WO2001001541A1 - Bussystem mit abgesicherten ausgängen - Google Patents

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WO2001001541A1 PCT/DE2000/001938 DE0001938W WO0101541A1 WO 2001001541 A1 WO2001001541 A1 WO 2001001541A1 DE 0001938 W DE0001938 W DE 0001938W WO 0101541 A1 WO0101541 A1 WO 0101541A1
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safe
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Bernhard Müller
Bernhard Wiesgickl
Gerd Griepentrog
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Siemens Aktiengesellschaft
Leuze Electronic Gmbh + Co.
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/403—Bus networks with centralised control, e.g. polling

Definitions

  • the invention relates to a bus system with a communication bus, e.g. a two-wire bus to which several slaves are connected, each of which has an output for connecting and disconnecting a consumer to an electrical power supply network and each has an evaluation unit, by means of which, depending on the data transmitted via the bus and by the slave received switching commands, which are coded differently in the form of multi-bit words for the different slaves, the output of the addressed slave can be controlled accordingly.
  • a communication bus e.g. a two-wire bus to which several slaves are connected, each of which has an output for connecting and disconnecting a consumer to an electrical power supply network and each has an evaluation unit, by means of which, depending on the data transmitted via the bus and by the slave received switching commands, which are coded differently in the form of multi-bit words for the different slaves, the output of the addressed slave can be controlled accordingly.
  • the invention relates to a method for ensuring safe switching states of the outputs of slaves connected to a communication bus, which switch their outputs on the basis of non-safe switching commands that the slaves receive after transmission via the bus.
  • a generic bus system is already known. According to FIG. 1, it comprises a communication bus B as well as a master M and a number of slaves S1 which are connected to the communication bus B.
  • the slaves Sl are designed to be safe due to their redundant design and each have a safe output A with two switching contacts connected in series in each current path, via which a consumer V can be connected to or disconnected from an electrical power supply network E.
  • the master M which controls the sequence of data transmission via the bus system, is connected to a higher-level, safe programmable logic controller PLC.
  • the switching states of the outputs A of the slaves S1 are usually controlled by the safe programmable logic controller PLC using switching commands ON / OFF or 0/1 via the communication bus B.
  • the output comparator and the output must be configured in two channels to guarantee safety.
  • safe slaves Sl with safe outputs A and, as described above, a secure transmission of the switching commands from the safe programmable logic controller PLC to the safe slaves SL are required.
  • the secure transmission path for the switching commands is shown in dotted lines in FIG.
  • the safe outputs A are ensured by the fact that two series-connected contacts are provided in each current path of the associated load switch, the correct functioning of which must be ensured by complex test routines.
  • the object of the invention is therefore to create a bus system of the type mentioned above to ensure secured outputs with as little effort as possible.
  • the first object is achieved in that a safety monitor with a safe output for the higher-level connection and disconnection of the electrical power supply network is connected to the communication bus, and in the safety monitor the set switching state of the outputs of the slaves is available as reliable information that in the Safety monitor there is a comparator which is used to compare the secured target switching status with the secured actual switching status of the output of one of the slaves, which confirms its actual switching status to the security monitor in a safe manner, in the event of a discrepancy between the secured target switching status and the secured actual Switching state via the safe output of the safety monitor to switch off the electrical power supply network.
  • the further task relating to a method for ensuring safe switching states is achieved in that the slaves report the respective actual switching state of their output in the form of a multi-bit word to a safety monitor connected to the communication bus, in which the target switching states of the outputs of the slaves are securely present that in the safety monitor after checking the multi-bit word reported back by one of the slaves, its actual switching status is assured and that if there is a deviation between the target and actual switching status, the electrical power supply to the outputs of the slaves is interrupted at a higher level.
  • the monitoring for all slaves is concentrated in the safety monitor.
  • the additional safety monitor enables monitoring regardless of the number of slaves without a lot of circuitry. With an increasing number of slaves, only the software effort increases.
