EP2239752A1 - Sichere Schalteinrichtung und modulares fehlersicheres Steuerungssystem - Google Patents

Sichere Schalteinrichtung und modulares fehlersicheres Steuerungssystem Download PDF

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EP2239752A1
EP2239752A1 EP10158367A EP10158367A EP2239752A1 EP 2239752 A1 EP2239752 A1 EP 2239752A1 EP 10158367 A EP10158367 A EP 10158367A EP 10158367 A EP10158367 A EP 10158367A EP 2239752 A1 EP2239752 A1 EP 2239752A1
Authority
EP
European Patent Office
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switching
switching device
control system
safe
memory
Prior art date
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Application number
EP10158367A
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English (en)
French (fr)
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EP2239752B1 (de
EP2239752B2 (de
Inventor
Richard Veil
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Pilz GmbH and Co KG
Original Assignee
Pilz GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by Pilz GmbH and Co KG filed Critical Pilz GmbH and Co KG
Publication of EP2239752A1 publication Critical patent/EP2239752A1/de
Publication of EP2239752B1 publication Critical patent/EP2239752B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2239752B2 publication Critical patent/EP2239752B2/de
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/001—Means for preventing or breaking contact-welding

Definitions

  • the present invention relates to a safe switching device for a modular fail-safe control system for switching a load on and off safely, with at least one wear-prone switching element which is designed to perform a switching operation by means of a control signal generated by the control system in order to switch the load.
  • the invention further relates to a modular fail-safe control system for switching on and off safely an electrical load, in particular an electrically driven machine, via at least one switching device, with a control device for evaluating input signals and for generating a control signal for the switching device depending on the evaluation.
  • Fail-safe control systems serve to reliably evaluate the signal of a safety transmitter, for example an emergency stop switch, a protective door position switch, etc., and to actuate one or more safe output contacts of a switching device. Actuators, such as contactors, valves, motors, dangerous machine parts, for example saw blades, robot arms, high-voltage devices, etc., are then brought to a safe state via these switched output contacts.
  • PNOZ a variety of different safety relay types.
  • An example of a modular safety relay with a modular fail-safe control system and a safe switching device is, for example, in DE 100 20 075 C2 disclosed. Also in the publication DE 100 11 211 a safety switching device of the applicant is shown.
  • Component reliability quantification is required to demonstrate compliance with current standards IEC 61508 and ISO 13849-1.
  • Diagnosis is used in the context of the present application within the meaning of the IEC 61508 series of standards.
  • diagnostics refers to the use of automatic diagnostic checks to detect dangerous hardware failures in safety-related systems.
  • the object of the present invention is to develop the aforementioned switching device so that a better, especially safer diagnosis is possible.
  • a device for detecting the number of switching operations performed (detection device) is provided, which has a memory device for permanent fail-safe storage of the detected number.
  • the memory device is equipped with fail-safe memories, which also store the information "permanently", that is, even when the operating voltage (zero voltage safe).
  • fail-safe in the context of the present application means that the memory may indeed be defective, but this must be recognized in order to avoid a misinterpretation of the memory contents.
  • the user of a modular safety switching device is provided with the solution according to the invention a means to make a diagnosis of wear-prone switching elements on the basis of the stored fail-safe number of switching operations.
  • relays as switching elements can be avoided with the help of fail-safe stored number of switching operations that they are operated beyond the wear limits specified by the manufacturers.
  • a warning system on the basis of the stored number of switching operations can be implemented to inform the user in good time before reaching the wear limit and / or change to another operating mode to prevent safety-critical behavior in case of failure of the switching element.
  • the detection device has a counter circuit which increments a counter reading, preferably one, by means of a counting signal and stores this counter reading in the memory device.
  • the decentralized safe switching device has all the elements required to detect the number of switching operations, namely a counter which can be incremented by means of a counting signal, and on the other hand, the already mentioned memory device for storing the count. It is therefore not necessary that the central control system supplies the meter reading and this is stored locally.
  • the count signal is generated by the central control system and fed to the decentralized safe switching device, so that there the counter can be incremented accordingly.
  • the decentralized switching device with a device for detecting the control signal and generating a counting signal.
  • the decentralized safe switching device generates a counting signal on the basis of the control signal that it is anyway supplied for switching the switching element.
  • This embodiment is particularly simple and continues the idea of decentralized structure, so that the detection of the number of switching operations can be made decentralized by the safe switching device without the help of the control system.
  • the memory device is associated with a means for error detection to detect errors of the memory device.
  • Such a means has the task, for example, to check whether the memory device works failsafe, that is, for example, that the individual memory cells required for storing are functional. Such a test can be carried out cyclically, for example.
  • the memory device is preferably provided to equip the memory device with two redundant memory elements.
  • the stored data that is to say the number of switching operations
  • parity bits so that it can be recognized by it as to whether the date is erroneous.
  • a cyclic redundancy check could be carried out, with a corresponding CRC value being stored together with the corresponding date.
  • the switching device has a means for reading out the stored number of switching operations and for transmitting the read-out number to the control system.
  • the central control system can interrogate the number of switching operations from a connected switching device in order to make a diagnosis or check on this basis.
  • the secure switching device then outputs only diagnostic status messages to the central control system.
  • the parameters required for diagnosis such as For example, the number of cycles until the wear limit, etc., stored in the switching device.
  • a diagnostic parameter memory device for storing predeterminable switching process threshold values for the at least one switching device and a diagnostic data analysis device which are designed To compare a number of switching operations read from a switching device with the stored threshold values and to initiate an action depending on it.
