EP1428237B1 - Sicherheitsschaltvorrichtung zum sicheren abschalten eines elektrischen verbrauchers - Google Patents

Sicherheitsschaltvorrichtung zum sicheren abschalten eines elektrischen verbrauchers Download PDF

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EP1428237B1
EP1428237B1 EP02772194A EP02772194A EP1428237B1 EP 1428237 B1 EP1428237 B1 EP 1428237B1 EP 02772194 A EP02772194 A EP 02772194A EP 02772194 A EP02772194 A EP 02772194A EP 1428237 B1 EP1428237 B1 EP 1428237B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
output switch
safety switching
safety
switching apparatus
coupling
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02772194A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1428237A1 (de
Inventor
Gerhard Ehrlich
Richard Veil
Thomas Andreas Peter
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Pilz GmbH and Co KG
Original Assignee
Pilz GmbH and Co KG
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Publication of EP1428237B1 publication Critical patent/EP1428237B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • 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 electric machine, with at least an output switch for interrupting an external power supply path, wherein the output switch at least two Has switch positions, and with a control unit, the Switching position of the output switch controls, further with means, Based on which the control unit an actual switching position the output switch monitored, the said Means an RF generator for generating an RF test signal and include a resonant circuit as a coupling circuit.
  • Such a safety switching device is EP 0 681 310 A1 known.
  • Generic safety switching devices are mainly used in the industrial sector to electrically driven Machines, such as large press brakes, CNC-controlled Machining centers or robots, in a reliable way at least to switch off in certain areas.
  • a common use case is the shutdown of the machine when a safety door is opened a light barrier is interrupted or an emergency stop button is pressed.
  • the signals of such signal generator are fed to the generic safety switching devices, depending on the corresponding machine or machine areas switch off.
  • the actual shutdown process i.e. the interruption of a power supply to the machine must doing so in a very reliable manner, otherwise the health or even the lives of operators are at risk.
  • Generic safety switching devices are therefore by the competent supervisory authorities, such as in Germany the professional associations, only admitted to the enterprise, if they have certain minimum requirements for intrinsic error security fulfill. Generally, a safety switching device must even then a reliable and fail-safe Shut down the machine if possible within the safety switching device or the associated with it Signalers errors or malfunctions occur.
  • WO 01/37302 A1 is a safety switching device described, the output side two relays as output switch having.
  • the normally open contacts of the two relays are connected in series in a conventional manner to a redundancy and thus to achieve increased security when switching off.
  • Each of the two relays has several working contacts, so that, for example, all three phases of a three-phase connection can be turned off. Additionally owns
  • Each of the two relays has an auxiliary contact, which is connected to the normally open contacts mechanically forced. By the mechanisehe Forced operation ensures that the switching position the normally open contacts with the switching position of the auxiliary contact corresponds. About the auxiliary contact thus the switching position the working contacts are monitored.
  • EP 0 681 310 A1 shows a generic Safety switching device, in which the switching position of Output switch is monitored by a coupling circuit so um the output switch is arranged around that the output switch either shorts the RF test signal, i. practically completely suppressed or left unaffected. As can be seen on the basis of the embodiments shown, required such an arrangement relatively many components.
  • the Switching position of the output switch with the aid of an RF test signal monitored, in addition to the actually switching Load current is passed through the output switch.
  • the Frequencies of the load currents to be switched usually very are low (in the range of 16 2/3 to 400 Hz), is suitable a high frequency signal very good, as it is technically simple Way by known per se filtering measures of the load current can be separated again.
  • the frequency of the Test signal in the range of 2 MHz to 100 MHz. on the other hand if the test signal used here is a electrical signal, causing the electrically effective switching position the output switch are particularly well monitored can.
  • the safety switching device according to the invention has the Advantage that the use of positively driven relay or Sagittarius can be dispensed with, reducing production costs can be lowered. In addition, the safety switching device according to the invention more compact and with a smaller one Space requirement can be realized.
  • Another advantage is that with the inventive measure also the switching position of semiconductor devices reliable way can be monitored. This can be the underlying device concept also for future generations use of safety switching devices.
  • the coupling circuit includes at least one separating element that galvanically isolates the RF generator from the at least one output switch separates.
  • the output circuit of the safety switching device can be realize potential-free, whereby both the safety as well as the variety of applications of the invention Device is increased.
  • the monitoring circuit usually only with low voltages and streaming works that way in front of the usually considerable protected by larger load currents, with which the monitored Machine is supplied.
  • the separating element includes at least one coupling capacitor.
  • the coupling capacitor includes a PCB capacity.
  • the inventive Device in this embodiment even smaller, i. With an even smaller footprint, be realized.
  • the aforementioned measure includes the printed circuit board capacitance conductor areas, the on different layers of an at least two-layer circuit board are arranged.
  • the coupling circuit includes at least two coupling capacitors.
  • the resonant circuit acts with at least an ohmic resistance, whose voltage drop a measure of the actual switching position of the output switch is.
  • the current flowing into the resonant circuit is preferred led over the mentioned ohmic resistance.
  • This Measure it is possible to use a simple threshold switch too use to determine the switching position of the output switch.
  • the tap of a voltage drop across the ohmic Resistance is very simple with known means and cost-effective possible. Overall, this allows the production costs the device according to the invention even further to reduce.
