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Die vorliegende Erfindung betrifft eine berührungslos wirkende Sicherheitseinrichtung mit einer Schnittstelle zur Übertragung von Ausgangssignalen an anschließbare Geräte zur Signalverarbeitung.
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Viele Fertigungsmaschinen in der Industrie weisen Bereiche auf, welche für das Bedienpersonal potentielle Gefährdungsquellen darstellen. Solche gefährlichen Bereiche müssen daher entsprechend gegenüber dem Bedienpersonal abgesichert werden. Dies kann durch das Anbringen von Schutzgittern und ähnlichen mechanisch wirkenden Einrichtungen erreicht werden, so dass dem Bedienpersonal der Zutritt in den gefährlichen Bereich grundsätzlich verwehrt ist. Da solche gefährlichen Bereiche jedoch zu bestimmten Zwecken wie z. B. zur Wartung oder zur Entnahme von Werkstücken dennoch vom Bedienpersonal zu betreten sind, eignen sich hierfür feste mechanische Schutzeinrichtungen nicht. Für solche Bereiche werden schon seit geraumer Zeit berührungslos wirkende Sicherheitssysteme wie z. B. Lichtschranken eingesetzt.
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Aus der
DE 103 10 236 B3 ist der Einsatz von Lichtschranken zur Absicherung von gefährlichen Bereichen einer Druckmaschine bekannt. Dabei wird mittels Lichtschranken der Bogenausleger, welcher von drei Seiten zugänglich ist, gegen das unbefugte Eindringen von Personen gesichert. An jeder Seite des Bogenauslegers sind dazu mehrere Lichtschranken übereinander angebracht, so dass sich keine Person zwischen den Lichtschranken unbemerkt in den abgesicherten Bereich bewegen kann. Sobald der Lichtstrahl einer Lichtschranke unterbrochen wird, wird ein Signal ausgegeben, um den Antrieb von beweglichen Teilen, welche das Bedienpersonal im Ausleger gefährden könnten, still zu setzen. Zusätzlich besteht für das Bedienpersonal die Möglichkeit, während eines kurzen vorgegebenen Zeitintervalls eine oder mehrere Lichtschranken außer Betrieb zu setzen, um in bestimmte Bereiche eingreifen zu können, ohne dass eine Notabschaltung der Druckmaschine bzw. des Auslegers eintritt.
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Um die Notabschaltung einer Druckmaschine zu bewirken, müssen die Sicherheitseinrichtungen wie z. B. die Lichtschranken in die Maschinensteuerung eingebunden sein. Bei den derzeit erhältlichen Lichtschranken werden die Signale der einzelnen Lichtschranken in der Lichtschranke selbst ausgewertet, um zu ermitteln, ob ein Gegenstand oder eine Person in den gefährlichen Bereich eindringt. Falls ein solcher Gegenstand oder eine Person festgestellt wird, wird ein Signal an die Steuerung der Druckmaschine übermittelt, um eine Notabschaltung zu bewirken. Dies hat den Nachteil, dass die Auswertung der einzelnen Sensoren in der Lichtschranke selbst stattfindet und die Maschinensteuerung so nur das Signal zum Weiterbetrieb oder zum Notabschalten verarbeiten kann.