  • FIG. 2 shows a bus system according to the invention and FIG. 3 shows a code table for securing data transmission.
  • the bus system according to the invention shown in FIG 2 has a communication bus B and a master M and several slaves S1, which are connected to the communication bus B.
  • the master M is connected here in a known manner to a higher-level, safe programmable logic controller PLC, which for switching outputs A of the slaves S1 transmits corresponding switching commands to them via the master M and the communication bus B.
  • Outputs A are used to connect and disconnect consumers V to an electrical power supply network E. In order to obtain protected outputs A, it is not necessary here to design the slaves S1 and the outputs A safely, ie with a redundant structure.
  • a safety monitor Si with a safe output As is additionally connected to the communication bus B, which can be used as the main switch to interrupt the electrical power supply to the consumers V connected via the outputs A.
  • the switching commands given by the safe programmable logic controller PLC to the master M are sent from there via the communication bus B to the slaves S1 and to the safety
  • each slave S1 is provided with a monitoring device Ü, with which the actual switching state of the respective output A is reliably detected.
  • the monitoring device Ü can be designed in different ways, e.g. by a positively driven break contact, a standstill monitor or a voltage monitor. Falsifications in the transmission of the feedback of the actual switching state from the respective slave S1 to the safety monitor Si can be reliably detected by the safety monitor Si by encrypting with multi-bit words in accordance with the procedure for transmitting the switching commands and comparing them with data stored in a code table.
  • the safety monitor Si can secure the non-safe outputs A of all slaves S1 after it has secured setpoint switching states and protected actual switching states for comparison. In the event of deviations, he interrupts with his safe
  • the described bus system according to the invention achieves the protection of the outputs A with comparatively little effort, since the slaves S1 and their outputs A no longer have to be designed safely.
  • the effort is reduced to an additional safety monitor Si with a safe output As.
  • Outputs A can be provided with switching elements in which the implementation of the target switching state is delayed. In this case, a deviation from the target and actual switching status must not result in the electrical power supply being switched off, since the system status is normal, ie not unsafe. To ensure this, there is a timer Z in the safety monitor Si which specifies the duration during which a deviation between see secured setpoint switching status and actual switching status, the electrical power supply network E is not switched off via the safe output As of the safety monitor Si.

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Abstract

Ein im Bussystem installierter Sicherheitsmonitor (Si) vergleicht als sichere Einheit die gewollten Schaltzustände der Ausgänge (A) mit den von den Slaves (Sl) rückgemeldeten Schaltzuständen und schaltet bei Abweichungen übergeordnet die elektrische Energieversorgung der angeschlossenen Verbraucher (V) ab. Hierbei ist lediglich die Übertragung des Schaltzustands vom Ausgang (A) zu überwachen, wofür es kostengünstige Lösungen gibt. Der Ausgang (A) des Slaves (Sl) braucht nicht sicher zu sein.

Description

Beschreibung
Bussystem mit abgesicherten Ausgängen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Bussystem mit einem Kommunikationsbus, z.B. einen Z eidraht-Bus , an den mehrere Slaves angeschlossen sind, die jeweils über einen Ausgang zur Zu- und Abschaltung eines Verbrauchers an ein elektrisches Energieversorgungsnetz verfügen und die jeweils eine Auswerteein- heit aufweisen, durch die abhängig von über den Bus übertragenen und vom Slave empfangenen Schaltbefehlen, die in Form von Mehrbitworten für die verschiedenen Slaves unterschiedlich kodiert sind, der Ausgang des angesprochenen Slaves entsprechend ansteuerbar ist.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Gewährleistung sicherer Schaltzustände der Ausgänge von an einen Kommunikationsbus geschalteten Slaves, die ihre Ausgänge aufgrund nicht sicherer Schaltbefehle schalten, die die Sla- ves nach Übertragung über den Bus empfangen.
