DE4432768C2 - Schaltungsanordnung zur Überwachung sicherheitsrelevanter Maschinenparameter und Betriebszustände bei Bewegungsvorgängen - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Überwachung sicherheitsrelevanter Maschinenparameter und Betriebszustände bei BewegungsvorgängenInfo
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- DE4432768C2 DE4432768C2 DE19944432768 DE4432768A DE4432768C2 DE 4432768 C2 DE4432768 C2 DE 4432768C2 DE 19944432768 DE19944432768 DE 19944432768 DE 4432768 A DE4432768 A DE 4432768A DE 4432768 C2 DE4432768 C2 DE 4432768C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
Überwachung sicherheitsrelevanter Maschinenparameter und
Betriebszustände bei Bewegungsvorgängen.
Komplexe prozeßgesteuerte CNC-Anlagen sowie
Industrieroboter stellen besondere Anforderungen an die
Arbeitssicherheit. Insbesondere für den Schutz von
Personen gelten hohe Anforderungen.
Neben der direkten Überwachung der Anlage über die
Maschinensteuerung sind Überwachungseinrichtungen zur
zweikanaligen Überwachung von Kriech- und Drehbewegungen
einer Maschinenachse auf limitierte Drehzahlwerte in den
Betriebsarten,
Stillstandsüberwachung,
manueller/Einrichtbetrieb,
Automatikbetrieb
in Form separater Geräte bekannt, wobei bei Überschreitung der jeweils zulässigen Grenzwerte mit der durch die entsprechenden Richtlinien geforderten Sicherheit ein Stillsetzen der Maschine durch Abschalten der Antriebsenergie erfolgt. Die Erfassung des Bewegungszustandes geschieht dabei über Rechteckimpulsfolgen von Gebern, die den Bewegungszustand der Anlage eindeutig beschreiben. Zusätzliche Einrichtungen überwachen dabei den Gefahrenbereich der Maschine, insbesondere den Zustand der Schutztüren des Bearbeitungsraumes (Schutztürwächter).
Stillstandsüberwachung,
manueller/Einrichtbetrieb,
Automatikbetrieb
in Form separater Geräte bekannt, wobei bei Überschreitung der jeweils zulässigen Grenzwerte mit der durch die entsprechenden Richtlinien geforderten Sicherheit ein Stillsetzen der Maschine durch Abschalten der Antriebsenergie erfolgt. Die Erfassung des Bewegungszustandes geschieht dabei über Rechteckimpulsfolgen von Gebern, die den Bewegungszustand der Anlage eindeutig beschreiben. Zusätzliche Einrichtungen überwachen dabei den Gefahrenbereich der Maschine, insbesondere den Zustand der Schutztüren des Bearbeitungsraumes (Schutztürwächter).
Moderne Bearbeitungszentren erfordern jedoch die
Überwachung von mehr als einer Maschinenachse.
Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur
Sicherheitsüberwachung bei Schutzeinrichtungen mit
normaler und überhöhter Sicherheit von mehrachsigen
Drehbewegungen ausführenden Maschinen bekannt
(EP 0465710 A1, DE 38 37 218 A1 sowie Artikel "Alle Achsen im
Griff", elektroanzeiger 46, JG. Nr. 1, Januar 1993). Sie
arbeiten mit Abschaltschützen im Stromversorgungsbereich
der Maschine sowie einem externen Überwachungskreis für
Schutzhauben, Kontakt- und manueller Zustimmung für
limitierte Drehbewegungen und bestehen aus einem
Grundgerät mit einer Stromversorgungseinheit sowie einer
Kontrolleinheit in jeweils getrennten Teilgehäusen, wobei
zwischen beiden eine Steckkontaktanordnung, die
auftrennbar ist, vorhanden ist und der Zwischenanreihung
weiterer Ergänzungsüberwachungseinheiten dient. Jede
Überwachungseinheit überwacht bestimmte Achskreise der
Zielanlage und sendet ihre Ausgangssignale parallel auf
durchgehende über die jeweiligen Steckkontaktmittel
geführte Querverbindungsleitungen zur
Stromversorgungseinheit. Diese steuert über ein
Ausgangsrelais die im Leistungsteil der Zielanlage
angeordneten Abschaltschütze an. Das Gerät verfügt über
drei verschiedene Funktionsarten, die über den
entsprechenden Betriebszustand der Zielanlage am Gerät
angewählt werden, wobei die Stellung der Schutztürhaube
als steuernde Größe dient. Die 2fache elektronische
unabhängige Auswertung des angewählten Betriebszustandes
und die durch zwei unterschiedliche Encoder erzeugten
Signale der Drehbewegung ermöglichen dabei einen
ständigen internen Funktionstest.