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Aus der Übersetzung der europäischen Patentschrift
DE 693 17 231 T2 geht eine Komparatorvorrichtung mit Eigensicherheit für opto-elektronische Schranken wie z. B. Lichtschranken hervor. Die Eigensicherheit wird dadurch erreicht, dass redundante Signale vorhanden sind, wobei redundante Signale jeweils paarweise ausgewertet werden und bei fehlender Übereinstimmung der paarweisen Kanäle auf einen Fehler geschlossen wird. Diese Komparatorvorrichtung mit Eigensicherheit erfordert eine doppelte Anzahl von Kanälen zur Übertragung entsprechender Signale, da die Kanäle als analoge Kanäle ausgeführt sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine berührungslos wirkende Sicherheitseinrichtung zu schaffen, welche eine weitergehende Verarbeitung der von den einzelnen Sensoren herrührenden Ausgangssignale erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den Zeichnungen zu entnehmen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine berührungslos wirkende Sicherheitseinrichtung wie z. B. eine Lichtschranke über eine Schnittstelle an den Steuerungsrechner einer Maschine angebunden, deren gefährliche Bereiche zu überwachen sind. Bei einer solchen Maschine kann es sich insbesondere um eine Druckmaschine mit den gefährlichen Bereichen im Anleger- und Auslegerbereich handeln. Der Steuerungsrchner einer solchen Druckmaschine ist meist entweder in die Maschine selbst integriert oder als separates Bedienpult neben der Maschine aufgestellt. Eine berührungslos wirkende Sicherheitseinrichtung wie eine Lichtschranke weist mehrere Sensoren auf, welche aus Sendern bestehen, die einen Lichtstrahl aussenden, sowie aus Empfängern, welche dem ausgesandten Lichtstrahl gegenüber liegen. Sobald ein Lichtstrahl unterbrochen wird, wird der gegenüberliegende Empfänger abgedunkelt und der betroffene Sensor im Empfänger gibt ein Signal aus. Somit kann jeder Empfänger ein entsprechendes Signal ausgeben, welches die beiden Zustände „Licht an” und „Licht aus” umfasst. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo diese Signale unmittelbar in der Lichtschranke ausgewertet werden und anhand bestimmter Kriterien wie z. B. Anzahl der unterbrochenen Lichtstrahlen festgelegt wird, ob ein Signal zur Notabschaltung an die Maschinensteuerung gesendet werden muss, werden gemäß der Erfindung die Ausgangssignale der einzelnen Sensoren über eine Schnittstelle und das dazugehörige Kabel an die Maschinensteuerung übertragen. In der Maschinensteuerung können dann die einzelnen Ausgangssignale der Sensoren in der Lichtschranke entsprechend separat ausgewertet werden. Es ist somit möglich, die Kriterien für eine Sicherheitsabschaltung im Steuerungsrechner der Maschine zu implementieren, ohne an die vom Hersteller der Lichtschranke entwickelte Sicherheitsstrategie gebunden zu sein.
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Bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die separaten Ausgangssignale mittels der Schnittstelle seriell an eine Vorrichtung zur Signalverarbeitung übertragbar sind. Zweckmäßiger Weise wird dabei auf serielle Schnittstellen aus dem Computerbau wie z. B. RS 485 zurückgegriffen. Diese seriellen Schnittstellen sind schnell genug, um die Zustände der einzelnen Sensoren einer Lichtschranke nacheinander in der erforderlichen minimalen Zeit zu übertragen. Über eine serielle Schnittstelle übertragene Informationen lassen sich leichter von einem Rechner verarbeiten, als z. B. über eine parallele Schnittstelle transportierte Informationen. Die Verwendung einer seriellen Schnittstelle ist damit kostengünstiger.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Übertragungsprotokoll der über die Schnittstelle gesendeten Ausgangssignale Einfehlersicherheit gewährleistet. Die nacheinander über die Schnittstelle gesendeten Ausgangssignale der einzelnen Sensoren einer Lichtschranke müssen aus Sicherheitsgründen auf das Auftreten von Übertragungsfehlern überwacht werden. Falls z. B. der Zustand eines Lichtpfads der Lichtschranke falsch übertragen würde, so könnte dies Gefahren heraufbeschwören, da dann eventuell nicht rechtzeitig festgestellt würde, wenn eine Person in den gefährlichen Bereich hineingreifen würde. Um solche Gefahren zu vermeiden, muss die Datenübertragung über die Schnittstelle so beschaffen sein, dass schon das Auftreten nur eines Fehlers bei der Übertragung der Ausgangssignale der einzelnen Sensoren der Lichtschranke detektiert wird. Dies kann durch ein entsprechendes einfehlersicheres Übertragungsprotokoll geschehen, in dem die Daten so codiert über die Schnittstelle übertragen werden, dass bereits ein einziger Fehler ausreicht, um z. B. eine Notabschaltung auszulösen. Damit ist eine fehlerfreie Übertragung der Daten sichergestellt, solange die Maschine läuft, da andernfalls eine Notabschaltung erfolgt.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass die über die Schnittstelle übertragenen Ausgangssignale einzelnen Sensoren einer Lichtschranke zuzuordnen sind. Wenn die Herkunft der übertragenen Ausgangssignale entsprechend codiert ist, können diese codierten Ausgangssignale eindeutig den Sensoren der Lichtschranke zugeordnet werden, aus denen sie stammen. Somit weiß die Maschinensteuerung genau, welche der vorhandenen Lichtschranken bzw. welche Sensoren einer Lichtschranke unterbrochen worden sind. Es ist damit möglich, in der Maschinensteuerung unmittelbar die Herkunft eines empfangenen Ausgangssignals eines einzelnen Sensors unter Kenntnis seiner Herkunft zu verarbeiten.
