-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltvorrichtung
zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere
in einer automatisiert arbeitenden Anlage, mit zumindest einem Eingang
zum Anschließen
eines Meldegerätes,
mit einer Auswerte- und Steuereinheit, und mit zumindest einem Schaltelement,
das von der Auswerte- und Steuereinheit ansteuerbar ist, um einen Stromversorgungspfad
zu dem Verbraucher zu unterbrechen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu
ausgebildet ist, zu definierten Zeitpunkten Funk tionstests durchzuführen, um
eine Schaltfunktion des zumindest einen Schaltelements zu überprüfen.
-
Eine
solche Sicherheitsschaltvorrichtung ist beispielsweise aus
DE 103 25 363 A1 bekannt.
-
Sicherheitsschaltvorrichtungen
im Sinne der vorliegenden Erfindung werden dazu verwendet, eine
technische Anlage oder ein technisches Gerät ganz oder teilweise abzuschalten,
wenn dies erforderlich ist, um beispielsweise eine Gefährdung für Bedienpersonal
der Anlage oder des Gerätes
zu vermeiden. Die Sicherheitsschaltvorrichtungen besitzen eingangsseitig
einen oder mehrere Anschlüsse
zum Anschließen
von einem oder mehreren Meldegeräten,
wie zum Beispiel Not-Aus-Tastern, Schutztürschaltern oder Lichtschranken.
Ausgangsseitig besitzen die Sicherheitsschaltvorrichtungen zumindest ein
Schaltelement, mit dessen Hilfe ein Stromversorgungspfad zu der
Anlage oder dem Gerät
unterbrochen werden kann. Die Auswerte- und Steuereinheit dient
typischerweise dazu, den gesamten Sicherheitskreis einschließlich der
angeschlossenen Meldegeräte
zu überwachen
und ggf. eine Sicherheitsabschaltung auszulösen.
-
Es
ist leicht einzusehen, dass der technische Aufwand für die Realisierung
von Sicherheitsschaltvorrichtungen steigt, je höher die jeweiligen Sicherheitsanforderungen
sind. Beispielsweise muss eine Sicherheitsschaltvorrichtung im Sinne
der vorliegenden Erfindung auch dann noch in der Lage sein, die Anlage
oder das Gerät
abzuschalten, wenn das ausgangsseitige Schaltelement der Sicherheitsschaltvorrichtung
versagt. Beispielsweise können
bei einem Relais die Kontakte verschweißen, so dass sich das Relais
nicht mehr öffnen
lässt.
Ein Transistor kann durchlegieren und dadurch einen Kurzschluss verursachen,
der ein Unterbrechen des Stromversorgungspfades zu dem Verbraucher
verhindert. Um derartige Fehler zu beherrschen, werden Sicherheitsschaltvorrichtungen
in der Regel mehrkanalig-redundant aufgebaut, so dass beispielsweise
bei Ausfall eines Schaltelements ein in Serie dazu angeordnetes,
redundantes Schaltelement den Stromversorgungspfad unterbrechen
kann. Eine redundante Realisierung gewährleistet für sich genommen jedoch noch
keine absolute Fehlersicherheit, wenn die Funktionsfähigkeit
der einzelnen Kanäle
nicht regelmäßig getestet
wird.
-
Die
eingangs genannte
DE
103 25 363 A1 offenbart eine Sicherheitsschaltvorrichtung
mit einer Auswerte- und Steuereinheit (dort als Signalverarbeitungsteil
bezeichnet), die im Betrieb regelmäßige Abschalttests durchführt, um
zu überprüfen, ob
die ausgangsseitigen Schaltelemente noch in der Lage sind, den Stromversorgungspfad
zu dem Verbraucher zu unterbrechen. Die Auswerte- und Steuereinheit
ist zweikanalig-redundant aufgebaut, um eventuelle Fehler im Signalverarbeitungsteil
der Sicherheitsschaltvorrichtung zu beherrschen.
-
Ein
anderes Beispiel für
eine zweikanalig-redundante Sicherheitsschaltvorrichtung ist aus
DE 100 11 211 A1 bekannt.
Auch in diesem Fall ist die Auswerte- und Steuereinheit, die die
eingangsseitigen Meldegeräte
auswertet und überwacht
und die Schaltelemente ansteuert, zweikanalig-redundant aufgebaut.
-
Die
beiden bekannten Sicherheitsschaltvorrichtungen sind typische Beispiele
für Realisierungen,
die die Anforderungen der Kategorie 3 und sogar der Kategorie 4
der europäischen
Norm EN 954-1 oder vergleichbare Sicherheitsanforderungen nach ISO 13849-1
oder IEC 61508 erfüllen.
Der durchgehend redundante Aufbau der bekannten Sicherheitsschaltvorrichtungen
ist allerdings aufwändig
und teuer.
-
Die
Anmelderin der vorliegenden Erfindung bietet unter der Bezeichnung
PNOZ® X1
ein Not-Aus-Schaltgerät
an, das ausgangsseitig redundante (in Serie zueinander liegende)
Relaiskontakte aufweist, um den Stromversorgungspfad zu einem Verbraucher
zu unterbrechen. Im übrigen
ist das PNOZ® X1
allerdings einkanalig und ohne besondere Diagnosemöglichkeiten
ausgebildet. Insbesondere ist das PNOZ® X1
nicht in der Lage, die Funktionsfähigkeit der redundanten Schaltelemente
mit zu überprüfen. Daher
ist das PNOZ® X1
nur für
Anwendungen bis zur Sicherheitskategorie 2 der EN 954-1 zugelassen.
