[0001] Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung, inbesondere zum Schutz von Personen
und/oder Objekten, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
[0002] Aus der DE-OS 42 10 848 ist eine Sicherheitseinrichtung, insbesondere zum Schutz
von Personen und/oder Objekten, bekannt, die eine mit zumindest einer einen elektrischen
Abschluß zugeordneten Meßstelle, wobei die Meßstelle insbesondere als taktiler Sensor
ausgebildet ist, versehenene Auswerteeinheit aufweist, welche zumindest aus einer
Vergleichseinrichtung besteht, der ein von der Meßstelle abgebbares Signal zuführbar
ist und in Abhängigkeit des Signals eine Schalteinrichtung betätigbar ist. Diese Sicherheitseinrichtung
hat den Nachteil, daß Vergleichswerte in der Vergleichseinrichtung fest vorgegeben
sind, so daß für jeden einzelnen Einsatzfall oder für unterschiedliche Einsatzgebiete
mehrere Sicherheitseinrichtungen erforderlich sind. Weiterhin weist diese Sicherheitseinrichtung
den Nachteil auf, daß der Meßstelle ein ohmscher Abschlußwiderstand elektrisch zugeordnet
ist und mit diesem Abschlußwiderstand abgeschlossen ist. Aus diesem Grund sind bei
dieser Sicherheitseinrichtung lediglich Meßstellen verwendbar, die mit einem ohmschen
Abschlußwiderstand abgeschlossen werden können. Ebenso von Nachteil ist es, daß eine
in ihrer Gesamtheit aus diskreten Bauelementen bestehende Sicherheitseinrichtung die
für den Einsatzfall einer Sicherheitseinrichtung erforderlichen Reaktionszeiten nicht
aufweist.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitseinrichtung, insbesondere
zum Schutz von Personen und/oder Objekten, bereitzustellen, mit der ausreichend schnelle
Reaktionszeiten realisierbar sind und die universell einsetzbar ist.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
[0005] Die Sicherheitseinrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit
zumindest teilweise in zumindest einem Mikroprozessor integriert ist, wobei dem Mikroprozessor
eine Auswahleinrichtung zur Bestimmung von Steuerfunktionen des Mikroprozessors zugeordnet
ist und dieser derart ausgebildet ist, daß der elektrische Abschluß automatisch erkennbar
ist. Dadurch ist der Vorteil gegeben, daß die Sicherheitseinrichtung mit wenigen Bauteilen
(Mikroprozessor einschließlich einer geringen Beschaltung) aufgebaut ist, wodurch
sich der Produktionsaufwand und die Produktionskosten verringern und aufgrund der
geringen Anzahl von Bauteilen (insbesondere durch die Vermeidung von Kondensatoren)
eine schnelle Reaktionszeit nach Betätigung der Meßstelle (vorzugsweise im Millisekunden-Bereich)
gegeben ist. Weiterhin ist dem Mikroprozessor eine Auswahleinrichtung zugeordnet,
womit Steuerfunktionen des Mikroprozessors bestimmbar sind. Steuerfunktionen sind
beispielsweise im Mikroprozessor abgespeicherte Programme, die Festlegung von abgespeicherten
Werten und auch die Bestimmung von Betriebsarten des Mikroprozessors beziehungsweise
der gesamten Sicherheitseinrichtung. Bei der Auswahleinrichtung kann es sich beispielsweise
um Steckbrücken oder Schalter handeln, die eine manuelle Bestimmung der Steuerfunktionen
ermöglichen. Mittels der Auswahleinrichtung kann so beispielsweise bestimmt werden,
für welchen Einsatzfall die Sicherheitseinrichtung verwendet wird. So kann über die
Auswahleinrichtung vorgegeben werden, ob die Sicherheitseinrichtung einkanalig oder
mehrkanalig betrieben werden soll. Darüberhinaus ist es denkbar, entsprechende in
der Vergleichseinrichtung abgespeicherte Vergleichs werte mittels der Auswahleinrichtung
anzusteuern und vorzugeben. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung
besteht darin, daß der Mikroprozessor derart ausgebildet ist, daß der elektrische
Abschluß automatisch erkennbar ist. Dadurch ist es möglich, verschiedene elektrische
Abschlüsse an der Sicherheitseinrichtung zu betreiben, wodurch das Einsatzgebiet der
Sicherheitseinrichtung verbreitert wird.
[0006] In Weiterbildung der Erfindung ist eine elektrische Größe, mit der zumindest eine
Meßstelle beaufschlagbar ist, von dem Mikroprozessor steuerbar. Dies hat den Vorteil,
daß nach der automatischen Erkennung des elektrischen Abschlusses die elektrische
Größe optimal wählbar und steuerbar ist. So kann es sich beispielsweise bei dem elektrischen
Abschluß um einen ohmschen-Widerstand handeln, wobei nach Erkennung des Wertes des
ohmschen Widerstandes ein in die Meßstelle eingeprägter Strom (elektrische Größe)
auf den für diesen Fall korrekten Wert eingestellt werden kann. Weiterhin ist unter
der Steuerbarkeit der elektrischen Größe zu verstehen, daß bei Mehrkanaligkeit (beispielsweise
zwei Meßstellen) diese zyklisch (beispielsweise abwechselnd) abgefragt werden können.
Zu diesem Zweck ist der Mikroprozessor derart ausgebildet, daß zwischen den beiden
Meßstellen zyklisch umgeschaltet wird und die von den beiden Meßstellen abgebbaren
Signale ausgewertet werden. Da diese Umschaltung von dem Mikroprozessor steuerbar
ist, kann die Frequenz der Umschaltung beliebig gewählt werden. Inbesondere ist die
Wahl der Frequenz im KHz-Bereich sinnvoll, da sich dadurch die Reaktionszeit der Sicherheitseinrichtung
wesentlich verringert. Ebenso verringert sich wiederum der Bauteilaufwand, da die
wenigstens zwei Meßstellen an einer einzigen Energiequelle betrieben werden können.
