DE102023106235A1 - Functionally secure release path - Google Patents
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Abstract
Ein funktional sicherer Freigabepfad (1), ausgebildet zum gemäß einer Sicherheitsstufe einer Norm funktional sicheren Schalten eines elektrischen Verbrauchers (4), umfassend ein erstes Relais (8) und ein zweites Relais (10), dessen Arbeitskontakte in Reihe zu den Arbeitskontakten des ersten Relais (8) geschaltet sind, soll sich für höhere Sicherheitsstufen eignen und dabei ohne mechanisch komplexe Bauteile auskommen. Dazu umfasst er einen ersten und einen zweiten Detektionsstromkreis (20, 22), wobei der erste Detektionsstromkreis (20) die Arbeitskontakte des ersten Relais (8) umfasst und der zweite Detektionsstromkreis (22) die Arbeitskontakte des zweiten Relais (10) umfasst, eine dem ersten und dem zweiten Detektionsstromkreis (20, 22) zugeordnete Hochfrequenzsignalquelle, und eine dem ersten Detektionsstromkreis (20) zugeordnete erste Hochfrequenzdetektionseinrichtung und eine dem zweiten Detektionsstromkreis (22) zugeordnete zweite Hochfrequenzdetektionseinrichtung.A functionally safe release path (1), designed for the functionally safe switching of an electrical consumer (4) in accordance with a safety level of a standard, comprising a first relay (8) and a second relay (10), the working contacts of which are connected in series with the working contacts of the first relay (8), is intended to be suitable for higher safety levels and to manage without mechanically complex components. For this purpose, it comprises a first and a second detection circuit (20, 22), the first detection circuit (20) comprising the working contacts of the first relay (8) and the second detection circuit (22) comprising the working contacts of the second relay (10), a high-frequency signal source assigned to the first and the second detection circuit (20, 22), and a first high-frequency detection device assigned to the first detection circuit (20) and a second high-frequency detection device assigned to the second detection circuit (22).
Description
Die Erfindung betrifft einen funktional sicheren Freigabepfad, ausgebildet zum gemäß einer Sicherheitsstufe einer Norm funktional sicheren Schalten eines elektrischen Verbrauchers, umfassend ein erstes Relais und ein zweites Relais, dessen Arbeitskontakte in Reihe zu den Arbeitskontakten des ersten Relais geschaltet sind.The invention relates to a functionally safe release path, designed for functionally safe switching of an electrical consumer according to a safety level of a standard, comprising a first relay and a second relay, the working contacts of which are connected in series with the working contacts of the first relay.
Im industriellen Bereich werden funktional sichere Freigabepfade in Sicherheitsrelais und Sicherheitssteuerungen verwendet, um elektrische Verbraucher sicher ein- und auszuschalten, die Gefahrenpotential für Mensch und Material bergen. Derartige elektrische Verbraucher sind z.B. Pressen, Fräswerkzeuge, Brenner etc. Hierzu wird die Stromversorgung für den elektrischen Verbraucher über den funktional sicheren Freigabepfad gesteuert, der zur Erfüllung der einschlägigen Sicherheitsvorschriften und -zertifizierungen hinsichtlich der funktionalen Sicherheit ausgelegt ist.In the industrial sector, functionally safe release paths are used in safety relays and safety controls to safely switch electrical consumers on and off that pose a potential danger to people and materials. Such electrical consumers include presses, milling tools, burners, etc. To do this, the power supply for the electrical consumer is controlled via the functionally safe release path, which is designed to meet the relevant safety regulations and certifications with regard to functional safety.
