DE1125069B

DE1125069B - Gegen innere Fehler geschuetzte digital-binaere Steuerung

Info

Publication number: DE1125069B
Application number: DEL38048A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wolfgang Andrich; Ernst Zimmer; Dr-Ing Klaus Marenbach
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1961-01-26
Filing date: 1961-01-26
Publication date: 1962-03-08
Also published as: DE1139580B; CH422980A; DE1424427B2; NL274016A; NL143052C; DE1166260B; DE1413965A1; DE1413959A1; DE1413960B2; GB990746A; DE1424427A1; DE1413960A1; DE1299354B

Description

Gegen innere Fehler geschützte digitalbinäre Steuerung Bei vielen technischen Einrichtungen, die elektrisch gesteuert werden, sind besondere Schutzmaßnahmen notwendig, die verhindern, daß der gesteuerte Vorgang ausgelöst wird, wenn in der Steuerung ein Defekt auftritt. Dieser Schutz kann beispielsweise bei Pressen für das bedienende Personal lebenswichtig sein. Hier darf auf keinen Fall die Kupplung für den Stempel durch einen Steuerungsdefekt betätigt werden; vielmehr soll die Schaltung so ausgelegt sein, daß sich die Presse bei einem Defekt in der Steuerung mit den vorhandenen Bedienungselementen nicht mehr betätigen läßt, auch wenn der Schaden nur in der nicht zur eigentlichen Steuerung gehörenden überwachung aufgetreten ist. Schaltungen mit Schützen oder Relais, die diese Forderung erfüllen, sind bekannt.
Digitalbinäre Steuerungen mit Halbleiterelemente als Schaltelemente aufweisenden logischen Elementen erfüllen ohne zusätzliche Einrichtungen nicht die Bedingung der geforderten Sicherheit. Unter einer digitalbinären Steuerung versteht man dabei eine Steuerung, die mit digitalbinären Signalen arbeitet und nach den Regeln der Schaltungsalgebra aufgebaut ist. Ein digitalbinäres Signal kann nur zwei Werte annehmen, nämlich den Wert »L« (oder auch 1), d. ih. »vorhanden«, oder den Wert »0«, d. h. »nicht vorhanden«, entsprechend den Zuständen »geschlossen« oder »geöffnet« eines Stromkreises bzw. der Schaltelemente der Steuerung. Eine digitalbinäre Steuerung kann danach nur zwei stabile Betriebszustände einnehmen. Bei digitalbinären Steuerungen, die Halbleiterelemente, z. B. Transistoren als Schaltelemente aufweisen, wird der Wert »L« des digitalbinären Signals durch »Gleichspannung vorhanden« und der Wert »0« durch »keine Gleichspannung vorhanden« dargestellt. Geht man von einer einkanaligen digitalbinären Steuerung aus, so erscheint am Ausgang der Wert »L«, wenn die Eingangssignale bestimmte, der Aufgabenstellung entsprechende Zustandskombinationen aufweisen. Ein Fehler wird sich in dieser Steuerung so auswirken, daß der Ausgang einen bestimmten Zustand (»L« oder »0«) annimmt, obwohl er eigentlich in dem hierzu antivalenten Zustand sein müßte. Dieser Fehler kann bei einer digitalbinären Steuerung mit Transistoren als Schaltelementen auf Grund eines Transistordefektes auftreten. Der Transistor wird im defekten Zustand entweder sperrend oder leitend, vorzugsweise jedoch leitend. Er kann deshalb einen Zustand vortäuschen, der nur auftreten darf, wenn ein Eingangssignal anliegt. Entscheidend ist hierbei die Bedingung, welches Versagen der Steuerung zur ungefährlichen oder zur gefährlichen Seite hin liegt. Zur Veranschaulichung dieser Bedingung sei die aus einem Leistungstransistor bestehende Endstufe einer digitalbinären Steuerung betrachtet.
