DE102022124299A1

DE102022124299A1 - Non-contact two-wire safety sensor

Info

Publication number: DE102022124299A1
Application number: DE102022124299.4A
Authority: DE
Inventors: Manfred Strobel; Kai Hingst
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Ein berührungslos arbeitender Zweidraht Sicherheitssensor für sicherheitsbezogene Schutzeinrichtungen weist eine Brückenschaltung auf, wobei die Brückenschaltung mindestens zwei Widerstände R1, R2 aufweist, mit dem ersten Widerstand R1 in einem linken Brückenzweig LBZ, mit dem zweiten Widerstand R2 in einem rechten Brückenzweig RBZ und mindestens zwei von einer physikalischen Größe beeinflussbaren Wechselschaltern S1, S2, mit denen eine Kreuzverbindung zwischen jeweils einem oberen Halbbrückenzweig HBZ1, HBZ2 und einem unteren Halbbrückenzweig HBZ3, HBZ4 generierbar ist, wobei die Schalterstellung der Wechselschalter S1, S2 über eine physikalische Größe durch einen Betätiger M beeinflussbar ist und dadurch so angesteuert wird, dass wenn kein Betätiger detektiert wird, die Halbbrückenzweige HBZ1 und HBZ4 miteinander verbunden sind und wenn der Betätiger detektiert wird, die komplementären Halbbrückenzweige HBZ2 und HBZ3 miteinander verbunden sind, wodurch der Impedanzwert der sicherheitsbezogene Zweidraht-Anordnung sich ändertA non-contact two-wire safety sensor for safety-related protective devices has a bridge circuit, the bridge circuit having at least two resistors R1, R2, with the first resistor R1 in a left bridge branch LBZ, with the second resistor R2 in a right bridge branch RBZ and at least two of one changeover switches S1, S2 that can be influenced by physical variables, with which a cross connection between an upper half-bridge branch HBZ1, HBZ2 and a lower half-bridge branch HBZ3, HBZ4 can be generated, the switch position of the changeover switches S1, S2 being influenced via a physical quantity by an actuator M and thereby is controlled in such a way that when no actuator is detected, the half-bridge branches HBZ1 and HBZ4 are connected to one another and when the actuator is detected, the complementary half-bridge branches HBZ2 and HBZ3 are connected to one another, whereby the impedance value of the safety-related two-wire arrangement changes

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a contactless two-wire safety sensor according to the preamble of claim 1.

Berührungslos arbeitende Zweidraht Sicherheitssensoren werden in vielen Bereichen insbesondere in der industriellen Sicherheitstechnik eingesetzt.Non-contact two-wire safety sensors are used in many areas, particularly in industrial safety technology.

Das primäre Ziel der Sicherheitstechnik ist es Personen und Umwelt vor Gefahrenquellen zu schützen, welche beispielsweise in Anlagen und Maschinen entstehen können. Anlagen oder Maschinen können mit Hilfe von Sensoren hinsichtlich eines möglichen Risikos überwacht werden. Sollte eine Situation vorliegen, in der ein nicht akzeptables Risiko besteht, wird eine Absicherungsmaßnahme notwendig.The primary goal of safety technology is to protect people and the environment from sources of danger that can arise, for example, in systems and machines. Systems or machines can be monitored for possible risks using sensors. If a situation arises in which there is an unacceptable risk, a hedging measure becomes necessary.

Besonders in der Prozessindustrie werden häufig Sensoren in Zweidraht-Anordnung zur Risikominderung eingesetzt. Dies ist deshalb der Fall, da die Systeme häufig in explosionsgefährdeten Bereichen genutzt werden. Mit einer Zweidraht-Anordnung können die normativen Anforderungen für elektrische, elektronische Sensorsysteme in explosionsgefährdeten Bereichen relativ einfach erfüllt werden, insbesondere bei Schaltungsanordnungen, in denen die elektrischen Stromkreise selbst keine Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre hervorrufen dürfen (Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“ nach IEC 60079-11). Eine mögliche technische Umsetzung für Sensoren in Zweidraht-Anordnung, die betriebsmäßig durch eine zweiadrige Verbindungsleitung (Zweidraht-Anordnung/Zweileiter-Anordnung) mit einem Steuereingang einer Auswerteeinheit, die auch als Schaltverstärke bezeichnet werden, verbunden sind, wird in IEC 60947-5-6 definiert.Sensors in a two-wire arrangement are often used to reduce risk, particularly in the process industry. This is the case because the systems are often used in potentially explosive areas. With a two-wire arrangement, the normative requirements for electrical, electronic sensor systems in potentially explosive areas can be met relatively easily, especially in circuit arrangements in which the electrical circuits themselves must not cause the ignition of an explosive atmosphere (device protection through intrinsic safety "i" according to IEC 60079- 11). A possible technical implementation for sensors in a two-wire arrangement, which are operationally connected by a two-wire connecting cable (two-wire arrangement/two-wire arrangement) to a control input of an evaluation unit, which is also referred to as a switching amplifier, is described in IEC 60947-5-6 Are defined.

Zum Verständnis der Problematik, die der Erfindung zugrunde liegt und der verwendeten Begrifflichkeiten, die im Bereich der Sicherheitstechnik üblich sind, ist eine ausführliche Beschreibung des Standes der Technik erforderlich.
Es zeigen:

1 Zweidraht-Anordnung mit Sensor mit Auswerteeinheit
2 schematischer Aufbau eines Sicherheitssensors
2a Strom-Schaltzustand Kennlinie
3 schematische Ansicht einer Industrieanlage mit verschiedenen Schutzeinrichtungen
4 schematische Ansicht einer beweglichen trennenden Schutzeinrichtung
5 schematische Ansicht einer Anordnung mit einer Auswerteeinheit, die mit zwei redundanten REED-Kontakte verbunden ist
6 Zweidraht-Sicherheitssensor gemäß Stand der Technik erstes Beispiel
7 Tabelle I Übersicht verschiedene Fehlerfälle
8 Zweidraht-Sicherheitssensor gemäß Stand der Technik zweites Beispiel

In order to understand the problem on which the invention is based and the terms used, which are common in the field of security technology, a detailed description of the prior art is required.
Show it:

1 Two-wire arrangement with sensor with evaluation unit
2 Schematic structure of a safety sensor
2a Current switching state characteristic curve
3 Schematic view of an industrial plant with various protective devices
4 Schematic view of a movable protective device
5 Schematic view of an arrangement with an evaluation unit that is connected to two redundant REED contacts
6 Two-wire safety sensor according to the prior art, first example
7 Table I Overview of various error cases
8th Two-wire safety sensor according to the prior art, second example

1 zeigt schematisch eine Zweidraht-Anordnung mit einem berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitssensor, der mit einer Auswerteeinheit (z. B. Schaltverstärker) verbunden ist, in zwei unterschiedlichen Schaltzuständen SZ1, SZ2, denen verschiedene Impedanzwerte (1 kΩ bzw. 11 kΩ) zugeordnet sind. Im ersten Schaltzustand SZ1 ist der Schalter im Sicherheitssensor geschlossen. Im zweiten Schaltzustand SZ2 ist der Schalter im Sicherheitssensor geöffnet. Der Schalter repräsentiert dabei einen berührungslos arbeitenden Näherungsschalter ganz allgemein (induktiv, kapazitiv, optisch, magnetisch etc.). 1 shows schematically a two-wire arrangement with a non-contact two-wire safety sensor, which is connected to an evaluation unit (e.g. switching amplifier), in two different switching states SZ1, SZ2, to which different impedance values (1 kΩ or 11 kΩ) are assigned. In the first switching state SZ1, the switch in the safety sensor is closed. In the second switching state SZ2, the switch in the safety sensor is open. The switch represents a non-contact proximity switch in general (inductive, capacitive, optical, magnetic, etc.).