[0007] In Weiterbildung der Erfindung ist der elektrische Abschluß eine Diode und der Mikroprozessor
ist zur Richtungserkennung der Diode ausgebildet. Neben dem denkbaren Einsatz eines
ohmschen Widerstandes oder anderen Abschlüssen als elektrischer Abschluß ist die Verwendung
einer Diode denkbar, die ebenfalls einen elektrischen Abschluß darstellt. Da eine
Diode polaritätsgebunden betrieben werden muß, ist der Mikroprozessor zur Richtungserkennung
(Polaritätserkennung) der Diode ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß bei Installation
der Meßstelle einschließlich des elektrischen Abschlusses die Diode beliebig eingesetzt
werden kann. Damit werden Fehleinbauten in vorteilhafter Weise vermieden.
[0008] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der zumindest einen
Meßstelle um einen Lichtwellenleiter, der den taktilen Sensor darstellt und der an
seinen Enden jeweils eine Wandeleinrichtung aufweist, die auf der einen Seite des
Lichtwellenleiters eine Lichtquelle aufweist und auf der anderen Seite des Lichtwellenleiters
mit einer Empfangs- und Auswerteeinrichtung versehen ist, wobei die Empfangs- und
Auswerteeinrichtung ausgangsseitig auf der einen Seite des Lichtwellenleiters den
elektrischen Abschluß darstellt. So wird bei Berührung des Lichtwellenleiters das
eingespeiste Licht moduliert und auf diese Art und Weise die Berührung in der Empfangs-und
Auswerteeinrichtung aufgrund der Änderung des Innenwiderstandes erkannt. Weiterhin
ist es denkbar, die Lichtquelle sowie die Empfangs- und Auswerteeinrichtung auf der
einen Seite des Lichtwellenleiters anzuordnen, während auf der anderen Seite des Lichtwellenleiters
eine Umlenkeinrichtung (beispielsweise Spiegel) angeordnet ist. So stellt dann beispielsweise
der Innenwiderstand der Auswerteeinrichtung den Meßwiderstand, der in Abhängigkeit
der Berührung des Lichtwellenleiters veränderbar ist, dar.
[0009] In Weiterbildung der Erfindung ist dem Mikroprozessor zur Funktionsüberwachung ein
Watchdog zugeordnet. Der Watchdog, der in dem Mikroprozessor integriert oder alternativ
diesem extern zugeordnet ist, funktioniert beispielsweise nach dem Zählerprinzip,
wobei jede Taktperiode der Zähler um 1 verringert wird. Sollte der Zähler auf Null
zählen, löst er ein Reset aus, wodurch das in dem Mikroprozessor ablaufende Programm
neu startet. In dem Programm ist vorgesehen, daß der Zähler zyklisch auf einen vorgebbaren
Wert gesetzt wird, so daß er im fehlenfreien Betrieb nicht auf Null herunterzählt.
Sollte im Fehlerfall Null erreicht werden, löst der Watchdog das Reset aus und startet
das Programm von Neuem.
[0010] In Weiterbildung der Erfindung ist der Mikroprozessor zur eigenständigen Durchführung
bzw. zur manuell auslösbaren Durchführung eines Selbsttestes ausgebildet. Aufgrund
dieses Selbsttestes ist der Vorteil gegeben, daß eine Funktionsüberprüfung der Sicherheitseinrichtung
automatisch oder manuell durchführbar ist. Bei der eigenständigen Durchführung des
Selbsttests ist es denkbar, daß dieser Selbsttest in vorgebbaren Zyklen durchgeführt
wird. Darüberhinaus ist es alternativ oder als Ergänzung zur eigenständigen Durchführung
des Selbsttestes denkbar, diesen manuell auszulösen. Eine Realisierung des Selbsttestes
ist in der Figurenbeschreibung erwähnt und in den Figuren gezeigt.
[0011] In Weiterbildung der Erfindung betätigt der Mikroprozessor in Abhängigkeit des von
der Meßstelle abgebbaren Signales eine an sich bekannte Anzeigeeinrichtung. Damit
ist eine Anzeige der Funktionstüchtigkeit der Sicherheitseinrichtung möglich. Darüberhinaus
ist es denkbar, Fehlfunktionen der Sicherheitseinrichtung, die beispielsweise von
dem Watchdog ermittelt oder bei der Durchführung des Selbsttestes festgestellt worden
sind, optisch oder aktustisch anzuzeigen. Außerdem ist es denkbar, während der Zeit,
in der der Mikroprozessor die Richtungerkennung der Diode ausführt, dies mittels der
Anzeigeeinrichtung darzustellen.
[0012] In Weiterbildung der Erfindung ist die Sicherheitseinrichtung mit einem über-oder
nebengeordneten System über eine Schnittstelle vernetzbar. Dadurch ist es möglich,
die von der bzw. den Meßstellen abgebbaren Signale sowie weitere in der Sicherheitseinrichtung
erzeugte Signale über eine Schnittstelle (beispielweise Feldbusschnittstellen wie
Profibus oder CAN) an eine über-oder nebengeordnetes System (beispielsweise Leitstelle)
abzugeben. In diesem Fall kann die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung beispielsweise
in Systemen wie einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) eingesetzt werden.
[0013] In Weiterbildung der Erfindung ist bei Mehrkanaligkeit jedem Prozessor mindestens
eine Schalteinrichtung zugeordnet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist bei Mehrkanaligkeit
jedem Mikroprozessor ein Paar Schalteinrichtungen, bei denen es sich beispielsweise
um Relais oder Leistungstransistoren handeln kann, zugeordnet.
