[0001] Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für eine zu sichernde Einrichtung
mit einer Vielzahl von Sensoren mit analogen oder digitalen Schaltzuständen, die an
eine Auswerteschaltung angeschlossen sind, die ein Schaltsignal in Abhängigkeit von
den Schaltzuständen der Sensoren erzeugt.
[0002] Überwachungseinrichtungen für zu sichernde Einrichtungen wie für Maschinen, Anlagen
od.dgl., die eine Reihe von Türen oder sonstigen zu öffnenden Zugängen aufweisen,
bei deren Öffnen oder Erreichen das momentane Abstellen der Maschine oder Anlage etwa
aus Gefährdungsgründen gefordert wird, weisen an jedem zu öffnenden Zugang mindestens
einen Sensor, etwa einen mechanisch-elektrischen Sicherheitsschalter, eine Lichtschranke
od.dgl., auf, dessen Ausgänge mit einer Auswerteschaltung gekoppelt sind, die seinerseits
ein Ausgangssignal etwa zum Stillsetzen der Maschine oder Anlage erzeugt, wenn an
mindestens einem Sensor ein Gefahr anzeigender Schaltzustand festgestellt wird. Jeder
Sensor kann betätigt, unbetätigt oder defekt sein. Um seinen Zustand gezielt festzustellen,
muß jedes Kontaktpaar im Sensor einzeln ausgewertet werden, was mindestens drei Adern
erfordert.
[0003] So ist eine mit hintereinandergeschalteten Lichtschranken arbeitende Überwachungseinrichtung
bekannt, bei der die Auswerteschaltung zwei Schaltrelais betätigende Mikroprozessoren
umfaßt, die jeweils mit den Empfangsdioden der Lichtschranken über entsprechende Kanäle
sowie untereinander gekoppelt sind, wobei letzteres dazu dient, daß sich die Mikroprozessoren
gegenseitig aus Redundanzgründen überwachen. Die Stromversorgung der einzelnen Bauteile
erfolgt über entsprechende Zuleitungen. Hierbei ergibt sich ein erheblicher Verdrahtungsaufwand
durch Verwendung spezieller, zur Vermeidung von Störungen abgeschirmter Leitungen.
Ein Selbsttest der Sensoren ist hierbei nicht vorgesehen.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungseinrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, die zu einer Verminderung und Vereinfachung des Verdrahtungsaufwands
und einer Verbesserung der Sicherheit führt.
[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Sensoren über einen Zweidraht-Bus, der
an ein Netzteil angeschlossen die Energieversorgung der Überwachungseinrichtung vornimmt,
jeweils mit wechselnden Signalen zur Abgabe entsprechend wechselnder Sensorsignale
stimulierbar sind, wobei die Datenübertragung durch Taktung der Betriebsspannung,
die an aktiven Busanschaltungen jeweils über eine Pufferschaltung aufrechterhalten
wird, erfolgt.
[0006] Für die angestrebte sichere Auswertung kommt es darauf an, daß die Energieversorgung
über den Zweidraht-Bus erfolgt und zugleich eine dynamische Erfassung der Schaltzustände
vorgenommen wird. Der so gebildete "Sicherheitsbus" hat keine Signalverarbeitung im
Sensorelement dergestalt, daß dort eine Vorauswertung stattfinden würde. Dies würde
bei einer einkanaligen Auslegung des Prozessors, wie sie hier verwendet wird, Redundanzprobleme
ergeben. Vielmehr werden ambivalente Schaltsignale aufbereitet und Zustandsinformationen
von Schaltgruppen übertragen. Außerdem wird der jeweilige Schalter durch ambivalente
Schaltsignale über den Zweidraht-Bus stimuliert.
