EP1738383B2 - Meldegerät für eine sicherheitsschaltung - Google Patents

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EP1738383B2
EP1738383B2 EP05731057.5A EP05731057A EP1738383B2 EP 1738383 B2 EP1738383 B2 EP 1738383B2 EP 05731057 A EP05731057 A EP 05731057A EP 1738383 B2 EP1738383 B2 EP 1738383B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
safety
input
output
control part
Prior art date
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Active
Application number
EP05731057.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1738383A1 (de
EP1738383B1 (de
Inventor
Jürgen PULLMANN
Christoph Zinser
Günter HORNUNG
Jürgen FLEINER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pilz GmbH and Co KG
Original Assignee
Pilz GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority claimed from DE102004020995.2A external-priority patent/DE102004020995C5/de
Application filed by Pilz GmbH and Co KG filed Critical Pilz GmbH and Co KG
Publication of EP1738383A1 publication Critical patent/EP1738383A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1738383B1 publication Critical patent/EP1738383B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01H47/004—Monitoring or fail-safe circuits using plural redundant serial connected relay operated contacts in controlled circuit

Definitions

  • the present invention relates to a sensor (other name: signaling device, signaling device) for a safety circuit, with an input part for recording an external state variable, with at least one switching element with an input and an output, and with a control part that is designed to To control the at least one switching element as a function of the external state variable in such a way that a signal present at the input is switched through to the output, ie appears at the output.
  • the invention also relates to a safety circuit for safely shutting down a hazardous system, with a safety controller that is designed to shut down the system in a fail-safe manner, and with a first and at least one second signaling device of the type mentioned above, which are connected in series to the safety controller .
  • Such a signaling device and such a safety circuit are off EP 1 363 306 A2 known.
  • An operating controller receives target and process variables of the system and, with the help of a specified control program, forms control signals from them that actuate the actuators of the system.
  • safety aspects ie the avoidance of danger to people who are in the area of the plant, are gaining increasing attention.
  • systems that carry out automated movements are generally shielded nowadays by protective fences, light barriers, safety mats and the like.
  • emergency stop buttons which, when actuated, should switch off the system (or at least part of it) or otherwise bring it into a safe state.
  • safety-relevant signaling devices which generate and provide status signals that are purely relevant for protecting the system, are generally not evaluated with the "normal" operational control of the system, but fed to a so-called safety controller or, in simpler cases, to a so-called safety switching device.
  • safety controller includes both simpler safety switching devices, such as those offered by the present applicant under the name PNOZ ® , and complex safety controllers, such as the SPS-based PSS ® of the applicant.
  • safety controllers differ from “normal” operational controllers in that they are designed to be inherently fail-safe using measures such as redundant signal processing channels, regular self-tests and the like.
  • simple operating controls also have error detection and error avoidance measures, but these are generally not sufficient to ensure that the system is shut down safely under all circumstances.
  • the present invention relates to signaling devices, safety controls and safety circuits constructed therefrom, which meet at least Category 3 of European Standard EN 954-1, preferably the highest Category 4, or comparable safety requirements.
  • EP 1 363 306 A2 describes a so-called safety switch, ie a signaling device, for monitoring the position of protective grilles, protective doors, machine paneling parts and similar protective devices.
  • safety switches have an actuator with the help of which the open or closed position of the protective door can be determined in a fail-safe manner.
  • safety switches have generally been constructed electromechanically in practice and the necessary function tests and fault monitoring, such as cross-circuit detection, are carried out by or at least with the help of the higher-level safety controller.
  • Corresponding safety switches therefore usually only receive approval in accordance with EN 954-1 or comparable standards in combination with the safety controller.
  • the EP 1 363 306 A2 propose to integrate a safety logic in the safety switch, as is already known from light barriers, light grids and other "intelligent" signaling devices.
  • the proposed safety switches have two mutually redundant electronic switching elements, which are controlled by a fail-safe control part.
  • An external release signal is looped via the switching elements, which is ultimately fed to the higher-level safety controller.
  • the enable signal can thus be suppressed by the control part, which signals to the safety controller that the monitored system is to be brought into a safe state.
  • the release signal can also be looped through several safety switches connected in series, so that each of these safety switches can suppress the release signal.
  • the safety switch enables the higher-level safety controller to react quickly, even if a large number of signaling devices are connected in series to the safety controller.
  • looping through the enable signal limits the maximum spatial distribution of the signaling devices connected in series.
  • the entire row is "dead” if one of the signaling devices suppresses the enable signal, either due to a change in the actuator (opening of the protective door or similar) or due to an internally detected functional error.
  • DE 600 01 235 T2 discloses a signaling device and a safety circuit with a series connection of signaling devices, the signaling device being a proximity switch for monitoring a protective door.
  • the proximity switch has a signal input to which a digital or pulsed input signal can be fed. It modulates a high-frequency carrier wave with the supplied input signal in an amplitude shift keying manner.
  • the modulated carrier wave is used to excite an actuator which generates a second amplitude modulated radio frequency carrier wave at a different frequency.
  • the proximity switch can receive the second amplitude modulated carrier wave when the actuator is close to the proximity switch. In this way he can monitor the presence of the actuator.
  • the proximity switch When the proximity switch receives the second carrier wave, the digital or pulsed modulation signal is reconstructed using a rectifier circuit and made available via an inverter at an output of the proximity switch.
  • the output signal of the proximity switch therefore corresponds to the inverted input signal if the actuator is close to the proximity switch.
  • DE 100 11 211 AI discloses a safety switching device system in which several safety switching devices are arranged in series with one another.
  • EP 0 803 632 B1 discloses an arrangement with multiple sensors connected in parallel to a door controller. The sensors can transfer error information to the door control via the connecting cable.
  • DE 102 16 226 A1 discloses a device for failsafe switching off an electrical consumer in industrial production plants. It has a first and at least a second safety switching device.
  • the first safety switching device has a first evaluation and control unit, an output and an electronic switching element which, depending on the first evaluation and control unit, generates a potential-related switching signal at the output.
  • the second safety switching device has a second evaluation and control unit and an input which is connected to the second evaluation and control unit and to the output of the first safety switching device.
  • the first and the second safety switching device are connected to one another here via a single-channel connecting line and the second safety switching device has at least two input circuits, to which the potential-related switching signal of the first safety switching device is supplied
  • the new signaling device differs from the one EP 1 363 306 A2 known safety switch in that a release signal is no longer looped through the at least one switching element. Rather, the release signal is now generated anew in each signaling device.
  • the control part of a second signaling device located downstream in a series connection takes into account the output signal of the signaling device located upstream in front of it. It is thus easily possible to emulate the looping of a release signal through several signaling devices in such a way that no difference can be seen from the point of view of the higher-level safety controller.
  • the individual signaling devices in a series arrangement are not "dead” if an upstream signaling device has suppressed the enable signal.
  • a signaling device located downstream to send a message to other subsequent signaling devices and/or the higher-level safety controller in the form of a data telegram or the like, which enables the entire safety circuit to react flexibly.
  • the data telegram can be transmitted via the existing connections, ie the wiring effort is low despite increased flexibility.
  • each signaling device assumes a repeater function due to the new wiring, and considerably larger distances can therefore be realized between the signaling devices arranged in series with one another. This also enables more flexible system planning. Group disconnection can also be easily implemented due to the new functionality of the signaling devices, since each signaling device in the series arrangement can generate a signaling signal at its output independently of the signaling devices located upstream.
  • the signal switched through to the output of the at least one switching element is fed to the control part of the signaling device.
  • control part of the signaling device is designed to detect a device-internal functional error and, with the aid of the at least one switching element, to generate a data telegram at its output.
  • the particular advantage is that the new signaling device can transmit diagnostic data to the higher-level safety controller via the existing connections, i.e. no additional connections and cables need to be provided for the transmission of diagnostic data.
  • the wiring is correspondingly simplified and space and costs for additional connections can be saved both in the signaling device and in the safety controller.
  • the data telegram is a pulse telegram, i.e. the control part switches the at least one switching element on and off in pulses.
  • an address assigned to the signaling device can also be transmitted to the higher-level controller with little effort, so that the safety controller can individually identify each signaling device in a series connection.
  • each signaling device has at least two redundant switching elements, each with an input and an output, each of the at least two redundant switching elements being connected to the fixed potential on the input side.
  • this configuration which is already known per se from safety controllers, has the advantage that the signaling device can report an internal malfunction on the existing signal lines to the higher-level safety controller, even if one of the switching elements is the cause of the malfunction.
  • the redundancy provided for safety reasons in the known safety switching devices also leads to greater availability here.
  • the signaling device has an input for supplying an operating voltage, the operating voltage being supplied to the at least one switching element as a fixed potential.
  • This refinement is particularly advantageous with regard to the repeater function of the new signaling device described above. Since the at least one switching element is connected to the operating voltage on the input side, large distances between a number of signaling devices can be easily bridged.
