DE3619975A1 - Naeherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektronischen Schalter und betrifft eine Modifikation eines induktiven Näherungsschalters von bekannter Grundausführung zu einem sein eigenes Betriebsverhalten meldenden induktiven Näherungsschalter.

Berührungslose Schalter sind elektronische Sensoren, die zwei definierte Zustände haben, denen ein logisches Signal "tief" oder "hoch" zugeordnet ist. Das Schalten von einem Zustand in den andern, wird zur Auslösung oder Anzeige eines neuen Zustandes herangezogen, deshalb nennt man diese Art Sensoren auch Initiatoren. Initiatoren werden bspw. in einer Fertigungsstraße eingesetzt und dienen zur Überwachung von Maschinenteilen und/oder zur Triage von Produkteteilen. Man ist auf die sichere Funktion der Initiatoren der Anlage angewiesen; ein unbemerkter funktioneller Ausfall eines einzigen Initiators kann zu eminenten Störungen führen. Maßnahmen in dieser Richtung, sind die Erhöhung der Betriebssicherheit des Initiators in Richtung hoher MTBF, und/oder die Überwachung des Initiators auf erlaubte/unerlaubte Betriebszustände und Meldung oder Behebung des detektierten Fehlbetriebs.

Die Aufgabe der Erfindung befaßt sich mit dem zweiten Aspekt, dem der Überwachung und zielt auf die Schaffung eines unter Vermeidung eines aktiven Eingriffes in den Betrieb sein eigenes Betriebsverhalten meldenden und einen allfälligen eigenen Fehlbetrieb anzeigenden berührungslosen Näherungsschalter.

Die Aufgabe wird gelöst, in dem ein bekannter kurzschluß- und verpolungsfester induktiver Näherungsschalter so modifiziert wird, daß er an einem Indikatorausgang ein Signal ausgibt, wenn ein nicht ordnungsgemäßer Betriebszustand vorliegt; bspw. bei folgenden Zuständen: Kurzschluß oder Unterbrechung am Ausgang des Initiators, falschen Pegel am Ausgang des Oszillators, falsches Schalten der Triggerstufe (bspw. Schmitt-Trigger), Unterbrechung der Speiseleitung, Unterbrechung der Testleitung etc. . Die erfindungsgemäße Modifikation ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definiert.

Der gemäß Erfindung ausgestattete Näherungsschalter kontrolliert sich vollständig, im bedämpften, wie auch im unbedämpften Zustand. Während den Umschaltungen EIN/AUS bzw. AUS/EIN, ist nur eine reduzierte Kontrolle möglich. Die Zeitverhältnisse liegen in der Regel so, daß dieser Übergang keine Einbuße an Zuverlässigkeit bedeutet. Der Anwender hat beim Einsatz des hier diskutierten Initiators mit eindeutigen Schaltzuständen einen vollständig sich selbst kontrollierenden Schalter, der jegliche Fehlfunktion unmittelbar an den Testausgang ausgibt und dies aktiv, ohne daß er von der Steuerung dazu aufgefordert werden muß und ohne eine externe elektronische Steuerleitung.

Anhand der nachfolgend aufgeführten Schaltungszeichnungen werden zwei Ausführungsformen der Erfindung ausführlich diskutiert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vollständigen, gemäß Erfindung ausgestatteten, sich selbst kontrollierenden Näherungsschalter;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Kontrollschaltung;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Kontrollschaltung und

Fig. 4 ein Struktogramm im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform.

Ein normaler, kurzschluß- und verpolungsfester induktiver Näherungsschalter besteht in der Regel aus einem Oszillatorteil, einer Signalformschaltung, einer (Leistungs-) Endstufe und einem Kurzschlußschutz. Diese Funktionsgruppen sind in Fig. 1 in einem Funktionsblock 1, dem eigentlichen Initiator, zusammengefaßt, der den Oszillatorteil 10, einen das Oszillatorsignal aufbereitenden Schmitt-Trigger 11 und eine von diesem Schmitt-Trigger gesteuerte Leistungsendstufe 13. Die Endstufe liegt an einer Kurzschluß-Schutzschaltung 12, welche bei Eintreten eines Kurzschlusses den Schmitt-Trigger als Signalgenerator blockiert. Dies ist in vereinfachter Darstellung gezeigt, eine beispielsweie Ausführungsform eines bekannten berührungslosen Näherungsschalter. Solch ein Schalter 1 wird erfindungsgemäß modifiziert mit einer in den Schalter integrierten Überwachungsschaltung 20, die in einem weiteren Funktionsblock 2, der Kontrollverschaltung dargestellt ist. Es wird dabei davon ausgegangen, daß zur Auswertung eines "Kontrollsignals" irgendwo in der Schaltung eine End- oder Treiberstufe benötigt wird. Der guten Übersicht halber wurde solch eine Endstufe 21, obwohl nicht erfindungswesentlich, in den Funktionsblock 2 für die Schalterkontrolle eingezeichnet. Der sich selbst kontrollierende Näherungsschalter hat durch die Integration der Kontrollschaltung einen zweiten Alarm-Ausgang A 2, nebst dem üblichen Schalter-Ausgang A 1.

