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Die Erfindung bezieht sich auf ein
elektromechanisches Schaltgerät
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
DE 2 306 207 A ist eine Signalgeber-Einrichtung
für Schütze oder
Schalter bekannt. Um den Schaltzustand des Schaltgerätes zu überwachen
ist vorgesehen, dass an dem Schaltgerät zwei sich relativ zueinander
bewegende Elemente angeordnet sind, von denen das eine Element ortsfest
und das andere Element mit einem durch die Schaltbewegung seine
räumliche
Lage verändernden
Teil mechanisch gekoppelt ist, wobei durch die Relativbewegung der
beiden Elemente kontaktlos und ohne direkte Berührung eine elektrische Größe verändert wird. Als
ortsfest angebrachtes Element kann ein elektrooptischer Koppler
vorgesehen sein, welcher durch das als Blende ausgebildete bewegliche
Element beeinflussbar ist.
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Aus
FR 2 388 391 A1 ist ein optisches Überwachungssystem
mit Sensor zur Überwachung
des Schaltzustandes für
einen Kontakt eines Trennschalters bekannt. Das Schaltgerät umfasst
einen feststehenden und einen beweglichen Kontakt, wobei der bewegliche
Kontakt als Stößel ausgebildet
ist und den Lichtstrahl einer Lichtschranke bei Veränderung des
Schaltzustandes unterbricht.
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Die
DE 195 47 524 C1 bezieht sich auf ein optisches Überwachungssystem
für Hoch-
und Mittelspannungsschalter, bestehend aus einem feststehenden und
einem beweglichen Kontakt, wobei der feststehende Kontakt ein Element
wie Spiegel zur Beeinflussung eines Lichtstrahls aufweist, der durch die
elastische Verformung eines Schaltkontaktstückes bei Kontaktgabe mit dem
beweglichen Gegenkontakt betätigbar
ist. Hierdurch wird als Zielgröße der Kontaktdruck überwacht.
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Das US-Patent 4,692,612 bezieht sich
auf ein Schaltgerät,
umfassend einen zwischen zwei Schaltstellungen beweglichen Kontakt.
Um die Kontaktstellung zu überwachen,
ist eine mehrere Farben emittierende Leuchtdiode vorgesehen, die
einen Lichtstrahl auf eine bewegliche Kontaktfläche richtet, wobei in einer
ersten Schaltstellung der reflektierte Lichtstrahl von einem ersten
Empfänger
und in einer zweiten Schaltstellung von einem zweiten Empfänger empfangen
wird.
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Aus dem Stand der Technik sind elektromechanische
Schaltgeräte
wie beispielsweise Relais oder Schütze mit einer sogenannten Zwangsführung von Öffner- und
Schließerkontakten
beziehungsweise Kontaktpaaren bekannt. Dabei bedeutet Zwangsführung, dass
die Schaltkontakte eines Kontaktsatzes, der mindestens einen Öffnerkontakt
und einen Schließerkontakt
umfasst, mechanisch so miteinander verbunden sind, dass Öffnerkontakte
und Schließerkontakte
nicht gleichzeitig geschlossen sind. Es wird stets sichergestellt,
dass auch im gestörten
Zustand ein bestimmter Abstand zwischen den geöffneten Kontakten erhalten
bleibt, was über
die gesamte Lebensdauer des Schaltgerätes gewährleistet ist. Insbesondere
muss die Eigenschaft der Zwangsführung
der Kontakte auch erhalten bleiben, wenn einzelne Teile des Schaltgerätes versagen.
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Die Zwangsführung verhindert, dass kein Schließerkontakt
eines zwangsgeführten
Schaltkontaktes unbemerkt verschweißt oder auf sonstige Art und
Weise "hängen" bleibt. In diesem
Fall würde nämlich der
zugehörige Öffnerkontakt
in der Wiederanschaltkette nicht schließen, was eine Betriebshemmung
der Schaltung zur Folge hätte.
