CN100536056C - 用于故障保险地断开电负载的安全开关装置及相应的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对电负载特别是电驱动机器进行故障保险地断路的安全开关装置。所述安全开关装置包括信号处理部分(12)，用于接收和评测输入端开关信号，所述信号例如从紧急制动开关发出。所述安全开关装置还包括至少一个开关元件(20)，其由信号处理部分(12)控制，提供用于断开负载的输出端开关信号。还包括抗电涌元件(40)，用于在断开负载时消除反作用电压尖峰。根据本发明的一方面，抗电涌元件(40)具有至少第一和第二抗电涌工作模式(72，74)，其可以被起动作为彼此的替换。

Description

用于故障保险地断开电负载的安全开关装置及相应的方法

技术领域

本发明涉及一种用于故障保险地断开电负载、特别是电驱动机器的安全开关装置，该装置包括：

信号处理部分，用于接收和评测输入端开关信号；

至少一个开关元件，尤其为半导体开关元件，其由所述信号处理部分控制，提供输出端开关信号，用于断开所述负载；以及

抗电涌元件，用于在断开所述负载时消除反作用电压尖峰。

本发明还涉及一种用于故障保险地断开电负载、特别是电驱动机器的方法，该方法包括以下步骤：

接收和评测输入端开关信号；

根据所述输入端开关信号，断开所述负载；以及

在断开所述负载时，通过抗电涌元件消除电压尖峰。

背景技术

现有技术的安全开关装置，其中实施相应的方法，已经由本发明的申请人将其以商标名

进入市场。

根据本发明，如果需要，提供安全开关装置用于以故障保险的方式对技术系统和装置进行控制、特别是以故障保险的方式将技术系统和装置断路，以防止例如对操作人员的危险。在这里，“故障保险”表示，即使在安全开关装置或其环境中发生故障时，例如当安全开关装置的部件出现故障时，仍确保断路操作的成功。因此，现有技术的安全开关装置通常具有冗余设计，在许多国家，这需要得到主管监督机构的特殊批准。关于本发明，安全开关装置至少满足欧洲标准EN 954-1的第三类或者相当的安全标准，同时其被具体设计用于相应的安全关键的应用。然而，在这方面，本发明并不局限于狭义上的安全开关装置，另外还包括安全控制器和基于现场总线的安全系统，其实现将在下文详细描述的安全开关装置的功能，以及可能的复杂控制任务。

安全开关装置的信号处理部分用于接收和评测输入端开关信号，所述信号通过常规应用产生，例如通过紧急制动按钮、防护门、光障装置、双手操作的控制开关或者其它安全发射器。信号处理部分以故障保险的方式评测开关信号，并以此为基础控制至少一个、通常为两个或者更多的输出端开关元件。将开关元件的输出信号馈送至一个或多个致动器，例如接触器，通过这些致动器的工作接触将电流提供到监测器。另外，还经常通过已知的安全开关装置切换作为液压驱动器的部分的电磁阀的开关。

接触器、电磁阀以及类似的致动器的共同点是，其表现为安全开关装置的电感性负载。这意味着，它们在断路时会产生过电压尖峰，其电平可以大大超过标准工作电压。因此，现有技术的安全开关装置的输出通常包括抗电涌元件，通常称为抗电涌二极管，其与接触器的输入线圈或者电磁阀紧接着(back-to-back)并联。例如，从DE 199 54 460 A1中可以获知包括这样的抗电涌二极管的安全开关装置。

然而，已知的安全开关装置中的抗电涌元件具有两个主要缺点，并且根据实际的实施，这些缺点具有不同程度的严重性。第一个缺点在于，在断路中，通过接触器线圈的电流衰减更慢，从而延迟了断路操作。第二个缺点在于，在安全开关装置中不希望地引入了热量，所述热量尤其通过这样产生：为了测试的需要，信号处理部分需要频繁地开、关输出端开关元件。通过设置在安全开关装置中的抗电涌元件，消除了在断连中出现的电压尖峰，同时将存储在接触器线圈中的能量转换为安全开关装置中的电阻功率损耗。

