CN102674184A - 用于安全运行设备的配置结构、模块及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于安全运行起升机构的模块，其中，设有用于接收和采集传感器信号的单元，设有用于存储设定的预期值的单元，设有用于分析所述传感器信号的单元，设有用于输出响应信号——尤其是电输出——的单元。

Description

用于安全运行设备的配置结构、模块及方法

本申请是中国专利申请200880019956.9的分案申请，原申请的申请日是2008年6月3日，优先权日是2007年6月11日，发明名称是“用于安全运行设备的配置结构、模块及方法”。

技术领域

本发明涉及用于安全运行设备的配置结构、模块及方法。

背景技术

在起升机构/提升装置提升负载时通常存在这样的风险：被提升的负载可能由于技术故障或者机械故障而不受控制地下降。因而对位于其下方的人员或物品造成危险。

DE 31 37 523公开了一种起升机构，其中一旦超过最大速度便停止负载的下降。为此在盘绳筒上设置了止动棘爪，一旦达到预先选择的最大速度，所述止动棘爪便由于其惯性而使滚筒停止。

所述纯机械作用的安全装置非常突然地对下降的负载进行制动并且仅能通过成本较高的措施对所发生的状况进行处理。

DE 38 38 058公开了一种电机驱动的盘绳筒的安全控制措施。在此，在驱动侧借助脉冲发生器确定驱动电机的转速，而在从动侧也通过脉冲发生器确定盘绳筒的转速。由逻辑电路比较所述两个脉冲发生器信号。如果两个脉冲发生器的信号之间出现不一致性，则控制电路触发一阻止负载不受控制地下降的制动器。

此外，所述起升机构用于电网驱动所使用的电机。未设置用于使负载平稳地到达限定位置的平缓启动或缓慢制动。

DE 90 13 918 U1公开了一种起升机构，根据（该文献的）附图1其中仅设有一单个电机35，在所述电机35失效时便不能再继续运行。根据（该文献的）附图2设有一个能量源53，其向两个并联的电机供电，检测这两个电机的相应电机电流并且由监视装置49a比较所述两个电机电流，其中，在确定差异之后激活所有电机的安全制动器。在此不检测转速。

发明内容

本发明的目的在于提高设备的安全性。

根据本发明，所述目的由具有权利要求1中所述特征的配置结构、具有权利要求10中所述特征的模块以及具有权利要求12中所述特征的方法来实现。

在用于安全运行起升机构——尤其是速度可控的起升机构——的配置结构方面，本发明的重要特征在于，由一包括调节单元的、单个的变换器向至少两个驱动装置供电；其中，每个驱动装置具有一电机、一制动器以及相应的至少一个用于检测所述驱动装置的物理状态量的传感器——尤其是角度传感器；其中，所述驱动装置的传感器的传感器信号被输入所述调节单元；其中，所述驱动装置的电机是并联的，用于检测所述变换器的输出电流的单元与所述变换器的调节单元相连接；其中，所述各驱动装置彼此机械连接成，使得在一个驱动装置失效时其它并联的驱动装置负责产生转矩；其中，第一驱动装置的传感器信号和其它驱动装置的传感器信号还被传输到一模块，该模块包含用于分析所述传感器信号以产生一输出信号的单元；其中，所述变换器包括一用于产生制动器驱控信号的单元；其中，所述输出信号和所述制动器驱控信号被输入一能被驱控的开关元件——特别是接触器——的网络，所述网络设计成，使得能接通或能切断电机的电流供给、能激活或去激活所述制动器，尤其是能使制动器被馈电或无电流地接合。其中，所述驱动装置的传感器的传感器信号被输入所述调节单元，

其优点是，可实现具有冗余的驱动系统的起升机构。由此对于起升机构而言在防止不受控制地下降方面实现了高安全性。由于冗余以及规律地测试，即使在故障情况下也能实现受控制地下降。因此可以满足高要求的安全规定。

另外的优点是，可以相互比较各驱动装置的转速、输出转矩或者其它物理状态量，由此例如实现对某些特定的故障情况的监视。在一个示例性实施的转速监视中对被共同驱动的轴的破坏/断裂进行监视。

