CN101752842A

CN101752842A - 监视用于激活安全功能的开关的连接的方法和装置

Info

Publication number: CN101752842A
Application number: CN200910246322A
Authority: CN
Inventors: 亚尼·坎加斯
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB Oy; ABB AB
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: EP2199878A1; FI120990B; US7868619B2; EP2199878B1; EP2199878A9; CN101752842B; FI20086219A0; US20100156435A1

Abstract

监视用于激活安全功能的开关的连接的方法和装置，所述开关(S2)具有至少两极，所述装置包括：用于经由第一连接(30)向所述开关(S2)的两极的第一侧提供电压的部分，用于监视经由开关(S2)提供并进一步经由第二连接(40)从所述开关的两极的第二侧提供到设备的电压的部分，用于在被提供给所述开关(S2)的两极的第一侧的电压之间形成电压差的部分(D1、S1)，以及用于当提供给设备(20)的电压之间的差与所述形成的电压差不一致或者当提供给设备的电压之间的差基本为零时检测到连接失败的部分(21、22)。

Description

监视用于激活安全功能的开关的连接的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于监视用于激活设备的安全功能的开关的连接的方法和装置。

背景技术

逆变器是一种电气设备，其能够形成具有可变频率的电压。典型地，逆变器用于和马达连接从而以可变频率控制马达。逆变器也可以是频率转换器的一部分，该频率转换器用于例如控制马达。与逆变器或者通常包括逆变器的频率转换器相关，各种安全功能通常用于监视及确保例如在不同使用情况和条件下马达驱动的安全。一个这种安全功能是安全转矩关闭(STO，Safe Torque Off)。该安全转矩关闭是IEC61508标准中定义的功能，其规定使得能够以可靠的方式设计安全设备。对于频率转换器的期望等级是SIL(安全完整性等级，Safety Integrity Level)3。

例如在频率转换器中，STO功能是为了确保：如果安全开关被转动了，对于由频率转换器控制的马达没有转矩形成。在应用频率转换器的情况下，用户通常需要完成安装由STO连接的连接器及具有两个电气分离开关的安全开关接收的双绞电缆的任务。图1示出与STO功能有关的安全开关S2普通耦合到频率转换器的逆变器10的例子。该图仅仅示出逆变器的输出级的三相中的一相，该逆变器经由相U2、V2和W2为马达供电。该逆变器的输出级由控制电路11通过门驱动器12a和12b控制。该逆变器(或者频率转换器)的STO连接通常提供四个端子1、2、3、4，其中1、2两个端子通常具有例如24VDC的有功电源。该电源经由两极安全开关S2以及连接30和40从端子1、2导到端子3、4。该电压被从端子3、4进一步提供给例如控制电路11并作为门驱动器12a、12b的工作电压。这样，该电源被经由安全开关S2以及连接30和40穿过两个分立的连接支路提供。安全开关S2的任务是切断该电源，其结果是：STO逻辑/功能要防止对由逆变器10供电的马达形成力矩。在图1的示例性结构中，安全开关S2的断开切断了两条连接支路并且因此切断了针对给逆变器10的控制电路及门驱动器12a、12b的电源。

上述安全开关的耦合的问题是：用户用于安全开关的连接的双绞电缆可能是有故障的或者可能在使用的过程中变得有故障。因此指示用户将铠装电缆用于安全开关的连接以使得例如已经变得无用的有故障的电缆引发STO功能是明智的。然而，找到铠装电缆可能是困难的，并且，此外，确保用户最终使用适当的铠装电缆并将其护套接地也是困难的。在最坏的情况下，没有接地的护套可能使连接电缆的导体短路，依次地，可能导致例如当一个开关损坏时STO功能完全无效的情况。此外，不能确保用户将开关正确地耦合及使用两极开关。

发明内容

本发明的目的是：提供一种方法以及一种用于实现该方法的装置，其避免上述缺点或者至少减轻这些缺点。该目的通过根据本发明的方法、装置、逆变器和频率转换器达到，其特征如独立权利要求所描述的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明基于这样的思路：通过在经过用于激活安全功能的开关的两极和它们的连接的电压之间形成电压差，监视该开关的连接情况，由此可以响应于提供给设备的电压之间的差与所述形成的电压差不一致或者响应于提供给设备的电压之间的差基本为零，检测到连接失败。

根据本发明的方案的优点在于：可以在设备工作期间连续地监视或者以期望的间隔监视与安全功能的开关一起使用的连接(例如双绞电缆)的工作情况。根据本发明的方案使得能够进一步改进例如安全转矩关闭功能的安全功能。

