CN101305439A - 用于防故障地关断电消耗装置的安全开关装置 - Google Patents

Abstract

一种用于防故障地关断电消耗装置的安全开关装置具有用于连接第一信号开关(24a)的第一和第二连接端子(36，38)以及用于连接第二信号开关(24b)的第三和第四连接端子(40，42)。此外，该安全开关装置还具有第一和第二开关元件(56，58)，所述开关元件被构造用来产生冗余输出开关信号。该第一连接端子(36)具有第一静态电势(UB)而该第三连接端子(40)具有第二静态电势。这些电势彼此不同。此外，该第二连接端子(38)与该第一开关元件(56)耦合，使得第一开关元件(56)可通过第一信号开关(24a)与第一静态电势(UB)相连。同样，第四连接端子(42)与该第二开关元件(58)耦合，使得第二开关元件(58)可通过第二信号开关(24b)与第二静态电势相连。根据本发明的一个方面，电路装置(80，86，88，90；80，92)被设计为用于确定至少一个另外的、在第二和/或第四连接端子(38，42)上的电势，其中该电路装置还被设计为根据所述另外的电势来控制冗余输出开关信号。

Description

用于防故障地关断电消耗装置的安全开关装置

技术领域

本发明涉及一种用于防故障地关断电消耗装置，尤其是在自动化地驱动的设备中的消耗装置的安全开关装置，该安全开关装置具有用于连接第一信号开关的第一和第二连接端子；具有用于连接第二信号开关的第三和第四连接端子；以及具有至少一个第一和至少一个第二开关元件，所述开关元件被构造用来产生用于关断消耗装置的冗余输出开关信号，其中该第一连接端子具有第一静态电势，其中该第三连接端子具有不同的第二静态电势，其中该第二连接端子与该第一开关元件耦合，使得第一开关元件可通过第一信号开关与第一静态电势相连，并且其中第四连接端子与该第二开关元件耦合，使得第二开关元件可通过第二信号开关与第二静态电势相连。

这种安全开关装置已由本申请人的用于安全开关设备

X2的编号为19 238-O1的操作说明书公开。

本发明意义上的安全开关装置用于：当需要保护人员时，防故障地关断引起危险的机器或设备。通常，安全开关装置监控紧急关断键、安全门开关、挡光板、光栅(lightgittern)和其他针对安全的信号装置的通知信号，并且安全开关装置能够根据这些通知信号中断至被监控的机器和设备的供电路径。如能够容易理解的那样，重要的是：始终保证安全功能并且在安全开关装置范围中的故障被获取和/或被早期识别。通常，安全开关装置因此被以冗余的方式和/或带有自测试功能地构建。至少在高的安全要求情况下，至安全开关装置的通知信号也被以冗余的方式实施。

然而，当信号装置与安全开关装置之间的连接线中出现横向短路(Querschluss)时，就会失去通过该冗余可实现的防故障性。因此，用于欧洲标准EN 954-1(或类似的要求)的较高安全级的安全开关装置需要横向短路识别。在开始部分所述的安全开关装置的情况下，该安全开关装置通过如下方式来实现，两通道的信号装置例如具有两个冗余的动断触头的紧急关断键通过分离的线路连接到连接端子上，其中紧急关断键的第一动断触头具有第一电势，而第二动断触头具有第二电势。通常，使用例如24V的工作电压作为第一电势，而第二电势是相对其的反向电势，特别是地电势。安全开关装置在内部被构造为，使得信号装置的连接线之间的、例如由于线缆损伤引起的横向短路导致在安全开关装置中的电短路，并且该短路造成流到安全开关装置中的电流的急剧上升。提高的电流触发设置在安全开关装置的输入电路中的保险装置。结果，输出开关元件被关断。然而，这种已知的方法的缺点是，(作为过电流识别元件的)保险装置的触发点与温度有关并因此是不精确的。

