DE4242792A1 - Sicherheitsschalteranordnung zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung von Aktoren in Abhängigkeit von einem Sensorschaltsignal - Google Patents
Sicherheitsschalteranordnung zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung von Aktoren in Abhängigkeit von einem SensorschaltsignalInfo
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- F16P3/12—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine
Description
Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschalteranordnung zum
Ein- und Ausschalten der Stromversorgung von zwei in Abhän
gigkeit vom Einschalten des Stromes gemeinsam ein Arbeits
gerät in Betrieb setzenden Aktoren gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1. Bei den Aktoren handelt es sich vorzugs
weise um Relais, die gemeinsam das Arbeitsgerät in dem Sinne
ansteuern, daß lediglich dann, wenn beide Aktoren aktiv
sind, das Arbeitsgerät eingeschaltet ist. Ist einer der
Aktoren inaktiv, wird das Arbeitsgerät in jedem Fall abge
schaltet. Bei dem Arbeitsgerät kann es sich z. B. um eine ge
fährliche Arbeitsmaschine handeln, die nur bei Aktivierung
beider Aktoren in Betrieb ist, während sie in ihre ungefähr
liche, vorzugsweise ausgeschaltete Position gebracht ist,
wenn ein oder beide Aktoren inaktiv geworden sind.
Es ist bereits bekannt (DE-PS 28 31 089), an der Schnittstel
le zwischen einem beispielsweise als Lichtschranke ausgebil
deten Sensor und einer Maschinensteuerung mindestens zwei
kontaktbehaftete Schaltausgänge vorzusehen, welche durch
wenigstens zwei unabhängig voneinander abschaltbare Relais
mit vorzugsweise zwangsgeführten Kontakten gebildet werden.
Hierbei wird ein durch den Sensor detektierter gefährlicher
Zustand in einen Stoppbefehl umgesetzt, welcher durch Öff
nung der Schaltausgänge für die nachgeschaltete Maschinen
steuerung übertragen wird. Die Maschinensteuerung überführt
das gesteuerte System daraufhin vom gefahrbringenden Be
triebszustand in einen ausgeschalteten sicheren Betriebs zu
stand, bei dem die beiden Schaltausgänge offen sind.
Bei der bekannten Sicherheitsschalteranordnung wird die
Sicherheit durch redundante Ausführung der Schaltpfade und
dadurch erreicht, daß normalerweise während des andauernden
gefahrbringenden Zustandes (Einschaltung des Arbeitsgerätes)
höchstens ein Abschaltpfad infolge eines eingetretenen Feh
lers die Abschaltfunktion verliert. Vor jeder Einleitung des
gefahrbringenden, eingeschalteten Zustands der Maschine bzw.
des Arbeitsgerätes können die beiden Abschaltpfade dahin
gehend geprüft werden, daß jeder den sicheren Betriebs
zustand anzeigt. Wird ein Fehler, wie z. B. ein verschweißter
Schaltausgang, oder ein Kurzschluß in den Verbindungsleitun
gen vom Schaltausgang zur Maschinensteuerung aufgedeckt,
wird durch eine Verriegelungsschaltung der fehlerfreie zwei
te Abschaltpfad unabhängig vom Sensorsignal im sicheren
Schaltzustand gehalten.
Die bekannte Sicherheitsschalteranordnung hat den Nachteil,
daß Fehler in der Ausgangsschaltung, die während des konti
nuierlichen Betriebes im gefahrbringenden Zustand (einge
schaltetes Arbeitsgerät) auftreten, nicht detektiert werden.
Durch Fehlerhäufung besteht die Gefahr, daß die Maschine
beim Erscheinen eines Stoppsignals vom Sensor her nicht in
den sicheren Betriebszustand überführt, d. h. abgeschaltet
wird. Insbesondere ist nachteilig, daß die Prüfung der Ab
schaltpfade nicht automatisch in einem definierten Zeitab
stand erfolgt, sondern durch administrative Anweisungen an
eine Bedienungsperson erfolgen muß.
Kurzschlüsse zwischen den Verbindungsleitungen zur Maschinen
steuerung können durch die bekannte Lösung nicht aufgedeckt
werden. Dieser Fehlerfall ist lediglich durch restriktive
Applikationsvorschriften teilweise beherrschbar, welche je
doch teilweise im Widerspruch zu technischen Regelwerken
stehen.
Kontaktbehaftete Schalter haben einen Verschleiß, infolge
dessen regelmäßige Reparaturkosten und Maschinenausfallzei
ten entstehen.
Schließlich müssen mechanische Kontakte gegen Abbrand durch
Lichtbogenbildung beim Abschalten induktiver Lasten
geschützt werden, um brauchbare Standzeiten für die Kontakte
zu gewährleisten. Hierdurch entstehen weitere Kosten und mög
liche Fehlerquellen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Sicherheitsschalteranordnung der eingangs genannten Gattung
zu schaffen, welche auch bei beliebig lange dauerndem Ein
schaltzustand des Arbeitsgerätes, also bei beliebig langem
Anhalten des gefährlichen Schaltzustandes des Arbeitsgerätes
bzw. der Maschine das sofortige Erkennen von Fehlern insbe
sondere in den beiden Hauptschaltern gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnen
den Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Für die Zwecke
der Erfindung besonders geeignet sind Halbleiterschalter
nach Anspruch 2.
