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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen der Annäherung zweier
relativ zueinander beweglicher Teile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Um
Gefahrenbereiche, insbesondere von Maschinen und Anlagen abzusichern,
werden häufig Schutztüren, Schutzabdeckungen
oder dgl. verwendet. Hierbei ist bekannt, die Schließposition
der Schutzeinrichtung zu überwachen,
um insbesondere die gefährlichen
Maschinen oder Anlagen zwangsweise abzuschalten, wenn die Schutzeinrichtung
geöffnet
wird. Zur Überwachung
der Schließposition
ist es z. B. aus der
EP
0 968 567 B1 und der
DE
103 34 653 B4 bekannt, an einem der Teile der Schutzeinrichtung,
z. B. der Tür
einen Betätiger
und an dem anderen Teil, z. B. dem Türrahmen einen Sensor anzuordnen.
Der Betätiger
weist einen Transponder und der Sensor einen zugeordneten Empfangskreis
auf. Wenn sich der Transponder in der Schließposition dem Sensor ausreichend
nähert,
wird der Transponder aktiviert und sendet ein in einem Muster codiertes Transpondersignal
aus. Dieses wird von dem Sensor empfangen und mit einem in dem Empfangskreis
des Sensors gespeicherten Bitmuster verglichen. Bei Empfang des
Transpondersignals und bei Übereinstimmung
der Bitmuster erfolgt eine Freigabe für die abgesicherte Einrichtung.
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Um
die Sicherheit der Überwachung
zu verbessern, ist es aus der
EP 0 968 567 B1 bekannt, die Auswertung und
Verarbeitung der empfangenen Transpondersignale in dem Empfangskreis
zu verdoppeln, so dass eine redundante Überwachung erfolgt. Aus der
DE 103 34 653 B4 ist es
bekannt, ein zusätzliches
Testelement vorzusehen, welches den Empfangskreis gezielt unterbricht,
um eine Öffnung der
Sicherheitseinrichtung aus der Schließposition zu simulieren und
das Ansprechen der Vorrichtung zu testen. Diese bekannten Maßnahmen
erhöhen
den schaltungstechnischen Aufwand, was insbesondere bei der Realisierung
in einer Single-Chip-Ausführung mit
ASIC bedeutsam ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Überwachen
der Annäherung zweier
relativ zueinander beweglicher Teile der eingangs genannten Gattung
zur Verfügung
zu stellen, die mit geringem schaltungstechnischem Aufwand eine
verbesserte Zuverlässigkeit
gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird das von dem Sensor empfangene Transpondersignal über eine
Umschalteinheit wechselweise an den Ausgang gelegt durch welchen
das Signal für
die Überwachung
der sicherheitsrelevanten Einreichung erzeugt wird. In der Empfangseinheit
ist ein Bitmuster-Generator vorgesehen, der das gespeicherte Bitmuster
für den
Vergleich mit dem empfangenen Transpondersignal als Bitsequenz erzeugt.
Diese Bitsequenz wird mit dem Transpondersignal synchronisiert und
getaktet und zum Umschalten der Umschalteinheit verwendet. Befindet
sich die von dem Bitmuster-Generator erzeugte Bitsequenz in einem logischen
Zustand, z. B. im Logisch-Eins-Zustand,
so wird die Umschalteinheit so geschaltet, dass das Transpondersignal
ohne Invertierung an den Ausgang gelangt. Befindet sich die Bitsequenz
in dem anderen logischen Zustand, z. B. Logisch-Null-Zustand, so
wird die Umschalteinheit umgeschaltet und das invertierte Transpondersignal
gelangt an den Ausgang. Stimmen die Bitfolge des Transpondersignals
und die synchronisierte Bitsequenz des gespeicherten Bitmusters überein,
so wird das Transpondersignal jeweils invertiert, wenn es in den
anderen logischen Zustand übergeht,
so dass sich der Ausgang der Umschalteinheit stets in demselben
logischen Zustand befindet. Befindet sich beispielsweise das Transpondersignal
im Logisch-Eins-Zustand, so befindet sich bei Übereinstimmung auch die Bitsequenz
des Bitmuster-Generators im Logisch-Eins-Zustand. Die Umschalteinheit
wird so geschaltet, dass das Transpondersignal als nicht invertiertes
Logisch-Eins-Signal
am Ausgang der Umschalteinheit erscheint. Geht das Transpondersignal in
den Logisch-Null-Zustand über,
so geht bei Übereinstimmung
gleichzeitig die Bitsequenz des Bitmuster-Generators in den Logisch-Null-Zustand über und schaltet
die Umschalteinheit um, so dass das invertierte Transpondersignal
an den Ausgang der Umschalteinheit gelangt, wodurch dieser Ausgang
weiterhin im Logisch-Eins-Zustand bleibt. Bei Übereinstimmung der Bitfolge
des vom Betätiger
empfangenen Transpondersignals mit dem im Empfänger gespeicherten Bitmuster
bleibt somit der Ausgang der Umschalteinheit während des gesamten Transpondersignals
in dem gleichen logischen Zustand.