  • the signaling device contains a movable actuator which can be moved between a first and at least one second spatial position, the external state variable being a current spatial position.
  • the actuator is a transponder.
  • the new signaling device is in particular a protective door switch, an emergency stop button, a limit or position switch, a sensor for a safety mat or a manually operated start or command button.
  • the actuator can be integrated into the signaling device or also be designed separately from the signaling device, as is usual with safety door switches, for example.
  • the actuator can be connected to the signaling device optically, inductively, capacitively or in any other way. This refinement is preferred because the signaling devices mentioned are relatively simple components which up until now have had practically no signal processing of their own. The extended range of functions is therefore particularly effective with these signaling devices.
  • the use of the present invention in such "simple" signaling devices can also make the use of a higher-level safety controller superfluous for smaller applications, in that the signaling device activates an actuator via its outputs without an interposed safety controller.
  • the new signaling device has a readback input for supplying an external readback signal from an actuator.
  • the signaling device of this embodiment thus combines the hitherto separate functions of "detecting the state variable" (sensor) and “switching off the system” (signal processing). Small safety-related applications can thus be implemented very cost-effectively.
  • the input part is designed to record a physical measured variable, in particular a speed, a voltage and/or a current, as an external state variable.
  • Sensors for recording such state variables are usually installed in a control cabinet, while emergency stop buttons, limit or position switches, protective door switches and similar signaling devices are usually installed on the system.
  • the advantages mentioned above can also be transferred in the same way to such measuring sensors as signaling devices.
  • several speed monitors can be connected in series in the manner described here, so that several moving axes of a system can be monitored very cost-effectively in terms of safety.
  • the system 10 here includes a robot 12 whose automated movements would be dangerous for a person (not shown here) who would be in the range of movement of the robot 12 . Therefore, the range of motion of the robot 12 is secured with a protective door 14 and protective fences, as is known per se.
  • An actuator 16 is attached to the protective door 14 .
  • a safety switch 18, more generally the fixed part of a signaling device according to the present invention, is located on a fixed frame against which the protective door 14 rests in the closed state.
  • the safety switch 18 is connected to a safety controller 20 via a number of lines.
  • the safety controller 20 controls two contactors 22, 24 on the output side, the contacts of which can interrupt the power supply 26 to the robot 12.
  • Plant 10 is shown here in simplified form.
  • the protective door 14 is usually equipped with at least two safety switches 18 and corresponding actuators 16, with one of the safety switches often being arranged in a concealed manner in order to make manipulation more difficult.
  • such a system often contains other signaling devices, such as emergency stop buttons or other protective door switches (not shown here).
  • the necessary operational controls for the robot 12 are not shown here for the sake of simplicity.
  • one or more speed monitors can be connected to the drives and/or the moving axes of the robot.
  • the safety controller 20 can be a safety switching device, as is offered by the applicant under the designation PNOZ® .
  • PNOZ® a safety switching device
  • PSS® a safety controller
  • the safety controller 20 usually has a fieldbus connection and other interfaces for communication with the operating controller (not shown here) and/or for communication with a higher-level master computer.
  • the safety switch 18 has a two-channel redundant design. Accordingly, the safety switch 18 has two redundant microcontrollers 30, 32 here, which monitor one another, which is represented by a double arrow between the microcontrollers. In preferred exemplary embodiments, the microcontrollers are different, ie the safety switch 18 has a diverse structure.
  • the reference numerals 34, 36 denote two electronic switching elements, which are shown here as field effect transistors. Alternatively, however, bipolar transistors or other, preferably electronic, switching elements can also be used.
  • the control connection (gate) of the switching element 34 is connected to the microcontroller 30 .
  • the input 38 (source) is connected to a line 40 to which an operating voltage U B is present when the safety switch 18 is in operation.
  • the output 42 (drain) is connected to a connection 44 to which the safety switch 18 can be externally wired.
  • the output 42 of the switching element 34 thus forms an output signal of the safety switch 18.
  • the second switching element 36 is connected to the microcontroller 32 at its control terminal (gate). Its input 38 is also connected to the operating voltage U B via the line 40 . Its output 42 is fed to a second output connection 46 of the safety switch 18 .
  • the signals at the outputs 42 of the switching elements 34, 36 are fed back to the microcontrollers 30, 32 via two voltage dividers 48, 50. It is thus possible for the microcontrollers 30, 32 to monitor the respective switching state of the switching elements 34, 36.
  • Reference number 52 designates an input part, with the aid of which microcontrollers 30, 32 determine the current state of actuator 16, in this case its spatial position.
  • the actuator 16 is a Transponder with a signal generation circuit 54 and a transmitting and receiving coil 56.
  • the signal generation circuit 54 an individual coding 58 is stored.
  • the input part 52 has a transmitting and receiving coil (shown here only symbolically) via which it emits an interrogation signal.
  • the signal generation circuit 54 in the actuator 16 is activated.
  • the actuator 16 then sends the stored code 58 back to the input part 52 .
  • the coding 58 is demodulated from the received signal and made available to the microcontrollers 30, 32.
  • the protective door 14 is open, the actuator 16 is outside the transmission and reception range of the input part 52, which in 2 at position 16'. In this case, no communication takes place between actuator 16 and input part 52 . Consequently, the microcontrollers 30, 32 do not receive any coding, which is interpreted as an open protective door 14. If a second protective door switch or at least a second actuator (not shown) is present, a defect in the actuator 16 or in the input part 52 can also be detected.
  • the input portion 52 may be configured for other types of actuators.
  • the actuator can also be integrated in the safety switch 18 .
  • the safety switch 18 could be an emergency stop button and the actuator would be the plunger of the button in this case.
  • the input part 52 contains inductive, capacitive, optical or other sensors for determining a current position of a mechanically movable actuator.
  • the invention can in principle also be used with light barriers and other signaling devices that differentiate between at least two states.
  • the input part is designed to record a physical state variable by measurement, as will be seen further below figure 5 is explained in more detail.
  • the safety switch 18 On the input side, the safety switch 18 has three connections 60, 62, 64, which are each designed as safety inputs and are redundantly connected to the two microcontrollers 30, 32. External enable signals can be supplied redundantly to the microcontrollers 30, 32 via the connections 60 to 64.
  • a connection 66 for supplying an operating voltage U B and a ground connection 68 are present in a manner known per se. It goes without saying that the connections mentioned are each accessible on the outside of a housing 70 of the safety switch 18 .
  • a safety circuit with two of the described safety switches 18 is denoted in its entirety by reference number 80 . Otherwise, the same reference numerals denote the same elements as before.
  • the two safety switches are labeled 18a and 18b for mutual differentiation.
  • the safety switch 18a is connected at its terminals 60, 62 to outputs of the safety controller 20, at which two clock signals of different frequency and/or phase are present, so that cross-circuit detection is possible both in the safety switch 18a and (by reading back, not shown here) in the safety controller 20 is possible.
  • the safety switch 18a is connected to the terminals 66, 68 with the operating voltage U B and ground.
  • the connections 44, 46 of the safety switch 18a are routed to the connections 60, 62 of the following safety switch 18b.
  • the two safety switches 18a, 18b are therefore arranged in series with one another. In the arrangement shown, the safety switch 18b also receives operating voltage from the safety switch 18a. As an alternative to this, however, the safety switch 18b could also be connected to another source for the operating voltage U B .
  • the two output signals of the safety switch 18b ie the signals present at its terminals 44, 46, are fed to safety inputs of the safety controller 20.
  • the safety controller 20 On the output side, the safety controller 20 is connected between the power supply 26 and a drive 82 to be switched off, for example an actuator of the robot 12 .
  • the safety controller 20 is connected via a field bus 84 to an operating controller 86 for the robot 12 and/or a higher-level master computer.
  • the actuators belonging to the safety switches 18a, 18b are shown in 3 Not shown.
  • the functioning of the safety circuit 80 is as follows:
  • the safety controller 20 After start-up, the safety controller 20 generates two clock signals 88, 90 at its outputs, which are fed to the safety switch 18a as release signals.
  • the microcontrollers 30, 32 of the safety switch 18a use the input part 52 to monitor the current status of the associated actuator. If the actuator is in the area of the input part 52 and the enable signals 88, 90 are received correctly, the microcontrollers 30, 32 generate two output signals with the aid of the switching elements 34, 36, which enable signals 88, 90 are simulated. However, they could also differ from the clock signals 88, 90, for example with regard to their frequency.
  • the second safety switch 18b receives the simulated release signals and, for its part, simulates them at the output if it also detects a closed protective door and proper functioning. Safety controller 20 receives the simulated release signals via lines 92, 94.
  • the safety switch 18a detects the opening of the protective door assigned to it, ie when the associated actuator changes its state, the microcontrollers 30, 32 open the switching elements 34, 36.