Die oben genannten Normen definieren in der Regel bestimmte Stufen der Sicherheit, deren Erforderlichkeit je nach Anwendungsfall bestimmt wird. Dies geschieht mittels einer Bewertung des Risikos anhand von Schadensausmaß, Häufigkeit und Aufenthaltsdauer und Möglichkeit zur Vermeidung der Gefährdung. Abhängig von der geforderten Sicherheitsstufe ergeben sich dann für das Sicherheitsrelais oder die Sicherheitssteuerung mit dem Freigabepfad entsprechende Anforderungen, um diese Stufe zu erfüllen. In höheren Stufen ist es dabei erforderlich, dass ein Verschweißen eines Relaiskontakts beherrscht werden kann. Dabei soll nicht nur gewährleistet sein, dass trotz des genannten Fehlers ein sicheres Abschalten des elektrischen Verbrauchers erfolgt, z.B. durch Redundanz in Form von zwei in Reihe geschalteten Relais, sondern dass insbesondere auch ein Wiedereinschalten des elektrischen Verbrauchers vermieden wird.The standards mentioned above generally define certain levels of safety, the need for which is determined depending on the application. This is done by assessing the risk based on the extent of damage, frequency and duration of exposure and the possibility of avoiding the hazard. Depending on the required level of safety, the safety relay or the safety controller with the release path must meet the corresponding requirements in order to meet this level. At higher levels, it is necessary to be able to control the welding of a relay contact. This should not only ensure that the electrical consumer is switched off safely despite the fault mentioned, e.g. through redundancy in the form of two relays connected in series, but also that the electrical consumer is prevented from being switched on again.
Hierfür wurden in der Vergangenheit häufig sogenannte zwangsgeführte Relais (auch: Relais mit zwangsgeführten Kontakten) verwendet. Ein zwangsgeführtes Relais weist einen Schließerkontakt und Öffnerkontakte auf, die derart mechanisch miteinander gekoppelt sind, dass verhindert wird, dass Schließer und Öffner gleichzeitig geschlossen sind. Hierdurch steht ein Kontakt für die eigentliche Schaltfunktion zur Verfügung, währende der andere Kontakt zur Überprüfung des Schaltzustands in Verbindung mit einer geeigneten Schaltung verwendet werden kann.In the past, so-called force-guided relays (also: relays with force-guided contacts) were often used for this purpose. A force-guided relay has a normally open contact and normally closed contacts that are mechanically coupled to one another in such a way that the normally open and normally closed contacts are prevented from being closed at the same time. This means that one contact is available for the actual switching function, while the other contact can be used to check the switching state in conjunction with a suitable circuit.
Ein derartig zwangsgeführtes Relais ist zwar sehr zuverlässig, jedoch technisch vergleichsweise aufwändig. Es gibt daher Bestrebungen, entsprechend überprüfbare Schaltungen auch ohne zwangsgeführte Relais auszuführen.Such a positively driven relay is very reliable, but technically relatively complex. There are therefore efforts to implement circuits that can be checked accordingly without positively driven relays.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen funktional sicheren Freigabepfad der eingangs genannten Art anzugeben, der sich für höhere Sicherheitsstufen eignet und dabei ohne mechanisch komplexe Bauteile auskommt.Against this background, it is the object of the invention to provide a functionally safe release path of the type mentioned above, which is suitable for higher safety levels and does not require mechanically complex components.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen ersten und einen zweiten Detektionsstromkreis, wobei der erste Detektionsstromkreis die Arbeitskontakte des ersten Relais umfasst und der zweite Detektionsstromkreis die Arbeitskontakte des zweiten Relais umfasst, eine dem ersten und dem zweiten Detektionsstromkreis zugeordnete Hochfrequenzsignalquelle, und eine dem ersten Detektionsstromkreis zugeordnete erste Hochfrequenzdetektionseinrichtung und eine dem zweiten Detektionsstromkreis zugeordnete zweite Hochfrequenzdetektionseinrichtung.This object is achieved according to the invention by a first and a second detection circuit, wherein the first detection circuit comprises the working contacts of the first relay and the second detection circuit comprises the working contacts of the second relay, a high-frequency signal source assigned to the first and the second detection circuit, and a first high-frequency detection device assigned to the first detection circuit and a second high-frequency detection device assigned to the second detection circuit.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Kontaktpositionen von Schließer-/Öffner-Kontakten mit einem potentialfreien Testkreis auf deren Schaltzustand hin überprüft werden sollten, und zwar ohne die Signale am Lastkreis, also über den Freigabepfad zu beeinträchtigen. Dies kann erfolgen, indem über die Schalter ein hochfrequentes Signal eingekoppelt wird, welches durch eine Hochfrequenzsignalquelle erzeugt und mit separaten Hochfrequenzdetektionseinrichtungen gemessen wird.The invention is based on the idea that the contact positions of normally open/closed contacts should be checked for their switching state using a potential-free test circuit, without affecting the signals on the load circuit, i.e. via the enable path. This can be done by coupling a high-frequency signal via the switches, which is generated by a high-frequency signal source and measured with separate high-frequency detection devices.