  • the diagnosis is made centrally in the control system, with the required diagnostic parameters, such as switching process thresholds, being stored there. If the diagnosis leads to the result that, for example, a switching element of a switching device shortly reaches the wear limit, the control system can trigger a specific action. Under such an action can be understood in the simplest case, the output of a warning that the wear limit is reached soon and, for example, an exchange of the switching element is required. Another action could be to switch to a restricted operation, for example, in such limited operation only a reduced speed of the machine is allowed or normal operation is allowed only for a limited time. Another action could be to keep the safety system in a safe state and to interrupt operation.
  • FIGURE shows in the form of a schematic block diagram the structure of a safety switching device, wherein only the components necessary for the invention are shown.
  • a safety switching device is shown as a block diagram and designated by the reference numeral 10. For reasons of clarity, only the modules required for the explanation of the invention are shown in this block diagram. With regard to a concrete mechanical and electrical construction of such a safety switching device 10, reference is made to the documents mentioned in the introduction or to the available from the applicant written documents to the safety relay "PNOZmulti" or "PSSu".
  • the safety switching device 10 generally serves to connect or disconnect a load 12, for example an electric motor, with a power supply 14. The separation of the consumer 12 from the power supply 14 by means of the safety switching device 10 in a secure manner when, for example, an emergency stop switch 16 is actuated. It should be noted at this point that this wiring of a safety switching device 10 is purely exemplary and represents one of many different circuits. In particular, other switches instead of the emergency stop switch 16 are conceivable, such as light grids, light barriers, etc.
  • the safety switching device 10 shown in the figure has a modular structure and comprises a central module 20, which is also referred to below as a control system, and at least one relay module 40, which is also referred to below as a switching device.
  • the control system 20 is connected to the switching device 40 via a data bus 60.
  • the bus 60 different systems in question, the applicant offers, for example, a secure bus system that could be used here.
  • an interface 22 or 42 is provided in each case, wherein these interfaces or interfaces 22, 42 are adapted to the particular bus system used.
  • Both the control system 20 and the switching device 40 each have a control unit 24 and 44, which are connected to the respective interfaces 22 and 44, respectively.
  • the control units 24, 44 are responsible for the control of the complete processes within the respective module 20, 40, wherein at this point can be dispensed with a detailed description. Rather, reference is made to the already mentioned publications, in which the structure is explained.
  • the central control unit 24 comprises an evaluation unit 26, which evaluates certain data for diagnostic purposes. In particular, this involves the evaluation of the number of switching operations (switching cycle number) that the switching elements 46 of the connected switching devices 40 have performed. This number is important if the switching elements 46 are wear-affected switching elements, such as relays.
  • the central control unit 24 is assigned a memory unit 28 which comprises at least two memory elements 30, 32.
  • the memory unit 28 is used to store diagnostic parameters, with a redundant storage is required for security reasons.
  • the two Memory elements 30, 32 each store identical diagnostic parameters, so that even with a faulty date the data stored in the redundant memory element date can be used for further operation.
  • fail-safe data storage it would also be possible to store a CRC value for each stored datum, so that when reading out this datum it can be determined on the one hand whether an error exists and on the other hand this error can be corrected.
  • the diagnostic parameters to be stored are, for example, values for switching operations of wear-prone switching elements 46. Consequently, such a diagnostic parameter can be, for example, the number of switching operations of a switching element that the manufacturer of this switching element allows. In other words, that the switching element should be replaced upon reaching this number of switching operations.
  • diagnostic parameters can also be stored in the memory unit 28.
  • the stored diagnostic parameters relate to a single modular switching device 40.
  • the memory unit 28 contains the corresponding diagnostic parameters for each switching device.
  • the modular switching device 40 likewise comprises a memory unit 48 which is assigned to the control unit 44, that is to say connected to it via corresponding data and control lines.
  • the memory unit 48 is constructed as a redundant memory unit, so that memory elements 50, 52 are provided which store identical data.
  • the memory unit 48 is designed to store diagnostic data, wherein in the present embodiment, a diagnostic date is the number of switching operations of the switching element 46.
  • a first counter register 54 and a second counter register 56 are provided, which may be part of the memory unit 48.
  • the two counter registers 54, 56 store a count, which is incremented by one upon the occurrence of a particular event, here the switching on of the switching element 46.
  • the stored counter which indicates the number of switching operations, is fail-safe. This does not necessarily mean that the storage of redundant data is required in order to be able to continue working with the redundant second date if the date is erroneous, but initially only that erroneous storage of a date is recognized.
  • the second counter register 56 shown in the figure is preferably provided as redundancy. In other words, that means the number of Switching operations identical in two different counter registers 54, 56 is stored.
  • control unit 44 In order to increment the values in the counter registers 54, 56 by one, the control unit 44 generates a count signal and transmits this to the two counter registers 54, 56 whenever it transmits a turn-on signal to the switching element 46.
  • a count signal is generated by the control system 20 and transmitted via the bus 60 to the respective switching device 40.
  • the control system 20 calls a diagnostic program which requests the data stored in the counter register 54, 56 of the switching device 40. This has the consequence that the switching device 40 transmits this date to the interface 42 and via this and the bus 60 to the control system 20. After receiving this date, which indicates, for example, the number of switching operations that have occurred, a comparison is made with one or more diagnostic parameters that are stored in the memory unit 28. These diagnostic parameters are, for example, various threshold values which are usually specified by the manufacturer of the switching element 46 and trigger a specific action when they are exceeded. If, for example, a diagnostic parameter describes the number of switching operations up to the wear limit, the switching device 40 is safely switched off via the control system 20 when this value is reached.
