EP3671797B1 - Sicherheitsschaltvorrichtung - Google Patents

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EP3671797B1
EP3671797B1 EP18213553.3A EP18213553A EP3671797B1 EP 3671797 B1 EP3671797 B1 EP 3671797B1 EP 18213553 A EP18213553 A EP 18213553A EP 3671797 B1 EP3671797 B1 EP 3671797B1
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EP
European Patent Office
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antenna
switching
safety
switching element
electrical
Prior art date
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EP18213553.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3671797A1 (de
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Guillaume Geoffroy
Frank Kloeser
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Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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Publication date
Application filed by Schneider Electric Industries SAS filed Critical Schneider Electric Industries SAS
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Publication of EP3671797B1 publication Critical patent/EP3671797B1/de
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/16—Indicators for switching condition, e.g. "on" or "off"
    • H01H9/167—Circuits for remote indication
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/16—Indicators for switching condition, e.g. "on" or "off"
    • H01H9/168—Indicators for switching condition, e.g. "on" or "off" making use of an electromagnetic wave communication

Definitions

  • the present invention relates to a safety switching device for switching an electrical consumer that can be connected to the switching device, in particular an electrical machine.
  • Safety switching devices are used, for example, in industrial systems in order to switch off electrical machines reliably, at least in certain areas.
  • safety switching devices protect machines that can potentially pose a risk to operating personnel or devices, such as, for example, production robots, presses, cutting machines and the like.
  • the shutdown process must take place particularly reliably; in particular, it must also be possible to check whether the shutdown process has actually taken place.
  • relays with forcibly guided contacts are used, for example, so that the forced guidance of the contacts when the machine is switched off ensures that the electrical consumer has actually been de-energized.
  • a disadvantage of such positively driven relays is that they are more expensive and larger than conventional relays. In the case of conventional relays, in turn, it cannot be ruled out that the switching contacts of the relay will weld together due to the formation of sparks when the switching element is opened Switching element can no longer interrupt a power supply to the electrical machine. In the case of semiconductor switching elements too, alloying of the semiconductor can mean that a current flow by means of the semiconductor can no longer be interrupted.
  • the invention is therefore based on the knowledge that the actual switching state of the switching element can be determined by radio transmission of the test signal if the actual switching state has an influence on the test signal. In this way, the actual switching state can be reliably determined by means of an arrangement of two antennas that is easy to produce.
  • the safety switching device according to the invention can therefore be produced inexpensively and thus economically, while a reliable detection of the actual switching state is still possible. In this way, for example, welding of contacts of the switching element can be reliably detected.
  • the test signal can be a radio signal which is transmitted by the first antenna and received by the second antenna.
  • the radio signal can comprise or consist of an HF signal or an LF signal (high-frequency signal, for example in the short-wave range or low-frequency signal, for example in the long-wave range).
  • the test signal can be influenced in particular in that in a switching state, for example when the power supply path is closed, no adaptation to the test signal is carried out on the side of the second antenna (“detuning”). On the other hand, when the switching state in which the power supply path has been interrupted is present, the second antenna can be adapted to the test signal (“tuning”).
  • the "tuning" or “detuning” can, as will be explained in detail later, for example by changing the electrical Interconnection takes place on the side of the second antenna.
  • mechanical changes are also conceivable, for example by mechanically introducing a barrier that interferes with the radio contact between the first and second antenna, it being possible for the barrier, for example, to be mechanically coupled to a movable contact of the switching element.
  • a movement of the contact of the switching element can also deform or move the second antenna, for example.
  • the influence on the test signal is measured or detected in order to determine the actual switching state. If the actual switching state deviates from the expected or desired switching state, an error signal can be output.
  • the electrical switching element can be, for example, a mechanical switch, in particular an electromechanically operated relay.
  • the electrical switching element can also comprise a semiconductor switch, in particular a transistor or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the safety switching device can comprise a control unit for controlling the switching element.
  • the control unit can, for example, evaluate an external safety sensor, e.g. an emergency stop switch, in particular multi-channel, and in the event of the safety sensor being triggered (e.g. actuation of the emergency stop switch), the switching element can be transferred from the closed switching state to the open switching state.
  • the safety sensor can, for example, also be a door contact, a light grid or a laser scanner.
  • the safety switching devices can, for example, meet the safety requirements according to SIL3 (Safety Integrity Level) or another standard.
  • the control unit can also receive information about the actual switching state of the switching element from the monitoring unit. In the event of a discrepancy between the switching state set by the control unit and the actual switching state, the above-mentioned error signal can be output by the control unit.
  • Control unit and monitoring unit can also be designed as a common unit.
  • the first antenna and / or the second antenna are designed as microstrip and / or patch antennas.
  • the antennas can be manufactured in a very space-saving manner and also very economically using modern methods for manufacturing printed circuit boards, in particular in the same process as the rest of the electronics of the safety switching device.
  • the antennas preferably extend at least essentially only parallel to the surface of the circuit board (or within the circuit board) and thus do not form a significant elevation. In this way, the safety switching device can be made particularly small and compact.
  • the first and the second antenna and in particular all further antennas mentioned later can be arranged on the same printed circuit board.
  • the first antenna and the second antenna are arranged on different layers of the same printed circuit board.
  • the first and the second antenna are isolated from one another and / or galvanically separated.
  • the first antenna on a front side of the circuit board and the second antenna can be arranged on a rear side of the same printed circuit board.
  • the use of different layers or layers of the printed circuit board ie a PCB - Printed Circuit Board) enables the two antennas to be reliably isolated from one another, and in particular a galvanic separation between the first and second antenna can be made possible with low manufacturing costs.
  • the first and second antennas are arranged in a stationary manner with respect to one another.
  • the first and second antennas are preferably spaced apart from one another and have no direct electrical connection.
  • Galvanic isolation is preferably achieved through the use of the two antennas, in particular between the monitoring unit and the switching element.
  • Attaching the first and second antenna to the same circuit board also has the advantage that a transmission path for the test signal can be made very short and thus insensitive to external influences.
  • a transmission path for the test signal can be made very short and thus insensitive to external influences.
  • an influence on the test signal by the switching state of the electrical switching element can be detected more easily, since external influences on the test signal are very small and can therefore essentially be neglected.
  • an initial measurement of the test signal can first take place for various known switching states, with the actual switching states then being able to be determined in productive use based on the initial measurement.
  • the space required by an individual printed circuit board is very small, so that both antennas also only have a small space requirement, as a result of which the safety switching device can in turn be made very compact.
  • the second antenna is part of an oscillating circuit, the resonance frequency of which depends on the actual switching state of the switching element.
  • the resonant circuit can for example comprise a capacitor and a coil, wherein the coil can be formed by the second antenna.
  • the resonant circuit preferably also comprises one or more capacitive or inductive additional components which are (only) electrically coupled into the resonant circuit when the switching element is closed in order to change the resonance frequency of the resonant circuit.
  • the additional components can therefore be electrically connected to the switching element in such a way that when the switching element is in the closed switching state, the additional components become part of the resonant circuit.
  • the resonance frequency of the resonant circuit can be reduced.
  • the resonant circuit can thus have two different resonance frequencies. The first resonance frequency is when the switching element is actually open and the second resonance frequency is when the switching element is actually closed.
  • the resonant circuit can have a first resonance frequency when the switching element is closed and a second, different, resonance frequency when the switching element is open.
  • the switching element can preferably be electrically coupled to the resonant circuit or, as mentioned above, be part of the resonant circuit.
  • the resonant circuit can comprise the second antenna, which can have two electrical contacts, and a first capacitor, the first capacitor being connected between the two electrical contacts of the second antenna. This results in a parallel connection of the first capacitor with the second antenna.
  • the switching element can also have two electrical contacts, each of the electrical contacts of the switching element preferably being electrically connected to an electrical contact of the second antenna via an additional capacitor (i.e. for example a second and third capacitor).