Vorteilhafterweise ist die Sicherheitsstufe einer Norm die SIL3 der EN IEC 62061 und/oder die PLe der EN ISO 13849-1, jeweils in der am Anmeldetag dieser Anmeldung aktuellen Fassung. Die Definitionen dieser Sicherheitsstufen in den genannten Normen werden durch Verweis in diese Anmeldung aufgenommen. Die Sicherheitsstufen SIL3 und PLe stellen dabei vergleichsweise hohe Stufen dar. Das bedeutet, dass wenn ein einzelner Fehler auftritt, von dem Sicherheitsrelais oder der -steuerung keine Gefahr für Leib und Leben ausgehen darf. Idealerweise wird der Fehler aufgedeckt und das Gerät geht in den sicheren Zustand. Im Falle, dass ein Fehler nicht aufgedeckt wird, muss sichergestellt sein das bei einem möglichen zweiten Fehler ebenfalls keine Gefahr besteht. Ein besonderer Vorteil der Verwendung von Hochfrequenz für die Detektion der Kontaktpositionen besteht nämlich darin, dass die genannten hohen Stufen PLe und SIL3 - ggf. in Verbindung mit unten genannten weiteren Maßnahmen - erreicht werden können.Advantageously, the safety level of a standard is SIL3 of EN IEC 62061 and/or PLe of EN ISO 13849-1, each in the version current on the filing date of this application. The definitions of these safety levels in the standards mentioned are incorporated into this application by reference. The safety levels SIL3 and PLe represent comparatively high levels. This means that if a single error occurs, the safety relay or control must not pose a danger to life and limb. Ideally, the error is detected and the device goes into the safe state. If an error is not detected, it must be ensured that there is no danger in the event of a second error. A particular advantage of using high frequency to detect contact positions is that the high levels PLe and SIL3 mentioned can be achieved - if necessary in conjunction with the other measures mentioned below.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind Hochfrequenzsignalquelle und Hochfrequenzdetektionseinrichtungen kapazitiv von den Arbeitskontakten der Relais entkoppelt. Durch geeignete Wahl der Koppelkapazitäten ist es so möglich, eine Undurchlässigkeit für die technischen Frequenzen (DC, 16,7 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 400 Hz) auf dem Lastkreis zu erreichen, aber dennoch die hochfrequenten Testsignale einzukoppeln, um die Kontaktpositionen prüfen zu können. Mit anderen Worten: Die Koppelkapazität ist jeweils vorteilhafterweise so gewählt, dass ihre Impedanz Xc für die technischen Frequenzen auf dem Lastkreis größer als 1 MΩ ist, während sie für das hochfrequente Signal kleiner als 1 kΩ ist.In a further advantageous embodiment, the high-frequency signal source and high-frequency detection devices are capacitively decoupled from the working contacts of the relays. By suitable selection of the By using coupling capacitances, it is possible to achieve impermeability for the technical frequencies (DC, 16.7 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 400 Hz) on the load circuit, but still couple in the high-frequency test signals in order to be able to check the contact positions. In other words: the coupling capacitance is advantageously chosen in such a way that its impedance X c is greater than 1 MΩ for the technical frequencies on the load circuit, while it is less than 1 kΩ for the high-frequency signal.