Nachteile dieser Lösungen sind, daß zur Auswahl der
Betriebsart eine Schutzeinrichtung der Maschine benutzt
wird, d. h. die Maschinenregelung wird in die Überwachung
nicht mit eingeschlossen. Damit ist die Vorrichtung eine
reine Überwachungsvorrichtung für Drehbewegungen, wobei
diese auf ausschließlich feste Grenzwerte überwacht
werden. Eine flexible Anpassung an unterschiedliche
Bearbeitungsprozesse, die eine Änderung des
Drehzahlgrenzwertes während des Prozesses erfordern, ist
nicht möglich. Nachteilig ist weiterhin, daß durch die
Verwendung der Schutzeinrichtung als steuerndes Element
für die Betriebsart die Überwachungszustände
"Stillstandsüberwachung" und "Stillstandsüberwachung als
Sonderbetrieb" an die geöffnete Gefahrenzone geknüpft
sind. Außerdem wird im Fehlerfall nur die Antriebsenergie
abgeschaltet, eine gleichzeitige Abbremsung der
Antriebselemente erfolgt nicht.
In den Patentschriften DE 41 06 009 C1 und EP 0501218 A2
wird eine Schaltungsanordnung einer Tür- oder
Schutzhaubenverriegelungssteuerung für eine
Schutzeinrichtung mit normaler und überhöhter Sicherheit
bei insbesondere Drehbewegungen durchführenden Maschinen
(Zielanlage) mit Abschaltschützen im
Stromversorgungsbereich der Zielanlage, mindestens einem
Türkontaktkreis und einem von einer Bedienperson manuell
betätigbaren Zustimmkontaktkreis sowie ferner mit
Drehbewegungssignale auswertenden Meßsystemen für jede
Achse, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einbeziehung einer
redundanten Drehbewegungs-Signalauswertung auch für die
Türsteuerung, in die ein Verriegelungsmechanismus
integriert ist, dessen Position unter Verzicht auf eigene
Drehbewegungssensorik von mindestens einem, der eine
jeweilige Achse auf Drehbewegung überwachenden Meßsystem
bestimmt ist, vorgestellt.
In dem Artikel "Sichere Bewegungsüberwachung bei
Industrierobotern" in VDI-Z 132/1990 Nr. 11 wird ein
Konzept zur redundanten Ausführung sicherheitsrelevanter
Überwachungsmechanismen zur sicheren Ansteuerung von
Roboterachsen vorgestellt. Mittels eines
Überwachungsrechners, der der Robotersteuerung
beigestellt ist, oder einer zweikanaligen Ausführung der
Achsrechner der Steuerung, werden Fehler im
Lageregelkreis erkannt und im Gefahrenfall wird der Roboter
umgehend stillgesetzt. Nachteile dieses Konzeptes sind,
daß zur sicheren Überwachung eine zusätzliche
Rechnereinheit benötigt wird und keine
steuerungsunabhängige, mit wenig Aufwand nachrüstbare
Lösung für konventionelle bereits existierende Anlagen
zur Verfügung steht.
Bei einer anderen Vorrichtung zur Steuerung der
Bewegungsabläufe von Handlingssystemen oder Robotern
(DE 39 02 247 A1) sind die Abgriffe im Regelkreis dreifach
redundant vorgesehen. Die Sicherheitsschaltung spricht
auf Signalabweichung zwischen den redundanten Abgriffen
an oder eleminiert ein fehlerhaftes Signal. Über
gewonnene Lagesignale wird ein Soll-/Istwert-Vergleich
durchgeführt und bei Abweichung werden die Stellmotoren
stillgesetzt. Nachteile dieser Lösung sind das
zusätzliche Anbringen eines inertialen Lagemeßsystems
sowie kein unbedingtes Zurückführen der Anlage in den
sicheren Zustand. Des weiteren ist diese Lösung
steuerabhängig und für konventionelle, bereits
existierende Anlagen nicht nachrüstbar.