[0014] In Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Größe derart erzeugbar, daß sie
einen positiven Pegel gegenüber einer Masse der Spannung, mit der die Sicherheitseinrichtung
betreibbar ist, aufweist. Durch die Auswertung des von der Meßstelle abgebbaren Signales
gegen Masse wird erreicht, daß ein Masseschluß der Meßstelle nicht zu einer Fehlermeldung
führt. Ebenso von Vorteil ist, daß eine galvanische Trennung der elektrischen Größe
(zum Beispiel einer Wechselspannung oder einer Gleichspannung) entfällt.
[0015] In Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Schalteinrichtung von dem Mikroprozessor
derart betätigbar, daß für den Fall, daß die Meßstelle ein Signal abgibt, ein sicherheitsrelevanter
Zustand einstellbar oder erreichbar ist. Dies hat den Vorteil, daß eine von der Sicherheitseinrichtung
überwachte Maschine, ein System oder allgemein eine Anlage in einem Fehlerfall (oder
allgemein in einem sicherheitskritischen Zustand) derart betätigbar ist, daß ein definierter
bzw. ein unbedenklicher Zustand erreicht werden kann. Dies dient insbesondere dem
Schutz von Personen und verhindert Schäden an der Anlage.
[0016] In Weiterbildung der Erfindung ist dem Mikroprozessor zumindest eine Überwachungseinrichtung
ausgangsseitig zugeordnet, wobei die Überwachungseinrichtung auf die zumindest eine
Schalteinrichtung einwirkt. Die ausgangsseitige Verwendung der Überwachungseinrichtung
hat den Vorteil, daß zum einen der Ausgang des Mikroprozessors überwacht wird (insbesondere
hinsichtlich Kurzschluß oder Unterbrechung) und gleichzeitig dadurch, daß die Überwachungseinrichtung
auf die zumindest eine Schalteinrichtung einwirkt, erreicht wird, daß sich die Überwachungseinrichtung
selbst überwacht. Das Einwirken der Überwachungseinrichtung auf die zumindest eine
Schalteinrichtung kann beispielsweise dergestalt erfolgen, daß diese der Schalteinrichtung
ein Potential (beispielsweise plus oder minus einer Spannungsversorgung) zur Verfügung
stellt.
[0017] In Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Schalteinrichtung, die insbesondere
einen Steuertransistor und ein Relais aufweist, von dem Mikroprozessor und der Überwachungseinrichtung
überwachbar. Durch diese Anordnung ist der Vorteil gegeben, daß ergänzend zur Überwachung
des Aus ganges des Mikroprozessors und zur Überwachung der Überwachungseinrichtung
auch eine Funktionsüberwachung einer Schalteinrichtung möglich ist. Eine Ausgestaltung
der Überwachungseinrichtung und deren Funktionsweise ist in den Figuren gezeigt und
näher beschrieben.
[0018] Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind im folgenden näher beschrieben und
in den Figuren gezeigt.
Die Figuren zeigen:
- Fig. 1
- eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung mit einem Widerstandsabschluß,
- Fig. 2
- eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung, die mehrkanalig ausgebildet ist,
- Fig. 3
- eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung mit einem Diodenabschluß,
- Fig. 4
- eine erfindungsgemäß Sicherheitseinrichtung, die einfach fehlersicher ausgelegt ist,
- Fig. 5
- eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung mit einer Überwachungseinrichtung,
- Fig. 6
- Ausgestaltung einer Schalteinrichtung,
- Fig. 7
- Ausgestaltung eines taktilen Sensors.
[0019] Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung mit Widerstandsabschluß.
Erfindungsgemäß sind bei dieser Sicherheitseinrichtung zur Vermeidung einer Vielzahl
von diskreten Bauteilen wesentliche Bestandteile der Auswerteeinheit in einem Mikroprozessor
1 integriert. Bei diesen Bestandteilen handelt es sich im wesentlichen um im Eingangskreis
angeordnete AD-Wandler, eine CPU, in der Steuerfunktionen des Mikroprozessors 1 abgelegt
sind, die beispielsweise die Vergleichseinrichtung nachbilden, um einen internen Watchdog
sowie um Treiberstufen für eine nachgeschaltete Schalteinrichtung. Diese Bestandteile
sind hinsichtlich ihrer sicherheitsrelevanten Funktion, insbesondere zweifach vorhanden,
wobei das einfache Vorhandensein auch denkbar ist. Gleiches gilt auch für die Mikroprozessoren
in den folgenden Figuren. Die Stromversorgung des Mikroprozessors 1 erfolgt aus einer
Energie quelle 2, die derart ausgebildet ist, daß beliebige Spannungen (beispielsweise
Netzspannung oder Batteriespannung) verwenbar sind. Weiterhin ist dem Mikroprozessor
1 eine an sich bekannte Anzeigeeinrichtung 3 nachgeordnet. Eingangsseitig weist der
Mikroprozessor 1 eine Meßstelle 4 auf, welche einen Abschlußwiderstand RA und einen
Meßwiderstand RM beinhaltet und die in einem Stromkreis liegt (zwischen einer Gleichspannung
U und Masse). Darüberhinaus ist der Mikroprozessor 1 mit einer Auswahleinrichtung
5 verschaltet, mit der die Steuerfunktionen, die die CPU (beispielsweise in Form einer
abgespeicherten Software) beinhaltet, bestimmt werden können. Bei der Auswahleinrichtung
5 handelt es sich beispielsweise um Steckbrücken oder Schalter, wobei in Abhängigkeit
des Schaltzustandes der Schalter beispielsweise (Schalter geschlossen, insbesondere
gegen Masse, bzw. Schalten offen) die Steuerfunktionen bestimmbar sind. Weiterhin
ist ein Watchdog 6 gezeigt, der extern dem Mikroprozessor 1 zugeordnet ist und dessen
Funktionsablauf überwacht. Eine Schalteinrichtung 7 ist dem Mikroprozessor 1 nachgeschaltet,
wobei die Schalteinrichtung 7 in Abhängigkeit des von der Meßstelle 4 abgebbaren Signales
betätigbar ist.