发明内容

相对于该背景技术，本发明的目的是提供一种如开始所述的安全开关装置，其中减少了在所述安全开关装置中对热量的引入。

对于如开始所述的安全开关装置，通过如下实现该目的，抗电涌元件具有至少第一和第二抗电涌工作模式，其可以被起动作为彼此的替换。

通过如开始所述的方法也实现了上述目的，其中抗电涌元件具有至少第一和第二抗电涌工作模式，其被起动作为彼此的替换，为了断开所述负载，优选将所述抗电涌元件从所述第一抗电涌工作模式切换至所述第二抗电涌工作模式。

本发明从而基于，在安全开关装置中将抗电涌元件设计为可变的。这使得可以根据不同情况和需求设计不同的抗电涌元件、并在各种情况中将其最优化为希望的预定使用。因此，抗电涌元件具有不同的抗电涌工作模式，所述模式可以根据预定使用和情况被起动。

为了安全断路，优选将抗电涌元件设计为，使得实现电感性负载中的电流尽可能快地衰减。在这种情况下，首先关注的是快速并安全地断开负载，其次重要的是在安全开关装置中对热量的引入。

由于在现有技术的安全开关装置中，安全断路发生次数较少，在该情况下，热量的引入只是较小的问题。然而，当经常进行断路测试时，情况则不同了。由于在对安全开关装置进行操作的过程中经常发生断路测试，并且在所述方法中没有更高级别的安全目标，因此，在这种情况下有利的是，抗电涌元件首先优化尽可能地减少热量的引入方面，而不是优化最佳速度方面。

通过将抗电涌元件设计为具有不同的抗电涌工作模式，从而可以一起实现不同的目的。另外，在不同的(电感性)负载的特性下，可以更容易地优化具有不同抗电涌工作模式的抗电涌元件。

从而，可以完全实现上述目的。

本发明的改进之一是，通过信号处理部分设置抗电涌工作模式。

该改进的优点在于，信号处理部分完全控制抗电涌元件的功能，从而，当信号处理部分触发安全断路时，能够保证最佳的短衰减时间。

在本发明的另一改进中，信号处理部分具有其中接通负载的第一工作状态、以及其中断开所述负载的第二工作状态。所述抗电涌元件优选在所述第一工作状态期间位于所述第一抗电涌工作模式、并且在所述第二工组作状态期间位于所述第二抗电涌工作模式。

该改进最佳使用了基本思想，改变抗电涌工作模式，特别是在安全断路的情况下改变抗电涌工作模式。当安全断路主要用于将连接的负载切换至安全状态时，在稳态工作中，连接的负载通常保持不会较大地受到安全开关装置的内部功能顺序的影响。即使短暂地打开至少一个输出端开关元件以用于测试，由于致动器的惯性，连接的负载通常保持不受影响。当断开负载时，抗电涌工作模式的改变，使得在稳态监测模式下、以及在安全断路的情况下，可以以最佳的方式满足不同层次的需要。

本发明的另一改进中，将信号处理部分设计为，在其第一工作状态下，以脉冲的方式将至少一个开关元件切换至断路状态。

该改进延续了前述改进，由于如果以测试为目的的断路操作和“实际”的安全断路之间存在差异，则抗电涌工作模式的变化将尤其有利。由于不同层次的需求，抗电涌工作模式的变化在该情况下尤其有效。

在另一改进中，抗电涌元件在第一抗电涌工作模式下具有低的响应阈值，在第二抗电涌工作模式下具有高的响应阈值。

在该改进中，在当进行断路测试时最小化引入安全开关装置的热量方面对抗电涌元件进行了特别的优化，另一方面，在安全断路的情况下，允许通过电感性负载的电流尽可能快地衰减。

在本发明的另一改进中，将过电压保护元件设置为与开关元件并联。

除了各种抗电涌工作模式外，该改进还提供了对输出端开关元件的改善的保护，并允许更快地进行安全断路。例如，在安全断路方面优化在第二抗电涌工作模式中的抗电涌元件，而不需考虑对输出端开关元件的保护。

在另一改进中，过电压保护元件具有第三响应阈值，其高于所述抗电涌元件的低响应阈值。

该方法利用了前述构思。另外，其特定优势在于，在断路测试中，存储在电感性负载中的能量被保持“在外”，也就是说，没有通过过电压保护元件被转化为电阻热损耗。该方法的另一个优势在于，一旦完成断路测试，不需要对电感性负载重新充电，或者只需少量地重新充电，从而使得更容易进行断路测试。