Moderne Bearbeitungszentren erfordern aber in zunehmendem
Maße nicht nur die Überwachung drehender Maschinenteile,
sondern die Überwachung der gesamten im Arbeitsprozeß
auftretenden Bewegungen der Maschine sowie die Einhaltung
der in den jeweiligen Betriebsmodi geltenden
Sicherheitsbedingungen für den gesamten Maschinenraum.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
zur Überwachung sicherheitsrelevanter Maschinenparameter
und Betriebszustände bei Bewegungsvorgängen zu schaffen,
die entsprechend den gesetzlichen Anforderungen für
Personen keine Gefahr entstehen läßt, im Fehlerfall
möglichen Sachschaden minimiert und sowohl eine
Überwachung von Bewegungsvorgängen als auch der den
Maschinenraum abgrenzenden Schutzeinrichtungen
ermöglicht, wobei beim Auftreten gefährlicher
Zustände eine der Zustandsart angepaßte Steuerung der
Maschine erfolgt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den
Unteransprüchen dargestellt.
Der Vorteil der Erfindung besteht in der Kombination der
Überwachung von rotatorischen und translatorischen
Bewegungsvorgängen einer Maschine mit der Überwachung
der den Maschinenraum abgrenzenden Schutzeinrichtungen,
insbesondere Schutztüren, Lichtvorhänge, Fußkontaktmatten
u. a. Die Überwachungsparameter, die alle Grenzwerte
enthalten, sind einstellbar, sie können wahlweise aus
innerhalb der Überwachungseinheiten angeordneten
Festwertspeichern, den Überwachungsparameterspeichern,
abgerufen oder über eine serielle Schnittstelle von der
Steuerung flexibel eingelesen werden. Dies ist
insbesondere für solche Einsatzfälle von Interesse, wo
mit werkzeugabhängig wechselnden Drehzahlen gearbeitet
wird oder sich ein variabler Bewegungsgrenzwert durch den
Einsatz von Schaltgetrieben ergibt. Die vorgeschlagene
Erfindung gestattet durch ein modulares Konzept die
Überwachung aller sicherheitsrelevanten Größen der zu
überwachenden Anlage. Sie ist in der Lage, gemäß der
aktuellen Maschinenkonfiguration eine unterschiedliche
Zahl von Achsen und Schutzeinrichtungen zu überwachen. Im
Gefahrenfall erfolgt ein schnellstmögliches sicheres
Stillsetzen der Anlage durch Abschalten der
Antriebsenergie und gleichzeitiges Abbremsen der Bewegung
durch Sperrung der Reglerfreigabe oder durch Nullsetzung
des Sollwertes. Weitere Vorteile sind im
Ausführungsbeispiel aufgezeigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer
Zeichnung in vereinfachter Weise dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung in Verbindung mit der zu
überwachenden Anlage bzw. Maschine,
Fig. 2 das Blockschaltbild einer Abschalteinheit und
Fig. 3 das Blockschaltbild einer Überwachungseinheit.
In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer zu überwachenden
Anlage bzw. Maschine mit Maschinensteuerung und
erfindungsgemäßer Schaltungsanordnung dargestellt. Von
der Anlage bzw. Maschine sind ein Gefahrenzonenmelder,
z. B. ein Türkontakt 1, ein Betriebsartenwahlschalter 2,
ein Maschinenantrieb 3 und sowohl ein erster Geber 4 und
ein zweiter Geber 5 einer ersten Achse als auch ein
dritter Geber 6 und ein vierter Geber 7 einer zweiten
Achse dargestellt.
Die Schaltungsanordnung stellt einen Sicherheitsmodul
dar, der modular aufgebaut ist und sowohl als
Stand-alone-Gerät als auch in Form von Einzelkomponenten
im Schaltschrank betrieben werden kann. Er besteht aus
einer dreikanaligen Abschalteinheit 8 und aus einer - der
Anzahl der zu überwachenden Bewegungsvorgänge
entsprechenden - Anzahl dreikanaliger
Überwachungseinheiten, wobei jeweils ein Kanal der
Abschalteinheit 8 mit dem entsprechenden Kanal aller
Überwachungseinheiten verknüpft ist und alle wesentlichen
Überwachungsfunktionen durch anwenderspezifische
integrierte Schaltkreise, ASIC′s, realisiert sind sowie
einem Netzteil 11 zur maschinenunabhängigen
Spannungsversorgung. Anstelle der ASIC′s sind aber auch
andere Baugruppen, beispielsweise Prozessoren,
einsetzbar.
