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Die
Erfindung betrifft eine Sicherheitssteuerung mit einem analogen
Eingang für
ein Betätigungselement,
Stellglied oder dergleichen.
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Solche
Sicherheitssteuerungen finden eine besonders wichtige, aber nicht
ausschließliche
Anwendung im Bereich des Transports und der Industrie, wo die unzeitige
Ankunft beispielsweise eines Bauteiles in einem bestimmten Zustand
schwere Konsequenzen nach sich ziehen kann.
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Das
Dokument
DE 42 15 630
A1 zeigt eine Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung, mit
digitalem Eingang und analogem Ausgang zum Liefern einer mittleren
Ausgangsleistung, die größer ist
als eine vorgegebene Schwelle, wenn zwei komplementäre oder
gegenphasige binäre
Eingangssequenzen am Eingang anliegen, und die in den anderen Fällen kleiner
ist als eine andere Schwelle, wobei die Vorrichtung eine Primärgleichspannungsquelle
umfasst, die ein Modul versorgt, welches eine Wechselrichterbrücke und
einen Gleichrichter umfasst, wobei jeder Zweig der Wechselrichterbrücke eines
Moduls durch eine dieser Sequenzen gesteuert wird.
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Aus
dem Dokument
US 4,054,486 ist
eine Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung bekannt, die eine Reihe
von mehreren Modulen umfasst, die jeweils einen Wechselrichter umfassen.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren sind zur Integration in einem Systeme
geeignet, welches digitale Prozesse verwendet, um Sicherheitsfunktionen zu
erfüllen,
und in welchen mindestens ein Code zur Steuerung oder Bestätigung auftritt,
dessen Abwesenheit mit Sicherheit zu einer Versetzung des Systems
in einen Sicherheitszustand führen
sollte.
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Häufig wird
das Bedürfnis
nach einer Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung empfunden, welche die
Konversion eines Ein gangscodes in ein analoges Leistungssignal erlaubt,
das immer dann auftreten soll, wenn der Code korrekt ist, und welches
mit Sicherheit abwesend sein sollte, wenn der Code fehlerhaft ist
oder ganz fehlt.
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Es
wurde bereits eine Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung mit digitalem
Eingang und analogem Leistungsausgang vorgeschlagen, die einen logischen
Eingangsschaltkreis umfaßt,
welcher ein Analogsignal liefert, das solange dauert, wie ein digitaler Eingangscode
korrekt ist, und weiterhin einen analogem Ausgangverstärker umfaßt, der
die Analogsignale auf einen Pegel anhebt, wie er für Schnittstellen von
Betätigungselementen
notwendig ist. Der logische Schaltkreis umfaßt ein "exklusives ODER", welches als intrinsische Sicherung
wirkt und zwei permanente gegenphasige Eingangsbitsequenzen empfängt, die
solange gegenphasig sind, solange kein Fehler stromaufwärts festgestellt
wird. Solange die Sequenzen gegenphasig sind, liefert der Schaltkreis ein
permanentes Analogsignal; wenn die Gegenphasigkeit verloren geht,
selbst auf einem Bit, fällt
das Bestätigungssignal
in den unteren Zustand und der logische Schaltkreis wird veranlagt,
in diesem Zustand bis zum Wiederstart zu verbleiben.
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Die
Erfindung hat eine Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung zur Aufgabe,
die den Anforderungen der Praxis besser entspricht als herkömmliche Vorrichtungen.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und mit
einem Verfahren gemäß Patentanspruch
7 gelöst.
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Die
Erfindung liefert eine hohe Leistung, ohne daß Sicherheitsverstärker stromabwärts vorgesehen
werden müssen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
erlaubt die Erfindung weiterhin eine beschleunigte Abfolge der Steuersequenzen.