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Schaltgeräte mit zwangsgeführten Schaltkontakten
sind jedoch in der Herstellung wesentlich aufwendiger und teuerer
als Schaltgeräte
ohne zwangsgeführte
Schaltkontakte.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zu Grunde, Schaltgeräte
der zuvor beschriebenen An dahingehend weiterzubilden, dass ohne
mechanische Zwangsführung
ein vergleichbares Maß an
Sicherheit erreicht wird und gleichzeitig die Schaltgeräte kostengünstig zu
realisieren sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Mittels des optischen Sensors
kann der Schaltzustand jedes Schaltkontaktes auf einfache Weise überwacht
werden, ohne dass es dazu einer aufwendigen und teueren mechanischen
Kopplung der Schaltkontakte bedarf. Am Ausgang des Sensors liegt
ein Signal an, dass eine Auskunft darüber gibt, ob der überwachte
Schaltkontakt nach einem Schaltsignal fehlerfrei geschaltet hat
oder ob er aufgrund eines Fehlers den Schaltvorgang nicht ausführen konnte.
Das Ausgangssignal des Sensors kann entsprechend ausgewertet werden,
um nachfolgende Operationen einzuleiten bzw. zu unterdrücken.
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Ein optischer Sensor bietet den Vorteil,
dass dieser verschleißfrei
arbeitet und auch bei häufigen Schaltwechseln
eine hohe Lebensdauer gewährleistet.
Auch haben sich optische Sensoren als besonders störunanfällig erwiesen,
was insbesondere den Einsatz in Sicherheitsschaltungen ermöglicht.
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Als besonderer Vorteil ist zu erwähnen, dass der
von dem Sender ausgehende Lichtstrahl bei geöffnetem Schaltkontakt ungehindert
von dem lichtempfindlichen Empfänger
empfangen werden kann. Im geschlossenen Zustand des Schaltkontaktes
wird der Lichtstrahl unterbrochen. Öffnet der geschlossene Schließerkontakt
im Fehlerfall nicht, beispeilsweise wenn die Kontaktflächen durch überhöhten Stromfluss
miteinander verschweißen,
bleibt der Lichtstrahl unterbrochen, was bei stromlosem Schaltgerät zu einem
Fehlersignal füihrt.
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Auch kann der von dem Sender der
Gabel-Lichtschranke ausgehende Lichtstrahl in einer Ebene verlaufen,
in der sich ein Schaltkontaktstift des Schaltkontaktes in geschlossenem
oder geöffnetem Schaltzustand
befindet.
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Um eine eindeutige Aussage über den Schaltzustand
des Schaltgerätes
treffen zu können, ist
ein Ausgang des Sensors mit einem ersten Eingang einer Vergleichseinheit,
vorzugsweise eines logischen Gatters verbunden, dessen zweiter Eingang mit
einem Ausgang einer Auswerteeinheit für das Schaltgerät verbunden
ist. Liegt am Ausgang der Ansteuereinheit bei spielsweise das Signal
logisch "I" sollten bei ordnungsgemäßer Betriebsweise
die Öffnerkontakte öffnen und
die Schließerkontakte
schließen.
Werden die Schließerkontakte
mittels des erfindungsgemäßen Sensors überwacht,
wird der Lichtstrahl unterbrochen, so dass am Ausgang des Sensors
ein logisches Signal "I" ansteht. Ein Vergleich beider
Signale durch die Auswerteeinheit würde am Ausgang ein Signal "I" erzeugen. Beim Ausschalten des Schaltgerätes muss
der geschlossene Schließerkontakt
im fehlerfreien Zustand öffnen.
Dies bedeutet, dass am Ausgang des Sensors ein Signal "0" anliegt. Ein Vergleich mit dem zurückgenommenen Einschaltsignal,
das ebenfalls den Zustand "0" angenommen hat,
ergibt, dass ein fehlerfreier Zustand vorliegt. Sofern jedoch unterschiedliche
logische Zustände
an den Eingängen
der Auswerteeinheit anliegen, wird ein Fehlersignal erzeugt.
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Damit auch etwaige Fehler der Schaltkontakte
detektiert werden können,
weist der Sensor eine dynamische Arbeitsweise auf. Dabei erfolgt
die Ansteuerung der Lichtschranke durch Impulse, welche durch eine
Erwartungshaltung im Empfänger
ausgewertet werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist darin zu sehen, dass die aus sicherheitstechnischen und/oder
funktionellen Gründen
häufig
nötige
bzw. bevorzugte Potentialtrennung der Schaltkontakte – im Hinblick
auf die angeschlossenen Spannungen und/oder Verbraucher – erhalten bleibt,
da der Sensor von den Schaltkontakten galvanisch getrennt arbeitet.