In der Auswerteeinheit AWE erfolgt eine Impedanz-Auswertung über die der Schaltzustand SZ1, SZ2 des Sicherheitssensors ermittelt werden kann.In the AWE evaluation unit, an impedance evaluation is carried out via which the switching state SZ1, SZ2 of the safety sensor can be determined.

Die Auswerteeinheit umfasst eine DC-Stromquelle zur Speisung des Steuerstromkreises, der über den Sicherheitssensor führt und der durch die veränderliche Impedanz (Innenwiderstand) des Sicherheitssensors beeinflusst wird.The evaluation unit includes a DC power source for supplying the control circuit, which runs via the safety sensor and which is influenced by the changing impedance (internal resistance) of the safety sensor.

Diese Zweidraht-Anordnung kann dabei in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet werden, wenn sie auch die Anforderungen der Norm IEC 60079-11 erfüllt.This two-wire arrangement can be used in potentially explosive areas if it also meets the requirements of the IEC 60079-11 standard.

Die zur Risikominderung eingesetzten Zweidraht-Anordnungen, wie z.B. SensorSysteme, müssen häufig auch zusätzliche sicherheitstechnische Eigenschaft aufweisen, um nicht nur Gefährdungen durch eine explosionsfähige Atmosphäre zu reduzieren, sondern zeitgleich auch risikomindernde Maßnahmen für Gefährdungen bereitstellen, welche beispielsweise durch die Bewegung von Anlagenteilen, Quetschungen als Folge eines unbeabsichtigten/unerwarteten Anlaufs oder Herausschleudern als Folge eines Bruches, entstehen. Hierzu müssen u.a. zutreffende Normen der Funktionalen Sicherheit angewandt werden wie beispielsweise IEC 61508, IEC 61511, IEC 62061 oder ISO 13849.The two-wire arrangements used to reduce risks, such as sensor systems, often also have to have additional safety-related properties in order not only to reduce hazards caused by an explosive atmosphere, but at the same time to also provide risk-reducing measures for hazards caused, for example, by the movement of system components, crushing, etc as a result of an unintentional/unexpected start-up or ejection as a result of a break. For this purpose, applicable functional safety standards must be applied, such as IEC 61508, IEC 61511, IEC 62061 or ISO 13849.

2 zeigt nochmal den vereinfachten Aufbau eines Sicherheitssensors in Zweidraht-Ausführung. Diese erfüllen in der Regel spezielle Standards, wie z.B. der Norm IEC 60947-5-6. Der Innenwiderstand Z dieser Zweidraht-Sicherheitssensoren kann dabei durch einen schaltbaren Kontakt verändert werden. In dieser Weise aufgebaute Zweidraht- Sicherheitssensoren erfüllen jedoch nicht die einschlägigen Anforderungen im Sinne der Funktionalen Sicherheit, da bei einem fehlerhaften Kontakt (z. B. Kontakt bleibt immer „geschlossen“) eine Änderung des Innenwiderstandes Z nicht mehr möglich ist, bzw. nicht mehr durch eine nachgeschaltete Auswerteeinheit detektiert werden kann. In der Prozess- und Fabrikautomation im Bereich der Funktionalen Sicherheit wird jedoch in Abhängigkeit von der erforderlichen Risikominderung, für beispielsweise die Überwachung der Stellung einer Schutzeinrichtung (z.B. Türe), eine definierte sicherheitstechnische Zuverlässigkeit von einem Zweidraht-Sicherheitssensor erwartet. 2 shows again the simplified structure of a two-wire safety sensor. These usually meet special standards, such as the IEC 60947-5-6 standard. The internal contradiction The position Z of these two-wire safety sensors can be changed using a switchable contact. However, two-wire safety sensors constructed in this way do not meet the relevant requirements in terms of functional safety, since in the event of a faulty contact (e.g. contact always remains “closed”) a change in the internal resistance Z is no longer possible can be detected by a downstream evaluation unit. However, in process and factory automation in the area of functional safety, a defined safety-related reliability is expected from a two-wire safety sensor depending on the required risk reduction, for example for monitoring the position of a protective device (e.g. door).

2a zeigt die möglichen Schaltzustände ,Ein` bzw. ,Aus' in Abhängigkeit des Stromwertes. 2a shows the possible switching states 'on' or 'off' depending on the current value.

Die Strom-Spannungslinie U(I) sollte innerhalb des nach IEC 60947-5-6 festgelegten Bereichs liegen. Über 2,1 mA ist der Schalter im ,Ein`-Zustand. Unterhalb 1,2 mA im ,Aus'-Zustand. Der Ansprechbereich für die Änderung des Schaltzustandes liegt zwischen 1,2 und 2,1 mA.The current-voltage line U(I) should be within the range specified in IEC 60947-5-6. Above 2.1 mA the switch is in the 'on' state. Below 1.2 mA in 'off' state. The response range for changing the switching state is between 1.2 and 2.1 mA.

Der Schaltzustand ,Aus` (IEC 60947-5-6 auch „Sperrend“ genannt) liegt zwischen 0,35 mA und 1,2 mA. Der Schaltzustand ,Ein` (IEC 60947-5-6 auch „Leitend“ genannt) liegt über 2,1 mA.The switching state “Off” (IEC 60947-5-6 also called “blocking”) is between 0.35 mA and 1.2 mA. The switching state “On” (IEC 60947-5-6 also called “Conductive”) is above 2.1 mA.

Insbesondere in Anlagen, die ein Gefährdungspotenzial für Menschen darstellen, werden Verriegelungseinrichtungen in Verbindung mit beweglichen, trennenden Schutzeinrichtungen eingesetzt (3). Verriegelungseinrichtungen sind Einrichtungen, die eine Schutzstellung (Position) einer trennenden Schutzeinrichtung überwachen und den Betrieb einer gefahrbringenden Anlagen- oder Maschinenfunktion verhindern, wenn die Schutzeinrichtung sich nicht in der vorgesehenen Schutzstellung (z.B. Türe geschlossen), befindet.Particularly in systems that pose a potential risk to people, locking devices are used in conjunction with movable, separating protective devices ( 3 ). Interlocking devices are devices that monitor a protective position (position) of a separating protective device and prevent the operation of a dangerous system or machine function if the protective device is not in the intended protective position (e.g. door closed).

