DE3541338A1 - Schaltung mit selbstueberwachung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit Selbstüberwachung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Schaltungen sind allgemein bekannt, wobei exempla­ risch in Fig. 1 eine derartige Schaltung dargestellt ist. Die­ se Schaltungen werden vor allen Dingen dort eingesetzt, wo er­ höhte Sicherheitsvorschriften bestehen. Als Beispiel sei hier eine Tiefziehpresse erwähnt deren verfahrbarer Stempel erst dann betätigt werden kann, wenn vorgesehene Schutzgitter zur Verhinderung eines auch ungewollten manuellen Zugriffs, erst in ihre Arbeitsstellung gefahren sind.

Schaltungstechnisch sieht daher der entsprechende Arbeitskreis zur Verbesserung der Sicherheit vor, mindestens zwei separate, in eine Öffnungs- und Schließstellung bringbare Schaltkontakte in Serie zueinander anzuordnen. Erst wenn beide Schaltkontakte im Arbeitskreis geschlossen sind, kann dann der Arbeitsbetrieb, z.B. das Niederfahren des Stempels der Tiefziehpresse, durchge­ führt werden.

Es ist daher eine Überwachung dieser beiden Hauptkontakte im Arbeitskreis erforderlich.

Die Überwachung der Hauptschaltglieder des Arbeitskreises wird daher mit Hilfsschaltgliedern in einem separaten Stromkreis durch­ geführt. Hierfür besteht seitens des VDE die Forderung, für Hilfs­ schaltglieder, deren Versagen eine spezielle Sicherheitsmaßnahme unwirksam machen würde zwei solcher Hilfsschaltglieder als Paar vorzusehen. Der Grundgedanke dafür kann darin gesehen werden,

daß beim Versagen eines der beiden Hilfsschaltglieder das ande­ re die Sicherheitsfunktion noch erfüllt.

Für diese bekannten Schaltungen mit erhöhten Sicherheitsanfor­ derungen werden üblicherweise Relais mit zwangsgeführten Kon­ takten verwendet. Mittels der Zwangsführung will man sicher­ stellen, daß auch beim Ausfall eines oder mehrer Kontakte alle Kontakte die gleiche Schaltstellung wie die gestörte Stelle einnehmen, wodurch man Fehlschaltungen vermeiden will.

Bei diesen auch als "Fail-safe-Schaltungen" bezeichneten Schal­ tungen, speziell mit zwangsgeführten Kontakten hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige Relais relativ teuer und großvolu­ mig sind. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß bei Relais mit zwangsgeführten Hilfsschaltgliedern vergleichsweise hohe Erregerleistungen erforderlich sind.

Unter Berücksichtigung der Nachteile beim Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tung mit Selbstüberwachung der gattungsgemäßen Art so auszule­ gen, daß eine Miniaturisierung insbesondere im Hinblick auf den erforderlichen Raumbedarf, die elektrische Leistung und auch eine Prinzipvereinfachung bei der Erfüllung vergleichbarer hoher Sicherheitsanforderungen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen Schaltung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des An­ spruches 1 gelöst.

Ein essentieller Gedanke der Erfindung geht dahin die Haupt­ schaltglieder des Arbeitskreises durch sich selbst überwachen zu lassen. Hierdurch besteht die Möglichkeit, von dem bisheri­ gen Erfordernis paarweise zwangsgesteuerte Hilfsschaltglieder einzusetzen, abzugehen und statt dessen nur ein Hilfsschalt­ glied je Hauptschaltglied in der Sicherheitsschaltung zu ver­ wenden.

