CN102771050A - 电子安全装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子安全装置，包括用于对电消耗器进行关断和/或电流消耗限制的开关元件，其中经由远程控制接口接收用于所述开关元件的控制命令，并且其中仅当所述开关元件的热负荷位于允许的范围内时，所述开关元件才被接通或关断。此外，本发明涉及一种用于运行这样的电子安全装置的方法。由此，在电设备中取消了为远程控制的开关过程设置自己的继电器的必要性。

Description

电子安全装置

技术领域

本发明涉及一种电子安全装置，其包括用于对电消耗器进行关断和/或电流消耗限制的开关元件，以及本发明涉及一种用于运行这样的电子安全装置的方法。

背景技术

电安全装置广泛地应用于电设备内的故障情况可能导致对人和/或机器的危害的地方。尤其是在工业设备中，常见的是使用电子安全装置。在此，常常借助于一个供电装置来向多个负载分支供电。每个负载分支包括一个或多个消耗器，其中一般借助于在所述供电装置的相应输出端处的电子安全装置来保护这些负载分支中的每一个。在故障情况下，通过负载分支的电流受到限制，并且在存在持续的故障时关断所涉及的负载分支。电子安全装置的限制电流的功能在此相对于常规的安全装置提供这样的优点，即在正常运行下必要时也可以限制消耗器的接通电流。

随着越来越多地使用开关电源件作为供电装置，电子安全装置越来越普遍，其中所述开关电源件具有精确的电流限制并且用于明确地识别有故障的消耗器。馈电电压的扰动在消耗器短路的情况下得到防止，所通过的方式是借助于电安全装置主动限制短路电流。

除了保护每个负载分支以外，常常存在暂时关断各个负载分支的需求。原因例如是需要进行维护工作或者单纯是电流节约措施。但是在大多数情况下，这涉及对不同消耗器（例如电磁阀、接触器线圈、伺服电动机等）的按照运行的操控。

在电流节约措施的情况下，如果不需要相应的设备件，则关断各个负载分支。在此要注意的是，整个设备和各个设备件的运行状态总是明确定义的，以便随时确保无摩擦的起动。

根据现有技术，对于关断和接通各个负载分支使用继电器或接触器。由电容消耗器造成的高的接通电流可能损坏或破坏继电器或接触器。因此合理的是，将这样的开关继电器连接在电子安全装置之后。电子安全装置于是用作监控单元，并且以这样的方式运行，即在接通过程中限制电流冲击。在此，在电流再次下降到允许的最高极限以下之前，电子安全装置一直以线性运行方式工作。

由于该接通电流限制，可以使用规格被确定得较小的开关继电器，并且开关触头的寿命显著提高。

发明内容

本发明所基于的任务是，对从现有技术中已知的、尤其是用于在工业设备中使用的电子安全装置进行扩展。

根据本发明，该任务用根据权利要求1的方法和根据权利要求11的电子安全装置来解决。通过电子安全装置的本发明实施方式和用于运行该安全装置的本发明方法，在电设备中取消了为远程控制的开关过程设置自己的继电器的必要性。此外，多个安全通道在一个安全设备中的组合导致设备内的小的布线成本。

在此，经由远程控制接口来接收用于开关元件的控制命令，并且仅当该开关元件的热负荷位于允许的范围内时，该开关元件才被接通或关断。通过这种方式可以将电子安全装置本身用于接通和关断各个负载分支。对热负荷进行考虑，因为仅一个开关被设置用于实施远程开关命令并且必要时用于电流限制。进行开关的继电器的过高开关频率的问题得到克服。例如由于编程错误而导致的过高的开关顺序不再导致继电器触头的磨损或者电子安全装置的突然关断。

在工业设备内通常设置有中央设备控制装置。该中央设备控制装置经由远程控制接口控制电子安全装置的开关功能。仅在允许的热条件下实施开关命令的限制防止了对电子安全装置的损坏。尤其是在工业设备中，这种情形被赋予重要的意义，因为安全装置的失效可能意味着整个设备的停工。因此，在电子安全装置的许多应用领域中，巨大的价值被放到失效安全性上。

在本发明的一种扩展中，当开关命令未被转化时生成报告信号。因此，向中央设备控制装置给出反馈可能性。这防止了，由于在热上不利的情况，未被执行的远程开关命令导致设备的失灵。

另一改善规定，在每一个开关过程之后生成确认信号。该确认信号到设备控制装置的传输提高了该设备的运转安全性。尤其是在复杂的设备中，关于各个负载分支的运行状态的认识是很重要的，以便确保整个设备的协调控制。错误查找也更容易，因为借助于中央设备控制装置能自动化地执行错误确定。

