DE19734589B4 - Elektronischer Sicherheitsbaustein - Google Patents

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Abstract

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, wobei das erste Schaltelement (K1, K2, K3) ein steuerbarer mechanischer Schaltkontakt und das zweite Schaltelement (Q1, Q2, Q3) ein steuerbares kontaktloses und den Laststrom schaltendes Schaltelement ist, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren 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, wobei die erste/zweite Überwachungseinheit (58,...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Sicherheitsbaustein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das US Patent 5,101,315 beschreibt eine Antriebssteuerung, bei der ein Motor über eine Reihenschaltung aus kontaktlosem und mechanischem Schaltkontakt ansteuerbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Sicherheitsbausteins ist vorgesehen, dass dieser drei Freigabepfade aufweist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Leitungen 28, 30, die einen positiven und einen negativen Anschluss einer Betriebsspannung darstellen, verbunden.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (11)

  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, wobei das erste Schaltelement (K1, K2, K3) ein steuerbarer mechanischer Schaltkontakt und das zweite Schaltelement (Q1, Q2, Q3) ein steuerbares kontaktloses und den Laststrom schaltendes Schaltelement ist, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren 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, wobei die erste/zweite Überwachungseinheit (58, 68) mit der zweiten/ersten Ansteuereinheit (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.
  2. Sicherheitsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kontaktlose Schaltelement (Q1, Q2, Q3) ein Leistungshalbleiterbauelement wie MOSFET oder IGBT ist.
  3. Sicherheitsbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsbaustein drei Freigabepfade (32, 34, 36) aufweist.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Sicherheitsbaustein nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Befehlsgerät (26) zweikanalig ausgebildet ist.
  8. 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.
  9. 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 Triacausgang aufweist.
  10. 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.
  11. 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.
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