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Weicht
das Bitmuster des empfangenen Transpondersignals von dem gespeicherten
Bitmuster ab oder tritt eine Funktionsstörung in der Überwachungsvorrichtung
auf, so gehen das Transpondersignal und die vom Bitmuster-Generator
erzeugte Bitsequenz nicht gleichzeitig von dem einen logischen Zustand
in den anderen über.
Das Transpondersignal kann somit auch mit einem Wechsel des logischen
Zustands an den Ausgang der Umschalteinheit gelangen, ohne dass
dies durch ein entsprechendes Umschalten durch die Bitsequenz des
Bitmuster-Generators kompensiert wird. Das Ausgangssignal der Umschalteinheit ändert damit
seinen logischen Zustand. Diese Änderung
des logi schen Zustands am Ausgang der Umschalteinrichtung kann als
Signal verarbeitet werden, welches eine Fehlfunktion anzeigt und
z. B. zur Zwangsabschaltung der überwachten
Einrichtung führt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann an dem Ausgang der Umschalteinheit
ein Signalfilter angeschlossen werden, der erst dann das Ausgangssignal
der Umschalteinheit weiterleitet, um z. B. die überwachte Anlage freizugeben,
wenn der Ausgang der Umschalteinheit für eine Dauer, die länger als
die Zykluszeit des vollständigen
Transpondersignals ist, auf dem gleichbleibenden Logikzustand liegt.
Damit ist sicher gestellt, dass die überwachte Einrichtung erst
dann einschaltet, wenn mindestens einmal das vollständige codierte
Bitmuster des Transpondersignals empfangen wurde. Die Schließposition
muss somit für
zumindest diese Zeitspanne erreicht und eingehalten sein. Wird die
Filterzeit auf mehrere Zyklen des Transpondersignals erhöht, so kann
auch die Sicherheit weiter erhöht
werden, dass die zu überwachende
Einrichtung erst bei zuverlässiger
Schließposition
eingeschaltet wird. Dadurch erhöht
sich allerdings auch die Zeitspanne von Beginn der Schließposition
bis zum Einschalten der überwachten
Einrichtung.
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Eine
weitere Erhöhung
der Zuverlässigkeit kann
auch dadurch erreicht werden, dass zwei Umschalteinheiten in parallelen
Signalkanälen
angeordnet sind, so dass sich eine redundante Auswertung ergibt.
Da hierbei zur Erzeugung der Bitsequenz nur ein Bitmuster-Generator
erforderlich ist, ergibt sich auch bei dieser redundanten Ausführung eine
Einsparung an Schaltungsaufwand gegenüber der aus der
EP 0 968 567 B1 bekannten
Vorrichtung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen
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1 in
einem Blockschaltbild eine erste Ausführung der Vorrichtung zum Überwachen
der Annäherung,
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2 in
einem entsprechenden Blockschaltbild eine zweite Ausführung,
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3 in
einem entsprechenden Blockschaltbild eine dritte Ausführung, und
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4 in
einem entsprechenden Blockschaltbild eine vierte Ausführung.
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Zur Überwachung
der Annäherung
zweier relativ zueinander beweglicher Teile ist an dem einen Teil
ein Betätiger
und an dem anderen Teil ein Sensor angebracht. In der Zeichnung
sind die beiden Teile nicht dargestellt. Von dem Betätiger ist
nur schematisch ein Transponder 10 gezeigt, während von
dem Sensor schematisch nur ein Empfangskreis 12 gezeigt
ist.
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Der
Sensor weist einen Schwingkreis mit einer Antenne 14 auf,
der vorzugsweise mit einer Radiofrequenz von z. B. 125 kHz schwingt.
Der Transponder 10 weist einen entsprechend auf diese Radiofrequenz
abgestimmten Schwingkreis auf, so dass die Schwingkreise der Antenne 14 und
des Transponders 10 einen berührungslosen induktiven Übertrager
bilden, wenn sich der Transponder 10 und der Sensor 12 ausreichend
angenähert
haben und ihr Abstand einen vorgegebenen Annäherungsabstand unterschreitet.