In diesem Beispiel sind vier Geber 4 bis 7 zweier Achsen
dargestellt, weshalb im Ausführungsbeispiel also eine
erste Überwachungseinheit 9 für den ersten und zweiten
Geber 4 und 5 der ersten Achse und eine zweite
Überwachungseinheit 10 für den dritten und vierten Geber
6 und 7 der zweiten Achse angeordnet sind. Jeder Achse
sind also zwei Geber 4, 5 bzw. 6, 7 zugeordnet, die unabhängig
voneinander über Leitungen GA11/GA12 oder GA21/GA22
mit der ihnen zugeordneten Überwachungseinheit verbunden
sind.
Eine Maschinensteuerung 12 ist über einen bidirektionalen
Bus Status/Fehler mit der Abschalteinheit 8, der ersten
Überwachungseinheit 9 und der zweiten Überwachungseinheit
10 verbunden. Die Übergabe der Überwachungsparameter
erfolgt über die Leitung Überwachungsparameter von der
Maschinensteuerung 12 zur ersten Überwachungseinheit 9 und zur
zweiten Überwachungseinheit 10.
Die Abschalteinheit 8 ist über eine Reglerfreigabeleitung
RFG und einen zweikanaligen Not-Aus-Interface-Kreis NA1,
NA2, NA3 und NA4 mit dem Maschinenantrieb 3 verbunden und
über Leitungen ZBUS mit den Überwachungseinheiten 9
und 10. Ein Bus zur Übertragung der Signale P (P1, P2 und
P3) verbindet die Abschalteinheit 8 mit der zweiten
Überwachungseinheit 10, die wiederum über Leitungen zur
Übertragung der Signale AB und SSM mit der ersten
Überwachungseinheit 9 verbunden ist. Die Signale AB und
SSM werden von der ersten Überwachungseinheit 9 weiter an
die Abschalteinheit 8 gegeben.
Zum Start des Sicherheitsmoduls ist ein Start-Taster 13
und zum unbedingten Abschalten ein Ende-Taster 14
vorhanden, die mit der Abschalteinheit 8 verbunden sind.
Weiterhin kann der Abschaltbefehl durch einen externen
Not-Aus-Taster 32 ausgelöst werden, der ebenfalls mit der
Abschalteinheit 8 verbunden ist.
Fig. 2 zeigt die dreikanalige Abschalteinheit 8. Das
Eingangsinterface 15 der Abschalteinheit 8 erhält alle
Signale, die für den Betriebszustand und den Zustand der
Sicherheitseinrichtungen des Maschinenraumes maßgeblich
sind. Im Ausführungsbeispiel sind das:
- - Betriebsartenwahlschaltersignale B1. . .B6 (B1, B2 - manueller Betrieb, B3, B4 - Stillstand, B5, B6 - Automatik)
- - Start-Signal S1, S2
- - Ende-Signal E1, E2
- - externes NOT-AUS-Signal
- - Türpositionssignale T1, T2
- - Zustandssignal der Türverriegelung TZU.
Diese Signale werden allen anwenderspezifischen
integrierten Schaltkreisen, den Abschalt-ASIC′s 16, 17,
18 zugeführt. Alle drei Abschalt-ASIC′s 16, 17, 18
übertragen den aktuellen Überwachungsstatus und
Fehlerinformationen in ein gemeinsames erstes
Status-Fehlerregister 19. Zusätzlich generiert jeder
Abschalt-ASIC 16, 17, 18 Reglerfreigabesignale RFG1, RFG2
und RFG3, die über ein UND-Glied 20 zu einem gemeinsamen
Signal RFG verknüpft sind. Abschaltbefehle AS1, AS2 und
AS3 der Abschalt-ASIC′s 16, 17, 18 schalten jeweils eins
von drei in einem Not-Aus-Interface-Kreis der Maschine
befindlichen zwangsgeführten Relais 21, 22, 23.
Die Abschalteinheit 8 übernimmt also folgende Funktionen:
- - Festlegung des Überwachungszustandes der Maschine aus der Stellung des Betriebsartenwahlschalters 2 sowie Weiterleitung dieses Überwachungsmodus an alle angeschlossenen Überwachungseinheiten 9 und 10 über den ZBUS-Vektor,
- - Überwachung aller statischen Meldesignale über den Zustand des Maschinenraumes,
- - Erzeugung der dynamischen Signale P1, P2, P3 für die zweite Überwachungseinheit 10 und Auswertung der dynamischen Signale SSM1, SSM2, SSM3 und AB1, AB2, AB3,
- - Abschalten der Antriebsenergie der Anlage bzw. Maschine über Öffnung der Relaiskontakte K1 bis K6 der Relais 21, 22 und 23 sowie Erzeugung des Signals RFG zur Sperrung der Reglerfreigabe im Fehlerfall,
- - Speicherung aller Betriebs- und Fehlerzustände im ersten von außen abrufbaren Status-Fehlerregister 19.
