CN100507589C

CN100507589C - 电子电路、包括电子电路的系统和测试电子电路的方法

Info

Publication number: CN100507589C
Application number: CNB2006101081783A
Authority: CN
Inventors: 赫伯特·巴塞尔; 英格马尔·宾德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: US20070038403A1; CN1904628A; DE502005003338D1; US7372248B2; EP1748299A1; EP1748299B1

Abstract

本发明涉及一种具有输入端(2、3)和输出端(4、5)的电子电路(1)，该输入端具有用于延迟输入信号变化的输入滤波器(6、7)，该延迟用时间常数表征，设置了用于提供输出信号和分析输入信号的控制部件(8)。本发明还涉及一种具有这种电子电路(1)和针对安全性、与该电路(1)的至少一个输入端和至少一个输出端连接的部件(14、18)的系统，以及用于测试电子电路(1)的方法。为了提高这种电子电路(1)中的故障识别率，建议由控制部件(8)提供测试信号并通过输出端(4、5)输出，在输出该测试信号之后立即对该输入信号进行第一分析，在输出该测试信号后的至少等于时间常数的一段时间过去之后对该输入信号进行第二分析。

Description

电子电路、包括电子电路的系统和测试电子电路的方法

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个输入端和至少一个输出端的电子电路，其中该输入端具有一个用于延迟输入信号的变化的输入滤波器，该延迟的特征由一个时间常数来表征，其中还具有用于提供输出信号和对输入信号进行分析的控制部件。本发明还涉及一种具有这样的电子电路和至少一个针对安全的、与该电路的至少一个输入端和至少一个输出端连接的部件的系统，以及一种用于测试电子电路的方法。

背景技术

尤其是在针对安全性的设备中，必须以较高的概率识别出各种类型的故障，并控制这些故障使得其不会触发不容许的反应。这尤其适用于传感器和将传感器的信号作为输入信号接收的电子电路。这种电子电路例如是数字输入组件。将标准输入/输出组件用于安全性技术的障碍通常是共同的输出/输出驱动组件。特别是在该驱动组件中的特定的内部短路不可能通过传统的测试发现。为此还必须从外部测试各输入端。但对于安全性技术中的应用必须发现所有短路和中断，尤其是组件内部的短路。在过程和制造技术中对于很多应用存在除了输入端之外还具有输出端的模块。这种模块例如是通常采用的操作面板。输入端和输出端通常都实施为数字输入端和数字输出端。通过数字输入端可以连接按键式开关，通过数字输出端可以连接信号灯。典型地，存在较大数量的这种输入端和输出端，而其中通常只有一部分被使用。针对安全性任务的标准电路的至少一部分输入/输出端通常因为不能用标准硬件来满足安全要求而失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提高在具有至少一个输入端和至少一个输出端的电子电路中的故障识别率。

该技术问题是通过一种具有至少一个输入端和至少一个输出端的电子电路解决的，其中输入端具有用于延迟输入信号的变化的输入滤波器，该延迟通过一个时间常数来表征，其中设置了用于提供输出信号和分析输入信号的控制部件，其中该控制部件用于提供测试信号并通过输出端输出，在输出该测试信号之后立即对该输入信号进行第一分析，在输出该测试信号后的至少等于该时间常数的一段时间过去之后对该输入信号进行第二分析。

本发明的技术问题还通过一种具有这样的电路的系统、尤其是工业自动化系统解决，其中该系统具有至少一个针对安全性的部件，该部件与该电路的至少一个输入端和至少一个输出端连接，使得该输入端和该输出端在安全状态下导电地连接。

本发明的技术问题还通过一种用于测试电子电路的方法解决，其中该电子电路具有至少一个输入端和至少一个输出端，其中通过在输入端的一个输入滤波器对输入信号的变化进行延迟，该延迟通过一个时间常数来表征，其中所述输入信号通过控制部件提供和分析，通过输出端输出一个由该控制部件提供的测试信号，首次在输出该测试信号之后立即对该输入信号进行分析，在输出该测试信号后的至少等于所述时间常数的一段时间之后第二次分析该输入信号。