-
Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Sicherheitsschaltvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit
der sich zumindest die Anforderungen der Kategorie 3 der europäischen Norm
EN 954-1 (oder vergleichbare Sicherheitsanforderungen) erfüllen lassen,
die jedoch kostengünstiger
realisiert werden kann als bisherige Sicherheitsschaltvorrichtungen, die
diese Anforderungen erfüllen.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Sicherheitsschaltvorrichtung der
eingangs genannten Art gelöst,
bei der der zumindest eine Eingang zum Anschließen des Meldegerätes außerdem als
Eingang zum Zuführen
einer Versorgungsspannung ausgebildet ist, die für den Betrieb des zumindest
einen Schaltelements erforderlich ist.
-
Die
neue Sicherheitsschaltvorrichtung zeichnet sich also dadurch aus,
dass der Eingang zum Anschließen
des Meldegerätes
gleichzeitig auch der Eingang zum Zuführen der Versorgungsspannung ist,
die für
den Betrieb des zumindest einen Schaltelements benötigt wird.
Ein Meldegerät
wird also so an die neue Sicherheitsschaltvorrichtung angeschlossen,
dass mit der Betätigung
des Meldegerätes
automatisch auch die Versorgungsspannung für das zumindest eine Schaltelement
unterbrochen wird. Dies ist besonders einfach für Meldegeräte zu realisieren, die einen
oder mehrere Öffnerkontakte
aufweisen, die bei Betätigung
des Meldegerätes
geöffnet
werden. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt und
kann beispielsweise auch für
Meldegeräte
realisiert werden, die ein potentialgebundenes Ausgangssignal liefern.
-
Bei
der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung laufen die Informationen
(Meldesignal vom Meldegerät)
und die Energie für
den Betrieb des zumindest einen Schaltelements zeitgleich und auf
demselben Weg. Der Wegfall der Versorgungsspannung für das zumindest
eine Schaltelement ist mit der Information, dass eine Sicherheitsanforderung
vorliegt, identisch. Im Gegensatz dazu wird die Versorgungsspannung für die ausgangsseitigen
Schaltelemente bei herkömmlichen
Sicherheitsschaltvorrichtungen für
die höheren
Sicherheitskategorien stets getrennt von der Versorgungsspannung
für das
ausgangsseitige Schaltelement geführt. Da die Information (Meldesignal
vom Meldegerät)
und die Energie dann getrennt voneinander geführt sind, werden relativ aufwändige Auswerte-
und Steuereinheiten benötigt,
die ein Unterbrechen des Stromversorgungspfades zu dem Verbraucher
gewährleisten,
sobald die entsprechende Information (Meldesignal vom Meldegerät) vorliegt.
Da die Auswertung des Meldesignals eine sicherheitskritische Aufgabe
ist, sind die Auswerte- und Steuereinheiten der bekannten Sicherheitsschaltvorrichtungen
typischerweise mehrkanalig-redundant aufgebaut. Dieser Aufwand ist
bei der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung nicht erforderlich, die daher
deutlich kostengünstiger
realisiert werden kann.
-
Andererseits
verfügt
die neue Sicherheitsschaltvorrichtung über eine Auswerte- und Steuereinheit,
die dazu ausgebildet ist, Funktionstests durchzuführen, um
die Schaltfunktion des zumindest einen Schaltelements zu überwachen.
Hierdurch unterscheidet sich die neue Sicherheitsschaltvorrichtung
von einfachen Geräten,
wie beispielsweise dem oben genannten PNOZ® X1.
Da die (im Gegensatz zum PNOZ® X1) neue Auswerte- und
Steuereinheit erfindungsgemäß jedoch
nicht mehr alleine für
die Übertragung
der Information vom Meldegerät
an das ausgangsseitige Schaltelement verantwortlich ist, kann die
Auswerte- und Steuereinheit einkanalig und damit relativ preisgünstig ausgebildet
sein.
-
Insgesamt
lassen sich mit der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung zumindest
die Anforderungen der Kategorie 3 der europäischen Norm EN 954-1 (oder
vergleichbare Sicherheitsanforderungen) erfüllen, da sowohl eine redundante
Abschaltung als auch definierte Funktionstests der Schaltelemente
vorgesehen sind. Andererseits kann die Auswerte- und Steuereinheit
der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung, die für die Durchführung der
Funktionstests verantwortlich ist, deutlich einfacher und kostengünstiger
realisiert werden als bei vergleichbaren Sicherheitsschaltvorrichtungen.
-
Die
oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
-
In
einer Ausgestaltung ist der zumindest eine Eingang außerdem zum
Zuführen
einer Versorgungsspannung ausgebildet, die für den Betrieb der Auswerte-
und Steuereinheit erforderlich ist.
-
Grundsätzlich wäre es denkbar,
die Versorgungsspannung für
die Auswerte- und Steuereinheit über
einen anderen (weiteren) Eingang zuzuführen. Dies würde es ermöglichen,
dass die Auswerte- und Steuereinheit
in Betrieb bleibt, auch wenn das Meldegerät eine Sicherheitsanforderung
signalisiert und damit gemäß der vorliegenden
Erfindung die Versorgungsspannung für das zumindest eine Schaltelement
unterbricht. Die bevorzugte Ausgestaltung ist jedoch einfacher zu
realisieren. Sie ermöglicht
außerdem
eine Realisierung mit weniger Anschlussklemmen, so dass beispielsweise
die Gehäusebreite der
neuen Sicherheitsschaltvorrichtung reduziert werden kann. Darüber hinaus
hat diese Ausgestaltung zur Folge, dass die Auswerte- und Steuereinheit nach
jeder Sicherheitsanforderung zwangsläufig wieder initialisiert werden
muss, was in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden kann, die Auswerte-
und Steuereinheit einem Selbsttest zu unterziehen.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Sicherheitsschaltvorrichtung
ein Entkoppelungsnetzwerk, das dazu ausgebildet ist, die Versorgungsspannung
für das
zumindest eine Schaltelement und die Versorgungsspannung für die Auswerte-
und Steuereinheit voneinander zu entkoppeln.