  • the downstream safety switch 18b consequently no longer receives the simulated release signals. This is recognized by the microcontrollers in the safety switch 18b and reported to the safety controller 20 by switching off the switching elements 34, 36. This can then switch off the drive 82 .
  • the signal flow occurs in the same way if the safety switch 18a detects a functional error, for example a cross circuit at the input or output connections, a breakdown of one of the switching elements 34, 36 or another functional error.
  • a functional error for example a cross circuit at the input or output connections, a breakdown of one of the switching elements 34, 36 or another functional error.
  • the safety switch 18a After a short waiting time, which is stored in the microcontrollers of all safety switches 18a, 18b and the safety controller 20, the safety switch 18a generates a data telegram 96 on at least one of its output lines by pulsing at least one of the switching elements 34, 36 and opening it again.
  • the downstream safety switch 18b receives this data telegram and forwards it to the safety controller 20 in the same way. If required, he can also integrate further information into the data telegram 96.
  • the data telegram 96 is implemented as in an asynchronous, serial interface, i.e. it begins with a defined start bit and ends with a defined stop bit. There is an arbitrary or fixed number of data bits in between.
  • each data telegram 96 contains a fixed number of pulses with a defined pulse duration. The meaning of each pulse depends on the protocol established between the safety switches 18 and the safety controller 20.
  • the safety switch 18b generates its own data telegram 96 when it detects a functional error.
  • the safety switch 18b can generate its data telegrams independently of whether the safety switch 18a has opened or closed the switching elements 34, 36.
  • the data telegrams of the safety switches 18a, 18b contain address information that identifies the safety switch that wants to report information to the higher-level safety controller 20.
  • the respective address can be assigned to the safety switches 18a, 18b in various ways.
  • each safety switch 18a, 18b can be provided with a multi-level address selection switch (not shown here), at which the associated address is set.
  • the safety switches 18a, 18b each use the coding 58 of the actuator 16 assigned to them as the address.
  • an address is assigned to the series-connected safety switches 18a, 18b in an initialization mode after the safety circuit 80 has been put into operation.
  • a preferred method of doing this address assignment is by using 4 shown.
  • the top pulse sequence 100 is the switching on of the operating voltage U B for all components of the safety circuit 80.
  • the signal at the first clock output of the safety controller 20, ie the signal on the line 88, is shown at reference number 102.
  • Reference number 104 shows the signal at the second clock output of the safety controller 20, ie the signal on line 90.
  • FIG. After the operating voltage U B is switched on, the first safety switch 18 therefore receives a permanent high at its input 60 and a single pulse at its input 62 . As soon as it recognizes this, it emulates the signal present at its connection 60 (permanently high) at its output 44 (reference number 106). After a waiting time T, it then generates two pulses at its output 46, as shown at reference numeral 108. The waiting time T is used to identify whether further pulses are received on the input side.
  • the second safety switching device 18b receives the signals 106, 108 at its inputs 60, 62 and reproduces them at its outputs 44, 46. In doing so, it adds a further single pulse to the single pulses 108 which it receives at connection 62 . Consequently, the pulse sequences that are represented by the reference numerals 110, 112 are present at the outputs of the second safety switch 18b. In the same way, further safety switching devices 18c, 18d etc. (in 3 not shown) emulate a continuous high on one signal line (reference number 114) and a pulse train on the second signal line, and each safety switch would increase the pulse train by one pulse.
  • the safety controller 20 receives the signals according to the reference numerals 114, 116.
  • the safety controller 20 recognizes from the signal 114 that the wiring of the channel A is correct.
  • the safety controller 20 recognizes from the pulse sequence 116 that the wiring of channel B is correct.
  • it can determine the number of safety switches 18a, 18b etc. arranged in series from the number of pulses (minus 1).
  • each safety switch 18a, 18b can recognize its address from the number of pulses received. In this way, when the safety circuit 80 is switched on, an individual address can be automatically assigned to each safety switch arranged in series. If the safety circuit 80 is changed later, a new and correct address assignment to the then existing configuration takes place automatically when the device is switched on again.
  • the flexibility of the new signaling devices is further increased here by the input connection 64, which has not been explained up to now.
  • This connector can be used to connect an external feedback signal feed into the safety switch 18. This makes it possible, for example, for the safety switch 18 to control a contactor with forcibly guided contacts independently, ie without a previously customary safety switching device or a corresponding safety controller. It is sufficient if the forcibly guided break contact of the contactor is routed to the feedback input 64 of the safety switch 18.
  • signaling devices such as the safety switch 18 shown, have a further input connection for applying a start signal. This makes it possible to implement a monitored restart of the system without the safety controller that has been customary up to now.
  • the respective function of the signaling devices 18 can be parameterized via the input connection 64, as is the case, for example, in DE 100 16 712 A1 is described.
  • parameters can be set externally using different transponder codes.
  • figure 5 shows an embodiment of a new signaling device 100 as a speed monitor.
  • the same reference symbols designate the same elements as before.
  • the reporting device 100 differs from the reporting device 18 2 essentially in relation to the input part 102, which, in contrast to the input part 52, is designed here for the metrological detection of a speed.
  • the rotational speed is detected without sensors, in that the input part 102 picks up the motor voltages of a rotary drive 104 and evaluates them with regard to their frequency.
  • the signaling device 100 is designed as a standstill monitor, ie it monitors when a speed of zero is reached and maintained. This can be done in that the input part 102 picks up and monitors the generator voltages generated by the decelerating rotary drive 104, as is known per se from standstill monitors for safety-related applications.
  • the input part 102 detects a voltage, a current or another physical variable by measurement and the microcontrollers control the switching elements 34, 36 depending on the detected variable, in particular depending on the detected variable complying with a predetermined setpoint.

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  • Amplifiers (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor (andere Bezeichnung: Meldegerät, Signalgeber) für eine Sicherheitsschaltung, mit einem Eingangsteil zum Aufnehmen einer externen Zustandsgröße, mit zumindest einem Schaltelement mit einem Eingang und einem Aus gang, und mit einem Steuerteil, der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der externen Zustandsgröße das zumindest eine Schaltelement so anzusteuern, dass ein am Eingang anliegendes Signal zum Ausgang durchgeschaltet ist, also am Ausgang erscheint.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Sicherheitsschaltung zum sicheren Abschalten einer gefahrbringenden Anlage, mit einer Sicherheitssteuerung, die dazu ausgebildet ist, die Anlage fehlersicher abzuschalten, und mit einem ersten und zumindest einem zweiten Meldegerät der zuvor genannten Art, die in Reihe zueinander an die Sicherheitssteuerung angeschlossen sind.
  • Ein solches Meldegerät und eine solche Sicherheitsschaltung sind aus EP 1 363 306 A2 bekannt.
  • Die Betriebsabläufe von modernen technischen Anlagen, wie etwa industriellen Produktionsanlagen und Fertigungsstraßen, Transport- und Förderanlagen, Fahrgeschäften und dergleichen, werden zunehmend vollautomatisch gesteuert. Eine Betriebssteuerung erhält Soll- und Prozessgrößen der Anlage und bildet daraus mit Hilfe eines vorgegebenen Steuerprogramms Steuersignale, die Aktoren der Anlage betätigen. Neben der Steuerung des vorgesehenen Betriebsablaufs gewinnen Sicherheitsaspekte, d.h. die Vermeidung von Gefahren für Personen, die sich im Bereich der Anlage aufhalten, zunehmende Beachtung. Beispielsweise werden Anlagen, die automatisierte Bewegungen durchführen, heutzutage in aller Regel durch Schutzzäune, Lichtschranken, Trittmatten und dergleichen abgeschirmt. Des weiteren ist es bekannt, technische Anlagen mit Not-Aus-Tastern auszurüsten, bei deren Betätigung die Anlage (oder zumindest ein Teil davon) abgeschaltet oder anderweitig in einen gefahrlosen Zustand gebracht werden soll. Derartige sicherheitsrelevante Meldegeräte, die also rein für die Absicherung der Anlage relevante Zustandssignale erzeugen und bereitstellen, werden in aller Regel nicht mit der "normalen" Betriebssteuerung der Anlage ausgewertet, sondern einer sogenannten Sicherheitssteuerung oder in einfacheren Fällen einem sogenannten Sicherheitsschaltgerät zugeführt. Der Einfachheit halber wird im folgenden nicht weiter zwischen komplexer Sicherheitssteuerung und einfacherem Sicherheitsschaltgerät unterschieden, d.h. der Begriff "Sicherheitssteuerung" umfasst sowohl einfachere Sicherheitsschaltgeräte, wie sie beispielsweise von der vorliegenden Anmelderin unter der Bezeichnung PNOZ® angeboten werden, als auch komplexe Sicherheitssteuerungen, wie etwa die SPS-basierte PSS® der Anmelderin.
