用於安全電路的安全開關的製作方法
2023-09-10 02:56:30 2
專利名稱：用於安全電路的安全開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於安全電路的安全開關，其包含控制部分，該部分用於處理輸入信號；至少一個開關元件，該元件具有至少一個啟用和一個停用開關狀態，其中，控制部分被配置為對開關元件進行控制，以便在輸出上產生依賴於輸入信號的輸出信號，該開關還包含用於識別功能故障的診斷功能，其中，控制部分被配置為當功能故障被識別出時將開關元件轉換到停用狀態。
本發明還涉及一種安全電路，該電路用於以故障保護方式切斷危險設備，該電路包含多個這類安全開關，並包含更高等級的安全控制器，該控制器被配置為切斷到該設備的電源通路。
背景技術：
這種安全開關和相應的安全電路可從EP 1 363 306 A2獲知。
EP 1 363 306 A2公開了一種安全開關裝置，該裝置用於監測保護欄、保護門、機器覆蓋件或其他用於保護旋轉機件或其他危險場所的保護裝置的位置。這種安全開關裝置經常被稱為安全開關或被稱為用於安全開關電路的發信號裝置。安全開關(或者更一般的發信號裝置)用於產生與安全有關的輸入信號，該信號被提供給更高等級的安全控制器。安全控制器被配置為對若干個發信號裝置的輸入信號做出評估，並依賴於此將危險設備引入安全狀態，例如，切斷移動的驅動系統。在這種布置中，安全控制器通常與設備的運行控制器分開實現，這是因為與「簡單」的運行控制器相比，安全控制器必須滿足高得多的故障安全標準。
然而，本發明意義上的安全開關不僅是發信號裝置，還是被典型稱為安全開關裝置或安全繼電器、甚至是安全控制器的裝置，也就是說，甚至是對來自發信號裝置的輸入信號進行評估的裝置。儘管如此，本發明的優選應用領域為用於與安全有關的應用場合的發信號裝置。這種發信號裝置有時也稱為傳感器。
為了保證任何時候都能滿足預期的安全功能，就像安全控制器/安全開關裝置那樣，用於與安全有關的應用場合的發信號裝置/傳感器必須被構建為具有故障保護性。因此，例如光障(light barriers)或光幕(light curtains)的智能傳感器典型地可被構建為具有固有的故障保護性，故而滿足歐洲標準EN 954-1的類別3或甚至是類別4，或滿足類似的安全要求。儘管例如緊急關斷按鈕、保護門開關、雙臂開關(two-handed switches)等簡單的發信號裝置同樣是冗餘的，但通常來說它們實際上不具備智能性、或僅具備有限的智能性。通常，通過更高等級的安全控制器或更高等級的安全開關裝置實現故障監測。
開始處提到的EP 1 363 306 A2公開了一種安全開關，該安全開關具有自己的診斷功能。具體而言，所介紹的安全開關能夠通過回讀其輸出信號來監測開關元件的運行。
該文檔還公開了一種安全電路，在該電路中，若干個這種安全開關相互串聯連接到更高等級的安全控制器。在這種布置中，啟用信號通過各個安全開關的開關元件環行，上行到更高等級的安全控制器。一旦安全開關中的一個通過其開關元件抑制了啟用信號，啟用信號在安全控制器處丟失，安全控制器因此將被監測的設備引入停止的安全位置。
然而，採用已知的安全電路，各安全開關(發信號裝置)不能向安全控制器通知它們的診斷結果。儘管因此使得被監測設備能夠快速切斷，不可能得出關於切斷原因的結論。
在例如光障或光幕等更為智能的傳感器中，已經知道，採用單獨的診斷線或用於此目的的現場總線連接，將診斷信息發送到更高等級的安全控制器。這對於「小型」的發信號裝置未免過於複雜和昂貴，特別是對於機械操作的發信號裝置。
發明內容
鑑於這種背景，本發明的一個目標在於對開頭提到的類型的安全開關進行說明，該開關使得具有綜合診斷能力的安全電路能以節省成本的方式構建。
該目標通過開頭提到的類型的安全開關實現，其中，控制部分還被配置為在輸出處產生數據消息，該數據消息取決於所識別的功能故障。
