EP1428237A1 - Siecherheitsschaltvorrichtung zum sicheren abschalten eines elektrischen verbrauchers - Google Patents

Siecherheitsschaltvorrichtung zum sicheren abschalten eines elektrischen verbrauchers

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Publication number
EP1428237A1
EP1428237A1 EP02772194A EP02772194A EP1428237A1 EP 1428237 A1 EP1428237 A1 EP 1428237A1 EP 02772194 A EP02772194 A EP 02772194A EP 02772194 A EP02772194 A EP 02772194A EP 1428237 A1 EP1428237 A1 EP 1428237A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
output switch
switching device
safety switching
switch
circuit
Prior art date
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Granted
Application number
EP02772194A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1428237B1 (de
Inventor
Gerhard Ehrlich
Richard Veil
Thomas Andreas Peter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pilz GmbH and Co KG
Original Assignee
Pilz GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Pilz GmbH and Co KG filed Critical Pilz GmbH and Co KG
Publication of EP1428237A1 publication Critical patent/EP1428237A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1428237B1 publication Critical patent/EP1428237B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits

Definitions

  • the present invention relates to a safety switching device for safely switching off an electrical consumer, in particular an electrical machine, with at least one output switch for interrupting an external power supply path, the output switch having at least two switch positions, and with a control unit which controls the switch position of the output switch, also with Means by means of which the control unit monitors an actual switching position of the output switch.
  • Such a safety switching device is known for example from WO 01/37302 AI.
  • Generic safety switching devices are used primarily in the industrial field to drive electrically Switch off machines, such as large press brakes, CNC-controlled production centers or robots, reliably, at least in some areas.
  • a common application is to switch off the machine when a protective door is opened, a light barrier is interrupted or an emergency stop button is pressed.
  • the signals of such signal transmitters are fed to the generic safety switching devices which, depending on this, switch off the corresponding machine or machine areas.
  • the actual shutdown process ie the interruption of a power supply to the machine, must be carried out in an extremely reliable manner, since otherwise the health or even the life of operators is endangered.
  • Generic safety switching devices are therefore only permitted to operate by the responsible supervisory authorities, such as the employers' liability insurance associations in Germany, if they meet certain minimum requirements for fail-safe operation.
  • a safety switching device must enable a reliable and fail-safe shutdown of the machine even if errors or faults occur within the safety switching device or the signal transmitters connected to it.
  • a generic safety switching device which has two relays on the output side as output switches.
  • the normally open contacts of the two relays are connected in series in a manner known per se in order to achieve redundancy and thus increased safety when switching off.
  • Each of the two relays has several make contacts so that, for example, all three phases of a three-phase connection can be switched off.
  • each of the two relays has an auxiliary contact, which is mechanically positively guided with the normally open contacts is. The mechanical positive guidance ensures that the switch position of the normally open contacts corresponds to the switch position of the auxiliary contact. The switching position of the normally open contacts can thus be monitored via the auxiliary contact.
  • a safety switching device of the type mentioned at the outset in which the means mentioned include a high-frequency (HF) generator for generating an HF test signal and a coupling circuit with which the HF test signal is transmitted to the output switch.
  • HF high-frequency
  • the switching position of the output switch is monitored with the aid of an HF test signal which is passed through the output switch in addition to the load current that is actually to be switched. Since the frequencies of the load currents to be switched are usually very low (in the range from 16 2/3 to 400 Hz), a high-frequency signal is very suitable, since it is technically simple Way can be separated from the load current again by filter measures known per se.
  • the frequency of the test signal is preferably in the range from 2 MHz to 100 MHz.
  • the test signal used here is an electrical signal, as a result of which the electrically effective switching position of the output switch can be monitored particularly well.
  • the safety switching device according to the invention has the advantage that the use of positively driven relays or contactors can be dispensed with, as a result of which the production costs can be reduced.
  • the safety switching device according to the invention can be implemented more compactly and with a smaller space requirement.
  • Another advantage is that the switching position of semiconductor components can also be monitored in a reliable manner with the measure according to the invention. This means that the underlying device concept can also be used in future generations of safety switching devices.
  • the coupling circuit contains at least one isolating element, which galvanically isolates the HF generator from the at least one output switch.
  • This measure enables the output circuit of the safety switching device to be implemented in a potential-free manner, which increases both the safety and the variety of applications of the device according to the invention.
  • the monitoring circuit which usually only works with low voltages and currents, is in this way ahead of the considerably larger load currents, with which the monitored machine is supplied.
  • the isolating element contains at least one coupling capacitor.
  • the coupling capacitor contains a circuit board capacitance.