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Je nach sicherheitstechnischen Erfordernissen
kann auch der optische Sensor auf eine fehlerfreie Arbeitsweise
sicherheitsgerichtet überwacht werden.
Hierzu ist vorgesehen, dass der optische Sensor insbesondere die
Gabel-Lichtschranke bzw. die Reflektionslichtschranke nach dem Ruhestromprinzip
arbeitet und/oder zusätzlichen
zyklischen oder dynamischen Selbsttests unterzogen wird.
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In besonderer Ausführungsform
ist das elektromechanische Schaltgerät mit den erfindnungsgemäß überwachten
Schaltkontakten als Sicherheitsrelais-Baustein ausgebildet. Hierbei
können
sämtliche Schaltkontakte
unabhängig
von ihrer Ausführungsform
als Schließer-
oder Öffnerkontakt
mittels des optischen Sensors überwacht
werden. Auch besteht die Möglichkeit, mehrere
nebeneinander angeordnete Schließer- oder Öffnerkontakte durch eine Gabel-Lichtschranke
zu überwachen,
wobei der von dem Sender ausgehende Lichtstrahl die nebeneinander
angeordneten Schließerkontakte
im Bereich der Kontaktfläche
durchsetzt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte
Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen sowie
den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination
-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines in einer
Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Es zeigen:
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1 einen
von einer Gabel-Lichtschranke überwachten
Schließerkontakt
in geöffneter
Schaltstellung,
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2 den
Schließerkontakt
gemäß 1 in geschlossener Schaltstellung,
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3 einen
mittels einer Reflektionslichtschranke überwachten Schließerkontakt
in Seitenansicht.
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In 1 ist
rein schematisch ein elektromechanisches Schaltgerät 10 dargestellt,
das beispielsweise als Relais oder Schütz ausgebildet ist und insbesondere
für eine
Sicherheitsschaltung wie Sicherheits-Relais-Baustein vorgesehen
ist. Das Schaltgerät 10 umfasst
zumindest einen mechanischen Schaltkontakt 12 mit Schaltkontaktstiften 14, 16,
die an ihren Enden jeweils Kontaktflächen 18, 20 aufweisen.
Der Schaltkontakt 12 wird über eine Erregerspule 22 betätigt, die
mit einer Ansteuereinheit 24 verbunden ist.
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Erfindungsgemäß weist das elektromechanische
Schaltgerät 10 zur Überwachung
des Schaltzustandes des mechanischen Schaltkontaktes 12 einen Sensor 26 auf.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Sensor 26 als optischer Sensor ausgebildet und
umfasst einen Sender 28 zur Ausstrahlung eines Lichtstrahls 30 sowie
einen lichtempfindlichen Empfänger 32,
der dem Sender gegenüberliegend angeordnet
ist und im geöffneten
Zustand des Schalt kontaktes 12 den Lichtstrahl 30 empfängt. Sender 28 und
Empfänger 32 sind
mit einer Auswerteeinheit 34 verbunden, deren Ausgang 36 mit
einem ersten Eingang 38 einer Vergleichseinheit 40 verbunden
ist, an dessen Ausgang 42 ein Fehlersignal abgreifbar ist.
Ein zweiter Eingang 44 der Vergleichseinheit 40 ist
mit einem Ausgang 46 der Ansteuereinheit 24 verbunden.
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Zur Überwachung der Schaltstellung
des Schaltkontaktes 12 verläuft der Lichtstrahl 30 in
einer Ebene, in der die Kontaktflächen 18, 20 im
geschlossenen Schaltzustand des Schaltkontaktes 12 liegen, wie
dies in 2 dargestellt
ist.