另外的优点是，所述网络可由简单、稳健/鲁棒的开关元件——如接触器——实现。因此可在设备中设置可靠的构件。

在网络中，运行状态、如故障情况等可以借助一固定布线的逻辑门电路进行运算、进而也设计成稳健的。

尤其是通过实现对制动器和电机的独立驱控而惊人地实现了以下述方式执行制动测试的可能性。此外在本发明中较有利的是，在一个电机失效时设备仍可非常良好地继续运行，而不必执行整个设备的紧急停机。主要是在轴破坏或角度传感器失效的情况下，所述模块识别出转速差、进而执行紧急停机。在仅一个驱动装置失效时不必使设备停机。

在另一较有利的实施方式中，为进行所述的机械连接使一轴被所有的驱动装置共同驱动。其优点是，通过冗余的驱动装置改善起升机构的安全性。单个驱动装置在其功率和结构大小方面如此设计，使得在一个单个驱动装置失效时起升机构的安全性不受损害。

在另一较有利的实施方式中，对所述网络输入一上级控制器的电机驱控信号和制动器驱控信号。其优点是，可在网络中对这种独立的层次/级别（Instanz）的缺省值进行运算。

在另一较有利的实施方式中，所述网络设计成，使得仅当所述模块的输出信号以及可能的一上级控制器的相应分配的电机驱控信号允许释放时才向相应的电机馈电。尤其是网络设计成，使得仅当所述模块的输出信号、所述变换器的制动器驱控信号以及可能的一上级控制器的相应分配的制动器驱控信号允许释放时才激活相应的制动器。其优点是，可实现以下的制动测试。

在另一较有利的实施方式中，所述传感器是角度传感器，该角度传感器与一轴——尤其是一电机的转子轴——相连接。其优点是，可确定每个驱动装置的角位移，因此可监测在每个单独的驱动装置的运行中的异常。所述异常尤其是轴破坏或者传动机构破坏。

在另一较有利的实施方式中，在所述设备中设有模块的用于影响起升机构运动的单元和/或可驱控变换器的开关元件，尤其是继电器、接触器等等。所述开关元件适用于中断功率供给以及向驱动装置的制动器供电。其优点是，可实现对各个元件的单独驱控。由此，可以独立地开关制动器和电机，由此可实现对各个元件的单独测试。

在另一较有利的实施方式中，在设备中设有用于使起升机构在设备内运动到不同的起升机构位置的单元。其优点是，整个起升机构可行进到不同的区域中。由此可以在第一地点提升负载而在第二地点放下负载。

在另一较有利的实施方式中，在设备中，起升机构位置或者包含在工作区域内、或者包含在安全区域内，各起升机构位置具有不同的安全性要求。在用于安全地放下负载的安全区域中禁止人员停留。其优点是，可在安全区域中对起升机构执行测试，由此可以避免对人员造成伤害。

在另一较有利的实施方式中，在设备中为人员停留而通过一安全单元来监视安全区域，该安全单元与一上级控制器和/或所述变换器相连接。其优点是，实现了对人员的保护。所述安全单元由机械的隔离物构成或者以电子的方式借助光栅、声传感器或者类似的扫描方法实现。

在另一较有利的实施方式中，在设备中设有用于显示设备安全性的单元。其优点是，涉及设备安全性的当前状态可被人直接感知。

在另一较有利的实施方式中，提供一种用于安全运行起升机构的模块，其中设有用于接收和采集电机传感器信号的单元、用于存储设定的预期值/设定的理论值（Sollwertvorgabe）的单元、用于分析电机传感器信号的单元以及用于输出响应信号——尤其是电输出——的单元。

其优点是，所述模块负责对起升机构功能的完全监视。对于监视所需的输入和输出可集成在所述模块中。模块包括一用于存储对于监视所需的边界条件的存储器以及用于处理输入数据的处理器。由于包含这些单元，所述模块独立于其余的设备元件，由此减低了设备中出现的干扰对模块的影响。

在另一较有利的实施方式中，模块具有用于分析的单元、尤其是用于比较至少两个传感器信号的单元。其优点是，在模块中可相互比较传感器的信号。

在另一较有利的实施方式中，在模块中设有用于接收和采集其它传感器信号——尤其是来自终端开关的信号——的单元。其优点是，除了来自于驱动装置的传感器的传感器信号外，还可采集到对安全性极重要的其它输入数据。

在另一较有利的实施方式中，在模块中设有用于与设备部件——尤其是与一上级控制器——进行通信的单元。其优点是，模块将涉及设备安全性的异常直接传输给上级控制器。

在用于安全地运行具有安全装置的设备的方法中，重要的特征在于对驱动装置执行制动测试，其中所述设备包括多个（相互）机械连接的驱动装置，所述驱动装置分别包括制动器和角度传感器，所述制动测试包括以下步骤：