  • Sicherheitssteuerungen unterscheiden sich allerdings von "normalen" Betriebssteuerungen dadurch, dass sie durch Maßnahmen wie redundante Signalverarbeitungskanäle, regelmäßige Selbsttests und dergleichen eigenfehlersicher aufgebaut sind. Einfache Betriebssteuerungen besitzen zwar in gewissem Rahmen auch Fehlererkennungs- und Fehlervermeidungsmaßnahmen, diese sind jedoch in aller Regel nicht ausreichend, um das sichere Abschalten der Anlage unter allen Umständen zu gewährleisten. Zur Abgrenzung von "einfachen" Steuerungen und "einfachen" Meldegeräten betrifft die vorliegende Erfindung Meldegeräte, Sicherheitssteuerungen und daraus aufgebaute Sicherheitsschaltungen, die zumindest die Kategorie 3 der Europäischen Norm EN 954-1, bevorzugt die höchste Kategorie 4, oder vergleichbare Sicherheitsanforderungen erfüllen.
  • Die eingangs genannte EP 1 363 306 A2 beschreibt einen sogenannten Sicherheitsschalter, d.h. ein Meldegerät, zur Positionsüberwachung von Schutzgittern, Schutztüren, Maschinenverkleidungsteilen und ähnlichen Schutzeinrichtungen. Derartige Sicherheitsschalter besitzen einen Betätiger, mit dessen Hilfe die Öffnungs- oder Schließposition der Schutztür fehlersicher bestimmt werden kann. Bis heute sind derartige Sicherheitsschalter in der Praxis in aller Regel elektromechanisch aufgebaut und die erforderlichen Funktionstests und Fehlerüberwachungen, wie etwa Querschlusserkennung, werden von oder zumindest mit Hilfe der übergeordneten Sicherheitssteuerung durchgeführt. Entsprechende Sicherheitsschalter erhalten daher üblicherweise nur in Kombination mit der Sicherheitssteuerung eine Zulassung gemäß EN 954-1 oder vergleichbaren Normen.
  • Um für den Sicherheitsschalter selbst eine höhere Sicherheitskategorie zu ermöglichen, schlägt die EP 1 363 306 A2 vor, eine Sicherheitslogik in den Sicherheitsschalter zu integrieren, wie dies von Lichtschranken, Lichtgittern und anderen "intelligenten" Meldegeräten schon bekannt ist. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen besitzen die vorgeschlagenen Sicherheitsschalter zwei zueinander redundante elektronische Schaltelemente, die von einem fehlersicheren Steuerteil angesteuert werden. Über die Schaltelemente wird ein externes Freigabesignal geschleift, das letztlich der übergeordneten Sicherheitssteuerung zugeführt ist. Das Freigabesignal kann damit von dem Steuerteil unterdrückt werden, was der Sicherheitssteuerung signalisiert, dass die überwachte Anlage in einen sicheren Zustand gebracht werden soll. Das Freigabesignal kann auch durch mehrere, in Reihe hintereinander geschaltete Sicherheitsschalter geschleift werden, so dass jeder dieser Sicherheitsschalter das Freigabesignal unterdrücken kann.
  • Eine solche Reihenschaltung von Meldegeräten wurde in der Praxis auch schon mit elektromechanischen Meldegeräten realisiert, wobei das Freigabesignal in diesen Fällen von der Sicherheitssteuerung erzeugt und über die in Reihe geschalteten Relaiskontakte der einzelnen Meldegeräte zurückgeschleift wurde.
  • Der in EP 1 363 306 A2 beschriebene Aufbau der Sicherheitsschalter ermöglicht eine schnelle Reaktion der übergeordneten Sicherheitssteuerung, selbst wenn eine größere Anzahl an Meldegeräten in Reihe zueinander an die Sicherheitssteuerung angeschlossen sind. Andererseits begrenzt das Durchschleifen des Freigabesignals die maximale räumliche Verteilung der in Reihe geschalteten Meldegeräte. Darüber hinaus ist aus Sicht der übergeordneten Sicherheitssteuerung die gesamte Reihe "tot", wenn eines der Meldegeräte das Freigabesignal unterdrückt, sei es aufgrund einer Veränderung des Betätigers (Öffnen der Schutztür oder ähnliches) oder aufgrund eines intern detektierten Funktionsfehlers. Die Flexibilität und Leistungsfähigkeit der beschriebenen Sicherheitsschalter geht damit nicht über das hinaus, was bereits seit langem mit vergleichbaren relaisbasierten Meldegeräten möglich ist.
  • DE 600 01 235 T2 offenbart ein Meldegerät und eine Sicherheitsschaltung mit einer Reihenschaltung von Meldegeräten, wobei das Meldegerät ein Näherungsschalter zum Überwachen einer Schutztür ist. Der Näherungsschalter besitzt einen Signaleingang, an dem ein digitales oder gepulstes Eingangssignal zugeführt werden kann. Er moduliert eine Hochfrequenzträgerwelle mit dem zugeführten Eingangssignal nach Art einer Amplitudenumtastung (Amplitude Shift Keying). Die modulierte Trägerwelle dient dazu, einen Betätiger anzuregen, der eine zweite amplitudenmodulierte Hochfrequenzträgerwelle mit einer anderen Frequenz erzeugt. Der Näherungsschalter kann die zweite amplitudenmodulierte Trägerwelle empfangen, wenn sich der Betätiger in der Nähe des Näherungsschalters befindet. Auf diese Weise kann er die Anwesenheit des Betätigers überwachen. Wenn der Näherungsschalter die zweite Trägerwelle empfängt, wird mithilfe einer Gleichrichterschaltung das digitale oder gepulste Modulationssignal rekonstruiert und über einen Inverter an einem Ausgang des Näherungsschalters zur Verfügung gestellt. Das Ausgangssignal des Näherungsschalters entspricht also dem invertierten Eingangssignal, sofern sich der Betätiger in der Nähe des Näherungsschalters befindet.
  • DE 100 11 211 AI offenbart ein Sicherheitsschaltgerätesystem, bei dem mehrere Sicherheitsschaltgeräte in Reihe zueinander angeordnet sind. EP 0 803 632 B1 offenbart eine Anordnung mit mehreren Sensoren, die parallel an eine Türsteuerung angeschlossen sind. Die Sensoren können Fehlerinformationen über die Anschlussleitung an die Türsteuerung übertragen. DE 102 16 226 A1 offenbart eine Vorrichtung zum fehlersicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers in industriellen Produktionsanlagen. Sie besitzt ein erstes und zumindest ein zweites Sicherheitsschaltgerät. Das erste Sicherheitsschaltgerät weist eine erste Auswerte- und Steuereinheit, einen Ausgang und ein elektronisches Schaltelement auf, das in Abhängigkeit von der ersten Auswerte- und Steuereinheit ein potentialbezogenes Schaltsignal an dem Ausgang erzeugt. Das zweite Sicherheitsschaltgerät weist eine zweite Auswerte- und Steuereinheit sowie einen Eingang auf, der mit der zweiten Auswerte- und Steuereinheit und mit dem Ausgang des ersten Sicherheitschaltgerätes verbunden ist. Das erste und das zweite Sicherheitsschaltgerät sind hier über eine einkanalige Verbindungsleitung) miteinander verbunden und das zweite Sicherheitsschaltgerät weist zumindest zwei Eingangskreise auf, denen das potentialbezogene Schaltsignal des ersten Sicherheitsschaltgerätes redundant zueinander zugeführt ist.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, der eine flexiblere Verwendung, insbesondere in einer Reihenanordnung ermöglicht.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine Sicherheitsschaltung mit einer Reihenanordnung derartiger Sensoren anzugeben, die eine flexiblere Reaktion auf ein Meldeereignis ermöglicht.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden diese Aufgaben durch einen Sensor nach Anspruch 1 und eine Sicherheitsschaltung nach den Anspruch 9 gelöst.
  • Schaltungstechnisch betrachtet unterscheidet sich das neue Meldegerät also von dem aus EP 1 363 306 A2 bekannten Sicherheitsschalter dadurch, dass ein Freigabesignal nicht mehr durch das zumindest eine Schaltelement hindurchgeschleift wird. Vielmehr wird das Freigabesignal nun in jedem Meldegerät neu erzeugt. Dabei berücksichtigt der Steuerteil eines stromabwärts liegenden, zweiten Meldegerätes einer Reihenschaltung allerdings das Ausgangssignal des vor ihm stromaufwärts liegenden Meldegerätes. Es ist damit leicht möglich, das Durchschleifen eines Freigabesignals durch mehrere Meldegeräte so nachzubilden, dass aus Sicht der übergeordneten Sicherheitssteuerung kein Unterschied erkennbar ist. Andererseits sind die einzelnen Meldegeräte in einer Reihenanordnung jedoch nicht "tot", wenn ein stromaufwärts liegendes Meldegerät das Freigabesignal unterdrückt hat. Aufgrund der Erfindung ist es möglich, dass ein stromabwärts liegendes Meldegerät anderen nachfolgenden Meldegeräten und/oder der übergeordneten Sicherheitssteuerung durch ein Datentelegramm oder dergleichen eine Nachricht zukommen lässt, die eine flexible Reaktion der gesamten Sicherheitsschaltung ermöglicht Dabei kann das Datentelegramm über die vorhandenen Anschlüsse übertragen werden, d.h. der Verdrahtungsaufwand ist trotz gestiegener Flexibilität gering.
