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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zum Testen der Versorgung eines elektrischen Verbrauchers.
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Zur Anwendung kommen derartige Einrichtungen immer dann, wenn in einer Feldumgebung Gefahrenstellen vorhanden sind. Dabei handelt es sich insbesondere um Maschinen mit Gefährdungspotential wie z. B. Pressen, Druckmaschinen, Metallschneider, Brennöfen, Roboterschwenkarme usw. Zum Schutz des Bedienungspersonals und der Maschinen existieren internationale Sicherheitsnormen (SIL, Safety Integrity Level) verschiedener Stufen, die verschiedene Sicherheitsvorkehrungen vorschreiben. Beispielsweise erfordert die EN ISO 13849-1 für Kategorie3-Anwendungen eine durchgehende zweikanalige Struktur. In dieser Kategorie darf weiterhin ein einzelner Fehler nicht zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen.
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Speziell in einer Feldbusumgebung kommen dabei sogenannte Sicherheitsklemmen zum Einsatz, die ein sicherheitsgerichtetes Abschalten eines angeschlossenen Segmentkreises ermöglichen. Bei einer zweikanaligen Ausführung sind dabei die sicherheitsrelevanten Elemente innerhalb des Sicherheitskreises doppelt ausgeführt. Beispielsweise weist die Sicherheitsklemme IB IL 24 Safe 1 der Firma Phoenix Contact eine doppelt ausgeführte Abschaltung der Spannungsversorgung für den Segmentkreis auf. Zum Bereitstellen der Sicherheitsfunktionalität im Segmentkreis dürfen nach Herstellervorschrift nur dafür zugelassene Klemmen (Eingangs-, Ausgangsklemmen usw.) verwendet werden. Fehler außerhalb dieser Klemmen werden nicht betrachtet oder unter Auflagen, z. B. DIN EN ISO 13849-2/Anhang D/Tabelle D5/Leitungen/Kabel, als Fehlerausschluss spezifiziert.
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Die
DE 100 11 211 A1 zeigt eine Schaltung mit einer ersten Eingangsklemme und einer zweiten Eingangsklemme zum Bereitstellen zweier Potentiale P1 und P2. Die beiden Potentiale P1 und P2 können ungleich sein. Über eine erste Ausgangsklemme kann das erste Potential mit einem ersten Schütz verbunden werden. Über eine zweite Ausgangsklemme kann das zweite Potential mit einem zweiten Schütz verbunden werden. Ein erstes Schaltelement ist vorgesehen, um eine Verbindung zwischen dem ersten Potential P1 und dem ersten Schütz zu unterbrechen. Ein zweites Schaltelement ist vorgesehen, um eine Verbindung zwischen dem zweiten Potential P2 und dem zweiten Schütz zu unterbrechen. Die Schütze werden jeweils getrennt angesteuert.
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Die
EP 0 342 614 A1 befasst sich mit einer Sicherheitsspannungsversorgung für eine bewegliche elektrische Maschine, die keinen Masseleiter aufweist. Die Sicherheitsspannungsversorgung ermöglicht es, den Strom aus allen Teilen der Maschine abzuleiten, sobald die Maschine ausgeschaltet wird oder das Versorgungskabel entfernt wird.
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Die
EP 1 801 675 A1 zeigt einen Segmentkreis, welcher mittels einer Sicherheitsklemme betrieben wird. Die in
5 gezeigte Ausgangsklemme verbindet die Spannungsversorgungsleitung über ein Schaltelement, das über einen sogenannten Inline Bus ansteuerbar ist, mit einer Ausgangsleitung. Ebenso verbindet die Ausgangsklemme die Masseversorgungsleitung mit der Masseleitung. Verbindungsleitungen zu den als Verbraucher fungierenden Schützen sind ebenfalls vorhanden. Diese Verbindungsleitungen stellen zusammen mit der Ausgangsklemme den Ausgangskreise dar.
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Die Erfindung liefert eine Lösung, um Fehler im Ausgangskreis solcher zuletzt genannter Anordnungen einfach und zuverlässig zu erkennen, indem eine nachfolgend beschriebene Einrichtung und erfindungsgemäße Testverfahren in Verbindung mit der Einrichtung verwendet werden.
