DE19734589A1 - Elektronischer Sicherheitsbaustein - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Sicherheitsbaustein, um fassend eine Leistungsstufe mit zumindest einem Freigabepfad, der zumindest zwei in Reihe geschaltete erste und zweite Schaltelemente zum Schalten eines Laststromes aufweist, die insbesondere über ein erstes Befehlsgerät wie EIN-Taster in den leitenden und über ein zweites Befehlsgerät wie NOT-AUS-Schalter in einen nicht leitenden Zustand steuerbar sind.

Elektronische Sicherheitsbausteine sind zum Einsatz in Steuerstromkreisen von Maschinen, verketteten Fertigungssystemen und maschinellen Anlagen bestimmt, deren Sicherheits­ funktion auch in einem Fehlerfall gewährleistet bleiben muß. Typische Anwendungen sind NOT-AUS-Sicherheitsstromkreise und Sicherheits-Halt-Stromkreise von Schutzeinrichtungen, die der Absicherung von gefahrbringender Bewegung dienen, zum Beispiel Verriegelungs­ einrichtungen.

Bekannte Sicherheitsbausteine enthalten elektromechanische Schaltelemente wie Relais und Schütze. Beim Schalten von größeren Lasten werden auch oft nachgeschaltete Leistungs­ schütze eingesetzt. Aufgrund der mechanischen Schaltkontakte wird einerseits die Schalt­ geschwindigkeit verringert und andererseits ist die Schalthäufigkeit durch den Kontaktver­ schleiß begrenzt.

Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen elektronischen Sicherheitsbaustein der zuvor beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß bei Einhaltung sämtlicher sicher­ heitsrelevanter Betrachtungen sowohl die Schaltgeschwindigkeit als auch die Schalthäufigkeit verbessert wird.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Schaltelement ein leitend und nicht leitend steuerbarer mechanischer Schaltkontakt und das zweite Schaltelement ein leitend und nicht leitend steuerbares kontaktloses Schaltelement ist. Durch die Reihen­ schaltung von mechanischem Schaltkontakt und kontaktlosem Schaltelement wie Halbleiter­ strecke wird in dem zumindest einem Freigabepfad eine Redundanz erzeugt. Besondere Vorteile ergeben sich insbesondere im Hinblick auf Schaltgeschwindigkeit und Schalthäufig­ keit, wobei die Abschaltzeit des erfindungsgemäßen Sicherheitsbausteins im Bereich von 0,3 bis 0,6 ms, vorzugsweise bei 0,5 ms, d. h. erheblich unter den Abschaltzeiten von konventio­ nellen Sicherheitsbausteinen.

Die Verbesserung der Schalthäufigkeit wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungs­ form dadurch erreicht, daß das kontaktlose Schaltelement wie Leistungshalbleiterbauelement (MOSFET oder IGBT) das den Laststrom schaltende Bauelement ist. Beim Einschalten des Sicherheitsbausteins wird zunächst der mechanische Schaltkontakt geschaltet und anschlie­ ßend wird das Leistungshalbleiterbauelement angesteuert. Beim Ausschalten wird zunächst das Leistungshalbleiterbauelement und sodann der mechanische Schaltkontakt geöffnet, wodurch der Leistungshalbleiter immer das Schalten des Laststroms übernimmt und somit der mechanische Schaltkontakt geschont wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Sicherheitsbausteins ist vorgesehen, daß dieser drei Freigabepfade aufweist, wobei die steuerbaren mechanischen Schaltkontakte eine erste Schaltebene bilden, die mit einer ersten Ansteuereinheit und einer ersten Überwachungs­ einheit verbunden sind und wobei die steuerbaren kontaktlosen Schaltelemente wie Halb­ leiterstrecken eine zweite Schaltebene bilden, die mit einer zweiten Ansteuereinheit und einer zweiten Überwachungseinheit verbunden sind. Die Überwachungseinheit bzw. die Über­ wachungselektronik gewährleistet, daß der Sicherheitsbaustein nur bei einwandfreier Funktion in Betrieb genommen werden kann. Durch separate Überwachungs- und Ansteuer­ einheiten wird ebenfalls die Sicherheit des Bausteins weiter erhöht.