  • diagnostic parameter could indicate the number of switching operations, from which a warning must be issued, which alerts the user that the corresponding switching element 46 of the switching device 40 must be replaced.
  • an action that is initiated by the control system may also be to allow operation of the load 12 only at reduced speed or only for a certain time.
  • diagnostic parameters for example, as threshold values
  • These diagnostic parameters may originate from the manufacturer of the switching device, or else from the user of the safety switching device 10.
  • the diagnostic data stored in the memory unit 28 can be predetermined or set.
  • the threshold values stored as diagnostic parameters are often only reached after a few years of operation of the safety switching device, it is absolutely necessary for the diagnostic parameters or diagnostic data stored in the two memory units 28, 48 to be permanently maintained even if the operating voltage ceases.
  • the counter registers must be equipped with sufficient bit width, so that even very large values can be stored without an overflow takes place.
  • the diagnostic parameters associated with a switching device 40 are not stored centrally but decentrally in the respective switching device.
  • the central Control system 20 may then request these diagnostic parameters via the bus to store them in its own memory unit 28. It would also be conceivable, of course, that the diagnosis takes place decentrally in the respective switching device 40 and only the result is transmitted to the central control system.

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Abstract

Sichere Schalteinrichtung für ein modulares fehlersicheres Steuerungssystem (10,20) zum Ein- und sicheren Ausschalten eines elektrischen Verbrauchers (12), mit zumindest einem verschleißbehafteten Schaltelement (46), das ausgelegt ist, durch ein vom Steuerungssystem (10,20) generiertes Steuersignal einen Schaltvorgang auszuführen, um den elektrischen Verbraucher (12) zu schalten, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erfassen der Anzahl der getätigten Schaltvorgänge (44,48) (Erfassungsvorrichtung) mit einer Speichervorrichtung (48,50,52) zum dauerhaften fehlersicheren Speichern der erfassten Anzahl.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine sichere Schalteinrichtung für ein modulares fehlersicheres Steuerungssystem zum Ein- und sicheren Ausschalten einer Last, mit zumindest einem verschleißbehafteten Schaltelement, das ausgelegt ist, durch ein vom Steuerungssystem generiertes Steuersignal einen Schaltvorgang auszuführen, um die Last zu schalten. Die Erfindung betrifft ferner ein modulares fehlersicheres Steuerungssystem zum Ein- und sicheren Ausschalten eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektrisch angetriebenen Maschine, über zumindest eine Schalteinrichtung, mit einer Steuerungsvorrichtung zum Auswerten von Eingangssignalen und zur Erzeugung eines für die Schalteinrichtung bestimmten Steuersignals abhängig von der Auswertung.
  • Derartige Schalteinrichtungen sind allgemein bekannt und bilden einen Bestandteil von fehlersicheren Steuerungssystemen, die allgemein auch als Sicherheitsschaltgeräte bezeichnet werden. Fehlersichere Steuerungssysteme dienen dazu, das Signal eines Sicherheitsgebers, beispielsweise eines Not-Aus-Schalters, eines Schutztürpositionsschalters etc. sicher auszuwerten und einen oder mehrere sichere Ausgangskontakte einer Schalteinrichtung anzusteuern. Über diese geschalteten Ausgangskontakte werden dann Aktoren, beispielsweise Schütze, Ventile, Motoren, gefährliche Maschinenteile, beispielsweise Sägeblätter, Roboterarme, Hochspannungseinrichtungen, etc., in einen sicheren Zustand gebracht. Die Anmelderin bietet unter dem Namen "PNOZ" eine Vielzahl von unterschiedlichen Sicherheitsschaltgeräte-Typen an. Ein Beispiel eines modular aufgebauten Sicherheitsschaltgeräts mit einem modularen fehlersicheren Steuerungssystem und einer sicheren Schalteinrichtung ist beispielsweise in DE 100 20 075 C2 offenbart. Auch in der Druckschrift DE 100 11 211 ist ein Sicherheitsschaltgerät der Anmelderin gezeigt.
  • Da derartige Sicherheitsschaltgeräte in sicherheitskritischen Umgebungen eingesetzt werden, müssen die Gefahren, die durch defekte Bauteile verursacht werden können, beherrscht werden. Neben den fehlerbeherrschenden Maßnahmen, z.B. mittels redundantem Aufbau und der Anwendung automatischer diagnostischer Prüfungen zur Erkennung von gefahrbringenden Hardware-Ausfällen, ist das Berücksichtigen der Ausfallraten der Bauteile, die in Sicherheitsschaltgeräten zum Einsatz kommen, zunehmend von Bedeutung.
  • Es ist bekannt, dass Sicherheitsschaltgeräte nicht absolut sicher sein können. Deshalb muss das Risiko, dass das Sicherheitsschaltgerät durch den Ausfall eines Bauteils ausfällt, bewertet werden, und dieses Risiko muss unter einem akzeptierten Grenzwert liegen.
  • Bei elektrischen und elektronischen Bauteilen wird üblicherweise angenommen, dass deren Ausfallrate konstant ist. Das Risiko eines Ausfalls ist deshalb bei einem neuen und bei einem alten, baugleichen Sicherheitsschaltgerät gleich hoch.
