CN101578678B

CN101578678B - 安全开关装置

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Publication number: CN101578678B
Application number: CN2007800495619A
Authority: CN
Inventors: C·迈因荷兹
Original assignee: Cedes AG
Current assignee: Cedes AG
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-11-12
Also published as: EP2089892A1; EP2089892B1; US8035942B2; CN101578678A; DE102006053397A1; WO2008055701A1; DK2089892T3; US20090251835A1

Abstract

本发明提出了一种用于将负载用电源切换开通以及关断的安全开关装置，其具有：至少一个可驱动开关元件(1，2，21，22)，特别是继电器；安全电路(103，104)，用于检查开关元件的开关状态。根据本发明，开关元件(1，2，21，22)采用以这样的方式的转换开关的形式：第一触点(1c，2c)借助开关操作被电气连接到第二触点(1b，2b)或第三触点(1a，2a)。另外，本发明提出了用于操作安全开关装置的方法。

Description

安全开关装置

技术领域

本发明涉及权利要求1前序部分所述的安全开关装置以及用于运行安全开关装置的方法。

背景技术

已经知道，实践中对于例如具有继电器的安全相关机电开关运行使用正驱动触点(positively driven contacts)。

这样的继电器常常包含多个触点。至少一个触点机械连接到所有其他触点，以便能够监视其他触点。监视触点通常为“常闭”，工作触点(makecontacts)通常为“常开”。“常开”或“常闭”意味着在未通电状态下呈现此开关位置，也就是说，为开路或是闭合位置。监视触点因此总是具有与工作触点相反的开关位置。

监视触点使得能够确定用于运行电路的继电器是否正在正确运行。如果工作触点开路，监视触电必然闭合。证明合格的继电器——其中，确保工作触点在监视触点闭合时开路，反之亦然——经常使用。这使得可以实现所需要的安全等级，例如4。

现有技术还公开了用于在没有正驱动监视触点的情况下监视继电器触点的解决方案。DE 27 29 480 A1公开了一种用于在运行电路或电气回路——例如对于处理系统——中监视和/或扩展具有串联连接触点的开关组件的方法。在这种实施中，触点的相应的开关状态在没有任何反应的情况下使用并联连接的监视电路来检测。依赖于开关状态，接触器被致动。提供继电器，以便中断电路，使得来自监视电路的信号不会对接触器有不利影响。然而，解除耦合电源的继电器正确运行能得到保证的方式在此布置中保持断开。

欧洲专利说明书EP 0 681 310 B1介绍了另一实施例。与串联连接的两个继电器并联提供监视电路。滤波器电路解除耦合监视电路。

发明内容

本发明基于这样的目的：在没有正驱动“监视触点”的情况下，提供能够可靠监视继电器的改进选择。

此目标分别通过权利要求1和10的特征来实现。

首先，本发明基于一种将用于负载的电源切换为开通和关断的安全开关装置，该装置包含：至少一个可驱动开关元件，特别是继电器；安全电路，用于检查开关元件的开关状态。本发明的实质在于开关元件采用以这样的方式的转换开关的形式：借助转换开关的开关操作，第一触点能被电气连接到第二触点或第三触点。这种过程使得例如使用一个继电器将负载电路和安全电路实现为单独运行的电路成为可能。这是因为“转换开关”能用于保证安全电路或是负载电路被闭合。如果检测到安全电路闭合，则负载电路必然断开。

在本发明一特别有利的实施例中，提供了串联连接的两个可驱动开关元件。串联电路中相应的第一触点优选为彼此连接。安全电路仅仅在两个串联连接的开关元件均呈现预定开关状态时闭合。这一措施使得可以实现所需要的安全等级。另外，借助串联连接的至少两个转换开关，安全电路可完全从负载电路解除耦合。这是因为，使用转换开关，负载电路的两极能被开路，而安全电路的两极能被闭合，反之亦然，结果，两个电路可彼此完全独立地运行。

相应的第二触点优选为电气连接到安全电路，相应的第三触点优选为电气连接到负载。在这种情况下，“常闭”触点可被分配给安全电路，“常开”触点可被分配给负载，例如，用于串联连接的可驱动开关元件。