Schaltungstechnisch gesehen liegt daher ein wesentlicher Aspekt der Erfindung darin, die Hauptschaltglieder des Arbeitskreises im Ruhezustand der gesamten Schaltung als Schaltglieder in einem seriellen Strompfad vorzusehen, über den eine Eingangserregung der Schalteinrichtung durchführbar ist. Die Vereinfachung und Minia­ turisierung kann daher dadurch bewirkt werden daß allein ein Hilfsschaltglied zur Überwachung des entsprechenden Schaltglie­ des des Arbeitskreises eingesetzt wird. Bei dieser Maßnahme wird jedoch im Ruhezustand des Erreger- bzw. Überwachungskreises eine Reihenschaltung aus den beiden Hauptschaltgliedern und den zwei Hilfsschaltgliedern mit geschlossenem Strompfad vorgesehen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird in der ersten Phase der Ansteuerung der Schalteinrichtung des Erregerkreises der im Ruhezustand und störungsfreien Fall vorliegende, serielle Strompfad kurzzeitig unterbrochen. Die Hauptschaltglieder schließen aufgrund der Ansteuerung den Arbeitskreis, während die Hilfsschaltglieder im Erregerkreis auf eine Selbsthalte- Leitung für die weitere Ansteuerung der Schalteinrichtung um­ schalten.

Die erfindungsgemäße Schaltung erkennt daher bei einem nächsten Schaltvorgang, worunter die erneute Ansteuerung des Erreger­ kreises verstanden wird ob bei den Schaltgliedern des Arbeits­ kreises oder im Hilfsschaltglied des Erregerkreises ein Defekt vorliegt oder nicht.

Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Schaltungskonzeption kann da­ her die Schaltung mit Selbstüberwachung wesentlich einfacher aufgebaut werden. Es werden dabei weniger Schaltelemente be­ nötigt, wobei die Zwangsführung von Kontakten entfallen kann. Auch ist es nicht erforderlich daß die Schalteinrichtung zur Ansteuerung der Schaltglieder und Kontakte als Relais aufgebaut ist. Die Kopplung zwischen der Schalteinrichtung und den Schalt­ gliedern bzw. Hilfsschaltgliedern kann dabei sowohl elektro-magnetisch, als auch opto-elektronisch oder rein elektronisch erfolgen. Die Schaltung kann daher nahezu als integrierte Schaltung erstellt werden. Beispielsweise könnte die Schalteinrichtung als ein oder mehrere LEDs (licht-emittierende Diode) ausgelegt sein, während die Schaltglieder lichtempfindliche Elemente mit nach­ geschalteter Ansteuerung eines elektronischen Schaltelementes, wie eines Transistors, sein können.

Eine Vereinfachung der Schaltung kann durch eine Bypass-Strecke, z.B. im Sinne eines kurzgeschlossenen Leitungspfades erreicht werden, auf den die Hilfsschaltglieder zur Selbsthaltung der Schalteinrichtung nach der Anfangserregung umschalten.

Beim Einsatz von Relais als Schalteinrichtung kann zusätzlich zur Ersparnis weiterer Kontakte, wie sie bei der Zwangsführung erforderlich wären, auch ein Relais z.B. im Sinne eines Doppel­ anker-Relais eingesetzt werden. Erfordernis für dieses Doppel­ anker-Relais ist dabei, daß zwei unabhängige Ankersysteme von dem einen Relais betätigbar sind. Ein Anker könnte somit für ein Schaltglied des Arbeitskreises und das entsprechende Hilfs­ schaltglied vorgesehen werden. Gegebenenfalls könnten die Anker im Hinblick auf eine weitere Volumenreduzierung auf gegenüber­ liegenden Stirnseiten des Elektromagnet angeordnet werden.