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Die
Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Sicherheitssteuerung mit digitalem
Eingang und analogem Ausgang vor, der eine mittlere Ausgangsleistung
liefert, die über
einer vorbestimmten Schwelle liegt, wenn zwei komplementäre oder
gegenphasige Eingangsbinäresequenzen
am Eingang anliegen, und die in allen anderen Fällen unter einer anderen Schwelle
liegt (typischerweise fünfmal
kleiner als die vorige), und die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine
Primärgleichspannungsquelle,
welche eine Reihe von mehreren Modulen versorgt, die jeweils eine Wechselrichterbrücke und
einem Gleichrichter aufweisen, wobei jeder Zweig der Wechselrichterbrücke von
einer dieser Sequenzen gesteuert wird.
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Die
Einrichtung, welche die digitalen Eingangssequenzen liefert (in
der Regel eine digitale Steuerung), ist allgemein dazu bestimmt
pro Modul zwei komplementäre
digitale Eingangssequenzen als "korrekter
Code" zu liefern,
die p Bits umfassen und regelmäßig wiederholt
werden, und ist weiterhin zur vollständigen Dekorrelierung der beiden
Sequenzen bestimmt, um einen "nichtkorrekten
Code" zu bilden.
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Bei
Abwesenheit von Fehlern sind die beiden Steuersequenzen des gleichen
Wechselrichters in Gegenphase. Folglich liefert das Modul an seinem Ausgang
mit hoher Wiedergabe (im allgemeinen größer als 90 %) die Leistung,
die an seinem Eingang anliegt. Das Modul kann auch so ausgelegt
sein, daß die
Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ist. Wenn umgekehrt
ein Fehler festgestellt wird, dann werden die Sequenzen, die von
der digitalen Steuerung an die Vorrichtung geliefert werden, inkoherent.
Es gibt folglich eine Eins-zu-Zwei-Chance, daß jedes Bit der Steuersequenze
eines Zweiges oder einer Halbbrücke
in Phase mit dem korrespondierendem Bit ist, das an der anderen
Halbbrücke liegt.
Jeder Wechselrichter wiederholt daher an seinem Ausgang die Spannung,
welche an seinem Eingang während
ungefähr
der halben. Zeit liegt und liefert eine Spannung Null nur während der
anderen Halbzeit. Die Gleichrichtung durch den Gleichrichter bewirkt,
daß die Ausgangsleistung
leicht unterhalb der Hälfte
der Eingangsleistung liegt. Wenn k Module, welche Paare von unabhängigen Sequenzen empfangen,
in Reihe angeordnet sind und das erste Modul von einer Quelle mit
einer Gleichspannung Ve versorgt wird, dann ist die mittlere Ausgangsspannung
Vs im wesentlichen gleich 2–k Ve im Falle eines Fehlers.
Wenn die Steuersequenzen abwesend sind, dann annuliert sich die
Ausgangsspannung.
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Wie
man im folgenden sehen wird, ist es möglich, die mittlere Ausgangsspannung
im Falle eines Fehlers durch Rückkopplungssteuerung
der Unterbrecher weiter zu vermindern, welche in den Halbbrücken vorgesehen
sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm einer Sicherheitssteuervorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
Schaltung, welche eine mögliche Ausführung einer
Steuerung zeigt, die die Steuersequenzen an die erfindungsgemäße Vorrichtung
liefert;
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3 eine
Schaltung, welche eine mögliche Ausführung einer
Steuerung zeigt,
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4 ähnlich wie 1,
eine Ausführungsvariante,
welche die Verminderung der Anzahl von Modulen der Folge erlaubt;
und
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5 eine
elektrisches Schema, welches eine mögliche Ausführungsform einer Stufe darstellt, die
in der Vorrichtung von 1 verwendet werden kann.
