DE4233108A1

DE4233108A1 - Sicherheitskoppelglied

Info

Publication number: DE4233108A1
Application number: DE19924233108
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl Ing Toepritz; Juergen Kay Dipl Phys Koop; Doris Kampen; Ralf Indefrey
Original assignee: FERNSPRECH und SIGNALBAU GmbH
Current assignee: FERNSPRECH-UND SIGNALBAU GMBH & CO. KG SCHUELER &
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1992-10-02
Publication date: 1994-04-07

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitskoppelglied, insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung.

In explosionsgefährdeter Umgebung, beispielsweise im Untertagebergbau, in chemi schen Betrieben, in Kläranlagen oder in Teilbereichen von Krankenhäusern, werden herkömmliche elektrische oder elektronische Einrichtungen in der Regel nicht ver wendet, weil schon geringfügige Funkenbildungen oder Überhitzungen zu Explosio nen führen können. Um dennoch in diesen genannten Bereichen elektrische Einrich tungen zum Einsatz zu bringen, müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, die eine Explosion verhindern.

Diese besonderen Maßnahmen sind mechanischer oder elektrischer Art. Bei den mechanischen Lösungen werden die kritischen elektrischen Bauteile einfach fest um kapselt, so daß keine Funken oder dergleichen nach außen treten können. Bei den elektrischen Lösungen werden Schaltungen eingesetzt, die kritische Spannungen, Ströme oder Feldstärken verhindern.

Sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Schutzmaßnahmen werden in be stimmte Klassen eingeteilt, z. B. in die Klassen "i", "m" oder "e", welche eine Eigen sicherheit, eine Vergußkapselung oder eine erhöhte Sicherheit bezeichnen.

Die Aufgabe eines Koppelglieds besteht darin, Baugruppen, die unterschiedlichen Sicherheitskategorien zugeordnet sind, miteinander zu verbinden. Insbesondere die nen Koppelglieder dazu, einen eigensicheren Steuerstromkreis mit einem nicht eigen sicheren äußeren Stromkreis oder Leistungsstromkreis zu koppeln.

Es sind bereits zahlreiche Sicherheitskoppelglieder bekannt, welche mit mechani schen oder elektrischen Mitteln das Entstehen von Explosionen in gefährdeter Umge bung verhindern (US-PS 3 193 710, US-PS 3 445 679, DE-PS 22 44 070, DE-PS 27 22 893, DE-OS 32 33 761, DE-OS 32 08 858). Die meisten dieser Sicherheitskopp ler sind jedoch wenig umwelt- und servicefreundlich, weil sie nur als komplette und relativ große Einheiten entsorgt werden können. Werden sie komplett vergossen, wie es in den Europanormen EN 50014 und EN 50028 beschrieben ist, so müssen bei ei nem Defekt die umgossenen Einheiten als Ganzes entfernt werden.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung für einen Sicherheitskoppelschalter der Schutzart EEx me i I werden die in Betrieb befindlichen Schaltmittel, z. B. Relais, fortlaufend auf ihren richtigen Zustand überprüft (DE-OS 35 13 357). Hierdurch ist es möglich, bei Vorliegen eines internen Fehlers unabhängig von einer äußeren An steuerung in den sicheren Zustand überzugehen. Nachteilig ist bei diesem Sicher heitskoppelschalter, daß die gesamte Elektronik in einem Gehäuse vergossen wird. Hierdurch kann das Gehäuse bei defekter Elektronik nicht wieder verwendet werden, weil die eingebrachte Vergußmasse eine nicht mehr trennbare Einheit zwischen den elektronischen Bauteilen und dem Gehäuse bildet. Ein Öffnen der Vergußkapselung führt zur mechanischen Zerstörung der Schaltungsanordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitskoppelglied zu schaffen, bei der auf ein Eingießen aller elektronischer Bauteile verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß ein Sicher heitskoppelglied geschaffen wird, das die jeweiligen Anforderungen an die erforderli chen Zündschutzarten erfüllt und somit den verschiedenen Gegebenheiten angepaßt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, in dem die wesentlichen Bauelemente des erfindungs gemäßen Sicherheitskoppelglieds dargestellt sind;

Fig. 2 den mechanischen Aufbau eines Sicherheitskoppelglieds.