Fig. 3 zeigt eine der dreikanaligen Überwachungseinheiten
9 bzw. 10. Das Eingangsinterface 24, z. B. das der ersten (zweiten)
Überwachungseinheit 9 (10), ist mit den beiden
Ausgangsleitungen GA11 und GA12 (GA21 und GA22) der Geber
4 und 5 (6 und 7) zur Überwachung der ersten (zweiten)
Achse verbunden. Die Ausgangssignale GA11 und GA12 (GA21
und GA22) der Geber 4 und 5 (6 und 7) werden jedem
anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis der
betreffenden Überwachungseinheit 9 (10), den
Überwachungs-ASIC′s 25, 26, 27 zugeführt. Alle drei
Überwachungs-ASIC′s 25, 26, 27 sind mit einem zweiten
Status-Fehlerregister 28 und jeweils mit einem
Überwachungsparameterspeicher 29, 30, 31 verbunden.
Die Überwachungseinheiten 9 bzw. 10 besitzen folgende
Aufgaben:
- - Übernahme der für den jeweiligen Betriebsmodus maximal zulässigen Bewegungsgrenzwerte aus den auf der Überwachungseinheit 9 bzw. 10 angeordneten Überwachungsparameterspeichern 29, 30, 31 oder wahlweise über eine serielle Schnittstelle von der Maschinensteuerung 12,
- - Auswertung der Bewegungsinformation der angeschlossenen Geber 4, 5 bzw. 6, 7, wobei diese mit getrennten Spannungsquellen versorgt werden,
- - Setzen der von der Abschalteinheit 8 kommenden und durch die Überwachungseinheiten 9 bzw. 10 zur Abschalteinheit 8 rückgeführten dynamischen Signale auf einen statischen Wert zur Detektierung von Fehlerzuständen, hervorgerufen durch die Überschreitung der jeweils maximal zulässigen Grenzwerte der einzelnen Betriebsmodi der Anlage bzw. Maschine,
- - Konsistenzprüfung der Gebersignale GA11, GA12, GA21, GA22 sowie Erkennung nicht angeschlossener oder defekter Geber auch im Stillstand,
- - Speicherung aller Betriebs- und Fehlerzustände im von außen abrufbaren zweiten Status-Fehlerregister 28.
Im folgenden sollen die Arbeitsweise und die Funktion der
Schaltungsanordnung zur Überwachung und Steuerung
(gezieltes Abschalten der Anlage/Maschine im
Gefahrenfall) sicherheitsrelevanter Maschinenparameter
erklärt werden. Erfindungswesentlich ist die Kombination
der Überwachung von rotatorischen und translatorischen
Bewegungsvorgängen der Maschine mit der Überwachung der
den Maschinenraum abgrenzenden Schutzeinrichtungen. Dabei
werden die Überwachungsparameter, z. B. Grenzwerte,
entweder fest in internen Überwachungsparameterspeichern
29, 30, 31 abgelegt oder über eine serielle Schnittstelle
von der Steuerung flexibel bereitgestellt. Durch ein
modulares Konzept erfolgt für eine unterschiedliche
Anzahl von Achsen und Schutzeinrichtungen im Gefahrenfall
ein schnellstmögliches, sicheres Stillsetzen der Anlage.
Dies geschieht durch Abschalten der Antriebsenergie und
gleichzeitiges Abbremsen der Bewegung durch Sperrung der
Reglerfreigabe oder durch Nullsetzung des Sollwertes.