Als weitere Sicherheitsmaßnahme ist vorgesehen, daß die erste/zweite Überwachungseinheit mit der zweiten/ersten Ansteuereinheit gekoppelt ist, so daß die zweite/erste Schaltebene nur dann ansteuerbar ist, wenn die erste/zweite Schaltebene fehlerfrei ist. Mit anderen Worten erfolgt die Überwachung der beiden Schaltebenen über Kreuz. Mit dieser Maßnahme wird gewährleistet, daß bei Fehlfunktion einer Schaltebene die zweite funktionsfähig bleibt, und im Fehlerfall eine Abschaltung des Bausteins möglich ist. Insbesondere kann die erste Schalt­ ebene nur dann angesteuert werden, wenn die zweite Überwachungselektronik für die zweite Schaltebene eine einwandfreie Funktion der Leistungshalbleiter erkennt und umgekehrt.

Des weiteren ist vorgesehen, daß jedes Schaltelement eine Statussignaleinheit aufweist, die jeweils mit der ersten oder zweiten Überwachungseinheit verbunden ist. Die Signale der elektronischen Statussignaleinheit werden von der Überwachungseinheit bzw. Überwachungs­ elektronik ausgewertet, so daß die erste oder zweite Ansteuereinheit für die Leistungsstufe nur dann freigegeben wird, wenn die Statussignale in korrekter Weise vorliegen.

Um den Schaltzustand des jeweiligen Schaltelementes erfassen zu können, ist die Statussi­ gnaleinheit parallel zu dem Schaltelement angeordnet. Über die Statussignaleinheit kann zum Beispiel festgestellt werden, ob der Schaltkontakt bzw. die Halbleiterstrecke einen Kurzschluß aufweist oder ob nach erfolgtem Ansteuersignal eine Schaltzustandsänderung erfolgt ist.

Vorzugsweise ist die erste und zweite Überwachungseinheit jeweils mit einer separaten Span­ nungsversorgung versehen. Beim Ausschalten des Sicherheitsbausteins wird die Spannungs­ versorgung der ersten und zweiten Ansteuereinheit unterbrochen. Damit eine Überwachung gegen Querschluß erfolgen kann, ist das zweite Befehlsgerät zweikanalig ausgebildet.

Dadurch erfolgt die Unterbrechung zweikanalig, wodurch sowohl das positive als auch das negative Potential der Betriebsspannung für die Ansteuereinheit geschaltet wird. Um den externen Beschaltungsaufwand auf ein Minimum zu reduzieren, ist vorgesehen, daß der Sicherheitsbaustein ein Startrelais aufweist, wobei die Einschaltung über einen externes Signal erfolgt.

Um eine galvanische Trennung zwischen Ansteuereinheit und Leistungsstufe zu erhalten, ist vorgesehen daß die Schaltelemente jeweils über einen Optokoppler ansteuerbar sind, wobei der Optokoppler einen Transistorausgang oder einen Triacausgang aufweist.

Damit auch größere Lasten ohne den Einsatz eines nachgeschalteten Leistungsschützes geschaltet werden können, weisen die Schaltelemente des Sicherheitsbausteins ein Schaltver­ mögen von 24 V DC/20 A auf. Besonders vorteilhaft weist der Sicherheitsbaustein eine Abschaltzeit im Bereich von 0,3 bis 0,6 ms, vorzugsweise 0,5 ms auf.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Die einzige Figur zeigt ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Sicherheitsbausteins.

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung eines elektronischen Sicherheitsbausteins 10, umfassend eine Leistungsstufe 12 sowie eine Überwachungs- und Ansteuereinheit bzw. Elektronik 14. Die Überwachungs- und Ansteuerelektronik 14 weist einen Netzanschluß 16 sowie einen Eingang 18 für einen Starttaster 20 sowie Eingänge 22, 24 für ein zweikanaliges Befehlsgerät 26 wie NOT-AUS-Schalter auf. Dabei ist der NOT-AUS-Schalter 26 mit Leitun­ gen 28, 30, die einen positiven und einen negativen Anschluß einer Betriebsspannung darstellen, verbunden.

Die Leistungsstufe 12 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel drei Freigabepfa­ de 32, 34, 36 auf, die jeweils zwei Schaltelemente K1, Q1; K2, Q2; K3, Q3 aufweisen. Die Redundanz der Schaltelemente K1, Q1; K2, Q2, und K3, Q3 in den Freigabepfaden 32, 34, 36 wird durch eine Reihenschaltung der Schaltelemente realisiert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die ersten Schaltelemente K1, K2, K3 leitend und nicht leitend steuerbare mechanische Schaltkontakte und daß die zweiten Schaltelemente Q1, Q2, Q3 leitend und nicht leitend steuerbare kontaktlose Schaltelemente, vorzugsweise Halbleiterstrecken von Lei­ stungshalbleiterbauelementen sind.