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Die Erfindung stellt hierzu eine Einrichtung zum Testen der Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Verbrauchers in Form einer Schalteinrichtung, zur Verfügung.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst einen Anschluss für den Verbraucher und ein Abschaltmittel für den Versorgungsstrom bzw. die Versorgungsspannung des Verbrauchers, wobei das Abschaltmittel mit dem Anschluss elektrisch leitend verbunden ist. Das Abschaltmittel in Form eines Vierpols ist derart realisiert, dass mittels des Vierpols die Stromversorgung/Spannungsversorgung des Verbrauchers vorzugsweise zumindest zweikanalig sicher abschaltbar ist. Ein Kurzschluss innerhalb des Vierpols oder außerhalb des Vierpols ist unter Verwendung des Vierpols selbst ermittelbar. Auch, bei einem Kurzschluss an einem Bauelement innerhalb des Vierpols ist der dabei auftretende Kurzschlussstrom mittels des Vierpols messbar.
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Die Einrichtung kann beispielsweise von einer Ausgangsklemme oder einer Sicherheitsklemme umfasst sein. Im Prinzip kann die Einrichtung überall dort eingesetzt werden, wo Spannungen oder Ströme mehrpolig (z. B. GND-Zweig und Versorgungsspannung) abgeschaltet und die Wirksamkeit der Abschaltung zeitlich unmittelbar danach überprüft werden soll (z. B. auch in Netzteilen und dergleichen).
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Die Erfindung hat unter anderem den Vorteil, dass im laufenden Betrieb des Verbrauchers ein Test der Versorgung für den Verbraucher durchgeführt werden kann. Der Verbraucher selbst muss dabei nicht permanent abgeschaltet werden. Der Betrieb des Verbrauchers muss auch nicht dauerhaft eingeschränkt werden.
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Vorzugsweise umfasst die Einrichtung Mittel zur Anbindung der Einrichtung an einen Feldbus oder an einen Inline Bus, wie er in der Automatisierungsbranche üblich ist. Somit kann die Einrichtung auch mittels des Busses betrieben (z. B. gesteuert) und in einen automatisierten Ablauf eingebunden werden.
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Vorzugsweise wird der Vierpol mittels einer Brückenschaltung realisiert. Die Brückenschaltung umfasst zwei parallel geschaltete Zweige, welche jeweils zwei in Serie geschaltete Bauelemente umfassen, mittels derer einerseits die Richtung des Stromes in jedem Zweig steuerbar ist und/oder mittels derer andererseits auch die Stromzufuhr bzw. die Spannungsversorgung für einen Verbraucher abschaltbar ist. Der Brückenzweig umfasst ebenfalls ein Messmittel zur Messung des im Brückenzweig auftretenden elektrischen Stromes oder ein solches Messmittel ist zumindest an den Brückenzweig anschließbar. Die Ansteuerung des Vierpols ist mittels eines externen Steuersignals möglich. Es wird dabei mit Taktzeiten gearbeitet, welche gegenüber den Reaktionszeiten der Verbraucher vernachlässigbar sind. Hierdurch kann auf unterschiedlichste Weise auf die Aktivität der Strompfade in Form der Zweige der Brückenschaltung zwischen Verbraucher und Versorger Einfluss genommen werden, um unterschiedlichste Testszenarien mittels des später erläuterten erfindungsgemäßen Testverfahrens zu implementieren.
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Besonders bevorzugt weist jedes Bauelement das Verhalten einer Parallelschaltung umfassend eine Diode oder dergleichen und umfassend einen Schalter oder dergleichen auf. Die zwei in Serie geschalteten Bauelemente des ersten Zweiges sind derart angeordnet, dass die Anoden der Dioden miteinander leitend verbunden sind. Die zwei in Serie geschalteten Bauelemente des zweiten Zweiges sind derart angeordnet, dass die Kathoden der Dioden miteinander verbunden sind. Das Messmittel in Form des Brückezweiges ist zwischen den Anoden und Kathoden der Dioden der beiden Zweige angeordnet. Bei dem Messmittel kann es sich um ein Bauteil handeln, welches zur Erfassung eines innerhalb des Bauteils auftretenden Stromes geeignet ist. Die Messung selbst muss nicht innerhalb des Vierpols erfolgen und könnte auch beispielsweise mittels einer externen Messeinrichtung erfolgen, welche lediglich den Strom im Brückenzweig messtechnisch erfasst.
