 311 aufgeweckt wird. Das von der Auswerteeinheit 10 gelieferte Spannungssignal UAk liegt zwischen dem Eingang 21 und dem Masseanschluss 25. Es stellt über die Dauer der drei Takte einen Ladestrom bereit, der in Flussrichtung durch die Diode 231 fließt. Der Kondensator 232 wird während dieser Zeit geladen und stellt insbesondere in den Signalpausen somit die Versorgungsspannung für die Versorgungseinrichtung 233 und den Mikrokontroller 210 bereit. Der Mikrocontroller der Notauseinheit 20 nimmt somit seinen Betrieb auf und erkennt über eine Signalerkennungseinrichtung, die aus dem Spannungsteiler der Widerständen 241 und 242 gebildet wird, folglich den einzelnen nachfolgenden Signalimpuls 313 vor der zweiten Pause 314. Die Notauseinheit 20 registriert sich selbst als ersten Teilnehmer in der Reihenschaltung des Notausschaltkreises 1 nach der Auswerteeinheit 10.
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Die Auswerteeinheit 10 erkennt unterdessen an ihrem eigenen Signaleingang 12 zunächst keine Eingangsspannung und schließt daraus, dass mindestens eine Notauseinheit in dem Notausschaltkreis angeschlossen ist.
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Demzufolge wird von der Auswerteeinheit 10 ein zweiter Energieimpuls 321 über den Signalausgang 11 ausgegeben, auf den nach einer Pause 322 nun ein zweiter Signalimpuls 323 folgt, der drei Takte breit ist. Die erste Notauseinheit 20 empfängt an ihrem Signaleingang 21 den Energieimpuls 321 und den Signalimpuls 323 des Signals UAk und gibt diese Impulse durch den nunmehr geöffneten Transistor 220 auf den Signalausgang 22 als zweites Signal UBk aus, wobei das zweite Signal UBk durch die Notauseinheit 20 derart moduliert wird, dass der Signalimpuls 323 während eines Takts Tb ausgeblendet wird. Das zweite Signal UBk enthält somit einen High-Pegel 3231, einen Low-Pegel 3232 und einen zweiten High-Pegel 3233.
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Die zweite Notauseinheit 30 empfängt folglich an ihrem Signaleingang 31 das Spannungssignal UBk, das den Energieimpuls 321 und nachfolgend den High-Pegel 3231, den Low-Pegel 3232 und den zweiten High-Pegel 3233 ausweist. Das Spannungssignal UBk entspricht somit dem modulierten Signal UAk, welches von der Auswerteeinheit 10 erzeugt worden ist. Die Notauseinheit 30 wird nunmehr durch den Energieimpuls 321 aktiviert und erkennt sich selbst als zweiten Teilnehmer, d. h. als zweite Notauseinheit 30 in dem Notausschaltkreis.
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Die Auswerteeinheit 10 erkennt weiterhin kein Eingangssignal an ihrem Signaleingang 12 und gibt einen dritten Energieimpuls 331 über den Signalausgang 11 aus, auf den eine Signalpause 332 und ein dritter Signalimpuls 333 folgt. Der dritte Signalimpuls 333 ist gegenüber dem vorhergehenden Zyklus gesendeten zweiten Signalimpuls 323 um weitere zwei Takte verbreitert, und umfasst also insgesamt eine Breite von 5 Takten Tb.
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Die Notauseinheiten 20 und 30 geben jeweils ein moduliertes Signal UBk bzw. UCk (siehe 3) über ihren jeweiligen Signalausgang 22, 32 aus. Die erste Notauseinheit 20 moduliert das Signal UAk derart, dass der Signalimpuls 333 während eines Takts Tb ausgeblendet wird. Das zweite Signal UBk enthält somit einen High-Pegel und einen Low-Pegel jeweils der Länge Tb und einen zweiten High-Pegel 333' der dreifachen Länge von Tb. Die zweite Notauseinheit 30 empfängt das Signal UBk und moduliert dessen Signalimpuls 333' derart, dass der Signalimpuls 333' während eines Takts Tb ausgeblendet wird. Das Signal UCk enthält somit einen High-Pegel 3333, einen Low-Pegel 3334 und einen zweiten High-Pegel 3335 jeweils der Taktlänge Tb.
