DE19508841A1 - Sicherheitsschalteranordnung - Google Patents
SicherheitsschalteranordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschalteranordnung gemäß Hauptpatent
(Patentanmeldung P 44 41 070.0-32).
Die dort beschriebene zweikanalige Sicherheitsschalteranordnung weist Aktoren
mit aus Halbleiterelementen bestehenden schalterartigen Mitteln auf. Diese
Halbleiterelemente weisen im Gegensatz zu Relais keine verschleißanfälligen
Kontakte auf.
Zur Durchführung der Funktionsüberprüfung der Aktoren ist in jedem Auswer
tekanal eine Rechnereinheit vorgesehen, wobei jede Rechnereinheit über zwei
bidirektionale Zuleitungen mit dem Aktor verbunden ist. Die Rechnereinheiten,
die vorzugsweise als Controller ausgebildet sind, können als Standardprodukte
kostengünstig ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand den Aktoren vorgeschaltet
werden. In einer Vielzahl von Sensoren sind bereits Rechnereinheiten zur Steu
erung der Sensorfunktionen integriert. In diesem Fall können diese Rechnerein
heiten die für die Sicherheitsschalteranordnung notwendigen Funktionen zusätz
lich abarbeiten, so daß der Schaltungsaufwand des Sensors weiter reduziert
wird.
Zur Überwachung der Rechnereinheiten sind diese über eine bidirektionale Zu
leitung verbunden.
Die komplette Ansteuerung und Funktionsüberwachung der Aktoren erfolgt
zentral in den Rechnereinheiten. Damit die Funktionsüberwachung von der
Übermittlung der Sensorsignale physikalisch getrennt ist, sind zur Übermittlung
der Schaltimpulse des Sensors und zur Übermittlung von Testimpulsen zur Funk
tionsüberprüfung von der Rechnereinheit an den Aktor separate bidirektionale
Zuleitungen vorgesehen, was die Funktionssicherheit der Anordnung erhöht. Die
bidirektionalen Zuleitungen übertragen die Schaltimpulse und Testimpulse nicht
nur an den Aktor sondern erhalten von diesem eine Rückmeldung. Aus dieser
Rückmeldung werden zusätzlich Informationen gewonnen, ob die Funktionen
des Aktors und der Zuleitungen fehlerfrei sind. Aufgrund der verschiedenen
Rückmeldungen können eventuell auftretende Fehler schnell und sicher lokali
siert und klassifiziert werden.
Zur Funktionsüberprüfung der Sicherheitsschalteranordnung werden von den
Rechnereinheiten kurzzeitig die Schaltzustände geändert und die Rückmeldun
gen in den Rechnereinheiten dahin überprüft, ob die Funktionen der Auswerte
kanäle und der Aktoren fehlerfrei sind. Diese Änderung der Schaltzustände er
folgt so kurzzeitig, daß sich der Betriebszustand des Arbeitsmittels nicht ändert,
d. h. der Betrieb des Arbeitsmittels wird durch die Funktionsüberprüfung nicht
beeinträchtigt. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die
Parameter der Funktionsüberprüfung über die Rechnereinheiten einfach einstell
bar sind.
Der Erfindung liegt in Weiterbildung des Gegenstands des Hauptpatents die
Aufgabe zugrunde, den Umfang der Funktionsüberprüfung bei möglichst gerin
gem Schaltungsaufwand zu erhöhen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den
Ansprüchen 2-6 beschrieben.
Mittels der Spannungsüberwachungseinheit, die auf die Schalter in den Zulei
tungen geführt sind, welche auf die Aktoren führen, werden die Betriebsspannun
gen der Rechnereinheiten überprüft, so daß von den Rechnereinheiten ausgehen
de fehlerhafte Steuersignale aufgrund von Über- oder Unterspannungen, die zu
einem gefährlichen Ausfall der Schalter führen können, aufgedeckt werden
können.
Die Funktionsüberwachung kann vorteilhafterweise so durchgeführt werden, daß
die Rückleseleitungen nicht mehr auf beide Rechnereinheiten zurückgeführt
werden müssen, wodurch sich der Schaltungsaufwand verringert. Vorteilhafter
weise ist der Sensor über eine zweikanalige Zuleitung mit jeder Rechnereinheit
verbunden, wodurch die vom Sensor zu der Rechnereinheit gelangenden Signale
überwacht werden können.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild der Sicherheitsschalteranordnung,
Fig. 2 Ein Blockschaltbild des Aktors,
Fig. 3 Ein Impulsdiagramm der Signalzustände der bidirektionalen Zulei
tungen.