-
Mit
dieser Ausgestaltung wird eine Rückwirkung
vom Lastkreis auf die Auswerte- und Steuereinheit vermieden. Die
Auswerte- und Steuereinheit
ist dadurch besser gegen Störeinflüsse von
außen
und dadurch hervorgerufene Fehlfunktionen geschützt.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Entkoppelungsnetzwerk
ein erstes Zeitglied, um die Versorgungsspannung für das zumindest
eine Schaltelement relativ zu der Versorgungsspannung für die Auswerte-
und Steuereinheit zu verzögern.
-
In
dieser Ausgestaltung sind die Versorgungsspannungen für das zumindest
eine Schaltelement und die Auswerte- und Steuereinheit nicht nur schaltungstechnisch
voneinander entkoppelt, sondern auch zeitlich voneinander getrennt.
Da die Auswerte- und
Steuereinheit ihre Versorgungsspannung nach dieser Ausgestaltung „früher" erhält als das
zumindest eine Schaltelement, ist gewährleistet, dass die Auswerte-
und Steuereinheit interne Selbsttests abschließen kann, bevor sie das zumindest
eine Schaltelement ansteuert. Eine fehlerhafte Freigabe des Stromversorgungspfades
zu dem Verbraucher wird hierdurch noch besser vermieden.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Sicherheitsschaltvorrichtung
eine Resetschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Auswerte- und Steuereinheit
bei jeder erneuten Wiederkehr der Versorgungsspannung in einen definierten
Startzustand zu bringen.
-
Diese
Ausgestaltung erleichtert die Realisierung der Auswerte- und Steuereinheit
mit einem (einkanaligen) Mikrocontroller, Mikroprozessor oder dergleichen.
Ein Reset, der bei jeder erneuten Spannungswiederkehr erzwungen
wird, gewährleistet, dass
die Auswerte- und Steuereinheit stets aus derselben definierten
Startposition beginnt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Auswerte-
und Steuereinheit ihre Selbsttests jedes Mal vollständig durchläuft, bevor
der Stromversorgungspfad zu dem Verbraucher geschlossen wird. Aufgrund
dessen kann die Auswerte- und Steuereinheit ohne weiteres einkanalig realisiert
werden.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit
einkanalig ausgebildet.
-
Diese
Ausgestaltung profitiert von den zuvor beschriebenen Möglichkeiten
und sie ermöglicht
eine besonders kostengünstige
Realisierung der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Auswerte- und Steuereinheit
einen Mikrocontroller, der dazu ausgebildet ist, die Funktionstests
zu den definierten Zeitpunkten, insbesondere vor dem Schließen des
Stromversorgungspfades zu dem Verbraucher, durchzuführen.
-
Der
Begriff „Mikrocontroller" wird hier synonym
für vergleichbare
Bauelemente verwendet, deren Funktionsumfang zumindest herstellerseitig
festgelegt werden kann. Er ist also nicht auf Mikrocontroller im
engeren Sinne beschränkt,
sondern umfasst beispielsweise auch Mikroprozessoren mit oder ohne externen
Speicher oder andere programmierbare Bauelemente. Diese Ausgestaltung
ermöglicht
eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung der neuen
Sicherheitsschaltvorrichtung, wobei der jeweilige Funktionsumfang
individuell festgelegt werden kann. Dadurch können beispielsweise Sicherheitsschaltvorrichtungen
kostengünstig
realisiert werden, die für
verschiedene Arten von Meldegeräten
und/oder in Verbindung mit verschiedenen Arten von Schaltelementen
vorgesehen sind.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Sicherheitsschaltvorrichtung
ein zweites Zeitglied, das dazu ausgebildet ist, eine Verbindung
zwischen der Auswerte- und Steuereinheit und dem zumindest einen
Schaltelement für
eine definierte Zeitspanne, gemessen von dem Anlegen der Versorgungsspannung
an, zu sperren.
-
Auch
diese Ausgestaltung trägt
dazu bei, ein vorzeitiges und/oder fehlerhaftes Schließen des Stromversorgungspfades
zu dem Verbraucher zu verhindern, selbst wenn das zumindest eine
Schaltelement mit einer einkanaligen Auswerte- und Steuereinheit
angesteuert wird. In Kombination mit den bereits zuvor beschriebenen
Ausgestaltungen wird eine noch höhere
Sicherheit bei der Inbetriebnahme des Verbrauchers erreicht.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die neue Sicherheitsschaltvorrichtung
zumindest zwei Schaltelemente, die in Reihe zueinander angeordnet
sind, um den Stromversorgungspfad zu dem Verbraucher redundant zu
unterbrechen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet
ist, ein erstes dynamisches Steuersignal für ein erstes der zumindest
zwei Schaltelemente zu erzeugen, sowie ein zweites, insbesondere
statisches, Steuersignal für
ein zweites der zumindest zwei Schaltelemente.
