CN102323774B - 具有光学链路的模块化安全转换装置系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有光学链路的模块化安全转换装置系统，用于以故障-安全方式来开动传动器。具体地说，本发明涉及一种转换装置系统，其中，多个转换装置串联，并且彼此进行通信，以指示所述系统的安全转换装置的状态。根据本发明，该系统包括：至少一个第一安全装置(102)；至少一个第二安全装置(104)；其中，所述第一和第二安全装置经由光学链路(106，108，112)彼此连接。该光学链路可以下述方式形成：所述至少一个第一安全装置(102)包括布置在外壳的第一开口中的光学发送器(106)，以及所述至少一个第二安全装置(104)包括布置在所述外壳的第二开口中的光学接收器(112)。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于以故障-安全(fail-safe)的方式来开动传动器的模块化安全转换装置系统。具体地说，本发明涉及一种转换装置系统，其中多个转换装置串联，并且彼此进行通信，以指示所述系统的安全转换装置的状态。
背景技术
通常，安全继电器是意欲保证在工业处理的环境中工作的人的安全的设备。安全继电器例如用于检测紧急停止开关或其他机器锁闭开关的打开，所述紧急停止开关或其他机器锁闭开关例如是守卫门的互锁开关或限位开关，该限位开关例如以光学幕墙的形式检测在预定义的危险区域中的人的存在。安全继电器和诸如上述开关的安全装置必须被设计来满足在全世界适用的安全标准中定义的严格要求。这些标准意欲实现高可靠性，具体地说，通过应用冗余、多样性和监控原理来实现该高可靠性。
安全继电器例如提供故障条件的内部检查，该故障条件例如是安全开关的卡住、焊接或阻塞的接触。此外，诸如限位开关的安全开关已经具有用于双通道安全继电器的冗余的、通常闭合的安全接触，该诸如限位开关的安全开关另外具有用于状态指示的辅助接触。
模块化安全装置系统可包括基础模块、至少一个输入模块和至少一个输出模块。这些模块被以并排的方式布置在安装轨道上。例如从EP1645922B1已知，模块通过平带电缆经由接触插座而彼此互连，可以从外部访问该接触插座。该平带电缆提供了从输入模块经由基础模块到输出模块的信号流。
首先在下面的情况中看到这种解决方案的缺陷：可从外部访问这些平带电缆，因此可能以未经授权的方式来干预这些平带电缆。此外，开放电缆易于被电磁干扰影响。最后，附接连接电缆意味着麻烦的额外的安装步骤。
在本发明的目的因此是提供一种模块化安全装置系统，可以以特别容易和低成本的方式来装配该模块化安全装置系统，另一方面，该模块化安全装置系统允许在单独的安全装置之间的通信的高安全级。
具体地说，为了链接已知安全系统200的安全装置以用于逻辑功能，必须使用已知系统经由端子和导线来如此进行，如图10中所示。例如，安全装置A配备了输出端以提供本身的安全状态。安全装置B配备了输入端，该输入端经由电缆202而连接到装置A的输出端。因此，装置B可以从装置A读取安全信息，并且可以通过解释来自装置A的信息和其本身的安全状态来控制其本身的安全输出。逻辑与/或连接是可能的。此外，主装置204可以被提供来用于单独的安全装置的诊断和配置。
发明内容
本发明基于免除电缆和导线并且取而代之提供用于在单独的安全装置之间的逻辑链路的光学部件的思想。
根据本发明，经由光学传送来实现在部件之间的所有数据传输，优点是不需要用于链路的额外的布线。
根据本发明的第一实施例，所述安全装置每一个具有外壳，并且在该外壳内，提供了小孔。在所述外壳的一侧上的所述孔后，布置了诸如红外光电晶体管的光学接收器，并且在所述壳体的相对侧上的孔后，布置了诸如红外LED(发光二极管)的光学发送机。当两个装置被安装在安装轨道上时，所述两个开口彼此对准，使得一个安全装置的发送器可以与相邻的安全装置的接收器进行通信。
所接收的光学数据在所述安全装置内被转换为电气数据，并且被集成的微处理器读取。所述微处理器与各个安全装置的本身的安全状态一起解释所述信息，并且向所述光学发送器发送电信号。所述安全装置可以被配置到与或者或连接。除了取代额外的导线之外，根据本发明的光学通信具有增强的EMC稳定性(电磁兼容)的优势。
根据本发明的有益实施例，不仅提供了在单独的安全装置之间的通信，此外提供了能够将光学数据转换为要经由通信总线协议发送的电气数据的网关。
附图说明