在另一改进中，抗电涌元件包括可开关半导体部件，优选为硅可控整流器，作为抗电涌部件。

由于可开关半导体部件，特别是硅可控整流器，在连通状态具有较低的正向电压，因此在实施断路测试时，已经证明在最小化引入开关装置中的热量方面尤其有效。

在另一改进中，将可开关半导体元件集成在安全开关装置中。

该改进使得安装新型安全开关装置更加容易，因为用户不需要将抗电涌元件连接到安全开关装置。另一方面，可以将抗电涌元件集成到安全开关装置中，使得不会过分地增加安全开关装置的热负荷。

显然，上述的以及下文将描述的特征，不仅可以用于在每种情况中所述的组合中，还可以用于其它组合中、或者其自身单独使用，而不会偏离本发明的范围。

附图说明

将在下文中更详细地描述、以及在附图中示出本发明的示例实施例，其中：

图1示出了新型安全开关装置的示例实施例的示意框图；

图2示出了在图1的新型安全开关装置中的抗电涌元件的优选示例实施例；

图3简化示出了在图1的新型安全开关装置的输出端的信号图，其中未考虑断路电压尖峰；以及

图4简化示出了当断开电感性负载时的幅值信号图。

具体实施方式

在图1中，用标号10总体表示一种新型安全开关装置的示例实施例。

安全开关装置10包括信号处理部分12，其在图中示为具有两个冗余微控制器14、16的简化形式。如箭头18所示，这两个冗余微控制器14、16相互进行监测。显然，每个冗余微控制器14、16均具有适当的外围设备(内存、通信接口等)，图中为了简化没有示出。另外，还可以提供多于两个的冗余信道用于信号处理。

根据优选实施例，安全开关装置10包括两个冗余的输出端开关元件20、22，图中示出为电子开关元件(半导体元件，这里是MOS晶体管)。在该开关元件的情况中，尤其有效地实现了本发明优势，尽管本发明不局限于这些开关元件。保护元件24、26分别与开关元件20、22并联。根据优选示例实施例，在该情况中，保护元件24、26桥接两个开关元件20、22的源、漏线路，并在这里的每个情况中被实施为两个反向的齐纳二极管的形式。

将两个开关元件20、22的输出信号馈送至两个借助输出28、30在外部连接的致动器32、34。在该情况中将致动器32、34表示为接触器，其各自的工作接触被设置为彼此串联。三相电源36通过接触器32、34的工作接触与这里作为实例的驱动器38连接。驱动器38可以是例如用于自动机器人或者传送带的致动驱动器。在其它的示例实施例中，致动器32、34还可以是电磁阀，例如，通过其来控制液压机的工作移动。

安全开关装置10还包括两个抗电涌元件40、42，每个分别与开关元件20、22连接，使得与相应的输出28、30并联。下文将参考图2更详细地描述对抗电涌元件40、42的优选实施。如图1所示，在该情况下控制抗电涌元件40、42，并由信号处理部分12切换其抗电涌工作模式(如下文进一步说明)。

在输入端，安全开关装置10从一个或多个安全发射器获取信号，在该情况下，所述安全发射器例如为防护门传感器44、光障装置46以及紧急制动按钮48。该对安全发射器的结合的表示是示例性的，因为，在实际中，安全开关装置通常需要根据某一类型的安全发射器进行特殊设计。然而，也存在如图所示的能够将不同类型的安全发射器连接到其上的安全开关装置。显然，本发明并不局限于这里所示的用于评测安全发射器的安全开关装置，还包括用于其它类型的信号传感器的安全开关装置。尤其是，如在例如WO 01/67610 A1中所述的现有的安全开关装置，也可以用作信号传感器。

本发明在这里被示出利用安全开关装置10的实例，其中在共用的设备外壳50中设置信号处理部分12、开关元件20、22以及抗电涌元件40、42。从而，可以将安全开关装置10作为紧凑模块集成在整个系统中，例如将其安装和布线在开关盒中。如上所述，本发明并不局限于此，此外如由本申请人在例如商标名