Die Hochfrequenzsignalquelle ist vorteilhafterweise für eine galvanische Trennung einer Ansteuerschaltung von den Detektionsstromkreisen ausgebildet. Dies dient dazu, die mit vergleichsweise geringen Strömen und Spannungen betriebene potentialfreie Detektionsschaltung von den vergleichsweise hohen Strömen, Spannungen und Potentialen im Freigabepfad zu trennen. Dies kann insbesondere erfolgen, indem die Hochfrequenzsignalquelle einen Transformator umfasst, das Hochfrequenzsignal also induktiv in die Detektionsstromkreise gekoppelt wird.The high-frequency signal source is advantageously designed for galvanic isolation of a control circuit from the detection circuits. This serves to isolate the potential-free detection circuit, which is operated with comparatively low currents and voltages, from the comparatively high currents, voltages and potentials in the enable path. This can be done in particular by the high-frequency signal source comprising a transformer, i.e. the high-frequency signal is inductively coupled into the detection circuits.
Weiterhin ist vorteilhafterweise auch die jeweilige Hochfrequenzdetektionseinrichtung für eine galvanische Trennung einer Auswerteschaltung vom jeweiligen Detektionsstromkreis ausgebildet. Auch dies dient dazu, die mit vergleichsweise geringen Strömen und Spannungen betriebene Auswerteschaltung von den vergleichsweise hohen Strömen und Spannungen im Freigabepfad zu trennen. Dies kann insbesondere erfolgen, indem die jeweilige Hochfrequenzdetektionseinrichtung einen Optokoppler oder Übertrager umfasst, das Hochfrequenzsignal also optisch oder induktiv aus dem Detektionsstromkreis ausgekoppelt wird.Furthermore, the respective high-frequency detection device is advantageously designed for galvanic isolation of an evaluation circuit from the respective detection circuit. This also serves to separate the evaluation circuit, which is operated with comparatively low currents and voltages, from the comparatively high currents and voltages in the enable path. This can be done in particular by the respective high-frequency detection device comprising an optocoupler or transformer, i.e. the high-frequency signal is optically or inductively coupled out of the detection circuit.
Die Hochfrequenzsignalquelle erzeugt vorteilhafterweise ein Hochfrequenzsignal von 100 kHz oder mehr in den Detektionsstromkreisen. Derartig hohe Frequenzen vereinfach die oben erläuterte Wahl geeigneter Kapazitäten für die Kopplung und sind unproblematisch hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die eigentliche Funktion im Freigabepfad.The high-frequency signal source advantageously generates a high-frequency signal of 100 kHz or more in the detection circuits. Such high frequencies simplify the selection of suitable capacitances for the coupling as explained above and are unproblematic with regard to their effects on the actual function in the release path.
In einer weiteren alternativen oder zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung ist das zweite Relais als Wechsler ausgebildet, und der zweite Detektionsstromkreis umfasst diejenigen Arbeitskontakte des zweiten Relais, die den zu einem Schaltpfad alternativen Pfad des Wechslers bilden. Mit anderen Worten, der Detektionsstromkreis ist nicht geschlossen, wenn das Relais im Freigabezustand des Freigabepfades ist, der elektrische Verbraucher also eingeschaltet wird, sondern er ist dann geschlossen, wenn der Verbraucher abgeschaltet ist und der Freigabepfad unterbrochen ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht die Detektion eines Signals (also eine logischen 1) im Detektionsstromkreis im ausgeschalteten Zustand des Relais anstatt im eingeschalteten Zustand. Der Vorteil hierbei ist, dass hierdurch aktiv geprüft werden kann, ob der Freigabepfad tatsächlich unterbrochen ist.In a further alternative or additional advantageous embodiment, the second relay is designed as a changeover contact, and the second detection circuit comprises those working contacts of the second relay that form the changeover contact's alternative path to a switching path. In other words, the detection circuit is not closed when the relay is in the enable state of the enable path, i.e. the electrical consumer is switched on, but it is closed when the consumer is switched off and the enable path is interrupted. Such an embodiment enables the detection of a signal (i.e. a logical 1) in the detection circuit when the relay is switched off instead of when it is switched on. The advantage here is that it can be actively checked whether the enable path is actually interrupted.