  • the device according to the invention can be even smaller in this embodiment, i.e. with an even smaller space requirement.
  • the circuit board capacitance contains conductor surfaces which are arranged on different layers of an at least two-layer circuit board.
  • the coupling circuit contains at least two coupling capacitors.
  • the coupling circuit contains an electrical resonant circuit.
  • the output switch is embedded in the resonant circuit.
  • the resonant circuit interacts with at least one ohmic resistor, the voltage drop of which is a measure of the actual switching position of the output switch.
  • the current flowing into the resonant circuit is preferably conducted via the ohmic resistance mentioned.
  • This measure makes it possible to use a simple threshold switch to determine the switch position of the output switch.
  • the tapping of a voltage drop across the ohmic resistor is possible in a very simple and cost-effective manner by means known per se. Overall, the production costs of the device according to the invention can thus be reduced even further.
  • the output switch is connected to at least one connection terminal, a high-frequency (HF) filter being arranged between the output switch and the connection terminal.
  • HF high-frequency
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of an arrangement for use in a safety switching device according to the invention
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of coupling capacitors, which are also used in the basic circuit diagram according to FIG. 1, and
  • FIG. 3 shows a more detailed illustration of a safety switching device according to the invention.
  • Fig. 1 an arrangement for fail-safe monitoring of the switching position of an output switch is designated in its entirety with the reference number 10.
  • the arrangement 10 includes a control unit 12 which controls the switching position of an output switch 14 in a manner known per se.
  • the output switch 14 is shown in the present case as a relay contact.
  • the principle of the arrangement 10 can also be applied in the same way to semiconductor switches, such as MOS transistors.
  • the reference number 16 denotes an HF generator, which is connected via a galvanic isolating element 18 to the output Switch 14 is connected that an RF test signal (RF voltage and / or RF current), not shown here, is conducted via the output switch 14.
  • RF test signal RF voltage and / or RF current
  • the isolating element 18 contains two coupling capacitors 20, 22, by which a direct current bridging of the output switch 14 is prevented in any case.
  • the HF generator 16 contains a sensor element (not shown separately here) which detects a change in the HF test signal as a function of the switching position of the output switch 14. For example, depending on the switching position of the output switch 14, the resonance frequency of the HF generator 16, the HF current flowing via the coupling capacitors 20, 22 or the power converted in the HF generator changes. The detected change is communicated to the control unit 12 via a read-back line 24. As a result, the control unit 12 can always compare the actual switching position of the output switch 14 with the set target switching position and thus monitor the output switch 14. The control unit 12 can check the correct operation of all modules in a kind of self-test by switching the output switch 14 and checking whether the reaction on the line 24 corresponds to the expected value.
  • Reference number 26 schematically shows a consumer to clarify the principle of the arrangement 10, which in the specific application is, for example, a machine to be switched off.
  • the machine 26 is powered by the power supply 28 supplied with power, the output switch 14 being arranged in the power supply path 30.
  • the power supply 28 can also be an AC voltage source instead of the DC voltage source shown.
  • FIG. 2 A preferred implementation of the two coupling capacitors 20, 22 is shown in FIG. 2, the same reference symbols denoting the same elements as in FIG. 1.
  • the circuit components of the arrangement 10 are arranged on a printed circuit board 40 in a manner known per se.
  • the circuit components such as the HF generator 16 and the control unit 12 (shown here as IC), are connected to one another via conductor tracks 42.
  • the two coupling capacitors 20, 22 are formed by conductor surfaces 44, 46 which are arranged on different layers of the circuit board 40, which in this case is two layers.
  • the plastic material of the circuit board 40 is thus located between the metallic conductor surfaces 44, 46, as a result of which a capacitance is formed in a manner known per se.
  • it can be excluded that one or both coupling capacitors 20, 22 suffer an electrical short circuit. This exclusion of errors results from existing, relevant standards.
  • an exemplary embodiment of a safety switching device according to the invention is designated in its entirety by the reference number 50. It is a so-called safety switching device, which is usually delivered as a compact and fully functional unit.
  • fertilizer is not limited to safety switching devices and can also be used for complex, programmable safety controls.
  • the safety switching device 50 is installed as a compact structural unit in a device housing 52 in a manner known per se. On an outside of the housing 52 there are terminals in a manner known per se, three of which are designated here by way of example with the reference numbers 54, 56, 58.
  • the terminal 54 is connected to a phase of the power supply 28.
  • the terminal 56 is connected to the machine 26 to be switched off.
  • the power supply path 30, in which the output switch 14 is arranged in series, is thus located between the connection terminals 54 and 56.
  • the representation of the safety switching device 50 is simplified here for reasons of clarity. In practice, there are usually two output switches 14 in series with one another in the power supply path 30 in order to obtain redundancy when the machine 26 is switched off.
