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Die
Erfindung bezieht sich auf eine steuerbare Einrichtung zur sicherheitsgerichteten
Auswahl eines sicherheitsrelevanten Signals aus mehreren anstehenden
sicherheitsrelevanten Signalen.
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Beim
Einsatz von elektrischen Antrieben in der industriellen Automatisierungstechnik,
z.B. bei numerischgesteuerten Werkzeugmaschinen und Robotern, wird
ein möglichst
hoher Schutz von Mensch und Maschine angestrebt. Mit einer Funktion "Sicherer Halt" für einen
Motor einer industriellen Automatisierungstechnik soll gewährleistet
werden, dass auch im Ein-Fehler-Fall
die elektrische Maschine bzw. der Motor keine gefahrbringenden Bewegungen
ausführen
kann. Diese Funktion wird in der Regel betriebsmäßig angewählt, z.B. durch Öffnen einer
Schutztür.
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Für die Funktion "Sicherer Halt" ist bei einer beispielhaften
Realisierung in sicherer Technik eine zweifache Energieabschaltung
und damit Trennung zum Motor erforderlich. Bei der Funktion "Sicherer Halt" werden die Ansteuersignale
für die
Leistungshalbleiter eines Frequenzumrichters einer geberlosen stromrichtergespeisten
Drehfeldmaschine gesperrt, das allgemein mit dem Begriff "Impulssperre" bezeichnet wird.
Damit wird ein ungewollter Anlauf des Motors verhindert.
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Mit
dem Ausdruck "sicher" soll dabei zum Ausdruck
gebracht werden, dass die jeweiligen Anforderungen im Sinne der
Berufsgenossenschaften und Berufsgenossenschaftlichen Institute
für Arbeitssicherheit
erfüllt
werden.
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Der
Trend hin zur Dezentralisierung ist unbestritten. Die Komponenten
werden nicht mehr nur zentral sondern auch dezentral installiert.
Technisch ist dies bereits zu einen hohen Anteil realisierbar. Die Schaltkästen werden
zunehmend kleiner oder verschwinden vollständig.
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Schaltschranklos
dezentralisieren heißt:
Die Systeme direkt an den Ort des Geschehens zu verlagern. Durch
diese Verlagerung werden autarke, modulare und intelligente Einheiten
sowie Gerätegehäuse in hoher
Schutzart notwendig.
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Durch
die Möglichkeiten
des schaltschranklosen Aufbaus und unter Einsatz der Bustechnik
werden die Komponenten immer näher
am Fertigungsprozess eingesetzt. Diese Verlagerung direkt an den Prozess
setzt eine hohe Flexibilität
des Produkts voraus.
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Im
Handel ist ein dezentrales Peripheriesystem (Siemens-Katalog "Schaltschrankloses
Dezentralisieren mit SIMATIC ET 200", Kurzbeschreibung, März 2003),
das eine dezentrale Peripheriestation aufweist, erhältlich.
Diese dezentrale Peripheriestation weist ein Basismodul und maximal
sieben Erweiterungsmodule auf. Ist das Basismodul nicht mit einer SPS-Funktionalität ausgestattet,
ist die dezentrale Peripheriestation mit einem zentralen Automatisierungsgerät verbunden.
Dieses Basismodul und die Erweiterungsmodule, unter anderem ein
Motorstarter, sind auf einer Tragplatte nebeneinander steckbar. In
dieser Tragplatte sind alle notwendigen Signalleitungen und Hilfsspannungen
für Ein-
und Ausgänge in
Form eines Busses durchgeschliffen. Diese Module können somit
im Servicefall getauscht werden, ohne dass die ganze Station auseinandergebaut werden
muss.
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Da
der Markt nach sicherheitsgerichteten Lösungen zum Schutz von Mensch,
Maschine und Umwelt verlangt, wird zum genannten dezentralen Peripheriesystem
auch eine fehlersichere Ausführungsform
(Siemens AG, Kurzbeschreibung "Fehlersicher mit
SIMATIC S7-300F und SIMATIC ET 2005 PROFIsafe", 2002, Bestell-Nr. 6285310-QKE01-QBA1)
im Handel angeboten. Die fehlersicheren Module, auch als F-Module
bezeichnet, können
mit den Standardmodulen problemlos miteinander gesteckt werden (Mischaufbau).