当第一与第二触点电气连接时，安全电路有利地闭合，当第一与第三触点连接时，负载电路有利地闭合。

在同样优选的本发明一改进中，安全电路包含传输部分和评估部分。传输部分被布置在所述至少一个开关元件的一个触点侧，评估部分被布置在所述至少一个开关元件的另一触点侧。如果所述至少一个开关元件被解除通电且安全电路被连接到“常闭”触点，在解除通电状态下，由传输部分传送的信号可由评估部分检测到。在这种情况下，“负载触点”开路。如果信号没有被评估部分接收到，开关元件——例如转换继电器——是有缺陷的。于是，优选为，初始化合适的措施。检查以对应的方式在串联连接的两个开关元件的情况下实现。

在本发明的另一有利改进中，提供电气解除耦合装置，以便在电源被连接到安全电路的情况下将安全电路从用于负载的电源解除耦合。这可使用例如电容来实现，由此使得可以实现高通滤波器操作，其滤掉DC分量，例如，如果使用Y1或Y2电容器的话。可类似地想到变送器(transducer)，例如光耦合器或变压器(transformer)。

使用光耦合器或变压器，可实现完全的电位隔离。

于是，如果安全电路包含过电压保护是优选的。这在安全电路不是从负载电路DC解耦合时特别优选。安全电路的传输部分和评估部分优选为具有对应的解耦合装置或者这样的过电压保护。例如，线圈、二极管——例如齐纳二极管——或变阻器可用于过电压保护。

同样有利的本发明一改进提供了一种控制电路，其被设计为检查处于未通电状态的两个串联连接的开关元件是否处于这样的开关位置：开关元件闭合安全电路。在这样的改进中，“常闭”触点连接到安全电路。切换到另一状态的操作优选为仅仅在安全电路凭借两个闭合开关元件检测到闭合安全电路时进行。否则，优选为输出错误信号和/或初始化合适的对策。

在本发明另一优选改进中，提供包含至少两个可驱动开关元件的至少两个串联电路。优选为，串联电路理解为意味着开关触点的串联连接。例如，负载能使用相应的串联电路来切换。

另外，如果安全电路经由多个串联电路的各个串联电路形成是优选的。各个串联电路因此可被检查。特别地，各串联电路是分立的安全电路的一部分。

负载电路优选为经由各个串联电路构成。

为了限制安全电路的复杂度于是提出，各自包含两个可驱动开关元件的两个串联电路构成一个安全电路的一部分。

还可以通过包含至少两个可驱动开关元件的两个并联连接串联电路联合使用检测装置以构成安全电路来节省部件。在这种背景下，不同强度的电流经由并联串联电路被驱动是优选的，结果，如果不存在错误的话，检测装置必须检测出正常运行过程中的预定电流。如果结果产生预定电流强度的偏差，可以下结论，在例如支路中或者在支路之间已发生短路。不同的电流强度使得关于已发生问题的并联连接的串联电路的支路的分配成为可能。

在多个串联电路的情况下，于是，如果各个可驱动开关元件包含致动器，则是有利的。这使得关于可能的电路变型实现高自由度成为可能。

然而，还可想到，致动器致动例如两个可驱动开关元件，取决于多个串联电路的情况下的电路任务。

例如，当包含至少两个可驱动开关元件的第一与第二电路并联连接时，致动器同时致动第一与第二串联电路中相应的可驱动开关元件。

附图说明

下面将使用附图更为详细地阐释本发明的多个示例性实施例。图1-4示出了具有标准继电器的不同安全开关装置的原理框图。

具体实施方式

图1示出了具有两个负载电路101与102以及两个安全电路103与104的安全开关装置。

首先，重要因素是继电器1与2以及21与22分别为“转换开关”的形式。为了实现已知的安全等级4，有必要串联连接两个继电器1、2。在转换继电器1、2闭合工作触点1a、2a前，通过来自在触点1b、2b的“常闭”状态下被耦合的信号源5的信号(例如脉冲或其它信号)进行监视。

图1示出了另一连接状态下对于第二负载电路102的第二继电器布置的继电器21、22。

首先，安全开关装置103用于实现在用于闭合触点的对应控制信号经由输入3、4被施加前检查所有工作触点1a、2a是否开路的主要目标。在工作触点1a、2a被闭合之前，来自信号源5的信号被传送到检测装置6。如果触点1a、2a中的一个闭合或两个触点闭合，将没有信号到达检测装置6。然而，如果信号被检测装置6接收到，确定两个继电器1、2的工作触点1a、2a仍开路并因此正在正确运行。继电器现在可安全地闭合。连接13、14因此被闭合，以便例如向负载供电。在正常运行过程中，负载电路101、102因此完全独立于安全电路103、104。