  • Bei mechanischen und elektromechanischen Bauteilen, wie beispielsweise Relais, Schütze, Bremsen, etc., muss üblicherweise mit Verschleiß gerechnet werden. Die Ausfallrate steigt deshalb ab einer Verschleißgrenze stark an, so dass das akzeptierte Risiko am Lebensdauerende des Bauteils überschritten wird. Es wird deshalb vorgeschrieben, diese Bauteile vor deren Verschleißgrenze auszutauschen oder die Bauteile so zu betreiben, dass die Verschleißgrenze im vorgesehenen Betrieb nicht erreicht wird.
  • Die Quantifizierung der Bauteilzuverlässigkeit ist erforderlich, um nachzuweisen, dass die aktuellen Normen IEC 61508 bzw. ISO 13849-1 eingehalten werden.
  • Die Vorgaben durch die Normen über Funktionssicherheit und das fortwährende Bestreben, die Sicherheit und die Verfügbarkeit von Sicherheitsschaltgeräten zu erhöhen, lassen den Wunsch entstehen, die Diagnose vor allem von verschleißbehafteten Bauteilen zu verbessern.
  • "Diagnose" wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung im Sinne der Normenreihe IEC 61508 verwendet.
  • Dort wird unter "Diagnose" die Anwendung automatischer diagnostischer Prüfungen zur Erkennung gefahrbringender Hardware-Ausfälle in sicherheitsbezogenen Systemen verstanden.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die eingangs genannte Schalteinrichtung so weiterzubilden, dass eine bessere, insbesondere sicherere Diagnose möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Schalteinrichtung dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zum Erfassen der Anzahl der getätigten Schaltvorgänge (Erfassungsvorrichtung) vorgesehen ist, die eine Speichervorrichtung zum dauerhaften fehlersicheren Speichern der erfassten Anzahl aufweist.
  • Das heißt mit anderen Worten, dass dezentral in der Schalteinrichtung selbst ein Zähler geführt wird, der die Anzahl der getätigten Schaltvorgänge (auch "Schaltspielzahl" genannt) angibt, und der zentral auf Steuerungssystem-Ebene ausgewertet werden kann. Um den hohen Sicherheitsbedürfnissen Rechnung zu tragen, ist die Speichervorrichtung mit fehlersicheren Speichern ausgestattet, die zudem die Information "dauerhaft", das heißt auch bei Wegfall der Betriebsspannung (nullspannungssicher) speichern. Unter dem Begriff "fehlersicher" ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung zu verstehen, dass der Speicher zwar defekt sein darf, dies aber erkannt werden muss, um eine Fehlinterpretation des Speicherinhalts zu vermeiden.
  • Dem Benutzer eines modularen Sicherheitsschaltgeräts wird mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Mittel in die Hand gegeben, eine Diagnose von verschleißbehafteten Schaltelementen auf der Basis der abgespeicherten fehlersicheren Anzahl der getätigten Schaltvorgänge vorzunehmen.
  • Gerade bei einem Einsatz von Relais als Schaltelemente kann mit Hilfe der fehlersicher gespeicherten Anzahl der Schaltvorgänge vermieden werden, dass sie über die von den Herstellern vorgegebenen Verschleißgrenzen hinaus betrieben werden. Darüber hinaus lässt sich auch beispielsweise ein Warnsystem auf der Grundlage der gespeicherten Anzahl der Schaltvorgänge realisieren, um den Benutzer rechtzeitig vor Erreichen der Verschleißgrenze zu informieren und/oder in einen anderen Betriebsmodus zu wechseln, um ein sicherheitskritisches Verhalten bei Ausfall des Schaltelements zu verhindern.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung weist die Erfassungsvorrichtung eine Zählerschaltung auf, die durch ein Zählsignal einen Zählerstand, vorzugsweise um eins, inkrementiert und diesen Zählerstand in der Speichervorrichtung abspeichert.
  • Das bedeutet mit anderen Worten, dass die dezentrale sichere Schalteinrichtung alle Elemente aufweist, die zur Erfassung der Anzahl der Schaltvorgänge erforderlich sind, nämlich einerseits einen Zähler, der sich inkrementieren lässt mit Hilfe eines Zählsignals, und andererseits die bereits erwähnte Speichervorrichtung zum Speichern des Zählerstands. Es ist folglich damit nicht notwendig, dass das zentrale Steuerungssystem den Zählerstand liefert und dieser dezentral gespeichert wird.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird das Zählsignal vom zentralen Steuerungssystem generiert und der dezentralen sicheren Schalteinrichtung zugeführt, so dass dort der Zähler entsprechend inkrementiert werden kann.
  • Noch bevorzugter ist es jedoch, die dezentrale Schalteinrichtung mit einer Vorrichtung zum Detektieren des Steuersignals und Erzeugen eines Zählsignals auszustatten. Das heißt mit anderen Worten, dass die dezentrale sichere Schalteinrichtung anhand des ihr sowieso zugeführten Steuersignals zum Schalten des Schaltelements ein Zählsignal erzeugt.
  • Diese Ausgestaltung ist besonders einfach und führt den Gedanken der dezentralen Struktur weiter, so dass die Erfassung der Anzahl der getätigten Schaltvorgänge ohne Mithilfe des Steuerungssystems dezentral von der sicheren Schalteinrichtung vorgenommen werden kann.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der Speichervorrichtung ein Mittel zur Fehlererkennung zugeordnet, um Fehler der Speichervorrichtung zu erkennen.