Liegt das Stellglied der Steuerung im Kollektorkreis des Leistungstranssistors, so wird es im einwandfreien Zustand des Leistungstransistors nur dann betätigt, wenn am Eingang der Wert »L« des digitalbinären Steuersignals anliegt. Wird der Transistor im sperrenden Sinne defekt, so kann das Stellglied nicht mehr betätigt werden. Es liegt somit ein Versagen nach der ungefährlichen Seite hin vor; das jedoch insofern stört, als die Steuerung blockiert ist. Wird dagegen der Transistor im leitenden Sinhe defekt, so hat der Ausgang dauernd Strom unabhängig vom Vorhandensein eines Eingangssignals. In diesem Fall liegt ein Versagen nach der gefährlichen Seite hin vor, da dann das Stellglied betätigt wird, ohne daß ein Eingangssignal dies veranlaßt.
Man erkennt aus diesen Ausführungen, daß bei einer digitalbinären Steuerung mit Transistoren als Schaltelemente aufweisenden logischen Elementen, wenn der Wert »L« des digitalbinären Steuersignals durch »Gleichspannung vorhanden« und der Wert »0« durch »Gleichspannung nicht vorhanden« dargestellt wird, die Transistoren beim Defektwerden den zur Betätigung der nachfolgenden Stufe notwendigen Wert des digitalbinären Steuersignals, d. h. ein gefährliches Versagen der Steuerung, erzeugen können. (In den folgenden Ausführungen sei angenommen, daß ein gefährliches Versagen der Steuerung dann vorliegt, wenn der Ausgang statt »0« fehlerhafterweise den Wert »L« annimmt.) Die Sicherheit einer derartigen digitalbinären Steuerung kann man erhöhen, wenn man die Steuerung zwei- bzw. mehrkanalig ausführt. Die Ausgänge betätigen dabei über eine UND-Verknüpfung das Stellglied. Die UND-Verknüpfung kann z. B. durch die Reihenschaltung der Endtransistoren dargestellt werden. Ein gefährliches Versagen der Steuerung ist nur dann möglich, wenn alle Kanäle mit Fehlern zur unsicheren Seite hin behaftet sind. Nachteilig ist, daß die Steuerung noch arbeitet, solange mindestens ein Kanal intakt und z. B. die Endtransistoren der anderen Kanäle defekt sind. Es ist jedoch anzustreben, daß beim Auftreten auch nur eines Defektes eine Betätigung des Stellgliedes bzw. eine nachgeschaltete Stufe nicht mehr möglich ist. Diese mehrkanaligen Steuerungen haben außerdem den Nachteil, daß die Wahrscheinlichkeit des ungefährlichen Versagens mit zunehmender Zahl der Kanäle größer wird, so daß man gezwungen ist, sogenannte Auswahlschaltungen einzuführen.
Die vorstehend beschriebenen Steuerungen haben noch einen weiteren Nachteil. Die Ausgänge werden über Bauteile, z. B. über ein UND-Gatter, erfaßt, die wiederum nur einfach vorhanden sind. Wird dieser Bauteil im Sinne eines gefährlichen Versagens defekt, dann nutzt der ganze Aufwand nichts mehr. Es sind auch Steuerungen bekannt, bei denen dieser Nachteil weitgehend vermieden wird. In dem einen Fall wird die Steuerung wieder zweikanalig aufgebaut mit zwei funktionsmäßig antivalenten Kanälen. Im fehlerfreien Zustand beider Kanäle muß, wenn der Ausgang des einen Kanals gleich »L« ist, der andere »0« sein und entsprechend umgekehrt. Ein Fehler wird dann nicht erfaßt, wenn in jedem Kanal ein Fehler auftritt, die zueinander antivalent sind. Jeder andere Fehler hat eine Störung der Antivalenz der Ausgänge zur Folge, die von einer nachgeschalteten Überwachungseinrichtung erfaßt und gemeldet wird.