  • the safety switching device 50 according to the invention generally has further output brackets, which are arranged parallel to the output switch 14, and corresponding connecting terminals 54, 56, via which further phases of the power supply 28 can be guided. Such designs are known per se and are therefore not shown in more detail here.
  • An emergency stop switch 60 is connected to the connecting terminal 58 in a manner known per se. This is also shown here in simplified form in FIG. 3, since emergency stop switches are written safety switching devices are usually evaluated in multiple channels.
  • the safety switching device 50 is constructed as follows:
  • the control unit 12 includes a switch 62 which switches the current flow on or off via a relay 64 in a manner known per se.
  • the output switch 14 is one of the normally open contacts of the relay 64, so that the control unit 12 can control the switching position of the output switch 14 via the switch 62.
  • a relay 64 semiconductor components can also be used as output switches in alternative exemplary embodiments.
  • the output switch 14 is connected to an RF generator 16 in a manner already described with reference to FIG. 1.
  • the isolating element here contains a transformer 66, the inductance of which forms an oscillating circuit 68 together with the coupling capacitors 20, 22.
  • the HF generator which in the present exemplary embodiment is a commercially available HF oscillator of, for example, 8 MHz, generates the HF test signal, which is denoted here schematically by reference number 70.
  • the HF generator 16 is supplied with an operating voltage via a resistor 72.
  • a capacitor 74 is arranged in parallel to the HF generator 16.
  • a threshold switch 76 is arranged in parallel with the resistor 72, which switches along with the voltage drop across the resistor 72 compares to a reference value.
  • the output signal of the threshold switch 76 is fed to the control unit 12 via the read-back line 24.
  • Reference numeral 78 denotes a further capacitor which, together with a coil 80, forms an LC filter 82.
  • the LC filter 82 is arranged between the output switch 14 and the connection terminal 54.
  • An identically constructed second LC filter 84 is further arranged between the output switch 14 and the connecting terminal 56.
  • the two LC filters 82, 84 form a bracket which optionally also surrounds further redundant switching contacts arranged in series with the output switch 14.
  • the function of the safety switching device 50 is now as follows:
  • the output switch 14 When the safety switching device 50 is in operation, the output switch 14 is closed, so that the machine 26 is connected to the power supply 28. The machine 26 is therefore in operation.
  • the open output switch 14 represents a capacitance in the order of magnitude of approximately 1 pF.
  • this capacitance essentially determines the resonance frequency of the resonant circuit 68, since the capacitances of the coupling capacitors 20, 22 are approximately 100 pF.
  • the resonance frequency of the oscillating circuit 68 corresponds to the target frequency of the HF generator 16.
  • the control unit 12 can compare the actual switching position of the output switch 14 with the intended target position. As a result, the switching position of the output switch 14 can be monitored.
  • the circuit of the safety switching device 50 shown in FIG. 3 has proven to be particularly effective in practical tests. However, it goes without saying that the basic principle of the invention can also be implemented in other circuit variants.

Landscapes

  • Testing Electric Properties And Detecting Electric Faults (AREA)
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  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)

Description

Sicherheitsschaltvorrichtunq zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltvorrichtung zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektrischen Maschine, mit zumindest einem Ausgangsschalter zum Unterbrechen eines externen Stromversorgungspfades, wobei der Ausgangsschalter zumindest zwei Schaltstellungen aufweist, und mit einer Steuereinheit, die die Schaltstellung des Ausgangsschalters steuert, ferner mit Mitteln, anhand derer die Steuereinheit eine tatsächliche Schaltstellung des Ausgangsschalters überwacht.
Eine derartige Sicherheitsschaltvorrichtung ist beispielsweise aus der WO 01/37302 AI bekannt.
Gattungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtungen werden vor allem im industriellen Bereich verwendet, um elektrisch angetriebene Maschinen, wie beispielsweise große Abkantpressen, CNC-gesteu- erte Fertigungszentren oder Roboter, auf zuverlässige Weise zumindest bereichsweise abzuschalten. Ein häufiger Anwendungsfall ist die Abschaltung der Maschine, wenn eine Schutztür geöffnet wird, eine Lichtschranke unterbrochen wird oder ein Notaus- Taster betätigt wird. Die Signale derartiger Signalgeber sind den gattungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtungen zugeführt, die in Abhängigkeit davon die entsprechende Maschine oder Maschinenbereiche abschalten. Der eigentliche Abschaltvorgang, d.h. das Unterbrechen einer Stromversorgung der Maschine, muß dabei auf eine äußerst zuverlässige Weise erfolgen, da anderenfalls die Gesundheit oder sogar das Leben von Bedienpersonen gefährdet sind. Gattungsgemäße Sicherheitsschaltgeräte werden daher von den zuständigen Aufsichtsbehörden, wie beispielsweise in Deutschland den Berufsgenossenschaften, nur zum Betrieb zugelassen, wenn sie bestimmte Mindestanforderungen an die Eigenfehlersicherheit erfüllen. Generell muß eine Sicherheitsschaltvorrichtung dabei selbst dann ein zuverlässiges und fehlersicheres Abschalten der Maschine ermöglichen, wenn innerhalb der Sicherheitsschaltvorrichtung oder den mit ihr verbundenen Signalgebern Fehler oder Störungen auftreten.