本发明的解决方案以巧妙的方式利用了通常具有用于延迟输入信号的变化、尤其是用于干扰滤波的输入滤波器的电子电路的输入端。对该电子电路可以进行内部短路、横向连接和中断的测试，其中首先在输出输入信号之后立即检验输入端的值，接着在滤波器时间常数过去之后再次检验输入端的值。由于输入滤波器的延迟功能，在无故障情况下输入信号的值首次、也就是在立即读取或分析时不允许更改。输入信号的值只有在输入滤波器的滤波器时间常数过去之后才允许改变。如果事先已经改变，则表示存在硬件故障，尤其是在电子电路内存在短路或横向连接。

根据本发明的优选实施方式，具有用于在输出测试信号后的最大等于时间常数的10％的时间段之内首次分析输入信号的控制部件。由此保证对输入信号的首次分析实际上在输出测试信号之后立即进行，由此不可能通过在输入滤波器之前更改输入信号而在输入滤波器之后更改输入信号。对输入信号的第一次分析和第二次分析原理上都在输入滤波器之后进行，也就是说在输入信号通过输入滤波器之后进行。也就是说，输入信号在输入滤波器之后或者立即或者经过其它中间连接的部件、如驱动组件之后才被采集和分析。

根据本发明的优选实施方式，当控制部件用于将第一和第二分析分别与测试信号比较时，可以确定对电子电路中的故障的其它提示。

优选通过控制部件触发针对安全性的反应，只要第一分析给出一个与测试信号相同的输入信号。由于在第一分析的时刻输入信号不一定与测试信号相同，因此一致性意味着在该电子电路内部存在故障，该故障通过针对安全性的反应来控制。针对安全性的反应将该电子电路和与该电路连接的系统设置到安全状态，这通常通过立即断开系统中的所有或至少一部分执行器来实现。

根据本发明另一优选实施方式，具有至少一个用于转换输入和输出信号的驱动组件，该驱动组件设置在控制部件和输入端或输出端之间。驱动组件尤其是实现了电压或电流转换和/或输入和输出信号的放大。

根据另一优选实施方式，如果至少一个输入端是数字输入端，且至少一个输出端是数字输出端，则可以对输入信号进行特别简单的分析。在这种情况下测试信号实施为从0到1或相反的信号变换。

为了满足更高的安全性要求，尤其是为了达到更大的安全完整性级别SIL2(Safety Integrity Level，按照IEC61508)，按照本发明的另一优选实施方式提出，分别设置至少两个输入端和两个输出端。由此通过冗余采集各输入/输出端出现的传感器信号，提高了安全性。

按照本发明的另一优选实施方式，控制部件具有针对安全性的固件部件。该针对安全性的固件部件特别适合于实施输出信号的提供和对输入信号的分析。由此没有针对安全性的硬件特性的电子标准电路也可以借助补充控制部件的固件而用于针对安全性的任务。

按照本发明的另一优选实施方式，通过至少一个针对安全性的部件与至少一个输入端和至少一个输出端这样连接，即该输入端和该输出端在安全状态下导电地连接，使得该电路特别适合于用在针对安全性的系统内部。该安全状态例如是其中针对安全的部件、如紧急按钮没有启动的状态，这意味着建立了导电连接。

附图说明

下面借助附图中示出的实施例详细描述和解释本发明。

图1示出自动化系统中的电子电路，

图2示出尤其是在测试周期内输入和输出信号的时间变化。

具体实施方式

图1示出具有两个输入端2、3和两个输出端4、5的电子电路1。输入端2、3、按照本实施例为数字输入端，分别具有一个用于延迟输入信号的变化的输入滤波器6、7。这样的输入滤波器典型地是一级延迟元件，如RC滤波器。控制部件8用于提供输出信号以及分析输入信号。控制部件8既具有非针对安全性的固件部件10，又具有针对安全性的固件部件11、12。控制部件8与接口元件13双向通信，该接口元件用作与通信网络15的接口，而该通信网络又与工业自动化系统的其它部件16连接。这样的其它部件尤其可以是可存储程序控制器。电子电路1是工业自动化系统的一部分。电子电路1、按照本实施例为自动化系统的外围组件，通过输入端2、3和输出端4、5与针对安全性的部件14连接，在所示情况下与紧急按钮连接。这种针对安全性的部件14例如还可以是踏板垫、光栅、门锁装置等等。在此各开关触点18分别与一个输入端和对应于该输入端的输出端连接。通常这样连接针对安全性的部件14，使得开关触点18在启动针对安全性的部件14、在该情况下启动紧急按钮14时打开。开关触点18在外围电路的一个输出端和一个输入端之间的接通在针对安全性的系统中是常见的。外部传感器、也就是针对安全性的部件14(在该情况下是紧急按钮)因此通过电子电路1的输出端4、5供电。为了提高安全性，两个触点18由电子电路1控制或监控。原理上本发明的方法还可以实施为只具有一个输入端和一个输出端的电子电路。在这种情况下下面描述的测试周期20只有一半长，并且在时刻22时就已经结束。尤其是在直到SIL2的安全性要求中只有一个输入端和一个输出端就足够了。