附图说明

现在将结合优选实施例并参考附图更加详细地描述本发明，其中：

图1示出本发明可能应用到的系统的框图；

图2示出根据实施例的连接的监视装置的框图；

图3示出根据实施例的信号图；

图4示出根据实施例的信号图；

图5示出根据实施例的连接的监视装置的框图；

图6示出根据实施例的连接的监视装置的框图；以及

图7示出根据实施例的连接的监视装置的框图。

具体实施方式

图1示出本发明可能应用到的装置的框图。应该注意到本发明的使用不限于与任何特定类型的设备，诸如频率转换器或逆变器，相关。因此，以下将不详细讨论本发明所应用到的设备的结构。同样也不详细讨论与本发明的基本思路相应使用的电压电平。

本发明的基本思路是：在连接的两个不同极的电源之间形成电压差，该连接经由用于激活安全功能的开关通到受该安全功能保护的设备，由此可以响应于提供给设备的电压之间的差与所述形成的电压差不一致或者响应于提供给设备的电压之间的差基本为零，检测到连接失败。该安全功能可以是例如安全转矩关闭(STO)功能，但是本发明也可以结合其它安全功能的开关连接使用。以下，将更详细地描述本发明的各种优选实施例。应该注意到，与实施例有关的附图仅仅示出理解本发明所需的部件。

图2示出根据实施例的连接的监视装置的框图。在该图中，虚线的右侧示出与设备20(诸如频率转换器或逆变器)有关的(内部或外部的)功能和/或部件，而在虚线的左侧示出用于激活安全功能的开关S2以及它与设备20的连接30、40。电源Vcc被分为两个分立的支路并且这两个支路经由开关S2以及连接30和40从设备20的端子1和2传送到设备20的端子3和4。连接30由两个分立的导体(例如双绞电缆或分立的导体)形成，并且它将电压从电源提供给开关S2的两极的第一侧5和6。连接40也由两个分立的导体(例如双绞电缆或分立的导体)形成，并且当开关S2在导电状态时，进一步将提供给开关S2的所述两极的第一侧5和6的电压从开关的所述两极的第二侧7和8提供到设备20。二极管D1用于在提供给开关S2的两极的第一侧5和6的电压之间形成电压差。串联耦合在电源Vcc和开关的一极的第一侧之间的该二极管D1根据其阈值电压在所讨论的极的电压中引发电压降，也就是，在图示的例子中，来自设备20的端子1的电压比来自端子2的电压低。依据该二极管，阈值电压可以是例如0.3...0.7V。当在不同的连接支路间期望更大的电压差时，可以串联耦合两个或者更多的二极管D1。这样，可以串联耦合的二极管可以进一步是例如不同的类型以达到所期望的电压降。所需的电压差也可以通过一些其它半导体(例如晶体管)、或一些不脱离本发明的基本思路的其它元件或连接或者它们的组合形成。此外，所需的电压差不仅可以通过降低一个连接支路的电压而且也可以通过增加电压形成。

此外，在图2的例子中，将电压从端子3和4提供给逻辑单元22的输入in1和in2。逻辑单元22可以通过例如微处理器以及适合的软件或者通过分立的电路和/或分立的部件来实现。该逻辑单元监视输入in1和in2并以通常的方式根据输入的情况控制安全功能。在STO功能的情况下，例如，当输入in1和in2没有接收到控制电压(例如开关S2断开)时，优选地，逻辑单元激活STO功能。可以例如利用来自输出out2的控制信号CTRL来激活STO功能，如图所示，该信号例如切断可能的门驱动器的电压或相反地使STO功能在设备20中激活。逻辑单元22也可能在常规状态中传送例如两个电压信号(图中未示出)，这两个电压信号会被例如提供给控制电路11以及作为门驱动器12a、12b的工作电压，如图1的例子中所示，并且当STO功能被激活时切断这些电压。然而，设备20中的逻辑单元22激活安全功能(例如STO功能)的一个或多个信号的种类与本发明的基本思路不相关；这样，在这点上，该实现取决于在给定时间本发明所应用的设备20。此外，在图2的例子中，将电压从端子3和4提供给比较器单元21的输入in1和in2。比较器21比较由其输入in1和in2接收的电压的大小并且从其输出发出取决于电压大小的差的信号。该比较器21的输出信号被传送给逻辑单元22的输入in3。当提供给比较器21的输入的电压之间的差与不同的连接支路之间由二极管D1或以其它方式形成的电压差不一致时，或者当电压之间的差基本为零时，比较器将此指示给逻辑单元22。比较器可以这样简单地确定提供给其输入的电压大小是否相等(电压之间的差基本为零，也就是，与零的差别不超过某一预定量)，并且指示出来。可选地，比较器可以确定提供给其输入的电压间的差与形成的电压差是否一致，并且指示出来。优选地，如果电压差大小相等或者彼此的差别不大于预定偏差，则电压之间的差与形成的电压差一致。当将相差某一预定偏差的电压的差也考虑为彼此一致地确定电压差的一致性时，可以考虑到可能沿着连接链路的电压中形成的可能影响电压大小的噪音和其它干扰。当比较器21向逻辑单元22指示由设备的端子3和4接收到的电压之间的差与形成的电压差不一致或者该电压之间的差值基本为零时，检测到连接失败，并且逻辑单元然后可以执行STO功能的激活和/或例如向系统管理者发送故障警报或通知。比较器21可以例如通过电压信号向逻辑单元22指示比较结果。比较器可以例如当其输入in1和in2的电压大小不同时从其输出提供电压Vcc(＞0V)，并且当其输入in1和in2的电压大小相等时提供电压0V。所述指示电压水平也可以从相反方向使用或者两个电压都可以区别于零。然而，这与本发明基本思路无关。