在第一步骤中，除至少一个待检测的制动器外，使所述连接的驱动装置的所有制动器形成气隙，

在第二步骤中，启动所述连接的驱动装置，

在第三步骤中，比较驱动装置的轴的角位移，尤其是比较所述角位移与预期值的一致性。

其优点是，可对起升机构的制动器进行检测，从而提高安全性。

在另一较有利的实施方式中，可通过一显示单元来显示所述设备的当前状态。其优点是，可显示在设备的附近空间中涉及设备安全性的状态。

在另一较有利的实施方式中，将所述设备的当前状态传输到一上级控制器。其优点是，设备控制器可对测试结果做出响应。由此可减少的后续问题。

在另一较有利的实施方式中，在传感器信号不一致的情况下，将起升机构引至一在安全区域中——尤其是在将受威胁的人员隔离的区域中——的位置。其优点是，可在所述安全区域中放下起升机构上的负载，而不对人员构成威胁。在所述区域中随后对起升机构的不再安全的元件进行维修。

在另一较有利的实施方式中，对相连接的各驱动装置的制动器依次地执行所述制动测试。其优点是，可对所有的制动器进行检测。同样可对制动器的组合进行检测，这些组合形成起升机构的不同安全等级。

在另一较有利的实施方式中，所述上级控制器发送一行驶命令以使所述连接的驱动装置运动到一安全位置；所述上级控制器触发所述制动测试；由所述变换器执行所述制动测试。其优点是，上级控制器预先给定制动测试的时刻。通过变换器的在实际上进行（制动测试）与上级控制器无关。制动测试的分析既与上级控制器无关也与变换器无关，因为所述分析仅在模块中进行。因此可实现对制动器的独立检测。

其它的优点由从属权利要求得出。

附图标记列表

1驱动电机

2制动器

3电机传感器

4变频器/变换器

5制动电阻（Bremswiderstand）

6监视模块

7接触器

8制动驱控器

9制动驱控器

10继电器

11限位开关（Begrenzungsschalter）

12控制器

13安全线路

14供电线路

15低压电源

16控制线路

17通信线路

18电机传感器线路

20起升机构位置

21工作区域

22安全区域

23起升机构

24负载

31接触器

32接触器

附图说明

现在根据附图详细说明本发明：

图1示出根据本发明的用于安全运行起升机构的装置。

图2示出起升机构运动的不同区域。

图3示出根据本发明的装置的另一实施方式。

具体实施方式

图1示出对于起升机构的安全运行必需的部件。两个驱动电机1均驱动一个轴，在所述轴上设有例如一盘绳筒。为此两个电机被安装在轴的两端部上，其中，构造形式和传动类型取决于相应的空间要求。为清楚起见，两个驱动电机的连接结构未在附图中示出。

在其它根据本发明的实施例中，为使起升机构以根据本发明的方式运行也可能（利用）这样的构造变型：在所述构造变型中两个驱动电机1被直接地依次安装在包含盘绳筒的轴的一侧上。

两个驱动电机1分别配设有一制动器2。所述制动器在正常运行中用作停机制动器。尤其是当驱动电机1处于或应当处于静止状态时激活所述停机制动器。

驱动电机1以及与其相连接的制动器2设计成形成一冗余的系统。每个驱动电机-制动器单元都设计成，使其能够在制动器接合/起作用（einfallen）时与其它驱动电机-制动器单元无关地将起升机构连同当前负载一起保持在（当前）高度位置上。

分别安装在驱动电机1上的电机传感器3例如是绝对值传感器，所述绝对值传感器可以以高分辨率确定转数以及转子位置。

驱动电机1并行地由一个公共的变频器4馈电。在另一个根据本发明的实施例中，变频器4配设有制动电阻5。在正常运行中，在负载下降时产生的制动功率可被输入制动电阻5。

借助至少一个驱动电机的电机传感器3的信号进行对驱动电机1的调节，所述信号通过电机传感器线路18传输到变频器4。

在变频器4和驱动电机1之间还分别连接有接触器7，所述接触器7能够单独地切断各驱动电机1。

供电线路14用于变频器4和制动器2的电网馈电。设有低压电源15用以向控制电子装置和开关电子装置供电。

通过控制器12对起升机构进行控制，所述控制器12通过通信线路17与变频器14连接。

两个驱动电机1连同制动器2和相应的变频器4在功率和构造大小方面设计成，使得仅驱动电机1与其相应的制动器2便足以运行起升机构。冗余性是安全运行起升机构的重要特征。变频器4设计成使得通过所述变频器4可至少向两个驱动电机馈电。