Fig. 1 zeigt eine Sicherheitsschalteranordnung 1 zum Ein- und Ausschalten der
Stromversorgung eines nicht dargestellten Arbeitsmittels. Das Ein- und Aus
schalten des Arbeitsmittels erfolgt mittels eines Sensorsignals S. Der Sensor ist
vorzugsweise als Lichtschranke ausgebildet, in dessen Gehäuse die komplette
Sicherheitsschalteranordnung integriert ist.
Der Sensor kann beispielsweise zur Überwachung eines Schutzfeldes im Bereich
des Arbeitsmittels eingesetzt werden. Er weist zwei Signalzustände auf, nämlich
Schutzfeld frei (Sensor aktiv) und Schutzfeld nicht frei (Sensor inaktiv).
Das binäre Sensorsignal S wird den beiden Auswertekanälen 2 der Sicherheits
schalteranordnung 1 zugeführt. Jeder Auswertekanal 2 weist eine Zuleitung 2a,
2b auf, welche den Sensor direkt mit einem Aktor 3 verbindet. Der Aktor 3
weist aus Halbleiterelementen bestehende schalterartige Mittel auf. Dem Aktor
3 ist eine Rechnereinheit 4 vorgeschaltet, die als Controller, vorzugsweise als
Microcontroller, ausgebildet ist. Jede Rechnereinheit 4 ist über eine separate Zu
leitung 2a, 2b mit dem Sensor verbunden, wodurch das Sensorsignal über die
Rechnereinheiten 4 überwacht werden kann.
Die Rechnereinheiten 4 sind über eine bidirektionale Zuleitung 5 gekoppelt. Die
Hardware der Controller ist identisch aufgebaut, während deren Software unter
schiedlich ausgebildet ist. Bezüglich der Hardware sind die Controller demzu
folge homogen redundant aufgebaut, während die Software diversitär ausgebil
det ist. Die Rechnereinheiten 4 arbeiten im Master-Slave Betrieb, wobei der
Master die Kommunikation der Rechnereinheiten 4 steuert. Die gegenseitige
Kontrolle der Rechnereinheiten 4 erfolgt vorteilhafterweise in einem asynchro
nen Betrieb zeitversetzt.
Zur Funktionsüberprüfung des Aktors 3 ist dieser mit der Rechnereinheit 4 über
zwei bidirektionale Zuleitungen 5a, 5b und 6a, 6b gekoppelt. Über die erste Zu
leitung 5a, 5b werden rücklesbar die Schaltimpulse, die dem aktuellen Signalzu
stand des Sensors entsprechen, an den Aktor 3 übertragen. Über sämtliche Zu
leitungen 5a, 5b, 6a, 6b werden Testimpulse an den Aktor 3 zu dessen Funk
tionsüberprüfung übertragen. Die bidirektionalen Zuleitungen 5a, 5b, 6a, 6b
bestehen jeweils aus einer Signalleitung 5a, 6a zur Übertragung von Informatio
nen an den Aktor 3 und einer Rückleseleitung 5b, 6b zur Rückmeldung vom
Aktor 3 an die Rechnereinheit 4.
Jeder Aktor 3 weist einen Schaltausgang 7 auf. Nur wenn beide Schaltausgänge
7 aktiv sind, d. h. wenn beide Schaltausgänge 7 den Signalzuständen "Schutzfeld
frei" des Sensors entsprechen, wird das Arbeitsmittel eingeschaltet.
Die Sicherheitsschalteranordnung 1 weist eine Spannungsüberwachungseinheit
8 auf, auf deren Eingänge Zuleitungen 9a von Ausgängen der Rechnereinheiten
4 geführt sind. Die Spannungsüberwachungseinheit 8 ist vorzugsweise von
einem integrierten Schaltkreis (IC) gebildet. Eine weitere Zuleitung 9b ist von
einem Eingang der Spannungsüberwachungseinheit 8 auf ein Referenzspannungs
potential Uref geführt. Von einem Ausgang der Spannungsüberwachungseinheit
8 ist eine Zuleitung 10 auf Schalter 11 in den Signalleitungen 5a geführt. Die
Schalter 11 sind vorzugsweise als Transistoren ausgebildet.
