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Schaltungsanordnung zur Steuerung von Maschinen mittels zweier,
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vorzugsweise handbetätigter Taster Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung von Maschinen mittels wenigstens zweier Taster, die vorzugsweise handbetätigt
sind.
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Handbetätigte Taster werden beispielsweise zur Steuerung von Pressen
verwendet. Um Arbeitsunfälle zu vermeiden, insbesondere zu verhindern, daß die Bedienangsperson
mit der Hand in das Bearbeitungswerkzeug gerät, ist häufig vorgeschrieben, daß die
Maschine nur durch Betätigung von Tastern mit beiden Händen, durch sogenannte Zweihandschaltung-
und -steuerung, ausgelöst wird.
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Solche Zweihandschaltungen und -steuerungen müssen so ausgebildet
sein, daß bei Störungen der Schaltung auf keinen Fall ein Arbeitsvorgang, z.B. ein
Pressenhub, ausgelöst werden kann.
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Zu diesem Zweck werden Zweihand-Sicherheitrelais angeboten, die aus
einer logisch verknüpften Relaisschaltung bestehen, bei welcher eine Zeitstufe die
gleichzeitige Betätigung der Bedienungstaster innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit
von maximal o,5 Sekunden überwacht o Ausserdem müssen Maßnahmen zur Selbstüberwachung
jedes Bauteils gegen Versagung sowie zur Sicherung gegen Fremdeinflüsse getroffen
sein In der Regel handelt es sich hierbei um elektromechanische Schaltrelais mit
zwangsgeführten Kontaktsätzen, welche mit einfachen Zeitstufen, bestehend aus RC-Gliedern
mit nachgeschalteten Schalttransistoren ,kombiniert sind.
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Die bisher bekanntgewordenen Schaltungen dieser Art bieten noch keine
absolut sichere Selbstüberwachung gegen Versagen jedes beliebigen Bauteils.
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Problematisch bei allen Relaissteuerungen, auch bei Verwendung von
Relais mit zwangsgeführten Kontakten ist es, eine Fehlschaltungssicherheit der Kontakte,
insbesondere bei kleinen Betriebsspannungen; zu gewährleisten, vor allem zu verhindern,
daß ein Steuerbefehl ohne erkennbare Ursache nicht ausgeführt wird Ein weiteres
Problem ist, daß infolge relativ geringer Lebensdauer schon sehr rasch Betriebsstörungen
auftreten können.
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Um eine Selbstüberwachung zu gewahrleisten, sind komplizierte Verknüpfungen
der zwangsgeführten Kontakte untereinander notwendig, was zu einem nicht unerheblichen
Platz- und Energiebedarf derartiger Schaltungsanordnungen führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde,
eine sich selbst überwachende elektronische Schaltung zur Erzeugung eines Steuersignals,
vorzugsweise mittels handbetätigter Taster, zu schaffen.
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Es ist bekannt, solche Schaltungen zweikanalig aufzubauen, wobei einer
der Kanäle invers angesteuert bzw. das Ausgangssignal eines Kanals invertiert wird
und die Signale beider Kanäle auf Antivalenz kontrolliert werden. Zur Selbstüberwachung
dieser Kontrollschaltung werden die Kanäle mit einem hochfrequenten Wechselsignal
beschickt, welches ausbleibt, wenn Fehler in der Logik oder in der Kontrollschaltung
auftreten. Bei Ausbleiben des Wechselsignales wird eine geeignete Ab, schaltvorrichtung
betätigt. Derart aufgebaute sich seibstüberwachende Schaltungen sind relativ aufwendig
und damit für viele Anwendungsmöglichkeiten, z.B. für Zweihand-Sicherheitsrelais
zu kostspielig.
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Bei weniger aufwendigen Schaltungen werden einkanalige, sich selbst
überwachende Logikschaltungen eingesetzt,bei welchen der logische EIN-Zustand durch
ein Wechselsignal und der logische AUS-Zustand durch das Ausbleiben dieses Signales
dargestellt wird.
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Mehrere Wechselsignalewerden bei diesem System in einer Verknüpfungseinheit
übertragen und gleichgerichtet, wobei die Verknüpfungseinheit jeweils ein neues
Wechselsignal generiert.
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Die Verknüpfungseinheiten sind auch selbstüberwachend aufgebaut.