由DE 44 23 704 C1公开了另一种用于识别在安全开关装置中的横向短路的方法。在这样的情况下，输出侧的开关元件分别通过其端子中的一个端子连接到共同的地电势，而其它各端子连接到不同的正和负电势。然而这种方法的前提是，安全开关装置被供给交流电压，由该交流电压产生正和负电势。因此，这种已知的方法不能容易地转用到供给直流电压的安全开关装置上。

由DE 197 58 332 B4公开了另一种安全开关装置，其中在输入电路中使用电子保险装置形式的过电流识别元件。为了防止在横向短路消除之后被监控的机器或设备自动再接通，在此设置了与保险装置并联的光耦合器。当保险装置反应时，光耦合器将安全开关装置的输入电路短路并且进入自锁(Selbsthaltung)。然而，这种已知的安全开关装置具有已经提及的缺点，即保险装置的触发点与温度有关并因此不精确。

除了目前所描述的、借助在信号线上的静态电势的方法之外还有识别横向短路的动态方法。这里例如可以参考DE 100 33 073 A1，DE 197 02009 C2和DE 198 05 722 A1。动态方法将不同时钟的信号使用在至信号装置的连接线上。由此，在分离的信号线上的信号可以彼此区别，并且横向短路可以被识别。动态方法的缺点是，必须提供至少两个不同的时钟信号，这与费用相联系并使得设备更昂贵。

在这样的背景下，本发明的任务是，提供一种简单并低成本的安全开关装置，借助该安全开关装置能够可靠地并且尽可能早地识别在外部布线中的故障。

根据本发明的一个方面，该任务通过开始所述类型的安全开关装置来解决，该安全开关装置具有电路装置，该电路装置用于确定至少一个另外的、在第二和/或第四连接端子上的电势，其中该电路装置还被设计用于根据该另外的电势来控制冗余的输出开关信号。

新的安全开关装置基于静态方案并且因此不需要时钟信号和时钟发生器。该安全开关装置将两个彼此不同的静态电势使用在至信号装置的连接线上，以便识别横向短路，更确切地说，优选不需要补充的、例如被调制的时钟。为此，测量在第二和/或第四连接端子上的(不可避免地同样是静态的)电势并与第二和/或第四连接端子上所期望的电势进行比较。该比较能够实现对横向短路的可靠识别而不需要动态时钟信号。因此，新的安全开关装置可以与目前实际使用的静态方法类似地以低成本的方式来实现。在优选在设备内部提供电势的情况下，不仅可以省去时钟发生器，而且还可以省去用于导出时钟信号的连接端子，这可以实现具有高的安全级的、结构特别小的实施形式。

此外，新的安全开关装置还可以与所使用的电流供给的类型无关地被实现，即该安全开关装置既可以实现以直流电压供给又可以实现以交流电压供给。这能够实现提高数量并进一步地有利于低成本的实现。

在第二和/或第四连接端子上的所述另外的电势可以以测量值的形式被检测到，所述测量值与已知的第一和第二电势在数量上进行比较。对此代替地或补充地，也可以借助阈值比较而定性地确定所述另外的电势。在这样的情况下，“仅仅”检验所述另外的电势是否大于或小于限定的阈值。这种实施形式是特别低成本的并且对于安全技术应用而言是足够的，因为在此只取决于识别是否存在横向短路。在特别有利的实施例中，并不观察在连接端子上的电势的可能的差别，而是监控这些端子上的电势是否相应于由在布线无误的情况下的电路构造中得到的比例。这恰恰能够实现省去可区分的动态信号的产生和应用。

有利的是，借助新的安全开关装置也可以识别连接线的欧姆性线电阻是否在允许的范围中。特别有利的是，新的安全开关装置将(本身已知的)过电流识别元件使用在输入电路中，因为在这种情况下目前必须借助安装准则来限制在至信号装置的连接线中的允许的线电阻，以保证可靠的反应。当线电阻到达不允许的高数值时，借助本发明可实现早期且自动的关断。

最后，新的安全开关装置的优点是：(与目前的静态方法相比)能够在闭合开关元件之前并由此在接通机器或设备之前就已经实现横向短路识别。在目前借助静态的横向短路识别的的安全开关装置中，当输出侧的开关元件被闭合时，横向短路时的过电流识别元件才会反应。

