DE19815148B4

DE19815148B4 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE19815148B4
Application number: DE19815148A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Müller
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: As-International Association E V De
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2018-04-04
Also published as: DE19815148A1

Abstract

Anordnung von Sensoren zur Überwachung eines Arbeitsgerätes, welches in Abhängigkeit der Schaltzustände der Sensoren in Betrieb setzbar ist, wobei die Sensoren Slaves eines nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitenden Bussystems bilden, welches von einer den Master bildenden Steuereinheit gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass an das Bussystem (1) eine redundante Auswerteeinheit (8) angeschlossen ist, welche fortlaufend die über das Bussystem (1) übertragenen Signale abhört, dass die Sensoren (2) von Türwächtern gebildet sind, wobei der Sensor (2) in Abhängigkeit davon, ob eine Türe geschlossen ist oder nicht einen binären Schaltzustand einnimmt, welcher als Signal auf das Bussystem (1) ausgegeben wird, wobei jeweils bei einer geschlossenen Tür im zugeordneten Sensor (2) ein einem Schaltzustand entsprechendes Signal generiert wird, welchem eine individuelle Kodierung aufgeprägt ist, dass die individuellen Kodierungen jeweils mit Referenzwerten in der Auswerteeinheit (8) verglichen werden, und dass nur bei Übereinstimmung sämtlicher Kodierungen mit den Referenzwerten das Arbeitsgerät über die Auswerteeinheit (8) in Betrieb...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensoren in einem Bussystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 44 12 653 C2 bekannt. Diese Anordnung umfasst ein Zweidraht-Bussystem, an welches mehrere Sensoren mit analogen oder digitalen Schaltzuständen angeschlossen sind. Die Sensoren werden von einer redundanten Auswerteeinheit mit zwei Auswerteprozessoren gesteuert. Hierzu stimuliert einer der Auswerteprozessoren die Sensoren, indem jeweils eine Adresse an die betreffenden Sensoren ausgegeben wird. Zur Überprüfung der Funktion der Sensoren wird vom Auswerteprozessor ein Prüfwert, beispielsweise in Form einer Checksumme, an die Sensoren ausgegeben. Dieser Übertragungsprozess wird vom anderen Auswerteprozessor überwacht. Nach jedem Überprüfungszyklus wird zwischen den Auswerteprozessoren gewechselt. Zudem führen die Sensoren jeweils einen Selbsttest durch.

Bei diesem Bussystem ist zwar die Datenübertragung zwischen der Auswerteeinheit und den Sensoren überprüfbar. Zudem ist durch den Selbsttest der Sensoren überprüfbar, ob diese interne Gerätestörungen aufweisen. Jedoch sind die einzelnen Schaltzustände der Sensoren nicht auf ihre Fehlerfreiheit überprüfbar. Dies wäre jedoch notwendig, um derartige Bussysteme auch im Bereich des Personenschutzes einsetzen zu können. Damit bei derartigen Bussystemen die Sicherheitsanforderungen im Bereich des Personenschutzes erfüllbar sind, müssten sämtliche Sensoren selbst redundant und damit fehlersicher aufgebaut sein. Dies würde jedoch einen beträchtlichen schaltungstechnischen Aufwand bedeuten.

Die DE 43 38 978 A1 betrifft ein Lichtgitter mit einer Reihe von Paaren bildenden Lichtsendern und Lichtempfängern. Jedes der Paare bildet eine Licht schranke, wobei vom jeweiligen Lichtsender Sendelichtstrahlen in Richtung des zugeordneten Lichtempfängers emittiert werden. Zur Unterscheidung der Sendelichtstrahlen der einzelnen Lichtschranken sind diesen individuelle Kodierungen aufgeprägt. Die einzelnen Sender werden zyklisch nacheinander aktiviert. Dabei wird ein Alarmsignal generiert, falls an einem Empfänger kein Empfangssignal registriert wird, das heißt, kein freier Strahlengang vorliegt. Dieses Alarmsignal entspricht einem statischen binären Schaltzustand, der beispielsweise das in Betrieb nehmen eines Arbeitsgeräts verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Sensoren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass diese mit möglichst geringem Schaltungsaufwand die Sicherheitsanforderungen für den Einsatz im Personenschutz erfüllt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäß als Türwächter ausgebildete Sensor nimmt in Abhängigkeit davon, ob eine Türe geschlossen ist oder nicht einen binären Schaltzustand ein, welcher als Signal an das Bussystem ausgegeben wird. Dabei wird jeweils bei einer geschlossenen Tür im zugeordneten Sensor ein einem Schaltzustand entsprechendes Signal generiert, welchem eine individuelle Kodierung aufgeprägt ist. Die individuellen Kodierungen werden jeweils mit Referenzwerten in der Auswerteeinheit verglichen. Nur bei Übereinstimmung sämtlicher Kodierungen mit den Referenzwerten wird das Arbeitsgerät über die Auswerteeinheit in Betrieb gesetzt.

