DE102019129158A1

DE102019129158A1 - Method for operating an on / off switch and circuit arrangement

Info

Publication number: DE102019129158A1
Application number: DE102019129158.5A
Authority: DE
Inventors: Claas Steffen; Simon Egli
Original assignee: Leister Technologies AG
Current assignee: Leister Technologies AG
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Überwachung des Schaltzustandes eines zwischen einer Gleichspannungsversorgungseinrichtung (1) und einer Last (2) angeordneten Halbleiterrelais (7; 8), wobei eine Einrichtung (9; 10) zur Erfassung des Spannungspotentials am Halbleiterrelais (7; 8) sowohl zwischen Gleichspannungsversorgung (1) und Halbleiterrelais (7; 8) als auch zwischen Halbleiterrelais (7; 8) und Last (2) angeordnet ist. Die Einrichtung (9; 10) zur Erfassung des Spannungspotentials ist eine Optokopplerschaltung. Das Verfahren und die Schaltungsanordnung erlauben eine hohe Anzahl von Schaltzyklen mit kurzer Taktzeit bei hoher Ausfahlsicherheit.Method and circuit arrangement for monitoring the switching state of a semiconductor relay (7; 8) arranged between a DC voltage supply device (1) and a load (2), a device (9; 10) for detecting the voltage potential on the semiconductor relay (7; 8) both between the DC voltage supply (1) and semiconductor relay (7; 8) and between the semiconductor relay (7; 8) and load (2) is arranged. The device (9; 10) for detecting the voltage potential is an optocoupler circuit. The method and the circuit arrangement allow a large number of switching cycles with a short cycle time with a high degree of security against failure.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betreiben einer eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung, ein Lasersystem und eine zwischen Gleichspannungsversorgungseinrichtung und Lasersystem angeordnete Ein-Ausschalteinrichtung aufweisende Laseranordnung mit einer Sicherheitssteuerung für das Abschalten der Laseranordnung beim Auslösen von Sicherheitssensoren. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Schaltzustandes eines zwischen einer Gleichspannungsversorgungseinrichtung und einer Last angeordneten Halbleiterrelais.The present invention relates to a method for safely operating a laser system comprising a DC voltage supply device, a laser system and an on / off switching device arranged between the DC voltage supply device and the laser system with a safety control for switching off the laser arrangement when safety sensors are triggered. The invention also relates to a circuit arrangement for monitoring the switching state of a semiconductor relay arranged between a DC voltage supply device and a load.