Eine bewegliche trennende Verriegelungseinrichtung (4) besteht beispielsweise aus einer Türe, einem Betätiger ,M' und einem sicherheitsbezogenen Sensor ,S'. Zur Realisierung von elektrischen, elektronischen Verriegelungseinrichtungen werden oftmals sicherheitsbezogene Sensoren eingesetzt, um beispielsweise die Schutzstellung von Türen einer trennenden Schutzeinrichtung in einer Anlage zu überwachen. Bei den sicherheitsbezogenen Sensoren kann es sich beispielsweise um induktive-, magnetische-, RFID- Sicherheitssensoren oder um Sicherheitssensoren mit anderen Technologien handeln.A movable separating locking device ( 4 ) consists, for example, of a door, an actuator 'M' and a safety-related sensor 'S'. To implement electrical, electronic locking devices, safety-related sensors are often used, for example to monitor the protective position of doors of a separating protective device in a system. The safety-related sensors can be, for example, inductive, magnetic, RFID safety sensors or safety sensors with other technologies.

Ein verbreiteter Ansatz bei der Gestaltung sicherheitsbezogener (Sensor-) Systeme, insbesondere bei Verriegelungseinrichtungen, besteht darin, Einrichtungen mit potenzialfreien Kontakten (z.B. magnetische Sicherheitssensoren mit REED-Kontakten) zu schalten. Bei Verriegelungseinrichtungen existieren unterschiedliche Bauarten, welche in ISO 14119 ausführlich beschrieben sind. Die REED-Kontakte werden meist redundant ausgeführt, um eine sicherheitstechnische Zuverlässigkeit zu erreichen. Durch eine nachgeschaltete Auswertung können der Zustand und mögliche Fehler durch geeignete Diagnosemaßnahmen erkannt und entsprechend behandelt werden (5).A common approach when designing safety-related (sensor) systems, especially locking devices, is to switch devices with potential-free contacts (e.g. magnetic safety sensors with REED contacts). There are different types of locking devices, which are described in detail in ISO 14119. The REED contacts are usually designed redundantly in order to achieve safety-related reliability. Through a downstream evaluation, the condition and possible errors can be identified using suitable diagnostic measures and treated accordingly ( 5 ).

5 zeigt zwei redundante REED-Kontakte, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind und mit einem Magnet gemeinsam betätigt werden können. 5 shows two redundant REED contacts that are connected to an evaluation unit and can be operated together with a magnet.

Durch diese Maßnahmen wird die sicherheitstechnische Zuverlässigkeit vergrößert und die Systeme sind geeignet Gefährdungen z.B. bei beweglichen, trennenden Schutzeinrichtungen zu reduzieren.These measures increase safety reliability and the systems are suitable for reducing risks, for example with movable, separating protective devices.

Bei Zweidraht-Sicherheitssensoren bzw. Signalgeber mit einem einfachen Aufbau entsprechend 2 führt bereits ein einzelner Fehler (beispielsweise die Veränderung eines Widerstandswertes, oder das „Nicht-Öffnen“ bzw. „Nicht-Schließen“ eines Kontaktes) dazu, dass der tatsächliche Zustand der Zweidraht-Anordnung, nicht mehr erkannt bzw. diagnostiziert werden kann, und somit die risikomindernde Maßnahme (Schutzwirkung) verloren geht. Es sind aktuell keine Zweidraht-Sicherheitssensoren mit Kontakten bekannt, welche ein Mindestmaß an sicherheitstechnischer Zuverlässigkeit bieten, entsprechend den einschlägigen Sicherheitsnormen.This applies accordingly to two-wire safety sensors or signal transmitters with a simple structure 2 Even a single error (e.g. a change in a resistance value, or a contact not opening or closing) means that the actual state of the two-wire arrangement can no longer be recognized or diagnosed, and The risk-reducing measure (protective effect) is therefore lost. There are currently no known two-wire safety sensors with contacts that offer a minimum level of safety-related reliability in accordance with the relevant safety standards.

Aus der EP 3116012 A1 ist ein berührungslos arbeitender Zweidraht-Sicherheitssensor bekannt (6), der zur Überwachung des Schließzustands einer Tür z. B. einer Fahrstuhltür dient. Als Betätiger des Sicherheitssensors sind zwei Magnete vorgesehen, die auf zwei REED-Kontakte als Schaltelemente einwirken. Die Auswerteeinheit ist nicht dargestellt.From the EP 3116012 A1 A non-contact two-wire safety sensor is known ( 6 ), which is used to monitor the closing status of a door, e.g. B. serves as an elevator door. Two magnets are provided as actuators of the safety sensor and act as switching elements on two REED contacts. The evaluation unit is not shown.

Die beiden REED-Kontakte sind in einer Brückenschaltung angeordnet, die zwei Zweige aufweist, wobei zwei Widerstände in Reihe und die beiden REED-Kontakte parallel dazu ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Die Fahrstuhltür darf nur dann öffnen, wenn beide REED-Kontakte geschlossen sind und damit der Freigabezustand signalisiert wird. In jedem anderen Fall muss das Öffnen der Fahrstuhltür unterbunden werden.The two REED contacts are arranged in a bridge circuit that has two branches, with two resistors in series and the two REED contacts also connected in series in parallel. The elevator door may only open if both REED contacts are closed, thereby signaling the release status. In any other case, the elevator door must be prevented from opening.

Durch einen Kurzschluss in den beiden Zuleitungen würde bei diesem Sicherheitssensor dem Signalempfänger z. B. einer Auswerteeinheit für Sicherheitssensoren eine Freigabe signalisiert, obwohl die beiden REED-Kontakte nicht geschlossen sind.With this safety sensor, a short circuit in the two supply lines would damage the signal receiver, for example. B. an evaluation unit for safety sensors signals a release even though the two REED contacts are not closed.

Um diesen Fehlerfall zu berücksichtigen werden gemäß dem NAMUR-Standard zusätzlich zu den Fällen „Kontakt offen“ (= ,Sperrend`), „Kontakt geschlossen“ (= ‚Leitend') noch der Kurzschluss-Fall und der Leitungsbruch-Fall speziell berücksichtigt (siehe Tabelle I). Dadurch kann ein Fail-safe System realisiert werden, das im Fehlerfall immer in den sicheren Zustand geht.In order to take this error case into account, according to the NAMUR standard, in addition to the cases “contact open” (= “blocking”), “contact closed” (= “conducting”), the short-circuit case and the line break case are also specifically taken into account (see Table I). This allows a fail-safe system to be implemented that always switches to a safe state in the event of an error.

Der Ansprechbereich für eine Änderung des Schaltzustands liegt bei einem NAMUR-Sensor entsprechend dem Widerstandswert zwischen 1,2 und 2,1 mA.The response range for a change in the switching state for a NAMUR sensor is between 1.2 and 2.1 mA, depending on the resistance value.