-
Diese
Ausgestaltung der Erfindung verwendet im Lastkreis redundante Schaltelemente,
um ein Abschalten des Verbrauchers selbst dann zu ermöglichen,
wenn eines der Schaltelemente beim Schaltvorgang versagt. Darüber hinaus
werden die zumindest zwei redundanten Schaltelemente jedoch noch diversitär zueinander
angesteuert, das heißt
mit zwei voneinander verschiedenen Steu ersignalen. Fehlfunktionen
der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung sind dadurch noch unwahrscheinlicher,
Besonders bevorzugt ist es, wenn eines der Steuersignale ein dynamisches
Signal ist, während
das andere Steuersignal ein statisches Signal ist. Beide Arten von
Steuersignalen lassen sich nämlich
sehr einfach mit einem Mikrocontroller oder einem vergleichbaren
Bauelement erzeugt werden, wobei aufgrund der unterschiedlichen
Natur der Steuersignale eine zeitgleiche Fehlsteuerung der redundanten
Schaltelemente äußerst unwahrscheinlich
ist.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung ist das zumindest eine Schaltelement
ein Wechselschalter mit zumindest zwei zueinander alternativen Schaltpfaden,
wobei ein erster Schaltpfad im Stromversorgungspfad zu dem Verbraucher
liegt, und wobei ein zweiter Schaltpfad zu einer Überwachungseinheit führt.
-
Diese
Ausgestaltung, die auch für
sich genommen eine erfinderische Weiterbildung bekannter Sicherheitsschaltvorrichtungen
darstellt, ermöglicht eine
besonders kostengünstige
Realisierung der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung, insbesondere mit
potentialfreien Ausgängen.
Durch die Verwendung eines Wechselschalters ist es nämlich in
diesem Fall möglich, „einfache" Wechslerrelais anstelle von
wesentlich teureren und größeren Relais
mit zwangsgeführten
Schließer-
und Öffnerkontakten einzusetzen.
Diese Ausgestaltung erlaubt daher eine besonders kostengünstige und
kleinbauende Sicherheitsschaltvorrichtung, mit der sich trotzdem
zumindest die Kategorie 3 der europäischen Norm EN 954-1 bzw. eine
vergleichbare Sicherheitsstufe erreichen lässt.
-
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:
-
1 einen
Roboter als Beispiel für
eine automatisiert arbeitende Anlage mit der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung,
-
2 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Sicherheitsschaltvorrichtung,
und
-
3 mehrere
Zeitdiagramme zur Erläuterung
der Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels der
neuen Sicherheitsschaltvorrichtung.
-
In 1 ist
eine automatisiert arbeitende Anlage, in der die neue Sicherheitsschaltvorrichtung zum
Einsatz kommt, in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
-
Die
Anlage 10 beinhaltet hier einen Roboter 12, dessen
Arbeitsraum durch einen Schutzzaun mit einer Schutztür 14 gesichert
ist. Die geöffnete
oder geschlossene Position der Schutztür 14 wird mit einem
Schutztürsensor 16 detektiert.
Der Schutztürsensor
beinhaltet einen ersten Teil 16a, der an dem beweglichen Teil
der Schutztür 14 befestigt
ist, sowie einen zweiten Teil 16b am feststehenden Rahmen der
Schutztür 14.
In einem Ausführungsbeispiel
enthält
der erste Teil 16a einen Transponder, der nur bei geschlossener
Schutztür
von dem zweiten Teil 16b (Lesegerät) erkannt und ausgewertet
werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art von Schutztürsensoren
und darüber
hinaus auch nicht auf Schutztürsensoren
als Meldegeräte
beschränkt. Die
Erfindung kann gleichermaßen
mit anderen Meldegeräten,
insbesondere Not-Aus-Tastern, sowie Drehzahlsensoren, Lichtschranken
und anderem verwendet werden.
-
Mit
der Bezugsziffer 18 ist eine Sicherheitsschaltvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Sie dient dazu, den
Roboter 12 beim Öffnen
der Schutztür 14 abzuschalten.
-
Die
Anlage 10 ist hier ferner mit einem Not-Aus-Taster 20 als
weiterem Meldegerät
dargestellt. Der Not-Aus-Taster 20 wird mit einer weiteren Sicherheitsschaltvorrichtung 22 nach
der vorliegenden Erfindung ausgewertet. Die Sicherheitsschaltvorrichtungen 18 und 22 besitzen
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
jeweils potentialfreie Ausgänge (wird
nachfolgend anhand 2 näher erläutert), die in Serie miteinander
verbunden sind, um eine logische UND-Verknüpfung aufzubauen.
-
An
einem Ende der logischen Kette, in diesem Fall am Ausgang der Sicherheitsschaltvorrichtung 22,
sind zwei Schütze 24, 26 angeordnet,
deren Arbeitskontakte wiederum seriell zueinander in einem Stromversorgungspfad 28 zu
dem Roboter 12 liegen. Bei den Arbeitskontakten der beiden
Schütze 24, 26 handelt
es sich um Schließerkontakte,
die also nur geschlossen sind, wenn die Eingangskreise der Schütze 24, 26 mit
einer Arbeitsspannung angeregt sind, die höher als die Anzugs- bzw. Haltespannung der
Schütze 24, 26 ist.
Die Arbeitsspannung 30 beträgt beispielsweise 24 Volt und
wird in diesem Ausführungsbeispiel über die
in Serie geschalteten Ausgangskontakte der Sicherheitsschaltvorrichtungen 18 und 22 zu
den Schützen 24, 26 geschleift.
Beim Öffnen
der Schutztür 14 und/oder
beim Betätigen
des Not-Aus-Tasters 20 unterbrechen
die Sicherheitsschaltvorrichtungen 18, 22 den
Strompfad, über
den die Eingangskreise der Schütze 24, 26 mit
der Arbeitsspannung 30 verbunden sind. Dadurch fallen die Schütze 24, 26 ab,
der Roboter 12 wird abgeschaltet. Die Schütze 24, 26 und
(mittelbar) der Roboter 12 sind damit Verbraucher im Sinne
der vorliegenden Erfindung.
