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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
mit zwei Gruppen von Signalleitungen, mit Schaltmitteln, welche
jeweils mit Signalleitungen der ersten Gruppe und Signalleitungen
der zweiten Gruppe elektrisch verbunden sind und einer Steuereinrichtung,
welche die Signalleitungen der ersten Gruppe in regelmäßiger Wiederholung
nacheinander mit einem Abtastsignal beaufschlagt und die auf den Leitungen
der zweiten Gruppe Liegenden Signale einliest (
DE 3835303 A1 )
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Derartige Schaltungsanordnungen beinhalten
oftmals eine Vielzahl von Schaltmitteln, die insbesondere als matrixförmig angeordnete
Tastenfelder ausgebildet sein können.
Um den Schaltungsaufwand und besonders die Anzahl der Zuleitungen
zu einem solchen Tastenfeld gering zu halten, ist es bekannt, daß eine Steuereinrichtung
(beispielsweise als Mikroprozessor ausgeführt) das Tastenfeld abtastet
("abscannt").
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Hierzu beaufschlagt die Steuereinrichtung wiederholt
nacheinander alle Leitungen einer ersten Signalleitungsgruppe mit
einem Abtastsignal. Bei Betätigung
eines der Schaltmittel gelangt dieses Abtastsignal auf eine zur
zweiten Gruppe gehörenden
Signalleitung, welche auf einen Eingang der Steuereinrichtung geschaltet
ist.
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Aus der Kombination der aktuell mit
einem Abtastsignal angesteuerten Signalleitung der ersten Gruppe
und der das Abtastsignal führenden
Signalleitung aus der zweiten Gruppe, erkennt die Steuereinrichtung
ob und welches Schaltmittel gerade betätigt ist.
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Daraufhin kann die Steuereinrichtung
eine dem betätigten
Schaltmittel zugeordnete Steuerungsfunktion ausführen.
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Hierbei ergibt sich folgendes Problem:
Es
ist nicht auszuschließen,
daß durch
eine Fehlfunktion (beispielsweise durch einen Hardwarefehler oder durch
"Programmabsturz") der Steuereinrichtung eine Steuerfunktion ausgelöst wird,
ohne daß diese durch
die Betätigung
eines Schaltmittels angefordert wurde.
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Dieses kann, insbesondere wenn sicherheitskritische
Anlagenteile, wie z. B. Bewegungen ausführender Aktuatoren, angesteuert
werden, zu Schäden
an Anlagenteilen, wenn nicht gar zu lebensgefährlichen Situationen führen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung,
eine derartige Schaltungsanordnung auf möglichst einfache und kostengünstige Weise
derart aufzubauen, daß die
Spannungsversorgung von angesteuerten Anlagenteilen in jedem Fall,
das heißt
besonders auch im Fehlerfall, von einer Betätigung eines Schaltmittels
abhängig
ist, wobei die so realisierte Sicherheitsfunktion durch eine von
der Steuereinrichtung gesonderte Einrichtung ausgeführt werden
soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß eine
Einrichtung zu Erzeugung eines Freigabesignales vorgesehen ist und
daß zu
der Einrichtung erste Schaltungsteile gehören, welche die auf den Leitungen
der zweiten Gruppe liegenden Signale miteinander logisch verknüpfen und
,die ein Betätigungssignal
erzeugen, wenn zumindest auf einer der Leitungen der zweiten Gruppe
das von der Steuereinrichtung abgegebene Abtastsignal vorliegt und
daß zu
der Einrichtung zweite Schaltungsteile gehören, welche beim Auftreten
eines Betätigungssignales
ein Freigabesignal erzeugen und die nach Wegfall des Betätigungssignales
das Freigabesignal weiterhin für
die üauer
eines vorgegebenen Zeitraumes abgeben.
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Hierdurch kann auf besonders einfache
und kostengünstige
Weise eine von der Steuereinrichtung unabhängige Sicherheitseinrichtung
geschaffen werden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann dabei mit
einem geringen Bauteileaufwand mittels gewöhnlicher Analogtechnik oder
auch durch digitale Bausteine realisiert werden, wobei die Anzahl
der benötigten
Bauteile im letzten Fall sogar noch geringer ausfällt.
