DE10307044A1

DE10307044A1 - Sicherheitsschalter, Sicherheitskreis mit Sicherheitsschaltern und Verfahren zum Betrieb eines Sicherheitsschalters

Info

Publication number: DE10307044A1
Application number: DE10307044A
Authority: DE
Inventors: Hermann Hoepken; Udo Kienapfel; Herbert Recke
Original assignee: KA Schmersal GmbH and Co KG
Current assignee: KA Schmersal GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-18
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2003-12-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitsschalter (1) mit zwei zwischen jeweils einen Eingangskontakt für ein Freigabesignal und jeweils einen Ausgangskontakt (2, 3, 5, 6) geschalteten elektronischen Schaltern (4, 7) und einem Sensor (9) für einen Betätiger (10), wobei eine Steuerung (8) zum Aktivieren der elektronischen Schalter (4, 7) in Reaktion auf eine Betätigung des Sensors (9), die an die Ausgangskontakte zum Erkennen von mit dem Schaltzustand unvereinbaren Signalen an den Ausgangskontakten gekoppelt ist, und durch eine Sicherheitslogik zum Abschalten der elektronischen Schalter (4, 7) bei einer Fehlfunktion.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Sicherheitskreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Betrieb eines Sicherheitsschalters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Zur Stellungsüberwachung von Schutzgittern, Schutztüren, Maschinenverkleidungsteilen oder anderen Schutzeinrichtungen, die den Zugang zu rotierenden Maschinenteilen oder anderen Gefahrstellen sichern, sind in vielen Ländern insbesondere manipulationssichere Sicherheitsschalter gesetzlich vorgeschrieben, die ein Öffnen der Schutzeinrichtung erkennen und Gefährdungen steuerungstechnisch beispielsweise durch Abschalten der Maschine verhindern. Üblicherweise sind die Sicherheitsschalter ortsfest nahe der Schutzeinrichtung angeordnet und werden durch an der Schutzeinrichtung befestigte mechanische, optische, elektronische und/oder induktive Betätiger aktiviert. Hierbei ist möglichst auch bei Stromausfall, Beschädigung der Signalleitungen, Bauteilausfall und anderen Fehlern sicherzustellen, daß eine Gefährdung ausgeschlossen ist. Die Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit gegen derartige Fehler sind genormt, vgl. z. B. EN 954-1 oder EN 1088, und führen zu einer Einstufung der Sicherheitsschalter in Sicherheitskategorien.

Zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Sicherheitsschalters oder mehrerer zu einem Sicherheitskreis in Reihe geschalteter Sicherheitsschalter ist es bekannt, Freigabesignale an einen Eingang des Sicherheitsschalters bzw. ein Ende des Sicherheitskreises anzulegen und an einem Ausgang des Sicherheitsschalters bzw. am anderen Ende des Sicherheitskreises abzugreifen und zur Auswertung zu führen. Eine dynamische Prüfung der einzelnen Sicherheitsschalter ist hierbei nicht möglich, so daß keine hohe Sicherheitskategorie erreichbar ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Sicherheitsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Sicherheitskreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Betrieb eines Sicherheitsschalters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 zu schaffen, mit denen eine hohe Sicherheitskategorie erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1, 8 und 9 gelöst.

Hierdurch wird ein Sicherheitsschalter geschaffen, dessen Komponenten vor und dynamisch während des Betriebs einem Selbsttest unterworfen werden können. Der Selbsttest umfaßt insbesondere eine Überprüfung der Ein- und Ausschaltbarkeit von elektronischen Schaltern im Sicherheitsschalter.

Ferner wird ein Sicherheitskreis aus mehreren über eine Vierdraht- Verbindung verbundenen Sicherheitsschaltern geschaffen, bei dem vor und dynamisch während des Betriebs eine Funktionsprüfung erfolgen kann. Hierbei sind sowohl die selbständige Überprüfung jedes Sicherheitsschalters als auch eine Überprüfung des nachfolgenden Kabelstrangs auf Kurzschluß und Schluß zu einem Fremdpotential gewährleistet.

