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Die Erfindung betrifft eine modulare Sicherheitssteuerung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Sicherheitssteuerungen dienen unter anderem dazu, bei Anliegen eines Gefahrensignals fehlerfrei auf eine vorgegebene Art zu reagieren. Eine typische Anwendung der Sicherheitstechnik ist die Absicherung gefährlicher Maschinen, wie etwa Pressen oder Roboter, die sofort abgeschaltet oder abgesichert werden müssen, wenn sich Bedienpersonal in unerlaubter Weise nähert. Dazu ist ein Sensor vorgesehen, der die Annäherung erkennt, wie etwa ein Lichtgitter oder eine Sicherheitskamera. Erkennt ein solcher Sensor eine Gefährdung, so muss eine mit dem Sensor verbundene Sicherheitssteuerung absolut zuverlässig ein Abschaltsignal generieren.
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Um flexibel mit verschiedenen Anordnungen von Sensoren und abzusichernden Maschinen umgehen zu können, werden zunehmend modular aufgebaute Sicherheitssteuerungen eingesetzt. Die unterschiedlichen Steuerungs- und Kommunikationsaufgaben werden modular umgesetzt, und die entsprechenden Steuerungsmodule werden durch mechanische und elektrische Verbindung zu einer Gesamtlösung zusammengefügt. Ein Beispiel für eine modulare Sicherheitssteuerung ist in der
EP 1 936 457 A1 beschrieben.
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Über eine Kommunikationsschnittstelle werden die notwendigen Daten zwischen den Steuerungsmodulen ausgetauscht. Dazu zählt die sichere Kommunikation von Prozessdaten, die Übertragung von Konfigurationsdaten aus einer zentralen Einheit zu den jeweiligen Steuerungsmodulen sowie ein Austausch von Diagnosedaten für die Fehlersuche beziehungsweise die Prozessvisualisierung. Diese Kommunikation der Steuerungsmodule untereinander und mit einer Mastereinheit erfolgt herkömmlich zumeist über einen sogenannten Rückwandbus, mit dem die Steuerungsmodule über eine Steckerleiste verbunden werden.
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Für eine hinreichende Störfestigkeit und um den stets steigenden Bedürfnissen an die zu kommunizierenden Datenmengen gerecht zu werden, bestehen hohe Ansprüche an den Schutz gegenüber elektromagnetischer Strahlung (EMV) und die Übertragungsgeschwindigkeit eines solchen Rückwandbussystems. Dies führt zu hohen Herstellungskosten für die Verbindungsstecker und die sonstigen erforderlichen elektronischen Bauteile, die zudem Leiterkartenplatz beanspruchen. Zudem sind aufwändige EMV-Schutzmaßnahmen zu ergreifen.
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Aus der
DE 103 36 572 B4 ist eine Busankopplung ohne Steckverbindungen für Automatisierungsgeräte bekannt. Dabei ist eine optische Schnittstelle vorgesehen, um eine Verbraucherabzweigvorrichtung optisch an den Rückwandbus anzukoppeln. Demnach handelt es sich nicht um eine modulare Sicherheitssteuerung, sondern den Anschluss von Aktoren an einen Rückwandbus, wobei auch der Rückwandbus samt der beschriebenen Nachteile weiterhin erhalten bleibt.
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In der
DE 103 35 036 A1 basiert ein Rückwandbus für ein modulares System auf einem Lichtleiter. Die anzuschließenden Module koppeln in Unterbrechungen des Lichtleiters ein. Erneut ist das modulare System keine Sicherheitssteuerung. Der Rückwandbus mit seinen vorgegebenen Steckplätzen ist selbst nicht modular ausgebildet.
