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Die Erfindung betrifft einen sicherheitsgerichteten Slave gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Sicherheitsgerichtete Slaves werden zum Beispiel bei dem Feldbussystem AS-Interface verwendet. Wie die sichere Datenübertragung bei einem AS-i Feldbussystem erfolgt ist unter anderem aus der Dokumentation Leuze electronic „Spezifikation der sicheren AS-i-Übertragung” Version 2.0 vom 12.05.2000 Autor Bernhard Müller bekannt. Der sicherheitsgerichtete Slave in dieser Dokumentation S. 8 weist zwei Eingangskanäle auf, an die eine Sensorik angeschlossen ist. Alternativ können auch zwei Taster angeschlossen werden.
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Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 066 079 , die auf die Anmelderin zurückgeht, ist ein sicherheitsgerichteter Slave bekannt, der mit vier Schaltern verbunden werden kann. Die AS-i Spezifikation selbst sehen bei sicherheitsgerichteten Slaves jedoch nur zwei Kanäle vor.
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Querschlüsse sind bei diesem sicherheitsgerichteten Slaves von großer Bedeutung. Deshalb werden bei sicherheitsgerichteten Slaves z. B. dem Produkt AC005S der Firma ifm electronic gmbh ein erheblicher Aufwand betrieben, um Slave-interne Querschlüsse weitgehend ausschließen zu können, z. B. durch redundante Bauelemente, Lackierungen bzw. Teilverguss.
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Nicht auszuschließen sind jedoch Querschlüsse in den entsprechenden Zuleitungen zu den einzelnen Schaltern. Der Anwender muss selbst aufwendig für die Querschlusssicherheit sorgen z. B. durch getrennte Kabelverlegung.
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Aufgabe der Erfindung ist es einen sicherheitsgerichteten Slave anzugeben, bei dem Querschlüsse sowohl im Slave selbst wie auch in den Zuleitungen zu den angeschlossenen Schaltern sicher erkannt werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, bei einem sicherheitsgerichteten Slave, der zwei Kanäle aufweist und der über eine vorgegebene Codefolge seinen Zustand signalisiert, zwischen zwei komplementär aufgebauten Kanälen einen Brückenzweig als elektrische Verbindung vorzusehen, in dem mindestens ein Stromsensor, der eine Durchlassrichtung und eine Sperrichtung aufweist, anzuordnen. Der Stromsensor wirkt auf mindestens ein Datenbit der Codefolge.
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Der Stromsensor kann z. B. durch eine Fotodiode realisiert werden.
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Nur wenn kein Querschluss zwischen den Kanälen oder innerhalb eines Kanals vorliegt, leuchtet die Fotodiode im Brückenzweig und beeinflussen damit die Codefolge nicht.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, es zeigen:
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0 prinzipieller Aufbau eine AS-i Feldbussystem
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1 prinzipieller Aufbau eine AS-i Feldbussystem mit einem erfindungsgemäßen sicherheitsgerichteten Slave
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2 Teildarstellung eines sicherheitsgerichteten Slaves gemäß St. d. T
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3 Teildarstellung eines erfindungsgemäßen sicherheitsgerichteten Slaves
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4–6 Slave nach 3 mit verschiedenen Querschlussvarianten
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7 Teildarstellung eines erfindungsgemäßen sicherheitsgerichteten Slaves mit Selbstdiagnose
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8 Teildarstellung eines erfindungsgemäßen sicherheitsgerichteten Slaves nach 3 mit einer speziellen Querschlussvariante, wobei ein zusätzlicher Widerstand R6 vorgesehen ist.
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0 zeigt den prinzipieller Aufbau eine AS-i Feldbussystem mit einem Hostrechner zum Beispiel einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS, einem Sicherheitsmonitor, einem AS-i Netzteil, einem nicht sicherheitsgerichteten Slave, einem ersten sicherheitsgerichteten Slave und einem zweiten sicherheitsgerichteten Slave, der als Bockdiagramm dargestellt ist.
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Der Slave weist einen Kommunikationsschaltkreis ASi-IC auf, der zur Kommunikation mit dem ASi-Bus als Feldbus dient. Die vier Dateneingänge D0, D1, D2, D3 des Kommunikationsschaltkreises ASi-IC sind über vier Datenleitungen L0, L1, L2, L3 mit den Datenausgängen D0, D1, D2, D3 eines Codefolge-Generators verbunden. In den vier Leitungen sind jeweils Optokoppler U1, U2, U3, U4 angeordnet, die als Schalter wirken und die die Datenübertragung in der betreffenden Datenleitung erlauben oder unterbinden. Die Optokoppler werden von einer Auswerteeinheit AW1 bzw. AW2 angesteuert, die den Zustand jeweils eines Schalters prüft. Die Schalter S1. S2 mit den Anschlussleitungen werden als Kanäle K1 bzw. K2 bezeichnet.