Als Sicherheitsschaltvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung werden daher im folgenden nur solche Geräte und Anlagen betrachtet, die zumindest die Kategorie 3 der europäischen Norm EN 954-1 oder einen vergleichbaren Sicherheitsstandard erfüllen.
Bei gattungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtungen muß die Schaltstellung des Ausgangsschalters, über den die Stromversorgung der überwachten Maschine unterbrochen werden kann, stets zuverlässig, d.h. fehlersicher, kontrolliert werden. Grund hierfür ist, daß andernfalls ein Fehler oder eine Funktionsstörung des Ausgangsschalters dazu führen kann, daß sich die überwachte Maschine in einem gefährlichen, nicht-sicheren Zustand befindet. Bis in die heutige Zeit hinein werden bei gattungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtungen für die Ausgangsschalter häufig elektromechanische Schaltelemente, d.h. Relais oder Schütze, verwendet. Bei derartigen Schaltelementen besteht bekanntermaßen die Gefahr, daß die Schaltkontakte aufgrund von Funkenbildung beim Öffnen des Schalters verschweißen. In diesem Fall läßt sich der Ausgangsschalter nicht mehr öffnen, was verheerende Folgen haben kann.
Erst seit neuester Zeit werden bei gattungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtungen auch Halbleiterbauelemente als Ausgangsschalter verwendet. Bei diesen können zwar keine mechanischen Kontakte verschweißen, es besteht jedoch grundsätzlich die Möglichkeit, daß die Sσhaltstrecke des Bauelements durchlegiert und damit ebenfalls einen nicht mehr zu öffnenden Kurzschluß bildet.
In der eingangs genannten WO 01/37302 AI ist eine gattungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtung beschrieben, die ausgangs- seitig zwei Relais als Ausgangsschalter aufweist. Die Arbeitskontakte der beiden Relais sind in an sich bekannter Weise in Reihe geschaltet, um eine Redundanz und damit eine erhöhte Sicherheit beim Abschalten zu erreichen. Jedes der beiden Relais besitzt mehrere Arbeitskontakte, so daß beispielsweise alle drei Phasen eines Drehstrom-Anschlusses abgeschaltet werden können. Zusätzlich besitzt jedes der beiden Relais einen Hilfskontakt, der mit den Arbeitskontakten mechanisch zwangsgeführt ist. Durch die mechanische Zwangsführung ist gewährleistet, daß die Schaltstellung der Arbeitskontakte mit der Schaltstellung des Hilfskontaktes korrespondiert. Über den Hilfskontakt kann somit die Schaltstellung der Arbeitskontakte überwacht werden.
Die beschriebene Anordnung wird in der Praxis vielfach verwendet und hat sich weitreichend bewährt. Nachteil ist jedoch, daß Relais mit zwangsgeführten Kontakten deutlich teurer sind als einfache Relais . Außerdem sind zwangsgeführte Relais größer und besitzen geringere Haltekräfte als einfache Relais.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative anzugeben, mit der bei einer gattungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung auf die Verwendung zwangsgeführter Relais verzichtet werden kann, ohne jedoch Einbußen hinsichtlich der Fehlersicherheit und Zuverlässigkeit hinzunehmen .
Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitsschaltvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die genannten Mittel einen Hochfrequenz-(HF- )Generator zum Erzeugen eines HF-Prüf- signals sowie einen Koppelkreis beinhalten, mit dem das HF- Prüfsignal auf den Ausgangsschalter übertragen wird.