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Die
WO 88/08573 A1 offenbart ein Rechnersystem mit einer Grundplatine und mehreren Anschlussplatinen, die untereinander durch einen Bus verbunden sind. Zusätzlich zu dem Bus ist ein optischer Übertragungsweg zur Zuweisung von Adressen für die Buskommunikation vorgesehen. Somit bleibt auch hier ein herkömmlicher Bus erhalten, während optische Kommunikation nur zum Austausch von Konfigurationsdaten für die eigentliche Kommunikation auf dem herkömmlichen Bus verwendet wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Kommunikation in einer modularen Sicherheitssteuerung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine modulare Sicherheitssteuerung gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, eine optische Kommunikationsschnittstelle zu verwenden. Anstelle von elektrischen Verbindungsleitungen zwischen Steuerungseinheit und Anschlussmodulen wird eine direkte optische Sichtverbindung hergestellt. Sendelicht des Kopf-Lichtsenders fällt also ohne Umlenkungen, insbesondere ohne Lichtleiter, auf den ersten Lichtempfänger des Anschlussmoduls.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine sehr robuste Datenkommunikationsschnittstelle entsteht, die unempfindlich gegen EMV-Störungen ist. Es sind keine hochwertigen Steckverbindungen und keine entsprechende Elektronik für die sichere Datenkommunikation erforderlich, und es wird nur sehr wenig Bauraum für die elektronischen Schaltungen und die optische Kommunikation benötigt. Außerdem können Designs bestehender Sicherheitsmodule mit minimalem Aufwand auf die erfindungsgemäße Kommunikation umgerüstet werden.
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Vorteilhafterweise sind mehrere Anschlussmodule vorgesehen, welche sequentiell zu einer Modulreihe verbunden sind, wobei jedes Anschlussmodul einen ersten Lichtempfänger und einen ersten Lichtsender aufweist, wobei der erste Lichtsender jedes vorgeordneten Anschlussmoduls außer dem letzten Anschlussmodul der Modulreihe jeweils in dem Empfangsbereich des ersten Lichtempfängers des nachgeordneten Anschlussmoduls angeordnet ist. Die zu einer Modulreihe angeordneten Anschlussmodule kommunizieren dabei jeweils über eine direkte Sichtverbindung mit dem nachgeordneten Modul. Ganz entsprechend dem modularen Ansatz können Anschlussmodule angefügt, ausgetauscht oder entfernt werden, ohne die optische Kommunikation zu beeinträchtigen.
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Bevorzugt ist ein Kopfmodul vorgesehen, welches den Kopf der Modulreihe bildet und die Steuerungseinheit umfasst. Auch die Steuerungseinheit wird damit zu einem Modul der Modulreihe, welches allerdings eine besondere Funktion hat und in der Regel nur in einer Richtung eine Verbindungsmöglichkeit für Anschlussmodule vorsieht.
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Die Anschlussmodule sind bevorzugt mit dem Kopfmodul und untereinander durch mechanische Steckverbindungen verbunden. Aufwändige elektrische Kontakte für die sichere Kommunikation sind nicht erforderlich. Deshalb genügen einfache, kostengünstige mechanische Steckverbindungen. Denkbar ist, die mechanischen Steckverbindungen zusätzlich mit einfachen Versorgungsleitungen auszustatten.
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Vorteilhafterweise weist für eine bidirektionale Kommunikation die Steuerungseinheit einen Kopf-Lichtempfänger und jedes Anschlussmodul einen zweiten Lichtempfänger und einen zweiten Lichtsender auf, wobei der zweite Lichtsender jedes nachgeordneten Anschlussmoduls außer dem ersten Anschlussmodul der Modulreihe jeweils in dem Empfangsbereich des zweiten Lichtempfängers und der zweite Lichtsender des ersten Anschlussmoduls in dem Empfangsbereich des Kopf-Lichtempfängers angeordnet ist. Somit wird in Rückrichtung der Kommunikation eine entsprechende Kette von Sendern und Empfängern aufgebaut, so dass jedes Anschlussmodul in beide Richtungen optisch kommunizieren kann.
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Der erste Lichtsender ist bevorzugt auf der einen Seite einer Leiterkarte des Anschlussmoduls und der erste Lichtempfänger auf der Rückseite der Leiterkarte angeordnet, wobei jeweils eine Öffnung in einem Gehäuse des Anschlussmoduls vorgesehen ist, um Sendelicht des ersten Lichtsenders austreten und Empfangslicht des ersten Lichtempfängers eintreten zu lassen. Somit wird die optische Kommunikation in besonders einfacher Weise auf einer ohnehin vorhandenen Leiterkarte integriert. Das Redesign herkömmlicher Steuerungsmodule ist besonders einfach, weil die Umrüstung lediglich der zusätzlichen Bestückung bestehender Leiterkarten mit Lichtsender und Lichtempfänger und deren Ansteuerung sowie das Anbringen der Durchtrittsöffnungen für das Licht in das Gehäuse bedarf. Im Falle einer bidirektionalen Kommunikation wird der zweite Lichtsender auf derselben Seite der Leiterkarte wie der erste Lichtempfänger und der zweite Lichtempfänger auf derselben Seite wie der erste Lichtsender untergebracht. Entsprechend werden weitere Öffnungen in dem Gehäuse angebracht oder die bestehenden Öffnungen verbreitert.