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Die
Steuervorrichtung 10, welche in 1 dargestellt
ist, ist vorgesehen, um von einer Einrichtung stromaufwärts k Eingangscodes
zu empfangen, die jeweils zwei Binärsequenzen S1 und S2 umnfassen,
welche parallel angelegt werden, und komplementär sind, solange der Code korrekt
ist. Diese Sequenzen werden beispielsweise stromaufwärts von einer
Einrichtung entwickelt, die einem Mikrorechner 12 umfaßt, der
ein Kontrolwort (Sequenz von p Bits, mehrmals pro Sekunde wiederholt)
liefert, und eine digitale Steuerung 14 umfaßt, deren
mögliche
Ausführungsform
weiter unten beschrieben wird. Jedes Paar von Sequenzen S1 und S2
unterscheidet sich von den anderen zumindest im Falle eines Fehlers.
In jedem Paar sind die Sequenzen komplementär, wenn der Code korrekt ist,
und dekorreliert, wenn der Code fehlerhaft ist.
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Die
Vorrichtung 10 umfaßt
eine Folge von identischen Modulen 161 , 162 ,... 16k .
Das erste Modul 161 empfängt eine
Eingangsgleichspannung Ve, welche von einer Primärspannungsquelle 18 geliefert wird,
die zur Lieferung einer Versorgungsspannung für ein Betätigungselement geeignet ist.
Die Spannung Ve kann beispielsweise 100 Volt betragen. Das letzte
Modul 16k liefert eine Ausgangsspannng
Vs an eine oder mehrere Schnittstellen eines oder mehrerer Betätigungselemente 20.
Eine Hilfsspannungsquelle 22 liefert die (geringe) Leistung,
die zum Betrieb der Module notwendig ist.
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Jedes
der Module 161 ,..., 16k kann im Prinzip den Aufbau des Modules 161 aufweisen, der in 2 gezeigt
ist. Er umfaßt
eine Wechselrichterbrücke,
von der jeder Zweig zwei Unterbrecher aufweist, die beispielsweise
MOS-Transistoren sein können.
Die Diagonale der Brücke
umfaßt
die Primärseite 24 eines Transformators,
dessen Sekundärseite 26 an
einem Gleichrichter 28 anliegt, der die Ausgangsspannung des
Moduls Vs1 liefert. Die Unterbrecher des
Wechselrichters werden durch einen Niederleistungsverstärker 30 gesteuert,
welcher von der Hilfsquelle 22 versorgt wird; dieser Verstärker bringt
die digitalen Sequenzen S1 und S2 auf den Pegel, der zur Steuerung
der Unterbrecher notwendig ist und bewirkt ebenfalls eine Formgebung.
Jede verstärkte
Sequenz wird direkt einem der Unterbrecher eines Zweiges zugeführt, und über einen
Inverter 32 dem anderen Unterbrecher desselben Zweiges
zugeführt.
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Bei
Abwesenheit von Fehlern ("erlaubender" Zustand der Vorrichtung)
sind die beiden Steuersequenzen eines selben Wechselrichters gegenphasig. Die
Spannung Vs1 ist gleich der Eingangsspannung Ve
und die Leistung bleibt mit nahezu gleicher Wiedergabe erhalten.
Dies gilt ebenfalls für
die folgenden Module. Die mittlere Ausgangspannung Vs ist folglich gleich
Ve. Wenn jedoch umgekehrt die Sequenzen S1 und S2 stochastisch sind
("verbietender" Zustand), wird die
Ausgangsspannung Vs = 2–k·Ve. Wenn man annimmt, daß die mittlere
Ausgangsspannung bei Anwesenheit eines Fehlers durch einen Faktor
30 dividiert werden soll, genügen
5 Module in Folge. Mit einer Einzelausbeute von 93 % verfügt man noch über 70%
der Eingangsleistung am Ausgang, wenn die Sequenzen in Gegenphase
sind. In bestimmten Fällen
kann eine Filterung nützlich
sein.
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Die
Steuerung 14 kann irgendeine der bekannten Auslegungen
aufweisen. 3 zeigt eine besondere Ausführungsform,
die jedoch nicht beschränkend
ist. Die Sequenz S1 ist in einem Festspeicher 38 gespeichert.