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Obwohl sich diese Verfahrensweise bei Schaltungen kleineren Ausmasses
realisieren läßt, ist sie für viele Einsatzmöglichkeiten noch zu aufwendig und damit
zu kostspielig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung von Maschinen mittels wenigstens zweier, vorzugsweise handbetätigter
Taster zu schaffen, über eine sich selbst überwachende logische Schaltung bei gleichzeitiger
Betätigung der Taster ein Steuersignal erzeugt, vorzugsweise ein Relais auslost.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird diese Aufgabe bei einer derartigen
Schaltungsanordnung mittels eines Wechselspannungsgenerators gelöst, dessen Ausgangssignal
über einen Ansteuerzweig mit von den Tastern gesteuerten Torschaltungen zur Erzeugung
des Steuersignales einem Ausgangskreis sowie ferner über in einem Uberwachungskreis
vorgesehene, den Tastern zugeordnete Torschaltungen einer die Versorgungsspannung
des Generators erzeugenden Gleichrichterstufe zugeführt wird, wobei die Torschaltungen
des Uberwachungskreises bei eindeutigen Schaltzuständen der Taster durchgeschaltet,
im übrigen gesperrt sind.
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Bei einer derartigen Schaltungsanordnung wird das Ausgangssignal aus
einem gleichgerichteten Wechselsignal abgeleitet, welches zuvor Torschaltungen passieren
muß, die von dem zu überwachenden Taster im Arbeitszustand durchgeschaltet sind.
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Zur Uberwachung der Taster in Arbeits- und Ruhezustand wird das Wechselsignal
des Wechselspannungsgenerators uber in einem Uberwachungskreis vorgesehene Torschaltungen
geführt, gleichgerichtet und zur Erzeugung der Versorgungsspannung des Generators
selbst ausgenutzt. Die Torschaltungen des Überwachungskreises sind hierbei derart
ausgebildet, daß das Wechselsignal passieren kann, wenn die Taster ein eindeutiges
EIN- bzw. AUS-Signal erzeugen, also eindeutige Schaltzustände einnehmen. Ist dies
nicht der Fall, so wird das Wechselsignal im Überwachungskreis unterbrochen und
die Schwingung des Generators reißt wegen Ausbleiben der Versorgungsspannung ab.
Damit wird sicher verhindert, daß bei defektem Taster über die möglicherweise durchgeschalteten
Torschaltungen des Ansteuerzweiges ein Steuersignal zum Ausgangskreis gelangen kann.
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Um die bei Schaltungen für Zweihand-Sicherheitsrelais vorgeschriebene
Gleichzeitigkeitsforderung zu erfüllen, nach welcher die Taster innerhalb von ca.
o,5 Sekunden betätigt werden müssen, ist nach einem weiteren Merkmal eine Zeitstufe
vorgesehen, welche eine weitere im Ansteuerzweig angeordnete Torschaltung steuert
und die im wesentlichen aus wenigstens einer Kippstufe besteht, deren Eingang über
ein ODER-Gatter die Tastersignale zugeführt werden
Diese Torschaltung
läßt das vom Wechselspannungsgenerator erzeugt Wechselsignal im Ansteuerzweq nur
passieren, wenn innerhalb des durch die monostabile Zeitstufe beschränkten Zeitintervalls
der zweite Taster betätigt wird.
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Die Tastschalter werden nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
dadurch überwacht, daß ihre Signale, also das AUS- und das EIN-Signal,auf Antivalenz
geprüft werden.
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Zu diesem Zweck sind als Torschaltungen bipolare Verstärker vorgesehen,
deren Stromversorgungsanschlüsse mit dem Ruhe-bzw. Arbeitskontakt jeweils eines
Tasters verbunden sind.
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Im Sinne vorliegender Erfindung sind bipolare VerstärkerTransistorstuft,welche
mit einem Doppelweggleichrichter derart kombiniert sind, daß zu ihrer Spannungsversorgung
an den Anschlußklemmen eine Spannungsdifferenz beliebiger Polarität vorhanden sein
muß.
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Bei unipolaren Verstärkern dagegen muß zu deren Stromversorgung an
den Anschlüssen eine Spannungsdifferenz bestimmter Polarität vorhanden sein.
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Zur Eigenüberwachung der Zeitstufe ist diese beim erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel zweikanalig ausgebildet, wobei der zweite Kanal ein bezüglich
des vom ersten Kanal erzeugten invertiertes Signal erzeugt und beide Signale auf
Antivalenz überwacht werden. Diesem Zweck
kann wiederum ein bipolarer
Verstärker, dessen Stromversorgungsanschluß mit den Ausgängen der beiden Kanäle
der Zeitstufe verbunden sind und der in Reihe mit den den Tastern im Überwachungskreis
zugeordneten bipolaren Verstärkern angeordnet ist.