Der Antennen-Schwingkreis 14 und der Sensor 12 kann
somit Energie in den Transponder 10 einspeisen und diesen
aktivieren.
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Der
Betätiger
weist einen Speicher, z. B. einen EEPROM-Speicher auf, in welchem ein Bitmuster
abgelegt ist, welches das mit dem Betätiger versehene Teil kennzeichnet.
Wird der Transponder 10 bei ausreichender Annäherung an
den Sensor aktiviert, so überträgt der Transponder 10 ein
entsprechend diesem gespeicherten Bitmuster codiertes Transpondersignal
auf den Sensor. Das Transpondersignal besteht vorzugsweise aus dem
entsprechend dem gespeicherten Bitmuster amplituden-modulierten
Resonanzfrequenz-Signal des Transponderschwingkreises.
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Der
Empfängerkreis 12 des
Sensors empfängt
das entsprechend dem Bitmuster des Betätigers codierte Transpondersignal
in dem Antennen-Schwingkreis 14. In einem diesem Antennen-Schwingkreis 14 nachgeschalteten
Demodulator 16 wird aus der empfangenen modulierten Trägerfrequenz
wieder das Transpondersignal in Form von Rechteckimpulsen gewonnen,
die das in dem Betätiger
gespeicherte Bitmuster als codierte Bitfolge darstellen. Das demodulierte
Transpondersignal wird über
einen Verstärker 18 einer
Umschalteinheit 20 zugeführt.
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Die
Umschalteinheit 20 führt
das Transpondersignal in einem Pfad 22 unverändert zu
einem Ausgang 28 der Umschalteinheit 20. In einem
zu dem ersten Pfad 22 parallelen zweiten Pfad 24 wird
das Transpondersignal durch einen Inverter 26 invertiert zu
dem Ausgang 28 geführt.
Die Umschalteinheit 20 ist in der Weise umschaltbar, dass
wechselweise das nicht invertierte Transpondersignal über den
nicht invertierenden Pfad 22 oder das invertierte Transpondersignal über den
invertierenden Pfad 24 an den Ausgang 28 gelegt
wird.
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Weiter
ist in dem Empfangskreis 12 ein Bitmuster-Generator 30 vorgesehen.
In einem Speicher des Bitmuster-Generators 30 wird ein
codiertes Bitmuster hinterlegt, welches mit dem in dem Betätiger hinterlegten
Bitmuster übereinstimmt,
wenn der Betätiger
mit dem Transponder 10 zur Überwachung der Annäherung identifiziert
werden soll. Der Bitmuster-Generator erzeugt eine entsprechend diesem
Bitmuster codierte Bitsequenz, mit welcher die Umschaltung der Umschalteinheit 20 gesteuert
wird. Eine Synchronisationseinheit 32 gewinnt aus dem Transpondersignal
ein Synchronisationssignal, welches den Bitmuster-Generator 30 ansteuert,
so dass dieser synchron mit dem Transpondersignal die seinem gespeicherten
Bitmuster entsprechende Bitsequenz ausgibt. Ein im Ausführungsbeispiel
der 1 mit der Synchronisationseinheit 32 vereinigter
Taktgenerator gewinnt aus dem Transpondersignal die Taktfrequenz
der Bitfolge des Transpondersignals und steuert den Bitmuster-Generator 30 entsprechend,
so dass dieser seine Bitsequenz mit dem Takt des Transpondersignals
ausgibt.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung arbeitet folgender Weise:
Sobald
sich die gegeneinander beweglichen Teile soweit angenähert haben,
dass ein vorgegebener Annäherungsabstand
unterschritten wird, empfängt
der Empfangskreis 12 von dem Transponder 10 das
entsprechend dem in dem Betätiger
gespeicherten Bitmuster codierte Transpondersignal. Dieses Transpondersignal
wird als Bitfolge der Umschalteinheit 20 zugeführt. Mit
diesem Transpondersignal synchron und im gleichen Takt schaltet
der Bitmuster-Generator den Ausgang 28 der Umschalteinheit 20 entsprechend
dem in dem Bitmuster-Generator 30 gespeicherten Bitmuster
zwischen dem nicht invertierenden Pfad 22 und dem invertierenden
Pfad 24 um. Befindet sich das Transpondersignal z. B. im
Logisch-Eins-Zustand, so wird das Transpondersignal über den
nicht invertierenden Pfad 22 an den Ausgang 28 geleitet,
so dass am Ausgang 28 ein Logisch-Eins- Zustand ansteht. Dies wird dadurch bewirkt,
dass der Bitmuster-Generator durch ein mit dem Logisch-Eins-Zustand
des Transpondersignals übereinstimmendes
Logisch-Eins-Signal seiner Bitsequenz ausgibt und damit den Ausgang 28 auf den
nicht invertierenden Pfad 22 schaltet. Geht das Transpondersignal
von dem Logisch-Eins-Zustand in den Logisch-Null-Zustand über, so
geht gleichzeitig die Bitsequenz des Bitmuster-Generators 30 vom
Logisch-Eins-Zustand in den Logisch-Null-Zustand über und
schaltet damit den Ausgang 28 der Umschalteinheit 20 auf
den invertierenden Pfad 24. An den Ausgang 28 gelangt
damit das invertierte Transpondersignal, so dass der Logisch-Null-Zustand des Transpondersignals
als Logisch-Eins-Zustand an den Ausgang 28 gelegt wird.