Sie wird in der Folge eines lokalen Zeitgebers 36 an den
Eingang der Adresse des Speichers 38 angelegt, wobei der
Inhalt eines Zählers 40 von
dem Zeitgeber erhöht
wird.
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Die
Sequenz S2 wird von einem Pseudozufallsgenerator geliefert, der
ein Schieberegister 22 umfaßt, das über eine Folge von Gattern "exklusives ODER" 44 rückgekoppelt
ist. Das Register 42 ist vorgesehen, um parallel von dem
Mikrorechner 12 geladen zu werden, und die Schrittfolge
in dem Register wird durch den Zeitgeber 36 festgelegt.
Der Inhalt des Festspeichers 38 wird bestimmt in Abhängigkeit von
dem angelegten Wort am Paralleleingang 46 des Registers
und von der Addierkette, so daß die
Sequenzen S1 und S2 komplementär
sind, wenn das Wort korrekt ist. Wenn jedoch das Wort, das beispielsweise
aus einer Sequenz von 32 Bits besteht, wenigstens ein inkorrektes
Bit umfaßt,
verliert die Sequenz S2 jede Koherenz mit der Sequenz S1 und dies
fast augenblicklich.
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Der
Niederleistungsverstärker
kann selbst jeden bekannten Aufbau aufweisen.
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In
der Ausführungsform
von 2 ist die Folge von Steuersequenzen begrenzt durch
die Übertragungszeit
der Unterbrecher. Zn bestimmten Fällen ist es notwendig, diese
Grenze zu überschreiten,
um die Größe von Spannungsimpulsen,
welche am Ausgang des Moduls anliegen, zu verringern. Zu diesem Zweck
kann jede der Steuersequenzen S1 und S2 erzeugt werden durch die
Operation "exklusives ODER" oder "XOR" auf zwei Primärsequenzen,
die eine erhöhte
Abfolge aufweisen, wodurch 1 MBit pro Sekunde statt 50 kBits pro
Sekunde erreicht werden können.
Eine solche Anordnung wird im folgenden mit Bezug auf 5 beschrieben,
wo die Primärsequenzen
als S11 uns S12 für
S1, und durch S21 und S22 für
S2 bezeichnet sind.
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Die
Ausführungsform
von 2 zwingt dazu, eine erhöhte Anzahl von Stufen vorzusehen,
um eine beträchtliche
Leistungsverminderung im Verminderungsmodus zu erzielen, da die
Dämpfung
jeder Stufe nur 50 % beträgt.
Um die Anzahl von Stufen zu verringern und dadurch das System zu
verbessern und die energetische Ausbeute im "erlaubenden" Normalmodus zu erhöhen, ist es möglich, eine
Rückkopplung
zu verwenden, die zu einer Auto-Blockierung führt. Die 4,
in welcher die der 2 entsprechenden Elemente mit
den gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine solche Vorrichtung. Sie
umfaßt
nur drei Molule 161 , 162 und 163 (diese Anzahl
ist nicht beschränkend),
die normalerweise nur ein Reduktionsverhältnis von 8 ergeben würden. Aber
die Leistung, die notwendig ist, um die Unterbrecher der Wechselrichter
diese Module in leitendem Zustand zu versetzen, wird nicht mehr
von einer Hilfsquelle geliefert, die eine feste Spannung liefert, sondern
von einem Hilfsspannungswandler 48, welcher einen allgemeinen
Aufbau ähnlich
dem der Module 16 aufweisen kann, wobei er ebenfalls die
Sequenzen S1 und S2 empfängt.