[0020] Die in Figur 1 gezeigte Auswerteeinheit arbeitet wie folgt:
Mittels der Auswahleinrichtung 5, die eine beliebige Anzahl beispielsweise von Schaltern
enthalten kann, werden in dem Mikroprozessor 1 Vergleichswerte (Maximal- und Minimalwerte)
vorgegeben, die aus einer Vielzahl von in dem Mikroprozessor 1 abgespeicherten Werten
auswählbar sind. Ein durch die Meßstelle 4 fließender Strom wird, unter Zwischenschaltung
beispielsweise des im Eingangskreis des Mikroprozessors 1 angeordneten AD-Wandlers,
mit den vorgegebenen Grenzwerten verglichen. Handelt es sich um eine ruhestromüberwachte
Sicherheitseinrichtung, wird bei Unterschreitung des Minimalwertes eine Unterbrechung
der Meßstelle 4 über die Anzeigeeinrichtung 3 angezeigt. Bei Überschreiten des Maximalwertes
handelt es sich um einen Kurzschluß der Meßstelle 4, der ebenfalls über die Anzeigeeinrichtung
3 anzeigbar ist. In diesem Fall wird von dem Mikroprozessor 1 die Schalteinrichtung
7 betätigt, da eine Betätigung der Meßstelle 4 erfolgt ist. Der Watchdog 6 arbeitet,
wie schon beschrieben, nach dem Zählerprinzip, so daß Fehler beim Programmablauf erkennbar
und anzeigbar sind.
[0021] Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung mit Widerstandsabschluß weist die folgenden
Vorteile auf:
- die Sicherheitseinrichtung ist mittels der Auswahleinrichtung 5 individuell zu konfigurieren
für verschiedene Einsatzfälle und damit universell einsetzbar,
- ein Mikroprozessor mit einer geringen Beschaltung (insbesondere unter Vermeidung von
Kondensatoren) überwacht die zumindest eine Meßstelle, wodurch schnelle Reaktionszeiten
(insbesondere im Millisekunden-Bereich) realisierbar sind,
- aufgrund des Einsatzes eines Watchdogs (intern und/oder extern) ist eine dynamische
Selbstüberwachung des Mikroprozessors bzw. der gesamten Sicherheitseinrichtung möglich,
wodurch sich die Funktionssicherheit erhöht,
- durch ein Einsatz der Anzeigeeinrichtung ist eine Anzeige von Fehlern beim Betrieb
der Meßstelle möglich sowie Fehler der Sicherheitseinrichtung anzeigbar.
[0022] Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung, die mehrkanalig ausgebildet
ist.
[0023] Neben den in Fig. 1 gezeigten und mit den gleichen Bezugsziffern versehenen Komponenten
ist in Fig. 2 eine mehrkanalige und redudante Ausführung der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung
gezeigt. Zu diesem Zweck sind die wesentlichen Komponenten, die in Fig. 1 gezeigt
sind (insbesondere alle in Fig. 1 gezeigten Komponenten, mit Ausnahme der Energiequelle
2), doppelt vorhanden. So ist zwei Mikroprozessoren 1.1 und 1.2 jeweils eine Meßstelle
4.1 und 4.2 sowie eine Auswahleinrichtung 5.1 und 5.2 zugeordnet. Die beiden Mikroprozessoren
1.1 und 1.2 arbeiten derart wie schon zu der in Fig. 1 gezeigten und beschriebenen
Weise, daß jeder Mikroprozessor seine zugeordnete Meßstelle überwacht oder alternativ
dazu die Meßstelle des anderen Mikroprozessors. Denkbar ist auch, daß mittels einer
Umschaltung im Eingang sowohl der Mikrozessor 1.1 die beiden Meßstellen 4.1 und 4.2
zyklisch überwacht als auch der Mikroprozessor 1.2 ebenfalls zyklisch die beiden Meßstellen
4.1 und 4.2 überwacht. Weiterhin ist es denkbar, daß eine einzige Meßstelle vorhanden
ist, deren Signal auf beide Mikroprozessoren 1.1 und 1.2 schaltbar ist.
[0024] Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung mit einem Diodenabschluß.
Neben den in den Figuren 1 und 2 gezeigten und mit den gleichen Bezugsziffern versehenen
Komponenten besteht die in Fig. 3 gezeigte Meßstelle 4 aus dem Meßwiderstand RM, wobei
die Meßstelle 4 mit einer Diode D abgeschlossen ist. Die Diode D ebenso wie der Abschlußwiderstand
RA können in der Meßstelle integriert sein. Denkbar ist auch die Anordnung im Eingangskreis
des Mikroprozessors, falls in diesem die Erzeugung der Spannung U auch integriert
ist. Die in Fig. 3 gezeigte Sicherheitseinrichtung ist einkanalig aufgebaut, wobei
der Mikroprozessor 1 die Meßstelle 4 überwacht und mit einer noch zu beschreibenden
Richtungserkennung der Diode D ausgestattet ist. Der Mikroprozessor 1 wird in seinen
Funktionen von dem Watchdog 6 überwacht. Die Vorgehensweise bei der Überwachung der
Meßstelle 4 und der Verarbeitung des von der Meßstelle 4 abgebbaren Signales in dem
Mikroprozessor 1 erfolgt analog zu der Vorgehensweise, wie sie zu den Fig. 1 und Fig.