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Die dritte Notauseinheit 40 empfängt das Signal UCk und erkennt sich selbst als dritte Notauseinheit 40 im Notausschaltkreis, während die Auswerteeinheit 10 weiterhin kein Eingangssignal an ihrem Signaleingang 12 empfängt.
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Die Auswerteeinheit 10 sendet in ihrem Signal UAk einen weiteren Energieimpuls 341 und einen vierten Signalimpuls 343 aus, der gegenüber dem dritten Signalimpuls 331 abermals um zwei Takte Tb verlängert ist, und somit eine Breite von insgesamt sieben Takten Tb umfasst. Das gesendete Signal UAk wird von jeder Notauseinheit 20, 30, und 40 moduliert und weitergeleitet. Hierbei moduliert jede Noteinheit das Signal UAk beispielsweise derart, dass jede Notauseinheit einen Low-Pegel der Länge Tb in den Signalimpuls 343 einfügt, d. h. dass jeweils ein Takt innerhalb des Signalimpulses 343 ausgeblendet wird. Die von den Notauseinheiten 20, 30 und 40 entsprechend modulierten Signale UBk, UCk bzw. UDk sind in 3 dargestellt. Am Signalausgang 42 der dritten Notauseinheit 40 wird das Signal UDk ausgegeben, dass den Energieimpuls 341 sowie den von allen drei Notauseinheiten modulierten Signalimpuls 343 enthält, welcher vier High-Pegel 3431, 3433, 3435 und 3437 enthält, die jeweils durch einen Low-Pegel voneinander getrennt sind.
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Die Auswerteeinheit 10 empfängt nunmehr an ihrem Signaleingang 12 das von der Notauseinheit 40 weitergereichte Signal UDk und registriert somit insgesamt drei an dem Notausschaltkreis angeschlossene Notauseinheiten 20, 30, 40 und schließt damit die Konfigurationsphase ab.
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Schlägt die Konfiguration des Notausschaltkreises durch den Einfluss elektromagnetischer Störungen fehl, so kann die Konfigurationsphase auch mehrmals durchlaufen werden bis eine stabile Kommunikation etabliert ist.
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An den in der 3 dargestellten zeitlichen Verläufen der Differenzspannungen (UAk-UBk), (UBk-UCk) und (UCk-UDk) geht hervor, in welchen Zeitintervallen die Kondensatoren 323 der Notauseinheiten 20, 30 und 40 aufgeladen werden.
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Alternativ könnte an den Teilnehmern, d. h. im vorliegenden Beispiel den Notauseinheiten, deren jeweilige Position in einer Teilnehmerkette manuell eingestellt werden, die zum Beispiel durch DIP-Schalter codiert oder in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegt werden. In gleicher Weise kann die Anzahl der vorhandenen Notauseinheiten an oder in der Auswerteeinheit 10 eingestellt bzw. gespeichert werden. Die Konfigurationsphase nach der Inbetriebnahme des Notausschaltkreises wird in diesem Fall durch eine Initialisierungsphase ersetzt, während der die Teilnehmer gleichzeitig mit Energie versorgt werden. Hierzu wird zum Beispiel ein langer Energieimpuls bereitgestellt. Bevorzugt kann nach einer ersten Inbetriebnahme eine Konfigurationsphase manuell ausgelöst werden, nach der die Konfigurationsdaten des Notausschaltkreises in den nicht flüchtigen Speichern der Teilnehmer abgelegt wird, so dass nach jeder weiteren Inbetriebnahme nur noch die Initialisierungsphase durchlaufen werden muss.
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4 stellt den normalen Arbeitsbetrieb des Notausschaltkreises 1 unter der Bedingung dar, dass kein Notausschalter 23, 33, 43 betätigt worden ist.
