DE102018215536A1

DE102018215536A1 - Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts

Info

Publication number: DE102018215536A1
Application number: DE102018215536.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Rupp; Martin Maier; Uwe Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-12
Also published as: CN113056679A; BR112021004548A2; WO2020053254A1; US20220050141A1; EP3830589A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts mit einer auf einem ersten Schaltträgermedium (1, 12) angeordneten Schaltbild für eine Auslösevorrichtung (5, 16) und einer auf einem zweiten Schaltträgermedium (2, 13) angeordneten Auslöseelektronik (4, 15).
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktüberwachungseinrichtung redundante elektrische Verbindungen (3, 14) aufweist, die derart überwacht werden, dass bereits der Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung (3, 14) erkannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts mit einem auf einem ersten Schaltträgermedium angeordneten Schaltbild für eine Auslösevorrichtung und einer auf einem zweiten Schaltträgermedium angeordneten Auslöseelektronik sowie ein Verfahren für die Überwachung dieser sicherheitskritischen Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts.
Für sicherheitskritische Funktionen, die über ein aktives Stromsignal ausgelöst werden, muss sichergestellt werden, dass sie nicht durch eine fehlerhafte Steckverbindung, einen Leitungsbruch oder Korrosion beeinträchtigt werden. Ein Beispiel dafür ist die Auslösung eines Schaltgerätes über eine magnetische Verriegelung, welches auch als Maglatch bezeichnet wird. Wenn dieses Maglatch und die zugehörige Auslöseelektronik nicht auf derselben Leiterplatte untergebracht sind, müssen an die Zuverlässigkeit der Steck- oder Lötverbindungen hohe Anforderungen gestellt werden, da in jedem Fall eine Auslösung des Schaltgerätes über das Maglatch sichergestellt sein muss.
Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine zuverlässige Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts zu schaffen sowie ein Verfahren für die Überwachung dieser sicherheitskritischen Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kontaktüberwachungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts gelöst mit einer auf einem ersten Schaltträgermedium angeordneten Auslösevorrichtung und einer auf einem zweiten Schaltträgermedium angeordneten Auslöseelektronik. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktüberwachungseinrichtung redundante elektrische Verbindungen aufweist, die derart überwacht werden, dass bereits der Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung zu erkennen ist.
Die Erfindung basiert auf einer redundanten Ausführung der elektrischen Verbindungen. Dabei wird die Verbindung so überwacht, dass bereits der Ausfall einer redundanten Verbindung erkannt wird. Damit kann entweder eine Warnung ausgegeben werden, dass das Gerät getauscht werden muss, oder sofort eine Auslösung über die verbleibende redundante Verbindung durchgeführt werden.
Der Kern der Erfindung ist eine Überwachung der redundanten Verbindungen mit der Möglichkeit, den Ausfall einer einzelnen Verbindung zu erkennen.
Für die erfindungsgemäße Kontaktüberwachungseinrichtung ist vorgesehen, dass die Auslöseelektronik und der magnetische Auslöser bspw. ein Maglatch nicht auf einer Baueinheit, d.h. Leiterplatte oder Schaltträgermedium, angeordnet sind, sondern über eine Kabel-/Steck-/Lötverbindung gekoppelt sind. Um das Schaltgerät auszulösen, wird ein Transistor angesteuert, so dass ein Strom durch den magnetischen Auslöser fließt und diesen entriegelt. Wenn diese Verbindung unterbrochen ist, kann das Schaltgerät nicht mehr auslösen, wodurch ein sicherheitskritischer Zustand ausgelöst wird.
Zur Erhöhung der Sicherheit kann die Verbindung zwischen den Schaltträgermedien redundant aufgebaut werden, indem mehrere Kabel über mehrere Steckkontakte/Lötverbindungen für die Verbindung genutzt werden. Der Ausfall eines einzelnen Kabels/Kontaktes beeinträchtigt dann noch nicht die Funktion. Trotzdem muss die Verbindung überwacht werden, da andernfalls der Einzelausfall lange unbemerkt bleiben kann und schließlich durch Ausfall einer weiteren Verbindung zum Versagen des Gerätes führt.
