DE4412653A1 - Überwachungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Überwachungseinrichtungen für zu sichernde Einrichtungen wie für Maschinen, Anlagen oder dgl., die eine Reihe von Türen oder sonstigen zu öffnenden Zugängen aufweisen, bei deren öffnen oder Erreichen das mo­ mentane Abstellen der Maschine oder Anlage etwa aus Gefährdungsgründen gefordert wird, weisen an jedem zu öffnenden Zugang mindestens einen Sensor, etwa einen mechanisch-elektrischen Sicherheitsschalter, eine Lichtschranke oder dgl., auf, dessen Ausgänge mit einer Auswerteschaltung gekoppelt sind, die seinerseits ein Ausgangssignal etwa zum Stillsetzen der Maschine oder Anlage erzeugt, wenn an mindestens einem Sensor ein Gefahr anzeigender Schaltzustand festgestellt wird. Jeder Sensor kann betätigt, unbetätigt oder defekt sein. Um seinen Zustand gezielt festzu­ stellen, muß jedes Kontaktpaar im Sensor einzeln ausgewertet werden, was mindestens drei Adern erfordert.

So ist eine mit hintereinandergeschalteten Lichtschranken ar­ beitende Überwachungseinrichtung bekannt, bei der die Auswerteschaltung zwei Schaltrelais betätigende Mikroprozessoren umfaßt, die jeweils mit den Empfangsdioden der Lichtschranken über entsprechende Kanäle sowie untereinander gekoppelt sind, wobei letzteres dazu dient, daß sich die Mikroprozessoren gegenseitig aus Redundanzgründen überwachen. Die Strom­ versorgung der einzelnen Bauteile erfolgt über entsprechende Zuleitun­ gen. Hierbei ergibt sich ein erheblicher Verdrahtungsaufwand durch Ver­ wendung spezieller, zur Vermeidung von Störungen abgeschirmter Leitun­ gen. Ein Selbsttest der Sensoren ist hierbei nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die zu einer Verminde­ rung und Vereinfachung des Verdrahtungsaufwands und einer Verbesserung der Sicherheit führt.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Verwendung eines Zweidraht-Bus, der nur einfache Drähte und keine Spezialkabel oder Sonderverlegung benötigt, wird nicht nur der Verdrahtungsaufwand vermindert und vereinfacht, es erfolgt auch die Stromversorgung der einzelnen Komponenten über den Zweidraht-Bus, über den die Sensoren mit wechselnden Signalen zyklisch stimuliert wer­ den, um entsprechend wechselnde Sensorsignale abzugeben, die einem Selbsttest unterworfen werden, wodurch die Sicherheit der Überwachungs­ einrichtung erheblich erhöht wird. Die Sensoren können ein- oder mehrka­ nalig ausgelegt sein. Zur Datenübertragung sind nur sehr geringe Ströme notwendig, so daß keine Leistungsschalter benötigt werden. Es werden nicht nur die einzelnen Komponenten der Überwachungseinrichtung, sondern auch deren Verdrahtung fehlerüberwacht.

Die Datenübertragung über den Zweidraht-Bus erfolgt durch Tak­ tung der Betriebsspannung, die an aktiven Busanschaltungen über eine Pufferschaltung aufrechterhalten werden kann. Der Datenstrom kann als Telegramm decodiert und ausgewertet werden. Die Auswerteschaltung kann ein Freigabesignal erhalten, sobald die Betriebsspannung der Puffer­ schaltung einen Schwellwert übersteigt. Zeitverzögert kann daraus ein Startsignal für die Auswerteschaltung generiert werden.

Die Auswerteschaltung antwortet in einem festen Zeitraster auf eine korrekte Telegrammstruktur durch Taktung des Zweidraht-Bus. Hierzu kann durch eine kurzschlußfeste Schaltung die Betriebsspannung des Bus über einen Widerstand für eine durch die Übertragungsgeschwindigkeit festgelegte Maximalzeit praktisch kurzgeschlossen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Überwa­ chungseinrichtung.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Busanschaltung für die Überwachungseinrichtung nach Fig. 1.