Bei der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung wird die Schaltstellung des Ausgangsschalters mit Hilfe eines HF-Prüfsignals überwacht, das in Ergänzung zu dem eigentlich zu schaltenden Lastström über den Ausgangsschalter geführt wird. Da die Frequenzen der zu schaltenden Lastströme üblicherweise sehr niedrig sind (im Bereich von 16 2/3 bis 400 Hz), eignet sich ein Hochfrequenzsignal sehr gut, da es technisch auf einfache Weise durch an sich bekannte Filtermaßnahmen von dem Laststrom wieder getrennt werden kann. Bevorzugt liegt die Frequenz des Prüfsignals im Bereich von 2 MHz bis 100 MHz. Andererseits handelt es sich bei dem hier verwendeten Prüfsignal um ein elektrisches Signal, wodurch die elektrisch wirksame Schaltstellung des Ausgangsschalters besonders gut überwacht werden kann.
Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtung besitzt den Vorteil, daß auf die Verwendung zwangsgeführter Relais oder Schütze verzichtet werden kann, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden können. Außerdem kann die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtung kompakter und mit einem geringeren Platzbedarf realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, daß mit der erfindungsgemäßen Maßnahme auch die Schaltstellung von Halbleiterbauelementen auf zuverlässige Weise überwacht werden kann. Damit läßt sich das zugrunde liegende Gerätekonzept auch bei zukünftigen Generationen von Sicherheitsschaltvorrichtungen einsetzen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet der Koppelkreis zumindest ein Trennelement, das den HF-Generator galvanisch von dem zumindest einen Ausgangsschalter trennt.
Durch diese Maßnahme läßt sich der Ausgangskreis der Sicherheitsschaltvorrichtung potentialfrei realisieren, wodurch sowohl die Sicherheit als auch die Anwendungsvielfalt der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht ist. Außerdem ist der Überwachungskreis, der üblicherweise nur mit geringen Spannungen und Strömen arbeitet, auf diese Weise vor den in der Regel er- heblich größeren Lastströmen geschützt, mit denen die überwachte Maschine versorgt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Trennelement zumindest einen Koppelkondensator.
Durch diese Maßnahme wird ein gleichstrommäßiger Kurzschluß des Ausgangsschalters vermieden, wodurch die Sicherheit der Vorrichtung insgesamt weiter erhöht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Koppelkondensator eine Leiterplattenkapazität.
Durch diese Maßnahme läßt sich die Anzahl der benötigten diskreten Bauelemente reduzieren, wodurch eine kostengünstige Produktion möglich ist. Außerdem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in dieser Ausgestaltung noch kleiner, d.h. mit einem noch geringeren Platzbedarf, realisiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme beinhaltet die Leiterplattenkapazität Leiterflächen, die auf verschiedenen Lagen einer zumindest zweilagigen Leiterplatte angeordnet sind.
Diese Maßnahme besitzt vor allem im Hinblick auf den vorgesehenen Einsatzbereich der Sicherheitsschaltvorrichtung erhebliche Vorteile, da bei der beschriebenen Anordnung eine Funktionsstörung infolge eines fehlerhaften Koppelkondensators zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Die einschlägigen Normen erlauben nämlich bei der Fehlerbetrachtung den Ausschluß von Fehlern, die auf einem Kurzschluß zwischen verschiedenen Lagen einer üblichen Leiterplatte basieren. Die Sicherheitsschaltvorrichtung kann aufgrund dieser Maßnahme insgesamt einfacher und damit kostengünstiger realisiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Koppelkreis zumindest zwei Koppelkondensatoren.
Durch diese Maßnahme wird die Eigenfehlersicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter erhöht. Insbesondere ist eine gleichstrommäßige Überbrückung des Ausgangsschalters auf diese Weise noch zuverlässiger ausgeschlossen. Außerdem ergibt sich eine Symmetrie, die eine besonders einfache und gleichzeitig genaue Überwachung der Schaltstellung des Ausgangsschalters ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet der Koppelkreis einen elektrischen Schwingkreis.
Aufgrund der an sich bekannten Sensibilität eines Schwingkreises gegenüber Veränderungen der Einflußparameter kann mit dieser Maßnahme auf einfache Weise eine besonders exakte Überwachung des Ausgangsschalters realisiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme ist der Ausgangsschalter in den Schwingkreis eingebettet.
Diese Maßnahme ist eine besonders einfache Möglichkeit, um die Schaltstellung des Ausgangsschalters exakt zu überwachen. Außerdem spart diese Anordnung Bauteile, so daß die Produktionskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung nochmals reduziert werden können . In einer weiteren Ausgestaltung wirkt der Schwingkreis mit zumindest einem ohmschen Widerstand zusammen, dessen Spannungsabfall ein Maß für die tatsächliche Schaltstellung des Ausgangsschalters ist.