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Ein geeignetes Bauelement mit dem oben erläuterten Verhalten wäre beispielsweise ein FET (sogenannter Feldeffekttransistor), welcher als Parallelschaltung von Schalter und Diode getrennt ersatzweise darstellbar ist. Die Diode wäre dann die herstellungsbedingt stets vorhandene Substratdiode des FETs und der Schalter symbolisiert das mittels des FET realisierbare Schaltverhalten. Die zwei in Serie geschalteten FETs des ersten Zweiges sind derart angeordnet, dass die Anoden der Substratdioden miteinander leitend verbunden sind. Die zwei in Serie geschalteten FETs des zweiten Zweiges sind derart angeordnet, dass die Kathoden der Substratdioden miteinander verbunden sind. Das Messmittel in Form des Brückezweiges ist zwischen den Anoden und Kathoden der Substratdioden der beiden Zweige angeordnet.
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Selbstverständlich kann der Fachmann sich auch anderer und gleich wirkender Bauelemente und Verschaltungen bedienen, um die erfindungsgemäße Anordnung zu realisieren. Es wird hierzu auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen, die dem Schaltungstechniker bekannt ist.
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Die Ausgangsklemme ist vorzugsweise derart realisiert, dass mittels dieser eine Abschaltmöglichkeit des Verbraucherstromes möglich ist. Man kann damit eine digitale Ausgangsklemme realisieren, welche ein vordefiniertes Potential an ihrem Ausgang liefern kann.
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Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur sicherheitsgerichteten Abschaltung von Schalteinrichtungen. Diese Vorrichtung kann unter anderem eine Sicherheitsklemme, eine zuvor erwähnte Einrichtung bzw. einen zuvor erwähnten Vierpol, einen Feldbus und wenigstens einen Spannungseingang und wenigstens einen Masseeingang umfassen. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann mittels der Sicherheitsklemme mit dem wenigstens einen Spannungseingang und dem wenigstens einen Masseeingang verbunden sein. Die Sicherheitsklemme weist ein erstes Schaltelement zum Unterbrechen einer Verbindung zwischen dem Spannungseingang und der Einrichtung und ein zweites Schaltelement zum Unterbrechen der Verbindung zwischen dem Masseeingang und der Einrichtung auf. Mittels der Einrichtung kann der Spannungseingang mit einer Spannungsleitung für den Verbraucher und der Masseeingang mit einer Masseleitung für den Verbraucher sicher abschaltbar verbunden werden.
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Vorteilhafterweise sind mehrere Mikrocontroller zur Steuerung von Schaltelementen vorgesehen, um einen mehrkanaligen und damit einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Auf einfache Weise kann so eine Sicherheitsfunktionalität mit einer vorbestimmten Sicherheitsstufe erreicht werden. Dies ist von großer Bedeutung, um die Eingangs erwähnten Sicherheitsnormen einzuhalten. Bevorzugt ist wenigstens ein Mikrocontroller zur Steuerung je eines Schaltelements vorgesehen. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung sind nur zwei Mikrocontroller notwendig, um alle im sicherheitsgerichteten Segmentkreis angeschlossenen Klemmen sicherheitsgerichtet abzuschalten. Es ist zweckmäßig, wenn wenigstens ein Schaltelement als Halbleiterschalter ausgebildet ist. Halbleiterschalter können bei geringer Leistungsaufnahme hohe Leistungen schalten und sind daher besonders bevorzugt zu verwenden. Zweckmäßigerweise ist bei der Erfindung der Halbleiterschalter als unipolarer Transistor, insbesondere als FET, MOSFET oder IGBT, ausgebildet. Diese Transistoren erlauben mit geringer Schaltleistung das Schalten großer Ströme. Der Halbleiterschalter kann aber ebenso als bipolarer Transistor ausgebildet sein.
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Die Anordnung weist vorzugsweise interne und/oder externe Spannungsversorgungsausgänge und/oder externe Masseversorgungsausgänge auf. Dadurch kann die erfindungsgemäße Sicherheitsklemme besonders einfach in bestehende Feldbusanordnungen und Feldbussysteme integriert werden. Die Ausgänge können dabei intern bzw. busintern ausgebildet sein, um z. B. Eingangsklemmen, Ausgangsklemmen usw. im nachfolgenden Segmentkreis zu versorgen. Die Klemmen können aber auch extern, d. h. zur Verkabelung mit Einspeiseklemmen usw., ausgebildet sein.