Die dargestellte Überwachungseinrichtung umfaßt eine Vielzahl von Sensoren 1 mit analogen oder digitalen Schaltzuständen. Hierbei kann es sich beispielsweise - wie dargestellt - um ein mechanisch-elektri­ sches Schaltelement umfassend einen Öffner 1a und einen Schließer 1b, die gemeinsam betätigbar sind, handeln. Die Sensoren 1 können an Türen, Klappen, Durchgängen oder dgl. an einer zu sichernden Einrichtung wie ei­ ner Maschine, Anlage oder dgl. angebracht sein, so daß bei einem öffnen der Tür, Klappe oder dgl. der Sensor 1 betätigt, d. h. im dargestellten Fall gleichzeitig der Öffner 1a geöffnet und der Schließer 1b geschlos­ sen wird, d. h. daß sich der digitale Schaltzustand des Sensors 1 hier­ durch ändert. Statt dessen können aber auch Sensoren 1 mit analogen Schaltzuständen, so auch elektronische Geber wie u. a. solche mit Kodier­ funktion in Form von kodierten "TAGs", gegebenenfalls gemischt mit sol­ chen mit analogen Schaltzuständen vorhanden sein.

Zu jeden Sensor 1 gehört ein einen Taktgeber (Watchdog) umfas­ sender Sensorprozessor 2, der einerseits über eine Busanschaltung 3 mit einem Zweidraht-Bus 4 und andererseits mit einem nichtflüchtigen Spei­ cher 5, einem E²PROM, verbunden ist. Der Zweidraht-Bus 4 kann aus norma­ len, nicht abgeschirmten Drähten hergestellt sein und eine baum- und/oder sternförmige Struktur aufweisen. Ein Draht des Zweidraht-Bus 4, z. B. der negative, ist galvanisch mit Maschinenerde verbindbar, während der andere Draht Energie und Signale überträgt, wobei die Übertragung von Signalen durch Taktung der Betriebsspannung erfolgt.

Sämtliche Sensoren 1 sind über den Zweidraht-Bus 4 mit einer Auswerteschaltung verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei vorzugsweise diversitäre Auswerteprozessoren 6′, 6′′ umfaßt, die mit dem Zweidraht-Bus 4 ebenfalls über jeweils eine Busanschaltung 3 sowie untereinander kommunizierend verbunden sind. Die jeweils einen Taktgeber (Watchdog) umfassenden Auswerteprozessoren 6′, 6′′ können beispielsweise mit je mit einem Eingang von zwei Relais 7′, 7′′ verbunden sein. Außerdem gehört zu jedem Auswerteprozessor 6′, 6′′ ein nichtflüchtiger Speicher 8, ein E²PROM. Die Speicher 8 beinhalten jeweils die Anzahl von vorhande­ nen, zu überwachenden Sensoren 1.

Der Zweidraht-Bus 4 ist an ein irgendwo untergebrachtes Bus­ netzteil 9, eine Konstantstromquelle (z. B. 24 V Gleichstrom) angeschlos­ sen. Die einzelnen Bauteile der Überwachungseinrichtung werden über den Zweidraht-Bus 4 mit Energie versorgt. Zu diesem Zweck sind die Busan­ schaltungen 3 entsprechend ausgelegt (vgl. auch Fig. 2 und nachfolgende Beschreibung hiervon). Durch einen hohen Innenwiderstand des Busnetz­ teils 9 wird bei der Datenübertragung ein Kurzschluß vermieden.

Außerdem kann der Zweidraht-Bus 4 über ein Interface 10 mit einem PC und/oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung verbunden sein. Letztere kann dazu verwendet werden, die Speicher 5, 8 mit den notwendigen Angaben, wie auch gegebenenfalls mit eigener Checksumme, zu versehen. Dies ist beispielsweise durch ein einfaches ASCII-Protokoll möglich. Beim Netzeinschalten werden diese Daten aus den Speichern 5, 8 gelesen und mit der Checksumme verglichen sowie in die Speicher der Pro­ zessoren 6′, 6′′ geladen.

Wenn einer der Auswerteprozessoren, etwa 6′, den Zweidraht-Bus 4 zum Erreichen eines bestimmten Sensors 1 stimuliert, indem Adresse, Funktion und Prüfwort (beispielsweise eine Checksumme) für einen Sensor als Telegramm auf den Zweidraht-Bus 4 gegeben werden, d. h. daß auf dem Zweidraht-Bus 4 getaktet Pulse erscheinen, die beispielsweise zwischen 5 und 20 V schwanken, werden diese an alle Sensorprozessoren 2 übertragen.