总之，新的安全开关装置能够借助至信号装置的连接线上的静态信号早期并可靠地识别横向短路。上述任务因此被完全解决。

在一个优选的扩展方案中，电路装置被构造为相对于第一电势监控另外的电势。

优选地，该扩展方案的电路装置使该另外的电势与第一或第二电势成比例，并监控该比例(例如以商的形式)是否遵循确定的值域。对此代替地或补充地，该电路装置可以将该另外的电势也作为绝对的测量值与阈值、第一和/或第二电势进行比较。然而，在优选的扩展方案中，该电路装置与第一和第二电势的绝对数量无关。因此，该扩展方案可以无需适配地以不同的供给电压来驱动。

在本发明的另一扩展方案中，第一电势在数量上是高电势，而第二电势在数量上是低电势，并且电路装置被构造为，当该另外的电势在数量上小于限定的阈值时，打开开关元件中的至少一个。

并非任何在至信号装置的连接线中的横向短路都对安全开关装置的运行具有同样的危险。尤其危险的是横向短路，它们直接导致信号开关的操作不再能被识别和/或输出侧的开关元件不再能被打开。借助本扩展方案可以以简单并且低成本的方式实现，立刻识别危险的横向短路，因为在第二和/或第四连接端子上的数值上低的电势导致了这种危险的横向短路，如下面在实施例中进一步描述的那样。

在另一个扩展方案中，所述至少一个另外的电势包括第二连接端子上的第三电势和第四连接端子上的第四电势。

该扩展方案实现了对于“最危险的”横向短路即在第二和第四连接端子之间的连接的双重控制。因此，该扩展方案以非常低成本的方式得到提高的安全性。

在另一个扩展方案中，该电路装置被构造来确定第一电势。在另一个优选的扩展方案中，该电路装置还可被构造来也确定第二电势。

在通常情况下，在安全开关装置中的第一和第二电势基于供给电压而已知。然而，电势在测量技术上的确定可实现在考虑电势波动情况下的更为精确的监控。此外，安全开关装置在该扩展方案中还可以自动适配于不同的电压供给。

在另一扩展方案中，该电路装置以冗余的方式构造。

该扩展方案能够仅借助新的方法来实现对外部布线的防故障的监控。

在另一扩展方案中，该电路装置包括至少一个集成电路，尤其是微控制器，该集成电路与第二和/或第四连接端子相连。

该集成电路与第二和/或第四连接端子的连接可以包括连接在中间的器件，只要该电路能够在测量技术上检测所述另外的电势。该扩展方案是有利的，因为可以以此方式通过少的器件非常低成本地实现新的安全开关装置。

在另一扩展方案中，该电路装置包括转换单元，该转换单元被构造来使第二开关元件与第二信号开关短时地并联。

换言之，该扩展方案的转换单元被构造来通过信号开关使第二开关元件短路。当在外部布线中不存在横向短路时，第二开关元件必须在该转换时间期间是无电压的，这借助所述另外的电势可以容易地被检验。除了对所述另外的电势的直接的测量技术上的确定之外，该扩展方案是特别有利的，因为由此可以以低成本的方式实现多种冗余。

在另一扩展方案中，该转换单元包括二极管桥，在该二极管桥中设置有第二开关元件。

该扩展方案在如下情况下实现了极其低成本的实施形式，所述情况即用极化的器件尤其是电解电容器与第二开关元件组合，这在这种类型的安全开关装置中通常是有利的。

在另一扩展方案中，该电路装置包括阈值传感器，尤其是光耦合器，该阈值传感器被构造来确定所述另外的电势。

在该扩展方案中，所述另外的电势并不是以测量值的形式被确定的，而是“仅仅”确定所述另外的电势是否超过或者低于阈值。因为对于横向短路识别而言基本上取决于确定是否存在横向短路，所以这种定性的分析就足够了。此外，该扩展方案还可以是极低成本的并且特别有利地与一个转换开关组合，如在上面进一步描述的那样。