  • Unabhängig davon übernimmt jedes Meldegerät aufgrund der neuen Verschaltung eine Repeater-Funktion, und es können daher erheblich größere Abstände zwischen den in Reihe zueinander angeordneten Meldegeräten realisiert werden. Auch dies ermöglicht eine flexiblere Anlagenplanung. Auch eine Gruppenabschaltung lässt sich aufgrund der neuen Funktionalität der Meldegeräte einfach realisieren, da jedes Meldegerät der Reihenanordnung unabhängig von den stromaufwärts liegenden Meldegeräten an seinem Ausgang ein Meldesignal erzeugen kann.
  • Die genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
  • In einer Ausgestaltung ist das zum Ausgang des zumindest einen Schaltelements durchgeschaltete Signal dem Steuerteil des Meldegerätes zugeführt.
  • Mit anderen Worten wird das Ausgangssignal des Schaltelements (und damit zumindest mittelbar auch das Ausgangssignal des Meldegerätes) auf den Steuerteil zurückgekoppelt. Der Steuerteil ist damit in der Lage, geräteinterne Funktionsfehler zu detektieren. Diese Ausgestaltung ist für sich genommen auch aus EP 1 363 306 A2 und auch seit langem von Lichtschranken und anderen "intelligenten" Meldegeräten und Sicherheitsschaltgeräten bekannt. Die Vorteile dieser Ausgestaltung kommen jedoch erst aufgrund der vorliegenden Erfindung voll zur Geltung, da jedes Meldegerät einer Reihenanordnung einen internen Funktionsfehler unabhängig von dem Zustand stromaufwärtsliegender Meldegeräte weitergeben kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der Steuerteil des Meldegerätes dazu ausgebildet, einen geräteinternen Funktionsfehler zu detektieren und mit Hilfe des zumindest einen Schaltelements ein Datentelegramm an dessen Ausgang zu erzeugen.
  • Der besondere Vorteil liegt darin, dass das neue Meldegerät Diagnosedaten über die vorhandenen Anschlüsse an die übergeordnete Sicherheitssteuerung übertragen kann, d.h. es müssen keine zusätzlichen Anschlüsse und Leitungen zum Übertragen von Diagnosedaten bereitgestellt werden. Dementsprechend vereinfacht sich die Verdrahtung und sowohl beim Meldegerät als auch bei der Sicherheitssteuerung können Bauraum und Kosten für zusätzliche Anschlüsse eingespart werden.
  • In bevorzugten Ausgestaltungen ist das Datentelegramm ein Pulstelegramm, d.h. der Steuerteil schaltet das zumindest eine Schaltelement pulsweise an und aus.
  • Auf diese Weise können Nachrichten mit einem Informationsgehalt von mehreren Bits auf den vorhandenen Signalleitungen sehr kostengünstig und variabel übertragen werden. Damit ist die effiziente Weitergabe von sehr detaillierten Diagnoseinformationen möglich. Auch eine dem Meldegerät zugewiesene Adresse kann in dieser Ausgestaltung mit geringem Aufwand an die übergeordnete Steuerung übertragen werden, so dass die Sicherheitssteuerung jedes Meldegerät einer Reihenschaltung einzeln identifizieren kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung besitzt jedes Meldegerät zumindest zwei redundante Schaltelemente mit je einem Eingang und einem Ausgang, wobei jedes der zumindest zwei redundanten Schaltelemente eingangsseitig mit dem festen Potential belegt ist.
  • Diese für sich genommene bereits von Sicherheitssteuerungen bekannte Ausgestaltung besitzt in Kombination mit der vorliegenden Erfindung den Vorteil, dass das Meldegerät einen internen Funktionsfehler auf den vorhandenen Signalleitungen an die übergeordnete Sicherheitssteuerung melden kann, selbst wenn eines der Schaltelemente Ursache des Funktionsfehlers ist. Die bei den bekannten Sicherheitsschaltgeräten aus Sicherheitsgründen vorgesehene Redundanz führt hier also auch zu einer höheren Verfügbarkeit.
  • In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Meldegerät einen Eingang zum Zuführen einer Betriebsspannung, wobei die Betriebsspannung dem zumindest einen Schaltelement als festes Potential zugeführt ist.
  • Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die oben beschriebene Repeater-Funktion des neuen Meldegerätes. Indem das zumindest eine Schaltelement eingangsseitig mit der Betriebsspannung verbunden ist, können große Strecken zwischen mehreren Meldegeräten einfach überbrückt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Meldegerät einen beweglichen Betätiger, der zwischen einer ersten und zumindest einer zweiten Raumposition bewegbar ist, wobei die externe Zustandsgröße eine aktuelle Raumposition ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Betätiger ein Transponder.
  • In dieser Ausgestaltung ist das neue Meldegerät insbesondere ein Schutztürschalter, ein Not-Aus-Taster, ein End- oder Positionsschalter, ein Sensor für eine Trittmatte oder ein handbetätigter Start- oder Befehlstaster. Der Betätiger kann dabei in das Meldegerät integriert sein oder auch vom Meldegerät getrennt ausgeführt sein, wie dies beispielsweise bei Schutztürschaltern üblich ist. Die Anbindung des Betätigers an das Meldegerät kann optisch, induktiv, kapazitiv oder auf eine beliebige andere Weise erfolgen. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt, weil es sich bei den genannten Meldegeräten um relativ einfache Komponenten handelt, die bislang praktisch keine eigene Signalverarbeitung besessen haben. Der erweiterte Funktionsumfang kommt daher bei diesen Meldegeräten besonders stark zur Geltung. Die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei derartigen "einfachen" Meldegeräten kann zudem auch den Einsatz einer übergeordneten Sicherheitssteuerung für kleinere Anwendungsfälle überflüssig machen, indem das Meldegerät einen Aktor ohne zwischengeschaltete Sicherheitssteuerung über seine Ausgänge aktiviert.
  • Daher ist es in einer weiteren Ausgestaltung bevorzugt, wenn das neue Meldegerät einen Rückleseeingang zum Zuführen eines externen Rücklesesignals von einem Aktor besitzt.
  • Das Meldegerät dieser Ausgestaltung vereint damit die bislang getrennten Funktionen "Zustandsgröße erfassen" (Sensor) und "Anlage Abschalten" (Signalverarbeitung). Kleine sicherheitstechnische Anwendungen lassen sich damit sehr kostengünstig realisieren.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der Eingangsteil dazu ausgebildet, eine physikalische Messgröße, insbesondere eine Drehzahl, eine Spannung und/oder einen Strom, als externe Zustandsgröße aufzunehmen.
  • Sensoren zum Aufnehmen derartiger Zustandsgrößen werden üblicherweise in einem Schaltschrank verbaut, während Not-Aus-Taster, End- oder Positionsschalter, Schutztürschalter und ähnliche Meldegräte üblicherweise an der Anlage installiert sind. Die zuvor erwähnten Vorteile lassen sich jedoch in gleicher Weise auch auf solche messenden Sensoren als Meldegeräte übertragen. Beispielsweise können mehrere Drehzahlwächter in der hier beschriebenen Weise in Reihe geschaltet werden, so dass sich mehrere bewegte Achsen einer Anlage sehr kostengünstig sicherheitstechnisch überwachen lassen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine vereinfachte Darstellung einer Anlage, bei der ein Meldegerät gemäß der vorliegenden Erfindung zur Absicherung eingesetzt wird,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des neuen Meldegerätes,
    Fig. 3
    eine Sicherheitsschaltung mit zwei Meldegeräten der in Fig. 2 gezeigten Art in einer Reihenanordnung,
    Fig. 4
    eine Zeitdiagramm mit Signalverläufen beim Initialisieren einer Sicherheitsschaltung gemäß Fig. 3, und
    Fig. 5
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines neuen Meldegerätes.
  • In Fig. 1 ist eine Anlage, die mit Hilfe der Erfindung abgesichert wird, in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
  • Die Anlage 10 beinhaltet hier einen Roboter 12, dessen automatisierte Bewegungen für eine Person (hier nicht dargestellt), die sich im Bewegungsbereich des Roboters 12 aufhalten würde, gefährlich wären. Daher ist der Bewegungsbereich des Roboters 12, wie an sich bekannt, mit einer Schutztür 14 und Schutzzäunen abgesichert. An der Schutztür 14 ist ein Betätiger 16 befestigt. An einem feststehenden Rahmen, an dem die Schutztür 14 in geschlossenem Zustand anliegt, befindet sich ein Sicherheitsschalter 18, allgemeiner also der feststehende Teil eines Meldegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Sicherheitsschalter 18 ist über mehrere Leitungen mit einer Sicherheitssteuerung 20 verbunden. Die Sicherheitssteuerung 20 steuert ausgangsseitig zwei Schütze 22, 24, deren Kontakte die Stromversorgung 26 zum Roboter 12 unterbrechen können.
