電子電路、包括電子電路的系統和測試電子電路的方法
2023-07-27 11:56:36
專利名稱：電子電路、包括電子電路的系統和測試電子電路的方法
技術領域：
本發明涉及一種具有至少一個輸入端和至少一個輸出端的電子電路，其中該輸入端具有一個用於延遲輸入信號的變化的輸入濾波器，該延遲的特徵由一個時間常數來表徵，其中還具有用於提供輸出信號和對輸入信號進行分析的控制部件。本發明還涉及一種具有這樣的電子電路和至少一個針對安全的、與該電路的至少一個輸入端和至少一個輸出端連接的部件的系統，以及一種用於測試電子電路的方法。
背景技術：
尤其是在針對安全性的設備中，必須以較高的概率識別出各種類型的故障，並控制這些故障使得其不會觸發不容許的反應。這尤其適用於傳感器和將傳感器的信號作為輸入信號接收的電子電路。這種電子電路例如是數字輸入組件。將標準輸入/輸出組件用於安全性技術的障礙通常是共同的輸出/輸出驅動組件。特別是在該驅動組件中的特定的內部短路不可能通過傳統的測試發現。為此還必須從外部測試各輸入端。但對於安全性技術中的應用必須發現所有短路和中斷，尤其是組件內部的短路。在過程和製造技術中對於很多應用存在除了輸入端之外還具有輸出端的模塊。這種模塊例如是通常採用的操作面板。輸入端和輸出端通常都實施為數字輸入端和數字輸出端。通過數字輸入端可以連接按鍵式開關，通過數字輸出端可以連接信號燈。典型地，存在較大數量的這種輸入端和輸出端，而其中通常只有一部分被使用。針對安全性任務的標準電路的至少一部分輸入/輸出端通常因為不能用標準硬體來滿足安全要求而失敗。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提高在具有至少一個輸入端和至少一個輸出端的電子電路中的故障識別率。
該技術問題是通過一種具有至少一個輸入端和至少一個輸出端的電子電路解決的，其中輸入端具有用於延遲輸入信號的變化的輸入濾波器，該延遲通過一個時間常數來表徵，其中設置了用於提供輸出信號和分析輸入信號的控制部件，其中該控制部件用於提供測試信號並通過輸出端輸出，在輸出該測試信號之後立即對該輸入信號進行第一分析，在輸出該測試信號後的至少等於該時間常數的一段時間過去之後對該輸入信號進行第二分析。
本發明的技術問題還通過一種具有這樣的電路的系統、尤其是工業自動化系統解決，其中該系統具有至少一個針對安全性的部件，該部件與該電路的至少一個輸入端和至少一個輸出端連接，使得該輸入端和該輸出端在安全狀態下導電地連接。
本發明的技術問題還通過一種用於測試電子電路的方法解決，其中該電子電路具有至少一個輸入端和至少一個輸出端，其中通過在輸入端的一個輸入濾波器對輸入信號的變化進行延遲，該延遲通過一個時間常數來表徵，其中所述輸入信號通過控制部件提供和分析，通過輸出端輸出一個由該控制部件提供的測試信號，首次在輸出該測試信號之後立即對該輸入信號進行分析，在輸出該測試信號後的至少等於所述時間常數的一段時間之後第二次分析該輸入信號。
本發明的解決方案以巧妙的方式利用了通常具有用於延遲輸入信號的變化、尤其是用於幹擾濾波的輸入濾波器的電子電路的輸入端。對該電子電路可以進行內部短路、橫向連接和中斷的測試，其中首先在輸出輸入信號之後立即檢驗輸入端的值，接著在濾波器時間常數過去之後再次檢驗輸入端的值。由於輸入濾波器的延遲功能，在無故障情況下輸入信號的值首次、也就是在立即讀取或分析時不允許更改。輸入信號的值只有在輸入濾波器的濾波器時間常數過去之後才允許改變。如果事先已經改變，則表示存在硬體故障，尤其是在電子電路內存在短路或橫向連接。
根據本發明的優選實施方式，具有用於在輸出測試信號後的最大等於時間常數的10％的時間段之內首次分析輸入信號的控制部件。由此保證對輸入信號的首次分析實際上在輸出測試信號之後立即進行，由此不可能通過在輸入濾波器之前更改輸入信號而在輸入濾波器之後更改輸入信號。對輸入信號的第一次分析和第二次分析原理上都在輸入濾波器之後進行，也就是說在輸入信號通過輸入濾波器之後進行。也就是說，輸入信號在輸入濾波器之後或者立即或者經過其它中間連接的部件、如驅動組件之後才被採集和分析。
根據本發明的優選實施方式，當控制部件用於將第一和第二分析分別與測試信號比較時，可以確定對電子電路中的故障的其它提示。