Die Kontrollschaltung 20 hat eine Anzahl Kontroll-Leitungen E 1, E 2, E 3, E 4 etc. und einen Ausgang A, an welchem bei einem Fehlbetrieb des Näherungsschalters oder der hier nicht dargestellten geschalteten Einheit am Ausgang A 1 ein Alarmsignal erscheint. Dieses zeigt einen pathologischen Betriebszustand des Näherungsschalters selbst an, sowie den Schaltzustand des Näherungsschalters, der bspw. auf eine Störung im durch die Initiatoren überwachten System, zum Beispiel in einer Fertigungsstraße, hinweist. Somit überwacht dieser Näherungsschalter nicht nur seinen eigenen inneren Betrieb, sondern auch seine eigene Tätigkeit.

Dazu werden in dem hier diskutierten Beispiel der Überwachungsschaltung 20 an einem Eingang E 1 die Ausgangssignale der Oszillatoreinheit 10 zugeführt. An einem weiteren Eingang E 2 liegt das Ausgangssignal der Kurzschlußschaltung 12 an, das den Zustand Kurzschluß JA/NEIN anzeigt. Ein weiterer Eingang E 3 bringt die Ausgangssignale des Schmitt-Triggers 11 auf die Kontrollschaltung 20, zur Kontrolle der Steuerung für die Endstufe 13 und ein mit dem Ausgang der Endstufe 13 verbundener weiterer Eingang E 4 orientiert die Kontrollschaltung über den Schaltzustand des Näherungsschalters. Wie diese Kontroll-Leitungen E 1 bis E 4 und deren Signale in der Kontrollschaltung 20 verknüpft sind, wird in den nachfolgenden beiden Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Zuvor aber noch einige Bemerkungen zu den diversen Signalerfassungen.

Das bistabile Ausgangssignal eines berührungslosen Näherungsschalters ist das Produkt eines verhältnismäßig komplizierten Sensor- und Signalaufbereitungsvorgangs in weitgehender Analogschaltungstechnik. Die beiden, von ihrer Komplexität her, schlichten Ausgangs-Zustände EIN/AUS sind nicht in der Lage, eine Fehlfunktion zu indizieren; EIN kann richtig oder falsch sein, AUS kann richtig oder falsch sein. Eine einwandfreie Aussage darf also von vornherein nicht am Ausgangssignal des Schalters erwartet werden. Trotzdem verläßt man sich auf die Zustände "Näherungs-Schalter EIN/AUS", um prozeßstrategisch Maschinen oder ganze Anlagen zu schalten, wenn am Initiator einer der beiden Zustände eintritt. Untersucht man den Schalter funktionstechnisch, so entdeckt man auch zwischen einzelnen Funktionsteilen sogenannte undefinierte Zustände, die einen definierten Ausgangszustand EIN oder AUS bewirken, bspw. die Fehlfunktion des Schmitt-Triggers bei intakten Restfunktionen etc.. Diese Fehlfunktion ist am Ausgang des Schmitt-Triggers nicht ablesbar, sie ist auch am Ausgang des "hängenden" Initiators nicht ablesbar, sie wird erst dann erkannt, wenn eine Störung des Gesamtbetriebs auftritt. Stets fehlt eine Information, die im Zusammenhang mit einer vorliegenden Fehlfunktion ein Fehlverhalten erkennen läßt.

Zur Selbstkontrolle des Schalters müssen die einzelnen Funktionsteile des Schalters, welche üblicherweise nur in einer Betriebsverschaltung miteinander verknüpft sind, zusätzlich noch zu einer Kontrollverschaltung verknüpft werden, die die Aufgabe hat, die Wahrheit darzustellen. Diese Verknüpfung wird mittels der Kontrollschaltung 20 realisiert, ihr Ausgang A bzw. A 2 zeigt die Wahrheit des Betriebsausgangs A 1 an.

