DE10011211A1 - Sicherheitsschaltgerät und Sicherheitsschaltgeräte-System - Google Patents
Sicherheitsschaltgerät und Sicherheitsschaltgeräte-SystemInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsschaltgerät zum Ein- und sicheren Ausschalten eines elektrischen Verbrauchers (49), insbesondere einer elektrisch angetriebenen Machine, vorzugsweise über eine externe Schaltvorrichtung (47), insbesondere eine elektromechanische Schaltvorrichtung, mit einem ersten und einem zweiten Schaltelement (30), einer ersten und einer zweiten Ausgangsklemme (44, 45) und zumindest einer Eingangsklemme (41, 42) für ein erstes Schaltsignal, das auf die Schaltelemente (30) einwirkt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Schaltelement (30) jeweils als einen Ausgang (38) aufweisendes elektronisches Schaltelement (30) ausgebildet sind, das am Ausgang ein Ausgangssignal eines ersten (UB) oder eines zweiten Potentials (Masse) bereitstellt, wobei der Ausgang (38) des ersten Schaltelements (30) mit der ersten Ausgangsklemme (44) und der Ausgang (38) des zweiten Schaltelements (30) mit der zweiten Ausgangsklemme (45) verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Sicherheitsschaltgeräte-System, das mehrere der vorgenannten Sicherheitsschaltgeräte umfaßt (Fig. 2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherheitsschaltgerät
zum Ein- und sicheren Ausschalten eines elektrischen Verbrau
chers, insbesondere einer elektrisch angetriebenen Maschine,
vorzugsweise über eine externe Schaltvorrichtung, insbesondere
eine elektromechanische Schaltvorrichtung, mit einem ersten und
einem zweiten Schaltelement, einer ersten und einer zweiten
Ausgangsklemme und zumindest einer Eingangsklemme für ein er
stes Schaltsignal, das auf die Schaltelemente einwirkt. Die Er
findung betrifft ferner ein Sicherheitsschaltgeräte-System mit
zumindest zwei zuvor genannten Sicherheitsschaltgeräten.
Die Sicherheitsschaltgeräte der vorgenannten sind allgemein be
kannt. So bietet die Anmelderin beispielsweise Sicherheits
schaltgeräte in unterschiedlichen Varianten unter dem Namen
"PNOZ" an. Ein Sicherheitsschaltgerät der vorgenannten Art ist
auch aus der DE 197 36 183 C1 bekannt.
Gattungsgemäße Sicherheitsschaltgeräte werden vor allem im in
dustriellen Bereich verwendet, um elektrisch angetriebene Ma
schinen, wie beispielsweise eine Presse oder ein Fräswerkzeug,
ein- und sicher auszuschalten. Sie dienen insbesondere in Ver
bindung mit einem mechanisch betätigbaren Not-Aus-Taster dazu,
die Maschine in einer Notfallsituation schnell und sicher abzu
schalten. Hierzu wird die Stromversorgung der abzuschaltenden
Maschine über Arbeitskontakte von zwei elektromechanischen
Schaltelementen geführt. Sobald auch nur eines der beiden
Schaltelemente seine Arbeitskontakte öffnet, wird die Stromzu
führung der Maschine unterbrochen.
Zur Veranschaulichung sind in Fig. 1 drei baugleiche gattungs
gemäße Sicherheitsschaltgeräte dargestellt und mit dem Bezugs
zeichen 1 gekennzeichnet.
Das Sicherheitsschaltgerät 1 umfaßt ein - nicht dargestelltes -
Gehäuse, das die elektrischen und elektromechanischen Bauele
mente aufnimmt. Die Einspeisung der Betriebsspannung, sowie die
Einspeisung von Schaltsignalen und die Ausgabe von Ausgangs
signalen erfolgt über Eingangsklemmen 2 und Ausgangsklemmen 3,
die an der Außenseite des Gehäuses zugänglich angebracht sind.
Das Sicherheitsschaltgerät umfaßt im Inneren des Gehäuses eine
sichere Auswerteeinheit 4, die ein beispielsweise von einem
Not-Aus-Schalter kommendes Schaltsignal sicher auswertet. Je
nach Ausführungsvariante und geforderter Sicherheitskategorie
ist diese Auswerteeinheit 4 einkanalig oder zweikanalig ausge
bildet. In Fig. 1 umfaßt die Auswerteeinheit 4 beispielhaft
zwei Auswertekanäle 5a und 5b.
Das Sicherheitsschaltgerät 1 umfaßt ferner zwei elektromechani
sche Schaltelemente 6a, 6b deren Arbeitskontakte 7a, 7b in Rei
he geschaltet sind. Je nach Ausführungsvariante ist ein Kon
taktsatz oder sind - wie im gezeigten Beispiel - zwei oder meh
rere zwangsgeführte Kontaktsätze vorhanden. Jedem Arbeitskon
taktsatz 7a bzw. 7b ist eine Spule 9a bzw. 9b zugeordnet, die
von jeweils einem Auswertekanal 5a bzw. 5b angesteuert wird.
Nach einem Startsignal werden die Arbeitskontakte 7a, 7b ge
schlossen, so daß eine ein- oder mehrpolige Verbindung zwischen
Eingangsklemmen 2 und Ausgangsklemmen 3 hergestellt wird. Wenn
die beiden Auswertekanäle 5a, 5b ein beispielsweise von einem
Not-Aus-Schalter 8 kommendes Schaltsignal erkennen, werden die
Arbeitskontakte 7a, 7b geöffnet, so daß die Verbindung zwischen
den Eingangsklemmen 2 und den Ausgangsklemmen 3 unterbrochen
wird. Diese Unterbrechung hat dann zur Folge, daß eine entspre
chende Maschine angehalten wird.