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Die Kommunikationsschnittstelle ist bevorzugt als sicherer Bus ausgebildet. Die optische Kommunikation ersetzt somit den herkömmlichen Rückwandbus.
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Die Steuerungseinheit weist bevorzugt einen digitalen Logikbaustein mit einer Busmastersteuerung und jedes Anschlussmodul einen digitalen Logikbaustein mit einer Busslavesteuerung auf. Der digitale Logikbaustein ist beispielsweise ein FPGA (Field Programmable Gate Array), ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder ein Mikrocontroller.
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Zumindest eines der Anschlussmodule weist bevorzugt eine eigene Steuerungseinheit zur Auswertung der Empfangssignale der angeschlossenen Sensoren auf. Damit können komplexere Sensoren, wie Sicherheitsscanner oder 3D-Kameras, unmittelbar in dem zugehörigen Anschlussmodul ausgewertet werden. Eine Kommunikation der komplexen Sensordaten ist deshalb nicht erforderlich und die zentrale Steuerungseinheit wird entlastet.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine Blockdarstellung einer modularen Sicherheitssteuerung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine vereinfachte Darstellung der Sicherheitssteuerung gemäß 1 zur Verdeutlichung der Elemente für die optische Kommunikation; und
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3 eine weitere Darstellung der optischen Kommunikation in der Sicherheitssteuerung gemäß 1 und 2.
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1 zeigt eine modulare Sicherheitssteuerung 10 mit einem Steuerungsmodul 12, welches eine sichere Steuerungseinheit 14 aufweist, also beispielsweise einen Mikroprozessor oder einen anderen Logikbaustein. Mit dem Steuerungsmodul 12 sind sequentiell vier Anschlussmodule 16a–d zu einer Modulreihe verbunden. In den Anschlussmodulen 16a–d sind Eingänge 18 zum Anschluss von Sensoren 20a–c und Ausgänge 22 zum Anschluss von Aktoren 24a–b vorgesehen. Im Gegensatz zu der Darstellung können sich die Anschlussmodule 16a–d in Art und Anzahl ihrer Anschlüsse unterscheiden und nur Eingänge, nur Ausgänge sowie eine Mischung aus beidem in unterschiedlicher Anzahl haben. Auch die Anordnung und die physische Ausbildung der Anschlussklemmen 18, 22 ist durch Wahl eines bestimmten Anschlussmoduls 16 anpassbar an verschiedene Steckertypen, Kabelgrößen und Signalarten. Schließlich sind die Module 12, 16a–d vereinfacht dargestellt und können weitere Elemente aufweisen, beispielsweise je eine LED für jeden Anschluss in übersichtlicher, die Zugehörigkeit optisch hervorhebender Anordnung.
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Die Sicherheitssteuerung hat die Aufgabe, für einen sicheren Betrieb der Sensoren 20a–c und vor allem der Aktoren 24a–b zu sorgen, also Aktoren 24a–b sicherheitsgerichtet abzuschalten (der Ausgang 22 ist dann ein OSSD, Output Switching Signal Device), ein Not-Aus der Anlage sicher auszuführen, einer beliebigen Ansteuerung an einen Aktor 24a–b, besonders einem Einschalten oder einem Wiederhochfahren, zuzustimmen, Aktoren 24a–b freizugeben und dergleichen.
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Ein Lichtgitter 20b, eine Sicherheitskamera 20a und ein Schalter 20c sind Beispiele für sicherheitsrelevante Sensoren oder Eingänge, welche ein Signal liefern können, auf das als Reaktion eine sicherheitsgerichtete Abschaltung erfolgt. Dies kann eine Unterbrechung der Lichtstrahlen des Lichtgitters 20b durch ein Körperteil, die Erkennung eines unzulässigen Eingriffs in einen Schutzbereich durch die Sicherheitskamera 20a oder ein Betätigen des Schalters 20c sein. An die Eingänge 18 können weitere Sicherheitssensoren beliebiger Art, wie Laserscanner, 3D-Kameras, Schaltmatten oder kapazitive Sensoren angeschlossen werden, aber auch sonstige Sensoren etwa zur Aufnahme von Messdaten oder einfache Schalter wie ein Not-Aus-Schalter. Alle derartigen Signalgeber werden hier und im Folgenden als Sensor bezeichnet.