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Dient das von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzeugte Ausgangssignal
der Ansteuerung eines Relais, wie dies bei der Schaltung für sogenannte Zweihand-Sicherheitsrelais
üblich ist, wird gemäß der Erfindung empfohlen, im Ausgangskreis eine Gleichrichterschaltung
vorzusehen, welche parallel geschaltete Erregerwicklungen zweier Relais mit zwangsgeführten
Kontaktsätzen speist, deren Arbeitskontakte im Ausgangs stromkreis in Reihe geschaltet
sind.
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Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß der Ausgangsstromkreis bei
einem KontaktfehlerVmit Sicherheit unterbrochen wird.
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Hilfskontakte dieser Relais können, wie ferner vorgeschlagen wird,
in die Schaltung zur weiteren Kontrolle zurückgeführt werden. Beispielsweise können
diese Kontakte in den Stromkreis der im Ansteuerzweig vorgesehenen Torschaltung
gelegt werden, welche von der Zeitstufe gesteuert wird.
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Da die Versorgungsspannung des Wechselspannungsgenerators aus dem
eigenen Ausgangssignal abgeleitet wird, muß dieser beim Einschalten einen Anstoßimpuls
erhalten. Zu diesem Zweck wird im Netzteil z.B. mit einer monostabilen Kippstufe
ein kurzer, energiereicher Impuls erzeugt,welcher der Stromversorgung des
Wechselspannungsgenerators
zugeführt wlrd.Mittels desselben Impulses kann gleichzeitig der Ansteuerzweig gesperrt,
werden, wodurch die Ubertragung eines Signales bei im Uberwachungskreis festgestellten
Fehlern verhindert und damit die einwandfreie Überwachung gewährleistet wird.
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Weitere schaltungstechnische Einzelheiten sind anhand des Ausführungsbeispieles
im einzelen erläutert.
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Der relativ geringe Aufwand an Bauelementen zur Realisierung einer
sich.selbst überwachenden logischen Verknüpfung wird nach vorliegender Erfindung
vor allem dadurch erzielt, daß das Überwachungsignal, welches die Eingangsvariablen,
nämlich die Schaltzustände der Taster bzw. der Zeitstufe, kontrolliert, gleichzeitig
als Steuersignal für die Ausgangsstufe benutzt wird. Obwohl die elektronische Schaltung,abgesehen
von der Zeitstufe,nur einkanalig aufgebaut wird, kontrolliert sie sämtliche Schaltzustände
auf Antivalenz, wodurch bei sehr geringem Schaltungsaufwand ein Höchstmaß an Sicherheit
gewährleistet ist.
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Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel ist zur weiteren Erläuterung
der Erfindung nachstehend anhand der Schaltbilder erläutert. In diesen zeigen: Fig.
1 - schematisiertes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig.
2 - detaillierteres Blockschaltbild der Gesamtschaltung, Fig. 3 - Schaltung eines
bipolaren Verstärkers und Fig. 4 - Schaltung zweier in Reihe geschalteter Verstärkerstufen
des Oberwachungskreises Die mit dem Blockschaltbild gem. Fig. 1 prinzipiell veranschaulichte
Schaltung dient der Erzeugung eines Ausgangssignales uaus, wenn die beiden Schalter
S1 und S2 geschlossen sind, wobei die Schaltung auf etwaige Schaltfehler, insbesondere
der Schalter S1 und S2, überwacht wird.
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Das Steuersignal wird mittels eines Generators G in Form eines Rechteck-Wechselspannungssignales
erzeugt. Dieses Signal wird über die im Ansteuerzweig C in Reihe geschalteten Torschaltungen
V4, V5 und V6 zu dem im Ausgangskreis D angeordneten Übertrager U2 geführt. Die
Torschaltungen V4 und V5 werden bei Schließen der Schalter S1 und S 2 durchgeschaltet.
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Die Funktion der dritten Torschaltung V 6 im Zusammenhang mit
der
Zeitstufe B ist weiter unten erläutert. Es sei zunächst unterstellt, daß diese Torschaltung
gleichfalls durchgeschaltet ist. Im Überwachungskreis A werden die Schalter S1 und
S2 auf Funktionsfähigkeit überwacht. Zu diesem Zweck wird das Rechteck-Wechselspannungssignal
über im Uberwachungskreis A in Reihe geschaltete Torschaltungen V 1, V 2 und V 3dem
Übertrager U1 zugeführt, welcher über eine Diode D1 den Stromversorgungsteil G1
des Generators G speist. Die Torschaltungen V1 und V2 werden ihrerseits von den
Schaltern S1 und 52 gesteuert und sind durchgeschaltet, wenn die Schalter S1 und
S 2 ein eindeutiges EIN- bzw.AUS-Signal erzeugen. Ist dies nicht der Fall, so bleibt
wenigstens eine der Torschaltungen V, V2 gesperrt, so daß dem Generator G kein Versorgungsstrom
zugeführt wird und dieser kein Steuersignal mehr erzeugt.