为了实现上述和相关的目的，在此与下面的说明和附图相结合地描述所公开的发明的特定的说明性方面。然而，这些方面指示其中可以使用在此公开的原理的各种方式的仅几个，该仅几个方式意欲包括所有这样的方面和它们的等同物。通过下面结合附图的详细描述，其他优点和新颖特征将变得显然。
图1示出根据本发明的第一安全装置的透视图；
图2示出根据本发明的第二安全装置的透视图；
图3示出当以通信方式安装时的两个安全装置的前视图；
图4示出从一个安全装置向另一个发送的光信号的示例；
图5示出可以在光学总线系统中实现的安全装置的示意表示；
图6示出经由光学链路互连并且经由网关与另一条总线进行通信的安全装置的模块化系统的示意表示；
图7示出图6的网关的透视图；
图8示出两个通信安全装置的框图；
图9示出自动地址分配过程的流程图；
图10示出包括平坦电缆互连的已知模块化安全系统的透视图。
具体实施方式
现在参考附图来描述本发明，在附图中，在各处，相似的附图标记用于指示相似的元件。在下面的描述中，为了解释，给出了许多具体细节，以便彻底地理解。然而显然，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他情况下，以框图的形式示出了公知的结构和装置，以便便利其描述。
在本申请中使用的术语“部件”、“系统”、“设备”、“接口”和/或“网络”等意欲指示计算机相关的实体，该计算机相关实体是硬件、硬件和软件的组合、软件或在执行中的软件。例如，部件可以是但是不限于在处理器上运行的进程或处理器、硬盘驱动器、(光学和/或磁存储介质的)多种存储驱动器、对象、可执行量、执行线程、程序和/或计算机、工业控制器、继电器、传感器和/或可变频率驱动器。通过例示，在服务器上运行的应用和服务器可以是部件。一个或多个部件可以驻留在进程和/或执行的线程内，并且部件可以本地化到一个计算机上和/或分布在两个或更多个的计算机之间。
除了上述情况，还应当明白，可以使用通常的编程和/或工程技术来将所要求保护的主题实现为方法、设备或制造品，以产生软件、固件、硬件或其任何适当的组合来控制诸如可变频率驱动器和控制器的计算装置，以便实现所公开的主题。在此使用的术语“制造品”意欲涵盖从任何适当的计算机可读装置、介质或由这样的介质/装置产生的载体可访问的计算机程序。例如，计算机可读介质可以包括但是不限于磁存储装置(例如，硬盘、软盘、磁条...)、光盘(例如，致密盘(CD)、数字通用盘(DVD)...)、智能卡和快闪存储器装置(例如，卡、棒、密钥驱动器...)。另外，应当明白，由发送器产生的载波可以用于承载计算机可读电子数据，诸如在发送和接收电子邮件或在访问诸如因特网或局域网(LAN)的网络中使用的那些。当然，本领域技术人员将认识到，在不偏离所要求保护的主题的范围或精神的情况下，可以对于该配置进行多种修改。
此外，在此使用词“示例性”来表示作为示例、实例或例示。在此描述为“示例性”的任何方面或设计不必然被解释为相对于其他方面或设计是优选的或有利的。而是，词示例性的使用意欲以具体的方式来提供概念。在本申请中使用的词“或”意欲表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。即，除非另外指定，或从上下文清楚，“X使用A或者B”意欲表示自然包含性排列的任何一种。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B，则前述情况的任何一种下满足“X使用A或者B”。另外，在本申请和所附的权利要求中使用的冠词“一”应当一般被解释为表示“一个或更多个”，除非另外指定或者从上下文清楚其涉及单数形式。
此外，在此使用的“推断”一般指的是从经由事件和/或数据捕获的一组观察来推理或推断系统、环境和/或用户的状态的处理。可以使用推断来识别特定的上下文或行为，或可以产生例如在状态上的概率分布。推断可以是概率性的，即，基于数据和事件的考虑的在感兴趣的状态上的概率分布的计算。推断也可以指的是用于从一组事件和/或数据构成高级事件的技术。这样的推断导致从一组观察的事件和/或存储的事件数据构造新的事件或行为，而不论所述事件是否在近时间接近上相关和所述事件和数据是否来自一个或若干个事件和数据源。
参见附图，图1描述了根据本发明的第一安全装置102。可以从图1看出，安全装置102在其外壳103中具有开口106，通过该开口，可以发射光学信号108。光学信号108可以例如是脉冲红外辐射。为了与第二安全装置102进行通信，第一安全装置102被安装在安装轨道110上，该安装轨道110可以例如是所谓的大礼帽轨道或DIN轨道。第二安全装置104在安装轨道110处接近第一安全装置102地被安装，如图2中所示。安全装置104具有对应的开口112，用于从第一安全装置102接收光学信号108。