Bevorzugt wird der in den Schwingkreis hinein fließende Strom über den genannten ohmschen Widerstand geführt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen einfachen Schwellwertschalter zu verwenden, um die Schaltstellung des Ausgangsschalters zu bestimmen. Der Abgriff eines Spannungsabfalls über dem ohmschen Widerstand ist dabei mit an sich bekannten Mitteln sehr einfach und kostengünstig möglich. Insgesamt lassen sich damit die Produktionskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch weiter reduzieren.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Ausgangsschalter mit zumindest einer Anschlußklemme verbunden, wobei zwischen dem Ausgangsschalter und der Anschlußklemme ein Hochfrequenz- (HF- ) Filter angeordnet ist.
Durch diese Maßnahme wird einerseits verhindert, daß das HF- Prüfsignal aus dem Inneren der Sicherheitsschaltvorrichtung nach außen dringen kann, so daß eine Beeinflussung der abzuschaltenden Maschine vermieden ist. Umgekehrt ist das HF-Prüf- signal auf diese Weise von äußeren Einflüssen entkoppelt, wodurch die Zuverlässigkeit und Meßgenauigkeit beim Überwachen der Schaltstellung des Ausgangsschalters erhöht ist.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführung von Koppelkondensatoren, die auch in dem Prinzipschaltbild gemäß Fig. 1 Verwendung finden, und
Fig. 3 eine detailliertere Darstellung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zur fehlersicheren Überwachung der Schaltstellung eines Ausgangsschalters in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Die Anordnung 10 beinhaltet eine Steuereinheit 12, die in an sich bekannter Weise die Schaltstellung eines Ausgangsschalters 14 steuert. Der Ausgangsschalter 14 ist im vorliegenden Fall als Relaiskontakt dargestellt. Das Prinzip der Anordnung 10 kann jedoch in gleicher Weise auch auf Halbleiterschalter, wie beispielsweise MOS-Transistoren, angewendet werden.
Mit der Bezugsziffer 16 ist ein HF-Generator bezeichnet, der über ein galvanisches Trennelement 18 derart mit dem Ausgangs- Schalter 14 verbunden ist, daß ein hier nicht dargestelltes HF- Prüfsignal (HF-Spannung und/oder HF-Strom) über den Ausgangsschalter 14 geführt ist.
Das Trennelement 18 beinhaltet gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zwei Koppelkondensatoren 20, 22, durch die eine gleichstrommäßige Überbrückung des Ausgangsschalters 14 in jedem Fall verhindert ist.
Der HF-Generator 16 beinhaltet ein hier nicht gesondert dargestelltes Sensorelement, das eine Veränderung des HF-Prüfsignals in Abhängigkeit der Schaltstellung des Ausgangsschalters 14 de- tektiert. Beispielsweise verändert sich in Abhängigkeit der Schaltstellung des Ausgangsschalters 14 die Resonanzfrequenz des HF-Generators 16, der über die Koppelkondensatoren 20, 22 fließende HF-Strom oder die im HF-Generator umgesetzte Leistung. Die detektierte Veränderung wird über eine Rückleseleitung 24 der Steuereinheit 12 mitgeteilt. Infolge dessen kann die Steuereinheit 12 die tatsächliche Schaltstellung des Ausgangsschalters 14 stets mit der eingestellten Soll-Schaltstellung vergleichen und den Ausgangsschalter 14 somit überwachen. Die Steuereinheit 12 kann den ordnungsgemäßen Betrieb aller Baugruppen dabei in einem Art Selbsttest prüfen, indem der Ausgangsschalter 14 umgeschaltet wird und überprüft wird, ob die Reaktion auf der Leitung 24 mit dem Erwartungswert übereinstimmt .
Mit der Bezugsziffer 26 ist zur Verdeutlichung des Prinzips der Anordnung 10 ein Verbraucher sσhematisch dargestellt, der im konkreten Anwendungsfall beispielsweise eine abzuschaltende Maschine ist. Die Maschine 26 wird über die Stromversorgung 28 mit Strom versorgt, wobei der Ausgangsschalter 14 im Stromversorgungspfad 30 angeordnet ist. Dabei kann die Stromversorgung 28 anstelle der gezeigten Gleichspannungsquelle auch eine Wechselspannungsquelle sein.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Realisierung der beiden Koppelkondensatoren 20, 22 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente bezeichnen wie in Fig. 1.