Der Grundgedanke der Erfindung ist also darin zu sehen, daß
die beiden Hauptschalter in relativ kurz aufeinanderfolgen
den Zeitabständen ein kurzzeitiges Öffnungssignal erhalten
und daß in der betreffenden Testpause automatisch durch
elektronische Überwachungsmittel geprüft wird, ob die Schal
ter dadurch tatsächlich geöffnet sind oder nicht. Wird bei
einem der Hauptschalter während der Testpause eine Nicht-
Öffnung festgestellt, so wird der andere Hauptschalter geöff
net und dafür gesorgt, daß dieser zweite Hauptschalter auch
nach der Testpause geöffnet bleibt. Wichtig ist, daß die
Testpausen so kurz bemessen sind, daß die Aktoren diese
Unterbrechung wegen ihrer Trägheit nicht erkennen und daher
bis zum Ende der Testpause aktiv bleiben. Nur dann, wenn
innerhalb der Testpause ein Nichtöffnen eines der Hauptschal
ter festgestellt wird, wird der andere Hauptschalter nach
der Testpause, wenn seine Trägheit überwunden ist, geöffnet
und verbleibt in diesem Zustand, bis der aufgetretene Fehler
behoben worden ist.
Vorteilhafte Testfrequenzen und Testpausendauern sind den
Ansprüchen 3 und 4 zu entnehmen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform, die mit einer Ausgangs
strommeßstufe arbeitet, ist durch Anspruch 5 definiert. Es
kann jedoch entweder alternativ oder zur Schaffung einer
Redundanz zusätzlich gemäß Anspruch 6 eine Ausgangsspannungs
meßstufe vorgesehen sein.
Zwei vorteilhafte praktische Ausbildungen entnimmt man den
Ansprüchen 7 und 8.
Zweckmäßig ist die Anordnung eines Tiefpasses nach den An
sprüchen 9 bis 13, um das Ein- und/oder Austreten von Stör
impulsen am Ausgang der erfindungsgemäßen Sicherheitsschal
teranordnung zu vermeiden.
Um die Beschädigung oder Zerstörung der Hauptschalter durch
vom Ausgang her in die Schaltung eindringende Störimpulse,
die z. B. durch Blitzschlag verursacht sein können, zu vermei
den, sind die Supressordioden nach Anspruch 14 oder 15 zweck
mäßig.
Um nun auch die Supressordioden auf einwandfreie Funktion
ständig überprüfen zu können, wird erfindungsgemäß nach An
spruch 16 vorgegangen. Die Testschaltung nach Anspruch 16
braucht lediglich Unterbrechungen in den Supressordioden
festzustellen, da ein Durchlegieren bereits durch die erste
Testschaltung erkannt wird, denn dann gelangt durch die
Supressordioden hindurch die Versorgungsspannung an die
Ausgangsleitung, liegt dann also auch beim Öffnen des zuge
ordneten Hauptschalters noch vor, was über die erste Test
schaltung bereits zum Abschalten des anderen Hauptschalters
führt. Durch die Testschaltung nach Anspruch 16 wird aber
wie gesagt zusätzlich auch noch eine Unterbrechung der
Supressordiode oder beispielsweise einer Unterbrechung eines
ihrer Anschlüsse während der Testpause festgestellt.
Zweckmäßig wird die Testpause nach Anspruch 17 in zwei Teile
zerlegt, wodurch z. B. die gleiche Ausgangsstrommeßstufe nach
Anspruch 19 für die Überwachung der einwandfreien Funktion
der Supressordioden herangezogen werden kann.
Eine vorteilhafte praktische Ausgestaltung der zweiten Test
schaltung entnimmt man Anspruch 18.
In den einzelnen Testschaltungen sind nach Anspruch 20 vor
zugsweise Komparatoren bzw. Operationsverstärker vorgesehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung offenbart Anspruch 21.
Während die Überwachung des Laststromes in der Testpause
zweckmäßigerweise im ersten Testpausenteil vorgenommen wird,
erfolgt die Überwachung des Teststromes durch die Supressor
diode hindurch im zweiten Testpausenteil. Alle Testsignale
werden gemäß Anspruch 22 in den Hilfsschaltern durch eine
UND-Verknüpfung verbunden, so daß der betreffende Hilfsschal
ter nach einer Testpause dann und nur dann geschlossen
bleibt, wenn kein Fehlersignal erscheint.
Eine vorteilhafte Schaltung zur momentanen Erzeugung eines
Teststromes ist im Anspruch 23 definiert.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der
Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sicher
heitsschalteranordnung,
Fig. 2 ein Impuls-Zeitdiagramm der verschiedenen Schaltstu
fen in Fig. 1 bei fehlerfreiem Betrieb, und
Fig. 3 ein entsprechendes Impuls-Zeitdiagramm wie Fig. 2,
jedoch bei Annahme eines Unterbrechungsfehlers in
der Supressordiode.
Die erfindungsgemäße Sicherheitsschalteranordnung besteht
aus zwei parallelgeschalteten Schaltpfaden 40a, 40b, deren
Sensorsignaleingängen 15a, 15b jeweils ein identisches
Sensorschaltsignal 13a, 13b zugeführt wird, welches bei
spielsweise von einer Lichtschranke stammt, die vor einer
gefährlichen Arbeitsmaschine 22 angeordnet ist, um beim Ein
treten einer Bedienungsperson in den Lichtschrankenstrahl
ein Sensorschaltsignal 13a, 13b an die Sensorsignaleingänge
15a, 15b abzugeben, worauf dann die gefährliche Arbeits
maschine 22 abgeschaltet werden soll. Dies geschieht bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der Antrieb
der Arbeitsmaschine 22 mit zwei Relaiskontakten 23a, 23b in
Reihe an eine Stromversorgung 41 angeschlossen ist, wobei
der eine Kontakt 23a durch ein am Ausgang des Schaltpfades
40a vorgesehenes Relais 12a und der andere Schaltkontakt 23b
durch ein am Ausgang des anderen Schaltpfades vorgesehenes
Relais 12b beaufschlagt wird. Die beiden Kontakte 23a, 23b
sind Schließkontakte, d. h. daß sie schließen, wenn die
Relais 12a, 12b, die auch als Aktoren bezeichnet werden kön
nen, unter Strom gesetzt werden, d. h. aktiv sind.