Unter dem Aspekt einer hohen Sicherheit wird die Schalteinrich­ tung vorzugsweise aus zwei getrennten Baugruppen, z.B. zwei ge­ trennten Relais, realisiert. Im Hinblick auf eine vereinfachte Ansteuerung von zwei Baugruppen sind diese parallel zueinander geschaltet, wobei zur Vermeidung von Fehlschaltungen, z.B. als Folge von Spannungsspitzen, eine Kapazität parallel geschaltet sein kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Schaltung im Rahmen der Einbezeihung der Schaltglieder des Arbeitskreises in den Erregerkreis für den Ruhezustand, kann eine galvanische Tren­ nung, z.B. einen Trenntrafo, zwischen Arbeitskreis und Erreger­ kreis vorsehen. Hierdurch wird gewährleistet, daß Störsignale in einem Kreis nicht ein Schalten des anderen Kreises bewirken können. Schaltglied und zugeordnetes Hilfsschaltglied sind zweck­ mäßigerweise jeweils auch separat vom anderen,weiterhin vorge­ sehenen Schaltglied ansteuerbar.

Die Erfindung und eine Schaltung nach dem Stand der Technik wird nachstehend jeweils anhand eines schematischen Ausfüh­ rungsbeispieles noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Schaltung mit Selbstüberwachung und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltung unter Verwendung zweier Relais als Schalteinrichtung.

Die bekannte Schaltung mit Selbstüberwachung gemäß Fig. 1 weist zwischen den Anschlußpunkten 20 und 30 den eigentli­ chen Arbeitskreis auf. Die Leitung zwischen den Anschluß­ punkten 20 und 30 kann dabei durch zwei Hauptumschaltglieder d ₃, e ₃ geöffnet bzw. geschlossen werden. Diese Hauptumschalt­ glieder d ₃, e ₃ liegen in Serie zueinander und würden im stö­ rungsfreien Betrieb bei angesteuertem Erregerkreis den Lei­ tungspfad zwischen 20 und 30 schließen und somit eine Betä­ tigung des im Arbeitskreis vorgesehenen Aggregates ermöglichen.

Der Erregerkreis weist drei parallel liegende Strompfade auf. Der eine Strompfad wird von einer Serienschaltung aus einem Widerstand R und einem Kondensator C gebildet. Der zweite parallele Strompfad weist in der Reihenfolge von oben nach unten gesehen in Serie einen geöffneten Hilfskontakt d ₂ und anschließenden Hilfskontakt e ₂ auf. Diesem letzten Hilfskon­ takt e ₂ schließt sich ein Relais D an das im Ruhezustand über einen geschlossenen weiteren Hilfskontakt d ₁ gegen Masse liegt. Der dritte Strompfad besteht aus einem weiteren Relais E, dem ein geöffnetes Hilfsschaltglied e ₁ gegen Masse nachge­ schaltet ist. Eine Querverbindung besteht einerseits zwischen den relaisseitigen Anschlußpunkten der Hilfsumschaltglieder d ₁ und e ₁ und des weiteren zwischen den Knotenpunkten zwischen R, C und d ₂, e ₂.

Funktionsmäßig ist für den Fachmann erkennbar, daß die bekannte Schaltung nach Fig. 1 folgendermaßen betreibbar ist. Beim Anlegen eines positiven Signals an der oberen Klemme des Erregerkreises zieht das Relais E an. Die drei dem Relais E zugeordneten Ümschaltglieder e ₁, e ₂ und e ₃ schließen. Des weiteren kann aufgrund der Entladung des Kondensators C auch das weitere Relais D anziehen, wodurch d ₂ schließt und d ₁ öffnet. Durch die Erregung des Relais D schließt im Arbeits­ kreis auch das zugeordnete Schaltglied d ₃.

So lange ein positives Signal am Erregerkreis anliegt besteht daher eine Selbsthaltung der Relais E und D so daß auch der Arbeitskreis funktionsfähig bleibt. Bei Zurücknahme der An­ steuerung des Erregerkreises müßten im störungsfreien Betrieb die Hauptumschaltglieder d ₃, e ₃ abfallen. Verschweißt bei­ spielsweise eines dieser Hauptschaltglieder, so ist auch bei einer nachfolgenden Ansteuerung des Erregerkreises ein Schließen des anderen Hauptumschaltgliedes nicht mehr möglich.