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Ein offener Kontakt führt dazu, dass die entsprechenden Optokoppler die Datenübertragung auf den jeweiligen Datenleitungen unterbrechen.
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Wird der vom Code-Folgegenerator gelieferte Code nicht ordnungsgemäß an den Kommunikationsschaltkreis ASi-IC übertragen so hat mindestens einer der beiden Schalter S1 bzw. S2 ausgelöst. Die Schalter S1 bzw. S2 repräsentieren z. B. Näherungsschalter (induktiv, kapazitiv etc.) oder einfache Taster.
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1 zeigt den prinzipieller Aufbau eine AS-i Feldbussystem mit Hostrechner, Sicherheitsmonitor etc. wie 0 und einem erfindungsgemäßen sicherheitsgerichteten Slave ebenfalls als Blockdiagramm.
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Im Unterschied zu 0 ist im erfindungsgemäßen sicherheitsgerichteten Slave noch eine dritte Auswerteeinheit AW3 vorgesehen, die zur Querschlusserkennung dient. Die beiden Optokoppler U2 und U3 werden hier nicht mehr von den beiden Auswerteeinheiten AW1 bzw. AW2 angesteuert, sondern von der Auswerteeinheit AW3. Im Übrigen sind die beiden Figuren 0 und 1 identisch.
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Der Zustand des sicherheitsgerichteten Slaves wird über ein 4 Bit Wert an den Hostrechner übertragen. Der 4 Bit Wert ist eine vorgegebene Wechselfolge (Codefolge) die dem Hostrechner bekannt ist. Die Schalter können auch als P- bzw. N schaltende Sensoren z. B. Näherungsschalter (induktiv, kapazitiv, optisch etc.) ausgelegt sein, die im Gehäuse des Slaves oder auch extern angeordnet sind. Je nach Schalterstellung ergeben sich folgende Codierungen im Betrieb wenn kein Querschluss vorliegt.
| Kontakt 1 | Kontakt 2 | Daten D3 ... D0 | Bedeutung |
| Ein | Ein | F F F F* | Sensor im Ein-Zustand |
| Ein | Aus | F 0 0 0* | Sensor im Aus-Zustand, aber nur ein Kontakt offen |
| Aus | Ein | 0 0 0 F* | Sensor im Aus-Zustand, aber nur ein Kontakt offen |
| Aus | Aus | 0 0 0 0* | Sensor im ordnungsgemäßen Aus-Zustand |
F* entspricht einem Bit aus dem Folgengenerator
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2 zeigt eine schematisierte Teildarstellung eines sicherheitsgerichteten Slaves gemäß dem Stand der Technik.
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Dargestellt sind die Optokoppler U1, U2, U3, U4 aus 0 mit konkreten Realisierungen der Auswerteschaltungen AW1 und AW2 einschließlich der Schalter S1 und S2, mit den entsprechenden Zuleitungen.
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Der Schalter S1 bildet mit den beiden Optokopplern U1, U2 einen ersten Kanal K1.
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Der Schalter S2 bildet mit den beiden Optokopplern U3, U4 einen zweiten Kanal 2 Zwei Leuchtdioden LED1 bzw. LED2 signalisieren den Zustand der beiden Schalter S1, S2.
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Die Schalter S1, S2 steuern die 4 Optokoppler (U1 ... U4), die jeweils eins von vier Bits des Folgengenerators zum Kommunikationsschaltkreis ASi-IC, der der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet ist, durchleiten.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das einem Ausschnitt aus 1 entspricht.
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Erfindungsgemäß ist hier ein Brückenzweig B zwischen den beiden Kanälen K1 und K2 eingeführt.
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Der Kanal K1 ist durch den Schalter S1 mit Querschluss gefährdeten Leitungen S1p, die Anzeige LED1, den Begrenzungswiderstand R1, und den Optokoppler U1 symbolisch dargestellt. Der Kanal K2 ist mit S2, LED2, U4 und R4 komplementär aufgebaut. Die Optokoppler K1–K4 dienen als Koppelelemente. Neben Optokopplern können auch kapazitiv oder magnetisch wirkende Schaltelemente eingesetzt werden.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, zwischen den beiden komplementär aufgebauten Kanälen K1, K2 einen Brückenzweig B als elektrische Verbindung vorzusehen, in der mindestens ein primärseitig stromrichtungsabhängiges Koppelelement, das als Stromsensor dient, angeordnet ist. In der konkreten Realisierung sind dies die Optokopplern U2, U3 mit einem Begrenzungswiderstand R2. Nur wenn kein Querschluss zwischen den einzelnen Leitungen vorliegt, leuchten im komplett EIN-Zustand alle Leuchtdioden in der vorgeschriebenen Weise und schaltet damit ihren Teil der Codefolge zum Kommunikationsschaltkreis durch.