  • the output switch with connected at least one terminal, wherein between the Output switch and the terminal a high-frequency (HF) Filter is arranged.
  • HF high-frequency
  • Fig. 1 is an arrangement for fail-safe monitoring of Switching position of an output switch in its entirety with the reference numeral 10 denotes.
  • the assembly 10 includes a control unit 12 which is in known manner, the switching position of an output switch 14 controls.
  • the output switch 14 is in the present case shown as a relay contact.
  • the principle of the arrangement 10 can equally well on semiconductor switches, such as For example, MOS transistors are used.
  • Reference numeral 16 denotes an HF generator which via a galvanic separating element 18 in such a way with the output switch 14 is connected that an RF test signal, not shown here (RF voltage and / or RF current) via the output switch 14 is guided.
  • the separator 18 includes according to a preferred embodiment the invention two coupling capacitors 20, 22, through the a direct current bridging the output switch 14 in prevented in any case.
  • the RF generator 16 includes a not separately shown here Sensor element, which is a change of the RF test signal detected depending on the switching position of the output switch 14. For example, depending on the Switching position of the output switch 14, the resonant frequency of the HF generator 16, via the coupling capacitors 20, 22nd flowing HF current or the power converted in the HF generator. The detected change is via a readback line 24 of the control unit 12 communicated. As a result, can the control unit 12 the actual switching position of the output switch 14 always with the set nominal switching position compare and thus monitor the output switch 14. The control unit 12 can ensure the proper operation of all Check assemblies in a kind of self-test by the Output switch 14 is switched and checks whether the response on line 24 matches the expected value.
  • Sensor element is a change of the RF test signal detected depending on the switching position of the output switch 14. For example, depending on the Switching position of the output switch 14, the resonant frequency of the HF generator 16, via the coupling capacitors 20, 22nd flowing HF current or the power converted in the HF generator
  • the reference numeral 26 is to illustrate the principle of Arrangement 10 a consumer shown schematically in the concrete application, for example, a machine to be shut down is.
  • the machine 26 is powered by the power 28 powered, the output switch 14 in the power supply path 30 is arranged.
  • This can be the power supply 28 instead of the DC voltage source also shown a Be AC voltage source.
  • Fig. 2 is a preferred realization of the two coupling capacitors 20, 22, wherein like reference numerals denote the same elements as in Fig. 1.
  • the circuit components of the arrangement 10 are known per se Way arranged on a circuit board 40.
  • the circuit components such as the RF generator 16 and the control unit 12 (shown here as IC) via Tracks 42 interconnected.
  • the two coupling capacitors 20, 22 are formed by conductor surfaces 44, 46, on different layers of the two-ply in this case Printed circuit board 40 are arranged. Between the metallic conductor surfaces 44, 46 is thus the plastic material the circuit board 40, which in a conventional manner a Capacity is formed. Due to the described arrangement may help in the analysis of sources of error within the arrangement 10 are excluded that one or both coupling capacitors 20, 22 undergo an electrical short circuit. This error exclusion is due to existing, more relevant Standards.
  • Safety switching device usually as a compact and fully functional unit is delivered.
  • the invention is not limited to safety relays and also can with complex, programmable safety controllers be used.
  • the safety relay is a compact unit in known manner installed in a device housing. At an outside of the housing are in known per se Way terminals. A terminal is connected to a phase of the power supply 28. A second terminal is connected to the machine 26 to be shut down connected. Between the terminals is located thus the power supply path 30, in which the output switch in series 14 is arranged.
  • the representation of the safety relay is out here For reasons of clarity simplified. In practice usually two output switch 14 serially to each other in the power supply path 30 to provide redundancy at shutdown to get the machine 26. In addition, owns the safety switching device according to the invention in the rule further, parallel to the output switch 14 arranged output switch and corresponding terminals, via the other phases of the power supply 28 can be performed. Such embodiments are known per se and therefore here not shown in more detail.
  • the control unit 12 includes a switch that is in known way the current flow through a relay on or off.
  • the output switch 14 is one of the normally open contacts of the relay, so that the control unit 12 via the Switch the Wegstel- ment of the output switch 14 control can.
  • a relay in alternative embodiments but also semiconductor devices as output switches be used.
  • the output switch 14 is in an already described with reference to FIG Way connected to an RF generator 16. additionally to the two coupling capacitors 20, 22 includes the Separating element here a transformer whose inductance together with the coupling capacitors 20, 22 a resonant circuit forms.
  • the RF generator in the present embodiment a commercially available RF oscillator of, for example 8 MHz, generates the RF test signal. It will the RF generator 16 via a resistor with an operating voltage provided. To stabilize and smooth the Operating voltage is a capacitor in parallel with the HF generator 16 arranged.
  • a threshold switch Parallel to the resistor is a threshold switch arranged with the voltage dropping across the resistor with compares to a reference value.
  • the output of the threshold switch is via the readback line 24 of the control unit 12 supplied.
  • Another capacitor forms together with a coil an LC filter.
  • the LC filter is between the output switch 14 and the one Terminal arranged.
  • An identically structured second LC filter is also between the output switch 14 and the second terminal arranged.
  • the two LC filters form a bracket, which optionally also further, memorill to the output switch 14 arranged redundant switch contacts encloses.
  • the output switch is in operation of the safety relay 14 closed, so that the machine 26 with the power supply 28 is connected. The machine 26 is therefore located in operation.
  • the opened output switch 14 provides a capacity in the Order of magnitude of about 1 pF. This capacity determines at open output switch 14 is substantially the resonant frequency of the resonant circuit, since the capacitances of the coupling capacitors 20, 22 is about 100 pF. The resonance frequency the resonant circuit corresponds in this switching position of Target frequency of the HF generator 16.