Die mechanischen Schaltkontakte K1, K2, K3 bilden dabei eine erste Schaltebene 38 und die Leistungshalbleiterbauelemente Q1, Q2, Q3 bilden eine zweite Schaltebene 40 innerhalb der Leistungsstufe 12. Die Schaltelemente K1, K2, K3 der ersten Schaltebene 38 sind über eine Ansteuerleitung 42 mit einer ersten Ansteuereinheit bzw. Ansteuerelektronik 44 verbunden. Entsprechend sind die Leistungshalbleiterbauelemente Q1, Q2, Q3 über eine Ansteuerleitung 46 mit einer zweiten Ansteuereinheit bzw. Ansteuerelektronik 48 verbunden.

Um den Schaltzustand der Schaltelemente K1, K2, K3 zu überwachen, sind jeweils parallel zu den Schaltelementen Statussignaleinheiten 50, 52, 54 geschaltet, die über eine Signallei­ tung 56 mit einer ersten Überwachungseinheit bzw. Überwachungselektronik 58 verbunden sind. Entsprechend sind zu den Leistungshalbleiterbauelementen Q1, Q2, Q3 ebenfalls jeweils Statussignaleinheiten 60, 62, 64 parallel geschaltet und über eine Signalleitung 66 mit einer zweiten Überwachungseinheit 68 verbunden.

Als besonderes Merkmal des Sicherheitsbausteins 10 ist die Art der Realisierung der Freiga­ bepfade 32, 34, 36 zu erwähnen. Als schaltende Elemente sind neben als Relaiskontakte ausgebildeten mechanischen Schaltkontakten K1, K2, K3 zusätzlich als Halbleiterstrecken ausgebildete kontaktlose Schaltelemente Q1, Q2, Q3 eingesetzt. Dadurch ergeben sich insbesondere im Hinblick auf Schaltgeschwindigkeit und Schalthäufigkeit große Vorteile. Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform können Abschaltzeiten im Bereich von 0,3 bis 0,6 ms, vorzugsweise 0,5 ms erreicht werden, die erheblich unter den Abschaltzeiten von konventionellen Sicherheitsbausteinen liegen.

Das Signal zum Einschalten des Bausteins wird durch Betätigung des Starttasters 20 generiert. Durch die Verwendung eines Startrelais (nicht dargestellt) wird der externe Beschal­ tungsaufwand auf ein Minimum reduziert. Die erste und zweite Überwachungselektronik 58, 68 gewährleistet, daß der Sicherheitsbaustein 10 nur bei einwandfreier Funktion der Schalt­ elemente K1, Q1; K2, Q2; K3, Q3 in Betrieb genommen werden kann. Die von den Status­ signaleinheiten 50, 52, 54 der ersten Schaltebene 38 generierten Signale werden über die Signalleitung 56 der ersten Überwachungselektronik 58 zugeleitet und von dieser ausgewertet. In Abhängigkeit der Auswertung wird ein Signal an die Ansteuerelektronik 48 für die zweite Schaltebene 40 nur dann freigegeben, wenn die Statussignale in korrekter Weise vorliegen. Entsprechend erfolgt eine Überwachung der zweiten Schaltebene 40 durch die Überwa­ chungselektronik 68, die sodann bei einwandfreier Funktion eine Freigabe für die Ansteuer­ elektronik 44 erteilt.

Es erfolgt demnach eine Überwachung der beiden Schaltebenen 38, 40 über Kreuz. Dadurch wird gewährleistet, daß bei Fehlfunktion einer Schaltebene die zweite funktionsfähig bleibt und im Fehlerfall eine Abschaltung des Bausteins 10 möglich ist. Die Schaltebene 38 kann nur dann angesteuert werden, wenn die Überwachungselektronik 68 eine einwandfreie Funk­ tion der Leistungshalbleiter Q1, Q2, Q3 erkennt und umgekehrt kann die zweite Schaltebene 40 nur dann angesteuert werden, wenn die Überwachungselektronik 58 eine einwandfreie Funktion der Schaltkontakte K1, K2, K3 erkennt.