-
Es
versteht sich, dass die Anlage 10 hier in vereinfachter
Weise gezeigt ist. Insbesondere sind hier nur zwei einfache Sicherheitskreise
zum Abschalten des Roboters 12 dargestellt. In der Praxis sind
typischerweise weitere Sicherheitskreise vorhanden. Beispielsweise
haben die Schütze 24, 26 typischerweise
noch zwangsgeöffnete Öffner-Kontakte,
die auf zumindest eine der Sicherheitsschaltvorrichtungen 18, 22 zurückgeführt sind,
um ein Einschalten des Roboters 12 zu verhindern, wenn
einer der Schütze 24, 26 verschweißt ist.
Des Weiteren ist typischerweise eine Betriebssteuerung (hier nicht dargestellt)
vorgesehen, die den normalen Betriebsablauf des Roboters 12 steuert.
-
2 zeigt
die Sicherheitsschaltvorrichtung 22 in weiteren Details.
Die Sicherheitsschaltvorrichtung 18 kann grundsätzlich in
gleicher Weise aufgebaut sein, oder auch eine zweikanalige Auswerte- und
Steuereinheit sowie potentialfreie Ausgänge in konventioneller Bauart
besitzen.
-
Die
Komponenten der Sicherheitsschaltvorrichtung 22 sind in
an sich bekannter Weise in einem kompakten Gerätegehäuse 36 angeordnet.
Das Gehäuse 36 besitzt
Anschlüsse,
beispielsweise in Form von Schraub- oder Federklemmen. Mit den Bezugsziffern 38, 40 sind
zwei Anschlüsse
bezeichnet, die hier sowohl zum Anschließen des Not-Aus-Tasters 20 als
auch zum Zuführen
einer Versorgungsspannung 42 für die Sicherheitsschaltvorrichtung 22 dienen.
Die Versorgungsspannung 42 ist hier als Gleichspannung
dargestellt, und sie ist über
jeweils einen Öffnerkontakt
des Not-Aus-Tasters 20 an die Anschlüsse 38, 40 angeschlossen.
Alternativ hierzu könnte
die Spannung 42 grundsätzlich
auch eine Wechselspannung sein.
-
Mit
der Bezugsziffer 46, 48 sind zwei weitere Anschlussklemmen
bezeichnet, an die eine Reihenschaltung aus einem Starttaster 50 und
zwei Öffnerkontakten 52, 54 angeschlossen
ist. Der Öffnerkontakt 52 gehört zu dem
Schütz 24 aus 1 und
ist mit den Schließerkontakten
des Schützes 24 zwangsgeführt. In
gleicher Weise ist der Öffnerkontakt 54 mit den
Schließerkontakten
des Schützes 26 zwangsgeführt.
-
Die
Sicherheitsschaltvorrichtung 22 ist hier mit insgesamt
vier Schaltelementen 56, 56', 58, 58' dargestellt.
Die Schaltelemente 56, 58 bzw. 56', 58' sind jeweils
in Serie zueinander angeordnet, und sie bilden zwei Stromversorgungspfade
aus, über
die die beiden Schütze 24, 26 angeregt
werden können.
Der zweite Stromversorgungspfad mit den Schaltelementen 56', 58' ist dabei aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
nur teilweise dargestellt, nämlich
ohne die Details der Ansteuerung der Schaltelemente 56', 58'. Die Ansteuerung
der Schaltelemente 56', 58' erfolgt jedoch in
gleicher Weise wie die Ansteuerung der Schaltelemente 56, 58.
Deswegen beziehen sich die nachfolgenden Erläuterungen gleichermaßen auch
auf die Schaltelemente 56', 58', sofern nichts
anderes angegeben ist.
-
Die
Schaltelemente 56, 58 sind hier als Wechselschalter
realisiert. Jedes Schaltelement 56, 58 besitzt
drei Anschlüsse 60, 62, 64,
die hier aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur beim Schaltelement 56 bezeichnet sind. Die drei Anschlüsse 60, 62, 64 bilden
zwei zueinander alternative Schaltpfade aus. Ein erster Schaltpfad 66 verläuft zwischen
den Anschlüssen 62 und 64 (in 2 in
gestrichelter Linie dargestellt). Ein zweiter, alternativer Schaltpfad 68 verläuft von
dem Anschluss 60 zum Anschluss 64 (in durchgezogener
Linie dargestellt). Der Anschluss 64 bildet somit eine
gemeinsame Wurzel der alternativen Schaltpfade 66, 68.
Zu einem Zeitpunkt kann jeweils nur einer der Schaltpfade 66, 68 geschlossen sein.
Der andere ist in diesem Fall geöffnet.
-
Die
Wechselschalter 56, 58 sind in einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung Wechslerrelais mit jeweils einem Kontakt, der zwischen
den Anschlüssen 60, 62 umgeschaltet
wird. In weiteren Ausführungsbeispielen
können
die Wechselschalter jedoch auch als oder zumindest mit Hilfe von
Haltleiterschaltelementen realisiert sein.
-
Der
Anschluss 62 des Schaltelements 56 ist mit einem
Anschluss 70 am Gehäuse 36 der
Sicherheitsschaltvorrichtung 22 verbunden. In gleicher
Weise ist der Anschluss 62 des Schaltelements 58 mit
einem externen Anschluss 72 der Sicherheitsschaltvorrichtung 22 verbunden.