Erkennbar ist, daß die bekannte Schaltung insgesamt vier Hilfs­ schaltglieder benötigt, um die entsprechende Sicherheitsfunk­ tion zu gewährleisten.

Demgegenüber weist eine erfindungsgemäße Schaltung nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 einen Arbeitskreis an den Anschlüssen 3, 4 auf. Dieser Arbeitskreis ist über Umschalt­ glieder a ₁, b ₁ die auf die Kontakte 1, 2 umschalten können, schließbar.

Im Ruhezustand, sowohl des Erreger- wie Arbeitskreises, ist ein geschlossener Strompfad zwischen dem Anschluß 12 und den Ruhe­ kontakten 7, 5, 6 und 8 zum Knotenpunkt 11 und der daran ange­ schlossenen Schalteinrichtung A, B vorhanden. Die Schaltein­ richtung besteht im Beispiel nach Fig. 2 aus zwei Relais A und B. Parallel zu diesen Relais A, B die einerseits am Knotenpunkt 11 und andererseits gegen Masse liegt, liegt eine Kapazität C, z.B. als Glättungskondensator.

Im Ruhezustand in dem der geschlossene serielle Strompfad auf der Erregerseite besteht, liegt daher das Umschaltglied a ₁ am Ruhekontakt 5, das Hilfsumschaltglied a ₂ am Ruhekontakt 7, das weitere Ümschaltglied b ₁ am Ruhekontakt 6 und dessen zugeord­ netes Hilfsumschaltglied b ₂ am Ruhekontakt 8.

Parallel zu diesem Strompfad liegt zwischen den Ruhekontakten 7 und 8 eine Leitung 13 für die Selbsthaltung der Relais A, B mit den Bypass-Kontakten 9, 10.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung läuft fol­ gendermaßen ab. Wird der Erregerkreis an der Klemme 12 z.B. mit einem positiven Impuls angesteuert, so gelangt dieses positive Potential über den geschlossenen seriellen Strompfad, wie er für den Ruhezustand in Fig. 2 dargestellt ist, an die Relais A, B. Bei störungsfreiem Betrieb schalten daher die Ümschaltglieder a ₁ und b ₁ vom Erregerkreis auf den Arbeitskreis und zwar auf die Kontakten 1, 2 um. Der Arbeitskreis ist somit geschlossen.

Parallel zu diesem Ümschalten werden die Hilfsumschaltglieder a ₂, b ₂ auf die Bypass-Leitung 13 gelegt, so daß darüber ein z.B. positives Potential an die Relais A, B auch weiterhin an­ gelegt werden kann.

Beim Abschalten des Erregerkreises, also beim Abschalten eines positiven Potentials an der Klemme 12, müssen im störungsfreien Betrieb sowohl die Umschaltglieder a ₁, b ₁ als auch die Hilfs­ umschaltglieder a ₂, b ₂ in ihre Ruhelage gemäß Fig. 2 zurück­ umschalten.

Als Fehler sei beispielsweise angenommen daß das Umschaltglied a ₁ durch ein Verschweißen seines Kontaktes mit dem Kontakt 1 des Arbeitskreises aus seiner Arbeitslage nicht in seine Ruhe­ stellung beim Abschalten des positiven Potentials an der Klemme 12 des Erregerkreises umgeschaltet hat.

Für diesen Fall, in dem das Umschaltglied a ₁ einen Defekt auf­ weist und auch im Ruhezustand mit dem Kontakt 1 des Arbeits­ kreises verschweißt ist, ist der serielle Strompfad zwischen den Punkten 12 und 11 unterbrochen, so daß auch bei Ansteuerung mit einem positiven Impuls der Erregerkreis und die entsprechen­ den Relais A, B nicht angesteuert werden können. Die erfindungs­ gemäße Schaltung merkt daher beim nächsten Schaltvorgang das Vor­ handensein eines Defektes.