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Vorteilhafter Weise kann zu dem vorgesehen sein, dass der Steuerungsrechner wenigstens zwei unabhängig voneinander arbeitende Rechnereinheiten aufweist, von denen eine die Signale des Betriebswegs und die andere die Signale des Sicherheitswegs verarbeitet. Um den nötigen Sicherheitsanforderungen zu genügen, ist es erforderlich, dass der Steuerungsrechner redundant ausgelegt ist. Die eingehenden Daten werden daher von zwei unabhängigen Rechnern im Steuerungsrechner parallel verarbeitet, so dass beim Ausfall insbesondere des Betriebswegsrechners, der zweite Rechner des Sicherheitswegs weiterhin zur Verfügung steht. Über eine Datenleitung kommunizieren die beiden Rechner miteinander, so dass der eine Rechner sofort vom Ausfall oder etwaigen Abnormitäten des anderen erfährt. Der verbleibende Rechner kann dann dazu genutzt werden, die zu steuernde Maschine sicher herunterzufahren und insbesondere einer Notabschaltung zu unterziehen.
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Es kann weiterhin vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass bei Inbetriebnahme des Steuerungsrechners eine angeschlossene berührungslos wirkende Sicherheitseinrichtung in einem Plausibilitätscheck einem Test unterzogen wird. Bei der Inbetriebnahme eines jeden Rechners werden grundsätzlich beim Start bestimmte Abfrageroutinen vorgenommen. Bei dem Steuerungsrechner einer Maschine spielt die Betriebssicherheit eine hohe Rolle, so dass insbesondere die für die Sicherheit zuständigen Schaltkreise und Programme vor der Inbetriebnahme auf volle Funktionsfähigkeit geprüft werden müssen. Neben dem Steuerungsrechner selbst ist es von großem Vorteil, wenn auch die angeschlossenen Sensoren wie z. B. eine Lichtschranke auf Funktionsfähigkeit geprüft werden. So können die einzelnen Sensoren einer Lichtschranke nach einem Testmuster in einem Plausibilitätscheck nacheinander abgefragt werden, wobei die von den Sensoren am Steuerungsrechner eingehenden Testsignale entsprechend ausgewertet werden. Sollten von dem in dem Steuerungsrechner hinterlegten Testmuster bei diesem Plausibilitätscheck Abweichungen festgestellt werden, so lässt dies auf eine Fehlfunktion der Lichtschranke schließen. In diesem Fall wird die Maschine gar nicht erst in Betrieb genommen, bzw. wenn der Test während des Betriebs in regelmäßigen Abständen stattfindet, wird die Maschine in einen sicheren Betriebszustand überführt und gegebenenfalls sofort abgeschaltet. Mit einer solchen auch während des Betriebs erfolgenden Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Lichtschranke ist sichergestellt, dass z. B. auch eine Verschmutzung während des Betriebs nicht die Sicherheit der Maschine beeinträchtigt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von mehreren Figuren näher beschrieben und erläutert. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf den Einsatz von berührungslos wirkenden Sicherheitseinrichtungen in Druckmaschinen. Es ist jedoch klar, dass diese berührungslos wirkenden Sicherheitseinrichtungen auch in anderen Maschinen, insbesondere Falzmaschinen oder anderen Maschinen zur Weiterverarbeitung von Bedruckstoffen eingesetzt werden können. Generell kann die Erfindung bei allen Lichtschranken eingesetzt werden, welche mit einem Steuerungsrechner verbunden sind. Die Erfindung ist auch nicht auf den Einsatz von Lichtschranken als Sensoren begrenzt, es können genauso gut andere Sensoren wie z. B. Abstands messende Ultraschallsensoren eingesetzt werden.