優選通過控制部件觸發針對安全性的反應，只要第一分析給出一個與測試信號相同的輸入信號。由於在第一分析的時刻輸入信號不一定與測試信號相同，因此一致性意味著在該電子電路內部存在故障，該故障通過針對安全性的反應來控制。針對安全性的反應將該電子電路和與該電路連接的系統設置到安全狀態，這通常通過立即斷開系統中的所有或至少一部分執行器來實現。
根據本發明另一優選實施方式，具有至少一個用於轉換輸入和輸出信號的驅動組件，該驅動組件設置在控制部件和輸入端或輸出端之間。驅動組件尤其是實現了電壓或電流轉換和/或輸入和輸出信號的放大。
根據另一優選實施方式，如果至少一個輸入端是數字輸入端，且至少一個輸出端是數字輸出端，則可以對輸入信號進行特別簡單的分析。在這種情況下測試信號實施為從0到1或相反的信號變換。
為了滿足更高的安全性要求，尤其是為了達到更大的安全完整性級別SIL2(Safety Integrity Level，按照IEC61508)，按照本發明的另一優選實施方式提出，分別設置至少兩個輸入端和兩個輸出端。由此通過冗餘採集各輸入/輸出端出現的傳感器信號，提高了安全性。
按照本發明的另一優選實施方式，控制部件具有針對安全性的固件部件。該針對安全性的固件部件特別適合於實施輸出信號的提供和對輸入信號的分析。由此沒有針對安全性的硬體特性的電子標準電路也可以藉助補充控制部件的固件而用於針對安全性的任務。
按照本發明的另一優選實施方式，通過至少一個針對安全性的部件與至少一個輸入端和至少一個輸出端這樣連接，即該輸入端和該輸出端在安全狀態下導電地連接，使得該電路特別適合於用在針對安全性的系統內部。該安全狀態例如是其中針對安全的部件、如緊急按鈕沒有啟動的狀態，這意味著建立了導電連接。
下面藉助附圖中示出的實施例詳細描述和解釋本發明。
圖1示出自動化系統中的電子電路，圖2示出尤其是在測試周期內輸入和輸出信號的時間變化。
具體實施例方式
圖1示出具有兩個輸入端2、3和兩個輸出端4、5的電子電路1。輸入端2、3、按照本實施例為數字輸入端，分別具有一個用於延遲輸入信號的變化的輸入濾波器6、7。這樣的輸入濾波器典型地是一級延遲元件，如RC濾波器。控制部件8用於提供輸出信號以及分析輸入信號。控制部件8既具有非針對安全性的固件部件10，又具有針對安全性的固件部件11、12。控制部件8與接口元件13雙向通信，該接口元件用作與通信網絡15的接口，而該通信網絡又與工業自動化系統的其它部件16連接。這樣的其它部件尤其可以是可存儲程序控制器。電子電路1是工業自動化系統的一部分。電子電路1、按照本實施例為自動化系統的外圍組件，通過輸入端2、3和輸出端4、5與針對安全性的部件14連接，在所示情況下與緊急按鈕連接。這種針對安全性的部件14例如還可以是踏板墊、光柵、門鎖裝置等等。在此各開關觸點18分別與一個輸入端和對應於該輸入端的輸出端連接。通常這樣連接針對安全性的部件14，使得開關觸點18在啟動針對安全性的部件14、在該情況下啟動緊急按鈕14時打開。開關觸點18在外圍電路的一個輸出端和一個輸入端之間的接通在針對安全性的系統中是常見的。外部傳感器、也就是針對安全性的部件14(在該情況下是緊急按鈕)因此通過電子電路1的輸出端4、5供電。為了提高安全性，兩個觸點18由電子電路1控制或監控。原理上本發明的方法還可以實施為只具有一個輸入端和一個輸出端的電子電路。在這種情況下下面描述的測試周期20隻有一半長，並且在時刻22時就已經結束。尤其是在直到SIL2的安全性要求中只有一個輸入端和一個輸出端就足夠了。
典型地，對組件來說反正都具有比較大數量的這種輸入端2、3和輸出端4、5，其中通常只使用一部分。本發明現在實現了將標準電路的至少一部分輸入/輸出端2至5用於針對安全性的任務，例如用於驅動緊急按鈕。目前的解決方案為此都採用明確是為安全性應用而開發和實施的特殊硬體。這些常見的解決方案都用分離的輸入/輸出端驅動組件工作，並具有特殊的輸入/輸出端布線。
驅動組件9用於轉換輸入信號或輸出信號，尤其是用於轉換電壓和放大這些信號。附圖標記17表示驅動組件9的內部短路。附圖標記34至37表示由控制部件8輸出或採集並分析的輸出或輸入信號。
