SE464490B - Ingaangssteg foer foermedling av elektriska tillstaandssignaler och anvaendning av detsamma - Google Patents

Description

464 490 2 systemfel. Ofta anordnas därför ingångssteget till övervakningsenheten på sådant sätt, att det skapar eller åtminstone behandlar testsignaler. Vid avkänning av dessa testsignaler, vilka vanligtvis också passerar genom signaleringsanordningen, kan övervakningsenheten bestämma signaleringsanordningens tillstånd och upptäcka eventuella fel i denna och ibland även i anslutningskablar.

Det europeiska patentet EP 0 071 946 A2 beskriver en övervakningsanordning som arbetar enligt den nyssnämnda principen. Två i motfas alstrade fyrkantssignaler alstras.

Den första signalen överförs till en strömbrytare, vilken utgör systemets signaleringsanordning, och den andra signalen överförs över ett motstånd till ingången hos en avkännings- enhet. Strömbrytaren kan intar ett tillstånd a och ett tillstånd b. När strömbrytaren är i tillståndet a sluts en krets via en framspånd diod så att även den första signalen når fram till avkänningsenhetens ingång, varvid avkännings- enheten avkänner en kontinuerligt hög ingångssignal. När strömbrytaren är i tillståndet b spärras den första signalen av en backspänd diod, varvid avkänningsenheten avkänner en kontinuerligt låg ingångssignal. Vid kortslutning i anslut- ningskabeln till strömbrytaren avkänner avkänningsenheten en växlande ingångssignal.

Den beskrivna anordningen kan därför avkânna såväl strömbrytarens tillstånd som fel i kabeln; den kan däremot inte med säkerhet upptäcka fel i själva dess centrala del, vilken motsvarar ett ingångssteg. Det enklaste exemplet på detta är att om ledningen till avkänningsenhetens ingång skulle lossna eller kortslutas skulle avkänningsenheten alltid uppfatta en kontinuerligt låg signal även om strömbrytaren är i tillståndet a. Ett annat exempel är vid avbrott i motståndet: om strömbrytaren är i tillståndet b kommer inte detta komponentfel att upptäckas. Ytterligare en nackdel med denna anordning är att två aktiva komponenter (dioderna) måste inrättas i serie med och vid själva strömbrytaren för att upptäcka kortslutning i kabeln och andra fel.

Säkerhetsanordningar såsom nödstoppskretar realiseras också enligt den kända tekniken genom dubblerade, övervakade 464 490 reläer med tvàngsstyrda kontakttungor. I industrier med många arbetsområden och zonuppdelade arbetsstationer utgör därför säkerhetskretsarna en stor kostnad och leder till en komplexitetsnivå som inte är godtagbar. 3 Tekniska problemet: Ett syfte med denna uppfinning är att åstadkomma ett ingångssteg som behöver endast ett fåtal komponenter för säker förmedling av tillstândssignaler till och från signaleringsanordningen, varvid fel även i ingångsstegets komponenter med säkerhet kan upptäckas, så att risken för felaktiga signaler till övervakningsenheten undanröjs.

Ett annat syfte med uppfinningen är att enkelt, snabbt, och säkert kunna övervaka flera signaleringsanordningar med en enda övervakningsenhet.

Lösningen: Syftena uppnås genom att utföra ingàngssteget med de i efterföljande patentkrav 1 angivna kännetecken, samt genom en användning som finns angiven i patentkrav 8..

Figurbeskrivning: Fig. 1 ett ett blockschem över ingàngsteget enligt uppfinningen, samt över en signaleringsanordning, en övervak- ningsenhet, och ett utgàngssteg.

Beskrivning av föredragna utföringsformer: Ett exempel pà en fördelaktig utföringsform av ingàngs- steget enligt uppfinningen illustreras i Fig. 1. Ingångs- steget betecknas allmänt med referensnumret 10. En processor l2[ vilken utgör en överordnad övervakningsenhet, är inrättad för att avkänna tillståndet hos en signaleringsanordning 14.