  • Die Anlage 10 ist hier vereinfacht dargestellt. Wie den einschlägigen Fachleuten bekannt ist, wird die Schutztür 14 in der Praxis üblicherweise mit zumindest zwei Sicherheitsschaltern 18 und entsprechenden Betätigern 16 ausgerüstet, wobei einer der Sicherheitsschalter häufig verdeckt angeordnet wird, um Manipulationen zu erschweren. Darüber hinaus enthält eine solche Anlage häufig weitere Meldegeräte, wie beispielsweise Not-Aus-Taster oder weitere Schutztürschalter (hier nicht gezeigt). Außerdem ist hier die erforderliche Betriebssteuerung für den Roboter 12 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Um einen eingeschränkten Betrieb bei geöffneter Schutztür zu ermöglichen, können ein oder mehrere Drehzahlwächter (hier nicht gezeigt) mit den Antrieben und/oder den bewegten Achsen des Roboters verbunden sein.
  • Die Sicherheitssteuerung 20 kann in einem einfachen Szenario ein Sicherheitsschaltgerät sein, wie es von der Anmelderin unter der Bezeichnung PNOZ® angeboten wird. Wenn zahlreiche sicherheitstechnische Meldegeräte zur Absicherung der Anlage 10 benötigt werden, ist es jedoch vorteilhaft, eine komplexere Sicherheitssteuerung einzusetzen, wie etwa die unter der Bezeichnung PSS® von der Anmelderin vertriebenen Sicherheitssteuerungen. Zumindest im letztgenannten Fall besitzt die Sicherheitssteuerung 20 üblicherweise einen Feldbusanschluss und weitere Schnittstellen zur Kommunikation mit der hier nicht gezeigten Betriebssteuerung und/oder zur Kommunikation mit einem übergeordneten Leitrechner.
  • In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist der Sicherheitsschalter 18 zweikanalig-redundant aufgebaut. Dementsprechend besitzt der Sicherheitsschalter 18 hier zwei redundante Mikrocontroller 30, 32, die sich gegenseitig überwachen, was durch einen Doppelpfeil zwischen den Mikrocontrollern dargestellt ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Mikrocontroller unterschiedlich, d.h. der Sicherheitsschalter 18 ist diversitär aufgebaut.
  • Mit den Bezugsziffern 34, 36 sind zwei elektronische Schaltelemente bezeichnet, die hier als Feldeffekttransistoren dargestellt sind. Alternativ können jedoch auch bipolare Transistoren oder andere, vorzugsweise elektronische Schaltelemente eingesetzt werden.
  • Der Steueranschluss (Gate) des Schaltelements 34 ist mit dem Mikrocontroller 30 verbunden. Der Eingang 38 (Source) ist mit einer Leitung 40 verbunden, an der im Betrieb des Sicherheitsschalters 18 eine Betriebsspannung UB anliegt. Der Ausgang 42 (Drain) ist mit einem Anschluss 44 verbunden, an dem der Sicherheitsschalter 18 extern verdrahtet werden kann. Damit bildet der Ausgang 42 des Schaltelements 34 ein Ausgangssignal des Sicherheitsschalters 18.
  • Das zweite Schaltelement 36 ist an seinem Steueranschluss (Gate) mit dem Mikrocontroller 32 verbunden. Sein Eingang 38 liegt über die Leitung 40 ebenfalls an Betriebsspannung UB-Sein Ausgang 42 ist einem zweiten Ausgangsanschluss 46 des Sicherheitsschalters 18 zugeführt.
  • Die Signale an den Ausgängen 42 der Schaltelemente 34, 36 sind über zwei Spannungsteiler 48, 50 auf die Mikrocontroller 30, 32 zurückgekoppelt. Damit ist es den Mikrocontrollern 30, 32 möglich, den jeweiligen Schaltzustand der Schaltelemente 34, 36 zu überwachen.
  • Mit der Bezugsziffer 52 ist ein Eingangsteil bezeichnet, mit dessen Hilfe die Mikrocontroller 30, 32 den aktuellen Zustand des Betätigers 16, hier also seine Raumposition, bestimmen. In dem hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Betätiger 16 ein Transponder mit einem Signalerzeugungsschaltkreis 54 und einer Sende- und Empfangsspule 56. In dem Signalerzeugungsschaltkreis 54 ist eine individuelle Codierung 58 abgespeichert. Der Eingangsteil 52 besitzt eine Sende- und Empfangsspule (hier nur symbolisch dargestellt), über die er ein Abfragesignal aussendet. Sobald sich der Transponder 16 im Nahbereich des Eingangsteils 52 befindet (Schutztür geschlossen), wird der Signalerzeugungsschaltkreis 54 im Betätiger 16 aktiviert. Der Betätiger 16 sendet dann die abgespeicherte Codierung 58 an den Eingangsteil 52 zurück. Dort wird die Codierung 58 aus dem empfangenen Signal demoduliert und den Mikrocontrollern 30, 32 zur Verfügung gestellt.
  • Ist die Schutztür 14 hingegen geöffnet, befindet sich der Betätiger 16 außerhalb der Sende- und Empfangsreichweite des Eingangsteils 52, was in Fig. 2 bei der Position 16' dargestellt ist. In diesem Fall findet zwischen Betätiger 16 und Eingangsteil 52 keine Kommunikation statt. Die Mikrocontroller 30, 32 erhalten folglich keine Codierung, was als geöffnete Schutztür 14 interpretiert wird. Ist ein zweiter Schütztürschalter oder zumindest ein zweiter Betätiger (nicht dargestellt) vorhanden, kann auch ein Defekt des Betätigers 16 oder des Eingangsteils 52 erkannt werden.
  • In anderen Ausführungsbeispielen kann der Eingangsteil 52 für andere Arten von Betätigern ausgebildet sein. Dabei kann der Betätiger auch im Sicherheitsschalter 18 integriert sein. Beispielsweise könnte der Sicherheitsschalter 18 ein Not-Aus-Taster sein und der Betätiger wäre in diesem Fall der Stößel des Tasters. In weiteren Ausführungsbeispielen beinhaltet der Eingangsteil 52 induktive, kapazitive, optische oder anderweitige Sensoren zum Bestimmen einer aktuellen Position eines mechanisch beweglichen Betätigers. Darüber hinaus kann die Erfindung grundsätzlich auch bei Lichtschranken und anderen Meldegeräten angewendet werden, die zwischen zumindest zwei Zuständen unterscheiden. In weiteren Ausführungsbeispielen ist der Eingangsteil zur messenden Aufnahme einer physikalischen Zustandsgröße ausgebildet, wie weiter unten anhand Fig. 5 näher erläutert ist.
  • Eingangsseitig besitzt der Sicherheitsschalter 18 hier drei Anschlüsse 60, 62, 64, die jeweils als Sicherheitseingänge ausgebildet sind und redundant mit den beiden Mikrocontrollern 30, 32 verbunden sind. Über die Anschlüsse 60 bis 64 können den Mikrocontrollern 30, 32 externe Freigabesignale redundant zugeführt werden. Außerdem ist in an sich bekannter Weise ein Anschluss 66 zum Zuführen einer Betriebsspannung UB und ein Masseanschluss 68 vorhanden. Es versteht sich, dass die genannten Anschlüsse jeweils an der Außenseite eines Gehäuses 70 des Sicherheitsschalters 18 zugänglich sind.
  • In Fig. 3 ist eine Sicherheitsschaltung mit zwei der beschriebenen Sicherheitsschalter 18 in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 80 bezeichnet. Im übrigen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie zuvor. Die beiden Sicherheitsschalter sind zur gegenseitigen Unterscheidung mit 18a und 18b bezeichnet.
  • Der Sicherheitsschalter 18a ist an seinen Anschlüssen 60, 62 mit Ausgängen der Sicherheitssteuerung 20 verbunden, an denen zwei Taktsignale unterschiedlicher Frequenz und/oder Phase anliegen, so dass eine Querschlusserkennung sowohl im Sicherheitsschalter 18a als auch (durch Rücklesen, hier nicht gezeigt) in der Sicherheitssteuerung 20 möglich ist. Außerdem ist der Sicherheitsschalter 18a an den Anschlüssen 66, 68 mit Betriebsspannung UB bzw. Masse verbunden. Ausgangsseitig sind die Anschlüsse 44, 46 des Sicherheitsschalters 18a auf die Anschlüsse 60, 62 des nachfolgenden Sicherheitsschalters 18b geführt. Die beiden Sicherheitsschalter 18a, 18b sind also in Reihe zueinander angeordnet. Betriebsspannung erhält der Sicherheitsschalter 18b in der gezeigten Anordnung ebenfalls vom Sicherheitsschalter 18a. Alternativ hierzu könnte der Sicherheitsschalter 18b jedoch auch mit einer anderen Quelle für die Betriebsspannung UB verbunden sein.