Ferner ist vorgesehen, daß beim Einschalten sowie beim Ausschalten die erste und zweite Ansteuerelektronik 44, 48 und damit auch die Schaltebenen 38, 40 in einer zeitlichen Ab­ hängigkeit stehen. Es ist vorgesehen, daß beim Einschalten des Sicherheitsbausteins 10 zunächst die mechanischen Schaltkontakte K1, K2, K3 geschaltet und anschließend die Leistungshalbleiter Q1, Q2, Q3 geschaltet werden. Beim Ausschalten wird diese Reihenfolge umgekehrt. Somit übernehmen die Leistungshalbleiter Q1, Q2, Q3 immer das Schalten des Laststromes, wodurch die Kontakte K1, K2, K3 geschont werden. Dies wirkt sich insbesonde­ re vorteilhaft auf die Schalthäufigkeit aus.

Die Ansteuerung der Schaltelemente K1, Q1; K2, Q2; K3, Q3 erfolgt über Optokoppler (nicht dargestellt), die zwischen den Ansteuereinheiten 44, 48 und den jeweiligen Schalt­ ebenen 38, 40 angeordnet sind. Die Signale der Ansteuereinheiten 44, 48 werden auf diese Weise über eine galvanische Trennstrecke der Leistungsstufe 12 zugeführt.

Claims (12)

1. Elektronischer Sicherheitsbaustein (10), umfassend eine Leistungsstufe (12) mit zumindest einem Freigabepfad (32, 34, 36), der zumindest zwei in Reihe geschaltete erste und zweite Schaltelemente (K1, Q1; K2, Q2, K3, Q3) zum Schalten eines Laststromes aufweist, die insbesondere über ein erstes Befehlsgerät (20) wie EIN- Taster in den leitenden und über ein zweites Befehlsgerät (26) wie NOT-AUS- Schalter in einen nicht leitenden Zustand steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltelement (K1, K2, K3) ein leitend und nicht leitend steuerbarer mechanischer Schaltkontakt und das zweite Schaltelement (Q1, Q2, Q3) ein leitend und nicht leitend steuerbares kontaktloses Schaltelement ist.

2. Sicherheitsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kontaktlose Schaltelement (Q1, Q2, Q3) wie Leistungshalbleiterbauelement (MOSFET oder IGBT) das den Laststrom schaltende Bauelement ist.

3. Sicherheitsbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitsbaustein drei Freigabepfade (32, 34, 36) aufweist, daß die steuer­ baren mechanischen Schaltkontakte (K1, K2, K3) eine erste Schaltebene (38) bilden, die mit einer ersten Ansteuereinheit (44) und einer ersten Überwachungseinheit (58) verbunden sind und daß die steuerbaren kontaktlosen Schaltelemente (Q1, Q2, Q3) eine zweite Schaltebene (40) bilden, die mit einer zweiten Ansteuereinheit (48) und einer zweiten Überwachungseinheit (68) verbunden sind.

4. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste/zweite Überwachungseinheit (58, 68) mit der zweiten/ersten Ansteuer­ einheit (48, 44) gekoppelt ist, so daß die zweite/erste Schaltebene (40, 38) nur dann ansteuerbar ist, wenn die erste/zweite Schaltebene (38, 40) fehlerfrei ist.

5. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltelement (K1, Q1; K2, Q2; K3, Q3) eine Statussignaleinheit (50, 60; 52, 62; 54, 64) aufweist, die jeweils mit der ersten oder zweiten Überwachungseinheit (58, 68) verbunden ist.

6. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statussignaleinheit (50, 60; 52, 62; 54, 64) parallel zu dem Schaltelement (K1, Q1; K2, Q2; K3, Q3) angeordnet ist.

7. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Überwachungseinheit (58, 68) jeweils mit einer separaten Spannungsversorgung versehen ist.

8. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Befehlsgerät (26) zweikanalig ausgebildet ist.

9. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitsbaustein (10) ein Startrelais aufweist und die Einschaltung über ein externes Signal erfolgt.

10. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (K1, Q1; K2, Q2; K3, Q3) über jeweils einen Optokoppler ansteuerbar sind, wobei der Optokoppler einen Transistorausgang oder einen Triac­ ausgang aufweist.

11. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente des Sicherheitsbausteins (10) ein Schaltvermögen von 24 V DC/20 A aufweisen.

12. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitsbaustein (10) eine Abschaltzeit im Bereich von 0,3 bis 0,6 ms, vorzugsweise von 0,5 ms aufweist.