"Sicherheitsschaltereinrichtung"

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Sicherheitsschaltereinrichtung.

Stand der Technik

Für sicherheitsrelevante elektromechanische Schaltvorgänge, mit z.B. Relais, ist es bekannt, zwangsgeführte Kontakte einzusetzen.

Solche Relais umfassen regelmäßig mehrfache Kontakte. Zumindest ein Kontakt ist mechanisch mit allen anderen verbunden, um die anderen überwachen zu können. Normalerweise ist der überwachungskontakt "normally closed" und sind die Arbeitskontakte "normally open" . "Normally open" bzw. "normally closed" bedeutet, dass im stromlosen Zustand diese Schaltposition eingenommen wird, also eine geöffnete bzw. geschlossene Stellung vorliegt. Der überwachungskontakt hat somit immer die entgegengesetzte Schaltstellung wie die Arbeitskontakte .

Durch einen überwachungskontakt lässt sich feststellen, ob das Relais für den Arbeiststromkreis richtig arbeitet. Wenn die Arbeitskontakte offen sind, muss der überwachungskontakt

geschlossen sein. Es kommen regelmäßig zertifizierte Relais zum Einsatz, bei welchen garantiert ist, dass bei geschlossenem überwachungskontakt die Arbeitskontakte offen sind und umgekehrt. Hierdurch lässt sich eine geforderte Sicherheitsstufe, z.B. 4 verwirklichen.

Aus dem Stand der Technik sind auch Lösungen bekannt, um Relaiskontakte zu überwachen, ohne zwangsgeführten überwachungskontakt. In der DE 27 29 480 Al ist ein Verfahren zur überwachung und/oder Erweiterung von Schaltanlagen mit in Reihe geschalteten Kontakten in Arbeits- oder Stromkreisen, beispielsweise für Aufbereitungsanlagen offenbart. Bei dieser Ausführungsform wird der jeweilige Schaltzustand des Kontakts mittels einer parallel geschalteten überwachungsschaltung rückwirkungsfrei erfasst. In Abhängigkeit des Schaltzustandes wird ein Schütz betätigt. Es ist ein Relais vorgesehen, um den Schaltkreis zu unterbrechen, damit Signale der überwachungsschaltung den Schütz nicht beeinträchtigen. Offen bleibt bei dieser Anordnung jedoch, wie sichergestellt werden kann, dass das Relais, das die Stromversorgung abkoppelt, richtig arbeitet.

Eine weitere Ausführungsform ist in der europäischen Patentschrift EP 0 681 310 Bl beschrieben. Parallel zu zwei in Reihe geschalteten Relais ist ein überwachungsschaltkreis vorgesehen. Eine Filterschaltung entkoppelt den überwachungsschaltkreis .

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit vorzusehen, Relais ohne zwangsgeführten "überwachungskontakt" sicher überwachen zu können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale 1 bzw. 10 gelöst.

Die Erfindung geht zunächst von einer

Sicherheitsschaltereinrichtung zum Ein- und Ausschalten einer Stromversorgung einer Last aus, welche wenigstens ein ansteuerbares Schaltelement, insbesondere ein Relais sowie eine Sicherheitsschaltung zur überprüfung eines Schaltzustands des Schaltelements umfasst. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Schaltelement als Umschalter ausgebildet ist, derart dass ein erster Kontakt entweder mit einem zweiten oder dritten Kontakt durch einen Schaltvorgang des Umschalters elektrisch verbindbar ist. Durch diese Vorgehensweise können z.B. mit einem einzigen Relais ein Laststromkreis und ein Sicherheitsschaltkreis als getrennt arbeitende Schaltkreise realisiert werden. Denn durch einen "Umschalter" kann sichergestellt werden, dass entweder der Sicherheitsschaltkreis oder der Laststromkreis geschlossen ist. Bei detektiertem geschlossenen Sicherheitsschaltkreis muss der Laststromkreis geöffnet sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zwei in Serie geschaltete ansteuerbare Schaltelemente vorgesehen. Vorzugsweise sind die jeweils erste Kontakte in der Serienschaltung miteinander verbunden. Der Sicherheitsschaltkreis ist erst dann geschlossen, wenn beide in Serie geschaltete Schaltelemente einen vorgegebenen Schaltzustand eingenommen haben. Durch diese Maßnahme lässt sich eine geforderte Sicherheitsstufe erreichen. Durch wenigstens zwei in Reihe geschaltete Umschalter kann darüber hinaus eine vollständige Entkopplung von