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Bei bestimmten Anwendungen sind auch Sensoren 20 an Ausgänge 22 und Aktoren 24 an Eingänge 18 angeschlossen, etwa um Testsignale zu übertragen, um einen Sensor 20 vorübergehend stumm zu schalten (muting), Teilbereiche aus dem Überwachungsbereich des Sensors 20 auszublenden (blanking), oder weil ein Aktor 24 neben einem Eingang für Ansteuerungen auch eigene Signalausgänge besitzt, mit denen er sich zum Teil selbst überwacht.
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An Ausgänge 22 sind bevorzugt zweikanalig ein Roboter 24a und eine Abkantpresse 24b angeschlossen, die Beispiele für Bedienpersonal bei unzulässigem Eingriff gefährdende Aktoren darstellen. Diese Aktoren 24a–b können somit von der Sicherheitssteuerung 10 einen Abschaltbefehl erhalten, um sie bei Erkennung einer Gefährdung oder eines unzulässigen Eingriffs durch Sicherheitssensoren 20a–b abzuschalten oder in einen sicheren Zustand zu verbringen. Dabei kann das Lichtgitter 20a der Überwachung der Abkantpresse 24a und die Sicherheitskamera 20b der Überwachung des Roboters 24b dienen, so dass einander funktionell zugehörige Sensoren 20a–b und Aktoren 24a–b auch jeweils an einem Modul 16a bzw. 16b angeschlossen sind. Die funktionelle Zuordnung erfolgt aber über die Steuerungseinheit 14, so dass eine solche Abbildung der Anlage zwar übersichtlicher, keineswegs aber erforderlich ist. Weitere als die dargestellten Aktoren sind denkbar, und zwar sowohl solche, welche einen Gefahrenbereich erzeugen als auch andere, etwa eine Warnlampe, eine Sirene, eine Anzeige und dergleichen mehr.
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Zwischen der Steuerungseinheit 14 und den Eingängen 18 bzw. den Ausgängen 22 besteht eine optische Kommunikationsverbindung 26, die weiter unten im Zusammenhang mit den 2 und 3 näher erläutert wird. Die Module 16a–d weisen eine eigene Steuerung 28 auf, um an der Kommunikation teilzunehmen. Die Steuerungen 28 können auch Auswertungsaufgaben übernehmen oder gemeinsam mit der Steuerungseinheit 14 verteilte Auswertungen vornehmen, die von einfachen Bool'schen Verknüpfungen bis hin zu komplexen Auswertungen, etwa einer dreidimensionalen Sicherheitskamera, reichen können.
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Die Module 12, 16a–d sind jeweils in einheitlichen Gehäusen untergebracht und werden durch Anschlussstücke mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Das Steuerungsmodul 12 bildet somit den Kopf einer Modulreihe.
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Sicherheitssteuerung 14, Eingänge 18, Ausgänge 22 und Kommunikationsverbindung 26 sind fehlersicher ausgebildet, also durch Maßnahmen wie zweikanalige Ausführung, durch diversitäre, redundante, selbstprüfende oder sonst sichere Auswertungen und Selbsttests. Entsprechende Sicherheitsanforderungen für die Sicherheitssteuerung sind in der Norm EN 954-1 bzw. ISO 13849 (performance level) festgelegt. Die damit mögliche Sicherheitsstufe und die weiteren Sicherheitsanforderungen an eine Anwendung sind in der Norm EN 61508 bzw. EN 62061 definiert.
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2 zeigt die modulare Sicherheitssteuerung 10 erneut in einer vereinfachten Darstellung. Dabei sind nur die Elemente der Kommunikationsverbindung 26 dargestellt und die übrigen Elemente zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Auf einer Leiterkarte 30 des Steuerungsmoduls 12 ist ein Lichtsender 32 montiert. Ein Lichtempfänger 34 ist so auf einer Leiterkarte 36 des ersten Anschlussmoduls 16a angeordnet, dass das Sendelicht des Lichtsenders 32 auf den Lichtempfänger 34 fällt. Dazu sind in den Gehäusen des Steuerungsmoduls 12 und des ersten Anschlussmoduls 16a entsprechende Öffnungen 38 vorgesehen.