Dieses fehlersichere, dezentrale Peripheriesystem wird als "Distributed Safety" bezeichnet. Für die Verteilung
von sicherheitsrelevanten Signalen, weist die Tragplatte der dezentralen
Peripheriestation räumlich
parallel zu einem Bussystem, beispielsweise PROFIBUS DP, Signalschienen
entsprechend der Anzahl der Sicherheits-Funktionen (Abschaltgruppen)
auf.
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Damit
jedes F-Modul einer oder mehreren Abschaltgruppen zugeordnet werden
kann, wird jedes F-Modul codiert. Dazu wird ein mechanisches Codiersystem,
bestehend beispielsweise aus Steckbrücken, verwendet. Ein derartiges
mechanisches Selektionssystem ist aufwendig (Gehäusekonstruktion, Platzbedarf,
Bedienbarkeit), anfällig
gegenüber Kontaktschwächen und
fehleranfällig
bei der Codierung (Verwechslungsgefahr).
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Codierung anzugeben,
die die aufgeführten Nachteile
nicht mehr aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass jedes anstehende sicherheitsrelevante Signal zweikanalig gefiltert
und potentialgetrennt auf einen Eingang einer von zwei steuerbaren
Signalauswahleinrichtungen gegeben wird, erhält man eine steuerbare Einrichtung
zur sicherheitsgerichteten Auswahl eines sicherheitsrelevanten Signals
aus mehreren anstehenden sicherheitsrelevanten Signalen. Diese steuerbare
Einrichtung stellt somit einen elektronischen, sicherheitsgerichtet
ausgeführten
Selektivschalter dar, der eine Auswahl eines gewünschten Eingangssignals in
sicherer Technik zulässt.
D.h., diese erfindungsgemäße Einrichtung zur
sicherheitsgerichteten Auswahl eines sicherheitsrelevanten Signals
bildet funktional einen 1-aus-n-Decoder in sicherer Technik, der
auch als Multiplexer in sicherer Technik bezeichnet werden kann.
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Durch
die erfindungsgemäße elektronische Codierung
in sicherer Technik, werden keine mechanische Steckbrücken zur
Codierung eines steckbaren F-Moduls der eingangs genannten Peripheriestation
mehr benötigt.
Dadurch vermindert sich der Platzbedarf für eine Codierung wesentlich,
so dass eine Gehäusekonstruktion
eines F-Moduls nicht mehr auf seine Codierung Rücksicht nehmen muss. Außerdem besteht
bei der Codierung keine Verwechselungsgefahr mehr, da die sicherheitsrelevanten
Signale alle an den Eingängen
der steuerbaren Einrichtung anstehen und die Auswahl eines sicherheitsrelevanten
Signals programmiert ist. Da die Eingänge der erfindungsgemäßen steuerbaren
Einrichtung alle gleichzeitig auf den Leitungen der Sicherheits-Funktionen
gesteckt sind (direkte elektrische Verbindung), ist diese elektronische
Codierung auch nicht mehr gegenüber
Kontaktschwächen
anfällig.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen steuerbaren
Einrichtung sind als Potentialtrennungen Potentialtrenn-Elemente
wenigstens zweier Mehrfachbauelemente vorgesehen. Durch die Verwendung
von kostengünstigeren
Mehrfachbauelementen anstelle von teueren Einzelbausteinen vermindert
sich nicht nur der Kostenanteil der erfindungsgemäßen steuerbaren
Einrichtung, sondern auch noch deren Platzbedarf.
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Bei
der Verwendung von Mehrfachbauelementen muss jedoch darauf geachtet
werden, dass niemals beide Kanäle
einer sicherheitsrelevanten Signals durch denselben Baustein geführt werden,
weil andernfalls Querschlüsse
zwischen den einzelnen Teilelementen des Mehrfachbauelementes die
Mehrkanaligkeit des Systems zunichte machen könnten.
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Weitere
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den Unteransprüchen 4 bis 10
zu entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
der steuerbaren Einrichtung schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt
eine Grundstruktur einer steuerbaren Einrichtung nach der Erfindung
für sichere
Signale, wogegen in der
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2 eine
Grundstruktur einer steuerbaren Einrichtung nach der Erfindung für zweikanalige
Signale dargestellt ist, die
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der steuerbaren Einrichtung gemäß der Grundstruktur
nach 1, und in der
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4 ist
eine Ausführungsform
der steuerbaren Einrichtung gemäß der Grundstruktur
nach 2 dargestellt.
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In
der 1 ist eine Grundstruktur einer steuerbaren Einrichtung 2 zur
sicherheitsgerichteten Auswahl eines sicherheitsrelevanten Signals
SFS1 bzw. SFS2...
bzw. SFSn aus mehreren anstehenden sicherheitsrelevanten
Signalen SFS1, ..., SFSn näher dargestellt.
