DE102007002953A1

DE102007002953A1 - Schaltungsanordnung zur Ausgabe eines Schaltsignals

Info

Publication number: DE102007002953A1
Application number: DE102007002953A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Lohmann; Joachim Koperski; Paul Hartl
Original assignee: Leuze Lumiflex GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Lumiflex GmbH and Co KG
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2008-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1) zur Ausgabe eines Schaltsignals an eine externe Last (2), mit einem Schaltmittel zur Generierung der Schaltzustände des Schaltsignals und einer Rechnereinheit (4), mittels derer das Schaltmittel ansteuerbar ist. Zur Durchführung einer Fehlerkontrolle wird das Schaltmittel für eine vorgegebene Zeitdauer umgeschaltet. Ein dadurch generiertes analoges Messsignal, dessen Signalverlauf durch Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung (1) im fehlerfreien Fall zumindest weitgehend unabhängig von der Art der fehlerfreien externen Last (2) ist, wird in die Rechnereinheit (4) zur Analyse von Fehlerzuständen eingelesen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ausgabe eines Schaltsignals.
Schaltungsanordnungen dieser Art werden insbesondere bei Geräten eingesetzt, die im Bereich der Sicherheitstechnik verwendet werden. Derartige Geräte können von optischen Sensoren wie Lichtgittern, scannenden Distanzsensoren oder dergleichen gebildet sein, mittels derer ein Gefahrenbereich an einer Maschine oder Anlage überwacht wird. In einem derartigen Sensor wird ein binäres Schaltsignal generiert, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt im Gefahrenbereich befindet oder nicht. Befindet sich kein Objekt im Gefahrenbereich, liegt kein Gefahrenzustand vor. Entsprechend wird über das Schaltsignal in diesem Fall die Maschine oder Anlage in Betrieb gesetzt. Befindet sich ein Objekt im Gefahrenbereich liegt ein Gefahrenzustand vor. Entsprechend wird über das Schaltsignal in diesem Fall die Maschine oder Anlage außer Betrieb gesetzt.
Derartige Geräte, insbesondere Sensoren, weisen Ausgangsschaltungen bildende Schaltungsanordnungen auf, über welche das Schaltsignal an eine externe Last wie beispielsweise ein Schütz oder eine Steuerung ausgibt, mittels derer dann die betreffende Maschine oder Anlage gesteuert wird.
Um die Geräte, beziehungsweise Sensoren, in dem Bereich der Sicherheitstechnik einsetzen zu können, müssen diese eine dem geforderten Sicherheitsniveau Fehlersicherheit aufweisen. Dies gilt insbesondere auch für die Ausgangsschaltungen bildenden Schaltungsanordnungen derartiger Geräte. Dementspre chend müssen die Schaltungsanordnungen mittels geeigneter Verfahren zur Fehleraufdeckung geprüft werden.
Eine derartige Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zu deren Überprüfung ist aus der DE 100 59 751 B4 bekannt. Die dort beschriebene Schaltungsanordnung dient zur Überprüfung eines Ausganges eines elektrischen Bauteils auf hochohmige Verbindung zu Versorgungsspannung, wobei das Bauteil und/oder dessen Anschlussleitung eine Kapazität aufweisen.
Mittels eines Schalters erfolgt ein kurzzeitiges, unvollständiges Entladen der Kapazität auf eine Restspannung wobei eine Sample & Hold-Schaltung diese Restspannung speichert.
Eine mit dem Ausgang des elektrischen Bauteils verbundene Konstantstromquelle dient zum weiteren Entladen der Kapazität während einer vorgegebenen Zeitdauer. In einer Differenzspannungsmesseinrichtung wird eine Spannungsdifferenz zwischen der Restspannung und der Entladespannung an der Konstantstromquelle gemessen. Eine an die Differenzspannungsmesseinrichtung angeschlossene Ausgabeeinheit dient zur Ausgabe eines Fehlersignals, wenn die Entladespannung gleich oder größer der gespeicherten Restspannung bleibt.