  • the second and third capacitors can accordingly be the additional components mentioned above.
  • the test signal comprises at least two different transmission frequencies, which preferably correspond to the first and / or second resonance frequency.
  • the transmission frequencies can also be referred to as carrier frequencies.
  • the first and the second transmission frequency are transmitted by the first antenna in particular one after the other in time.
  • the resonant circuit of the second antenna can be particularly strongly excited with the appropriate switching state, which can be detected in a simple manner, which in turn makes the actual switching state of the switching element can be determined.
  • the test signal and thus also the transmission frequencies are preferably generated by means of a signal generator and coupled into the first antenna by the signal generator.
  • a frequency ramp, a continuous frequency change or a wobbling of the transmission frequency can also be implemented by the signal generator.
  • the signal generator can be an LF generator or an HF generator.
  • the transmission frequency and thus the test signal can also be modulated, for example by means of amplitude or phase modulation. Modulation using on-off keying is also possible.
  • the test signal can for example comprise a modulation according to the pattern on-off-on-on-off-on.
  • the monitoring unit is designed to measure the power transmitted from the first to the second antenna by means of the test signal, the actual switching state being determined on the basis of the transmitted power.
  • the first and the second antenna are tuned to one another.
  • the energy transfer from the first to the second antenna can be maximized by coordinating them with one another.
  • “detuning” would occur if the transmission frequency does not correspond to the currently prevailing resonance frequency.
  • the energy transfer from the first to the second antenna is then lower, which can be measured by the monitoring unit.
  • the energy transfer can be measured, for example, by measuring a voltage across a resistor in a feed line to the first antenna or in a feed line to the signal generator. It is also possible to measure a change in the amplitude of the transmission frequency, for example by means of an operational amplifier.
  • NFC tag Near Field Communication Tag
  • the safety switching device comprises one or more additional electrical switching elements.
  • the actual switching state of the additional switching element or elements also influences the test signal.
  • At least one of the additional electrical switching elements is preferably coupled to an additional resonant circuit, the resonance frequency of which depends on the actual switching state of the additional electrical switching element, the resonance frequency or the resonance frequencies of the additional resonance circuit preferably differing from the resonance frequency or the resonance frequencies of the resonance circuit.
  • the additional resonant circuit or circuits preferably each include a separate second antenna. However, several resonant circuits can also be connected to a second antenna.
  • the additional electrical switching elements can be connected in series with the (first) electrical switching element in order to enable redundant disconnection of the electrical consumer. It is also possible to use the additional electrical switching elements to implement a multi-channel safety switching device which can switch various electrical loads independently of one another.
  • the safety switching device can have, for example, two or three channels, in each of which two electrical switching elements are connected in series. This results in a total of four or six electrical switching elements.
  • Each of the switching elements can be part of a separate resonant circuit.
  • the additional resonant circuits can also be switched back and forth between two resonance frequencies in that the respective switching element changes its switching state between closed and open (or vice versa). All resonance frequencies used within the same safety switching device are preferably different, so that the actual switching state of each switching element can be clearly detected using just one first antenna, and it is also clear from which switching element the respective resonance frequency "originates".
  • the test signal can also include the resonance frequencies of the additional oscillating circuits, so that each switching element can be tested separately for its actual switching state.
  • the additional resonance frequencies in the test signal can be contained in the test signal one after the other.
  • test signal it is also possible to use the test signal to detect only one switching state of the switching element or switching elements, in particular the "open" switching state.
  • the test signal can be used as transmission frequencies, in particular only that include resonance frequencies that occur when the switching elements contained in the safety switching device are in the "open” switching state. If, for example, only one switching element is to be monitored, the test signal comprises or contains only exactly one transmission frequency.
  • first antenna for detecting the switching states of several different switching elements.
  • first antennas can also be provided, which interact with only one or also several second antennas.
  • second antennas or the resonant circuits, which interact with a respective first antenna only different resonance frequencies are preferably used.
  • the first antenna spans a surface area within which the second antenna or the second antennas is / are arranged.
  • the arrangement of the second antenna within the first antenna ensures reliable and good transmission of the test signal.
  • the first antenna shields the second antenna from external interference.
  • the second antenna lies in the same plane or in parallel planes, e.g. in a layer below or above the first antenna, within the first antenna. Accordingly, inside also refers to a vertical projection of the first antenna downwards or upwards.
  • the first and / or the second antenna are preferably designed in a planar manner.
  • the first and second antenna as well as the monitoring unit and the switching element are in the same unit, preferably arranged within the same housing.
  • the first and second antenna and the switching element are preferably arranged on the same printed circuit board. This in turn can promote a compact design of the safety switching device.
  • the first antenna is designed to receive data by means of near field communication (NFC) and / or radio frequency identification (RFID).
  • the monitoring unit preferably has an interface connected to the first antenna for communication by means of NFC and / or RFID.
  • the first antenna can thus be used twice, on the one hand to determine the actual switching state of the electrical switching element or of several electrical switching elements and on the other hand for data communication by means of NFC and / or RFID.
  • the data received or sent by the first antenna can be transmitted to / from the monitoring unit by means of the interface. In this way, the monitoring unit can output diagnostic / status data or receive configuration data, for example.
  • the safety switching device can be configured, for example, by means of a smartphone. Data can then also be read out using the smartphone, whereby the switching states or any errors can be determined.
  • the first antenna can be designed to transmit test signals with a transmission frequency in the range from 100 to 500 kHz, preferably from 100 to 200 kHz.
  • the first antenna can be designed for RFID communication in the long wave range at 125 kHz, 134 kHz, 250 kHz, 375 kHz, 500 kHz, 625 kHz, 750 kHz and / or 875 kHz.
  • the first antenna can also be designed for RFID communication and / or for NFC communication at a frequency of 13.56 MHz. Also the actual switching states can be determined in the range of 13.56 MHz, ie the resonance frequencies can be in this range.
  • the resonance frequencies can also be in the range between 100 and 500 kHz, preferably in the range between 100 and 200 kHz.
  • the two resonance frequencies of the same resonant circuit (for closed and open switching state) differ by at least 20%, preferably by at least 10%. In this way, a reliable differentiation between the two switching states is guaranteed.
  • the switching state can preferably be determined, in particular only, in the open switching state.
  • the switched frequencies are irrelevant, so that the frequencies switched by means of the safety switching device can be in the same range as the frequencies of the test signal or the resonance frequencies.
  • the monitoring unit then checks whether the switching element has really changed to the open switching state. If the actual switching status deviates from the desired or expected switching state, an error signal can be output. The error signal can then alert operating personnel or cause a higher-level control to switch off the entire system in which the consumer is installed. The safety switching device itself can also use the error signal to switch off.
  • the invention also relates to a method according to claim 13.
  • diagnostic, status and / or configuration data of the safety switching device are received and / or sent by means of the first antenna, in particular via NFC and / or RFID.
  • the received data preferably influence the operation of the safety switching device.
  • the data sent include, in particular, information about the state of the safety switching device.
  • Fig. 1 shows a system 10 which comprises a safety switching device 12 and a consumer in the form of a robot 14 that is electrically coupled to the safety switching device 12.
  • the electrical energy for operating the robot 14 comes from a power driver 16.
  • a switching element in the form of a relay 18 is arranged in the safety switching device 12, the relay 18 closing a power supply path 20 in the closed switching state, as a result of which the robot 14 is supplied with electrical energy.
  • the power driver 16 is part of the power supply path 20. If the relay 18 is in the open switching state, the power supply path 20 is interrupted so that there is no closed circuit, whereby the robot 14 is switched off.
  • a monitoring unit 22 which is electrically connected to a first antenna 24, is provided in the safety switching device 12.
