DE10261450A1

DE10261450A1 - Elektromotor mit integrierter elektronischer Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE10261450A1
Application number: DE10261450A
Authority: DE
Inventors: Poul Erik Nielsen; Bernd Pawlowski; Per Oestergaard Nielsen
Original assignee: Danfoss Drives AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2002-12-31
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2023-01-01
Also published as: WO2004059829A1; AU2003287893A1; DE10261450B4

Abstract

Bei einem herkömmlichen Elektromotor mit integrierter elektronischer Steuereinrichtung und einem mit dieser über eine Sicherheitsvorrichtung verbundenen Sensor soll der Arbeitsaufwand für die Herstellung der Verbindung zwischen Sensor und Sicherheitsvorrichtung auf seiten des Benutzers vermieden werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Sensor (51) innerhalb eines Motorgehäuses (126, 128) angeordnet ist und allein oder zusätzlich als Sicherheitssensor dient und mit einer in einem weiteren auf dem Motorgehäuse aufgebrachten Gehäuse (127) angeordneten elektronischen Sicherheitsvorrichtung (4) verbunden ist, die mit der integrierten Steuereinrichtung (2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer integrierten elektronischen Steuereinrichtung und einem mit dieser verbundenen Sensor.

Bei einem bekannten Elektromotor dieser Art ( DE 102 07 834 A1 ) ist der Sensor außerhalb des Motors auf dessen Welle angeordnet, um die Drehzahl über eine außerhalb des Motors angeordnete Sicherheitsvorrichtung und die als Regeleinrichtung ausgeführte Steuereinrichtung in Form eines Umrichters herunterzuregeln. Die Verdrahtung zwischen Sensor- und Sicherheitsvorrichtung ist durch den Benutzer vorzunehmen.

Es ist auch bekannt, eine derartige Motorsteuereinrichtung mit einer Sicherheitsvorrichtung zum Abschalten des Motors mit sicherem Halt nachzurüsten. Dies erfor dert auf seiten des Benutzers ebenfalls eine aufwendige Verdrahtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor der eingangs geschilderten Art anzugeben, bei dem der Arbeitsaufwand und die Kosten auf seiten des Benutzers geringer sind.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Sensor innerhalb eines Motorgehäuses angeordnet ist und allein oder zusätzlich als Sicherheitssensor dient und mit einer in einem weiteren auf dem Motorgehäuse aufgebrachten Gehäuse angeordneten elektronischen Sicherheitsvorrichtung verbunden ist, die mit der integrierten Steuereinrichtung verbunden ist.

Bei dieser Lösung wird an den Kunden ein vollständig fertiges System geliefert. Es entfällt ein erheblicher Verdrahtungsaufwand auf seiten des Benutzers. Der Elektromotor ist ab Fabrik gesichert und an den Sicherheitssensor angepaßt. Eine zusätzliche Parametrierung zwischen Sensor und Elektromotor ist daher nicht erforderlich.

Des weiteren ist diese Lösung platzsparend: Wenn der Sensor als Drehzahlsensor dient, hat er üblicherweise eine axiale Länge von 5 cm, so daß die Motorwelle bisher um diesen Betrag verlängert werden muß. Beim Einbau des Sensors in das Motorgehäuse wird die Baugröße des Elektromotors dagegen nicht größer. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Verdrahtung zwischen Sensor und Steuereinrichtung kurz gehalten werden kann. Dies hat zur Folge, daß kein langes, kostspieliges Sicherheits-Kabel erforderlich ist und die Fehlerwahrscheinlichkeit, beispielsweise aufgrund einer Abklemmung des Kabels, wesentlich verringert wird.

Vorzugsweise ist der Sensor ein Drehzahlsensor und auf der Motorwelle angebracht. Bei der sogenannten "sicheren Technik" ist meistens ein Drehzahlsensor auf der Motorwelle erforderlich. Zwar kann die Drehzahl aus einer internen physikalischen Größe der Steuereinrichtung abgeleitet werden, doch würde diese Messung einen Fehler ergeben, wenn die Drehung allein durch eine unerwünschte Drehung des vom Motor angetriebenen Geräts verursacht würde.

Der Drehzahlsensor kann ein redundanter Sensor sein, der aus zwei unabhängigen Drehzahlmessern besteht. Dies trägt zur Erhöhung der Sicherheit bei.

Vorzugsweise ist die Sicherheitsvorrichtung in dem weiteren Gehäuse auf einer ersten Karte und die Steuereinrichtung auf mindestens einer zweiten Karte angebracht. Im Falle eines Defekts eines Bauteils auf einer Karte kann diese leicht gegen eine fehlerfreie ausgewechselt werden, ohne daß die anderen Karten ausgewechselt werden müssen.

Es ist aber auch möglich, daß die Sicherheitsvorrichtung und die Steuereinrichtung in dem weiteren Gehäuse auf einer gemeinsamen Karte aufgebracht sind. Dies vereinfacht die Herstellung.

Sodann kann dafür gesorgt sein, daß die Sicherheitsvorrichtung elektrische Anschlüsse aufweist, die durch ei ne Wand des weiteren Gehäuses zugänglich sind und das Anschließen externer Signalleitungen ermöglichen, z.B. Signalleitungen eines Not-Halt-Schalters oder eines Kommunikationsbusses. Auf diese Weise kann durch anderer Geräte ein Halt-Signal an den Elektromotor zur Erzielung eines "sicheren Halts" übertragen werden.

Umgekehrt kann dafür gesorgt sein, daß Sicherheitsrückmeldungen von der Sicherheitsvorrichtung zu externen Einheiten, z.B. einer speicherprogrammierbaren Steuerung oder einer externen Sicherheitsvorrichtung, über die elektrischen Anschlüsse geleitet werden.

Die Sicherheitsvorrichtung kann zwei Mikroprozessoren aufweisen, die einander gegenseitig auf Fehler überwachen und laufend die Funktionsfähigkeit von Sicherheitsschaltern sowie Ein- und Ausgangsanschlüssen der Mikroprozessoren prüfen. Diese Prüfung erfolgt mithin selbsttätig innerhalb der Sicherheitsvorrichtung, ohne nach außen in Erscheinung zu treten.

Im einzelnen kann die Sicherheitsvorrichtung die Funktion "Drehzahlüberwachung" aufweisen und beim Überschreiten eines Drehzahlgrenzwertes die Steuereinrichtung abschalten, so daß auch der Motor angehalten wird.

Der Sicherheitssensor kann alternativ ein Drehmomentsensor oder Winkellagegeber sein.

Sodann kann eine Anzeigevorrichtung, z.B. eine Diode oder ein Display, im weiteren Gehäuse angebracht sein und anzeigen, ob eine sichere Funktion aktiv ist. Gege benenfalls ist für den Benutzer deutlich sichtbar, daß ein Fehler vorliegt.

Ferner kann ein Rücksetz-Schalter zum Zurücksetzen der Sicherheitsvorrichtung am weiteren Gehäuse angebracht sein. Der Motor kann dann nach einem Halt wieder leicht angelassen werden.

Wenn die Leitungen von der Sicherheitsvorrichtung zum Sicherheitssensor über separate Kanäle, von Starkstromkabeln mindestens 5,5 mm getrennt, geführt sind, kommt es nicht zu einer Beeinträchtigung von Sicherheitsleitungen durch Starkstromleitungen.

Ein zweites Drehzahlsignal kann aus dem Motorstrom oder einem pulsdauermodulierten Signal gewonnen werden, das Schaltelemente eines Wechselrichters in der Steuereinrichtung steuert und als zweites "sicheres" Signal benutzt wird. Dann ist nur ein Sensor statt zweier auf der Motorwelle erforderlich, was kostengünstiger ist.