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Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Testelemente zur Fehleraufdeckung, beispielsweise zum Durchführen einer Hellschaltung und/oder einer Dunkelschaltung auf. Damit können schnell und zuverlässig Fehlfunktionen erkannt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Testen der Versorgung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines elektrischen Verbrauchers in Form einer Schalteinrichtung, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Einrichtung, wie zuvor erläutert und/oder unter Verwendung einer Vorrichtung, wie zuvor erläutert. Mittels des Vierpols der Einrichtung kann die Versorgung des Verbrauchers gemäß einer computerimplementierbaren Abschaltvorschrift gesteuert werden. Die Abschaltvorschrift wird von einer Recheneinrichtung ausgeführt, wobei auch der Zustand der Versorgung mittels des Vierpols von der Recheneinrichtung überprüft wird. Auch hier besteht der Vorteil darin, dass die Verbraucherversorgung (Strom/Spannung) während des Betriebes des Verbrauchers getestet werden kann, ohne dass der Betrieb gestört wird.
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Vorteilhafterweise kann der Verbraucher mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kurzzeitig testweise oder dauerhaft abgeschaltet werden. Ebenso kann der Verbraucher mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kurzzeitig testweise oder langfristig eingeschaltet werden. Zusätzlich zur weiter oben erwähnten abschaltbaren Ausgangsklemme ergeben sich nun weitere Abschaltmöglichkeiten des Verbrauchers, was die Sicherheit der Anordnung beispielsweise bei defekter Ausgangsklemme erhöht. Für eine kurzzeitige Ansteuerung arbeitet die Recheneinrichtung mit kurzen Taktzeiten. Die Bauelemente des Vierpols sind selbstverständig derart ausgelegt, dass die mit diesen kurzen Taktzeiten (< 1 ms) ansteuerbar sind. Der Vierpol ist derart mittels der Recheneinrichtung ansteuerbar, dass vorteilhafterweise mittels der Auswertung des Messmittels durch die Recheneinrichtung auch ein Kurzschluss zu einem Potential der Versorgungsspannung oder zur Masse erkennbar wird.
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Die internen Bauelemente des Vierpols können mittels der Recheneinrichtung derart sequentiell angesteuert werden, dass mittels Auswertung des Messmittels durch die Recheneinrichtung vorteilhafterweise auch ein Kurzschluss innerhalb eines Bauelementes ermittelbar ist.
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Diese Ansteuerungsvorgänge mittels der Recheneinrichtung können sowohl mittels einer Feldbusanbindung der Einrichtung/Vorrichtung, als auch mittels einer direkten Anbindung der Einrichtung/Vorichtung an die Recheneinrichtung erfolgen.
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Vorteilhafterweise werden eine erfindungsgemäße Einrichtung/Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum sicherheitsgerichteten und/oder testweisen Abschaltung eines Aktuators oder Motors und bevorzugterweise im Umfeld eines Interbusses verwendet.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie den dazugehörigen Zeichnungen.
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Es versteht sich von selbst, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den nachfolgenden Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf diese Zeichnung nun ausführlich beschrieben. Die Zeichnungen sollen lediglich einige wenige von vielen denkbaren Ausführungsformen aufzeigen. Die Erfindung soll durch die Zeichnungen in keiner Weise auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen eingeschränkt werden.
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1 bis 8 zeigen jeweils den von der erfindungsgemäßen Einrichtung umfassten Vierpol mit seinem internen Aufbau, sowie die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens realisierbaren internen Schaltzustände.
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9 zeigt schematisch einen sicherheitsgerichteten Segmentkreis zur sicherheitsgerichteten Abschaltung einer Last mit erfindungsgemäßer Einrichtung.
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Da die 1 bis 8 sich jeweils auf denselben Vierpol 9 beziehen und sich lediglich bezüglich der internen Schaltzustände unterscheiden, wurden Bezugszeichen lediglich in 1 eingezeichnet. Die im Rahmen der Erläuterungen zu den 2 bis 8 verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf die in 1 mittels dieser Bezugszeichen gekennzeichneten Bauelemente. Der Aufbau der Vierpole in den 1 bis 8 ist wie folgt realisiert.