如图3中所示，优选的是，安全装置102和104以它们彼此接触的方式被安装在安装轨道110上，使得没有散射的环境光会干扰从一个安全装置向另一个发送的光学信号108。优选的是，开口106和112被布置得彼此对准。
图4示出光学信号108的脉冲序列的可能采样。如在下面的表1中所示，可以根据与或者或连接来配置安全装置。
表1：
| 逻辑 | 光学输入 | 安全输入 | 安全输出 | 光学输出 |
| 与 | 假 | 假 | 断 | 断 |
| 与 | 假 | 真 | 断 | 断 |
| 与 | 真 | 假 | 断 | 断 |
| 与 | 真 | 真 | 通 | 通 |
| 或 | 假 | 假 | 断 | 断 |
| 或 | 假 | 真 | 通 | 通 |
| 或 | 真 | 假 | 通 | 通 |
| 或 | 真 | 真 | 通 | 通 |
光学串行传输信号可以具有下面的状态：光持续接通、光持续关断或脉冲光模式，该脉冲光模式例如是短通、短断、短通、短断、长通、长断，并且从开始重复这个模式。在图4中示出这个信号脉冲序列。
接收装置104将这些状态解释为下面的结果：
光持续接通：来自发送装置的安全状态是断
光持续关断：来自发送装置的安全状态是断
在图4中所示的光模式：来自发送装置的安全状态是通
通过使用这样的光图案，光的静态从不进入危险情况，因此，可以满足这样的数据传输的安全要求。
当然，可以按照图3来装配任何数量的装置102、104，其中，安全装置的状态被单向地发送。此外，必须配置该装置，而不论是否必须解释与或者或连接。
根据本发明的另一个实施例，可以不仅实现单向还实现双向，例如能够实现多个安全装置的环形通信。
如图5中示意地所示，每一个安全装置100可以在外壳103的每一个侧壁处被配备两个开口，用于发送和接收用于指示相应的安全装置100的安全状态的光学信号。如图6中所示，具有双向光学链路的多个这样的安全装置100可以被结合以形成模块化安全装置系统114。光发射装置106可以是红外发光二极管LED，并且光接收装置112可以是对于红外辐射敏感的光电晶体管。除了红外辐射之外的其他光学波长当然也是可用的，并且可以使用不同的接收器原理，诸如光电二极管或光敏电阻。此外，取代发光二极管，也可以使用激光二极管。
根据本发明，在模块化安全装置系统内的光学数据传输用于安全装置100的诊断和配置。为了这个目的，提供了网关116，用于将来自总线或PC或其他控制单元的数据转换为光学信号。
网关116作为在安全装置系统114中的主机，并且控制通信。对于该通信，例如可以使用所谓的MODBUS协议。
MODBUS是用于可编程逻辑控制器(PLC)的串行通信协议，具体地说，它用于在电子装置之间通过串行线路来传输信息。请求信息的装置被称为MODBUS主机，并且提供信息的装置是MODBUS从机。在标准的MODBUS网络中，有一个主机和多达247个从机，每一个从机具有从1至247的唯一从地址。主机也可以向从机写入信息。
MODBUS是开放协议；因此，它通过成为连接工业电子装置的最常用的可用手段而已经变为在工业中的标准通信协议。可以在www.modbus-ida.org找到官方的MODBUS规范。然而，其他总线协议当然也适用于本发明。
网关116向安装系统114的构件100发送查询，被查询的装置使用诊断数据来回复。另一方面，主机或网关116也可以向构件100发送配置数据。在该情况下，装置以数据的确认来向其回复。对于那种通信，系统的每一个构件100需要具有唯一的地址。这个地址可以或被硬件开关设置，或可以自动地被给出，如参考图9下述。
图7示出在外壳103的侧壁中具有相应的光学发送器和接收器的网关116的透视图。在网关116之前设置了要连接到另一条光学总线115的电子连接器117，以便操作员可访问。然而，例如经由蓝牙的无线连接也是可能的。
图8示出根据本发明的安全装置100的框图。可以从图8中得出，安全输出118与两个微控制器120和122进行通信。微控制器A仅从微控制器B122和安全输出接收数据。另一方面，微控制器B负责将光信号转换为电信号，反之亦然。此外，输入移位寄存器124从安全输入接收信号，并且经由例如串行外部接口SPI总线来传输该信号。从输出移位寄存器126，启动在外壳处设置并且可被用户看到的状态指示LED以及微控制器B122。微控制器B处理来自输出移位寄存器126的信息，并且向安全输出118提供必要的信息。
高度冗余的架构大大地增强了根据本发明的模块化安全装置系统的安全性。
