DE19621087C2

DE19621087C2 - Safety circuit for actuators

Info

Publication number: DE19621087C2
Application number: DE1996121087
Authority: DE
Inventors: Andreas Grimm; Tassilo Pflanz
Original assignee: ANDREAS GRIMM ENGINEERING ELEK
Current assignee: ANDREAS GRIMM ENGINEERING ELEK
Priority date: 1996-05-24
Filing date: 1996-05-24
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2016-05-25
Also published as: DE19621087A1

Description

Bei Werkzeugmaschinen, Beschleunigungsanlagen, Schütteltischen, audioelektro nischen Anlagen oder elektromagnetischen Anlagen werden häufig hydraulische, pneumatische, elektrische oder elektromagnetische Aktuatoren verwendet, die durch analoge elektrische Signale gesteuert werden. Derartige Aktuatoren sind be schrieben in "Aktuatoren, Grundlagen und Anwendungen" von Hartmut Janocha, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992, S. 1-2, 61-63, 137-216.For machine tools, acceleration systems, shaking tables, audioelectro systems or electromagnetic systems are often hydraulic, pneumatic, electrical or electromagnetic actuators are used that controlled by analog electrical signals. Such actuators are wrote in "Actuators, Basics and Applications" by Hartmut Janocha, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992, pp. 1-2, 61-63, 137-216.

Im Falle eines Stromausfalles oder anderer Defekte im Bereich der Steuerung besteht die Gefahr, daß ein solcher Aktuator abrupte und unkontrollierte Stellweg änderungen durchführt. Diese beanspruchen die mechanischen Anlagenkompo nenten erheblich und können unter Umständen sogar zu einer Zerstörung von Anlagenkomponenten führen.In the event of a power failure or other defects in the control area there is a risk that such an actuator will have an abrupt and uncontrolled travel makes changes. These stress the mechanical system compo nents and may even lead to the destruction of System components.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und platzsparende Schaltung zu schaffen, die einen analog angesteuerten Aktuator im Falle eines Stromausfalles zuverlässig in einen Sicherheitszustand bringt.The invention has for its object a simple and space-saving To create a circuit that an analog controlled actuator in the case of a Power failure reliably brings into a safety state.

Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitsschaltung mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. This object is achieved by a safety circuit with the in claim 1 Features listed solved.

Das Spannungs- oder Stromhalteglied folgt im Betrieb laufend der Spannung oder dem Strom des Steuersignals, durch das es gespeist wird, und gibt im Falle eines Stromausfalles im Steuerungskreis die gespeicherte Spannung oder den gespei cherten Strom allmählich an den Aktuator ab, wodurch der Aktuator stetig in eine Ruhestellung gefahren wird.The voltage or current holding element continuously follows the voltage or during operation the current of the control signal through which it is fed, and in the case of a Power failure in the control circuit, the stored voltage or the stored gradually current to the actuator, whereby the actuator steadily into a Rest position is driven.

Falls die sichere Ruhestellung des Aktuators nicht die Stellung ist, die einer Steuer spannung Null entspricht, kann ein zweites Spannungs- oder Stromhalteglied aus passiven Bauelementen vorgesehen werden, das eine vorbestimmte zweite Halte zeit aufweist, die wesentlich größer als die erste Haltezeit ist und das durch eine Versorgungsspannung gespeist wird. Das zweite Spannungs- oder Stromhalteglied definiert eine sichere Zwischenstellung, in die der Aktuator durch das erste Span nungs- oder Stromhalteglied gefahren wird und in der er genügend lange verbleibt, daß eine Bedienungsperson oder Automatik auf den Stromausfall reagieren und Maßnahmen zum Schutz der Anlage treffen kann.If the safe rest position of the actuator is not the position of a tax voltage corresponds to zero, a second voltage or current holding element can passive components are provided which hold a predetermined second has a time that is significantly greater than the first holding time and that by a Supply voltage is fed. The second voltage or current holding element defines a safe intermediate position in which the actuator is moved by the first chip voltage or current holding element is operated and in which it remains sufficiently long, that an operator or automatic respond to the power failure and Can take measures to protect the system.