然而，实际不能实现继电器1、2确切同时开关的情况。考虑继电器的不同信号路径和不同反应时间，在负载电路101和安全电路103之间或在102和104之间将发生简短的连接。

高通滤波器——在当前情况下的电容器7、8——被提供以便保护安全电路103、104。过电压保护9也在安全电路103、104中提供。此过电压保护可使用例如齐纳二极管或变阻器来实现。安全电路103、104的传输部分具有驱动器11。安全电路103、104的检测部分具有带通滤波器10，以便能够对于检测装置6对来自信号源5的的对应信号进行滤波。继电器1、2、21、22的线圈31和41各自连接到线圈驱动器12。

电容7、8不仅保证安全电路103、104在继电器1、2、21、22的临时开关差的情况下被解除耦合。如果继电器1、2、21、22故障并导致短路，电容器7、8类似地保证电源从监视电子电路解除耦合。

所介绍的过程具有这样的优点：在正常运行过程中，负载电路101、102完全从安全电路103、104分立。这借助转换开关1、2、21、22实现。能够保证，来自信号源5的测试信号永远不会被施加到负载电路101、102。这可通过仅仅在继电器1、2、21、22的已知开关时间之后开关操作已被安全进行时施加来自信号源5的测试信号来实现。

根据本发明的过程使得能够使用与具有监视触点的正驱动继电器相比较小且较为节省成本的传统“SMD”继电器，否则需要正驱动继电器，其由德国技术检查员(German technical inspectorate)测试。

特别是关于评估，通过例如微控制器，实现继电器的开关时间的顺序。控制器于是能检查来自安全电路的信号是否被设置为预定的。

图2-4示出了包含继电器的串联电路的连接变型。

各个继电器包含负载电路101、101a、102或102a中的工作触点1a或2a。触点1c和2c分别彼此连接。形成对比的是，触点1b、2b为对于安全电路103、104的连接触点。

在根据图2的变型中，形成各自包含两组继电器触点的串联电路的两个并联电路。电路包含四个继电器，因为两组继电器触点属于一个继电器。

四个继电器由四个线圈31、41驱动。两组继电器触点因此分别连接到共用线圈31、41。继电器触点组1、51；2、52；21、53；22、54被联合驱动。包含两个继电器的各个串联电路被电气连接到包含驱动器11和滤波器10以及保护元件7、8和过电压保护9的监视电路。

图2中的监视电路103和104的特殊特征在于，两个监视支路分别联合使用信号源5和检测装置6。这使得可以节省部件或电气装置。信号源5优选为以这样的方式设计：不同的电流强度在相应的流出支路5a、5b馈入。这种措施使得可以确定到其他单元的短路，如果电流的总和信号——其由馈入支路5a、5b的个体电流得出——不能在检测装置6中确定的话。

为了获得更大的安全等级，可以想到，对于图2的两个信号源5，类似地将不同的电流强度馈送到相应的支路5a、5b。如果于是结果发生短路，通过确定电流强度，可在检测装置6中确定使得不可能测量本身将被测量的电流强度的错误的类型。例如，一个信号源向支路5a供给2mA，向支路5b供给3mA。另一个信号源向支路5a供给0.8mA，向支路5b供给0.2mA。因此，如果监视路径无错误的话，总和信号5mA和1mA必然在相应的检测装置6中确定。相反，如果在相关联的检测装置中测量到5.2mA而不是5mA，以高的确定度存在到安全电路的其中馈入0.2mA的支路的短路。

仅仅在正确的电流强度在检测装置6中被检测到时，继电器——例如继电器1、51——分别用工作触点1a、51a以及分别用安全触点1b、51b开关。通过相同的方式，于是，继电器2、52用工作触点2a、52a以及安全触点2b、52b开关。负载电路101、101a因此闭合。信号源可发送DC信号和AC信号，例如，330kHz的AC信号。类似地可想到安全电路的改进，例如两个信号源可用于安全电路103、104，用两个不同的测试信号在每个测试中进行检查。这样的安全电路于是优选为还有两个滤波器。因此，可以同时在两个不同信号上进行测试，如果例如所述信号在不同频率的话。该过程使得可以预先排除如果负载信号非常类似于测试信号则测试为正的情况。为了检查开关信号是否能被解释为测试信号，没有测试信号的测量可首先另外进行。另外，不同安全电路的信号和/或滤波器可以不同。如已在上面介绍的，这使得可以确定短路。

