WO2004059677A1 - Anordnung aus einer sicherheits-schaltvorrichtung und einer vorrichtung zum selbsttätigen prüfen der funktionsfähigkeit der sicherheit-schaltvorrichtung - Google Patents

Anordnung aus einer sicherheits-schaltvorrichtung und einer vorrichtung zum selbsttätigen prüfen der funktionsfähigkeit der sicherheit-schaltvorrichtung Download PDF

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WO2004059677A1
WO2004059677A1 PCT/DK2003/000874 DK0300874W WO2004059677A1 WO 2004059677 A1 WO2004059677 A1 WO 2004059677A1 DK 0300874 W DK0300874 W DK 0300874W WO 2004059677 A1 WO2004059677 A1 WO 2004059677A1
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safety
switching
test
microprocessor
switching device
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Application number
PCT/DK2003/000874
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Inventor
Andreas Faaborg
Allan Thams
Michael Sachmann
Original Assignee
Danfoss Drives A/S
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits

Definitions

  • the invention relates to an arrangement comprising a safety switching device, by means of which, depending on a switch-off signal from a monitoring device in the event of danger or for safety reasons, the operation of a consumer, in particular a motor, can be switched off, and from a device for automatically checking the functionality of the device Safety switching device.
  • the safety switching device consists of a series connection of two transistors, a relay and a mechanical switch.
  • the test circuit attempts to control the transistors.
  • the test circuit monitors the potential of the connection between the transistors. If one transistor is shorted, the other transistor is not turned on, so the relay does not pick up and the regulator's electronic circuitry remains off. However, if the transistors are both turned on, no further testing of the operability of the transistors can be made during the passage of current through the transistors and the relay.
  • the invention has for its object to provide an arrangement of the type mentioned, in which the functionality of the switching device can also be checked during the operation of the consumer.
  • this object is achieved in that the safety switching device has a first controllable circuit and a second controllable circuit, the output connections of which are connected to one another and form the output of the safety switching device, that the first circuit cyclically has a first test switching pulse and the second Circuit cyclically a second, compared to the first time-shifted test switching pulse can be supplied in such a way that the circuits are designed in such a way that the output voltage of the safety switching device fluctuates with an amplitude upon receipt of the time-shifted test switching pulses, which amplitude differs from the amplitude of the output voltage while receiving test switching pulses deviates, and that the safety switching device causes a shutdown of the consumer while receiving the test switching pulses.
  • both circuits are functional with this solution, only a fluctuation in the output voltage occurs when the test switching pulses are applied at different times.
  • the output voltage is changed greatly with each test switching pulse supplied to the other circuit, which is recognized as a fault in the one circuit. If both circuits are functional because the output voltage fluctuates, by simultaneously supplying the test switching pulses to both circuits, the output voltage can be switched off as a function of a switch-off signal from the monitoring device, so that the operation of the consumer is interrupted.
  • the output voltage of the safety switching device can be fed to a sensor by means of which a signal "no error" can be triggered when a fluctuating output voltage is received due to the time-shifted test switching pulses.
  • the output voltage is preferably constant in the normal case, ie without being subjected to test switching pulses, the test switching pulses cause lowering of the output voltage so that it fluctuates only slightly when the safety switching device is free of errors.
  • the output voltage can be the operating voltage of a driver for switching pulses of semiconductor switching elements in the circuit of an electric motor. This would then be switched off with simultaneous supply of test switching pulses to the two circuits as a function of a switch-off signal.
  • Each circuit preferably includes a transistor and at least one resistor in series. If the connections between the respective resistor and transistor are then used as the output connection of the respective circuit, the output voltage is at its highest in the normal state in which both transistors are conductive, because then both transistors are connected in parallel between the operating voltage and the consumer. If the two transistors are then alternately blocked by the test switching pulses, provided that they are functional, the output voltage decreases only slightly with each test switching pulse, which is recognized as being free from errors. However, if a transistor is always conductive due to a defect, the curve shape changes so that this is a fault in the first circuit, i.e. whose
  • the resistors can preferably be set automatically as a function of the consumer current to a value adapted to the consumer current. This means that there is no need to adapt the resistors to the respective nominal consumer current.
  • test device can have a microprocessor, through which the test switching pulses can be fed to the safety switching device and via which the circuits can be controlled by the monitoring device.
  • Microprocessor can be easily programmed to the recognizes different voltages in the event of a fault or in the absence of faults in the circuits and forwards the desired shutdown signal while simultaneously issuing the test switching pulses and consequently low output voltage.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a motor control according to the invention for an electric motor with a safety device according to the invention
  • FIG. 2 shows a modification of the safety device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a further modification of the safety device according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a third modification of the safety device according to FIG. 1,
  • FIG. 5 shows a fourth modification of the safety device according to FIG. 1,
  • Fig. 6 shows an inventive device for automatically checking the
  • FIG. 7 shows a modification of the test device according to FIG. 6 with an associated pulse diagram
  • 8 is a generalized block diagram of the test device according to FIGS. 6 and 7 with associated pulse diagrams
  • FIG. 9 shows a circuit diagram of a modified test device according to the invention for the operability of inputs and outputs of one of the safety switching devices shown in FIG. 5 with associated pulse diagrams,
  • FIG. 10 shows a circuit diagram of a further modification of a device for checking the functionality of a safety switching device with associated pulse diagrams
  • FIG. 11 is a circuit diagram of a further device according to the invention for
  • Fig. 12 shows schematically an electric motor with an inventive
  • the safety device 1 contains a safety device 4, which is connected to a control device 2, here a converter, and to which a user-side, external, i.e. arranged outside the engine control 1, safety and monitoring circuit 5 is connected.
  • the control device 2 is assigned to the motor 3 and contains a low-current control unit 6 on a card 7 (circuit board) - also called “control card” - and a high-current control unit 8 (also called “power control unit”) on a high-voltage current - Control card 9 (also called “performance control card”).
  • the low-current control unit 6 contains a digital signal processor (DSP) 10, which has a pulse duration modulator (PDM) 11 and is connected to a Kroprocessor ( ⁇ P) 12 communicates via the connection shown as a double arrow.
  • DSP digital signal processor
  • PDM pulse duration modulator
  • ⁇ P Kroprocessor
  • the switching pulse driver 14 contains isolating transformers for a safe, potential-free connection of the low-voltage or low-voltage side to the high-voltage or high-voltage side.
  • the switching pulses are generated by the digital signal processor 10 in connection with the microprocessor 12 and modulated in their duration by the pulse duration modulator 11 so that the motor 3 receives an approximately sinusoidal three-phase current as the operating current, the frequency of which corresponds to the setpoint value of the speed equivalent.
  • the microprocessor 12 provides, among other things. furthermore that a device or a system, for example a pump or an elevator, is driven at the required speed in accordance with the load requirements.
  • the digital signal processor 10 controls i.a. the pulse duration modulation carried out by the pulse duration modulator 11.
  • a further microprocessor 15 is attached to the card 9.
  • the functionality check essentially consists in determining whether a stop signal or stop command signal, when the motor 3 is ultimately to stop when it is supplied from the external safety and monitoring circuit 5, does not actually start again was effective. If the motor 3 does not stop after a stop command signal has been given or if no stop activities are started in the motor control, the microprocessor 15 supplies the microprocessor 12 with a stop signal via a bus connection 16, which is signaled by the microprocessor 12 and the digital signal processor 10 is executed.
  • the safety device 4 contains, on a card 18, also called an “option card”, a safety switching device 19 with a relay 20, transistors 21 and 22 and a delay device comprising two delay elements 23 and 24, the delay time of which can be set by means of setting devices 25 and 26 is.
  • the relay 20 has three contacts 27, 28 and 29, which are shown here in the de-energized state of the coil 30 of the relay.
  • the contact 27 is connected to the microprocessor 15 via lines 31, 32.
  • the contact 29 is in the operating circuit 33 of the switching pulse driver 14.
  • the contact 28 is connected via connections 34 of a terminal block 35 on the card 18 with a test voltage via the safety and monitoring circuit 5, which e.g. is arranged in a control cabinet 17 connected.
  • the transistor 21 is in series with the coil 30 of the relay 20 at an operating voltage UBI of, for example, 24 V and is above
  • a switch 40 in the safety and monitoring circuit 5 which can be actuated to trigger a normal stop signal for stopping the motor 3 is connected via a line 41 and a “ramp generator input” connection on the card 7 to a ramp generator in the microprocessor 12 connected.
  • a sensor 48 for measuring the (subsequent) frequency of the switching pulses supplied to the switching pulse driver 14 is connected to a connection 47 of the pulse duration modulator 11 with the switching pulse driver 14 as a measure of the speed of the motor 3.
  • the frequency measurement signal is fed to a further input of the microprocessor 15 via a line 49.
  • the cards 7 and 18 and their circuit arrangements mounted thereon are connected by a connector 50, here a plug connector, which has connections a, b, c ... g, the connecting lines 31, 32, 33, 37 being outside to simplify the illustration of connector 50 are shown.
  • a plug connector 50 the connection of the cards 7 and 18 can also be established by means of a cable provided with plug contacts at its ends, in particular a flat cable, between receiving contacts on the cards 7 and 18.
  • the cards 7 and 9 or the circuit arrangements mounted on them can be connected by a connector, such as the connector 50, or a plug connection cable.
  • the circuit arrangements arranged on the cards 7 and 9 can also be arranged together on a single card (circuit board), so that a connector for connecting the cards 7 and 9 can be omitted.
  • the entire circuit arrangement on cards 7 and 9 is designed in such a way that, when card 18 is not connected, it acts as a normal motor control, here as a converter, without a safety function. If, on the other hand, the card 18 is connected, which is preferably provided from the factory, but is also possible by retrofitting, the function of the motor controller 1 or the converter changes from a "normal function” to one with a "safety function” in the present case Fall into the "safe stop” function.
  • the card 18 is therefore also referred to as an "option card” since it also has a security security function enabled.
  • the presence of the card 18 is checked by measuring a voltage at one of the connections ag, for example at the connection a. If the card 18 is not connected, a high voltage is present at the terminal a, otherwise a low voltage.
  • the microprocessor 15 is programmed so that it only performs its usual function in the control loop, here the speed control loop, without the option card 18 and, when the option card 18 is connected, also contributes to the safety function and forms part of the safety device 4 in terms of function.
  • the safety device 4 can be designed for further safety functions, e.g. it can respond to an "emergency stop", a light barrier, speed limit exceeded, safety bus or a signal from other sensors that requires the motor to stop. These signals can be supplied from the safety and monitoring circuit 5. As an example, only the response to a stop signal via the switch 40 is explained with reference to FIG. 1, which can be closed, for example, by switching on a relay in the circuit 5 in order to stop the motor 3.
  • a pump not shown, which is driven by the motor 3 can cause an overflow, which is reported by a sensor and actuates a relay in the circuit 5, which then closes the switch 40, so that the microprocessor 12 via the switch 40 , the line 41 and the ramp generator input connection a signal is supplied, which programmed a ramp signal generator or an equivalent in the microprocessor 12
  • Function of the microprocessor 12 triggers, by means of which a rapidly decreasing speed setpoint signal, a "ramp signal", in the control unit 6 causes the speed of the motor 3 to decrease rapidly until it stops or after the disappearance of the ramp signal due to its inertia.
  • the microprocessor 12 passes the ramp signal to the digital signal processor 10, which continuously switches off the pulse duration modulator 11, so that the switching pulse driver 14 and thus also the switching elements in the inverter 13 are finally fed no further switching pulses.
  • the trigger inputs of the delay elements 23 and 24 are in each case connected via the lines 46, the connections "delay element triggering" and the lines 43, 44 Trigger signal supplied.
  • the delay elements 23 and 24 keep the transistors 21 and 22 turned on, so that a current flows through the relay coil 30 and the contacts 27, 28 are open, whereas the contact 29 is closed.
  • the delay element 23 blocks the transistor 21, so that the relay 20 drops out, the contact 29 is opened and the operating current of the switching pulse driver 14 is interrupted.
  • contacts 27 and 28 are closed.
  • the delay time of the delay element 23 corresponds approximately to the duration of the shutdown of the motor 3, including the response delay time of the relay 20.
  • the switching-off or the interruption of the operating current of the switching pulse driver 14 thus takes place when the motor speed is zero or almost zero , Instead of switching off all driver stages, only those can be switched off which control the “upper” or “lower” power switching elements of the inverter 13 connected to the positive or to the negative pole of the operating voltage of the inverter 13.
  • the other delay element 24 generates a redundant switch-off signal after its delay time, which is equal to that of the delay element 23.
  • This signal blocks the transistor 22, as a result of which the reset input R is supplied with a reset signal (voltage zero), so that the operation of the digital signal processor 10 and the pulse duration modulator 11 is also stopped, and consequently the switching pulse driver 14 also no longer receives switching pulses.
  • the delay element 24 reports at the same time as the switch-off signal back via a connection "feedback" of the terminal block 35 to the safety and monitoring circuit 5 that it has given the shutdown signal.
  • the delay times are available in the memory devices of the setting devices 25 and 26.
  • control device 2 In addition to the stop signal via the switch 40, the control device 2 also receives two further (redundant) stop signals to increase the safety in order to ensure with a high degree of certainty that the motor 3 - after the stop signal has been emitted via the Switch 40 - no operating energy is supplied via the control device 2 or the converter and the motor 3 not only stops, but also does not start again.
  • the contacts 27 and 28 of the relay 20 serve for feedback and checking that or whether the delay element 23 has actually emitted a switch-off signal.
  • the microprocessor 15 checks the switching state of the contact 27 by trying to route a signal via the contact 27. If the contact 27 passes a signal, the microprocessor 15 interprets this so that the contact 27 is closed and the contact 29 has actually interrupted the operating current of the switching pulse driver 14.
  • the external safety and monitoring circuit 5 conducts the test voltage via the contact 28 of the relay 20 connected to the terminal block 35.
  • test voltage is passed, this is interpreted by the safety and monitoring circuit 5 as feedback or confirmation that the contact 29 is open, the control device 2 is supplied with a switch-off signal or the operating current of the switching pulse driver 14 is interrupted and the motor 3 is therefore stopped has been.
  • the microprocessor 15 also checks via line 37 whether the voltage at the relay coil 30 has risen due to the blocking of the transistor 21. If this is the case and contact 27 is also closed, then everything is OK. If the contact 27 has not been closed, there is an error in the safety device 4 and the microprocessor 15 triggers an alarm signal.
  • feedback or confirmation signals such as those emitted via contacts 27 and 28, are passed to the external safety and monitoring circuit 5, which in turn interrupts the main power supply of the engine control unit 1 if, contrary to expectations, no feedback signal in the external Safety and monitoring circuit 5 arrives.
  • a delay element is therefore also provided in the external safety and monitoring circuit 5, which only permits an interruption in operation after its delay time has expired.
  • a relay with a correspondingly high response delay can also be provided in the safety and monitoring circuit 4 to trigger the interruption in operation.
  • the delay elements 23 and 24 can each be designed as an integrated circuit, for example of the 555 type, which blocks a transistor after the delay time has expired.
  • the delay time can also be fixed, e.g. in a storage element. However, it can also be set by the user by means of pluggable plug connections on the card 18 or by means of a potentiometer. Alternatively, it can be specified by the external safety and monitoring circuit 5 via the terminal block 35. Furthermore, it is possible to automatically set the delay time dynamically as a function of the speed and / or the inertia of the motor 3.
  • An alternative to training with discrete components is to implement the delay device using software in a microprocessor.
  • Reset input R is triggered without delay by the delay element 24.
  • the delay elements 23 and 24 are thereby overridden.
  • the motor controller 1 according to FIG. 2 has been modified compared to the one shown in FIG. 1 as an additional safety function, the speed monitoring according to the IEC 61800-5 standard, is implemented on the option card 18. It is used to monitor the engine speed in order to stop the operation of the control device 2 and thus the operation of the engine 3 as quickly as possible when the speed exceeds a predetermined limit value.
  • the speed 5 number monitoring is particularly advantageous when starting up larger systems, in order to be able to operate the motor 3 to carry out a test of the system or, if maintenance has to be carried out during operation, at only 30% of its nominal operating speed, for example.
  • the speed monitoring device stops the operation of the control device 2 o and thus that of the motor 3 as soon as the predetermined speed limit is exceeded.
  • Two speed signals are generated by direct measurement of the speed by means of two speed sensors 51 and 51 'on the motor shaft and the third is derived from the repetition frequency of the pulse duration modulated output pulses of the pulse duration modulator 11 by means of the speed sensor 48 and fed to the microprocessor 15 via a line 49.
  • the speed signal can be derived from the repetition frequency of the switching pulses in a simple manner. One way is to relieve the tension on the
  • a transistor 52 is connected in series with the transistor 21 and a speed monitor 53 is connected on the output side to the base of the transistor 52 or integrated with it.