In dem anderen Fall ist eine Fehlersignalsperre vorgesehen, die die Ausgänge einer Steuerung mit einem oder mehreren Eingängen vergleicht und aus der Zuordnung der Signale Rückschlüsse darauf zieht, ob innerhalb der Steuerung ein Fehler vorliegt oder nicht.
Diese beiden Lösungen haben den Nachteil, daß sie eine Überwachungseinrichtung benötigen, die ebenfalls defekt werden kann und somit Fehler meldet, die in der Steuerung überhaupt nicht vorhanden sind. Weiterhin bedeutet eine überwachungseinrichtung einen zusätzlichen Aufwand. Der Aufwand ist auch bei der ersten Lösung, der zweikanahgen, zueinander antivalent aufgebauten Steuerung wegen der Zweikanaligkeit als weiterer Nachteil zu werten.
Die Erfindung zeigt einen neuen Weg, um eine digital binäre Steuerung, die aus mindestens einem logischen Element mit einer Halbleiteranordnung besteht, gegen innere Fehler zu schützen.
Gemäß der Erfindung wird die Halbleiteranordnung mit einer Wechselspannung bzw. mit einer impulsförmigen Spannung als digitalbinäres Steuersignal beaufschlagt, das im einwandfreien Zustand der Halbleiteranordnung von dieser übertragen wird und das über ein nur für dieses Steuersignal durchlässiges Koppelglied entweder ein nachgeschaltetes logisches Element oder ein Stellglied beaufschlagt.
Es wird erfindungsgemäß ein digitalbinäres Steuersignal eingeführt, das von der Halbleiteranordnung nicht übertragen wird, wenn dieses defekt wird,. gleichgültig, ob sie im sperrenden oder im leitenden Sinne defekt wird. Die Halbleiteranordnungen sind dabei durch nur für dieses Steuersignal durchlässige Koppelglieder gleichstrommäßig getrennt.
Bei der Steuerung nach der Erfindung wird der Wert »L« des digitalbinären Steuersignals durch »Wechselspannung bzw. Impulse vorhanden«, der Wert »0« durch »keine Wechselspannung bzw. keine Impulse vorhanden« dargestellt.
Wird deshalb die Halbleiteranordnung defekt, so kann der Ausgang nicht den Wert »L« annehmen. Ein nachgeschaltetes Element bzw. das Stellglied kann nicht betätigt werden.
Bei der Steuerung nach der Erfindung ist keine gesonderte Überwachungseinrichtung notwendig, da sich die Steuerung von selbst überwacht. Man kann deshalb die Steuerung auch einkanalig ausführen und hat trotzdem eine hohe Betriebssicherheit.
Als Halbleiterelemente der Halbleiteranordnungen kommen steuerbare Halbleiter, wie Transistoren, und andere Mehrschichtelemente in Betracht.
Werden zur Steuerung logische Elemente mit Kippverhalten benutzt, so wird vorzugsweise eine Wechselspannung zur Steuerung verwendet: Bei Elementen ohne Kippverhalten wird vorzugsweise zur Vermeidung einer Belastung der Halbleiterelemente eine Rechteckspannung bzw. eine impulsförmige Spannung verwendet.
Als Koppelglieder können induktive Übertrager oder Kondensatoren verwendet werden. Die induktive Übertragung bietet den Vorteil, daß das Koppelglied wegen der galvanischen Trennung nicht überwacht zu werden braucht. Außerdem arbeitet die Steuerung mit einem höheren Wirkungsgrad. Die Koppelglieder sind vorzugsweise so dimensioniert, daß ihr Wechselstromwiderstand für 50 Hz groß ist. Netzstörungen mit 50 Hz sind somit nicht wirksam.
Es ist an sich eine Schutz- bzw. Meßanordnung bekannt, bei der eine zu messende Wechselspannung über ein nur für Wechselspannung durchlässiges Koppelglied eine Transistor-Verstärkerschaltung beaufschlagt, die ihrerseits über ein weiteres derartiges Koppelglied eine nachgeschaltete Schutz- bzw. Meßeinrichtung aussteuert.