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Von besonderem Vorteil gegenüber bekannten
Schaltungsanordnungen ist es, daß die erfindungsgemäße Einrichtung
im Zusammenhang mit einem Feld von Schaltmitteln, welche durch eine
Steuereinrichtung abgetastet werden, eingesetzt werden kann. Obwohl
an den von der Steuereinrichtung eingelesenen Leitungen das bei
einer Betätigung
eines Schaltmittels weitergegebene Signal immer nur kurz anliegt,
kann doch auf einfache Weise ein kontinuierliches Freigabesignal
erzeugt werden, über
welches im Fehlerfall eine schnelle und wirksame Abschaltung der
angesteuerten Anlagenteile möglich
ist. Um im Fehlerfall eine solche schnelle Abschaltung zu erreichen,
wird man vorteilhafterweise die vorgegebene Zeit, für welche
die Schaltungselemente das Betätigungssignal
speichern, so wählen,
daß sie
in der Größenordnung
eines Abtastzykluses liegt und vorzugsweise geringfügig länger ist,
als die Dauer eines Abtastzykluses. Hierdurch wird das Freigabesignal zwar
solange aufrechterhalten, bis die Steuereinrichtung die entsprechende
Leitung erneut abfragt, andererseits ist aber im Fehlerfall eine
ausreichend schnelle Abschaltung des Freigabesignals und damit des
angesteuerten Relais möglich.
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Vorteilhaft ist auch, daß die erfindungsgemäße Einrichtung
vollkommen unabhängig
von der Steuereinrichtung ausgeführt
ist und funktioniert, so daß ein
Fehler im Bereich der Steuereinrichtung nicht die Funktion der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung
beeinträchtigt.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft
in die mit den Eingängen
der Steuereinrichtung verbundenen Leitungen Vorwiderstände einzufügen, die
zusammen mit Pull-up-Widerständen verhindern,
daß bei
einem Hardwarefehler der Steuereinrichtung von der Steuereinrichtung
aus ein Potential an die erfindungsgemäße Einrichtung gelangt, welches
ungerechtfertigterweise ein Freigabesignal auslöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der Figurenbeschreibung.
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Im folgenden soll die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
anhand zweier vorteilhafter Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
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Die beiden Figuren zeigen jeweils
ein Ausführungsbeispiel
für die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
wobei erfindungswesentliche Schaltungsteile in der 1 durch analoge Bauteile und in der 2 durch digitale Bauteile
ausgeführt sind.
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Die 1 zeigt
eine Schaltungsanordnung mit 15 handbetätigbaren Tastschaltern (T,
T24) in matrixförmiger
Anordnung. Die Zuleitungen zu diesen Tastschaltern (T, T24) bilden
zwei Gruppen von Signalleitungen aus, wobei die fünf zur ersten
Gruppe gehörenden
Signalleitungen im folgenden als Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4,
S5) und die drei zur zweiten Gruppe gehörenden Signalleitungen im folgenden
als Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) angesprochen werden sollen. Jeder
der Tastschalter (T, T24) steht mit einer der drei Zeilenleitungen
(Z1, Z2, Z3) sowie mit einer der fünf Spaltenleitungen (S1, S2,
S3, S4, SS) in Verbindung. So stellt beispielsweise eine Betätigung des
mit T24 bezeichneten Tastschalters eine elektrische Verbindung zwischen
der Spaltenleitung (4) und der Zeilenleitung (2)
her.
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Sowohl die Spaltenleitungen (S1,
S2, S3, S4, S5) als auch die Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) sind mit einer
Steuereinrichtung verbunden, die hier besonders einfach als Mikroprozessor
(MP) ausgeführt
ist. Die Spaltenleitungen (S1, S2, S3, S4, S5) liegen hierbei an
Ausgängen
des Mikroprozessors (MP), während
die Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) über Vorwiderstände (RV)
an Eingänge
des Mikroprozessors (MP) angeschlossen sind. Alle Zeilenleitungen
sind über Pull-up-Widerstände (RP)
mit dem positiven Pol (U+) der Versorgungsspannung verbunden.
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Die an den Zeilenleitungen (Z1, Z2,
Z3) anliegenden Signale werden, über
die Dioden (D) entkoppelt, dem nichtinvertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers (OP)
zugeführt.
Weiter ist der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP) über ein
RC-Glied (R, C) mit dem positiven Pol (U+) der Versorgungsspannung
verbunden.