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Es zeigen:
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1: einen Steuerungsrechner, an den eine Druckmaschine und eine Lichtschranke angeschlossen sind und
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2: den Aufbau eines Steuerungsrechners gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Druckmaschine 3 zu sehen, welche ein oder mehrere gefährliche Bereiche aufweist. Die gefährlichen Bereiche der Druckmaschine 3 werden durch ein oder mehrere Lichtschranken 2 abgesichert, welche mit einem Steuerungsrechner 1 verbunden sind. Der Steuerungsrechner 1 steuert den kompletten Betrieb der Druckmaschine 3 und ist daher auch für eine etwaige Sicherheitsabschaltung der Druckmaschine 3 verantwortlich. Die Signale der Lichtschranke 2 werden in 1 über eine serielle Schnittstelle 4 an den Steuerungsrechner 1 übertragen. Die Lichtschranke 2 besteht aus mehreren Sensoren 5, 6, wobei die eine Hälfte der Sensoren als Lichtsender 5 ausgebildet und die andere Hälfte der Sensoren als Lichtempfänger 6 ausgebildet ist. Die Lichtsender 5 strahlen permanent Licht aus, welches auf die gegenüber liegenden lichtempfindlichen Empfänger 6 fällt. Sobald eine Person oder ein Gegenstand einen Lichtstrahl unterbricht, wird der entsprechende Lichtempfänger 6 dadurch abgeschattet. Ein Abschatten des Empfängers 6 führt zur Erzeugung eines Signals. Wenn der Lichtempfänger 6 z. B. als Fotodiode ausgeführt ist, erhöht sich bei Abschattung sein elektrischer Widerstand um ein Vielfaches, so dass ein zugehöriger Stromkreis einen deutlich höheren elektrischen Widerstand aufweist. Dies kann dann als Ausgangssignal an die serielle Schnittstelle 4 weitergeleitet werden. Alle Lichtempfänger 6 können auf diese Art und Weise ihren Zustand, der sinnvollere Weise aus den zwei Zuständen „Licht an” und „Licht aus” besteht, über die serielle Schnittstelle 4 an einen Steuerungsrechner 1 weiterleiten. Auf diese Art und Weise ist es möglich, dem Steuerungsrechner 1 die Zustände aller Lichtempfänger 6 mitzuteilen.
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In 2 ist das Innere des Steuerungsrechners 1 schematisch dargestellt. Die von der seriellen Schnittstelle 4 übertragenen Ausgangssignale der Lichtschranke 2 werden im Steuerungsrechner 1 zum einen einem ersten Rechner 12 für den Sicherheitsweg und zum anderen einem weiteren Rechner 13 für den Betriebsweg zugeführt. Dazu weisen die beiden Rechner 12, 13 jeweils eine interne serielle Schnittstelle 10 auf, um die von der externen seriellen Schnittstelle 4 eintreffenden Daten verarbeiten zu können. Grundsätzlich können die beiden Rechner 12, 13 gleich aufgebaut sein. Neben dem Anschluss der seriellen Schnittstelle 10 weisen die Rechner 12, 13 noch digitale Ein- und Ausgabeeinheiten 11 auf. Über die digitalen Ein- und Ausgabeeinheiten 11 können an den Rechner Bedieneingaben des Bedienpersonals oder Informationen von weiteren Sensoren der angeschlossenen Druckmaschine 3 übermittelt werden. So sind über die digitalen Ein- und Ausgabeeinheiten 11 z. B. Bedientasten 15 angeschlossen, mit denen das Bedienpersonals bestimmte Einstellungen am Steuerungsrechner 1 vornehmen kann. Ein weiterer Eingang ist für das so genannte Muting-Signal der Lichtschranke 16 vorgesehen. Mittels des Muting-Signals kann die Verarbeitung der Ausgangssignale von bestimmten Lichtempfängern 6 der Lichtschranke 2 für kurze Zeit unterbrochen werden. Dies ist z. B. erforderlich, wenn bestimmte Werkstücke in den gefährlichen Bereich während des Betriebs eingeführt werden müssen, welche eindeutig von Personen zu unterscheiden sind. Mit einem entsprechenden Sensor vor der Lichtschranke 2 wird der Gegenstand abgetastet, und bei Erkennung eines zulässigen Gegenstands werden die Ausgangssignale der entsprechenden Lichtempfänger 6 von den Rechnern 12, 13 nicht mehr berücksichtigt. Auf diese Art und Weise führt ein Eindringen eines erlaubten Gegenstands nicht zur Notabschaltung der Druckmaschine 3. Das Ausgangssignal eines solchen Muting-Sensors kann als Muting-Signal 16 von den Rechnern 12, 13 verarbeitet werden.