Man erkennt, daß ein Betrieb des Arbeitsgerätes bzw. der
Arbeitsmaschine 22 nur dann möglich ist, wenn beide Relais
kontakte 23a und 23b geschlossen, d. h. beide Relais 12a und
12b unter Strom gesetzt sind. Wird nur einer der Schaltkon
takte 23a oder 23b geöffnet, wird die Arbeitsmaschine 22
stillgesetzt.
Die Sensorsignaleingänge 15a, 15b sind über jeweils einen
gesteuerten Halbleiter-Hilfsschalter 16a, 16b an den Steuer
eingang 42a, 42b eines Halbleiter-Hauptschalters 14a, 14b
angelegt, der im Falle des Vorliegens eines Steuersignals am
Steuereingang 42a, 42b eine Stromversorgung 11 über eine Aus
gangsleitung 26a, 26b einen Ausgangswiderstand 27a, 27b und
einen Tiefpaß 17a, 17b an das geerdete Relais 12a, 12b an
legt. Die Relais 12a, 12b können sich außerhalb der eigent
lichen Sicherheitsschalteranordnung befinden und durch Steck
kontakte 43a, 43b bzw. 44a, 44b mit der Sicherheitsschalter
anordnung verbunden sein.
Beiden Schaltpfaden 40a, 40b gemeinsam ist ein Testgenerator
45, welcher alle 16 ms einen Testzyklus auslöst, der mit
einem Zeitversatz von 8 ms jeweils auf den Schaltpfaden 40a
bzw. 40b eine 50 µs dauernde Testpause erzeugt.
Über Steuerleitungen 46a, 46b beaufschlagt der Testgenerator
45 einen ersten Steuereingang 19a, 19b der Hilfsschalter
16a, 16b, um diese Hilfsschalter 16a, 16b am Beginn der
jeweils zugeordneten Testpause zu öffnen. Die Öffnung der
Hilfsschalter 16a, 16b entspricht einem 0-Signal am Sensor
signaleingang, so daß daraufhin der angeschlossene Haupt
schalter 14a, 14b öffnen müßte.
Um nun zu prüfen, ob der Hauptschalter 14a, 14b tatsächlich
geöffnet ist, ist an den Ausgangswiderstand 27a, 27b ein
Operationsverstärker 36a, 36b angeschlossen, welcher an
seinem Ausgang ein für die Spannung am Ausgangswiderstand 27a, 27b
repräsentatives Signal, d. h. auch ein dem Strom Ia,
Ib auf der Ausgangsleitung 26a, 26b entsprechendes Signal
liefert. Dieses Signal wird an den Steuereingang jeweils
eines Komparators 21a, 21b angelegt, dessen Referenzeingang
eine feste Bezugsspannung Urefn zugeführt ist. Die Dimensio
nierung der Referenzspannung Urefn ist derart, daß beim
Unterschreiten des bei eingeschaltetem Hauptschalter 14a,
14b vorhandenen geringsten Laststromes der Komparator 21a,
21b am Ausgang den L-Pegel annimmt, welcher durch Anlegen an
zweite Steuereingänge 20b bzw. 20a an den Hilfsschaltern 16b
bzw. 16a diese veranlaßt, im geschlossenen Zustand zu verhar
ren. Bleibt dagegen wegen eines beispielsweise durchlegier
ten Hauptschalters 14a oder 14b der Laststrom auf der Aus
gangsleitung 26a, 26b aufrechterhalten, so nimmt der Ausgang
der Komparatoren 21a, 21b den 0-Pegel an, was dem jeweils
anderen Hilfsschalter 16b oder 16a über den Steuereingang
20b, 20a signalisiert, daß der betreffende Hauptschalter 14a
oder 14b nicht in Ordnung ist, worauf der Hilfsschalter 16b
oder 16a geöffnet wird und in diesem Zustand verbleibt.
Wesentlich ist, daß der Ausgang des Komparators 21a mit dem
zweiten Steuereingang 20b des Hilfsschalters 16b und der Aus
gang des Komparators 21b mit dem zweiten Steuereingang 20a
des ersten Hilfsschalters 16a verbunden ist, so daß ein Feh
ler in dem einen Schaltpfad, beispielsweise 40a, das Öffnen
des anderen Schaltpfades, beispielsweise 40b zur Folge hat.
Der Komparator 21a und Operationsverstärker 36a bzw. Kompara
tor 21b bzw. Operationsverstärker 36b bilden zusammen eine
Ausgangsstrommeßstufe 18a, 18b mit einer Schwelle, die es
gestattet, zwischen dem beim Einschalten des Hauptschalters
14a, 14b vorhandenen normalen Laststrom und einem unter
brochenen Strom zu unterscheiden.
Der in die Ausgangsleitung 26a, 26b nach dem Ausgangs
widerstand 27a, 27b eingeschaltete Tiefpaß 17a, 17b besteht
aus zwei hintereinandergeschalteten Induktivitäten 28a, 28b
und 29a, 29b, wobei die Verbindungsleitung 31a, 31b zwischen
den beiden Induktivitäten mit einem geerdeten Kondensator
30a, 30b verbunden ist. Der Tiefpaß 17a, 17b ist unmittelbar
vor den positiven Ausgangsklemmen 43a, 43b angeordnet, so
daß sowohl das Ein- als auch das Auskoppeln von hochfrequen
ter Störstrahlung wirksam vermieden wird.