表2至5汇总了使用简化的MODBUS协议来进行通信的通信代码的示例。如果代表总线系统的构件的安全装置100接收到不是去往它的数据，则装置100将那些数据没有任何改变地转发到在线路内的下一个装置。
表2：
| 代码 | 名称 | 含义 |
| 0x01 | 非法功能 | 功能代码不被装置支持 |
| 0x02 | 非法数据地址 | 在查询中的数据地址对于装置不是允许的 |
| 0x03 | 非法数据值 | 在查询中的数据值不是有效的 |
表3：
| 代码 | 名称 | 含义 |
| 0x03 | 读取多个寄存器 | 读取寄存器序列的内容 |
| 0x06 | 写入单个寄存器 | 向单个寄存器写入值 |
表4：
查询
| 字段名 | 示例 |
| 从地址 | 0x01 |
| 功能代码 | 0x03 |
| 起始地址(高字节) | 0x00 |
| 起始地址(低字节) | 0x02 |
| 寄存器的数量(高字节) | 0x00 |
| 寄存器的数量(低字节) | 0x02 |
| CRC(高字节) | 0x65 |
| CRC(低字节) | 0xCB |
响应
| 字段名 | 示例 |
| 从地址 | 0x01 |
| 功能代码 | 0x03 |
| 字节计数 | 0x04 |
| 数据(高字节) | 0x1F |
| 数据(低字节) | 0x70 |
| 日期(高字节) | 0xC0 |
| 日期(低字节) | 0x94 |
| CRC(高字节) | 0xAD |
| CRC(低字节) | 0xFF |
错误响应
| 字段名 | 示例 |
| 从地址 | 0x01 |
| 功能代码 | 0x83 |
| 例外代码 | (参见支持的例外代码) |
| CRC(高字节) | 0x... |
| CRC(低字节) | 0x... |
表5：
查询
| 字段名 | 示例 |
| 从地址 | 0x01 |
| 功能代码 | 0x06 |
| 起始地址(高字节) | 0x00 |
| 起始地址(低字节) | 0x03 |
| 数据(高字节) | 0x00 |
| 数据(低字节) | 0x02 |
| CRC(高字节) | 0xF8 |
| CRC(低字节) | 0x0B |
响应
| 字段名 | 示例 |
| 从地址 | 0x01 |
| 功能代码 | 0x03 |
| 起始地址(高字节) | 0x00 |
| 起始地址(低字节) | 0x03 |
| 数据(高字节) | 0x00 |
| 数据(低字节) | 0x02 |
| CRC(高字节) | 0x34 |
| CRC(低字节) | 0x0B |
错误响应
| 字段名 | 示例 |
| 从地址 | 0x01 |
| 功能代码 | 0x86 |
| 例外代码 | (参见支持的例外代码) |
| CRC(高字节) | 0x... |
| CRC(低字节) | 0x... |
图9示出在加电期间分配单独安全装置100的地址的示例性流程图。在第一步骤中，安全装置向右手侧上的模块发送请求。在下一个步骤中，每一个装置查看从左手侧接收到什么信号。如果没有信号来自左手侧，则相应的模块/模型一定是在行中的第一装置，因此设置用于指示它是第一装置的比特。这个第一装置向相邻的安全装置发送用于指示它是第一装置的信号，并且将其地址设置为0x01。
在该情况下，第一装置已经找到其地址。或者，如果相应的安全装置从左面的模块接收消息，则它设置用于“中间装置”的比特，并且进行查看它是否从左面的模块接收到地址。如果否定，则已经出现错误，并且，过程必须再一次开始，或必须输出警告。如果肯定，则从机选择比向左手模块分配的地址高一个整数的地址，并且向右手侧装置通知这个地址。如果所有的中间装置和第一装置已经分配了它们的地址，则图9的地址寻找处理结束。
通过以上的描述可以看出，根据本发明的实施例，提供了如下的方案：
附记1.模块化安全转换装置系统，用于以故障-安全方式来开动传动器，所述系统包括：
至少一个第一安全装置(102)；
至少一个第二安全装置(104)；
其中，所述第一和第二安全装置经由光学链路(106，108，112)彼此连接。
附记2.根据附记1所述的系统，其中，每一个安全装置具有外壳(103)，以及其中，所述至少一个第一安全装置(102)包括布置在所述外壳的第一开口中的光学发送器(106)，以及其中，所述至少一个第二安全装置(104)包括布置在所述外壳的第二开口中的光学接收器(112)。
附记3.根据附记2所述的系统，其中，所述光学接收器(112)包括红外光电晶体管或光电二极管，以及其中，所述光学发送器(106)包括红外发光二极管LED。