  • the speed monitor 53 is connected to the speed sensor 51 via connections “sensor input” of the terminal block 35.
  • the series connection of transistors 21 and 52 forms an OR gate. Therefore, when the delay element 23 blocks the transistor 21 or the speed monitor 53 blocks the transistor 52, the contact 29 of the relay 20 is opened and the operating circuit 33 of the switching pulse driver 14 is interrupted.
  • the redundant delay element 24 and, in addition, a redundant speed monitor 54 are arranged on the option card 18, which blocks a transistor 55 lying in series with the transistor 22 when this is also supplied to it via connections “sensor input” Speed signal of the speed sensor 51 'exceeds the predetermined speed limit.
  • the user can stop the operation of the converter and thus of the motor 3 directly by means of the switches 36 and 39 which are closed during operation by opening the switch 36 or 39, with the overdrive of the delay elements 23, 24 and the speed monitors 53, 54 ,
  • safety bus is expanded by a further safety function "safe bus"
  • the second delay element 24 shown in FIG. 2 and the second speed monitor 54 with the transistors 22 and 55 for simplification the illustration in Fig. 3 are omitted.
  • Safety buses are ordinary communication buses that are expanded by a safety function.
  • the bus professional Safe ® is provided as a safety bus 56, which is the "safe” version of the so-called “professional” bus.
  • Profilebus is a well-known bus protocol for the communication buses between system elements such as motor controls and programmable logic controllers (PLC).
  • the safety bus 56 shown here enables communication via a two-wire cable and is connected to a bus controller 57 via a “safety bus” connection of the terminal strip 35.
  • the redundancy of a shutdown signal via the safety bus 56 is ensured by two microprocessors 58 and 59.
  • the bus controller 57 monitors the communication.
  • a stop signal is transmitted to the bus controller 57 via the safety bus 56 and the “safety bus” connection on the option card 18, and from there via the Microprocessor 58 and the microprocessor 59 via a connection 60 to the microprocessor 12 on the card 7, which in turn supplies the reset input R with a reset signal so that the energy supply to the motor 3 is interrupted.
  • a further transistor 61 is connected in series in the circuit of the relay coil 30.
  • the microprocessor 58 supplies the transistor 61 with a further (redundant) stop signal, so that the transistor 61 is blocked and the relay 20 drops out.
  • the microprocessor 12 can also be programmed and connected so that it also checks the functional reliability of the relay 20 and the signal transmission paths of the safety device 4.
  • the microprocessor 58 can also be programmed in such a way that it checks the signal transmission via the safety bus by means of a CRC method (Cyclic Redundancy Check).
  • the relay 20 has only the two contacts 28 and 29.
  • the contacts 28 and 29 are closed in normal operation with the current-carrying relay coil 30 and connect the operating voltage U ß2 to the switching pulse driver 14, here the primary-side switching pulse driver 14 ⁇ in the primary side and a secondary-side switching pulse driver 14 2 divided switching pulse driver 14.
  • Switching pulse drivers 14 2 are inductively coupled via a transformer 62 for potential isolation.
  • the fuse and monitoring circuit 5 contains, in addition to the switches 36 and 40, further switches 63, 64 and 65.
  • the operating voltage U ß4 is at one connection of the switches 36, 63 and 64.
  • the other connections of the switches 63 and 64 are via the Connections "delay element trigger" of the terminal block 35 each connected to a trigger input of the delay elements 23 and 24.
  • the other end of the switch 65 is connected to the one input of an INHIBIT element 66 via the "safety channel II" connection.
  • the delay element 24 is output tig connected to the other input of INHIBIT element 66.
  • the output of the INHIBIT element 66 is connected to the reset input R of the pulse duration modulator 11 or the DSP 10 and via an isolating stage 68, here a high-impedance resistor, to an input of the microprocessor 12.
  • the line 33 is also connected via an isolating stage 67 to an input of the microprocessor 12.
  • a sensor 69 measures the voltage at the connection 47 and feeds the measured value via a line 70 to a converter 71 on the card 18.
  • the output of the converter 71 is connected to the safety and monitoring circuit 5 via a “safety feedback II” connection of the terminal block 35.
  • the converter 71 converts the PDM signals into an ON or OFF signal.
  • the mode of operation of the exemplary embodiment according to FIG. 4 is largely the same as that of the previous exemplary embodiments.
  • the switch 40 closes, and the ramp generator in the microprocessor 12 is switched on via the switch 40, so that the motor 3 is shut down.
  • switches 63 to 65 are closed.
  • the delay elements 23 and 24 are triggered and the INHIBIT element 66 is supplied with a signal, through which the reset input R is supplied with a reset signal.
  • the relay 20 drops out.
  • the switches 28 and 29 are opened so that the operating voltage U ß2 of the switching pulse driver 14 ⁇ is switched off and the microprocessor 12 receives a signal via the isolating stage 67.
  • the opening of the switch 29 is confirmed by this signal.
  • the delay time of the delay element 24 After the delay time of the delay element 24 has elapsed, it outputs a further reset signal to the reset input R via the INHIBIT element 66, which resets the digital signal processor 10 and the pulse duration modulator 11.
  • the reset signal is additionally fed via the isolating stage 68 to the microprocessor 12, which needs this signal in order to carry out a correct start later after the control device 2 or the converter has been switched off.
  • the microprocessor 12 Upon receipt of a reset signal, the microprocessor 12 stores relevant process data which are used when restarting.
  • the isolators 67 and 68 are used to separate the safe signal electronics from the normal operating electronics.
  • the processor 12 monitors the security channel II to determine whether a stop signal was emitted via this channel. An electronic fault in the microprocessor 12 should not be able to cause the switch-off signal to not arrive on the safety channel II, which can be the case, for example, if the potential on the microprocessor 12 undesirably drops to ground potential.
  • the isolating stage is a high-resistance.
  • the sensor 69 measures the voltage at the connection 47 and feeds the measured value to the converter 71 on the card 18. This compares the measured value with a reference value, and if the measured value is below the reference value, then the converter 71 reports to the safety and monitoring circuit 5 via the "safety feedback II" connection that a reset signal has actually been issued and no switching impulses occur.
  • the delay elements 23 and 24 provided in the previous embodiments are each software, i.e. by appropriate programming of two microprocessors 72 and 73 which are in an exchange connection via a multiple line M. The delay times are still set using the
  • One-part devices 25 and 26 Two safety switching devices 74 and 75 are further connected to the microprocessors 72 and 73, each of which can have only one transistor, as shown, but here have several transistors and, if necessary, resistors. Possible exemplary embodiments of the safety switching devices 74 and 75 with a plurality of transistors are shown in FIGS. 7, 8, 9 and 10, which will be described later. the. The operability of these safety switching devices 74 and 75 is checked by the microprocessor 72 or 73 connected to them. As far as their delay function is concerned, these microprocessors 72 and 73 can also be considered functionally as part of the safety switching devices.
  • the security device 4 on the option card 18 essentially ensures the overall functional security, ie that of the software and the hardware.
  • control device 2 is not burdened with the security tasks.
  • the necessary "safe" wiring of the control device is carried out at the factory. Copper tracks are applied to cards 7 and 9, which are to carry security signals for a "safe stop”, but which are only put into operation when an option card is connected.
  • An important aspect in this embodiment is that all the essential components belonging to the function of the safety device 4 are arranged on the option card 18, in particular the microprocessors 72 and 73. Their software (program) therefore essentially only needs to carry out the safety functions and here also to be coordinated with the test of the safety switching devices 74, 75.
  • the software of the microprocessor 12 and the DSP 10 of the control device 2 therefore essentially only needs to be matched to the control tasks of the control device 2. A change in the software for the operation of the control device 2 can therefore be carried out with regard to the respective application of the motor 3 without having to change the software of the safety device 4, and vice versa.
  • the software for the operation of the control device 2 is stored in a memory part K 3 , K 4 of the microprocessor 12 and the DSP 10 and the software for the operation of the safety device 4 is stored in a memory part Ki, K 2 of the microprocessors 72 and 73.
  • Another advantage of the spatial separation of the program memory parts Ki, K 2 and K 3 , K 4 is that in the event of a defect in a component of the control device
  • the security device 4 only the defective card 7, 9 or 18 needs to be replaced with a new one. Because also in this embodiment the cards 7 and 9 as well as 7 and 18 are connected by plug connections, such as the connector 50 or pluggable cables (flat cables), which enable simple and quick replacement of the card in question.
  • plug connections such as the connector 50 or pluggable cables (flat cables), which enable simple and quick replacement of the card in question.
  • a speed signal is fed to the microprocessor 72 via the speed sensor 51, the “sensor input” connection of the terminal block 35 and a voltage level adapter SA, which compares it with a stored limit value and supplies a shutdown signal or stop signal via an output A1 to the safety switching device 74 , If the speed signal is equal to or greater than the limit value, the safety switching device 74 interrupts the operating voltage U ⁇ 2 or the operating circuit 33 of the switching pulse driver 14- t .
  • the output current of the inverter 13 is measured by a sensor 76 as a measure of the rotational speed and the measurement signal is fed to a converter 77 via a line 78.
  • the microprocessor 72 compares the speed signal with the stored limit value and possibly interrupts the operating voltage U ß2 or the operating circuit 33 of the switching pulse driver 14 ⁇ , if this has not yet been done. Via a signal conditioner TR and the "safety feedback I" connection of the terminal strip 35, the microprocessor 72 reports the safety and
  • the microprocessor 73 If the microprocessor 73 is supplied with a switch-off command signal or stop signal via the "DSF II" connection, for which a direct switch-off function is programmed in this example, and via a voltage level adapter SA, the microprocessor 73 actuates the via its output A4 Safety switching device 75. Thereupon, the digital signal processor 10 from the safety switching device 75 via the line 38 and the reset input
  • the microprocessor 72 reports this under certain circumstances via its isolating amplifier TR on the output side and the "safety feedback I" connection of the external safety and monitoring circuit 5 and the microprocessor 73 via the line 78 ⁇ as a sign that an error has occurred in the safety device 4 or 5 a defect is present. In all circumstances, it also switches off the motor 3 via the safety switching device 74.
  • the senor 48 measures the frequency or speed of the motor 3 at the output of the pulse duration modulator 11 or on the connection 47 and supplies the measurement signal to the converter 71 via a line 80. If the measurement signal does not correspond to a reset signal, the microprocessor 73 reports an error, which it signals via its output-side isolating amplifier TR, on the one hand via the “safety feedback II” connection to the external safety and monitoring circuit 5 and, on the other hand, via a line 81 forwards the microprocessor 72.
  • the microprocessors 72 and 73 therefore mutually carry out the same checks and always check each other.
  • a voltage sensor 82 also measures the voltage UB2 at the operating voltage input of the switching pulse driver 14 ! via a line 83 after the safety switching device 74 has been blocked. If the operating voltage Uß 2 is still present, the voltage sensor 82 signals this to the microprocessor 73 as an "error". The microprocessor 73 then issues a stop signal via the safety switching device 75 and at the same time informs the microprocessor 72 that it must now be switched off.
  • the voltage at the operating voltage input of the switching pulse driver 14 ⁇ is also supplied to the microprocessor 12 via the isolating stage 67 for checking.
  • this function can be reset via a “triggering” connection in the terminal strip 35.
  • speed signals are derived from the measurement signals from sensors 76 and 48 and compared with a limit value. In a special version, these two speed values are compared with one another.
  • two of the three PDM signals of the pulse duration modulator 11 are fed to a low-pass filter.
  • the filter generates a sine signal, which is fed to a Schmitt trigger, which converts the sine signal into a pulse signal.
  • the pulse signal is supplied to the microprocessor 73.
  • the second speed signal to be used for the comparison is obtained from the motor current.
  • the measurement signal is converted into a pulse signal by a Schmitt trigger and fed to the second microprocessor 72.
  • the microprocessors compare the two speeds, and if the difference is outside an allowable range, the motor controller is stopped.
  • the intermediate circuit current can be measured as a measure of the speed.
  • This function can be used for the speed monitoring function.
  • a "safe" speed signal can thus be obtained, so that a speed sensor on the motor shaft can be dispensed with.
  • the safety bus 56 here the Profisafe ® safety bus
  • the bus controller 57 (see FIG. 3) to determine whether it is one Contain errors or represent a shutdown command signal. If necessary, the bus controller 57 triggers a stop of the motor via the microprocessor 73 and the safety switching device 75 or via the microprocessor 72 and the safety switching device 74. The required delay time can also be sent to the microprocessors 72, 73 via the bus 56. Insofar as switching elements for switching off a relay or any other consumer are connected in series with it, they cannot be switched off during operation to check whether they continue to function. This would be like a Halt command. Nevertheless, it is necessary to check the functionality of the switching elements in "safe technology" even during operation, eg once a minute.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a device for automatically checking the functionality of a safety switching device, by means of which, depending on at least one shutdown signal of a safety and / or monitoring device, here the safety and monitoring circuit 5 according to FIGS. 1 to 3, In the event of danger or for safety reasons, the operation of a consumer, here the motor 3, can be switched off.
  • the test device is described using the example of the safety switching device shown in FIG. 3, which has the relay 20 and the switching elements connected in series therewith, here the transistors 21, 52 and 61, and with the delay element 23, the speed monitor 53, the Microprocessor 15 and the microprocessor 58 is connected.
  • the collector of the npn transistor 61 connected to the relay 20 (or its coil 30) is additionally connected to the operating voltage UBI and its emitter is connected to "earth".
  • the test device essentially consists of a pulse generator 88 with a number corresponding to the number of switching elements (transistors), here three, of outputs and logic elements 89, 90 and 91.
  • AND and NOR elements are shown as logic elements. However, it can also be only AND gates, depending on whether the blocking signals of the transistors which are always conductive in normal operation are to be triggered by 1 signals or O signals on the input side of the logic gates. In the present case there are 1 signals.
  • the pulse generator 88 which can be embodied in the microprocessor 58 including the logic elements, cyclically generates 1 signals at its outputs in succession as test or switching pulses Pi, P 2 and P 3 , each via one of the logic elements 89, 90 and 91 therein or another order of the control connections of the transistors as blocking pulses P ⁇ , P 2
  • Switching pulses P 1 P 2 and P 3 are different and can be, for example, 2 ⁇ s, 4 ⁇ s and 6 ⁇ s each.
  • the duration is therefore shorter than the response delay of the relay 20, which can be approximately 20 ms.
  • the relay therefore falls at one such a short interruption of its circuit, so that its contacts maintain their respective switching state, "on” or “off” or “closed” or “open”.
  • the voltage UR at the relay coil can occur with each blocking pulse P 1 , P 2 and P 3 decrease completely or only slightly, as shown in Fig. 6 (b), and according to Fig.
  • a microprocessor here the microprocessor 15, which is programmed in accordance with a discriminator or a suitably trained discriminator which constantly checks the voltage UR on the relay coil to determine whether it drops briefly or does not recognize a short-term decrease or fluctuation of the voltage U R as an error-free function of the transistors.
  • the discriminator or microprocessor 15 recognizes this as a fault in one of the transistors and signals this fault condition Safety and / or monitoring device, here the safety and monitoring circuit 5, and stops the engine control. Since the duration of the blocking pulses is of different lengths, the discriminator also recognizes which of the transistors is defective, since the voltage UR is applied to the relevant transistor, for example the blocking im- pulses P 2 to transistor 21 would not change, ie would remain constant. In principle, this check is possible to determine a blown transistor, ie a transistor that represents a short circuit. Independently of this, the microprocessor 58, the delay element 23 and the speed monitor 53 also, as in the case of FIG. 3, generate redundant switch-off signals after a stop signal, each of which is supplied to one of the NOR elements (as 1 signals) become.
  • this principle of testing the functionality of a switching element is based on the utilization of the response delay of a consumer, here the relay, with which a faster responding switching element is connected in series, which in normal operation assumes a first switching state in which the consumer is switched on (Live), and can be switched to a second switching state in the event of danger, in which the operation of the
  • the switching element being switchable in normal operation cyclically for a period in the second switching state that is shorter than the response delay of the consumer to a switch-off process. It is advantageous if at least one further switching element is provided, which assumes a first switching state in normal operation
  • the consumer can be a relay by means of which the operation of a second consumer can be switched off.
  • the consumer consists of an ohmic resistor R and a capacitor connected in series therewith, on which the operating voltage U B for a safety channel is tapped, the series circuit comprising the consumer and the transistors at a constant DC voltage of, for example, 24 V. lies.
  • the voltage drop UR across the ohmic resistor R is tapped as the test voltage.