Da die Spannungs- oder Stromhalteglieder aus passiven Bauelementen aufgebaut sind, unterliegen sie dem Prinzip der inheränten Sicherheit. Die Spannungs- oder Stromhalteglieder sind vorzugsweise RC-Glieder, können aber auch als RL-Glieder ausgeführt werden. Eine solche Schaltung läßt sich so kompakt aufbauen, daß sie problemlos untergebracht werden kann, vorzugsweise in einem Stecker zur Verbin dung der Signalleitung mit dem Aktuator.Because the voltage or current holding elements are made up of passive components they are subject to the principle of inherent security. The tension or Current holding elements are preferably RC elements, but can also be used as RL elements be carried out. Such a circuit can be so compact that it can be easily accommodated, preferably in a connector for connection the signal line with the actuator.

Der Hauptanwendungsbereich der Erfindung liegt bei servohydraulischen Anlagen, sie ist aber auch für andere Anlagen mit Aktuatoren geeignet, die einen analogen Steuereingang aufweisen.The main area of application of the invention is in servohydraulic systems, but it is also suitable for other systems with actuators that have an analog Have control input.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen und aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Deren einzige Figur zeigt eine Sicherheitsschaltung, die mit einer Signalleitung für einen analog angesteuerten Aktuator verbunden ist.Further features and advantages of the invention result from the subclaims Chen and from the following description of an embodiment using the Drawing. The only figure shows a safety circuit with a Signal line for an analog controlled actuator is connected.

Ein Treiberverstärker 1 einer Aktuatorsteuerung gibt ein analoges Steuersignal aus, das auf einer Signalleitung 2 einem häufig räumlich von der Aktuatorsteuerung getrennten Aktuator zugeführt wird. Die Signalleitung 2 ist mit einer Sicherheits schaltung 3 verbunden. Das Signal auf der Signalleitung 2 durchläuft die Sicher heitsschaltung 3 widerstandslos und wird über eine Ausgangsleitung 4 beispiels weise einem nicht dargestellten Servoventil-Verstärker zugeführt, falls der Aktua tor ein hydraulischer oder pneumatischer Aktuator ist.A driver amplifier 1 of an actuator control outputs an analog control signal which is fed on a signal line 2 to an actuator which is often spatially separated from the actuator control. The signal line 2 is connected to a safety circuit 3 . The signal on the signal line 2 passes through the safety circuit 3 without resistance and is supplied via an output line 4, for example, a servo valve amplifier, not shown, if the actuator is a hydraulic or pneumatic actuator.

Die Sicherheitsschaltung 3 besteht aus einem ersten Spannungshalteglied, das eine Parallelschaltung aus einem ersten Widerstand R1 und einem ersten Kondensator C1 ist, die jeweils zwischen der Signalleitung 2 und Erde verbunden sind, und einem zweiten Spannungshalteglied, das eine Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand R2 und einem zweiten Kondensator C2 ist, die in Reihe zwischen der Signalleitung 2 und der Erde verbunden sind. Die Verbindungsstelle des zweiten Widerstandes R2 und des zweiten Kondensators C2 ist außerdem über eine Diode D1 mit einer Versorgungsspannung +UB verbun den, die beispielsweise die Versorgungsspannung des Treiberverstärkers 1 ist.The safety circuit 3 consists of a first voltage holding element, which is a parallel circuit comprising a first resistor R1 and a first capacitor C1, which are each connected between the signal line 2 and ground, and a second voltage holding element, which is a series circuit comprising a second resistor R2 and a second capacitor C2, which are connected in series between the signal line 2 and the ground. The junction of the second resistor R2 and the second capacitor C2 is also connected via a diode D1 to a supply voltage + UB which is, for example, the supply voltage of the driver amplifier 1 .