In der Praxis kommt es sehr häufig vor, daß mehrere Schalt
ereignisse, beispielsweise das Betätigen eines Not-Aus-
Schalters, das Öffnen einer Tür oder das Durchgreifen eines
Lichtvorhangs UND-verknüpft werden müssen. Hierzu werden, wie
in Fig. 1 dargestellt, mehrere Sicherheitsschaltgeräte 1 in
Reihe geschaltet, wobei die Ausgangsklemmen mit den Eingangs
klemmen des nachfolgenden Sicherheitsschaltgeräts verbunden
werden. Die Ausgangsklemmen des letzten Sicherheitsschaltgeräts
sind dann mit entsprechenden Kontakten eines oder mehrerer
elektromechanischer Schaltelemente verbunden, die die Energie
versorgung eines Motors M ein- oder ausschalten. Im Normalbe
trieb sind die elektromechanischen Schaltelemente 10 bestromt
und alle Arbeitskontakte 7a, 7b geschlossen. Damit ist die
Energieversorgung eingeschaltet und der Motor läuft. Sobald ei
nes der vorgenannten Schaltereignisse von dem entsprechenden
Sicherheitsschaltgerät 1 erkannt wird, werden die entsprechen
den Arbeitskontakte 7a, 7b geöffnet, so daß die Schaltelemente
10 nicht mehr bestromt sind und damit die Energieversorgung zum
Motor unterbrechen.
Obgleich das vorgenannte Sicherheitsschaltgerät zuverlässig ar
beitet und sich seit Jahren in der Praxis bewährt, besteht den
noch der Wunsch, das Sicherheitsschaltgerät kostengünstiger zu
machen. Insbesondere soll die Reihenschaltung von Sicherheits
schaltgeräten kostengünstig möglich sein. Darüber hinaus be
steht der Wunsch, auch eine größere Anzahl von Sicherheits
schaltgeräten in Reihe schalten zu können.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei dem
Sicherheitsschaltgerät der vorgenannten Art dadurch gelöst, daß
das erste und das zweite Schaltelement jeweils als einen Aus
gang aufweisendes elektronisches Schaltelement ausgebildet
sind, das am Ausgang ein Ausgangssignal eines ersten oder eines
zweiten Potentials bereitstellt, wobei der Ausgang des ersten
Schaltelements mit der ersten Ausgangsklemme und der Ausgang
des zweiten Schaltelements mit der zweiten Ausgangsklemme ver
bunden ist.
Dieses Sicherheitsschaltgerät verzichtet also auf elektromecha
nisch arbeitende Schaltelemente, wie Relais oder Schütze, und
ersetzt diese durch elektronische Schaltelemente, wobei die
elektronischen Schaltelemente je nach "Schaltstellung" das Aus
gangssignal auf ein erstes, vorzugsweise auf Betriebsspannung,
oder ein zweites Potential, vorzugsweise Masse, bringen. Dies
hat einerseits den Vorteil, daß deutlich Kosten eingespart wer
den können, da elektromechanische Schaltelemente deutlich teu
rer sind als elektronische Schaltelemente, wie beispielsweise
Transistoren. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß
elektronische Schaltelemente nicht verschleißen. Insbesondere
sind keine Vorkehrungen zu treffen, um Funkenbildung oder ein
Zusammenschweißen von Arbeitskontakten zu verhindern. Insgesamt
steigt die Verfügbarkeit des Sicherheitsschaltgeräts. Ein wei
terer Vorteil ist darin zu sehen, daß keinerlei Vorkehrungen
baulicher Art vorgenommen werden müssen, um für eine Potential
freiheit der Ausgänge zu sorgen, was bei elektromechanischen
Schaltelemente immer der Fall ist. Diese Potentialfreiheit ist
notwendig, um das Sicherheitsschaltgerät auch für Reihenschal
tungen einsetzbar zu machen. Würde das elektronische Schaltele
ment identisch zu Relais oder Schützen eingesetzt werden, d. h.
zur Unterbrechung eines Strompfades zwischen zwei Klemmen des
Sicherheitsschaltgeräts, wie in DE 196 26 129 vorgeschlagen,
müßten aufwendige und teure Bauteile, wie Trafos, Optokoppler
etc., zur Ansteuerung der Schaltelemente verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil elektronischer Schaltelemente gegenüber
den bisher eingesetzten elektromechanischen Schaltelementen ist
in den deutlich kürzeren Schaltverzögerungszeiten zu sehen, was
gerade bei der Reihenschaltung von mehreren Sicherheitsschalt
geräten von großer Bedeutung ist. Bei einer solchen Reihenschaltung
addieren sich nämlich die Schaltverzögerungzeiten, so
daß die zulässigen Höchstwerte sehr schnell bei einer geringen
Anzahl an Geräten erreicht wurde. So lassen sich mehrere erfin
dungsgemäße Sicherheitsschaltgeräte in Reihe schalten, ohne die
Schaltverzögerungszeit eines einzigen bisherigen Sicherheits
schaltgeräts zu erreichen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das elektronische
Schaltelement als Halbleiter-Schalter, vorzugsweise als Transi
stor ausgebildet. Vorzugsweise umfaßt der Halbleiter-Schalter
eine Reihenschaltung aus einem Transistor und zumindest einem
Widerstand, wobei die Reihenschaltung von einer Versorgungs
spannung des Sicherheitsschaltgeräts gespeist wird und die Aus
gangsklemme des Halbleiter-Schalters damit zwischen den beiden
Potentialen der Versorgungsspannung schaltbar ist.