圖2示出在按照圖1的點34至37採集或輸出的信號的時間變化，尤其是在測試周期20內。該時間上的連續過程用附圖標記t表示。曲線24表示輸出信號在點34的時間變化，曲線25表示輸入信號在點35的時間變化，曲線26表示輸出信號在點36的時間變化，曲線27表示輸入信號在點37的時間變化。輸出信號24和26分別對應於測試周期20內的一個測試信號。附圖標記21、22、23表示3個表徵測試周期20且此時輸出信號24或輸出信號26改變其值的時刻。按照圖1和圖2所示的實施例，輸入濾波器6、7的時間常數分別為20ms。相應地，測試周期20優選持續40ms，其中在20ms內輸出信號24設置為0，在後面的20ms內輸出信號26設置為0。這樣為輸入濾波器6、7或為測試周期20選擇的值是在要求啟動緊急按鈕的最大反應時間為100ms的情況下的典型值。在這種情況下每100ms啟動測試周期20。在該100ms內沒有被測試周期20佔用的時間段中，採集到用要求的反應時間、也就是在最大100ms內對緊急按鈕的啟動，也就是開關觸點18的打開。
下面藉助圖1和圖2詳細解釋本發明方法的實施例。就在時刻21之前在電子電路1的點35和37通過控制部件8採集和分析輸入信號25、27。如果這兩個輸入信號中的一個為0，則一個在控制部件8中被處理和存儲的內部標誌同樣也為0，因為這表示有故障或緊急按鈕被按下。如果不是這樣，則該內部標誌被預設為1。在時刻21、也就是在測試周期20開始時，輸出信號24由控制部件8從1設置為0。就在這之後立即在點35、也就是在輸入濾波器6之後查詢輸入信號，也就是通過控制部件8來採集和分析輸入信號25。該信號通過控制部件8分析，並且如果輸入信號25在該時刻為0，則內部標誌被設置為0，這表示可能出現硬體故障，尤其是驅動組件9內部短路。就在時刻22之前，也就是大約在測試周期20的中點，通過控制部件8在點37查詢和分析輸入信號27。如果輸入信號27在此刻為0，則內部標誌被設為0。同樣在此刻在點35查詢和分析輸入信號25。如果輸入信號25在此刻具有值1，則該標誌被設置為0，這意味著存在內部或外部故障(例如與1相對的短路)。在時刻22輸出信號24又被設置為1，輸出信號26被設置為0。在這之後立即通過控制部件8在點37查詢和分析輸入信號27。如果輸入信號27在此刻為0，則內部標誌被設置為0，也就是說檢測到可能的硬體故障，如電子電路內部的故障，尤其是驅動組件9的內部短路17。最後就在時刻23之前在點35查詢和分析輸入信號25。如果輸入信號25在此刻為0，則將內部標誌設置為0。同樣在點37查詢和分析輸入信號27。如果輸入信號27在此刻為1，則內部標誌被設置為0，這表示具有內部或外部故障(例如與1相對的短路)。最後在時刻23、也就是在測試周期20結束時又將輸出信號26設置為1。如果輸入信號27達到其起始值，或者達到時刻28，則又將電子電路1提供用於按照指定的使用，在此就是對緊急按鈕的調用。
按照本發明的實施例，對內部短路、橫向連接和中斷來測試驅動組件9，其中首先在控制/命令「交換測試信號」之後立即檢查輸入端的值，接著在濾波器時間常數過去之後再次檢查。由於輸入濾波器的功能，該濾波器之後的輸入值在立即讀取時不允許改變。該輸入值在輸入濾波器的濾波時間過去之後才允許改變。如果在事先已經改變，則表示存在硬體故障(例如驅動組件9上的短路17或橫向連接)，必須自動針對安全性進行反應(例如將安全輸入數據設置為0和發出故障消息)。
總之，本發明涉及具有至少一個輸入端2、3和至少一個輸出端4、5的電子電路1，其中輸入端2、3具有用於延遲輸入信號的變化的輸入濾波器6、7，該延遲通過時間常數來表徵，設置了用於提供輸出信號和分析輸入信號的控制部件8。本發明還涉及一種具有這種電子電路1和至少一個針對安全性、與該電路1的至少一個輸入端2、3和至少一個輸出端4、5連接的部件14、18的系統，以及用於測試電子電路1的方法。為了提高這種電子電路1中的故障識別率，控制部件8用於提供測試信號並通過輸出端4、5輸出，在輸出該測試信號之後立即對該輸入信號進行第一分析，在輸出該測試信號後的至少等於時間常數的一段時間過去之後對該輸入信號進行第二分析。
權利要求
1.一種具有至少一個輸入端(2，3)和至少一個輸出端(4，5)的電子電路(1)，其中，該輸入端(2，3)具有用於延遲輸入信號的變化的輸入濾波器(6，7)，該延遲通過一個時間常數來表徵，其中，設置了用於提供輸出信號和對輸入信號進行分析的控制部件(8)，其特徵在於，該控制部件(8)用於提供測試信號並通過輸出端(4，5)輸出，以及在輸出該測試信號之後立即對該輸入信號進行第一分析，並在輸出該測試信號後的至少等於所述時間常數的一段時間過去之後對該輸入信號進行第二分析。