Die Signalleitung 2 ist zwischen dem Treiberverstärker 1 und der Sicherheitsschal tung 3 außerdem über Relaiskontakte 5 eines Relais geführt, dessen Relaisspule 6 beispielsweise ebenfalls mit der Versorgungsspannung des Treiberverstärkers 1 verbunden ist. Das Relais ist in einer Stellung ohne Spannung an der Relaisspule 6 gezeigt, in der die Signalleitung 2 unterbrochen ist. Im störungsfreien Betrieb liegt an der Relaisspule 6 eine Spannung an, so daß das Signal des Treiberverstärkers 1 über die Relaiskontakte 5 an die Sicherheitsschaltung 3 bzw. die Ausgangs leitung 4 geleitet wird.The signal line 2 is also between the driver amplifier 1 and the safety circuit 3 via relay contacts 5 of a relay, the relay coil 6 of which is also connected, for example, to the supply voltage of the driver amplifier 1 . The relay is shown in a position without voltage on the relay coil 6 , in which the signal line 2 is interrupted. In trouble-free operation, a voltage is present at the relay coil 6 , so that the signal from the driver amplifier 1 is passed via the relay contacts 5 to the safety circuit 3 or the output line 4 .

Der Treiberverstärker 1 wird so gewählt, daß er genügend Leitung aufweist, um zusätzlich zu dem in der Regel hochohmigen Eingang des Servoventil-Verstärkers an der Ausgangsleitung 4 auch die kapazitiven Lasten C1 und C2 ansteuern zu können.The driver amplifier 1 is selected so that it has enough line to be able to control the capacitive loads C1 and C2 in addition to the generally high-impedance input of the servo valve amplifier on the output line 4 .

Bei einem Stromausfall auf Seiten der Aktuatorsteuerung, die den Treiberverstärker 1 enthält, wird der Ausgang des Treiberverstärkers 1 durch das Relais von der Ausgangsleitung 4 getrennt, welche die Eingangsleitung des angeschlossenen Servoventilverstärkers bildet. Dadurch wird eine nicht definierte Ansteuerungs kurve des Treiberverstärkers während des Spannungsausfalles vermieden.In the event of a power failure on the part of the actuator control, which contains the driver amplifier 1 , the output of the driver amplifier 1 is separated by the relay from the output line 4 , which forms the input line of the connected servo valve amplifier. This avoids an undefined control curve of the driver amplifier during the power failure.

Im Augenblick des Relaisschaltens hält der erste Kondensator C1 die Spannung des letzten Signalwertes und entlädt sich in der Folge mit einer exponentiellen Entla dungscharakteristik über den ersten Widerstand R1. Der erste Kondensator C1 und der erste Wider stand R1 werden so gewählt, daß die Entladung einerseits langsam genug statt findet, um den Aktuator bzw. die dadurch betätigten Anlagenkomponenten keinen übermäßigen Beanspruchungen durch abrupte Stellwegänderungen auszusetzen, für die sie nicht ausgelegt sind, daß die Entladung andererseits aber schnell genug stattfindet, daß der Aktuator möglichst bald in eine sichere Ruhestellung zurück fährt.At the moment of relay switching, the first capacitor C1 holds the voltage of the last signal value and subsequently discharges with an exponential discharge manure characteristic over the first resistor R1. The first capacitor C1 and the first counter R1 are selected so that the discharge takes place slowly enough on the one hand does not take place around the actuator or the system components actuated thereby to expose excessive stresses due to abrupt changes in travel, for which they are not designed, but that the discharge, on the other hand, is quick enough takes place that the actuator returns to a safe rest position as soon as possible moves.