  • the safety switching device consisting of the transistors, shutdown signal transmitters (safety bus, speed monitor and delay element) as well as the test pulse generators (pulse generator (IPG) 84 and logic elements 89-91) are shown schematically in FIG. 7 (a) in the form of functional units. 5 Fig. 7 (b) shows the time course of the test voltage UR across the resistor R.
  • Fig. 8 represents the principle shown in Figs. 6 and 7 further generalized. Thereafter, instead of the special switch-off command transmitters, such as speed monitors or delay elements, other switch-off command transmitters can also be used, which, due to other safety functions, which are provided by the safety and Monitoring circuit 5 are monitored, at the outputs Ai, A 2 , A 3, for example of the microprocessor 72, cause shutdown signals which are fed to a safety switching device, for example the safety switching device 74.
  • the special switch-off command transmitters such as speed monitors or delay elements
  • other switch-off command transmitters can also be used, which, due to other safety functions, which are provided by the safety and Monitoring circuit 5 are monitored, at the outputs Ai, A 2 , A 3, for example of the microprocessor 72, cause shutdown signals which are fed to a safety switching device, for example the safety switching device 74.
  • the signal curve (voltage or current curve) to be measured by the sensor 82 and shown in the top diagram in FIG. 8 (b) occurs when the function of all switching elements Si to S 3 is flawless.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of the safety switching device 75 according to FIG. 5, which is checked for its functionality during normal operation by the microprocessor 73 via its outputs A 4 and A 5 and for switching off the motor 3 via both outputs A 4 , A 5 receives a shutdown signal at the same time.
  • the microprocessor 75 can therefore be considered functionally as part of the test device and as part of the safety switching device.
  • the safety switching device 75 contains a controllable circuit comprising two ohmic resistors 92 and 93 connected in series and a transistor 94 connected in series with the resistors 92, 93. This circuit lies between the output A 4 of the microprocessor 73 and "earth". Furthermore, the safety switching device 75 contains a second controllable circuit comprising two ohmic resistors 95 and 96 connected in series and a transistor 97 connected in series with the resistors 95, 96. This circuit lies between the output A 5 and "earth”. The connection between the resistors 92 and 93 and the connection between the resistors 95 and 96 form the outputs of the two circuits. The outputs are connected to one another and form the output A 6 of the safety switching device 75.
  • the operating voltage U B ⁇ are also two further series connections, each having two ohmic resistors 98 and 99, or 100 and 101, between each one Transistors 102 and 103 lies.
  • the transistor 102 is controlled via an ohmic resistor 104 from the output A 4 and the transistor 103 via an ohmic resistor 105 from the output A.
  • the transistors 102 and 103 control one of the transistors 94 and 97 via an ohmic resistor 104 and 105, respectively. In normal operation, there is a voltage at constant level PK at output A 6 .
  • the microprocessor 73 During the test phase, the microprocessor 73 generates three-stage signals at its outputs A 4 and A 5 , as shown in the two lower diagrams of FIG. 9 (b). These signals are in phase opposition with respect to an average voltage U and each have a first switching pulse SP 1 or SP 3 and a second switching pulse SP 2 or SP 4 , which are repeated cyclically as long as the test phase continues.
  • the switching pulses are generated in the microprocessor 73 via two transistors connected in series and alternately switched through. As long as none of the switching pulses SP 1 to SP 4 occurs, the voltage U is at the outputs A 4 and A 5 , so that both transistors are blocked and there is also a relatively high voltage at the output A ⁇ .
  • the falling pulse SP 1 occurs at output A 4
  • the rising pulse SP 3 is simultaneously generated at output A 5 .
  • Transistors 102 and 94 become conductive due to pulse SP 1 , while transistors 103 and 97 are simultaneously blocked by switching pulse SP 3 .
  • the voltage at output A 6 decreases to a lower test level PP because the resistors 93 and 96 are not connected in parallel during the duration of the switching pulses SP 1 and SP 3 , ie the on-period of the transistor 94 when the transistor 97 is blocked are.
  • the microprocessor 72 recognizes this as "error-free" of the safety switching device 75.
  • the microprocessor 73 generates at both outputs A 4 and A the same time a signal so that both transistors 94 and 97 become conductive and a low voltage PN occurs at the output A 6 of the safety switching device 75, which is supplied as a reset signal to the reset input R, so that the motor 3 is switched off.
  • the safety switching device 75 including the microprocessors 73 and 72 provided for testing it, can also be used for any other consumer which is provided with a safety switching device for switching off but does not have a control device, such as the control device 2.
  • a control device such as the control device 2.
  • another circuit e.g. a corresponding pulse generator with the same test function as that of the microprocessor 73 and instead of the microprocessor 72, a discriminator or comparator can be used to distinguish the levels PK, PP and PN.
  • the safety switching device 74 shows an exemplary embodiment of the safety switching device 74 and schematically of the microprocessor 72, which together form a device for automatically checking the functionality of the safety switching device 74. At the same time, they form part of the security device 4 on the option card 18.
  • the safety switching device 74 contains a first controllable circuit from the series connection of an ohmic resistor 106 with a transistor 107 and a second controllable circuit from the series connection of an ohmic resistor 108 and a transistor 109. Those between the transistor 107 and the transistor 109 lying outputs of the two circuits are connected to each other and together form the output A of the safety switching device 74.
  • the output A 7 is connected via line 33 to the operating voltage connection of the switching pulse driver 14 ⁇ and via line 83 to the voltage sensor 82.
  • Two further series circuits each consisting of two ohmic resistors 110 and 111 or 112 and 113 and a transistor 114 and 115 connected in series are connected in parallel between the operating voltage U ß2 and "earth".
  • the connection of the resistors 110 and 111 is connected to the control connection of the transistor 107 and the connection of the resistors 112 and 113 to the control connection of the transistor 109.
  • the microprocessor 72 generates a (high) signal ON at its outputs Ai and A 2 in normal operation, so that both transistors 109 and 107 are conductive, and during each test phase a test switching pulse SP 4 or SP 5 , which is the control connection of the respective transistor 114 or 115 is supplied.
  • the test switching pulses SP 4 and SP 5 are staggered in time without mutual overlap and are repeated during the test phase.
  • the test switching pulse SP 4 occurs at the output A 1 of the microprocessor 73, the transistors 114 and 107 which conduct during normal operation at high output voltage at the outputs A 2 and A 1 are blocked, while the transistors 109 and 115 remain conductive.
  • the voltage at output A 7 therefore only decreases slightly from the constant level PK to the test level PP. Between the two test switching pulses, the voltage at output A 7 increases again to PK, in order to decrease again somewhat at the following test switching pulse SP 5 at output A 2 of microprocessor 73.
  • the voltage at output A 7 therefore only fluctuates during the test phase. insignificantly.
  • the slight fluctuation in the output voltage is forwarded by the connected voltage sensor 82 to the microprocessor 73, which interprets the fluctuation as an error-free state of the safety switching device 74. If the fluctuation does not occur or the curve shape deviates from the curve shape in the test phase, this is recognized as an error in the safety switching device 74.
  • the microprocessor 72 simultaneously generates a low signal "OFF" at both outputs Ai and A 2 . As a result, the transistors 107 and 109 are blocked at the same time, so that the driver 14- ⁇ the operating voltage is removed and the motor 3 stops. If, on the other hand, the voltage at output A 7 fluctuates only with a small amplitude during a test phase in normal operation, the switching pulse driver 14 1 and thus the motor 3 remain in operation.
  • Resistors 106 and 108 are preferably automatically adjustable depending on the load, i.e. they can be replaced by smaller circuit arrangements which set the respective resistance to the most favorable value depending on the load current, for example the switching pulse driver 14. This has the advantage that the resistors 106 and 108 do not have to be dimensioned differently for each application when designing the safety switching device 74.
  • FIG. 11 shows in principle a circuit arrangement of a test unit 116 in a device 117 (FIG. 5) for automatically testing the functionality of a safety switching device.
  • the input connections of the microprocessors 72 and 73 are checked for their functionality, the microprocessors 72 and 73 generalized as or or part of a safety switching device.
  • the test unit 116 itself is also tested. The reason for this test is essentially as follows: In the embodiment according to FIG. 5, the input connections of the microprocessors 72 and 73 are supplied with switch-off signals 8 via the connections of the terminal block 35 on the option card. It should be ensured that these shutdown signals are actually received and processed by the microprocessor 72 or 73 concerned. So-called "sleeping errors" should be determined.
  • Such an error can be caused, for example, by the fact that an input connection of the microprocessors is loaded with the same signal, for example a constant DC voltage of 24 V, over a long period of time, for example for several years, without the user triggering a stop signal or switch-off signal.
  • the error is only determined when a "safe function" is to be activated. This would not be tolerable, because another error could occur which prevents the safety device 4 from working.
  • the input connections of the microprocessors 72 and 73 are automatically controlled internally without influencing the connections of the terminal block 35.
  • test unit such as the test unit 116 shown in FIG. 11 is provided for each input terminal of the microprocessors 72 and 73, and each test unit can be controlled individually.
  • the output ports of the microprocessors are also tested. This happens because the one microprocessor emits a short signal which is controlled by the other microprocessor.
  • the test unit 116 is connected to a connection of the terminal strip 35 (FIG. 5) via a voltage level adapter SA, which contains an ohmic voltage divider. The connection has been omitted to simplify the illustration in FIG. 5.
  • the test unit 116 has two further inputs E 3 , E 4 , to which time-shifted test switching pulses SP 6 , SP 7 are supplied by a pulse generator in the microprocessor 72. The pulse generator is implemented by programming the microprocessor 72 accordingly.
  • the test unit 116 also has an output A 8 , which is connected to an input connection of the microprocessor 73 or the safety switching device via a voltage level adapter SA.
  • 11 (a) contains a first series circuit comprising a first transistor 118, a second transistor 119 polarized in the same direction with the first transistor 118 and two diodes 120, 121 polarized in the same direction with the transistors 118, 119 between the transistors 118, 119. It also contains a second series circuit comprising two ohmic resistors 122, 123, the connection of which is connected to the control connection of the first transistor 118, and a third transistor 124. The control connection of the second transistor 119 forms the input E 4 , the control connection of the third transistor 124 the input E 3 and the connection of the diodes 120, 121 the output A 8 .
  • test switching pulses SP ⁇ and SP 7 are repeated cyclically at predetermined times and fixed intervals, the test switching pulses SP 7 occurring between the test switching pulses SP 6 and vice versa.
  • a test switching pulse SP ⁇ is received from microprocessor 72 at input E 3
  • a high output pulse SP 8 occurs at output A 8 of test unit 116
  • a test switching pulse SP 7 is received at input E 4 by microprocessor 72
  • a low output pulse SP 9 occurs.
  • the output pulses SP 8 and SP 9 are passed on from the microprocessor 73 via the multiple line M to the microprocessor 72.
  • the microprocessor 72 then checks whether it or at the time of delivery of a Kirschaltimpulses SP 6 a high output pulse SP 8 of the testing unit 116 and or at the time of delivery of a Kirschaltimpulses SP 7 a low output pulse SP 9 of the test unit 116 receives. If the microprocessor 72 does not detect any of the test switching pulses SP ⁇ or SP 7. receives speaking output pulse SP 8 or SP 9 , it generates a signal "error", which is reported back to the safety and monitoring circuit 5, or emits a stop signal to the control device. In contrast, it generates a "no error" signal if it receives a corresponding output pulse SP 8 and SP 9 from the test unit 116 each time a test switching pulse SP ⁇ and SP 7 is emitted.
  • the application of the high and low output pulses SP 8 and SP 9 of the test unit 116, which are supplied to the microprocessor 72, is necessary because it is not known from the start whether the user uses a high or low shutdown signal in normal operation.
  • the test ensures that the microprocessor can process both low and high shutdown signals. This prevents short circuits or interruptions from being detected in the input connections.
  • the microprocessor 72 can also test its own input connections for functionality via test units corresponding to its input connections, such as the test unit 116, although this is not shown in FIG. 5.
  • the test should be performed as often as necessary, but only relatively briefly and rarely compared to using a shutdown function because the user shutdown signal cannot be detected during the test.
  • the input resistance, as seen by the user is reduced, for example from 4 kOhm to 2 kOhm. However, this seems acceptable because the user often uses a relay.
  • Fig. 12 shows the structure of the electric motor 3, which is designed as a three-phase three-phase motor and is provided in a known manner with the control device 2, which is designed here as a converter and the low-voltage control unit 6 and the high-voltage control unit 8 with the inverter 13 in a housing 125 of the motor 3.
  • the housing 125 consists of three housing parts 126, 127 and 128.
  • the stator with the stator winding 129 and the rotor 130 are arranged in the housing part 126.
  • the shaft 131 of the rotor 130 is mounted in bearings 132 and 133 and drives a fan 134 in the housing part 128.
  • the housing part 127 is fastened to the housing part 126 and is accessible from the outside after loosening a cover 135.
  • the control device 2 and the safety device 4 connected to the control device 2 by a connector are arranged inside the motor, ie its housing part 127.
  • the safety device 4 is mounted on a separate card 18, while the low and high current control units 4 and 6 are either mounted on separate cards 17 and 8 or together on one card (circuit board).
  • the safety device 4 can also be arranged together with the control device 2 on a single card.
  • the sensor 51 for measuring the speed is arranged in the motor 3, ie in its housing unit consisting of the housing parts 126 and 128. With sensors 136 and 137, further possible locations of the sensor are shown. Under certain circumstances, several sensors can be used.
  • the sensor 51 has only one task, namely to contribute to a "safe function". It is therefore connected to the safety device 4 inside the motor 3 (its housing 125). If the speed of the motor 3 is also to be regulated, an additional speed sensor can be provided, which is usually mounted on the shaft 131 outside the motor.
  • the sensor 51 can be a conventional sensor or a sensor specially designed for safety purposes, here for measuring the speed in order to compare it with a limit value.
  • connection lines between the safety device 4 and the sensor 51 arranged inside the motor are all inside the motor relocated as far as it is a "safety sensor". The user therefore does not have to worry about the wiring.

Abstract

Um bei einer Anordnung aus einer Sicherheits-Schaltvorrichtung, durch die in Abhangigkeit von einem Abschaltsignal einer Uberwachungseinrichtung im Ge­fahrenfall oder sicherheitshalber der Betrieb eines Verbrauchers abschaltbar ist, and aus einer Vorrichtung zum selbsttatigen Prufen der Funktionsfahigkeit der Sicherheits-Schaltvorrichtung these Prufung auch wahrend des Betriebs des Verbrauchers durchfuhren zu konnen, ist erfindungsgemaR vorgesehen, daft die Sicherheits-Schaltvorrichtung zwei steuerbare Schaltkreise (106, 107; 108, 109) aufweist, deren Ausgangsanschlusse miteinander verbunden sind and den Ausgang (A7) der Sicherheits-Schaltvorrichtung bilden, daR dem einen Schalt­kreis (106, 107) zyklisch ein erster Prufschaltimpuls (SP4) and dem anderen Schaltkreis (108, 109) zyklisch ein zweiter, gegenuber dem ersten zeitlich ver­setzter Prufschaltimpuls (SP5) zufuhrbar ist, daR die Schaltkreise so ausgelegt sind, daR die Ausgangsspannung (PK, PP) der Sicherheits-Schaltvorrichtung bei Erhalt der zeitlich versetzten Prufschaltimpulse mit einer Amplitude schwankt, die von der Amplitude der Ausgangsspannung bei gleichzeitigem Erhalt von Prufschaltimpulsen abweicht, and daR die Sicherheits-Schaltvor­richtung bei gleichzeitigem Erhalt der Prufschaltimpulse eine Abschaltung des Verbrauchers bewirkt.