  • Die beiden Ausgangssignale des Sicherheitsschalters 18b, d.h. die an dessen Anschlüssen 44, 46 anliegenden Signale, sind Sicherheitseingängen der Sicherheitssteuerung 20 zugeführt. Ausgangsseitig ist die Sicherheitssteuerung 20 zwischen die Stromversorgung 26 und einen abzuschaltenden Antrieb 82, beispielsweise einen Stellantrieb des Roboters 12, geschaltet. Außerdem ist hier schematisch dargestellt, dass die Sicherheitssteuerung 20 über einen Feldbus 84 mit einer Betriebssteuerung 86 für den Roboter 12 und/oder einem übergeordneten Leitrechner verbunden ist. Die zu den Sicherheitsschaltern 18a, 18b gehörenden Betätiger sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 3 nicht gezeigt.
  • Die Funktionsweise der Sicherheitsschaltung 80 ist wie folgt:
  • Nach der Inbetriebnahme erzeugt die Sicherheitssteuerung 20 an ihren Ausgängen zwei Taktsignale 88, 90, die dem Sicherheitsschalter 18a als Freigabesignale zugeführt sind. Die Mikrocontroller 30, 32 des Sicherheitsschalters 18a überwachen mit Hilfe des Eingangsteils 52 den aktuellen Zustand des zugehörigen Betätigers. Befindet sich der Betätiger im Bereich des Eingangsteils 52 und werden die Freigabesignale 88, 90 einwandfrei empfangen, erzeugen die Mikrocontroller 30, 32 mit Hilfe der Schaltelemente 34, 36 zwei Ausgangssignale, die den Freigabesignalen 88, 90 nachgebildet sind. Sie könnten sich jedoch auch von den Taktsignalen 88, 90 unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich ihrer Frequenz. Der zweite Sicherheitsschalter 18b empfängt die nachgebildeten Freigabesignale und bildet diese seinerseits am Ausgang nach, wenn er ebenfalls eine geschlossene Schutztür und einwandfreie Funktion feststellt. Die Sicherheitssteuerung 20 erhält die nachgebildeten Freigabesignale über die Leitungen 92, 94.
  • Wenn nun der Sicherheitsschalter 18a das Öffnen der ihm zugeordneten Schutztür detektiert, d.h. wenn der zugeordnete Betätiger seinen Zustand wechselt, öffnen die Mikrocontroller 30, 32 die Schaltelemente 34, 36. Der nachfolgende Sicherheitsschalter 18b erhält folglich nicht mehr die nachgebildeten Freigabesignale. Dies wird von den Mikrocontrollern im Sicherheitsschalter 18b erkannt und durch Abschalten der Schaltelemente 34, 36 an die Sicherheitssteuerung 20 gemeldet. Diese kann daraufhin den Antrieb 82 abschalten.
  • In gleicher Weise erfolgt der Signalfluss, wenn der Sicherheitsschalter 18a einen Funktionsfehler detektiert, beispielsweise einen Querschluss an den eingangs- oder ausgangsseitigen Anschlüssen, ein Durchlegieren eines der Schaltelemente 34, 36 oder einen sonstigen Funktionsfehler. Nach einer kurzen Wartezeit, die in den Mikrocontrollern aller Sicherheitsschalter 18a, 18b und der Sicherheitssteuerung 20 hinterlegt ist, erzeugt der Sicherheitsschalter 18a ein Datentelegramm 96 auf zumindest einer seiner Ausgangsleitungen, indem er zumindest eines der Schaltelemente 34, 36 pulsweise schließt und wieder öffnet. Der nachfolgende Sicherheitsschalter 18b empfängt dieses Datentelegramm und gibt es an die Sicherheitssteuerung 20 in gleicher Weise weiter. Bei Bedarf kann er auch weitere Informationen in das Datentelegramm 96 integrieren.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist das Datentelegramm 96 wie bei einer asynchronen, seriellen Schnittstelle realisiert, d.h. es beginnt mit einem definierten Startbit und endet mit einem definierten Stoppbit. Dazwischen liegt eine beliebige oder festgelegte Anzahl an Datenbits. In einem anderen Ausführungsbeispiel beinhaltet jedes Datentelegramm 96 eine festgelegte Anzahl an Impulsen mit definierter Impulsdauer. Die Bedeutung jedes einzelnen Impulses hängt von dem Protokoll ab, das zwischen den Sicherheitsschaltern 18 und der Sicherheitssteuerung 20 festgelegt ist.
  • In gleicher Weise erzeugt der Sicherheitsschalter 18b ein eigenes Datentelegramm 96, wenn er seinerseits einen Funktionsfehler feststellt. Im Unterschied zu der bekannten Anordnung kann der Sicherheitsschalter 18b seine Datentelegramme unabhängig davon erzeugen, ob der Sicherheitsschalter 18a die Schaltelemente 34, 36 geöffnet oder geschlossen hat.
  • Hier beinhalten die Datentelegramme der Sicherheitsschalter 18a, 18b eine Adressinformation, die denjenigen Sicherheitsschalter identifiziert, der eine Information an die übergeordnete Sicherheitssteuerung 20 melden möchte. Die jeweilige Adresse kann den Sicherheitsschalter 18a, 18b auf verschiedene Weise zugeordnet werden. Beispielsweise kann jeder Sicherheitsschalter 18a, 18b mit einem mehrstufigen Adresswahlschalter (hier nicht gezeigt) versehen sein, an dem die zugeordnete Adresse eingestellt wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel verwenden die Sicherheitsschalter 18a, 18b als Adresse jeweils die Codierung 58 der ihnen zugeordneten Betätiger 16.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird den in Reihe geschalteten Sicherheitsschaltern 18a, 18b in einem Initialisierungsmodus nach Inbetriebnahme der Sicherheitsschaltung 80 eine Adresse zugewiesen. Ein bevorzugtes Verfahren, wie diese Adresszuweisung erfolgt, ist anhand Fig. 4 dargestellt.
  • Fig. 4 zeigt die Signaldiagramme für diesen Initialisierungsmodus. Die oberste Impulsfolge 100 ist das Einschalten der Betriebsspannung UB für sämtliche Komponenten der Sicherheitsschaltung 80. Bei Bezugsziffer 102 ist das Signal am ersten Taktausgang der Sicherheitssteuerung 20, d.h. das Signal auf der Leitung 88 dargestellt. Bei Bezugsziffer 104 ist das Signal am zweiten Taktausgang der Sicherheitssteuerung 20, d.h. das Signal auf Leitung 90 dargestellt. Der erste Sicherheitsschalter 18 erhält also nach dem Einschalten der Betriebsspannung UB an seinem Eingang 60 ein Dauer-High und an seinem Eingang 62 einen einzelnen Impuls. Sobald er diesen erkennt, bildet er das an seinem Anschluss 60 anliegende Signal (Dauer-High) an seinem Ausgang 44 nach (Bezugsziffer 106). Nach einer Wartezeit T erzeugt er dann an seinem Ausgang 46 zwei Impulse, wie bei Bezugsziffer 108 dargestellt. Die Wartezeit T dient zum Erkennen, ob weitere Impuls eingangsseitig empfangen werden.
  • Das zweite Sicherheitsschaltgerät 18b empfängt an seinen Eingängen 60, 62 die Signale 106, 108 und bildet diese an seinen Ausgängen 44, 46 nach. Dabei fügt es den Einzelimpulsen 108, die es am Anschluss 62 empfängt, einen weiteren Einzelimpuls hinzu. An den Ausgängen des zweiten Sicherheitsschalters 18b liegen folglich die Impulsfolgen an, die bei den Bezugsziffern 110, 112 dargestellt sind. In gleicher Weise würden weitere Sicherheitsschaltgeräte 18c, 18d etc. (in Fig. 3 nicht dargestellt) auf der einen Signalleitung ein Dauer-High nachbilden (Bezugsziffer 114) und auf der zweiten Signalleitung eine Impulsfolge, und jeder Sicherheitsschalter würde die Impulsfolge um einen Impuls erhöht.