Diese Ausbildung des Halbleiter-Schalters hat sich in der Pra
xis als besonders vorteilhaft erwiesen. Insbesondere lassen
sich auf einfachem Weg die Ausgangssignale erzeugen, die zur
Ansteuerung eines externen Aktors oder Schaltelements geeignet
sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind eine logi
sche Verknüpfungseinheit und zumindest zwei weitere Eingangs
klemmen vorgesehen, über die zwei zusätzlich Schaltsignale der
Verknüpfungseinheit zuführbar sind, die diese Schaltsignale mit
dem ersten Schaltsignal zu einem einzigen Schaltsignal logisch
verknüpft.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß das Sicherheitsschalt
gerät besonders gut für die Anordnung in einer Reihenschaltung
geeignet ist, da sich die Ausgangssignale eines benachbarten
Sicherheitsschaltgeräts mit dem Schaltsignal des Sicherheits
schaltgeräts logisch verknüpfen läßt. Die Einsatzmöglichkeiten
eines solchen Sicherheitsschaltgeräts lassen sich damit deut
lich steigern.
Mit den vorgenannten erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltgeräten
läßt sich ein Sicherheitsschaltgeräte-System aufbauen, das zu
mindest zwei Sicherheitsschaltgeräte umfaßt. Die Sicherheits
schaltgeräte sind in Reihe geschaltet, wobei die Ausgangsklem
men eines Sicherheitsschaltgeräts mit den Eingangsklemmen des
nachfolgenden Sicherheitsschaltgerätes verbunden sind und die
Ausgangsklemmen eines der Sicherheitsschaltgeräte mit der elek
tromechanischen Schaltvorrichtung bzw. allgemein mit einem Ak
tor verbunden sind, so daß eine logische UND-Verknüpfung der
Sicherheitsschaltgeräte erfolgt.
Dieses Sicherheitsschaltgeräte-System hat bedingt durch die
Verwendung von elektronischen Schaltelementen den Vorteil, daß
sehr kurze Schaltverzögerungszeiten möglich werden. Damit läßt
sich die zulässige Obergrenze der Anzahl von in Reihe schaltba
ren Sicherheitsschaltgeräten deutlich erhöhen. Darüber hinaus
lassen sich bei einer Gesamtbetrachtung eines solchen Systems
die Kosten deutlich senken, da für jedes Sicherheitsschaltgerät
in diesem System zwei elektromechanische Schaltelemente einge
spart werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung des Sicherheitsschaltgeräte-
Systems umfaßt zumindest ein Sicherheitschaltgerät zwei weite
ren Eingangsklemmen und eine Verknüpfungseinheit, wobei die zusätzlichen
Eingangsklemmen mit den Ausgangsklemmen des vorher
gehenden Sicherheitsschaltgeräts verbunden sind.
Die Schaffung von zwei zusätzlichen (dedizierten) Eingängen hat
den Vorteil, daß dieses Sicherheitsschaltgerät entsprechend der
Sicherheitskategorie 4 aufgebaut werden kann. Die diesem
Sicherheitsschaltgerät unmittelbar zugeordneten Schaltsignale
lassen sich zunächst auf einen Querschluß in den Anschlußlei
tungen untersuchen, bevor sie mit dem Ausgangssignal des vorge
ordneten Sicherheitsschaltgeräts verknüpft werden.
Sofern das Sicherheitsschaltgerät nur der Sicherheitskategorie
3 entsprechen muß, können die Schaltsignale in die Ausgangs
signale des vorgeordneten Sicherheitsschaltgeräts
"eingekoppelt" werden. Darunter ist zu verstehen, daß der das
Schaltereignis auslösende Schalter in die Verbindung zwischen
Ausgangsklemmen des einen und den Eingangsklemmen des nachfol
genden Sicherheitsschaltgeräts eingebracht wird. Auf diese Wei
se ist ein sehr einfach aufgebautes und damit kostengünstiges
Sicherheitsschaltgeräte-System realisierbar.
Der Einsatz von Sicherheitsschaltgeräten mit sogenannten dedi
zierten (speziell vorgesehener) Eingängen erlaubt ferner den
Aufbau eines hierarchischen Sicherheitsschaltgeräte-Systems.
Darunter ist zu verstehen, daß mehrere externe elektromechani
sche Schaltelemente von verschiedenen Sicherheitsschaltgeräten
angesteuert werden. Dies hat zum Ergebnis, daß die Auslösung
eines Schaltereignisses für ein Sicherheitsschaltgerät ein ent
sprechendes Schaltereignis auch bei allen nachfolgenden Sicher
heitsschaltgeräten auslöst. Ein solches hierarchisches Sicher
heitsschaltgeräte-System ist beispielsweise dann von großem
Nutzen, wenn das Ausschalten einer Maschine auch zu einem dem
Ausschalten der vorgeordneten Maschinen nicht aber der nachge
ordneten Maschinen führen muß.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachste
hend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils an
gegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge
stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung aus dem Stand der
Technik bekannter Sicherheitsschaltgeräte, deren
Ausgangskontakte in Reihe geschaltet sind;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungs
gemäßen Sicherheitsschaltgeräts;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung
aus zwei Sicherheitsschaltgeräten gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung
aus einem Sicherheitsschaltgerät gemäß Fig. 2 und
einem weiteren Sicherheitsschaltgerät gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 das in Fig. 4 gezeigte Sicherheitsschaltgeräte-
System mit einer weiteren externen Schaltvorrich
tung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung
aus zwei Sicherheitsschaltgeräten gemäß einem weite
ren Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Sicherheits
schaltgeräts gemäß einem weiteren Ausführungsbei
spiel; und
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Sicherheits
schaltgeräts gemäß einem weiteren Ausführungsbei
spiel.
In Fig. 2 ist in schematischer Darstellung ein Sicherheits
schaltgerät gezeigt und mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeich
net. Das Sicherheitsschaltgerät 20 umfaßt eine schematisch an
gedeutete sichere Auswerte- und Steuereinheit 22. Diese Auswer
te- und Steuereinheit ist aus bekannten Bauelementen aufgebaut,
wie sie auch in dem vorgenannten Sicherheitsschaltgerät "PNOZ"
der Anmelderin verwendet werden. Die Aufgabe dieser Auswerte-
und Steuereinheit besteht darin, zugeführte Schaltsignale si
cher auszuwerten und entsprechende Ausgangssignale zu erzeugen.