Der zweite Widerstand R2 bildet zusammen mit dem ersten Widerstand R1 einen Spannungs teiler, der einen kleinen Teil der von dem zweiten Kondensator C2 gehaltenen Spannung +UB an die Ausgangsleitung 4 bzw. den Servoventil-Verstärker liefert. Dabei wird die Spannung am ersten Kondensator C1 langsam gegen den durch die Widerstände R1, R2 bestimmten Teil der Spannung am zweiten Kondensator C2 geführt. Auf diese Weise wird das Servoventil im Prozentbereich etwas aufgesteuert, um einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder mit etwas Druck in seine Endlage zu pressen. Hierdurch wird die mechanische Stabilität der Anlage erhöht. Falls der zweite Widerstand R2 einen sehr viel größeren Widerstandswert als der erste Widerstand R1 aufweist, kann er für die Berechnung des Gesamtwiderstandes von R1 und R2 vernachlässigt werden. Die Kapazität des zweiten Kondensators C2 wird außerdem so gewählt, daß der zweite Kondensator C2 durch die Widerstände R1 und R2 nur sehr wenig belastet wird und sich relativ langsam entlädt. Auf diese Weise bleibt einer Bedienungsperson oder Automatik genügend Zeit (bei entsprechender Auslegung bis zu einigen Minuten), um z. B. Sicherheitsventile zu betätigen und andere Einrichtungen zum weiteren Herabfahren der Anlage zu betätigen. The second resistor R2 forms, together with the first resistor R1, a voltage divider which supplies a small part of the voltage + UB held by the second capacitor C2 to the output line 4 or the servo valve amplifier. The voltage on the first capacitor C1 is slowly conducted against the part of the voltage on the second capacitor C2 determined by the resistors R1, R2. In this way, the servo valve is opened slightly in the percentage range in order to press a hydraulic or pneumatic cylinder into its end position with a little pressure. This increases the mechanical stability of the system. If the second resistor R2 has a much larger resistance value than the first resistor R1, it can be neglected for the calculation of the total resistance of R1 and R2. The capacitance of the second capacitor C2 is also selected so that the second capacitor C2 is loaded very little by the resistors R1 and R2 and discharges relatively slowly. In this way, an operator or automatic system has enough time (with the appropriate design up to a few minutes) to e.g. B. to operate safety valves and to operate other devices for further shutting down the system.

Die Diode D1 verhindert das Entladen des zweiten Kondensators C2 über den Innenwiderstand der Spannungsversorgung des Treiberverstärkers 1. Durch den hochohmigen Widerstand R2 wird außerdem das Treiben der verhältnismäßig großen Last des zweiten Kondensators C2 durch den Treiberverstärker 1 verhindert.The diode D1 prevents the discharge of the second capacitor C2 via the internal resistance of the voltage supply of the driver amplifier 1 . The high-impedance resistor R2 also prevents the driver amplifier 1 from driving the relatively large load of the second capacitor C2.

Falls keine positive Versorgungsspannung +UB, sondern eine negative Versorgungsspannung -UB verwendet wird, ist die Diode D1 umzukehren; die übrige Schaltung kann unverändert bleiben.If not a positive supply voltage + UB, but a negative one Supply voltage -UB is used, reverse diode D1; the the rest of the circuit can remain unchanged.

In Fällen, in denen die Ausgangsspannung des Treiberverstärkers 1 bei einem Stromausfall konstruktionsbedingt von selbst hochohmig wird, kann auf ein Relais in der Signalleitung 2 verzichtet werden. In allen anderen Fällen kann anstelle eines Relais auch ein niederohmiger, spannungsfrei selbstöffnender Halbleiterschalter gewählt werden. Wesentlich ist, daß bei einem Stromausfall der Signalpfad vom Treiberverstärker 1 getrennt wird und die Entladung der Sicherheitsschaltung 3 ausgelöst wird.In cases where the output voltage of the driver amplifier 1 automatically becomes high-resistance due to the design due to a power failure, a relay in the signal line 2 can be dispensed with. In all other cases, a low-resistance, voltage-free, self-opening semiconductor switch can be selected instead of a relay. It is essential that, in the event of a power failure, the signal path is disconnected from the driver amplifier 1 and the discharge of the safety circuit 3 is triggered.

Falls der Aktuator eine integrierte Elektronik aufweist, ist es am günstigsten, die Sicherheitsschaltung 3 in einem Stecker unterzubringen, mit dem die Signalleitung 2 mit einer Eingangsschaltung im Aktuator verbunden wird. Die Sicherheitsschal tung 3 kann aber auch in einer solchen Eingangsschaltung des Aktuators integriert werden. Eine weitere Möglichkeit ist, die Sicherheitsschaltung 3 auf einer Ansteu erungskarte vor der Signalleitung 2 zu plazieren, die z. B. den Treiberverstärker 1 enthält. Letzteres hat den Vorteil, daß das Kabel für die Signalleitung keine eigene Leitung für die Versorgungsspannung UB aufweisen muß.If the actuator has integrated electronics, it is most favorable to accommodate the safety circuit 3 in a plug with which the signal line 2 is connected to an input circuit in the actuator. The safety circuit 3 can also be integrated in such an input circuit of the actuator. Another possibility is to place the safety circuit 3 on a control card in front of the signal line 2 , which, for. B. contains the driver amplifier 1 . The latter has the advantage that the cable for the signal line does not have to have its own line for the supply voltage UB.