Die Kontrollverschaltung im Beispiel gemäß Fig. 1 umfaßt die Informationsmenge: E 1, E 2, E 3, E 4, ... En, und deren Kombinationen wie E 1/E 2; E 1/E 3; E 1/E 4; E 2/E 3; E 2/E 4; E 1/E 2/E 3; E 1/E 2/E 4; E 2/E 3/E 4; E 1/E 2/E 3/E 4 etc. kommutativ. Zur Darstellung des sicheren Zustandes muß nicht jedes Element der Informationsmenge benützt werden. Bei verschiedenartigen Betriebsverschaltungen eines Schalters ändert sich auch der extrahierbare Informationsgehalt, wobei dieser gemäß Erfindung jeweils ausreichend für eine vorgesehene Kontrollverschaltung ist. Die nachfolgenden beiden Ausführungsbeispiele zeigen nebst zwei möglichen Verknüpfungen noch zwei unterschiedliche Hardware-Realisierungen, eine festverdrahtete und eine in eine programmierbare Schaltung implantierbare.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform für eine Kontrollverschaltung der im Zusammenhang mit Fig. 1 besprochenen Signale auf den Kontroll-Leitungen E 1 bis E 4 bzw. bis En im Falle weiterer Überwachungselemente wie bspw. Thermo- 32 und/oder Drucksensoren 33 im Initiator (1), siehe Fig. 1. Als weiteres alternatives oder mit den schon genannten Überwachungselementen zu verwendendes Überwachungselement, kann auch ein Feuchtigkeitssensor 34 zum Einsatz kommen. Der Oszillatorausgang wird auf einen Fensterkomparator 22 mit zwei Fenstern für erlaubte L/H-Bereiche geführt, für die Pegelüberwachung des Oszillatorsignals. Die Pegelinformation sagt jedoch noch nichts über die Dynamik des Oszillators aus, dessen wechselnde Zustände auch noch erfaßt werden müssen. Dies geschieht in einer aus einem Monoflop 25 mit Timer und einem XOR 26 bestehenden Schaltung. Am Ausgang 22 A des Fensterkomparators 22 sollten abwechselnd Signale für die beiden Pegel erscheinen. Ob dies in abwechselnder Folge auch geschieht, oder ob der Pegel tief oder hoch stehen bleibt, kontrolliert ein kleines, durch den Monoflop 25 gebildetes Gedächtnis, an dessen Ausgang 25 A jeweils der eben gewesene Zustand noch ansteht. Ist die "Vergangenheit" gleich wie die Gegenwart am Ausgang 22 A, muß angenommen werden, daß der Oszillator in einem Pegel hängen geblieben ist. Dies festzustellen ist Aufgabe einer nachgeschalteten XOR-Schaltung, die den Vergleich jeweils anstellt und an ihrem Ausgang 26 A ein Signal 1* für "Oszillator schwingt" bereitstellt. In der Betriebsverschaltung wird das Oszillatorsignal auf den Schmitt-Trigger 11 geführt, der die Oszillatorsignale in definierte Rechtecksignale ausformt. Hier könnten nun die Signale auf den Kontroll-Leitungen E 1/E 4 ausgewertet werden. Da jedoch das Schmitt-Trigger- Signal durch die Endstufe 13 direkt oder invers abgebildet wird, kann, wie oben erwähnt, ein anderes Informationselement herangezogen werden, nämlich E 2 für das Schmitt-Trigger- Signal und E 3 für das verstärkte Schmitt-Trigger-Signal. In diesem Beispiel erfolgt bei der Verstärkung eine Signalinversion; findet diese nicht statt, so arbeitet die Endstufe nicht. Zur Kontrollverschaltung von den Kontroll- Leitungen E 2 und E 3, dient eine XOR-Schaltung 23, dessen Ausgang 23 A das Signal 2*XOR3* für "Schmitt-Trigger-Signal wird verstärkt" bereitstellt. Diese Information sagt über die Dynamik ebenfalls nichts aus. Beispielsweise wird bei einem Kurzschluß über die am Initiator hängende Last der Schmitt-Trigger durch die Kurzschluß-Schutzschaltung 12 (in Fig. 1) angehalten und der erwartete inverse Zustand wird statisch, aber damit nicht etwa unrichtig. Eine ähnliche Gedächtnisschaltung wie im Zusammenhang mit der Oszillatorkontrolle besprochen, wertet ein vom Ausgang der Kurzschluß- Schutzschaltung 12 auf den Eingang E 4 der Kontrollschaltung 20 gelangendes Signal aus. E 4 führt auf ein Monoflop 24, dessen zweiter Zustand über eine festgelegte Zeit stabil gehalten wird. Dieser dynamische Zustand erscheint am Ausgang 24 A des Monoflops 24 als Signal 4*, das im Kurzschlußfall lediglich den einen stabilen Zustand des Multivibrators aufzeigt.