Die Auswerte- und Steuereinheit 22 ist im gezeigten Ausfüh
rungsbeispiel zweikanalig aufgebaut, wobei die beiden Kanäle
mit dem Bezugszeichen 24a und 24b gekennzeichnet sind. Selbst
verständlich sind auch andere Ausgestaltungen der Auswerte- und
Steuereinheit 22 möglich. Zur näheren Erläuterung einer solchen
Auswerte- und Steuereinheit 22 wird beispielsweise auf das Buch
"Maschinensicherheit", Winfried Gräf, Hüthig Verlag, 1997, Be
zug genommen.
Das Sicherheitsschaltgerät 20 umfaßt ferner Schaltelemente 30,
die von der Auswerte- und Steuereinheit 22 Steuersignale erhal
ten. Dies ist in Fig. 2 durch Leitungen 26 verdeutlicht.
Bei dem Schaltelemente 30 handelt es sich im einfachsten Fall
um einen Transistor, dessen Basis das Steuersignal empfängt und
an dessen Emitter oder Kollektor ein Ausgangssignal abgegriffen
wird, wobei das Ausgangssignal von dem Schaltelement auf zwei
unterschiedliche Potentiale schaltbar ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt das Schaltelement 30
neben einem Transistor 32 zwei in Reihe geschaltete Widerstände
34 und einen Verstärker 36. Der Kollektor des Transistors 32
liegt an einem ersten Bezugspotential UB, während der Emitter
des Transistors 32 über die Reihenschaltung der Widerstände 34
an einem zweiten Potential 0 (Masse) liegt. Der Verstärker 36
ist mit seiner Eingangsseite mit dem Knoten der beiden Wider
stände 34 verbunden und stellt an seinem Ausgang 37 ein Rück
koppellesesignal zur Verfügung.
Das Ausgangssignal des Schaltelements 30 wird am Emitter des
Transistors 32 abgenommen und steht an einem Ausgang 38 zur
Verfügung. Ferner gelangt das Ausgangssignal der Auswerte- und
Steuereinheit 22 über einen Eingang 39 des Schaltelements 30 an
die Basis des Transistors 32.
Das Schaltelement 30 ist so aufgebaut, daß abhängig von dem Si
gnal am Eingang 39 das am Ausgang 38 des Schaltelements anlie
gende Signal zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Po
tential geschaltet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
liegt am Ausgang 38 das erste Potential UB an, wenn das Ein
gangssignal am Eingang 39 in etwa dieses Potential hat. Wenn
das Eingangssignal nahe am zweiten Potential liegt, ist auch
das Ausgangssignal am Ausgang 38 auf dem zweiten Potential 0.
Das Schaltelement 30 ist aus Übersichtlichkeitsgründen sowohl
in dem Sicherheitsschaltgerät gemäß Fig. 2, als auch den
Sicherheitsschaltgeräten der Fig. 3 bis 8 stark vereinfacht
dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß die Schaltelemente 30
entsprechend dem gerade beschriebenen Aufbau ausgebildet sind.
Selbstverständlich gibt es auch andere Ausgestaltungsmöglich
keiten, um die eben beschriebene Funktion des Schaltelements 30
zu erreichen.
Das in Fig. 2 gezeigte Sicherheitsschaltgerät 20 umfaßt zwei
Eingangsklemmen 41, 42, die mit der Auswerte- und Steuereinheit
22 verbunden sind. An diese beiden Eingangsklemmen 41, 42 wird
- im vorliegenden Ausführungsbeipiel - ein zweikanaliger Schal
ter 50 angeschlossen derart, daß die Eingangsklemme 41 bei ge
schlossenem Schalter mit einem Potential P1 und die Eingangs
klemme 42 mit einem Potential P2 verbunden sind. Bei dem Schal
ter 50 handelt es sich beispielsweise um einen Not-Aus-Schalter
einer Maschine. Selbstverständlich kann es sich bei dem Schal
ter 50 auch um den Schalter einer Schutztürüberwachung handeln.
Je nach gewünschter Sicherheitskategorie sind die beiden Poten
tiale P1 und P2 gleich (Kategorie 3) oder ungleich (Kategorie
4).
Das Sicherheitsschaltgerät 20 umfaßt neben den erwähnten Ein
gangsklemmen auch Ausgangsklemmen 44, 45, wobei jeweils eine
Ausgangsklemme mit dem Ausgang 38 eines Schaltelements 30 ver
bunden ist. Somit ist jeder Ausgangsklemme ein Schaltelement
zugeordnet, wobei das Ausgangssignal des Schaltelements über
die entsprechende Ausgangsklemme von außen abgreifbar ist.
An die Ausgangsklemme 44 ist ein Eingangskreis 46 eines Relais
47 oder eines Schützes oder allgemein ein Aktor angeschlossen.
In gleicher Weise ist an der Ausgangsklemme 45 ein Eingangs
kreis 46 eines weiteren Relais oder Schützes 47 oder allgemein
ein weiterer Aktor angeschlossen. Jeweilige Arbeitskontakte 48
der beiden Relais 47 liegen in Reihe und dienen zum Schließen
oder Öffnen einer Energieversorgungsleitung zu einer schema
tisch angedeuteten Maschine 49. Die Maschine 49 läuft im vor
liegenden Ausführungsbeispiel nur dann, wenn beide Arbeitskon
takte 48 geschlossen sind, d. h., wenn an beiden Ausgangsklemmen
44, 45 ein zur Aktivierung der Eingangskreise 46 ausreichendes
Signal anliegt.