  • Ein solches Mittel hat also die Aufgabe, beispielsweise zu prüfen, ob die Speichervorrichtung fehlersicher funktioniert, das heißt beispielsweise, dass die einzelnen zum Abspeichern erforderlichen Speicherzellen funktionsfähig sind. Ein solcher Test kann beispielsweise zyklisch ausgeführt werden.
  • Alternativ oder in Ergänzung hierzu ist bevorzugt vorgesehen, die Speichervorrichtung mit zwei redundanten Speicherelementen auszustatten.
  • Diese Lösung hat den Vorteil, dass bei einer fehlerhaften Datenspeicherung mit den redundanten Daten aus dem anderen Speicherelement ein Betrieb weitergeführt werden kann. Es ist hiermit eine fehlersichere hochverfügbare dezentrale Diagnose möglich.
  • Alternativ zu zwei redundanten Speicherelementen ist es selbstverständlich auch möglich, dass das abgespeicherte Datum (das heißt die Anzahl der Schaltvorgänge) mit Paritätsbits versehen wird, so dass daran erkannt werden kann, ob das Datum fehlerhaft ist. Alternativ könnte beispielsweise auch eine zyklische Redundanzprüfung (CRC) ausgeführt werden, wobei ein entsprechender CRC-Wert zusammen mit dem entsprechenden Datum abgespeichert wird. Mit Hilfe einer solchen Prüfung ist es nicht nur möglich, einen Fehler grundsätzlich zu erkennen, sondern es ist auch möglich, den Fehler zu korrigieren. Damit lässt sich eine fehlersichere dezentrale Diagnose vorsehen.
  • Es versteht sich, dass andere Mittel und Verfahren ebenfalls denkbar sind, um fehlerhaft abgespeicherte Daten zu erkennen und gegebenenfalls korrigieren.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung weist die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ein Mittel zum Auslesen der gespeicherten Anzahl der Schaltvorgänge und zum Übermitteln der ausgelesenen Anzahl an das Steuerungssystem auf.
  • Das heißt mit anderen Worten, dass das zentrale Steuerungssystem die Anzahl der Schaltvorgänge von einer angeschlossenen Schalteinrichtung abfragen kann, um auf dieser Basis eine Diagnose bzw. Prüfung vorzunehmen.
  • Selbstverständlich wäre es alternativ auch denkbar, die Auswertung bzw. Diagnose auf der Basis der abgespeicherten Anzahl von Schaltvorgängen dezentral von der Schalteinrichtung vornehmen zu lassen. Es wäre denkbar, dass die sichere Schalteinrichtung dann lediglich Diagnosestatusmeldungen an das zentrale Steuerungssystem ausgibt. In diesem Fall sind die erforderlichen Parameter für die Diagnose, wie beispielsweise die Schaltspielzahl bis zum Erreichen der Verschleißgrenze, etc., in der Schalteinrichtung abgelegt.
  • Der Vorteil einer solchen dezentralen Diagnose liegt insbesondere in der Flexibilität, da durch den Austausch einer Schalteinrichtung oder einer Ergänzung keine Daten neu auf das zentrale Steuerungssystem aufgespielt werden müssen, sondern dass die Schalteinrichtung selbst die Diagnoseparameter "mitbringt".
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch von einem modularen fehlersicheren Steuerungssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Diagnoseparameter-Speichervorrichtung zum Speichern vorgebbarer Schaltvorgangs-Schwellenwerte für die zumindest eine Schalteinrichtung, und eine Diagnosedaten-Analysevorrichtung vorgesehen sind, die ausgelegt sind, die aus einer Schalteinrichtung ausgelesene Anzahl von Schaltvorgängen mit den abgespeicherten Schwellenwerten zu vergleichen und abhängig davon eine Aktion zu veranlassen.
  • Das heißt mit anderen Worten, dass die Diagnose zentral im Steuerungssystem vorgenommen wird, wobei die erforderlichen Diagnoseparameter, wie Schaltvorgangs-Schwellenwerte, dort abgelegt sind. Sollte die Diagnose zu dem Ergebnis führen, dass beispielsweise ein Schaltelement einer Schalteinrichtung in Kürze die Verschleißgrenze erreicht, kann das Steuerungssystem eine bestimmte Aktion auslösen. Unter einer solchen Aktion kann im einfachsten Fall die Ausgabe einer Warnung verstanden werden, dass die Verschleißgrenze bald erreicht wird und beispielsweise ein Austausch des Schaltelements erforderlich ist. Eine andere Aktion könnte darin bestehen, in einen eingeschränkten Betrieb zu wechseln, wobei in einem solchen eingeschränkten Betrieb beispielsweise nur eine reduzierte Geschwindigkeit der Maschine zugelassen wird oder der Normalbetrieb nur für eine eingeschränkte Zeit zugelassen wird. Eine weitere Aktion könnte darin bestehen, das Sicherheitssystem in den sicheren Zustand zu führen und den Betrieb zu unterbrechen.
  • 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.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Die einzige Figur zeigt in Form eines schematischen Blockschaltdiagramms den Aufbau eines Sicherheitsschaltgeräts, wobei nur die für die Erfindung notwendigen Baugruppen dargestellt sind.