Wenn der Selbsttest eine Fehlfunktion des Sicherheitsschalters oder des Kabelstrangs des Sicherheitskreises erfaßt, schaltet eine Sicherheitslogik den Sicherheitsschalter in einen sicheren Betriebsmodus um, in welchem seine elektronischen Schalter geöffnet werden und welcher beispielsweise durch Rücksetzen des Sicherheitsschalters, z. B. durch Unterbrechen der Betriebsspannung, wieder verlassen werden kann.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Sicherheitsschalter.
Fig. 2 zeigt einen Sicherheitskreis.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sicherheitsschalters.
Der in Fig. 1 gezeigte Sicherheitsschalter 1 umfaßt einen zwischen einen Eingangskontakt 2 und einen Ausgangskontakt 3 geschalteten elektronischen Schalter 4, einen zwischen einen Eingangskontakt 5 und einen Ausgangskontakt 6 geschalteten elektronischen Schalter 7, eine mit den elektronischen Schaltern 4, 7 verbundene Steuerung 8 und zumindest einen mit der Steuerung 8 verbundenen beispielsweise mechanischen, elektrischen, optischen und/oder induktiven Sensor 9 für einen entsprechenden Betätiger 10. Hierbei ist ein an die Eingangskontakte 2, 5 anlegbares Freigabesignal bei Erkennen des Betätigers 10 durch die Steuerung 8 durch Schließen der elektrischen Schalter 4, 7 an die jeweiligen Ausgangskontakte 3, 6 durchschaltbar. Die Energieversorgung der elektronischen Komponenten des Sicherheitsschalters 1 erfolgt über durchgeschleifte Anschlüsse 11, 12 für eine Betriebsspannung bzw. Masse.
Mehrere Sicherheitsschalter 1 sind wie in Fig. 2 gezeigt über eine Vierdraht- Verbindung 13 zu einem Sicherheitskreis 14 für eine Einrichtung 15 mit Gefahrpotential verbindbar.
Dabei sind die beiden in der Fig. 2 äußeren Adern der Vierdraht-Verbindung 13 an eine Spannungsquelle 16 gekoppelt und liefern über die Anschlüsse 11 und 12 die Betriebsspannung bzw. Masse an jeden der Sicherheitsschalter 1. Die Betriebsspannung wird zudem als Freigabesignal den beiden Eingangskontakten 2, 5 des ersten, in der Fig. 2 linken Sicherheitsschalters 1 des Sicherheitskreises 14 zugeführt.
Die anderen beiden Adern der Vierdraht-Verbindung 13 dienen der Weiterleitung des Freigabesignals entlang des Sicherheitskreises 14, wobei die Eingangskontakte 2, 5 des zweiten und jedes weiteren Sicherheitsschalters 1 mit den Ausgangskontakten 3, 6 des jeweils vorhergehenden Sicherheitsschalters 1 und die Ausgangskontakte 3, 6 des letzten, in der Fig. 2 rechten Sicherheitsschalters 1 über eine Auswerteeinrichtung 17 mit der Einrichtung 15 verbunden sind.
Wenn beide an den Ausgangskontakten 3, 6 des letzten Sicherheitsschalters 1 anliegenden Pegel Einschaltbedingungen erreichen, signalisiert die Auswerteeinrichtung 17 beispielsweise einer hier integrierten Steuerung mit einem Leistungsschalter, daß alle Sicherheitseinrichtungen geschlossen sind und die Einrichtung 15, beispielsweise ein Motor, gefahrlos in Betrieb genommen werden kann.
Jeder Sicherheitsschalter 1 wird bei erstmaliger Inbetriebnahme, d. h. nach dem Anlegen der Betriebsspannung an die Anschlüsse 11, 12, einem Anlaufselbsttest unterworfen.
Die Prüfung beginnt bei dem ersten Sicherheitsschalter 1 des Sicherheitskreises 14. Die Steuerung 8 überwacht kontinuierlich den Sensor 9 und schaltet, sobald ein zugehörige Betätiger 10 erkannt wird, die beiden elektronischen Schalter 4, 7 ein. Die Steuerung 8 überprüft danach, ob an den Eingangskontakten 2, 5 das Freigabesignal, hier die Betriebsspannung, anliegt. Dies kann für den Eingangskontakt 2 (5) beispielsweise durch Erfassen der Spannung am Ausgangskontakt 3 (6) erfolgen. Hierzu kann ein digitaler Eingang der Steuerung 8 mit dem Ausgangskontakt 3 (6) und über einen Pull-Down- Widerstand mit Masse verbunden sein, so daß eine logische 1 anliegt, wenn das Freigabesignal vorhanden ist, und eine logische 0 anliegt, wenn es nicht vorhanden ist.