图2的例子还包括开关S1，开关S1使二极管D1能够被越过(pass)，并且从而电压差可以被接通和关断。该开关S1优选地可以通过逻辑单元22控制，该开关S1耦合到逻辑单元22的输出out1。逻辑单元22优选地根据预定规则或条件控制开关S1，该规则或条件也可以由装置的用户通过适当的用户接口设定。装置的用户也可以直接控制开关S1，其也可以经由逻辑单元22进行。由于开关S1，电压差不必连续地形成，而可以例如仅在确定的间隔形成。这使得能够在诸如频率转换器或连接到频率转换器的马达的设备20启动前已检查过电路，以确保与安全功能有关的连接是正确的。当开关S1被控制以越过二极管D1并且从而电压差被关断时，比较器21的输出的状态相应地改变。优选地，逻辑单元22考虑到这种情况，并且当开关S1耦合以能够导电时不执行例如STO功能的激活，即使比较器21指示逻辑单元22由设备的端子3和4接收的电压之间的差与形成的电压差不一致或者电压之间的差基本为零。

图3示出根据实施例的比较器21的输入in1和in2的信号图。根据该实施例，开关S1通常保持打开，由此二极管形成电压差，使得比较器21的输入in1的电压比输入in2的电压低。然后，比较器的输出的电压的大小与例如电压Vcc的大小相似。在时间t₁，开关S1优选地被逻辑单元22控制闭合，由此当开关S1将二极管D1短路时，电压差被关断。如果该结构/电路正常操作，比较器的输出的电压相应地改变，例如0V。在这种情况下，逻辑单元可以推定该结构/电路是状况良好的，并且在时间t₂，开关S1再次断开并且电压差被重新接通。比较器的输出的电压相应地变回到值Vcc并且停留在那里，直到开关S1再次闭合或者当开关S1由于连接失败断开。这样，如果开关S1断开但是比较器21仍然指示由设备的端子3和4接收到的电压之间的差与形成的电压差不一致或者电压之间的差基本为零，则在逻辑单元中检测到连接失败。该实施例的优点是立即检测到例如连接30或40的不同导体之间意外短路，但是，另外，可以通过以每隔一段时间使开关S1耦合来利用逻辑单元执行检查。可以连续执行诊断，即，当设备20在工作中(例如频率转换器驱动马达)时，也可以进行诊断。这种诊断不防止或扰乱任何时刻安全开关S2的使用。这使得可以监视对于Vcc电压的导体短路或者可以检测到在单极开关中执行的错误安装。

图4示出根据实施例的比较器21的输入in1和in2及输出的信号图。根据该实施例，开关S1通常保持闭合，由此开关S1将二极管D1短路，并且比较器21的输入in1的电压与输入in2的电压基本相同。在这种情况下，比较器的输出的电压是例如0V。在时间t₃，开关S1断开，优选地由逻辑单元22控制，由此电压差被接通。如果结构/电路正常工作并且在被监视的连接链路30、S2、40的连接支路之间没有短路存在，则比较器21的输出的电压相应改变到例如值Vcc。在这种情况下，逻辑单元可以推定结构/电路正在运行并且连接状况良好。在时间t₄，开关S1再次闭合并且电压差被关断。比较器的输出的电压相应地变回值0V。

图5示出根据实施例的连接的监视系统的框图。除了省略了开关S1，图5的装置与图2的装置相似。这简化了装置，并且逻辑单元22不需要如上述例子中那样控制开关S1的功能，但是逻辑单元只监视输入in1、in2、in3，以及执行STO功能的激活和/或例如当需要时向系统管理者发送缺省警报或通知。