An die Verbindungsleitung 31a, 31b des Tiefpasses 17a, 17b
ist weiter eine Ausgangsspannungsmeßstufe 24a, 24b ange
schlossen, die als wesentlichen Bestandteil ebenfalls einen
Komparator enthält, der am Referenzeingang eine Referenz
spannung Urefv erhält, die eine Spannungsschwelle von bei
spielsweise 3 V festlegt.
Liegt die tatsächlich gemessene Spannung Ua, Ub über 3 V,
nimmt der Ausgang des Komparators der Schaltstufe 24a den
Null-Pegel an. Der Ausgang des Komparators 24a ist an einen
dritten Steuereingang 25b des zweiten Hilfsschalters 16b
geführt, während der Ausgang des Komparators der Schaltstufe
24b einem dritten Steuereingang 25a des ersten Hilfsschal
ters 16a zugeführt ist. Bei 0-Pegel am Ausgang der Schalt
stufen 24a, 24b wird der jeweils andere Hilfsschalter 16b
bzw. 16a im geschlossenen Zustand gehalten.
Wird von der Ausgangsspannungsmeßstufe 24a, 24b auf der Aus
gangsleitung 26a, 26b eine Spannung größer 3 V während der
Testpause festgestellt, wird der jeweils andere Hilfsschal
ter 16b bzw. 16a geöffnet, wodurch die Arbeitsmaschine 22
abgeschaltet wird.
Zwischen die Spannungsversorgung 11 und den Ausgangsleitungs
abschnitt zwischen dem Ausgangswiderstand 27a, 27b und dem
Tiefpaß 17a, 17b ist jeweils eine Supressordiode 32a, 32b ge
schaltet, welche über die Ausgangsbuchsen 43a, 43b eingekop
pelte und für die Hauptschalter 14a, 14b gefährliche Stör
impulse ableiten sollen. Dies ist wichtig, weil derartige
Störimpulse häufig gleichzeitig auftreten und in einem sol
chen Falle beide Hauptschalter durchlegieren könnten.
Während ein Durchlegieren der Supressordioden 32a, 32b
bereits durch die bisher beschriebenen Testschaltungen
erfaßt wird, muß auch noch eine Maßnahme für den Fall
geschaffen werden, daß die Supressordioden 32a, 32b unter
brochen werden oder einer ihrer Anschlußdrähte bricht.
Zu diesem Zweck ist innerhalb der Testpause ein weiterer kür
zerer Test SA, SB vorgesehen, der ebenfalls vom Testgenera
tor 45 gesteuert wird.
Zunächst erzeugt der Testgenerator 45 im zweiten Teil der
Testpause einen Teststrom auf folgende Weise:
Durch ein Netzgerät 47a, 47b wird schon während des ersten
Testpausenteils ein Kondensator 39a, 39b innerhalb einer
Teststromquelle 33a, 33b aufgeladen.
Während der Testpause beim Test SA, SB wird dieser Kondensa
tor 39a, 39b über jeweils eine Ladungspumpe 38a, 38b umgela
den. Hierbei fließt ein Teststrom über die Supressordiode
32a, 32b und den Ausgangswiderstand 27a, 27b, und zwar in
umgekehrter Richtung wie der Laststrom Ia, Ib.
Am Eingang des Komparators 36a, 36b entsteht hierdurch eine
umgekehrte Spannung als beim Fließen des Laststromes Ia, Ib,
was durch einen Teststromkomparator 34a, 34b erkannt werden
kann, dessen Referenzeingang eine Referenzspannung Urefp zu
geführt ist. Sofern die Supressordiode 32a, 32b intakt ist
und ein vorgegebener Teststrom fließt, erscheint am Ausgang
des Komparators 34a, 34b aufgrund einer geeignet gewählten
Referenzspannung Urefp ein L-Pegel, der dem jeweils anderen
Hilfsschalter 16b bzw. 16a über einen vierten Steuereingang
35b bzw. 35a signalisiert, daß die Supressordiode 32a, 32b
in Ordnung ist. Der betreffende Hilfsschalter 16b, 16a wird
somit geschlossen gehalten.
Ist eine der Supressordioden 32a, 32b unterbrochen, so
fließt der vorgesehene Teststrom nicht, und am Ausgang der
Komparatoren 34a, 34b entsteht ein 0-Pegel, wodurch dem
angeschlossenen anderen Hilfsschalter 16b bzw. 16a ein
entsprechender Fehler signalisiert wird und der betreffende
Hilfsschalter auf Dauer öffnet und so die Arbeitsmaschine 22
dauerhaft stillsetzt.
Nachdem der Laststromtest bei abgeschaltetem Hauptschalter
14a, 14b während der gesamten Testpause und der Supressor
diodentest im beispielsweise auf ¼ verkürzten Testpausen
teil durchgeführt wird, müssen nicht nur die beiden an den
Eingängen 20a, 35a bzw. 20b, 35b auftretenden Steuersignale,
sondern auch die Steuersignale an den Eingängen 25a, 25b
durch eine UND-Verknüpfung 37a, 37b verbunden werden, damit
der Hilfsschalter 16a, 16b dann und nur dann geschlossen
bleibt, wenn an den Ausgängen aller Komparatoren 21a, 24a,
34a bzw. 21b, 24b, 34b ein L-Pegel erscheint.