Nachteilig hierbei ist, dass zur Fehlerkontrolle lediglich zwei Messpunkte herangezogen werden, so dass unterschiedliche Fehlerbilder des Bauteils nur unzureichend unterschieden werden können. Weiterhin kann die Schaltungsanordnung selbst nur unzureichend auf Fehler geprüft werden. Schließlich ist die Fehlerkontrolle auf einen bestimmten Typ eines Bauteils, das heißt einer externen Last mit einer Kapazität und einem Widerstand beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine umfassende, von der jeweils angeschlossenen Last weitgehend unabhängige Fehlerkontrolle für eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zur Ausgabe eines Schaltsignals an eine externe Last und umfasst Schaltmittel zur Generierung der Schaltzustände des Schaltsignals sowie eine Rechnereinheit, mittels derer das Schaltmittel ansteuerbar ist. Zur Durchführung einer Fehlerkontrolle wird das Schaltmittel für eine vorgegebene Zeitdauer umgeschaltet. Ein dadurch generiertes analoges Messsignal, dessen Signalverlauf durch Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung im fehlerfreien Fall zumindest weitgehend unabhängig von der Art der externen Last ist, wird in die Rechnereinheit zur Analyse von Fehlerzuständen eingelesen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das zur Fehlerkontrolle generierte Messsignale durch Vorsehen geeigneter Schaltungskomponenten in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zumindest für den fehlerfreien Fall weitgehend unabhängig von der externen Last sind. Dies bedeutet, dass das Messsignal unabhängig von der externen Last zur Fehlerkontrolle verwendet werden kann, das heißt durch die Auswertung des Messsignals können für unterschiedliche an die Schaltungsanordnung angeschlossene Lasten zuverlässig Fehler der Schaltungsanordnung selbst oder auch in der externen Last aufgedeckt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Fehlerkontrolle ein analoges Messsignal generiert wird, dessen zeitlicher Verlauf in der Schaltungsanordnung zur Aufdeckung von Fehlern in der Rechnereinheit ausgewertet wird.
Da somit nicht nur einzelne diskrete Messpunkte sondern ein Messkurvenverlauf eines Messsignals ausgewertet wird, ist eine umfassende und detaillierte Analyse unterschiedlicher Fehlerbilder möglich. Da diese Messsignalkurven weitgehend lastunabhängig sind, können diese mit einfachen Auswerteroutinen in der Rechnereinheit zur Aufdeckung auch komplexer Fehlerbilder ausgewertet werden.
Zu diesen Fehlern, die in der Schaltungsanordnung aufgedeckt werden können, zählen neben den niederohmigen Verbindungen insbesondere auch hochohmige Verbindungen, das heißt direkte oder indirekte Schlüsse gegen Versorgungsspannung. Indirekte Schlüsse können insbesondere bei zweikanalig ausgebildeten Schaltungsanordnungen auftreten, bei welchen das Schaltsignal über zwei Schaltausgänge angegeben wird. In diesem Fall kann ein Querschluss zwischen beiden Schaltausgängen aufgedeckt werden. Weiterhin können bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung interne Schlüsse in der Schaltungsanordnung selbst oder auch externe Schlüsse in der angeschlossenen Last aufgedeckt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden als Schaltungskomponenten zur Generierung eines weitgehend lastunabhängigen Messsignals eine Konstantstromquelle und eine Diode verwendet.
Weiterhin wird das analoge Messsignal über einen Analog-Digital-Wandler in die Rechnereinheit eingelesen und steht dann dort zur Auswertung direkt zur Verfügung. Vorteilhaft wird dabei zur Fehlerkontrolle die jeweils eingelesene Messsignalkurve mit in der Rechnereinheit abgespeicherten Sollsignalkurven verglichen.
Die so aufgebaute Schaltungsanordnung weist eine geringe Anzahl von diskreten Schaltungselementen auf und ist somit rationell und kostengünstig herstellbar.
Die Fehlerkontrolle der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfolgt zweckmäßig zyklisch innerhalb vorgegebener Testzyklen. Die Fehlerkontrolle in der Schaltungsanordnung erfolgt dabei generell derart, dass dadurch der Be triebszustand der an die Schaltungsanordnung angeschlossenen Last unverändert bleibt, das heißt die Funktion der Last wird durch den Funktionstest nicht beeinträchtigt. Zweckmäßigerweise wird hierzu das Schaltmittel so kurzzeitig umgeschaltet, dass sich dadurch der Betriebszustand der Last nicht ändert.
Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
1: Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Ausgabe eines Schaltsignals.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 1 zur Ausgabe eines Schaltsignals an eine externe Last 2. Die Schaltungsanordnung 1 ist Bestandteil eines in der Sicherheitstechnik einsetzbaren Geräts, insbesondere eines optischen Sensors zur Überwachung eines Gefahrenbereichs an einer Maschine oder dergleichen. In diesem Fall wird mit dem Sensor überwacht, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder nicht. In Abhängigkeit hiervon wird das binäre Schaltsignal generiert, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder nicht. Zur Vermeidung von Gefährdungen von Personen wird die Maschine außer Betrieb gesetzt, falls sich ein Objekt im Gefahrenbereich befindet. Die Maschine wird dagegen in Betrieb gesetzt, wenn sich kein Objekt im Gefahrenbereich befindet. Hierzu wird das Schaltsignal an die externe Last 2 ausgegeben, welches dann die Maschine entsprechend ansteuert. Die Last 2 kann generell von einem Schütz, einer Steuerung oder dergleichen gebildet sein. Für den Fall, dass die Last 2 von einem Schütz gebildet ist, sind dessen Betriebszustände „Schütz angezogen oder abgefallen" durch den Schaltzustand des Schaltsignals vorgegeben.
Die Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 weist einen einkanaligen Aufbau auf. Dementsprechend weist die Schaltungsanordnung 1 einen eine Leitung 3 aufweisenden Schaltausgang auf, über welchen das Schaltsignal an die Last 2 ausgegeben wird. Die Schaltungsanordnung umfasst als wesentliche Komponenten eine Rechnereinheit 4 sowie eine aus diskreten Schaltungskomponenten bestehende Ausgangsschaltung 5 zur Ausgabe des Schaltsignals. Bei einer zweikanaligen Ausführung der Schaltungsanordnung 1 sind diese Komponenten doppelt vorhanden, so dass dementsprechend auch zwei Schaltausgänge vorgesehen sind.
Die Rechnereinheit 4 der Schaltungsanordnung 1 ist von einem Microcontroller oder einem digitalen Signalprozessor gebildet. In der Rechnereinheit 4 ist ein Analog-Digital-Wandler 6 integriert. Die Ausgangsschaltung 5 weist Schaltmittel in Form eines Low-Side-Treibers 7 und eines High-Side-Treibers 8 auf. Der Low-Side-Treiber 7 und der High-Side-Treiber 8 sind als Halbleiterschalter, insbesondere in Form von Transistoren ausgebildet. Mit dem Low-Side-Treiber 7 erfolgt ein Schalten der den Schaltausgang bildenden Leitung 3 gegen Massepotential. Mit dem High-Side-Treiber 8 erfolgt ein Schalten der Leitung 3 gegen Versorgungsspannung V_B, wobei der Ausgang des High-Side-Treibers 8 über am Widerstand 8a auf Versorgungsspannung V_B geführt ist. Der Low-Side-Treiber 7 wird über eine Zuleitung 9 von der Rechnereinheit 4 gesteuert. Der High-Side-Treiber 8 wird über eine Zuleitung 10 ebenfalls von der Rechnereinheit 4 gesteuert. Durch die Steuerung des Low-Side-Treibers 7 und des High-Side-Treibers 8 werden über die Rechnereinheit 4 die den Schaltzuständen des Schaltsignals entsprechenden Signalpegel auf der Leitung 3 vorgegeben.
Die Ausgangsschaltung weist weiterhin eine Konstantstromquelle 11 und eine Diode 12 auf. Die Konstantstromquelle 11 wird über eine weitere Zuleitung 13 von der Rechnereinheit 4 aus angesteuert.
Die externe Last 2 ist in 1 pauschal als Ersatzschaltbild mit einer Kapazität 14 und einem Widerstand 15 charakterisiert.
Bei Schützen sind beispielsweise auch induktive Last-Charakteristiken möglich.
