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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer integrierten elektronischen
Steuereinrichtung und einem mit dieser verbundenen Sensor.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Drehzahlsensor kann ein redundanter Sensor sein, der aus zwei unabhängigen Drehzahlmessern
besteht. Dies trägt
zur Erhöhung
der Sicherheit bei.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
einzelnen kann die Sicherheitsvorrichtung die Funktion "Drehzahlüberwachung" aufweisen und beim Überschreiten
eines Drehzahlgrenzwertes die Steuereinrichtung abschalten, so daß auch der
Motor angehalten wird.
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Der
Sicherheitssensor kann alternativ ein Drehmomentsensor oder Winkellagegeber
sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der
beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele und Abwandlungen
dieser Ausführungsbeispiele
näher beschrieben.
In den Zeichnungen stellen dar:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung
für einen elektrischen
Motor mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung,
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2 eine
Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach 1,
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3 eine
weitere Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach 1,
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4 eine
dritte Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach 1,
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5 eine
vierte Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach 1,
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6 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum
selbsttätigen
Prüfen
der Funktionsfähigkeit
einer Sicherheits-Schaltvorrichtung in der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung
und ein zugehöriges Impulsdiagramm,
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7 eine
Abwandlung der Prüfvorrichtung nach 6 mit
einem zugehörigen
Impulsdiagramm,
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8 ein
verallgemeinertes Blockschaltbild der Prüfvorrichtung nach den 6 und 7 mit zugehörigen Impulsdiagrammen,
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9 ein
Schaltbild einer abgewandelten erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung für die Funktionsfähigkeit
von Ein- und Ausgängen
einer der in 5 dargestellten Sicherheits-Schaltvorrichtungen
mit zugehörigen
Impulsdiagrammen,
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10 ein
Schaltbild einer weiteren Abwandlung einer Vorrichtung zum Prüfen der
Funktionsfähigkeit
einer Sicherheits-Schaltvorrichtung mit zugehörigen Impulsdiagrammen,
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11 ein
Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung der
Funktionsfähigkeit
einer Sicherheits-Schaltvorrichtung mit zugehörigen Impulsdiagrammen und
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12 schematisch
einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung in Form eines
Umrichters.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 UB1 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.
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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.
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An
einer Verbindung 47 der 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
andere Verzögerungsglied 24 erzeugt nach
Ablauf seiner Verzögerungszeit,
die gleich der des Verzöge
rungsglieds 23 ist, ein redundantes Abschaltsignal.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 "UB3" (UB3 =
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.
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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 Drehzahlüberwachunsseinrichtung wird
der Betrieb der Steuereinrichtung 2 und damit der des Motors
angehalten, sobald die vorgegebene Drehzahlgrenze überschritten
wird.
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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.
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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.
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Wie
bei dem Ausführungsbeispiel
nach 1 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.
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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.
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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.
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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
UB2 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 UB4 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 UB2 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
UB2 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 UB2 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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Spannungssensor 82 mißt
ferner die Spannung UB2 am Betriebsspannungseingang
des Schaltimpuls-Treibers 141 über eine
Leitung 83, nachdem die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 gesperrt
wurde. Wenn die Betriebsspannung UB2 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.
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Die
Spannung am Betriebsspannungseingang des Schaltimpuls-Treibers 141 wird außerdem dem Mikroprozessor 12 über die
Trennstufe 67 zur Überprüfung zugeführt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 UB1 und sein Emitter
mit "Erde" verbunden ist.
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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 O-Signale
auf der Eingangsseite der Verknüpfungsglieder
ausgelöst werden
sollen. Vorliegend sind es 1-Signale.
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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 UR 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 UR an der Relaisspule ständig daraufhin prüft, ob sie
kurzzeitig abfällt oder
nicht, erkennt ein kurzzeitiges Abnehmen oder Schwanken der Spannung
UR 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 UR 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 UR 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
einnimmt, in dem der Verbraucher eingeschaltet ist, das im Normalbetrieb
einen ersten Schaltzustand, 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.
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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.
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Nach 7 besteht
der Verbraucher aus einem ohmschen Widerstand R und einem mit diesem in
Reihe geschalteten Kondensator, an dem die Betriebsspannung UB 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 UR an dem ohmschen Widerstand
R abgegriffen.
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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
UR 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.
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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.
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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.
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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 UB1 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.
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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 Trarsistoren 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.
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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.
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Falls
jedoch die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 in Ordnung
ist, und der Motor 3 jedoch aufgrund eines von der Sicherheits-
und Überwachungsschaltung
an der 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.
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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.
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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.
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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 A7 der Sicherheits- Schaltvorrichtung 74.
Der Ausgang A7 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 UB2 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.
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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 am
Mikroprossors 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 A7 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
A7 während einer
Prüfphase
im Normalbetrieb dagegen nur mit geringer Amplitude schwankt, bleibt
der Schaltimpuls-Treiber 141 und
mithin der Motor 3 weiter in Betrieb.
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Die
Widerstände 106 und 108 sind
vorzugsweise selbsttätig
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
Anwedungsfall unterschiedlich dimensioniert werden müssen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Mikroprozessor 72 realisiert.
Die Prüfeinheit 116 hat
ferner einen Ausgang A8, der mit einem Eingangsanschluß des Mikroprozessors 73 bzw.
der Sicherheits-Schaltvorrichtung über einen Spannungspeladapter
SA verbunden ist.
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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.
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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 E4 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.
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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.
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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.
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Die
Prüfung
sollte so oft wie nötig
durchgebohrt 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.
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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.
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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.
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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.
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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 .