附记4.根据前述附记的任何一项所述的系统，其中，所述安全装置(102，104)被布置在安装轨道(110)上。
附记5.根据前述附记的任何一项所述的系统，还包括多个安全发送器，每个安全发送器用于产生安全转换事件；其中，所述第一和第二安全装置(102，104)包括：
多个输入模块，用于故障-安全地评估所述安全转换事件，以及用于产生输出信号；
多个输出模块，用于响应于所述输出信号而故障-安全地开动传动器；以及
控制模块，用于控制所述输入模块和输出模块。
附记6.根据前述附记的任何一项所述的系统，还包括网关模块(116)，用于将所述光学链接的安全装置(100，102，104)与非光学总线连接。
附记7.根据前述附记的任何一项所述的系统，其中，所述安全装置(100)以下述方式来串行耦合，以便形成环形数据传输系统：光学信号在一个方向上被从第一安全装置通过所有的安全装置向最后的安全装置传送，以及又从所述最后的安全装置向所述第一安全装置传送回去。
附记8.根据附记7所述的系统，其中，每一个安全装置包括用于将所接收的光学信号转换为电信号的部件，以及还包括用于将电信号转换为光学输出信号的部件。
附记9.根据附记8所述的系统，其中，每一个安全装置包括至少一个微处理器(120，122)，用于将所述光学数据转换为电数据，以及用于与各个安全装置的安全状态一起地处理这些数据，以及用于产生要经由所述光学链路输出的电信号。
附记10.根据前述附记的任何一项所述的系统，其中，所述安全装置(100)可操作地在加电过程期间自动地设置它们的地址。
附记11.根据附记1至9之一所述的系统，其中，所述安全装置(100)包括用于设置它们的地址的硬件部件。
附记12.根据附记5至11之一所述的系统，所述安全装置(100)包括：
第一微处理器(120)，其与安全输入耦合，用于从所述安全发送器接收信号，以及产生要由至少一个安全输出(118)输出的输出信号；以及
第二微处理器(122)，用于将所述光学数据转换为电数据，以及用于与各个安全装置的安全状态一起地处理这些数据，以及用于产生要经由所述光学链路输出的电信号，其中，所述第二微处理器(122)耦合到所述第一微处理器(120)。
Claims (6)
1.一种模块化安全转换装置系统，用于以故障-安全方式来开动传动器，所述系统包括：
至少一个第一安全装置(102)；
至少一个第二安全装置(104)；
其中，所述第一和第二安全装置经由双向发送光学信号的光学链路(106，108，112)彼此连接；
其中所述至少一个第一安全装置和至少一个第二安全装置中的每一个安全装置包括：
用于从安全发送器接收信号的安全输入；
用于输出用于以故障-安全方式开动传动器的输出信号的至少一个安全输出(118)；
第一微处理器(120)，其与所述安全输入耦合并与所述至少一个安全输出(118)耦合，用于产生所述输出信号；以及
第二微处理器(122)，用于将接收的光学数据转换为电数据，以及用于与各个安全装置的安全状态一起地处理所述电数据，以及用于产生要经由所述光学链路输出的电信号，其中，所述第二微处理器(122)耦合到所述至少一个安全输出(118)和所述第一微处理器(120)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，每一个安全装置具有外壳(103)，以及其中，所述至少一个第一安全装置(102)包括布置在所述外壳的第一开口中的光学发送器(106)，以及其中，所述至少一个第二安全装置(104)包括布置在所述外壳的第二开口中的光学接收器(112)。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述安全装置(102，104)被布置在安装轨道(110)上。
4.根据权利要求1或2所述的系统，还包括网关模块(116)，用于将所述光学链接的安全装置(100，102，104)与非光学总线连接。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述安全装置(100)以下述方式来串行耦合，以便形成环形数据传输系统：光学信号在一个方向上被从第一安全装置通过所有的安全装置向最后的安全装置传送，以及又从所述最后的安全装置向所述第一安全装置传送回去。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述安全装置(100)包括用于设置它们的地址的硬件部件。
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