Aufgrund des erfindungsgemäßen definierten einmaligen kurz
zeitigen Öffnens der Hauptschalter 14a, 14b während eines
durch den Testgenerator 45 vorgegebenen Zyklus wird also
geprüft,
- - ob die Hauptschalter 14a, 14b geöffnet werden können bzw. vor Einleiten eines gefahrbringenden Zustandes, der einem In-Betrieb-Setzen der Arbeitsmaschine 22 entspricht, wird geprüft, ob beide Hauptschalter 14a, 14b geöffnet sind,
- - ob die zu prüfenden Ausgangsleitungen 26a, 26b frei von Fremdpotentialen sind, indem die Potentiale auf den Aus gangsleitungen 26a, 26b gemessen werden, während der jeweilige Hauptschalter 14a, 14b geöffnet ist,
- - ob die Ausgangsleitungen 26a, 26b frei von Querverbindun gen zueinander, d. h. gegeneinander isoliert sind, wofür das zeitversetzte Testen der beiden Abschaltpfade 14a, 14b erforderlich ist, und
- - ob die Funktion der Überspannungsschutz-Netzwerke, d. h. der Supressordioden 32a, 32b gegeben ist, indem ein Spannungsstoß definierter Höhe und Energie auf die Supres sordioden gegeben und der dadurch hervorgerufene Teststrom gemessen wird.
Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist es also, daß
die beschriebenen Tests A/SA und B/SB deutlich zeitversetzt
vor sich gehen, d. h., daß der Abschaltpfad 40a sich im Nor
malbetrieb befindet, wenn im Abschaltpfad 40b ein Schnell
test durchgeführt wird und umgekehrt.
Beim Auftreten eines negativen Testergebnisses (Fehler in
einem der Schaltpfade 40a oder 40b) wird der nicht fehlerhaf
te Schaltpfad 40b bzw. 40a dauerhaft abgeschaltet. Das
Arbeitsgerät bzw. die Arbeitsmaschine 22 wird somit schon
beim Eintreten des ersten Fehlers am Ende des laufenden Test
zyklus abgeschaltet, so daß kein gefahrbringender Zustand
mehr vorliegt. Das erneute Einschalten des Arbeitsgerätes 22
und damit das erneute Auftreten des gefahrbringenden Zustan
des wird solange unmöglich gemacht, bis der aufgetretene Feh
ler behoben ist.
Aufgrund des durch den Testgenerator 45 vorgegebenen Prüf
zyklus ist die Fehlerlatenzzeit auf das Testintervall bzw.
die Testpause begrenzt. Administrative Maßnahmen bezüglich
der Prüfung der Schaltpfade 40a, 40b bzw. Abhängigkeiten von
den Arbeitszyklen der Maschine entfallen. Aufgrund des defi
nierten Testintervalls wird das Restrisiko bezüglich des Feh
lerausschlusses minimiert, da die Prüfung nun erzwungen
periodisch und nicht mehr oder weniger willkürlich erfolgt.
Sämtliche die Sicherheit tangierenden Fehler ebenso Verdrah
tungsfehler bei der Installation werden durch die erfindungs
gemäßen Testschaltungen aufgedeckt. Ein mechanischer Ver
schleiß entfällt aufgrund der Verwendung von Halbleiterbau
elementen.
Der Testgenerator 45 beinhaltet eine vom angeschlossenen
Sensor unabhängige Zeitbasis, aus welcher die Testperioden
Test A, Test SA und Test B, Test SB abgeleitet werden, wobei
Testdauer, Anzahl der Testimpulse je Periode, Periodendauer
und zeitlicher Versatz von Test A/SA zu Test B/SB entspre
chend dem anstehenden Sicherheitsproblem vorgewählt werden
können.
Zweckmäßigerweise findet für jeweils jeden Schaltpfad 40a,
40b alle 16 ms eine Testpause von 50 µs statt, wobei die
Testpausen jeweils 8 ms zueinander versetzt ausgeführt wer
den.
Die Komparatoren 24a, 24b einerseits und 21a, 21b anderer
seits arbeiten bezüglich des Schaltzustandes des jeweiligen
Hauptschalters redundant. Wesentlich ist, daß die redundante
Information jeweils unabhängig aus dem Laststrom über die
Komparatoren 21a, 21b bzw. direkt aus dem Spannungspegel auf
der Ausgangsleitung der Schaltstufe 24a, 24b gebildet wird.
Diese Redundanz wird einerseits zur Erhöhung der Sicherheit
genutzt, während andererseits Fehler wie Leitungsunter
brechungen eindeutig unterscheidbar sind von Fremdspannungs
einflüssen.
Für die Pegel der einzelnen Signale werden folgende Verein
barungen getroffen:
Sensorsignal: 0-Pegel = Stopp
L-Pegel = Freigabe des Ausganges.
L-Pegel = Freigabe des Ausganges.
Testabschaltung des Ausganges über den Steuereingang
19a, 19b:
0-Pegel = Test inaktiv
L-Pegel = Testabschaltung erfolgt.
L-Pegel = Testabschaltung erfolgt.
Spannungspegel am Ausgang der Ausgangsspannungsmeßstufe:
0-Pegel = Ua < 3 V
L-Pegel = Ua < 3 V.
L-Pegel = Ua < 3 V.
Ausgang der Komparatoren 34a, 34b beim Test S:
0-Pegel = Fehler
L-Pegel = Supressordiode 32a, 32b in Ordnung.
L-Pegel = Supressordiode 32a, 32b in Ordnung.
Ausgangskomparator 21a, 21b:
0-Pegel = Laststrom größer als minimaler Laststrom
L-Pegel = Laststrom kleiner als minimaler Laststrom.