Jedes der beiden RC-Glieder, die als Spannungshalteglieder wirken, kann alternativ jeweils durch ein duale Schaltung mit einem RL-Glied ersetzt werden, die als ein Stromhalteglied wirkt. Beispielsweise kann das Spannungshalteglied aus dem ersten Widerstand R1 und dem ersten Kondensator C1 dadurch in ein Stromhalteglied umge wandelt werden, daß der erste Kondensator C1 weggelassen wird und ein Induktor in die Ausgangsleitung 4 eingefügt wird. Each of the two RC elements, which act as voltage holding elements, can alternatively be replaced by a dual circuit with an RL element, which acts as a current holding element. For example, the voltage holding element from the first resistor R1 and the first capacitor C1 can be converted into a current holding element by omitting the first capacitor C1 and inserting an inductor into the output line 4 .

Wie beschrieben, ergibt sich bei einem Stromausfall eine definierte Ansteuerungs kurve des Servoventil-Verstärkers, so daß eine Anlage, die einen oder mehrere Aktuatoren mit der beschriebenen Sicherheitsschaltung aufweist, mit einem defi nierten Verlauf und ohne irgendwelche Sprünge einen definierten stationären Zustand annimmt.As described, a defined control results in the event of a power failure curve of the servo valve amplifier, making a system that has one or more Actuators with the described safety circuit, with a defi a defined stationary course and without any jumps Condition.

Claims

1. Safety circuit for an actuator which is controlled by an analog control signal on a signal line ( 2 ) which is connected to a first voltage or current holding element from passive components (R1, C1), which has a predetermined first holding time and which in electrically trouble-free operation is fed by the control signal.

2. Safety circuit according to claim 1, characterized in that the signal line ( 2 ) is further connected to a second voltage or current holding element made of passive components (R2, C2), which has a predetermined second holding time, which is substantially greater than the first holding time and that is powered by a supply voltage (UB).

3. Safety circuit according to claim 1 or claim 2, characterized records that the first and the second voltage or current holding member each from a resistor and a capacitor (R1, C1; R2, C2) or from one Resistor and an inductor.

4. Safety circuit according to claim 3, characterized in that the first Voltage or current holding element a parallel connection from a first counter stand (R1) and a first capacitor (C1).

5. Safety circuit according to claim 3 or 4, characterized characterized in that the second voltage or current holding element is a series circuit consisting of a second resistor (R2) and a second capacitor (C2) is connected in parallel with the first voltage or current holding member is, the connection of the second resistor (R2) with the second Kon capacitor (C2) connected to the supply voltage (UB) via a diode (D1) is.

6. Safety circuit according to one of claims 2 to 5, characterized in net that the second resistor (R2) has a much larger resistance value than the first resistor (R1).

7. Safety circuit according to one of the preceding claims, characterized in that in the signal line ( 2 ) before the first and / or second voltage or current holding element (R1, C1 or R2, C2) a voltage-free self-opening switch ( 5 , 6 ) located.

8. Safety circuit according to one of claims 2 to 7, characterized in that the supply voltage (UB) is the supply voltage for an amplifier in the signal line ( 2 ).

9. Safety circuit according to one of the preceding claims, characterized ge indicates that they are in a connector for the actuator is housed.

10. Safety circuit according to one of claims 1 to 8, characterized in net that they are integrated with one in the actuator electronic circuit is arranged.

11. Safety circuit according to one of claims 1 to 8, characterized in that it is arranged together with a driver circuit ( 1 ).

12. Safety circuit according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the actuator is a hydraulic, pneumatic, electrical or electromagnetic actuator.