  • the first antenna 24 is designed to transmit a test signal 26 to a second antenna 28.
  • the second antenna 28 is in turn electrically connected to the relay 18, the switching state of the relay 18 influencing the test signal 26, as will be explained in more detail below.
  • the relay 18 is actuated by a control unit 30.
  • the monitoring unit 22 determines the actual switching state of the relay 18 and transmits the actual switching state to the control unit 30 by means of a data line 32.
  • the first antenna 24 is also designed for communication by means of near field communication (NFC) 34.
  • NFC near field communication
  • the monitoring unit 22 and / or the control unit 30 can exchange data, for example, with a smartphone 36 located in the vicinity.
  • Fig. 2 shows a first embodiment in which two relays 18a and 18b are connected in series.
  • Each of the relays 18a, 18b is integrated in an oscillating circuit 38 or connected to an oscillating circuit 38 in the same way, so that the following explanations apply equally to all relays 18.
  • a respective resonant circuit 38 comprises a second antenna 28 which is connected in parallel to a first capacitor 40.
  • the electrical connections of the second antenna 28 are each connected to the electrical connections of the respective relay 18a, 18b via a second and third capacitor 42, 44. If the respective relay 18a is open, the resonant circuit 38 comprises only the second antenna 28 and the first capacitor 40. If the relay 18 is closed, the resonant circuit also includes the second and third Capacitor 42, 44, whereby the resonance frequency of the respective resonant circuit 38 changes.
  • the two second antennas 28 are surrounded by a single first antenna 24.
  • the test signal 26 is generated by means of the first antenna 24 by means of two transistors 46 and a voltage source 48.
  • the transistors 46 and the voltage source 48 can be viewed together as a signal generator.
  • the amplitude of the test signal 26 is measured by means of an operational amplifier 50.
  • the energy transmitted from the first to the second antenna 24, 28 can be measured on the basis of the amplitude, it being possible to determine which of the oscillating circuits 38 is currently at which resonance frequency.
  • a test signal 26 is generated which comprises at least four different transmission frequencies, the four transmission frequencies corresponding to the four possible resonance frequencies of the two oscillating circuits 38. In this way it can be determined separately for each relay 18a, 18b which switching state it is in.
  • Fig. 3 shows a second embodiment in which the safety switching device 12 comprises two parallel channels 52a, 52b. In each channel 52, two relays 18a, 18b and 18c, 18d are connected in series. Each relay 18a, 18b, 18c, 18d is assigned to a separate resonant circuit 38.
  • the embodiment of Fig. 3 differs from the embodiment of Fig. 2 in that two first antennas 24 are provided, each with its own signal generator. The first antennas 24 are arranged in such a way that in each case a second antenna 28 of each channel 52 lies within the first antenna 24 and can thus be evaluated by means of the respective first antenna 24.
  • a test signal is output to determine the actual switching status of all four relays 18a, 18b, 18c, 18d.
  • Fig. 4 shows a circuit board 54 in which the first antenna 24 is arranged on an upper layer 56 and a second antenna 28 is arranged on the upper layer 56 and also on a lower layer 58.
  • the second antenna 28 on the upper layer 56 is surrounded by the first antenna 28.
  • the first and second antennas 24, 28 are thus arranged in a stationary manner with respect to one another, whereby influences due to variable antenna positions are prevented.
  • the use of antennas 24, 28 achieves galvanic isolation between the monitoring unit 22 and the resonant circuits 38.
  • the inventive determination of the actual switching state based on antennas allows a simple, contactless but reliable determination of the actual switching state.
  • additional functions such as communication via NFC, can be implemented with the existing antennas without much additional effort.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltvorrichtung zum Schalten eines an die Schaltvorrichtung anschließbaren elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektrischen Maschine.
  • Aus der US 2002/0021226 A1 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Sicherheitsschaltvorrichtungen werden beispielsweise bei industriellen Anlagen eingesetzt, um elektrische Maschinen zuverlässig zumindest bereichsweise abzuschalten. Insbesondere werden mit solchen Sicherheitsschaltvorrichtungen Maschinen abgesichert, von denen potentiell eine Gefahr für Bedienungspersonal oder Geräte ausgehen kann, wie beispielsweise Fertigungsroboter, Pressen, Schneidmaschinen und dergleichen.
  • Aufgrund der Gefahr für das Bedienpersonal muss der Abschaltvorgang besonders zuverlässig erfolgen, insbesondere muss auch überprüfbar sein, ob der Abschaltvorgang auch tatsächlich stattgefunden hat.
  • Hierzu werden beispielsweise Relais mit zwangsgeführten Kontakten eingesetzt, so dass aufgrund der Zwangsführung der Kontakte beim Abschalten der Maschine sichergestellt ist, dass der elektrische Verbraucher auch tatsächlich stromlos geschaltet wurde. Ein Nachteil solcher zwangsgeführter Relais ist, dass diese teurer und größer sind als herkömmliche Relais. Bei herkömmlichen Relais kann wiederum nicht ausgeschlossen werden, dass die Schaltkontakte des Relais aufgrund von Funkenbildung beim Öffnen des Schaltelements verschweißen, wodurch das Schaltelement eine Stromzufuhr zu der elektrischen Maschine nicht mehr unterbrechen kann. Auch bei Halbleiter-Schaltelementen kann ein Durchlegieren des Halbleiters dazu führen, dass ein Stromfluss mittels des Halbleiters nicht mehr unterbrochen werden kann.
  • Ein solcher Fehlerfall ist bei Sicherheitsschaltvorrichtungen unbedingt zu erkennen und zu vermeiden.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherheitsschaltvorrichtung anzugeben, welche auf einfache und kostengünstige Weise eine sichere Detektion des tatsächlichen Schaltzustands eines Schaltelements der Sicherheitsschaltvorrichtung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtung dient zum Schalten eines an die Schaltvorrichtung anschließbaren elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektrischen Maschine. Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtung umfasst:
    • ein elektrisches Schaltelement, welches, zu einem jeweiligen Zeitpunkt, nur einen zumindest der Schaltzustände geschlossen und offen aufweisen kann, um wahlweise ein Schließen oder ein Unterbrechen eines Stromversorgungspfades des elektrischen Verbrauchers zu bewirken;
    • eine Überwachungseinheit, welche einen tatsächlichen Schaltzustand des elektrischen Schaltelements ermittelt, wobei die Überwachungseinheit eine erste Antenne umfasst, mittels welcher ein Testsignal abgestrahlt wird;
    • eine zweite Antenne, welche das Testsignal empfängt, wobei die zweite Antenne derart mit dem elektrischen Schaltelement gekoppelt ist, dass der tatsächliche Schaltzustand des elektrischen Schaltelements das Testsignal beeinflusst, wobei die Überwachungseinheit ausgebildet ist, aus dem Testsignal (bzw. dem beeinflussten Testsignal) den tatsächlichen Schaltzustand des elektrischen Schaltelements zu ermitteln. Dabei sind die erste Antenne und die zweite Antenne auf unterschiedlichen Lagen derselben Leiterplatte angeordnet.
  • Die Erfindung setzt also auf der Erkenntnis auf, dass mittels einer Funkübertragung des Testsignals der tatsächliche Schaltzustand des Schaltelements ermittelt werden kann, wenn der tatsächliche Schaltzustand einen Einfluss auf das Testsignal besitzt. Auf diese Weise lässt sich mittels einer einfach herzustellenden Anordnung zweier Antennen auf zuverlässige Weise der tatsächliche Schaltzustand ermitteln. Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtung kann daher kostengünstig und damit wirtschaftlich hergestellt werden, wobei trotzdem eine zuverlässige Detektion des tatsächlichen Schaltzustands ermöglicht wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Verschweißen von Kontakten des Schaltelements zuverlässig detektiert werden.