L-Pegel = Laststrom kleiner als minimaler Laststrom.
Steuersignal für Hauptschalter 14a, 14b:
0-Pegel = Schalter offen
L-Pegel = Schalter geschlossen.
L-Pegel = Schalter geschlossen.
Vor der ersten Freigabe ist zu prüfen, ob der jeweils andere
Schaltpfad 40a, 40b den sicheren Zustand (spannungs- und
stromlos) anzeigt. Ebenso sind die Überspannungsschutz
netzwerke auf Funktion zu prüfen.
Wie aus der beiliegenden Fig. 1 hervorgeht, werden die
Ergebnisse der einzelnen Testungen eines Schaltpfades 40a,
40b jeweils dem Hilfsschalter 16b, 16a des anderen
Schaltpfades 40b, 40a zugeführt. Wird ein zu prüfendes
Merkmal des einen Schaltpfades 40a, 40b nicht erfüllt, wird
oder bleibt der andere Schaltpfad 40b, 40a verriegelt. Nur
bei positivem Testergebnis werden beide Ausgänge durch den
L-Pegel des Sensorsignals freigegeben.
Der Tiefpaß 17a bzw. 17b ist so zu bemessen, daß während des
zweiten Tests zur Überprüfung der Supressordioden 32a, 32b
mittels der Teststromquelle 33a, 33b die Aktoren 12a, 12b
effektiv abgekoppelt sind. Somit gewährleistet der Tiefpaß
17a, 17b, daß der durch die Teststromquelle 33a, 33b gelie
ferte Umladestrom über die Supressordiode 32a, 32b geleitet
wird, da der Tiefpaß 17a, 17b so dimensioniert ist, daß er
den Umladestrom gegen den angeschlossenen Aktor 12a, 12b
sperrt.
In Fig. 2 sind die verschiedenen Impuls-Zeitdiagramme an den
am Anfang jedes Diagramms mit Bezugszahlen bzw. Buchstaben
gekennzeichneten Stellen wiedergegeben. Während des Zeit
raums 48 liegt an den beiden Sensoreingängen 15a, 15b ein
0-Signal an, was über den Hilfsschalter 16a am Steuereingang
42a des Hauptschalters 14a ebenfalls ein 0-Signal zur Folge
hat. Dementsprechend liegt auch an der Ausgangsklemme 43a
ein 0-Signal an, und das Relais 12a ist nicht aktiviert.
Während einer Zeit t3 von 50 µs gibt der Testgenerator 45
ein L-Signal aus. Innerhalb dieser so definierten Testpause
t3 gibt der Testgenerator 45 an die Teststromquelle 33a
einen gegenüber der Zeit t3 auf eine deutlich kürzere Zeit
t4 verkürzten weiteren Testimpuls ab. Während des Testes SA
fließt durch den Widerstand 27a der Teststrom IT, was wieder
um am Ausgang des Komparators 34a ein L-Signal ebenfalls der
Zeitdauer t4 zur Folge hat.
Da jedoch in diesem Betriebszustand die Arbeitsmaschine 22
durch Inaktivierung des Relais 12a ohnehin abgeschaltet ist,
hat der Test A/SA keine Auswirkungen auf den Ausgang.
Nach einer Zeit t1 von beispielsweise 8 ms erfolgt in ganz
entsprechender Weise der Test B.
Es sei nun angenommen, daß zu einem Zeitpunkt 49 an den Sen
soreingängen 15a, 15b von der Lichtschranke her ein
L-Signal, also ein Freigabesignal erscheint. Dies führt auch
am Steuereingang 42a zu einem L-Signal und hat weiter die
aus dem Diagramm nach Fig. 2 ersichtlichen Pegeländerungen
an den einzelnen Stellen der Schalteranordnung zur Folge.
Wird nun nach einer Zeit t2 von beispielsweise von 8 ms ein
Test A durchgeführt, so hat dies am Steuereingang 42a ein
0-Signal zur Folge, welches den Hauptschalter 14a kurzzei
tig, d. h. für die Zeit t3 abschaltet. Während des innerhalb
der Zeit t3 durchgeführten Testes SA fließt dann entgegen
dem zunächst vorhanden gewesenen Ausgangsstrom Ia kurzzeitig
der Teststrom IT.
An den Ausgängen der Komparatoren 34a, 21a und 24a liegt
dann jeweils ein L-Signal an, weil nirgends ein Fehler vor
liegt.
Am Ausgang 43a entsteht ebenfalls kurzzeitig ein 0-Signal,
welches jedoch wegen seiner Kürze nicht zur Deaktivierung
des Relais 12a ausreicht.
Auf jeden Fall bleibt der Hilfsschalter 16b des Pfades 40b
geschlossen, weil kein Fehler gemeldet wird.
Beim Diagramm nach Fig. 3 sei ein Fehler F der Supressor
diode 32a angenommen, welcher dazu führt, daß während des
Testes SA der im fehlerfreien Zustand fließende negative
Teststrom IT ausfällt.
Durch entsprechende logische Beschaltung der Hilfsschalter
16a, 16b kann bereits dieses Fehlen des negativen Testimpul
ses IT dazu genutzt werden, den Hilfsschalter 16b zu veran
lassen, in den geöffneten Zustand zu gelangen, so daß beim
Erscheinen eines L-Signals an den Sensoreingängen 15a, 15b
trotz des dann erfolgenden Schließens des Hauptschalters 14a
(siehe Signal am Steuereingang 42a) der Hauptschalter 14b
abgeschaltet bleibt (siehe das auf 0 bleibende Signal am
Steuereingang 42b, welches - wie bei 51 angedeutet ist - im
Gegensatz zum fehlerfreien Zustand (siehe 52 in Fig. 2 auf 0
bleibt).