安全电路也可以为例如数字信号的总线的一部分。RC网络或线圈形式的带通滤波器是可能的，例如作为滤波器。如果在电路中确定没有干扰信号能从例如负载电路101、101a、102、102a的侧14或13耦合到电路中，在与包含继电器的相应的串联电路相反的侧上，可以省却对应的保护元件7、8或过电压部件9。

图3为包含继电器1、2；21、22；51、52；53、54的四个串联电路的变型，其中，作为串联连接的两个相应的串联电路的安全触点1b、2b的结果，两个安全电路103、104的总体足够。这使得可以对于安全电路节省部件。

图4示出了包含继电器触点1b、1c、2c、2b、1c、2c、2b的各个串联电路由分立的安全电路103监视的情况。然而，两组三个继电器触点分别容纳在一个继电器中，例如，继电器触点1a、1b、1c和51a、51b、51c分别在继电器1、51中。继电器1、51具有线圈31和驱动器12。

如关于图2所详细介绍的那样，在所有示例性实施例中，不同测试信号可被信号源5馈入。也可使用不同滤波器10或多个滤波器10。例如，微控制器用于电流评估。

Claims

1.一种安全开关装置，其将用于负载的电源切换开通以及关断，具有：至少一个可驱动开关元件(1，2，21，22，51，52，53，54)；安全电路(103，104)，用于检查可驱动开关元件的开关状态，可驱动开关元件(1，2，21，22，51，53，54)采用以这样的方式的转换开关的形式：第一触点(1c，2c)借助开关操作被电气连接到第二触点(1b，2b)或第三触点(1a，2a)，所述安全开关装置的特征在于，提供了采用电容器和/或光耦合器的形式的电气解耦合装置(7，8)，以便将安全电路(103，104)从用于负载的电源解除耦合。

2.根据权利要求1的安全开关装置，其特征在于，可驱动开关元件(1，2，21，22，51，52，53，54)是继电器。

3.根据权利要求1的安全开关装置，其特征在于，提供了串联连接的两个可驱动开关元件(1，2，21，22，51，52，53，54)。

4.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，相应的第二触点(1b，2b)被电气连接到安全电路，相应的第三触点(1a，2a)被电气连接到负载。

5.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，可驱动开关元件(1，2，21，22，51，52，53，54)对于处于非通电状态的安全电路连接第一触点(1c，2c)和第二触点(1b，2b)。

6.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，安全电路(103，104)在第一与第二触点(1c，2c，1b，2b)电气连接时形成，负载电路(101，101a，102，102a)在第一与第三触点(1c，2c，1a，2a)被连接时形成。

7.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，安全电路包含传输部分和评估部分，传输部分被布置在所述至少一个可驱动开关元件(1，2；21，22；51，52；53，54)的一个触点侧，评估部分被布置在所述至少一个可驱动开关元件的另一触点侧。

8.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，安全电路(103，104)包含过电压保护(9)。

9.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，提供了控制电路，其被设计为检查处于非通电状态的两个串联连接的可驱动开关元件(1，2；21，22；51，52；53，54)是否在可驱动开关元件(1，2；21，22；51，52；53，54)闭合安全电路(103，104)的开关位置。

10.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，提供了包含至少两个可驱动开关元件(1，2；21，22；51，52；53，54)的至少两个串联电路。

11.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，安全电路(103，104)经由各个串联电路(1，2；21，22；51，52；53，54)构成。

12.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，负载电路(101，102，101a，102a)经由各个串联电路构成。

13.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，各自包含至少两个可驱动开关元件(1，2；53，54；21，22；51，52)的两个串联电路构成一个安全电路(103，104)的部分。

14.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，包含至少两个可驱动开关元件(1，2；51，52；21，22；53，54)的两个并联连接串联电路联合使用检测装置(6)，以便构成安全电路。

15.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，各个可驱动开关元件包含致动器(31，41)。

16.根据权利要求1-3中一项的安全开关装置，其特征在于，当包含至少两个可驱动开关元件(1，2；51，52；21，22；53，54)的第一与第二串联电路并联连接时，致动器(31，41)致动第一与第二串联电路中相应的可驱动开关元件。