Unterscheidet sich die an den Ausgangskontakten 3, 6 erfaßte Spannung, deutet dies auf eine Fehlfunktion hin. Ursache hierfür können ein Schluß eines der Ausgangskontakte 3, 6 oder eines daran angeschlossenen Kabelstrangs zu einem Fremdpotential oder auf eine das korrekte Schließen verhindernde Fehlfunktion eines der elektronischen Schalter 4, 7 bzw. der Steuerung 8 sein. In diesem Fall schaltet eine hier als Programm in die Steuerung 8 integrierte Sicherheitslogik den Sicherheitsschalter 1 in einen sicheren Betriebsmodus um, in welchem beide elektronischen Schalter 4, 7 geöffnet werden und welcher beispielsweise nur nach einem Rücksetzen des Sicherheitsschalters 1 beendet werden kann.
Sobald das Freigabesignal korrekt an den Ausgangskontakten 3, 6 erkannt ist, wird der Anlaufselbsttest mit der Überprüfung fortgesetzt, ob der zugehörige elektronische Schalter 4, 7 ordnungsgemäß geöffnet werden kann. Hierzu veranlaßt die Steuerung 8 sein Öffnen und erfaßt wie vorstehend beschrieben die Spannung am jeweiligen Ausgangskontakt 3, 6. Fällt die Spannung nicht auf 0 V ab, deutet dies auf einen Schluß des zugehörigen Ausgangskontakts 3, 6 oder eines daran angeschlossenen Kabelstrangs zur Betriebsspannung oder zu einem Fremdpotential oder auf eine das vollständige Öffnen verhindernde Fehlfunktion des elektronischer Schalters 4, 7 bzw. der Steuerung 8 hin. In diesem Fall wird in den sicheren Betriebsmodus umgeschaltet.
Der Anlaufselbsttest des ersten Sicherheitsschalters 1 ist nunmehr abgeschlossen und der Sicherheitsschalter 1 ist in Betrieb.
Damit ist das Freigabesignal an den nächsten Sicherheitsschalter 1 im Sicherheitskreis 14 durchgeschaltet. Dieser kann daraufhin den gleichen Anlaufselbsttest durchlaufen. Bei Aktivierung durch einen zugeordneten Betätiger wird das Freigabesignal an den nachfolgenden Sicherheitsschalter durchgeschaltet. So durchlaufen nacheinander alle Sicherheitsschalter 1 des Sicherheitskreises 14 den Anlaufselbsttest.
Während des Betriebs der Sicherheitsschalter 1 werden dynamische Selbsttests durchgeführt.
Zum einen werden die beiden elektronischen Schalter 4, 7 während des Betriebs durch die Steuerung 8 insbesondere nacheinander jeweils für kurze Zeit deaktiviert und dabei ihr Schaltzustand überwacht, um zu überprüfen, ob die elektronischen Schalter 4, 7 noch abschaltbar sind und ob zwischenzeitlich ein Schluß zu einem Fremdpotential vorliegt. Bei Vorliegen eines Fehlers wird in den sicheren Betriebsmodus umgeschaltet. Die Zeitspanne ist so kurz zu wählen, daß die mit den Ausgangskontakten 3, 6 verbundenen weiteren Sicherheitsschalter 1 durch die Unterbrechung der Betriebsspannung nicht beeinträchtigt werden.
Zum anderen wird der Strom durch vorzugsweise beide elektronischen Schalter 4, 7 überwacht. Hierzu ist den elektronischen Schaltern 4, 7 jeweils ein Überwachungsschaltkreis 18 zum Überwachen des den elektronischen Schalter 4 bzw. 7 durchfließenden Stroms zugeordnet. Die Überwachungsschaltkreise 18 können im einfachsten Fall als zweckmäßigerweise rücksetzbare Sicherungen ausgestaltet sein. Liegt der Strom über einem Schwellenwert, deutet dies auf einen Kurzschluß zwischen den Ausgangskontakten 3, 6 oder im nachfolgenden Kabelstrang hin und der Sicherheitsschalter 1 schaltet in den sicheren Betriebsmodus um.