[0007] Durch die Verwendung eines Zweidraht-Bus, der nur einfache Drähte und keine Spezialkabel
oder Sonderverlegung benötigt, wird nicht nur der Verdrahtungsaufwand vermindert und
vereinfacht, es erfolgt auch, wie bereits erwähnt, die Stromversorgung der einzelnen
Komponenten über den Zweidraht-Bus, über den die Sensoren mit wechselnden Signalen
zyklisch stimuliert werden, um entsprechend wechselnde Sensorsignale abzugeben, die
einem Selbsttest unterworfen werden, wodurch die Sicherheit der Überwachungseinrichtung
erheblich erhöht wird. Die Sensoren können ein- oder mehrkanalig ausgelegt sein. Zur
Datenübertragung sind nur sehr geringe Ströme notwendig, so daß keine Leistungsschalter
benötigt werden. Es werden nicht nur die einzelnen Komponenten der Überwachungseinrichtung,
sondern auch deren Verdrahtung fehlerüberwacht.
[0008] Die Datenübertragung über den Zweidraht-Bus erfolgt durch Taktung der Betriebsspannung,
die an aktiven Busanschaltungen über eine Pufferschaltung aufrechterhalten werden
kann. Der Datenstrom kann als Telegramm decodiert und ausgewertet werden. Die Auswerteschaltung
kann ein Freigabesignal erhalten, sobald die Betriebsspannung der Pufferschaltung
einen Schwellwert übersteigt. Zeitverzögert kann daraus ein Startsignal für die Auswerteschaltung
generiert werden.
[0009] Die Auswerteschaltung antwortet in einem festen Zeitraster auf eine korrekte Telegrammstruktur
durch Taktung des Zweidraht-Bus. Hierzu kann durch eine kurzschlußfeste Schaltung
die Betriebsspannung des Bus über einen Widerstand für eine durch die Übertragungsgeschwindigkeit
festgelegte Maximalzeit praktisch kurzgeschlossen werden.
[0010] Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den
Unteransprüchen zu entnehmen.
[0011] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
[0012] Fig. 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Überwachungseinrichtung.
[0013] Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Busanschaltung für die Überwachungseinrichtung
nach Fig. 1.
[0014] Die dargestellte Überwachungseinrichtung umfaßt eine Vielzahl von Sensoren 1 mit
analogen oder digitalen Schaltzuständen. Hierbei kann es sich beispielsweise - wie
dargestellt - um ein mechanisch-elektrisches Schaltelement umfassend einen Öffner
1a und einen Schließer 1b, die gemeinsam betätigbar sind, handeln. Die Sensoren 1
können an Türen, Klappen, Durchgängen od.dgl. an einer zu sichernden Einrichtung wie
einer Maschine, Anlage od.dgl. angebracht sein, so daß bei einem Öffnen der Tür, Klappe
od.dgl. der Sensor 1 betätigt, d.h. im dargestellten Fall gleichzeitig der Öffner
1a geöffnet und der Schließer 1b geschlossen wird, d.h. daß sich der digitale Schaltzustand
des Sensors 1 hierdurch ändert. Stattdessen können aber auch Sensoren 1 mit analogen
Schaltzuständen, so auch elektronische Geber wie u.a. solche mit Kodierfunktion in
Form von kodierten "TAGs", gegebenenfalls gemischt mit solchen mit analogen Schaltzuständen
vorhanden sein.
[0015] Zu jeden Sensor 1 gehört ein einen Taktgeber (Watchdog) umfassender Sensorprozessor
2, der einerseits über eine Busanschaltung 3 mit einem Zweidraht-Bus 4 und andererseits
mit einem nichtflüchtigen Speicher 5, einem E²PROM, verbunden ist. Der Zweidraht-Bus
4 kann aus normalen, nicht abgeschirmten Drähten hergestellt sein und eine baum- und/oder
sternförmige Struktur aufweisen. Ein Draht des Zweidraht-Bus 4, z.B. der negative,
ist galvanisch mit Maschinenerde verbindbar, während der andere Draht Energie und
Signale überträgt, wobei die Übertragung von Signalen durch Taktung der Betriebsspannung
erfolgt.
