Zuhaltung mit einem Elektromagneten

Abstract

 Zuhaltung (1) mit einem Elektromagneten (2), der über eine Ansteuerung (4) in mindestens zwei Zustände unterschiedlichen Energiebedarfs steuerbar ist, wobei die Zuhaltung (1) für einen Anschluss an einen Feldbus ausgelegt ist, und ein aus dem Feldbus gespeister Schaltregler (5) der Zuhaltung (1) als Spannungslieferant vorhanden ist, der in Reihe mit einer Stromquelle (6) verbunden ist, die einen Kirchhoffschen Knotenpunkt zwischen dem Schaltregler (5) und einem Energiespeicher (7) bildet, wobei der Kirchhoffsche Knotenpunkt mit der Ansteuerung (4) für den Elektromagneten (2) verbunden ist, und der, während des Zustands niedrigen Energiebedarfs sich aufladende Energiespeicher (7) Energie für den höheren Energiebedarf bereitstellt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Zuhaltung mit einem Elektromagneten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Zuhaltungen sind als Teil einer Zugangsschutzeinrichtung für einen verschließbaren Raumbereich einer maschinellen Anlage, von dem ein Gefahrenpotenzial ausgehen kann, bekannt. Bei der Anlage kann es sich beispielsweise um Maschinen oder Komponenten wie Roboter zum Herstellen, Behandeln oder Bearbeiten von Werkteilen sowie um chemische Anlagen oder dergleichen handeln.

[0003] Eine Zuhaltung ist üblicherweise zwischen einer den Raumbereich verschließenden Tür oder Klappe als beweglicher Teil und gegenüber feststehenden Wänden bzw. Wandungen oder einem Rahmen als feststehender Teil angeordnet. Die mindestens eine gegebenenfalls umlaufend abgedichtete Tür oder Klappe, die durch Schwenken bzw. Schieben geöffnet bzw. geschlossen werden kann, ist durch die Zuhaltung arretierbar bzw. verriegelbar.

[0004] Stehen zumindest Teile der maschinellen Anlage in dem verschließbaren Raumbereich nicht still oder sind ansonsten vorzunehmende Vorkehrungen vor dem Öffnen der Türen noch nicht getroffen, werden die Zuhaltungen blockiert, so dass die Türen nicht geöffnet werden können. Außerdem verhindert die Steuerung ein Inbetriebnehmen der maschinellen Anlage bei wenigstens einer geöffneten Tür. Damit verhindert die Zuhaltung den unerlaubten sowie unbewussten Zugriff bzw. Zugang in einen Gefahrenbereich, bis dass die Personen gefährdende Bewegung der maschinellen Anlage zum Stillstand gekommen ist.

[0005] In Sicherheitsschaltungen zur Ver- und Entriegelung von Türen, Klappen oder dergleichen werden in den Zuhaltungen u.a. Elektromagneten verwendet, die einen gemäß der Ansteuerung eines Solenoids betätigbaren Anker aufweisen, der aufgrund seiner Position die Tür ver- bzw. entriegelt. Dabei muss gewährleistet sein, dass sich der Anker während eines Anzugsabschnitts korrekt bewegt, und dass sich eine vom Solenoid ausgeübte Magnetkraft zum Halten des Ankers in seiner Position während eines Halteabschnitts bei einer möglichst niedrigen angelegten Betriebsspannung nicht soweit reduziert, dass der Anker durch äußere Störungen, insbesondere Erschütterungen, abfällt.

[0006] Aus DE 43 41 797 A1 ist es bekannt, einen durch einen elektromagnetischen Verbraucher, z.B. in Form eines Solenoids, fließenden Strom durch eine Stromregelung auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen, der in einem Anzugsabschnitt höher ist als in einem Halteabschnitt.

[0007] Aus DE 101 34 346 A1 ist eine Vorrichtung zur stromgeregelten Ansteuerung eines Elektromagneten einer Sicherheitsschaltung wie einer Zuhaltung bekannt.

[0008] Aus DE 103 47 877 B4 ist ein Bergbau-Elektromagnet bekannt, dem ein mit einer Netzteilspannung eines Netzteils aufladbares Speichermittel zugeordnet ist, das durch Einleiten eines Schaltvorgangs für den Elektromagneten in Reihe zum Netzteil zuschaltbar ist und durch seine Entladung für die Anzugsphase eine Erhöhung der an der Spule des zu schaltenden Elektromagneten anliegenden Spannung gegenüber der Versorgungsspannung des Netzteils bewirkt.