Sodann kann der Sensor mit einem Lager des Motors kombiniert sein. Solche Kombinationen aus Sensor und Lager sind im Handel erhältlich. Dies vereinfacht die Herstellung des erfindungsgemäßen Elektromotors.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele und Abwandlungen dieser Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung für einen elektrischen Motor mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung,
2 eine Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach 1,
3 eine weitere Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach 1,
4 eine dritte Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach 1,
5 eine vierte Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach 1,
6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum selbsttätigen Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung in der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung und ein zugehöriges Impulsdiagramm,
7 eine Abwandlung der Prüfvorrichtung nach 6 mit einem zugehörigen Impulsdiagramm,
8 ein verallgemeinertes Blockschaltbild der Prüfvorrichtung nach den 6 und 7 mit zugehörigen Impulsdiagrammen,
9 ein Schaltbild einer abgewandelten erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung für die Funktionsfähigkeit von Ein- und Ausgängen einer der in 5 dargestellten Sicherheits-Schaltvorrichtungen mit zugehörigen Impulsdiagrammen,
10 ein Schaltbild einer weiteren Abwandlung einer Vorrichtung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung mit zugehörigen Impulsdiagrammen,
11 ein Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung mit zugehörigen Impulsdiagrammen und
12 schematisch einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung in Form eines Umrichters.
Die Motorsteuerung 1 nach 1 enthält eine Sicherheitsvorrichtung 4, die mit einer Steuereinrichtung 2, hier einem Umrichter, verbunden ist und an die eine benutzerseitige, externe, d.h. außerhalb der Motorsteuerung 1 angeordnete, Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 2 ist dem Motor 3 zugeordnet und enthält eine Schwachstrom-Steuereinheit 6 auf einer Karte 7 (Platine) – weiterhin auch "Steuerkarte" genannt – und eine Starkstrom-Steuereinheit 8 (auch "Leistungs-Steuereinheit" genannt) auf einer Starkstrom-Steuerkarte 9 (auch "Leistungs-Steuerkarte" genannt).
Die Schwachstrom-Steuereinheit 6 enthält einen digitalen Signalprozessor (DSP) 10, der einen Pulsdauermodu lator (PDM) 11 aufweist und mit einem Mikroprozessor (μP) 12 über die als Doppelpfeil dargestellte Verbindung kommuniziert.
Die Starkstrom-Steuereinheit 8 enthält einen Wechselrichter 13, der Leistungs-Halbleiterschaltelemente, hier sogenannte IGBTs (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor), in Dreiphasen-Brückenschaltung aufweist. Ferner enthält die Starkstrom-Steuereinheit 8 einen Schaltimpuls-Treiber 14, der Steueranschlüssen der Leistungs-Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters 13 über eine der Anzahl der Leistungs-Halbleiterschaltelemente entsprechende Anzahl von Treiberstufen Schaltimpulse zur Steuerung der Leistungs-Halbleiterschaltelemente zuführt. Der Schaltimpuls-Treiber 14 enthält Trenntransformatoren für eine sichere, potentialfreie Verbindung der Schwachstrom- oder Niederspannungsseite mit der Starkstrom- oder Hochspannungsseite. Die Schaltimpulse werden durch den digitalen Signalprozessor 10 in Verbindung mit dem Mikroprozessor 12 erzeugt und durch den Pulsdauermodulator 11 in ihrer Dauer so moduliert, daß der Motor 3 über den Wechselrichter 12 als Betriebsstrom einen etwa sinusförmigen Dreiphasenstrom erhält, dessen Frequenz dem Sollwert der Drehzahl entspricht. Der Mikroprozessor 12 sorgt u.a. ferner dafür, daß ein Gerät oder eine Anlage, beispielsweise eine Pumpe oder ein Aufzug, entsprechend den Belastungsanforderungen mit der jeweils erforderlichen Drehzahl angetrieben wird. Der digitale Signalprozessor 10 steuert u.a. die durch den Pulsdauermodulator 11 ausgeführte Pulsdauermodulation.
Auf der Karte 9 ist ein weiterer Mikroprozessor 15 angebracht. Neben der Verarbeitung von Meßsignalen von Strömen, Spannungen, Temperaturen und der Steuerung eines Ventilators dient er auch der Prüfung der Funktionsfähigkeit der Sicherheitsvorrichtung 4, genauer gesagt einer in ihr enthaltenen Sicherheits-Schaltvorrichtung. Die Prüfung der Funktionsfähigkeit besteht im wesentlichen darin, festzustellen, ob ein Halt-Signal oder Haltbefehlsignal, bei dessen Zuführung aus der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 letztlich der Motor 3 anhalten soll, ohne unabsichtlich wieder anzulaufen, tatsächlich wirksam war. Falls der Motor 3 nach Abgabe eines Haltbefehlssignals nicht anhält bzw. keine Anhaltaktivitäten in der Motorsteuerung in Gang gesetzt werden, führt der Mikroprozessor 15 dem Mikroprozessor 12 über eine Busverbindung 16 ein Halt-Signal zu, das durch den Mikroprozessor 12 und den digitalen Signalprozessor 10 ausgeführt wird.
Die Sicherheitsvorrichtung 4 enthält auf einer Karte 18, weiterhin auch "Optionskarte" genannt, eine Sicherheits-Schaltvorrichtung 19 mit einem Relais 20, Transistoren 21 und 22 sowie eine Verzögerungseinrichtung aus zwei Verzögerungsgliedern 23 und 24, deren Verzögerungszeit durch Einstellvorrichtungen 25 und 26 einstellbar ist.
Das Relais 20 hat drei Kontakte 27, 28 und 29, die hier im stromlosen Zustand der Spule 30 des Relais dargestellt sind. Der Kontakt 27 ist über Leitungen 31, 32 mit dem Mikroprozessor 15 verbunden. Der Kontakt 29 liegt im Betriebsstromkreis 33 des Schaltimpuls-Treibers 14. Der Kontakt 28 ist über Anschlüsse 34 ei ner Anschlußleiste 35 auf der Karte 18 mit einer Prüfspannung über die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5, die z.B. in einem Schaltschrank 17 angeordnet ist, verbunden. Der Transistor 21 liegt in Reihe mit der Spule 30 des Relais 20 an einer Betriebsspannung U_B1 von beispielsweise 24 V und ist über Anschlüsse "Relais" und "Erde", die zum Anschließen eines Schalters 36, hier eines Kontakts eines Relais, in der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 und "Erde" dienen, sowie über den Schalter 36 mit "Erde" verbunden. Ein zur Auslösung eines gewöhnlichen Halt-Signals zum Anhalten des Motors 3 betätigbarer Schalter 40 in der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 ist über eine Leitung 41 und einen Anschluß "Rampen-Generator-Eingang" auf der Karte 7 mit einem Rampengenerator im Mikroprozessor 12 verbunden.
An weiteren Anschlüssen 42 und 43 der Anschlußleiste 35, die einerseits jeweils mit einem Eingang des Verzögerungsglieds 23 bzw. 24 zu deren Auslösung über eine Leitung 44 bzw. 45 verbunden sind, sind andererseits separate Ausgangsleitungen 46 der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 angeschlossen.
An einer Verbindung 47 des Pulsdauermodulators 11 mit dem Schaltimpuls-Treiber 14 ist ein Sensor 48 zum Messen der (Folge-)Frequenz der dem Schaltimpuls-Treiber 14 zugeführten Schaltimpulse als Maß für die Drehzahl des Motors 3 angeschlossen. Das Frequenz-Meßsignal wird über eine Leitung 49 einem weiteren Eingang des Mikroprozessor 15 zugeführt.
Die Karten 7 und 18 und ihre darauf angebrachten Schaltungsanordnungen sind durch einen Verbinder 50, hier einen Steckverbinder, der Anschlüsse a, b, c ... g aufweist, verbunden, wobei die Verbindungsleitungen 31, 32, 33, 37 zur Vereinfachung der Darstellung außerhalb des Verbinders 50 dargestellt sind. Anstelle eines Steckverbinders 50 kann die Verbindung der Karten 7 und 18 auch mittels eines an seinen Enden mit Steckkontakten versehenen Kabels, insbesondere Flachkabels, zwischen Aufnahmekontakten an den Karten 7 und 18 hergestellt werden. Desgleichen können die Karten 7 und 9 bzw. die auf ihnen angebrachten Schaltungsanordnungen durch einen Verbinder, wie den Verbinder 50, oder ein Steckverbindungskabel verbunden sein. Die auf den Karten 7 und 9 angeordneten Schaltungsanordnungen können aber auch gemeinsam auf einer einzigen Karte (Platine) angeordnet sein, so daß ein Verbinder zum Verbinden der Karten 7 und 9 entfallen kann.
Die gesamte Schaltungsanordnung auf den Karten 7 und 9 ist so ausgebildet, daß sie, wenn die Karte 18 nicht angeschlossen ist, als normale Motorsteuerung, hier als Umrichter, ohne Sicherheitsfunktion wirkt. Ist die Karte 18 dagegen angeschlossen, was vorzugsweise ab Fabrik vorgesehen, aber auch durch eine Nachrüstung möglich ist, so wechselt die Funktion der Motorsteuerung 1 bzw. des Umrichters von einer "gewöhnlichen Funktion" in eine solche mit "Sicherheitsfunktion", im vorliegenden Fall in die Funktion "sicherer Halt". Die Karte 18 wird daher auch als "Optionskarte" bezeichnet, da sie zusätzlich eine Sicherheitsfunktion ermöglicht. Das Vorhandensein der Karte 18 wird durch Messen einer Spannung an einem der Anschlüsse a-g, z.B. an dem Anschluß a, überprüft. Wenn die Karte 18 nicht angeschlossen ist, liegt am Anschluß a eine hohe, andernfalls eine niedrige Spannung an.
Der Mikroprozessor 15 ist dabei so programmiert, daß er ohne Optionskarte 18 nur seine übliche Funktion im Regelkreis, hier Drehzahl-Regelkreis, wahrnimmt und bei angeschlossener Optionskarte 18 auch zur Sicherheitsfunktion beiträgt und funktionsmäßig einen Teil der Sicherheitsvorrichtung 4 bildet.
Die Sicherheitsvorrichtung 4 kann auf weitere Sicherheitsfunktionen ausgelegt sein, z.B. kann sie auf ein "Not-Aus"-, ein Lichtschranken-, Drehzahlgrenzwertüberschreitungs-, Sicherheitsbus- oder ein Signal anderer Sensoren, das das Anhalten des Motors verlangt, ansprechen. Diese Signale können aus der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 zuführbar sein. Als Beispiel wird anhand von 1 nur das Ansprechen auf ein Halt-Signal über den Schalter 40 erläutert, der beispielsweise durch Einschalten eines Relais in der Schaltung 5 geschlossen werden kann, um den Motor 3 anzuhalten.
So kann eine nicht dargestellte Pumpe, die von dem Motor 3 angetrieben wird, ein Überlaufen bewirken, das von einem Sensor gemeldet wird und ein Relais in der Schaltung 5 betätigt, das daraufhin den Schalter 40 schließt, so daß dem Mikroprozessor 12 über den Schalter 40, die Leitung 41 und den Rampen-Generator-Eingangsanschluß ein Signal zugeführt wird, das im Mikroprozessor 12 einen Rampensignalgenerator bzw. eine gleichwirkende programmierte Funktion des Mikroprozessors 12 auslöst, durch den bzw. die ein rasch bis auf Null abnehmendes Drehzahl-Sollwert-Signal, ein "Rampen-Signal", in der Steuereinheit 6 bewirkt, daß die Drehzahl des Motors 3 entsprechend rasch abnimmt, bis er stillsteht oder nach dem Verschwinden des Rampen-Signals aufgrund seiner Massenträgheit ausläuft.