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Ein erster Eingang (P24_IN) des Vierpols 9 ist an ein erstes Potential angeschlossen, z. B. eine Versorgungsspannung 7 von beispielsweise 24 Volt. Ein zweiter Eingang (0V_IN) des Vierpols 9 ist an ein weiteres Potential 8 angeschlossen, z. B. Masse oder 0 Volt. Ein erster Ausgang (UF_OUT) des Vierpols 9 ist mit der Ausgangsklemme 5 zum mittelbaren Anschluss des Verbrauchers 6 unter Verwendung des Vierpols 9 an die Versorgungsspannung 7 angeschlossen. Ein zweiter Ausgang (FGND_OUT) des Vierpols 9 ist ebenfalls mit der Ausgangsklemme zum Anschluss desselben Verbrauchers 6 mittelbar unter Verwendung des Vierpols 9 an 0 Volt Potential angeschlossen. Zwischen den Eingängen und Ausgängen des Vierpols 9 ist intern eine Brückenschaltung realisiert.
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Die Brückenschaltung umfasst zwei parallel geschaltete Zweige. Die Zweige umfassen jeweils zwei in Serie geschaltete Bauelemente 1, 2, 3, 4. Mittels der Bauelemente kann die Richtung des Stromes in jedem Zweig gesteuert und geschaltet werden. Es kann sich dabei um aktive Bauteile, wie Transistoren (z. B. FET, Bipolar), Thyristoren, o. ä. handeln. Der Brückenzweig 8 ist derart realisiert, dass ein Messmittel 10 zur Messung des im Brückenzweig auftretende elektrischen Stromes entweder vom Vierpol 9 unmittelbar umfasst ist oder ein solches Messmittel 10 anschließbar am Vierpol 9 ist.
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Die in den in den 1 bis 8 gezeigten Schaltungen nutzen als Bauelemente 1, 2, 3, 4 Feldeffekttransistoren (FET1–4), welche mittels eines FET-Ersatzschaltbildes dargestellt sind. Das Ersatzschaltbild umfasst die Parallelschaltung einer Substratdiode mit einem symbolischen Schalter. Die zwei in Serie geschalteten Bauelemente 1, 2 des ersten Zweiges sind derart angeordnet, dass die Anoden der Substratdioden miteinander leitend verbunden sind. wobei die zwei in Serie geschalteten Bauelemente 3, 4 des zweiten Zweiges derart angeordnet sind, dass die Kathoden der Substratdioden leitend miteinander verbunden sind. Ein Messmittel 10 ist an den Brückezweig zwischen den Anoden und Kathoden der Substratdioden der beiden Zweige angeordnet.
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Das Schaftverhaltens der FETs (1, 2, 3, 4) kann mittels einer Recheneinrichtung (nicht gezeigt) beeinflusst werden. Die Recheneinrichtung kann auch, insbesondere zeitnah, die vom Messmittel 10 erfassten Ströme auswerten. Die Aktivität der Ausgangsklemme 5 ist abhängig vom gemessenen Strom mittels des Messmittels 10 ebenfalls unter Verwendung der Recheneinrichtung steuerbar.
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Zwischen den Ausgangsklemmen des Vierpols 9 und der Ausgangsklemme 5 sind Kapazitäten zur Spannungsstützung vorhanden, welche mittels des eingezeichneten Kondensators angedeutet werden sollen. Diese Kapazitäten sind der Grund dafür, dass ein einfaches kurzzeitiges Ausschalten der Spannungsversorgung (< 1 ms) für Testzwecke nicht möglich ist. Der Strom im Brückenzweig ist jedoch unabhängig von etwaigen Kapazitäten stets kurzzeitig unterbrechbar.
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Eine beispielsweise zweikanalige Beeinflussung des Verbrauchers 6 könnte mittels zweier voneinander unabhängiger Recheneinrichtungen oder mittels einer Recheneinrichtung mit mehreren Prozessoren oder mittels sogenannten Multicore-Prozessoren realisiert werden. Ein erster Prozessor könnte FET1 und FET4 und ein zweiter und vom ersten Prozessor unabhängiger Prozessor könnte FET2 und FET3 mittels eines Taktsignals ansteuern, um das erfindungsgemäße Schaltverhalten zu bewirken.