[0009] Werden sicherheitsgerichtete Vorrichtungen wie beispielsweise eine Zuhaltung zusammen mit einem Feldbus, z.B. AS-i Bus oder CAN Bus, verwendet, so kann die sicherheitsgerichtete Vorrichtung aus dem Feldbus mit Energie versorgt werden. Der AS-i Bus - mit dem beispielsweise mit AS-i Safety at Work ein zertifizierter Standard entwickelt wurde, der den Einsatz von sicherheitsgerichteten Komponenten im AS-Interface ermöglicht - ist so ausgelegt, dass Versorgungsnetzteile einen maximalen Strom von 8A liefern. Wird die sicherheitsgerichtete Vorrichtung über den AS-i Bus mit Energie versorgt, ist die Anzahl der über den AS-i Bus mit Energie versorgbaren Vorrichtungen aufgrund der AS-i Netzteileigenschaften begrenzt.

[0010] Die Überwindung dieser Begrenzung wird derzeit dadurch gelöst, dass sicherheitsgerichtete Vorrichtungen wie eine Zuhaltung mit einem Elektromagneten, die einen verhältnismäßig hohen Strom- bzw. Spannungsbedarf haben, aus einer Hilfsspannung versorgt werden. Nachteilig dabei ist, dass zwei zusätzliche separate Leitungen benötigt werden.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zuhaltung mit einem Elektromagneten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit der eine einfache Ausgestaltung der Energieversorgung der Zuhaltung bei einem Anschluss der Zuhaltung an den Feldbus möglich ist.

[0012] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

[0013] Hierdurch wird eine Zuhaltung mit einem Elektromagneten geschaffen, der über eine Ansteuerung in mindestens zwei Zustände unterschiedlichen Energiebedarfs steuerbar ist. Die Zuhaltung ist für einen Anschluss an einen Feldbus ausgelegt, d.h. die Energieversorgung der Zuhaltung geschieht über den Feldbus. Die Zuhaltung weist einen aus dem Feldbus gespeisten Schaltregler als Spannungslieferant auf, der in Reihe mit einer Stromquelle verbunden ist. Die Stromquelle bildet einen Kirchhoffschen Knotenpunkt zwischen dem Schaltregler und einem Energiespeicher, wobei der Kirchhoffsche Knotenpunkt mit der Ansteuerung für den Elektromagneten verbunden ist. Der während des Zustands niedrigen Energiebedarfs sich aufladende Energiespeicher stellt die Energie für den höheren Energiebedarf bereit, wodurch eine separate Hilfsspannungsversorgung unnötig wird und eine Zuhaltung mit hoher Zuhaltekraft mittels eines Elektromagneten erreicht werden kann, ohne den Nachteil von Stromspitzen im Versorgungssystem, d.h. der Strom wird konstant vom Feldbus "gezogen" und intern in der Zuhaltung wird eine Pulsung zwischen den beiden Zuständen durchgeführt. Die Daten zur Ansteuerung der Zuhaltung werden über die gleiche Leitung übertragen wie die Energie zur Ansteuerung des Elektromagneten der Zuhaltung. Das Leitungsnetz kann geringer ausgelegt werden.

[0014] Der Erfinder hat herausgefunden, dass eine Energieversorgung aus dem Feldbus für sehr viele Zuhaltungen möglich ist sofern eine erfindungsgemäße Zuhaltung mit einfachen elektronischen Bauteilen verwendet wird. Auf eine zusätzliche Verkabelung für die Hilfsversorgungsspannung kann verzichtet werden, was den Aufwand für das Verkabeln und Verschalten der Zuhaltung verringert. Ferner wird eine Verkleinerung der Abmessungen der Zuhaltung ermöglicht.

[0015] Vorzugsweise ist der Elektromagnet durch die Ansteuerung stromgeregelt, wobei die Stromquelle als Konstantstromquelle ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine besonders einfache Art der Steuerung ermöglicht, bei der eine einfach aufgebaute Konstantstromquelle verwendet werden kann, die einen eingeprägten Strom liefert. Ferner hat der Erfinder als Erster erkannt, dass eine Konstantstromquelle in der Zuhaltung mit einem Elektromagneten die Lösung der Aufgabe entscheidend fördert.