Während bei dieser bekannten Anordnung eine vorgegebene Wechselspannung durch die Transistoren verstärkt werden soll und in Abhängigkeit von der Größe der Wechselspannug Schaltmaßnahmen ausgelöst werden, wird bei der Steuerung nach der Erfindung die Wechselspannung; die als Steuersignal eingeführt wird, weil sie im defekten Zustand der Halbleiteranordnungen nicht mehr von diesen übertragen werden soll, durch die Halbleiteranordnungen geschaltet. Schaltmaßnahmen werden in Abhängigkeit von dem »Vorhandenseinn der Wechselspannung« bzw. von dem »Nichtvorhandensein der Wechselspannung« ausgelöst.
Es handelt sich damit bei der bekannten Anordnung um eine analoge Steuerung, bei der Erfindung dagegen um eine digitalbinäre Steuerung, für die aus Gründen der Überwachung auf innere Fehler ein spezifisches digitalbinäres Steuersignal vorgesehen ist.
Die in der erfindungsgemäßen Steuerung verwendeten Speicherelemente sind vorzugsweise so ausgebildet, daß sie kein Ausgangssignal mehr geben, wenn sie defekt geworden sind.
Die Steuerung kann einphasig und mehrphasig; z. B. gegentaktmäßig ausgelegt sein. Die Gegentaktschaltung hat einmal den Vorteil der erhöhtem Sicherheit und ist zum anderen unempfindlich gegen transiente Vorgänge (Schaltvorgänge). Bei der Gegentaktanordnung werden beide Kanäle jeweils mit einer wechsel- bzw. impulsförmigen Spannung versorgt, die jedoch um 180° phasenverschoben sind.
Die erfindungsgemäße Steuerung besitzt weiterhin den Vorteil, daß ein Anschluß des Stellgliedes auf das Nullpotential der Schaltung bzw. auf Erdpotential gelegt werden kann. Es ist somit keine gesonderte Erdschlußüberwachung notwendig.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Beschreibung von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung. Es zeigt Fig.l eine Eintaktsteuerung mit induktiven Koppelgliedern, Fig. 2 eine Gegentaktsteuerung mit Kondensatorkopplung.
In dem Ausführungsbeispiel einer digitalbinären Steuerung nach Fig. 1 ist beispielsweise als Halbleiteranordnung ein Leistungstransistor 5 vorgesehen, der das Stellglied 16 betätigt. Der Transistor 5 ist über den Übertrager 4 mit dem UND-Gatter 3 verbunden. Das UND-Gatter 3 enthält ebenfalls mindestens einen Transistor als Halbleiteranordnung. Es ist weiterhin eine Impulsquelle 1 vorgesehen, die das digitalbinäre Steuersignal erzeugt und die über den Kondensator 2 mit einem Eingang des UND-Gatters 3 verbunden ist. Durch den Kondensator 2, für den ebenfalls ein induktiver Übertrager gesetzt werden kann, und den induktiven Übertrager 4 sind die Halbleiteranordnungen 3, 5 untereinander bzw. von der Impulsquelle 1 gleichstrommäßig getrennt.
In dem Kollektorstromkreis des Transistors 5 liegt ein induktiver Übertrager 6 und eine Sicherung 7. An dem Übertrager 6 wird die impulsförmige Spannung abgenommen und mittels einer Gleichrichteranordnung 8 gleichgerichtet. Die aus der impulsförmigen Spannung gewonnene Gleichspannung betätigt das Stellglied 16. Ein Anschluß des Stellgliedes ist auf Nullpotential gelegt.