典型地，对组件来说反正都具有比较大数量的这种输入端2、3和输出端4、5，其中通常只使用一部分。本发明现在实现了将标准电路的至少一部分输入/输出端2至5用于针对安全性的任务，例如用于驱动紧急按钮。目前的解决方案为此都采用明确是为安全性应用而开发和实施的特殊硬件。这些常见的解决方案都用分离的输入/输出端驱动组件工作，并具有特殊的输入/输出端布线。

驱动组件9用于转换输入信号或输出信号，尤其是用于转换电压和放大这些信号。附图标记17表示驱动组件9的内部短路。附图标记34至37表示由控制部件8输出或采集并分析的输出或输入信号。

图2示出在按照图1的点34至37采集或输出的信号的时间变化，尤其是在测试周期20内。该时间上的连续过程用附图标记t表示。曲线24表示输出信号在点34的时间变化，曲线25表示输入信号在点35的时间变化，曲线26表示输出信号在点36的时间变化，曲线27表示输入信号在点37的时间变化。输出信号24和26分别对应于测试周期20内的一个测试信号。附图标记21、22、23表示3个表征测试周期20且此时输出信号24或输出信号26改变其值的时刻。按照图1和图2所示的实施例，输入滤波器6、7的时间常数分别为20ms。相应地，测试周期20优选持续40ms，其中在20ms内输出信号24设置为0，在后面的20ms内输出信号26设置为0。这样为输入滤波器6、7或为测试周期20选择的值是在要求启动紧急按钮的最大反应时间为100ms的情况下的典型值。在这种情况下每100ms启动测试周期20。在该100ms内没有被测试周期20占用的时间段中，采集到用要求的反应时间、也就是在最大100ms内对紧急按钮的启动，也就是开关触点18的打开。

下面借助图1和图2详细解释本发明方法的实施例。就在时刻21之前在电子电路1的点35和37通过控制部件8采集和分析输入信号25、27。如果这两个输入信号中的一个为0，则一个在控制部件8中被处理和存储的内部标志同样也为0，因为这表示有故障或紧急按钮被按下。如果不是这样，则该内部标志被预设为1。在时刻21、也就是在测试周期20开始时，输出信号24由控制部件8从1设置为0。就在这之后立即在点35、也就是在输入滤波器6之后查询输入信号，也就是通过控制部件8来采集和分析输入信号25。该信号通过控制部件8分析，并且如果输入信号25在该时刻为0，则内部标志被设置为0，这表示可能出现硬件故障，尤其是驱动组件9内部短路。就在时刻22之前，也就是大约在测试周期20的中点，通过控制部件8在点37查询和分析输入信号27。如果输入信号27在此刻为0，则内部标志被设为0。同样在此刻在点35查询和分析输入信号25。如果输入信号25在此刻具有值1，则该标志被设置为0，这意味着存在内部或外部故障(例如与1相对的短路)。在时刻22输出信号24又被设置为1，输出信号26被设置为0。在这之后立即通过控制部件8在点37查询和分析输入信号27。如果输入信号27在此刻为0，则内部标志被设置为0，也就是说检测到可能的硬件故障，如电子电路内部的故障，尤其是驱动组件9的内部短路17。最后就在时刻23之前在点35查询和分析输入信号25。如果输入信号25在此刻为0，则将内部标志设置为0。同样在点37查询和分析输入信号27。如果输入信号27在此刻为1，则内部标志被设置为0，这表示具有内部或外部故障(例如与1相对的短路)。最后在时刻23、也就是在测试周期20结束时又将输出信号26设置为1。如果输入信号27达到其起始值，或者达到时刻28，则又将电子电路1提供用于按照指定的使用，在此就是对紧急按钮的调用。