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Der invertierende Eingang (-) des
Operationsverstärkers
(OP) liegt auf einem durch die Spannungsteileranordnung (R1, R2)
vorgegebenen, relativ zur Versorgungsspannung mittleren Potential.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers (OP)
steht über
einen Treiberbaustein (TR), beispielsweise als Transistor ausgeführt, mit
der Steuerspule eines Relais (HR) in Verbindung.
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Dieses Relais (HR) kann beispielsweise
als Hauptrelais über
seine Relaiskontakte (HRK) die Spannungsversorgung von (nicht dargestellten)
sicherheitskritischen Anlagenteilen, der durch die Schaltungsanordnung
gesteuerten Anlage, einbeziehungsweise abschalten.
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Im folgenden soll die Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Einrichtung
anhand der in der 1 dargestellten
Schaltungsanordnung näher
erläutert
werden.
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Zur Abtastung der matrixförmig angeordneten
Schaltmittel (T, T24) schaltet der Mikroprozessor (MP) die Spaltenleitungen
(S1, S2, S3, S4, S5) in regelmäßiger Wiederholung
nacheinander auf Massepotential. Wird nun beispielsweise der Tastschalter (T24)
betätigt,
so gelangt bei der Abtastung der zugehörigen Spaltenleitung (S4) das
Massepotential auf die zugehörige
Zeilenleitung (Z2), welche ansonsten über einen der Pull-up-Widerstände (RP)
an positivem Potential Liegt.
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Aus der Kombination von auf Massepotential gelegter
Spaltenleitung (S4) und der Massepotential führenden Zeilenleitung (Z2)
erkennt der Mikroprozessor (MP) welcher oder welche Tastschalter
(T24) gerade betätigt
sind und führt
dementsprechende Steuerfunktionen aus.
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Die durch den Mikroprozessor angesteuerten,
in der Figur nicht dargestellten Anlagenteile können, insbesondere wenn es
sich dabei um Bewegungen ausführende
Aktuatoren handelt, im Falle einer Fehlsteuerung Schäden oder
gefährliche
Situationen herbeiführen.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung
(E) soll daher die Spannungsversorgung dieser Anlagenteile nur dann
freigegeben werden, wenn wenigstens einer der Tastschalter (T, T24)
betätigt
ist, wobei die Freigabe, bzw. Nichtfreigabe unabhängig vom
Mikroprozessor geschehen soll.
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Hierzu liegt an jeder der Zeilenleitungen
(Z1, Z2, Z3) die Kathode jeweils einer Diode (D) an. Die Anoden
der Dioden (D) sind miteinander verbunden, so daß die Diodenanordnung eine
Oder-Verknüpfung (in
negativer Logik) ausbildet.
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Die Dioden (D) prüfen somit, ob an einer der Zeilenleitungen
(Z1, Z2, Z3) Massepotential anliegt. Ist dies der Fall, gelangt
dieses an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP). Das
Potential am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP),
welcher über
den Widerstand (R) an den positiven Pol der Versorgungsspannung
(U+) geschaltet ist, verschiebt sich hierdurch zum negativen hin.
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Da am invertierenden Eingang (-)
ein mittleres Bezugspotential anliegt, kippt somit das Ausgangspotential
des Operationsverstärkers
(OP) ebenfalls vom positiven ins negative. Dieses negative Ausgangssignal
stellt hierbei das Freigabesignal (FS) (active low) dar, welches über den
Treiberbaustein (TR) das Hauptrelais (HR) betätigt, so daß dieses über die Hauptrelaiskontakte
(HRK) die Versorgungsspannung für
nicht dargestellte sicherheitskritische Anlagenteile freigibt.
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Wesentlich für die Funktion dieser Schaltung ist,
daß sobald
durch eine Tastenbetätigung
Massepotential an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP)
gelangt, auch der Kondensator CC) aufgeladen wird. Hierdurch bleibt
das am nichtinvertierenden Eingang liegende Massepotential (und
damit auch das Freigabesignal (FS)) noch für eine Zeitlang erhalten, und
zwar solange, bis sich der Kondensator (C) über dem ihm parallel liegenden
Widerstand (R) soweit entladen hat, daß das am nichtinvertierenden
Eingang (+) des Operationsverstärkers
(OP) anliegenden Signal wieder das Bezugspotential am invertierenden
Eingang (-) übersteigt.
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Dieses ist wichtig, da auch bei einem
dauerhaft betätigten
Tastschalter (T, T24), bedingt durch das Abtasten der Spaltenleitungen
(S1, S2, S3, S4, S5) das Massepotential an den Zeilenleitungen (Z1, Z2,
Z3) zwar wiederkehrend aber dabei immer nur kurzzeitig anliegt.