[0016] Sämtliche Sensoren 1 sind über den Zweidraht-Bus 4 mit einer Auswerteschaltung verbunden,
die im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei vorzugsweise diversitäre Auswerteprozessoren
6', 6'' umfaßt, die mit dem Zweidraht-Bus 4 ebenfalls über jeweils eine Busanschaltung
3 sowie untereinander kommunizierend verbunden sind. Die jeweils einen Taktgeber (Watchdog)
umfassenden Auswerteprozessoren 6', 6'' können beispielsweise mit je einem Eingang
von zwei Relais 7', 7'' verbunden sein. Außerdem gehört zu jedem Auswerteprozessor
6', 6'' ein nichtflüchtiger Speicher 8, ein E²PROM. Die Speicher 8 beinhalten jeweils
die Anzahl von vorhandenen, zu überwachenden Sensoren 1.
[0017] Der Zweidraht-Bus 4 ist an ein irgendwo untergebrachtes Busnetzteil 9, eine Konstantstromquelle
(z.B. 24 V Gleichstrom) angeschlossen. Die einzelnen Bauteile der Überwachungseinrichtung
werden über den Zweidraht-Bus 4 mit Energie versorgt. Zu diesem Zweck sind die Busanschaltungen
3 entsprechend ausgelegt (vgl. auch Fig. 2 und nachfolgende Beschreibung hiervon).
Durch einen hohen Innenwiderstand des Busnetzteils 9 wird bei der Datenübertragung
ein Kurzschluß vermieden.
[0018] Außerdem kann der Zweidraht-Bus 4 über ein Interface 10 mit einem PC und/oder einer
speicherprogrammierbaren Steuerung verbunden sein. Letztere kann dazu verwendet werden,
die Speicher 5, 8 mit den notwendigen Angaben, wie auch gegebenenfalls mit eigener
Ckecksumme, zu versehen. Dies ist beispielsweise durch ein einfaches ASCII-Protokoll
möglich. Beim Netzeinschalten werden diese Daten aus den Speichern 5, 8 gelesen und
mit der Checksumme verglichen sowie in die Speicher der Prozessoren 6', 6'' geladen.
[0019] Wenn einer der Auswerteprozessoren, etwa 6', den Zweidraht-Bus 4 zum Erreichen eines
bestimmten Sensors 1 stimuliert, indem Adresse, Funktion und Prüfwort (beispielsweise
eine Checksumme) für einen Sensor 1 als Telegramm auf den Zweidraht-Bus 4 gegeben
werden, d.h. daß auf dem Zweidraht-Bus 4 getaktet Pulse erscheinen, die beispielsweise
zwischen 5 und 20 V schwanken, werden diese an alle Sensorprozessoren 2 übertragen.
Außerdem belauscht hierbei der andere Auswerteprozessor, in diesem Fall 6'' den sendenden
Auswerteprozessor 6', um dessen Signal und damit seine Funktion zwecks Redundanz zu
überprüfen.
[0020] Jeder Sensorprozessor 2 überprüft die Adresse, indem er den Inhalt seines zugehörigen
Speichers 5 mit der gesendeten Adresse vergleicht. Der adressierte Sensorprozessor
2 gibt beispielsweise, wie in Fig. 1 angegeben, entsprechend der übermittelten Funktion
1010 an seinen beiden zum Sensor 1 führenden Ausgängen ein Signal S bzw. S ab. Bei
geöffnetem Öffner 1a und geschlossenem Schließer 1b (dies sei der unbetätigte Zustand
des Sensors 1) bleiben S und S unverändert und erscheinen als solche wieder an den
vom Sensor 1 kommenden Eingängen des Sensorprozessors 2, d.h. die Antwort ist ebenfalls
1010.
[0021] Wenn der Sensor 1 dagegen betätigt wäre, würde bei der Funktion 1010 als Antwort
1001 erscheinen.