Ein gattungsgemäßes Bussystem ist bereits bekannt. Es umfaßt gemäß FIG 1 einen Kommunikationsbus B sowie einen Master M und mehrere Slaves Sl, die an den Kommunikationsbus B ge- schaltet sind. Die Slaves Sl sind durch redundanten Aufbau sicher ausgeführt und weisen jeweils einen sicheren Ausgang A mit jeweils zwei in jeder Strombahn seriell geschalteten Schaltkontakten auf, über den ein Verbraucher V an ein elektrisches Energieversorgungsnetz E zuschaltbar bzw. von diesem abschaltbar ist. Der Master M, der den Ablauf der Datenübertragung über das Bussystem steuert, ist im vorliegenden Beispiel mit einer übergeordneten, sicheren speicherprogrammierbaren Steuerung SPS verbunden. Üblicherweise werden die Schaltzustände der Ausgänge A der Slaves Sl von der sicheren speicherprogrammierbaren Steuerung SPS durch Schaltbefehle EIN/AUS bzw. 0/1 über den Kommunikationsbus B gesteuert. Da der EIN-Schaltzustand der unsichere bzw. gefährliche Anlagen- zustand ist, genügt es sicherzustellen, daß die Übertragung des EIN-Schaltbefehls von der sicheren speicherprogrammierbaren Steuerung SPS zum sicheren Slave Sl abgesichert wird. Hierzu wird in der sicheren speicherprogrammierbaren Steue- rung SPS zum Einschalten eines Slaves Sl eine nur für diesen gültige Codeseguenz erzeugt, die dem Slave Sl mit sicherem Ausgang A bekannt ist. Nur bei Übereinstimmung der empfangenen Codesequenz mit der erwarteten Codesequenz schaltet der sichere Ausgang A ein. Dies bedeutet einen erheblichen schal- tungstechnischen Aufwand, da für jeden Slave mit sicherem
Ausgang Vergleicher und Ausgang zweikanalig ausgestaltet sein müssen, um die Sicherheit zu garantieren.
Um abgesicherte Ausgänge A nach bisherigem Stand der Technik zu erhalten, sind sichere Slaves Sl mit sicheren Ausgängen A und wie oben beschrieben eine abgesicherte Übertragung der Schaltbefehle von der sicheren speicherprogrammierbaren Steuerung SPS zu den sicheren Slaves Sl erforderlich. Der abgesicherte Übertragungsweg für die Schaltbefehle ist in FIG 1 punktiert dargestellt. Die sicheren Ausgänge A werden dadurch gewährleistet, daß in jeder Strombahn des zugehörigen Lastschalters jeweils zwei seriell geschaltete Kontakte vorgesehen sind, deren einwandfreie Funktion durch aufwendige Prüfroutinen sichergestellt werden muß.
Zur Übertragung und Verarbeitung der Schaltsignale ist hard- ware- und softwaremäßig ein redundanter Aufbau notwendig, der mit hohem Kostenaufwand verbunden ist.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bussystem der obengenannten Art zur Gewährleistung abgesicherter Ausgänge mit möglichst geringem Aufwand zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein möglichst einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Gewährleistung abgesicherter Ausgänge anzugeben. Die erste Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an den Kommunikationsbus ein Sicherheitsmonitor mit einem sicheren Ausgang zur übergeordneten Zu- und Abschaltung des elektrischen Energieversorgungsnetzes angeschlossen ist, daß im Sicherheitsmo- nitor der Soll-Schaltzustand der Ausgänge der Slaves als abgesicherte Information vorliegt, daß in dem Sicherheitsmonitor ein Vergleicher vorhanden ist, der zum Vergleich des abgesicherten Soll-Schaltzustands mit dem abgesicherten Ist- Schaltzustand des Ausgangs eines der Slaves, der seinen Ist- Schaltzustand an den Sicherheitsmonitor abgesichert rückmeldet, dient, um bei Abweichung zwischen abgesichertem Soll- Schaltzustand und abgesichertem Ist-Schaltzustand über den sicheren Ausgang des Sicherheitsmonitors eine Abschaltung des elektrischen Energieversorgungsnetzes zu bewirken.