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Der Brückenzweig B kann auch nur ein Optokoppler aufweisen.
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Die Erfindung realisiert einen Slave bzw. ein System mit einem hohen Sicherheitslevel z. B. SIL III, da Querschlüsse sowohl im Slave, wie auch in den Zuleitungen zu den Sensoren, sicher erkannt werden.
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Dies erspart dem Anwender Aufwand bei der Verkabelung. Außerdem kann der Aufwand auf der Seite des Herstellers des sicherheitsgerichteten Slaves verringert werden, um interne Querschlüsse auszuschließen, da diese sicher erkannt werden. Die Schalter S1, S2 können als schaltende Sensoren realisiert sein.
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Neben Optokopplern als Koppelelemente sind auch kapazitive oder magnetisch wirkende Schaltelemente denkbar.
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In 4 ist ein Querschluss bei einem erfindungsgemäßen sicherheitsgerichteten Slave skizziert, der zum Ausschalten der Optokoppler U2 und U3 führt. Entsprechend geht die Anlage in den sicheren Zustand.
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In 5 ist bei einem erfindungsgemäßen sicherheitsgerichteten Slave ein Querschluss skizziert, der erst beim Auslösen der Schalter bemerkt wird, aber dann trotzdem die Anlage in den sicheren Zustand führt.
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In 6 ist bei einem bekannten sicherheitsgerichteten Slave ein Querschluss skizziert, der auch beim Auslösen der Sicherheitsfunktion nicht bemerkt wird und deshalb die Anlage nicht in den sicheren Zustand führt.
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Zu Einhaltung der Sicherheitsfunktion ist das Abschalten von 2 Sicherheits-Datenbits im Auslösefall ausreichend. Mit dem Öffnen nur eines Schalter (ein Fehler: der andere Schalter ist durch einen Querschluss im Kabel überbrückt) fallen trotzdem 2 Datenbis (entsprechende Halbfolge und Querschlussbit aus). Damit sind für die Sicherheitsfunktion nur insgesamt 3 Datenbit nötig und das bei AS-i-safety vorhandene vierte Bit kann eine für sich selbst unsichere Information tragen und damit die Verfügbarkeit des Systems anzeigen. So kann z. B. das Datenbit D2 zur Selbstdiagnose und/oder zum Durchschleifen einer Fehlermeldung- oder Vorausfallwarnung eines der angeschlossenen Sensors S1 oder S2 benutzt werden. Damit kann ein die Sicherheit der Anordnung negativ beeinflussender Zustand einem Sicherheits-Master oder Sicherheitsmonitor durch die entsprechende Unterbrechung der Sicherheitscodefolge gemeldet werden. In 7 ist ein zur Erfassung des Zustandes des Slaves ein ebenfalls als Schalter ausgebildeten Funktionssensor S3 vorgesehen. Der Funktionssensor S3 erfasst z. B. die Verschmutzung, eines als optischer Sensor ausgelegten Sensors S1 bzw. S2. Alternativ kann die Übertemperatur oder die Öffnung des Gehäuses der mit Sicherheitsfunktion belegten Einrichtung erfasst werden.
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Bei intelligenten Sensoren kann der Funktionssensor S3 auch als Mikrokontroller mit Eigendiagnosefähigkeit realisiert werden.
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Bestimmte einfachen Querschlüsse, nämlich 4 von 6 möglichen, im mindestens 4-poligem Kabel zu den Schalter S1 und S2 können mit Hilfe von der in 8 dargestellten Widerstände R5 und R6 leichter diagnostiziert werden.
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Ohne die Widerstände R5 und R6 wird bei jedem dieser Querschlüsse eine Übertragung der Sicherheitsbits erreicht, die dem Zustand „ausgelöst” (alle Sicherheitsbits unterbrochen) entspricht – also ein regulärer Zustand. Erst bei Betätigen der Auslösefunktion wird der Querschluss zusätzlich als Störung sichtbar. Durch die Einführung der Widerstände werden, im Falle der genannten Kurzschlüsse, die Sicherheitsdaten D0 und D3 gleichzeitig aktiviert, was sich vom o. g. Zustand „ausgelöst” unterscheidet und damit neben dem Übergang zum sicheren Zustand auch die Störung als solche erkennen lässt. Eine reguläre Anforderung der Sicherheitsfunktion ist nicht nötig um diesen Querschluss zu erkennen.
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Die Erfindung ist besonders für sicherheitsgerichtete Slaves geeignet, die nach dem AS-i Standard arbeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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