Landscapes

  • Testing Electric Properties And Detecting Electric Faults (AREA)
  • Control Of Voltage And Current In General (AREA)
  • Keying Circuit Devices (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)

Description

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, wobei die genannten Mittel einen HF-Generator zum Erzeugen eines HF-Prüfsignals sowie einen Schwingkreis als Koppelkreis beinhalten.
Eine derartige Sicherheitsschaltvorrichtung ist EP 0 681 310 A1 bekannt.
Gattungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtungen werden vor allem im industriellen Bereich verwendet, um elektrisch angetriebene Maschinen, wie beispielsweise große Abkantpressen, CNC-gesteuerte 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 Schaltstrecke des Bauelements durchlegiert und damit ebenfalls einen nicht mehr zu öffnenden Kurzschluß bildet.
In der WO 01/37302 A1 ist eine Sicherheitsschaltvorrichtung beschrieben, die ausgangsseitig 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 mechanisehe 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.
Die eingangs genannte EP 0 681 310 A1 zeigt eine gattungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtung, bei der die Schaltstellung des Ausgangsschalters überwacht wird, indem ein Koppelkreis so um den Ausgangsschalter herum angeordnet wird, daß der Ausgangsschalter das HF-Prüfsignal entweder kurzschließt, d.h. praktisch vollständig unterdrückt, oder aber unbeeinflußt läßt. Wie anhand der gezeigten Ausführungsbeispiele erkennbar ist, benötigt eine solche Anordnung relativ viele Bauteile.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative anzugeben, die mit einem geringeren Aufwand realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitsschaltvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der der Ausgangsschalter in den Schwingkreis eingebettet ist und bei der das 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 Laststrom 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.
Aufgrund der an sich bekannten Sensibilität eines Schwingkreises gegenüber Veränderungen der Einflußparameter kann auf einfache Weise eine besonders exakte Überwachung des Ausgangsschalters realisiert werden. Dabei ist die Einbettung des Ausgangsschalters in den Schwingkreis 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 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 erheblich 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 erfindüngsgemäßen 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 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-Prüfsignal 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, und
Fig. 2
eine bevorzugte Ausführung von Koppelkondensatoren, die auch in dem Prinzipschaltbild gemäß Fig. 1 Verwendung finden.
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 Ausgangsschalter 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 detektiert. 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 schematisch 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.
Nachfolgend wird eim weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung beschrieben. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Sicherheitsschaltgerät, das üblicherweise als kompakte und voll funktionsfertige Einheit ausgeliefert wird. Die Erfindung ist jedoch nicht allein auf Sicherheitsschaltgeräte beschränkt und kann ebenso bei komplexen, programmierbaren Sicherheitssteuerungen verwendet werden.
Das Sicherheitsschaltgerät ist als kompakte Baueinheit in an sich bekannter Weise in ein Gerätegehäuse eingebaut. An einer Außenseite des Gehäuses befinden sich in an sich bekannter Weise Anschlußklemmen. Eine Anschlußklemme ist mit einer Phase der Stromversorgung 28 verbunden. Eine zweite Anschlußklemme ist mit der abzuschaltenden Maschine 26 verbunden. Zwischen den Anschlußklemmen befindet sich somit der Stromversorgungspfad 30, in dem seriell der Ausgangsschalter 14 angeordnet ist.
Die Darstellung des Sicherheitsschaltgerätes 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 Abschalten der Maschine 26 zu erhalten. Darüber hinaus besitzt das erfindungsgemäße Sicherheitsschaltgerät in der Regel weitere, parallel zu dem Ausgangsschalter 14 angeordnete Ausgangsschalter sowie entsprechende Anschlußklemmen, über die weitere Phasen der Stromversorgung 28 geführt werden können. Derartige Ausführungen sind an sich bekannt und daher hier nicht ausführlicher dargestellt.