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Ganz analog ist ein Lichtsender 40 des ersten Anschlussmoduls 16a auf einen Lichtempfänger 34 des nächsten Anschlussmoduls 16b ausgerichtet, und dies wird bis zu dem letzten Anschlussmodul 16d fortgesetzt, dessen Lichtsender 40 kein Gegenstück mehr findet.
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Ein umgekehrter optischer Kommunikationsweg führt von einem weiteren Lichtsender 42 jedes Anschlussmoduls 16d–a zu einem weiteren Lichtempfänger 44 des vorgeordneten Anschlussmoduls 16c–a beziehungsweise einem Lichtempfänger 46 des Steuerungsmoduls 12. Auf den Lichtempfänger 44 des letzten Anschlussmoduls 16d ist kein Lichtsender gerichtet.
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Insgesamt weist damit jedes Anschlussmodul auf der einen Seite der Leiterkarte 36 den Lichtempfänger 34 und den weiteren Lichtsender 42 und auf der anderen Seite der Leiterkarte 36 den Lichtsender 40 und den weiteren Lichtempfänger 44 auf. In dem Steuerungsmodul 12 sind nur in einer Richtung Lichtsender 32 und Lichtempfänger 46 auf der Leiterkarte 30 vorgesehen. Die Lichtsender 32, 40, 42 sind beispielsweise Halbleiterdioden, wie LEDs oder Laserdioden, und die Lichtempfänger 34, 44, 46 beispielsweise Photodioden.
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Es entsteht eine bidirektionale optische Verbindung von dem Steuerungsmodul 12 sequentiell über alle Anschlussmodule 16a–c bis zu dem letzten Anschlussmodul 16d. Eine genaue Ausrichtung der optischen Elemente 32, 34, 40, 42, 44, 46 ist nicht erforderlich, da die typische Abstrahlcharakteristik der Lichtsender 32, 40, 42 bei einfachem Zusammenstecken der Module 12, 16 genügt.
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Durch Modulation der Lichtsender 32, 40, 42 und Auswertung der Empfangssignale an den Lichtempfängern 34, 44, 46 können übliche serielle Standards implementiert werden. Im einfachsten Fall erfolgt eine direkte serielle Ansteuerung einzelner Anschlussmodule 16a–d von der Steuerungseinheit 14 (UART, universal asynchronous receiver transmitter). Allgemein wird ein Busstandard umgesetzt, etwa ein Feldbusstandard, wie IO-Link, Profibus, CAN oder auch ein proprietärer Standard, der zusätzlich für die sicherheitstechnische Anwendung fehlersicher ausgelegt sein kann.
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3 zeigt eine weitere vereinfachte Darstellung der Kommunikation, wobei die Steuerungseinheit 14 als Busmaster und die Steuerungen 28 der Anschlussmodule 16a–d als Busslave ausgebildet sind. Die Datenübertragung wird durch eine einfache Ringprotokollstruktur realisiert. Das Protokollhandling für die Echtzeitdatenkommunikation wird beispielsweise sehr kompakt in einem FPGA implementiert. Die Steuerungseinheit 14 steuert und kontrolliert die Kommunikation. Die Steuerungen 28 filtern die Daten für die zugeordnete Adresse des eigenen Anschlussmoduls 16a–d mit der jeweiligen Steuerung 28 heraus und senden das Signal über ihre Lichtsender 40, 44 weiter.
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In dem letzten Anschlussmodul 16d ist die optische Kette unterbrochen. Das Anschlussmodul 16d kann mit einer Erkennung ausgestattet werden, dass kein weiteres Anschlussmodul folgt, um die Kommunikation elektrisch kurzzuschließen. Alternativ werden die von der Steuerungseinheit 14 ausgesandten Daten in dem letzten Anschlussmodul 16d ins Leere gesendet, und der Rückweg über den Lichtsender 42 wird in demjenigen Anschlussmodul 16d–a für den Rückweg neu initiiert, welches diese Kommunikationsrichtung nutzen möchte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1936457 A1 [0003]
- DE 10336572 B4 [0006]
- DE 10335036 A1 [0007]
- WO 88/08573 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN 954-1 [0031]
- ISO 13849 [0031]
- Norm EN 61508 [0031]
- EN 62061 [0031]