下所提供的、或者在具有分布式开关元件的基于现场总线的系统中，本发明还可以用于复杂的安全控制器中。

在下文对抗电涌元件40的优选示例实施例的描述中，对与上述相同的单元使用相同的标号。

图2示出了优选电路设计中的抗电涌元件40。其包括由两个电阻器60、62组成的分压器，所述电阻器60的自由端与开关元件20的输出相连，所述电阻器62的自由端接地。电容器64和正向设置的保护二极管66与电阻器60并联。另外，将硅可控整流器68设置为与分压器60、62并联，所述硅可控整流器的控制端与两个电阻器60、62的连接点相连。从而，硅可控整流器68获得由分压器60、62的分压比确定的控制电压。

另外，抗电涌元件40还包括由电阻器70和开关组成的串联电路，所述开关在图中被示出为第一开关位置72(开)。将第二(关)开关位置表示为标号74。将由电阻器70和开关72/74组成的串联电路与电阻器60并联。这意味着，通过开关72/74，可以改变分压器60、62的分压比，从而改变作用在硅可控整流器68的门触发端上的触发电压。

在图3中，以简化形式示出了安全开关装置10在输出28、30处的输出信号。在触发沿(slope)80下，接通在安全开关装置10的输出28、30处的电压。从而，接触器32、34使电流流过其中，并闭合其工作接触。从而将驱动器38连接到电源36并启动。

当驱动器38工作时(工作模式)，安全开关装置10监测从安全发射器44、46、48施加到输入的传感器信号。信号处理部分12以故障保险的方式对来自安全发射器的输入端开关信号进行评测，并可能触发对驱动器38的安全断路，其在图3中示出为触发沿82。为安全断路，信号处理部分12将开关元件20、22打开，从而导致输出28、30上的电压下降，其结果是将接触器32、34的工作接触打开。这导致将驱动器38从电源36断开。

在工作的模式中，其在下文中称为第一工作状态，信号处理部分12通过将开关元件20、22短暂地打开(以脉冲的方式)并重新闭合，以经常地进行断路测试。图3中标号为84的输出信号示出了两个这样的断路测试。

断路脉冲84通常比接触器32、34的释放时间短，这使得驱动器38在断路脉冲84下仍可以无阻碍地继续运转。为使致动器38的运转不受干扰，如有可能，可将断路脉冲84在接触器32、34的前端进行过滤。信号处理部分12可通过一个回读线(图中未示出)对开关元件20、22是否成功打开进行监测。从而，信号处理部分12能够确保开关元件20、22的可靠运行，以用于安全断路的情况。

如本领域技术人员所公知的，对电感性负载的断路(即使短暂的断路)会产生电压尖峰，如图4中的幅值曲线(标号86)的简化形式所示。可以通过抗电涌元件40、42，控制该电压尖峰86在安全开关装置10的输出上的反作用。

抗电涌元件40、42的工作模式如下：在工作模式下，在断路脉冲84的情况下产生电压尖峰86。该电压尖峰86通过分压器60、62在硅可控整流器68的触发端产生触发电压。选择分压器60、62的尺寸，使得硅可控整流器68的响应阈值低于保护元件24、26的响应阈值。如图4所示，这两个响应阈值分别用标号88和90表示。当超过响应阈值88时，触发硅可控整流器68，从而通过接触器32闭合放电电路。由于硅可控整流器具有较低的约1.4伏特的正向电压，在这种情况下，只将非常少的热量引入安全开关装置10中。

一旦在断路测试末期再次闭合开关元件20、22，或者如果通过接触器32的衰减电流已经衰减到足够的范围，则再次将硅可控整流器68切换至其断开状态。这里，硅可控整流器68的响应阈值88实际上是通过分压器60、62的分压比来确定的。

如果信号处理部分12现在将触发安全断路，其通过致动开关72/74而使抗电涌元件40、42进入其第二抗电涌工作模式。由于分压器的分压比不同，硅可控整流器68现在只在较高的响应阈值下被触发，其在图4中以标号92示出。图4中的响应阈值92高于保护元件24、26的响应阈值90，即在这种情况下，保护元件24、26在硅可控整流器68之前响应。然而，可以将响应阈值90，92选择为，与图4所示近似相同，或者顺序完全相反。由于用于安全断路的响应阈值92的大小的灵活性，从而可以在工作模式下不考虑热量问题地将接触器32、34的退磁行为设置到最佳速度。如果可能，以短路(R＝0欧姆)的形式代替电阻器70，则可以完全抑制对电压尖峰86的衰减。