Dabei erfolgt eine Überwachung in den Betriebszuständen
Stillstand, Einricht-/manueller Betrieb und
Automatikbetrieb mit dem Betriebsartenwahlschalter 2 der
Anlage als steuernde Größe auf die zu prüfenden
Bedingungen. Durch implementierte Selbsttests innerhalb
des gesamten Sicherheitsmoduls findet eine ständige
Eigenüberwachung statt, so daß ein interner Fehler, der
die Überwachungsfunktion beeinträchtigt, erkannt wird und
ebenfalls zum Stillsetzen der Anlage führt. Vorteilhaft
ist es, wenn alle wesentlichen Überwachungsfunktionen
durch ASIC′s realisiert werden. Durch implementierte
Selbsttests innerhalb der ASIC′s findet ständig eine
Eigenüberwachung statt, so daß ein interner Fehler der
ASIC′s, der die Überwachungsfunktion beeinträchtigt,
erkannt wird und ebenfalls zum Stillsetzen der Anlage
führt. Die Erfassung der Eingangsgrößen für die
Überwachungseinrichtung sowohl für den Zustand der
Schutzeinrichtung als auch für die Bewegungsinformation
erfolgt über jeweils zwei unabhängige Kanäle. Die
Auswertung der den Maschinenzustand beschreibenden
Signale sowie die Abschaltung der Antriebsenergie erfolgt
in jeweils drei voneinander unabhängigen Kanälen. Alle
von der Abschalteinheit 8 erzeugten und über die verbun
denen Überwachungseinheiten 9, 10 zu ihr rückgeführten
Signale sind dynamisch und werden im
Fehlerfall der Anlage auf einen statischen Wert gesetzt.
Die Fehlerursache wird durch den Sicherheitsmodul
selbsttätig erkannt und zur Auswertung
zwischengespeichert.
Der Start der Schaltungsanordnung bzw. des
Sicherheitsmoduls erfolgt über die Betätigung des Start-
Tasters 13, ein unbedingtes Abschalten des
Sicherheitsmoduls und damit der Maschinenantriebsenergie
über den Ende-Taster 14.
Beim Einschalten des Sicherheitsmoduls werden nach
erfolgtem Selbsttest über die Signale AS1, AS2, AS3 die
Relaiskontakte K1 bis K6 der zwangsgeführten Relais 21,
22 und 23 im Not-Aus-Interface-Kreis der Maschine
geschlossen und damit die Maschine ans Netz geschaltet.
Die Abschalteinheit 8 wertet den Zustand des
Betriebsartenwahlschalters 2 aus und teilt über den
dreistelligen ZBUS-Vektor den aktuellen Überwachungsmodus
den angeschlossenen Überwachungseinheiten 9 und 10 mit.
Gleichzeitig werden die dynamischen Signale P1, P2, P3 in
jeweils einen Überwachungskanal der Überwachungseinheit
10 eingespeist. Bei Verwendung dynamischer Signale ist
die Information des Signals nicht durch den Pegel
festgelegt sondern durch den zeitlichen Verlauf, so daß
Kurzschlüsse und Unterbrechungsfehler sicher erkennbar
sind. Bei fehlerfreiem Betrieb gelangen diese Signale als
Stillstandsmeldesignal SSM und Abschaltsignal AB über die
zweite zwischengeschaltete Überwachungseinheit 9
unverändert zur Abschalteinheit 8 zurück. Bei Bewegung
einer Achse wird das Signal SSM jedes Kanals durch die
Überwachungseinheit der betreffenden Achse auf einen
statischen Wert gesetzt, bei Überschreitung des im
angewählten Betriebszustand maximal zulässigen
Bewegungsgrenzwertes werden die Signale AB1, AB2, AB3
jedes Kanals durch die Überwachungseinheit der Achse, bei
der die Drehzahlüberschreitung auftrat, auf einen
statischen Wert gesetzt. Bei Erfüllung einer
Fehlerbedingung schaltet die Abschalteinheit 8 die
Maschine energiefrei und sperrt die Reglerfreigabe des
Maschinenantriebs 12. Ein Wiederanlaufist nur durch
einen neuen Start-Befehl nach Beseitigung der
Fehlerursache möglich, die über das
Status-Fehlerregister 19 von außen abgefragt werden
kann.
Die Abschalteinheit 8 überprüft außerdem den Zustand der
Schutztüren des Maschinenraumes. Tritt hier ein im
angewählten Betriebsmodus unzulässiger Wert der
Türpositionssignale T1 und T2 oder des
Verriegelungsmeldesignals TZU auf, erfolgt ebenfalls ein
Abschalten.
Dabei gelten für die Signale der Maschinenraumsicherung
folgende Bedingungen:
- - Stillstandsüberwachung und manueller Betrieb: Schutztüren können beliebigen Zustand aufweisen,
- - Automatikbetrieb: Schutztüren müssen geschlossen und verriegelt sein.
Ein Abschaltbefehl kann zusätzlich durch Betätigen des
externen Not-Aus-Tasters 32 oder des Ende-Tasters 14
ausgelöst werden.
Die Überwachungseinheiten 9 und 10 erhalten neben den
bereits genannten ZBUS- und dynamischen Signalen P1, P2,
P3 von der Abschalteinheit 8 über ihr Eingangsinterface
24 die Drehzahlvektoren GA11, GA12 (Achse 1) bzw. GA21,
GA22 (Achse 2) der angeschlossenen Geber.