Mittels der Spannungsüberwachungseinheit 8 wird überprüft, ob sich die Be
triebsspannungen der Rechnereinheiten 4 in einem vorgegebenen Sollwertbe
reich befinden. Ist dies nicht der Fall, 50 werden über die Zuleitung 10 die
beiden Schalter 11 geöffnet, das Arbeitsmittel demnach deaktiviert. Dadurch
wird gewährleistet, daß von den Rechnereinheiten 4 keine fehlerhaften Steuersi
gnale aufgrund von Über- bzw. Unterspannungen ausgehen.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Aktors 3 dargestellt. An der Ausgangs
seite des Aktors 3 sind ein Varistor 12, ein Widerstand 13 und eine Supressor
diode 14 zum Schutz von transienten Überspannungen vorgesehen. Der Wider
stand 13 dient zur zeitlichen Verzögerung von Überspannungspulsen, so daß die
schnellere Supressordiode 14 nicht vor dem Varistor 12 anspricht. Von diesem
Überspannungsschutz führt über einen Widerstand 15 eine Zuleitung zu einem
P-Kanal MOS-Feldeffekttransistor 16, der das schalterartige Mittel bildet. Das
schalterartige Mittel ist über einen Widerstand 17 auf den Schaltausgang 7
geführt. Desweiteren führt vom Widerstand 17 eine Zuleitung zu einem Transi
stor 19, der auf Massepotential GND geführt ist. Der Transistor 19 wird durch
eine Supressordiode 18 von Überspannungen geschützt.
Der Transistor 16 ist durch die Widerstände 15 und 20 als eine erste Konstant
stromquelle beschaltet, wodurch bei Kurzschlußtests der Strom auf einen Maxi
malwert begrenzt ist.
Der Widerstand 20 ist ebenso wie die Diode 21 und Widerstände 22, 23 auf das
schalterartige Mittel geführt. Widerstände 24 und 25 sind auf den Schaltausgang
7 geführt. Widerstände 26 und 27 sind auf den Transistor 19 geführt. Wider
stände 28 und 29 sind zwischen dem Widerstand 15 und einem Transistor 30
geschaltet. Der Transistor 30 regelt über die Diode 21 und den Widerstand 22
den Transistor 16, so daß sich eine zweite Konstantstromquelle ergibt, die über
die Diode 32 auf die Rückleseleitung 5b geführt ist.
Zur Messung der Spannung am Kollektor des Transistors 19 ist ein Transistor
31 vorgesehen. Zusätzlich stellt der Transistor 31 eine Anlaufstrombegrenzung
für den Transistor dar, d. h. er begrenzt den Stromfluß des Transistors 19, falls
ein Kurzschluß des Schalterausgangs 7 gegen die Versorgungsspannung UB vor
liegen würde. Dadurch wird der Transistor 19 vor Zerstörung geschützt.
Mittel einer Zenerdiode 33 und einer Diode 34 wird im Fehlerfall der Schalt
ausgang 7 auf Massepotential GND geschaltet.
Widerstände 36 und 37 sind den Sendeelementen für die Rückleseleitungen 5b,
6b vorgeschaltet. Den Empfangselementen der Signalleitungen 5a, 5b sind
Widerstände 23, 38 nachgeschaltet.
Die Sendeelemente für die Rückleseleitungen 6b bzw. 5b sind von Optokopplern
39, 40 gebildet. Die Empfangselemente für die Signalleitungen 5a, 6a sind von
Optokopplern 41 und 42 gebildet.
Die Signalleitungen 5a, 6a sind so geschaltet, daß im Reset-Zustand der Rech
nereinheiten 4 die Transistoren 16 und 19 hochohmig sind. Somit kann keiner
dieser Transistoren 16, 19 durch einen externen Kurzschluß zerstört werden, be
vor die Rechnereinheiten 4 in Betrieb sind.
Die Funktionen der Sicherheitsschalteranordnung 1 werden im folgenden anhand
von Fig. 3 erläutert.