Die von den Türwächtern generierten Signale werden über das Bussystem übertragen. Die gesamte Datenübertragung zwischen dem Master und den Slaves wird dabei von einer an das Bussystem angeschlossenen redundanten Auswerteeinheit abgehört und überprüft. Die Auswerteeinheit hat innerhalb des Bus systems eine rein passive Kontrollfunktion. Sie erfüllt weder die Funktion eines Masters noch eines Slaves.

Das Arbeitsgerät wird über die Auswerteeinheit nur dann in Betrieb gesetzt, falls die individuellen Kodierungen sämtlicher Türwächter fehlerfrei erkannt werden.

Da die Überprüfung der Signale durch eine redundante Auswerteeinheit erfolgt, ist die für den Personenschutz geforderte Sicherheit gewährleistet. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass die Signale der Sensoren jeweils eine individuelle Kodierung, vorzugsweise mit einer individuelle Zeitabhängigkeit, aufweisen, die den einzelnen Slaves eindeutig zugeordnet werden kann. Dadurch brauchen die Sensoren selbst nicht redundant aufgebaut sein. Die Überprüfung der individuellen Signale der Slaves durch die redundante Auswerteeinheit erfüllt das für den Personenschutz erforderliche Sicherheitsniveau.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
1: Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Sensor-Aktor-Bussystems.
1 zeigt ein nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitendes Sensor-Aktor-Bussystem 1. im vorliegenden Fall sind nur Sensoren 2 an das Bussystem 1 angeschlossen. Die Sensoren 2 bilden eine Anordnung zur Überwachung eines nicht dargestellten Arbeitsgeräts. Beispielsweise werden die Sensoren 2 zur Überwachung des Vorfelds des Arbeitsgerätes eingesetzt. Mit einer derartigen Zugangskontrolle kann überwacht werden, ob sich Personen unbefugt dem Arbeitsgerät nähern. Erfolgt ein derartiger Personeneingriff in das Vorfeld des Arbeitsgeräts, so wird das Arbeitsgerät aus Sicherheitsgründen abgeschaltet.
Die Sensoren 2 weisen vorzugsweise jeweils binäre Schaltzustände auf. Nur dann, wenn sich sämtliche Sensoren 2 im Schaltzustand „0" befinden, welcher signalisiert, dass sich kein Objekt oder keine Person im Vorfeld des Arbeitsgeräts definiert, erfolgt die Freigabe für das Inbetriebsetzen des Arbeitsgerätes.
Die Sensoren 2 bilden die Slaves des Bussystems 1. Das Bussystem 1 wird vom Master, der von einer Steuereinheit 3, beispielsweise einer SPS-Steuerung, gebildet ist, zentral gesteuert. Der Master und die Slaves sind über Busleitungen 4 miteinander verbunden. Die Stromversorgung erfolgt über ein Netzteil 5.
Der Master fragt die einzelnen Slaves unter vorgegebenen Adressen zyklisch ab, worauf jeder Slave eine Antwort an den Master sendet.
Im vorliegenden Fall ist das Bussystem 1 vom ASi-Bussystem gebildet. Das ASi-Bussystem ist insbesondere für den Anschluss von binären Sensoren und Aktoren konzipiert. Die Funktionsweise des ASi-Bussystems ist in „ASI – Das Aktuator Sensor Interface für die Automation", Werner Kriesel, Otto W. Madelung, Carl Hanser Verlag, 1994 beschrieben, dessen Inhalt in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung miteinbezogen wird.
Beim ASi-Bussystem besteht ein Masteraufruf aus einem Startbit, einer 5 Bit-breiten Adresse, 2 Bit Steuerinformation, 4 Bit Nutzdaten sowie jeweils einem Paritäts- und Stopp-Bit. Die zugehörige Slaveantwort enthält ein Start-Bit, 4 Bit Nutzdaten sowie jeweils ein Paritäts- und Stopp-Bit. Ein Slave überprüft den empfangenen Masteraufruf anhand vorgegebener ASi-spezifischer Kodierungsregeln. Erkennt der Slave einen gültigen Masteraufruf, so sendet er eine entsprechende Antwort. In allen anderen Fällen antwortet er nicht. Ebenso verwirft der Master eine Slaveantwort, wenn sie den entsprechenden Kodierungsregeln nicht entspricht.