Besonders vorteilhaft wird dies mit einem Schließer als erstes Relais kombiniert. Das heißt, das besonders vorteilhaft eines der Relais als Schließer, das andere als Wechsler ausgebildet ist. Im ersten Relais ist der erste Detektionsstromkreis somit geschlossen, wenn das erste Relais den Strom zum Verbraucher freigibt, im zweiten Relais ist der zweite Detektionsstromkreis geschlossen, wenn das zweite Relais dem Strom zum Verbraucher unterbricht. Damit ergeben sich im Freigabezustand wie auch im Unterbrechungszustand unterschiedliche logische Signale an den Detektionsstromkreisen (1 und 0 bzw. 0 und 1). Dies ermöglicht es, die Funktion der Relais in jedem Zustand zu prüfen.It is particularly advantageous to combine this with a normally open contact as the first relay. This means that one of the relays is designed as a normally open contact and the other as a changeover contact. In the first relay, the first detection circuit is therefore closed when the first relay releases the current to the consumer, and in the second relay, the second detection circuit is closed when the second relay interrupts the current to the consumer. This results in different logical signals on the detection circuits (1 and 0 or 0 and 1) in the release state and in the interruption state. This makes it possible to test the function of the relays in every state.
Hierzu umfasst der Freigabepfad vorteilhafterweise eine Steuereinrichtung, die mit den Hochfrequenzdetektionseinrichtungen und den Steuerkontakten der Relais verbunden ist, und die zur Auswertung der Signale der Hochfrequenzdetektionseinrichtungen unabhängig vom aktuellen Schaltzustand der Relais ausgebildet ist. Mit anderen Worten, die Prüfung der Kontaktposition der Relais sollte vollkommen unabhängig von der aktuellen Schaltanforderung (Freigabe oder Unterbrechung) sein.For this purpose, the release path advantageously comprises a control device which is connected to the high-frequency detection devices and the control contacts of the relays and which is designed to evaluate the signals of the high-frequency detection devices independently of the current switching state of the relays. In other words, the test of the contact position of the relays should be completely independent of the current switching request (release or interruption).
Vorteilhafterweise sind hierbei in der Steuereinrichtung erwartete Signale für die Hochfrequenzdetektionseinrichtungen hinterlegt, und die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, bei einer Abweichung der von den Hochfrequenzdetektionseinrichtungen erhaltenen Signale zu den hinterlegten erwarteten Signalen eine Fehlermeldung auszugeben und/oder eine Freigabeanforderung an die Relais nicht freizugeben. In der Steuereinrichtung sind somit erwartete - in der Regel logische - Signale hinterlegt, die bei einer Prüfung des Schaltzustands mittels Einkoppeln der Hochfrequenz ausgegeben werden sollten. Diese korrelieren mit dem fehlerfreien Sollzustand, den die jeweiligen Detektionsstromkreise im aktuell angeforderten Schaltzustand haben sollten. Wird eine Abweichung ermittelt, wird eine Fehlermeldung ausgegeben, die dann entsprechend verwertet werden kann. Ggf. kann der jeweilige Verbraucher direkt automatisiert in einen sicheren Zustand überführt werden.Expected signals for the high-frequency detection devices are advantageously stored in the control device, and the control device is designed to output an error message and/or not to release a release request to the relays if the signals received from the high-frequency detection devices deviate from the stored expected signals. Expected - usually logical - signals are therefore stored in the control device, which should be output when the switching state is checked by coupling in the high frequency. These correlate with the error-free target state that the respective detection circuits should have in the currently requested switching state. If a deviation is detected, an error message is output, which can then be used accordingly. If necessary, the respective consumer can be transferred directly to a safe state automatically.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anordnung von Detektionsstromkreisen in redundanten Relais und die Einspeisung eines Hochfrequenzsignals eine Prüfung des Kontaktschaltzustands der Schalter möglich wird, ohne dass zwangsgeführte Relais verwendet werden müssen. Durch die Kombination von Schließer und Wechsler ist es dabei möglich, die höchsten Sicherheitsstufen der einschlägigen Normen zu erreichen.The advantages achieved with the invention are in particular that the arrangement of detection circuits in redundant relays and the supply of a high-frequency signal make it possible to check the contact switching state of the switches without the need for forced-guided relays must be used. The combination of normally open and changeover contacts makes it possible to achieve the highest safety levels of the relevant standards.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Darin zeigt die
- FIG ein schematisches Blockschaltbild eines funktional sicheren Freigabepfades.