Processorn 12 består företrädesvis av en mikroprocessor. I det visade utföringsexemplet är signaleringsanordningen av typen som ofta förekommer i nödstoppsanordningar, nämligen, en med en utlösnings- eller nödstoppsknapp 16, som är mekaniskt kopplad till ett par strömbrytare S1 och S2.

I Fig. 1 visas strömbrytarna S1, S2 i ett slutet till- stånd; genom att trycka pà knappen 16 öppnas strömbrytarna. 464 490 4 Såsom kommer att framgå nedan kan förhållandet även vara det omvända, nämligen, att strömbrytarna sluts när knappen 16 trycks. Knappen och strömbrytarna kan även ersättas med ett relä eller annan elektrisk eller elektromekanisk kontakt- anordning. Att anordna sådana strömbrytare som S1 och S2 är välkänt inom tekniken och beskrivs därför inte i mer detalj.

Det är dessutom inte nödvändigt att anordna två strömbrytare, utan enbart S1 eller S2 vore i princip tillräcklig för att man skall kunna utnyttja uppfinningens fördelar; dubbla strömbrytare som i det visade exemplet erfordras dock ofta enligt industrisäkerhetsbestämmelser.

Ett valfritt utgângssteg 18 visas, endast för fullstän- dighetens skull, kopplat till processorn 12. Exempelvis i ett nödstoppssystem, när signaleringsanordningen aktiveras och en giltig aktiveringssignal avkänns av processorn, alstrar processorn utsignaler, vilka testas och avkodas av utgángssteget 18 för att påverka, t ex, stoppa, någon efterföljande anordning (ej visad), t ex, en växeldrivmotor.

Denna uppfinning hänför sig inte till sådan samordning mellan en processor och ett utgângssteg; i stället avser uppfinningen en förbättring av säkerheten i förbindelsen mellan signaleringsanordningen 14 och processorn 12.

Ingångssteget 10 innefattar en signalutmatningsenhet, företrädesvis en första latch L1, och en signalinmatnings- enhet, företrädesvis en andra latch L2. Latcharna Ll och L2 är förbundna på ett konventionellt sätt med datain- och utgångar Dn hos processorn 12 över en digital tvåvägsbus BUS.

Den första latchen Ll har två digitala utgångar P1 och P2, och den andra latchen L2 har två digitala ingångar I1 och I2.

Varje ingång och utgång kan inta antingen ett logiskt högt värde ("1") eller en logiskt lågt värde ("0") under kontroll av processorn 12. När den första latchen L1 adresseras av processorn, exempelvis via bussen BUS eller via en särskild, icke visad adressbuss, tar latchen L1 emot en första och en andra databit, vars värden hålles vid utgångarna P1 resp. P2 till dess att processorn återigen adresserar latchen och ändra dess utgångsvârden.

På samma sätt bibehåller ingångarna Il och I2 hos den andra latchen L2 sina värden till dess att L2, under kontroll 464 490 5 av processorn, öppnar sina ingångar för att ta in nya signaler från de till ingângarna kopplade elektriska ledningarna. Uppbyggnaden och arbetssättet för latchar, samt samordningen mellan latchar och en överordnad mikroprocessor, är välkända inom digitaltekniken och beskrivs därför inte mer ingående.

I de flesta industriella säkerhetskretsar används en högre spänning över signaleringsanordningens strömbrytare än den vanliga matningsspänningen för digitala komponenter såsom mikroprocessorn 12 och latcharna L1 och L2. I en praktisk tillämpning av denna uppfinning var matningsspänningen till de digitala komponenterna +5 V, medan spänningsnivàn vid signaleringsanordingen låg på ungefär +24 V. På grund av denna spänningsskillnad, men även på grund av den vanliga känsligheten hos in- och utgångarna i digitala komponenter, anordnas därför företrädesvis anpassnings- och skyddselement mellan latcharna L1, L2 och signaleringsanordningen 14.