Außerdem belauscht hierbei der andere Auswerteprozessor, in diesem Fall 6′′, den sendenden Auswerteprozessor 6′, um dessen Signal und damit seine Funktion zwecks Redundanz zu überprüfen.

Jeder Sensorprozessor 2 überprüft die Adresse, indem er den Inhalt seines zugehörigen Speichers 5 mit der gesendeten Adresse ver­ gleicht. Der adressierte Sensorprozessor 2 gibt beispielsweise, wie in Fig. 1 angegeben, entsprechend der übermittelten Funktion 1010 an seinen beiden zum Sensor 1 führenden Ausgängen ein Signal S bzw. ab. Bei ge­ öffnetem Öffner 1a und geschlossenem Schließer 1b (dies sei der unbetä­ tigte Zustand des Sensors 1) bleiben S und unverändert und erscheinen als solche wieder an den vom Sensor 1 kommenden Eingängen des Sensorpro­ zessors 2, d. h. die Antwort ist ebenfalls 1010.

Wenn der Sensor 1 dagegen betätigt wäre, würde bei der Funk­ tion 1010 als Antwort 1001 erscheinen.

Bei der Funktion 0101 würde diese bei unbetätigtem Sensor 1 bestätigt, bei betätigtem Sensor 1 ergäbe sich aber 0110.

Entsprechend der Antwort kann der Sensorprozessor 2 eine Zu­ standsanzeige 11 ansteuern, die beispielsweise aus einer roten und einer grünen LED, die entsprechend dem Zustand zum Aufleuchten gebracht werden, besteht.

Die Antwort vom Sensor 1 wird von beiden Auswerteprozessoren 6, 6′′ ausgewertet, wenn die Funktion nicht mit der Antwort überein­ stimmt, wird ein entsprechendes die Relais 7′ bzw. 7′′ schaltendes Signal erzeugt.

Wird der Sensor 1 nicht erreicht, kommt dies einem Timeoutfeh­ ler gleich. Bei jeder Datenstörung ergibt sich ein falsches Prüfwort (Checksumme).

Nach jeder Sensorüberprüfung oder nach jedem Überprüfungszy­ klus wird zwischen Auswerteprozessor 6′ und 6′′ gewechselt.

Zweckmäßigerweise enthalten ein Byte die Adresse und zwei wei­ tere Bytes die Funktion und den Datensatz für den Sensor, während zwei zusätzliche Bytes das Prüfwort enthalten, das die zu übermittelnden In­ formationen absichert. Bei einer Datenstörung ergibt sich ein falsches Prüfwort. Kommt das Telegramm bereits gestört beim Sensorprozessor 2 an, verweigert dieser die Annahme des Telegramms, so daß die Auswerteschal­ tung einen Timeoutfehler erkennt. Mehrere derartige Fehler auf dem glei­ chen Sensor 1 führen zur Störmeldung, da hier mit großer Wahrscheinlich­ keit ein Defekt des Sensors 1 vorliegt.

Es ergibt sich somit eine zweikanalige, infolge Selbstdiagnose fehlersichere Überwachungseinrichtung mit einfacher und verminderter Verdrahtung. Ein Fehler in einem Sensor 1 wird festgestellt, bevor durch Änderung seines Schaltzustandes an der zu sichernden Einrichtung ein ge­ fährlicher Zustand auftreten kann.

Haben mehrere Sensoren 1 durch einen Fehler gleiche Adressen, kommt es bei den Antworten der Sensoren 1 zu Datenüberschneidungen. Da der Zweidraht-Bus 4 aktiv "Low" ist, kann jeder Sensor 1 sein Signal durch ein "Low" auf den Zweidraht-Bus 4 übergeben. Hierbei kommt es auf dem Zweidraht-Bus 4 zu einer logischen NOR-Verknüpfung, so daß die be­ rechnete Checksumme nicht gleich der Checksumme des Telegramms ist. Die­ ser Fehler führt zur Störmeldung.