Das Sicherheitsschaltgerät 20 weist eine weitere Eingangsklemme
43 auf, dem ein Startsignal zuführbar ist. Dieses Startsignal
wird von einem Startschalter 52 erzeugt, in dem eine Verbindung
zu einem Potential P1 geschaffen wird. In Reihe zu dem Start
schalter 52 liegen zwei weitere Arbeitskontakte 48' des Relais
47, die mit den Arbeitskontakten 48 zwangsgeführt sind und im
Gegensatz zu diesen als Öffner ausgebildet sind. Damit wird erreicht,
daß die Eingangsklemme 43 auf jeden Fall dann vom Po
tential P1 getrennt wird, wenn zumindest einer der beiden Ar
beitskontakte 48 geschlossen ist.
Die Funktion eines solchen Sicherheitsschaltgeräts 20 ist an
sich bekannt, so daß nur kurz darauf eingegangen werden soll.
Das Sicherheitsschaltgerät 20 hat die Aufgabe, die Arbeitskon
takte 48 zu schließen, wenn ein Startsignal an der Eingangs
klemme 43 anliegt. Die Maschine 49 läuft daraufhin an. Wenn bei
Eintreten eines Notfalls der Not-Aus-Schalter 50 gedrückt wird,
wertet die Auswerte- und Steuereinheit dieses Schaltereignis
aus, und steuert die Schaltelemente 30 entsprechend an. Die
Ausgangssignale werden auf das zweite Potential (Masse) ge
bracht, so daß die Bestromung der beiden Eingangskreise 46 der
Relais 47 unterbrochen wird mit dem Ergebnis, daß die beiden
Arbeitskontakte 48 öffnen und die Maschine zum Stillstand
kommt. Die Auswerte- und Steuereinheit 22 arbeitet dabei sicher
im Sinne europäischer Sicherheitsnormen, so daß beispielsweise
verschweißte Arbeitskontakte des Relais 47 oder beispielsweise
ein Querschluß zwischen den beiden Eingangsklemmen 41, 42 er
kannt wird. Ferner läßt sich über das am Ausgang 37 anliegende
Rückkoppellesesignal ein Fehler des Schaltelements 30 erkennen.
In Fig. 3 ist ein Sicherheitsschaltgeräte-System 60 darge
stellt, das zwei Sicherheitsschaltgeräte 20, 20' umfaßt. Beide
Sicherheitsschaltgeräte 20, 20' entsprechen in ihrem Aufbau und
ihrer Funktion dem mit Bezug auf die Fig. 2 beschriebenen
Sicherheitsschaltgerät 20, so daß auf eine nochmalige Beschrei
bung der mit gleichem Bezugszeichen gekennzeichneten Teile ver
zichtet werden kann.
Die beiden Sicherheitsschaltgeräte 20, 20' sind über zwei Lei
tungen 61 miteinander elektrisch verbunden, wobei die beiden
Leitungen 61 an ihrem einen Ende an den Ausgangsklemmen 44, 45
des Sicherheitsschaltgeräts 20 und an ihrem anderen Ende an den
Eingangsklemmen 41, 42 des anderen Sicherheitsschaltgeräts 20'
anliegen. In den beiden Leitungen 61 ist ein Schalter 50', bei
spielsweise ein Not-Aus-Schalter vorgesehen, der bei Betätigung
die elektrische Verbindung zwischen den beiden Sicherheits
schaltgeräten 20, 20' unterbricht.
Die Eingangsklemmen 41, 42 des ersten Sicherheitsschaltgeräts
20 sind so beschaltet wie das Sicherheitsschaltgerät in Fig. 2.
Ferner sind die Eingangsklemmen 43 beider Sicherheitsschaltge
räte 20, 20' so verschaltet wie in Fig. 2 dargestellt.
An den Ausgangsklemmen 44, 45 des zweiten Sicherheitsschaltge
räts 20' sind die beiden Eingangskreise 46 der Relais 47 ange
schlossen, um die Maschine 49 zu steuern.
Die beiden Sicherheitsschaltgeräte 20, 20' sind damit so mit
einander verknüpft, daß die Betätigung eines der beiden Schal
ter 50, 50' bereits genügt, die Arbeitskontakte 48 des Relais
47 zu öffnen und die Maschine 49 zum Stillstand zu bringen.
Da die beiden Eingangsklemmen 41, 42 des zweiten Sicherheits
schaltgeräts 20' auf dem gleichen Potential liegen, ist ein
Querschluß zwischen diesen beiden Leitungen 61 nicht zu erken
nen, so daß dieses Sicherheitsschaltgerät 20' der Sicherheits
kategorie 3 entspricht.
Um auch für das zweite Sicherheitsschaltgerät die Sicherheits
kategorie 4 zu erreichen, ist in Fig. 4 ein weiteres Ausfüh
rungsbeispiel eines Sicherheitsschaltgeräte-Systems 60' darge
stellt. Hinsichtlich seines Aufbaus entspricht es im wesentli
chen dem bereits mit Bezug auf die Fig. 3 erläuterten Sicher
heitsschaltgeräte-System 60. Der Unterschied des Sicherheits
schaltgeräte-Systems 60' besteht in dem Aufbau des zweiten Si
cherheitsschaltgeräts 20". Dieses verfügt zusätzlich zu den
beiden Eingangsklemmen 41, 42 über zwei weitere Eingangsklemmen
54, 55, die als dedizierte Eingänge dienen. Die Eingangsklemmen
54, 55 sind über Leitungen 61 mit den Ausgangsklemmen 44, 45
des ersten Sicherheitsschaltgeräts 20 verbunden.
Die beiden Eingangsklemmen 41, 42 des zweiten Sicherheits
schaltgeräts 20' sind mit dem Schalter 50' verbunden, der eine
Verbindung zu Potentialen P1 und P2 ermöglicht. Werden die bei
den Potentiale P1, P2 ungleich gewählt, läßt sich ein Quer
schluß zwischen den beiden Eingangsklemmen 41, 42 erkennen. Ein
Querschluß zwischen den beiden Leitungen 61 läßt sich wiederum
über die Rückkoppellesesignale der Schaltelemente 30 des ersten
Sicherheitsschaltgeräts 20 feststellen. Somit wird Sicherheits
kategorie 4 erreicht.