Die Wurzeln 64 der beiden Schaltelemente 56, 58 sind
in Reihe zueinander verbunden. Damit stellen die ersten Schaltpfade 66 der beiden
Schaltelemente 56, 58 einen Stromversorgungspfad
zwischen den Anschlüssen 70, 72 der
Sicherheitsschaltvorrichtung 22 bereit, der abhängig von
der Schaltstellung der Schaltelemente 56, 58 geschlossen
oder unterbrochen sein kann. In gleicher Weise stellen die Schaltelemente 56', 58' einen zweiten
Stromversorgungspfad zwischen Anschlussklemmen 74, 76 der
Sicherheitsschaltvorrichtung 22 bereit. An die Anschlussklemmen 72, 76 sind
in der Anwendung gemäß 1 die
Schütze 24, 26 angeschlossen.
An den Anschlüssen 70, 74 liegt
die Arbeitsspannung 30 an, die ggf. in gleicher Weise,
wie hier beschrieben, durch die Sicherheitsschaltvorrichtung 18 geschleift
wird.
-
Die
zweiten Schaltpfade 68 aller vier Schaltelemente 56, 56', 58, 58' sind in diesem
Ausführungsbeispiel
in Reihe miteinander verbunden, und diese Reihenschaltung ist mit
einer Überwachungseinheit
verbunden, die in 2 mit der Bezugsziffer 78 bezeichnet
ist. Die Überwachungseinheit 78 kann zweikanalig
ausgebildet sein, was in 2 schematisch angedeutet ist.
Es ist jedoch auch möglich,
die Überwachungseinheit 78 einkanalig
auszubilden. Aufgabe der Überwachungseinheit 78 ist,
ein Testsignal 80 in die Reihenschaltung der zweiten Schaltpfade 68 der
Schaltelemente 56, 58, 56', 58' einzuspeisen. Wenn die Überwachungseinheit 78 das Testsignal 80 über die
genannten Schaltpfade zurücklesen
kann, bedeutet dies, dass sich sämtliche Schaltelemente
in der in 2 gezeigten Schaltposition befinden.
Die Stromversorgungspfade zu den Schützen 24, 26 sind
daher unterbrochen.
-
Die Überwachungseinheit 78 steht
mit einem Mikrocontroller 82 in Verbindung, der eine Auswerte- und
Steuereinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellt. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist nur ein Mikrocontroller 82 vorhanden, wenngleich die
Erfindung hierauf nicht beschränkt
ist. Der Mikrocontroller 82 ist dazu ausgebildet, die Schaltposition
der Schaltelemente 56, 58, 56', 58' einzustellen.
Außerdem
führt er
in der nachfolgend beschriebenen Weise Funktionstests durch, um
die Schaltfunktion der Schaltelemente 56, 58, 56', 58' zu überprüfen.
-
Die
Schaltelemente 56, 58 benötigen zum Umschalten eine Versorgungsspannung,
die an einer Leitung 84 bzw. einem Kondensator 86 anliegt.
Die Versorgungsspannung 84, 86 entspricht hier
weitgehend der Versorgungsspannung 42, die an den Anschlüssen 38, 40 der
Sicherheitsschaltvorrichtung 22 anliegt. Die Spannung auf
der Leitung 84 ist über
den Eingangskreis der Schaltelemente 56, 58 sowie
jeweils einen Transistor 90, 92 geführt. Mit
Hilfe der Transistoren 90, 92 kann der Mikrocontroller 82 den Erregerkreis
zu jedem Schaltelement 56, 58 schließen oder
unterbrechen. Bei geschlossenem Erregerkreis und einer Versorgungsspannung
am Kondensator 86 bzw. der Leitung 84, die höher ist
als die Anzugsspannung der Schaltelemente 56, 58,
schalten die Wechselschalter auf den ersten Schaltpfad 66 um.
Fehlt entweder die Versorgungsspannung auf der Leitung 84 (oder
sinkt die Spannung hier unter die Haltespannung der Schaltelemente)
oder unterbricht der Mikrocontroller 82 den Erregerkreis
mit Hilfe der Transistoren 90, 92, fallen die
Schaltelemente in ihre Default-Schaltposition zurück, in der
der zweite Schaltpfad 68 geschlossen ist. Die Stromversorgungspfade
zu den Schützen 24, 26 sind
dann unterbrochen.
-
Mit
der Bezugsziffer 88 ist eine Spannungs- und Resetschaltung
bezeichnet. Diese beinhaltet hier einen Spannungsregler (nicht gesondert
dargestellt), der aus der allgemeinen Versorgungsspannung 42 eine
individuelle Versorgungsspannung für den Mikrocontroller 82 erzeugt.
Außerdem
sorgt die Spannungs- und Resetschaltung 88 dafür, dass
der Mikrocontroller 38 nach jeder Spannungswiederkehr an
den Anschlüssen 38, 40 in
einer definierten Weise startet (Resetfunktion). In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet
die Spannungs- und Resetschaltung daher noch einen Impulsgenerator
(nicht gesondert dargestellt), der mit einem Reseteingang des Mikrocontrollers 82 verbunden
ist. Die Versorgungsspannungen für
den Mikrocontroller 82 und für die Schaltelemente 56, 58 werden
also beide aus der Versorgungsspannung 42 erzeugt, die
an dem Eingang der Sicherheitsschaltvorrichtung 22 anliegt.