在另一扩展方案中，该安全开关装置包括过电流识别元件，尤其是PTC电阻(热敏电阻)形式的过电流识别元件，该过电流识别元件被构造用以在过电流时打开这些开关元件中的至少一个。

该扩展方案将新的方法与已知的用于防止横向短路的静态方法相结合。这种结合是特别有利的，因为新的电势确定也能够实现对(本身完好的)连接线在其线电阻方面进行检验。由此可以进一步提高目前仅通过安装准则所达到的安全性。另一方面，使用保险装置形式的过电流识别元件例如PTC电阻是一种在横向短路的情况下用于快速并可靠地关断所监控的机器的非常可靠、低成本和可行的方法。

应理解的是，前面所提及的以及后面还要阐述的特征不仅可以以相应说明的组合来应用而且可以以其他组合或者单独地应用，而不脱离本发明的范围。

本发明的实施例在附图中被示出并在后面的描述中更为详细地予以阐述。其中：

图1示出了自动化工作的设备的示意性视图，在该实施例中使用了新的安全开关装置，

图2示出了新的安全开关装置的实施例的、等效电路图形式的简化示图，该电路图示出了接通状态，

图3示出了具有可能的横向短路的图2中的安全开关装置的等效电路图，以及

图4示出了图3的具有其它的可能的横向短路的等效电路图。

在图1中，在其中使用了本发明的实施例的设备在其整体上用参考数字10表示。

设备10包括机器人12，该机器人的工作空间借助安全门14来保护。在安全门14上设置有操作器16，该操作器与安全门开关18一起作用。安全门开关18位于框上，可运动的安全门14在关闭状态中靠置在该框上。操作器16例如是应答器，仅在安全门14的关闭状态中该应答器才可以与安全门开关18通信。

安全门开关18与安全开关装置20相连接，该安全开关装置对安全门开关18的通知信号进行处理。第二安全开关装置22与安全开关装置20串联，在该第二安全开关装置上连接有作为信号装置的紧急关断键24。安全开关装置20、22是本发明意义上的紧凑式安全开关装置，这些安全开关装置具有制造商确定的功能范围。

用参考数字26、28表示两个接触器，它们的工作接点处于至机器人12的电流供给路径中。接触器26、28通过安全开关装置20、22来供给电流，使得每个安全开关装置20、22都能够通过接触器26、28关断机器人12。对机器人12的正常工作流程进行控制的运行控制器出于简化起见而未示出。

在图2中借助安全开关装置22示出了本发明的一个优选的实施例。相同的参考标号表示与前面相同的元件。

安全开关装置22具有装置壳体34，该装置壳体具有多个用于连接紧急关断键24、接触器26、28和可能的另外的(在此未示出的)信号装置和执行器的连接端子。用参考标号36和38表示第一和第二连接端子，紧急关断键24的第一动断触头24a连接到第一和第二连接端子上。用参考数字40、42表示第三和第四连接端子，紧急关断键24的第二动断触头24b连接到第三和第四连接端子上。用参考数字44表示连接线的线电阻R_L，动断触头24a、24b通过所述连接线与连接端子36-42相连。

两个另外的连接端子46、48用于对安全开关装置22供给例如24V的工作电压U_B。其它连接端子50、52被设计用于连接接触器26、28和其它的可能的消耗装置。

在所示的实施例中，安全开关装置22具有继电器触头K1、K2形式的无电势的输出端，这些继电器触头在连接端子50、52之间彼此串联。在这种情况下，例如24V的正电势连接到连接端子50上，并且接触器26、28连接到连接端子52上。通过继电器触头K1、K2，接触器26、28可以通电流，或者该电流可以被中断。然而代替该优选的应用情形，本发明原则上也可以应用于具有与电势相关的半导体输出端的安全开关装置中。

继电器K1、K2的励磁线圈在图2中用参考数字56、58表示。如图2中所示的那样，继电器K1的励磁线圈56(后面是继电器56)具有连接地的端子。继电器56借助其另外的端子在装置内部与连接端子38相连。为完整性起见，在该连接中还示出了(用于自锁的)继电器56的动合触头以及可被理解为其他在此未示出的器件的等效电阻的电阻60。