[0022] Bei der Funktion 0101 würde diese bei unbetätigtem Sensor 1 bestätigt, bei betätigtem
Sensor 1 ergäbe sich aber 0110.
[0023] Entsprechend der Antwort kann der Sensorprozessor 2 eine Zustandsanzeige 11 ansteuern,
die beispielsweise aus einer roten und einer grünen LED, die ensprechend dem Zustand
zum Aufleuchten gebracht werden, besteht.
[0024] Die Antwort vom Sensor 1 wird von beiden Auswerteprozessoren 6', 6'' ausgewertet,
wenn die Funktion nicht mit der Antwort übereinstimmt, wird ein entsprechendes die
Relais 7' bzw. 7'' schaltendes Signal erzeugt.
[0025] Wird der Sensor 1 nicht erreicht, kommt dies einem Timeoutfehler gleich. Bei jeder
Datenstörung ergibt sich ein falsches Prüfwort (Checksumme).
[0026] Nach jeder Sensorüberprüfung oder nach jedem Überprüfungszyklus wird zwischen Auswerteprozessor
6' und 6'' gewechselt.
[0027] Zweckmäßigerweise enthalten ein Byte die Adresse und zwei weitere Bytes die Funktion
und den Datensatz für den Sensor, während zwei zusätzliche Bytes das Prüfwort enthalten,
das die zu übermittelnden Informationen absichert. Bei einer Datenstörung ergibt sich
ein falsches Prüfwort. Kommt das Telegramm bereits gestört beim Sensorprozessor 2
an, verweigert dieser die Annahme des Telegramms, so daß die Auswerteschaltung einen
Timeoutfehler erkennt. Mehrere derartige Fehler auf dem gleichen Sensor 1 führen zur
Störmeldung, da hier mit großer Wahrscheinlichkeit ein Defekt des Sensors 1 vorliegt.
[0028] Es ergibt sich somit eine zweikanalige, infolge Selbstdiagnose fehlersichere Überwachungseinrichtung
mit einfacher und verminderter Verdrahtung. Ein Fehler in einem Sensor 1 wird festgestellt,
bevor durch Änderung seines Schaltzustandes an der zu sichernden Einrichtung ein gefährlicher
Zustand auftreten kann.
[0029] Haben mehrere Sensoren 1 durch einen Fehler gleiche Adressen, kommt es bei den Antworten
der Sensoren 1 zu Datenüberschneidungen. Da der Zweidraht-Bus 4 aktiv "Low" ist, kann
jeder Sensor 1 sein Signal durch ein "Low" auf den Zweidraht-Bus 4 übergeben. Hierbei
kommt es auf dem Zweidraht-Bus 4 zu einer logischen NOR-Verknüpfung, so daß die berechnete
Checksumme nicht gleich der Checksumme des Telegramms ist. Dieser Fehler führt zur
Störmeldung.
[0030] Gleiches gilt für unterbrochenen Zweidraht-Bus 4. Er führt zum Timeoutfehler. Ist
der Zweidraht-Bus 4 fehlerhafterweise auf "high" geklemmt, erkennt dies die Auswerteschaltung
beim ersten Sendeversuch. Diese Störung kann ausgewertet und gemeldet werden.
[0031] Ferner ist eine Fehleranalyse etwa durch Mithören am Zweidraht-Bus 4 durch einen
daran über das Interface 10 angeschlossenen PC (oder SPS) möglich. Auch kann die von
den Auswerteprozesssoren 6', 6'' vorgenommene Systemdiagnoseanzeige 12 beispielsweise
in Form einer roten und einer grünen LED, die entsprechend zum Aufleuchten bringbar
sind, erfolgen.