Description

Anordnung aus einer Sicherheits-Schaltvorrichtung und einer Vorrichtung zum selbsttätigen Prüfen der
Funktionsfähigkeit der Sicherheits-Schaltvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung aus einer Sicherheits-Schaltvorrichtung, durch die in Abhängigkeit von einem Abschaltsignal einer Überwachungseinrichtung im Gefahrenfall oder sicherheitshalber der Betrieb eines Verbrauchers, insbesondere eines Motors, abschaltbar ist, und aus einer Vor- richtung zum selbsttätigen Prüfen der Funktionsfähigkeit der Sicherheits- Schaltvorrichtung.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DE 39 24 988 A1 ) besteht die Sicherheits-Schaltvorrichtung aus einer Reihenschaltung aus zwei Transistoren, einem Relais und einem mechanischen Schalter. Zum Einschalten der Betriebsspannung elektronischer Schaltkreise eines Reglers über einen Arbeitskontakt des Relais wird durch die Prüfschaltung versucht, die Transistoren durchzusteuern. Gleichzeitig überwacht die Prüfschaltung das Potential der Verbindung zwischen den Transistoren. Wenn ein Transistor kurzgeschlossen sein sollte, wird der andere Transistor nicht durchgesteuert, so daß das Relais nicht anzieht und die elektronischen Schaltkreise des Reglers abgeschaltet bleiben. Wenn die Transistoren jedoch beide durchgeschaltet sind, kann während des Stromdurchgangs durch die Transistoren und das Relais keine weitere Prüfung der Funktionsfähigkeit der Transistoren durchgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Prüfung der Funktionsfähigkeit der Schaltvorrichtung auch während des Betriebs des Verbrauchers durchführbar ist. Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sicherheits- Schaltvorrichtung einen ersten steuerbaren Schaltkreis und einen zweiten steuerbaren Schaltkreis aufweist, deren Ausgangsanschlüsse miteinander verbunden sind und den Ausgang der Sicherheits-Schalt-vorrichtung bilden, daß dem ersten Schaltkreis zyklisch ein erster Prufschaltimpuls und dem zweiten Schaltkreis zyklisch ein zweiter, gegenüber dem ersten zeitlich versetzter Prufschaltimpuls zuführbar ist, daß die Schaltkreise so ausgelegt sind, daß die Ausgangsspannung der Sicherheits-Schaltvorrichtung bei Erhalt der zeitlich versetzten Prufschaltimpulse mit einer Amplitude schwankt, die von der Amplitude der Ausgangsspannung bei gleichzeitigem Erhalt von Prufschaltimpulsen abweicht, und daß die Sicherheits-Schaltvorrichtung bei gleichzeitigem Erhalt der Prufschaltimpulse eine Abschaltung des Verbrauchers bewirkt.
Wenn bei dieser Lösung beide Schaltkreise funktionsfähig sind, tritt bei Zufüh- rung der zeitlich versetzten Prufschaltimpulse nur eine Schwankung der Ausgangsspannung auf. Wenn dagegen einer der Schaltkreise einen Kurzschluß aufweist, wird die Ausgangsspannung bei jedem dem anderen Schaltkreis zugeführten Prufschaltimpuls stark geändert, was als Fehler in dem einen Schaltkreis erkannt wird. Wenn beide Schaltkreise funktionsfähig sind, weil die Aus- gangsspannung schwankt, kann durch gleichzeitige Zuführung der Prufschaltimpulse an beide Schaltkreise die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einem Abschaltsignal der Überwachungseinrichtung ausgeschaltet werden, so daß der Betrieb des Verbrauchers abgebrochen wird.
Die Ausgangsspannung der Sicherheits-Schaltvorrichtung kann einem Sensor zuführbar sein, durch den bei Erhalt einer schwankenden Ausgangsspannung aufgrund der zeitlich versetzten Prufschaltimpulse ein Signal "kein Fehler" auslösbar ist.
Vorzugsweise ist die Ausgangsspannung im Normalfall, d.h. ohne Beaufschlagung durch Prufschaltimpulse, konstant, wobei die Prufschaltimpulse eine Ab- senkung der Ausgangsspannung bewirken, so daß sie bei Fehlerfreiheit der Sicherheits-Schaltvorrichtung nur geringfügig schwankt.
Die Ausgangsspannung kann die Betriebsspannung eines Treibers für Schalt- impulse von Halbleiter-Schaltelemen-ten im Stromkreis eines elektrischen Motors sein. Dieser würde dann bei gleichzeitiger Zuführung von Prufschaltimpulsen an die beiden Schaltkreise in Abhängigkeit von einem Abschaltsignal abgeschaltet.
Vorzugsweise enthält jeder Schaltkreis einen Transistor und wenigstens einen Widerstand in Reihe. Wenn dann die Verbindungen zwischen dem jeweiligen Widerstand und Transistor als Ausgangsanschluß des jeweiligen Schaltkreises benutzt werden, ist die Ausgangsspannung im Normalzustand, in dem beide Transistoren leitend ist, am höchsten, weil dann beide Transistoren zwischen Betriebsspannung und Verbraucher parallelgeschaltet sind. Wenn dann durch die Prufschaltimpulse die beiden Transistoren abwechselnd, ihre Funktionsfähigkeit vorausgesetzt, gesperrt werden, nimmt die Ausgangsspannung bei jedem Prufschaltimpuls nur geringfügig ab, was als Fehlerfreiheit erkannt wird. Wenn jedoch ein Transistor aufgrund eines Defekts ständig leitend ist, ändert sich die Kurvenform, so daß dies als Fehler im ersten Schaltkreis, d.h. dessen
Transistor, erkannt wird.
Die Widerstände sind vorzugsweise selbsttätig in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom auf einen dem Verbraucherstrom angepaßten Wert einstellbar. Da- durch entfällt eine Anpassung der Widerstände an den jeweiligen Verbraucher- Nennstrom.
Ferner kann die Prüfvorrichtung einen Mikroprozessor aufweisen, durch den der Sicherheits-Schaltvorrichtung die Prufschaltimpulse zuführbar sind und über den die Schaltkreise durch die Überwachungseinrichtung ansteuerbar sind. Der
Mikroprozessor kann auf einfache Weise so programmiert werden, daß er die unterschiedlichen Spannungen bei einem Fehler oder bei Fehlerfreiheit in den Schaltkreisen erkennt und bei gleichzeitiger Abgabe der Prufschaltimpulse und demzufolge niedriger Ausgangsspannung das gewünschte Abschaltsignal weiterleitet.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele und Abwandlungen dieser Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung für einen elektrischen Motor mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung,
Fig. 2 eine Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach Fig. 1 ,
Fig. 3 eine weitere Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach Fig. 1 ,
Fig. 4 eine dritte Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach Fig. 1 ,
Fig. 5 eine vierte Abwandlung der Sicherheitsvorrichtung nach Fig. 1 ,
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum selbsttätigen Prüfen der
Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung in der erfin- dungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung und ein zugehöriges Impulsdiagramm,
Fig. 7 eine Abwandlung der Prüfvorrichtung nach Fig. 6 mit einem zugehörigen Impulsdiagramm, Fig. 8 ein verallgemeinertes Blockschaltbild der Prüfvorrichtung nach den Fig. 6 und 7 mit zugehörigen Impulsdiagrammen,
Fig. 9 ein Schaltbild einer abgewandelten erfindungsgemäßen Prüfvor- richtung für die Funktionsfähigkeit von Ein- und Ausgängen einer der in Fig. 5 dargestellten Sicherheits-Schalt-vorrichtungen mit zugehörigen Impulsdiagrammen,
Fig. 10 ein Schaltbild einer weiteren Abwandlung einer Vorrichtung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung mit zugehörigen Impulsdiagrammen,
Fig. 11 ein Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Prüfung der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung mit zugehörigen Impulsdiagrammen und
Fig. 12 schematisch einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen
Motorsteuerung in Form eines Umrichters.
Die Motorsteuerung 1 nach Fig. 1 enthält eine Sicherheitsvorrichtung 4, die mit einer Steuereinrichtung 2, hier einem Umrichter, verbunden ist und an die eine benutzerseitige, externe, d.h. außerhalb der Motorsteuerung 1 angeordnete, Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 2 ist dem Motor 3 zugeordnet und enthält eine Schwachstrom-Steuer- einheit 6 auf einer Karte 7 (Platine) - weiterhin auch "Steuerkarte" genannt - und eine Starkstrom-Steuereinheit 8 (auch "Leistungs-Steuereinheit" genannt) auf einer Starkstrom-Steuerkarte 9 (auch "Leistungs-Steuerkarte" genannt).
Die Schwachstrom-Steuereinheit 6 enthält einen digitalen Signalprozessor (DSP) 10, der einen Pulsdauermodulator (PDM) 11 aufweist und mit einem Mi- kroprozessor (μP) 12 über die als Doppelpfeil dargestellte Verbindung kommuniziert.
Die Starkstrom-Steuereinheit 8 enthält einen Wechselrichter 13, der Leistungs- Halbleiterschaltelemente, hier sogenannte IGBTs (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor), in Dreiphasen-Brückenschaltung aufweist. Ferner enthält die Starkstrom-Steuereinheit 8 einen Schaltimpuls-Treiber 14, der Steueranschlüssen der Leistungs-Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters 13 über eine der Anzahl der Leistungs-Halbleiterschalt-elemente entsprechende Anzahl von Treiberstufen Schalt-impulse zur Steuerung der Leistungs-Halbleiterschalt- elemente zuführt. Der Schaltimpuls-Treiber 14 enthält Trenntransformatoren für eine sichere, potentialfreie Verbindung der Schwachstrom- oder Niederspannungsseite mit der Starkstrom- oder Hochspannungsseite. Die Schaltimpulse werden durch den digitalen Signalprozessor 10 in Verbindung mit dem Mikro- Prozessor 12 erzeugt und durch den Pulsdauermodulator 11 in ihrer Dauer so moduliert, daß der Motor 3 über den Wechselrichter 12 als Betriebsstrom einen etwa sinusförmigen Dreiphasenstrom erhält, dessen Frequenz dem Sollwert der Drehzahl entspricht. Der Mikroprozessor 12 sorgt u.a. ferner dafür, daß ein Gerät oder eine Anlage, beispielsweise eine Pumpe oder ein Aufzug, entspre- chend den Belastungsanforderungen mit der jeweils erforderlichen Drehzahl angetrieben wird. Der digitale Signalprozessor 10 steuert u.a. die durch den Pulsdauermodulator 11 ausgeführte Pulsdauermodulation.
Auf der Karte 9 ist ein weiterer Mikroprozessor 15 angebracht. Neben der Ver- arbeitung von Meßsignalen von Strömen, Spannungen, Temperaturen und der Steuerung eines Ventilators dient er auch der Prüfung der Funktionsfähigkeit der Sicherheitsvorrichtung 4, genauer gesagt einer in ihr enthaltenen Sicherheits-Schaltvorrichtung. Die Prüfung der Funktionsfähigkeit besteht im wesentlichen darin, festzustellen, ob ein Halt-Signal oder Haltbefehlsignal, bei dessen Zuführung aus der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 letztlich der Motor 3 anhalten soll, ohne unabsichtlich wieder anzulaufen, tatsächlich wirksam war. Falls der Motor 3 nach Abgabe eines Haltbefehlssignals nicht anhält bzw. keine Anhaltaktivitäten in der Motorsteuerung in Gang gesetzt werden, führt der Mikroprozessor 15 dem Mikroprozessor 12 über eine Busverbindung 16 ein Halt-Signal zu, das durch den Mikroprozessor 12 und den digitalen Sig- nalprozessor 10 ausgeführt wird.
Die Sicherheitsvorrichtung 4 enthält auf einer Karte 18, weiterhin auch "Optionskarte" genannt, eine Sicherheits-Schaltvorrichtung 19 mit einem Relais 20, Transistoren 21 und 22 sowie eine Verzögerungseinrichtung aus zwei Verzöge- rungsgliedern 23 und 24, deren Verzögerungszeit durch Einstellvorrichtungen 25 und 26 einstellbar ist.
Das Relais 20 hat drei Kontakte 27, 28 und 29, die hier im stromlosen Zustand der Spule 30 des Relais dargestellt sind. Der Kontakt 27 ist über Leitungen 31 , 32 mit dem Mikroprozessor 15 verbunden. Der Kontakt 29 liegt im Betriebsstromkreis 33 des Schaltimpuls-Treibers 14. Der Kontakt 28 ist über Anschlüsse 34 einer Anschlußleiste 35 auf der Karte 18 mit einer Prüfspannung über die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5, die z.B. in einem Schaltschrank 17 angeordnet ist, verbunden. Der Transistor 21 liegt in Reihe mit der Spule 30 des Relais 20 an einer Betriebsspannung UBI von beispielsweise 24 V und ist über
Anschlüsse "Relais" und "Erde", die zum Anschließen eines Schalters 36, hier eines Kontakts eines Relais, in der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 und "Erde" dienen, sowie über den Schalter 36 mit "Erde" verbunden. Ein zur Auslösung eines gewöhnlichen Halt-Signals zum Anhalten des Mo- tors 3 betätigbarer Schalter 40 in der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 ist über eine Leitung 41 und einen Anschluß "Rampen-Generator-Eingang" auf der Karte 7 mit einem Rampengenerator im Mikroprozessor 12 verbunden.
An weiteren Anschlüssen 42 und 43 der Anschlußleiste 35, die einerseits je- weils mit einem Eingang des Verzögerungsglieds 23 bzw. 24 zu deren Auslösung über eine Leitung 44 bzw. 45 verbunden sind, sind andererseits separate Ausgangsleitungen 46 der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 angeschlossen.
An einer Verbindung 47 des Pulsdauermodulators 11 mit dem Schaltimpuls- Treiber 14 ist ein Sensor 48 zum Messen der (Folge-)Frequenz der dem Schaltimpuls-Treiber 14 zugeführten Schaltimpulse als Maß für die Drehzahl des Motors 3 angeschlossen. Das Frequenz-Meßsignal wird über eine Leitung 49 einem weiteren Eingang des Mikroprozessor 15 zugeführt.
Die Karten 7 und 18 und ihre darauf angebrachten Schaltungsanordnungen sind durch einen Verbinder 50, hier einen Steckverbinder, der Anschlüsse a, b, c ... g aufweist, verbunden, wobei die Verbindungsleitungen 31 , 32, 33, 37 zur Vereinfachung der Darstellung außerhalb des Verbinders 50 dargestellt sind. Anstelle eines Steckverbinders 50 kann die Verbindung der Karten 7 und 18 auch mittels eines an seinen Enden mit Steckkontakten versehenen Kabels, insbesondere Flachkabels, zwischen Aufnahmekontakten an den Karten 7 und 18 hergestellt werden. Desgleichen können die Karten 7 und 9 bzw. die auf ihnen angebrachten Schaltungsanordnungen durch einen Verbinder, wie den Verbinder 50, oder ein Steckverbindungskabel verbunden sein. Die auf den Karten 7 und 9 angeordneten Schaltungsanordnungen können aber auch gemeinsam auf einer einzigen Karte (Platine) angeordnet sein, so daß ein Verbinder zum Verbinden der Karten 7 und 9 entfallen kann.
Die gesamte Schaltungsanordnung auf den Karten 7 und 9 ist so ausgebildet, daß sie, wenn die Karte 18 nicht angeschlossen ist, als normale Motorsteuerung, hier als Umrichter, ohne Sicherheitsfunktion wirkt. Ist die Karte 18 dagegen angeschlossen, was vorzugsweise ab Fabrik vorgesehen, aber auch durch eine Nachrüstung möglich ist, so wechselt die Funktion der Motorsteuerung 1 bzw. des Umrichters von einer "gewöhnlichen Funktion" in eine solche mit "Si- cherheitsfunktion", im vorliegenden Fall in die Funktion "sicherer Halt". Die Karte 18 wird daher auch als "Optionskarte" bezeichnet, da sie zusätzlich eine Si- cherheitsfunktion ermöglicht. Das Vorhandensein der Karte 18 wird durch Messen einer Spannung an einem der Anschlüsse a-g, z.B. an dem Anschluß a, überprüft. Wenn die Karte 18 nicht angeschlossen ist, liegt am Anschluß a eine hohe, andernfalls eine niedrige Spannung an.
Der Mikroprozessor 15 ist dabei so programmiert, daß er ohne Optionskarte 18 nur seine übliche Funktion im Regelkreis, hier Drehzahl-Regelkreis, wahrnimmt und bei angeschlossener Optionskarte 18 auch zur Sicherheitsfunktion beiträgt und funktionsmäßig einen Teil der Sicherheitsvorrichtung 4 bildet.
Die Sicherheitsvorrichtung 4 kann auf weitere Sicherheitsfunktionen ausgelegt sein, z.B. kann sie auf ein "Not-Aus"-, ein Lichtschranken-, Drehzahlgrenzwert- überschreitungs-, Sicherheitsbus- oder ein Signal anderer Sensoren, das das Anhalten des Motors verlangt, ansprechen. Diese Signale können aus der Si- cherheits- und Überwachungsschaltung 5 zuführbar sein. Als Beispiel wird anhand von Fig. 1 nur das Ansprechen auf ein Halt-Signal über den Schalter 40 erläutert, der beispielsweise durch Einschalten eines Relais in der Schaltung 5 geschlossen werden kann, um den Motor 3 anzuhalten.