An eine weitere Anschlußklemme ist in an sich bekannter Weise ein Notaus-Schalter angeschlossen. Auch dies ist hier vereinfacht dargestellt, da Notaus-Schalter von den hier beschriebenen Sicherheitsschaltgeräten in der Regel mehrkanalig ausgewertet werden.
Im Inneren ist das Sicherheitsschaltgerät wie folgt aufgebaut :
Die Steuereinheit 12 beinhaltet einen Schalter, der in an sich bekannter Weise den Stromfluß über ein Relais ein- oder ausschaltet. Der Ausgangsschalter 14 ist einer der Arbeitskontakte des Relais, so daß die Steuereinheit 12 über den Schalter die Schaltstel-lung des Ausgangsschalters 14 steuern kann. Anstelle eines Relais 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, dessen Induktivität zusammen mit den Koppelkondensatoren 20, 22 einen Schwingkreis bildet. Der HF-Generator, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein kommerziell erhältlicher HF-Oszillator von beispielsweise 8 MHz ist, erzeugt das HF-Prüfsignal. Dabei wird der HF-Generator 16 über einen Widerstand mit einer Betriebsspannung versorgt. Zur Stabilisierung und Glättung der Betriebsspannung ist ein Kondensator parallel zum HF-Generator 16 angeordnet.
Parallel zu dem Widerstand ist ein Schwellwertschalter angeordnet, der die am Widerstand abfallende Spannung mit einem Referenzwert vergleicht. Das Ausgangssignal des Schwellwertschalters ist über die Rückleseleitung 24 der Steuereinheit 12 zugeführt.
Ein weiterer Kondensator bildet zusammen mit einer Spule ein LC-Filter. Das LC-Filter ist zwischen dem Ausgangsschalter 14 und der einen Anschlußklemme angeordnet. Ein identisch aufgebautes zweites LC-Filter ist ferner zwischen dem Ausgangsschalter 14 und der zweiten Anschlußklemme angeordnet. Die beiden LC-Filter bilden eine Klammer, die gegebenenfalls auch weitere, seriell zum Ausgangsschalter 14 angeordnete redundante Schaltkontakte umschließt.
Die Funktion des Sicherheitsschaltgerätes ist nun wie folgt:
Im Betrieb des Sicherheitsschaltgerätes 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, da die Kapazitäten der Koppelkondensatoren 20, 22 bei ca. 100 pF liegt. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht in dieser Schaltstellung der Sollfrequenz des HF-Generators 16.
Wird der Ausgangsschalter 14 geschlossen, ändert sich seine wirksame Kapazität, wodurch der Schwingkreis verstimmt wird.
Über den Transformator wirkt dies auf den HF-Generator 16 zurück, was weiterhin zur Folge hat, daß sich der Spannungsabfall am Widerstand ändert. Der geänderte Spannungsabfall wird mit Hilfe des Schwellwertschalters 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 dargestellte Schaltung des Sicherheitsschaltgerätes hat sich bei praktischen Versuchen als besonders effektiv erwiesen.

Claims (8)

  1. 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), anhand derer die Steuereinheit (12) eine tatsächliche Schaltstellung des Ausgangsschalters (14) überwacht, wobei die genannten Mittel einen HF-Generator (16) zum Erzeugen eines HF-Prüfsignals sowie einen Schwingkreis als Koppelkreis beinhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschalter (14) in den Schwingkreis eingebettet ist und dass das Prüfsignal auf den Ausgangsschalter (14) übertragen wird.
  2. Sicherheitsschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis zumindest ein Trennelement (18) beinhaltet, das den HF-Generator (16) galvanisch von dem zumindest einen Ausgangsschalter (14) trennt.
  3. Sicherheitsschaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis (18) 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) zumindest zwei Koppelkondensatoren (20, 22) beinhaltet.
  7. Sicherheitsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis mit zumindest einem ohmschen Widerstand zusammenwirkt, dessen Spannungsabfall ein Maß für die tatsächliche Schaltstellung des Ausgangsschalters (14) ist.
  8. Sicherheitsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschalter (14) mit zumindest einer Anschlußklemme verbunden ist, wobei zwischen dem Ausgangsschalter (14) und der Anschlußklemme ein HF-Filter angeordnet ist.
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