Geht das Transpondersignal wieder von dem Logisch-Null-Zustand in
den Logisch-Eins-Zustand über,
so schaltet entsprechend der Bitmuster-Generator 30 den
Ausgang 28 wieder auf den nicht invertierenden Pfad 22,
so dass wiederum das Transpondersignal als Logisch-Eins-Signal am
Ausgang 28 anliegt. Sofern die Bitfolge des Transpondersignals
und die von dem Bitmuster-Generator 30 ausgegebene Bitsequenz übereinstimmen,
liegt dadurch der Ausgang 28 ständig auf dem Logisch-Eins-Zustand. Solange
der Ausgang 28 auf Logisch-Eins liegt, ist somit gewährleistet,
dass zum ersten der Transponder 10 ausreichend nahe an
dem Sensor ist und der Sensor das Transpondersignal empfängt, dass
zum zweiten die zueinander gehörenden
Teile sich angenähert
haben, da die Bitmuster des Betätigers
und des Sensors übereinstimmen,
und dass zum dritten die Überwachungsvorrichtung
ordnungsgemäß arbeitet.
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Falls
die Bitmuster des Transpondersignals und der von dem Bitmuster-Generator 30 erzeugten Bitsequenz
nicht übereinstimmen,
wird bei einer Abweichung des Bitmusters die Umschalteinheit 20 nicht
gleichzeitig mit einem Wechsel des logischen Zustandes des Transpondersignals
umgeschaltet und der Ausgang 28 geht in den Logisch-Null-Zustand,
sei es dass das Transpondersignal in den Logisch-Null-Zustand übergeht,
ohne dass der Bitmuster-Generator 30 den Umschalter auf
den invertierenden Pfad 24 umschaltet, oder sei es, dass
der Bitmuster-Generator 30 den Ausgang 28 auf
den invertierenden Pfad 24 umschaltet, ohne dass das Transpondersignal
seinen logischen Zustand ändert.
Geht der Ausgang 28 auf den Logisch-Null-Zustand über, so
kann dies bedeuten, dass zum ersten der Transponder 10 sich
zu weit von dem Sensor entfernt hat, dass zum zweiten der Betätiger nicht
zu dem richtigen Teil gehört
oder dass zum dritten in der Überwachungsvorrichtung
ein Funktionsfehler aufgetreten ist. In all diesen Fällen handelt
es sich um eine Störung,
die zu einer Alarmauslösung
oder einer Zwangsabschaltung oder dgl. führt.
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Das
Umschalten der Umschalteinheit 20 zwischen dem nicht invertierenden
Pfad 22 und dem invertierenden Pfad 24 kann durch
den Bitmuster-Generator 30 selbstverständlich auch so gesteuert werden,
dass sich der Ausgang 28 bei funktionierender Vorrichtung
und übereinstimmenden
Bitmustern im Logisch-Null-Zustand
befindet. Bei einer Störung würde dann
der Ausgang 28 in den Logisch-Eins-Zustand übergehen.
Eine solche Ausführung
hat jedoch den Nachteil, dass ein Ausfall der Einrichtung, bei welcher
der Ausgang 28 im Logisch-Null-Zustand bleibt, eventuell
nicht erkannt werden könnte.
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Um
sicher zu gehen, dass eine abzusichernde Maschine oder Anlage nicht
vorzeitig freigeschaltet wird, ist zweckmäßigerweise dem Ausgang 28 ein Signalfilter
nachgeschaltet, der dass Signal des Ausgangs 28 erst dann
weiterleitet, wenn am Ausgang 28 der Logisch-Eins-Zustand über eine
Dauer anliegt, die zumindest der Zyklusdauer des Transpondersignals
entspricht. Dadurch wird sichergestellt, dass die mit dem Betätiger und
dem Sensor ausgestatteten Teile sich über eine ausreichend lange
Dauer zuverlässig
einander angenähert
haben.