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Mittels der Zeitstufe B, die mit den Torschaltungen V3 im Überwachungskreis
A bzw. V6 im Ansteuerzweig C zusammenwirkt, wird die bei Pressensteuerungen vorgeschriebene
Gleichzeitigkeitsforderung erfüllt. Den beiden Eingängen desODER-Gatters O in der
Zeitstufe B werden die Schaltsignale der Tastschalter S1 und S 2 zugeführt. Liegt
ein Tastersignal an, er.-zeugt dasODEF-Gatter an seinem Ausgang ein Signal, welches
den parallelgeschalteten Eingängen zweier monostabiler Kippstufen M1 und M2 zugeführt
wird. Das Ausgangssignal der zweiten Kippstufe M2 wird mittels der Invertierstufe
I umgekehrt, so daß die beiden Ausgänge der Zeitstufe antivalente Signale liefern,
solange in der Zeitstufe kein Fehler auftritt.
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Diese antivalenten Signale werden der Torschaltung V3 im Überwachungskreis
A zugeführt, die nur bei Erfüllung der Antivalenzbedingung
durchgeschaltet,
andernfalls gesperrt ist.
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Zur Erfüllung der Gleichzeitigkeitsbedingung wird das Ausgangssignal
einer der beiden monostabilen Kippstufen, beim dargestellten Beispiel der Kippstufe
M1, der im Ansteuerzweig C vorgesehenen Torschaltung V6 derart zugeführt, daß diese
nur während der vorgeschriebenen Verzögerungszeit von z.B. ca. 500 nsek durchgeschaltet,
im übrigen gesperrt ist.
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Ein Steuersignal uauskann im Ausgangskreis D nur dann erzeugt werden,
wenn während dieser Verzögerungszeit beiden Torschaltungen V4 und V5 mittels der
Tastschalter S 1 und S2 erzeugte EIN-Signalezugeführt werden, andernfalls wird die
Tor schaltung V6 und damit der gesamte Ansteuerzweig C gesperrt.
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Das detaillierte Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gem. Fig. 1 geht aus den Schaltbildern gem. Fig.2 hervor.
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Um die Ausgangssignale des Tastschalters S1 bzw. S 2 auf Antivalenz
überwachen zu können, weisen diese Ruhekontakte S10 bzw. S20 und Arbeitskontakte
S1A und S2A auf. Diese
Kontakte sind vorzugsweise unter Zwischenschaltung
bistabiler Kippstufen M 4 und M 5 jeweils mit den Stromversorgungsanschlüssen bipolarer
Verstärker V1 bzw. V2 verbunden. Wie eingangs erwähnt, haben diese bipolaren Verstärker
die Eigenschaft, daß sie nur dann ein Signal weiterleiten, wenn zwischen ihren Stromversorgungsanschlüssen
eine vorgeschriebene Spannungsdifferenz beliebiger Polarität anliegt. Das bedeutet
beim vorliegenden Anwendungsbeispiel, daß die Verstärker V1 und V2 durchgeschaltet
sind, wenn, gleichgültig in welchem Schaltzustand, Arbeits- und Ruhekontakt der
Tastschalter auf unterschiedlichem Potential liegen, diese also nicht wie im Falle
eines Kontaktfehlers kurzgeschlossen sind. Die bistabilen Kippstufen M4 bis M5,
die grundsätzlich an sich entbehrlich sind, sollen lediglich für in Amplitude und
Zeitdauer eindeutig begrenzte Schaltimpulse sorgen.
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Auch die dritte Torschaltung V3 ist als bipolarer Verstärker aufgebaut
und kontrolliert ie im Zusammenhang von Fig. 1 bereits erwähnt, die Ausgangssignale
der Zeitstufe B auf Antivalenz.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Zeitstufe B sind anstelle eines ODER-GEEER
zwei den monostabilen Kippstufen M1 und M2 vorgeschaltete ODER-Gatter 01 und 0 2
vorgesehen, deren Eingänge parallel geschaltet sind. Auch diese Zeitstufe erzeugt
an ihren beiden Ausgängen antivalente Signale, welche den Stromversorgungsanschlüssen
des bipolaren Verstärkers V3 zugeführt und von diesem überwacht werden.