Als sicherheitsrelevante Signale SFS1, ...,
SFSn sind sichere Signale SFS1s,
..., SFSns vorgesehen. Diese steuerbare
Einrichtung 2 weist eingangsseitig für jedes anstehende sichere
Signal SFS1s, ..., SFSns eine zweikanalige
Filterung 41 , ..., 4n auf. Jede zweikanalige Filterung 41 , ..., 4n weist
pro Kanal einen Filter 61 , ..., 6n bzw. 81 ,
..., 8n auf. Jedem dieser Filter 61 , ..., 6n und 81 , ..., 8n ist
ausgangsseitig eine Potentialtrennung 101 ,
..., 10n und 121 ,
..., 12n nachgeschaltet. Die Potentialtrennungen 101 , ...,10n eines
ersten Kanals dieser steuerbaren Einrichtung 2 sind ausgangsseitig mit
Eingängen
einer ersten steuerbaren Signalauswahleinrichtung 14 verbunden.
Die Ausgänge
der Potentialtrennung 121 , ..., 12n eines zweiten Kanals sind elektrisch
leitend mit den Eingängen
einer zweiten steuerbaren Signalauswahleinrichtung 16 verknüpft. Am
Ausgang 18 der Signalauswahleinrichtung 14 steht
ein erster Kanal SFS21 eines aus den anstehenden
sicherheitsrelevanten Signalen SFS1s, ..., SFSns ausgewähltes sicherheitsrelevantes
Signal SFS2s wobei dessen zweiter Kanal
SFS22 am Ausgang 20 der Signalauswahleinrichtung 16 ansteht.
Welchen von den anstehenden sicherheitsrelevanten Signalen SFS1s, ..., SFSns ausgewählt werden
soll, wird von einem bereitgestellten zweikanaligen Auswahlsignal SAD bestimmt, dessen erster Kanal SAD11 mit einem Steuereingang 22 der
ersten Signalauswahleinrichtung 14 und dessen zweiter Kanal
SAD12 mit einem Steuereingang 24 der
zweiten Signalauswahleinrichtung 16 verbunden sind. Mittels
dieses zweikanaligen Auswahlsignals SAD11,
SAD12 wird die Adresse des Eingangs ausgewählt, dessen
anstehende Eingangssignale SFS1s, ..., SFSns am Ausgang 18, 20 der
Signalauswahleinrichtung 14, 16 zweikanalig anstehen
soll. Aus diesem Grund wird der Steuereingang 22 bzw. 24 auch
als Adresseingang bezeichnet. Die Adresse eines auszuwählenden
sicherheitsrelevanten Signals SFS1s, ...,
SFSn wird sicher von zwei getrennten Mikroprozessoren
eines zu codierenden F-Moduls erzeugt. Gegenüber dem eingangsseitigen sicherheitsrelevanten
Signal SFS2, das ein sicheres Signal SFS2s ist, wird dieses ausgewählte sicherheitsrelevante
Signal SFS2 zweikanalig SFS21,
SFS22 ausgegeben.
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In
der 2 ist eine Grundstruktur für eine steuerbare Einrichtung 2 zur
sicherheitsgerichteten Auswahl eines sicherheitsrelevanten Signals
SFS1 bzw. SFS2,
... bzw. SFSn aus mehreren sicherheitsrelevanten
Signalen SFS1, ..., SFSn,
die hier zweikanalig SFS11, SFS12,
SFS21, SFS22, ...,
SFSn1, SFSn2 ausgeführt sind,
dargestellt. Gegenüber
der Grundstruktur der steuerbaren Einrichtung 2 nach 1 unterscheidet sich
diese Grundstruktur überhaupt
nicht. Somit ist diese erfindungsgemäße steuerbare Einrichtung 2 von
der Ausführung
der anstehenden sicherheitsrelevanten Signalen SFS1,
..., SFSn unabhängig.
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In
der 3 ist eine Ausführungsform der Grundstruktur
der steuerbaren Einrichtung 2 nach 1 dargestellt.