图6示出根据实施例的连接的监视系统的框图。在图6的装置中，代替二极管D1，电压被分压电阻器R5和R6降低，电阻器R5和R6的大小用于确定比较器21能够识别的期望电压诊断水平。合适的串联电阻器R3和二极管D2也可以被用在该结构/电路中。可以利用开关S4接通或关断电压降，优选地，如图2的实施例中的有关描述那样由逻辑单元22进行控制。也可以执行诊断，例如使得任一个电源支路基本完全下拉到地。例如，在图6的例子中，将发生这样的情形，使得二极管D2被移除并且电阻器R3具有比电阻器R5和R6的组合更高的电阻值。在这种情况下，逻辑单元应该优选地知道如何考虑：当开关S4在导通状态时并且当电源支路中的一条因此为0V时，STO功能不被接通。这意味着当开关S4在导通状态时，对于开关S2的一极被连接的情况，STO功能不可用。然而，在两极都被连接的情况下开关S2的普通断开自然设定连通设备20的连接40的两条支路的电压为零，其可以在逻辑单元22中被检测，并且当需要时，STO功能可以被激活。

图7示出根据实施例的连接的监视系统的框图。在图7的例子中，比较器和开关功能被结合在逻辑单元22中，其优选地被数字化实现，例如通过处理器以及软件方式，其经由D/A和A/D转换器连接到模拟部件。在本图的实施例中，只有串联电阻器R3和R4以及二极管D1和D2被用作模拟分离部件。在本图的实施例中，可以利用逻辑单元22形成电压差。

在根据图2到图7的上述实施例中，也有可能电源Vcc和形成电压差的装置都位于不同于进行电压差的监视的设备的设备20中。这使得例如STO连接能够被链接，从而仅有一个设备20(或另一个分离单元)产生电源并在两条支路间形成需要的电压差，并且这两个电源支路经由开关S2传送给一个或多个其它的设备20。在其它设备20中，电压差的监视可以以与上述实施例中所述的基本相同的方式完成。在需要时，当实施例被应用在支路间的电压差不是被连续地接通的设备时，关于电压差何时被接通的信息可以被从形成电源支路的设备20传播给其它设备。这样，其它设备的逻辑单元22或者它们的执行电压间比较的相应的功能知道电压支路间的电压差何时应该被检测。也有可能其它设备可以请求形成电源支路的设备根据需要接通或关断电压差。不同设备20之间的信息传输和控制请求可以经由设备间的适当连接进行，所述适当连接例如可以是Profibus总线或者相应的现场总线。

逻辑单元22、比较器21、开关S1以及与不同实施例相关的其它功能或者它们的组合或者其它可能的设备可以通过一个或多个单元实现。术语“单元”一般地指物理或者逻辑实体，诸如物理设备或其部件或者软件例程。单元可以是物理分离的或者作为一个整体实现的。

根据本发明的实施例的设备可以至少部分通过计算机或提供有适当软件的相应信号处理设备实现。这种计算机或信号处理设备优选地至少包含：随机存取存储器(RAM)，其提供存储空间供算法操作使用；诸如通用数字信号处理(DSP)处理器的中央处理器(CPU)，其执行算法操作。该CPU可以包含一组寄存器、算法逻辑单元以及控制单元。该控制单元被从RAM传输到CPU的一系列程序指令控制。该控制单元可以包含用于基本操作的微指令。微指令的实现可以依据CPU的结构变化。程序指令可以由编程语言代码，该编程语言可以是高级编程语言，诸如C、Java等，或者是低级编程语言，诸如机器语言或汇编语言。计算机也可以包括由程序指令编写的能向计算机程序提供系统服务的操作系统。计算机或实现本发明的其它设备优选地包括：适当的输入装置，用于例如从用户和/或其它设备接收控制数据或测量数据；以及输出装置，用于输出例如失败警报和/或同样用于控制其它设备的控制数据。也可以使用专用集成电路，诸如ASIC(特定用途集成电路)和/或独立部件或其它设备用于实现根据本发明的不同实施例的功能。

本发明可以在现有系统中实现，诸如逆变器或频率转换器和/或马达驱动器的防护监视系统，或者可以以集中或分散方式使用的独立元件和设备。现有设备，例如逆变器或频率转换器，典型地包括处理器和存储器，其可以用于实现本发明的实施例的功能。因此，实现本发明的实施例所需的改变和配置可以至少部分通过软件例程实现，其依次可以作为增加的或更新的软件例程实现。如果本发明的功能通过软件实现，这种软件可以作为包括计算机代码的计算机程序产品提供，该代码在计算机中的执行引发计算机或相应设备执行根据上述实施例的本发明的功能。这种计算机程序代码可以被存储在计算机可读介质上，诸如适当的存储装置，例如闪速存储器或磁盘存储器，从那里它对于执行程序代码的单元是可读的。此外，这种程序代码可以经由适当的数据网络被下载到执行程序代码的单元中并且它可以替换或更新可能现有的程序代码。

