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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Sicherheitsbaustein
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Elektronische
Sicherheitsbausteine sind zum Einsatz in Steuerstromkreisen von
Maschinen, verketteten Fertigungssystemen und maschinellen Anlagen
bestimmt, deren Sicherheitsfunktion 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 Verriegelungseinrichtungen.
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Bekannte
Sicherheitsbausteine enthalten elektromechanische Schaltelemente
wie Relais und Schütze.
Beim Schalten von größeren Lasten
werden auch oft nachgeschaltete Leistungsschütze eingesetzt. Aufgrund der
mechanischen Schaltkontakte wird einerseits die Schaltgeschwindigkeit
verringert und andererseits ist die Schalthäufigkeit durch den Kontaktverschleiß begrenzt.
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Aus
der
DE 40 00 820 A1 ist
eine Schutzschaltung für
einen elektrischen Verbraucher, insbesondere für einen getakteten Betrieb
eines Elektromotors bekannt. Diese umfasst ein steuerbares Schaltglied,
dessen Steueranschluss mit einer Ansteuerschaltung verbunden ist
und über
das der Verbraucherstrom fließt
sowie eine Detektorschaltung, die im Fehlerfall bei Überschreiten
eines Grenzwertes des Verbraucherstroms den Verbraucher ausschaltet.
Im Fehlerfall wird der Verbraucher über ein den Verbraucherstromkreis
unterbrechendes Schaltelement abgeschaltet.
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Aus
der
DE 22 35 320 A ist
eine Sicherheitseinrichtung für
elektronisch gesteuerte Maschinen bekannt. Zur Verhinderung einer
ungewollten Maschinenbewegung bei offener Schutztür unter
Verwendung von Grenzschaltern zur Überwachung der Schließstellung
der Schutztür
ist vorgesehen, dass die Grenzschaltung zur direkten Einwirkung
auf die Stromversorgung der die Maschinenbewegung auslösenden Elektromagnetventile
vorgesehen ist.
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Das
US Patent 5,101,315 beschreibt eine Antriebssteuerung, bei der ein
Motor über
eine Reihenschaltung aus kontaktlosem und mechanischem Schaltkontakt
ansteuerbar ist.
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Der
Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen elektronischen Sicherheitsbaustein
der zuvor beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, dass bei
Einhaltung sämtlicher
sicherheitsrelevanter Betrachtungen sowohl die Schaltgeschwindigkeit
als auch die Schalthäufigkeit
verbessert wird.
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Das
Problem wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Reihenschaltung
von mechanischem Schaltkontakt und kontaktlosem Schaltelement wie Halbleiterstrecke
wird in dem zumindest einem Freigabepfad eine Redundanz erzeugt.
Besondere Vorteile ergeben sich insbesondere im Hinblick auf Schaltgeschwindigkeit
und Schalthäufigkeit,
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 konventionellen Sicherheitsbausteinen.
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Die
Verbesserung der Schalthäufigkeit
wird dadurch erreicht, dass das kontaktlose Schaltelement, das ein
Leistungshalbleiterbauelement wie MOSFET oder IGBT sein kann, das
den Laststrom schaltende Bauelement ist. Beim Einschalten des Sicherheitsbausteins
wird zunächst
der mechanische Schaltkontakt geschaltet und anschließend wird
das kontaktlose Schaltelement angesteuert. Beim Ausschalten wird
zunächst
das kontaktlose Schaltelement und sodann der mechanische Schaltkontakt
geöffnet,
wodurch das kontaktlose Schaltelement immer das Schalten des Laststroms übernimmt
und somit der mechanische Schaltkontakt geschont wird.
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Die
steuerbaren mechanischen Schaltkontakte bilden eine erste Schaltebene,
die mit einer ersten Ansteuereinheit und einer ersten Überwachungseinheit
verbunden sind, wobei die steuerbaren kontaktlosen Schaltelemente
eine zweite Schaltebene bilden, die mit einer zweiten Ansteuereinheit
und einer zweiten Überwachungseinheit
verbunden sind. Die Überwachungseinheit
bzw. die Überwachungselektronik
gewährleistet,
dass der Sicherheitsbaustein nur bei einwandfreier Funktion in Betrieb
genommen werden kann. Durch separate Überwachungs- und Ansteuereinheiten
wird ebenfalls die Sicherheit des Bausteins weiter erhöht.