So kann eine nicht dargestellte Pumpe, die von dem Motor 3 angetrieben wird, ein Überlaufen bewirken, das von einem Sensor gemeldet wird und ein Relais in der Schaltung 5 betätigt, das daraufhin den Schalter 40 schließt, so daß dem Mikroprozessor 12 über den Schalter 40, die Leitung 41 und den Rampen- Generator-Ein-gangsanschluß ein Signal zugeführt wird, das im Mikroprozessor 12 einen Rampensignalgenerator bzw. eine gleichwirkende programmierte
Funktion des Mikroprozessors 12 auslöst, durch den bzw. die ein rasch bis auf Null abnehmendes Drehzahl-Sollwert-Signal, ein "Rampen-Signal", in der Steuereinheit 6 bewirkt, daß die Drehzahl des Motors 3 entsprechend rasch abnimmt, bis er stillsteht oder nach dem Verschwinden des Rampen-Signals auf- grund seiner Massenträgheit ausläuft. Hierbei gibt der Mikroprozessor 12 das Rampen-Signal an den digitalen Signalprozessor 10 weiter, der den Pulsdauermodulator 11 stetig abschaltet, so daß dem Schalt-impuls-Treiber 14 und damit auch den Schaltelementen im Wechselrichter 13 zum Schluß keine weiteren Schaltimpulse zugeführt werden. Gleichzeitig mit dem Schließen des Schalters 40 wird, bei weiterhin geschlossenen Schaltern 36 und 39 der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5, über die Leitungen 46, die Anschlüsse "Verzögerungsglied-Auslösung" und die Leitungen 43, 44 den Auslöseeingängen der Verzögerungsglieder 23 und 24 jeweils ein Auslösesignal zugeführt. Im Normalbetrieb halten die Verzögerungs- glieder 23 und 24 die Transistoren 21 und 22 durchgesteuert, so daß ein Strom durch die Relaisspule 30 fließt und die Kontakte 27, 28 geöffnet sind, dagegen der Kontakt 29 geschlossen ist. Nach Ablauf der Verzögerungszeit sperrt das Verzögerungsglied 23 den Transistor 21 , so daß das Relais 20 abfällt, der Kontakt 29 geöffnet und der Betriebsstrom des Schaltimpuls-Treibers 14 unterbro- chen wird. Gleichzeitig werden die Kontakte 27 und 28 geschlossen. Die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds 23 entspricht etwa der Dauer des Her- unterfahrens des Motors 3, einschließlich der Ansprechverzögerungszeit des Relais 20. Das Abschalten bzw. das Unterbrechen des Betriebsstroms des Schaltimpuls-Treibers 14 erfolgt mithin, wenn die Motordrehzahl Null oder na- hezu Null ist. Statt alle Treiberstufen abzuschalten, können auch nur diejenigen abgeschaltet werden, die die mit dem positiven oder mit dem negativen Pol der Betriebsspannung des Wechselrichters 13 verbundenen "oberen" oder "unteren" Leistungs-Schaltelemente des Wechselrichters 13 steuern.
Das andere Verzögerungsglied 24 erzeugt nach Ablauf seiner Verzögerungszeit, die gleich der des Verzögerungsglieds 23 ist, ein redundantes Abschaltsignal. Dieses Signal sperrt den Transistor 22, wodurch dem Rücksetzeingang R ein Rücksetzsignal (Spannung Null) zugeführt wird, so daß auch der Betrieb des digitalen Signalprozessors 10 und des Pulsdauermodulators 11 eingestellt wird und mithin der Schaltimpuls-Treiber 14 auch keine Schaltimpulse mehr erhält. Gleichzeitig mit dem Abschaltsignal meldet das Verzögerungsglied 24 über einen Anschluß "Rückmeldung" der Anschlußleiste 35 an die Sicherheitsund Überwachungsschaltung 5 zurück, daß es das Abschaltsignal abgegeben hat. In Speicher-einrichtungen der Einstellvorrichtungen 25 und 26 liegen die Verzögerungszeiten abruf bereit.
Zusätzlich zu dem Halt-Signal über den Schalter 40 erhält die Steuereinrichtung 2 zur Erhöhung der Sicherheit mithin noch zwei weitere (redundante) Halt-Signale, um mit hoher Sicherheit zu gewährleisten, daß dem Motor 3 - nach der Abgabe des Halt-Signals über den Schalter 40 - keine Betriebsenergie über die Steuereinrichtung 2 bzw. den Umrichter zugeführt wird und der Motor 3 nicht nur anhält, sondern auch nicht wieder anläuft.
Die Kontakte 27 und 28 des Relais 20 dienen zur Rückmeldung und Überprüfung, daß bzw. ob das Verzögerungsglied 23 tatsächlich ein Abschaltsignal ab- gegeben hat. Nach dem Abfallen des Relais 20 prüft der Mikroprozessor 15 den Schaltzustand des Kontakts 27, indem er versucht, ein Signal über den Kontakt 27 zu leiten. Wenn der Kontakt 27 ein Signal durchläßt, interpretiert der Mikroprozessor 15 dies so, daß der Kontakt 27 geschlossen ist und der Kontakt 29 den Betriebsstrom des Schaltimpuls-Treibers 14 tatsächlich unterbrochen hat. Über den mit der Anschlußleiste 35 verbundenen Kontakt 28 des Relais 20 leitet die externe Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 die Prüfspannung. Wenn die Prüfspannung durchgelassen wird, wird dies von der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 als Rückmeldung bzw. Bestätigung interpretiert, daß der Kontakt 29 geöffnet, der Steuereinrichtung 2 ein Abschaltsignal zugeführt bzw. der Betriebsstrom des Schaltimpuls-Treibers 14 unterbrochen und mithin der Motor 3 angehalten wurde.
Der Mikroprozessor 15 prüft ferner über die Leitung 37, ob die Spannung an der Relaisspule 30 durch das Sperren des Transistors 21 angestiegen ist. Wenn dies der Fall ist, und Kontakt 27 auch geschlossen ist, ist alles in Ordnung. Falls der Kontakt 27 nicht geschlossen wurde, liegt ein Fehler in der Sicherheitsvorrichtung 4 vor, und der Mikroprozessor 15 löst ein Alarmsignal aus.
In Anwendungsfällen mit hohen Sicherheitsanforderungen, werden Rückmelde- oder Bestätigungssignale, wie sie über die Kontakte 27 und 28 abgegeben werden, an die externe Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 geleitet, die wiederum die Hauptstromversorgung der Motorsteuerung 1 unterbricht, wenn wider Erwarten kein Rückmeldesignal in der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 eintrifft. Um eine verfrühte Unterbrechung der Hauptstrom- Versorgung zu verhindern, ist daher auch in der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 ein Verzögerungsglied vorgesehen, das erst nach Ablauf seiner Verzögerungszeit eine Betriebsunterbrechung zuläßt. Anstelle dieses Verzögerungsglieds kann auch ein Relais mit entsprechend hoher Ansprechverzögerung zum Auslösen der Betriebsunterbrechung in der Sicher- heits- und Überwachungsschaltung 4 vorgesehen sein.
Die Verzögerungsglieder 23 und 24 können jeweils als integrierte Schaltung beispielsweise vom Typ 555 ausgebildet sein, die nach Ablauf der Verzögerungszeit einen Transistor sperrt. Die Verzögerungszeit kann ferner fest vorge- geben sein, z.B. in einem Speicherelement. Sie kann aber auch durch umsteckbare Steckverbindungen auf der Karte 18 oder mittels eines Potentiometers durch den Benutzer einstellbar sein. Alternativ kann sie durch die externe Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 über die Anschlußleiste 35 vorgegeben werden. Ferner ist es möglich, die Verzögerungszeit dynamisch als Funktion der Drehzahl und/oder der Massenträgheit des Motors 3 selbsttätig einstellbar vorzugeben. Eine Alternative zur Ausbildung mit diskreten Bausteinen besteht darin, die Verzögerungseinrichtung durch eine Software in einem Mikroprozessor zu realisieren.
Über die Schalter 36 und 39 in der benutzerseitigen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 kann jeweils unverzögert ein Halt ausgelöst werden. So kann der Benutzer an die Anschlüsse "Relais" und "Erde" bzw. "Relais" und "UB3" (UB3 = z.B. 5 V) jeweils einen Überwachungsschalter anschließen, z.B. einen Lichtschranken-Schalter, bei dessen Betätigung der Stromkreis der Relaisspule 30 - ohne Verzögerung durch das Verzögerungsglied 23 - unterbro- 5 chen bzw. die Rückstellung des digitalen Signalprozessors 10 über seinen
Rückstelleingang R ohne Verzögerung durch das Verzögerungsglied 24 ausgelöst wird. Die Verzögerungsglieder 23 und 24 werden dadurch übersteuert.
Die Motorsteuerung 1 nach Fig. 2 ist gegenüber der in Fig. 1 dargestellten inso- 0 fern abgewandelt, als eine zusätzliche Sicherheitsfunktion, die Drehzahlüberwachung nach der Norm IEC 61800-5, auf der Optionskarte 18 implementiert ist. Sie dient der Überwachung der Motordrehzahl, um den Betrieb der Steuereinrichtung 2 und damit den Betrieb des Motors 3 möglichst rasch anzuhalten, wenn die Drehzahl einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die Dreh- 5 Zahlüberwachung ist insbesondere bei der Inbetriebnahme größerer Anlagen vorteilhaft, um den Motor 3 zur Durchführung eines Tests der Anlage oder, wenn eine Wartung während des Betriebs durchgeführt werden muß, nur mit beispielsweise 30 % seiner Nennbetriebsdrehzahl betreiben zu können. Durch die Drehzahlüberwachungseinrichtung wird der Betrieb der Steuereinrichtung 2 o und damit der des Motors 3 angehalten, sobald die vorgegebene Drehzahlgrenze überschritten wird.
Um die Drehzahlüberwachung in "sicherer Technik" zu realisieren, sind drei Drehzahlsignale vorgesehen. Zwei Drehzahlsignale werden durch unmittelbare 5 Messung der Drehzahl mittels zweier Drehzahlsensoren 51 und 51' an der Motorwelle erzeugt und das dritte aus der Folgefrequenz der pulsdauermodulierten Ausgangsimpulse des Pulsdauermodulators 11 mittels des Drehzahlsensors 48 abgeleitet und dem Mikroprozessor 15 über eine Leitung 49 zugeführt. Die Ableitung des Drehzahlsignals aus der Folgefrequenz der Schaltimpulse ist auf o einfache Weise möglich. Eine Möglichkeit besteht darin, die Spannung an der
Verbindung 47 zu messen und mit einem vorgegebenen U/f-Verhältnis zu ver- gleichen. Dadurch kann die Frequenz f ermittelt werden. Dieses Verfahren ist aber nur bei Umrichtern mit U/f-Steuerung möglich.
Auf der Optionskarte 18 ist ein Transistor 52 mit dem Transistor 21 in Reihe geschaltet und ein Drehzahlüberwacher 53 ausgangsseitig mit der Basis des Transistors 52 verbunden oder mit diesem integriert. Eingangsseitig ist der Drehzahlüberwacher 53 über Anschlüsse "Sensor-Eingang" der Anschlußleiste 35 mit dem Drehzahlsensor 51 verbunden. Die Reihenschaltung der Transistoren 21 und 52 bildet ein ODER-Glied. Wenn daher das Verzögerungsglied 23 den Transistor 21 oder der Drehzahlüberwacher 53 den Transistor 52 sperrt, wird der Kontakt 29 des Relais 20 geöffnet und der Betriebsstromkreis 33 des Schaltimpuls-Treibers 14 unterbrochen.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist auf der Optionskarte 18 das redundante Verzögerungsglied 24 und zusätzlich ein redundanter Drehzahlüberwacher 54 angeordnet, der einen mit dem Transistor 22 in Reihe liegenden Transistor 55 sperrt, wenn das ihm ebenfalls über Anschlüsse "Sensor- Eingang" zugeführte Drehzahlsignal des Drehzahlsensors 51' den vorgegebenen Drehzahlgrenzwert überschreitet.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Benutzer mittels der während des Betriebs geschlossenen Schalter 36 und 39 durch Öffnen des Schalters 36 oder 39 den Betrieb des Umrichters und damit des Motors 3 direkt, unter Übersteuerung der Verzögerungsglieder 23, 24 und der Drehzahlüberwacher 53, 54, anhalten.
Bei der Abwandlung nach Fig. 3 ist die Sicherheitsvorrichtung 4 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 durch eine weitere Sicherheitsfunktion "sicherer Bus" erweitert, wobei das in Fig. 2 dargestellte zweite Verzögerungsglied 24 und der zweite Drehzahlüberwacher 54 mit den Transistoren 22 und 55 zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 3 weggelassen sind. Sicherheitsbusse sind gewöhnliche Kommunikationsbusse, die durch eine Sicherheitsfunktion erweitert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist als Sicherheitsbus 56 der Bus Profisafe® vorgesehen, der die "sichere" Version des so- genannten "Profibusses" ist. "Profibus" ist ein bekanntes Bus-Protokoll für die Kommunikationsbusse zwischen Anlagenelementen, wie Motorsteuerungen und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Auch andere Busse, wie CANopen Safety, AS-i Safety at Work, Device-net Safe, Interbus Safety, verfügen über sogenannte "sichere Technik". Der hier dargestellte Sicherheitsbus 56 ermöglicht eine Kommunikation über ein zweiadriges Kabel und ist über einen Anschluß "Sicherheitsbus" der Anschlußleiste 35 mit einem Buscontroller 57 verbunden. Die Redundanz eines Abschaltsignals über den Sicherheitsbus 56 wird durch zwei Mikroprozessoren 58 und 59 sichergestellt. Der Buscontroller 57 überwacht die Kommunikation. Falls irgendwo in einer Fabrikanlage ein Fehler auftritt und der dort oder entfernt installierte Motor 3 angehalten werden muß, wird über den Sicherheitsbus 56 und den Anschluß "Sicherheitsbus" auf der Optionskarte 18 ein Halt-Signal zum Buscontroller 57 übertragen, und von diesem weiter über den Mikroprozessor 58 und den Mikroprozessor 59 über eine Verbindung 60 zum Mikroprozessor 12 auf der Karte 7, der wiederum dem Rücksetzeingang R ein Rücksetzsignal zuführt, so daß die Energiezufuhr zum Motor 3 unterbrochen wird.
Mit den Transistoren 21 und 52 liegt ein weiterer Transistor 61 in Reihe im Stromkreis der Relaisspule 30. Der Mikroprozessor 58 führt dem Transistor 61 ein weiteres (redundantes) Halt-Signal zu, so daß der Transistor 61 gesperrt wird und das Relais 20 abfällt.
Somit werden vom Sicherheitsbus 56 aus zwei Halt-Signale erzeugt, die für den sicheren Halt des Motors 3 sorgen. Der Mikroprozessor 12 kann ferner so programmiert und angeschlossen sein, daß er auch die Funktionssicherheit des Relais 20 und der Signalübertragungswege der Sicherheitsvorrichtung 4 prüft. Der Mikroprozessor 58 kann ferner so programmiert sein, daß er die Signal-Übertragung über den Sicherheits- bus durch ein CRC-Verfahren (Cyclic Redundancy Check) überprüft.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 3 auf der Karte 9 kein Mikroprozessor vorgesehen. Vielmehr ist die Funktion des Mikroprozessors 15 in die des Mikro- Prozessors 12 durch entsprechende Programmierung einbezogen. Es ist daher möglich, im Falle eines Defekts in der Starkstrom-Steuereinheit 8 die Karte 9 mit der Starkstrom-Steuereinheit 8 ohne den Mikroprozessor 15 auszuwechseln.
Ferner hat das Relais 20 nur die beiden Kontakte 28 und 29. Die Kontakte 28 und 29 sind im Normalbetrieb bei stromführender Relaisspule 30 geschlossen und verbinden die Betriebsspannung Uß2 mit dem Schaltimpuls-Treiber 14, hier dem primärseitigen Schaltimpuls-Treiber 14ι des in den primärseitigen und einen sekundärseitigen Schaltimpuls-Treiber 142 unterteilten Schaltimpuls- Treibers 14. Der primärseitige Schaltimpuls-Treiber 14ι und der sekundärseitige
Schaltimpuls-Treiber 142 sind über einen Transformator 62 zur Potentialtrennung induktiv gekoppelt.
Die Sicherungs- und Überwachungsschaltung 5 enthält zusätzlich zu den Schaltern 36 und 40 weitere Schalter 63, 64 und 65. Die Betriebsspannung Uß4 liegt an dem einen Anschluß der Schalter 36, 63 und 64. Die anderen Anschlüsse der Schalter 63 und 64 sind über die Anschlüsse "Verzögerungsglied- Auslösung" der Anschlußleiste 35 jeweils mit einem Auslöseeingang der Verzögerungsglieder 23 und 24 verbunden. Der Schalter 65 ist mit seinem anderen Anschluß über den Anschluß "Sicher-heitskanal II" mit dem einen Eingang eines INHIBIT-Glieds 66 verbunden. Das Verzögerungsglied 24 ist ausgangssei- tig mit dem anderen Eingang des INHIBIT-Glieds 66 verbunden. Der Ausgang des INHIBIT-Glieds 66 ist mit dem Rücksetzeingang R des Pulsdauermodulators 11 bzw. des DSP 10 und über eine Trennstufe 68, hier einen hochohmigen Widerstand, mit einem Eingang des Mikroprozessors 12 verbunden. Die Leitung 33 ist ebenfalls über eine Trennstufe 67 mit einem Eingang des Mikroprozessors 12 verbunden. Ein Sensor 69 mißt die Spannung an der Verbindung 47 und führt den Meßwert über eine Leitung 70 einem Umsetzer 71 auf der Karte 18 zu. Der Ausgang des Umsetzers 71 ist über einen Anschluß "Sicherheitsrückmeldung II" der Anschlußleiste 35 mit der Sicherheits- und Überwa- chungsschaltung 5 verbunden. Der Umsetzer 71 setzt die PDM-Signale in ein EIN- oder AUS-Signal um.
Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 ist weitgehend die gleiche wie die der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Wenn ein HaitSignal der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 zugeführt wird, schließt der Schalter 40, und es wird der Rampengenerator im Mikroprozessor 12 über den Schalter 40 eingeschaltet, so daß der Motor 3 heruntergefahren wird. Gleichzeitig werden die Schalter 63 bis 65 geschlossen. Dadurch werden die Verzögerungsglieder 23 und 24 ausgelöst, und dem INHIBIT-Glied 66 wird ein Signal zugeführt, durch das dem Rücksetzeingang R ein Rücksetzsignal zugeführt wird. Nach Ablauf der Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds 23 fällt das Relais 20 ab. Durch das Abfallen des Relais 20 werden die Schalter 28 und 29 geöffnet, so daß die Betriebsspannung Uß2 des Schaltimpuls-Treibers 14ι abgeschaltet wird und der Mikroprozessor 12 über die Trennstufe 67 ein Signal erhält. Durch dieses Signal wird das Öffnen des Schalters 29 bestätigt. Nach Ablauf der Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds 24 gibt dieses über das INHIBIT-Glied 66 ein weiteres Rücksetzsignal an den Rücksetzeingang R ab, das den digitalen Signalprozessor 10 und den Pulsdauermodulator 11 zurücksetzt. Über die Trennstufe 68 wird das Rücksetzsignal zusätzlich dem Mikroprozessor 12 zugeführt, der dieses Signal benötigt, um nach einer Abschaltung der Steuereinrichtung 2 bzw. des Umrichters später einen korrekten Start durchzuführen. Nach Erhalt eines Rücksetzsignals speichert der Mikroprozessor 12 rele- vante Prozeßdaten, die bei Wiederinbetriebnahme verwendet werden. Die Trennstufen 67 und 68 dienen der Trennung der sicheren Signalelektronik von der gewöhnlichen Betriebselektronik. Der Prozessor 12 überwacht den Sicherheitskanal II, ob über diesen ein Halt-Signal abgegeben wurde. Ein Elektronikfehler im Mikroprozessor 12 soll nicht bewirken können, daß das Abschaltsignal auf dem Sicherheitskanal II nicht ankommt, was z.B. der Fall sein kann, wenn das Potential am Mikroprozessor 12 unerwünscht auf Erdpotential absinkt. Im einfachsten Fall ist die Trennstufe ein hochohmiger Widerstand.
Der Sensor 69 mißt die Spannung an der Verbindung 47 und führt den Meßwert dem Umsetzer 71 auf der Karte 18 zu. Dieser vergleicht den Meßwert mit einem Bezugswert, und wenn der Meßwert unter dem Bezugswert liegt, dann meldet der Umsetzer 71 der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 über den Anschluß "Sicherheits-rückmeldung II", daß tatsächlich ein Rücksetzsignal abgegeben wurde und keine Schaltimpulse mehr auftreten.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die bei den vorherigen Ausführungsbeispielen vorgesehenen Verzögerungsglieder 23 und 24 jeweils durch Software, d.h. durch entsprechende Programmierung zweier über eine Mehrfachleitung M in Austauschverbindung stehender Mikroprozessoren 72 und 73 realisiert. Die Einstellung ihrer Verzögerungszeiten erfolgt weiterhin mittels der
Einsteilvorrichtungen 25 und 26. Mit den Mikroprozessoren 72 und 73 sind ferner zwei Sicherheits-Schaltvor-richtungen 74 und 75 verbunden, die jeweils nur einen Transistor aufweisen können, wie dargestellt, hier aber mehrere Transistoren und erforderlichenfalls Widerstände aufweisen. Mögliche Ausführungs- beispiele der Sicherheits-Schaltvorrichtungen 74 und 75 mit mehreren Transistoren sind in den Fig. 7, 8, 9 und 10 dargestellt, die später beschrieben wer- den. Die Funktionsfähigkeit dieser Sicherheits-Schaltvorrichtungen 74 und 75 wird durch den jeweils mit ihnen verbundenen Mikroprozessor 72 bzw. 73 geprüft. Diese Mikroprozessoren 72 und 73 können, soweit es ihre Verzögerungsfunktion betrifft, funktionsmäßig auch als Teil der Sicherheits-Schaltvorrichtun- gen betrachtet werden. Die Sicherheitsvorrichtung 4 auf der Optionskarte 18 sorgt im wesentlichen für die gesamte Funktionssicherheit, d.h. die der Software und der Hardware. Die übliche Steuereinrichtung 2 ist mit den Sicherungsaufgaben nicht belastet. Um dies zu erreichen, wird die nötige "sichere" Verdrahtung der Steuereinrichtung fabrikseitig ausgeführt. Auf den Karten 7 und 9 werden Kupferbahnen aufgebracht, die Sicherheitssignale für den "sicheren Halt" führen sollen, die aber erst beim Anschluß einer Optionskarte in Betrieb genommen werden.
Ein wesentlicher Aspekt bei diesem Ausführungsbeispiel ist der, daß alle wesentlichen, zur Funktion der Sicherheitsvorrichtung 4 gehörenden Bauteile auf der Optionskarte 18 angeordnet sind, insbesondere die Mikroprozessoren 72 und 73. Deren Software (Programm) braucht somit im wesentlichen nur auf die Durchführung der Sicherheitsfunktionen und hier auch auf die Prüfung der Si- cherheits-Schaltvorrichtungen 74, 75 abgestimmt zu sein. Die Software des Mikroprozessors 12 und des DSP 10 der Steuereinrichtung 2 braucht daher im wesentlichen nur auf die Steueraufgaben der Steuereinrichtung 2 abgestimmt zu sein. Eine Änderung der Software für den Betrieb der Steuereinrichtung 2 kann mithin im Hinblick auf den jeweiligen Anwendungsfall des Motors 3 durchgeführt werden, ohne die Software der Sicherheitsvorrichtung 4 ändern zu müs- sen, und umgekehrt. Dementsprechend ist die Software für den Betrieb der Steuereinrichtung 2 in einem Speicherteil K3, K4 des Mikroprozessors 12 und des DSP 10 und die Software für den Betrieb der Sicherheitsvorrichtung 4 in einem Speicherteil K-i, K2 der Mikroprozessoren 72 und 73 gespeichert. Ein weiterer Vorteil der räumlichen Trennung der Programm-Speicherteile Ki, K2 und K3, K4 besteht darin, daß bei einem Defekt eines Bauteils der Steuereinrichtung
2 oder der Sicherheitsvorrichtung 4 nur die jeweils defekte Karte 7, 9 oder 18 gegen eine neue ausgewechselt zu werden braucht. Denn auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Karten 7 und 9 sowie 7 und 18 durch Steckverbindungen, wie den Verbinder 50 oder ansteckbare Kabel (Flachkabel) verbunden, die ein einfaches und rasches Auswechseln der betreffenden Karte ermögli- chen.
Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, sind auch bei der Abwandlung nach Fig. 5 zwei Sicherheitskanäle I und II zur Auslösung eines sicheren Halts und zwei Sicherheitsrückmeldungskanäle I und II zur Rückmeldung (Bestätigung) an die externe, benutzerseitige Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 (die in Fig. 5 zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen ist), daß der "sichere Halt" tatsächlich erfolgt ist, vorgesehen.
So wird über den Drehzahlsensor 51 , den Anschluß "Sensoreingang" der Anschlußleiste 35 und einen Spannungspegeladapter SA ein Drehzahlsignal dem Mikroprozessor 72 zugeführt, der es mit einem gespeicherten Grenzwert vergleicht und über einen Ausgang A1 der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 ein Abschaltsignal oder Halt-Signal zuführt. Wenn das Drehzahlsignal gleich dem oder größer als der Grenzwert ist, unterbricht die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 die Betriebsspannung Uß2 bzw. den Betriebsstromkreis 33 des Schaltimpuls- Treibers 14-t. Zusätzlich wird durch einen Sensor 76 der Ausgangsstrom des Wechselrichters 13 als Maß für die Drehzahl gemessen und das Meßsignal einem Umformer 77 über eine Leitung 78 zugeführt. Dieser formt das Strommeßsignal I in eine diesem proportionale Frequenz f als Maß für die Drehzahl um und führt das Drehzahlsignal ebenfalls dem Mikroprozessor 72 zu. Der Mikroprozessor 72 vergleicht das Drehzahlsignal mit dem gespeicherten Grenzwert und unterbricht gegebenenfalls die Betriebsspannung Uß2 bzw. den Betriebsstromkreis 33 des Schalt-impuls-Treibers 14ι, wenn dies noch nicht erfolgt ist. Über einen Trennverstärker TR und den Anschluß "Sicher-heitsrückmeldung I" der Anschlußleiste 35 meldet der Mikroprozessor 72 der Sicherheits- und
Überwachungsschaltung 5, ob die Unterbrechung der Betriebsspannung erfolgt ist oder nicht. Das zum Anschluß "Sicherheits-rückmeldung I" zurückgeführte Signal wird ferner über die Leitung 78-ι dem Mikroprozessor 73 zugeführt, der überprüft, ob das Sicherheitsrückmeldesignal gegeben wurde. Falls dies wider Erwarten nicht gegeben wurde, liegt ein Fehler vor, und der Mikroprozessor 73 meldet einen Fehler.
Über Anschlüsse "Aktivierung DSF I (DSF = designierte Sicherheitsfunktion) und "Aktivierung DSF II" der Anschlußleiste 35 können seitens der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 ebenfalls Abschaltvorgänge in Ab- hängigkeit von weiteren Überwachungsfunktionen, wie der Überwachung des Drehmoments, der Temperatur oder der Spannung des Motors 3 oder irgendwelcher anderer vorbestimmter oder gewünschter Funktionen aktiviert werden, die wiederum über den Mikroprozessor 72 oder den Mikroprozessor 73 und die Sicherheits-Schalt-vorrichtung 74 den "sicheren Halt" des Motors bewirken. Über Anschlüsse "Sicherheitskanal I" und "Sicherheits-kanal II" können in gleicher weise über die internen Verzögerungseinrichtungen der Mikroprozessoren 72 und 73 Abschaltbefehlsignale aus der externen Schaltung 5 der jeweiligen Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 und 75 zugeführt werden.
Wenn dem Mikroprozessor 73 über den Anschluß "DSF II", für den in diesem Beispiel eine direkte Abschaltfunktion programmiert ist, sowie über einen Span- nungspegel-adapter SA ein Abschaltbefehlsignal oder Halt-Signal zugeführt wird, betätigt der Mikroprozessor 73 über seinen Ausgang A4 die Sicherheits- Schaltvorrichtung 75. Daraufhin wird dem digitalen Signalprozessor 10 von der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 über die Leitung 38 und den Rücksetzeingang
R ein Rücksetzsignal zugeführt und die weitere Erzeugung von Schaltimpulsen durch den Pulsdauermodulator 11 unterbrochen. Mithin wird der Motor 3 angehalten. Das Signal am Rücksetzeingang R wird außerdem über die Leitung 79 zu einem Eingang Ei des Mikroprozessors 72 und über die Trennstufe 68 zum Mikroprozessor 12 zurückgeführt. Wenn nach Abgabe des Abschaltbefehlsignals kein Rücksetzsignal aufgetreten ist, meldet der Mikroprozessor 72 dies unter Umständen über seinen ausgangsseitigen Trennverstärker TR und den Anschluß "Sicherheitsrückmeldung I" der externen Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 sowie dem Mikroprozessor 73 über die Leitung 78ι als Zeichen dafür, daß in der Sicherheitsvorrichtung 4 ein Fehler aufgetreten ist bzw. 5 ein Defekt vorliegt. Unter allen Umständen schaltet er ebenfalls über die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 den Motor 3 ab. Zusätzlich mißt der Sensor 48 am Ausgang des Pulsdauermodulators 11 bzw. auf der Verbindung 47 die Frequenz bzw. Drehzahl des Motors 3 und führt das Meßsignal dem Umsetzer 71 über eine Leitung 80 zu. Wenn das Meßsignal nicht einem Rücksetzsignal ent- 0 spricht, meldet der Mikroprozessor 73 einen Fehler, der es über seinen ausgangsseitigen Trennverstärker TR zum einen über den Anschluß "Sicherheitsrückmeldung II" an die externe Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 und zum anderen über eine Leitung 81 an den Mikroprozessor 72 weiterleitet. Die Mikroprozessoren 72 und 73 führen mithin wechselseitig die gleichen Prüfun- 5 gen aus und prüfen sich auch immer gegenseitig.
Ein Spannungssensor 82 mißt ferner die Spannung UB2 am Betriebsspannungseingang des Schaltimpuls-Treibers 14! über eine Leitung 83, nachdem die Sicherheits-Schalt-vorrichtung 74 gesperrt wurde. Wenn die Betriebsspan- o nung Uß2 weiterhin vorhanden ist, signalisiert der Spannungssensor 82 dies dem Mikroprozessor 73 als "Fehler". Daraufhin gibt der Mikroprozessor 73 ein Halt-Signal über die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 und teilt gleichzeitig dem Mikroprozessor 72 mit, daß jetzt abgeschaltet werden muß.
5 Die Spannung am Betriebsspannungseingang des Schaltimpuls-Treibers 14ι wird außerdem dem Mikroprozessor 12 über die Trennstufe 67 zur Überprüfung zugeführt.
Über einen Anschluß "Auslösung" in der Anschlußleiste 35 ist nach Aktivierung o einer designierten Sicherheitsfunktion das Rücksetzen dieser Funktion möglich.
Danach arbeitet die Motorsteuerung wieder im Normalbetrieb. Wie zuvor beschrieben, werden aus den Meßsignalen der Sensoren 76 und 48 Drehzahlsignale abgeleitet und mit einem Grenzwert verglichen. In einer besonderen Ausführung werden diese beiden Drehzahlwerte miteinander vergli- chen. Hierfür werden zwei der drei PDM-Signale des Pulsdauermodulators 11 einem Tiefpaßfilder zugeführt. Das Filter erzeugt ein Sinus-Signal, das einem Schmitt-Trigger zugeführt wird, der das Sinus-Signal in ein Umpulssignal umwandelt. Das Impulssignal, dessen Impulsfolgefrequenz der Drehzahl entspricht, wird dem Mikroprozessor 73 zugeführt. Das für den Vergleich zu benut- zende zweite Drehzahlsignal wird aus dem Motorstrom gewonnen. Dabei wird das Meßsignal durch einen Schmitt-Trigger in ein Impulssignal umgewandelt und dem zweiten Mikroprozessor 72 zugeführt. Die Mikroprozessoren vergleichen die beiden Drehzahlen, und falls die Differenz außerhalb eines erlaubten Bereiches liegt, wird die Motorsteuerung angehalten. Alternativ kann der Zwi- schenkreisstrom als Maß für die Drehzahl gemessen werden.
Diese Funktion kann für die Funktion Drehzahlüberwachung benutzt werden. Es kann somit ein "sicheres" Drehzahlsignal gewonnen werden, so daß ein Drehzahlgeber auf der Motorwelle entfallen kann.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist über den Anschluß "Sicherheitsbus" der Anschlußleiste 35 der Sicherheitsbus 56, hier der Sicherheitsbus Profisafe®, angeschlossen, dessen Informationen wiederum von dem Buscontroller 57 (siehe Fig. 3) daraufhin überprüft werden, ob sie einen Fehler enthal- ten oder ein Abschaltbefehlsignal darstellen. Gegebenenfalls wird durch den Buscontroller 57 ein Halt des Motors über den Mikroprozessor 73 und die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 bzw. über den Mikroprozessor 72 und die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 ausgelöst. Über den Bus 56 kann auch die erforderliche Verzögerungszeit an die Mikroprozessoren 72, 73 gesendet werden. Soweit zum Abschalten eines Relais oder irgendeines anderen Verbrauchers Schaltelemente mit diesem in Reihe geschaltet sind, können sie während des Betriebs nicht abgeschaltet werden, um zu prüfen, ob sie weiterhin funktionsfähig sind. Dies würde einem Halt-Befehl gleichen. Dennoch ist es erforderlich, auch während des Betriebs, z.B. einmal pro Minute, die Funktionsfähigkeit der Schaltelemente in der "sicheren Technik" zu prüfen.