[0016] Besonders bevorzugt liefert die Konstantstromquelle einen Strom von mehr als dem 1,2fachen, weiter bevorzugt dem 1,3fachen und ganz besonders bevorzugt mehr als dem 1,4fachen des Stroms bei niedrigem Energiebedarf für den Elektromagneten, wobei durch die Ansteuerung der Zustand höheren Energiebedarfs eine Regelung auf einen Strom mehr als das 2,5 fache, insbesondere mehr als das 2,75fache, des Stroms bei niedrigen Energiebedarfs ist.

[0017] Zur Verringerung des Volumens der Zuhaltung und um einfache elektronische bzw. elektrische Bauelemente zu verwenden, ist der Energiespeicher ein Kondensator, dessen Kapazität so ausgestaltet ist, dass unter Berücksichtigung eines exponentiellen Verhaltens der Spannung über dem Kondensator in Abhängigkeit von der Zeit bei der Entladung, der Wert dieser Spannung den Quotient aus Strom bei höherem Energiebedarf und Widerstand des Elektromagneten nicht unterschreitet.

[0018] Vorzugsweise ist der Feldbus ein AS-i Bus zur Verwendung des zertifizierten Standards AS-i Safety at Work.

[0019] Bevorzugt wird der Elektromagnet periodisch durch die Ansteuerung in die zwei Zustände gesteuert, was eine einfache Steuerung ermöglicht, die ohne Verwendung komplexer Bauelemente in einem kleinen Volumen realisiert werden kann.

[0020] Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltung zur Energieversorgung der Ansteuerung eines Elektromagneten einer Zuhaltung;

Fig. 2 zeigt schematisch einen sich in der Schaltung gemäß Fig. 1 ergebenden Stromverlauf.

[0021] In Fig. 1 ist schematisch ein Ausschnitt einer Schaltung einer erfindungsgemäßen Zuhaltung 1 mit einem Elektromagneten 2 gezeigt, deren Energieversorgung aus einem Feldbus erfolgt, d.h. Daten zur Ansteuerung der Zuhaltung 1 und Energie zur Versorgung der Zuhaltung 1 werden über die gleiche Leitung übertragen. Die Zuhaltung 1 weist dazu einen Eingang 3 auf, der an die Leitung des Feldbusses anschließbar ist.

[0022] Der Elektromagnet 2 der Zuhaltung 1 ist über eine Ansteuerung 4 in mindestens zwei Zustände unterschiedlichen Energiebedarfs steuerbar, um Anzugsabschnitte mit höherem Energiebedarf und Halteabschnitte mit niedrigerem Energiebedarf des Elektromagneten 2 zu ermöglichen.

[0023] Aus der Leitung des Feldbusses, der vorzugsweise ein AS-i Bus ist, wird ein Schaltregler 5, der Zuhaltung 1 gespeist, der als Spannungslieferant dient und eine Ausgangsspannung von etwa 40 V bis 50 V, vorzugsweise 45 V, liefert. Der Schaltregler 5, der als Stromquelle geschaltet ist, ist in Reihe mit einer Stromquelle 6, die vorzugsweise als Konstantstromquelle ausgestaltet ist, verbunden. Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung des Elektromagneten 2 stromgeregelt. Der Schaltregler 5 wird als Aufwärtswandler und Linearregler zur Serienstabilisierung des Elektromagneten 2 verwendet.

[0024] Die (Konstant-)Stromquelle 6 liefert einen Strom, der größer ist als der Strom, der für die Ansteuerung des Elektromagneten 2 bei niedrigem Energiebedarf, in den Halteabschnitten, benötigt wird. Die Konstantstromquelle liefert einen Strom von mehr als dem 1,2fachen, vorzugsweise dem 1,3 fachen und besonders bevorzugt mehr als dem 1,4fachen des Stroms bei niedrigem Energiebedarf.

[0025] Die Ansteuerung 4 ist so ausgestaltet, dass der Zustand höheren Energiebedarfs eine Steuerung auf einen Strom von mehr als dem 2,5fachen, insbesondere mehr als dem 2,75fachen, des Stroms bei niedrigem Energiebedarf ist.