Die Daten sind Manchester-kodiert und werden als alternierende, sin²-förmige Spannungsimpulse über die Busleitungen 4 übertragen.
Hierzu ist dem Master eine Analogschaltung 6 nachgeordnet, welche ein jeweils nicht dargestelltes Sendeelement 13 und ein Empfangselement aufweist. Im Sendeelement 13 werden die binären Daten eines Masteraufrufs in eine Folge von sin²-förmigen Spannungsimpulse umgewandelt. Diese Signale werden über die Busleitungen 4 an die Slaves gesendet. Die von den Slaves über die Busleitungen 4 an den Master gesendeten Signale werden in dem Empfangselement in binäre Datenfolgen umgewandelt.
Jedem Slave ist ein Schnittstellenbaustein 7 zugeordnet, der in dem vorliegenden Beispiel von einem ASi-IC gebildet ist. Im Schnittstellenbaustein 7 werden die über die Busleitung 4 empfangenen Folgen von sin²-förmigen Spannungsimpulsen in binäre Daten gewandelt. Desweiteren wird im Schnittstellenbaustein 7 die in Form von binären Daten vorliegende Slaveantwort in eine Folge von sin²-förmigen Spannungsimpulsen und über die Busleitungen 4 an den Master gesendet.
Zur Überprüfung der über die Busleitungen 4 gesendeten Signale ist eine redundante Auswerteeinheit 8 mit zwei sich überwachenden Rechnereinheiten 9, 10 an das Bussystem 1 angeschlossen. Die Rechnereinheiten 9, 10 sind vorzugsweise von identisch aufgebauten Mikroprozessoren gebildet. Die Auswerteeinheit 8 bildet weder einen Master noch einen Slave sondern stellt einen rein passiven Busteilnehmer dar, der fortlaufend die auf den Busleitungen 4 übertragenen Signale abhört. Hierzu ist die Auswerteeinheit 8 an die Analogschaltung 6 angeschlossen. Die Signale des Empfangselements werden in die Rechnereinheiten 9, 10 der Auswerteeinheit 8 eingelesen und dort zyklisch miteinander verglichen.
Jede Rechnereinheit 9, 10 weist einen Ausgang 11, 12 auf, welcher an das Arbeitsgerät angeschlossen ist. Die Ausgänge 11, 12 sind als Relaisausgänge oder sichere, sich selbst überwachende Halbleiterausgänge ausgebildet. Über diese Ausgänge 11, 12 erfolgt die Inbetriebsetzung des Arbeitsgeräts, falls der Da tenverkehr über die Busleitungen 4 fehlerfrei erfolgt und falls sich die einzelnen Sensoren 2 jeweils im Schaltzustand „0" befinden.
Die Sensoren 2 sind als Türwächter ausgebildet. Das zu überwachende Vorfeld des Arbeitsgeräts ist vorzugsweise von einem Zaun eingegrenzt, der das Vorfeld des Arbeitsgeräts gegen unbefugten Zugang sichert. Der Zugang zum Vorfeld erfolgt über mehrere Türen in dem Zaun. Jede Türe weist einen Türwächter auf. Mittels eines Türwächters wird geprüft, ob die jeweilige Türe geschlossen ist. Nur wenn gewährleistet ist, dass sämtliche Türen geschlossen sind, ist das Vorfeld des Arbeitsgeräts abgesichert, so dass das Arbeitsgerät in Betrieb gesetzt werden kann.
Ist eine Türe geschlossen, so sendet der entsprechende Türwächter ein dem Schaltzustand „0" entsprechendes Signal mit einer individuellen Kodierung an den Master und an die Auswerteeinheit 8. Nur wenn die Kodierungen sämtlicher Türwächter in der Auswerteeinheit 8 fehlerfrei registriert werden, erfolgt durch diese das Inbetriebsetzen des Arbeitsgeräts. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Türwächter als optische Türwächter ausgebildet.