Sicherheitsschaltkreis und Laststromkreis stattfinden. Denn mit dem Umschalter lassen sich beide Pole eines Laststromkreises öffnen, wogegen sich zwei Pole eines Sicherheitsschaltkreises schließen lassen und umgekehrt, so dass beide Schaltkreise völlig unabhängig voneinander betrieben werden können.

Vorzugsweise ist der jeweils zweite Kontakt mit der Sicherheitsschaltung und der jeweils dritte Kontakt mit der Last elektrisch verbunden. Dabei können für die in Serie geschalteten ansteuerbaren Schaltelemente beispielsweise "normally closed"-Kontakte der Sicherheitsschaltung und die "normally open"-Kontakte der Last zugeordnet werden.

Vorteilhafterweise wird bei elektrisch verbundenen ersten und zweiten Kontakten ein Sicherheitsschaltkreis und mit verbundenen ersten und dritten Kontakten ein Laststromkreis geschlossen.

In einer überdies bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sicherheitsschaltung ein Sendeteil und einen Auswerteteil. Der Sendeteil ist auf einer Kontaktseite des wenigstens einen Schaltelements und das Auswerteteil auf der anderen Kontaktseite des wenigstens einen Schaltelements angeordnet. Ist das wenigstens eine Schaltelement stromlos und liegt der Sicherheitsschaltkreis an den "normally closed"-Kontakten, muss im stromlosen Zustand ein vom Sendeteil versendetes Signal vom Auswerteteil detektiert werden können. In diesem Fall ist der "Lastkontakt" offen. Wird vom Auswerteteil das Signal nicht empfangen ist das Schaltelement, z.B. ein Umschaltrelais defekt. Vorzugsweise wird dann eine geeignete Maßnahme eingeleitet. Bei zwei in Serie geschalteten Schaltelementen erfolgt die überprüfung entsprechend .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind elektrische Entkopplungsmittel vorgesehen, um die Sicherheitsschaltung von der Stromversorgung der Last zu entkoppeln, falls die Stromversorgung auf die Sicherheitsschaltung aufgeschaltet wird. Dies kann beispielsweise über Kapazitäten realisiert werden, wodurch sich eine Hochpasswirkung erzielen lässt, was Gleichanteile herausfiltert, z.B. werden Yl oder Y2 Kondensatoren

eingesetzt. Ebenfalls denkbar ist ein Transducer wie z.B. ein Optokoppler oder ein Transformator bzw. ein übertrager.

Mit einem Optokoppler oder einem Transformator lässt sich eine vollständige Potentialtrennung erzielen.

Im Weiteren ist es bevorzugt, wenn die Sicherheitsschaltung einen überspannungsschutz umfasst. Dies ist besonders dann bevorzugt, wenn die Sicherheitsschaltung galvanisch vom Laststromkreis nicht entkoppelt ist. Vorzugsweise besitzt sowohl ein Sendeteil der Sicherheitsschaltung als auch ein Auswerteteil entsprechende Entkopplungsmittel bzw. einen derartigen überspannungsschutz. Als überspannungsschutz kann z.B. eine Spule, eine Diode, wie beispielsweise eine Zenerdiode oder ein Varistor zum Einsatz kommen.