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In 2 ist
eine Abwandlung der Ausführung der 1 dargestellt.
Soweit die Ausführung
der 2 mit der vorstehend beschriebenen Ausführung der 1 übereinstimmt,
sind die selben Bezugszeichen verwendet und auf die vorangehende
Beschreibung wird verwiesen.
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Die
Ausführung
der 2 unterscheidet sich von der Ausführung der 1 darin,
dass die Synchronisationseinheit 32 aus dem demodulierten Transpondersignal
nur das Synchronisationssignal für
den Bitmuster-Generator 30 gewinnt, welches den gleichzeitigen
Start der Bitsequenz des Bitmuster-Generators 30 mit der
Bitfolge des Transpondersignals gewährleistet. Der Takt für die Ausgabe
der Bitsequenz des Bitmuster-Generators 30 wird aus der
Trägerfrequenz
des von dem Antennen-Schwingkreis 14 empfangenen
Signals über
eine Taktstufe 34 gewonnen.
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3 zeit
eine weitere Ausführung
der Vorrichtung, wobei auch hier wieder für übereinstimmende Teile übereinstimmende
Bezugszeichen verwendet sind und auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen
wird.
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Im
Unterschied zu der 1 sind bei der Ausführung der 3 zwei
Umschalteinheiten 20 und 20' in parallelen Kanälen vorgesehen.
Die Umschalteinheiten 20 und 20' werden gleichzeitig durch die
Bitsequenz des Bitmuster-Generators 30 umgeschaltet. Die
beiden Kanäle
mit den Umschalteinheiten 20 und 20' arbeiten somit redundant und ergeben somit
eine zusätzliche
Sicherheit für
ein einwandfreies Arbeiten der Überwachungseinrichtung.
Da die beiden Umschalteinheiten 20 und 20' über dieselbe Synchronisationseinheit
und denselben Bitmuster-Generator 30 angesteuert werden,
ist die redundanten Anordnung von zwei Umschalteinheiten 20 und 20' nur mit einem
sehr geringen elektronischen Mehraufwand verbunden.
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Eine
vierte Ausführung
der Vorrichtung ist in 4 dargestellt. Auch hier sind
für übereinstimmende
Merkmale dieselben Bezugszeichen verwendet und auf die vorangehende
Beschreibung wird Bezug genommen.
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Die
Ausführung
der 4 entspricht der Ausführung der 3,
wobei jedoch den Ausgängen 28 der
Umschalteinheiten 20 und 20' jeweils ein Ausreißerfilter 36 nachgeschaltet
ist. Die Ausreißerfilter 36 dienen
zur Unterdrückung
geringfügiger
Störungen
und verhindern, dass bei jeder für
den Betrieb unwesentlichen Störung
die zu überwachende
Anlage oder Maschine abgeschaltet wird. Die Ausreißerfilter 36 werden
durch die Synchronisationseinheit 32 angesteuert und halten
das Signal der jeweiligen Ausgänge 28 für eine vorgegebene
Zeitspanne in dem logischen Zustand, insbesondere dem Logisch-Eins-Zustand,
so dass Störungen,
die kürzer als
diese Zeitspanne sind, nicht als Überwachungssignal verarbeitet
werden und z. B. zu eine Zwangsabschaltung führen. Die Ansteuerung durch
die Synchronisationseinheit 32 kann über ein Abtasthalteglied der
Ausreißerfilter 36 erfolgen,
wodurch die Abtastung insbesondere genau in der Mitte eines jeweiligen
Datenbits erfolgt.
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Es
ist ohne weiteres ersichtlich, dass ein solcher Ausreißerfilter 36 auch
bei einer einkanaligen Umschalteinheit 20 verwendet werden
kann, wie sie in den 1 und 2 dargestellt
ist.
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- 10
- Transponder
- 12
- Empfangskreis
- 14
- Antennen-Schwingkreis
- 16
- Demodulator
- 18
- Verstärker
- 20
- Umschalteinheit
- 22
- nicht
invertierender Pfad
- 24
- invertierender
Pfad
- 26
- Inverter
- 28
- Ausgang
- 30
- Bitmuster-Generator
- 32
- Synchronisationseinheit
- 34
- Taktstufe
- 36
- Ausreißerfilter