连接端子36在装置内部与第一静态电势即工作电压U_B相连。该电势通过紧急关断键24的动断触头24a被导向继电器56。

继电器58处于由四个二极管62、64、66、68构成的二极管桥中。第一端子70通过等效电阻72和继电器58的动合触头被导向连接端子42。连接端子40与地电势(本发明意义的第二电势)相连。相应地，继电器58通过紧急关断键24的动断触头24b与该地电势相连。

该二极管网络的第二端子74与两个晶体管76、78相连。该二极管网络的第二端子74可以通过晶体管76与第一电势(工作电压U_B)相连。对此代替地，端子74可以通过第二晶体管78与第二电势(地)相连。

用参考数字80表示微控制器，该微控制器尤其被构造用于彼此交替地驱动两个晶体管76、78，以便使端子74或者与第一电势U_B相连或者与第二电势(地)相连。此外，微控制器80还与另外的晶体管81和82相连。晶体管81与继电器K1的励磁线圈串联。晶体管82作为串联稳压晶体管处于供电电压U_B的馈送中。借助晶体管82，微控制器80可以将上述的全部器件与供电电压U_B分离，这尤其引起继电器触头K1、K2脱离。代替地或者补充地，微控制器80也可以通过晶体管76和81关断继电器K1和K2。

用参考数字84表示PTC电阻，该PTC电阻作为可逆的保险装置工作。

微控制器80通过测量线86、88、90与一些节点相连接，在这些节点上该微控制器可以确定在连接端子38和42上的第一电势以及第三和第四电势。在一个优选的实施例中，微控制器80具有多个集成的A/D转换器，微控制器80借助该A/D转换器可以在测量技术上检测模拟电势。最后，在图2中还示出了光耦合器92，该光耦合器的输入侧的发光元件与二极管网络中的继电器58串联。当继电器58流过电流时，光耦合器92产生输出信号，并且该输出信号同样被输送给微控制器80(这里为了清楚起见而未示出)。

安全开关装置22的功能如下：在接通和工作就绪的状态中，电流经过动断触头24a流向继电器56。此外，电流还经过晶体管76和二极管网络62-68流向继电器58。两个继电器56、58被吸动，即相应的动合触头K1、K2闭合(在此在输出端上未示出)。继电器56、58处于自锁中，如对于相关的专业人员充分已知的那样。对于这种工作状态的进一步简化的等效电路图被示出在图3和4中。在此，相同的参考标号与前面一样表示同样的元件。为了清楚起见，分别以等效电阻2R_L示出线电阻44。

图3示出了在连接端子36-42之间的三种可能的横向短路96、98、100。在图4中示出另外的横向短路102。图4中的横向短路102在这些横向短路中是最危险的，因为它会导致：即使动断触头24a、24b都打开，电流也流过继电器56、58。因此，尽管信号开关被打开，但安全开关装置22也不会起反应。虽然紧急关断键24被操作了，但机器人24会继续工作。而在图3的横向短路96、98、100的情况下，当紧急关断键24的动断触头24a、24b被打开时继电器56、58中始终有至少一个继电器无电流。在横向短路98的情况下，保险装置84还会立刻反应，因为工作电压U_B可直接被短路。

按照图4，“危险的”横向短路102可以被识别，其方式是，确定连接端子38和/或42上的电势并与在连接端子36上测量到的或已知的电势进行比较。在横向短路102的情况下，在连接端子38上的电势由于经过动断触头24b的横向路径而明显比没有横向短路102要低。该电势差可借助微控制器80被简单地识别。优选的是，微控制器80构建并监控在连接端子38上的第三电势与在连接端子36上的第一电势的商。在一个实施例中，微控制器80检验，该商是否大于0.75(75％)。如果情况是这样，则可以得到：不存在横向短路102。此外，在横向短路102的情况下，连接端子42上的电势大致等于在连接端子38上的电势，这一点同样由微控制器80监控。