I det visade utföringsexemplet antas att matningsspän- ningen, exempelvis +5 V, för de digitala komponenterna är lägre än en signalsspänning Us, vilken matas fram till signaleringsanordningen 14. För att omvandla logist höga värden vid utgången P1 till spänningsnivàn Us är därför utgången P1 ansluten till tilledningen till signal- eringsanordningen 14 (närmare bestämt, till ena kontaktpunkten hos strömbrytaren S1) över ett första anpassningselement Kl och ett därtill hörande första motstånd R1. När utgången P1 har sitt logiskt låga värde är utspänningen från Kl också ungefär lika med 0 V. På liknande sätt är den andra utgången P2 ansluten till frånledningen från signaleringsanordningen 14 över ett andra anpassningselement K2 och ett därtill hörande andra motstånd R2.

Till- resp. frånledningen mellan signaleringanordningen 14 och ingångssteget 10 innefattas företrädesvis i en standard anslutningskabel. Anslutningspunkten mellan kabeln och signaleringsanordningen 14 (strömbrytaren S1) bildar därvid en ingång för signaleringsanordningen, och anslut- ningspunkten mellan kabeln och signaleringsanordningen 14 (strömbrytaren S2) utgör en utgång. 464 490 6 Anpassningselementen Kl, K2 består företrädesvis av välkända enkla, s k "pull-up" förstärkare med högimpedanta utgångar. Flera sådana förstärkare brukar finnas i en enda standardkapsel, så att både Kl och K2 i de allra flesta fall utgörs av en del av en enda integrerad krets med en gemensam matningsspänningsledning; två sådana matningsspänningsled- ningar visas i Fig. l endast för klarhets skull.

Den första stömbrytaren S1 är också ansluten över ett tredje motstånd R3 till den första ingången Il hos den andra latchen L2. Den andra strömbrytaren S2 är på liknade sätt ansluten över ett fjärde motstånd R4 till den andra ingången I2 hos den andra latchen L2. Den första ingången Il är dessutom jordad över ett första resistivt element Zl och den andra ingången I2 är jordad över ett andra resistivt element Z2. Det tredje motståndet R3 och det första resistiva elementet Zl samarbetar för att anpassa spänningen i tilled- ningen till strömbrytaren Sl till den vanligtvis lägre digitala nivån. I praktiska tillämpningar där Us är exempel- vis +24 V, medan inspänningen till standardlatchen I2 helst skall vara mindre än +5 V, bör motståndet Rl inte anslutas direkt till ingången Il. Den andra ingången I2 måste likaledes skyddas mot för hög ingångspänning.

Genom att välja Zl såsom ett enkelt motstånd med lämpligt värde bildar R3 och Zl en vanlig spänningsdelare, så att spänningen över Zl (i punkten C) aldrig överstiger den för ingången Il högst tillåtna spänningen, men är tillräckligt hög för att ett högt värde vid utgången från det första anpassningselementet Kl blir ett logist högt värde vid ingången Il. Alternativt kan Zl utgöras av en zenerdiod med en lämplig genombrottsspänning. I en prototyp användes en 3,9 V åenerdiod där Us = 24 V och den digitala matningsspänningen var +5 V; motståndet R3 utgjorde i detta fall ett strömbegränsningsmotstånd på 2,4 k0hm. Motståndet R4 och det andra resistiva elementet Z2 väljs på samma sätt för att anpassa spänningen vid ingången I2.

Det visade utföringsexemplet inkluderar också en diod Dl, som är seriekopplad med signaleringsanordningens 14 strömbrytare Sl och S2. Dioden Dl är framspänd så att ström kan flyta från punkten A, över S1, genom Dl, över S2 och fram 464 490 7 till den andra ingången I2, när strömbrytarna S1 och S2 år slutna. Syftet med denna valfria diod D1 förklaras nedan.