In einer außerdem vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, zu prüfen, ob zwei in Serie geschaltete Schaltelemente im stromlosen Zustand in einer Schaltstellung sind, bei welcher die Schaltelemente den Sicherheitsschaltkreis schließen. Bei einer solchen Ausgestaltung sind die "normally closed"-Kontakte mit der Sicherheitsschaltung verbunden. Ein Umschalten in den anderen Zustand wird vorzugsweise nur dann durchgeführt, wenn die Sicherheitsschaltung einen geschlossenen Sicherheitsschaltkreis durch zwei geschlossene Schaltelemente detektiert. Anderenfalls wird vorzugsweise ein Fehlersignal ausgegeben und/oder eine geeignete Gegenmaßnahme eingleitet .

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei Serienschaltungen von wenigstens zwei ansteuerbaren Schaltelementen vorgesehen. Unter Serienschaltung wird vorzugsweise eine Reihenschaltung von Schaltkontakten verstanden. über die jeweilige Serienschaltung kann z.B. eine Last geschaltet werden.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn über jede Serienschaltung von mehreren Serienschaltungen ein Sicherheitsschaltkreis ausgebildet ist. Damit kann jede Serienschaltung überprüft werden. Insbesondere ist jede Serienschaltung Teil eines separaten Sicherheitsschaltkreises .

Vorzugsweise ist über jede Serienschaltung ein Laststromkreis ausgebildet.

Um den Aufwand im Hinblick auf die Sicherheitsschaltung zu begrenzen, wird im Weiteren vorgeschlagen, dass zwei Serienschaltungen von jeweils zwei ansteuerbaren Schaltelementen den Bestandteil eines einzigen Sicherheitsschaltkreises bilden.

Eine Einsparung von Bauelementen kann auch dadurch erzielt werden, dass zwei parallel geschaltete Serienschaltungen von wenigstens zwei ansteuerbaren Schaltelementen für die Ausbildung eines Sicherheitsschaltkreises eine Detektionseinrichtung gemeinsam nutzen. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn über die parallelen Serienschaltungen Ströme mit unterschiedlicher Stärke getrieben werden, wodurch die Detektionseinrichtung in einem Normalbetrieb einen vorgegebenen Strom erfassen muss, sofern kein Fehler vorliegt. Kommt es zu einer Abweichung einer vorgegebenen Stromstärke kann darauf geschlossen werden, dass z.B. in einem Zweig ein Kurzschluss, oder auch zwischen den Zweigen ein Kurzschluss aufgetreten ist. Durch die unterschiedlichen Stromstärken ist eine Zuordnung möglich, in welchem Zweig der parallel geschalteten Serienschaltungen ein Problem aufgetreten ist.

Bei mehreren Serienschaltungen ist es im Weiteren vorteilhaft, wenn jedes ansteuerbare Schaltelement einen

Betätiger umfasst. Hierdurch lässt sich eine große Freiheit im Hinblick auf mögliche Schaltungsvarianten erzielen.

Es ist jedoch auch denkbar, dass bei mehreren Serienschaltungen, abhängig von einer Schaltungsaufgabe ein Betätiger z.B. zwei ansteuerbare Schaltelemente betätigt.

Beispielsweise betätigt in einer Parallelschaltung einer ersten und zweiten Schaltung von wenigstens zwei ansteuerbaren Schaltelementen ein Betätiger jeweils ein ansteuerbares Schaltelement der ersten und zweiten Serienschaltung gleichzeitig.

Ausführungsbeispiel

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Die Figuren 1 - 4 zeigen in schematischen Blockdiagrammen verschiedener Sicherheitsschaltereinrichtungen mit Standardrelais .

In der Figur 1 ist eine Sicherheitsschaltereinrichtung dargestellt, mit zwei Laststromkreisen 101, 102 und zwei Sicherheitsschaltkreisen 103, 104.

Wesentlich ist zunächst, dass Relais 1, 2 bzw. 21, 22 als "Umschalter" ausgestaltet sind. Um eine bekannte Sicherheitsstufe 4 zu erreichen, ist es notwendig, zwei Relais 1, 2 in Serie zu schalten. Die überwachung wird dadurch realisiert, dass ein Signal der Signalquelle 5 (z.B. ein Puls oder ein anderes Signal) im "normally closed"- Zustand der Kontakte Ib, 2b eingekoppelt wird, bevor die Umschaltrelais 1, 2 die Arbeitskontakte Ia, 2a schließen.