- FIG shows a schematic block diagram of a functionally safe release path.
Der Freigabepfad 1 gemäß der FIG ist Teil eines Lastkreises 2 zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers 4. Er gibt die Stromversorgung von einer Stromquelle 6 zu dem elektrischen Verbraucher 4 frei. Der elektrische Verbraucher 4 ist dergestalt, dass er Gefahrenpotential für Mensch und Material birgt, also beispielsweise eine Presse, ein Fräswerkzeug oder ähnliches. Aus diesem Grund ist der Freigabepfad 1 im Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass er die Sicherheitsstufe SIL3 der
Hierzu umfasst der Freigabepfad 1 ein erstes Relais 8 und ein zweites Relais 10, deren Arbeitskontakte im Freigabepfad 1 in Reihe geschaltet sind. Um die Stromversorgung zum Verbraucher 4 freizugeben, müssen also beide Relais 8, 10 geschlossen sein. Steuerseitig werden die Relais 8, 10 von einem Mikrocontroller 12 angesteuert, dessen Signale jedoch über einen Sicherheitsbaustein 14 an die Relais 8, 10 weitergeleitet werden. Der Sicherheitsbaustein 14 gibt eine Freigabeanforderung vom Mikrocontroller 12 dabei nur an die Relais 8, 10 weiter, wenn die Relais 8, 10 fehlerfrei funktionieren.For this purpose, the
Zur Prüfung der Relais 8, 10 auf Fehler, insbesondere eines Verschweißens von Kontakten, umfasst der Freigabepfad 1 eine Hochfrequenzsignalquelle, die einen Signalgenerator 16 umfasst. Im Ausführungsbeispiel erzeugt dieser ein Sinussignal mit einer Frequenz von 100 kHz. Mikrokontroller 12, Sicherheitsbaustein 14 und Signalgenerator 16 werden von einer Niederspannungs-Stromquelle 18 mit Strom versorgt, im Ausführungsbeispiel mit einer Betriebsspannung von 24 V.To test the
Das hochfrequente Signal wird in einen ersten und einen zweiten Detektionsstromkreis 20, 22 gekoppelt. Dabei umfasst der erste Detektionsstromkeis 20 die Arbeitskontakte des ersten Relais 8, ist also vor und nach dem ersten Relais mit dem Lastkreis 2 verbunden. Der erste Detektionsstromkreis 20 umfasst dabei weiterhin die Sekundärseite eines Transformators 24, einen ersten Widerstand 26 sowie die Senderseite eines ersten Optokopplers 28. Die drei letztgenannten Bauteile sind dabei auf jeder Seite über einen Kondensator 30, 32 mit dem Lastkreis 2 verbunden, sind also lediglich kapazitiv gekoppelt.The high-frequency signal is coupled into a first and a
Der Transformator 24 ist Teil der Hochfrequenzsignalquelle, seine Primärseite ist mit dem Signalgenerator 16 verbunden. Die Empfängerseite des ersten Optokopplers 28 ist wiederum mit dem Sicherheitsbaustein 14 verbunden. Auf diese Weise kann - sofern der erste Detektionsstromkreis 20 geschlossen ist, was ein Schließen des ersten Relais 8 voraussetzt - der Sicherheitsbaustein 14 das vom Signalgenerator 16 erzeugte Signal am ersten Optokoppler 28 detektieren. Die Verwendung des Transformators 24 und des Optokopplers 28 dient dazu, den Detektionsstromkreis 20, der mit den vergleichsweise hohen Strömen und Spannungen im Lastkreis 2 kapazitiv verbunden ist, von allen elektronischen Bauteilen, die lediglich mit dem Potential der Niederspannungs-Stromquelle 18 versorgt sind (in der FIG mit Strich-Punkt-Linie umrahmt), galvanisch zu entkoppeln.The
Weiterhin umfasst der Freigabepfad 1 einen zweiten Detektionsstromkreis 22, der zur Ermittlung der Kontaktposition des zweiten Relais 10 dient. Im Unterschied zum ersten Relais 8 ist das zweite Relais 10 jedoch als Wechsler ausgestaltet. Der zweite Detektionsstromkreis 22 führt hier über die zu den Freigabekontakten des zweiten Relais 10 alternativen Kontakte, er ist also dann geschlossen, wenn das zweite Relais 10 den Lastkreis 2 unterbricht.Furthermore, the