Fig. 6 stellt ein Schaltbild einer Vorrichtung zum selbsttätigen Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung dar, durch die in Abhängigkeit von wenigstens einem Abschaltsignal einer Sicherheits- und/oder Überwachungsvorrichtung, hier der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 nach den Fig. 1 bis 3, im Gefahrenfall oder sicherheitshalber der Betrieb eines Verbrauchers, hier des Motors 3, abschaltbar ist. Die Prüfvorrichtung wird am Beispiel der in Fig. 3 dargestellten Sicherheits-Schaltvorrichtung beschrieben, die das Relais 20 und die mit diesem in Reihe geschalteten Schaltelemente, hier die Transistoren 21 , 52 und 61 , aufweist und mit dem Verzögerungsglied 23, dem Drehzahlüberwacher 53, dem Mikroprozessor 15 sowie dem Mikroprozessor 58 verbunden ist. Der mit dem Relais 20 (bzw. dessen Spule 30) verbundene Kollektor des npn-Transistors 61 ist zusätzlich mit der Betriebsspan- nung UBI und sein Emitter mit "Erde" verbunden ist.
Die Prüfvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Impulsgenerator 88 mit einer der Anzahl der Schaltelemente (Transistoren) entsprechenden Anzahl, hier drei, von Ausgängen und Verknüpfungsgliedern 89, 90 und 91. Als Ver- knüpfungsglieder sind UND- und NOR-Glieder dargestellt. Es können aber auch nur UND-Glieder sein, je nachdem, ob die Sperrsignale der im Normalbetrieb ständig leitenden Transistoren durch 1 -Signale oder O-Signale auf der Eingangsseite der Verknüpfungsglieder ausgelöst werden sollen. Vorliegend sind es 1 -Signale. Der Impulsgenerator 88, der einschließlich der Verknüpfungsglieder im Mikroprozessor 58 ausgebildet sein kann, erzeugt zyklisch nacheinander an seinen Ausgängen 1-Signale als Prüf- oder Schaltimpulse P-i, P2 und P3, die jeweils über eines der Verknüpfungsglieder 89, 90 und 91 in dieser oder einer anderen Reihenfolge den Steueranschlüssen der Transistoren als Sperrimpulse Pλ , P2
und E3 zugeführt werden, wie es in Fig. 6(b) dargestellt ist. Die Dauer der
Schaltimpulse P1 ( P2 und P3 ist unterschiedlich und kann jeweils beispielsweise 2 μs, 4 μs und 6 μs betragen. Die Dauer ist mithin kürzer als die Ansprechverzögerung des Relais 20, die etwa 20 ms betragen kann. Das Relais fällt daher bei einer so kurzen Unterbrechung seines Stromkreises nicht ab, so daß seine Kontakte ihren jeweiligen Schaltzustand, "ein" oder "aus" bzw. "geschlossen" oder "geöffnet", beibehalten. Dagegen kann die Spannung UR an der Relaisspule bei jedem Sperrimpuls Pl , P2 und P3 vollständig, wie in Fig. 6(b) dargestellt, oder nur geringfügig abfallen. Nach Fig. 6(b) nimmt sie bei jedem Sperr- impuls vollständig bis auf Null ab, jedoch nur kurzzeitig entsprechend der Dauer des jeweiligen Sperrimpulses. Ein Mikroprozessor, hier der Mikroprozessor 15, der entsprechend einem Diskriminator programmiert ist, oder ein entsprechend ausgebildeter Diskriminator, der die Spannung UR an der Relaisspule ständig daraufhin prüft, ob sie kurzzeitig abfällt oder nicht, erkennt ein kurzzeitiges Ab- nehmen oder Schwanken der Spannung UR als eine fehlerfreie Funktion der Transistoren an. Wenn jedoch wenigstens einer der Transistoren aufgrund eines Defekts ständig leitend bleibt und auf Sperrimpulse nicht reagiert, verschwindet die Spannung UR an der Relaisspule nicht bei jedem Sperrimpuls, und der Diskriminator bzw. Mikroprozessor 15 erkennt dies als einen Fehler eines der Transistoren und signalisiert diesen Fehlerzustand der Sicherheitsund/oder Überwachungsvorrichtung, hier der Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5, und hält die Motorsteuerung an. Da die Dauer der Sperrimpulse unterschiedlich lang ist, erkennt der Diskriminator auch, bei welchem der Transistoren der Defekt vorliegt, da sich die Spannung UR während der Dauer der Abgabe eines Sperrimpulses an den betreffenden Transistor, z.B. des Sperrim- pulses P2 an den Transistor 21 , nicht ändern würde, d.h. konstant bliebe. Diese Überprüfung ist prinzipiell zur Ermittlung eines durchgebrannten Transistors möglich, d.h. eines Transistors, der einen Kurzschluß darstellt. Unabhängig davon, erzeugen der Mikroprozessor 58, das Verzögerungsglied 23 und der Dreh- 5 zahlüberwacher 53 auch, wie im Falle der Fig. 3, nach einem Halt-Signal redundante Abschaltsignale, die jeweils einem der NOR-Glieder (als 1-Signale) zugeführt werden.
Generell beruht dieses Prinzip der Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Schalt- l o elements mithin auf der Ausnutzung der Ansprechverzögerung eines Verbrauchers, hier des Relais, mit dem ein rascher ansprechendes Schaltelement in Reihe geschaltet ist, das im Normalbetrieb einen ersten Schaltzustand einnimmt, in dem der Verbraucher eingeschaltet (stromführend) ist, und im Gefahrenfall in einen zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, in dem der Betrieb des
15 Verbrauchers abgeschaltet wird, wobei das Schaltelement im Normalbetrieb zyklisch während einer Dauer in den zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, die kürzer als die Ansprechverzögerung des Verbrauchers auf einen Abschaltvorgang ist. Vorteilhaft ist es dabei, wenn wenigstens ein weiteres Schaltelement vorgesehen ist, das im Normalbetrieb einen ersten Schaltzustand einnimmt, in
20 dem der Verbraucher eingeschaltet ist, und im Gefahrenfall in einen zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, in dem der Betrieb des Verbrauchers abgeschaltet wird, und wenn die Schaltelemente im Normalbetrieb zyklisch nacheinander während einer Dauer in den zweiten Schaltzustand umschaltbar sind, die kürzer als die Ansprechverzögerung des Verbrauchers auf einen Abschaltvorgang ist.
25 Wenn dann die Ausschaltdauer der Schaltelemente unterschiedlich ist, läßt sich feststellen, welches Schaltelement gegebenenfalls defekt ist. Generell kann der Verbraucher ein Relais sein, durch das der Betrieb eines zweiten Verbrauchers abschaltbar ist.
3 o Das generelle Prinzip der vorstehend geschilderten Vorrichtung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Transistoren 21 , 52 und 61 oder entsprechender elektro- nischer Schaltelemente, die mit einem anderen Verbraucher mit Ansprechverzögerung in Reihe geschaltet sind, ist in Fig. 7 dargestellt.
Nach Fig. 7 besteht der Verbraucher aus einem ohmschen Widerstand R und einem mit diesem in Reihe geschalteten Kondensator, an dem die Betriebsspannung UB für einen Sicherheitskanal abgegriffen wird, wobei die Reihenschaltung aus dem Verbraucher und den Transistoren an einer konstanten Gleichspannung von beispielsweise 24 V liegt. Hierbei wird als Prüfspannung der Spannungsabfall UR an dem ohmschen Widerstand R abgegriffen. 0
Die Sicherheits-Schaltvorrichtung, bestehend aus den Transistoren, Abschaltsignalgebern (Sicherheitsbus, Drehzahlüberwacher und Verzögerungsglied) sowie die Prüfimpulsgeber (Impulsgenerator (IPG) 84 und Verknüpfungsglieder 89-91) sind schematisch in Fig. 7(a) in Form von Funktionseinheiten dargestellt. 5 Fig. 7(b) stellt den zeitlichen Verlauf der Prüfspannung UR am Widerstand R dar.
Fig. 8 stellt das in den Fig. 6 und 7 dargestellte Prinzip weiter verallgemeinert dar. Danach können anstelle der speziellen Abschaltbefehlsgeber, wie Dreh- o zahlüberwacher oder Verzögerungsglieder, auch andere Abschaltbefehlsgeber verwendet werden, die aufgrund anderer Sicherheitsfunktionen, die durch die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 überwacht werden, an den Ausgängen Ai, A2, A3 beispielsweise des Mikroprozessors 72 Abschaltsignale hervorrufen, die einer Sicherheits-Schaltvorrichtung, beispielsweise der Sicher- 5 heits-Schaltvorrichtung 74, zugeführt werden. Dabei werden zwischen den Abschaltsignalen zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Schaltelemente Si, S2, S3 der Sicherheits-Schaltvorrichtung Prufschaltimpulse R. , P2 und P3 an den Ausgängen A-ι, A2 und A3 in der zeitlichen Reihenfolge und Dauer t), t2 und t3 gemäß den drei unteren Diagrammen in Fig. 8(b) oder in beliebiger Reihenfolge o abgegeben und dem jeweiligen Schaltelement Si, S2 und S3 zugeführt. Am gemeinsamen Ausgang der Reihenschaltung der Schaltelemente Si, S2 und S3, der den Leitungen 33 und 83 in Fig. 5 entspricht, tritt dann der vom Sensor 82 zu messende, im obersten Diagramm in Fig. 8(b) dargestellte Signalverlauf (Spannungs- oder Stromverlauf) auf, wenn die Funktion aller Schaltelemente Si bis S3 fehlerfrei ist.
In Abhängigkeit von diesem Verlauf wird dann "kein Fehler" oder "Fehler", hier durch den Mikroprozessor 73 an die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 gemeldet, wie es anhand von Fig. 6 beschrieben wurde.
Fig. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 gemäß Fig. 5 dar, die während des normalen Betriebs vom Mikroprozessor 73 über dessen Ausgänge A4 und A5 auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft wird und zum Abschalten des Motors 3 über beide Ausgänge A4, A5 gleichzeitig ein Abschaltsignal erhält. Der Mikroprozessor 75 kann daher funktionsmäßig als Teil der Prüfvorrichtung und als Teil der Sicherheits-Schaltvorrichtung betrachtet werden.
Die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 enthält einen steuerbaren Schaltkreis aus zwei in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen 92 und 93 und einem mit den Widerständen 92, 93 in Reihe geschalteten Transistor 94. Dieser Schaltkreis liegt zwischen dem Ausgang A4 des Mikroprozessors 73 und "Erde". Ferner enthält die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 einen zweiten steuerbaren Schaltkreis aus zwei in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen 95 und 96 sowie einem mit den Widerständen 95, 96 in Reihe geschalteten Transistor 97. Dieser Schaltkreis liegt zwischen dem Ausgang A5 und "Erde". Die Verbindung zwischen den Widerständen 92 und 93 und die Verbindung zwischen den Widerständen 95 und 96 bilden die Ausgänge der beiden Schaltkreise. Die Ausgänge sind miteinander verbunden und bilden den Ausgang A6 der Sicherheits- Schaltvorrichtung 75. An der Betriebsspannung UBι liegen ferner zwei weitere Reihenschaltungen, die jeweils zwei ohmsche Widerstände 98 und 99, bzw. 100 und 101 , aufweisen, zwischen denen jeweils ein Transistor 102 und 103 liegt. Der Transistor 102 wird über einen ohmschen Widerstand 104 vom Ausgang A4 und der Transistor 103 über einen ohmschen Widerstand 105 vom Ausgang A angesteuert. Die Transistoren 102 und 103 steuern über einen ohmschen Widerstand 104 bzw. 105 jeweils einen der Transistoren 94 und 97 an. Im Normalbetrieb liegt am Ausgang A6 eine Spannung mit konstantem Pegel PK.
Während der Prüfphase erzeugt der Mikroprozessor 73 an seinen Ausgängen A4 und A5 dreistufige Signale, wie sie in den beiden unteren Diagrammen der Fig. 9(b) dargestellt sind. Diese Signale sind in Bezug auf eine mittlere Spannung U gegenphasig und weisen jeweils einen ersten Schaltimpuls SP1 bzw. SP3 und einen zweiten Schaltimpuls SP2 bzw. SP4 auf, die sich zyklisch wiederholen, solange die Prüfphase andauert. Die Schaltimpulse werden im Mikroprozessor 73 über zwei in Reihe geschaltete, abwechselnd durchgeschaltete Transistoren erzeugt. Solange keiner der Schaltimpulse SP1 bis SP4 auftritt, liegt die Spannung U an den Ausgängen A4 und A5, so daß beide Transistoren gesperrt sind und auch am Ausgang Aβ eine relativ hohe Spannung liegt. Wenn dagegen der abfallende Impuls SP1 am Ausgang A4 auftritt, wird gleichzeitig am Ausgang A5 der ansteigende Impuls SP3 erzeugt. Durch den Impuls SP1 wer- den die Transistoren 102 und 94 leitend, während die Transistoren 103 und 97 gleichzeitig durch den Schaltimpuls SP3 gesperrt werden. Die Spannung am Ausgang A6 nimmt auf einen kleineren Prüfpegel PP ab, weil die Widerstände 93 und 96 während der Dauer der Schaltimpulse SP1 und SP3, d.h. der Durch- schaltdauer des Transistors 94, bei gesperrtem Transistor 97, nicht parallel ge- schaltet sind. Der Mikroprozessor 72 erkennt dies als "Fehlerfreiheit" der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 an.
Das gleiche gilt bei Abgabe der Schaltimpulse SP2 und SP4, wobei jetzt der Transistor 94 gesperrt und der Transistor 97 leitend ist. Wenn jedoch einer der Transistoren 93 und 94 aufgrund eines Fehlers einen Kurzschluß darstellt, dann hat das Signal am Ausgang A6 nicht die Welligkeit gemäß dem obersten Dia- gramm der Fig. 9(b). Vielmehr wird die Kurvenform geändert, und der Mikroprozessor 72 detektiert diese geänderte Kurvenform und gibt daraufhin ein Signal "Fehler" an die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 ab, bzw. ein Halt- Signal über die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74.
Falls jedoch die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 in Ordnung ist, und der Motor 3 jedoch aufgrund eines von der Sicherheits- und Überwachungsschaltung an den Mikroprozessor 73 abgegebenen Abschaltbefehlsignals abgeschaltet werden soll, erzeugt der Mikroprozessor 73 an beiden Ausgängen A4 und A gleichzeitig ein Signal, so daß beide Transistoren 94 und 97 leitend werden und am Ausgang A6 der Sicherheits-Schaltvorrichtung 75 eine niedrige Spannung PN auftritt, die als Rücksetzsignal dem Rücksetzeingang R zugeführt wird, so daß der Motor 3 abgeschaltet wird.
Die Sicherheits-Schaltvorrichtung 75, einschließlich der zu ihrer Prüfung vorgesehenen Mikroprozessoren 73 und 72, kann auch für beliebige andere Verbraucher, die zum Abschalten mit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung versehen sind, aber keine Steuereinrichtung, wie die Steuereinrichtung 2, aufweisen, benutzt werden. Anstelle des Mikroprozessors 73 kann auch eine andere Schaltung, z.B. ein entsprechender Impulsgenerator mit der gleichen Prüffunktion wie die des Mikroprozessors 73 und anstelle des Mikroprozessors 72 ein Diskriminator oder Komparator zum Unterscheiden der Pegel PK, PP und PN benutzt werden.
Fig. 10 stellt ein Ausführungsbeispiel der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 und schematisch des Mikroprozessors 72 dar, die gemeinsam eine Vorrichtung zur selbsttätigen Prüfung der Funktionsfähigkeit der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 bilden. Sie bilden gleichzeitig einen Teil der Sicherheitsvorrichtung 4 auf der Optionskarte 18. Nach Fig. 10 enthält die Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 einen ersten steuerbaren Schaltkreis aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands 106 mit einem Transistor 107 und einen zweiten steuerbaren Schaltkreis aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands 108 und eines Transistors 109. Die zwischen dem Transistor 107 und dem Transistor 109 liegenden Ausgängen der beiden Schaltkreise sind mit einander verbunden und bilden gemeinsam den Ausgang A der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74. Der Ausgang A7 ist über die Leitung 33 mit dem Betriebsspannungsanschluß des Schaltimpuls- Treibers 14ι und über die Leitung 83 mit dem Spannungssensor 82 verbunden. Zwei weitere Reihenschaltungen aus jeweils zwei in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen 110 und 111 bzw. 112 und 113 sowie einem Transistor 114 bzw. 115 liegen parallel zwischen der Betriebsspannung Uß2 und "Erde". Die Verbindung der Widerstände 110 und 111 ist mit dem Steueranschluß des Transistors 107 und die Verbindung der Widerstände 112 und 113 mit dem Steueranschluß des Transistors 109 verbunden.