Ein Vergleich der Grundstruktur nach 1 mit der
in dieser 3 gezeigten Ausführungsform
zeigt, dass für
jedes Filter 61 , ..., 6n mit n = 6 des ersten Kanals und jedes
Filter 81 , ..., 8n mit
n = 6 des zweiten Kanals jede zweikanalige Filterung 41 , ..., 4n mit
n = 6 ein Tiefpass-Filter vorgesehen ist. Als Tiefpass-Filter ist
jeweils ein RC-Tiefpass vorgesehen, dem ausgangsseitig ein Widerstand
und eine antiparallele Diode elektrisch parallel geschaltet sind. Durch
diese Schaltungstopologie des Tiefpass-Filters wird verhindert,
dass Fehler in einem Kanal der zweikanaligen Filterung 41 , ..., 4n mit
n = 6 auf seinen anderen Eingang rückwirken kann, wodurch die
Sicherheitsfunktion beeinträchtigt
würde.
Durch den ausgangsseitigen parallelen Widerstand wird der Kondensator
des RC-Tiefpasses
bei Pegelwechsel des anstehenden sicherheitsrelevanten Signals SFS1s, ..., SFSns mit
n = 6 forciert entladen, so dass das Ausgangssignal eines jeden
Filters 61 , ..., 6n und 81 , ..., 8n mit
n = 6 dem Pegelwechsel ohne große
Verzögerung
folgen kann.
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Außerdem ist
erkennbar, dass jeweils als Potentialtrennung 101 ,
..., 10n und 121 ,
..., 12n mit n = 6 ein Optokoppler
vorgesehen ist, die in dieser Darstellung keine Einzelbausteine,
sondern Bauelemente mehrerer Mehrfachbauelemente 261 , 262 und 263 sind.
Im Mehrfachbauelement 261 sind
die Optokoppler für
die Potentialtrennung 101 , ..., 104 vorgesehen. Im Mehrfachbauelement 263 werden die Optokoppler für die Potentialtrennung 123 , ..., 126 verschaltet,
wogegen die Optokoppler des Mehrfachbauelementes 262 für die Potentialtrennungen 105 , 106 und 121 , 122 geschaltet
sind. Durch diese Entflechtung ist sichergestellt, dass niemals
beide Kanäle
eines sicherheitsrelevanten Signals SFS1,
..., SFSn mit n = 6 durch dasselbe Mehrfachbauelement 261 bzw. 262 bzw. 263 geführt werden.
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Die
Ausgänge
der Optokoppler des Mehrfachbauelementes 261 sind
mit Eingängen
der steuerbaren Signalauswahleinrichtung 14 verbunden.
Die Eingänge
der steuerbaren Signalauswahleinrichtung 16 sind überwiegend
mit den Ausgängen
des Mehrfachbauelementes 263 verknüpft, wogegen
die Ausgänge
der Optokoppler des Mehrfachbauelementes 262 auf
die beiden verbleibenden Eingängen
der beiden steuerbaren Signalauswahleinrichtung 14 und 16 verteilt
sind. Durch diese Entflechtung wird sichergestellt, dass niemals
beide Kanäle
eines sicherheits relevanten Signals SFS1 bzw.
SFS2... bzw. SFSn durch
eine steuerbare Signalauswahleinrichtung 14 bzw. 16 geführt wird.
Somit stehen an den Eingängen der
steuerbaren Signalauswahleinrichtung 14 erste Kanäle der gefilterten
sicherheitsrelevanten Signale SFS1, ...,
SFSn mit n = 6 an, wobei deren zweite Kanäle an den
Eingängen
der zweiten steuerbaren Signalauswahleinrichtung 16 anstehen.
Durch eine Vorgabe einer Adresse eines Eingangs der steuerbaren
Signalauswahleinrichtungen 14 und 16 steht an
einem Ausgang der steuerbaren Signalauswahleinrichtung 14 ein
erster Kanal des ausgewählten
sicherheitsrelevanten Signals an, dessen zweiter Kanal am Ausgang
der steuerbaren Signalauswahleinrichtung 16 ansteht. Als
Signalauswahleinrichtung 14 bzw. 16 ist ein Multiplexer
vorgesehen, dessen Anzahl der Eingänge der Anzahl der steuerbaren
Einrichtung 2 anstehenden sicherheitsrelevanten Signalen
SFS1, ..., SFSn mit
n = 6 entspricht.
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Die 4 zeigt
eine Ausführungsform
der Grundstruktur der steuerbaren Einrichtung 2 nach 2.