Im Gegensatz zur bisher bekannten Lösung, bei der in jedem Slave ein Vergleicher und Schaltausgang mit entsprechendem Schaltungεaufwand ausgestattet sein muß, ist dies bei der vorliegenden Erfindung nur im Sicherheitsmonitor erforder- lieh. Ein Vergleicher im Sicherheitsmonitor übernimmt demnach die Überwachung von gewollten und rückgemeldeten Schaltzuständen für alle im Bus installierten Slaves. Dies bedeutet, daß der hohe Schaltungsaufwand für die Sicherheitstechnik in einem Gerät konzentriert und die Slaves kostengünstig reali- siert werden können.
Die weitere, ein Verfahren zur Gewährleistung sicherer Schaltzustände betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Slaves den jeweiligen Ist-Schaltzustand ihres Ausgangs in Form eines Mehrbitworts an einen an den Kommunikationεbus geschalteten Sicherheitsmonitor rückmelden, in dem die Soll- Schaltzustände der Ausgänge der Slaves abgesichert vorliegen, daß im Sicherheitsmonitor nach Überprüfung des von einem der Slaves rückgemeldeten Mehrbitworts dessen Ist-Schaltzustand gesichert vorliegt und daß bei Abweichen zwischen Soll- und Ist-Schaltzustand die elektrische Energieversorgung zu den Ausgängen der Slaves übergeordnet unterbrochen wird. Bei dieser Lösung ist die Überwachung für alle Slaves im Sicherheitsmonitor konzentriert. Der zusätzliche Sicherheitsmonitor ermöglicht die Überwachung unabhängig von der Anzahl der Slaves ohne hohen Schaltungsaufwand. Mit einer steigenden Anzahl der Slaves wächst lediglich der softwaremäßige Aufwand.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 2 ein erfindungsgemäßes Bussystem und FIG 3 eine Codetabelle zur Absicherung einer Datenübertragung .
Das erfindungsgemäße Bussystem gemäß FIG 2 weist einen Kommunikationsbus B sowie einen Master M und mehrere Slaves Sl auf, die an den Kommunikationsbus B geschaltet sind. Der Master M ist in bekannter Weise hier mit einer übergeordneten, sicheren speicherprogrammierbaren Steuerung SPS verbunden, die zum Schalten von Ausgängen A der Slaves Sl an diese über den Master M und den Kommunikationsbus B entsprechende Schaltbefehle überträgt. Die Ausgänge A dienen zur Zu- und Abschaltung von Verbrauchern V an ein elektrisches Energieversorgungsnetz E. Um abgesicherte Ausgänge A zu erhalten, ist es hier nicht erforderlich, die Slaves Sl und die Ausgänge A sicher, d.h. mit redundantem Aufbau auszuführen. Gegen- über dem bisherigen Stand der Technik ist an den Kommunikati- onsbus B zusätzlich ein Sicherheitsmonitor Si mit einem sicheren Ausgang As geschaltet, mit dem als Hauptschalter die elektrische Energieversorgung der über die Ausgänge A nach- geschalteten Verbraucher V unterbrochen werden kann. Die von der sicheren speicherprogrammierbaren Steuerung SPS an den Master M gegebenen Schaltbefehle werden von dort über den Kommunikationsbus B an die Slaves Sl und an den Sicherheits-
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nichtsichere Komponenten wie z.B. den Master M von dem sicheren Sicherheitsmonitor Si erkannt werden. Auf diese Weise wird im Sicherheitsmonitor Si ein abgesicherter Soll-Schaltzustand generiert. Um einen abgesicherten Ist-Schaltzustand zu erhalten ist jeder Slave Sl mit einer Überwachungseinrichtung Ü versehen, mit der der Ist-Schaltzustand des jeweiligen Ausgangs A sicher erfaßt wird. Die Überwachungseinrichtung Ü kann in unterschiedlicher Weise ausgeführt sein, z.B. durch einen zwangsgeführten Öffnerkontakt, einen Stillstandswächter oder eine Spannungsüberwachung. Verfälschungen bei der Übertragung der Rückmeldung des Ist-Schaltzustands vom jeweiligen Slave Sl an den Sicherheitsmonitor Si können durch Verschlüsselungen mit Mehrbitworten entsprechend dem Verfahren bei der Übertragung der Schaltbefehle und dem Vergleich mit in einer Codetabelle hinterlegten Daten vom Sicherheitsmonitor Si zuverlässig erkannt werden. Somit kann der Sicherheitsmonitor Si die Absicherung der nichtsicheren Ausgänge A sämtlicher Slaves Sl vornehmen, nachdem ihm abgesicherte Soll-Schaltzu- stände und abgesicherte Ist-Schaltzustände zum Vergleich vor- liegen. Bei Abweichungen unterbricht er mit seinem sicheren
Ausgang As als Hauptschalter die Energieversorgung.