Gleiches gilt für unterbrochenen Zweidraht-Bus 4. Er führt zum Timeoutfehler. Ist der Zweidraht-Bus 4 fehlerhafterweise auf "high" ge­ klemmt, erkennt dies die Auswerteschaltung beim ersten Sendeversuch. Diese Störung kann ausgewertet und gemeldet werden.

Ferner ist eine Fehleranalyse etwa durch Mithören am Zwei­ draht-Bus 4 durch einen daran über das Interface 10 angeschlossenen PC (oder SPS) möglich. Auch kann die von den Auswerteprozessoren 6′, 6′′ vorgenommene Systemdiagnoseanzeige 12 beispielsweise in Form einer roten und einer grünen LED, die entsprechend zum Aufleuchten bringbar sind, erfolgen.

Eine Ausführungsform einer Busanschaltung 3 ist in Fig. 2 dar­ gestellt. Hiernach umfaßt die Busanschaltung einen Spannungsreglerteil 13 mit einem Pufferkondensator 14, der über eine Diode 15 geladen und gegen Entladung gesperrt wird. Letzterer dient zur Speicherung der je­ weiligen Ist-Spannung des Zweidraht-Bus 4 an der jeweiligen Busanschal­ tung 3 (entsprechend der Entfernung vom Busnetzteil 9 ist die Spannung aufgrund des Ohm′schen Widerstands entsprechend abgefallen). Während der Signalübermittlung, die durch entsprechenden Spannungsabfall gegenüber der Busspannung stattfindet, sichert der Pufferkondensator 14 die Strom­ versorgung für den zugehörigen Sensorprozessor 2, Sensor 1 und Speicher 5 bzw. den zugehörigen Auswerteprozessor 6′, 6′′ und Speicher 8.

Ferner umfaßt die Busanschaltung 3 einen Busempfängerteil 16 mit einem Komparator 17 und einer Spannungsteilerschaltung 18. Die Span­ nungsteilerschaltung 18 teilt und insbesondere halbiert mittels Wider­ ständen 19, 20 die gespeicherte Ist-Busspannung als Vergleichsspannung für den Komparator 17, so daß der Komparator 17 innerhalb eines praktik­ ablen erlaubten Bereichs arbeiten kann, d. h. es ergibt sich eine dynami­ sche Schaltschwelle entsprechend der jeweils vorliegenden Ist-Busspan­ nung, d. h. wenn die Ist-Busspannung an der jeweiligen Busanschaltung 3 abfällt, läuft die Triggerschwelle des Komparators 17 der Ist-Busspan­ nung auf der Hälfte hinterher. Das angelegte Signal wird ebenfalls mit­ tels Widerständen 21, 22 geteilt, und zwar in einem Verhältnis größer als die Teilung durch die Widerstände 19, 20, z. B. gedreiviertelt, so daß die 3/4-Busspannung entsprechend "high" sicher über und die 3/4-Spannung entsprechend "low" (die low-Spannung geht nicht auf Null, sondern beispielsweise wegen des Ohm′schen Leitungswiderstands nur auf etwa 4 bis 5 V zurück) sicher unter der Triggerschwelle liegen.

Außerdem umfaßt die Busanschaltung 3 ein Sendeteil 23 mit ei­ nem L²MOSFET-Transistor 24, an dessen Gate das Signal vom Sensorprozes­ sor 2 bzw. vom Auswerteprozessor 6′, 6′′ über einen Widerstand 29 ange­ legt wird, so daß dieser entsprechend dem Signal leitend bzw. nichtlei­ tend ist und somit als Schalter dient. Der Transistor 24 ist über paral­ lele, mit seinem Source nach Ground verbundene Widerstände 25, 26 strom­ überwacht, die über einen Widerstand 27 mit dem Gate eines mit seiner Anode mit dem Gate des Transistors 24 verbundenen Thyristors 28 verbun­ den sind. Wenn der Strom durch den Transistor 24 zu hoch wird, fällt ei­ ne proportionale Spannung am Widerstand 25 und 26 ab, so daß über den Widerstand 27 der Triggerpegel des Thyristors 28 erreicht wird. Thyri­ stor 28 wird leitend und schaltet Transistor 24 über den Widerstand 29 aus, so daß verhindert wird, daß ein Überstrom auf den Zweidraht-Bus 4 gelangt. Der Thyristor 28 bleibt dann während der gesamten Sendezeit, d. h. während der Zeit, während der ein Bit übertragen wird, leitend.