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Nach dem Beenden der Konfigurationsphase generiert die Auswerteeinheit 10 ein beispielhaftes, zyklisches, vorbestimmtes Signal UA, das über den Signalausgang 11 an die erste Notauseinheit 20 ausgegeben wird. Der zeitliche Signalverlauf des Signals UA ist in der 4 oben dargestellt. Das Signal UA enthält in jedem Zyklus einen Startimpuls 410 mit der Breite eines Taktes Tb, auf den eine Pause oder Low-Pegel 420 der Länge Tb folgt. Auf die Pause 420 folgt ein Signalimpuls 430, dessen Länge von der Anzahl der im Notausschaltreis vorhandenen Notauseinheiten abhängig ist. Der Signalimpuls 430 enthält jeweils zwei Takte Tb für jede am Notausschaltkreis 1 angeschlossene Notauseinheit sowie einen zusätzlichen Endimpuls 437 der Länge Tb. In dem vorliegenden Beispiel mit insgesamt drei angeschlossenen Notauseinheiten 20, 30 und 40 entspricht dies einer Signalbreite von insgesamt sieben Taktlängen Tb. An den Signalimpuls 430 schließt sich eine Pause oder Low-Pegel 440 von zwei Taktlängen Tb an, mit dem ein Signalzyklus abgeschlossen wird.
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Die Notauseinheit 20 empfängt in jedem Zyklus das oben beschriebene Signal UA am Signaleingang 21 und moduliert den Signalimpuls 430 beispielsweise derart, dass während vorbestimmter Takte der Signalimpuls 430 ausgeblendet wird.
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Im vorliegenden Beispiel wird der Signalimpuls 430 mittels des Transistors 70 derart moduliert, dass der Signalimpuls 430 mit einem High-Pegel 431 der Länge Tb beginnt, dem sich ein Low-Pegel 432, also ein ausgeblendeter Abschnitt, der Länge Tb anschließt. Der Rest des Signalimpulses 430, der in 4 mit 430' bezeichnet ist, wird nicht moduliert. Das modulierte Signal UA wird nunmehr als Signal UB zur Notauseinheit 30 übertragen. Die Notauseinheit 30 empfängt somit den Startimpuls 410, die Pause 420 und den modulierten Signalimpuls 431, 432 und 430'. Im vorliegenden Beispiel moduliert die Notauseinheit 30 lediglich den Signalimpuls 430' des empfangenen Signals UB, und zwar in ähnlicher Weise wie die Noteinheit 20. Hierzu wird der Signalimpuls 430' derart moduliert, dass er mit einem High-Pegel der Länge Tb beginnt, dem sich ein Low-Pegel bzw. ausgeblendeter Abschnitt der Länge Tb anschließt. Der Rest des Signalimpulses 430', der in 4 mit 430'' bezeichnet ist, wird nicht moduliert. Das modulierte Signal UB wird nunmehr als Signal UC zur Notauseinheit 40 übertragen.
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Die Notauseinheit 40 empfängt somit den Startimpuls 410, die Pause 420 und den von den vorgeschalteten Noteinheiten 20 und 30 modulierten Signalimpuls. Im vorliegenden Beispiel moduliert die Notauseinheit 40 lediglich den Signalimpuls 430'' des empfangenen Signals UC, und zwar in ähnlicher Weise wie die Noteinheiten 20 und 30. Hierzu wird der Signalimpuls 430'' derart moduliert, dass er mit einem High-Pegel der Länge Tb beginnt, dem sich ein Low-Pegel bzw. ausgeblendeter Abschnitt der Länge Tb anschließt. Der Rest des Signalimpulses 430'', der nur noch den Endimpuls 437 enthält, wird nicht moduliert. Das modulierte Signal UC wird nunmehr als Signal UD zur Auswerteeinheit 10 übertragen. Der anfangs von der Auswerteeinheit 10 erzeugte Signalimpuls 430 umfasst nunmehr drei High-Pegel 431, 433 und 435 entsprechend der Anzahl vorhandener Noteinheiten sowie den Endimpuls 437. die jeweils durch einen ausgeblendeten Abschnitt voneinander getrennt sind. Die Auswerteeinheit 10 erkennt anhand des empfangenen Signals DU, dass kein Notausschalter betätigt worden ist. Aus den Differenzsignalen (UA-UB), (UB-UC) und (UC-UD) wird ersichtlich, zu welchen Zeitintervallen die Kondensatoren 90 der Notauseinheiten 20, 30 und 40 nachgeladen werden. Zum Nachladen der Energieversorgung wird jeweils der Signalimpuls verwendet, der bei der Weitergabe bzw. bei der Modulation durch die jeweilige Notauseinheit ausgeblendet wird.