Die Signale der Ausgänge 22 A, 24 A, 26 A ergeben in einer konjunktiven Verknüpfung ein Signal für "Schalterfunktion i. O." bzw. "Störung". Dies bezieht sich im Fall der Kurzschlußüberwachung nicht nur auf den Schalter allein, sondern auch auf seinen Ausgangszustand, der ja auch eine Störung bspw. in der Fertigungsstraße anzeigen kann. Die Signale 1* für "Oszillator läuft", 2*XOR3* für "Schmitt-Trigger-Signal wird verstärkt" und 4* für "kein Kurzschluß", werden in einer NAND-Schaltung 27 zusammengefaßt, für das Ausgangssignal A, das nur in Anwesenheit aller drei Qualifikationsmerkmale ordnungsgemäßen Betrieb anzeigt. Der andere Zustand zeigt eine Störung an, allerdings ohne diese zu identifizieren. Dies ist jedoch möglich, indem nebst dem konjunktiven Signal die Einzelzustände angezeigt werden.

Nach dieser recht eingehenden Erklärung eines diskret aufgebauten Ausführungsbeispiels, dahingehend, daß auch der übergeordnete Gedanke gut erkennbar ist, wird anhand von Fig. 3 eine "intelligente" Ausführungsform diskutiert, die sich Prozessor und Speichermitteln bedient.

Ausgehend von eben derselben Betriebsverschaltung des Initiators nach Fig. 1, zeigt die Kontrollverschaltung 20 gemäß Fig. 3 die Kontroll-Leitungen E 1 bis E 4, die auf eine Auswerteschaltung, hier eine Digitalschaltung 30 führen. Diese als einziger Funktionsblock dargestellte Schaltung verfügt über Prozessor- und Speichermittel, sowie über zuladbare oder residente Software. Während im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die logischen Verknüpfungen mit diskreten Schaltmitteln realisiert wurden, fällt dies bei der aktiven Mikroprozessor-Realisierung dahin. Alle statischen und dynamischen Zustände werden durch den Prozessor verarbeitet. Damit ist hier die Kontrollverschaltung, abgesehen von der unabdingbaren Hardware, softwareabhängig und damit bei unwesentlich größerem Schaltungsaufwand wesentlich differenzierter. Der Ausgang eines Bustreibers 35 führt auf einen Alarmbus, dieser erhält bspw. von der Auswerteschaltung, der Digitalschaltung 30 seriell Datenwörter, bspw. 8- bit Datenwörter, die dem Störungsurheber direkt zugeordnet werden können.

Das Struktogramm von Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform für die Mikroprozessor-Lösung, gemäß der ein mit einem Mikroprozessor ausgerüsteten Näherungsschalter erfindungsgemäß betrieben werden kann. Zu Beginn, also nach dem Einschalten der Betriebsverschaltung, wird eine Initialisierungsroutine ausgeführt, sie ist mit INIT bezeichnet. Sie umfaßt bspw. die Vorgänge Speicherlöschen, Register setzen, Alarmausgang Rücksetzen, Fehlerwort 0 ausgeben etc., also einen Grundzustand herstellen. Ein Unterprogramm kann noch einen Selbsttest durchführen, um den Grundzustand zu definieren. Aus der INIT-Routine läuft die Funktion in eine Endlosschlaufe, die mit LOOP bezeichnet ist. Diese Endlosschlaufe stellt einen mit der ersten Ausführungsform vergleichbaren Zustand her, bei der die analogen Anschlüsse parallel mit einer zeitlich "ständig vorhandenen" Kontrollverschaltung verbunden sind. LOOP steht also für die in der ersten Ausführungsform realisierte Simultanabfrage. Modul 40 bewirkt ein Einlesen der Kontroll-Leitungen E 1 bis En und den Umgang mit der Informationsmenge E 1, E 2, E 3, E 4, ... En, und deren Kombinationen wie E 1/E 2; E 1/E 3; E 1/E 4; E 2/E 3; E 2/E 4 E 3/E 4; E 1/E 2/E 3; E 1/E 2/E 4; E 2/E 3/E 4; E 1/E 2/E 3/E 4 etc. kommutativ. Siehe auch erstes, mit diskreten Mitteln realisiertes Ausführungsbeispiel. Die ausgewählten bzw. die durch den Programmablauf vorbestimmten Verknüpfungen der Analogeingänge und die Bedingungen, welche die jeweilige Verknüpfung erfüllen soll, werden im folgenden Modul 50 geprüft. Ein Pegelvergleich oder Zustandsvergleich siebt die Fehlzustände aus, wobei die Einzel-Informationen der Ausgangsgrößen bei der Zusammenlegung zu einer neuen Bedingung, im Gegensatz zur Analoglösung der ersten Ausführungsform nun nicht verschwunden, sondern aus dem Speicher noch greifbar sind. Dies ermöglicht die Identifikation des Störungsurhebers, so daß nicht nur dessen Zustand, sondern auch dessen "Adresse" am Busausgang 35 angegeben werden kann. Das Modul 60 bewirkt schließlich die Ausgabe eines Fehlerworts, z. B.
(F 7, F 6, F 5, F 4, F 3, F 2, F 1, F 0)=(10010001) d. h., daß der Fehlerzustand durch die Fehler F 7, F 4, F 0 generiert ist. F 7 bis F 0 wird durch Konvention festgelegt und hängt mit den oben genannten Verknüpfungen E 1---En und deren Bedingungen zusammen.