對應的安全電路包含安全控制器，該控制器被配置為接收和處理安全開關的數據消息。
因此，本發明基於這樣一種構思沿著已有的安全線——安全開關典型地通過該安全線向更高等級的控制器傳送切斷命令——傳送安全開關的診斷信息。因此，可以省掉現場總線連接或額外的診斷線。與所有先前的方法形成對照的是，由於已有的安全線(安全輸出)在被監測的設備已被切斷後、一直到該設備重新投入運行時不具有功能，這是容易實現的。因此，可以在這一階段向更高等級的安全控制器傳送診斷數據。
根據本發明的布置只需要很小的布線工作量，節省了各個裝置處的連接，並使安全電路能被配置為具有綜合診斷功能。為了進一步減小布線工作量，發信號裝置或其他安全開關優選為彼此串聯連接到更高等級的安全控制器。
由此，新型安全開關提供了具有綜合診斷功能的安全電路的一種節約成本且靈活的配置，但又不具有額外通信線的複雜性和成本。由此，圓滿達到了上面提到的目標。
在本發明的優選實施例中，控制部分被配置為通過所述的至少一個開關元件產生數據消息。
或者，用於產生數據消息的控制部分還可以驅動附加的開關元件，該元件連接到輸出線。然而，採用已有的開關元件節省了另外的成本，並減小了所需要的構造空間。
在進一步的實施例中，新型安全開關具有至少兩個互為冗餘的開關元件，這些開關元件被布置為由控制部分冗餘地進行控制。
在安全自動化技術領域中，採用冗餘開關元件本質上是公知的。然而，在本發明的背景中，冗餘開關元件的採用不僅增強了故障安全性，還增強了可用性。即使開關元件中有一個由於功能故障(繼電器中的接觸焊、半導體開關元件的擊穿等等)不能再執行開關功能，新型安全開關仍能夠經由冗餘通道遞送所有的診斷信息。儘管任何診斷數據的缺失可在輸出端指示出開關元件的故障，當前實施例在不顯著增加布線和成本費用的條件下提供了更為廣泛的診斷。
在進一步的實施例中，為了產生脈衝型的數據消息，控制部分被配置為以脈衝方式對開關元件進行控制。
可以用非常簡單的方式實現採用脈衝型的數據消息。另一方面，其提供了經由幾根線用串行協議傳送大量數據的可能性。因此，脈衝型數據消息的採用是用很小的布線工作量實現高度診斷的特別節省成本的方法。
在進一步的實施例中，控制部分被配置為在數據消息中包含地址。
因此，各個發信號裝置、更為一般的是各安全開關裝置，可以向更高等級的控制器報告其身份。因此，可以甚至更加簡單且更具選擇性地實現整個安全電路的詳細診斷。
在進一步的實施例中，新型安全開關具有用於外部啟用信號——其形成輸入信號——的至少一個輸入。
本實施例對於從一個安全開關向下一個安全開關串行傳送診斷數據特別有利。下遊的安全開關可經由所述輸入接收上遊安全開關的診斷數據，並在其輸出處對之進行再現。另外，在本實施例中，如果需要，下遊的安全開關具有對所接收到的診斷數據進行補充和/或改變的能力。診斷能力因此甚至更為靈活。
在進一步的實施例中，新型安全開關具有初始化模式，在該模式中，控制部分通過所述至少一個開關元件產生脈衝序列，該脈衝序列比在輸入處提供的啟用信號包含更多的脈衝。
本實施例用簡單和節省成本的方法提供了對於被彼此串聯布置的若干個安全開關的自動地址分配。如同下面結合優選實施例所介紹的那樣，增加脈衝導致以增序方式進行的地址分配。相關的自動化系統使自己適應於安全電路中的改變(增加或移除安全開關)並由此避免錯誤。另外，這種類型的地址分配是可行的，而且沒有額外的硬體工作量，因此是節省成本的。
在進一步的實施例中，新型安全開關具有至少一個輸入部分，該部分用於致動器，致動器適用於在第一狀態和至少一個第二狀態之間變換，輸入部分產生輸入信號。
本實施例將新型安全開關定義為發信號設備。由於在複雜的安全電路中，通常必須將多個發信號裝置連接到一個或幾個安全控制器，本發明的優點在本實施例中尤其有效。本發明在機械操作的發信號裝置中特別有益，特別是在保護門開關、緊急關斷按鈕、雙臂開關、開始或控制按鈕以及位置開關中。迄今為止，如果這些「簡單」的發信號裝置有診斷功能的話，也只具有很少的診斷功能。另外，例如，與智能光障相比，這些是相對較為節省成本的部件，這就是為什麼迄今為止不值得為實現診斷功能投入高費用的原因。然而，採用本發明，尤其是這些簡單的發信號裝置可以在具備高診斷功能以及小布線費用的情況下連接到更高等級的安全控制器。