Das beschriebene erfindungsgemäße Bussystem erreicht die Absicherung der Ausgänge A mit vergleichsweise geringem Auf- wand, da die Slaves Sl und ihre Ausgänge A nicht mehr sicher ausgeführt werden müssen. Der Aufwand ist auf einen zusätzlichen Sicherheitsmonitor Si mit einem sicheren Ausgang As reduziert .
Die Ausgänge A können mit Schaltgliedern versehen sein, bei denen die Umsetzung des Soll-Schaltzustands verzögert erfolgt. Eine Abweichung von Soll- und Ist-Schaltzustand darf in diesem Fall nicht zu einer Abschaltung der elektrischen Energieversorgung führen, da es sich um einen normalen, d.h. nicht unsicheren Anlagenzustand handelt. Um dies sicherzustellen, ist im Sicherheitsmonitor Si ein Zeitglied Z vorhanden, das die Dauer vorgibt, während der eine Abweichung zwi- sehen abgesichertem Soll-Schaltzustand und abgesichertem Ist- Schaltzustand keine Abschaltung des elektrischen Energiever- sorgungsnetzes E über den sicheren Ausgang As des Sicherheitsmonitors Si bewirkt.

Claims

Patentansprüche
1. Bussystem mit einem Kommunikationsbuε (B) , z.B. einem Zweidraht-Bus, an den mehrere Slaves (Sl) angeschlossen sind, die jeweils über einen Ausgang (A) zur Zu- und Abschaltung eines Verbrauchers (V) an ein elektrisches Energieversor- gungsnetz (E) verfügen und die jeweils eine Auswerteeinheit (Au) aufweisen, durch die abhängig von über den Kommunika- tionsbus (B) übertragenen und vom Slave (Sl) empfangenen Schaltbefehlen, die in Form von Mehrbitworten für die verschiedenen Slaves (Sl) unterschiedlich kodiert sind, der Ausgang (A) des angesprochenen Slaves (Sl) entsprechend ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kommunikationsbus (B) ein Sicherheitsmonitor (Si) mit einem sicheren Ausgang (As) zur übergeordneten Zu- und Abschaltung des elektrischen Energieversorgungsnetzes (E) angeschlossen ist, daß im Sicherheitsmonitor (Si) der Soll-Schaltzustand der Ausgänge (A) der Slaves (Sl) als abgesicherte Information vorliegt, daß in dem Sicherheitsmonitor (Si) ein Vergleicher (Ver) vorhanden ist, der zum Vergleich des abgesicherten
Soll-Schaltzustands mit dem abgesicherten Ist-Schaltzustand des Ausgangs (A) eines der Slaves (Sl) , der seinen Ist- Schaltzustand an den Sicherheitsmonitor (Si) abgesichert rückmeldet, dient, um bei Abweichung zwischen abgesichertem Soll-Schaltzustand und abgesichertem Ist-Schaltzustand über den sicheren Ausgang (As) des Sicherheitsmonitors (Si) eine Abschaltung des elektrischen Energieversorgungsnetzes (E) zu bewirken .
2. Bussystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sicherheitsmonitor (Si) eine Empfangε- und Überwachungseinheit (EU) vorgesehen ist, die zum Empfang und zur Überwachung der von einem Master (M) über den Kommunikationsbus (B) an die Slaves (Sl) übertragenen Schaltbefeh- le als Soll-Schaltzustände der Ausgänge (A) der Slaves (Sl) dient, wobei zur Absicherung das vom Sicherheitsmonitor (Si) empfangene, für den jeweiligen Slave (Sl) bestimmte Mehrbit- wort als Verschlüsselung des Soll-Schaltzustands mit einem für diesen Slave (Sl) im Sicherheitsmonitor (Si) hinterlegten Mehrbitwort verglichen wird und bei Übereinstimmung ein abgesicherter Soll-Schaltzustand vorliegt.
3. Bussystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Sicherheitsmonitor (Si) eine Empfangs- und Überwachungseinheit (EU) vorgesehen ist, die zum Empfang und zur Überwachung des von einem der Slaves (Sl) über den Kommunikationsbus (B) an den Sicherheitsmonitor (Si) in Form eines Mehrbitworts rückgemeldeten Ist-Schaltzustands seines Ausgangs (A) dient, wobei zur Absicherung das von einem Slave (Sl) rückgemeldete Mehrbitwort mit einem für diesen Slave (Sl) im Sicherheitsmonitor (Si) hinterlegten Mehrbit- wort verglichen wird und bei Übereinstimmung ein abgesicherter Ist-Schaltzustand vorliegt.
4. Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Sicherheitsmonitor (Si) ein Zeitglied (Z) vorhanden ist, das die Dauer vorgibt, während der eine Abweichung zwischen abgesichertem Soll- Schaltzustand und abgesichertem Ist-Schaltzustand keine Abschaltung des elektrischen Energieversorgungsnetzes (E) über den sicheren Ausgang (As) des Sicherheitsmonitors (Si) be- wirkt.
5. Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Slaves (Sl) jeweils eine Überwachungseinrichtung (Ü) zur Erfassung des Ist- Schaltzustands des jeweiligen Ausgangs (A) vorgesehen ist.
6. Bussystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgänge (A) der Slaves (Sl) mit einem zwangsgeführten Öffnerkontakt (Ü) als Überwachungseinrichtung versehen sind.
7. Bussystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (A) der Slaves (Sl) nicht sicher sind.
8. Verfahren zur Gewährleistung sicherer Schaltzustände der Ausgänge (A) von an einen Kommunikationsbus (B) geschalteten Slaves (Sl), die ihre Ausgänge (A) aufgrund nicht sicherer Schaltbefehle schalten, die die Slaves (Sl) nach Übertragung über den Kommunikationsbus (B) empfangen, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Slaves (Sl) den jeweiligen Ist- Schaltzustand ihres Ausgangs (A) in Form eines Mehrbitworts an einen an den Kommunikationsbus (B) geschalteten Sicherheitsmonitor (Si) rückmelden, in dem die Soll-Schaltzustände der Ausgänge (A) der Slaves (Sl) abgesichert vorliegen, daß im Sicherheitsmonitor (Si) nach Überprüfung des von einem der Slaves (Sl) rückgemeldeten Mehrbitworts dessen Ist-Schaltzustand gesichert vorliegt und daß bei Abweichung zwischen Soll- und Ist-Schaltzustand die elektrische Energieversorgung zu den Ausgängen (A) der Slaves (Sl) übergeordnet unterbro- chen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (A) der Slaves (Sl) nicht sicher sind.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die übergeordnete Unterbrechung der elektrischen Energieversorgung über einen sicheren Ausgang (As) des Sicherheitsmonitors (Si) erfolgt.
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