Eine zusätzliche Ermittlung im Modul 40 ist möglich, wenn bspw. der Analogeingang Ei an einer Schwelle 1 für einen Zustand und an einer Schwelle 2 für den andern Zustand verglichen wird. Dann läßt sich nämlich auch der Zustand Schwelle 1≦ωτEi≦ωτSchwelle 2 feststellen und als Übergangszustand U definieren, das ist der Zustand, in dem der Näherungsschalter schaltet. Ist der Übergangszustand neu aufgetreten liegt kein Fehler vor, wenn nicht, muß der vorherige korrekte Zustand noch miteinbezogen werden, um die Entscheidung Fehler JA/NEIN durchzuführen. Im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform wurde der Übergangszustand des Näherungsschalters auch diskutiert.

Claims (9)

1. Berührungsloser Näherungs-Schalter mit folgenden, in einer Berührungschaltung zusammengefaßten Funktionseinheiten: einem Näherungssensor (10) (induktiv/kapazitiv), einem die Sensorsignale aufbereitenden Schaltungsteil (11) (Pulsformer), mit einer Endstufe (13) zur Bildung eines Nutzsignals und mit oder ohne Kurzschluß- Schutzschaltung (12), dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Betriebsverschaltung zusammenwirkenden Schaltungsteile (10, 11, 13 und evtl. 12) in einer im Schalter integrierten Kontrollschaltung (20) zu einer zusätzlichen Kontrollschaltung verbunden sind.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontroll-Leitungen (E 1, E 2, E 3, E 4) zur Kontrollschaltung (20) mit den Ausgängen jeder Funktionseinheit eines Näherungsschalters mit einer Oszillatorschaltung (10), einer Pulsformerschaltung (11), einer Endstufe (13) und einer Kurzschluß-Schutzschaltung (12) verbunden sind.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollschaltung aus einem Fensterkomparator (22) mit nachgeschaltetem ersten Multivibrator (25) und einer mit den Ausgängen des Fensterkomparators (22) und des ersten Multivibrators (25) verbundenen ersten XOR-Schaltung (26) zur Bereitstellung einer Oszillatorinformation (1*); und aus einer zweiten XOR-Schaltung (23) zur Bereitstellung einer Information (2*/3*) von Pulsformer (2*) und Endstufe (3*); und aus einem zweiten Multivibrator (24) zur Bereitstellung Kurzschluß-Schutzschalterinformation (4*) und aus einem konjunktiven Schaltungsteil (27) zur Verknüpfung der Information (1*, 2*/3*, 4*) besteht.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontroll-Leitungen (E 1, E 2, E 3, E 4) der Kontrollschaltung (20) mit den Ausgängen jeder Funktionseinheiteines Näherungsschalters mit einer Oszillatorschaltung (10), einer Pulsformerschaltung (11), einer Endstufe (13) und einer Kurzschluß-Schutzschaltung (12) verbunden sind.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollschaltung (20) Prozessor- und Speichermittel aufweist und an ihrem Ausgang (A) Datenwörter zur Identifizierung eines Störungsurhebers aufweist.

6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Funktionseinheiten der Betriebsverschaltung im Initiator (1) zusätzliche Überwachungselemente (31, 32, 33) Verwendung finden.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlichen Kontroll-Leitungen (En-1, En) und eine Kontrollschaltung (20) zur zusätzlichen Kontrollverschaltung der Überwachungselemente (31, 32, 33) vorgesehen sind.

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kontrollverschaltung (En-1, En, 20) ein Drucksensor (33) und/oder ein Temperatursensor (32) verwendet werden.

9. Schalter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kontrollverschaltung (En-1, En, 20) ein Feuchtigkeitssensor (31) verwendet wird.