在不脫離本發明背景的前提下，上述以及有待下文闡述的特徵可以用各實例中說明的組合或其他組合進行應用，或者單獨應用各實例，這一點是不言自明的。
附圖示出了本發明的典型實施例，這些典型實施例將在下文的介紹中更為詳細地闡釋。在附圖中圖1示出了設備的簡化圖，在該設備中，將根據本發明的發信號裝置用於保護；圖2示出了對新型發信號裝置典型實施例的圖示；圖3示出了安全電路，該電路具有串聯布置的、圖2所示類型的兩個發信號裝置；以及圖4示出了根據圖3的安全電路在初始化期間信號變化的時間圖。
具體實施例方式
在圖1中，用參考標號10總體標識根據本發明的被保護設備。
在本實例中，設備10包含機器人12，機器人12的自動化移動對位於其移動範圍內的人(此處未示出)來說將會是危險的。如同已知的那樣，因此通過保護門14和保護欄對機器人12的移動範圍進行保護。在保護門14上裝有致動器16。安全開關18、更一般的是根據本發明的發信號裝置位於固定的框架上，依靠該框架，保護門14處於關閉狀態。安全開關18經由若干根線連接到安全控制器20。安全控制器20在其輸出處控制兩個接觸器22與24，接觸器22與24的接觸將中斷到機器人12的電源26。
這裡以簡化的方式示出了設備10。如本領域技術人員所知，保護門14通常具有至少兩個安全開關18和對應的致動器16，其中，安全開關之一通常以隱藏的方式布置，以便使篡改更加困難。另外，這種設備通常包含其它的發信號裝置，例如緊急關斷按鈕或其它的保護門開關(這裡未示出)。另外，出於簡化目的，沒有示出機器人12所需的運行控制。
在簡單的方案中，安全控制器20可以為如申請人在PNOZ的商標名下提供的安全開關裝置。然而，如果需要用大量的與安全有關的發信號裝置保護設備10，採用更為複雜的安全控制器是有利的，例如採用申請人在PSS的商標名下銷售的安全控制器。至少在後一種情況下，安全控制器20通常具有現場總線連接以及用於與此處未示出的運行控制器進行通信的和/或用於與更高等級的控制計算機進行通信的其它接口。
在根據圖2的優選典型實施例中，安全開關18被構建為具有兩通道冗餘。相應地，安全開關18具有相互監測的兩個冗餘微控制器30與32，這種相互監測用微控制器之間的雙向箭頭表示。在優選典型實施例中，微控制器是不同的，也就是說，安全開關18被構建為具有差異性。
參考標號34與36標識著兩個電子開關元件，此處，該元件被示為場效應管。或者，也可採用雙極電晶體或優選為電子開關元件的其它元件。
開關元件34的控制連接(門極)連接到微控制器30。輸入38(源極)連接到線40，當安全開關18正在運行時，線40上存在運行電壓UB。輸出42(漏極)連接到端子44，可在端子44上對安全開關18進行外部布線。開關元件34的輸出42因此構成安全開關18的輸出信號。
第二開關元件36在其控制連接(門極)上連接到微控制器32。其輸入38同樣經由線40位於運行電壓UB。其輸出42被提供到安全開關18的第二輸出端子46。
經由兩個分壓器48與50，開關元件34與36的輸出42上的信號耦合回到微控制器30與32。微控制器30與32因此能夠監測開關元件34與36各自的開關狀態。
參考標號52標識著輸入部分，微控制器30與32通過該部分判斷致動器16的當前狀態。在此處示出的優選典型實施例中，致動器16為具有信號發生電路54以及發送與接收線圈56的詢答機。在信號發生電路54中，存有獨立的編碼58。輸入部分52同樣具有發送與接收線圈(此處僅象徵性地示出)，其通過該線圈發出詢問信號。一旦詢答機16在輸入部分52附近的區域之內(保護門閉合)，致動器16中的信號發生電路54被啟用。於是，致動器16將存儲的編碼58發回到輸入部分52。在那裡，從接收到的信號中對編碼58進行解調並將之提供給微控制器30與32。