2 beschrieben worden ist. Zur Richtungserkennung der Diode D sind Umschalteinrichtungen
8.1 und 8.2 vorgesehen, die im Stromkreis der Meßstelle 4 angeordnet sind und von
dem Mikroprozessor 1 betätigbar sind. Ebenso ist die Spannung U (Wechselspannung)
von dem Mikroprozessor steuerbar (Frequenzänderung). Zur Richtungserkennung der Diode
D in der Meßstelle 4 befindest sich an jedem Anschluß der Meßstelle 4 ein elektronischer
Schalter, der beispielsweise durch die Umschalteinrichtungen 8.1 und 8.2 realisiert
ist. Je nach Richtung, in der die Diode D eingesetzt ist, wird eine positive Betriebsspannung
U der Anode bzw. der Kathode der Diode D zugeführt. Da auch hier mit einem gegen Masse
positiven Pegel der Spannung U gearbeitet wird, ent fällt eine galvanische Trennung
der Spannung an der Meßstelle 4. Da sich somit immer an einem Ende der Meßstelle 4
die Spannung U (bzw. allgemein eine Signalquelle beliebiger Art) und an dem anderen
Ende ein Eingang des Mikroprozessors 1 befindet, ist somit je nach Stellung der Umschalteinrichtungen
8.1 und 8.2 die Richtung der Diode D unabhängig. Die Betätigung der Umschalteinrichtungen
8.1 und 8.2 erfolgt durch den Mikroprozessor 1 (Verbindungen A-A bzw. B-B). Desweiteren
sind der Meßstelle 4 noch Testeinrichtungen 9.1 und 9.2, die mittels Taster realisiert
sind, zugeordnet. Mit Hilfe dieser Testeinrichtungen 9.1 und 9.2 ist die Durchführung
eines Selbsttestes möglich.
[0025] Die in Fig. 3 gezeigte Sicherheitseinrichtung arbeitet wie folgt:
Nach Anschluß in beliebiger Richtung der Diode D wird zunächst beispielsweise die
Umschalteinrichtung 8.1 betätigt (geschlossen) und die Umschalteinrichtung 8.2 geöffnet.
Dann werden von dem Mikroprozessor 1 die eingangsseitig an der Meßstelle 4 anliegenden
Pegel abgefragt. Anschließend erfolgt die umgekehrte Betätigung der Umschalteinrichtungen
8.1 und 8.2, woraufhin erneut die Pegel abgefragt werden. Aufgrund der Abfrage der
Pegel stellt sich in Sperrichtung der Diode D an einem Eingang des Mikroprozessors
1 ein kleinerer Pegel ein gegenüber dem höheren Pegel, der die Flußrichtung der Diode
D darstellt. Somit werden von den Mikroprozessor 1 die Umschalteinrichtungen 8.1 und
8.2 derart betätigt, daß die Diode D in Flußrichtung betrieben wird. Wie in Fig. 3
gezeigt ist, ist die Umschalteinrichtung 8.1 geschlossen, während die Umschalteinrichtung
8.2 geöffnet ist, so daß die Diode D in Flußrichtung betrieben wird. Während der Dauer
der Richtungserkennung (beispielsweise nach Inbetriebnahme der Sicherheitseinrichtung)
ist dies mittels der Anzeigeeinrichtung 3 anzeigbar. Für diesen Fall ist die Schalteinrichtung
7 derart betätigt, daß das von der Sicherheitseinrichtung überwachte System (bzw.
Objekt) sich in einem sicheren Zustand befindet, so daß Fehlfunktionen bzw. Gefährdungen
von Personen ausgeschlossen sind. Nachdem die Richtungerkennung der Diode D durchgeführt
worden ist, kann eine Überwachung durchgeführt werden, ob eine Unterbrechung vorliegt
oder nicht. Eine Unterbrechung ist dadurch feststellbar, daß ein Pegel an einem Eingang
des Mikroprozessors 1 kleiner ist als ein vorgebbarer Pegel (Grenzwert, der mittels
der nicht darge stellten Auswahleinrichtung 5 vorgebbar ist). Zu diesem Zweck wird
die Umschalteinrichtung 8.1 zyklisch für kurze Zeit an den einen Eingang des Mikroprozessors
1 gelegt. Erfolgt die umgekehrte Betätigung der Umschalteinrichtung 8.2, so daß die
Spannung U an den anderen Eingang des Mikroprozessors 1 gelegt wird und der Pegel
an dem einen Eingang des Mikroprozessors 1 gemessen wird, stellt sich bei betätigter
Meßstelle 4 ein Pegel ein, der über dem Grenzwert liegt. Diese Betätigung der Meßstelle
4 und das von dieser Meßstelle 4 abgebbare Signal führt zum einen zu einer Betätigung
der Anzeigeeinrichtung 3 sowie zum anderen zu einer Betätigung der Schalteinrichtung
7, die das zu überwachende System (Objekt) derart beeinflußt, daß ein Sicherheitszustand
erreicht wird. Dabei kann es sich beispielsweise um das Stoppen eines Antriebes handeln.
Die zyklische Umschaltung der beiden Umschalteinrichtungen 8.1 und 8.2 erfolgt in
vorteilhafter Weise unsymmetrisch, wodurch verhindert wird, daß Störungen zu Fehlauswertungen
führen, da die an der Meßstelle 4 anliegende Spannung immer synchron zur Sicherheitseinrichtung
geführt wird.
[0026] Zur Durchführung eines Selbsttestes der Sicherheitseinrichtung sind die Testeinrichtungen
9.1 und 9.2 vorhanden. Diese Testeinrichtungen 9.1 und 9.2 sind, wie in Fig. 3 gezeigt
ist, zur manuell auslösbaren Durchführung des Selbsttestes ausgebildet. So kann während
des Betriebes der Sicherheitseinrichtung eine oder beide Testeinrichtungen 9.1 bzw.