Sind keine Defekte vorhanden und liegen die Steuersignale e1 und e2 sowie die aus der Impulsquelle 1 gewonnene impulsförmige Spannung am Eingang des UND-Gatters 3 an, so ist die UND-Bedingung erfüllt. Der Transistor 5 wird so lange mit der impulsförmigen Spannung ausgesteuert, d. h. mit dem Wert »L« des digitalbinären Signals beaufsehlagt, solange die UND-Bedingungen erfüllt ist. Die Steuersignale e 1 und e 2, die den Arbeitsvorgang einleiten, können aus einer Programmschaltung, z. B. aus einer Zählschaltung od. dgl. abgeleitet werden.
Wird in dieser digitalbinären Steuerung ein Halbleiter defekt, z. B. Transistor 5 bzw. der Transistor des Gatters 3, so überträgt dieser nicht mehr die impulsförmige Spannung. Der Ausgang hat den Wert »0«. Es ist dann keine Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichteranordnung 8, d. h., das Stellglied J6 kann nicht ansprechen. Weiterhin spricht bei einem Kurzschluß des Transtors 5 auch die Sicherung 7 an und verhindert auch somit ein Ansprechen des Stellgliedes.
Fig.2 zeigt als Ausführungsbeispiel die letzten Stufen und den Ausgang einer Gegentaktsteuerung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip. Die Steuerung besitzt zwei Kanäle, bestehend aus den UND-Gattern 3, 3' sowie den Transistoren Trl und Tr2. Die vorzugsweise aus Transistoren aufgebauten UND-Gatter 3, 3' sind jeweils über Kondensatoren 10, 10' an die zugeordneten Transistoren Trl, Tr2 angekoppelt. Die Transistoren der beiden Kanäle werden gegenphasig mit einer aus einer Impulsquelle 1 gewonnenen und über Kondensatoren 2, 2' eingespeisten impulsförmigen Spannung, d. h. mit dem Wert »L« des digitalbinären Signals, beaufschlagt. Die Ventile 9, 9',11,11', z. B. Dioden, dienen in bekannter Weise zur Potentialanhebung der impulsförmigen Spannung. In dem Kollektorstromkreis des Transistors Tr 1 liegt der Arbeitswiderstand 12 und eine Sicherung 7. über diese Sicherung können auch die Versorgungsspannungen für die Vorstufen geführt werden. Der Punkt A der Gegentaktausgangsstufe ist über den Kondensator 13 und das Ventil 15 mit einem Anschluß des Stellgliedes 16 verbunden. Der andere Anschluß des Stellgliedes 16 ist auf das Nullpotential der Schaltung bzw. auf Erdpotential gelegt. Punkt B der Schaltung ist weiterhin über ein Ventil 14 mit dem Nullpotential verbunden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Stellglied 16 mit einer am Punkt B der Schaltung anliegenden, aus dem impulsförmigen digitalbinären Steuersignal gewonnenen Gleichspannung betätigt.
Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende: Wenn die UND-Bedingungen an den Eingängen der beiden logischen Schaltelemente 3 und 3' erfüllt sind, erscheinen an den Ausgängen der UND-Gatter 3 und 3' Impulse, die um 180° in ihrer Phase versetzt sind. Diese steuern die beiden im Ruhezustand gesperrten Leistungstransistoren Trl und Tr2 über die Kondensatoren 10, 10'. Ist der eine Transistor gerade offen, so ist der andere Transistor gerade zu. Wenn angenommen wird, daß der Widerstand 12 klein ist und die Restspannung der Transistoren für diese Betrachtung vernachlässigt werden soll, dann wechselt das Potential des Punktes A der Schaltung mit dem Impulstakt von »0« nach »-« bzw. umgekehrt. An Punkt B entstehen dann durch Polaritätsumkehr mittels des Kondensators 13 positive Impulse, die über das Ventil 15 das Stellglied 16 betätigen. Die Diode 14 bewirkt dabei, daß der Punkt B nicht negativer als »0« werden kann. Die Impulse am Punkt B der Schaltung sind damit positiv gegen »0«. Im stationären Zustand sind die Impulsamplituden an den Punkten A und B gleich.