Ein Widerstand 30, der zwischen dem Eingang des Widerstands 29 und Erde geschaltet ist, verhindert ein Einschalten des Transistors 24 beim Hochlaufen der Busspannung am Kondensator 14 vor dem Anlauf der Prozessoren 2, 6′, 6′′.

Ein Kondensator 31 zwischen dem Gate des Thyristors 28 und Er­ de verhindert eine Zündung des Thyristors 28 bei kurzzeitigen Störungen (Transientenunterdrückung).

Eine Diode 32 dient dem Verpolschutz und eine Transsildiode 33 dem Überspannungsschutz.

Ein Widerstand 34 begrenzt den Einschaltstrom und den Last­ strom des Transistors 24 im Fehlerfall.

Claims (15)

1. Überwachungseinrichtung für eine zu sichernde Einrichtung mit einer Vielzahl von Sensoren (1) mit analogen oder digitalen Schalt­ zuständen, die an eine Auswerteschaltung angeschlossen sind, die ein Schaltsignal in Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Sensoren (1) oder eines sonstigen Fehlers der Überwachungseinrichtung erzeugt, da­ durch gekennzeichnet, daß jedem Sensor (1) eine prozessor­ gesteuerte Schaltung (2) zur dynamischen Erfassung seines Schaltzustands zugeordnet ist, wobei die prozessorgesteuerten Schaltungen (2) der Sen­ soren (1) an einen Zweidraht-Bus (4) mit getakteter Datenübertragung an­ geschlossen sind, der einerseits an ein Netzteil (9) angeschlossen die Energieversorgung der Überwachungseinrichtung vornimmt und andererseits mit der Auswerteschaltung verbunden ist.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zweidraht-Bus (4) stern- und/oder baumförmig ausgebil­ det ist.

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mittels jeder prozessorgesteuerten Schaltung (2) ein Datensatz vom Zweidraht-Bus (4) adressenmäßig mit der zugehörigen Sen­ soradresse vergleichbar und bei Übereinstimmung einlesbar und ein den Zustand des zugehörigen Sensors (1) wiedergebender Datensatz auf den Zweidraht-Bus (4) gebbar ist.

4. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede prozessorgesteuerten Schaltung (2) ei­ nen nichtflüchtigen Speicher (5) für die Sensoradresse umfaßt.

5. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweidraht-Bus (4) an ein Konstantstrom- Busnetzteil (9) mit hohem Innenwiderstand angeschlossen ist.

6. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zwei redundante Aus­ werteprozessoren (6′, 6′′) jeweils mit einem nichtflüchtigen Speicher (8) umfaßt.

7. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die prozessorgesteuerten Schaltungen (2) und die Auswerteschaltung jeweils über eine Busanschaltung (3) mit dem Zwei­ draht-Bus (4) verbunden sind, die eine Pufferschaltung (13) für die Be­ triebspannung umfaßt.

8. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Pufferschaltung (13) einen über eine Diode (15) ladba­ ren und gegen Entladung sperrenden Pufferkondensator (14) umfaßt.

9. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Busanschaltung (3) ein einen Komparator (17) auf­ weisende Empfängerteil (18) mit einer Triggerschwelle, die entsprechend der an der Busanschaltung (3) anliegenden Ist-Busspannung gleitet, um­ faßt.

10. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Triggerschwelle durch eine Spannungsteilerschaltung (19, 20) für die Ist-Busspannung bestimmt ist.

11. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsteilerschaltung (21, 22) für einlau­ fende Signale derart vorgesehen ist, daß die Pegel sicher über bzw. un­ ter der Triggerschwelle liegen.

12. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Busanschaltung (3) ein Sendeteil (23) mit einem kurzschlußgeschützten Schalter (24) aufweist.

13. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sendeteil (23) einen Thyristor (28) umfaßt, der bei Überstrom auf den Zweidraht-Bus (4) für eine ganze Bitzeit des Signals gesperrt ist.

14. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede prozessorgesteuerte Schaltung (2) und gegebenenfalls die Auswerteschaltung eine Zustandsanzeige (11, 12) auf­ weisen.

15. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweidraht-Bus (4) an einen PC bzw. eine speicherprogrammierbare Steuerung angeschlossen ist.