Durch die redundante Anordnung von zwei REED-Kontakten wird das Sicherheitslevel zwar erhöht, aber es können verschiedene Fehlerfälle auftreten, die einen Widerstandswert generieren, der nicht eindeutig zugeordnet werden kann. Dies wäre z. B. dann der Fall, wenn einer der beiden Kontakte nicht mehr gelöst werden kann. In diesem Fall läge der Stromwerte im Ansprechbereich und könnte nicht eindeutig zugeordnet werden. Dieser Fall müsste in der Auswerteeinheit separat berücksichtigt werden.The redundant arrangement of two REED contacts increases the safety level, but various errors can occur that generate a resistance value that cannot be clearly assigned. This would be e.g. This is the case, for example, when one of the two contacts can no longer be released. In this case, the current value would be in the response range and could not be clearly assigned. This case would have to be taken into account separately in the evaluation unit.

Aus der DE202009001474U1 ist ein weiterer berührungslos arbeitender Sicherheitssensor in Zweidraht-Technologie bekannt (7). Hier sind die beiden REED-Kontakte, die allgemein als Näherungssensoren bezeichnet werden, parallel mit jeweils zwei Widerständen geschaltet.From the DE202009001474U1 Another non-contact safety sensor using two-wire technology is known ( 7 ). Here the two REED contacts, commonly referred to as proximity sensors, are connected in parallel with two resistors each.

Mit dieser Schaltungsanordnung kann sowohl ein Leitungsbruch wie auch ein Kurzschluss sicher erkannt werden.With this circuit arrangement, both a line break and a short circuit can be reliably detected.

Wenn bei einer Fehlfunktion einer der beiden REED-Kontakte jedoch „klemmt“ d. h. sich nicht mehr lösen kann, dann kann dieser Fehler von der Auswerteinheit nicht eindeutig von einem regulären Schaltzustand unterschieden werden. Es kommt also zur Fehlschaltung.However, if one of the two REED contacts is “stuck” due to a malfunction, i.e. H. can no longer be solved, then the evaluation unit cannot clearly distinguish this error from a regular switching state. So there is a malfunction.

Beispiel: R1 = 1 kΩ; R2 = 10kΩ entsprechend IEC 60947-5-6 Wenn in dieser Konfiguration R1 nicht mehr öffnen kann, ist die resultierenden Gesamtimpedanz von R1||R2 = 910Ω nicht eindeutig vom Zustand Leitend (1 kΩ) unterscheidbar.Example: R1 = 1 kΩ; R2 = 10kΩ according to IEC 60947-5-6 If R1 can no longer open in this configuration, the resulting total impedance of R1||R2 = 910Ω cannot be clearly distinguished from the conducting state (1 kΩ).

Aufgabe der Erfindung ist es einen berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitsschalter anzugeben, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist, der im Sinne der Sicherheitstechnik ein höhere Sicherheitsniveau aufweist und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.The object of the invention is to provide a non-contact two-wire safety switch which does not have the disadvantages mentioned above, which has a higher level of safety in terms of safety technology and which can be produced easily and inexpensively.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, bei einem berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitsschalter Wechselkontakte vorzusehen, welcher von einer definierten DC-Stromquelle einer sicherheitsbezogenen Auswerteeinheit (z.B. NAMUR-Schaltverstärker) versorgt wird, und einen veränderlichen Innenwiderstand Z aufweist. Der Innenwiderstand Z wird dabei durch eine externe physikalische Größe (z.B. Magnetfeld) zwischen den definierten Zuständen „Sperrend“ und „Leitend“ verändert, wodurch die sicherheitsbezogene Auswerteeinheit (z.B. NAMUR-Schaltverstärker) einen Zustandswechsel über den Strom durch den Zweidraht-Sicherheitssensor erkennen kann. Der Strom durch den Zweidraht-Sicherheitssensor im Zustand „Sperrend“ liegt dabei beispielsweise entsprechend IEC 60947-5-6 bei kleiner 1,2 mA und der für „Leitend“ über 2,1 mA. Der sicherheitsbezogene Zustand „Sperrend“ des Zweidraht-Sicherheitssensors kann dabei sicher, entsprechend einem geforderten Sicherheitsniveau nach einschlägigem Sicherheitsstandard (wie z.B. IEC 62061 oder ISO 13849) durch die sicherheitsbezogene Auswerteeinheit erkannt werden.The main idea of the invention is to provide changeover contacts in a non-contact two-wire safety switch, which is supplied by a defined DC current source of a safety-related evaluation unit (e.g. NAMUR switching amplifier) and has a variable internal resistance Z. The internal resistance Z is changed between the defined states “blocking” and “conducting” by an external physical quantity (e.g. magnetic field), which means that the safety-related evaluation unit (e.g. NAMUR switching amplifier) can detect a change in state via the current through the two-wire safety sensor. For example, in accordance with IEC 60947-5-6, the current through the two-wire safety sensor in the “blocking” state is less than 1.2 mA and the current for “conductive” is over 2.1 mA. The safety-related “blocking” state of the two-wire safety sensor can be safely recognized by the safety-related evaluation unit in accordance with a required safety level according to the relevant safety standard (such as IEC 62061 or ISO 13849).

Einzelfehler wie z.B. Leitungsbruch oder Leitungskurzschluss oder Fehler einzelner Bauteile können zuverlässig erkannt werden, und sicher von einem regulären Schaltzustand unterschieden werden.Individual errors such as line breaks or short circuits or errors in individual components can be reliably detected and reliably distinguished from a regular switching state.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing.

Es zeigen:

9 Prinzipdarstellung berührungslos arbeitender Zweidraht-Sicherheitssensor
10 erfindungsgemäßen berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitssensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
11 erfindungsgemäßen berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitssensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
12 erfindungsgemäßen berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitssensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
13 Strom-Spannungs-Kennlinie mit Norm-Zuständen

Show it:

9 Principle representation of a non-contact two-wire safety sensor
10 Non-contact two-wire safety sensor according to the invention according to a first exemplary embodiment
11 Non-contact two-wire safety sensor according to the invention according to a second exemplary embodiment
12 Non-contact two-wire safety sensor according to the invention according to a third exemplary embodiment
13 Current-voltage characteristic curve with standard states

9 zeigt ein Prinzipdarstellung eines einfachen berührungslos arbeitenden Zweidraht-Sicherheitssensors (Namur-Sensor) 2, der mit einer Auswerteeinheit AWE über eine Zweidrahtleitung verbunden ist. In der Auswerteeinheit AWE erfolgt eine Impedanzauswertung am Widerstand R über eine Komparatorschaltung, die am Ausgang des Komparators ein Schaltsignal generiert. Der Sicherheitssensor 2 detektiert ein bewegliches Target 1, das sich im Ex-Schutzbereich befindet. Die Auswerteeinheit AWE ist im nicht gefährdeten Bereich angeordnet. Beim Einsatz des Sicherheitssensors 2 in EX-Schutzbereichen, muss die Auswerteeinheit AWE besondere Zulassungskriterien erfüllen. Hierfür sind eigensichere Steuerstromkreise in der Auswerteeinheit AWE erforderlich. Auswerteeinheiten, die diese besonderen Kriterien erfüllen, werden oft auch als Schaltverstärker bzw. Trennschaltverstärker bezeichnet. 9 shows a schematic diagram of a simple non-contact two-wire safety sensor (Namur sensor) 2, which is connected to an AWE evaluation unit via a two-wire cable connected is. In the AWE evaluation unit, an impedance evaluation is carried out on the resistor R via a comparator circuit, which generates a switching signal at the output of the comparator. The safety sensor 2 detects a moving target 1 that is located in the explosion protection area. The AWE evaluation unit is located in the non-hazardous area. When using the safety sensor 2 in EX protected areas, the AWE evaluation unit must meet special approval criteria. This requires intrinsically safe control circuits in the AWE evaluation unit. Evaluation units that meet these special criteria are often referred to as switching amplifiers or isolating switching amplifiers.