Zur Entkopplung der beiden intern getrennten Versorgungsspannungen
ist ein Entkopplungsnetzwerk 94 vorgesehen, das im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
eine Diode und einen Widerstand 95 beinhaltet, die zusammen mit
dem Kondensator 86 ein RC-Glied bilden. Der Widerstand 95 bestimmt
die Ladezeit bis zum vollständigen
Aufladen des Kondensators 86. Daher bildet das RC-Glied
aus dem Widerstand 95 und dem Kondensator 86 ein
Zeitglied, das dafür
sorgt, dass die Versorgungsspannung für die Schaltelemente 56, 58 erst
mit einer gewissen Verzögerung,
gemessen von dem Anlegen der Versorgungsspannung 42 an
die Anschlüsse 38, 40,
erreicht ist.
-
Mit
der Bezugsziffer 96 ist ein sogenannter Watchdog bezeichnet,
der ein zweites Zeitglied beinhaltet. Der Watchdog 86 dient
einerseits dazu, die Funktion des Mikrocontrollers 82 in
an sich bekannter Weise zu überwachen.
Hierzu wartet der Watchdog 96 auf regelmäßig wiederkehrende
Impulse, die von dem Mik rocontroller 82 geliefert werden
müssen. Darüber hinaus
ist der Watchdog 86 mit mehreren UND-Gliedern 98 verbunden,
mit deren Hilfe er eine Übertragung
der Steuersignale vom Mikrocontroller 82 zu den Transistoren 90, 92 unterbinden
kann.
-
Die
Ansteuerung der Schaltelemente 56, 58 erfolgt
in diesem Ausführungsbeispiel
diversitär,
das heißt
mit voneinander verschiedenen Steuersignalen. Die Ansteuerung des
Schaltelements 56 (und des Schaltelements 56') erfolgt hier
mit einem dynamischen Steuersignal (definierte Impulsfolge), das der
Mikrocontroller 82 an einem Ausgang 100 bereitstellt.
Das Steuersignal 100 ist über ein UND-Glied sowie einen
Kondensator 102 zu dem Transistor 90 geführt. Der
Transistor 90 wird nur dann leitfähig, wenn der Mikrocontroller 82 die
Impulsfolge am Ausgang 100 mit der vorgesehenen Frequenz
und Amplitude erzeugt, und wenn der Watchdog 96 diese Impulsfolge
auf den Kondensator 102 durchschaltet.
-
Demgegenüber werden
die Schaltelemente 58, 58' vom Mikrocontroller 82 mit
einem statischen Signal 104 angesteuert. Alternativ hierzu
könnten
die Schaltelemente 56, 58 auch jeweils mit einem
dynamischen oder jeweils einem statischen Signal angesteuert werden,
wobei es generell bevorzugt ist, wenn sich die Steuersignale 100, 104 voneinander unterscheiden.
-
Bei
einer Fehlerbetrachtung der Wechselschalter 56, 58 nach
IEC 62061 sind folgende Fehler zu berücksichtigen:
- 1.
Die Wechselschalter 56, 58 verbleiben in der angeregten
(ersten) Schaltposition 66, obwohl der Eingangskreis entregt
(nicht angesteuert) ist.
- 2. Die Wechselschalter 56, 58 gehen trotz
Anregung des Eingangskreises nicht in die erste Schaltposition 66 über, sondern
verbleiben in der zweiten Default-Schaltposition 68.
- 3. Es besteht ein Schluss zwischen allen Anschlüssen 60, 62, 64.
-
Diese
Fehler lassen sich beherrschen, indem die Überwachungseinheit 78 die
Schaltfunktion der Wechselschalter 56, 58 zusammen
mit dem Mikrocontroller 82 testet, bevor der Stromversorgungspfad
zu dem Verbraucher geschlossen wird. Dazu erzeugt die Überwachungseinheit 78 das
Testsignal 80 und speist es in die Reihenschaltung der
zweiten Schaltpfade 68 ein. Wenn sich alle angeschlossenen Wechselschalter
in ihrem entregten Default-Zustand befinden, muss die Überwachungseinheit 78 das Testsignal 80 zurücklesen
können.
Im nächsten Schritt
wird nun beispielsweise der Wechselschalter 56 von dem
Mikrocontroller 82 umgeschaltet. Das Testsignal 80 darf
sich nun nicht mehr zurücklesen lassen,
wenn das Umschalten des Wechselschalters fehlerfrei funktionierte
und kein Kurzschluss zwischen den Anschlüssen 60, 62, 64 vorliegt.
Ist dieser Test bestanden, prüft
die Überwachungseinheit
der Reihe nach die weiteren Wechselschalter. Lässt sich das Testsignal 80 in
einem der Testfälle
zurücklesen, liegt
einer der oben genannten Fehler vor. Die Überwachungseinheit 78 informiert
den Mikrocontroller 82 entsprechend und ein Schließen des
Stromversorgungspfades zu den Schützen 24, 26 wird
verhindert. Bestehen hingegen sämtliche
Wechselschalter den Test, kann der Stromversorgungspfad zu den Schützen 24, 26 geschlossen
werden. Sollte ein Wechselschalter dabei nicht auf den ersten Schaltpfad 66 umschalten,
würde der angeschlossene
Verbraucher nicht einschalten können.
Trotz des (nicht getesteten) Fehlers wäre also ein sicherer Zustand
gewährleistet.
-
Diese
Funktionsweise ist anhand der Zeitdiagramme in 3 nochmals
bildlich dargestellt. Der oberste Zeitverlauf 110 zeigt
das Anlegen der Versorgungsspannung 42 an die Sicherheitsschaltvorrichtung 22,
sei es beim Einschalten der gesamten Anlage oder beim Schließen des
Not-Aus-Tasters 20. Es sei angenommen, dass der Not-Aus-Taster 20 zu
einem Zeitpunkt t1 betätigt wird, so dass die Versorgungsspannung 42 von
der Sicherheitsschaltvorrichtung 22 abgetrennt wird.