Somit werden die elektronischen Schalter 4, 7 und der nachfolgende Kabelstrang während des Betriebs dynamisch auf Kurzschluß, Schluß zu einem Fremdpotential und Abschalt- und Schließbarkeit überprüft.
Während des Betriebs überwacht die Steuerung 8 jedes Sicherheitsschalters 1 im Sicherheitskreis 14 kontinuierlich ihren Sensor 9. Ist einer der Betätiger 10 infolge Öffnens der zugehörigen Sicherheitseinrichtung nicht mehr durch den zugeordneten Sensor 9 des zugeordneten Sicherheitsschalters 1 detektierbar, werden dessen elektronische Schalter 4, 7 geöffnet. Das korrekte Öffnen wird zweckmäßigerweise wie vorstehend für den Anlaufselbsttest beschrieben überwacht. Die im Sicherheitskreis 14 nachfolgenden Sicherheitsschalter 1 erkennen den Wegfall des Freigabesignals und unterbrechen die dynamische Prüfung ihrer jeweiligen elektronischen Schalter 4, 7, ohne deren Schaltzustand zu verändern, bis das Freigabesignal erneut anliegt. Die Auswerteeinrichtung 17 trifft die erforderlichen Maßnahmen, schaltet z. B. die Einrichtung 15 ab.
Wird die Sicherheitseinrichtung wieder geschlossen und der Betätiger 10 daraufhin wieder erkannt, veranlaßt die Steuerung 8, daß die beiden elektronischen Schalter 4, 7 wieder geschlossen werden. Das ordnungsgemäße Schließen wird dabei wie vorstehend für den Anlaufselbsttest beschrieben überprüft, bevor zur dynamischen Prüfung übergangen wird. Die im Sicherheitskreis 14 nachfolgenden Sicherheitsschalter 1 erkennen nacheinander das Freigabesignal und nehmen ihre dynamische Prüfung ebenfalls wieder auf. Der Anlaufselbsttest ist nicht erforderlich. Die Auswerteeinrichtung 17 erkennt, daß die Einrichtung 15 wieder gefahrlos angeschaltet werden kann.
Die elektronischen Schalter 4, 7 werden vorzugsweise als Halbleiter ausgestaltet, z. B. als MOSFET-Leistungstransistoren, deren Source und Drain mit den Eingangs- und Ausgangskontakten 2, 5, 3, 6 und deren Gate mit der Steuerung 8 verbunden ist.
Im in Fig. 3 gezeigten Sicherheitsschalter 1 ist beispielhaft der elektronischer Schalter 4 zusammen mit dem Überwachungsschaltkreis 18 als MOSFET-Leistungstreiber mit Strombegrenzung, wie er z. B. von der Firma STMicroelectronics unter der Bezeichnung VN750 erhältlich ist, und der elektronischer Schalter 7 zusammen mit einem weiteren Überwachungsschaltkreis 18 durch einen MOSFET-Leistungsschalter mit Strombegrenzung, wie er z. B. von der Firma International Rectifier unter der Bezeichnung IPS031G erhältlich ist, ausgestaltet.
Die Steuereingänge der MOSFETs sind über jeweils einen Pull-Down- Widerstand 19 mit Masse sowie mit Steuerausgängen der Steuerung 8 verbunden, die hier zweikanalig ausgeführt ist und zwei über eine Verbindung 20 zur gegenseitigen Funktionsüberprüfung miteinander gekoppelte Mikrocontroller 21, 22, z. B. vom Typ ATtiny 15 L, umfaßt.
Der Mikrocontroller 21 steuert den elektronischen Schalter 4 und überwacht den Schaltzustand des elektronischen Schalters 7. Hierzu ist der Ausgang des elektronischen Schalters 7 über zwei Widerstände 24 an einen Eingang 23 des Mikrocontrollers 21 sowie Masse gekoppelt.
Der Mikrocontroller 22 steuert den elektronischer Schalter 7 und überwacht den Schaltzustand des elektronischer Schalters 4. Hierzu ist der Ausgang des elektronischen Schalters 4 über zwei Widerstände 25 an einen Eingang 26 des Mikrocontrollers 22 sowie Masse gekoppelt.