2.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述控制部件(8)在輸出測試信號後的最大等於所述時間常數的10％的時間段之內對輸入信號進行第一分析。
3.根據權利要求1或2所述的電路，其特徵在於，所述控制部件(8)將所述第一和第二分析分別與測試信號比較。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的電路，其特徵在於，只要所述第一分析給出一個與測試信號相同的輸入信號，所述控制部件(8)就觸發針對安全性的反應。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的電路，其特徵在於，具有至少一個用於對輸入和輸出信號進行轉換的驅動組件(9)，該驅動組件(9)設置在所述控制部件(8)和輸入端(2，3)或輸出端(4，5)之間。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的電路，其特徵在於，所述至少一個輸入端(2，3)是數字輸入端，所述至少一個輸出端(4，5)是數字輸出端。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的電路，其特徵在於，分別設置了至少兩個輸入端(2，3)和兩個輸出端(4，5)。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的電路，其特徵在於，所述控制部件(8)具有針對安全性的固件部件(11，12)。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的電路，其特徵在於，至少一個針對安全性的部件(14，18)與至少一個輸入端(2，3)和至少一個輸出端(4，5)這樣連接，使得該輸入端(2，3)和該輸出端(4，5)在安全狀態下導電地連接。
10.一種系統、尤其是工業自動化系統，具有根據權利要求1至9中任一項所述的電路(1)和至少一個針對安全性的部件(14，18)，該部件與該電路(1)的至少一個輸入端(2，3)和至少一個輸出端(4，5)連接，使得該輸入端(2，3)和該輸出端(4，5)在安全狀態下導電地連接。
11.一種用於測試電子電路(1)的方法，該電子電路(1)具有至少一個輸入端(2，3)和至少一個輸出端(4，5)，其中通過輸入端(2，3)的一個輸入濾波器(6，7)對輸入信號的變化進行延遲，該延遲通過一個時間常數來表徵，其中所述輸入信號通過控制部件(8)提供和分析，其特徵在於，通過輸出端(4，5)輸出一個由該控制部件(8)提供的測試信號，在輸出該測試信號之後立即對該輸入信號進行首次分析，在輸出該測試信號後的至少等於所述時間常數的一段時間之後對該輸入信號進行第二次分析。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，對所述輸入信號在輸出測試信號後的最大等於時間常數的10％的時間段之內進行首次分析。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特徵在於，分別將經過第一次和第二次分析的輸入信號與所述測試信號進行比較。
14.根據權利要求11至13中任一項所述的方法，其特徵在於，只要所述首次分析給出一個與測試信號相同的輸入信號，就觸發針對安全性的反應。
全文摘要
本發明涉及一種具有輸入端(2、3)和輸出端(4、5)的電子電路(1)，該輸入端具有用於延遲輸入信號變化的輸入濾波器(6、7)，該延遲用時間常數表徵，設置了用於提供輸出信號和分析輸入信號的控制部件(8)。本發明還涉及一種具有這種電子電路(1)和針對安全性、與該電路(1)的至少一個輸入端和至少一個輸出端連接的部件(14、18)的系統，以及用於測試電子電路(1)的方法。為了提高這種電子電路(1)中的故障識別率，建議由控制部件(8)提供測試信號並通過輸出端(4、5)輸出，在輸出該測試信號之後立即對該輸入信號進行第一分析，在輸出該測試信號後的至少等於時間常數的一段時間過去之後對該輸入信號進行第二分析。
文檔編號G01R31/28GK1904628SQ200610108178
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月31日 優先權日2005年7月29日
發明者赫伯特·巴塞爾, 英格馬爾·賓德 申請人:西門子公司