In der Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sicherheitskoppel glieds 1 dargestellt, das zwei Module 2, 3 aufweist, die über ein Kabel 35 miteinan der in elektrischer Verbindung stehen. Bei diesen Modulen 2, 3 handelt es sich um getrennte Vorrichtungen, in denen sich verschiedene elektrische und elektronische Anordnungen befinden. Der Modul 2 ist "i-eigensicher" ausgeführt, während das Ge häuse bzw. der Modul 3 der Bauart "erhöhte Sicherheit" entspricht, d. h. der Modul 2 ist im Gegensatz zum Modul 3 eigensicher. Unter "eigensicher" wird dabei verstan den, daß die verwendeten Bauelemente und Bauteile auch ohne besondere mechani sche Sicherung den Anforderungen in explosionsgefährdeter Umgebung genügen. Bei der Eigensicherheit "i" erreicht die gesamte Energie in einem Stromkreis, be stimmt durch Spannung, Kapazität, Induktivität und Widerstand selbst im Fehlerfall, wie Kurzschluß oder Drahtbruch, nicht einen solchen Betrag, der zum Zünden einer Gasatmosphäre durch Funken, Lichtbögen oder heiße Bauteile erforderlich ist. Gere gelt ist diese Eigensicherheit "i" in der Europäischen Norm EN 50020 bzw. der deut schen Regelung VDE 0170/0171, Teil 7/5.78. Die elektrischen oder elektronischen Bauelemente des Moduls 3 sind in einer isolierenden Kunststoffmasse vergossen. Ist ein Bauteil dieses Moduls 3 defekt, so muß in der Regel der ganze Modul 3 erneuert werden. Mit der Erfindung soll erreicht werden, daß möglichst viele Bauteile und Bauelemente aus dem Vergußblock herausgenommen und in den Modul 2 gelegt werden, damit bei einem defekten Modul 3 möglichst wenig Bauelemente entsorgt werden müssen.

Der Modul 2 erhält aus einer übergeordneten Steuereinrichtung 4 über vier Leitungen 5 bis 8 serielle digitale Informationen. Die Leitungen 5, 6, auf denen eine Versor gungsspannung von beispielsweise 8 V bis 15 V ansteht, führen hierbei auf einen eigensichere Spannungswandler 9 im Modul 2, während die Leitungen 7, 8 auf eine eigensichere Signalumsetzung 10 führen, die z. B. ein Serien-Parallel-Wandler ist. Die eigensichere Signalumsetzung 10 wird aus dem Spannungswandler 9 über eine Leitung 11 versorgt, wo beispielsweise 5 V anstehen. Der Spannungswandler 9 kann z. B. aus einer speziell dimensionierten Zenerdiode bestehen, die nur mit 2/3 ihrer Nennleistung betrieben wird, damit sie eigensicher ist. Es kann aber auch eine inte grierte Schaltung mit einem Spannungswandler vorgesehen sein, der eine hohe "i"- Spannung in eine kleine "i"-Spannung wandelt, damit die logischen Schaltkreise hier mit versorgt werden können. Die Eigensicherheit ist z. B. bei folgenden Werten ge währleistet: U_max = 15 V, I_max = 250 mA, C = 2 µF, die Induktivität L ist vernach lässigbar. Der Modul 2 kann auch noch eine Gruppe von lichtemittierenden Dioden aufweisen, mit denen die Funktionszustände der Schaltung angezeigt werden.

Von der Signalumsetzung 10 führt ein Datenkanal 12 zu einem Adressenschalter oder Decoder 13, der zum Einstellen der Adresse des Koppelglieds 1 dient. Durch solche Adressenschalter können mehrere Koppelglieder über einen Bus 70 angesteuert wer den. Diese weiteren Koppelglieder sind durch den Block 71 angedeutet. Wird über diese Sammelschiene 70 die Adresse eines Koppelglieds gesandt, so spricht der je weils betroffene Schalter an.