  • In der einzigen Figur ist ein Sicherheitsschaltgerät als Blockschaltdiagramm dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in diesem Blockschaltdiagramm nur die für die Erläuterung der Erfindung erforderlichen Baugruppen dargestellt. Im Hinblick auf einen konkreten mechanischen und elektrotechnischen Aufbau eines solchen Sicherheitsschaltgeräts 10 wird auf die in der Beschreibungseinleitung genannten Druckschriften verwiesen oder auf die von der Anmelderin erhältlichen schriftlichen Unterlagen zu dem Sicherheitsschaltgerät "PNOZmulti" oder "PSSu".
  • Das Sicherheitsschaltgerät 10 dient ganz allgemein dazu, einen Verbraucher 12, beispielsweise einen Elektromotor, mit einer Spannungsversorgung 14 zu verbinden bzw. davon zu trennen. Die Trennung des Verbrauchers 12 von der Spannungsversorgung 14 erfolgt mit Hilfe des Sicherheitsschaltgerät 10 auf sichere Weise dann, wenn beispielsweise ein Not-Aus-Schalter 16 betätigt wird. An dieser Stelle sei angemerkt, dass diese Beschaltung eines Sicherheitsschaltgeräts 10 rein beispielhaft ist und für eine von vielen unterschiedlichen Beschaltungen steht. Insbesondere sind andere Schalter anstelle des Not-Aus-Schalters 16 denkbar, wie beispielsweise Lichtgitter, Lichtschranken, etc.
  • Das in der Figur gezeigte Sicherheitsschaltgerät 10 ist modular aufgebaut und umfasst ein Zentralmodul 20, das nachfolgend auch als Steuerungssystem bezeichnet wird, und zumindest ein Relaismodul 40, das nachfolgend auch als Schalteinrichtung bezeichnet wird. Das Steuerungssystem 20 ist mit der Schalteinrichtung 40 über einen Datenbus 60 verbunden. Als Bus 60 kommen unterschiedliche Systeme in Frage, wobei die Anmelderin beispielsweise auch ein sicheres Bussystem anbietet, das hier zum Einsatz kommen könnte.
  • Um eine Kommunikation zwischen Steuerungssystem 20 und Schalteinrichtung 40 über den Bus 60 abwickeln zu können, ist jeweils ein Interface 22 bzw. 42 vorgesehen, wobei diese Interfaces bzw. Schnittstellen 22, 42 an das jeweils benutzte Bussystem angepasst sind.
  • Sowohl das Steuerungssystem 20 als auch die Schalteinrichtung 40 verfügen jeweils über eine Steuerungseinheit 24 bzw. 44, die mit den jeweiligen Schnittstellen 22 bzw. 44 verbunden sind. Die Steuerungseinheiten 24, 44 sind für die Steuerung der kompletten Abläufe innerhalb des jeweiligen Moduls 20, 40 zuständig, wobei an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Vielmehr wird auf die bereits erwähnten Druckschriften verwiesen, in denen der Aufbau erläutert ist.
  • Die zentrale Steuerungseinheit 24 umfasst eine Auswerteeinheit 26, die bestimmte Daten für Diagnosezwecke auswertet. Es handelt sich hierbei insbesondere um die Auswertung der Anzahl von Schaltvorgängen (Schaltspielzahl), die die Schaltelemente 46 der angeschlossenen Schalteinrichtungen 40 ausgeführt haben. Diese Anzahl ist dann von Bedeutung, wenn es sich bei den Schaltelementen 46 um verschleißbehaftete Schaltelemente handelt, wie beispielsweise Relais.
  • Der zentralen Steuerungseinheit 24 ist eine Speichereinheit 28 zugeordnet, die zumindest zwei Speicherelemente 30, 32 umfasst. Die Speichereinheit 28 dient dazu, Diagnoseparameter abzuspeichern, wobei aus Sicherheitsgründen eine redundante Speicherung erforderlich ist. Das heißt mit anderen Worten, dass die beiden vorgesehenen Speicherelemente 30, 32 jeweils identische Diagnoseparameter speichern, so dass auch bei einem fehlerhaften Datum das im redundanten Speicherelement abgespeicherte Datum für den Weiterbetrieb verwendet werden kann.
  • Selbstverständlich sind andere Möglichkeiten der fehlersicheren Datenspeicherung denkbar. So wäre es beispielsweise auch möglich, zu jedem abgespeicherten Datum einen CRC-Wert zu speichern, so dass beim Auslesen dieses Datums einerseits festgestellt werden kann, ob ein Fehler vorliegt, und andererseits dieser Fehler korrigiert werden kann.
  • Bei den abzuspeichernden Diagnoseparametern handelt es sich beispielsweise um Werte für Schaltvorgänge von verschleißbehafteten Schaltelementen 46. Ein solcher Diagnoseparameter kann folglich beispielsweise die Anzahl der Schaltvorgänge eines Schaltelements sein, die der Hersteller dieses Schaltelements zulässt. Das heißt mit anderen Worten, dass das Schaltelement bei Erreichen dieser Anzahl von Schaltvorgängen ausgewechselt werden sollte.
  • Es versteht sich, dass andere Diagnoseparameter ebenfalls in der Speichereinheit 28 abgespeichert werden können. Darüber hinaus sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich die abgespeicherten Diagnoseparameter auf eine einzelne modulare Schalteinrichtung 40 beziehen. Für den Fall, dass mehrere unterschiedliche Schalteinrichtungen 40 am Bus 60 angeschlossen sind, enthält die Speichereinheit 28 für jede Schalteinrichtung die entsprechenden Diagnoseparameter.