Arbetssättet för ingångssteget enligt uppfinningen skall nu förklaras. För enkelhets skulla antas följande konvention: Uttrycket AB=01 betyder exempelvis att spänningen i punkten A (och även värdet hos utgången P1) är "låg" medan spänningen i punkten B (och även värdet hos utgången P2) är "hög". På motsvarande sätt betyder exempelvis uttrycket CD=11 att båda ingångar I1, I2 är logiskt "höga".

Ett normaltillstånd definieras som AB=10. Detta innebär att processorn 12 adresserar den första latchen L1 och överför via bussen BUS digitala signaler så att P1 bibehåller sitt logiskt höga värde medan P2 bibehåller sitt logiskt låga värde. Antag nu inget fel föreligger någonstans i systemet, och att strömbrytarna S1, S2 är slutna. Bortsett från försumbara spänningsfall över mellanliggande motstånd, dioden D1, och anslutningskabeln mellan ingångssteget 10 och signaleringsanordningen 14, blir då CD=11. Detta innebär i sin tur att när processorn 12 adresserar och avläser den andra latchen L2 kommer den att uppfatta båda ingångar Il, I2 såsom logiskt höga.

Om i stället S1 och S2 öppnas är punkten D ej längre elektriskt förbunden med punkten A, så att CD=10. Det är fördelaktigt om öppna strömbrytare S1, S2 indikerar aktivering av signaleringsanordningen (t ex begärt nödstopp): om öppna kontakter indikera det normala tillståndet skulle även en helt avbruten anslutningskabel kunna uppfattas såsom normalt. Genom att avkänna att CD=l1 slår om till CD=10 kan därför processorn 12 entydigt bestämma tillståndet hos signaleringsanordningen 14.

Antag nu i stället att processorn adresserar den första latchen L1 för att låta latcha AB=11. Om inga fel finns i ingångssteget 10 blir CD=11 när AB=11. Om däremot någon komponent i ingångssteget blir kortsluten till jord kommer antingen C=0 och/eller D=O vid avläsning av den andra latchen L2; detta förhållande indikerar alltså ett fel i ingångs- steget, och processorn kan då utföra en förutbestämd rutin, vilken oftast är lika med rutinen vid aktivering av signal- 464 490 8 eringsanordningen, t ex nödstopp. Även avbrott i bussen BUS kan upptäckas med den begärda signalkombination AB=l1 eftersom denna kombination alltid skall leda till CD=11, och en avbruten eller kortsluten bussledning skulle ge antingen C=0 och/eller D=0.

Om processorn adressear L2 för att låta latcha AB=00, men någon komponent i ingàngssteget 10 är kortsluten till en positiv spänning, t ex signalspänningen Us, kommer C=1 och/eller D=1. Detta förhållande avkänns och tolkas som ovan såsom ett systemfel. Detta blir även förhållandet om någon ledning i anslutningskabeln mellan signaleringsanordningen *r och ingángssteget, eller någon ledning i bussen, kortsluts till en positiv spänning.

Antag att AB=O1. Först skall observeras att den höga spänningsnivân i punkten B, på grund av dioden D1, inte kan höja spänningen i punkten C till ett logiskt högt värde, förutsatt att inga fel föreligger i systemet. Om ledningarna i anslutningskabeln mellan ingàngssteget 10 och signalerings- anordningen 14 däremot skulle bli kortslutna (dvs kabelkort- slutning, exempelvis till följd av blixtnedslag) kan inte dioden D1 avskârma punkten C från punkten B. Vid kortslutning i kabeln blir därför CD=ll när AB=0l.

Genom att cykla igenom alla fyra permutationer av AB (dvs AB=00, 01, 10 och 11) kan processorn därför inte endast entydigt avgöra tillståndet hos signaleringsanordningen 14 i normalfallet utan kan även upptäcka när fel uppstår i såväl ingångssteget som i ledningarna till och från ingàngssteget.