Die Funktionsüberprüfung der Auswertekanäle 2 erfolgt unabhängig vom aktuel
len Sensorzustand, d. h. unabhängig davon ob der Sensor aktiv oder inaktiv ist.
Dies ist durch die schraffierten Flächen in Fig. 3 angedeutet. Die Durchführung
der Funktionsüberprüfung wird von den Rechnereinheiten 4 gesteuert.
Die Rechnereinheiten arbeiten im Master-Slave Betrieb. Dies bedeutet, daß eine
Rechnereinheit 4 als Master die Kommunikation über die Zuleitungen 5 steuert.
Die Kommunikation erfolgt in Form einer Zwei-Bit-Parallelkommunikation, d. h.
jede Rechnereinheit 4 weist eine Sende- und Empfangsleitung 5 auf.
Die Funktionskontrolle der Rechnereinheiten 4 erfolgt gegenseitig über eine
time-out Funktion. Wenn eine Rechnereinheit 4 auf ein Signal der anderen
Rechnereinheit 4 nicht rechtzeitig antwortet, so wird die fehlende Antwort als
Fehler interpretiert.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, erfolgt die Funktionsüberprüfung in den beiden
Auswertekanälen zeitversetzt. Zweckmäßigerweise erfolgt die Freigabe einer
Rechnereinheit 4 zur Durchführung der Funktionsüberprüfung durch den Master.
Der Übersichtlichkeit halber ist die Zeitverzögerung zwischen zwei Funktions
überprüfungen in Fig. 3 nicht dargestellt.
Die Funktionsüberprüfung gliedert sich in Testabschnitte I, II, III, IV. Während
der ersten drei Testabschnitte I, II, III wird überprüft, ob im Aktor 3 selbst eine
Störung vorliegt. Im Testabschnitt IV wird die Funktion der Spannungsüber
wachungseinheit 8 und der Schalter 11 überprüft.
Die in Fig. 3 dargestellten Signalfolgen stellen den fehlerfreien Fall dar.
Im Testabschnitt I werden die Signalleitungen 5a, 6a aktiviert. Bei diesem Kurz
schlußtest muß im fehlerfreien Fall die Rückleseleitung 5b den Zustand aktiv
und die Rückleseleitung 6b den Zustand inaktiv einnehmen.
Um den Stromfluß beim Kurzschlußtest zu begrenzen, ist der Transistor 16
durch die Widerstände 15 und 20 als Konstantstromquelle beschaltet. Zudem ist
ein Kondensator 43 als Energiespeicher vorgesehen, so daß das versorgende
Netzteil hiervon nicht belastet ist.
In den Testabschnitten II und III werden die Signalleitungen 5a, 6a zeitversetzt
aktiviert. Im fehlerfreien Fall bleibt die Rückleseleitung 5b im inaktiven Zu
stand, während die Rückleseleitung 6b nur während des Testabschnitts III in
aktiv ist, nicht jedoch während des Testabschnitts II.
Im Fehlerfall ergeben sich für die Rückleseleitungen 5b, 6b während der Test
abschnitte I, II, III Schaltzustände, die von den in Fig. 3 dargestellten Zuständen
abweichen.
In diesem Fall können die Transistoren 16, 19 durchlegiert oder hochohmig
sein. Ebenso kann ein Schluß gegen Massepotential GND oder die Versor
gungsspannung UB vorliegen. Schließlich kann die Spannungsüberwachungsein
heit 8 defekt sein oder ein Querschluß der Schaltausgänge 7 zueinander vorlie
gen.
Ist der Transistor 16 im Fehlerfall durchlegiert und läßt sich nicht mehr ab
schalten, so fließt beim Einschalten des Transistors 19 solange Strom, bis der
eine Sicherung bildende Widerstand 17 anspricht und den Schaltausgang 7 von
der Versorgungsspannung UB abtrennt. Vor Ansprechen der Sicherung kann so
mit der gestörte Auswertekanal 2 noch in den sicheren Zustand übergehen, d. h.
das Arbeitsmittel abschalten.
Um einen Kurzschluß des Schaltausgangs 7 nach UB von den anderen Fehlerfäl
len zu unterscheiden, kann ein weiterer, in Fig. 3 nicht dargestellter Testab
schnitt angefügt werden. In diesem Testabschnitt werden die Transistoren 16
und 19 hochohmig geschaltet. Über den Optokoppler 39 wird geprüft, ob
Spannung am Schaltausgang 7 anliegt.