Mit dem Start-Befehl werden alle für die jeweiligen
Betriebsmodi gültigen Grenzwerte von den
Übertragungsparameterspeichern 29, 30, 31 bzw. von der
Maschinensteuerung 12 über die serielle Schnittstelle in
die internen Register der Überwachungs-ASIC′s 25, 26, 27
eingeschrieben und während des Betriebes zyklisch
überprüft. Gleichzeitig wird getestet, ob beide Geber 4
und 5 (Achse 1) bzw. 6 und 7 (Achse 2) angeschlossen sind
und korrekte Eingangssignale anliegen. Bereits das
Auftreten eines unerlaubten Zustandes in einem Kanal
einer der Überwachungseinheiten 9 oder 10 ist
ausreichend, um über"das Abschaltsignal einen
Abschaltbefehl in der Abschalteinheit 8 auszulösen.
Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen
Lösungen, die den eigentlich zu überwachenden
Schutztürzustand der Maschine als steuernde Größe
verwenden, wird beim vorgeschlagenen Sicherheitsmodul
gemäß den Forderungen der einschlägigen DIN-Vorschriften
und Prüfgrundsätze der Berufsgenossenschaften der
Betriebsartenwahlschalter der Anlage als steuernde Größe
genutzt. Dabei sind zu unterscheiden:
- - Stillstand (Stillstand aller bewegten Teile zwingend vorgeschrieben, Maschinenraum zugänglich),
- - manueller/Einrichtbetrieb (Bewegungen mit sicher reduzierter Geschwindigkeit, Maschinenraum zugänglich),
- - Automatikbetrieb (Bewegungen mit bis zu maximal zulässiger Geschwindigkeit, Maschinenraum gesperrt).
In allen Betriebsarten wird der Zustand aller
Sicherungseinrichtungen des Maschinenraumes und der
Bewegungszustand der Achsen überwacht. Sowohl bei
Überschreiten der in den Betriebsmodi jeweils maximal
zulässigen Bewegungswerte als auch bei Verletzung des
Sollzustandes der Sicherheitseinrichtungen erfolgt ein
schnellstmögliches Stillsetzen der Maschine über
Abschalten der Antriebsenergie.
Eine alleinige Abschaltung über den NOT-AUS-Kreis, wie
sie herkömmliche Drehzahlüberwachungsgeräte aufweisen,
bringt bei vielen Anwendungen nur eine unzureichende
Einschränkung der Fehlerauswirkung, da auf diese Weise
lediglich ein energieloses Auslaufen der Antriebe bewirkt
wird. Durch zusätzliches Sperren der Reglerfreigabe oder
definiertes Nullsetzen des Sollwertes ergeben sich eine
wesentlich verringerte Stillsetzzeit und ein
verkleinerter Stillsetzweg. Eine Zeitverzögerung zwischen
Beginn der elektrischen Bremsung und Abschaltung der
Energiezufuhr kann durch die Zwischenschaltung eines
Zeitgliedes realisiert werden und damit bei noch korrekt
arbeitenden Antrieben ein schnelleres Abbremsen der
Bewegung der Anlage oder Maschine erreicht werden. In
allen Fällen wird ein selbsttätiges Wiedereinschalten der
Energie solange verhindert, bis der Fehler beseitigt ist
und die Vorrichtung über einen Neustart wieder in Betrieb
gesetzt wird.
Die Erfassung der Eingangsgrößen für die
Überwachungseinrichtung geschieht zweikanalig, d. h. es
sind jeweils zwei voneinander unabhängige Kontaktsätze
für den Zustand der Schutzeinrichtungen bzw. Geber für
die Bewegungsinformation vorhanden. Für die Erfassung der
Bewegungsinformation kommen sowohl die Ausgangsgrößen von
Drehgebern als auch jede physikalische Größe, die die
Bewegungsinformation eindeutig abbildet, in Frage.