Claims

1. Sicherheitsschalter (1) mit zwei zwischen jeweils einen Eingangskontakt für ein Freigabesignal und jeweils einen Ausgangskontakt (2, 3, 5, 6) geschalteten elektronischen Schaltern (4, 7) und einem Sensor (9) für einen Betätiger (10), gekennzeichnet durch eine Steuerung (8) zum Aktivieren der elektronischen Schalter (4, 7) in Reaktion auf eine Betätigung des Sensors (9), die an die Ausgangskontakte zum Erkennen von mit dem Schaltzustand unvereinbaren Signalen an den Ausgangskontakten gekoppelt ist, und durch eine Sicherheitslogik zum Abschalten der elektronischen Schalter (4, 7) bei einer Fehlfunktion.

2. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der elektronischen Schalter (4, 7) ein Überwachungsschaltkreis (11, 12) zum Erkennen eines zu hohen Stroms durch den elektronischen Schalter (4, 7) zugeordnet ist.

3. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) zum Überprüfen der Schließbarkeit der elektronischen Schalter (4, 7) aus dem geöffneten Zustand ausgestaltet ist.

4. Sicherheitsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) zum Überprüfen der Ausschaltbarkeit der elektronischen Schalter (4, 7) aus dem geschlossenen Zustand ausgestaltet sind.

5. Sicherheitsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) zum zyklischen kurzzeitigen Öffnen der elektronischen Schalter (4, 7) ausgestaltet ist.

6. Sicherheitsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) und die Sicherheitslogik zwei einander überwachende Mikroprozessoren oder Mikrocontroller (21, 22) umfaßt.

7. Sicherheitsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (4, 7) Transistoren, insbesondere MOSFET-Transistoren sind.

8. Sicherheitskreis (14) für eine Einrichtung (15) mit Gefahrpotential, mit in Reihe geschalteten Sicherheitsschaltern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangskontakte (2, 5) des ersten Sicherheitsschalters (1) mit einem Freigabesignal beaufschlagbar sind, die Eingangskontakte (2, 5) jedes nachfolgenden Sicherheitsschalters (1) mit den Ausgangskontakten (3, 6) des vorhergehenden Sicherheitsschalters (1) und die Ausgangskontakte (3, 6) des letzten Sicherheitsschalters (1) an die Einrichtung (15) gekoppelt sind.

9. Verfahren zum Betrieb eines Sicherheitsschalters (1) mit zwei zwischen jeweils einen Eingangs- und jeweils einen Ausgangskontakt (2, 3, 5, 6) geschalteten elektronischen Schaltern (4, 7) und einem Sensor (9) für einen Betätiger (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei geschlossenen elektronischen Schaltern (4, 7) in Reaktion auf ein erstes Betätigen des Sensors (9) nach Anschalten des Sicherheitsschalters (1) auf ein Freigabesignal an den Ausgangskontakten (3, 6) gewartet wird, die elektronischen Schalter (4, 7) dann geöffnet werden, ein Sicherheitszustand aktiviert wird, wenn an wenigstens einem Ausgangskontakt (3, 6) noch ein Freigabesignal erkennbar ist, andernfalls beide elektronischen Schalter (4, 7) geschlossen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß durch wenigstens einen der elektronischen Schalter (4, 7) überwacht wird und bei Überschreiten eines Schwellenwertes der Sicherheitszustand aktiviert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließbarkeit der elektronischen Schalter (4, 7) aus dem geöffneten Zustand überprüft wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließbarkeit eines der elektronischen Schalter (4) aus dem geöffneten Zustand überprüft wird, während der jeweils andere (7) geöffnet ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltbarkeit der elektronischen Schalter (4, 7) aus dem geschlossenen Zustand zyklisch überprüft wird

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltbarkeit eines der elektronischen Schalter (4) aus dem geschlossenen Zustand überprüft wird, während der jeweils andere (7) geschlossen ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (4, 7) im Sicherheitszustand geöffnet werden.