Hierbei gibt der Mikroprozessor 12 das Rampen-Signal an den digitalen Signalprozessor 10 weiter, der den Pulsdauermodulator 11 stetig abschaltet, so daß dem Schaltimpuls-Treiber 14 und damit auch den Schaltelementen im Wechselrichter 13 zum Schluß keine weiteren Schaltimpulse zugeführt werden. Gleichzeitig mit dem Schließen des Schalters 40 wird, bei weiterhin geschlossenen Schaltern 36 und 39 der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5, über die Leitungen 46, die Anschlüsse "Verzögerungsglied-Auslösung" und die Leitungen 43, 44 den Auslöseeingängen der Verzögerungsglieder 23 und 24 jeweils ein Auslösesignal zugeführt. Im Normalbetrieb halten die Verzögerungsglieder 23 und 24 die Transistoren 21 und 22 durchgesteuert, so daß ein Strom durch die Relaisspule 30 fließt und die Kontakte 27, 28 geöffnet sind, dagegen der Kontakt 29 geschlossen ist. Nach Ablauf der Verzögerungszeit sperrt das Verzögerungsglied 23 den Transistor 21, so daß das Relais 20 abfällt, der Kontakt 29 geöffnet und der Betriebsstrom des Schaltimpuls-Treibers 14 unterbrochen wird. Gleichzeitig werden die Kontakte 27 und 28 geschlossen. Die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds 23 entspricht etwa der Dauer des Herunterfahrens des Motors 3, einschließlich der Ansprechverzögerungszeit des Relais 20. Das Abschalten bzw. das Unterbrechen des Betriebsstroms des Schaltimpuls-Treibers 14 erfolgt mithin, wenn die Motordrehzahl Null oder nahezu Null ist. Statt alle Treiberstufen abzuschalten, können auch nur diejenigen abgeschaltet werden, die die mit dem positiven oder mit dem negativen Pol der Betriebsspannung des Wechselrichters 13 verbundenen "oberen" oder "unteren" Leistungs-Schaltelemente des Wechselrichters 13 steuern.
Das andere Verzögerungsglied 24 erzeugt nach Ablauf seiner Verzögerungszeit, die gleich der des Verzögerungsglieds 23 ist, ein redundantes Abschaltsignal. Dieses Signal sperrt den Transistor 22, wodurch dem Rücksetzeingang R ein Rücksetzsignal (Spannung Null) zugeführt wird, so daß auch der Betrieb des digitalen Signalprozessors 10 und des Pulsdauermodulators 11 eingestellt wird und mithin der Schaltimpuls-Treiber 14 auch keine Schaltimpulse mehr erhält. Gleichzeitig mit dem Abschaltsignal meldet das Verzögerungsglied 24 über einen Anschluß "Rückmeldung" der Anschlußleiste 35 an die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 zurück, daß es das Abschaltsignal abgegeben hat. In Speichereinrichtungen der Einstellvorrichtungen 25 und 26 liegen die Verzögerungszeiten abrufbereit.
Zusätzlich zu dem Halt-Signal über den Schalter 40 erhält die Steuereinrichtung 2 zur Erhöhung der Sicherheit mithin noch zwei weitere (redundante) Halt-Signale, um mit hoher Sicherheit zu gewährleisten, daß dem Motor 3 – nach der Abgabe des Halt-Signals über den Schalter 40 – keine Betriebsenergie über die Steuereinrichtung 2 bzw. den Umrichter zugeführt wird und der Motor 3 nicht nur anhält, sondern auch nicht wieder anläuft.
Die Kontakte 27 und 28 des Relais 20 dienen zur Rückmeldung und Überprüfung, daß bzw. ob das Verzögerungsglied 23 tatsächlich ein Abschaltsignal abgegeben hat. Nach dem Abfallen des Relais 20 prüft der Mikroprozessor 15 den Schaltzustand des Kontakts 27, indem er versucht, ein Signal über den Kontakt 27 zu leiten. Wenn der Kontakt 27 ein Signal durchläßt, interpretiert der Mikroprozessor 15 dies so, daß der Kontakt 27 geschlossen ist und der Kontakt 29 den Betriebsstrom des Schaltimpuls-Treibers 14 tatsächlich unterbrochen hat. Über den mit der Anschlußleiste 35 verbundenen Kontakt 28 des Relais 20 leitet die externe Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 die Prüfspannung. Wenn die Prüfspannung durchgelassen wird, wird dies von der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 als Rückmeldung bzw. Bestätigung interpretiert, daß der Kontakt 29 geöffnet, der Steuereinrichtung 2 ein Abschaltsignal zugeführt bzw, der Betriebsstrom des Schaltimpuls-Treibers 14 unterbrochen und mithin der Motor 3 angehalten wurde.
Der Mikroprozessor 15 prüft ferner über die Leitung 37, ob die Spannung an der Relaisspule 30 durch das Sperren des Transistors 21 angestiegen ist. Wenn dies der Fall ist, und Kontakt 27 auch geschlossen ist, ist alles in Ordnung. Falls der Kontakt 27 nicht geschlossen wurde, liegt ein Fehler in der Sicherheitsvorrichtung 4 vor, und der Mikroprozessor 15 löst ein Alarmsignal aus.
In Anwendungsfällen mit hohen Sicherheitsanforderungen, werden Rückmelde- oder Bestätigungssignale, wie sie über die Kontakte 27 und 28 abgegeben werden, an die externe Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 gelei tet, die wiederum die Hauptstromversorgung der Motorsteuerung 1 unterbricht, wenn wider Erwarten kein Rückmeldesignal in der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 eintrifft. Um eine verfrühte Unterbrechung der Hauptstromversorgung zu verhindern, ist daher auch in der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 ein Verzögerungsglied vorgesehen, das erst nach Ablauf seiner Verzögerungszeit eine Betriebsunterbrechung zuläßt. Anstelle dieses Verzögerungsglieds kann auch ein Relais mit entsprechend hoher Ansprechverzögerung zum Auslösen der Betriebsunterbrechung in der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 4 vorgesehen sein.
Die Verzögerungsglieder 23 und 24 können jeweils als integrierte Schaltung beispielsweise vom Typ 555 ausgebildet sein, die nach Ablauf der Verzögerungszeit einen Transistor sperrt. Die Verzögerungszeit kann ferner fest vorgegeben sein, z.B. in einem Speicherelement. Sie kann aber auch durch umsteckbare Steckverbindungen auf der Karte 18 oder mittels eines Potentiometers durch den Benutzer einstellbar sein. Alternativ kann sie durch die externe Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 über die Anschlußleiste 35 vorgegeben werden. Ferner ist es möglich, die Verzögerungszeit dynamisch als Funktion der Drehzahl und/oder der Massenträgheit des Motors 3 selbsttätig einstellbar vorzugeben. Eine Alternative zur Ausbildung mit diskreten Bausteinen besteht darin, die Verzögerungseinrichtung durch eine Software in einem Mikroprozessor zu realisieren.
Über die Schalter 36 und 39 in der benutzerseitigen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 kann jeweils unverzögert ein Halt ausgelöst werden. So kann der Benutzer an die Anschlüsse "Relais" und "Erde" bzw. "Relais" und "U_B3" (U_B3 = z.B. 5 V) jeweils einen Überwachungsschalter anschließen, z.B. einen Lichtschranken-Schalter, bei dessen Betätigung der Stromkreis der Relaisspule 30 – ohne Verzögerung durch das Verzögerungsglied 23 – unterbrochen bzw. die Rückstellung des digitalen Signalprozessors 10 über seinen Rückstelleingang R ohne Verzögerung durch das Verzögerungsglied 24 ausgelöst wird. Die Verzögerungsglieder 23 und 24 werden dadurch übersteuert.
Die Motorsteuerung 1 nach 2 ist gegenüber der in 1 dargestellten insofern abgewandelt, als eine zusätzliche Sicherheitsfunktion, die Drehzahlüberwachung nach der Norm IEC 61800-5, auf der Optionskarte 18 implementiert ist. Sie dient der Überwachung der Motordrehzahl, um den Betrieb der Steuereinrichtung 2 und damit den Betrieb des Motors 3 möglichst rasch anzuhalten, wenn die Drehzahl einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die Drehzahlüberwachung ist insbesondere bei der Inbetriebnahme größerer Anlagen vorteilhaft, um den Motor 3 zur Durchführung eines Tests der Anlage oder, wenn eine Wartung während des Betriebs durchgeführt werden muß, nur mit beispielsweise 30 % seiner Nennbetriebsdrehzahl betreiben zu können. Durch die Drehzahlüberwachungseinrichtung wird der Betrieb der Steuereinrichtung 2 und damit der des Motors 3 angehalten, sobald die vorgegebene Drehzahlgrenze überschritten wird.
Um die Drehzahlüberwachung in "sicherer Technik" zu realisieren, sind drei Drehzahlsignale vorgesehen. Zwei Drehzahlsignale werden durch unmittelbare Messung der Drehzahl mittels zweier Drehzahlsensoren 51 und 51' an der Motorwelle erzeugt und das dritte aus der Folgefrequenz der pulsdauermodulierten Ausgangsimpulse des Pulsdauermodulators 11 mittels des Drehzahlsensors 48 abgeleitet und dem Mikroprozessor 15 über eine Leitung 49 zugeführt. Die Ableitung des Drehzahlsignals aus der Folgefrequenz der Schaltimpulse ist auf einfache Weise möglich. Eine Möglichkeit besteht darin, die Spannung an der Verbindung 47 zu messen und mit einem vorgegebenen U/f-Verhältnis zu vergleichen. Dadurch kann die Frequenz f ermittelt werden. Dieses Verfahren ist aber nur bei Umrichtern mit U/f-Steuerung möglich.
Auf der Optionskarte 18 ist ein Transistor 52 mit dem Transistor 21 in Reihe geschaltet und ein Drehzahlüberwacher 53 ausgangsseitig mit der Basis des Transistors 52 verbunden oder mit diesem integriert. Eingangsseitig ist der Drehzahlüberwacher 53 über Anschlüsse "Sensor-Eingang" der Anschlußleiste 35 mit dem Drehzahlsensor 51 verbunden. Die Reihenschaltung der Transistoren 21 und 52 bildet ein ODER-Glied. Wenn daher das Verzögerungsglied 23 den Transistor 21 oder der Drehzahlüberwacher 53 den Transistor 52 sperrt, wird der Kontakt 29 des Relais 20 geöffnet und der Betriebsstromkreis 33 des Schaltimpuls-Treibers 14 unterbrochen.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist auf der Optionskarte 18 das redundante Verzögerungsglied 24 und zusätzlich ein redundanter Drehzahlüberwacher 54 angeordnet, der einen mit dem Transistor 22 in Reihe lie genden Transistor 55 sperrt, wenn das ihm ebenfalls über Anschlüsse "Sensor-Eingang" zugeführte Drehzahlsignal des Drehzahlsensors 51' den vorgegebenen Drehzahlgrenzwert überschreitet.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Benutzer mittels der während des Betriebs geschlossenen Schalter 36 und 39 durch Öffnen des Schalters 36 oder 39 den Betrieb des Umrichters und damit des Motors 3 direkt, unter Übersteuerung der Verzögerungsglieder 23, 24 und der Drehzahlüberwacher 53, 54, anhalten.
Bei der Abwandlung nach 3 ist die Sicherheitsvorrichtung 4 des Ausführungsbeispiels nach 2 durch eine weitere Sicherheitsfunktion "sicherer Bus" erweitert, wobei das in 2 dargestellte zweite Verzögerungsglied 24 und der zweite Drehzahlüberwacher 54 mit den Transistoren 22 und 55 zur Vereinfachung der Darstellung in 3 weggelassen sind.
Sicherheitsbusse sind gewöhnliche Kommunikationsbusse, die durch eine Sicherheitsfunktion erweitert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist als Sicherheitsbus 56 der Bus Profisafe^© vorgesehen, der die "sichere" Version des sogenannten "Profibusses" ist. "Profibus" ist ein bekanntes Bus-Protokoll für die Kommunikationsbusse zwischen Anlagenelementen, wie Motorsteuerungen und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Auch andere Busse, wie CANopen Safety, AS-i Safety at Work, Devicenet Safe, Interbus Safety, verfügen über sogenannte "sichere Technik". Der hier dargestellte Sicherheitsbus 56 ermöglicht eine Kommunikation über ein zweiadriges Kabel und ist über einen Anschluß "Sicherheitsbus" der Anschlußleiste 35 mit einem Buscontroller 57 verbunden. Die Redundanz eines Abschaltsignals über den Sicherheitsbus 56 wird durch zwei Mikroprozessoren 58 und 59 sichergestellt. Der Buscontroller 57 überwacht die Kommunikation. Falls irgendwo in einer Fabrikanlage ein Fehler auftritt und der dort oder entfernt installierte Motor 3 angehalten werden muß, wird über den Sicherheitsbus 56 und den Anschluß "Sicherheitsbus" auf der Optionskarte 18 ein Halt-Signal zum Buscontroller 57 übertragen, und von diesem weiter über den Mikroprozessor 58 und den Mikroprozessor 59 über eine Verbindung 60 zum Mikroprozessor 12 auf der Karte 7, der wiederum dem Rücksetzeingang R ein Rücksetzsignal zuführt, so daß die Energiezufuhr zum Motor 3 unterbrochen wird.
Mit den Transistoren 21 und 52 liegt ein weiterer Transistor 61 in Reihe im Stromkreis der Relaisspule 30. Der Mikroprozessor 58 führt dem Transistor 61 ein weiteres (redundantes) Halt-Signal zu, so daß der Transistor 61 gesperrt wird und das Relais 20 abfällt.
Somit werden vom Sicherheitsbus 56 aus zwei Halt-Signale erzeugt, die für den sicheren Halt des Motors 3 sorgen.
Der Mikroprozessor 12 kann ferner so programmiert und angeschlossen sein, daß er auch die Funktionssicherheit des Relais 20 und der Signalübertragungswege der Sicherheitsvorrichtung 4 prüft. Der Mikroprozessor 58 kann ferner so programmiert sein, daß er die Signalübertragung über den Sicherheitsbus durch ein CRC-Verfahren (Cyclic Redundancy Check) überprüft.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 ist im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 3 auf der Karte 9 kein Mikroprozessor vorgesehen. Vielmehr ist die Funktion des Mikroprozessors 15 in die des Mikroprozessors 12 durch entsprechende Programmierung einbezogen. Es ist daher möglich, im Falle eines Defekts in der Starkstrom-Steuereinheit 8 die Karte 9 mit der Starkstrom-Steuereinheit 8 ohne den Mikroprozessor 15 auszuwechseln.
Ferner hat das Relais 20 nur die beiden Kontakte 28 und 29. Die Kontakte 28 und 29 sind im Normalbetrieb bei stromführender Relaisspule 30 geschlossen und verbinden die Betriebsspannung U_B2 mit dem Schaltimpuls-Treiber 14, hier dem primärseitigen Schaltimpuls-Treiber 14₁ des in den primärseitigen und einen sekundärseitigen Schaltimpuls-Treiber 14₂ unterteilten Schaltimpuls-Treibers 14. Der primärseitige Schaltimpuls-Treiber 14₁ und der sekundärseitige Schaltimpuls-Treiber 14₂ sind über einen Transformator 62 zur Potentialtrennung induktiv gekoppelt.
Die Sicherungs- und Überwachungsschaltung 5 enthält zusätzlich zu den Schaltern 36 und 40 weitere Schalter 63, 64 und 65. Die Betriebsspannung U_B4 liegt an dem einen Anschluß der Schalter 36, 63 und 64. Die anderen Anschlüsse der Schalter 63 und 64 sind über die Anschlüsse "Verzögerungsglied-Auslösung" der Anschlußleiste 35 jeweils mit einem Auslöseeingang der Verzögerungsglieder 23 und 24 verbunden. Der Schalter 65 ist mit seinem anderen Anschluß über den Anschluß "Sicherheitskanal II" mit dem einen Eingang eines INHIBIT-Glieds 66 verbunden. Das Verzögerungsglied 24 ist aus gangsseitig mit dem anderen Eingang des INHIBIT-Glieds 66 verbunden. Der Ausgang des INHIBIT-Glieds 66 ist mit dem Rücksetzeingang R des Pulsdauermodulators 11 bzw. des DSP 10 und über eine Trennstufe 68, hier einen hochohmigen Widerstand, mit einem Eingang des Mikroprozessors 12 verbunden. Die Leitung 33 ist ebenfalls über eine Trennstufe 67 mit einem Eingang des Mikroprozessors 12 verbunden. Ein Sensor 69 mißt die Spannung an der Verbindung 47 und führt den Meßwert über eine Leitung 70 einem Umsetzer 71 auf der Karte 18 zu. Der Ausgang des Umsetzers 71 ist über einen Anschluß "Sicherheitsrückmeldung II" der Anschlußleiste 35 mit der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 verbunden. Der Umsetzer 71 setzt die PDM-Signale in ein EIN- oder AUS-Signal um.
Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach 4 ist weitgehend die gleiche wie die der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Wenn ein Halt-Signal der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 zugeführt wird, schließt der Schalter 40, und es wird der Rampengenerator im Mikroprozessor 12 über den Schalter 40 eingeschaltet, so daß der Motor 3 heruntergefahren wird. Gleichzeitig werden die Schalter 63 bis 65 geschlossen. Dadurch werden die Verzögerungsglieder 23 und 24 ausgelöst, und dem INHIBIT-Glied 66 wird ein Signal zugeführt, durch das dem Rücksetzeingang R ein Rücksetzsignal zugeführt wird. Nach Ablauf der Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds 23 fällt das Relais 20 ab. Durch das Abfallen des Relais 20 werden die Schalter 28 und 29 geöffnet, so daß die Betriebsspannung U_B2 des Schaltimpuls-Treibers 14₁ abgeschaltet wird und der Mikroprozessor 12 über die Trennstufe 67 ein Signal er hält. Durch dieses Signal wird das Öffnen des Schalters 29 bestätigt. Nach Ablauf der Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds 24 gibt dieses über das INHIBIT-Glied 66 ein weiteres Rücksetzsignal an den Rücksetzeingang R ab, das den digitalen Signalprozessor 10 und den Pulsdauermodulator 11 zurücksetzt.
Über die Trennstufe 68 wird das Rücksetzsignal zusätzlich dem Mikroprozessor 12 zugeführt, der dieses Signal benötigt, um nach einer Abschaltung der Steuereinrichtung 2 bzw. des Umrichters später einen korrekten Start durchzuführen. Nach Erhalt eines Rücksetzsignals speichert der Mikroprozessor 12 relevante Prozeßdaten, die bei Wiederinbetriebnahme verwendet werden. Die Trennstufen 67 und 68 dienen der Trennung der sicheren Signalelektronik von der gewöhnlichen Betriebselektronik. Der Prozessor 12 überwacht den Sicherheitskanal II, ob über diesen ein Halt-Signal abgegeben wurde. Ein Elektronikfehler im Mikroprozessor 12 soll nicht bewirken können, daß das Abschaltsignal auf dem Sicherheitskanal II nicht ankommt, was z.B. der Fall sein kann, wenn das Potential am Mikroprozessor 12 unerwünscht auf Erdpotential absinkt. Im einfachsten Fall ist die Trennstufe ein hochohmiger Widerstand.
Der Sensor 69 mißt die Spannung an der Verbindung 47 und führt den Meßwert dem Umsetzer 71 auf der Karte 18 zu. Dieser vergleicht den Meßwert mit einem Bezugswert, und wenn der Meßwert unter dem Bezugswert liegt, dann meldet der Umsetzer 71 der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 über den Anschluß "Sicherheitsrückmeldung II", daß tatsächlich ein Rücksetzsignal abgegeben wurde und keine Schaltimpulse mehr auftreten.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 sind die bei den vorherigen Ausführungsbeispielen vorgesehenen Verzögerungsglieder 23 und 24 jeweils durch Software, d.h. durch entsprechende Programmierung zweier über eine Mehrfachleitung M in Austauschverbindung stehender Mikroprozessoren 72 und 73 realisiert. Die Einstellung ihrer Verzögerungszeiten erfolgt weiterhin mittels der Einstellvorrichtungen 25 und 26. Mit den Mikroprozessoren 72 und 73 sind ferner zwei Sicherheits-Schaltvorrichtungen 74 und 75 verbunden, die jeweils nur einen Transistor aufweisen können, wie dargestellt, hier aber mehrere Transistoren und erforderlichenfalls Widerstände aufweisen. Mögliche Ausführungsbeispiele der Sicherheits-Schaltvorrichtungen 74 und 75 mit mehreren Transistoren sind in den 7, 8, 9 und 10 dargestellt, die später beschrieben werden. Die Funktionsfähigkeit dieser Sicherheits-Schaltvorrichtungen 74 und 75 wird durch den jeweils mit ihnen verbundenen Mikroprozessor 72 bzw. 73 geprüft. Diese Mikroprozessoren 72 und 73 können, soweit es ihre Verzögerungsfunktion betrifft, funktionsmäßig auch als Teil der Sicherheits-Schaltvorrichtungen betrachtet werden. Die Sicherheitsvorrichtung 4 auf der Optionskarte 18 sorgt im wesentlichen für die gesamte Funktionssicherheit, d.h. die der Software und der Hardware. Die übliche Steuereinrichtung 2 ist mit den Sicherungsaufgaben nicht belastet. Um dies zu erreichen, wird die nötige "sichere" Verdrahtung der Steuereinrichtung fabrikseitig ausgeführt. Auf den Karten 7 und 9 werden Kupferbahnen aufgebracht, die Sicherheitssignale für den "sicheren Halt" führen sollen, die aber erst beim Anschluß einer Optionskarte in Betrieb genommen werden.
Ein wesentlicher Aspekt bei diesem Ausführungsbeispiel ist der, daß alle wesentlichen, zur Funktion der Sicherheitsvorrichtung 4 gehörenden Bauteile auf der Optionskarte 18 angeordnet sind, insbesondere die Mikroprozessoren 72 und 73. Deren Software (Programm) braucht somit im wesentlichen nur auf die Durchführung der Sicherheitsfunktionen und hier auch auf die Prüfung der Sicherheits-Schaltvorrichtungen 74, 75 abgestimmt zu sein. Die Software des Mikroprozessors 12 und des DSP 10 der Steuereinrichtung 2 braucht daher im wesentlichen nur auf die Steueraufgaben der Steuereinrichtung 2 abgestimmt zu sein. Eine Änderung der Software für den Betrieb der Steuereinrichtung 2 kann mithin im Hinblick auf den jeweiligen Anwendungsfall des Motors 3 durchgeführt werden, ohne die Software der Sicherheitsvorrichtung 4 ändern zu müssen, und umgekehrt. Dementsprechend ist die Software für den Betrieb der Steuereinrichtung 2 in einem Speicherteil K₃, K₄ des Mikroprozessors 12 und des DSP 10 und die Software für den Betrieb der Sicherheitsvorrichtung 4 in einem Speicherteil K₁, K₂ der Mikroprozessoren 72 und 73 gespeichert. Ein weiterer Vorteil der räumlichen Trennung der Programm-Speicherteile K₁, K₂ und K₃, K₄ besteht darin, daß bei einem Defekt eines Bauteils der Steuereinrichtung 2 oder der Sicherheitsvorrichtung 4 nur die jeweils defekte Karte 7, 9 oder 18 gegen eine neue ausgewechselt zu werden braucht. Denn auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Karten 7 und 9 sowie 7 und 18 durch Steckverbindungen, wie den Verbinder 50 oder ansteckbare Kabel (Flachkabel) verbunden, die ein einfaches und rasches Auswechseln der betreffenden Karte ermöglichen.
Wie im Ausführungsbeispiel nach 4, sind auch bei der Abwandlung nach 5 zwei Sicherheitskanäle I und II zur Auslösung eines sicheren Halts und zwei Sicherheitsrückmeldungskanäle I und II zur Rückmeldung (Bestätigung) an die externe, benutzerseitige Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 (die in 5 zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen ist), daß der "sichere Halt" tatsächlich erfolgt ist, vorgesehen.
So wird über den Drehzahlsensor 51, den Anschluß "Sensoreingang" der Anschlußleiste 35 und einen Spannungspegeladapter SA ein Drehzahlsignal dem Mikroprozessor 72 zugeführt, der es mit einem gespeicherten Grenzwert vergleicht und über einen Ausgang A1 der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 ein Abschaltsignal oder Halt-Signal zuführt. Wenn das Drehzahlsignal gleich dem oder größer als der Grenzwert ist, unterbricht die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 die Betriebsspannung U_B2 bzw. den Betriebsstromkreis 33 des Schaltimpuls-Treibers 14₁ . Zusätzlich wird durch einen Sensor 76 der Ausgangsstrom des Wechselrichters 13 als Maß für die Drehzahl gemessen und das Meßsignal einem Umformer 77 über eine Leitung 78 zugeführt. Dieser formt das Strommeßsignal I in eine diesem proportionale Frequenz f als Maß für die Drehzahl um und führt das Drehzahlsignal ebenfalls dem Mikroprozessor 72 zu. Der Mikroprozessor 72 vergleicht das Drehzahlsignal mit dem gespeicherten Grenzwert und unterbricht gegebenenfalls die Betriebsspannung U_B2 bzw. den Betriebsstromkreis 33 des Schaltimpuls-Treibers 14₁ , wenn dies noch nicht erfolgt ist. Über einen Trennverstärker TR und den Anschluß "Sicherheitsrückmeldung I" der Anschlußleiste 35 meldet der Mikroprozessor 72 der Sicherheits- und Überwachungs schaltung 5, ob die Unterbrechung der Betriebsspannung erfolgt ist oder nicht. Das zum Anschluß "Sicherheitsrückmeldung I" zurückgeführte Signal wird ferner über die Leitung 78₁ dem Mikroprozessor 73 zugeführt, der überprüft, ob das Sicherheitsrückmeldesignal gegeben wurde. Falls dies wider Erwarten nicht gegeben wurde, liegt ein Fehler vor, und der Mikroprozessor 73 meldet einen Fehler.
Über Anschlüsse "Aktivierung DSF I (DSF = designierte Sicherheitsfunktion) und "Aktivierung DSF II" der Anschlußleiste 35 können seitens der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 ebenfalls Abschaltvorgänge in Abhängigkeit von weiteren Überwachungsfunktionen, wie der Überwachung des Drehmoments, der Temperatur oder der Spannung des Motors 3 oder irgendwelcher anderer vorbestimmter oder gewünschter Funktionen aktiviert werden, die wiederum über den Mikroprozessor 72 oder den Mikroprozessor 73 und die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 den "sicheren Halt" des Motors bewirken. Über Anschlüsse "Sicherheitskanal I" und "Sicherheitskanal II" können in gleicher Weise über die internen Verzögerungseinrichtungen der Mikroprozessoren 72 und 73 Abschaltbefehlsignale aus der externen Schaltung 5 der jeweiligen Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 und 75 zugeführt werden.
Wenn dem Mikroprozessor 73 über den Anschluß "DSF II", für den in diesem Beispiel eine direkte Abschaltfunktion programmiert ist, sowie über einen Spannungspegeladapter SA ein Abschaltbefehlsignal oder Halt-Signal zugeführt wird, betätigt der Mikroprozessor 73 über seinen Ausgang A4 die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75.
Daraufhin wird dem digitalen Signalprozessor 10 von der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 über die Leitung 38 und den Rücksetzeingang R ein Rücksetzsignal zugeführt und die weitere Erzeugung von Schaltimpulsen durch den Pulsdauermodulator 11 unterbrochen. Mithin wird der Motor 3 angehalten. Das Signal am Rücksetzeingang R wird außerdem über die Leitung 79 zu einem Eingang E₁ des Mikroprozessors 72 und über die Trennstufe 68 zum Mikroprozessor 12 zurückgeführt. Wenn nach Abgabe des Abschaltbefehlsignals kein Rücksetzsignal aufgetreten ist, meldet der Mikroprozessor 72 dies unter Umständen über seinen ausgangsseitigen Trennverstärker TR und den Anschluß "Sicherheitsrückmeldung I" der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 sowie dem Mikroprozessor 73 über die Leitung 78₁ als Zeichen dafür, daß in der Sicherheitsvorrichtung 4 ein Fehler aufgetreten ist bzw. ein Defekt vorliegt. Unter allen Umständen schaltet er ebenfalls über die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 den Motor 3 ab. Zusätzlich mißt der Sensor 48 am Ausgang des Pulsdauermodulators 11 bzw. auf der Verbindung 47 die Frequenz bzw. Drehzahl des Motors 3 und führt das Meßsignal dem Umsetzer 71 über eine Leitung 80 zu. Wenn das Meßsignal nicht einem Rücksetzsignal entspricht, meldet der Mikroprozessor 73 einen Fehler, der es über seinen ausgangsseitigen Trennverstärker TR zum einen über den Anschluß "Sicherheitsrückmeldung II" an die externe Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 und zum anderen über eine Leitung 81 an den Mikroprozessor 72 weiterleitet. Die Mikroprozessoren 72 und 73 führen mithin wechselseitig die gleichen Prüfungen aus und prüfen sich auch immer gegenseitig.
Ein Spannungssensor 82 mißt ferner die Spannung U_B2 am Betriebsspannungseingang des Schaltimpuls-Treibers 14₁ über eine Leitung 83, nachdem die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 gesperrt wurde. Wenn die Betriebsspannung U_B2 weiterhin vorhanden ist, signalisiert der Spannungssensor 82 dies dem Mikroprozessor 73 als "Fehler". Daraufhin gibt der Mikroprozessor 73 ein Halt-Signal über die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 und teilt gleichzeitig dem Mikroprozessor 72 mit, daß jetzt abgeschaltet werden muß.
Die Spannung am Betriebsspannungseingang des Schaltimpuls-Treibers 14₁ wird außerdem dem Mikroprozessor 12 über die Trennstufe 67 zur Überprüfung zugeführt.
Über einen Anschluß "Auslösung" in der Anschlußleiste 35 ist nach Aktivierung einer designierten Sicherheitsfunktion das Rücksetzen dieser Funktion möglich. Danach arbeitet die Motorsteuerung wieder im Normalbetrieb.
Wie zuvor beschrieben, werden aus den Meßsignalen der Sensoren 76 und 48 Drehzahlsignale abgeleitet und mit einem Grenzwert verglichen. In einer besonderen Ausführung werden diese beiden Drehzahlwerte miteinander verglichen. Hierfür werden zwei der drei PDM-Signale des Pulsdauermodulators 11 einem Tiefpaßfilder zugeführt. Das Filter erzeugt ein Sinus-Signal, das einem Schmitt-Trigger zugeführt wird, der das Sinus-Signal in ein Umpulssignal umwandelt. Das Impulssignal, dessen Impulsfolgefrequenz der Drehzahl entspricht, wird dem Mikroprozessor 73 zugeführt. Das für den Vergleich zu benutzende zweite Drehzahlsignal wird aus dem Motorstrom gewonnen. Dabei wird das Meßsignal durch einen Schmitt- Trigger in ein Impulssignal umgewandelt und dem zweiten Mikroprozessor 72 zugeführt. Die Mikroprozessoren vergleichen die beiden Drehzahlen, und falls die Differenz außerhalb eines erlaubten Bereiches liegt, wird die Motorsteuerung angehalten. Alternativ kann der Zwischenkreisstrom als Maß für die Drehzahl gemessen werden.
Diese Funktion kann für die Funktion Drehzahlüberwachung benutzt werden. Es kann somit ein "sicheres" Drehzahlsignal gewonnen werden, so daß ein Drehzahlgeber auf der Motorwelle entfallen kann.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 ist über den Anschluß "Sicherheitsbus" der Anschlußleiste 35 der Sicherheitsbus 56, hier der Sicherheitsbus Profisafe^®, angeschlossen, dessen Informationen wiederum von dem Buscontroller 57 (siehe 3) daraufhin überprüft werden, ob sie einen Fehler enthalten oder ein Abschaltbefehlsignal darstellen. Gegebenenfalls wird durch den Buscontroller 57 ein Halt des Motors über den Mikroprozessor 73 und die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 bzw. über den Mikroprozessor 72 und die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 ausgelöst. Über den Bus 56 kann auch die erforderliche Verzögerungszeit an die Mikroprozessoren 72, 73 gesendet werden.
Soweit zum Abschalten eines Relais oder irgendeines anderen Verbrauchers Schaltelemente mit diesem in Reihe geschaltet sind, können sie während des Betriebs nicht abgeschaltet werden, um zu prüfen, ob sie weiterhin funktionsfähig sind. Dies würde einem Halt-Befehl gleichen. Dennoch ist es erforderlich, auch während des Be triebs, z.B. einmal pro Minute, die Funktionsfähigkeit der Schaltelemente in der "sicheren Technik" zu prüfen.
6 stellt ein Schaltbild einer Vorrichtung zum selbsttätigen Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung dar, durch die in Abhängigkeit von wenigstens einem Abschaltsignal einer Sicherheits- und/oder Überwachungsvorrichtung, hier der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 nach den 1 bis 3, im Gefahrenfall oder sicherheitshalber der Betrieb eines Verbrauchers, hier des Motors 3, abschaltbar ist. Die Prüfvorrichtung wird am Beispiel der in 3 dargestellten Sicherheits-Schaltvorrichtung beschrieben, die das Relais 20 und die mit diesem in Reihe geschalteten Schaltelemente, hier die Transistoren 21, 52 und 61, aufweist und mit dem Verzögerungsglied 23, dem Drehzahlüberwacher 53, dem Mikroprozessor 15 sowie dem Mikroprozessor 58 verbunden ist. Der mit dem Relais 20 (bzw. dessen Spule 30) verbundene Kollektor des npn-Transistors 61 ist zusätzlich mit der Betriebsspannung U_B1 und sein Emitter mit "Erde" verbunden ist.
Die Prüfvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Impulsgenerator 88 mit einer der Anzahl der Schaltelemente (Transistoren) entsprechenden Anzahl, hier drei, von Ausgängen und Verknüpfungsgliedern 89, 90 und 91. Als Verknüpfungsglieder sind UND- und NOR-Glieder dargestellt. Es können aber auch nur UND-Glieder sein, je nachdem, ob die Sperrsignale der im Normalbetrieb ständig leitenden Transistoren durch 1-Signale oder 0-Signale auf der Eingangsseite der Verknüpfungsglieder ausgelöst werden sollen. Vorliegend sind es 1-Signale.
Der Impulsgenerator 88, der einschließlich der Verknüpfungsglieder im Mikroprozessor 58 ausgebildet sein kann, erzeugt zyklisch nacheinander an seinen Ausgängen 1-Signale als Prüf- oder Schaltimpulse P₁, P₂ und P₃, die jeweils über eines der Verknüpfungsglieder 89, 90 und 91 in dieser oder einer anderen Reihenfolge den Steueranschlüssen der Transistoren als Sperrimpulse P - ₁, P - ₂ und P - ₃ zugeführt werden, wie es in 6(b) dargestellt ist. Die Dauer der Schaltimpulse P₁, P₂ und P₃ ist unterschiedlich und kann jeweils beispielsweise 2 μs, 4 μs und 6 μs betragen. Die Dauer ist mithin kürzer als die Ansprechverzögerung des Relais 20, die etwa 20 ms betragen kann. Das Relais fällt daher bei einer so kurzen Unterbrechung seines Stromkreises nicht ab, so daß seine Kontakte ihren jeweiligen Schaltzustand, "ein" oder "aus" bzw. "geschlossen" oder "geöffnet" beibehalten. Dagegen kann die Spannung U_R an der Relaisspule bei jedem Sperrimpuls P - ₁, P - ₂ und P - ₃ vollständig, wie in 6(b) dargestellt, oder nur geringfügig abfallen. Nach 6(b) nimmt sie bei jedem Sperrimpuls vollständig bis auf Null ab, jedoch nur kurzzeitig entsprechend der Dauer des jeweiligen Sperrimpulses. Ein Mikroprozessor, hier der Mikroprozessor 15, der entsprechend einem Diskriminator programmiert ist, oder ein entsprechend ausgebildeter Diskriminator, der die Spannung U_R an der Relaisspule ständig daraufhin prüft, ob sie kurzzeitig abfällt oder nicht, erkennt ein kurzzeitiges Abnehmen oder Schwanken der Spannung U_R als eine fehlerfreie Funktion der Transistoren an. Wenn jedoch wenigstens einer der Transistoren aufgrund eines Defekts ständig leitend bleibt und auf Sperrimpulse nicht reagiert, verschwindet die Spannung U_R an der Relaisspule nicht bei jedem Sperrimpuls, und der Diskriminator bzw. Mikroprozessor 15 erkennt dies als einen Fehler eines der Transistoren und signalisiert diesen Fehlerzustand der Sicherheits- und/oder Überwachungsvorrichtung, hier der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5, und hält die Motorsteuerung an. Da die Dauer der Sperrimpulse unterschiedlich lang ist, erkennt der Diskriminator auch, bei welchem der Transistoren der Defekt vorliegt, da sich die Spannung U_R während der Dauer der Abgabe eines Sperrimpulses an den betreffenden Transistor, z.B. des Sperrimpulses P - ₂ an den Transistor 21, nicht ändern würde, d.h. konstant bliebe. Diese Überprüfung ist prinzipiell zur Ermittlung eines durchgebrannten Transistors möglich, d.h. eines Transistors, der einen Kurzschluß darstellt. Unabhängig davon, erzeugen der Mikroprozessor 58, das Verzögerungsglied 23 und der Drehzahlüberwacher 53 auch, wie im Falle der 3, nach einem Halt-Signal redundante Abschaltsignale, die jeweils einem der NOR-Glieder (als 1-Signale) zugeführt werden.
Generell beruht dieses Prinzip der Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Schaltelements mithin auf der Ausnutzung der Ansprechverzögerung eines Verbrauchers, hier des Relais, mit dem ein rascher ansprechendes Schaltelement in Reihe geschaltet ist, das im Normalbetrieb einen ersten Schaltzustand einnimmt, in dem der Verbraucher eingeschaltet (stromführend) ist, und im Gefahrenfall in einen zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, in dem der Betrieb des Verbrauchers abgeschaltet wird, wobei das Schaltelement im Normalbetrieb zyklisch während einer Dauer in den zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, die kürzer als die Ansprechverzögerung des Verbrauchers auf einen Abschaltvorgang ist. Vorteilhaft ist es dabei, wenn wenigstens ein weiteres Schaltelement vorgesehen ist, das im Normalbetrieb einen ersten Schaltzustand einnimmt, in dem der Verbraucher eingeschaltet ist, und im Gefahrenfall in einen zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, in dem der Betrieb des Verbrauchers abgeschaltet wird, und wenn die Schaltelemente im Normalbetrieb zyklisch nacheinander während einer Dauer in den zweiten Schaltzustand umschaltbar sind, die kürzer als die Ansprechverzögerung des Verbrauchers auf einen Abschaltvorgang ist. Wenn dann die Ausschaltdauer der Schaltelemente unterschiedlich ist, läßt sich feststellen, welches Schaltelement gegebenenfalls defekt ist. Generell kann der Verbraucher ein Relais sein, durch das der Betrieb eines zweiten Verbrauchers abschaltbar ist.
Das generelle Prinzip der vorstehend geschilderten Vorrichtung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Transistoren 21, 52 und 61 oder entsprechender elektronischer Schaltelemente, die mit einem anderen Verbraucher mit Ansprechverzögerung in Reihe geschaltet sind, ist in 7 dargestellt.
Nach 7 besteht der Verbraucher aus einem ohmschen Widerstand R und einem mit diesem in Reihe geschalteten Kondensator, an dem die Betriebsspannung U_B für einen Sicherheitskanal abgegriffen wird, wobei die Reihenschaltung aus dem Verbraucher und den Transistoren an einer konstanten Gleichspannung von beispielsweise 24 V liegt. Hierbei wird als Prüfspannung der Spannungsabfall U_R an dem ohmschen Widerstand R abgegriffen.
Die Sicherheits-Schaltvorrichtung, bestehend aus den Transistoren, Abschaltsignalgebern (Sicherheitsbus, Drehzahlüberwacher und Verzögerungsglied) sowie die Prüfimpulsgeber (Impulsgenerator (IPG) 84 und Verknüpfungsglieder 89-91) sind schematisch in 7(a) in Form von Funktionseinheiten dargestellt. 7(b) stellt den zeitlichen Verlauf der Prüfspannung U_R am Widerstand R dar.
8 stellt das in den 6 und 7 dargestellte Prinzip weiter verallgemeinert dar. Danach können anstelle der speziellen Abschaltbefehlsgeber, wie Drehzahlüberwacher oder Verzögerungsglieder, auch andere Abschaltbefehlsgeber verwendet werden, die aufgrund anderer Sicherheitsfunktionen, die durch die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 überwacht werden, an den Ausgängen A₁, A₂, A₃ beispielsweise des Mikroprozessors 72 Abschaltsignale hervorrufen, die einer Sicherheits-Schaltvorrichtung, beispielsweise der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74, zugeführt werden. Dabei werden zwischen den Abschaltsignalen zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Schaltelemente S₁, S₂, S₃ der Sicherheits-Schaltvorrichtung Prüfschaltimpulse P - ₁, P - ₂ und P - ₃ an den Ausgängen A₁, A₂ und A₃ in der zeitlichen Reihenfolge und Dauer t₁, t₂ und t₃ gemäß den drei unteren Diagrammen in 8(b) oder in beliebiger Reihenfolge abgegeben und dem jeweiligen Schaltelement S₁, S₂ und S₃ zugeführt. Am gemeinsamen Ausgang der Reihenschaltung der Schaltelemente S₁, S₂ und S₃, der den Leitungen 33 und 83 in 5 entspricht, tritt dann der vom Sensor 82 zu messende, im obersten Diagramm in 8(b) dargestellte Signalverlauf (Spannungs- oder Stromverlauf) auf, wenn die Funktion aller Schaltelemente S₁ bis S₃ fehlerfrei ist.
In Abhängigkeit von diesem Verlauf wird dann "kein Fehler" oder "Fehler", hier durch den Mikroprozessor 73 an die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 gemeldet, wie es anhand von 6 beschrieben wurde.
9 stellt ein Ausführungsbeispiel der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 gemäß 5 dar, die während des normalen Betriebs vom Mikroprozessor 73 über dessen Ausgänge A₄ und A₅ auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft wird und zum Abschalten des Motors 3 über beide Ausgänge A₄, A₅ gleichzeitig ein Abschaltsignal erhält. Der Mikroprozessor 75 kann daher funktionsmäßig als Teil der Prüfvorrichtung und als Teil der Sicherheits-Schaltvorrichtung betrachtet werden.
Die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 enthält einen steuerbaren Schaltkreis aus zwei in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen 92 und 93 und einem mit den Widerständen 92, 93 in Reihe geschalteten Transistor 94. Dieser Schaltkreis liegt zwischen dem Ausgang A₄ des Mikroprozessors 73 und "Erde". Ferner enthält die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 einen zweiten steuerbaren Schaltkreis aus zwei in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen 95 und 96 sowie einem mit den Widerständen 95, 96 in Reihe geschalteten Transistor 97. Dieser Schaltkreis liegt zwischen dem Ausgang A₅ und "Erde". Die Verbindung zwischen den Widerständen 92 und 93 und die Verbindung zwischen den Widerständen 95 und 96 bilden die Ausgänge der beiden Schaltkreise. Die Ausgänge sind miteinander verbunden und bilden den Ausgang A₆ der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75. An der Betriebsspannung U_B1 liegen ferner zwei weitere Reihenschaltungen, die jeweils zwei ohmsche Widerstände 98 und 99, bzw. 100 und 101, aufweisen, zwischen denen jeweils ein Transistor 102 und 103 liegt. Der Transistor 102 wird über einen ohmschen Widerstand 104 vom Ausgang A₄ und der Transistor 103 über einen ohmschen Widerstand 105 vom Ausgang A₅ angesteuert. Die Transistoren 102 und 103 steuern über einen ohmschen Widerstand 104 bzw. 105 jeweils einen der Transistoren 94 und 97 an. Im Normalbetrieb liegt am Ausgang A₆ eine Spannung mit konstantem Pegel PK.
Während der Prüfphase erzeugt der Mikroprozessor 73 an seinen Ausgängen A₄ und A₅ dreistufige Signale, wie sie in den beiden unteren Diagrammen der 9(b) dargestellt sind. Diese Signale sind in Bezug auf eine mittlere Spannung U gegenphasig und weisen jeweils einen ersten Schaltimpuls SP₁ bzw. SP₃ und einen zweiten Schaltimpuls SP₂ bzw. SP₄ auf, die sich zyklisch wiederholen, solange die Prüfphase andauert. Die Schaltimpulse werden im Mikroprozessor 73 über zwei in Reihe geschaltete, abwechselnd durchgeschaltete Transistoren erzeugt. Solange keiner der Schaltimpulse SP₁ bis SP₄ auftritt, liegt die Spannung U an den Ausgängen A₄ und A₅, so daß beide Transistoren gesperrt sind und auch am Ausgang A₆ eine relativ hohe Spannung liegt. Wenn dagegen der abfallende Impuls SP₁ am Ausgang A₄ auftritt, wird gleichzeitig am Ausgang A₅ der ansteigende Impuls SP₃ erzeugt. Durch den Impuls SP₁ werden die Transistoren 102 und 94 leitend, während die Transistoren 103 und 97 gleichzeitig durch den Schaltimpuls SP₃ gesperrt werden. Die Spannung am Ausgang A₆ nimmt auf einen kleineren Prüfpegel PP ab, weil die Widerstände 93 und 96 während der Dauer der Schaltimpulse SP₁ und SP₃, d.h. der Durchschaltdauer des Transistors 94, bei gesperrtem Transistor 97, nicht parallel geschaltet sind. Der Mikroprozessor 72 erkennt dies als "Fehlerfreiheit" der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 an.
Das gleiche gilt bei Abgabe der Schaltimpulse SP₂ und SP₄, wobei jetzt der Transistor 94 gesperrt und der Transistor 97 leitend ist. Wenn jedoch einer der Transistoren 93 und 94 aufgrund eines Fehlers einen Kurzschluß darstellt, dann hat das Signal am Ausgang A₆ nicht die Welligkeit gemäß dem obersten Diagramm der 9(b). Vielmehr wird die Kurvenform geändert, und der Mikroprozessor 72 detektiert diese geänderte Kurvenform und gibt daraufhin ein Signal "Fehler" an die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 ab, bzw. ein Halt-Signal über die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74.
Falls jedoch die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 in Ordnung ist, und der Motor 3 jedoch aufgrund eines von der Sicherheits- und Überwachungsschaltung an den Mikroprozessor 73 abgegebenen Abschaltbefehlsignals abgeschaltet werden soll, erzeugt der Mikroprozessor 73 an beiden Ausgängen A₄ und A₅ gleichzeitig ein Signal, so daß beide Transistoren 94 und 97 leitend werden und am Ausgang A₆ der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 eine niedrige Spannung PN auftritt, die als Rücksetzsignal dem Rücksetzeingang R zugeführt wird, so daß der Motor 3 abgeschaltet wird.
Die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75, einschließlich der zu ihrer Prüfung vorgesehenen Mikroprozessoren 73 und 72, kann auch für beliebige andere Verbraucher, die zum Abschalten mit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung versehen sind, aber keine Steuereinrichtung, wie die Steuereinrichtung 2, aufweisen, benutzt werden. Anstelle des Mikroprozessors 73 kann auch eine andere Schaltung, z.B. ein entsprechender Impulsgenerator mit der gleichen Prüffunktion wie die des Mikroprozessors 73 und anstelle des Mikroprozessors 72 ein Diskriminator oder Komparator zum Unterscheiden der Pegel PK, PP und PN benutzt werden.
10 stellt ein Ausführungsbeispiel der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 und schematisch des Mikroprozessors 72 dar, die gemeinsam eine Vorrichtung zur selbsttätigen Prüfung der Funktionsfähigkeit der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 bilden. Sie bilden gleichzeitig einen Teil der Sicherheitsvorrichtung 4 auf der Optionskarte 18.
Nach 10 enthält die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 einen ersten steuerbaren Schaltkreis aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands 106 mit einem Transistor 107 und einen zweiten steuerbaren Schaltkreis aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands 108 und eines Transistors 109. Die zwischen dem Transistor 107 und dem Transistor 109 liegenden Ausgängen der beiden Schaltkreise sind mit einander verbunden und bilden gemeinsam den Ausgang A, der Sicherheits- Schaltvorrichtung 74. Der Ausgang A, ist über die Leitung 33 mit dem Betriebsspannungsanschluß des Schaltimpuls-Treibers 14₁ und über die Leitung 83 mit dem Spannungssensor 82 verbunden. Zwei weitere Reihenschaltungen aus jeweils zwei in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen 110 und 111 bzw. 112 und 113 sowie einem Transistor 114 bzw. 115 liegen parallel zwischen der Betriebsspannung U_B2 und "Erde". Die Verbindung der Widerstände 110 und 111 ist mit dem Steueranschluß des Transistors 107 und die Verbindung der Widerstände 112 und 113 mit dem Steueranschluß des Transistors 109 verbunden.
Der Mikroprozessor 72 erzeugt bei diesem Ausführungsbeispiel an seinen Ausgängen A₁ und A₂ im Normalbetrieb ein (hohes) Signal EIN, so daß beide Transistoren 109 und 107 leitend sind, und während einer Prüfphase jeweils einen Prüfschaltimpuls SP₄ bzw. SP₅, der dem Steueranschluß des jeweiligen Transistors 114 bzw. 115 zugeführt wird. Die Prüfschaltimpulse SP₄ und SP₅ sind zeitlich ohne gegenseitige Überlappung versetzt und wiederholen sich während der Prüfphase. Wenn mithin der Prüfschaltimpuls SP₄ am Ausgang A₁ des Mikroprozessors 73 auftritt, werden die im Normalbetrieb bei hoher Ausgangsspannung an den Ausgängen A₂ und A₁ leitenden Transistoren 114 und 107 gesperrt, während die Transistoren 109 und 115 leitend bleiben. Die Spannung am Ausgang A₇ nimmt daher nur geringfügig von dem konstanten Pegel PK auf den Prüfpegel PP ab. Zwischen den beiden Prüfschaltimpulsen nimmt die Spannung am Ausgang A₇ wieder auf PK zu, um beim folgenden Prüfschaltimpuls SP₅ am Ausgang A₂ des Mikroprozessors 73 wieder etwas abzunehmen. Die Spannung am Ausgang A, schwankt daher während der Prüfphase nur geringfügig. Die geringe Schwankung der Ausgangsspannung wird von dem angeschlossenen Spannungssensor 82 an den Mikroprozessor 73 weitergeleitet, der die Schwankung als fehlerfreien Zustand der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 interpretiert. Falls die Schwankung nicht auftritt bzw. die Kurvenform von der Kurvenform in der Prüfphase abweicht, wird das als Fehler der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 erkannt. Wenn dagegen der Verbraucher, hier der Motor 3, im Normalbetrieb abgeschaltet werden soll, erzeugt der Mikroprozessor 72 an beiden Ausgängen A₁ und A₂ gleichzeitig ein niedriges Signal "AUS". Dadurch werden die Transistoren 107 und 109 gleichzeitig gesperrt, so daß dem Treiber 14₁ die Betriebsspannung weggenommen wird und der Motor 3 anhält. Wenn die Spannung am Ausgang A, während einer Prüfphase im Normalbetrieb dagegen nur mit geringer Amplitude schwankt, bleibt der Schaltimpuls-Treiber 14₁ und mithin der Motor 3 weiter in Betrieb.
Die Widerstände 106 und 108 sind vorzugsweise selbsttätig in Abhängigkeit von der Belastung einstellbar, d.h. sie können durch kleinere Schaltungsanordnungen ersetzt werden, die den jeweiligen Widerstand in Abhängigkeit vom Belastungsstrom, beispielsweise des Schaltimpuls-Treibers 14, auf den jeweils günstigsten Wert einstellen. Dies hat den Vorteil, daß die Widerstände 106 und 108 bei der Auslegung der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 nicht für jeden Anwendungsfall unterschiedlich dimensioniert werden müssen.
11 stellt prinzipiell eine Schaltungsanordnung einer Prüfeinheit 116 in einer Vorrichtung 117 (5) zum selbsttätigen Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung dar. Im vorliegenden Fall werden die Eingangsanschlüsse der Mikroprozessoren 72 und 73 auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft, wobei die Mikroprozessoren 72 und 73 verallgemeinert als die oder als Teil einer Sicherheits-Schaltvorrichtung betrachtet werden können. Auch die Prüfeinheit 116 selbst wird getestet.
Der Grund für diese Prüfung ist im wesentlichen folgender: Den Eingangsanschlüssen der Mikroprozessoren 72 und 73 werden in der Ausführung nach 5 über die Anschlüsse der Anschlußleiste 35 auf der Optionskarte 18 Abschaltsignale zugeführt. Dabei sollte sichergestellt sein, daß diese Abschaltsignale tatsächlich vom betreffenden Mikroprozessor 72 bzw. 73 aufgenommen und verarbeitet werden. Es sollten sogenannte "schlafende Fehler" festgestellt werden. Ein derartiger Fehler kann z.B. dadurch verursacht werden, daß ein Eingangsanschluß der Mikroprozessoren über längere Zeit, z.B. mehrere Jahre, mit demselben Signal, z.B. eine konstante Gleichspannung von 24 V, belastet wird, ohne daß benutzerseitig ein Halt-Signal oder Abschaltsignal ausgelöst wird. Im ungünstigsten Fall wird der Fehler erst festgestellt, wenn eine "sichere Funktion" aktiviert werden soll. Dies wäre nicht tolerierbar, denn es könnte noch ein weiterer Fehler auftreten, der verhindert, daß die Sicherheitsvorrichtung 4 funktioniert.
Um einen solchen Fall zu vermeiden, werden die Eingangsanschlüsse der Mikroprozessoren 72 und 73 selbst tätig intern angesteuert, ohne die Anschlüsse der Anschlußleiste 35 zu beeinflussen.
Für jeden Eingangsanschluß der Mikroprozessoren 72 und 73 ist eine Prüfeinheit wie die in 11 dargestellte Prüfeinheit 116 vorgesehen, und jede Prüfeinheit kann individuell angesteuert werden.
Es werden auch die Ausgangsanschlüsse der Mikroprozessoren getestet. Dies geschieht dadurch, daß der eine Mikroprozessor ein kurzes Signal abgibt, das von dem anderen Mikroprozessor kontrolliert wird.
Die Prüfeinheit 116 nach 11 ist über einen Spannungspegeladapter SA, der einen ohmschen Spannungsteiler enthält, mit einem Anschluß der Anschlußleiste 35 (5) verbunden. Die Verbindung ist zur Vereinfachung der Darstellung in 5 weggelassen. Die Prüfeinheit 116 hat zwei weitere Eingänge E₃, E₄, denen zeitlich versetzte Prüfschaltimpulse SP₆, SP₇ von einem Impulsgenerator im Mikroprozessor 72 zugeführt werden. Der Impulsgenerator ist durch entsprechende Programmierung des Mikroprozessors 72 realisiert. Die Prüfeinheit 116 hat ferner einen Ausgang A₈, der mit einem Eingangsanschluß des Mikroprozessors 73 bzw. der Sicherheits-Schaltvorrichtung über einen Spannungspegeladapter SA verbunden ist.
Die Schaltungsanordnung der Prüfeinheit 116 gemäß 11(a) enthält eine erste Reihenschaltung aus einem ersten Transistor 118, einem gleichsinnig mit dem ersten Transistor 118 gepolten zweiten Transistor 119 und zwei gleichsinnig mit den Transistoren 118, 119 gepolten Di oden 120, 121 zwischen den Transistoren 118, 119. Ferner enthält sie eine zweite Reihenschaltung aus zwei ohmschen Widerständen 122, 123, deren Verbindung mit dem Steueranschluß des ersten Transistors 118 verbunden ist, und einen dritten Transistor 124. Der Steueranschluß des zweiten Transistors 119 bildet den Eingang E₄, der Steueranschluß des dritten Transistors 124 den Eingang E₃ und die Verbindung der Dioden 120, 121 den Ausgang A₈.
Die Prüfschaltimpulse SP₆ und SP₇ wiederholen sich zyklisch in vorbestimmten Zeitpunkten und festen Abständen, wobei die Prüfschaltimpulse SP₇ zwischen den Prüfschaltimpulsen SP₆, und umgekehrt, auftreten. Bei jedem Erhalt eines Prüfschaltimpulses SP₆ vom Mikroprozessor 72 am Eingang E₃ tritt am Ausgang A₈ der Prüfeinheit 116 ein hoher Ausgangsimpuls SP₈ und bei jedem Erhalt eines Prüfschaltimpulses SP₇ am Eingang E₉ vom Mikroprozessor 72 ein niedriger Ausgangsimpuls SP₉ auf. Die Ausgangsimpulse SP₈ und SP₉ werden vom Mikroprozessor 73 über die Mehrfachleitung M zum Mikroprozessor 72 weitergeleitet. Der Mikroprozessor 72 prüft dann, ob er bei bzw. zur Zeit der Abgabe eines Prüfschaltimpulses SP₆ einen hohen Ausgangsimpuls SP₈ der Prüfeinheit 116 und bei bzw. zur Zeit der Abgabe eines Prüfschaltimpulses SP₇ einen niedrigen Ausgangsimpuls SP₉ der Prüfeinheit 116 erhält. Wenn der Mikroprozessor 72 bei Abgabe eines Prüfschaltimpulses SP₆ oder SP₇ keinen entsprechenden Ausgangsimpuls SP₈ bzw. SP₉ erhält, erzeugt er ein Signal "Fehler", das an die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 zurückgemeldet wird, oder gibt ein Halt-Signal an die Steuereinrichtung ab. Dagegen erzeugt er ein Signal "kein Fehler", wenn er bei jeder Abgabe eines Prüfschaltimpulses SP₆ und SP₇ einen entsprechenden Ausgangsimpuls SP₈ und SP₉ von der Prüfeinheit 116 erhält.
Die Anwendung der hohen und niedrigen Ausgangsimpulse SP₈ und SP₉ der Prüfeinheit 116, die dem Mikroprozessor 72 zugeführt werden, ist deshalb erforderlich, weil nicht von vornherein bekannt ist, ob der Benutzer im Normalbetrieb ein hohes oder niedriges Abschaltsignal verwendet. Die Prüfung stellt sicher, daß der Mikroprozessor sowohl niedrige als auch hohe Abschaltsignale verarbeiten kann. Dadurch ist ausgeschlossen, daß Kurzschlüsse oder Unterbrechungen in den Eingangsanschlüssen nicht festgestellt werden.
Der Mikroprozessor 72 kann auch seine eigenen Eingangsanschlüsse über entsprechend mit seinen Eingangsanschlüssen verbundene Prüfeinheiten, wie der Prüfeinheit 116, auf Funktionsfähigkeit prüfen, obwohl dies in 5 nicht dargestellt ist.
Die Prüfung sollte so oft wie nötig durchgeführt werden, aber nur verhältnismäßig kurz und selten im Vergleich mit der Anwendung einer Abschaltfunktion, da das Abschaltsignal des Benutzers während der Prüfung nicht festgestellt werden kann. Während der Prüfung wird zwar der Eingangswiderstand, gesehen vom Benutzer, verringert, von beispielsweise 4 kOhm auf 2 kOhm. Doch erscheint dies akzeptabel, weil benutzerseitig häufig ein Relais benutzt wird.
12 stellt den Aufbau des Elektromotors 3 dar, der als dreiphasiger Drehstrommotor ausgebildet ist und in bekannter Weise mit der Steuereinrichtung 2 versehen ist, die hier als Umrichter ausgebildet ist und die Schwachstrom-Steuereinheit 6 sowie die Starkstrom-Steuereinheit 8 mit dem Wechselrichter 13 in einem Gehäuse 125 des Motors 3 aufweist. Das Gehäuse 125 besteht aus drei Gehäuseteilen 126, 127 und 128. Im Gehäuseteil 126 sind der Ständer mit der Ständerwicklung 129 und der Läufer 130 angeordnet. Die Welle 131 des Läufers 130 ist in Lagern 132 und 133 gelagert und treibt einen Ventilator 134 im Gehäuseteil 128 an. Das Gehäuseteil 127 ist am Gehäuseteil 126 befestigt und von außen nach Lösen einer Abdeckung 135 zugänglich. Innerhalb des Motors, d.h. seines Gehäuseteils 127, sind die Steuereinrichtung 2 und die mit der Steuereinrichtung 2 durch einen nicht dargestellten Verbinder (Steckverbinder oder Flachkabel mit Steckverbinderteilen) verbundene Sicherheitsvorrichtung 4 angeordnet. Die Sicherheitsvorrichtung 4 ist auf einer eigenen Karte 18 aufgebracht, während die Schwach- und Starkstrom-Steuereinheiten 4 und 6 entweder auf getrennten Karten 17 und 8 oder gemeinsam auf einer Karte (Platine) aufgebracht sind. Die Sicherheitsvorrichtung 4 kann aber auch zusammen mit der Steuereinrichtung 2 auf einer einzigen Karte angeordnet sein. Im Motor 3, d.h. in seiner aus den Gehäuseteilen 126 und 128 bestehenden Gehäuseeinheit ist der Sensor 51 zum Messen der Drehzahl angeordnet. Mit den Sensoren 136 und 137 sind weitere mögliche Anbringungsorte des Sensors dargestellt. Unter Umständen können mehrere Sensoren benutzt werden.
Der Sensor 51 hat nur eine Aufgabe, nämlich zu einer "sicheren Funktion" beizutragen. Er ist daher mit der Sicherheitsvorrichtung 4 innerhalb des Motors 3 (seines Gehäuses 125) verbunden. Wenn zusätzlich die Drehzahl des Motors 3 geregelt werden soll, kann ein zusätzlicher Drehzahlgeber vorgesehen sein, der üblicherweise jedoch außerhalb des Motors auf der Welle 131 angebracht wird.
Der Sensor 51 kann ein herkömmlicher oder speziell für Sicherheitszwecke ausgelegter Sensor sein, hier zum Messen der Drehzahl, um sie mit einem Grenzwert zu vergleichen.
Die Verbindungsleitungen zwischen der Sicherheitsvorrichtung 4 und dem innerhalb des Motors angeordneten Sensor 51 sind alle innerhalb des Motors verlegt, soweit es sich um einen "Sicherheits-Sensor" handelt. Der Benutzer braucht sich daher nicht um die Verdrahtung zu kümmern .