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Weiterhin ist zur Bedienung zumindest an den Betriebswegsrechner 13 ein Display 17 angeschlossen. Auf dem Display 17 sind die aktuellen Betriebszustände der Druckmaschine 3 zu sehen, wobei das Bedienpersonal die angezeigten Einstellungen gegebenenfalls über Bedientasten 15 verändern kann. Beispielhaft für Sensoren der Druckmaschine 3 verfügen die Rechner 12, 13 über einen Eingang für das Ausgangssignal eines Endschalters 18. Ein solcher Endschalter 18 ist in der Druckmaschine 3 z. B. im Anleger und Ausleger enthalten, wo das Erreichen der Endposition des Stapelhubwerks einen Endschalter 18 auslöst, um weitere Bewegungen des Stapelhubwerks über die Endposition hinaus zu verhindern. Das Signal eines solchen Endschalters 18 kann ebenfalls in den Rechnern 12, 13 verarbeitet werden, um entsprechende Aktionen einzuleiten.
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Die Rechner 12, 13 kommunizieren untereinander über eine interne Datenschnittstelle 14, um etwaige Abweichungen voneinander oder gar den Ausfall eines Rechners feststellen zu können. In diesem Fall kann der verbleibende funktionierende Rechner die Druckmaschine 3 in einen sicheren Betriebszustand überführen und gegebenenfalls notabschalten. Die Ausgangssignale der einzelnen Sensoren 6 können außerdem nach einem bestimmten Muster codiert über die serielle Schnittstelle 4 verschickt werden. Durch die spezielle Codierung ist es möglich, das Auftreten von Fehlern bei der Übertragung der Daten über die serielle Schnittstelle 4 zu erkennen und die Druckmaschine 3 zur Not abzuschalten. Es ist damit sichergestellt, dass auch eine fehlerhafte Übertragung der Daten von den Sensoren 6 an den Steuerungsrechner 1 über die serielle Schnittstelle 4 nicht die Sicherheit der Druckmaschine 3 beeinträchtigt.
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Weiterhin können den von den Sensoren 6 kommenden Ausgangssignalen entsprechende Kennungen verpasst werden, so dass nach der Übertragung der Daten über die serielle Schnittstelle 4 die Ausgangssignale der einzelnen Sensoren 6 eindeutig dem jeweiligen Sensor 6 zuzuordnen sind. Auf diese Weise ist es z. B. auch möglich, die Funktion der einzelnen Lichtschranken auf dem Display 17 anzuzeigen und bei technischen Problemen an der Lichtschranke 2 den genauen Ort des problembehafteten Sensors 6 anzuzeigen. So lässt sich z. B. auch die Verschmutzung eines oder mehrerer Sensoren genau dem jeweiligen Sensor zuordnen, so dass das Bedienpersonal auf dem Display 17 erkennen kann, welcher oder welche Sensoren von Verschmutzung betroffen sind und gereinigt werden müssen. Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich somit nicht nur die Sicherheit einer überwachten Maschine 3 verbessern, es bieten sich auch Vorteile bei der Fehlerfindung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerungsrechner
- 2
- Lichtschranke
- 3
- Druckmaschine
- 4
- Serielle Schnittstelle
- 5
- Lichtsender
- 6
- Lichtempfänger
- 10
- interne serielle Schnittstelle
- 11
- digitale Ein- und Ausgabeeinheit
- 12
- Rechner Sicherheitsweg
- 13
- Rechner Betriebsweg
- 14
- interne Datenschnittstelle
- 15
- Bedientasten
- 16
- Mutingsignal der Lichtschranke
- 17
- Display
- 18
- Endschalter