相反，如果保護門14打開，致動器16在輸入部分52的發送與接收範圍之外，如圖2中的位置16′所示。在這種情況下，致動器16與輸入部分52之間沒有聯繫。因此，微控制器30與32沒有接收到任何編碼，其被解釋為開著的保護門14。如果存在第二保護門開關或至少一個第二致動器(未示出)，還可識別致動器16的或者輸入部分52的缺陷。在安全工程領域中，用於監測保護門的詢答機的應用是已知的，例如可從EP 0 968 567B1中獲知。
在其他的典型實施例中，輸入部分52可被配置為其它類型的致動器。致動器還可集成在安全開關18中。例如，安全開關18可以為緊急關斷按鈕，且在這種情況下致動器為按鈕的活柱(plunger)。在其它的典型實施例中，輸入部分52包含電感性、電容性、光學或其它類型的傳感器，該傳感器用於確定可機械移動的致動器的當前位置。另外，本發明基本上還可與光障以及在至少兩種狀態間進行識別的其它發信號裝置一起使用。
在輸入端，安全開關18具有三個端子60、62與64，這些端子在所有情況下被布置為安全輸入並被冗餘地連接到兩個微控制器30與32。經由端子60至64，可向微控制器30與32冗餘地提供外部啟用信號。另外，還有端子66以及接地端子68，端子66以已知的方式用於提供運行電壓UB。自然，在所有情況下，這些端子可在安全開關18的外殼70之外接觸。
在圖3中，具有兩個這類安全開關18的安全電路整體上用參考標號80標識。對於其餘的部分，如前面一樣，相同的參考標號標識著同樣的元件。兩個安全開關用18a與18b標識，以便相互區分。
安全開關18a在其端子60與62上連接到安全控制器20的輸出。它們優選為安全控制器20的所謂時鐘輸出，在該輸出上存在不同頻率的兩種時鐘信號，因此，在安全開關18a和安全控制器20中均可識別交叉連接(通過此處未示出的回讀)。另外，安全開關18a分別在端子66和68上連接到運行電壓UB以及接地。在輸出端，安全開關18a的端子44與46連接到接下來的安全開關18b的端子60與62。兩個安全開關18a與18b由此被彼此串聯地布置。在所示出的布置中，安全開關18b還從安全開關18a接收其運行電壓。或者，安全開關18b也可連接到其它的源以得到運行電壓UB。
安全開關18b的兩個輸出信號——即在其端子44與46上存在的信號——被提供到安全控制器20的安全輸入。在輸出端，安全控制器20連接在電源26和要切斷的驅動器82——例如機器人12的致動驅動器——之間。另外，這裡大概性地示出了安全控制器20經由現場總線84連接到機器人12的運行控制器86和/或更高等級的控制計算機。為清楚起見，圖3中沒有示出屬於安全開關18a與18b的致動器。
安全電路80如下運行在其被投入運行之後，安全控制器20在其輸出處產生兩個時鐘信號88與90，時鐘信號88與90作為啟用信號被提供到安全開關18a。安全開關18a的微控制器30與32通過輸入部分52對所關聯的致動器的當前狀態進行監測。如果致動器在輸入部分52的範圍內，且如果正確地接收到啟用信號88與90，微控制器30與32通過開關元件34與36產生兩個輸出信號，該輸出信號為啟用信號88與90的複製。然而，它們也可以與時鐘信號88及90不同，例如，在它們的頻率方面。第二安全開關18b接收複製的啟用信號，並且，當其也發現閉合的保護門以及正確的運行時，在其輸出處又對它們進行複製。安全控制器20經由線92與94接收複製的啟用信號。
如果安全開關18a接下來檢測到其所關聯的保護門的打開，也即當所關聯的致動器改變其狀態時，微控制器30與32斷開開關元件34與36。因此，後面的安全開關18b不再收到複製的啟用信號。這由安全開關18b中的微控制器檢測，並通過斷開開關元件34與36向安全控制器20發信號。接著，控制器可切斷驅動器82。