Erfindungsgemäß wird ein Transistor, der normallerweise den Strom zum Auslösen des magnetischen Auslösers treibt, nur mit einem kurzen Impuls angesteuert, der nicht ausreicht, die Entriegelung des magnetischen Auslösers auszulösen. Dieser kurze Impuls ist aber ausreichend, um zu einem Stromfluss zu führen, dessen Verlauf von der Gesamtimpedanz des Stromkreises abhängt. Diese Gesamtimpedanz wird neben der Induktivität und dem Widerstand des magnetischen Auslösers durch Vorwiderstände gebildet. Wenn nun eine Steckverbindung oder ein Kabel ausfällt, wird sich die Gesamtimpedanz erhöhen und der Strom etwas kleiner. Der Strom wird gemessen und zur Auswertung beispielsweise einem Komparator oder einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt.
Wenn die Leitungen selbst bereits eine ausreichende Impedanz aufweisen, um den Ausfall zu detektieren, können die Vorwiderstände auch entfallen.
Damit bereits ein sehr kurzer Impuls ausreicht, um einen auswertbaren Strom zu erhalten, kann dem magnetischen Auslöser noch eine Kapazität parallel geschaltet werden. Der Strom wird dann schnell ansteigen, aber fast ausschließlich durch diese Kapazität fließen und den magnetischen Auslöser nicht auslösen.
Mit einem längeren Impuls kann aber auch die Impedanz des magnetischen Auslösers selbst überwacht werden.
In der Simulation kann das beschriebene Verhalten beobachtet werden. Bei geeigneter Wahl einer Komparatorschwelle kann das geänderte Verhalten registriert werden. Ein solcher Komparator ist in vielen Microcontrollern enthalten, so dass außer den Vorwiderständen kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Bei genügend großer Impedanz der elektrischen Verbindungen kann auch auf diese verzichtet werden.
Zu berücksichtigen ist auch, dass die Leitungswiderstände und die Induktivität des magnetischen Auslösers stark toleranzbehaftet sind, so dass die Differenz zwischen dem Normalbereich und der Auslöseschwelle zu gering ist, um eine vordefinierte Auslöseschwelle festzulegen. Daher kann es sinnvoll sein, zu Beginn den Normalbereich über eine Teach-in-Funktion bspw. über einen ADC zu ermitteln.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktüberwachungseinrichtung kann es vorgesehen sein, dass bei Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung eine Warnung ausgegeben wird oder zeitnah eine Auslösung der Auslösevorrichtung über die verbleibenden redundanten elektrischen Verbindungen durchgeführt wird.
Eine Weiterführung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass die Auslöseelektronik auf dem zweiten Schaltträgermedium mindestens einen Transistor aufweist, welcher über einen kurzen elektrischen Impuls ansteuerbar ist, welcher nicht ausreichend ist, die Entriegelung der Auslösevorrichtung umzusetzen.
Als Weiterführung dieses Konzepts ergibt sich in einer speziellen Ausführungsform, dass die Auslöseelektronik auf dem zweiten Schaltträgermedium eine Mehrzahl an Vorwiderständen aufweist, welche mit dem Transistor elektrisch verbunden sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktüberwachungseinrichtung kann es vorgesehen sein, dass die Gesamtimpedanz der Auslöseelektronik durch die Induktivität, den Widerstand in der Auslösevorrichtung sowie der Mehrzahl an Vorwiderständen ausgebildet ist.
Eine Weiterführung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass der Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung durch eine Erhöhung der Gesamtimpedanz bzw. eine Stromflussreduzierung gekennzeichnet ist.
Als Weiterführung dieses Konzepts ergibt sich in einer speziellen Ausführungsform, dass bei Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung der Stromfluss gemessen wird und zur Auswertung einem Komparator oder einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktüberwachungseinrichtung kann es vorgesehen sein, dass die Mehrzahl an Vorwiderständen bei ausreichender Impedanz durch eine geeignete Leitung zu ersetzen ist.
Eine Weiterführung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, dass eine Kapazität parallel zur Auslösevorrichtung auf dem ersten Schaltträgermedium geschaltet ist, so dass bereits ein kurzer elektrischer Impuls ausreichend ist, um einen auswertbaren Strom zu erhalten.