[0026] Beispielsweise wird für die Halteabschnitte mit niedrigem Energiebedarf auf einen Strom von etwa 180 mA gesteuert, während die Konstantstromquelle einen Strom von etwa 250 mA liefert.

[0027] Für die Anzugsabschnitte des Elektromagneten 2 wird ein Energiespeicher 7 verwendet. Die Stromquelle 6 bildet dazu einen Kirchhoffschen Knotenpunkt, der mit dem Energiespeicher 7 verbunden ist. Der Energiespeicher 7 wird während des Zustands niedrigen Energiebedarfs - also in den Halteabschnitten - aufgeladen und kann für den Zustand höheren Energiebedarfs - also in dem Anzugsabschnitt - Energie für diesen höheren Energiebedarf bereitstellen. So ist ein Strom von etwa 500 mA für die Anzugsabschnitte erzeugbar, der sich aus dem Strom der Stromquelle 6 und dem Strom aus dem Energiespeicher 7 additiv ergibt.

[0028] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Energiespeicher 7 als Kondensator ausgestaltet, dessen Kapazität so gewählt ist, dass unter Berücksichtigung eines exponentiellen Verhaltens der Spannung über dem Kondensator in Abhängigkeit von der Zeit bei der Entladung, der Wert der Spannung den Quotient aus Strom bei höherem Energiebedarf und Widerstand des Elektromagneten 2 nicht unterschreitet.

[0029] In Fig. 2 ist der sich ergebende Stromverlauf an der Ansteuerung aus Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zeit bei angezogenem Elektromagneten 2 wiedergegeben. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine periodische Ansteuerung des Elektromagneten 2 mit einem Halteabschnitt H und einem Anzugsabschnitt A gezeigt. Die Dauer des Halteabschnitts H liegt im Sekundenbereich, vorzugsweise wird eine Zeit von etwa 1,5 s bis 1,8 s für den Halteabschnitt H gewählt. Die Dauer des Anzugsabschnitts A liegt im Bereich von 80 ms bis 150 ms, vorzugsweise etwa 100 ms.

Ansprüche

1. Zuhaltung (1) mit einem Elektromagneten (2), der über eine Ansteuerung (4) in mindestens zwei Zustände unterschiedlichen Energiebedarfs steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuhaltung (1) für einen Anschluss an einen Feldbus ausgelegt ist, und ein aus dem Feldbus gespeister Schaltregler (5) der Zuhaltung (1) als Spannungslieferant vorhanden ist, der in Reihe mit einer Stromquelle (6) verbunden ist, die einen Kirchhoffschen Knotenpunkt zwischen dem Schaltregler (5) und einem Energiespeicher (7) bildet, wobei der Kirchhoffsche Knotenpunkt mit der Ansteuerung (4) für den Elektromagneten (2) verbunden ist, und der, während des Zustands niedrigen Energiebedarfs sich aufladende Energiespeicher (7) Energie für den höheren Energiebedarf bereitstellt.

2. Zuhaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (2) über die Ansteuerung (4) stromgeregelt ist, wobei die Stromquelle (6) eine Konstantstromquelle ist.

3. Zuhaltung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquelle einen Strom von mehr als dem 1,2fachen, vorzugsweise dem 1,3 fachen und besonders bevorzugt mehr als dem 1,4fachen des Stroms bei niedrigem Energiebedarf liefert, und durch die Ansteuerung (4) der Zustand höheren Energiebedarfs eine Steuerung auf einen Strom von mehr als dem 2,5 fachen, insbesondere mehr als dem 2,75fachen, des Stroms bei niedrigem Energiebedarf ist.

4. Zuhaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (7) ein Kondensator ist, dessen Kapazität so ausgestaltet ist, dass unter Berücksichtigung eines exponentiellen Verhaltens der Spannung über dem Kondensator in Abhängigkeit von der Zeit bei der Entladung, der Wert der Spannung den Quotient aus Strom bei höherem Energiebedarf und Widerstand des Elektromagneten (2) nicht unterschreitet.

5. Zuhaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldbus ein AS-i Bus ist.

6. Zuhaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die Ansteuerung (4) der Elektromagnet (2) periodisch zwischen den beiden Zuständen steuerbar ist.

Zeichnung