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Die 5 zeigt die Signal-Zeitdiagramme für den Fall, dass die erste und dritte Notauseinheit 20 und 40 zum Zeitpunkt t3 einen betätigten Notausschalter melden, während die zweite Notauseinheit 30 der Reihenschaltung kein Notaussignal sendet. Der Zeitpunkt t3 kann dahingehend verstanden werden, dass die Auswerteeinheit 10 bereits mehrere Signale UA übertragen hat, wobei bis zum Zeitpunkt t3 der Auswerteeinheit 10 keine Betätigung eines Notausschalters signalisiert worden ist.
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Die Auswerteeinheit 10 generiert weiterhin das in 4 beschriebene zyklische, vorbestimmte Signal UA, das über den Signalausgang 11 an die erste Notauseinheit 20 ausgegeben wird. Der zeitliche Signalverlauf des Signals UA ist in der 5 oben dargestellt und entspricht dem in der 4 dargestellten Signal.
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Die Notauseinheit 20 empfängt in aktuellen Zyklus das bereits beschriebene Signal UA am Signaleingang 21 und moduliert den Signalimpuls 530, der dem Signalimpuls 430 des in 4 gezeigten Signals UA entspricht, derart, dass die Betätigung des Notausschalters 23 der Auswerteeinheit 10 signalisiert werden kann. Hierzu kann der in 5 dargestellte Signalimpuls 530 mittels des Transistors 70 derart moduliert werden, dass der empfangene Signalimpuls 530 mit zwei Low-Pegeln 531, 532 beginnt, die die Länge 2Tb besitzen. Mit anderen Worten wird der Signalimpuls 530 in der Notauseinheit 20 für die Zeit einer doppelten Taktlänge Tb ausgeblendet. Der Rest des Signalimpulses 530, der in 5 mit 530' bezeichnet ist, wird nicht moduliert. Das modulierte Signal UA wird nunmehr als Signal UB zur Notauseinheit 30 übertragen. Die Notauseinheit 30 empfängt somit den Startimpuls 510, die Pause 520 und den modulierten Signalimpuls, der aus den Low-Pegeln 531 und 532 und dem High-Pegel 530'. Da die Notauseinheit 30 kein Notaussignal signalisieren muss, moduliert sie den Signalimpuls 530' des empfangenen Signals UB in der gleichen Weise wie in dem Beispiel, welches anhand der 4 erläutert worden ist. Der Signalimpuls 530' wird daher derart moduliert, dass er mit einem High-Pegel 533 der Länge Tb beginnt, dem sich ein Low-Pegel 534 bzw. ausgeblendeter Abschnitt der Länge Tb anschließt. Der Rest des Signalimpulses 530', der in 4 mit 530'' bezeichnet ist, wird nicht moduliert. Das modulierte Signal UB wird nunmehr als Signal UC zur Notauseinheit 40 übertragen.
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Die Notauseinheit 40 empfängt somit den Startimpuls 510, die Pause 520 und den von den vorgeschalteten Noteinheiten 20 und 30 modulierten Signalimpuls. Die Notauseinheit 40 moduliert lediglich den Signalimpuls 530'' des empfangenen Signals UC, und zwar derart, dass die Betätigung des Notausschalters 43 signalisiert werden kann. Hierzu wird der Signalimpuls 530'' derart moduliert, dass er mit zwei Low-Pegel 535 und 536 bzw. zwei ausgeblendeten Abschnitten mit jeweils der Länge Tb beginnt. Der Rest des Signalimpulses 530'', der nur noch den Endimpuls 537 enthält, wird nicht moduliert. Das modulierte Signal UC wird nunmehr als Signal UD zur Auswerteeinheit 10 übertragen.
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Der anfangs von der Auswerteeinheit 10 erzeugte Signalimpuls 530 umfasst nunmehr einen High-Pegel 533 und den Endimpuls 537. Die Auswerteeinheit 10 erkennt anhand der Low-Pegel 531, 532 und 535, 536 des empfangenen Signals UD, dass die Notausschalter 23 und 43 der Notauseinheiten 20 bzw. 40 betätigt worden sind.