-
Der
zweite Zeitverlauf 112 zeigt die Versorgungsspannung für den Mikrocontroller 82,
die mit Hilfe der Spannungs- und Resetschaltung 88 erzeugt wird.
Während
einer ersten Zeitspanne 114 nach dem Anlegen der Versorgungsspannung
an den Mikrocontroller 82 (bzw. nach einem Reset) führt der Mikrocontroller 82 interne
Funktionstests durch, wie dies vom Betrieb von Mikrocontrollern
in Sicherheitsschaltvorrichtungen bekannt ist.
-
Der
dritte Zeitverlauf 116 zeigt den Verlauf der Versorgungsspannung
an den Erregerkreisen der Schaltelemente 56, 58.
Die Versorgungsspannung steigt hier zu Beginn langsamer an, was
auf das Zeitverhalten des RC-Gliedes 95, 86 zurückzuführen ist.
Die Dimensionierung der Bauelemente ist so gewählt, dass die Versorgungsspannung
an den Schaltelementen 56, 58 erst dann voll anliegt,
wenn der Mikrocontroller 82 seine internen Selbsttests
beendet hat.
-
Der
vierte Zeitverlauf 118 ist das Ausgangssignal am Watchdog 96.
Mit diesem Signal werden die Ausgänge 100, 104 des
Mikrocontrollers 82 zu den Transistoren 90, 92 an
den Schaltelementen 56, 58 durchgeschaltet. Erst
ab dem Zeitpunkt t2 ist der Mikrocontroller 82 also
in der Lage, die Schaltelemente 56, 58 anzusteuern.
-
Der
fünfte
Verlauf zeigt das Testsignal 80, das von der Überwachungseinheit 78 in
den Kreis der zweiten Schaltpfade 68 eingespeist wird.
-
In
den beiden nächsten
Verläufen
sind dann die Steuersignale 100 und 104 für die Schaltelemente 56, 58 gezeigt.
Zunächst
wird jeweils ein Steuersignal für
eine Zeitspanne 120 bzw. 122 aktiviert, wobei die
Zeitspannen 120, 122 versetzt zueinander sind. Außerdem liegen
die Steuersignale in den Zeitspannen 120, 122 zeitgleich
zu dem Testsignal 80. Wenn das Testsignal 80 während der
Zeitspannen 120 bzw. 122 von der Überwachungseinheit 78 nicht
mehr zurückgelesen
werden kann, was in 3 schematisch angedeutet ist,
war das Umschalten des entsprechenden Schaltelements 56, 58 erfolgreich.
Nach erfolgreichem Abschluss der Tests kann der Mikrocontroller 82 die
Schaltelemente 56, 58 in ihre erste Schaltposition 66 umschalten
und die Stromversorgungspfade zu den Schützen 24, 26 dadurch
schließen
(Zeitpunkt t3).
-
Das
unterste Diagramm zeigt schließlich
den Verlauf 124 der Arbeitsspannung 30 an den
Eingangskreisen der Schütze 24, 26.
Die Schütze 24, 26 können ab
dem Zeitpunkt t3 anziehen, der Roboter 12 kann
in Betrieb gehen. Wird zum Zeitpunkt t1 der Not-Aus-Taster 20 betätigt, fällt (nach
einer hier nicht be rücksichtigten
Entladezeit für
den Kondensator 86) die Versorgungsspannung für die Schaltelemente 56, 58 weg.
Außerdem
entfallen die Steuersignale 100, 104 für die Schaltelemente 56, 58.
beide Ereignisse bewirken, dass der Stromversorgungspfad zu den Schützen 24, 26 unterbrochen
wird.
-
In
weiteren Ausführungsbeispielen
kann die Funktionalität
der Überwachungseinheit 78 in
den Mikrocontroller 82 zumindest teilweise integriert sein. Bevorzugt
ist es beispielsweise, wenn das Testsignal 80 von dem Mikrocontroller 82 über einen
Optokoppler, eine kapazitive oder eine induktive Kopplung in den Überwachungskreis
der zweiten Schaltpfade eingekoppelt wird. Der hier als Überwachungseinheit 78 bezeichnete
Teil kann dann beispielsweise den Optokoppler oder einen Übertrager
beinhalten.
-
Des
Weiteren können
Ausführungsbeispiele der
Erfindung beinhalten, dass die Wechselschalter 56, 58 jeweils
mehrere parallele Schaltkontakte besitzen. In diesem Fall können die
Rücklesepfade
der Überwachungseinheit 78 parallel
geführt
werden.
-
Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Wechselschalter 56, 58 eine
eigene Überwachungseinheit 78 besitzen,
die ein für
den jeweiligen Wechselschalter individuelles Testsignal erzeugt.
Die Vielzahl der Überwachungseinheiten
kann dann mit dem Mikrocontroller 82 verbunden sein, um
die Ergebnisse der Funktionstests dem Mikrocontroller 82 zu
melden. Außerdem
können
die zweiten Schaltpfade der Wechselschalter 56, 58 in
Reihe zueinander verbunden sein, während die zweiten Schaltpfade
der Wechselschalter 56', 58' eine zweite
Reihenschaltung bilden, die getrennt von der Reihenschaltung der
Wechselschalter 56, 58 ausgebildet ist.
-
Schließlich kann
die vorliegende Erfindung auch mit „konventionellen" Schaltelementen
am Ausgang der Sicherheitsschaltvorrichtung
22 realisiert sein,
sie es mit zwangsgeführten
Relais oder mit Halbleiterschaltelementen, wie sie in
DE 100 11 211 A1 gezeigt
sind.