Zum sicheren Betrieb von Lasern gehört die Überwachung der Sicherheitssensoren (Türen des Gehäuses, Schlüsselschalter, Interlocks usw.). Wenn diese Sensoren oder Schaltkreise ausgelöst werden, muss das Lasersystem sicher abgeschaltet werden. Das Lasersystem besteht üblicherweise aus einem Lasertreiber (als Stromquelle) und einem Lasermodul, das den Laser und zugehörige Laserelektronik umfasst. Die Unterbrechung des Lasersystems erfolgt, indem die Spannungsversorgung für den Lasertreiber unterbrochen wird. Hierzu befindet sich zwischen der Gleichspannungsversorgungseinrichtung eine entsprechende Ein/Ausschalteinrichtung, die von einer Sicherheitssteuerung, in der alle Informationen der Sicherheitssensoren zusammenfließen, entsprechend gesteuert wird. Üblicherweise wird die Unterbrechung der Spannungsversorgung für den Lasertreiber mittels Schützen realisiert und mit deren Hilfskontakten überwacht. Häufig werden sehr hohe Taktfrequenzen in einer Produktion gefahren und der Laser über die Schütze stromlos geschaltet. Bei hohen Strömen verschleißen die Schütze sehr schnell durch Abbrand an den Kontakten und müssen häufig ersetzt werden. Grundsätzlich ist es bekannt, für solche Anwendungsfälle Halbleiterrelais (Solid State Relais (SSR)) einzusetzen. Jedoch besitzen diese Halbleiterrelais keine zwangsgeführten Hilfskontakte, welche für die Überwachung des Schaltzustands genutzt werden könnten.The safe operation of lasers includes monitoring of the safety sensors (doors of the housing, key switches, interlocks, etc.). If these sensors or circuits are triggered, the laser system must be safely shut down. The laser system usually consists of a laser driver (as a power source) and a laser module that includes the laser and associated laser electronics. The laser system is interrupted by interrupting the power supply for the laser driver. For this purpose, there is a corresponding on / off switching device between the DC voltage supply device, which is controlled accordingly by a safety controller in which all information from the safety sensors flows together. Usually, the interruption of the voltage supply for the laser driver is realized by means of contactors and monitored with their auxiliary contacts. Very high cycle frequencies are often run in a production facility and the laser is de-energized via the contactors. At high currents, the contactors wear out very quickly due to burn-off on the contacts and must be replaced frequently. In principle, it is known to use semiconductor relays (Solid State Relays (SSR)) for such applications. However, these semiconductor relays do not have any positively driven auxiliary contacts that could be used to monitor the switching status.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zum sicheren Betreiben einer Last, insbesondere einer Laseranordnung, eine Möglichkeit vorzuschlagen, das Abschalten der Last und die Überwachung der Schaltzustände verschleißarm zu realisieren.The present invention is therefore based on the object of proposing a possibility, for the safe operation of a load, in particular a laser arrangement, of realizing the switching off of the load and the monitoring of the switching states with little wear.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1 and a circuit arrangement having the features of claim 4. Further advantageous refinements can be found in the respective back-referenced subclaims.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Ein/Ausschalteinrichtung ein erstes Halbleiterrelais für ein erstes Spannungspotential, das zu dem Lasertreiber führt, verwendet. Gleichzeitig wird sowohl zwischen Gleichspannungsversorgungseinrichtung und erstem Halbleiterrelais als auch zwischen erstem Halbleiterrelais und Laseranordnung das Spannungspotential am ersten Halbleiterrelais erfasst und der Sicherheitssteuerung zur Verfügung gestellt. Die Spannungserfassung kann auf verschiedene Art und Weisen erfolgen, wobei bevorzugt Optokoppler verwendet werden, was gleichzeitig zu einer Potentialtrennung führt. Der Schaltzustand des Halbleiterrelais, das insbesondere ein SSR ist, wird der Sicherheitssteuerung zur Verfügung gestellt, damit diese über die entsprechenden Informationen verfügt. Durch die Detektion der Spannung vor und nach dem Halbleiterrelais (von der Gleichspannungsversorgung aus gesehen) mittels einer Optokopplerschaltung wird Aufschluss über den Schaltzustand des Halbleiterrelais erhalten und ersetzt den üblichen Hilfskontakt bei einem Schütz durch einen entsprechenden Rückmeldekanal. Damit kann eine wartungsarme Laseranordnung trotz hohem Produktionsdurchsatz realisiert werden. Bei einer hohen Anzahl von Schaltzyklen kann damit eine kurze Taktzeit realisiert werden, ohne die schaltenden Elemente regelmäßig austauschen zu müssen.According to the method according to the invention, a first semiconductor relay for a first voltage potential that leads to the laser driver is used as the on / off switching device. At the same time, both between the DC voltage supply device and the first semiconductor relay and between the first semiconductor relay and the laser arrangement, the voltage potential at the first semiconductor relay is detected and made available to the safety controller. The voltage can be detected in various ways, optocouplers being preferably used, which at the same time leads to potential separation. The switching status of the semiconductor relay, which is an SSR in particular, is made available to the safety controller so that it has the relevant information at its disposal. By detecting the voltage before and after the semiconductor relay (as seen from the DC voltage supply) by means of an optocoupler, information about the switching status of the semiconductor relay is obtained and replaces the usual auxiliary contact on a contactor with a corresponding feedback channel. In this way, a low-maintenance laser arrangement can be implemented despite a high production throughput. With a high number of switching cycles, a short cycle time can thus be achieved without having to regularly replace the switching elements.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung des Verfahrens ist als Ein/Ausschalteinrichtung ein zweites Halbleiterrelais für ein zweites Spannungspotential zu dem Lasertreiber vorgesehen, wobei sowohl zwischen Gleichspannungsversorgungseinrichtung und Halbleiterrelais als auch zwischen zweitem Halbleiterrelais und Lasersystem das Spannungspotential am zweiten Halbleiterrelais erfasst und der Abschalteinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Damit wird zur Erhöhung der Sicherheit das Abschalten des Lasersystems redundant aufgebaut. Es wird somit für das Pluspotential und für das Minuspotential der zu schaltenden Spannungsversorgung jeweils ein Halbleiterrelais für die Abschaltung eingesetzt.According to a preferred embodiment of the method, a second semiconductor relay is provided as the on / off switching device for a second voltage potential to the laser driver, the voltage potential at the second semiconductor relay being detected both between the DC voltage supply device and the semiconductor relay and between the second semiconductor relay and the laser system and being made available to the switching off device. This means that the laser system is switched off redundantly to increase safety. A semiconductor relay is used for the shutdown for the positive potential and for the negative potential of the power supply to be switched.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Schaltungsanordnung ermöglicht somit den Einsatz von SSR mit einer Sicherheit auf dem Niveau entsprechend einer Verwendung mit Schützen, jedoch mit einer deutlich längeren Lebensdauer.Such a method and such a circuit arrangement thus enables the use of SSRs with a level of security corresponding to use with contactors, but with a significantly longer service life.