Um die gleiche Funktion wie das Sicherheitsschaltgeräte-System
60 zu realisieren, umfaßt die Auswerte- und Steuereinheit 22
des Sicherheitsschaltgeräts 20" eine Verknüpfungseinheit 70.
Dieser Verknüpfungseinheit 70 werden die an den zusätzlichen
Eingangsklemmen 54, 55 anliegenden Signale zugeführt. Die Funk
tion dieser Verknüpfungseinheit 70 besteht darin, ein Abschal
ten der Bestromung des Relais 47 über die Schaltelemente 30
herbeizuführen, wenn der dem ersten Sicherheitsschaltgerät 20
zugeordnete Schalter 50 betätigt wird. Eine mögliche Realisie
rung dieser Funktion besteht darin, die an den Eingangsklemmen
41 und 54 bzw. den Eingangsklemmen 42 und 55 anliegenden Signa
le jeweils zu einem gemeinsamen Signal UND- zu verknüpfen, wobei
die resultierenden beiden Signale dann so verarbeitet werden,
wie beispielsweise die an den Eingangsklemmen 41, 42 des Si
cherheitsschaltgeräts 20 anliegenden Signale. Selbstverständ
lich sind auch andere mögliche Realisierungen denkbar, um die
gleiche Funktionalität zu erreichen.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sicher
heitsschaltgeräte-Systems gezeigt und mit dem Bezugszeichen
60" gekennzeichnet. Dieses Sicherheitsschaltgeräte-System 60"
entspricht im wesentlichen jenem, daß mit Bezug auf Fig. 4 be
schrieben wurde. Aus diesem Grund wird auf eine nochmalige de
taillierte Erläuterung der mit den gleichen Bezugszeichen ge
kennzeichneten Teile verzichtet.
Der Unterschied zu dem in Fig. 4 gezeigten Sicherheitsschaltge
räte-System 60' liegt darin, daß zwei weitere Relais 74 oder
allgemein Aktoren vorgesehen sind, die die Energieversorgung zu
einer Maschine 76 ein- und ausschalten können. Jedes der beiden
Relais 74 verfügt über einen Eingangskreis 77 und Arbeitskon
takte 78. Einer der beiden Eingangskreise 77 ist mit der Ein
gangsklemme 44 und der andere Eingangskreis 77 mit der Aus
gangsklemme 45 des ersten Schaltgeräts 20 verbunden. Die Ar
beitskontakte 78 werden damit abhängig von den an den Ausgangs
klemmen 44, 45 des ersten Sicherheitsschaltgeräts 20 anliegen
den Signale betätigt.
Insgesamt ergibt sich ein hierarchisch aufgebautes Sicherheits
schaltgeräte-System, das abhängig von der Position eines ein
zelnen Sicherheitsschaltgeräts innerhalb der Reihenschaltung
von mehreren Sicherheitsschaltgeräten ein oder mehrere Relais
47, 74 abschaltet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel führt die Betätigung des
dem ersten Sicherheitsschaltgerät 20 zugeordneten Schalters 50
sowohl zu einem Öffnen der Arbeitskontakte 78 des Relais 74 als
auch der Arbeitskontakte 48 des Relais 47. Damit werden beide
Maschinen 49, 76 zum Stillstand gebracht. Wird jedoch der dem
zweiten Sicherheitsschaltgerät 20" zugeordnete Schalter 50'
betätigt, führt dies nur zu einem Öffnen der Arbeitskontakte 48
und damit zum Stillstand der Maschine 49. Die Maschine 76
bleibt von diesem Schaltereignis unberührt. Allgemein läßt sich
die Funktion dieses hierarchischen Sicherheitsschaltgeräte-
Systems 60" so beschreiben, daß die Betätigung eines einem Si
cherheitsschaltgerät zugeordneten Schalters zwar nicht auf die
vorhergehenden aber auf die nachfolgenden Sicherheitsschaltge
räte Einfluß hat.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sicher
heitsschaltgeräte-Systems gezeigt und mit dem Bezugszeichen
60''' gekennzeichnet. Dieses Sicherheitsschaltgeräte-System
entspricht im wesentlichen dem in Fig. 3 gezeigten Sicherheits
schaltgeräte-System 60. Auf eine nochmalige Beschreibung der
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichneten Teile wird aus die
sem Grund verzichtet.
Der Unterschied zu dem Sicherheitsschaltgeräte-System 60 ist in
der Ausgestaltung des Sicherheitsschaltgerät 20 zu sehen. Wie
bereits zuvor erwähnt, wird der Schalter 50 des ersten Sicher
heitsschaltgeräts 20 mit zwei unterschiedlichen Potentialen P1
und P2 beaufschlagt, um die Sicherheitskategorie 4 zu errei
chen. Statt der Beaufschlagung mit zwei unterschiedlichen Po
tentialen ist es jedoch auch möglich, den Schalter 50 mit zwei
unterschiedlichen und/oder phasenverschobenen Taktsignalen zu
beaufschlagen, die bei geschlossenem Schalter an die entspre
chenden Eingangsklemmen 41 und 42 geführt werden. Diese beiden
unterschiedlichen Taktsignale werden von dem Sicherheitsschalt
gerät 20 erzeugt und liegen an Ausgangsklemmen 81, 82 an. Von
dort werden sie über elektrische Verbindungen 84, 85 zu dem
Schalter 50 geführt. Die Auswerte- und Steuereinheit 22 erfaßt
nun diese beiden Taktsignale über die Eingangsklemmen 41, 42
und vergleicht sie mit den an den Ausgangsklemmen 81, 82 anlie
genden Originalsignal. Werden Abweichungen detektiert, deutet
es entweder auf das Betätigen des Schalters 50 oder auf einen
Fehler in den Signalleitungen hin. Die Auswerte- und Steuerein
heit 22 wird daraufhin die Schaltelemente 30 entsprechend an
steuern, so daß die Arbeitskontakte 48 des Relais über das
zweite Sicherheitsschaltgerät 20' geöffnet werden und die Ma
schine 49 zum Stillstand kommt.