按照本发明的实施例，对内部短路、横向连接和中断来测试驱动组件9，其中首先在控制/命令“交换测试信号”之后立即检查输入端的值，接着在滤波器时间常数过去之后再次检查。由于输入滤波器的功能，该滤波器之后的输入值在立即读取时不允许改变。该输入值在输入滤波器的滤波时间过去之后才允许改变。如果在事先已经改变，则表示存在硬件故障(例如驱动组件9上的短路17或横向连接)，必须自动针对安全性进行反应(例如将安全输入数据设置为0和发出故障消息)。

总之，本发明涉及具有至少一个输入端2、3和至少一个输出端4、5的电子电路1，其中输入端2、3具有用于延迟输入信号的变化的输入滤波器6、7，该延迟通过时间常数来表征，设置了用于提供输出信号和分析输入信号的控制部件8。本发明还涉及一种具有这种电子电路1和至少一个针对安全性、与该电路1的至少一个输入端2、3和至少一个输出端4、5连接的部件14、18的系统，以及用于测试电子电路1的方法。为了提高这种电子电路1中的故障识别率，控制部件8用于提供测试信号并通过输出端4、5输出，在输出该测试信号之后立即对该输入信号进行第一分析，在输出该测试信号后的至少等于时间常数的一段时间过去之后对该输入信号进行第二分析。

Claims

1.一种具有至少一个输入端(2，3)和至少一个输出端(4，5)的电子电路(1)，其中，该输入端(2，3)具有用于延迟输入信号的变化的输入滤波器(6，7)，该延迟通过一个时间常数来表征，其中，设置了用于提供输出信号和对输入信号进行分析的控制部件(8)，其特征在于，该控制部件(8)用于提供测试信号并通过输出端(4，5)输出，以及在输出该测试信号之后立即对该输入信号进行第一分析，并在输出该测试信号后的至少等于所述时间常数的一段时间过去之后对该输入信号进行第二分析。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制部件(8)在输出测试信号后的最大等于所述时间常数的10％的时间段之内对输入信号进行第一分析。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制部件(8)将所述第一和第二分析分别与测试信号比较。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路，其特征在于，只要所述第一分析给出一个与测试信号相同的输入信号，所述控制部件(8)就触发针对安全性的反应。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，具有至少一个用于对输入和输出信号进行转换的驱动组件(9)，该驱动组件(9)设置在所述控制部件(8)和输入端(2，3)或输出端(4，5)之间。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述至少一个输入端(2，3)是数字输入端，所述至少一个输出端(4，5)是数字输出端。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，分别设置了至少两个输入端(2，3)和两个输出端(4，5)。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制部件(8)具有针对安全性的固件部件(11，12)。

9.一种工业自动化系统，具有根据权利要求1所述的电路(1)和至少一个针对安全性的部件(14，18)，该部件与该电路(1)的至少一个输入端(2，3)和至少一个输出端(4，5)连接，使得该输入端(2，3)和该输出端(4，5)在安全状态下导电地连接。

10.一种用于测试电子电路(1)的方法，该电子电路(1)具有至少一个输入端(2，3)和至少一个输出端(4，5)，其中通过输入端(2，3)的一个输入滤波器(6，7)对输入信号的变化进行延迟，该延迟通过一个时间常数来表征，其中所述输入信号通过控制部件(8)提供和分析，其特征在于，通过输出端(4，5)输出一个由该控制部件(8)提供的测试信号，在输出该测试信号之后立即对该输入信号进行首次分析，在输出该测试信号后的至少等于所述时间常数的一段时间之后对该输入信号进行第二次分析。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对所述输入信号在输出测试信号后的最大等于时间常数的10％的时间段之内进行首次分析。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，分别将经过第一次和第二次分析的输入信号与所述测试信号进行比较。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，只要所述首次分析给出一个与测试信号相同的输入信号，就触发针对安全性的反应。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，只要所述首次分析给出一个与测试信号相同的输入信号，就触发针对安全性的反应。