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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 Schaltebene nur damit angesteuert werden,
wenn die zweite Überwachungselektronik
für die
zweite Schaltebene eine einwandfreie Funktion der Leistungshalbleiter
erkennt und umgekehrt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Sicherheitsbausteins ist vorgesehen,
dass dieser drei Freigabepfade aufweist.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, 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. Überwachungselektronik
ausgewertet, so dass die erste oder zweite Ansteuereinheit für die Leistungsstufe
nur dann freigegeben wird, wenn die Statussignale in korrekter Weise
vorliegen.
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Um
den Schaltzustand des jeweiligen Schaltelementes erfassen zu können, ist
die Statussignaleinheit vorteilhafterweise 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.
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Vorzugsweise
ist die erste und zweite Überwachungseinheit
jeweils mit einer separaten Spannungsversorgung versehen. Beim Ausschalten
des Sicherheitsbausteins wird die Spannungsversorgung der ersten
und zweiten Ansteuereinheit unterbrochen. Damit eine Überwachung
gegen Querschluss erfolgen kann, ist das zweite Befehlsgerät vorzugsweise
zweikanalig ausgebildet.
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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 vorzugsweise vorgesehen, dass der Sicherheitsbaustein
ein Startrelais aufweist, wobei die Einschaltung über ein
externes Signal erfolgt.
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Um
eine galvanische Trennung zwischen Ansteuereinheit und Leistungsstufe
zu erhalten, kann vorgesehen sein, dass die Schaltelemente jeweils über einen
Optokoppler ansteuerbar sind, wobei der Optokoppler einen Transistorausgang
oder einen Triacausgang aufweist.
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Damit
auch größere Lasten
ohne den Einsatz eines nachgeschalteten Leistungsschützes geschaltet
werden können,
können
die Schaltelemente des Sicherheitsbausteins ein Schaltvermögen von
24 V DC / 20 A aufweisen. Besonders vorteilhaft weist der Sicherheitsbaustein
eine Abschaltzeit im Bereich von 0,3 bis 0,6 ms, vorzugsweise 0,5
ms auf.
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Weitere
Vorteile 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.
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Die
einzige Figur zeigt ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Sicherheitsbausteins.
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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
Leitungen 28, 30, die einen positiven und einen
negativen Anschluss einer Betriebsspannung darstellen, verbunden.
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Die
Leistungsstufe 12 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
drei Freigabepfade 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 Leistungshalbleiterbauelementen
sind.
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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.
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Um
den Schaltzustand der Schaltelemente K1, K2, K3 zu überwachen,
sind jeweils parallel zu den Schaltelementen Statussignaleinheiten 50, 52, 54 geschaltet,
die über
eine Signalleitung 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.
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Als
besonderes Merkmal des Sicherheitsbausteins 10 ist die
Art der Realisierung der Freigabepfade 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.
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Das
Signal zum Einschalten des Bausteins wird durch Betätigung des
Starttasters 20 generiert. Durch die Verwendung eines Startrelais
(nicht dargestelt) wird der externe Beschaltungsaufwand auf ein Minimum
reduziert. Die erste und zweite Überwachungselektronik 58, 68 gewährleistet,
dass der Sicherheitsbaustein 10 nur bei einwandfreier Funktion der
Schaltelemente 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 Überwachungselektronik 68,
die sodann bei einwandfreier Funktion eine Freigabe für die Ansteuerelektronik 44 erteilt.
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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 Funktion 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.
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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
Abhängigkeit
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 insbesondere vorteilhaft
auf die Schalthäufigkeit
aus.
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Die
Ansteuerung der Schaltelemente K1, Q1; K2, Q2; K3, Q3 erfolgt über Optokoppler
(nicht dargestellt), die zwischen den Ansteuereinheiten 44, 48 und
den jeweiligen Schaltebenen 38, 40 angeordnet
sind. Die Signale der Ansteuereinheiten 44, 48 werden
auf diese Weise über
eine galvanische Trennstrecke der Leistungsstufe 12 zugeführt.