[0032] Eine Ausführungsform einer Busanschaltung 3 ist in Fig. 2 dargestellt. Hiernach umfaßt
die Busanschaltung einen Spannungsreglerteil 13 mit einem Pufferkondensator 14, der
über eine Diode 15 geladen und gegen Entladung gesperrt wird. Letzterer dient zur
Speicherung der jeweiligen Ist-Spannung des Zweidraht-Bus 4 an der jeweiligen Busanschaltung
3 (entsprechend der Entfernung vom Busnetzteil 9 ist die Spannung aufgrund des Ohm'schen
Widerstands entsprechend abgefallen). Während der Signalübermittlung, die durch entsprechenden
Spannungsabfall gegenüber der Busspannung stattfindet, sichert der Pufferkondensator
14 die Stromversorgung für den zugehörigen Sensorprozessor 2, Sensor 1 und Speicher
5 bzw. den zugehörigen Auswerteprozessor 6', 6'' und Speicher 8.
[0033] Ferner umfaßt die Busanschaltung 3 einen Busempfängerteil 16 mit einem Komparator
17 und einer Spannungsteilerschaltung 18. Die Spannungsteilerschaltung 18 teilt und
insbesondere halbiert mittels Widerständen 19, 20 die gespeicherte Ist-Busspannung
als Vergleichsspannung für den Komparator 17, so daß der Komparator 17 innerhalb eines
praktikablen erlaubten Bereichs arbeiten kann, d.h. es ergibt sich eine dynamische
Schaltschwelle entsprechend der jeweils vorliegenden Ist-Busspannung, d.h. wenn die
Ist-Busspannung an der jeweiligen Busanschaltung 3 abfällt, läuft die Triggerschwelle
des Komparators 17 der Ist-Busspannung auf der Hälfte hinterher. Das angelegte Signal
wird ebenfalls mittels Widerständen 21, 22 geteilt, und zwar in einem Verhältnis größer
als die Teilung durch die Widerstände 19, 20, z.B. gedreiviertelt, so daß die 3/4-Busspannung
entsprechend "high" sicher über und die 3/4-Spannung entsprechend "low" (die low-Spannung
geht nicht auf Null, sondern beispielsweise wegen des Ohm'schen Leitungswiderstands
nur auf etwa 4 bis 5V zurück) sicher unter der Triggerschwelle liegen.
[0034] Außerdem umfaßt die Busanschaltung 3 ein Sendeteil 23 mit einem L²MOSFET-Transistor
24, an dessen Gate das Signal vom Sensorprozessor 2 bzw. vom Auswerteprozessor 6',
6'' über einen Widerstand 29 angelegt wird, so daß dieser entsprechend dem Signal
leitend bzw. nichtleitend ist und somit als Schalter dient. Der Transistor 24 ist
über parallele, mit seinem Source nach Ground verbundene Widerstände 25, 26 stromüberwacht,
die über einen Widerstand 27 mit dem Gate eines mit seiner Anode mit dem Gate des
Transistors 24 verbundenen Thyristors 28 verbunden sind. Wenn der Strom durch den
Transistor 24 zu hoch wird, fällt eine proportionale Spannung an den Widerständen
25 und 26 ab, so daß über den Widerstand 27 der Triggerpegel des Thyristors 28 erreicht
wird. Thyristor 28 wird leitend und schaltet Transistor 24 über den Widerstand 29
aus, so daß verhindert wird, daß ein Überstrom auf den Zweidraht-Bus 4 gelangt. Der
Thyristor 28 bleibt dann während der gesamten Sendezeit, d.h. während der Zeit, während
der ein Bit übertragen wird, leitend.
[0035] Ein Widerstand 30, der zwischen dem Eingang des Widerstands 29 und Erde geschaltet
ist, verhindert ein Einschalten des Transistors 24 beim Hochlaufen der Busspannung
am Kondensator 14 vor dem Anlauf der Prozessoren 2, 6', 6'' .
[0036] Ein Kondensator 31 zwischen dem Gate des Thyristors 28 und Erde verhindert eine Zündung
des Thyristors 28 bei kurzzeitigen Störungen (Transientenunterdrückung).