Claims

Elektromotor mit einer integrierten elektronischen Steuereinrichtung (2) und einem mit dieser verbundenen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (51) innerhalb eines Motorgehäuses (126, 128) angeordnet ist und allein oder zusätzlich als Sicherheitssensor dient und mit einer in einem weiteren auf dem Motorgehäuse aufgebrachten Gehäuse (127) angeordneten elektronischen Sicherheitsvorrichtung (4) verbunden ist, die mit der integrierten Steuereinrichtung (2) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Drehzahlsensor ist, der auf der Motorwelle (131) angebracht ist.
Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlsensor ein redundanter Sensor ist und aus zwei unabhängigen Drehzahlmessern (51, 51') besteht.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (4) auf einer ersten Karte (18) in dem weiteren Gehäuse (127) und die Steuereinrichtung (2) auf mindestens einer zweiten Karte (7) aufgebracht ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (4) und die Steuereinrichtung (2) in dem weiteren Gehäuse (127) auf einer gemeinsamen Karte aufgebracht sind.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (4) elektrische Anschlüsse (35) aufweist, die durch eine Wand des weiteren Gehäuses zugänglich sind und das Anschließen externer Signalleitungen (39, 56) ermöglichen, z.B. Signalleitungen eines Not-Halt-Schalters oder eines Kommunikationsbusses (56).
Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherheitsrückmeldungen (36) von der Sicherheitsvorrichtung (4) zu externen Einheiten, z.B. einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder einer externen Sicherheitsvorrichtung (5), über die elektrischen Anschlüsse geleitet werden.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (4) zwei Mikroprozessoren (72, 73) enthält, die einander gegenseitig auf Fehler überwachen und laufend die Funktionsfähigkeit von Sicherheitsschaltern (61, 21, 52) sowie Ein- und Ausgangsanschlüssen (A1-A5) der Mikroprozessoren prüfen.
Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (4) die Funktion "Drehzahlüberwachung" hat und beim Überschreiten eines Drehzahlgrenzwertes die Steuereinrichtung (2) abschaltet.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitssensor ein Drehmomentsensor oder Winkellagegeber ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung, z.B. eine Diode oder ein Display, im weiteren Gehäuse (127) angebracht ist und anzeigt, ob eine sichere Funktion aktiv ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rücksetz-Schalter zum Zurücksetzen der Sicherheitsvorrichtung (4) am weiteren Gehäuse (125) angebracht ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen von der Sicherheitsvorrichtung (4) zum Sicherheitssensor (51) über separate Kanäle, von Starkstromkabeln mindestens 5,5 mm getrennt, geführt sind.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Drehzahlsignal aus dem Motorstrom (77) oder einem pulsdauermodulierten Signal (71) gewonnen wird, das Schaltelemente eines Wech selrichters (13) in der Steuereinrichtung (2) steuert, und als zweites sicheres Drehzahlsignal benutzt wird.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit einem Lager des Motors (3) kombiniert ist.