对本领域技术人员来说本发明的基本思路显然可以以多种不同的方式实现。因此本发明和其实施例不局限于上述例子，而可以在权利要求书的范围内改变。

Claims

1.一种监视用于激活设备的安全功能的开关的连接的方法，所述开关(S2)具有至少两极，所述方法包括：

从电源经由第一连接(30)提供电压到所述开关(S2)的两极的第一侧；

当所述开关(S2)处于导通状态时，通过第二连接(40)从所述开关的两极的第二侧进一步将提供给所述开关的两极的第一侧的电压提供到所述设备(20)；以及

监视提供到所述设备(20)的所述电压，其特征在于，所述方法包括：

在被提供给所述开关(S2)的两极的第一侧的电压之间形成电压差；以及

当提供给所述设备(20)的电压之间的差与所述形成的电压差不一致或者当提供给所述设备的电压之间的差基本为零时检测出连接失败。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果电压差大小相等或者彼此的差别不大于预定偏差，则提供给所述设备(20)的电压之间的差与所述形成的电压差一致。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用一个或多个半导体(D1)来形成所述电压差。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一个或多个半导体包括在所述电源和所述开关(S2)的一极的第一侧之间串联耦合的一个或多个二极管(D1)。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用电阻分压器电路(R5、R6)来形成所述电压差。

6.如权利要求1到5中任一个所述的方法，其特征在于，连续地或以确定间隔形成所述电压差。

7.如权利要求1到6中任一个所述的方法，其特征在于，利用比较器(21)来确定提供给所述设备(20)的电压之间的差。

8.如权利要求1到7中任一个所述的方法，其特征在于，所述第一连接(30)包括在所述电源和所述开关的两极的第一侧之间的分立的导体，并且所述第二连接(40)包括在所述开关的两极的第二侧和所述设备之间的分立的导体。

9.如权利要求1到8中任一个所述的方法，其特征在于，所述安全功能是安全转矩关闭功能。

10.如权利要求1到9中任一个所述的方法，其特征在于，所述设备(20)包括频率转换器或逆变器。

11.一种监视用于激活安全功能的开关的连接的装置，所述开关(S2)具有至少两极，所述装置包括：

用于经由第一连接(30)向所述开关(S2)的两极的第一侧提供电压的部分；

用于监视经由所述开关(S2)提供并进一步经由第二连接(40)从所述开关的两极的第二侧提供到设备的电压的部分；其特征在于，所述装置包括：

用于在被提供给所述开关(S2)的两极的第一侧的电压之间形成电压差的部分(D1、S1，R5、R6、S4)；以及

用于在提供到所述设备(20)的电压之间的差与所述形成的电压差不一致或者在提供给所述设备的电压之间的差基本为零时检测出连接失败的部分。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，如果电压差大小相等或者彼此的差别不大于确定的偏差，则提供到所述设备(20)的电压之间的差与所述形成的电压差一致。

13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述用于形成电压差的部分包括一个或多个半导体(D1)。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述一个或多个半导体包括在所述电源和所述开关(S2)的一极的第一侧之间串联耦合的一个或多个二极管(D1)。

15.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述用于形成电压差的部分包括电阻分压器电路(R5、R6)。

16.如权利要求11到15中任一个所述的装置，其特征在于，所述用于形成电压差的部分包括用于接通和关断电压差的开关(S1、S4)。

17.如权利要求11到16中任一个所述的装置，其特征在于，所述用于检测出连接失败的部分包括用于确定提供到所述设备的电压之间的差的比较器(21)。

18.如权利要求11到17中任一个所述的装置，其特征在于，所述第一连接(30)包括在所述电源和所述开关(S2)的两极的第一侧之间的分立的导体，并且所述第二连接(40)包括在所述开关的两极的第二侧和所述设备之间的分立的导体。

19.如权利要求11到18中任一个所述的装置，其特征在于，所述安全功能是安全转矩关闭功能。

20.如权利要求11到19中任一个所述的装置，其特征在于，所述设备(20)包括频率转换器或逆变器。

21.一种包括根据权利要求11到19中任一个装置的逆变器。

22.一种包括根据权利要求11到19中任一个装置的频率转换器。