  • Bei dem Testsignal kann es sich um ein Funksignal handeln, welches von der ersten Antenne ausgesandt und von der zweiten Antenne empfangen wird. Das Funksignal kann ein HF-Signal oder ein LF-Signal (hochfrequentes Signal, z.B. im Bereich der Kurzwelle oder niederfrequentes Signal, z.B. im Bereich der Langwelle) umfassen oder hieraus bestehen. Die Beeinflussung des Testsignals kann insbesondere dadurch erfolgen, dass in einem Schaltzustand, beispielsweise bei geschlossenem Stromversorgungspfad, keine Anpassung an das Testsignal auf Seiten der zweiten Antenne vorgenommen wird ("Detuning"). Dagegen kann bei Vorliegen des Schaltzustandes, in welchem der Stromversorgungspfad unterbrochen worden ist, eine Anpassung auf Seiten der zweiten Antenne an das Testsignal vorgenommen werden ("Tuning"). Aufgrund der Übertragungscharakteristik des Testsignals zwischen der ersten und zweiten Antenne kann dann ermittelt werden, ob eine Anpassung oder keine Anpassung vorliegt, woraus wiederum der tatsächliche Schaltzustand ermittelt werden kann. Das "Tuning" oder "Detuning" kann, wie später noch ausführlich dargelegt, beispielsweise durch Änderung der elektrischen Verschaltung auf Seiten der zweiten Antenne erfolgen. Denkbar sind aber auch mechanische Veränderungen, beispielsweise durch mechanisches Einbringen einer den Funkkontakt zwischen erster und zweiter Antenne störenden Barriere, wobei die Barriere z.B. mit einem bewegbaren Kontakt des Schaltelements mechanisch gekoppelt sein kann. Alternativ kann durch eine Bewegung des Kontakts des Schaltelements auch z.B. eine Verformung oder Bewegung der zweiten Antenne vorgenommen werden.
  • Kurz gesagt, wird also die Beeinflussung des Testsignals gemessen oder detektiert, um den tatsächlichen Schaltzustand zu ermitteln. Sofern der tatsächliche Schaltzustand von dem erwarteten oder gewünschten Schaltzustand abweicht, kann ein Fehlersignal ausgegeben werden.
  • Bei dem elektrischen Schaltelement kann es sich beispielsweise um einen mechanischen Schalter, insbesondere um ein elektromechanisch betriebenes Relais handeln. Ebenfalls kann das elektrische Schaltelement einen Halbleiterschalter umfassen, insbesondere einen Transistor oder einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Im geschlossenen Schaltzustand des Schaltelements ist der Stromversorgungspfad zum elektrischen Verbraucher geschlossen, d.h. der elektrische Verbraucher kann dann aktiviert sein. Im offenen Schaltzustand ist der Stromversorgungspfad unterbrochen, wodurch der elektrische Verbraucher abgeschaltet werden kann.
  • Zudem kann die Sicherheitsschaltvorrichtung eine Steuereinheit zum Steuern des Schaltelements umfassen. Die Steuereinheit kann beispielsweise einen externen Sicherheitssensor, z.B. einen Notaus-Schalter, insbesondere mehrkanalig, auswerten und im Falle des Auslösens des Sicherheitssensors (z.B. der Betätigung des Notaus-Schalters) das Schaltelement vom geschlossenen Schaltzustand in den offenen Schaltzustand überführen. Der Sicherheitssensor kann z.B. auch ein Türkontakt, ein Lichtgitter oder ein Laserscanner sein. Die Sicherheitsschaltvorrichtungen kann beispielsweise die Sicherheitsanforderungen gemäß SIL3 (Safety Integrity Level) oder eines anderen Standards erfüllen.
  • Die Steuereinheit kann zudem von der Überwachungseinheit Informationen über den tatsächlichen Schaltzustand des Schaltelements erhalten. Im Falle einer Diskrepanz zwischen dem von der Steuereinheit eingestellten Schaltzustand und dem tatsächlichen Schaltzustand kann das oben bereits erwähnte Fehlersignal von der Steuereinheit ausgegeben werden. Steuereinheit und Überwachungseinheit können auch als eine gemeinsame Einheit ausgebildet sein.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Zeichnungen sowie in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform sind die erste Antenne und/oder die zweite Antenne als Microstrip- und/oder Patch-Antennen ausgebildet. Durch die Anordnung auf einer Leiterplatte können die Antennen sehr platzsparend und durch moderne Verfahren zur Leiterplattenherstellung auch sehr wirtschaftlich hergestellt werden, insbesondere im selben Prozess wie die übrige Elektronik der Sicherheitsschaltvorrichtung. Bevorzugt erstrecken sich die Antennen zumindest im Wesentlichen nur parallel zur Oberfläche der Leiterplatte (oder innerhalb der Leiterplatte) und bilden so keine signifikante Erhöhung. Auf diese Weise kann die Sicherheitsschaltvorrichtung besonders klein und kompakt ausgebildet werden. Die erste und die zweite Antenne und insbesondere alle später erwähnten weiteren Antennen können auf derselben Leiterplatte angeordnet sein.
  • Erfindungsgemäß sind die erste Antenne und die zweite Antenne auf unterschiedlichen Lagen derselben Leiterplatte angeordnet. Insbesondere sind die erste und die zweite Antenne gegeneinander isoliert und/oder galvanisch getrennt. Beispielsweise können die erste Antenne auf einer Vorderseite der Leiterplatte und die zweite Antenne auf einer Rückseite derselben Leiterplatte angeordnet sein. Die Verwendung von unterschiedlichen Lagen bzw. Layern der Leiterplatte (d.h. eines PCBs - Printed Circuit Boards) ermöglicht eine sichere Isolierung der beiden Antennen gegeneinander, wobei insbesondere auch eine galvanische Trennung zwischen erster und zweiter Antenne mit geringen Herstellungskosten ermöglicht werden kann.
  • Insbesondere sind die erste und zweite Antenne ortsfest zueinander angeordnet.
  • Die erste und zweite Antenne sind bevorzugt voneinander beabstandet und weisen keine direkte elektrische Verbindung auf.
  • Bevorzugt wird durch die Verwendung der beiden Antennen eine galvanische Trennung erzielt, insbesondere zwischen Überwachungseinheit und Schaltelement.
  • Die Anbringung der ersten und zweiten Antenne auf derselben Leiterplatte besitzt zudem den Vorteil, dass eine Übertragungsstrecke für das Testsignal sehr kurz und damit unempfindlich gegen externe Einflüsse ausgebildet werden kann. Somit kann eine Beeinflussung des Testsignals durch den Schaltzustand des elektrischen Schaltelements leichter detektiert werden, da externe Einflüsse auf das Testsignal sehr gering ausfallen und daher im Wesentlichen vernachlässigt werden können. Außerdem entfallen Störungen durch eine sich verändernde Relativposition der Antennen.
  • Aus diesem Grund kann zunächst eine Initialmessung des Testsignals für verschiedene bekannte Schaltzustände erfolgen, wobei basierend auf der Initialmessung dann im Produktiveinsatz die tatsächlichen Schaltzustände ermittelt werden können.
  • Überdies ist der Platzbedarf einer einzelnen Leiterplatte sehr gering, so dass beide Antennen ebenfalls nur einen geringen Platzbedarf haben, wodurch die Sicherheitsschaltvorrichtung wiederum sehr kompakt ausgebildet werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Antenne Teil eines Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz vom tatsächlichen Schaltzustand des Schaltelements abhängt. Der Schwingkreis kann beispielsweise einen Kondensator und eine Spule umfassen, wobei die Spule durch die zweite Antenne gebildet sein kann. Bevorzugt umfasst der Schwingkreis außerdem ein oder mehrere kapazitive oder induktive Zusatzbauelemente, welche (nur) bei geschlossenem Schaltelement elektrisch in den Schwingkreis eingekoppelt werden, um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verändern.