Zur Gewährleistung der in den entsprechenden Vorschriften
geforderten sicheren Stillsetzung der Maschine im
Gefahrenfall erfolgt die Auswertung der den
Maschinenzustand beschreibenden Signale in drei
voneinander unabhängigen Kanälen. Die Abschaltung der
Antriebsenergie geschieht über die drei voneinander
unabhängigen zwangsgeführten Relais 21, 22, 23 im
Not-Aus-Interface-Kreis der Maschine. Alle von der
Abschalteinheit 8 erzeugten und über die verbundenen
Überwachungseinheiten 9 und 10 zu ihr rückgeführten
Signale sind dynamisch und werden im Fehlerfall der
Anlage auf einen statischen Wert gesetzt, so daß
Unterbrechungen und Kurzschlüsse in den
Verbindungsleitungen und den integrierten Bauelementen
sicher erkannt werden.
Über eine serielle Schnittstelle in der Abschalteinheit 8
ist die Abfrage des aktuellen Überwachungszustandes bzw.
im Fehlerfall die Erkennung der Fehlerursache oder die
Ursache des Abschaltens durch die Abschalteinheit 8
möglich.
Durch intern implementierte Selbsttests und die für
ASIC′s typische erhöhte Zuverlässigkeit wird dabei den
erhöhten Sicherheitsforderungen an den Sicherheitsmodul
in besonderem Maße Rechnung getragen und eine ständige
Eigenüberwachung der Vorrichtung gewährleistet, so daß
ein interner Fehler, der die Überwachungsfunktion
beeinträchtigt, ebenfalls zum Stillsetzen der Maschine
führt. Der Sicherheitsmodul enthält weiterhin eine
unabhängige Betriebsspannungsversorgung sowie eine
interne Schaltungsanordnung, die die Funktion
herkömmlicher Not-Aus-Schaltgeräte übernehmen kann. Alle
Funktionsgruppen sind über eine gemeinsame
Rückverdrahtung miteinander verbunden.
Claims (5)
1. Schaltungsanordnung zur Überwachung sicherheitsrelevanter
Maschinenparameter und Betriebszustände bei
Bewegungsvorgängen von einen Türkontakt, einen
Maschinenantrieb und einen Betriebsartenwahlschalter
enthaltenden Maschinen und von den Maschinenraum
abgrenzenden Schutzeinrichtungen bestehend aus
- a) einer - der Anzahl der zu überwachenden Bewegungsvorgänge der Maschine entsprechenden - Anzahl dreikanaliger Überwachungseinheiten (9, 10), durch welche für den jeweiligen Betriebsmodus maximal zulässige Bewegungsgrenzwerte aus auf ihnen angeordneten Überwachungsparameterspeichern (29, 30, 31) oder wahlweise über eine serielle Schnittstelle von der Maschinensteuerung (12) übernehmbar sind,
- b) jeweils zwei Gebern (4, 5 bzw. 6, 7) für jeden zu überwachenden Bewegungsvorgang, die unabhängig voneinander über Leitungen (GA11, GA12 bzw. GA21, GA22) mit der ihnen zugeordneten Überwachungseinheit (9 bzw. 10) verbunden sind,
- c) einer dreikanaligen Abschalteinheit (8), die über eine Reglerfreigabeleitung (RFG) und einen zweikanaligen Not- Aus-Interface-Kreis (NA1, NA2, NA3 und NA4) mit dem Maschinenantrieb (3) und über die Leitungen (ZBUS) mit den Überwachungseinheiten (9 und 10) verbunden ist,
- d) einer Verbindung zur Maschinensteuerung (12), die sowohl aus einem bidirektionalen Bus (Status/Fehler) mit der Abschalteinheit (8) und den Überwachungseinheiten (9 und 10) als auch aus einer Leitung (Überwachungsparameter) mit den Überwachungseinheiten (9 und 10) besteht,
- e) einem Start-Taster (13) zum Start der Schaltungsanordnung, einem externen Ende-Taster (14) zu deren unbedingtem Abschalten, und zusätzlich einem externen Not-Aus-Taster (32), die alle mit der Abschalteinheit (8) verbunden sind,
- f) wobei der Betriebsartenwahlschalter (2) der Abschalteinheit (8) mittels Signalen (B1 bis B6) die jeweils eingestellte Betriebsart meldet und wobei
- g) ein Gefahrenzonenmelder der Abschalteinheit (8) über Signale (T1, T2, TZU) einen vorhandenen Gefahrenzustand meldet.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie als Stand-alone-Gerät ausgeführt
ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß sie in Form von Einzelkomponenten
ausgeführt ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß in der dreikanaligen
Abschalteinheit (8) eine serielle Schnittstelle zur
Abfrage eines Status-Fehlerregisters (19) für
Diagnosezwecke vorgesehen ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß alle wesentlichen
Überwachungsfunktionen durch ASIC′s realisiert sind.
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