Ist dies nicht der Fall, so liegt kein externer Kurzschluß vor und der Schaltaus
gang 7 wird über den Transistor 19 auf Massepotential GND geschaltet.
Im Testabschnitt IV wird die Spannungsüberwachung der Rechnereinheit 4
überprüft. Die Rechnereinheit 4 simuliert hierzu einen Überspannungsimpuls
(Signalleitungen 5a, 6a aktiv), worauf die Zuleitung 9a im fehlerfreien Fall
aktiviert wird.
Zur zyklischen Funktionsüberwachung werden die Schaltzustände der Signallei
tungen 5a, 6a kurzzeitig geändert. Die einzelnen Zeitintervalle "1" bis "8" liegen
im Bereich von 50-150 µs. Diese Zeitintervalle sind somit so kurz, daß die
innerhalb dieser Intervalle durchgeführten Änderungen der Schaltzustände auf
den Signalleitungen 5a, 6b aufgrund der Trägheit des Arbeitsmittels keine Än
derung dessen Betriebszustandes bewirken können. Die Wiederholdauer der
zyklischen Funktionsüberwachung liegt im Bereich 5-15 ms, vorzugsweise be
trägt sie 10 ms. Besonders vorteilhaft ist, daß die zyklische Funktionsüber
wachung von den Rechnereinheiten 4 gesteuert wird. Über die Software in den
Rechnereinheiten 4 kann die Wiederholdauer der zyklischen Funktionsüberwa
chung variiert werden, beispielsweise um eine Überlastung der Rechnereinheiten
4 zu vermeiden.
Claims (6)
1. Sicherheitsschalteranordnung (1) zum Ein- und Ausschalten der Stromver
sorgung eines Arbeitsmittels mittels eines Sensorsignals, welches dem Ar
beitsmittel über zwei Auswertekanäle (2) zugeführt wird, wobei jeder Aus
wertekanal einen Aktor (3) mit aus Halbleiterelementen bestehenden schal
terartigen Mitteln aufweist, welchem eine Rechnereinheit (4) vorgeschaltet
ist, die mit dem Aktor (3) über zwei bidirektionale Zuleitungen (5a, 6b, 6a,
6b) verbunden ist, wobei über die erste Zuleitung (5a, 5b) rücklesbar Schalt
impulse von der Rechnereinheit (4) zum Aktor (3) übertragen werden und
dort einen Schaltvorgang auslösen, und wobei über die zweite Zuleitung (6a,
6b) rücklesbar Testimpulse von der Rechnereinheit (4) zum Aktor (3) zu
dessen Funktionsüberprüfung übertragen werden, wobei die Rechnereinhei
ten (4) über eine bidirektionale Zuleitung (5) zu deren Funktionsüberprüfung
verbunden sind, und wobei von den Rechnereinheiten (4) zur Funktionsüber
prüfung der Aktoren (3) die Schaltzustände der schalterartigen Mittel so
kurzzeitig geändert werden, daß sich der Betriebszustand des Arbeitsmittels
aufgrund seiner Trägheit nicht ändert, nach Patent . . . /Patentanmeldung P
44 41 070.0-32, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (5a) jeweils
einen Schalter (11) aufweisen, die mittels einer Spannungsüber
wachungseinheit (8) geöffnet werden, sobald sich die Betriebsspannung der
Rechnereinheiten (4) außerhalb eines vorgegebenen Sollwertbereichs befin
den.
2. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schalter (11) von jeweils einem Transistor gebildet sind.
3. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß von jeder Rechnereinheit (4) eine Zuleitung (2a, 2b) zum
Sensor geführt ist.
4. Sicherheitsschalteranordnung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rechnereinheiten (4) im Master-Slave Betrieb arbeiten.
5. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Funktionsüberprüfung unabhängig vom Signalzustand
des Sensors erfolgt.
6. Sicherheitsschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Funktionsüberprüfung aus vier nacheinander ablau
fenden Testabschnitten besteht, wobei die ersten drei Testabschnitte zur
Überprüfung des Aktors (3) vorgesehen sind und der vierte Testabschnitt zur
Überprüfung der Betriebsspannungen der Rechnereinheiten (4) vorgesehen
ist.
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