Mit der Signalumsetzung 10, bei der es sich um einen Serien-Parallel-Wandler han delt, der die von der Leitung 7, 8 kommenden seriellen digitalen Signale in parallele Signale umsetzt, ist eine eigensichere parallele Schnittstelle 14 verbunden. Der Se rien-Parallel-Wandler kann auch in umgekehrter Richtung als Parallel-Serien-Wandler arbeiten. Es kann aber auch ein zusätzlicher Parallel-Serien-Wandler vorgesehen sein, der in den Modul 3 integriert werden könnte, was jedoch aus sicherheitstechni schen Gründen nicht sinnvoll wäre. Der über die Leitungen 7 und 8 kommende se rielle Datenstrom enthält Informationen, die aus mehreren Bytes bestehen und über die Schnittstelle 14 ausgegeben bzw. eingegeben werden. Der elektrische Pegel der Schnittstelle ist eigensicher, damit bei einer möglichen Gleichspannung von 15 V und einem Strom von 250 mA eine Gasentzündung auch im Fehlerfall, z. B. bei Kurzschluß, nicht erfolgt. Von der Schnittstelle 14, die also im wesentlichen Span nungs- und Stromanpassungen vornimmt, führen sechs Leitungen 15 bis 20 des Ka bels 35 auf eine Opto-Koppler-Einrichtung 21 im Modul 3, von denen die Leitungen 19, 20 einen seriellen Datenbus darstellen. Diese Opto-Koppler-Einrichtung 21 ist über fünf Leitungen 75 mit einer e-Eingangsschaltung 22 und über vier Leitungen 76 mit einer Ausgangsbaugruppe 23 verbunden. Die Opto-Koppler-Einrichtung 21 wan delt in beiden Signalrichtungen elektrische Signale in optische Signale um bzw. um gekehrt, d. h. es werden die vom Modul 2 zum Modul 3 gehenden Signale ebenso ge wandelt wie die vom Modul 3 zum Modul kommenden Signale. In der e-Eingangs schaltung 22 befindet sich ein Gleichrichter 24, dem ein Verstärker 25 nachgeschaltet ist. Die Ausgangsbaugruppe 23 weist ebenfalls einen Gleichrichter 26 auf, dem ein Verstärker 27 nachgeschaltet ist. Dieser Verstärker 27 steuert einen elektronischen Schalter 28 sowie ein Relais 29 an. Die Zahl der Ausgangsleitungen 30 sowie der Eingangsleitungen 31 des Moduls 3 wird nach kundenspezifischen Wünschen ausge legt. Die in den Baugruppen 22 und 23 erzeugten Versorgungsspannungen dienen im wesentlichen zur Versorgung der Optokoppler. Im Block 22 kann jedoch auch ein Analog-Digitalwandler vorgesehen sein.

Im Block 23 werden die Optokopplersignale zum Ansteuern von Relais 29 und Open-Kollektor-Stufen 28 verwendet. Auf den Leitungen 30 werden die von 28 bzw. 29 kommenden Signale mit dem Steuerstromkreis von Leistungsschaltgeräten oder einem DIA-Wandler verknüpft. Dagegen führen die Leitungen 31 von außen kom mende Schaltsignale, die vom AID-Wandler geliefert werden. Die Leitungen 30, 31 sind mit einer Maschinen-Steuerung 80 verbunden.

Bei der Signalumsetzung 10 handelt es sich um einen Serien-Parallel- bzw. Parallel- Serien-Wandler. Die seriell über die Leitungen 7, 8 kommenden Signale werden in ihm in parallele Signale umgesetzt und über Leitungen 31, 32, 33, 34 sowie über die Schnittstelle 15 und die Leitungen 16 bis 19 auf die Opto-Koppler-Einrichtung 20 ge geben. Dort werden die parallelen elektrischen Signale der Leitungen 16 bis 19 über jeweils einen Opto-Koppler in optische Signale und anschließend wieder in elektri sche Signale umgewandelt. Von dort gelangen die umgewandelten Signale zu dem Verstärker 27, der die Transistorstufen 28 mit offenem Kollektor und die Relais 29 ansteuert.

In umgekehrter Richtung werden die Informationen der Leitung 29 und des Opto- Kopplers 21 der Schnittstelle 14 und dem Wandler 10 zugeführt. Der Einfachheit hal ber sind die Stromversorgungsleitungen und Informationsleitungen als gemeinsames Bündel dargestellt, das auf den Gleichrichter 24 führt. Auf den Leitungen 75 werden im wesentlichen nur Informationssignale übertragen. Die eigentliche Trennstelle zwi schen den beiden Sicherheitsstufen liegt somit im Optokoppler 21, obgleich dieser in den Modul 3 integriert ist.

In der Fig. 2 ist das Sicherheitskoppelglied 1 aus der Fig. 1 als mechanisches Bauteil näher dargestellt. Das Gehäuse 40 des Koppelgliedes 1 ist durch einen Deckel 41 ab geschlossen, in dem sich ein Sichtglas 42 befindet. Dieser Deckel 41 ist mittels Schrauben 43, 44 mit dem Gehäuse 40 verbunden. In dem Gehäuse 40 ist ein Ver gußblock 45 angeordnet, der über einen Haltewinkel 46, welcher seinerseits mittels einer Schraube 47 an einem Sockel 48 befestigt ist, am Boden des Gehäuses 40 fest gehalten wird. In dem Vergußblock 45 befindet sich der Modul 3 aus Fig. 1. Von dem Vergußblock 45 führt das Leitungsbündel 35 auf die Schnittstelle 14. Diese Schnittstelle 14 ist dem "i"-Modul 2 zugeordnet, der als Platine ausgebildet ist, die in einer Aussparung 51 eines Bolzens 52 ruht. Oberhalb des Moduls 2 ist eine Abdeck platte 53 vorgesehen, die auf einer Seite ebenfalls in einer Aussparung 54 des Bol zens 52 ruht und auf einer anderen Seite mittels einer Schraube 56 mit einem Gewin debolzen 57 verschraubt ist. Mit 55 ist eine Anschlußklemme für einen eigensicheren Bus bezeichnet. Eine Distanzhülse 58 befindet sich zwischen der Abdeckplatte 53 und dem Modul 2, der ebenfalls mit dem Gewindebolzen 57 verschraubt ist.