Claims

Anordnung von Sensoren zur Überwachung eines Arbeitsgerätes, welches in Abhängigkeit der Schaltzustände der Sensoren in Betrieb setzbar ist, wobei die Sensoren Slaves eines nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitenden Bussystems bilden, welches von einer den Master bildenden Steuereinheit gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass an das Bussystem (1) eine redundante Auswerteeinheit (8) angeschlossen ist, welche fortlaufend die über das Bussystem (1) übertragenen Signale abhört, dass die Sensoren (2) von Türwächtern gebildet sind, wobei der Sensor (2) in Abhängigkeit davon, ob eine Türe geschlossen ist oder nicht einen binären Schaltzustand einnimmt, welcher als Signal auf das Bussystem (1) ausgegeben wird, wobei jeweils bei einer geschlossenen Tür im zugeordneten Sensor (2) ein einem Schaltzustand entsprechendes Signal generiert wird, welchem eine individuelle Kodierung aufgeprägt ist, dass die individuellen Kodierungen jeweils mit Referenzwerten in der Auswerteeinheit (8) verglichen werden, und dass nur bei Übereinstimmung sämtlicher Kodierungen mit den Referenzwerten das Arbeitsgerät über die Auswerteeinheit (8) in Betrieb gesetzt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Slave ein Schnittstellenbaustein (7) zugeordnet ist, und daß die Schnittstellenbausteine (7) über Busleitungen (4) mit dem Master verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittstellenbaustein (7) von einem ASi-IC gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Master eine Analogschaltung (6) nachgeordnet ist, welche ein Sendeelement (13) und ein Empfangselement aufweist, wobei über das Sendeelement (13) Signale vom Master an die Slaves gesendet werden und wobei das Empfangselement Signale von den Slaves empfängt und in den Master und in die redundante Auswerteeinheit (8) einliest.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante Auswerteeinheit (8) zwei sich überwachende Rechnereinheiten (9, 10) aufweist, wobei jede Rechnereinheit (9, 10) einen Ausgang (11, 12) zum Inbetriebsetzen des Arbeitsgerätes aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (11, 12) als Relaisausgänge oder als sichere Halbleiterausgänge ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (2) als optische Türwächter ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß die individuelle Kodierung der Signale der Türwächter jeweils von einer binären Signalfolge gebildet sind, welche in der Auswerteeinheit (8) als Referenzwerte gespeichert sind.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre Signalfolge aus einer Folge von Datenworten bestehen, die in vorgegebenen Zeitabstände nacheinander erzeugt werden.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge eines Datenworts der binären Signalfolge 4 Bit beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit jeder auf einen Masteraufruf folgenden Slaveantwort ein Datenwort über das Bussystem (1) übertragen wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, daß durch jeden Masteraufruf im jeweiligen Slave ein neues Datenwort erzeugt wird.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Verzögerungszeit von 200 μsec nach einem Masteraufruf im Slave ein neues Datenwort erzeugt wird, wobei die Wiederholdauer zweier aufeinanderfolgender Masteraufrufe 150 μsec beträgt, falls der erste Masteraufruf fehlerhaft war.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9–14, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei aufeinanderfolgende, von einem Slave erzeugte Datenworte wenigstens in einem Bit unterscheiden.