为了提高安全性，以规则的间隔对驱动电机1的制动器2的功能进行检测。所使用的制动器2是一种弹簧压力制动器，其在无电流状态下接合。在接通驱动电机1时，制动器2中电磁体被通电，使制动器2形成气隙。为了对制动器2进行功能测试，在驱动电机1被通电的情况下交替地使制动器2接合，为此通过继电器10接通制动驱控器9。控制器12负责功能测试的协调，所述控制器12通过控制线路16与所述继电器10连接。仅当确保所有制动器2的功能时才使起升机构开始运行。

监视模块6用于监视连续运行中的起升机构。所述监视模块在输入侧/感知侧（sensorseitig）通过安全线路13与反映起升机构的终端位置的限位开关11连接，与确定驱动电机1的绝对位置和转速的电机传感器3连接，与通过信号线路16传达边界条件的控制器12连接。在执行器一侧，监视模块通过安全线路13与接触器7和中央制动驱控器8连接。

利用两个电机传感器3、即角位移传感器检测两个驱动电机1各自的角位移，由此求得相应的转速。两个电机传感器3中的一个通过电机传感器线路18与变频器14连接，以便提供调节驱动装置所需的反馈信号。电机传感器信号由变频器4传输到监视模块6以进行其它分析。另一个电机传感器3通过电机传感器线路18直接与监视模块6连接。

在监视模块6中将两个电机传感器3的模拟信号相互比较，从而能够在偏离设定的预期值时对系统进行干预。

在正常运行中，起升机构可以在一上终端位置与一下终端位置之间运动，该上终端位置通过限位开关11给出，该下终端位置由上级控制器12预给定并由电机传感器3的信号求出。

在另一个实施例中，两个终端位置、即上终端位置和下终端位置都通过限位开关11规定。

在另一个实施例中，两个终端位置都通过控制器12中的相应调节决定。在此，起升机构的位置由电动机传感器信号导出。

在正常运行中，以能提供可控驱动的完整功能性进行负载的提升。因此能够出现不同的速度斜率以及主要是加速度斜率或减速度斜率。在制动时释放的能量通过制动电阻导出或者替代地反馈回电网中。

为了正常运行，以确定的时间间隔检测两个制动器2的功能。为此，在连续运行中由控制器12相继地接通两个继电器10，从而使得制动器2在无电流的情况下接合。在制动器2接合时，将电机传感器3的信号与设定的预期值进行比较。

在制动器2接合时电机传感器3应得到一恒定的转子位置。如果所述转子位置对于所有被读取的电机传感器3而言都是相同的，则认为测试通过。起升机构可以在正常运行中继续工作。

在制动测试的范围内也存在这样的可能性，即判定电机传感器信号与相应的预期值之间存在偏差。所述偏差例如可能由于所测试的制动器2的制动作用的不足而引起。如果从电机传感器信号与预期值的比较中得到的偏差量大于一确定的阈值，则认为起升机构不安全并且认为测试未被通过。在这种情况下，显示装置显示警告或者报警，所述报警可通过通信装置传输给上级控制器。

图2示出可能的起升机构位置20，这些起升机构位置可对应于工作区域21或者可对应于安全区域22。

工作区域21是当制动测试成功时起升机构23连同负载24一起运动的区域。这个区域适合于人员的停留，因为确保负载不会不受控制地下降。

安全区域22通过安全装置将人员隔离。这里禁止人员停留。

如果在起升机构23中实施制动测试，则使起升机构行驶到所述安全区域22中并且实施制动测试。如果测试成功地进行，则起升机构可以继续它的工作，尤其是进入工作区域21中进行运动。对于制动测试失败的情况，则负载24被放下到安全区域中。可在这个位置上以简单、安全的方式对发生故障的制动器进行维修。随后，在一重新的制动测试之后起升机构23可再次运行。

图3示出根据本发明的装置的另一个实施例。驱动装置的布置和配置与图1的描述相同。

图3示出电机1和制动器2的连接线路，它们不直接与变频器4或者供电线路14电连接。在图中所示的接触器7、8、9、10、31、32形成一网络，该网络形成起升机构的安全电路的三个层面。