Die Schaltungsbestandteile der Anordnung 10 sind in an sich bekannter Weise auf einer Leiterplatte 40 angeordnet. Dabei sind die Schaltungsbestandteile, wie beispielsweise der HF-Generator 16 und die Steuereinheit 12 (hier als IC dargestellt), über Leiterbahnen 42 miteinander verbunden. Die beiden Koppelkondensatoren 20, 22 werden durch Leiterflächen 44, 46 gebildet, die auf verschiedenen Lagen der in diesem Fall zweilagigen Leiterplatte 40 angeordnet sind. Zwischen den metallischen Leiterflächen 44, 46 befindet sich somit das Kunststoffmaterial der Leiterplatte 40, wodurch in an sich bekannter Weise eine Kapazität gebildet wird. Aufgrund der beschriebenen Anordnung kann bei der Analyse von Fehlerquellen innerhalb der Anordnung 10 ausgeschlossen werden, daß einer oder beide Koppelkondensatoren 20, 22 einen elektrischen Kurzschluß erleiden. Dieser Fehlerausschluß ergibt sich aufgrund bestehender, einschlägiger Normen.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Sicherheitsschaltgerät, das üblicherweise als kompakte und voll funktionsfertige Einheit ausgeliefert wird. Die Erfin- düng ist jedoch nicht allein auf Sicherheitsschaltgeräte beschränkt und kann ebenso bei komplexen, programmierbaren Sicherheitssteuerungen verwendet werden.
Das Sicherheitsschaltgerät 50 ist als kompakte Baueinheit in an sich bekannter Weise in ein Gerätegehäuse 52 eingebaut. An einer Außenseite des Gehäuses 52 befinden sich in an sich bekannter Weise Anschlußklemmen, von denen hier beispielhaft drei mit den Bezugsziffern 54, 56, 58 bezeichnet sind. Die Anschlußklemme 54 ist mit einer Phase der Stromversorgung 28 verbunden. Die Anschlußklemme 56 ist mit der abzuschaltenden Maschine 26 verbunden. Zwischen den Anschlußklemmen 54 und 56 befindet sich somit der Stromversorgungspfad 30, in dem seriell der Ausgangsschalter 14 angeordnet ist.
Die Darstellung des Sicherheitsschaltgerätes 50 ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit vereinfacht. In der Praxis befinden sich üblicherweise zwei Ausgangsschalter 14 seriell zueinander im Stromversorgungspfad 30, um eine Redundanz beim Ab-r schalten der Maschine 26 zu erhalten. Darüber hinaus besitzt das erfindungsgemäße Sicherheitsschaltgerät 50 in der Regel weitere, parallel zu dem Ausgangsschalter 14 angeordnete Aus- gangssσhalter sowie entsprechende Anschlußklemmen 54, 56, über die weitere Phasen der Stromversorgung 28 geführt werden können. Derartige Ausführungen sind an sich bekannt und daher hier nicht ausführlicher dargestellt.
An die Anschlußklemme 58 ist in an sich bekannter Weise ein Notaus-Schalter 60 angeschlossen. Auch dies ist hier in Fig. 3 vereinfacht dargestellt, da Notaus-Schalter von den hier be- schriebenen Sicherheitsschaltgeräten in der Regel mehrkanalig ausgewertet werden.
Im Inneren ist das Sicherheitsschaltgerät 50 wie folgt aufgebaut:
Die Steuereinheit 12 beinhaltet einen Schalter 62, der in an sich bekannter Weise den Stromfluß über ein Relais 64 ein- oder ausschaltet. Der Ausgangsschalter 14 ist einer der Arbeitskontakte des Relais 64, so daß die Steuereinheit 12 über den Schalter 62 die Schaltstellung des Ausgangsschalters 14 steuern kann. Anstelle eines Relais 64 können bei alternativen Ausführungsbeispielen jedoch auch Halbleiterbauelemente als Ausgangsschalter verwendet sein.
Der Ausgangsschalter 14 ist in einer bereits anhand Fig. 1 beschriebenen Weise mit einem HF-Generator 16 verbunden. Zusätzlich zu den beiden Koppelkondensatoren 20, 22 beinhaltet das Trennelement hier einen Transformator 66, dessen Induktivität zusammen mit den Koppelkondensatoren 20, 22 einen Schwingkreis 68 bildet. Der HF-Generator, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein kommerziell erhältlicher HF-Oszillator von beispielsweise 8 MHz ist, erzeugt das HF-Prüfsignal, das hier schematisch mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet ist. Dabei wird der HF-Generator 16 über einen Widerstand 72 mit einer Betriebsspannung versorgt. Zur Stabilisierung und Glättung der Betriebsspannung ist ein Kondensator 74 parallel zum HF- Generator 16 angeordnet.
Parallel zu dem Widerstand 72 ist ein Schwellwertschalter 76 angeordnet, der die am Widerstand 72 abfallende Spannung mit einem Referenzwert vergleicht. Das Ausgangssignal des Schwellwertschalters 76 ist über die Rückleseleitung 24 der Steuereinheit 12 zugeführt.