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Gemäß 1 befindet sich der als Schließerkontakt
ausgebildete Schaltkontakt 12 in einem geöffneten
Schaltzustand. Eine Ansteuerung durch die Ansteuereinheit 24 erfolgt
nicht, so dass beispielsweise am Ausgang 46 ein Signal "0" anliegt. In diesem Schaltzustand trifft
der Lichtstrahl 30 auf den lichtempfindlichen Empfänger 32,
so dass am Ausgang der Auswerteeinheit 34 beispielsweise
ein Signal "0" anliegt. Sofern
die Vergleichseinheit 40 beispeilsweise als Gatter ausgebildet
ist, liegt in diesem Betriebszustand am Ausgang 42 der
Vergleichseinheit ein Signal "I" an, was einen fehlerfreien
Betriebszustand anzeigt. Liegt jedoch an dem Ausgang 46 der
Ansteuereinheit 24 ein Einschaltsignal "I" an, müsste der
Schaltkontakt 12 einen geschlossenen Schaltzustand einnehmen.
Dabei würde
der Lichtstrahl 30 unterbrochen, was dazu führt, dass
am Ausgang 36 der Auswerteeinheit 34 ein Signal "I" anliegt. Auch in diesem Betriebszustand
würde am
Ausgang 42 der Vergleichsschaltung ein Signal "I" anliegen, was auf eine korrekte Betriebsweise
zurückzuführen ist.
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In einem Fehlerfall, beispielsweise
bei einem Leitungsbruch in der Erregerspule 32, würden die Kontaktfahnen 14, 16 nicht
ihre geschlossene Stellung einnehmen, woraufhin der Lichtstrahl 30 nicht unterbrochen
würde.
An den Eingängen 38, 44 der Vergleichseinheit 40 würden unterschiedliche
Signale anstehen, so dass am Ausgang 42 ein Signal "0" ansteht, was auf einen Fehler hindeuten
würde.
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In 2 ist
ein Fehlerfall dargestellt, wobei die Schaltflächen 18, 20 des
Schaltkontaktes 12 miteinander verschweißt sind.
In diesem Fall ist die Erregerspule 22 über die Ansteuereinheit
24 nicht
angesteuert, wodurch am Ausgang 46 das Signal "0" anliegt. Aufgrund der verschweißten Kontaktflächen 18, 20 ist
der Lichtstrahl 30 unterbrochen, so dass am Ausgang 36 der
Auswerteeinheit 34 das Signal "I" anliegt.
An den Eingängen 38, 44 der
Vergleichseinheit 40 liegen somit unterschiedliche Signale
an, wodurch am Ausgang 42 ein Fehlersignal "0" erzeugt wird.
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In 3 ist
rein schematisch ein Schaltkontakt 48 mit Kontaktstiften 50, 52 dargestellt,
dessen Schaltzustand über
einen als Reflektions-Lichtschranke ausgebildeten optischen Sensor 54 überwacht
wird. Dabei wird die Eigenreflektion des Kontaktstiftes 52 ausgenutzt,
der eine lichtreflektierende Schicht 56 aufweist. Ausgehend
von dem Sensor 54 wird ein Lichtstrahl 58 ausgesendet,
der auf die lichtrefektierende Schicht 56 trifft und von
dieser zurückreflektiert
wird. In Abhängigkeit
der Stellung des Kontaktstiftes 52 wird dieser von dem
in Sensor 54 integrierten lichtempfindlichen Empfänger empfangen oder
trifft diesen nicht. Die Auswertung der Signale kann entsprechend
der Ausführungen
gemäß 1 oder 2 erfolgen.
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Je nach sicherheitstechnischen Erfordernissen
kann der Sensor 26, 54 auf fehlerfreie Arbeitsweise
sicherheitsgerichtet überwacht
werden, indem die Arbeitsweise nach dem Ruhestromprinzip ausgeführt wird
und/oder zusätzliche
zyklische oder dynamische Selbststests durchgeführt werden.
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Zusammenfassend wird durch die Erfindung ein
elektromechanisches Schaltgerät
mit einer optischen Überwachung
des Schaltzustandes der mechanischen Schaltkontakte zur Verfügung gestellt, das
in miniaturisierter Bauweise kostengünstig in Schaltgeräte eingebaut
werden kann und besonders betriebssicher arbeitet. Im Gegensatz
zu herkömmlichen
elektromechanischen Schaltgeräten
ergibt sich darüber
hinaus der sicherheitstechnische Vorteil, dass ein etwaiger Fehler
der Schaltkontakte detektiert werden kann, wenn die Sensoren 26, 54 mit
zusätzlich
dynamischer Arbeitsweise eingesetzt werden.