  • Die modulare Schalteinrichtung 40 umfasst ebenfalls eine Speichereinheit 48, die der Steuerungseinheit 44 zugeordnet ist, also mit dieser über entsprechende Daten und Steuerleitungen verbunden ist. Die Speichereinheit 48 ist als redundante Speichereinheit aufgebaut, so dass Speicherelemente 50, 52 vorgesehen sind, die identische Daten speichern.
  • Die Speichereinheit 48 ist dazu ausgelegt, Diagnosedaten abzuspeichern, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Diagnosedatum die Anzahl der Schaltvorgänge des Schaltelements 46 ist.
  • Um die Anzahl der Schaltvorgänge einerseits zu erfassen und andererseits dauerhaft und fehlersicher zu speichern, sind ein erstes Zähler-Register 54 und ein zweites Zähler-Register 56 vorgesehen, die Teil der Speichereinheit 48 sein können. Die beiden Zähler-Register 54, 56 speichern einen Zählwert, der bei Eintreten eines bestimmten Ereignisses, hier das Einschalten des Schaltelements 46, um eins inkrementiert wird.
  • Wichtig bei den beiden Zähler-Registern 54, 56 ist, dass sie auch bei Wegfall der Versorgungsspannung ihren Registerwert behalten, also nullspannungssicher sind.
  • Darüber hinaus muss gewährleistet sein, dass der gespeicherte Zähler, der die Anzahl der Schaltvorgänge angibt, fehlersicher ist. Das heißt nicht notwendigerweise, dass das Abspeichern redundanter Daten erforderlich ist, um bei einem fehlerhaften Datum mit dem redundanten zweiten Datum weiterarbeiten zu können, sondern zunächst nur, dass eine fehlerhafte Speicherung eines Datums erkannt wird.
  • Hierfür existieren unterschiedliche Verfahren, wobei - wie bereits zuvor erwähnt - das Abspeichern von zusätzlichen Paritätsbits eine Möglichkeit bietet, fehlerhafte Abspeicherungen zu erkennen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zusätzlich zu dem Datum einen so genannten CRC-Wert (zyklische Redundanzprüfung) mit abzuspeichern, so dass anhand dieses CRC-Werts nicht nur ein Fehler erkannt sondern auch der Fehler unter Umständen korrigiert werden kann.
  • Um einen Betrieb der Schalteinrichtung auch bei fehlerhaftem Zähler-Wert zu gewährleisten, ist bevorzugt jedoch das in der Figur dargestellte zweite Zähler-Register 56 als Redundanz vorgesehen. Das heißt mit anderen Worten, dass die Anzahl der Schaltvorgänge identisch in zwei unterschiedlichen Zähler-Registern 54, 56 abgelegt ist.
  • Um die Werte in den Zähler-Registern 54, 56 um eins zu inkrementieren, generiert die Steuerungseinheit 44 ein Zählsignal und überträgt dies zu den beiden Zähler-Registern 54, 56, immer dann, wenn sie ein Einschaltsignal an das Schaltelement 46 überträgt.
  • Alternativ wäre selbstverständlich auch denkbar, dass ein Zählsignal von dem Steuerungssystem 20 generiert und über den Bus 60 an die jeweilige Schalteinrichtung 40 übertragen wird.
  • Zur Auswertung des im Zähler-Register 54 bzw. 56 abgespeicherten Werts ruft das Steuerungssystem 20 ein Diagnoseprogramm auf, das das im Zähler-Register 54, 56 der Schalteinrichtung 40 abgespeicherte Datum anfordert. Dies hat zur Folge, dass die Schalteinrichtung 40 dieses Datum zur Schnittstelle 42 und über diese und den Bus 60 zum Steuerungssystem 20 überträgt. Nach Empfang dieses Datums, das beispielsweise die Anzahl der aufgetretenen Schaltvorgänge angibt, wird ein Vergleich mit einem oder mehreren Diagnoseparametern vorgenommen, die in der Speichereinheit 28 abgelegt sind. Bei diesen Diagnoseparametern handelt es sich beispielsweise um verschiedene Schwellenwerte, die üblicherweise vom Hersteller des Schaltelements 46 vorgegeben werden und bei Überschreiten eine bestimmte Aktion auslösen. Beschreibt beispielsweise ein Diagnoseparameter die Anzahl der Schaltvorgänge bis zur Verschleißgrenze, wird bei Erreichen dieses Werts die Schalteinrichtung 40 über das Steuerungssystem 20 sicher abgeschaltet.
  • Neben diesen Diagnoseparametern sind weitere, wie bereits angegeben, denkbar. So könnte ein weiterer Diagnoseparameter die Anzahl der Schaltvorgänge angeben, ab der eine Warnung ausgegeben werden muss, die den Anwender darauf aufmerksam macht, dass das entsprechende Schaltelement 46 der Schalteinrichtung 40 ausgewechselt werden muss.
  • Schließlich kann eine Aktion, die von dem Steuerungssystem veranlasst wird, auch darin bestehen, einen Betrieb des Verbrauchers 12 nur mit reduzierter Geschwindigkeit oder nur für eine bestimmte Zeit zuzulassen.
  • Es versteht sich also, dass für unterschiedliche Aktionen unterschiedliche Diagnoseparameter (beispielsweise als Schwellenwerte) in der Speichereinheit 28 abgespeichert sind. Diese Diagnoseparameter können vom Hersteller der Schalteinrichtung stammen, oder aber auch vom Anwender des Sicherheitsschaltgeräts 10. Das heißt mit anderen Worten, dass die in der Speichereinheit 28 abgelegten Diagnosedaten vorgebbar bzw. einstellbar sind.