Signaltillstånden i för de flesta av de ovan beskrivna fallen sammanfattas i följande tabell: S1/Sg Kabel Kortslutning till Slutna Oppna kortsluten externt Us A B C D C D C D C D 5 O 0 O 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 V 1 O 1 1 1 O 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 1 1 1 1 Förhållandena vid andra typer av fel, t ex kortslutning till jord av någon komponent eller ledning, har beskrivits ovan. 464 490 9 Ingângssteget enligt uppfinningen kan med fördel tillämpas i system där fler än en signaleringsanordning måste övervakas. För varje signaleringsanordning inrättas då ett ingångssteg som det ovan beskrivna ingàngssteget 10.

Observera att om in- och utmatningsenheterna Ll och L2 är exempelvis åttabitarskomponenter kan t o m fyra signalerings- anordningar 14 förses med var sitt ingångssteg utan att antalet komponenter nödvändigtvis behöver fyrdubblas. Pà marknaden befintliga latchar, vilka ofta tillverkas i PLC- teknologi, kan vanligtvis latcha åtminstone åtta databitar, och ibland även sextom eller fler. Flera "pull-up" element såsom anpassningsenheterna Kl, K2 förpackas också vanligtvis i en enda kapsel. Eftersom endast två latchutgângar och tvâ latchingångar behövs för varje signaleringsanordning kan därför en latch utnyttjas för fyra ingångssteg. Inmatning av data till och utläsning av data från latcharna sker ocksâ snabbt eftersom den vanligaste databussen innefattar åtmin- stone átta dataledningar.

Antag att processorn skall övervaka sexton olika nöd- stoppsanordningar. Det är därvid ofta viktigast att avgöra om en användare har begärt nödstopp genom att trycka på någon nödstoppsknapp 16; nödstoppsfunktionen måste definitions- mässigt utföras snarast möjligt, medan systemfel är sällsynta och innebär sällan samma omedelbara fara. Varje krets kan då testas genom att lägga ut AB=10 (normalfallet) och den motsvarande signalinmatningsenheten L2 kan då avkännas med en cykeltid på exempelvis l0ms. Genom att ändra AB- kombinationen från normaltillstândet AB=10 till någon feltestkombination (AB= 00, 01, ll) för endast ett av de sexton ingàngsstegen under varje cykel kommer alltid femton ingångssteg att befinna sig i normaltillstândet under varje avläsningscykel, och inget steg skulle befinna sig i ett feltesttillstànd längre än under en cykel i taget, medan samtliga 64 (= 16 x 4) tillstånd testas sekventiellt. Det är naturligtvis också möjligt att cykla igenom alla tillstånd för ett ingångssteg, och sedan cykla igenom alla tillstànd för nästa ingångssteg, o s v, om avläsningsfrekvensen för normaltillstánden inte behöver maximeras. Andra 464 490 10 avläsningssekvenser är också tänkbara, och är välkända inom tekniken.

Det skall observeras att även kortslutning mellan kablarna till olika signaleringsanordningar kan upptäckas enligt uppfinningen eftersom varje sådan kortslutning kommer att ge en felaktig CD-kombination för någon AB-kombination.

Eftersom samtliga AB-kombinationer genomlöps med en förutbe- stämd frekvens enligt uppfinningen kommer felet senast att upptäckas inom en genomloppsperiod.

Flera alternativ till den visade utföringsformen har beskrivits ovan, men även andra är tänkbara. Om till exempel signaleringsanordningen arbetar med samma spänning som ut- och inmatningsenheterna L1 resp L2 kan motstánden Rl-R4, samt anpassningsenheterna Kl, K2 utelämnas. Om det inte anses nödvändigt att testa för kabelkortslutning kan även dioden Dl utelämnas.