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Vergleichbare alternative Ansteuerungen, welche ebenfalls eine zweikanalige sichere Ansteuerung bewirken, sind von der Erfindung ebenfalls umfasst. Dies gilt auch für äquivalente Lösungen, welche der Fachmann der Schaltungstechnik aufgrund seines Fachwissens herbeiführen kann und welche eine sichere Abschaltung des Verbrauchers unter Verwendung von mittels einer Recheneinheit ansteuerbaren Schaltelementen bewirken.
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Die im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommende Recheneinrichtung ist in den 1 bis 8 nicht gezeigt. Auf der Recheneinheit läuft ein computerimplementiertes Steuerprogramm ab. Mittels dieses Steuerprogramms können unter anderem auch die nachfolgend beschriebenen Schaltzustände des Vierpols 9 realisiert werden.
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Das Steuerprogramm umfasst auch Funktionen für kurzzeitige Tests der Abschalteigenschaften der Vierpolbauelemente (1, 2, 3, 4), wobei der uneingeschränkten Betrieb des Verbrauchers gewährleistet bleibt. Hierzu wird abwechselnd der 24 Volt Zweig der Lastversorgung (P-Zweig) und/oder der 0 Volt Zweig (M-Zweig) der Lastversorgung kurzzeitig unterbrochen. Die Recheneinheit prüft dabei mittels weiterer Funktionen des Ablaufprogramms, ob die Lastversorgung auch tatsächlich unterbrochen wurde. Durch dieses kurzzeitige Abschalten der Verbraucher im Betrieb und ohne dass der Verbraucher darauf reagiert kann die Zuverlässigkeit der Bauelemente und der Schaltungsteile garantiert werden.
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1 zeigt einen ersten möglichen Schaltzustand des Vierpols.
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Die Feldeffekttransistoren FET1 bis FET4 sind abgeschaltet (Schalter offen). Die digitale Ausgangsklemme 5 kann die Last 6 nicht einschalten. Dieser Zustand ist dazu geeignet, die Last 6 zweikanalig abzuschalten. Im Brückenzweig tritt kein Strom auf.
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Fig. 2
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Die Feldeffekttransistoren FET1 bis FET4 sind eingeschaltet (Schalter geschlossen). Die digitale Ausgangsklemme 5 kann die Last 6 jetzt einschalten. Dieser Zustand ist dazu geeignet die Last 6 entweder einzuschalten oder auszuschalten (fehlerfreier Betrieb).
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Fig. 3
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Die Feldeffekttransistoren FET2 und FET3 sind eingeschaltet (Schalter geschlossen). Die Feldeffekttransistoren FET1 und FET4 sind abgeschaltet (Schalter offen). Liegt ein Kurzschluss zwischen der Versorgungsspannung von 24 Volt und dem ersten Ausgang UF_OUT des Vierpols 9 vor, so kann der Kurzschlussstrom über FET2/3 und das Messmittel 10 im Brückenzweig nach Masse (0 Volt) über den zweiten Eingang 0V_IN des Vierpols 9 abfließen. Nur im Fehlerfalle fließt ein Strom im Brückenzweig (Messpfad).
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Die Lastversorgung (Plus-Zweig) ist nicht mehr abschaltbar. Dieser Zustand ist dazu geeignet, den Kurzschluss der Versorgungsleitung 7 gegen den ersten Ausgang UF_OUT des Vierpols 9 zu erkennen. Die Fehlererkennung wird durch Abfragen des Messmittels 10 im Brückenzweig realisiert. Die Recheneinheit kann den Schaltzustand der FET’s steuern und abfragen. Die Recheneinheit kann ebenfalls das Messmittel 10 im Brückenzweig abfragen.
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Fig. 4
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Die Feldeffekttransistoren FET1 und FET4 sind eingeschaltet (Schalter geschlossen). Die Feldeffekttransistoren FET2 und FET3 sind abgeschaltet (Schalter offen). Liegt ein Kurzschluss zwischen der ausgangsseitigen Masseleitung 8 und dem zweiten Ausgang FGND_OUT des Vierpols 9 vor, so kann der Kurzschlussstrom ausgehend vom ersten Eingang P24_IN des Vierpols über das Messmittel 10 im Brückenzweig sowie über FET1/4 und über den zweiten Ausgang FGND_OUT des Vierpols 9 abfließen. Nur im Fehlerfalle fließt ein Strom im Brückenzweig (Meßpfad).