當安全開關18a檢測到功能故障——例如輸入端或輸入端的端子上的交叉連接、開關元件34與36之一的擊穿或其它功能故障——的時候，信號流是同樣的。在存儲在安全控制器和所有安全開關的微控制器中的、短暫的等待時間之後，通過在開關元件34與36中的至少一個上以脈衝方式閉合併再次斷開，安全開關18a在其輸出線的至少一個上產生數據消息96。後面的安全開關18b接收該數據消息並將其以同樣的方式向前傳送到安全控制器20。如果必要，其還可以在數據消息96中集成其它信息。
在一個典型實施例中，用與異步串行接口的情況相同的方式實施數據消息96，也就是說，其用定義的起始位開始，用定義的停止位結束。在這之間是任意數量或固定數量的數據位。在另一典型實施例中，各數據消息96包含具有定義的脈衝持續時間的、固定數量的脈衝。各個脈衝的有效位數取決於在安全開關18與安全控制器20之間建立的協議。
在相同的方式下，如果安全開關18b本身也發現功能故障，其產生自身的數據消息96。與已知的布置形成對照的是，不管安全開關18a斷開還是閉合開關元件34與36，安全開關18b可產生其數據消息。
在優選實施例中，安全開關18a與18b的數據消息包含地址信息項，該地址信息項識別希望向更高等級的安全控制器20發送信息的安全開關。可以用不同的方式向安全開關18a與18b分配相應的地址。例如，各安全開關18a與18b可具有多級地址選擇開關(此處未示出)，在該開關上設置所分配的地址。在另一實施例中，在各種情況下，安全開關18a與18b將它們所關聯的致動器16的編碼58用作地址。
在進一步的典型實施例中，在安全電路80起動後的初始化模式下將地址分配給串聯連接的安全開關18a與18b。通過圖4示出了進行這種地址分配的優選方法。
圖4示出了這種初始化模式的信號圖。最上方的脈衝序列100為用於安全電路80中所有部件的運行電壓UB的接通。在參考標號102處，示出了安全控制器20的第一時鐘輸出處的信號，即線88上的信號。在參考標號104處，示出了安全控制器20的第二時鐘輸出處的信號，即線90上的信號。在運行電壓UB被接通後，第一安全開關18因此在其輸入60處接收到持續高，並在其輸入62處接收到一個脈衝。在檢測到這種情況之後，其立即在其輸出44處對在其端子60上存在的信號(持續高)進行複製(參考標號106)。在等待時間T後，其接著在其輸出46處產生如參考標號108處所示的兩個脈衝。等待時間T用於識別在輸入端上是否收到了其它脈衝。
第二安全開關裝置18b在其輸入60與62處接收信號106與108，並在其輸出44與46處進行複製。在這樣做的時候，其將另外的一個脈衝增添到其在端子62處接收到的單一脈衝(single pulses)108。因此，在第二安全開關18b的輸出處存在如參考標號110與112所示的脈衝序列。以相同的方法，其它安全開關裝置18c與18d等等(圖3中未示出)將在一條信號線上對持續高進行複製(參考標號114)並在第二信號線上對脈衝序列進行複製，且各個安全開關將對該脈衝序列增加一個脈衝。
在鏈路末端，安全控制器20接收參考標號114與116的信號。從信號114中，安全控制器20檢測通道A的布線正確。從脈衝序列116中，安全控制器20檢測通道B的布線正確。另外，由脈衝數減去1，其可以判斷串聯布置的安全開關18a、18b等等的數量。採用相同的方法，各安全開關18a與18b可由接收到的脈衝的數量識別其地址。採用這種方式，當安全電路80接通時，可向串聯連接的各安全開關自動分配獨立的地址。如果後來更改了安全電路80，當其再次接通時，自動進行對現有配置的新的、正確的地址分配。
通過尚未介紹的輸入端子64，進一步提高了新型發信號裝置的靈活性。該端子可用於將外部反饋信號饋送到安全開關18。通過這種方式，例如，安全開關18可以獨立地驅動具有正驅動接點的接觸器，即不採用迄今為止採用的任何安全開關裝置或相應的安全控制器。如果接觸器的正驅動常閉接點連接到安全開關18的反饋輸入64，這一點是足夠的。