为了完整起见，值得一提的是，当保护二极管66保护硅可控整流器68免受过高的反向电压时，电容器64可以用于平滑硅可控整流器的触发端和阴极之间的电压。

利用对于所述抗电涌元件40、42的所示方案，本发明人可以将由于进行断路测试而在安全开关装置上引入的热量从约12瓦特减少至约1瓦特。这允许对安全开关装置的更紧凑的设计，同时也减少了热致故障的危险，也就是说，通过新型抗电涌元件40、42提高了安全开关装置的故障保险。

Claims (15)

1.一种用于对电负载(38)进行故障保险地断路的安全开关装置，包括

信号处理部分(12)，用于接收和评测输入端开关信号；

至少一个开关元件(20、22)，其由所述信号处理部分(12)控制，提供输出端开关信号(82)，用于断开所述负载(38)；以及

抗电涌元件(40、42)，用于在断开所述负载(38)时消除电压尖峰(86)，

其特征在于，所述抗电涌元件(40、42)具有第一和第二抗电涌工作模式(72，74)，其可以被起动作为彼此的替换，其中所述第一抗电涌工作模式能够尽可能地减少热量的引入，所述第二抗电涌工作模式能够快速安全地断开负载。

2.根据权利要求1的安全开关装置，其中，所述至少一个开关元件为半导体开关元件。

3.根据权利要求1的安全开关装置，其特征在于，所述抗电涌工作模式(72、74)可以由所述信号处理部分(12)设置。

4.根据权利要求1或2的安全开关装置，其特征在于，所述信号处理部分(12)具有其中接通所述负载(38)的第一工作状态、以及其中断开所述负载(38)的第二工作状态。

5.根据权利要求4的安全开关装置，其特征在于，所述抗电涌元件(40、42)在所述第一工作状态中位于所述第一抗电涌工作模式(72)、并且在所述第二工作状态中位于所述第二抗电涌工作模式(74)。

6.根据权利要求4的安全开关装置，其特征在于，所述信号处理部分(12)被设计为，在其的所述第一工作状态下以脉冲的方式断开至少一个所述开关元件(20、22)。

7.根据权利要求5的安全开关装置，其特征在于，所述信号处理部分(12)被设计为，在其的所述第一工作状态下以脉冲的方式断开至少一个所述开关元件(20、22)。

8.根据权利要求1或2的安全开关装置，其特征在于，所述抗电涌元件(40、42)在所述第一抗电涌工作模式(72)下具有低的响应阈值(88)，在所述第二抗电涌工作模式(74)下具有高的响应阈值(92)。

9.根据权利要求8的安全开关装置，其特征在于，过电压保护元件(24、26)被设置为与所述开关元件(20、22)并联。

10.根据权利要求9的安全开关装置，其特征在于，所述过电压保护元件(24、26)具有第三响应阈值(90)，其高于所述抗电涌元件(40、42)的所述低响应阈值(88)。

11.根据权利要求1或2的安全开关装置，其特征在于，所述抗电涌元件(40、42)包括可开关半导体部件，作为抗电涌部件。

12.根据权利要求11的安全开关装置，其中所述可开关半导体部件为硅可控整流器(68)。

13.根据权利要求11的安全开关装置，其特征在于，所述可开关半导体部件(68)被集成在所述安全开关装置(10)中。

14.一种用于对电负载(38)进行故障保险地断路的方法，包括以下步骤：

接收和评测输入端开关信号；

根据所述输入端开关信号，断开所述负载(38)；以及

在断开所述负载(38)时，通过抗电涌元件(40、42)消除电压尖峰(86)，

其特征在于，所述抗电涌元件(40、42)具有第一和第二抗电涌工作模式(72，74)，其被起动作为彼此的替换，其中所述第一抗电涌工作模式能够尽可能地减少热量的引入，所述第二抗电涌工作模式能够快速安全地断开负载。

15.根据权利要求14的方法，其中，在断开所述负载时，将所述抗电涌元件(40、42)从所述第一抗电涌工作模式(72)切换至所述第二抗电涌工作模式(74)。

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