Im Übrigen ist der zweite Detektionsstromkreis 22 analog zum ersten Detektionsstromkreis aufgebaut. Er teilt sich den zwischen den Relais 8, 10 abzweigenden Pfad mit dem Kondensator 30 und der Sekundärseite des Transformators 24 und umfasst ebenfalls eine über einen weiteren Kondensator 34 verbundene Senderseite eines zweiten Optokopplers 36. Die Empfängerseite des zweiten Optokopplers 36 ist ebenfalls mit dem Sicherheitsbaustein 14 verbunden. Die Verwendung nur eines Transformators 24 für beide Detektionsstromkreise 20, 22 vereinfacht den Aufbau. In einem nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel können aber auch für jeden Detektionsstromkreis 20, 22 unterschiedliche Transformatoren verwendet werden, die ggf. auch unterschiedliche Signale (z.B. unterschiedliche Frequenzen) einkoppeln, so dass die Signale unterscheidbar sind.Otherwise, the
Die durch den Mikrocontroller 12 und den Sicherheitsbaustein 14 geregelte Funktion des dargestellten Freigabepfades 1 ist wie folgt: Der Mikrocontroller 12 steuert die grundsätzliche Freigabeanforderung - soll der elektrische Verbraucher 6 mit Strom versorgt werden, gibt der Mikrocontroller 12 diese Freigabeanforderung an die Relais 8, 10, die beide in die Freigabeposition schalten sollen. Diese Anforderung wird jedoch über den Sicherheitsbaustein 14 geführt, der die Anforderung nur dann weitergibt, wenn die Relais 8, 10 fehlerfrei sind.The function of the
Die Prüfung auf Fehlerfreiheit erfolgt mittels der Hochfrequenzsignale. Diese werden über den Transformator in die Detektionsstromkreise 20, 22 eingekoppelt und aktivieren dann die Optokoppler 28, 36, wenn der jeweilige Detektionsstromkreis 20, 22 geschlossen ist. Durch Vergleich mit im Sicherheitsbaustein 14 hinterlegten Sollwerten kann ein Fehler ermittelt werden, und zwar bedarfsweise vor dem Einschalten, zyklisch während des Betriebs, oder auf sonstige Anforderung.The check for error-free operation is carried out using high-frequency signals. These are coupled into the
Im in der FIG dargestellten Zustand sind beide Relais, d.h. der Freigabepfad 1 geöffnet, die Anforderungssituation entspricht also dem logischen Signal: Erstes Relais 8: 0 - zweites Relais 10: 0. In diesem Fall sollte der erste Detektionsstromkreis 20 geöffnet sein, der zweite Detektionsstromkreis 22 hingegen aufgrund der Verwendung eines Wechslers und der Anordnung des zweiten Detektionsstromkreises 22 geschlossen. Das detektierte logische Signal sollte also erster Optokoppler 28: 0 - zweiter Optokoppler 36: 1 sein, und wird im fehlerfreien Zustand auch gemessen. Im dargestellten Zustand würde der Sicherheitsbausten 14 die Anforderung also an die Relais 8, 10 weitergeben.In the state shown in the FIG, both relays, i.e. the enable
Im Zustand der Freigabe (logisches Signal 1 - 1 in der Anforderung) sollte das detektierte logische Signal der Optokoppler 28, 36 hingegen 1 - 0 sein. Neben diesen möglichen Tests im Betrieb ist es auch möglich, durch die dargestellte Reihenschaltung von Schließer und Wechsler bei geöffnetem Lastpfad 1 jeden Schaltkontakt einzeln zu testen. In diesem Fall würde die Anforderung 0 - 1 (nur zweites Relais 10 angesteuert und geschlossen) zu einem erwarteten logischen Signal 0 - 0 an den Optokopplern 28, 36 am Sicherheitsbaustein 14 führen, die Anforderung 1 - 0 (nur erstes Relais 8 angesteuert und geschlossen) zu einem erwarteten logischen Signal 1 - 1 am Sicherheitsbaustein 14. Jede Abweichung des gemessenen Signals vom skizzierten erwarteten Signal stellt einen Fehler dar und führt dazu, dass der Sicherheitsbaustein 14 einen Fehler ausgibt und den elektrischen Verbraucher 6 in einen sicheren Zustand überführt, d.h. eine Relaisfreigabe wird unterbunden und die Kontakte der Relais 8, 10 sind abgeschaltet und offen.In the release state (logical signal 1 - 1 in the request), however, the detected logical signal of the