Als Weiterführung dieses Konzepts ergibt sich in einer speziellen Ausführungsform, dass die redundanten elektrischen Verbindungen einzeln anzusteuern sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktüberwachungseinrichtung kann es vorgesehen sein, dass für den Fall, dass die Leitungswiderstände und der Widerstand in der Auslösevorrichtung einen Toleranzbereich aufweisen, eine Teach-In-Funktion in der Kontaktüberwachungseinrichtung ausgebildet ist.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren für die Überwachung einer sicherheitskritischen Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts gelöst mit einer auf einem ersten Schaltträgermedium angeordneten Schaltbild für eine Auslösevorrichtung und einer auf einem zweiten Schaltträgermedium angeordneten Auslöseelektronik, wobei die Gesamtimpedanz im Schaltkreis, welcher sich aus dem Schaltbild für die Auslösevorrichtung und dem Schaltbild der Auslöseelektronik zusammensetzt, welche über redundante elektrische Verbindungen miteinander verbunden sind, bestimmt wird und zur Auswertung einem Komparator oder einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt wird.
Als Weiterführung dieses Verfahrens ergibt sich in einer speziellen Ausführungsform, dass bei Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung eine Warnung ausgegeben wird oder zeitnah eine Auslösung der Auslösevorrichtung über die verbleibenden redundanten elektrischen Verbindungen durchgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts weist zwei Schaltträgermedien auf, welche über redundante elektrische Verbindungen miteinander verbunden sind. Auf dem ersten Schaltträgermedium ist die Auslöseelektronik einer magnetischen Auslösevorrichtung angeordnet. Die Auslösevorrichtung ist auf dem zweiten Schaltträgermedium angeordnet. Die Auslöseelektronik weist einen Transistor auf, welcher mit einer Mehrzahl an Vorwiderständen elektrisch verbunden ist. Die Mehrzahl an Vorwiderständen ist über die elektrisch redundanten Verbindungen mit der Auslösevorrichtung verbunden. Parallel zur Auslösevorrichtung kann eine Kapazität auf dem Schaltträgermedium geschaltet sein. Zudem kann vor dem Transistor ein Shunt positioniert sein.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:

1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts;
2 ein Diagramm eines Stromverlaufs bei einer Simulation mit und ohne Leitungsdefekt einer redundanten elektrischen Verbindung;
3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts mit Einzelansteuerung.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts. Diese Kontaktüberwachungseinrichtung weist zwei Schaltträgermedien 1, 2 auf, welche über redundante elektrische Verbindungen 3 miteinander verbunden sind. Auf dem Schaltträgermedium 1 ist die Auslöseelektronik 4 einer magnetischen Auslösevorrichtung 5 angeordnet. Die Auslösevorrichtung 5 ist auf dem zweiten Schaltträgermedium angeordnet. Die Auslöseelektronik 4 weist einen Transistor 6 auf, welcher mit einer Mehrzahl an Vorwiderständen 7 elektrisch verbunden ist. Die Mehrzahl an Vorwiderständen 7 ist über die elektrisch redundanten Verbindungen 3 mit der Auslösevorrichtung 5 verbunden. Parallel zur Auslösevorrichtung 5 kann eine Kapazität 8 auf dem Schaltträgermedium 2 geschaltet sein. Zudem kann vor dem Transistor 6 ein Shunt 9 positioniert sein.
2 zeigt einen Stromverlauf bei einer Simulation mit und ohne Leitungsdefekt einer redundanten elektrischen Verbindung. Der Kurvenverlauf 10 zeigt den Stromverlauf einer intakten redundanten elektrischen Verbindung 3. Der Kurvenverlauf 11 zeigt den Stromverlauf einer defekten redundanten elektrischen Verbindung 3. Bei geeigneter Wahl einer Komparatorschwelle kann das geänderte Verhalten registriert werden. Ein solcher Komparator ist in vielen Microcontrollern enthalten, so dass außer den Vorwiderständen kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Bei genügend großer Impedanz der elektrischen Verbindungen kann auch auf diese verzichtet werden.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts mit Einzelansteuerung. Die Kontaktüberwachungseinrichtung weist zwei Schaltträgermedien 12, 13 auf, welche über redundante elektrische Verbindungen 14 miteinander verbunden sind. Auf dem Schaltträgermedium 12 ist die Auslöseelektronik 15 einer magnetischen Auslösevorrichtung 16 angeordnet. Die Auslösevorrichtung 16 ist auf dem zweiten Schaltträgermedium 13 angeordnet. Die Auslöseelektronik 15 weist eine Mehrzahl an Transistoren 17 auf, welche einzeln über die redundanten elektrischen Verbindungen 14 mit der Auslösevorrichtung 16 elektrisch verbunden sind. Vor den Transistoren 17 können Shunts 18 positioniert sein.