Det är inte nödvändigt att anordna latcharna L1 och L2 som skilda enheter, utan dessa skulle även kunna bestå av delar (dvs bestämda digitala bitar) av en integrerad PLC- krets, eller av en programmerbar s k "peripheral interface adapter" (PIA). Arbetsprincipen förblir dock densamma: avkänning av signaleringsanordningens tillstànd, samt av ev systemfel, genom att använda ett par utsända digitala signaler (AB) och jämförelse med ett par mottagna digitala signaler (CD).

Det har antagits ovan att normaltillstándet definieras såsom AB=10. Av ovan beskrivna skäl är detta det fördelakt- igaste valet när strömbrytarna S1, S2 är slutna i utgàngstillstàndet, d v s, det icke aktiverade tillståndet, och är ett fördelaktigt val även när S1 och S2 vanligtvis hålls öppna. Andra kombinationer av AB kan dock väljas om andra kontaktlägen för S1 och S2 definierar utgàngstillstàn- det.

Claims (8)

464 490 11 PATENTKRAV

1. Ingàngssteg (10) för förmedling av elektriska till- ståndssignaler från en signaleringsanordning (14) till en övervakande processor (12) i ett säkerhetssystem, varvid nämnda signaleringsanordning är förbunden med ingángsteget medelst en tilledning till en anslutningsingång och en fràn- ledning från en anslutningsutgång, och innefattar en strömställare (51, 52) som kan ihopkoppla ledningarna, eventuellt via en diod (D1), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att ingàngssteget inkluderar: en utmatningsanordning (Ll) för generering under kontroll av nämnda processor av en första binär utsignal vid en första utgång (P1) och en andra binär utsignal vid en andra utgång (P2): en inmatningsanordning (L2) för mottagning och förmedling till nämnda processor av en första binär insignal (C) vid en första ingång (Il) och en andra binär insignal (D) vid en andra ingång (12): att den första utgången (P1) är elektriskt förbunden med tilledningen och med den första ingången (I1); att den andra utgången (P2) är elektriskt förbunden med frånledningen och med den andra ingången (I2); och att utmatningsanordningen (Ll) kan anta alla fyra permutationer av första och andra binära utsignaler A, B varvid processorn (12) avgör tillståndet för strömställaren (S1, S2) och kan upptäcka alla fel i ledningarna och ingångssteget ur kombinationerna av de första och andra binära insignalerna (C, D).

2. Ingàngssteg enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att utmatningsanordningen (Ll) och inmatningsanordningen (L2) består av digitala latchkretsar. 464 490 12

3. Ingångssteg enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att ingångssteget (10) är elektriskt förbundet med processorn (12) medelst en digital buss (BUS).

4. Ingångssteg enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att den första utgången (P1) är elektriskt förbundna med tilledningen och med den första ingången (I1) över en första spänningsanpassningsanordning (K1); och att den andra utgången (P2) är elektriskt förbundna med frånledningen och med den andra ingången (I2) över en andra spänningsanpassningsanordning (K2).

5. Ingångssteg enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att den första utgången (P1) och tilledningen till signaleringsanordningen (14) är elektriskt förbundna med den första ingången över en första spänningsminskningsanordning (R3, 21); och att den andra utgången (P2) och frånledningen från signaleringsanordningen (14) är elektriskt förbundna den andra ingången över en andra spånningsminskningsanordning (R4, Z2).

6. Ingångssteg enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att den första och den andra spänningsminskningsanordningen vardera består av ett par elektriska motstånd för att bilda en spänningsdelare.

7.' Ingångssteg enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att den första och den andra spänningsminskningsanordningen vardera består av en seriekoppling av ett motstånd (R3 resp R4) och en till jorden ansluten zenerdiod.

8. Användning av ingångssteg enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att det ingår i ett system innefattande ett flertal signaleringsanordningar (14) 464 490 13 och, för varje signaleringsanordning (14), ett motsvarande ingángssteg (10).