Zur Erfüllung der Anforderungen für den Einsatz im Bereich der Sicherheitstechnik wird für die Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 zyklisch eine Fehlerkontrolle durchgeführt. Diese Fehlerkontrolle wird derart durchgeführt, dass ich hierdurch der Betriebszustand der angeschlossenen Last 2 nicht ändert.
Die Fehlerkontrolle wird über die Rechnereinheit 4 gesteuert. Innerhalb eines Testzyklus wird dabei generell ein Messsignal als Antwort auf ein Umschalten der Schaltmittel der Schaltungsanordnung 1 ausgewertet.
Im vorliegenden Fall wird zu Beginn eines Testzyklus zunächst der High-Side-Treiber 8 geöffnet und dann über die Zuleitung 9 der Low-Side-Treiber 7 kurzzeitig umgeschaltet. Dabei wird in diesem Ausführungsbeispiel der Low-Side-Treiber 7 kurzzeitig so geschaltet, dass die Leitung 3 des Schaltausgangs mit Massepotential verbunden wird. Dadurch wird die Kapazität der Last vorentladen. Dann wird der Low-Side-Treiber 7 wieder geöffnet. Dann wird die Schaltung definiert über die Konstantstromquelle 11 geladen. Das dadurch an der Leitung 3 generierte analoge Messsignal wird über die Diode 12 geführt und über den Analog-Digital-Wandler 6 in die Rechnereinheit 4 eingelesen.
Der zeitliche Verlauf des Messsignals steht somit als analoge Messsignalkurve in der Rechnereinheit 4 zur Verfügung. Zur Aufdeckung unterschiedlicher Fehler wird diese Messsignalkurve in der Rechnereinheit 4 mit einer Sollsignalkurve verglichen. Aus den spezifischen Abweichungen der Messsignalkurve von der Sollsignalkurve können unterschiedliche Fehlerbilder voneinander unterschieden werden. Beispielsweise deutet ein starker Signalanstieg nach Öffnen des Low-Side-Treibers 7 auf einen harten Kurzschluss nach Versorgungsspannung V_B hin.
Während eines Testzyklus wird die Konstantstromquelle 11 eingeschaltet. Die Konstantstromquelle 11 bildet mit der Diode 12 Schaltungskomponenten, mittels derer erreicht wird, dass die Messsignalkurve im fehlerfreien Fall und auch bei bestimmten Fehlerbildern weitgehend unabhängig von der spezifischen Ausbildung der Last 2 ist. Dies bedeutet, dass unabhängig davon, ob eine induktive oder kapazitive Last 2 oder dergleichen an die Schaltungsanordnung 1 angeschlossen ist, zumindest in fehlerfreiem Fall nahezu dieselbe Messsignalkurve erhalten wird.
Durch diese weitgehende Invarianz der Messsignalkurve kann die Fehlerkontrolle in der Rechnereinheit 4 mit einfachen Auswerteroutinen durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass nur eine begrenzte Anzahl von Sollsignalkurven in der Rechnereinheit 4 hinterlegt werden muss, um durch deren Vergleich mit den jeweiligen Messsignalkurven unterschiedliche Fehler aufdecken zu können.
Zu den aufdeckbaren Fehlern gehören insbesondere hochohmige Verbindungen zu Versorgungsspannung, wobei hier generell direkte und indirekte Schlüsse gegen Versorgungsspannung aufdeckbar sind. Bei indirekten Schlüssen kann es sich insbesondere um Querschlüsse zwischen den Schaltzausgängen einer zweikanaligen Schaltungsanordnung 1 handeln.
Generell können hierbei interne und externe Schlüsse, das heißt Schlüsse innerhalb der Schaltungsanordnung 1 selbst oder in den Leitungen 3 zur Last 2 oder in dieser selbst aufgedeckt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist eine kapazitive Last 2 mit einem Widerstand 15 und einer Kapazität 14 (beispielsweise ein SPS-Eingang) an die Schaltungsanordnung 1 angeschlossen. Zu Beginn eines Testzyklus wird der High-Side-Treiber 8 ausgeschaltet und dann der Low-Side-Treiber 7 kurzzeitig über die Rechnereinheit 4 umgeschaltet, so dass die Leitung 3 des Schaltausgangs mit Massepotential verbunden ist. Dies führt zu einer Entladung der Kapazität 14 der Last 2. Da die Abschaltung des Schaltausgangs so schnell erfolgt, bleibt der Betriebszustand der Last 2 während des Testzyklus unverändert.