当在一个开关过程之后或在多个开关过程之后预先给定锁定持续时间时—在该锁定持续时间期间不能执行另外的开关过程，得出本发明的一种简单的实施方式。锁定持续时间的长度被选择为，使得在所有可能的运行状态中，安全装置部件的允许的热负荷不被超过。作为锁定持续时间的预先给定，使用开关元件的所需的冷却持续时间加上安全时间间隔。通过这种方式确保了，进行足够的冷却并且新的开关过程不导致该开关元件的热负荷离开允许的范围。当在接通负载分支时电子安全装置的开关元件必须将其热容量的大部分用于在电流限制运行中接通消耗器或者关断具有被空转电路加负荷的大电感时，临界状态可能出现。

一种简化的实施方式规定，确定开关元件的热负荷，并且当热负荷达到临界极限时不执行开关过程。对开关过程的阻止取决于开关元件的实际的热负荷。通过简单的方式，热负荷的确定通过测量开关元件的温度来进行。

当由所计算的开关元件的开关能量损耗和/或传输损耗确定热负荷时，这样的物理测量过程是不需要的。如果电子安全装置处于线性运行中，也就是处于限制电流的运行状态中，则首先确定在该线性运行中的停留时间。除了该停留时间之外，还使用所设定的安全限制电流来大概地计算开关能量损耗。对于更准确的计算来说合理的是，附加地确定在开关元件处降落的电压。通过对所述参数中的至少一个形成积分，可以推断出电子安全装置的开关元件的热满负荷。

如果测量在开关元件处降落的电压和流经该开关元件的电流，则对开关元件的损耗的计算还更精确地进行。利用该方法检测所有在开关元件中产生的损耗，既有开关能量损耗也有在正常运行中出现的传输损耗。

有利地，依据所确定的热负荷预先给定冷却时间，在该冷却时间期间不执行开关过程。在此例如将热冷却作为数学函数保存在电子安全装置的控制装置中。弱的负荷不导致冷却时间或者导致短的冷却时间，而强的热负荷导致较长的冷却时间。

在一种特别的实施方式中，经由远程控制接口传送二进制信号。于是例如借助于简单的二进制状态来进行电子安全装置与上级的设备控制装置的通信。在此，为每个功能在电子安全装置与设备控制装置之间设置一个电缆。替代于此地可以经由电报和二进制状态进行所述通信，由此多个信号或功能可经由唯一的线路传输。尤其是在一个安全设备中存在多个安全通道的情况下，通过对电报形式的信令进行集束，显著减少了布线成本。

电报传输此外允许附加功能，即借助于上级的设备控制装置可预先给定电子安全装置的安全触发值。通过这种方式，可以从中央控制台对设备进行精调（nachtrimmen）。

本发明的电子安全装置包括控制电子装置和开关元件，其中设置用于接收用于所述开关元件的控制命令的远程控制接口，并且其中仅当开关元件的热负荷位于允许的范围内时，控制电子装置才操控所述开关元件。

在本发明的一种实现方式中，设置限时元件，借助于该限时元件设定锁定持续时间，在该锁定持续时间期间不能执行另外的开关过程。

此外有利的是，电子安全装置被设计用于确定开关元件的热负荷。因为电子安全装置一般无论如何都包括微控制器，因此有利的是，该微控制器被设置用于计算开关能量损耗。

最后有利的是，设置操作元件，借助于该操作元件能人工调用电子安全装置的至少一种功能。这尤其是对于维护工作和运转目的来说是合理的。

另一种构型规定，并排设置的电子安全装置彼此按照所谓的雏菊链方法连接。因此，每个安全装置或者多个组合成组的安全装置具有通信输入端和通信输出端。设备控制装置的信号被传输给安全装置或安全装置组并且在安全装置与安全装置之间转发。同样地，消息经由安全装置或安全装置组传输给中央设备控制装置。由此可以更换损坏的安全装置，而无需改变程序或地址。

具体实施方式

下面详细阐述本发明。

在大多数自动化设备中，对于设备控制装置及其外围设备的供电使用直流电压。许多年以来，24V直流电压的世界范围的标准被建立起来并且正在使用。该电压作为控制电压提供。在一些设备中，该控制电压也可以是230V AC电压或者任意的其他电压。AC电压的频率在此可特定于设备地设定。本发明涉及非常不同的供电系统，但尤其是涉及用于直流电压系统的安全装置，因为直流电压系统是最经常出现的。

下面首先参照24V DC配电系统。一般，在工业设备中使用由230V或400V供电电压产生24V DC控制电压的供电装置。这些供电装置可以未经调节地（大多是具有整流器的50Hz变压器）或者经调节地（大多是以脉冲方式工作的电源件）实施。

对工业设备的控制借助于中央控制装置、例如Siemens公司的SIMATIC来进行。尤其是当上级的设备控制装置与本发明的安全装置连接以接入或断开相应的负载分支时，本发明的优点显现出来。