Zur Überwachung des Schaltzustandes einer Last ist grundsätzlich nur ein Halbleiterrelais erforderlich. Eine entsprechende Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4 weist daher lediglich ein Halbleiterrelais auf, wobei vorzugsweise das Spannungspotential mittels eines Optokopplers erfasst wird. Eine Schaltungsanordnung zum sicheren Betreiben einer Laseranordnung weist vorzugsweise ein erstes und ein zweites Halbleiterrelais auf, wobei jeweils zwischen Gleichspannungsversorgung und Halbleiterrelais als auch zwischen Halbleiterrelais und Laseranordnung als Last das Spannungspotential am jeweiligen Halbleiterrelais erfasst und verglichen wird.In principle, only one semiconductor relay is required to monitor the switching status of a load. A corresponding circuit arrangement according to claim 4 therefore only has a semiconductor relay, the voltage potential preferably being detected by means of an optocoupler. A circuit arrangement for the safe operation of a laser arrangement preferably has a first and a second semiconductor relay, the voltage potential at the respective semiconductor relay being detected and compared between the DC voltage supply and the semiconductor relay as well as between the semiconductor relay and the laser arrangement as the load.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigte Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Auch können einzelne Merkmale der unabhängigen oder nebengeordneten Ansprüche durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden. Sämtlich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile können sowohl für sich als auch in verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the specified combination, but also in other combinations or on their own. Individual features of the independent or independent claims can also be replaced by other disclosed features or combinations of features. All of the features and / or advantages arising from the claims, the description and the drawing can be essential to the invention both individually and in a wide variety of combinations.