  • Da die als Diagnoseparameter abgespeicherten Schwellenwerte häufig erst nach einigen Jahren des Betriebs des Sicherheitsschaltgeräts erreicht werden, ist es zum einen zwingend erforderlich, dass die in den beiden Speichereinheiten 28, 48 abgespeicherten Diagnoseparameter bzw. Diagnosedaten auch bei Wegfall der Betriebsspannung dauerhaft erhalten bleiben. Andererseits müssen die Zähler-Register mit ausreichend Bitbreite ausgestattet sein, so dass auch sehr große Werte gespeichert werden können, ohne dass ein Überlauf stattfindet.
  • Mit Hilfe der nullspannungssicheren und fehlersicheren Speicherung der Anzahl der Schaltvorgänge innerhalb einer modularen Schalteinrichtung 40 ist es möglich, eine Diagnose vorzunehmen, um das Ausfallrisiko anhand von abgespeicherten Diagnoseparametern erfassen und anhand einer Auswertung dann bestimmte Aktionen veranlassen zu können. Das Ergebnis besteht darin, dass die Verfügbarkeit des Sicherheitsschaltgeräts erhöht wird, da sich die durch Verschleiß von Schaltelementen hervorgerufenen Ausfälle durch frühzeitiges Reagieren im Wesentlichen vermeiden lassen.
  • Alternativ zu dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, dass die zu einer Schalteinrichtung 40 gehörenden Diagnoseparameter nicht zentral sondern dezentral in der jeweiligen Schalteinrichtung abgespeichert sind. Das zentrale Steuerungssystem 20 kann dann diese Diagnoseparameter über den Bus anfordern, um sie in der eigenen Speichereinheit 28 abzulegen. Denkbar wäre natürlich auch, dass die Diagnose dezentral in der jeweiligen Schalteinrichtung 40 stattfindet und nur das Ergebnis an das zentrale Steuerungssystem übermittelt wird.

Claims (15)

  1. Sichere Schalteinrichtung für ein modulares fehlersicheres Steuerungssystem (10, 20) zum Ein- und sicheren Ausschalten eines elektrischen Verbrauchers (12), mit zumindest einem verschleißbehafteten Schaltelement (46), das ausgelegt ist, durch ein vom Steuerungssystem (10, 20) generiertes Steuersignal einen Schaltvorgang auszuführen, um den elektrischen Verbraucher (12) zu schalten, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erfassen der Anzahl der getätigten Schaltvorgänge (44, 48) (Erfassungsvorrichtung) mit einer Speichervorrichtung (48, 50, 52) zum dauerhaften fehlersicheren Speichern der erfassten Anzahl.
  2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement ein Relais (46) ist.
  3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung eine Zählerschaltung (54, 56) aufweist, die durch ein Zählsignal einen Zählerstand, vorzugsweise um eins, inkrementiert, und diesen Zählerstand in der Speichervorrichtung abspeichert.
  4. Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zählerschaltung (54, 56) und die Speichervorrichtung (48, 50, 52) als eine Einheit (28) ausgebildet sind.
  5. Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zählsignal vom Steuerungssystem (20) generiert und zugeführt ist.
  6. Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Detektieren des Steuersignals und Erzeugen eines Zählsignals aufweist.
  7. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speichervorrichtung (48) ein Mittel zur Fehlererkennung zugeordnet ist, um Fehler der Speichervorrichtung zu erkennen.
  8. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (48) zwei redundante Speicherelemente (50, 52) aufweist.
  9. Schalteinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Speicherelementen die Anzahl der Schaltvorgänge gespeichert ist.
  10. Schalteinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der beiden Speicherelemente eine Prüfsumme der im anderen Speicherelement abgespeicherten Anzahl gespeichert ist.
  11. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum Auslesen der gespeicherten Anzahl der Schaltvorgänge und Übermitteln der ausgelesenen Anzahl an das Steuerungssystem vorgesehen ist.
  12. Modulares fehlersicheres Steuerungssystem zum Ein- und sicheren Ausschalten eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektrisch angetriebenen Maschine, über zumindest eine, vorzugsweise externe Schalteinrichtung (40), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Steuerungsvorrichtung (24, 26) zum Auswerten von Eingangssignalen und zur Erzeugung eines für die Schalteinrichtung (40) bestimmten Steuersignals abhängig von der Auswertung, gekennzeichnet durch eine Diagnoseparameter-Speichervorrichtung (28) zum Speichern vorgebbarer Schaltvorgangs-Schwellenwerte für die zumindest eine Schalteinrichtung (40), und eine Diagnosedaten-Analysevorrichtung (26), die ausgelegt ist, die aus einer Schalteinrichtung ausgelesene Anzahl von Schaltvorgängen mit den abgespeicherten Schwellenwerten zu vergleichen und abhängig davon eine Aktion zu veranlassen.
  13. Steuerungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktion die Ausgabe einer Warnmeldung ist und/oder das Umschalten in einen eingeschränkten Betrieb des Verbrauchers und/oder das Umschalten des Verbrauchers in einen sicheren Zustand.
  14. Steuerungssystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseparameter-Speichereinrichtung (28) fehlersicher und/oder redundant ausgebildet ist.
  15. Steuerungssystem nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseparameter-Speichereinrichtung (28) nullspannungssicher ausgebildet ist.
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