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Die Lastversorgung (Masse-Zweig) ist nicht mehr abschaltbar. Dieser Zustand ist dazu geeignet einen Masseschluss des zweiten Ausgangs FGND_OUT des Vierpols zu erkennen. Die Fehlererkennung wird durch Abfrage des Messmittels 10 im Brückenzweig realisiert. Die Recheneinheit kann den Schaltzustand der FET’s steuern und abfragen Die Recheneinheit kann ebenfalls das Messmittel 10 im Brückenzweig 8 abfragen.
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Fig. 5
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Die Feldeffekttransistoren FET2 und FET3 sind eingeschaltet (Schalter geschlossen), FET4 ist ausgeschaltet (Schalter offen). Liegt unmittelbar im Feldeffekttransistor FET1 ein Kurzschluss vor, so kann ein Fehlerstrom vom ersten Eingang P24_IN des Vierpols (24 Volt) zum zweiten Eingang 0V_IN des Vierpols (0 Volt) über den Brückenzweig (Meßpfad) und FET3 abfließen.
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Die Last ist nicht ist durch diesen Fehler (P-Zweig) nicht mehr abschaltbar. Dieser Zustand ist dazu geeignet einen Kurzschluss in einem Bauelement (hier FET1) zu erkennen. Die Fehlererkennung wird durch Abfrage des Messmittels 10 im Brückenzweig realisiert. Die Recheneinheit kann den Schaltzustand der FET’s steuern und abfragen. Die Recheneinheit kann ebenfalls das Messmittel 10 im Brückenzweig 8 abfragen.
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Fig. 6
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Die Feldeffekttransistoren FET1 und FET4 sind eingeschaltet, FET3 ist ausgeschaltet. Liegt unmittelbar im Feldeffekttransistor FET2 ein Kurzschluss vor, so kann ein Fehlerstrom vom ersten Ausgang UF_OUT des Vierpols zum zweiten Ausgang FGND_OUT des Vierpols über die eingeschaltete Last und den Brückenzweig 8 (Meßpfad) abfließen.
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Dieser Zustand ist dazu geeignet einen Kurzschluss in einem Bauelement (hier FET1) zu erkennen. Die Fehlererkennung wird durch Abfrage des Messmittels 10 im Brückenzweig 8 unter Verwendung der Recheneinrichtung realisiert. Die Recheneinheit kann den Schaltzustand der FET’s steuern und abfragen. Die Recheneinheit kann ebenfalls das Messmittel 10 im Brückenzweig 8 abfragen. Der Strom im Brückenzweig kann durch diesen Fehler nicht kurzzeitig unterbrochen werden.
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Fig. 7
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Die Feldeffekttransistoren FET1 und FET4 sind eingeschaltet, FET2 ist ausgeschaltet. Liegt unmittelbar im Feldeffekttransistor FET3 ein Kurzschluss vor, so kann ein Fehlerstrom vom ersten Eingang P24_IN des Vierpols (24 Volt) zum zweiten Eingang 0V_IN des Vierpols (0 Volt) abfließen über den Brückenzweig 8 (Meßpfad) abfließen.
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Die Last kann durch diesen Fehler nicht mehr abgeschaltet werden (Masse-Zweig). Dieser Zustand ist dazu geeignet einen Kurzschluss in einem Bauelement (hier FET3) zu erkennen. Die Fehlererkennung wird durch Abfrage des Messmittels 10 im Brückenzweig realisiert. Die Recheneinheit kann den Schaltzustand der FET’s steuern und abfragen. Die Recheneinheit kann ebenfalls das Messmittel 10 im Brückenzweig 8 abfragen.
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Fig. 8
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Die Feldeffekttransistoren FET2 und FET3 sind eingeschaltet (Schalter geschlossen), FET1 ist ausgeschaltet (Schalter offen). Liegt unmittelbar im Feldeffekttransistor FET4 ein Kurzschluss vor, so kann ein Fehlerstrom vom ersten Ausgang UF_OUT des Vierpols 9 zum zweiten Ausgang FGND_OUT des Vierpols 9 und den Brückenzweig 8 (Meßpfad) abfließen.