9.2 betätigt werden, wodurch eine Unterbrechung (Testeinrichtung 9.1) bzw. ein Kurzschluß
(Testeinrichtung 9.2) simuliert werden kann. Die Simulation der Unterbrechung bzw.
des Kurzschlusses wird von dem Mikroprozessor 1 dedektiert und zumindest von der Anzeigeeinrichtung
3 angezeigt. Dadurch ist eine wirksame Funktionsüberwachung der Sicherheitseinrichtung
möglich. Darüberhinaus ist es denkbar, die beiden Testeinrichtungen 9.1 und 9.2 in
vorgebbaren Zyklen von dem Mikroprozessor 1 zu betätigen, wodurch die Durchführung
des Selbsttestes automatisch durchgeführt werden kann. Zu diesem Zweck arbeitet der
Mikroprozessor 1 derart, daß nach Betätigung zumindest einer Testeinrichtung ein Kurzschluß
bzw. eine Unterbrechung der Meßstelle 4 erfaßt werden muß. Die Betätigung und Erfassung
kann derart kurzzeitig erfolgen, daß eine Anzeige der Anzeigeeinrichtung 3 bzw. eine
Betätigung der Schalteinrichtung 7 unterbleibt. Damit ist im Hintergrund ein Selbsttest
durchführbar, ohne daß der Betrieb des zu überwachenden Systemes (Objektes) beeinträchtigt
wird. Der in Fig. 3 gezeigte Mikroprozessor 1 weist ebenfalls die Auswahleinrichtung
5 auf, mit der Steuerfunktionen des Mikroprozessors 1 bestimmbar sind (Auswahleinrichtung
5 nicht gezeigt). Ebenso kann der Mikroprozessor 1 eine Schnittstelle aufweisen, mit
der die Sicherheitseinrichtung vernetzbar ist. Die Vorteile der Anwendung der erfindungsgemäßen
Sicherheitseinrichtung mit einem Diodenabschluß sind:
- automatische und von dem Mikroprozessor gesteuerte Richtungserkennung der Diode,
- Steuerung der Auswertung und Überwachung von taktilen Meßstellen mit einer Diode im
Abschluß durch den Mikroprozessor (insbesondere eine schnelle zyklische Umschaltung
zwischen der Überwachung, ob ein Kurzschluß oder eine Unterbrechung vorliegt, wobei
die Umschaltung in vorteilhafter Weise im KHz-Bereich liegt).
[0027] Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung, die einfehlersicher ausgelegt
ist. Neben den in den vorangegangenen Figuren gezeigten und mit den gleichen Bezugsziffern
versehenen Komponenten ist die Auswahleinrichtung 5 über eine Datenleitung mit dem
Mikroprozesor 1 verbunden. Damit ist eine sichere Übertragung der Auswahl der Auswahleinrichtung
5 beispielsweise in digitaler Form zu dem Mikroprozessor 1 gegeben. Weiterhin ist
der Mikroprozessor 1 derart ausgestaltet, daß dessen Bestandteile, wie beispielsweise
im Eingangskreis angeordnete AD-Wandler, die CPU sowie Treiberstufen für eine nachgeschaltete
Schalteinrichtung doppelt ausgebildet sind, da diese sicherheitsrelevante Funktionen
aufweisen. Darüber hinaus ist es denkbar, zwei getrennte Mikroprozessoren einzusetzen.
Dem Mikroprozessor 1 sind die beiden Schalteinrichtung 7.1 und 7.2 nachgeschaltet,
deren Schaltkontakte im Ausgangskreis in Serie geschaltet sind. Die in dem Mikroprozessor
1 integrierten Treiberstufen sind derart ausgestaltet, daß für den Fall, daß die Meßstelle
4 ein Signal abgibt, beide Schalteinrichtungen 7.1 und 7.2 von beiden Treiberstufen
angesteuert werden. Darüberhinaus ist es denkbar, daß beide Treiberstufen die beiden
Schalteinrichtungen 7.1 und 7.2 ansteuern, wobei die beiden Schalteinrichtungen 7.1
und 7.2 parallel angeordnet sind, so daß auf jeden Fall eine Schalteinrichtung betätigbar
ist, um in einem Fehlerfalle einen unbedenklichen Zustand einzustellen. Weiterhin
ist es denkbar, die Abläufe in dem Mikroprossor (bzw. in den Mikroprozessoren) in
Abhängigkeit von der an der Meßstelle erfaßten Größe (Spannung) zu synchronisieren.
Damit erfolgt gleichzeitig eine Überprüfung, ob die Meßstelle funktionstüchtig ist
und/oder ob eine Betätigung stattgefunden hat.
[0028] Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung mit einer Überwachungseinrichtung,
wobei in Ergänzung zu den vorangegangenen Figuren und zur Erläuterung der Funktionsweise
der Überwachungseinrichtung in Fig. 6 eine Ausgestaltung einer Schalteinrichtung gezeigt
ist. In Figur 5 ist die erfindungsgemäße Sicherheiteinrichtung mit dem Mikroprozessor
1 vereinfacht dargestellt. Die in den vorangegangenen Figuren gezeigten ergänzenden
Komponenten zu dem Mikroprozessor 1 sind vorhanden, aber nicht dargestellt. Eine in
dem Mikroprozessor 1 integrierte und nicht gezeigte Treiberstufe gibt für den Fall,
daß die Meßstelle 4 (beziehungsweise 4.1, 4.2) betätigt wird, ein Signal sowohl an
eine Schalteinrichtung 7.1 als auch an eine Überwachungseinrichtung 10 ab. Darüberhinaus
ist die Überwachungseinrichtung 10 ausgangsseitig mit einem Eingang des Mikroprozessors
1 (oder dem zweiten Mikroprozessor) und wiederum ausgangsseitig mit der Schalteinrichtung
7.1 zur Einwirkung auf diese Schalteinrichtung 7.1 verschaltet. Bei zwei Mikroprozessoren
kommen zwei Überwachungseinrichtungen zum Einsatz. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, besteht
die Schalteinrichtung 7.1 (bzw. auch die Schalteinrichtung 7.2) aus einem Steuertransistor
11, der von einer Treiberstufe des Mikroprozessors 1 aus angesteuert wird und die
Spule eines Relais 12 ansteuert. In einem normalen Betriebsfall, d.h., daß die Meßstelle
4 (bzw. 4.1 oder 4.2) kein Signal abgibt, ist der Steuertransistor 11 von dem Mikroprozessor
1 angesteuert und legt das Relais in den Stromkreis (dargestellt durch die Plus-/Minus-Zeichen).