Selbst wenn während der Stoppzeit 48 der Hilfsschalter 16b
noch nicht geöffnet sein sollte, so wird er spätestens dann
geöffnet, wenn während der Freigabezeit 50 beim Test SA der
Fehler F auftritt, denn dadurch fällt der negative Teststrom
IT im Widerstand 27a aus, was bedeutet, daß an den Eingängen
20b, 25b, 35b des Schaltpfades 40b die UND-Bedingung nicht
mehr erfüllt ist, weil nur zwei Eingänge (20b, 25b) ein
L-Signal erhalten, der Eingang 35b dagegen ein 0-Signal.
Die Arbeitsmaschine 22 bleibt also bis zur Beseitigung des
Fehlers F dauerhaft abgeschaltet.
Claims (23)
1. Sicherheitsschalteranordnung zum Ein- und Ausschalten
der Stromversorgung (11) von zwei in Abhängigkeit vom
Einschalten des Stromes gemeinsam ein Arbeitsgerät (22)
in Betrieb setzenden Aktoren (12a, 12b), z. B. Relais, in
Abhängigkeit von einem Sensorschaltsignal (13a, 13b) mit
zwei zwischen der Stromversorgung (11) und jedem vorzugs
weise geerdeten Aktor (12a, 12b) angeordneten Hauptschal
tern (14a, 14b),
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Sensorsignaleingang (15a, 15b) und den
Hauptschaltern (14a, 14b) jeweils ein steuerbarer, norma
lerweise geschlossener Hilfsschalter (16a, 16b) angeord
net ist, der bei durch Anlegen eines Sensor-Schließ
signals geschlossenem Hauptschalter (14a, 14b) von einem
Testgenerator (45) zur Schaffung einer Testpause über
einen ersten Steuereingang (19a, 19b) in regelmäßigen
Zeitabständen zeitversetzt zu dem jeweils anderen
Hilfsschalter (16b, 16a) so kurzzeitig geöffnet wird,
daß die dadurch - bei einwandfreiem Zustand des
zugeordneten Schalters (14a, 14b) - bewirkte kurzzeitige
Öffnung des zugeordneten Hauptschalters (14a, 14b) auf
grund der Trägheit der Aktoren (12a, 12b) nicht aus
reicht, das angeschlossene Arbeitsgerät (22) außer Be
trieb zu setzen, daß eine Testschaltung (21a, 21b; 24a,
24b; 27a, 27b; 36a, 36b) vorgesehen ist, welche während
der Testpause prüft, ob auch der dem jeweiligen Hilfs
schalter (16a, 16b) zugeordnete Hauptschalter (14a, 14b)
geöffnet ist, und daß bei Nichtöffnung eines Hauptschal
ters (14a, 14b) während der Testpause der jeweils andere
Hilfsschalter (16b, 16a) in den Öffnungszustand gesetzt
und dauerhaft in diesem gehalten wird.
2. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hauptschalter (14a, 14b) und/oder die Hilfsschal
ter (16a, 16b) gesteuerte Halbleiterschalter sind, wobei
die Hauptschalter (14a, 14b) vorzugsweise mit einem inte
grierten Überlastschutz versehen sind.
3. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Testfrequenz in der Größenordnung von 10 bis 100 Hz
liegt.
4. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Testpause kleiner als 200 µs, vorzugsweise
30-70 und insbesondere etwa 50 µs lang ist.
5. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß an jedem Hauptschalter (14a, 14b) eine Ausgangsstrom
meßstufe (18a, 18b) vorgesehen ist, deren Ausgang an
einen zweiten Steuereingang (20b, 20a) des Hilfsschal
ters (16b, 16a) des jeweils anderen Hauptschalters (14b,
14a) angeschlossen ist und die eine Schaltstufe (21a,
21b) mit einer Schwelle (Urefn) aufweist, die für den
kleinsten vorgesehenen Laststrom (Ia, Ib) am Ausgang des
geschlossenen Hauptschalters (14a, 14b) repräsentativ
ist und bei deren Unterschreitung während einer Testpau
se der andere Hilfsschalter (16b, 16a) geschlossen
bleibt, während er bei deren Überschreitung während
einer Testpause über den zweiten Steuereingang (20b,
20a) dauernd geöffnet wird, wodurch das Arbeitsgerät (22)
abgeschaltet wird.
6. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß an jedem Hauptschalter eine Ausgangsspannungsmeßstu
fe (24a, 24b) vorgesehen ist, deren Ausgang an einen
weiteren, insbesondere dritten Steuereingang (25a, 25b)
des Hilfsschalters (16b, 16a) des jeweils anderen Haupt
schalters (14b, 14a) angeschlossen ist und eine Schwelle
aufweist, die für die die höchste Ausgangsspannung
(Urefv), bei der die Aktoren (12a, 12b) gerade noch
nicht in den aktiven, das Arbeitsgerät (22) einschalten
den Zustand gelangen bzw. in diesem verharren, repräsen
tativ ist und bei deren Unterschreitung während einer
Testpause der Hilfsschalter (16b, 16a) des jeweiligen
anderen Hauptschalters (14b, 14a) geschlossen bleibt,
während er bei deren Überschreitung während der Testpau
se über den weiteren, insbesondere dritten Steuereingang
(25b, 25a) des besagten Hilfsschalters (14b, 14a)
dauernd geöffnet wird, wodurch das Arbeitsgerät (22)
abgeschaltet wird.
7. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannungsmeßstufe (24a, 24b) an der Aus
gangsleitung (16a, 16b) nach der Ausgangsstrommeßstufe
(18a, 18b) angeordnet ist.
8. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der Ansprüche 5
bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsstrommeßstufe (18a, 18b) an einen in die
Ausgangsleitung (26a, 26b) eingeschalteten Ausgangswider
stand (27a, 27b) angeschlossen ist und auf den an diesem
auftretenden Spannungsabfall reagiert.
9. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen jeden Hauptschalter (14a, 14b) und jeden
Aktor (12a, 12b) ein Tiefpaß (17a, 17b) eingeschaltet
ist.
10. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Tiefpaß (17a, 17b) so ausgebildet ist, daß er
das Ein- und/oder Austreten von schaltbedingten oder
sonstigen Hochfrequenzströmen verhindert.
11. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 5 und
Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Tiefpaß (17a, 17b) nach der Ausgangsstrommeßstu
fe (18a, 18b) in der Ausgangsleitung (26a, 26b) angeord
net ist.
12. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der Ansprüche 9
bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Tiefpaß (17a, 17b) aus zwei hintereinander
geschalteten Induktivitäten (28a, 28b; 29a, 29b) und
einem zwischen ihnen angeschlossenen geerdeten
Kondensator (30a, 30b) besteht.
13. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 6 oder 7 und
einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannungsmeßstufe (24a, 24b) an den Tief
paß (17a, 17b), und zwar vorzugsweise an die Verbindungs
leitung (31a, 31b) zwischen den beiden Induktivitäten
(28a, 28b; 29a, 29b) angeschlossen ist.
14. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die Stromversorgung (11) und die Ausgangs
leitung (26a, 26b) jeweils eine Supressordiode (32a,
32b) derart eingeschaltet ist, daß sie auf der Ausgangs
leitung (26a, 26b) erscheinende Störimpulse ableitet und
so von den Hauptschaltern (14a, 14b) fernhält.
15. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Supressordiode (32a, 32b) nach dem Ausgangswider
stand (27a, 27b) und/oder vor dem Tiefpaß (17a, 17b) an
die Ausgangsleitung (26a, 26b) angelegt ist.
16. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine weitere, vom Testgenerator (45) angesteuerte
Testschaltung (33a, 33b; 34a, 34b) zur Prüfung der Funk
tion der Supressordioden (32a, 32b) während der Testpau
se vorgesehen ist.
17. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Testvorrichtung (33a, 33b; 34a, 34b) inner
halb der Testpause, vorzugsweise während einer kürzeren
Zeit, als die erste Testschaltung (21a, 21b; 24a, 24b;
27a, 27b; 36a, 36b) aktiviert ist, derart, daß innerhalb
der Testpause sowohl die Testung nach den Ansprüchen 1
bis 15 (Test A; Test B) als auch die Testung nach
Anspruch 16 (Test-SA; Test-SB) durchgeführt wird.
18. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Testvorrichtung eine vom Testgenerator
(45) ausgelöste Teststromquelle (33a, 33b) umfaßt, die
nur während der Testpause, insbesondere während des ver
kürzten Testpausenteils eine Spannung an die Ausgangs
leitung (26a, 26b) anlegt, welche bei intakter Supres
sordiode (32a, 32b) einen vorbestimmten Teststrom zur
Folge hat, während bei mehr oder weniger unterbrochener
Supressordiode (32a, 32b) kein oder nur ein stark herab
gesetzter Teststrom fließt, und daß eine Teststrommeß
stufe (34a, 34b) mit einer Schwelle (Urefp) vorgesehen
ist, welche für einen bei nicht unterbrochener Supressor
diode (32a, 32b) gerade noch zulässigen Teststrom reprä
sentativ ist.
19. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Teststrom von der gleichen Ausgangsstrommeßstufe
(18a, 18b) wie der Ausgangsstrom (Ia, Ib) gemessen wird,
indem er die entgegengesetzte Richtung wie der Ausgangs
strom aufweist und in der Ausgangsstrommeßstufe (18a,
18b) eine weitere Schaltstufe (34a, 34b) mit einer
Schwelle (Urefp) vorgesehen ist, welche für den geringst
zulässigen Teststrom repräsentativ ist und bei deren
Überschreitung während der Testpause der andere Hilfs
schalter (16b, 16a) geschlossen bleibt, während er bei
deren Unterschreitung während der Testpause über einen
weiteren, insbesondere vierten Steuereingang (35b, 35a)
dauernd geöffnet wird.
20. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsstrommeßstufe (18a, 18b) und die Aus
gangsspannungsmeßstufe (24a, 24b) sowie gegebenenfalls
die Teststromschaltstufe (34a, 34b) Komparatoren (21a,
21b, 24a, 24b, 34a, 34b) bzw. Operationsverstärker (36a,
36b) aufweisen.
21. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsstrommeßstufe (18a, 18b) zwei Schaltstu
fen (21a, 21b; 34a, 34b) für den Laststrom bzw. den Test
strom aufweist.
22. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge aller Schalt
stufen (21a, 21b; 24a, 24b; 34a, 34b) im jeweils anderen
Hilfsschalter (16b, 16a) durch eine logische UND-Ver
knüpfung (37b, 37a) derart verbunden sind, daß der Hilfs
schalter (16b, 16a) nach einer Testpause nur dann ge
schlossen bleibt, wenn keine Schaltstufe ein Fehler
signal abgibt.
23. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der Ansprüche 17
bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teststromquelle (33a, 33b) eine Ladungspumpe
(38a, 38b) und einen umladbaren Kondensator (39a, 39b)
umfaßt.
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