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Anstelle des zuvor beschriebenen Verfahrens könnte auf die Konfigurationsphase zunächst eine Meldephase folgen, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Innerhalb dieser Meldephase signalisieren die Notauseinheiten 20, 30, 40 der Auswerteeinheit 10 lediglich, ob überhaupt die Sicherheitsfunktion aktiviert werden muss oder nicht.
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Die Auswerteeinheit 10 sendet zu diesem Zweck über ihren Signalausgang 11 wiederum ein zyklisches, vorbestimmtes Signal an die erste Notauseinheit 20 aus. Dieses Signal umfasst einen charakteristischen Startimpuls, der sich vorzugsweise von dem Startimpuls des Arbeitsbetriebs z. B. in der Breite unterscheidet, auf den ein Signalimpuls mit einer vorbestimmten Breite folgt. Die vorbestimmte Breite des Signalimpulses ist in der Meldephase bevorzugt nicht von der Anzahl der Notauseinheiten in einem Teilnehmerkreis abhängig.
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Alle Notauseinheiten 20, 30, 40 empfangen das vorbestimmte Signal an ihrem Signaleingang 21, 31, 41 und leiten dieses nichtmoduliert an die nachfolgenden Teilnehmer weiter, sofern kein Notausschalter betätigt worden ist. Soll von einer der Notauseinheiten ein kritischer Systemzustand, d. h. ein betätigter Notausschalter, signalisiert werden, so kann das empfangene Signal durch Ausblenden einer vorbestimmten Position im Signalimpuls moduliert werden. Während der Meldephase ist allen Notauseinheiten dieselbe Position im Signalimpuls zur Signalisierung zugeordnet. Die Signalisierung eines oder mehrerer kritischer Systemzustände durch einen oder mehreren Teilnehmer erfolgt somit ODER-verknüpft.
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Der Auswerteeinheit 10 wird in dieser Meldephase somit nur signalisiert, ob überhaupt ein kritischer Systemzustand, d. h. ein betätigter Notausschalter vorliegt und ob die Sicherheitsfunktion aktiviert werden soll.
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Sobald eine Notauseinheit 20, 30, 40 einen betätigten Notausschalter signalisiert, wird der Notausschaltkreis von der Auswerteeinheit 10 in den zuvor beschriebenen Arbeitsbetrieb versetzt. Von der Auswerteeinheit wird in dem zuvor beschrieben Verfahren festgestellt, welche Notauseinheit einen betätigten Notausschalter signalisiert.
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Die Meldephase bietet gegenüber dem zuvor beschriebenen Arbeitsbetrieb kürzere Zykluszeiten, solange kein betätigter Notausschalter signalisiert wird. Dieses ist insbesondere bei einer großen Anzahl von Notauseinheiten in der Teilnehmerkette vorteilhaft.
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Treten Fehler beispielsweise durch Kurzschlüsse oder durch Leitungsunterbrechungen in dem Notausschaltkreis 1 auf, so empfängt die Auswerteeinheit 10 an ihrem Signaleingang 12 zumindest kein vollständiges Signal UD. Unter Ansprechen auf ein unvollständig empfangenes Signal UD kann die Auswerteeinheit 10 ebenfalls eine sicherheitsbasierte Funktion auslösen und einen Fehler signalisieren.
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Die Mikrocontroller 210 der Notauseinheiten 20, 30, 40 können zusätzlich eine interne Fehlfunktion, zum Beispiel einen ausgefallenen Kanal eines zweikanalig angeschlossenen Notausschalters, selbständig feststellen. Ein solcher Fehler kann von einer Notauseinheit, beispielsweise der Notauseinheit 20, der Auswerteeinheit 10 dadurch signalisiert werden, dass der Transistors 260 der elektronischen Schaltung 24 den Signaleingang 21 mit dem Masseanschluss 25 kurzschließt. Die Auswerteeinheit 10 empfängt somit ein unvollständiges Signal UD und schließt aus dem übertragenen Kurzschlusssignal auf ein fehlerhaftes Signal UD und kann darauf hin eine sicherheitsgerichtete Funktion und/oder ein Fehlersignal auslösen. Zur Kontrolle eines modulierten Signals kann am Signalausgang 22, 32, 42 einer Notauseinheit 20, 30, 40 eine zweite Signalerkennungseinrichtung vorgesehen sein, welche die Widerstände 251 und 250 umfasst.