[0037] Eine Diode 32 dient dem Verpolschutz und eine Transsildiode 33 dem Überspannungsschutz.
[0038] Ein Widerstand 34 begrenzt den Einschaltstrom und den Laststrom des Transistors 24
im Fehlerfall.
1. Überwachungseinrichtung für eine zu sichernde Einrichtung mit einer Vielzahl von Sensoren
(1) mit analogen oder digitalen Schaltzuständen, die an eine Auswerteschaltung angeschlossen
sind, die ein Schaltsignal in Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Sensoren (1)
erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Sensor (1) eine prozessorgesteuerte Schaltung (2) zur Erfassung seines
Schaltzustands zugeordnet ist und die prozessorgesteuerten Schaltungen (2) der Sensoren
(1) an einen mit der Auswerteschaltung verbundenen Zweidraht-Bus (4) mit getakteter
Datenübertragung angeschlossen sind, wobei die Sensoren (1) über den Zweidraht-Bus
(4), der an ein Netzteil (9) angeschlossen die Energieversorgung der Überwachungseinrichtung
vornimmt, jeweils mit wechselnden Signalen zur Abgabe entsprechend wechselnder Sensorsignale
stimulierbar sind, wobei die Datenübertragung durch Taktung der Betriebsspannung,
die an aktiven Busanschaltungen (3) jeweils über eine Pufferschaltung (13) aufrechterhalten
wird, erfolgt.
2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweidraht-Bus
(4) stern- und/oder baumförmig ausgebildet ist.
3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels
jeder prozessorgesteuerten Schaltung (2) ein Datensatz vom Zweidraht-Bus (4) adressenmäßig
mit der zugehörigen Sensoradresse vergleichbar und bei Übereinstimmung einlesbar und
ein den Zustand des zugehörigen Sensors (1) wiedergebender Datensatz auf den Zweidraht-Bus
(4) gebbar ist.
4. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß jede prozessorgesteuerten Schaltung (2) einen nichtflüchtigen Speicher (5) für
die Sensoradresse umfaßt.
5. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zweidraht-Bus (4) an ein Konstantstrom-Busnetzteil (9) mit hohem Innenwiderstand
angeschlossen ist.
6. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteschaltung zwei redundante Auswerteprozessoren (6', 6'') jeweils mit
einem nichtflüchtigen Speicher (8) umfaßt.
7. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die prozessorgesteuerten Schaltungen (2) und die Auswerteschaltung jeweils über
eine Busanschaltung (3) mit dem Zweidraht-Bus (4) verbunden sind, die die Pufferschaltung
(13) für die Betriebspannung umfaßt.
8. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschaltung
(13) einen über eine Diode (15) ladbaren und gegen Entladung sperrenden Pufferkondensator
(14) umfaßt.
9. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Busanschaltung
(3) ein einen Komparator (17) aufweisende Empfängerteil (18) mit einer Triggerschwelle,
die entsprechend der an der Busanschaltung (3) anliegenden Ist-Busspannung gleitet,
umfaßt.
10. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerschwelle
durch eine Spannungsteilerschaltung (19, 20) für die Ist-Busspannung bestimmt ist.
11. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Spannungsteilerschaltung (21, 22) für einlaufende Signale derart vorgesehen ist, daß
die Pegel sicher über bzw. unter der Triggerschwelle liegen.
12. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Busanschaltung (3) ein Sendeteil (23) mit einem kurzschlußschützten Schalter
(24) aufweist.
13. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeteil
(23) einen Thyristor (28) umfaßt, der bei Überstrom auf den Zweidraht-Bus (4) für
eine ganze Bitzeit des Signals gesperrt ist.
14. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß jede prozessorgesteuerte Schaltung (2) und gegebenenfalls die Auswerteschaltung
eine Zustandsanzeige (11, 12) auf-weisen.
15. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zweidraht-Bus (4) an einen PC bzw. eine speicherprogrammierbare Steuerung
angeschlossen ist.