Das Ausführungsbeispiel ermöglicht es, Kontaktpositionen von Relaiskontakten mit einen potentialfreien Detektionsstromkreis 20, 22 auf deren Schaltzustand hin zu prüfen, und zwar ohne die Signale am Lastkreis zu beeinträchtigen. Die Koppelkapazitäten der dargestellten Kondensatoren 28, 30, 32 sind so gewählt, dass die verwendete Hochfrequenz von 100 kHz oder höher auf die technischen Frequenzen im Lastkreis 2 keinen Einfluss hat. Die Impedanz der Koppelkapazität bewegt sich im zweistelligen MΩ-Bereich für die technischen Frequenzen, wogegen bei der angewandten Testfrequenz von 100 kHz diese Kapazitäten eine Impedanz von < 1 kΩ aufweisen. Die dargestellte Kombination von Schließer- und Wechselkontakten ermöglicht es, Schaltungen zu realisieren die einer hohen Sicherheitsstufe SIL3/PLe entsprechen können.The embodiment makes it possible to check the contact positions of relay contacts with a potential-
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- FreigabepfadRelease path
- 22
- LastkreisLoad circuit
- 44
- elektrischer Verbraucherelectrical consumer
- 66
- StromquellePower source
- 88
- erstes Relaisfirst relay
- 1010
- zweites Relaissecond relay
- 1212
- MikrocontrollerMicrocontroller
- 1414
- SicherheitsbausteinSafety module
- 1616
- SignalgeneratorSignal generator
- 1818
- Niederspannungs-StromquelleLow voltage power source
- 2020
- erster Detektionsstromkreisfirst detection circuit
- 2222
- zweiter Detektionsstromkreissecond detection circuit
- 2424
- Transformatortransformer
- 2626
- erster Widerstandfirst resistance
- 2828
- erster Optokopplerfirst optocoupler
- 3030
- Kondensatorcapacitor
- 3232
- Kondensatorcapacitor
- 3434
- Kondensatorcapacitor
- 3636
- zweiter Optokopplersecond optocoupler
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1202313A1 (en) * | 2000-10-23 | 2002-05-02 | Safecom Ag | Device for safety engineering to supervise the switching position of mechanical contacts |
| US20180315565A1 (en) * | 2017-04-27 | 2018-11-01 | Rockwell Automation Asia Pacific Business Center, Pte. Ltd. | Electrical Relay System with Failure Detection |
| DE102018217135A1 (en) * | 2018-10-08 | 2019-10-17 | Heidelberger Druckmaschinen Ag | Potential-free contact monitoring device for detecting the opening state of a switch |
| EP3671797A1 (en) * | 2018-12-18 | 2020-06-24 | Schneider Electric Industries SAS | Safety switch device |
-
2023
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1202313A1 (en) * | 2000-10-23 | 2002-05-02 | Safecom Ag | Device for safety engineering to supervise the switching position of mechanical contacts |
| US20180315565A1 (en) * | 2017-04-27 | 2018-11-01 | Rockwell Automation Asia Pacific Business Center, Pte. Ltd. | Electrical Relay System with Failure Detection |
| DE102018217135A1 (en) * | 2018-10-08 | 2019-10-17 | Heidelberger Druckmaschinen Ag | Potential-free contact monitoring device for detecting the opening state of a switch |
| EP3671797A1 (en) * | 2018-12-18 | 2020-06-24 | Schneider Electric Industries SAS | Safety switch device |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Norm EN IEC 62061 |
| Norm EN ISO 13849-1 |
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