制动器2设计成在无电流状态下接合。因此必须向制动器2馈电以允许驱动装置运动。制动器2的供电由供电线路14实现，其中在此串接有接触器8、9和10。

接触器8将向制动器2馈电所需的接触器的网络与供电线路14分开。所述接触器8由监视模块6开关。如果在监视模块6中没有记录关于起升机构的错误，则接触器8转换至通路，从而能够以供电电压驱动制动器。在接触器8接通的情况下，供电电压施加在接触器9上。

为接通接触器9需要一由监视模块6提供的信号。为了将该信号传输到接触器9，必须由变频器4接通接触器32。如果接触器32接通，则监视模块6的信号被施加在接触器10上。如果接触器10被控制器12接通，则其起作用以接通接触器9，由此使制动器2打开/不接合。

以上述方式确保了仅在以下情况下才能打开制动器：

-施加供电电压，

-在监视模块6中不存在故障报告，

-变频器4可运行，

-以及控制器12指定制动器的打开。

因此该网络适合于所述运行状态的逻辑运算。

通过这种串联结构，相比现有系统显著地改进了系统的安全性。

同样根据多级方法来启动电机1。首先，必须以变频器4启动电机1，这在附图中未示出。在电机的供电线路中插入接触器7，所述接触器7通过接触器31开关。为此，必须由监视模块6对接触器31施加一以不存在任何安全问题为前提的信号，仅在这样的情况下才能由控制器12接通接触器31，从而接通接触器7而能使电机运行。

电机仅在以下情况下才能运行：

-由变频器提供供电电压，

-在监视模块6中不存在故障报告，

-控制器12为电机输出一接通信号。

因此该网络适合于所述运行状态的逻辑运算。

在本实施例中，通过独立控制各个部件的可能性还实现了可简单、快速实施的制动测试。一旦起升机构行驶到安全区域22中，便在驱动装置中接合制动器2并通过变频器4向电机1馈电。如果在电机传感器3上出现极限转矩/临界转矩时判定无角度变化，则认为制动器在所述极限转矩以下安全。

在所有包括相应制动器的驱动装置中串行地实施所述测试，其中未经测试的制动器分别是打开的。

Claims (10)

1.一种用于安全运行起升机构的模块，其中，

设有用于接收和采集传感器信号的单元，

设有用于存储设定的预期值的单元，

设有用于分析所述传感器信号的单元，

设有用于输出响应信号——尤其是电输出——的单元。

2.根据权利要求1所述的模块，

其中，所述的用于分析的单元是用于比较至少两个传感器信号的单元或包括用于比较至少两个传感器信号的单元，

和/或

设有用于接收和采集其它传感器信号——尤其是来自终端开关的信号——的单元，

和/或

设有用于与设备部件——尤其是与一上级控制器——进行通信的单元。

3.根据权利要求1或2所述的模块，其中，所述起升机构由至少两个驱动装置共同进行驱动，且其中，所述至少两个驱动装置彼此机械连接成，在一个驱动装置失效时，由其他的驱动装置负责产生转矩。

4.根据权利要求3所述的模块，其中，所述至少两个传感器分别被包含在所述至少两个驱动装置中，用于检测相应的驱动装置的物理状态量。

5.根据权利要求4所述的模块，其中，由所述传感器进行检测的所述驱动装置的物理状态量为所述驱动装置的角位移、转速或输出转矩。

6.根据权利要求1或2所述的模块，其中，所述模块被设置为独立于所述起升机构的其他设备元件。

7.根据权利要求2所述的模块，其中，所述终端开关能够反映所述起升机构的终端位置，所述终端位置为上终端位置和/或下终端位置。

8.根据权利要求3所述的模块，其中，所述至少两个驱动装置中的每一个还包括电机以及制动器，其中，所述上级控制器能够产生电机驱控信号和制动器驱控信号，分别分配给相应的电机以及相应的制动器。

9.根据权利要求8所述的模块，其中，所述至少两个驱动装置由单个的变换器通过可驱控的网络供电，所述变换器包括用于产生制动器驱控信号的单元，仅当所述模块的输出信号、所述变换器的制动器驱控信号以及所述上级控制器的相应分配的制动器驱控信号允许释放时才激活相应的制动器。

10.根据权利要求8所述的模块，其中，所述至少两个驱动装置由单个的变换器通过可驱控的网络供电，仅当所述模块的输出信号以及所述上级控制器的相应分配的电机驱控信号允许释放时才向相应的电机馈电。

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