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Der Kondensator (C) bewirkt also,
daß das zur
Erzeugung eines Freigabesignales (FS) nötige Eingangspotential (Betätigungssignal
(BS)) wenigstens solange am nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (OP)
anliegt, die der Mikroprozessor zum Abtasten aller Spaltenleitung
benötigt. Damit
kann auf einfache und wirkungsvolle Weise vermieden werden, daß die Ansteuerung
des Relais (HR) trotz andauernder Tastenbetätigung immer wieder unterbrochen
wird.
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Vorteilhaft ist hierbei, daß das zur
Relaisansteuerung verwendete Freigabesignal (FS) rein hardwaremäßig und
ohne Beteiligung des Mikroprozessors (MP) erzeugt werden kann und dieses,
obwohl zur Erzeugung nur ein pulsartiges Signal zur Verfügung steht.
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Damit erhält man eine auf einfache Weise realisierte
Sicherheitsfunktion, die Fehlsteuerungen insbesondere durch den
Mikroprozessor unterbindet.
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Zu diesem Zweck ist es ebenfalls
vorteilhaft, in die Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) Vorwiderstände (RV)
einzufügen.
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Sollte nämlich durch einen Hardwarefehler des
Mikroprozessors (MP) einer seiner Eingänge Massepotential auf eine
der Zeilenleitungen geben, so bewirkt die dann aus Vorwiderstand
(RV) und Pull-up-Widerstand (RP) gebildete Spannungsteileranordnung
(RV, RP), daß das
Potential an der Diode (D) nicht soweit absinkt, daß es zur
Erzeugung eines Freigabesignals (FS) kommt, ohne daß eine Tastenbetätigung vorliegt.
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Eine weitere, ebenfalls vorteilhafte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zeigt die 2. Da Aufbau
und Funktionsweise in wesentlichen Punkten mit der des in der 1 gezeigten Ausführungsbeispieles übereinstimmt,
kann die nachfolgende Erläuterung
kurzgehalten werden. Auch sind gleiche Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen
versehen worden.
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Der Unterschied des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles
zu dem in der 1 Gezeigten
ist darin zu sehen, daß hier
mehrere analoge Bauteile durch digitale Bauteile ersetzt worden
sind. Dadurch werden hier zwar zwei relativ komplexe integrierte
Bausteine benötigt,
jedoch verringert sich der zur Verschaltung benötigte Aufwand beträchtlich.
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Eines der digitalen Schaltungsteile
besteht aus einem einfachen logischen Verknüpfungsbaustein (VB), welcher
prüft,
ob auf einer der Zeilenleitungen (Z1, Z2, Z3) ein Signal anliegt,
welches einer Tastenbetätigung
entspricht und welcher, falls dieses der Fall ist, an seinem Ausgang
ein dieses anzeigendes Betätigungssignal
CBS) abgibt.
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Je nach Art der verwendeten Logik
ist der Verknüpfungsbaustein
entweder ein Oder-Gatter (positive Logik) oder ein Und-Gatter (bei
negativer Logik, wie in der Figur dargestellt). Das Und-Gatter erzeugt
bei einer Tastenbetätigung
ein L-Signal, welches einen nachgeschalteten nachtriggerbaren Univibrator
Calso einen Univibrator dessen Schaltzeit vom letzten Impuls einer
Impulsfolge an gerechnet werden muß) ansteuert.
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Da ein solcher Univibrator (UV) bei
Betätigung
eines Tastschalters (T, T24) mit jedem Abtastzyklus ein
neues Triggersignal von dem Verknüpfungsbaustein (VB) erhält, erzeugt
dieser dementsprechend ein Freigabesignal (FS) Cin der Figur hier beispielhaft
active low) solange eine Tastenbetätigung vorliegt. Nach Ende
der Tastenbetätigung schaltet
der retriggerbare Univibrator (UV) das Freigabesignal (FS) und damit
das angesteuerte Relais CHR) mit Ablauf seiner internen Schaltzeit
ab.
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Bedingung ist natürlich auch hier (wie auch bei
dem Ausführungsbeispiel
der 1), daß die Schaltzeit
mindestens so groß ist,
wie die Dauer eines Abtastzykluses der Spaltenleitungen (S1, S2, S3,
S4, SS) durch den Mikroprozessor (MP).