  • Die Zusatzbauelemente können also derart mit dem Schaltelement elektrisch verschaltet sein, dass im geschlossenen Schaltzustand des Schaltelements die Zusatzbauelemente Teil des Schwingkreises werden. Beispielsweise kann durch das zusätzliche Einkoppeln einer Kapazität in den Schwingkreis die Resonanzfrequenz des Schwingkreises verringert werden. Der Schwingkreis kann somit zwei verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen. Die erste Resonanzfrequenz liegt bei tatsächlich geöffnetem Schaltelement und die zweite Resonanzfrequenz liegt bei tatsächlich geschlossenem Schaltelement vor.
  • Insbesondere kann der Schwingkreis bei geschlossenem Schaltelement eine erste Resonanzfrequenz und bei offenem Schaltelement eine zweite, andere, Resonanzfrequenz aufweisen. Zu diesem Zweck kann das Schaltelement bevorzugt elektrisch mit dem Schwingkreis gekoppelt sein bzw., wie oben erwähnt, Teil des Schwingkreises sein. Durch Erkennen der Resonanzfrequenz kann dann auf den tatsächlichen Schaltzustand des Schaltelements rückgeschlossen werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Schwingkreis die zweite Antenne, welche zwei elektrische Kontakte aufweisen kann, und einen ersten Kondensator umfassen, wobei der erste Kondensator zwischen die beiden elektrischen Kontakte der zweiten Antenne geschaltet ist. Damit ergibt sich eine Parallelschaltung des ersten Kondensators mit der zweiten Antenne. Das Schaltelement kann ebenfalls zwei elektrische Kontakte aufweisen, wobei bevorzugt jeder der elektrischen Kontakte des Schaltelements über einen Zusatzkondensator (d.h. beispielsweise einem zweiten und dritten Kondensator) mit jeweils einem elektrischen Kontakt der zweiten Antenne elektrisch verbunden ist. Der zweite und dritte Kondensator können demnach die oben erwähnten Zusatzbauelemente sein. Bei offenem Schaltelement kann der Schwingkreis somit lediglich aus der zweiten Antenne und dem ersten Kondensator bestehen. Bei geschlossenem Schaltelement koppelt das Schaltelement auch noch den zweiten und dritten Kondensator in den Schwingkreis ein, so dass sich dessen Resonanzfrequenz ändert.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Testsignal zumindest zwei verschiedene Sendefrequenzen, welche bevorzugt der ersten und/oder zweiten Resonanzfrequenz entsprechen. Die Sendefrequenzen können auch als Trägerfrequenzen bezeichnet werden. Hierbei werden die erste und die zweite Sendefrequenz insbesondere zeitlich nacheinander von der ersten Antenne ausgesandt. Durch die Wahl der zwei verschiedenen Sendefrequenzen entsprechend der ersten und/oder zweiten Resonanzfrequenz kann bei Übereinstimmung von Sende- und Resonanzfrequenz der Schwingkreis der zweiten Antenne bei passendem Schaltzustand besonders stark angeregt werden, was auf einfache Weise detektiert werden kann, wodurch wiederum auf einfache Weise der tatsächliche Schaltzustand des Schaltelements ermittelt werden kann. Das Testsignal und damit auch die Sendefrequenzen werden bevorzugt mittels eines Signalgenerators erzeugt und von dem Signalgenerator in die erste Antenne eingekoppelt. Neben der Verwendung zweier verschiedener Sendefrequenzen ist es auch möglich, mehr als zwei verschiedene Sendefrequenzen, insbesondere nacheinander, in das Testsignal zu integrieren. Auch kann eine Frequenzrampe, eine kontinuierliche Frequenzänderung oder ein Wobbeln der Sendefrequenz vom Signalgenerator realisiert werden.
  • Bei dem Signalgenerator kann es sich um einen LF-Generator oder einen HF-Generator handeln.
  • Die Sendefrequenz und damit das Testsignal können auch moduliert sein, beispielsweise mittels Amplituden oder Phasenmodulation. Ebenfalls ist eine Modulation mittels On-Off-Keying möglich. Das Testsignal kann beispielsweise eine Modulation nach dem Muster On-Off-On-On-Off-On umfassen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Überwachungseinheit ausgebildet, die mittels des Testsignals von der ersten auf die zweite Antenne übertragene Leistung zu messen, wobei aufgrund der übertragenen Leistung der tatsächliche Schaltzustand ermittelt wird.
  • Wenn die Sendefrequenz der gerade herrschenden Resonanzfrequenz entspricht, dann sind die erste und die zweite Antenne aufeinander abgestimmt ("tuned"). Durch die Abstimmung aufeinander kann der Energieübertrag von der ersten an die zweite Antenne maximiert werden. Im Gegensatz hierzu würde eine Verstimmung "Detuning" auftreten, falls die Sendefrequenz nicht der gerade herrschenden Resonanzfrequenz entspricht. Die Energieübertragung von der ersten auf die zweite Antenne ist dann niedriger, was von der Überwachungseinheit gemessen werden kann. Die Messung des Energieübertrags kann beispielsweise durch die Messung einer Spannung an einem Widerstand in einer Zuleitung zur ersten Antenne oder in einer Zuleitung zum Signalgenerator erfolgen. Ebenfalls ist es möglich, eine Amplitudenänderung der Sendefrequenz zu messen, z.B. mittels eines Operationsverstärkers.
  • Wird beispielsweise davon ausgegangen, dass bei offenem Schaltelement eine höhere Resonanzfrequenz und bei geschlossenem Schaltelement eine niedrigere Resonanzfrequenz vorherrscht, so kann durch aufeinanderfolgendes Aussenden des Testsignals zunächst mit einer Sendefrequenz im Bereich der höheren Resonanzfrequenz und danach im Bereich der niedrigeren Resonanzfrequenz festgestellt werden, bei welcher Sendefrequenz ein höherer Energieübertrag erzielt wird. Dadurch kann auf die gerade herrschende Resonanzfrequenz auf Seiten der zweiten Antenne rückgeschlossen werden, wodurch dann der tatsächliche Schaltzustand des elektrischen Schaltelements ermittelt werden kann.
  • Durch das Tuning und Detuning der zweiten Antenne gegenüber der ersten Antenne kann somit eine Datenübertragung nach Art eines NFC-Tags (Near Field Communication-Tag) simuliert werden.
  • Neben der Beeinflussung der Energieübertragung ist beispielsweise auch eine Beeinflussung der Frequenz oder der Phase des Testsignals möglich, was ebenfalls durch die Überwachungseinheit detektiert werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Sicherheitsschaltvorrichtung ein oder mehrere zusätzliche elektrische Schaltelemente. Der tatsächliche Schaltzustand des oder der zusätzlichen Schaltelemente beeinflusst dabei ebenfalls das Testsignal. Bevorzugt ist zumindest eines der zusätzlichen elektrischen Schaltelemente mit einem zusätzlichen Schwingkreis gekoppelt, dessen Resonanzfrequenz vom tatsächlichen Schaltzustand des zusätzlichen elektrischen Schaltelements abhängt, wobei die Resonanzfrequenz oder die Resonanzfrequenzen des zusätzlichen Schwingkreises sich bevorzugt von der Resonanzfrequenz oder den Resonanzfrequenzen des Schwingkreises unterscheiden. Der oder die zusätzlichen Schwingkreise umfassen bevorzugt jeweils eine separate zweite Antenne. Es können aber auch mehrere Schwingkreise mit einer zweiten Antenne verbunden sein.
  • Die zusätzlichen elektrischen Schaltelemente können in Reihe zu dem (ersten) elektrischen Schaltelement geschaltet sein, um eine redundante Abschaltung des elektrischen Verbrauchers zu ermöglichen. Ebenfalls ist es möglich, dass mit den zusätzlichen elektrischen Schaltelementen eine mehrkanalige Sicherheitsschaltvorrichtung realisiert wird, welche verschiedene elektrische Verbraucher unabhängig voneinander schalten kann.
  • Insbesondere kann die Sicherheitsschaltvorrichtung beispielsweise zwei oder drei Kanäle aufweisen, bei welchen jeweils zwei elektrische Schaltelemente in Reihe geschaltet sind. Somit ergeben sich insgesamt vier oder sechs elektrische Schaltelemente.
  • Jedes der Schaltelemente kann Teil eines separaten Schwingkreises sein. Auch die zusätzlichen Schwingkreise können zwischen zwei Resonanzfrequenzen hin und her geschaltet werden, indem das jeweilige Schaltelement seinen Schaltzustand zwischen geschlossen und offen (oder anders herum) ändert. Bevorzugt unterscheiden sich sämtliche innerhalb derselben Sicherheitsschaltvorrichtung verwendeten Resonanzfrequenzen, so dass der tatsächliche Schaltzustand eines jeden Schaltelements eindeutig mittels nur genau einer ersten Antenne detektiert werden kann, wobei zudem eindeutig ist, von welchem Schaltelement die jeweilige Resonanzfrequenz "stammt". Hierzu kann das Testsignal auch die Resonanzfrequenzen der zusätzlichen Schwingkreise umfassen, so dass jedes Schaltelement separat auf seinen tatsächlichen Schaltzustand prüfbar ist. Die zusätzlichen Resonanzfrequenzen im Testsignal können zeitlich nacheinander in dem Testsignal enthalten sein.
  • Es ist auch möglich, mittels des Testsignals nur jeweils einen Schaltzustand des Schaltelements oder der Schaltelemente zu detektieren, insbesondere den Schaltzustand "offen". Hierzu kann das Testsignal als Sendefrequenzen, insbesondere nur, die Resonanzfrequenzen umfassen, die auftreten, wenn die in der Sicherheitsschaltvorrichtung enthaltenen Schaltelemente sich im Schaltzustand "offen" befinden. Soll beispielsweise nur ein Schaltelement überwacht werden, so umfasst oder enthält das Testsignal nur genau eine Sendefrequenz.
  • Wie oben bereits angedeutet, ist es möglich, nur genau eine erste Antenne zur Detektion der Schaltzustände mehrerer verschiedener Schaltelemente einzusetzen. Alternativ können auch mehrere erste Antennen vorgesehen sein, die mit nur einer oder auch mehreren zweiten Antennen zusammenwirken. Bei den zweiten Antennen bzw. den Schwingkreisen, welche mit einer jeweiligen ersten Antenne zusammenwirken, werden bevorzugt nur unterschiedliche Resonanzfrequenzen verwendet.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform spannt die erste Antenne einen Flächenbereich auf, innerhalb dessen die zweite Antenne oder die zweiten Antennen angeordnet ist/sind. Durch die Anordnung der zweiten Antenne innerhalb der ersten Antenne wird eine sichere und gute Übertragung des Testsignals gewährleistet. Zudem schirmt die erste Antenne die zweite Antenne gegen externe Störungen ab.
  • Innerhalb des Flächenbereichs der ersten Antenne bedeutet dabei insbesondere, dass die zweite Antenne in derselben Ebene oder in parallelen Ebenen, z.B. in einem Layer unter- oder oberhalb der ersten Antenne, innerhalb der ersten Antenne liegt. Innerhalb bezieht sich demnach auch auf eine senkrechte Projektion der ersten Antenne nach unten oder oben.
  • Bevorzugt sind die erste und/oder die zweite Antenne planar ausgebildet.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und zweite Antenne sowie die Überwachungseinheit und das Schaltelement in derselben Einheit, bevorzugt innerhalb desselben Gehäuses, angeordnet. Insbesondere sind die erste und zweite Antenne und das Schaltelement bevorzugt auf derselben Leiterplatte angeordnet. Hierdurch kann wiederum eine kompakte Ausbildung der Sicherheitsschaltvorrichtung gefördert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Antenne ausgebildet, Daten mittels Near Field Communication (NFC) und/oder Radio-Frequency Identification (RFID) zu empfangen. Bevorzugt weist die Überwachungseinheit eine mit der ersten Antenne verbundene Schnittstelle zur Kommunikation mittels NFC und/oder RFID auf. Die erste Antenne kann somit doppelt genutzt werden, zum einen zur Ermittlung des tatsächlichen Schaltzustandes des elektrischen Schaltelements bzw. von mehreren elektrischen Schaltelementen und zum anderen zur Datenkommunikation mittels NFC und/oder RFID. Die von der ersten Antenne empfangenen oder gesendeten Daten können mittels der Schnittstelle an die/von der Überwachungseinheit übertragen werden. Auf diese Weise kann die Überwachungseinheit beispielsweise Diagnose-/Statusdaten ausgeben oder Konfigurationsdaten empfangen. Somit wird auf einfache Weise eine Datenkommunikation mit der Sicherheitsschaltvorrichtung ermöglicht, wodurch die Sicherheitsschaltvorrichtung beispielsweise mittels eines Smartphones konfiguriert werden kann. Auch können dann mittels des Smartphones Daten ausgelesen werden, wodurch die Schaltzustände oder etwaige Fehler ermittelt werden können.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die erste Antenne ausgebildet sein, Testsignale mit einer Sendefrequenz im Bereich von 100 bis 500 kHz, bevorzugt von 100 bis 200 kHz auszusenden. Zudem kann die erste Antenne zur RFID-Kommunikation im Bereich der Langwelle bei 125 kHz, 134 kHz, 250 kHz, 375 kHz, 500 kHz, 625 kHz, 750 kHz und/oder 875 kHz ausgelegt sein. Die erste Antenne kann zudem weiterhin zur RFID-Kommunikation und/oder zur NFC-Kommunikation bei einer Frequenz von 13,56 MHz ausgebildet sein. Auch die Ermittlung der tatsächlichen Schaltzustände kann im Bereich von 13,56 MHz erfolgen, d.h. die Resonanzfrequenzen können in diesem Bereich liegen.
  • Die Resonanzfrequenzen können ebenfalls im Bereich zwischen 100 und 500 kHz, bevorzugt im Bereich zwischen 100 und 200 kHz, liegen. Insbesondere unterscheiden sich die beiden Resonanzfrequenzen desselben Schwingkreises (für geschlossenen und offenen Schaltzustand) um zumindest 20%, bevorzugt um zumindest 10%. Auf diese Weise ist eine sichere Unterscheidung der beiden Schaltzustände gewährleistet.
  • Weiterhin bevorzugt kann der Schaltzustand, insbesondere nur, im offenen Schaltzustand ermittelt werden. In diesem Schaltzustand spielen die geschalteten Frequenzen keine Rolle, so dass die mittels der Sicherheitsschaltvorrichtung geschalteten Frequenzen im selben Bereich liegen können wie die Frequenzen des Testsignals bzw. der Resonanzfrequenzen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein System, umfassend
    • zumindest eine Sicherheitsschaltvorrichtung der vorstehend erläuterten Art,
    • einen mit der Sicherheitsschaltvorrichtung elektrisch verbundenen Verbraucher, welcher nur dann mit elektrischer Energie versorgt wird, wenn das Schaltelement der Sicherheitsschaltvorrichtung den Schaltzustand geschlossen aufweist, und
    • einen mit der Sicherheitsschaltvorrichtung elektrisch verbundenen Notaus-Schalter, welcher von der Sicherheitsschaltvorrichtung ausgewertet wird, wobei die Sicherheitsschaltvorrichtung bei Betätigung des Notaus-Schalters das Schaltelement in den Schaltzustand offen bringt, um den Verbraucher abzuschalten.
  • Ob das Schaltelement wirklich in den offenen Schaltzustand übergegangen ist, wird dann von der Überwachungseinheit überprüft. Falls der tatsächliche Schaltzustand von dem gewünschten bzw. erwarteten Schaltzustand abweicht, kann ein Fehlersignal ausgegeben werden. Das Fehlersignal kann dann Bedienpersonal alarmieren oder eine übergeordnete Steuerung zur Abschaltung der gesamten Anlage, in welche der Verbraucher eingebaut ist, veranlassen. Auch die Sicherheitsschaltvorrichtung selbst kann das Fehlersignal zur Abschaltung nutzen.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 13.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels der ersten Antenne Diagnose-, Status- und/oder Konfigurationsdaten der Sicherheitsschaltvorrichtung empfangen und/oder gesendet, insbesondere per NFC und/oder RFID. Dabei beeinflussen die empfangenen Daten bevorzugt den Betrieb der Sicherheitsschaltvorrichtung. Die gesendeten Daten umfassen insbesondere Informationen über den Zustand der Sicherheitsschaltvorrichtung.
  • Die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung gelten für das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend. Dies gilt insbesondere hinsichtlich Vorteilen und bevorzugten Ausführungsformen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein System mit einer Sicherheitsschaltvorrichtung und einem elektrischen Verbraucher in schematischer Ansicht;
    Fig. 2
    eine erste Ausführungsform einer Sicherheitsschaltvorrichtung in schematischer Ansicht;
    Fig. 3
    eine zweite Ausführungsform einer Sicherheitsschaltvorrichtung in schematischer Ansicht; und
    Fig. 4
    eine Ausschnittsansicht einer Leiterplatte mit in zwei unterschiedlichen Layern angeordneten ersten und zweiten Antennen.
  • Fig. 1 zeigt ein System 10, welches eine Sicherheitsschaltvorrichtung 12 und einen elektrisch mit der Sicherheitsschaltvorrichtung 12 gekoppelten Verbraucher in Form eines Roboters 14 umfasst. Die elektrische Energie für den Betrieb des Roboters 14 stammt von einem Leistungstreiber 16.
  • In der Sicherheitsschaltvorrichtung 12 ist ein Schaltelement in Form eines Relais 18 angeordnet, wobei das Relais 18 im geschlossenen Schaltzustand einen Stromversorgungspfad 20 schließt, wodurch der Roboter 14 mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Leistungstreiber 16 ist Teil des Stromversorgungspfads 20. Befindet sich das Relais 18 im offenen Schaltzustand, ist der Stromversorgungspfad 20 unterbrochen, so dass kein geschlossener Stromkreis vorliegt, wodurch der Roboter 14 abgeschaltet wird.
  • In der Sicherheitsschaltvorrichtung 12 ist eine Überwachungseinheit 22 vorgesehen, welche mit einer ersten Antenne 24 elektrisch verbunden ist. Die erste Antenne 24 ist ausgebildet, ein Testsignal 26 an eine zweite Antenne 28 zu übertragen. Die zweite Antenne 28 ist wiederum mit dem Relais 18 elektrisch verbunden, wobei der Schaltzustand des Relais 18 das Testsignal 26 beeinflusst, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird.
  • Das Relais 18 wird von einer Steuereinheit 30 betätigt.
  • Die Überwachungseinheit 22 ermittelt den tatsächlichen Schaltzustand des Relais 18 und übermittelt den tatsächlichen Schaltzustand mittels einer Datenleitung 32 an die Steuereinheit 30.
  • Die erste Antenne 24 ist zudem für eine Kommunikation mittels Near Field Communication (NFC) 34 ausgebildet. Mittels der NFC-Kommunikation 34 kann die Überwachungseinheit 22 und/oder die Steuereinheit 30 beispielsweise mit einem in der Nähe befindlichen Smartphone 36 Daten austauschen.
  • Die Verschaltung innerhalb der Sicherheitsschaltvorrichtung 12 ist nun in den Fig. 2 und 3 an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, in welchem zwei Relais 18a und 18b in Serie geschaltet sind. Jedes der Relais 18a, 18b ist auf gleiche Weise in einen Schwingkreis 38 integriert bzw. an einen Schwingkreis 38 angeschlossen, so dass die nachfolgenden Ausführungen jeweils für alle Relais 18 gleichermaßen gelten.
  • Ein jeweiliger Schwingkreis 38 umfasst eine zweite Antenne 28, welche parallel zu einem ersten Kondensator 40 geschaltet ist. Die elektrischen Anschlüsse der zweiten Antenne 28 sind über einen zweiten und dritten Kondensator 42, 44 jeweils mit den elektrischen Anschlüssen des jeweiligen Relais 18a, 18b verbunden. Ist das jeweilige Relais 18a geöffnet, so umfasst der Schwingkreis 38 jeweils nur die zweite Antenne 28 und den ersten Kondensator 40. Ist das Relais 18 geschlossen, so umfasst der Schwingkreis zusätzlich noch den zweiten und dritten Kondensator 42, 44, wodurch sich die Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingkreises 38 ändert.
  • Die beiden zweiten Antennen 28 sind von einer einzigen ersten Antenne 24 umgeben. Mittels zweier Transistoren 46 und einer Spannungsquelle 48 wird mittels der ersten Antenne 24 das Testsignal 26 erzeugt. Die Transistoren 46 und die Spannungsquelle 48 können gemeinsam als Signalgenerator angesehen werden.
  • Die Amplitude des Testsignals 26 wird mittels eines Operationsverstärkers 50 gemessen. Anhand der Amplitude kann die von der ersten auf die zweite Antenne 24, 28 übertragene Energie gemessen werden, wobei festgestellt werden kann, welcher der Schwingkreise 38 sich momentan in welcher Resonanzfrequenz befindet. Hierzu wird ein Testsignal 26 erzeugt, welches zumindest vier verschiedene Sendefrequenzen umfasst, wobei die vier Sendefrequenzen den vier möglichen Resonanzfrequenzen der beiden Schwingkreise 38 entsprechen. Auf diese Weise kann für jedes Relais 18a, 18b separat festgestellt werden, in welchem Schaltzustand es sich befindet.
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei welcher die Sicherheitsschaltvorrichtung 12 zwei parallele Kanäle 52a, 52b umfasst. In jedem Kanal 52 sind zwei Relais 18a, 18b bzw. 18c, 18d in Reihe geschaltet. Jedes Relais 18a, 18b, 18c, 18d ist einem separaten Schwingkreis 38 zugeordnet. Die Ausführungsform von Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform von Fig. 2 dadurch, dass zwei erste Antennen 24 mit jeweils eigenem Signalgenerator vorgesehen sind. Die ersten Antennen 24 sind derart angeordnet, dass jeweils eine zweite Antenne 28 jedes Kanals 52 innerhalb der ersten Antenne 24 liegt und somit mittels der jeweiligen ersten Antenne 24 ausgewertet werden kann.
  • Zur Auswertung der Schaltzustände der Relais 18 werden mittels der jeweiligen ersten Antenne 24 wiederum zumindest vier verschiedene Sendefrequenzen innerhalb eines Testsignals ausgegeben, um den tatsächlichen Schaltzustand aller vier Relais 18a, 18b, 18c, 18d zu ermitteln.
  • Fig. 4 zeigt eine Leiterplatte 54, bei welcher die erste Antenne 24 auf einem oberen Layer 56 und jeweils eine zweite Antenne 28 auf dem oberen Layer 56 und auch auf einem unteren Layer 58 angeordnet sind. Die zweite Antenne 28 auf dem oberen Layer 56 ist von der ersten Antenne 28 umgeben. Die erste und zweite Antenne 24, 28 sind somit ortsfest zueinander angeordnet, wodurch Einflüsse aufgrund von variablen Antennenpositionen verhindert werden. Zudem erzielt die Verwendung von Antennen 24, 28 eine galvanische Trennung zwischen der Überwachungseinheit 22 und den Schwingkreisen 38.
  • Durch die erfindungsgemäße Ermittlung des tatsächlichen Schaltzustandes basierend auf Antennen wird eine einfache, berührungslose aber zuverlässige Ermittlung des tatsächlichen Schaltzustands gestattet. Überdies bietet sich der Vorteil, dass zusätzliche Funktionen, wie die Kommunikation mittels NFC, ohne großen Mehraufwand mit den bereits existierenden Antennen realisiert werden können.
    • Bezuqszeichenliste
    • 10
    System
    12
    Sicherheitsschaltvorrichtung
    14
    Roboter
    16
    Leistungstreiber
    18
    Relais
    20
    Stromversorgungspfad
    22
    Überwachungseinheit
    24
    erste Antenne
    26
    Testsignal
    28
    zweite Antenne
    30
    Steuereinheit
    32
    Datenleitung
    34
    NFC-Kommunikation
    36
    Smartphone
    38
    Schwingkreis
    40
    erster Kondensator
    42
    zweiter Kondensator
    44
    dritter Kondensator
    46
    Transistor
    48
    Spannungsquelle
    50
    Operationsverstärker
    52
    Kanal
    54
    Leiterplatte
    56
    oberes Layer
    58
    unteres Layer

Claims (14)

  1. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) zum Schalten eines an die Schaltvorrichtung (12) anschließbaren elektrischen Verbrauchers (14), insbesondere einer elektrischen Maschine, mit
    - einem elektrischen Schaltelement (18), welches die Schaltzustände geschlossen und offen aufweisen kann, um wahlweise ein Schließen oder ein Unterbrechen eines Stromversorgungspfades (20) des elektrischen Verbrauchers (14) zu bewirken,
    - einer Überwachungseinheit (22), welche einen tatsächlichen Schaltzustand des elektrischen Schaltelements (18) ermittelt, wobei die Überwachungseinheit (22) eine erste Antenne (24) umfasst, mittels welcher ein Testsignal (26) abgestrahlt wird,
    - einer zweiten Antenne, welche das Testsignal (26) empfängt, wobei die zweite Antenne (28) derart mit dem elektrischen Schaltelement (18) gekoppelt ist, dass der tatsächliche Schaltzustand des elektrischen Schaltelements (18) das Testsignal (26) beeinflusst, wobei die Überwachungseinheit (22) ausgebildet ist, aus dem beeinflussten Testsignal (26) den tatsächlichen Schaltzustand zu ermitteln,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Antenne (24) und die zweite Antenne (28) auf unterschiedlichen Lagen (56, 58) derselben Leiterplatte (54) angeordnet sind.
  2. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Antenne (24) und/oder die zweite Antenne (28) als Microstrip- oder Patch-Antennen ausgebildet sind.
  3. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste und zweite Antenne (28) gegeneinander isoliert und/oder galvanisch getrennt sind.
  4. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zweite Antenne (28) Teil eines Schwingkreises (38) ist, dessen Resonanzfrequenz vom tatsächlichen Schaltzustand des Schaltelements (18) abhängt,
    wobei der Schwingkreis (38) bevorzugt ein oder mehrere kapazitive oder induktive Zusatzbauelemente (42, 44) umfasst, welche bei geschlossenem Schaltelement (18) elektrisch in den Schwingkreis (38) eingekoppelt werden, um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (38) zu verändern.
  5. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Schwingkreis (38) bei geschlossenem Schaltelement (18) eine erste Resonanzfrequenz und bei offenem Schaltelement (18) eine zweite, andere, Resonanzfrequenz aufweist.
  6. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Testsignal (26) zumindest zwei verschiedene Sendefrequenzen umfasst, welche bevorzugt der ersten und/oder zweiten Resonanzfrequenz entsprechen.
  7. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Überwachungseinheit (22) ausgebildet ist, die mittels des Testsignals (26) von der ersten auf die zweite Antenne (24, 28) übertragene Leistung zu messen, wobei aufgrund der übertragenen Leistung der tatsächliche Schaltzustand ermittelt wird.
  8. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet, durch
    ein oder mehrere zusätzliche elektrische Schaltelemente (18), wobei der tatsächliche Schaltzustand des oder der zusätzlichen Schaltelemente (18) das Testsignal (26) beeinflusst, wobei bevorzugt zumindest eines der zusätzlichen elektrischen Schaltelemente (18) mit jeweils einem zusätzlichen Schwingkreis (38) gekoppelt ist, dessen Resonanzfrequenz vom tatsächlichen Schaltzustand des zusätzlichen elektrischen Schaltelements (18) abhängt, wobei die Resonanzfrequenz oder die Resonanzfrequenzen des zusätzlichen Schwingkreises (38) sich bevorzugt von der Resonanzfrequenz oder den Resonanzfrequenzen des Schwingkreises (38) unterscheiden.
  9. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Antenne (24) einen Flächenbereich aufspannt, innerhalb dessen die zweite Antenne (28) angeordnet ist.
  10. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste und zweite Antenne (28), die Überwachungseinheit (22) und das Schaltelement (18) in derselben Einheit, bevorzugt innerhalb desselben Gehäuses, angeordnet sind, wobei die erste und zweite Antenne (28) und das Schaltelement (18) bevorzugt auf derselben Leiterplatte angeordnet sind.
  11. Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Antenne (24) ausgebildet ist, Daten mittels Near Field Communication, NFC, und/oder Radio-Frequency Identification, RFID, zu empfangen, wobei die Überwachungseinheit (22) eine Schnittstelle zur Kommunikation mittels NFC und/oder RFID aufweist.
  12. System (10) umfassend
    - zumindest eine Sicherheitsschaltvorrichtung (12) gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    - einen mit der Sicherheitsschaltvorrichtung (12) elektrisch verbundenen Verbraucher (14), welcher nur dann mit elektrischer Energie versorgt wird, wenn das Schaltelement (18) der Sicherheitsschaltvorrichtung (12) den Schaltzustand geschlossen aufweist, und
    - einen mit der Sicherheitsschaltvorrichtung (12) elektrisch verbundenen Sicherheitssensor, insbesondere einen Notaus-Schalter, welcher von der Sicherheitsschaltvorrichtung (12) ausgewertet wird, wobei die Sicherheitsschaltvorrichtung (12) beim Auslösen des Sicherheitssensors das Schaltelement (18) in den Schaltzustand offen bringt, um den Verbraucher (14) abzuschalten.
  13. Verfahren zum Erkennen eines fehlerhaften Schaltzustands einer Sicherheitsschaltvorrichtung (12) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei
    - mittels der ersten Antenne (24) ein Testsignal (26) abgestrahlt wird, welches von der zweiten Antenne (28) empfangen wird, wobei die zweite Antenne (28) derart mit dem elektrischen Schaltelement (18) der Sicherheitsschaltvorrichtung (12) gekoppelt ist, dass der tatsächliche Schaltzustand des elektrischen Schaltelements (18) das Testsignal (26) beeinflusst, und
    - anhand des Testsignals (26) ein fehlerhafter Schaltzustand des Schaltelements (18) erkannt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mittels der ersten Antenne Diagnose-, Status- und/oder Konfigurationsdaten der Sicherheitsschaltvorrichtung (12) empfangen und/oder gesendet werden, insbesondere per NFC und/oder RFID, wobei die empfangenen Daten den Betrieb der Sicherheitsschaltvorrichtung (12) bevorzugt beeinflussen und die gesendeten Daten insbesondere Informationen über den Zustand der Sicherheitsschaltvorrichtung (12) umfassen.
EP18213553.3A 2018-12-18 2018-12-18 Sicherheitsschaltvorrichtung Active EP3671797B1 (de)

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