Dadurch sind beispielsweise die Kontakte des Relais 12 geschlossen, die den Betrieb
einer elektrischen Maschine ermöglichen.
[0029] Die in Figur 5 gezeigte Überwachungseinrichtung 10 arbeitet in Zusammenhang mit der
in Fig. 6 gezeigten Schalteinrichtung 7.1 wie folgt:
Von einer Treiberstufe des Mikroprozessors 1 wird die Überwachungseinrichtung 10,
die insbesondere als Mono-Flop ausgebildet ist, gesetzt. Dies kann insbesondere zyklisch
geschehen, da bei Ausfall des Mikroprozessors oder dessen Bestandteile die Schalteinrichtung
7.1 zu betätigen ist. In einer Ausgestaltung bildet ein Ausgang der Überwachungseinrichtung
10 ein Massepotential (D bzw. Minus-Zeichen in Fig. 6) für die Schalteinrichtung 7.1.
Der weitere Ausgang der Überwachungseinrichtung 10 bildet ein von dem Massepotential
unterschiedliches Potential (insbesondere ein positives Potential), wobei beide Ausgänge
der Überwachungseinrichtung 10 im Normalfall unterschiedliches Potential aufweisen.
So ist die Schalteinrichtung 7.1 gegen einen Durchbruch gegen Masse geschützt, da
ein solcher das im Normalfall angesteuerte Relais 12 abfallen läßt und dadurch ein
sicherheitsrelevanter (unbedenklicher) Zustand einstellbar ist. Für den Fall, daß
der Ausgang des Mikroprozessors 1 mit einem positiven Potential (insbesondere einer
Versorgungsspannung) verbunden wird, ist dem Relais 12 das Massepotential entzogen,
so daß das Relais 12 auch in diesem Falle abfällt. Analog dazu erfolgt eine Überprüfung
des Steuertransistors 11, ob dieser gegen Masse bzw. gegen ein positives Potential
kurzgeschlossen ist. Für den Fall, daß der Steuertransistor 11 gegen Masse kurzgeschlossen
ist, zieht das Relais 12 nicht mehr an, was dem Mikroprozessor 1 über die Verbindung
E angezeigt wird. Dieser Störfall ist in dem Mikroprozessor 1 detektierbar und über
die Anzeigeeinrichtung 3 anzeigbar. Für den Fall, daß der Steuertransistor 11 gegen
ein positives Potential (insbesondere Versorgungsspannung) kurzgeschlossen ist, hat
das Relais 12 trotz der Fehlermeldung des Mikroprozessors 1 noch ein Signal an dem
Steuertransistor 11. Über einen Eingang des Mikroprozessors 1 wird dies registriert
und der Mikroprozessor 1 schaltet das Signal an seinem Ausgang gegen Masse, so daß
das Relais 12 abfällt und dies von der Anzeigeeinrichtung 3 anzeigbar ist.
[0030] Weiterhin ist es vorgesehen, daß die zumindest eine Meßstelle als taktiler Sensor
ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich in einer Ausgestaltung um einen Gummischlauch
(Gummiprofil), in welchem längs ein elektrisches Kabel (Meßwiderstand RM) integriert
ist, wobei dieser Sensor eingangs- oder ausgangsseitig mit einem Widerstand oder einer
Diode abgeschlossen werden kann. Da der Wert dieses Widerstandes von der Länge des
Gummischlauches bzw. des elektrischen Kabels ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
die an der Meßstelle anliegende Spannung zu erfassen, die einen der Länge proportionalen
Wert darstellt. Ausgehend von diesem Wert erfolgt die Vorgabe von angepaßten Vergleichswerten
(Minimal- und Maximalwerte), die in einem Speicher in dem zumindest einen Mikroprozessor
abgelegt sind. Dieser Vorgang ist von dem Mikrozessor wiederholbar, so daß in vorgebbraen
Zeitabständen die Länge abgefragt wird und bei einer Änderung der Vergleichswerte
automatisch vorgenommen werden kann. Alternativ dazu ist es denkbar, die Vorgabe verschiedener
Länge mittels der Auswahleinrichtung manuell einzustellen, wobei beispielsweise einer
Schalterstellung oder einer Kombination mehrerer Schalter der Auswahleinrichtung eine
Länge entspricht. Durch diese Anpassung der Vergleichswerte ist es möglich, die Schaltpunkte
(bzw. eine Betätigung der Schalteinrichtung) bei unterschiedlichen Längen gleichzuhalten.
Bei Erfassung einer unzulässigen Länge ist es denkbar, Vergleichswerte vorzugeben,
die einer zulässigen Länge entsprechen oder die Schalteinrichtung (bzw. die Anzeigeeinrichtung)
derart zu betätigen, daß die gesamte Anlage (System) einen vorbestimmten, insbesondere
einen ungefährdenden, Zustand einnimmt.
[0031] Figur 7 zeigt eine Ausgestaltung eines taktilen Sensors, wobei die eine zumindest
aus den vorangegangenen Figuren bekannte Meßstelle 4 einen Lichtwellenleiter 13 aufweist.
Dieser Lichtwellenleiter 13 ist in zumindest einem Teilbereich berührbar, so daß das
von einer Lichtquelle 14, die in der Meßstelle 4 integriert ist, abgegebene Licht
moduliert (verändert) wird, wobei diese Modulierung (Veränderung) von einer Empfangseinrichtung
15 und einer daran angeschlossenen Auswerteeinrichtung 16 festgestellt werden kann.
Die Auswerteeinrichtung 16 ist wiederum elektrisch mit dem Mikroprozessor 1 verbunden,
wobei der Innenwiderstand der Auswerteeinrichtung 16 den Meßwiderstand RM darstellt.