  • Am Ende der Kette erhält die Sicherheitssteuerung 20 die Signale gemäß den Bezugsziffern 114, 116. Aus dem Signal 114 erkennt die Sicherheitssteuerung 20, dass die Verdrahtung des Kanals A stimmt. Aus der Impulsfolge 116 erkennt die Sicherheitssteuerung 20, dass die Verdrahtung des Kanals B stimmt. Außerdem kann sie die Anzahl der in Reihe angeordneten Sicherheitsschalter 18a, 18b etc. aus der Anzahl der Impulse (minus 1) bestimmen. In gleicher Weise kann jeder Sicherheitsschalter 18a, 18b seine Adresse aus der Anzahl der empfangenen Impulse erkennen. Auf diese Weise kann beim Einschalten der Sicherheitsschaltung 80 eine individuelle Adresse an jeden in Reihe angeordneten Sicherheitsschalter automatisch zugewiesen werden. Wird die Sicherheitsschaltung 80 später verändert, erfolgt eine erneute und korrekte Adresszuordnung an die dann vorhandene Konfiguration automatisch beim Wiedereinschalten.
  • Die Flexibilität der neuen Meldegeräte wird hier noch weiter durch den bislang nicht erläuterten Eingangsanschluss 64 erhöht. Dieser Anschluss kann verwendet werden, um ein externes Rückkopplungssignal in den Sicherheitsschalter 18 einzuspeisen. Damit ist es beispielsweise möglich, dass der Sicherheitsschalter 18 einen Schütz mit zwangsgeführten Kontakten eigenständig, d.h. ohne ein bislang übliches Sicherheitsschaltgerät oder eine entsprechende Sicherheitssteuerung ansteuert. Es genügt, wenn der zwangsgeführte Öffnerkontakt des Schützes auf den Rückkoppeleingang 64 des Sicherheitsschalters 18 geführt ist.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen besitzen Meldegeräte, wie der gezeigte Sicherheitsschalter 18, einen weiteren Eingangsanschluss zum Anlegen eines Startsignals. Damit ist es ohne die bislang übliche Sicherheitssteuerung möglich, auch einen überwachten Wiederanlauf der Anlage zu realisieren.
  • Des weiteren kann die jeweilige Funktion der Meldegeräte 18 über den Eingangsanschluss 64 parametriert werden, wie dies beispielsweise in DE 100 16 712 A1 beschrieben ist. Außerdem kann eine Parametrierung von außen mit Hilfe unterschiedlicher Transpondercodierungen erfolgen.
  • Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines neuen Meldegerätes 100 als Drehzahlwächter. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei dieselben Elemente wie zuvor.
  • Das Meldegerät 100 unterscheidet sich von dem Meldegerät 18 aus Fig. 2 im wesentlichen in Bezug auf den Eingangsteil 102, der hier im Unterschied zum Eingangsteil 52 zum messtechnischen Erfassen einer Drehzahl ausgebildet ist. Die Drehzahlerfassung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel geberlos, indem der Eingangsteil 102 die Motorspannungen eines Drehantriebes 104 abgreift und hinsichtlich ihrer Frequenz auswertet. In einer besonderen Ausführung ist das Meldegerät 100 als Stillstandswächter ausgebildet, d.h. es überwacht das Erreichen und die Einhaltung einer Drehzahl Null. Dies kann geschehen, indem der Eingangsteil 102 die vom auslaufenden Drehantrieb 104 erzeugten Generatorspannungen abgreift und überwacht, wie dies an sich von Stillstandswächtern für sicherheitstechnische Anwendungen bekannt ist.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen erfasst der Eingangsteil 102 eine Spannung, einen Strom oder eine andere physikalische Größe messtechnisch und die Mikrocontroller steuern die Schaltelemente 34, 36 in Abhängigkeit von der erfassten Größe, insbesondere in Abhängigkeit davon, dass die erfasste Größe einen vorgegebenen Sollwert einhält.

Claims (10)

  1. Sensor für eine Sicherheitsschaltung, mit einem Eingangsteil (52) zum Aufnehmen einer externen Zustandsgröße, mit zumindest einem Schaltelement (34, 36) mit einem Eingang (38) und einem Ausgang (42), und mit einem Steuerteil (30, 32), der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der externen Zustandsgröße das zumindest eine Schaltelement (34, 36) so anzusteuern, dass ein am Eingang (38) anliegendes Signal zum Ausgang (42) durchgeschaltet ist, wobei der Eingang (38) des Schaltelements (34, 36) intern mit einem festen Potential, vorzugsweise einem High-Potential (UB), belegt ist, ferner mit zumindest einem redundanten Sicherheitseingang (60, 62) für ein externes Freigabesignal (88, 90), das dem Steuerteil (30, 32) zugeführt ist, wobei der Steuerteil (30, 32) das zumindest eine Schaltelement (34, 36) auch in Abhängigkeit von dem Freigabesignal (88, 90) ansteuert, und wobei der Steuerteil (30, 32) dazu ausgebildet ist, einen geräteinternen Funktionsfehler zu detektieren und mit Hilfe des zumindest einen Schaltelements (34, 36) ein Datentelegramm (96) an dessen Ausgang (42) zu erzeugen.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Ausgang (42) des zumindest einen Schaltelements (34, 36) durchgeschaltete Signal dem Steuerteil (30, 32) zugeführt ist.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Datentelegramm ein Pulstelegramm ist.
  4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei redundante Schaltelemente (34, 36) mit je einem Eingang (38) und je einem Ausgang (42) vorhanden sind, wobei jedes der zumindest zwei redundanten Schaltelemente (34, 36) eingangsseitig mit dem festen Potential belegt ist.
  5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Eingang (66) zum Zuführen einer Betriebsspannung (UB), wobei die Betriebsspannung dem zumindest einen Schaltelement (34, 36) als festes Potential zugeführt ist.
  6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen beweglichen Betätiger (16), der zwischen einer ersten und zumindest einer zweiten Raumposition (16') bewegbar ist, insbesondere einen Transponder, wobei die externe Zustandsgröße eine aktuelle Raumposition des Betätigers (16) ist.
  7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsteil (52) dazu ausgebildet ist, eine physikalische Messgröße, insbesondere eine Drehzahl, eine variable Spannung und/oder einen variablen Strom, als externe Zustandsgröße aufzunehmen.
  8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Rückleseeingang (64) zum Zuführen eines externen Rücklesesignals von einem Aktor (22, 24).
  9. Sicherheitsschaltung zum sicheren Abschalten einer gefahrbringenden Anlage (10), mit einer übergeordneten Sicherheitssteuerung (20), die dazu ausgebildet ist, die Anlage (10) fehlersicher abzuschalten, und mit einem stromaufwärts liegenden ersten und zumindest einem stromabwärts liegenden zweiten Sensor (18a, 18b), die in Reihe zueinander an die übergeordnete Sicherheitssteuerung (20) angeschlossen sind, wobei jeder Sensor (18a, 18b) einen Eingangsteil (52) zum Aufnehmen einer externen Zustandsgröße, zumindest zwei redundante Schaltelemente (34, 36) mit je einem Eingang (38) und je einem Ausgang (42) sowie einen Steuerteil (30, 32) besitzt, der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der externen Zustandsgröße die zumindest zwei redundanten Schaltelemente (34, 36) so anzusteuern, dass ein am Eingang (38) anliegendes Signal zum Ausgang (42) durchgeschaltet ist, wobei der Eingang (38) der zumindest zwei Schaltelemente (34, 36) in jedem Sensor intern jeweils mit einem festen Potential, vorzugsweise einem High-Potential, belegt ist, wobei dem Steuerteil (30, 32) des ersten Sensors (18a) von der übergeordneten Sicherheitssteuerung (20) zwei Taktsignale als Freigabesignale (88, 90) zugeführt sind, wobei der Steuerteil (30, 32) des ersten Sensors (18a) die zumindest zwei Schaltelemente (34, 36) des ersten Sensors (18a) auch in Abhängigkeit von den zwei Freigabesignalen (88, 90) ansteuert, wobei der jeweilige Ausgang (42) der zumindest zwei Schaltelemente (34, 36) in dem ersten Sensor (18a) dem Steuerteil (30, 32) des zweiten Sensors (18b) zugeführt ist, und wobei der Steuerteil (30, 32) des zweiten Sensors (18b) die zumindest zwei Schaltelemente (34, 36) des zweiten Sensors (18b) auch in Abhängigkeit von dem ersten Sensor (18a) ansteuert, wobei ein Durchschleifen der Freigabesignale (88, 90) durch mehrere Sensoren (18a, 18b) zur Sicherheitssteuerung (12) so nachgebildet wird, dass aus Sicht der übergeordneten Steuerung (20) kein Unterschied erkennbar ist, indem die Freigabesignale (88, 90) nicht durch die Schaltelemente (34, 36) durchgeschleift werden, sondern in jedem Sensor (18a, 18b) neu erzeugt werden, wobei der Steuerteil (30, 32) des zweiten Sensors (18b) die Ausgangssignale des ersten Sensors (18a) berücksichtigt.
  10. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerteil (30, 32) in jedem Sensor (18a, 18b) dazu ausgebildet ist, einen geräteinternen Funktionsfehler zu detektieren und mit Hilfe von zumindest einem der Schaltelemente (34, 36) ein Datentelegramm (96) an dessen Ausgang (42) zu erzeugen.
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