Wird nun z. B. Transistor Tr 1 schadhaft und leitend, so wird, wenn ausgesteuert wird, die Sicherung 7 auslösen. Das Stellglied kann nicht ansprechen, da die negative Gleichspannung durch den Kondensator 13 bzw. durch das Ventil 15 zurückgehalten wird. Wird der Kondensator 13 schadhaft, so entsteht ein Kurzschluß über das Ventil 14 und die Sicherung 7 spricht an. Wird Transistor Tr1 bei Defektwerden nicht leitend, so erhält Transistor Tr2 keine Kollektorspannung, und das Stellglied wird nicht betätigt. Wird Transistor Tr 2 leitend, so löst bei Aussteuerung die Sicherung aus usw. Durch die Schaltung wird somit mit einer sehr hohen Sicherheit verhindert, daß das Stellglied 16 bei einem Fehler in der Steuerung betätigt werden kann.
Zur Überwachung der Koppelkondensatoren 10, 10' zwischen den beiden Transistoren 3 und Tr 1 bzw. Tr2 können die Ventile 11, 11' verwendet werden, wenn die Transistoren Trl bzw. Tr2 komplementär zu den Transistoren 3, 3' aufgebaut sind. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 sind die Ventile 9, 9' vor den Eingang der zugeordneten UND-Gatter 3, 3' geschaltet. Da letztere im allgemeinen aus einem aktiven Schaltelement und einem vorgeschalteten passiven Gatter bestehen, kann man die Ventile auch zwischen aktiven und passiven Teil des UND-Gatters schalten.
Es wird noch darauf hingewiesen, daß grundsätzlich die End-Transistoren 5 (Fig. 1) und Trl bzw. Tr 2 (Fig. 2) z. B. über passive logische Gatter zusätzlich mit Steuersignalen beeinflußt werden können.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerung ist an sich nicht auf ein bestimmtes technisches Gebiet bzw. auf bestimmte technische Einrichtungen beschränkt. Sie kann jedoch insbesondere bei Pressen, Stanzen, Schneideinrichtungen, Werkzeugmaschinen, Türsteuerungen, Abfülleinrichtungen, Beschickungseinrichtungen, Walzenstraßen, Fördereinrichtungen (z. B. Hebezeuge, Krane, Aufzüge), Kernreaktoranlagen angewendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Gegen innere Fehler geschützte digitalbinäre Steuerung mit mindestens einem logischen Element mit einer Halbleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung mit einer Wechselspannung bzw. mit einer impulsförmigen Spannung als digitalbinäres Steuersignal beaufschlagt wird, das im einwandfreien Zustand der Halbleiteranordnung von dieser übertragen wird und das über ein nur für dieses Steuersignal durchlässiges Koppelglied entweder ein nachgeschaltetes logisches Element oder ein Stellglied beaufsehlagt.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Steuerkanäle vorgesehen sind, die beide auf ein Stellglied arbeiten.
3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Koppelglieder Kondensatoren vorgesehen sind.
4. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß als Koppelglieder induktive Übertrager vorgesehen sind.
5. Steuerung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbeitsstromkreis von mindestens einer Halbleiteranordnung eine auf überstrom ansprechende Sicherung geschaltet ist.
6. Steuerung nach Anspruch 5 mit mehreren Halbleiteranordnungen, dadurch gekennzeichnet, da.ß die Arbeitsstromkreise der Halbleiteranordnungen durch eine gemeinsame Sicherung abgesichert sind.
7. Steuerung nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung des Wechselspannungspotentials bzw. des Potentials der impulsförmigen Spannung ein Ventil zwischen Kondensatorausgang und Nullpotential der Steuerung geschaltet ist. B. Steuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Kondensator mit der Halbleiteranordnung gekoppelte Halbleiteranordnung (n+1) komplementär zu der Halbleiteranordnung (n) aufgebaut ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1048 990.