In einer einfachen Ausgestaltung handelt es sich bei der Kombination der Empfangseinrichtung
15 und der Auswerteeinrichtung 16 um eine Fotodiode, die in Abhängigkeit des von der
Lichtquelle 14 eingespeisten Lichtes und weiterhin in Abhängigkeit von der Berührung
des Lichtwellenleiters 13 ihren Innenwiderstand (Meßwiderstand RM) verändert, wobei
diese Veränderung des Widerstandes von dem Mikroprozessor 1 dedektierbar ist. Weiterhin
ist es denkbar, daß in der Auswerteeinrichtung 16 ein AD-Wandler integriert ist, der
das von der Empfangseinrichtung 15 abgegebene analoge Signale in digitale Signale
umwandelt. Weiterhin ist in Figur 7 gezeigt, daß zumindest die Lichtquelle 14 mit
dem Mikroprozessor 1 verbunden ist und von diesem aus steuerbar ist. Gleichzeitig
kann diese Verbindung der Energieübertragung für die Lichtquelle 14 dienen. Die Steuerung
durch den Mikroprozessor 1 hat den Vorteil, daß die Lichtquelle 14 nur dann in Betrieb
gesetzt wird, wenn die gesamte Sicherheitseinrichtung in Betrieb ist. Auch kann aufgrund
dieser Verbindung der Mikroprozessor erkennen, daß der taktile Sensor ein Lichtwellenleiter
ist. Weiterhin ist es denkbar, zumindest einen Teilbereich des Lichtwellenleiters
13 mit einer Schutzhülle zu versehen oder in einem großflächigen oder großräumigen
Bereich zu integrieren (z.B. in einer Matte), um die Fläche des taktilen Sensors zu
vergrößern bzw. an vorgegebene konstruktive Gegebenheiten anzupassen. Die in Figur
7 gezeigte Meßstelle 4 ist entweder alleine an einem Mikroprozessor 1 betreibbar oder
-analog zu der in Figur 2 gezeigten Ausgestaltung - zumindest zweifach an jeweils
einem Mikroprozessor 1.1 und 1.2 oder in Ergänzung zu einer der im vorangegangenen
beschriebenen Meßstellen betreibbar. Dies hat den Vorteil, daß sich das Anwendungsspektrum
der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung erweitern läßt.
1. Sicherheitseinrichtung, insbesondere zum Schutz von Personen und/oder Objekten, die
eine mit zumindest einer einen elektrischen Abschluß zugeordnete Meßstelle, wobei
die Meßstelle insbesondere als taktiler Sensor ausgebildet ist, versehenene Auswerteeinheit
aufweist, welche zumindest aus einer Vergleichseinrichtung besteht, der ein von der
Meßstelle abgebbares Signal zuführbar ist und in Abhängigkeit des Signales eine Schalteinrichtung
betätigbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit zumindest teilweise in zumindest einem
Mikroprozessor (1) integriert ist, wobei dem Mikroprozessor eine Auswahleinrichtung
(5, 5.1, 5.2) zur Bestimmung von Steuerfunktionen des Mikroprozessors (1, 1.1, 1.2)
zugeordnet ist und dieser derart ausgebildet ist, daß der elektrische Abschluß (RA,
RM, D) automatisch erkennbar ist.
2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Größe, mit der die zumindest eine Meßstelle
(4, 4.1, 4.2) beaufschlagbar ist, von dem Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2) steuerbar ist.
3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Abschluß eine Diode (D) ist und der Mikroprozessor
(1, 1.1, 1.2) zur Richtungserkennung der Diode ausgebildet ist.
4. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2) zur Funktionsüberwachung
ein Watchdog (6) zugeordnet ist.
5. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnt, daß der Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2) zur eigenständigen Durchführung
eines Selbsttestes ausgebildet ist.
6. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2) zur manuell auslösbaren
Durchführung eines Selbsttestes ausgebildet ist.
7. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2) in Abhängigkeit des von
der Meßstelle (4, 4.1, 4.2) abgebbaren Signales eine an sich bekannte Anzeigeeinrichtung
(3) betätigt.
8. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung mit einem über-oder nebengeordneten
System über eine Schnittstelle vernetzbar ist.
9. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrkanaligkeit jedem Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2)
mindestens eine Schalteinrichtung (7, 7.1, 7.2) zugeordnet ist.
10. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Größe derart erzeugbar ist, daß sie einen
positiven Pegel gegenüber einer Masse der Spannung, mit der die Sicherheitseinrichtung
betreibbar ist, aufweist.
11. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Schalteinrichtung (7.1, 7.2) von dem
Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2) derart betätigbar ist, daß für den Fall, daß die Meßstelle
(4, 4.1, 4.2) ein Signal abgibt, ein sicherheitsrelevanter Zustand einstellbar oder
erreichbar ist.
12. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2) zumindest eine Überwachungseinrichtung
(10), insbesondere ein Mono-Flop, ausgangsseitig zugeordnet ist, wobei die Überwachungseinrichtung
(10) auf die zumindest eine Schalteinrichtung (7.1, 7.2) einwirkt.
13. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Schalteinrichtung (7.1, 7.2), die insbesondere
einen Steuertransistor (11) und ein Relais (12) aufweist, von dem Mikroprozessor (1,
1.1, 1.2) und der Überwachungseinrichtung (10) überwachbar ist.
14. Sicherheitseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der taktile Sensor ein Lichtwellenleiter (13) ist, dem
zumindest auf der einen Seite eine Lichtquelle (14) und auf der gleichen beziehungsweise
auf der gegenüberliegenden Seite eine Empfangs- und Auswerteeinrichtung (15, 16) zugeordnet
ist, wobei der Innenwiderstand der Auswerteeinrichtung (16) den elektrischen Abschluß
darstellt und der Mikroprozessor (1, 1.1, 1.2) zur Erkennung des Anschlusses eines
Lichtwellenleiters (13) ausgebildet ist.