Der Mikroprozessor 72 erzeugt bei diesem Ausführungsbeispiel an seinen Ausgängen A-i und A2 im Normalbetrieb ein (hohes) Signal EIN, so daß beide Transistoren 109 und 107 leitend sind, und während einer Prüfphase jeweils einen Prufschaltimpuls SP4 bzw. SP5, der dem Steueranschluß des jeweiligen Transistors 114 bzw. 115 zugeführt wird. Die Prufschaltimpulse SP4 und SP5 sind zeitlich ohne gegenseitige Überlappung versetzt und wiederholen sich während der Prüfphase. Wenn mithin der Prufschaltimpuls SP4 am Ausgang A1 des Mikroprozessors 73 auftritt, werden die im Normalbetrieb bei hoher Ausgangs- Spannung an den Ausgängen A2 und A1 leitenden Transistoren 114 und 107 gesperrt, während die Transistoren 109 und 115 leitend bleiben. Die Spannung am Ausgang A7 nimmt daher nur geringfügig von dem konstanten Pegel PK auf den Prüfpegel PP ab. Zwischen den beiden Prufschaltimpulsen nimmt die Spannung am Ausgang A7 wieder auf PK zu, um beim folgenden Prüfschaltim- puls SP5 am Ausgang A2 des Mikroprozessors 73 wieder etwas abzunehmen.
Die Spannung am Ausgang A7 schwankt daher während der Prüfphase nur ge- ringfügig. Die geringe Schwankung der Ausgangsspannung wird von dem angeschlossenen Spannungssensor 82 an den Mikroprozessor 73 weitergeleitet, der die Schwankung als fehlerfreien Zustand der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 interpretiert. Falls die Schwankung nicht auftritt bzw. die Kurvenform von der Kurvenform in der Prüfphase abweicht, wird das als Fehler der Sicherheits- Schaltvorrichtung 74 erkannt. Wenn dagegen der Verbraucher, hier der Motor 3, im Normalbetrieb abgeschaltet werden soll, erzeugt der Mikroprozessor 72 an beiden Ausgängen Ai und A2 gleichzeitig ein niedriges Signal "AUS". Dadurch werden die Transistoren 107 und 109 gleichzeitig gesperrt, so daß dem Treiber 14-ι die Betriebsspannung weggenommen wird und der Motor 3 anhält. Wenn die Spannung am Ausgang A7 während einer Prüfphase im Normalbetrieb dagegen nur mit geringer Amplitude schwankt, bleibt der Schaltimpuls- Treiber 14ι und mithin der Motor 3 weiter in Betrieb.
Die Widerstände 106 und 108 sind vorzugsweise selbsttätig in Abhängigkeit von der Belastung einstellbar, d.h. sie können durch kleinere Schaltungsanordnungen ersetzt werden, die den jeweiligen Widerstand in Abhängigkeit vom Belastungsstrom, beispielsweise des Schaltimpuls-Treibers 14, auf den jeweils günstigsten Wert einstellen. Dies hat den Vorteil, daß die Widerstände 106 und 108 bei der Auslegung der Sicherheits-Schaltvorrichtung 74 nicht für jeden Anwendungsfall unterschiedlich dimensioniert werden müssen.
Fig. 11 stellt prinzipiell eine Schaltungsanordnung einer Prüfeinheit 116 in einer Vorrichtung 117 (Fig. 5) zum selbsttätigen Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Sicherheits-Schaltvorrichtung dar. Im vorliegenden Fall werden die Eingangsanschlüsse der Mikroprozessoren 72 und 73 auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft, wobei die Mikroprozessoren 72 und 73 verallgemeinert als die oder als Teil einer Sicherheits-Schaltvorrichtung betrachtet werden können. Auch die Prüfeinheit 116 selbst wird getestet. Der Grund für diese Prüfung ist im wesentlichen folgender: Den Eingangsanschlüssen der Mikroprozessoren 72 und 73 werden in der Ausführung nach Fig. 5 über die Anschlüsse der Anschlußleiste 35 auf der Optionskarte 8 Abschaltsignale zugeführt. Dabei sollte sichergestellt sein, daß diese Abschaltsignale tatsächlich vom betreffenden Mikroprozessor 72 bzw. 73 aufgenommen und verarbeitet werden. Es sollten sogenannte "schlafende Fehler" festgestellt werden. Ein derartiger Fehler kann z.B. dadurch verursacht werden, daß ein Eingangsanschluß der Mikroprozessoren über längere Zeit, z.B. mehrere Jahre, mit demselben Signal, z.B. eine konstante Gleichspannung von 24 V, belastet wird, ohne daß benutzerseitig ein Halt-Signal oder Abschaltsignal ausgelöst wird. Im ungünstigsten Fall wird der Fehler erst festgestellt, wenn eine "sichere Funktion" aktiviert werden soll. Dies wäre nicht tolerierbar, denn es könnte noch ein weiterer Fehler auftreten, der verhindert, daß die Sicherheitsvorrichtung 4 funktioniert.
Um einen solchen Fall zu vermeiden, werden die Eingangsanschlüsse der Mikroprozessoren 72 und 73 selbsttätig intern angesteuert, ohne die Anschlüsse der Anschlußleiste 35 zu beeinflussen.
Für jeden Eingangsanschluß der Mikroprozessoren 72 und 73 ist eine Prüfeinheit wie die in Fig. 11 dargestellte Prüfeinheit 116 vorgesehen, und jede Prüfeinheit kann individuell angesteuert werden.
Es werden auch die Ausgangsanschlüsse der Mikroprozessoren getestet. Dies geschieht dadurch, daß der eine Mikroprozessor ein kurzes Signal abgibt, das von dem anderen Mikroprozessor kontrolliert wird.
Die Prüfeinheit 116 nach Fig. 11 ist über einen Spannungspegeladapter SA, der einen ohmschen Spannungsteiler enthält, mit einem Anschluß der Anschluß- leiste 35 (Fig. 5) verbunden. Die Verbindung ist zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 5 weggelassen. Die Prüf-einheit 116 hat zwei weitere Eingänge E3, E4, denen zeitlich versetzte Prufschaltimpulse SP6, SP7 von einem Impulsgenerator im Mikroprozessor 72 zugeführt werden. Der Impulsgenerator ist durch entsprechende Programmierung des Mikroprozessors 72 realisiert. Die Prüfeinheit 116 hat ferner einen Ausgang A8, der mit einem Eingangsanschluß des Mikroprozessors 73 bzw. der Sicherheits-Schaltvorrichtung über einen Spannungspegeladapter SA verbunden ist.
Die Schaltungsanordnung der Prüfeinheit 116 gemäß Fig. 11 (a) enthält eine erste Reihenschaltung aus einem ersten Transistor 118, einem gleichsinnig mit dem ersten Transistor 118 gepolten zweiten Transistor 119 und zwei gleichsinnig mit den Transistoren 118, 119 gepolten Dioden 120, 121 zwischen den Transistoren 118, 119. Ferner enthält sie eine zweite Reihenschaltung aus zwei ohmschen Widerständen 122, 123, deren Verbindung mit dem Steueranschluß des ersten Transistors 118 verbunden ist, und einen dritten Transistor 124. Der Steueranschluß des zweiten Transistors 119 bildet den Eingang E4, der Steueranschluß des dritten Transistors 124 den Eingang E3 und die Verbindung der Dioden 120, 121 den Ausgang A8.
Die Prufschaltimpulse SPβ und SP7 wiederholen sich zyklisch in vorbestimmten Zeitpunkten und festen Abständen, wobei die Prufschaltimpulse SP7 zwischen den Prufschaltimpulsen SP6, und umgekehrt, auftreten. Bei jedem Erhalt eines Prüfschaltimpulses SPβ vom Mikroprozessor 72 am Eingang E3 tritt am Ausgang A8 der Prüfeinheit 116 ein hoher Ausgangsimpuls SP8 und bei jedem Erhalt eines Prüfschaltimpulses SP7 am Eingang E4 vom Mikroprozessor 72 ein niedriger Ausgangsimpuls SP9 auf. Die Ausgangsimpulse SP8 und SP9 werden vom Mikroprozessor 73 über die Mehrfachleitung M zum Mikroprozessor 72 weitergeleitet. Der Mikroprozessor 72 prüft dann, ob er bei bzw. zur Zeit der Abgabe eines Prüfschaltimpulses SP6 einen hohen Ausgangsimpuls SP8 der Prüfeinheit 116 und bei bzw. zur Zeit der Abgabe eines Prüfschaltim-pulses SP7 einen niedrigen Ausgangsimpuls SP9 der Prüf-einheit 116 erhält. Wenn der Mikroprozessor 72 bei Abgabe eines Prüfschaltimpulses SPβ oder SP7 keinen ent- sprechenden Ausgangsimpuls SP8 bzw. SP9 erhält, erzeugt er ein Signal "Fehler", das an die Sicherheits- und Überwachungsschaltung 5 zurückgemeldet wird, oder gibt ein Halt-Signal an die Steuereinrichtung ab. Dagegen erzeugt er ein Signal "kein Fehler", wenn er bei jeder Abgabe eines Prüfschaltimpulses SPβ und SP7 einen entsprechenden Ausgangsimpuls SP8 und SP9 von der Prüfeinheit 116 erhält.
Die Anwendung der hohen und niedrigen Ausgangsimpulse SP8 und SP9 der Prüfeinheit 116, die dem Mikroprozessor 72 zugeführt werden, ist deshalb er- forderlich, weil nicht von vornherein bekannt ist, ob der Benutzer im Normalbetrieb ein hohes oder niedriges Abschaltsignal verwendet. Die Prüfung stellt sicher, daß der Mikroprozessor sowohl niedrige als auch hohe Abschaltsignale verarbeiten kann. Dadurch ist ausgeschlossen, daß Kurzschlüsse oder Unterbrechungen in den Eingangsanschlüssen nicht festgestellt werden.
Der Mikroprozessor 72 kann auch seine eigenen Eingangsanschlüsse über entsprechend mit seinen Eingangsanschlüssen verbundene Prüfeinheiten, wie der Prüfeinheit 116, auf Funktionsfähigkeit prüfen, obwohl dies in Fig. 5 nicht dargestellt ist.
Die Prüfung sollte so oft wie nötig durchgeführt werden, aber nur verhältnismäßig kurz und selten im Vergleich mit der Anwendung einer Abschaltfunktion, da das Abschaltsignal des Benutzers während der Prüfung nicht festgestellt werden kann. Während der Prüfung wird zwar der Eingangswiderstand, gesehen vom Benutzer, verringert, von beispielsweise 4 kOhm auf 2 kOhm. Doch erscheint dies akzeptabel, weil benutzerseitig häufig ein Relais benutzt wird.
Fig. 12 stellt den Aufbau des Elektromotors 3 dar, der als dreiphasiger Drehstrommotor ausgebildet ist und in bekannter Weise mit der Steuereinrichtung 2 versehen ist, die hier als Umrichter ausgebildet ist und die Schwachstrom- Steuereinheit 6 sowie die Starkstrom-Steuereinheit 8 mit dem Wechselrichter 13 in einem Gehäuse 125 des Motors 3 aufweist. Das Gehäuse 125 besteht aus drei Gehäuseteilen 126, 127 und 128. Im Gehäuseteil 126 sind der Ständer mit der Ständerwicklung 129 und der Läufer 130 angeordnet. Die Welle 131 des Läufers 130 ist in Lagern 132 und 133 gelagert und treibt einen Ventilator 134 im Gehäuseteil 128 an. Das Gehäuseteil 127 ist am Gehäuseteil 126 befestigt und von außen nach Lösen einer Abdeckung 135 zugänglich. Innerhalb des Motors, d.h. seines Gehäuseteils 127, sind die Steuereinrichtung 2 und die mit der Steuereinrichtung 2 durch einen nicht dargestellten Verbinder (Steckverbinder oder Flachkabel mit Steckverbinderteilen) verbundene Sicherheitsvorrich- tung 4 angeordnet. Die Sicherheitsvorrichtung 4 ist auf einer eigenen Karte 18 aufgebracht, während die Schwach- und Starkstrom-Steuereinheiten 4 und 6 entweder auf getrennten Karten 17 und 8 oder gemeinsam auf einer Karte (Platine) aufgebracht sind. Die Sicherheitsvorrichtung 4 kann aber auch zusammen mit der Steuereinrichtung 2 auf einer einzigen Karte angeordnet sein. Im Motor 3, d.h. in seiner aus den Gehäuseteilen 126 und 128 bestehenden Gehäuseeinheit ist der Sensor 51 zum Messen der Drehzahl angeordnet. Mit den Sensoren 136 und 137 sind weitere mögliche Anbringungsorte des Sensors dargestellt. Unter Umständen können mehrere Sensoren benutzt werden.
Der Sensor 51 hat nur eine Aufgabe, nämlich zu einer "sicheren Funktion" beizutragen. Er ist daher mit der Sicherheitsvorrichtung 4 innerhalb des Motors 3 (seines Gehäuses 125) verbunden. Wenn zusätzlich die Drehzahl des Motors 3 geregelt werden soll, kann ein zusätzlicher Drehzahlgeber vorgesehen sein, der üblicherweise jedoch außerhalb des Motors auf der Welle 131 angebracht wird.
Der Sensor 51 kann ein herkömmlicher oder speziell für Sicherheitszwecke ausgelegter Sensor sein, hier zum Messen der Drehzahl, um sie mit einem Grenzwert zu vergleichen.
Die Verbindungsleitungen zwischen der Sicherheitsvorrichtung 4 und dem innerhalb des Motors angeordneten Sensor 51 sind alle innerhalb des Motors verlegt, soweit es sich um einen "Sicherheits-Sensor" handelt. Der Benutzer braucht sich daher nicht um die Verdrahtung zu kümmern.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung aus einer Sicherheits-Schaltvorrichtung (74; 75), durch die in Abhängigkeit von einem Abschaltsignal einer Überwachungseinrichtung
(4, 5) im Gefahrenfall oder sicherheitshalber der Betrieb eines Verbrauchers, insbesondere eines Motors (3), abschaltbar ist, und aus einer Vorrichtung (72; 73) zum selbsttätigen Prüfen der Funktionsfähigkeit der Sicherheits-Schaltvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicher- heits-Schaltvorrichtung (74; 75) einen ersten steuerbaren Schaltkreis (106,
107; 92-94) und einen zweiten steuerbaren Schaltkreis (108, 109; 95-97) aufweist, deren Ausgangsanschlüsse miteinander verbunden sind und den Ausgang ( e, A7) der Sicherheits-Schaltvorrichtung (74; 75) bilden, daß dem ersten Schaltkreis (106, 107; 92-94) zyklisch ein erster Prüfschaltim- puls (SP4; SPi) und dem zweiten Schaltkreis (108, 109; 95-97) zyklisch ein zweiter, gegenüber dem ersten zeitlich versetzter Prufschaltimpuls (SP5; SP2) zuführbar ist, daß die Schaltkreise so ausgelegt sind, daß die Ausgangsspannung (PK, PP) der Sicherheits-Schaltvor-richtung (74; 75) bei Erhalt der zeitlich versetzten Prufschaltimpulse mit einer Amplitude schwankt, die von der Amplitude der Ausgangsspannung bei gleichzeitigem Erhalt von Prufschaltimpulsen abweicht, und daß die Sicherheits- Schaltvorrichtung (74; 75) bei gleichzeitigem Erhalt der Prufschaltimpulse eine Abschaltung des Verbrauchers bewirkt.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Sicherheits-Schalt-vorrichtung (74) einem Sensor (82) zuführbar ist, durch den bei Erhalt einer schwankenden Ausgangsspannung aufgrund der zeitlich versetzten Prufschaltimpulse ein Signal "kein Fehler" auslösbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung im Normalfall, d.h. ohne Beaufschlagung durch Prufschaltimpulse, konstant ist und daß die Prufschaltimpulse eine Absenkung der Ausgangsspannung bewirken.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung die Betriebsspannung eines Treibers (14ι) für Schaltimpulse von Halbleiter-Schaltelementen im Stromkreis eines elektrischen Motors (3) ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaltkreis einen Transistor (94, 97; 107, 109) und wenigstens einen Widerstand (92-96; 106, 108) in Reihe aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände selbsttätig in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom auf einen dem Verbraucherstrom angepaßten Wert einstellbar sind.
7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfvorrichtung einen Mikroprozessor (72; 73) aufweist, durch den der Sicherheits-Schaltvorrichtung (75; 74) die Prufschaltimpulse zuführbar sind und über den die Schaltkreise durch die Überwachungseinrichtung ansteuerbar sind.
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