Damit die Vorrichtung starten kann, umfaßt sie einen Starterschaltkreis 50, welcher
einen Steuerimpuls von Steuerung 14 empfängt und einen
Startimpuls an den Hilfswandler 48 ausgibt. Der Hilfswandler
ist zudem selbstversorgend auf der Basis seines Ausgangs 51,
welcher die Energie liefert, die notwendig ist, um die Unterbrecher
der Module unter der Wirkung der komplementären Sequenzen S1 und S2 in
leitenden Zustand zu versetzen. Es genügt im allgemeinen, daß der Hilfskonverter 48 einige
Watts liefern kann.
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Es
wurde festgestellt, daß drei
Stufen ausreichend sind, um eine Ausgangsspannungsverminderung um
einen Faktor von ungefähr
300 zu erreichen, wenn die Unterbrecher durch MOS-Transistoren gebildet
werden, die einen vernachlässigbaren
Verbrauch aufweisen. Die Unterbrechung der Steuerspannung der Transistoren,
die durch die Verminderung von Vs provoziert wird, wenn die Frequenzen dekorreliert
sind, verzögert
ihrerseits jeden Übergang der
Transistoren in den leitenden Zustand, was weiterhin zum Zusammenbruch
der Spannung Vs führt.
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In
jeder Ausführungsform
erlaubt die Erfindung eine erhöhte
Leistung, welche ausreicht, um Betätigungselemente oder Stellglieder
zu betätigen ohne
daß analoge
Sicherheitsverstärker
vorgesehen werden müssen.
Sie läßt zudem
beträchtliche
Variationen ihrer Ausgangslast zu, ohne daß dadurch die Sicherheit beeinträchtigt wird.
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Die
Module können
aus verschiedenen Komponenten entsprechend der beabsichtigten Anwendung
bestehen. 5 zeigt einen möglichen
Aufbau, welcher MOS-Schalttransistoren als Unterbrecher verwendet,
wobei nur einer der Zweige 52 und 54 der Brücke vollständig dargestellt.
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Die
Leistung zum Versetzen der Unterbrecher in leitendem Zustand wird
durch einen Verstärker
geliefert, der von einer Spannung Vc versorgt wird, sei es auf Basis
einer Hilfsquelle (Fall 2), oder sei es auf der Basis
eines Hilfswandlers (Fall 4). Der
Verstärker
liegt über
einem Transformator 56 an einem Schaltkreis an, der in
dieser Darstellung das "exklusives
ODER" der Primärsequenzen wiedergibt
und die resultierenden Sequenzen S1 und S2 in Form bringt.
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Der
Schaltkreis kann zwei Pufferverstärker aufweisen, die mit Dioden
verbunden sind, welche mehrere Funktionen haben. In dem dargestellten Zweig
oben in 5 erfüllen die Dioden D2 und D3 die
Funktion "exklusives
ODER"; die Diode
D1 liefert die positive Versorgungsspannung des Verstärkers 58;
D4 und D5 liefern die negative Versorgungsspannung in Bezug auf
einen mittleren Punkt, der geerdet ist. Die Verstärker liegen
an den Unterbrechern an, die durch jeweilige Leistungstransistoren
MOS 60 gebildet werden, deren Emitter geerdet sind.
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Die
Primärseite 24 des
Ausgangs auf der Gleichricherseite ist zwischen diesen mittleren
Punkten der zwei Zweigen vorgesehen.
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Dadurch,
daß die
Vorrichtung von 5 ein "exklusives ODER" zwischen den Eingangsprimärsequenzen
S11 und S12 einerseits und S21 und S22 andererseits verwirklicht,
erlaubt sie die Steuerung auf der Grundlage der Sequenzen in sehr
beschleunigter Abfolge, die bis zu 1 MBit pro Sekunde gehen kann.
Um die folgende Vorrichtung gemäß dem Prinzipienschema
der 1 und 2 zu betreiben, genügt es, einen
der Eingänge
S11 und S12 zu erden (ebenso wie einen der Eingänge S21 und S22) und die Sequenzen
S1 und S2 in vermindeter Abfolge auf die verbleibenden Eingänge zu geben.