In der einzigen Figur, wird in einem Blockschaltbild die Erfindung prinzipiell dargestellt. Die Figur zeigt eine Laseranordnung 12 mit einer Gleichspannungsversorgung 1, die in dem Ausführungsbeispiel als 24 Volt oder 48 Volt Gleichspannungsversorgung ausgebildet ist, aber prinzipiell auch jede andere Spannung sein kann. Die Gleichspannungsversorgung 1 ist mit dem Plus- und Minuspol über einen Schalter 7 in Form eines SSR und einem Schalter 8 in Form eines SSR mit einem Lasersystem 2 verbunden. Das Lasersystem 2 weist einen Lasertreiber 3 als Stromquelle für ein Lasermodul 4 auf, welches eine Laser- und Steuerungselektronik umfasst. Das Lasersystem gibt den Laserstrahl 5 ab. Mit den Bezugsziffern 9 und 10 sind Optokopplermodule einer Optokopplerschaltung dargestellt, mittels denen das Spannungspotential auf beiden Seiten des Halbleiterschalters 7 (Optokopplermodul 9) bzw. des Halbleiterschalters 8 (Optokopplermodul) das Spannungsniveau erfasst und an eine Sicherungssteuerung 6 übertragen wird. Die Sicherungssteuerung 6 verarbeitet die für eine Abschaltung des Lasersystems 2 eingehenden Sensorsignale (durch die Pfeile 11' symbolisiert), die ein Abschalten aus Sicherheitsgründen auslösen, und steuert die Schalter 7 bzw. 8. Die Optokopplermodule 9 bzw. 10 liefern die entsprechenden Signale über den Schaltzustand des jeweiligen Schalters 7, 8 ebenfalls an die Sicherheitssteuerung 6, die dort bearbeitet werden, um den Zustand des jeweiligen Schalters 7, 8 bei Schaltmaßnahmen entsprechend zu berücksichtigen. Die Schaltung für die Rückführung ist in dem Ausführungsbeispiel derart aufgebaut, dass sie das Spannungspotential vor und hinter dem jeweiligen SSR erfasst, vergleicht und anschliessend ein entsprechendes Signal an die Sicherheitssteuerung 6 gibt. Dies erfolgt digital derart, dass bei geschaltetem SSR der jeweilige Optokoppler 9 bzw. 10 überbrückt wird und daher nicht schaltet, folglich das Signal an die Sicherheitssteuerung 6 „0“ ist. Ist das SSR nicht geschaltet, fliesst der Strom über den jeweiligen Optokoppler 9 bzw. 10, folglich ist das Signal an die Sicherheitssteuerung 6 „1‟.In the single figure, the invention is shown in principle in a block diagram. The figure shows a laser arrangement 12th with a DC power supply 1 , which is designed as a 24 volt or 48 volt DC voltage supply in the exemplary embodiment, but can in principle also be any other voltage. The DC voltage supply 1 is connected to the plus and minus pole via a switch 7th in the form of an SSR and a switch 8th in the form of an SSR with a laser system 2 connected. The laser system 2 has a laser driver 3 as a power source for a laser module 4th which includes laser and control electronics. The laser system emits the laser beam 5 from. With the reference numbers 9 and 10 are shown optocoupler modules of an optocoupler circuit, by means of which the voltage potential on both sides of the semiconductor switch 7th (Optocoupler module 9 ) or the semiconductor switch 8th (Optocoupler module) records the voltage level and sends it to a safety control 6th is transmitted. The backup control 6th processes the for a shutdown of the laser system 2 incoming sensor signals (by the arrows 11 ' symbolizes), which trigger a shutdown for safety reasons, and controls the switches 7th or. 8th . The optocoupler modules 9 or. 10 provide the corresponding signals about the switching status of the respective switch 7th , 8th also to the safety controller 6th that are edited there to reflect the state of the respective switch 7th , 8th to be taken into account accordingly for switching measures. In the exemplary embodiment, the circuit for the feedback is constructed in such a way that it detects and compares the voltage potential in front of and behind the respective SSR and then sends a corresponding signal to the safety controller 6th gives. This is done digitally in such a way that when the SSR is switched, the respective optocoupler 9 or. 10 is bridged and therefore does not switch, consequently the signal to the safety controller 6th Is "0". If the SSR is not switched, the current flows through the respective optocoupler 9 or. 10 , consequently the signal to the safety controller 6th "1".

Claims

A method for the safe operation of a laser system (12) having a DC voltage supply device (1), a laser system (2) and an on / off switching device (7; 8) with a safety controller (6) for the Switching off the laser system (2) when triggering safety sensors, characterized in that a first semiconductor relay (7) is used as the on / off switching device for a first voltage potential and is located both between the DC voltage supply device (1) and the first semiconductor relay (7) and between the first semiconductor relay ( 7) and laser arrangement (2) the voltage potential at the first semiconductor relay (7) is detected and made available to the safety controller (6).

Procedure according to Claim 1 , characterized in that a second semiconductor relay (8) is used as the on / off switching device for a second voltage potential and the voltage potential at the second between the DC voltage supply device (1) and the semiconductor relay (8) as well as between the second semiconductor relay (8) and the laser system (2) Semiconductor relay (2) is detected and made available to the safety controller (6).

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the voltage potential is detected by means of an optocoupler circuit (9; 10).

Circuit arrangement for monitoring the switching state of a semiconductor relay (7, 8) arranged between a DC voltage supply device (1) and a load (2), characterized in that a device (9; 10) for detecting the voltage potential on the semiconductor relay (7; 8) between the DC voltage supply (1) and semiconductor relay (7; 8) and between the semiconductor relay (7; 8) and load (2) is arranged.

Circuit arrangement according to Claim 4 , characterized in that the device for detecting the voltage potential comprises an optocoupler circuit.

Circuit arrangement according to Claim 4 or 5 for the safe operation of a laser arrangement (2) as a load, characterized in that a first semiconductor relay (7) for a first Voltage potential and a second semiconductor relay (8) are provided for a second voltage potential.