Für die Halterung des Vergußblocks 45 ist ein Steg 59 aus Flachstahl vorgesehen, der mit einer in der Fig. 2 nicht sichtbaren Seitenwand des Gehäuses 40 verbunden ist. Auf der einen Seite des Sicherheitskoppelschalters 1 ist eine "i"-seitige Kabeleinfüh rung 60 vorgesehen, welche die Leitungen 6 bis 8 enthält, während auf der anderen Seite dieses Sicherheitskoppelschalters 1 eine "e"-seitige Kabeleinführung 61 ange ordnet ist. Das "e"-seitige Anschlußkabel 62 beinhaltet die Leitungen 30, 31 gemäß Fig. 1.

Mit dem vorbeschriebenen Koppelglied werden die Recycling-Anforderungen bei ho hem Steuerungskomfort und leichtem Service erfüllt. Bei einem Defekt müssen nicht alle Teile zusammen ausgetauscht werden. Außerdem ist eine freie Gestaltung von Koppelgliedschaltungen möglich, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn mehrere Koppelglieder an einen gemeinsamen Datenbus angeschlossen werden. Die Erfindung ermöglicht es, nach dem Baukastenprinzip verschiedene Varianten zusam menzustellen, mit denen unterschiedliche Steuerungsprobleme gelöst werden.

Claims

1. Sicherheitskoppelglied, insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung, gekennzeichnet durch

a) eine erste Vorrichtung (2), welche eigensicher ausgebildet ist (Zündschutzart "i") und nur solche Bauteile (9, 10, 13) enthält, die, ohne eingegossen zu sein, in explo sionsgefährdeter Umgebung eingesetzt werden können;
b) eine zweite Vorrichtung (3, 45), deren elektrische und elektronische Bauteile durch eine Vergußmasse eingegossen sind (Zündschutzart "e");
c) ein Verbindungskabel (35) zwischen der ersten und der zweiten Vorrichtung (2; 3, 45), das mehrere Adern (16 bis 19) aufweist;
d) ein Gehäuse (40, 41), das die erste und zweite Vorrichtung (2; 3, 45) umschließt.

2. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung (2) eine Platine ist, die einen Steckverbinder (50) für das Verbindungs kabel (35) aufweist.

3. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei te Vorrichtung (3) ein Vergußblock (45) ist, der elektronische Bauteile einschließt.

4. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver gußblock (45) am Boden des Gehäuses (40) festgehalten ist.

5. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge häuse (40, 41) einen Deckel (41) mit einem Sichtfenster (42) aufweist.

6. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge häuse (40, 41) auf gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Kabeleinführung (60, 61) aufweist.

7. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung (2) einen Serien-Parallel-Wandler (10) und/oder Parallel-Serien-Wandler aufweist.

8. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei te Vorrichtung (3) eine Einrichtung zur galvanischen Trennung, insbesondere eine Opto-Koppler-Einrichtung (20), aufweist.

9. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei te Vorrichtung (3) Transistor-Elemente (28) mit offenem Kollektor aufweist.

10. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (3) ein Schaltrelais (29) aufweist.

11. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (3) Spannungswandler (24, 26) aufweist.

12. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (3) Verstärker (27, 25) aufweist.

13. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung (2) einen Adreß-Schalter (13) aufweist.

14. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung (2) ein Interface (14) aufweist.

15. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung (2) einen Spannungswandler (9) aufweist.

16. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es an ei nem Daten-Bus (70) liegt, der mit einer zentralen Steuerung (4) verbunden ist, wobei an den Daten-Bus (70) weitere Sicherheitskoppelglieder anschließbar sind.

17. Sicherheitskoppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung der zweiten Vorrichtung (3) nach Kundenwünschen variabel gestaltet ist.