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Im Überwachungskreis A ist bei der Schaltungsanordnung gem. Fig. 2
ein weiterer Gleichspannungsverstärker V7 vorgesehen, der die Funktion eines Treibers
und Impulsformers hat, auf die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung
nicht im einzelnen eingangen werden muß.
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Anhand von Fig. 2 ist die Ausbildung von Ansteuerzweig C, Ausgangskreis
D und Netzteil E für den Fall veranschaulicht, daß das am Übertrager U2 anliegende
Ausgangssingal Uaus mittels eines Gleichrichters D2 gleichgerichtet und den parallelgeschalteten
Erregerwicklungen K1 und K2 zweier Relais zugeführt wird, deren zwangsgeführte Schaltkontakte
K 1.3 und K 2.3 im Ausgangsstromkreis in Reihe geschaltet sind. Ihre im Ruhezustand
geschlossenen Hilfskontakte K 1.2 und K 2.2 liegen in Reihe in der zum als Torschaltung
wirkenden Verstärker V6 führenden Steuerleistung, über welche ein der Verzögerungszeit
von maximal 500 ms entsprechendes Signal zugeführt wird.
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Um den Verstärker V6 durchgeschaltet zu halten, wird ihm die Betriebsspannung
+U2 über eine weitere Leitung zugeführt,
in welcher die im angezogenen
Zustand der Relais K 1 und K2 geschlossenen Hilfskontakte K 1.1 und K2.1 in Reihe
liegen. Bei Betätigung beider Tastschalter S1 und S2 und damit Durchschalten der
Verstärker V4 und V5 innerhalb der vorgeschriebenen Verzögerungszeit bleibt folglich
auch der Verstärker V6 durchgeschaltet.
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Da zur Stromversorgung des Wechselspannungsgenerators G dessen Wechselspannungsausgangssignal
vorhanden sein muß, ist es notwendig, diesen zum Anschwingen zu bringen. Zu diesem
Zweck ist im Netzteil eine monostabile Kippstufe M3 vorgesehen, welche bei Einschalten
der Betriebsspannung für die Schaltung einen kurzenRenergiereighen EIN-Impulserzeugt,
welcher dem Stromversorgunqsteil Gi des Generators G zugeführt wird.
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Dieser Impuls sperrt gleichzeitig den Verstärker V6, so daß die Ausgangsrelais
K1, K2 nicht angesteuert' werden.
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Hierdurch ist eine Überwachung auch beim Einschaltvorgang gewährleistet.
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In Fig. 3 der Zeichnung ist der grundsätzliche Aufbau eines bipolaren
Verstärkers dargestellt, wie er für die Verstärker V7, V2, V3 und V7 verwendet werden
kann. Dieser Verstärker besteht im wesentlichen aus einer Kollektorstufe mit dem
Transistor T, dem Basisvorwiderstand R1 und dem Emitterwiderstand R2 sowie einer
mit dieser Verstärkexstufe kombinierten Brückengleichrichterschaltung mit den Dioden
D3 bis D6.
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Wird den Stromversorgungsanschlüssen B1 und B2 dieser Schaltung eine
Spannungsdifferenz der für den Betrieb der Transistorstufe notwendigen Otöße zugeführt,
so wird der Transistor T unabhängig von der Polarität der Spannungsdifferenz, also
auch bei Anliegen einer Wechselspannung, durchgeschaltet.
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In Fig. 4 ist schließlich die Gleichstromkopplung zweier solcher Verstärkerstufen
dargestellt, wobei die Brückengleichrichterschaltungen der besseren Übersichtlichkeit
halber weggelassen sind. Beider Verstärkerstufen haben den Aufbau von Kollektorschaltungen,
die einen hohen Eingangswiderstand gewährleisten. Wegen der Gleichstromkopplung
ist es notwendig, daß bei Verwendung eines Transistors T1 des NPN-Typs ein Transistor
T2 des PNP-Typs folgt, die Transistoren also komplementär zueinander sind.
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Das hat den Vorteil, daß der Arbeitspunkt nur einmal eingestellt werden
muß. Um bei Ausfall eines Transistors die Ansteuerung des nachfolgenden zu vermeiden,
ist es wichtig, daß der Basisvorwiderstand R1 bzw. R1' wesentlich größer als der
Emitterwiderstand--R2 bzw. R2' ist. Selbst bei Kurzschluß eines Transistors entsteht
am Emitterwiderstand R2 bzw. R2' wegen des Teilerverhältnisses R1/R2 ' 10 eine so
kleine Spannung, daß der nachfolgende Transistor von dieser nicht mehr durchgeschaltet
werden kann.