In der Figur 1 sind Relais 21, 22 der zweiten Relaisanordnung für den zweiten Laststromkreis 102 in einem anderen Anschlusszustand dargestellt.

Mit der Sicherheitsschaltereinrichtung 103 soll zunächst das primäre Ziel verfolgt werden, zu überprüfen, ob alle Arbeitskontakte Ia, 2a offen sind, bevor über die Eingänge 3, 4 ein entsprechendes Steuersignal zum Schließen der Kontakte angelegt wird. Vor dem Schließen der Arbeitskontakte Ia, 2a wird das Signal der Signalquelle 5 zu einer Detektionseinrichtung 6 gesendet. Für den Fall, dass einer der Kontakte Ia, 2a oder beide geschlossen sind, wird kein Signal die Detektionseinrichtung 6 erreichen. Wenn dagegen ein Signal von der Detektionseinrichtung 6 empfangen wird, ist sicher, dass beide Relais 1, 2 im Hinblick auf die Arbeitskontakte Ia, 2a noch offen sind und damit einwandfrei arbeiten. Nun können die Relais sicher geschlossen werden. Damit wird eine Verbindung 13, 14 geschlossen, um beispielsweise eine Stromversorgung an eine Last zu legen. Im normalen Betriebsfall ist ein Laststromkreis 101, 102 vom Sicherheitsschaltkreis 103, 104 somit völlig separiert.

Allerdings wird es tatsächlich nicht gelingen, die Relais 1, 2 exakt im gleichen Moment zu schalten. Aufgrund von unterschiedlichen Signalwegen und unterschiedlichen Reaktionszeiten der Relais wird eine kurze Verbindung zwischen dem Laststromkreis 101 und dem Sicherheitsschaltkreis 103 oder zwischen 102 und 104 auftreten.

Um die Sicherheitsschaltkreise 103, 104 zu schützen sind Hochpassfilter, im vorliegenden Fall Kondensatoren 7, 8 vorgesehen. Außerdem ist ein überspannungsschutz 9 in den Sicherheitsschaltkreisen 103, 104 vorhanden. Dieser kann beispielsweise mittels einer Zenerdiode oder eines Varistor

realisiert sein. Das Sendeteil der Sicherheitsschaltungen 103, 104 verfügt über einen Treiber 11. Das Detektionsteil der Sicherheitsschaltungen 103, 104 ist mit einem Bandpassfilter 10 ausgestattet, um das entsprechende Signal der Signalquelle 5 für die Detektionseinrichtung 6 filtern zu können. Spulen 31 und 41 der Relais 1, 2, 21, 22 sind jeweils mit einem Spulentreiber 12 verbunden.

Die Kapazitäten 7, 8 stellen nicht nur sicher, dass bei zeitlichen Schaltunterschieden der Relais 1, 2, 21, 22 eine Entkopplung der Sicherheitsschaltungen 103, 104 stattfindet. Ebenso, wenn ein Relais 1, 2, 21, 22 ausfällt und einen Kurzschluss verursacht, stellen die Kondensatoren 7, 8 sicher, dass eine Stromversorgung von der überwachungselektronik entkoppelt ist.

Die beschriebene Vorgehensweise hat den Vorteil, dass der Laststromkreis 101, 102 vom Sicherheitsschaltkreis 103, 104 im normalen Betrieb vollständig getrennt ist. Dies wird durch die Umschalter 1, 2, 21, 22 erreicht. Es kann sichergestellt werden, dass ein Testsignal der Signalquelle 5 nie auf den Laststromkreis 101, 102 aufgeschaltet wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass das Testsignal der Signalquelle 5 erst dann angelegt wird, wenn nach bekannter Schaltzeit der Relais 1, 2, 21, 22 der Schaltvorgang sicher ausgeführt ist.

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise können herkömmliche "SMD"-Relais zur Anwendung kommen, die kleiner und kostengünstiger sind als ansonsten erforderliche TüV-geprüfte zwangsgeführte Relais mit überwachungskontakt.

Eine Reihenfolge eines Schaltzeitpunktes der Relais wird insbesondere in Bezug auf eine Auswertung z.B. durch einen Mikrokontroller vorgenommen. Der Kontroller kann dann prüfen, ob sich die Signale einer Sicherheitsschaltung wie vorgegeben einstellen.

In den Figuren 2 - 4 sind Varianten der Verschaltung an Serienschaltungen aus Relais abgebildet.

Jedes Relais umfasst einen Arbeitskontakt Ia bzw. 2a in einem Laststromkreis 101, 101a, 102 bzw. 102a. Die Kontakte Ic und 2c sind jeweils miteinander verbunden. Hingegen sind die Kontakte Ib und 2b Anschlusskontakte für den Sicherheitsschaltkreis 103, 104.

In der Variante nach Figur 2 sind zwei Parallelschaltungen von Serienschaltungen mit jeweils zwei Relaiskontaktgruppen ausgebildet. Die Schaltung umfasst vier Relais, da jeweils zwei Relaiskontaktgruppen einem Relais angehören.

Die vier Relais werden von vier Spulen 31, 41 angesteuert. Jeweils zwei Relaiskontaktgruppen liegen somit an einer gemeinsamen Spule 31, 41. Gemeinsam angesteuert werden die Relaiskontaktgruppen 1, 51; 2, 52; 21, 53; 22, 54. Jede Serienschaltung aus zwei Relais ist mit einer überwachungsschaltung bestehend aus dem Treiber 11 und dem Filter 10 sowie den Schutzelementen 7 und 8 bzw. einem überspannungsschutz 9 elektrisch verbunden.

Eine Besonderheit der überwachungsschaltungen 103 und 104 in Figur 2 besteht darin, dass jeweils zwei überwachungszweige die Signalquelle 5 und die Detektionseinrichtung 6 gemeinsam nutzen. Hierdurch lassen sich Bauelemente bzw. elektrische Einrichtungen einsparen. Vorzugsweise ist die Signalquelle 5 so ausgelegt, dass an einem jeweils abgehenden Zweig 5a, 5b eine unterschiedliche Stromstärke eingespeist wird. Durch diese Maßnahme lassen sich Kurzschlüsse zu anderen Einheiten ermitteln, wenn in der Detektionseinrichtung 6 nicht das Summensignal der Ströme ermittelt werden kann, das sich aus den eingespeisten Einzelströmen in die Zweige 5a und 5b ergeben müsste.

Um eine noch größere Sicherheit zu erhalten, ist es denkbar, dass die beiden Signalquellen 5 in Figur 2 in die jeweiligen Zweige 5a bzw. 5b ebenfalls unterschiedliche Stromstärken einspeisen. Kommt es dann zu Kurzschlüssen, lässt sich an der Detektionseinrichtung 6 durch Bestimmen einer Stromstärke erkennen, durch welche Fehlerart die an sich zu messende Stromstärke nicht gemessen werden kann. Beispielsweise liefert eine Signalquelle in einen Zweig 5a 2 mA und in den Zweig 5b 3mA. Die andere Signalquelle 5 beaufschlagt den Zweig 5a mit 0,8 mA und den Zweig 5b mit 0,2 mA. Somit müssen an der jeweiligen Detektionseinrichtung 6 die Summensignale 5 mA bzw. 1 mA festgestellt werden, wenn der überwachungsweg fehlerfrei ist. Wird hingegen an der zugeordneten Detektionseinrichtung anstatt 5 mA 5,2 mA gemessen, liegt mit hoher Sicherheit ein Kurzschluss zu dem Zweig der Sicherheitsschaltung vor, in welchen 0,2 mA eingespeist werden.

Erst wenn die richtigen Stromstärken an der Detektionseinrichtung 6 festgestellt werden, schalten die Relais z.B. das Relais 1, 51 mit den Arbeitskontakten Ia bzw. 51a und den Sicherheitskontakten Ib bzw. 51b. In gleicher Weise schaltet dann das Relais 2, 52 mit den Arbeitskontakten 2a, 52a sowie den Sicherheitskontakten 2b, 52b. Damit werden die Laststromkreise 101, 101a geschlossen. Die Signalquelle kann sowohl ein Gleich- als auch Wechselstromsignal aussenden. Beispielsweise ein Wechselstromsignal mit 330 Kilohertz. Ebenfalls denkbar ist eine Ausgestaltung des Sicherheitsschaltkreises derart, dass zwei Signalquellen zur Verfügung stehen für einen Sicherheitsschaltkreis 103, 104, wobei bei jedem Test mit den zwei unterschiedlichen Testsignalen eine überprüfung vorgenommen wird. Vorzugsweise weist ein solcher Sicherheitsschaltkreis dann auch zwei Filter auf. Damit ist es möglich, den Test auf zwei unterschiedliche Signale, wenn

diese z.B. eine unterschiedliche Frequenz aufweisen, zeitgleich durchzuführen. Durch diese Vorgehensweise kann ausgeschlossen werden, dass ein Test positiv verläuft, weil ein Lastsignal dem Testsignal sehr ähnlich ist. Um zu überprüfen, ob ein geschaltetes Signal als Testsignal interpretiert werden kann, kann zusätzlich zunächst eine Messung ohne Testsignal vorgenommen werden. Außerdem können Signale und/oder Filter von den unterschiedlichen Sicherheitsschaltkreisen verschieden sein. Damit lassen, wie bereits oben beschrieben, Kurzschlüsse feststellen.

Die Sicherheitsschaltkreise können beispielsweise auch Teil eines Busses sein, auf welchem digitale Signale laufen. Als Filter kommt z.B. ein Bandpass in Form eines RC-Netzwerkes oder einer Spule in Frage. Wenn in einer Schaltung sichergestellt ist, dass z.B. von der Seite 14 bzw. 13 des Laststromkreises 101, 101a, 102, 102a mit Sicherheit kein störendes Signal in die Schaltung eingekoppelt werden kann, kann auf entsprechende Schutzelemente 7, 8 bzw. überspannungsbauteile 9 auf der, der jeweiligen Serienschaltung von Relais von Relais gegenüberliegenden Seite verzichtet werden.

Figur 3 ist eine Variante von vier Serienschaltungen von Relais 1, 2; 21, 22; 51, 52; 53, 54, bei welcher durch die Hintereinanderschaltung der Sicherheitskontakte Ib bzw. 2b von jeweils zwei Serienschaltungen insgesamt zwei Sicherheitsschaltkreise 103 und 104 ausreichen. Somit lassen sich Bauelemente für die Sicherheitsschaltung einsparen.

In Figur 4 ist der Fall gezeigt, welchem jede Serienschaltung von Relaiskontakten Ib, Ic, 2c, 2b, Ic, 2c, 2b von einem separaten Sicherheitsschaltkreis 103 überwacht wird. Allerdings sind einem Relais jeweils zwei Gruppen von drei Relaiskontakten untergebracht, z.B. im Relais 1, 51 die Relaiskontakte Ia, Ib, Ic bzw. 51a, 51b, 51c. Das Relais 1,

51 hat eine Spule 31 und einen Treiber 12.

In allen Ausführungsbeispielen können wie zu Figur 2 ausführlich beschrieben, unterschiedliche Testsignale von der Signalquelle 5 eingespeist werden. Auch können unterschiedliche Filter 10 bzw. mehrere Filter 10 zur Anwendung kommen. Beispielsweise wird für eine Stromauswertung ein Mikrokontroller eingesetzt.