Mit der Bezugsziffer 78 ist ein weiterer Kondensator bezeichnet, der zusammen mit einer Spule 80 ein LC-Filter 82 bildet. Das LC-Filter 82 ist zwischen dem Ausgangsschalter 14 und der Anschlußklemme 54 angeordnet. Ein identisch aufgebautes zweites LC-Filter 84 ist ferner zwischen dem Ausgangsschalter 14 und der Anschlußklemme 56 angeordnet. Die beiden LC-Filter 82, 84 bilden eine Klammer, die gegebenenfalls auch weitere, seriell zum Ausgangsschalter 14 angeordnete redundante Schaltkontakte umschließt.
Die Funktion des Sicherheitsschaltgerätes 50 ist nun wie folgt:
Im Betrieb des Sicherheitsschaltgerätes 50 ist der Ausgangsschalter 14 geschlossen, so daß die Maschine 26 mit der Stromversorgung 28 verbunden ist. Die Maschine 26 befindet sich daher in Betrieb.
Der geöffnete Ausgangsschalter 14 stellt eine Kapazität in der Größenordnung von etwa 1 pF dar. Diese Kapazität bestimmt bei geöffnetem Ausgangsschalter 14 im wesentlichen die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 68, da die Kapazitäten der Koppelkondensatoren 20, 22 bei ca. 100 pF liegt. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 68 entspricht in dieser Schaltstellung der Sollfrequenz des HF-Generators 16.
Wird der Ausgangsschalter 14 geschlossen, ändert sich seine wirksame Kapazität, wodurch der Schwingkreis 68 verstimmt wird. Über den Transformator 66 wirkt dies auf den HF-Generator 16 zurück, was weiterhin zur Folge hat, daß sich der Spannungsabfall am Widerstand 72 ändert. Der geänderte Spannungsabfall wird mit Hilfe des Schwellwertschalters 76 detektiert und der Steuereinheit 12 mitgeteilt. Dadurch kann die Steuereinheit 12 die tatsächliche Schaltstellung des Ausgangsschalters 14 mit der beabsichtigten Sollstellung vergleichen. Infolge dessen ist eine Überwachung der Schaltstellung des Ausgangsschalters 14 möglich .
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung des Sicherheitsschaltgerätes 50 hat sich bei praktischen Versuchen als besonders effektiv erwiesen. Es versteht sich jedoch, daß das Grundprinzip der Erfindung auch in anderen Schaltungsvarianten realisiert werden kann .

Claims

Patentansprüche
Sicherheitsschaltvorrichtung zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers (26), insbesondere einer elektrischen Maschine, mit zumindest einem Ausgangsschalter (14) zum Unterbrechen eines externen Stromversorgungspfades (30), wobei der Ausgangsschalter (14) zumindest zwei Schaltstellungen aufweist, und mit einer Steuereinheit (12), die die Schaltstellung des Ausgangsschalters (14) steuert, ferner mit Mitteln (10; 16, 24, 68, 72, 76), anhand derer die Steuereinheit (12) eine tatsächliche Schaltstellung des Ausgangsschalters (14) überwacht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel einen HF- Generator (16) zum Erzeugen eines HF-PrüfSignals (70) sowie einen Koppelkreis (18; 68) beinhalten, mit dem das Prüfsignal (70) auf den Ausgangsschalter (14) übertragen wird.
Sicherheitsschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis zumindest ein Trennelement (18; 68) beinhaltet, das den HF-Generator (16) galvanisch von dem zumindest einen Ausgangsschalter (14) trennt.
Sicherheitsschaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis (18; 68) zumindest einen Koppelkondensator (20, 22) beinhaltet.
4. Sicherheitsschaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkondensator (20, 22) eine Leiterplattenkapazität beinhaltet.
5. Sicherheitsschaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplattenkapazität Leiterflächen (44, 46) beinhaltet, die auf verschiedenen Lagen einer zumindest zweilagigen Leiterplatte (40) angeordnet sind.
6. Sicherheitsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis (18; 68) zumindest zwei Koppelkondensatoren (20, 22) beinhaltet.
7. Sicherheitsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis einen elektrischen Schwingkreis (68) beinhaltet.
8. Sicherheitsschaltvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschalter (14) in den Schwingkreis (68) eingebettet ist.
9. Sicherheitsschaltvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (68) mit zumindest einem ohmschen Widerstand (72) zusammenwirkt, dessen Spannungsabfall ein Maß für die tatsächliche Schaltstellung des Ausgangsschalters (14) ist.
10. Sicherheitsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschalter (14) mit zumindest einer Anschlußklemme (54, 56) verbunden ist, wobei zwischen dem Ausgangsschalter (14) und der Anschlußklemme (54, 56) ein HF-Filter (82, 84) angeordnet ist.
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