Um auch Fehler in den beiden Leitungen 61 zwischen den beiden
Sicherheitsschaltgeräten 20, 20' zu erkennen, werden diese Lei
tungen ebenfalls mit dem Taktsignal beaufschlagt. D. h. also,
daß die Schaltelemente 30 im Takt betrieben werden, so daß das
entsprechende Taktsignal an den Ausgangsklemmen 44, 45 anliegt.
Da ein solches Taktsignal nicht dazu geeignet ist, ein Relais
47 anzusteuern, läßt sich das Sicherheitsschaltgerät 20 bzw.
20' über einen Schalter 87 zwischen einem ersten Betriebsmodus
(Normalmodus) und einem zweiten Betriebsmodus (Taktmodus) um
schalten. Im Normalmodus liegt an den Ausgangsklemmen 44, 45
ein zur Ansteuerung eines Relais geeignetes Signal an, während
im Taktmodus an den Ausgangsklemmen 44, 45 Taktsignale anlie
gen, die von einem nachgeordneten Sicherheitsschaltgerät verar
beitbar sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Sicherheitschalt
gerät 20 im Taktmodus und das Sicherheitsschaltgerät 20' im
Normalmodus betrieben, da letzteres zur Ansteuerung der Relais
47 vorgesehen ist.
Mit Bezug auf die Fig. 3 bis 6 wurden unterschiedliche Ausfüh
rungsbeispiele eines Sicherheitsschaltgeräte-Systems darge
stellt, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen die einzelnen Sy
steme lediglich zwei Sicherheitsschaltgeräte umfassen. Es ver
steht sich, daß die Anzahl der in Reihe geschalteten Sicher
heitsschaltgeräte beliebig größer gewählt werden kann. Einzig
und allein die Schaltverzögerungszeit des gesamten Systems
setzt der wählbaren Anzahl Grenzen. Diese Grenze liegt bedingt
durch die sehr geringe Schaltverzögerungszeit der eingesetzten
Schaltelemente 30 deutlich höher als bei einem System, wie es
in Fig. 1 gezeigt ist.
In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sicher
heitsschaltgeräts gezeigt und mit dem Bezugszeichen 90 gekenn
zeichnet. Dieses Sicherheitsschaltgerät 90 entspricht im we
sentlichen dem bereits erläuterten in Fig. 2 dargestellten
Sicherheitsschaltgerät 20, so daß auf eine Beschreibung der mit
gleichen Bezugszeichen gekennzeichneten Teile verzichtet wird.
Im Unterschied zu dem Sicherheitsschaltgerät 20 gemäß Fig. 2
umfaßt das Sicherheitsschaltgerät 90 weitere Ausgangsklemmen
94, 95, die zusätzlich zu den Ausgangsklemmen 44, 45 vorgesehen
sind. Jede der Ausgangsklemmen 44, 45, 94 und 95 ist mit dem
Ausgang eines Schaltelements 30 verbunden, die ihr Steuersignal
jeweils von der Auswerte- und Steuereinheit 22 erhalten.
Die an den Ausgangsklemmen 44, 45, 94 und 95 anliegenden Signa
le werden zusammengeführt und dienen zur Versorgung beispiels
weise einer SPS-Karte 97. Durch Zusammenführen der Signale läßt
sich somit eine Stromverstärkung erzielen.
Um zu vermeiden, daß die Zusammenführung der Ausgänge als Kurz
schluß von der Auswerte- und Steuereinheit über die Auswertung
der Rückkoppellesesignale detektiert wird, läßt sich diese Aus
wertung bei dem das Sicherheitsschaltgerät 90 durch Anlegen ei
nes bestimmten Signals an einer Steuereingangsklemme 98 unter
drücken.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sicher
heitsschaltgeräts dargestellt und mit dem Bezugszeichen 100 ge
kennzeichnet. Dieses Sicherheitsschaltgerät 100 entspricht im
wesentlichen dem mit Bezug auf die Fig. 2 beschriebenen Sicher
heitsschaltgerät 20. Der Unterschied liegt darin, daß die Aus
gänge zweipolig ausgestaltet sind. D. h., daß zu jeder Ausgangs
klemme 44, 45 eine zugeordnete Ausgangsklemme 44' bzw. 45' vor
gesehen ist. Den beiden zusätzlichen Ausgangsklemmen 44', 45'
ist jeweils ein Schaltelement 30' zugeordnet. Um eine
Bestromung des an einem Ausgangsklemmenpaar 44, 44' bzw. 45,
45' angeschlossenen Eingangskreis 46 des Relais 47 sind die je
weiligen Schaltelemente-Paare 30, 30' so ausgelegt, daß das
Einschalten beider Schaltelemente 30, 30' die Ausgangsklemme
44, bzw. 45 auf ein erstes Potential und die Ausgangsklemme 44'
bzw. 45' auf ein zweites Potential legt, wobei die beiden Po
tentiale ungleich sind.
Diese zweipolige Ausgestaltung hat den Vorteil, daß zusätzliche
Abschaltwege für die Eingangskreise 46 zur Verfügung stehen, so
daß die Sicherheit des Sicherheitsschaltgeräts 100 erhöht wer
den kann.
Es versteht sich, daß dieses Sicherheitsschaltgerät 100 in den
zuvor beschriebenen Sicherheitsschaltgeräte-Systemen zum Ein
satz kommen kann.
Es ergibt sich somit, daß die erfindungsgemäßen Sicherheits
schaltgeräte den Vorteil eines einfacheren Aufbaus bedingt
durch den Wegfall elektromechanischer Schaltelemente erzielen.