10 zeigt einen erfindungsgemäßen berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitssensor 2, der mit einer Auswerteeinheit AWE zur Impedanzauswertung verbunden ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel 10 shows a non-contact two-wire safety sensor 2 according to the invention, which is connected to an evaluation unit AWE for impedance evaluation, according to a first exemplary embodiment

In dem Sicherheitssensor sind zwei Schaltelemente S1, S2 vorgesehen, die von einem gemeinsamen Betätiger (Target), beeinflussbar sind.Two switching elements S1, S2 are provided in the safety sensor, which can be influenced by a common actuator (target).

Der Sicherheitssensor weist eine Brückenschaltung in H-Form, mit einem Hochpunkt N+ und einem Tiefpunkt N-., auf. Sie wird über einen Zweidrahtanschluss ZDA, der zur Auswerteeinheit AWE führt, von dieser versorgt. Der Sicherheitssensor ist damit völlig passiv.The safety sensor has an H-shaped bridge circuit with a high point N+ and a low point N-. It is supplied via a two-wire connection ZDA, which leads to the AWE evaluation unit. The safety sensor is therefore completely passive.

Üblicherweise ist der Betätiger an einem beweglichen Teil einer Sicherheitseinrichtung z. B. einer Schutztür angeordnet, die den Zugang zu einem gefährlichen Anlageteil abriegeltThe actuator is usually on a movable part of a safety device, e.g. B. arranged a protective door that seals off access to a dangerous part of the system

Die H-förmige Brückenschaltung weist zwei längsseitige Brückenzweige LBZ, RBZ und einen Brückenquerzweig BQ, der je nach Schalterstellung der Schaltelemente S1, S2 verschiedene Abschnitte des linken Brückenzweigs LBZ und des rechten Brückenzweigs RBZ miteinander verbindet, auf.The H-shaped bridge circuit has two longitudinal bridge branches LBZ, RBZ and a bridge cross branch BQ, which, depending on the switch position of the switching elements S1, S2, connects different sections of the left bridge branch LBZ and the right bridge branch RBZ.

Die beiden Brückenzweige LBZ, RBZ sind jeweils an einem Wechselkontaktpunkt K unterbrochen. Dadurch werden zwei obere Halbbrückenzweige HBZ1, HBZ2 und zwei untere Halbbrückenzweige HBZ3, HBZ4, die jeweils voneinander getrennt sind, gebildet. An den beiden Kontaktpunkten K1, K2 sind jeweils Wechselschalter S1, S2, die als Schaltelemente ausgebildete sind, angeordnet.The two bridge branches LBZ, RBZ are each interrupted at a changeover contact point K. This creates two upper half-bridge branches HBZ1, HBZ2 and two lower half-bridge branches HBZ3, HBZ4, each of which is separated from one another. Changeover switches S1, S2, which are designed as switching elements, are arranged at the two contact points K1, K2.

Die Basisanschlusspunkte der beiden Schaltelemente S1, S2 sind über den Brückenquerzweig BQ miteinander verbunden. Sie sind so angeordnet, dass sie unabhängig vom Schaltzustand keine leitende Verbindung zwischen den jeweiligen Halbbrückenzweige HBZ1, HBZ2 bzw. HBZ3, HBZ4 generieren können.The basic connection points of the two switching elements S1, S2 are connected to one another via the bridge cross branch BQ. They are arranged in such a way that they cannot generate a conductive connection between the respective half-bridge branches HBZ1, HBZ2 or HBZ3, HBZ4, regardless of the switching state.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den beiden oberen Halbbrückenzweigen HBZ1, HBZ2 unterschiedlich große Widerstände R1=10 kΩ bzw. R2=1 kΩ vorgesehen, die unterschiedliche Impedanzwerte für die Auswerteeinheit darstellen.In the exemplary embodiment shown, resistors of different sizes R1=10 kΩ and R2=1 kΩ are provided in the two upper half-bridge branches HBZ1, HBZ2, which represent different impedance values for the evaluation unit.

Im Normalfunktionsfall des Sicherheitssensors 2 wird dadurch der Schaltzustand des Sicherheitssensors 2 durch zwei unterschiedliche Impedanzwerte repräsentiert.When the safety sensor 2 is functioning normally, the switching state of the safety sensor 2 is represented by two different impedance values.

In der Zeichnung dargestellt ist ein erster Schaltzustand SZ1. In diesem Schaltzustand wird mittels der Schaltelemente S1, S2 eine erste leitende Verbindung V1 zwischen dem Hochpunkt N+ und dem Tiefpunkt N- über die Halbbrückenzweig HBZ2 und HBZ3 geschaltet.A first switching state SZ1 is shown in the drawing. In this switching state, a first conductive connection V1 is switched between the high point N+ and the low point N- via the half-bridge branches HBZ2 and HBZ3 by means of the switching elements S1, S2.

In einem in der Zeichnung nicht dargestellten Fall wird in einem zweiten Schaltzustand SZ2 mittels der Schaltelemente S1, S2 eine zweite leitende Verbindung V2 zwischen dem Hochpunkt N+ und dem Tiefpunkt N- über die Halbbrückenzweig HBZ1 und HBZ4 geschaltet.In a case not shown in the drawing, in a second switching state SZ2, a second conductive connection V2 is switched between the high point N+ and the low point N- via the half-bridge branches HBZ1 and HBZ4 by means of the switching elements S1, S2.

Wie bereits erwähnt, weisen die beiden leitenden Verbindungen V1, V2 unterschiedliche Impedanzwerte Z1, Z2 auf.As already mentioned, the two conductive connections V1, V2 have different impedance values Z1, Z2.

11 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 10 mit zwei kleinen Änderungen. Hier sind zusätzlich in den Halbbrückenzweigen HBZ3 und HBZ4 unterschiedlich große Widerstände R6=500 Ω bzw. R4=5 kΩ vorgesehen. Außerdem wurden die Widerstände R1=10 kΩ bzw. R2=1 kΩ gegen die Widerstände R3=5 kΩ bzw. R5= 500 Ω ausgetauscht. Je nach Stellung der Schaltelemente S1, S2 wird eine Gesamtimpedanz von entweder 1 kΩ bzw. 10 kΩ generiert. 11 shows a modification of the exemplary embodiment 10 with two small changes. Here, resistors of different sizes R6=500 Ω and R4=5 kΩ are also provided in the half-bridge branches HBZ3 and HBZ4. In addition, the resistors R1=10 kΩ and R2=1 kΩ were replaced with the resistors R3=5 kΩ and R5= 500 Ω. Depending on the position of the switching elements S1, S2, a total impedance of either 1 kΩ or 10 kΩ is generated.

12 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 10 mit zwei kleinen Änderungen. Hier sind zusätzlich in den Halbbrückenzweigen HBZ3 und HBZ4 zusätzliche Schaltelemente S3 oder S4 angeordnet, die mit der gleichen physikalischen Größe mit den Schaltelemente S1, S2 gesteuert werden, da sie vom selben Betätiger 1 betätigt werden. 12 shows a modification of the exemplary embodiment 10 with two small changes. Here, additional switching elements S3 or S4 are arranged in the half-bridge branches HBZ3 and HBZ4, which are controlled with the same physical size as the switching elements S1, S2, since they are actuated by the same actuator 1.

Gemäß der Erfindung sind, je nach Definition der angestrebten Sicherheitsfunktion die zusätzlichen Schalter S3 und S4 nicht zwingend beide notwendig, sondern wahlweise S3 oder S4, oder beide.According to the invention, depending on the definition of the desired safety function, the additional switches S3 and S4 are not necessarily both necessary, but either S3 or S4, or both.

13 zeigt für eine im Diagramm eingeblendete Zweidraht-Schaltungsanordnung im Strom-Spannungsdiagramm die in der Norm IEC 60947-5-6 spezifizierten Zustände und verschiedenen Fehlerfälle. Die beiden Normalzustände sind der Zustand ,Sperrend` bzw. ,Leitend`. 13 shows the current-voltage diagram in the IEC standard for a two-wire circuit arrangement shown in the diagram 60947-5-6 specified states and various error cases. The two normal states are the “blocking” and “conducting” states respectively.

Die anderen Bereiche sind die Fehlerfälle Leitungsbruch B bzw. Kurzschluss D und E, sowie der nicht eindeutig zuordenbare Übergangsbereich A zwischen ‚Leitend' und ,Sperrend`.The other areas are the fault cases of line break B or short circuit D and E, as well as the transition area A between 'conducting' and 'blocking', which cannot be clearly assigned.

Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert.The function of the invention is explained in more detail below.

Die vorliegenden Ausführungsbeispiele zeigen jeweils einen berührungslos arbeitenden Zweidraht Sicherheitssensor, mit dem eine Schutzeinrichtung zur Risikominderung überwacht werden kann.The present exemplary embodiments each show a non-contact two-wire safety sensor with which a protective device can be monitored to reduce risk.

Im Sicherheitssensor sind mindesten zwei als Wechselkontakte ausgebildete Schaltelemente S1, S2 vorgesehen. Diese redundant vorhandenen Schaltelemente sind wesentlich für die Risikominderung (Sicherheitsniveau - Funktionale Sicherheit).At least two switching elements S1, S2 designed as changeover contacts are provided in the safety sensor. These redundant switching elements are essential for risk reduction (safety level - functional safety).

Der Sicherheitssensor wird von einer DC-Stromquelle, die sich in der sicherheitsbezogenen Auswerteeinheit AWE (z.B. NAMUR-Schaltverstärker) befindet, versorgt.The safety sensor is supplied by a DC power source located in the safety-related evaluation unit AWE (e.g. NAMUR switching amplifier).

Die Stellung der Schaltelemente S1, S2 (Wechselkontakte) wird dabei durch mindestens eine physikalische Eigenschaft des Targets beeinflusst. Bei einem REED-Schalter erfolgt die Beeinflussung durch das Target-Magnetfeld. Ein induktiver Näherungsschalter wird z. B. durch die im Target generierten Wirbelströme beeinflusst.The position of the switching elements S1, S2 (changeover contacts) is influenced by at least one physical property of the target. With a REED switch, the influence is caused by the target magnetic field. An inductive proximity switch is z. B. influenced by the eddy currents generated in the target.

Bei einer Änderung der physikalischen Größe werden, entsprechend der dargestellten Zweidraht-Schaltungsanordnung des Sicherheitssensors, entweder der Innenwiderstand Z1 oder der Innenwiderstand Z2 der sicherheitsbezogenen Auswerteeinheit (Schaltverstärker) an den Klemmen N+ und N- präsentiert und von dieser sicherheitsbezogen ausgewertet. Der Innenwiderstand Z1 wird entsprechend 10 durch R1 gebildet (Stellung S der Wechselkontakte S1 und S2). Werden durch eine physikalische Größe beide Wechselkontakte zum Umschalten bewegt (Schalterstellung L), wird der Innenwiderstand Z2, gebildet durch R2, an den Klemmen N+ und N- präsentiert. Werden die Innenwiderstände Z1 und Z2 beispielsweise entsprechend den Vorgaben der IEC 60947-5-6 (NAMUR) dimensioniert (R1 =1 0kQ; R2=1 kΩ), wie in 10 ausgeführt, kann eine sicherheitsbezogene, externe Auswertung der Innenwiderstände der Zweileiter-Anordnung erfolgen. Bei möglichen Fehlern, beispielsweise der Wechselkontakte S1 oder S2 (z.B. mechanischer Bruch eines Kontaktes oder Kontakt bleibt geschlossen), bleibt entweder die sicherheitsbezogene Funktion immer erhalten oder ein unzulässiger, durch die sicherheitsbezogene Auswerteeinheit AWE diagnostizierbarer Wert des Innenwiderstandes Z der Zweidraht-Schaltungsanordnung wird erkannt. Die sicherheitsbezogene Auswerteeinheit AWE (Schaltverstärker) in 10 muss im Falle eines detektierbaren Fehlers einen als sicher definierten Zustand einnehmen. Da die möglichen (Einzel-) Fehler der Bauteile dieser Zweidraht-Schaltungsanordnung entweder keinen Einfluss auf die sicherheitsbezogene Funktion haben, oder diagnostiziert werden können, wird mit dieser Schaltungsanordnung ein Einsatz im Bereich der Funktionalen Sicherheit möglich.If the physical quantity changes, in accordance with the two-wire circuit arrangement of the safety sensor shown, either the internal resistance Z1 or the internal resistance Z2 is presented to the safety-related evaluation unit (switching amplifier) at the terminals N+ and N- and evaluated by it in a safety-related manner. The internal resistance Z1 becomes accordingly 10 formed by R1 (position S of the changeover contacts S1 and S2). If both changeover contacts are moved to switch by a physical quantity (switch position L), the internal resistance Z2, formed by R2, is presented at the terminals N+ and N-. For example, the internal resistances Z1 and Z2 are dimensioned according to the specifications of IEC 60947-5-6 (NAMUR) (R1 =1 0kQ; R2=1 kΩ), as in 10 carried out, a safety-related, external evaluation of the internal resistance of the two-wire arrangement can be carried out. In the event of possible errors, for example in the changeover contacts S1 or S2 (e.g. mechanical breakage of a contact or contact remains closed), either the safety-related function is always maintained or an inadmissible value of the internal resistance Z of the two-wire circuit arrangement, which can be diagnosed by the safety-related evaluation unit AWE, is detected. The safety-related evaluation unit AWE (switching amplifier) in 10 must assume a state defined as safe in the event of a detectable error. Since the possible (individual) errors in the components of this two-wire circuit arrangement either have no influence on the safety-related function or can be diagnosed, this circuit arrangement makes it possible to use it in the area of functional safety.

Optional kann durch Auswertung der Stromrichtung in dem Brückenzweig zwischen den Schaltelementen S1 und S2 eine Schaltzustandsanzeige AZ in Form einer Doppeldiode (LED) integriert werden (10).Optionally, by evaluating the current direction in the bridge branch between the switching elements S1 and S2, a switching status display AZ can be integrated in the form of a double diode (LED) ( 10 ).

Wie bereits beschrieben sind in dem Ausführungsbeispiel nach 11 in allen vier Halbbrückenzweigen HBZ1, HBZ2, HBZ3 und HBZ4 Widerstände angeordnet. Der Widerstand R1 im linken Brückenzweig LBZ entsprechend 11 im ersten Ausführungsbeispiel wird dabei in die Widerstände R3 und R4 aufgeteilt. R3 ist dem oberen Halbbrückenzweig HBZ1 und Widerstand R4 dem unteren Halbbrückenzweig HBZ4 zugeordnet. Der Widerstand R2 im rechten Brückenzweig RBZ entsprechend 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel in die Widerstände R5 und R6 aufgeteilt. R5 ist dem oberen Halbbrückenzweig HBZ2 und Widerstand R6 dem unteren Halbbrückenzweig HBZ3 zugeordnet. Die einzelnen Widerstände R3, R4, R5 und R6 können dabei durch eine Reihenschaltung und Parallelschaltung von weiteren Widerständen realisiert sein. Die Summe der Impedanz von R3 und R4 ergibt dabei den Impedanzwert von R1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (10). Die Summe der Impedanz von R5 und R6 ergibt den Impedanzwert von R2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (10). Die Zuordnung der Widerstände kann auch gespiegelt sein. Die Schaltelemente S1, S2 sind ebenfalls durch eine gemeinsame physikalische Größe z. B. Magnetfeld beeinflussbar. Diese stellen wieder eine Kreuzverbindung zwischen jeweils einem oberen Halbbrückenzweig HBZ1, HBZ2 und einem unteren Halbbrückenzweig HBZ3, HBZ4 entsprechend 11 her. Der Vorteil dieses erweiterten (zweiten) Ausführungsbeispiels liegt in der Tatsache begründet, dass der prozentuale Anteil sicherer Bauteilefehler gesteigert werden kann, bei welchen entweder die sicherheitsbezogene Funktion immer erhalten bleibt oder ein unzulässiger, durch die sicherheitsbezogene Auswerteeinheit diagnostizierbarer, Wert des Innenwiderstandes Z der Zweidraht-Schaltungsanordnung erkannt wird. Im Sinne der Funktionalen Sicherheit wird bei diesem Ausführungsbeispiel die u.a. geforderte Metrik des relativen Anteils von „sicheren Fehlern“ erhöht. „Sichere Fehler“ im Sinne einschlägiger Sicherheitsnormen sind dabei Fehler, bei welchen die sicherheitsbezogene Funktion im Fehlerfall (z.B. bei Bauteilefehlern) erhalten bleibt oder innerhalb einer definierten Prozess-Sicherheitszeit einer Anlage oder Maschine erkannt (diagnostiziert) werden. Die sicherheitsbezogene Auswerteeinheit (Schaltverstärker) muss im Falle eines detektierbaren (Bauteile-) Fehlers den als sicher definierten Zustand innerhalb der definierten Prozess-Sicherheitszeit einnehmen.As already described, in the exemplary embodiment 11 Resistors arranged in all four half-bridge branches HBZ1, HBZ2, HBZ3 and HBZ4. The resistor R1 in the left bridge branch LBZ corresponds accordingly 11 In the first exemplary embodiment, it is divided into the resistors R3 and R4. R3 is assigned to the upper half-bridge branch HBZ1 and resistor R4 to the lower half-bridge branch HBZ4. The resistor R2 in the right bridge branch RBZ accordingly 10 is divided into resistors R5 and R6 in this exemplary embodiment. R5 is assigned to the upper half-bridge branch HBZ2 and resistor R6 to the lower half-bridge branch HBZ3. The individual resistors R3, R4, R5 and R6 can be implemented by connecting additional resistors in series and in parallel. The sum of the impedance of R3 and R4 results in the impedance value of R1 according to the first exemplary embodiment ( 10 ). The sum of the impedance of R5 and R6 gives the impedance value of R2 according to the first embodiment ( 10 ). The assignment of the resistors can also be mirrored. The switching elements S1, S2 are also characterized by a common physical quantity, e.g. B. Magnetic field can be influenced. These again provide a cross connection between an upper half-bridge branch HBZ1, HBZ2 and a lower half-bridge branch HBZ3, HBZ4 accordingly 11 here. The advantage of this extended (second) exemplary embodiment lies in the fact that the percentage of safe component errors can be increased, in which either the safety-related function is always maintained or an impermissible value of the internal resistance Z of the two-wire cable can be diagnosed by the safety-related evaluation unit. Circuit arrangement is recognized. In the sense of functional safety, in this exemplary embodiment the metric required, among other things, of the relative proportion of “safe errors” increased. “Safe errors” in the sense of relevant safety standards are errors in which the safety-related function is retained in the event of an error (e.g. component errors) or is detected (diagnosed) within a defined process safety time of a system or machine. In the event of a detectable (component) error, the safety-related evaluation unit (switching amplifier) must assume the state defined as safe within the defined process safety time.

Optional kann durch Auswertung der Stromrichtung in dem Brückenquerzweig BQ zwischen den Schaltelementen S1 und S2 eine Schaltzustandsanzeige integriert werden.Optionally, a switching status display can be integrated by evaluating the current direction in the bridge cross branch BQ between the switching elements S1 and S2.

Die Schaltungsanordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiels (12) wird um mindestens einen weiteren Öffner-Kontakt S3 oder Öffner-Kontakt S4 in einem Halbbrückenzweig erweitert (12). Der Öffner-Kontakt S3 kann dem linken Brückenzweig LBZ und der Öffner-Kontakt S4 dem rechten Brückenzweig RBZ zugeordnet werden, welche durch dieselbe physikalische Größe wie die Schaltelemente S1, S2 beeinflussbar sind. Der Öffner-Kontakt S3 und der Öffner-Kontakt S4 kann auch gleichzeitig in der Zweidraht-Schaltungsanordnung vorhanden sein. Die Widerstände R1 und R2 können ebenfalls entsprechend dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels aufgeteilt sein.The circuit arrangement according to the third exemplary embodiment ( 12 ) is expanded by at least one additional normally closed contact S3 or normally closed contact S4 in a half-bridge branch ( 12 ). The normally closed contact S3 can be assigned to the left bridge branch LBZ and the normally closed contact S4 to the right bridge branch RBZ, which can be influenced by the same physical quantity as the switching elements S1, S2. The normally closed contact S3 and the normally closed contact S4 can also be present simultaneously in the two-wire circuit arrangement. The resistors R1 and R2 can also be divided according to the second exemplary embodiment according to the invention.

Dieses dritte Ausführungsbeispiels der Zweidraht-Schaltungsanordnung unterscheidet sich von den bisher aufgeführten hinsichtlich der sicherheitstechnischen Zuverlässigkeit in der Weise, dass die Schaltung ,Einfehlersicher` ist, d.h. ein Fehler führt nicht zum Verlust der sicherheitsbezogenen Funktion, bei beispielsweise einer Auslegung entsprechend IEC 60947-5-6. Mit diesem Verhalten der Zweidraht-Schaltungsanordnung wird u.a. ein wichtiger Basisparameter hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber Fehlern erfüllt. In der Norm ISO 13849-1 „Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze“ wird dieser Basisparameter als Kategorie bezeichnet.This third exemplary embodiment of the two-wire circuit arrangement differs from those listed previously with regard to safety-related reliability in that the circuit is "single-fault-proof", i.e. a fault does not lead to the loss of the safety-related function, for example with a design in accordance with IEC 60947-5- 6. With this behavior of the two-wire circuit arrangement, among other things, an important basic parameter with regard to resistance to errors is met. In the standard ISO 13849-1 “Safety of machines - Safety-related parts of controls Part 1: General design principles” this basic parameter is referred to as a category.

Entsprechend den Normen IEC 62061 bzw. IEC 61508 kann diese sicherheitstechnische Eigenschaft der Zweidraht-Schaltungsanordnung mit Hilfe des Begriffes Hardware-Fehlertoleranz (HFT) beschrieben werden. Der Begriff Hardware-Fehlertoleranz beschreibt dabei die Eigenschaft der Zweidraht-Schaltungsanordnung, die sicherheitsbezogene Funktion bei mindestens N+1 Fehlern potenziell zu verlieren. Eine Hardware-Fehlertoleranz von N bedeutet, dass N+1 Fehler in der Zweidraht-Schaltungsanordnung einen Verlust der sicherheitsbezogenen Funktion verursachen können. Die hier beschriebene Zweidraht-Schaltungsanordnung weist entsprechend den einschlägigen Normen eine HFT von 1 auf (N=1). Entsprechend dieser Erfindung kann die sicherheitsbezogene Funktion der Zweidraht-Schaltungsanordnung potenziell erst bei zwei Fehlern (N+1) verloren gehen.According to the standards IEC 62061 and IEC 61508, this safety-related property of the two-wire circuit arrangement can be described using the term hardware fault tolerance (HFT). The term hardware fault tolerance describes the property of the two-wire circuit arrangement to potentially lose the safety-related function in the event of at least N+1 errors. A hardware fault tolerance of N means that N+1 faults in the two-wire circuitry can cause a loss of safety-related function. The two-wire circuit arrangement described here has an HFT of 1 (N=1) in accordance with the relevant standards. According to this invention, the safety-related function of the two-wire circuit arrangement can potentially only be lost in the event of two errors (N+1).

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 3116012 A1 [0021]
DE 202009001474 U1 [0027]

Claims

Non-contact two-wire safety sensor for safety-related protective devices which has a bridge circuit, the bridge circuit having at least two resistors R1, R2, with the first resistor R1 in a left bridge branch LBZ, with the second resistor R2 in a right bridge branch RBZ and at least two of a physical Size-influenceable changeover switches S1, S2, with which a cross connection between an upper half-bridge branch HBZ1, HBZ2 and a lower half-bridge branch HBZ3, HBZ4 can be generated, the switch position of the changeover switches S1, S2 being influenced via a physical quantity by an actuator M and thereby so is controlled so that when no actuator is detected, the half-bridge branches HBZ1 and HBZ4 are connected to each other and when the actuator is detected, the complementary half-bridge branches HBZ2 and HBZ3 are connected to each other, whereby the impedance value of the safety-related two-wire arrangement changes.

Non-contact two-wire safety sensor Claim 1 , characterized in that the changeover switches S1 and S2 react invertingly to the actuator M.

Non-contact two-wire safety sensor Claim 1 or 2 , characterized in that the changeover switches S1 and S2 are REED switches that have contact tongues that can be influenced by a magnetic field.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the changing impedance value corresponds to the specifications of the IEC 60947-5-6 (NAMUR) standard.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further normally closed contact S3, S4 is provided in the half-bridge branches HBZ2 and HBZ3 in order to achieve single-fault safety of the two-wire arrangement.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the two-wire safety sensor is used as a safety-related two-wire output stage.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the contacts are mechanically actuated.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the switches are semiconductor switches/semiconductor contacts.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the changeover contacts S1 and S2 are each implemented by a combination of make and break contacts.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the respective impedance value of the resistors R1 and R2 is realized in that this impedance value is distributed over the half-bridge branches HBZ1 and HBZ4 or HBZ2 and HBZ3.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the resistors R1 and R2 are designed as a parallel and series arrangement of individual resistors.

Non-contact two-wire safety sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the changeover switches S1 and S2 can be influenced by different physical variables.

Non-contact two-wire safety sensor for connection to an evaluation unit for impedance evaluation with two switching elements S1, S2 that can be influenced together by an actuator M, which are arranged in an H-shaped bridge circuit, one of which is high point N+ and one low point N- is supplied via a two-wire connection , wherein the actuator M is arranged on a movable part of a safety device, the H-shaped circuit having two longitudinal bridge branches LBZ, RBZ and a bridge cross branch BQ, which connects the left bridge branch LBZ and the right bridge branch RBZ with each other, characterized in that the two bridge branches LBZ, RBZ are each separated at a changeover contact point K into two upper half-bridge branches HBZ1, HBZ2 and two lower half-bridge branches HBZ3, HBZ4 and the two switching elements S1, S2, which are designed as changeover contacts, are arranged in the bridge cross-branch BQ, whereby in the normal functioning case of Safety sensor, the switching state of the safety sensor by two different impedance values are represented, wherein in a first switching state SZ1 by means of the switching elements S1, S2 a first conductive connection V1 is switched between the high point N+ and the low point N- via the half-bridge branches HBZ1 and HBZ4 and in a second switching state SZ2 by means of the switching elements S1, S2, a second conductive connection V2 is connected between the high point N+ and the low point N- via the half-bridge branches HBZ2 and HBZ3, the conductive connections V1, V2 having different impedance values Z1, Z2.