Im fehlerfreien Fall wird durch das Umschalten des Low-Side-Treibers 7 die Diode 12 über die eingeschaltete Konstantstromquelle 11 entladen, so dass das Messsignal nach Umschalten des Low-Side-Treibers 7 abfällt. Bei Vorliegen eines Schlusses gegen Versorgungsspannung fällt die Spannung an der Diode 12 jedoch nicht ab, so dass auf das Umschalten des Low-Side-Treibers 7 das Messsignal nicht abfällt, sondern ansteigt. Dieser Fehler kann durch Vergleich der Messsignalkurve mit der Sollsignalkurve, die den fehlerfreien Fall repräsentiert, aufgedeckt werden.

1: Schaltungsanordnung
2: Last
3: Leitung
4: Rechnereinheit
5: Ausgangsschaltung
6: Analog-Digital-Wandler
7: Low-Side-Treiber
8: High-Side-Treiber
9: Zuleitung
10: Zuleitung
11: Konstantstromquelle
12: Diode
13: Zuleitung
14: Kapazität
15: Widerstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10059751 B4 [0005]

Claims

Schaltungsanordnung (1) zur Ausgabe eines Schaltsignals an eine externe Last (2), mit einem Schaltmittel zur Generierung der Schaltzustände des Schaltsignals, mit einer Rechnereinheit (4), mittels derer das Schaltmittel ansteuerbar ist, wobei zur Durchführung einer Fehlerkontrolle das Schaltmittel für eine vorgegebene Zeitdauer umgeschaltet wird und ein dadurch generiertes analoges Messsignal, dessen Signalverlauf durch Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung im fehlerfreien Fall zumindest weitgehend unabhängig von der Art der fehlerfreien externen Last (2) ist, in die Rechnereinheit (4) zur Analyse von Fehlerzuständen eingelesen wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal dem durch den Schaltvorgang des Schaltmittels beeinflussten Schaltsignal entspricht.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal über einen Analog-Digital-Wandler (6) in eine Rechnereinheit (4) eingelesen wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (4) von einem Microcontroller oder digitalen Signalprozessor gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (6) in der Rechnereinheit (4) integriert ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dg der Rechnereinheit (4) ein externer Analog-Digital-Wandler (6) zugeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltungskomponenten zur Generierung eines von der Last (2) zumindest weitgehend unabhängigen Messsignals eine Konstantstromquelle (11) und eine Diode (12) vorgesehen sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für diese zyklisch innerhalb vorgegebener Testzyklen eine interne und externe Fehlerkontrolle durchführbar ist, wobei innerhalb eines Testzyklus die Konstantstromquelle (11) eingeschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal über die Diode (12) dem Analog-Digital-Wandler (6) zugeführt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltmittel ein Low-Side-Treiber (7) und ein High-Side-Treiber (8) vorgesehen sind, wobei mittels des Low-Side-Treibers (7) ein Schalten der das Schaltsignal führenden Leitung (3) auf Massepotential und mittels des High-Side-Treibers (8) ein Schalten der Leitung (3) auf ein Bezugspotential erfolgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Testzyklus der High-Side-Treiber (8) geöffnet und dann der Low-Side-Treiber (7) umgeschaltet wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fehlerkontrolle der Betriebszustand der Last (2) unverändert bleibt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten des Schaltmittels zur Fehlerkontrolle so kurzzeitig erfolgt, dass sich der Betriebszustand der Last (2) nicht ändert.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen zweikanaligen Aufbau aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fehlerkontrolle die zeitlichen Verläufe der Messsignale mit Sollsignalkurven verglichen werden.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fehlerkontrolle direkte oder indirekte Schlüsse gegen Versorgungsspannung aufdeckbar sind.