Das gleiche Sicherheitsverhalten gilt auch für einen anderweitigen Defekt eines der vorgesehenen Schaltglieder oder Hilfsschaltglie­ der, so daß eine Selbstüberwachung der erfindungsgemäßen Schal­ tung vorhanden ist. Zur Erhöhung der Sicherheit und zur Vermei­ dung, daß vom Arbeitskreis auf den Erregerkreis oder umgekehrt ein Störsignal erfolgen kann, ist es wünschenswert, daß beide Kreise voneinander galvanisch getrennt sind.

Die erfindungsgemäße Schaltung erfüllt daher hohe Sicherheits­ anforderungen, wobei wie beim Stand der Technik davon ausgegan­ gen wird, daß ein gleichzeitiges Versagen bei den Umschaltgliedern des Arbeitskreises höchst unwahrscheinlich ist.

Claims (9)

1. Schaltung mit Selbstüberwachung für einen zu schaltenden Arbeitskreis, der mindestens zwei ansteuerbare in Serie zueinander liegende Schaltglieder aufweist, die bei feh­ lerfreiem Betrieb den gleichen Schaltzustand einnehmen, mit einem zur Steuerung der Schaltglieder des Arbeits­ kreises vorgesehenen Erregerkreis, der mehrere ansteuer­ bare Hilfsschaltglieder aufweist, die im fehlerfreien Be­ trieb weitgehend synchron zu ihren zugeordneten Schalt­ gliedern ansteuerbar sind und der mindestens eine Schalt­ einrichtung zur Ansteuerung und/oder Umschaltung der Schalt- und Hilfsschaltglieder aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Schaltglieder (a ₁, b ₁) des Arbeitskreises im Ruhezustand und fehlerfreien Betrieb zur momentanen Ansteuerung der Schalteinrichtung (A, B) einen seriellen Strompfad mit zwei Hilfsschaltgliedern (a ₂, b ₂) bilden und daß im Arbeitszustand und fehlerfreien Betrieb bei Ansteuerung der Schalteinrichtung (A, B) die zwei Hilfs­ schaltglieder (a ₂, b ₂) auf eine Selbsthaltung der Schalt­ einrichtung (A, B) schalten und die zwei Schaltglieder (a ₁, b ₁) den Arbeitskreis schließen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum seriellen Strompfad (zwischen 12 und 13) im Ruhezustand zwischen den Hilfsschaltgliedern (a ₂, b ₂) ein Bypasspfad (13) für die Selbsthaltung der Schalteinrich­ tung (A, B) vorgesehen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine oder zwei Baugruppen (A, B) zur getrennten Ansteuerung der jeweiligen Schalt- und Hilfs­ schaltglieder (a ₁ a ₂; b ₁, b ₂) aufweist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (A B) und die Schalt- bzw. Hilfsschaltglieder insbesondere elektro-magnetisch, opto-elektronisch oder elektronisch miteinander gekop­ pelt sind.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen als Relais (A, B) und die Schalt­ und Hilfsschaltglieder als Umschalter (a ₁, a ₂; b ₁, b ₂) ausgebildet sind.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Baugruppen (A, B) diese parallel zueinander geschaltet sind und gegebenenfalls eine parallel liegende Kapazität (C) vorgesehen ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Baugruppe diese z.B. als Doppelanker- Relais mit Zuordnung jeweils eines Ankers für die Schalt­ glieder (a ₁, a ₂; b ₁, b ₂) ausgelegt ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder (a ₁, b ₁) als Umschalter zwischen dem Arbeitskreis und dem seriellen Strompfad zur momen­ tanen Ansteuerung der Schalteinrichtung (A, B) und die Hilfsschaltglieder (a ₂, b ₂) als Umschalter zwischen dem seriellen Strompfad und dem Bypasspfad (13) ausgebildet sind.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitskreis und Erregerkreis galvanisch voneinander getrennt sind.