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Dieser Zustand ist dazu geeignet einen Kurzschluss in einem Bauelement (hier FET4) zu erkennen. Die Fehlererkennung wird durch Abfrage des Messmittels 10 im Brückenzweig realisiert. Die Recheneinheit kann den Schaltzustand der FET’s steuern und abfragen. Die Recheneinheit kann ebenfalls das Messmittel 10 im Brückenzweig 8 abfragen. Der Strom im Brückenzweig kann durch diesen Fehler nicht kurzzeitig unterbrochen werden.
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In 9 wird eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zur sicherheitsgerichteten Abschaltung eines Segmentkreises gezeigt. Der Segmentkreis 500 wird von einer Sicherheitsklemme 501 eingeleitet.
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Die Sicherheitsklemme 501 weist eine interne Steuereinrichtung 504 auf, die u. a. zwei Mikrocontroller (nicht gezeigt) enthält. Weiterhin weist die Sicherheitsklemme 501 erste und zweite Schaltelemente 505a, 505b auf, die als Halbleiterschalter ausgebildet sind. Die Sicherheitsklemme 501 ist eingangsseitig vorzugsweise mit einem Inline Bus 105b verbunden.
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Weiterhin weist die Sicherheitsklemme 501 einen Eingang 502 für die Spannungsversorgung, z. B. 24 V, sowie einen Eingang 503 für die Masse (z. B. 0 V) auf. Es ist ein Halbleiterschalter 505a zum Unterbrechen der. Spannungsversorgungsleitung 210 vorgesehen, wohingegen der zweite Halbleiterschalter 505b zur Unterbrechung der Masseversorgungsleitung 514 vorgesehen ist.
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Der sicherheitsgerichtete Segmentkreis selbst weist einen eigenen Inline Bus 105c auf, über den eine Eingangsklemme 123, eine Einspeiseklemme 211 und eine Ausgangsklemme 124 mit der Sicherheitsklemme 501 verbunden sind.
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Der erfindungsgemäße Vierpol kann innerhalb der Ausgangsklemme 124 und/oder innerhalb der Sicherheitsklemme 501 angeordnet sein. Ist der Vierpol innerhalb der Ausgangsklemme 124 angeordnet, so befindet sich diese in den Zuleitungen zum Verbraucher. Ist der Vierpol innerhalb der Sicherheitsklemme 501 angeordnet, so befindet sich diese innerhalb der Zuleitungen 210 und 514.
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Die Brückenschaltung kann überall dort eingesetzt werden, wo Spannungen mehrpolig, beispielsweise 2-polig (GND-Zweig und Plus-Zweig), abgeschaltet und die Wirksamkeit der Abschaltung zeitlich unmittelbar danach überprüft werden soll (z. B. Ausgangsklemmen, Netzteile etc.).
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Die Ausgangsklemme 124 verbindet die Spannungsversorgungsleitung 210 über das Schaltelement 130, das auch mittels des Inline Busses 105c ansteuerbar ist, mit der Ausgangsleitung 215. Ebenso verbindet die Ausgangsklemme 124 die Masseversorgungsleitung 514 mit der Masseleitung 214. Die Leitungen 214 und 215 wiederum sind mit den Schützen 212 und 213 verbunden. Die erfindungsgemäße und zweikanalige Abschaltmöglichkeit und Testmöglichkeit der Versorgungsleitungen des Verbrauchers bezieht sich auf die Spannungsversorgungsleitung 210 und die Masseversorgungsleitung 514.
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Die Schütze 212, 213 sind auch in der gezeigten Abbildung zweikanalig abschaltbar, wobei der erste Abschaltpfad über den Inline Bus 105c und die Abschaltung des Abschaltmittels 130 realisiert wird.
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Ein zweiter Abschaltpfad könnte mittels der Halbleiterschalter 505a und 505b realisiert werden, wodurch die Spannungsversorgungsleitung 210 und die Masseversorgungsleitung 514 abschaltbar sind. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist der Verbraucher sicher abschaltbar.
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Um Fehler im Ausgangskreis einfach und zuverlässig zu erkennen, wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Testabschaltung der Stromversorgung der Schütze 212, 213 verwendet.
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Für einen Fachmann sind im Rahmen seines Fachwissens weitere Lösungen denkbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10011211 A1 [0004]
- EP 0342614 A1 [0005]
- EP 1801675 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN ISO 13849-1 [0002]
- DIN EN ISO 13849-2/Anhang D/Tabelle D5/Leitungen/Kabel [0003]