Die erfindungsgemäße Kontaktüberwachungseinrichtung sowie das Verfahren zur die Überwachung einer sicherheitskritischen Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts zeichnen sich dadurch aus, dass über die Überwachung der redundanten Verbindungen der Ausfall einzelner redundanter Verbindungen durch Messung der Gesamtimpedanz zuverlässig und einfach erkannt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Schaltträgermedium
2: Schaltträgermedium
3: redundante elektrische Verbindungen
4: Auslöseelektronik
5: Auslösevorrichtung
6: Transistor
7: Vorwiderstand
8: Kapazität
9: Shunt
10: Kurvenverlauf
11: Kurvenverlauf
12: Schaltträgermedium
13: Schaltträgermedium
14: redundante elektrische Verbindungen
15: Auslöseelektronik
16: Auslösevorrichtung
17: Transistor
18: Shunt

Claims

Kontaktüberwachungseinrichtung für eine sicherheitskritische Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts mit einer auf einem ersten Schaltträgermedium (1, 12) angeordneten Schaltbild für eine Auslösevorrichtung (5, 16) und einer auf einem zweiten Schaltträgermedium (2, 13) angeordneten Auslöseelektronik (4, 15), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktüberwachungseinrichtung redundante elektrische Verbindungen (3, 14) aufweist, die derart überwacht werden, dass bereits der Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung (3, 14) erkannt wird.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung (3, 14) eine Warnung ausgegeben wird oder zeitnah eine Auslösung der Auslösevorrichtung (5, 16) über die verbleibenden redundanten elektrischen Verbindungen (3, 14) durchgeführt wird.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseelektronik (4, 15) auf dem zweiten Schaltträgermedium (2, 13) mindestens einen Transistor (6, 17) aufweist, welcher über einen kurzen elektrischen Impuls ansteuerbar ist, welcher nicht ausreichend ist, die Entriegelung der Auslösevorrichtung (5, 16) umzusetzen.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseelektronik (4) auf dem zweiten Schaltträgermedium (2) eine Mehrzahl an Vorwiderständen (7) aufweist, welche mit dem Transistor (6) elektrisch verbunden sind.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtimpedanz der Auslöseelektronik (4, 15) durch die Induktivität, den Widerstand in der Auslösevorrichtung (5, 16) sowie der Mehrzahl an Vorwiderständen (7) ausgebildet ist.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung (3, 14) durch eine Erhöhung der Gesamtimpedanz bzw. eine Stromflussreduzierung gekennzeichnet ist.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung (3, 14) der Stromfluss gemessen wird und zur Auswertung einem Komparator oder einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt wird.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Vorwiderständen (7) bei ausreichender Impedanz durch eine geeignete Leitung zu ersetzen sind.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität (8) parallel zur Auslösevorrichtung (5) auf dem ersten Schaltträgermedium (1) geschaltet ist, so dass bereits ein kurzer elektrischer Impuls ausreichend ist, um einen auswertbaren Strom zu erhalten.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die redundanten elektrischen Verbindungen (14) einzeln anzusteuern sind.
Kontaktüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Leitungswiderstände und der Widerstand in der Auslösevorrichtung (5, 16) einen Toleranzbereich aufweisen, eine Teach-In-Funktion in der Kontaktüberwachungseinrichtung ausgebildet ist.
Verfahren für die Überwachung einer sicherheitskritischen Auslösevorrichtung eines Schaltgeräts mit einer auf einem ersten Schaltträgermedium (1, 12) angeordneten Schaltbild für eine Auslösevorrichtung (5, 16) und einer auf einem zweiten Schaltträgermedium (2, 13) angeordneten Auslöseelektronik (4, 15), dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtimpedanz im Schaltkreis, welcher sich aus dem Schaltbild für die Auslösevorrichtung (5, 16) und dem Schaltbild der Auslöseelektronik (4, 15) zusammensetzt, welche über redundante elektrische Verbindungen (3, 14) miteinander verbunden sind, bestimmt wird und zur Auswertung einem Komparator oder einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall einer redundanten elektrischen Verbindung (3, 14) eine Warnung ausgegeben wird oder zeitnah eine Auslösung der Auslösevorrichtung über die verbleibenden redundanten elektrischen Verbindungen durchgeführt wird.