在進一步的典型實施例中，例如所示出的安全開關18的發信號裝置具有另外的輸入端子，該端子用於施加起動信號。因此，可以在不採用迄今為止使用的安全控制器的情況下實現設備的受監測的重起動。
另外，如同從例如DE 100 16 712 A1中獲知的那樣，可通過輸入端子64對發信號裝置18的相應運行進行參數化。另外，可通過不同的詢答機編碼從外部進行參數化。
權利要求
1.一種用於安全電路的安全開關，其包含用於處理輸入信號(60，62，64；52)的控制部分(30，32)，並包含至少一個開關元件(34，36)，所述開關元件(34，36)具有至少一個啟用和一個停用開關狀態，其中，所述控制部分(30，32)被配置為控制所述開關元件(34，36)、以便在輸出(44，46)處產生取決於所述輸入信號的輸出信號，所述安全開關還包含用於識別功能故障的診斷功能，其中，所述控制部分(30，32)被配置為當識別出功能故障時將所述開關元件(34，36)轉換到所述停用狀態，所述安全開關的特徵在於所述控制部分(30，32)進一步被配置為在所述輸出(44，46)處產生數據消息(96)，所述數據消息取決於所述識別出的功能故障。
2.根據權利要求1的安全開關，其特徵在於所述控制部分(30，32)被配置為通過所述開關元件(34，36)產生所述數據消息(96)。
3.根據權利要求1或2的安全開關，其特徵在於所布置的至少兩個互為冗餘的開關元件(34，36)，所述開關元件(34，36)由所述控制部分(30，32)冗餘地進行控制。
4.根據權利要求1至3中任意一項的安全開關，其特徵在於所述控制部分(30，32)被配置為以脈衝方式控制所述開關元件(34，36)，以便產生脈衝型的數據消息(96)。
5.根據權利要求1至4中任意一項的安全開關，其特徵在於所述控制部分(30，32)被配置為在所述數據消息(96)中包含地址。
6.根據權利要求1至5中任意一項的安全開關，其特徵在於用於外部啟用信號(88、90)的至少一個輸入(60，62)，所述外部啟用信號(88、90)構成所述輸入信號。
7.根據權利要求6的安全開關，其特徵在於初始化模式，在所述初始化模式中，所述控制部分(30，32)通過所述至少一個開關元件(34，36)產生脈衝序列(108，112，116)，所述脈衝序列(108，112，116)比在所述輸入處提供的啟用信號(88，90)包含更多的脈衝。
8.根據權利要求1至7中任何一項的安全開關，其特徵在於用於致動器(16)的至少一個輸入部分(52)，所述致動器(16)適用於在第一狀態和至少一個第二狀態之間變換，其中，所述輸入部分(52)產生所述輸入信號。
9.一種以故障保護方式切斷危險設備(10)的安全電路，其包含多個根據權利要求1至7中任意一項的安全開關(18a，18b)，並包含更高等級的安全控制器(20)，所述安全控制器(20)被配置為中斷到所述設備(10)的電源通路(26)，其中，所述安全控制器(20)還被配置為接收和處理所述安全開關(18a，18b)的所述數據消息(96)。
10.根據權利要求9的安全電路，其中，所述多個安全開關(18a，18b)彼此串聯地連接到所述安全控制器(20)。
全文摘要
安全開關(18a，18b)包含用於處理輸入信號的控制部分，並包含至少一個開關元件，開關元件具有至少一個啟用和一個停用開關狀態。控制部分被配置為控制開關元件，以便產生取決於輸入信號的輸出信號。另外，安全開關具有用於識別功能故障的診斷功能，其中，控制部分被配置為當識別出功能故障時將開關元件轉換到停用狀態。根據本發明的一個實施形態，控制部分還被配置為通過開關元件產生數據消息(96)，其中，該數據消息取決於所識別出的功能故障。
文檔編號H03K17/94GK1942994SQ200580011887
公開日2007年4月4日 申請日期2005年3月23日 優先權日2004年4月19日
發明者J·普爾曼, R·魯普 申請人:皮爾茨公司