以类似的方式，可以通过连接端子36、38和42上的电势的似然性比较来识别横向短路96或100(图3)、接地故障或对工作电压U_B短路。只要出现这些情况之一，则微控制器80就通过晶体管76、81和/或通过晶体管82关断继电器56、58。在其他的实施例中可以取消晶体管82。

对安全开关装置22的外部布线的横向短路的监控可以根据所描述的方法以双通道方式来进行。这在图2中借助冗余的微控制器80’来示出。然而优选的是，继电器58借助晶体管76、78与动断触头24b短时并联，其方式是，晶体管76打开而晶体管78闭合。在该情况下，如果没有横向短路，则不再允许电流流过继电器58，因为在二极管网络62-68的两个端子70、74上存在同样的电势，即地电势。然而，如果由于存在横向短路而在端子40、42上有另外的电势，则会出现借助光耦合器92来识别并向微控制器80通知的电流。在这种情况下，微控制器80借助晶体管82来关断继电器56、58。同样可能的是，借助二极管网络(在此未示出)比较连接端子36、38上的电势和继电器56上的电势。

Claims (11)

1.一种用于防故障地关断电消耗装置(26，28)、尤其是在自动化驱动的设备(10)中的电消耗装置(26，28)的安全开关装置，该安全开关装置具有用于连接第一信号开关(24a)的第一和第二连接端子(36，38)，具有用于连接第二信号开关(24b)的第三和第四连接端子(40，42)，以及具有至少一个第一和至少一个第二开关元件(56，58)，所述开关元件被构造用来产生用于关断消耗装置(26，28)的冗余输出开关信号，其中所述第一连接端子(36)具有第一静态电势(U_B)，并且其中所述第三连接端子(40)具有不同的第二静态电势，其中所述第二连接端子(38)与所述第一开关元件(56)耦合，使得第一开关元件(56)能够通过第一信号开关(24a)与第一静态电势(U_B)相连，并且其中第四连接端子(42)与所述第二开关元件(58)耦合，使得第二开关元件(58)能够通过第二信号开关(24b)与第二静态电势相连，其特征在于，该安全开关装置具有用于确定至少一个另外的、在第二和/或第四连接端子(38，42)上的电势的电路装置(80，86，88，90；80，92)，其中所述电路装置(80，86，88，90；80，92)还被设计为根据所述另外的电势来控制冗余输出开关信号。

2.根据权利要求1所述的安全开关装置，其特征在于，电路装置(80，86，88，90)被构造用于相对于第一电势(U_B)来监控另外的电势。

3.根据权利要求1或2所述的安全开关装置，其特征在于，第一电势在数值上是高电势，而第二电势在数值上是低电势，并且电路装置(80，86，88，90)被构造为，当所述另外的电势在数值上小于限定的阈值时，打开开关元件(56，58)中的至少一个。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的安全开关装置，其特征在于，所述至少一个另外的电势包括第二连接端子(38)上的第三电势和第四连接端子(42)上的第四电势。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的安全开关装置，其特征在于，电路装置(80，86，88，90)还被构造用于确定第一电势(U_B)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的安全开关装置，其特征在于，电路装置(80，80’)以冗余的方式构造。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的安全开关装置，其特征在于，电路装置(80，86，88，90；80，92)包括至少一个集成电路、尤其是微控制器(80)，所述至少一个集成电路与第二和/或第四连接端子(38，42)相连。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的安全开关装置，其特征在于，电路装置(80，92)包括转换单元(62，64，66，68；76，78)，所述转换单元被构造用于使第二开关元件(58)与第二信号开关(24b)短时并联。

9.根据权利要求8所述的安全开关装置，其特征在于，转换单元(62，64，66，68；76，78)包括二极管桥(62-68)，在该二极管桥中设置有第二开关元件(58)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的安全开关装置，其特征在于，电路装置(80，92)包括阈值传感器(92)，尤其是光耦合器，该阈值传感器被构造用于确定所述另外的电势。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的安全开关装置，其特征在于，具有过电流识别元件(84)，尤其是PTC电阻，该过电流识别元件被构造为在过电流时打开开关元件(56，58)中的至少一个。

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