Dieser einfachere Aufbau ermöglicht die Unterbringung der Bau
elemente in einem kompakteren Gehäuse und führt zudem zu Ko
steneinsparungen, da die bisher eingesetzten elektromechani
schen Schaltelemente, wie Relais, Schütze, etc. deutlich teue
rer sind als elektronische Schaltelemente. Darüber hinaus haben
elektronische Schaltelemente den Vorteil einer längeren Lebens
dauer, da sie im wesentlichen nicht verschleißen. Ein weiterer
Vorteil liegt darin, daß keine aufwendige Maßnahmen zu ergrei
fen sind, um die Schaltelemente potentialfrei zu machen. Der
Einsatz erfindungsgemäßer Sicherheitsschaltgeräte in einem Si
cherheitsschaltgeräte-System erhöht den Kostenvorteil deutlich.
Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltge
räte in einem solchen System sehr viel flexibler einsetzbar und
ermöglichen auch mit relativ wenig Mehraufwand Lösungen der Si
cherheitskategorie 4. Insbesondere können bei dem erfindungsgemäßen
Sicherheitsschaltgeräte-System über die Ausgangsklemmen
eines Sicherheitsschaltgeräts Taktsignale an das nachgeordnete
Sicherheitsschaltgerät übertragen werden.
Claims (11)
1. Sicherheitsschaltgerät zum Ein- und sicheren Ausschalten
eines elektrischen Verbrauchers (49), insbesondere einer
elektrisch angetriebenen Maschine, vorzuzgsweise über eine
externe Schaltvorrichtung (47), insbesondere eine elektro
mechanische Schaltvorrichtung, mit einem ersten und einem
zweiten Schaltelement (30), einer ersten und einer zweiten
Ausgangsklemme (44, 45) und zumindest einer Eingangsklemme
(41, 42) für ein erstes Schaltsignal, das auf die Schalte
lemente (30) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das er
ste und das zweite Schaltelement (30) jeweils als einen
Ausgang (38) aufweisendes elektronisches Schaltelement
(30) ausgebildet sind, das am Ausgang ein Ausgangssignal
eines ersten (UB) oder eines zweiten Potentials (Masse)
bereitstellt, wobei der Ausgang (38) des ersten Schaltele
ments (30) mit der ersten Ausgangsklemme (44) und der Aus
gang (38) des zweiten Schaltelements (30) mit der zweiten
Ausgangsklemme (45) verbunden ist.
2. Sicherheitsschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaltelemente (30) als Halbleiter-
Schalter, insbesondere Transistoren, ausgebildet sind.
3. Sicherheitsschaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Halbleiter-Schalter (30) eine Reihen
schaltung aus einem Transistor (32) und zumindest einem
Widerstand (34) umfaßt, wobei die Reihenschaltung von einer
Versorgungsspannung (UB; Masse) des Sicherheitsschalt
geräts gespeist wird, so daß der Ausgang (38) des Halblei
ter-Schalters (30) zwischen den beiden Potentialen (UB;
Masse) der Versorgungsspannung schaltbar ist.
4. Sicherheitsschaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine logische Verknüpfungsein
heit (70) und zumindest zwei weitere Eingangsklemmen (54,
55) vorgesehen sind, über die zwei zusätzliche Schaltsi
gnale der Verknüpfungseinheit (70) zuführbar sind, die
diese Schaltsignale mit dem ersten Schaltsignal zu einem
Schaltsignal logisch verknüpft, vorzugsweise logisch UND-
verknüpft.
5. Sicherheitsschaltgerät nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betriebsmodus-
Wahlmittel (87) vorgesehen ist, das die Wahl zumindest
zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus er
möglicht, wobei im zweiten Betriebsmodus die Schaltelemen
te (30) ein getaktetes Ausgangssignal liefern.
6. Sicherheitsschaltgerät nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Taktgenerator vorgesehen ist, der zwei
unterschiedliche Taktsignale an entsprechenden Ausgängen
(81, 82) bereitstellt.
7. Sicherheitsschaltgerät nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (38) je
des Schaltelements zur Steuerung eines Aktors oder einer
elektromechanischen Schaltvorrichtung (47) geeignet ist.
8. Sicherheitsschaltgeräte-System mit zumindest zwei Sicher
heitsschaltgeräten (20, 20', 20") nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Si
cherheitsschaltgeräte in Reihe geschaltet sind, wobei die
Ausgangsklemmen (44, 45) eines Sicherheitsschaltgeräts
(20) mit den Eingangsklemmen (41, 42) des nachfolgenden
Sicherheitsschaltgeräts verbunden sind und die Ausgangs
klemmen (44, 45) eines der Sicherheitsschaltgeräte (20')
mit einem Aktor oder einer elektromechanischen Schaltvor
richtung verbunden sind, so daß eine logische UND-
Verknüpfung der Sicherheitsschaltgeräte erfolgt.
9. Sicherheitsschaltgeräte-System nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest ein Sicherheitsschaltgerät
(20") nach Anspruch 4 vorgesehen ist, dessen zusätzlichen
Eingangsklemmen (54, 55) mit den Ausgangsklemmen (44, 45)
des vorhergehenden Sicherheitsschaltgeräts (20) verbunden
sind.
10. Sicherheitsschaltgeräte-System, nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbindung (61) zwischen den Aus
gangsklemmen (44, 45) eines Sicherheitsschaltgeräts (20)
und den Eingangsklemmen (41, 42) des nachfolgenden Sicher
heitsschaltgeräts (20') über einen diesem zugeordneten
Schalter (50') (NOT-AUS) unterbrechbar ist.
11. Sicherheitsschaltgeräte-System nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbindung (61) zwischen den Aus
gangsklemmen (44, 45) eines Sicherheitsschaltgeräts (20)
und den Eingangsklemmen (41, 42; 54, 55) des nachfolgenden
Sicherheitsschaltgeräts (20") mit einem weiteren Aktor
oder einer weiteren externen elektromechanischen Schalt
vorrichtung(74) verbunden ist.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |