Sicherheitsrelais-Schaltungen

Das logische Rückgrat von UCMP

von Lakshmanan Raja

Das System zur Verhinderung unbeabsichtigter Kabinenbewegungen (UCMP) verhindert oder stoppt eine Aufzugskabine, die sich bei entriegelter und geöffneter Kabinentür aufgrund eines einzelnen Fehlers im Aufzugsantrieb oder der Antriebssteuerung von der Haltestelle entfernt. Das UCMP-System besteht aus drei Kernelementen: einem Erkennungsmechanismus zur Überwachung unbeabsichtigter Bewegungen, einem Steuerungsmechanismus und einem Stoppmechanismus, der die Kabine bei Erkennung einer solchen Bewegung sicher anhält.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf den Kontrollmechanismus: die Sicherheitsrelais-Schaltung, die das logische Rückgrat der UCMP-Steuerung bildet, indem sie redundante Überwachungs-, Fehlererkennungs- und ausfallsichere Reaktionsfunktionen bereitstellt.

Um die Logik dieses Sicherheitsrelais-Schaltkreises zu verstehen, beginnen wir mit einem einfachen Start-Stopp-Motorsteuerungsschaltkreis und verbessern diesen Schritt für Schritt, um zum Sicherheitsrelais-Schaltkreis zu gelangen. 

Bevor wir tiefer in die Materie einsteigen, ist es unerlässlich, uns mit einigen wichtigen Begriffen vertraut zu machen: 

• Relais – Relais und Schütze funktionieren wie automatische Schalter. Durch die Steuerung des Stroms in ihrer Spule lässt sich der Ein- und Ausschaltzeitpunkt festlegen. Sie können ein oder mehrere Kontaktpaare besitzen, die entweder im Ruhezustand geöffnet oder geschlossen sind.
• Normalerweise offen (NEIN) und normalerweise geschlossene Kontakte (NC) — Für elektrische Relais und Schütze, NC / NO Sie basiert auf dem Zustand des elektrischen Kontakts, wenn dessen Spule nicht an eine Stromversorgung angeschlossen ist. Bei mechanischen Schaltern entspricht sie dem Zustand ihrer Kontakte im Ruhezustand, wenn keine äußere mechanische Energie auf den Schaltmechanismus einwirkt. 
• Kraftgeführte Kontakte/Mechanisch gekoppelte Kontakte – Dies ist eine spezielle Art von Relaiskontakten, bei denen alle Kontakte durch eine starre Verbindung im Relais mechanisch miteinander verbunden sind. Diese Konstruktion gewährleistet, dass sich der Zustand der anderen Kontakte nicht unabhängig voneinander ändern kann, wenn ein Kontakt klemmt oder verschweißt. Anders ausgedrückt: Ihre Bewegung ist mechanisch synchronisiert, wodurch ein Kontaktfehler erkannt werden kann. 

Einfache Start-Stopp-Steuerung

Wir beginnen unsere Betrachtung mit einem einfachen Schaltkreis, dem in Abbildung 1 dargestellten Start-Stopp-Motorsteuerschaltkreis. Das Steuerrelais ist A. M. stellt den Schütz dar, der die Stromzufuhr zum Motor steuert. Der Start erfolgt über einen Druckknopf mit der NEIN Kontakt, und der Stoppknopf ist ein weiterer Druckknopf mit dem NC Kontakt. 

Wenn alle Komponenten korrekt verkabelt und die Stromversorgung eingeschaltet ist, schließt das Drücken des Startknopfes dessen Kontakt und verbindet die Spule des Relais. A zur Stromversorgung. Dadurch wird das Relais aktiviert, wodurch seine normalerweise offenen Kontakte geschlossen werden. A1 in der ersten Stufe und A2 in der zweiten Stufe, um zu schließen. Seit Kontakt A1 ist mit dem Startknopf verbunden, versorgt die Spule mit der notwendigen Spannung und hält das Relais nach dem Loslassen des Startknopfes im eingeschalteten Zustand. A2 verbindet den Motorschütz M zur Stromversorgung. Wenn die STOP-Taste gedrückt wird, unterbricht sie die Zuleitung zum Relais. Awas wiederum die Versorgung unterbricht M Schütz. Dadurch wird die Stromzufuhr zum Motor unterbrochen. 

Hier stellt sich eine wichtige Frage: Wie sicher können wir sein, dass die Stromzufuhr zum Motorschütz unterbrochen wird, wenn wir auf Stopp drücken?

Hinzufügen von Redundanz 

Der bedeutendste Sicherheitsfehler in dem in Abbildung 1 beschriebenen Stromkreis tritt auf, wenn das Relais A wird aufgrund des Kontaktschweißens in der unter Spannung stehenden Position blockiert. Infolgedessen M Der Schütz wird durch den permanent geschlossenen Schalter kontinuierlich mit Strom versorgt. A2 Der Kontakt wird unterbrochen, und das Drücken der STOP-Taste ist wirkungslos. Um dieses Problem zu beheben, haben wir ein zweites Relais, Relais 2, hinzugefügt. B, aus Gründen der Redundanz, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass der STOP-Knopf mechanisch klemmt und somit im Bedarfsfall nicht funktioniert. Daher ist ein Stoppschalter mit zwei NC Es werden Kontakte verwendet, und beide Kontakte sind in Reihe geschaltet. Sollte einer der Kontakte mechanisch blockieren, unterbricht beim Betätigen des Stoppschalters zumindest der andere den Stromkreis. Dadurch wird in der in Abbildung 2 dargestellten Schaltung für das Steuerrelais und den Stoppschalter eine Redundanz geschaffen. 

Der entscheidende Nachteil der Schaltung in Abbildung 2 besteht darin, dass die Schaltung weiterhin wie vorgesehen funktioniert, wenn Relais A oder Relais B aufgrund von Kontaktverschweißung festsitzt. Dasselbe gilt für den Stoppschalterkontakt. Der Benutzer bemerkt den Ausfall einer Komponente jedoch erst, wenn beide festsitzen. Dies ist gefährlich. Wie lässt sich dieses Problem beheben? 

Redundanzüberwachung – Fehlererkennung

Redundanz ohne angemessene Überwachung und Fehlererkennung beeinträchtigt ihren Zweck. Fehler können sich anhäufen und bleiben vom Benutzer unbemerkt. Um dieses Problem zu beheben, ist die Implementierung einer Fehlererkennungsschaltung unerlässlich.

In den in Abbildung 3 dargestellten Schaltungsanordnungen, Relais C wird zur Überwachung des Status von Relais verwendet. A und B auf Anzeichen von Kontaktschweißen. Der Begriff „Überwachung“ kann mehrdeutig sein, daher ist es wichtig, die Häufigkeit dieser Überwachung zu klären. In diesen Anordnungen erfolgt die Erkennung vor jedem Startzyklus. Ich werde dies im nächsten Absatz erläutern.

Nehmen wir an, die Komponenten sind gemäß dem Schaltplan in Abbildung 3 verdrahtet und die Stromversorgung ist eingeschaltet. Das Relais C im zweiten Schritt wird durch die NC kontakt A2, B2 des Relais A und Relais B. Durch Drücken des Startknopfes werden nun die Kontakte geschlossen und die Spulen der Relais verbunden. A und B zur Stromversorgung über die C1 Kontakt im ersten Zweig. Dadurch werden beide Relais aktiviert, die dann ihre jeweiligen Kontakte im zweiten Zweig öffnen und das Relais aktivieren. C zum Abschalten (Hinweis: Das Zeitverzögerungselement ist an eine Spule des Relais angeschlossen). C wird verhindern, dass es zu schnell abspringt, bevor das Relais A und B (Einschalten.) Abschalten des C Das Relais unterbricht die Stromzufuhr nicht. A und das Relais B Spule in der ersten Stufe aufgrund des selbsthaltenden Pfades über C1 und der Startknopf, der gebildet wird durch A1, B1 Kontakte. Bei eingeschalteten Relais A und B und ausgeschaltetem Relais C, M Der Schütz im dritten Zweig ist mit der Stromversorgung verbunden.

Durch Drücken des Stoppknopfes wird die Stromzufuhr zu beiden Relais effektiv unterbrochen. A und B Spulen im ersten Zweig. Wenn es in einem der Relais zu einer Kontaktverschweißung kam. A oder Relais BDie Stromzufuhr zum M-Schütz wird aufgrund der Redundanz wie vorgesehen unterbrochen.  

Der verschweißte Kontakt kann dazu führen, dass das betreffende Relais in der EIN-Position hängen bleibt. Dadurch wird die Stromversorgung des Relais unterbrochen. C Spule im zweiten Zweig. Ohne Relais. C Aufgrund der aktuellen Situation ist der nächste Startvorgang nicht möglich. C1 Kontakt in der ersten Stufe. Auf diese Weise wird jeder Ausfall aufgrund von Kontaktverschweißungen in Relais verhindert. A or B wird vom Relais erkannt Cund diese Erkennung ist auch während des nachfolgenden Startzyklus wirksam.

Die in Abbildung 3 dargestellte Schaltung kann die Zustände des Ausgangsrelais überwachen. Wie verhält es sich mit Problemen durch klemmende Kontakte an den Eingangssteuerelementen, wie beispielsweise dem Stoppschalter und dem Startknopf? Diese Probleme werden in der in Abbildung 4 dargestellten Schaltung behandelt. 

Endschaltung mit Redundanz und Fehlererkennung

Für die in Abbildung 4 dargestellte Schaltung werden in den Leitungen 1 und 2 zwei Stoppschalterkontakte verwendet, die als Zweikanalsteuerung dienen. Dies ermöglicht die Überwachung jedes einzelnen Kontakts und gewährleistet Redundanz. Der Startknopf wurde auf eine Ausführung mit zwei Kontaktsätzen aufgerüstet: einem NC und der andere NEIN, die durch ein starres Gestänge verbunden sind. Daher ist die Überwachung der NC Die Kontakte des Startknopfes spiegeln den wahren Zustand der anderen Kontaktposition genau wider (genau wie bei einem erzwungenen Relais).

Wenn der Stoppknopf gedrückt wird, falls einer seiner NC Wenn die Kontakte verschweißt oder in der geschlossenen Position festsitzen, bleibt das Relais in diesem Kanal erregt, während die Relais in anderen Kanälen abschalten. Dadurch wird die M Der Schütz wird wie vorgesehen vom Stromnetz getrennt. Gleichzeitig verhindert das aufgrund des klemmenden Kontakts des Stoppschalters dauerhaft erregte Relais den... C Das Relais wird nicht aktiviert, wodurch der nächste Startvorgang verhindert wird.

Wenn der Startknopf in der Position EIN hängen bleibt, verhindert er das Schließen des normalerweise geschlossenen Kontakts. Dadurch wird der Motor gestoppt. C Das Relais soll im nächsten Zyklus nicht ansprechen und somit den nächsten Startvorgang verhindern. Daher verfügt die Schaltung in Abbildung 4 über Redundanz bei den Steuerrelais, Schaltkontakten und der Überwachung, um die Anhäufung von Fehlern im nächsten Startzyklus zu vermeiden.

Hinweis: In diesem Artikel wird das Schweißen des Motorschützes beschrieben. M wird nicht als Gegenstand der Diskussion betrachtet. Der Fokus liegt hier ausschließlich auf dem Verständnis der Logik und Funktionsweise des Sicherheitsrelais-Schaltkreises und seiner Anwendung innerhalb des UCMP-Systems.

Anwendung in UCMP

Ein Beispiel für einen Sicherheitsrelais-Schaltkreis mit Relais A, B und C Im Folgenden wird ein Mittel zur UCMP-Nutzung beschrieben, wobei davon ausgegangen wird, dass die Aufzugssteuerung die folgenden Aufgaben erfüllt.

• Beim vorausschauenden Öffnen der Tür aktiviert die Aufzugssteuerung beim Annähern des Aufzugs an eine vorgesehene Haltestelle den Türüberbrückungskontakt (DB), nachdem sie sich vergewissert hat, dass sich die Kabine im sicheren Nivellierungsbereich befindet. Diese Vergewisserung erfolgt durch die Betätigung der Schalter S1 und S2, die von der Nivellierplatte betätigt werden.
• Zusätzlich wird das Türüberbrückungssignal aktiviert, wenn der Niveauunterschied zwischen der Fahrgastraumschwelle und der Einstiegsschwelle den normgerechten Abstand von ±20 mm überschreitet, um einen Ausgleich zu erreichen. 

In jedem dieser Szenarien öffnet der entsprechende Schaltkontakt, wenn das Fahrzeug eine Position erreicht, in der entweder S1 oder S2 nicht mit der Nivellierungsplatte in Eingriff ist. Das System leitet dann einen Stopp ein, indem es die Türbrückenkontakte öffnet. Dadurch wird die unbeabsichtigte Bewegung verhindert. 

Die Türbrückenkontakte bestehen aus der Reihenschaltung von A4, B4, C4 und D2. 

Die Kombination der Serien A3 und B3 kann verwendet werden, um dem Aufzugssteuergerät ein Bestätigungssignal zu geben, dass die Nivellierplatte eines bestimmten Stockwerks eingerastet ist. S1 und S2 Schalter, d. h. das Auto befindet sich näher an der Haltestelle und innerhalb der Entriegelungszone (siehe Abbildung 5). 

Bei genauer Betrachtung des Schaltkreises werden Sie feststellen, dass er mit dem Sicherheitsrelais-Schaltkreis zusammenhängt, den wir vorhin besprochen haben. 

In dieser Konfiguration S1 und S2 dienen als Stoppschalter, während die DB Die Steuerung dient als Startknopf. Die Kontakte von S1 und S2 und ihre jeweiligen Leiterbahnen bilden einen Zweikanal-Steuerkreis. Die in diesem Schaltkreis verwendeten Relais sind zwangsgeführt. C Das Relais dient der Fehlererkennung und -überwachung. Immer wenn ein Kurzschluss im Relais auftritt, … S1 und S2 Kontakte aufgrund defekter Schalter oder wenn die DB Die Steuerung ist aufgrund eines Fehlers in der Aufzugssteuerung dauerhaft eingeschaltet, dann C Das Relais schaltet nicht ein, wodurch der nächste Betriebszyklus verhindert wird. Dies verhindert die Anhäufung von Fehlern und gewährleistet die ständige Redundanz. Der Türverriegelungskreis wird überbrückt, solange alle Schaltkontakte und Steuerrelais intakt sind. Die Brücke wird unterbrochen, sobald eine der Komponenten defekt ist. Dadurch wird der UCMP-Stopp erreicht.

Fazit 

In diesem Artikel begannen wir mit einfachen Start-Stopp-Steuerungen und ergänzten diese schrittweise um Redundanz sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangssteuerungen sowie um Fehlererkennung. Dieser Ansatz hilft den Lesern, die Steuerungslogik von Sicherheitsrelaismodulen zu verstehen und wertzuschätzen, die zur Erkennung unbeabsichtigter Kabinenbewegungen in Aufzügen eingesetzt werden. Obwohl das mit dem Sicherheitsrelais ausgestattete Erkennungssystem zuverlässig ist, kann ein UCMP-System nur dann korrekt funktionieren, wenn die dafür vorgesehenen Bremsvorrichtungen ordnungsgemäß arbeiten. Werden redundante Bremssätze verwendet, müssen jeder Bremssatz und seine Überwachungsschalter gemäß den Normen geprüft und regelmäßig inspiziert werden. 

Referenzen

[1] EN 81-20:2020 — Sicherheitsregeln für die Konstruktion und Installation von Aufzügen – Aufzüge zur Beförderung von Personen und Gütern – Teil 20: Personen- und Lastenaufzüge

[2] EN 60947-5-1:2004, Niederspannungs-Schalt- und Steuergeräte — Teil 5-1: Steuerschaltungsgeräte und Schaltelemente — Elektromechanische Steuerschaltungsgeräte (IEC 60947-5-1:2003) 

[3] IEC 61810-3:2015 – Elektromechanische Elementarrelais – Teil 3: Relais mit zwangsgeführten (mechanisch gekoppelten) Kontakten

[4] D. Macdonald, Praktische Maschinensicherheit, Oxford, UK: Newnes, 2004.