Wie bereits erwähnt
unterscheiden sich diese beiden Grundstrukturen nach 1 und 2 nicht. Lediglich
die anstehenden sicherheitsrelevanten Signale SFS1,
..., SFSn unterscheiden sich in ihrer Sicherheitsausführung. Somit
unterscheiden sich die in 4 dargestellte
Ausführungsform
von der Ausführungsform
nach 3 lediglich in der Entflechtung der Filter 61 ,..., 6n , 81 , ..., 8n und
der Potentialtrennungen 101 , ..., 10n , 121 ,
..., 12n mit n = 6 der drei Mehrfachbauelemente 261 , 262 und 263 . Auch bei der in der 4 dargestellten
Entflechtung wird sichergestellt, dass niemals beide Kanäle eines
sicherheitsrelevanten Signals SFS1, ...,
SFSn mit n = 6 durch den selben Baustein
geführt
wird.
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Wie
viele Mehrfachbauelemente 26 verwendet werden müssen, damit
niemals beide Kanäle
eines sicherheitsrelevanten Signals SFS1,
..., SFSn mit n = 6 durch den selben Baustein
geführt
werden, hängt von
der Anzahl der anstehenden sicherheitsrelevanten Signalen SFS1, ..., SFSn und
von der Anzahl der Bauelemente innerhalb eines Mehrfachbauelementes 26 ab.
In den beiden dar gestellten Ausführungsformen
gemäß 3 und 4 soll
mit der steuerbaren Einrichtung 2 ein sicherheitsrelevantes
Signal SFS1 bzw. SFS2,
... bzw. SFSn aus n anstehenden sicherheitsrelevanten
Signalen SFS1, ..., SFSn ausgewählt werden.
Da diese Signale SFS1, ..., SFSn zweikanalig ausgeführt sind,
werden 2 × n
= 12 Potentialtrennungen benötigt.
Wenn ein Mehrfachbauelement 26k Bauelemente
aufweist, benötigt
man also mindestens den aufgerundeten Betrag von 2·n/k Mehrfachbauelementen 26,
wenigstens jedoch zwei. Eine besonders günstige Konstellation liegt
vor, wenn die Zahl 2·n
der Kanäle
(die doppelte Zahl n der Eingangssignale) gerade ein ganzteiliges
Vielfaches der Anzahl k der Bauelemente je Mehrfachbauelement 26 ist.
Den Ausführungsformen
gemäß 3 und 4 ist
k = 4 und n = 6, womit drei Mehrfachbauelemente 26 benötigt werden.
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Somit
müssen
zwölf Filterausgänge auf
drei Mehrfachbauelemente 261 , 262 und 263 jeweils
mit vier Bauelementen verteilt werden. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen
ist folgende:
Man ordnet alle Mehrfachbauelemente 261 , 262 und 263 untereinander an. Anschließend werden
der Reihe nach alle ersten Kanäle
aller Signale an aufeinanderfolgende Bauelemente der Mehrfachbausteine 261 , 262 und 263 gelegt. Schließlich werden alle zweiten Kanäle aller
Signale an die auf die aufeinanderfolgenden restlichen Bauelemente
der Mehrfachbausteine 262 und 263 gelegt. Je nach Anzahl der Signale und
der Bauelemente je Mehrfachbaustein 26 werden dabei möglicherweise
einige Bauelemente ungenützt.
Ferner ist zu beachten, dass beim Wechseln von ersten Kanälen zu den
zweiten Kanälen
genau dann auch gleichzeitig auf einen neuen Mehrfachbaustein 26 gewechselt
werden muss, wenn die Anzahl der (zweikanaligen) Eingangssignale
kleiner ist als die Zahl der Bauelemente je Mehrfachbaustein 26.
Es kommen dann ohnehin nur genau zwei Mehrfachbausteine 26 zum
Einsatz.
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Die
Verwendung von Mehrfachbauelementen ist prinzipiell nicht nur bei
der Potentialtrennung möglich,
sondern auch bei den Filterblöcken.
Die Idee und die Rahmenbedingungen der Verteilung der Kanäle auf die
Bausteine bleibt dabei gleich.
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Die
beschriebene Struktur der steuerbaren Einrichtung 2 kann
auch für
mehr als zweikanalige Systeme verwendet werden. Dazu müssen alle
Elemente entsprechend häufiger
ausgeführt
werden, wobei das beschriebene Verfahren zur Verteilung der Kanäle auf die
Mehrfachbausteine prinzipiell unverändert bleibt, insbesondere
die Rahmenbedingung, niemals zwei Kanäle eines Signals durch denselben Baustein
zu führen.
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Mit
dieser erfindungsgemäßen steuerbaren Einrichtung 2 erhält man einen
elektronisch aufgebauten Multiplexer, der eine sicherheitsgerichtete Struktur
aufweist.