对于开关命令的传输，可以使用已知的标准解决方案。例如，借助于自己的线路来将电安全装置的传输通道与上级的设备控制装置的数字输出端连接。传送简单的输入输出信号，或者借助于电报调用多通道电子安全装置的经定义的各个开关通道。该电子安全装置也可以经由任意的标准化的数据总线网络（例如Profinet）连接。

尤其是接入负载分支、也就是接通相应的消耗器，导致电子安全装置内的开关元件的热负荷。该负荷的大小取决于相应的消耗器的特性。当涉及具有高电容分量的消耗器时，接通电流是特别大的。在闭合开关元件时，电流仅再受到线路和接线柱的寄生电阻、供电装置的输出端电容器的内电阻以及消耗器电容器的内电阻的限制。

尤其是当消耗器具有明显高于持续运行电流的起动电流时，产生开关元件的大量负荷。在没有适当措施的情况下，这可能导致馈电的供电装置的过载并且接下来进一步导致供电电压的不允许的扰动。电安全装置因此被设计用于线性的电流限制。消耗器电流在此被限制到预先给定的最大值。在开关元件中，在这样的线性运行期间可出现大量的损耗功率。这种类型的消耗器例如是白炽灯、用于使物质加速的伺服电动机、或者DC/DC转换器，它们在输入端电容器充电期间和在输出端电容器充电期间消耗高电流。具有本身非线性的起动电流的消耗器因此导致开关元件的在时间上限制到起动过程的附加负荷。

开关元件有利地被构造为功率晶体管。一种替换方案是具有桥接的机械触头的功率电阻的分级网络。在任何情况下，该开关元件或多个开关元件必须能够无级地或者分级地限制输出端处的电流。

一般应考虑这样的消耗器，所述消耗器由于电容分量而在开关元件处引起高的接通电流或者由于电感分量而在开关元件处引起高的关断电压。如果开关元件开关这样的消耗器，则开关元件的热负荷出现，所述热负荷需要两个开关过程之间的必要的冷却时间。所述冷却时间的持续时间一方面由出现的热负荷确定并且另一方面由开关元件的规格以及冷却条件来确定。热负荷可以由开关损耗和传输损耗确定，开关元件的热负荷能力和冷却条件通过电子安全装置的构造形式和实现方式预先给定。

从必要的冷却时间中得出可以用于开关消耗器或负载分支的最大频率。

为了将开关元件的热负荷保持在允许的范围内，当设备控制装置可能过于频繁地接通和关断消耗器时，根据本发明阻止远程开关命令。尤其是在具有专用控制装置的复杂设备的情况下，假设这种情况频繁发生。此外，在设备构造中短的规划时间是规则，由此不总是能对所有负荷进行详细计算以及由此不总是能对所有开关元件进行可靠的规格确定。

在最简单的情况下，向安全装置中现有的控制电子装置（例如微控制器）预先给定开关频率的固定限制。因此，在两个换向操作之间固定的最小冷却时间必然消失。如果在相应的锁定持续时间期间接收到开关命令，则控制电子装置阻止该命令并且将这报告给上级的设备控制装置。电子安全装置在此必要时被设计为，使得所阻止的开关命令稍后在锁定时间到期之后被实施。在一些设备配置中还可以是合理的是，根本不实施所阻止的开关命令并且将这报告给上级控制装置。

另一实施方式规定，每时间单位的开关过程数目受到限制。如果遵循相应长的冷却时间，则开关过程的频繁发生被接受。在此，开关元件的热时间常数例如保存在计算算法中。热负荷以简单的方式由安全装置的开关时间和最大允许的限制电流导出。

在用于确定最大允许的开关频率的有利方法中，开关元件的温度被用作热储备的度量。这需要对开关元件的温度进行测量。如果开关元件的损耗功率借助于欧姆电阻分布，则这些电阻也必须受到热监控。作为开关元件，有利地使用具有装入的热信令的功率晶体管（例如Infineon公司的Tempfet）。在定义的极限温度下，附加地触发装入的晶闸管，由此在功率半导体外部引起分压器的可检测的变化。电子安全装置在此被设计为使得开关命令在达到极限温度时被阻止。

为了更好地确定开关元件的损耗功率，测量限制时间，在该限制时间期间开关元件在消耗器的接通或关断过程时以线性运行方式工作。假设在该线性运行期间存在消耗器电压的持续升高或降低，则从该限制时间中得出每开关过程的最大可能的损耗能量。对开关元件的热状态的确定借助于热时间常数来确定，该热时间常数是已知的或者可通过简单的尝试来确定。因此为每一个消耗器确定自己的最大开关频率并且将该最大开关频率作为极限值向控制电子装置预先给定。

另一改善通过按照以下方式确定开关元件处实际出现的损耗来得出，即随着时间测量通过开关元件的电流和施加在开关元件处的电压。由此可以几乎精确地计算出热状况并且电子安全装置的效率可以提高。在此适宜的是，在每个接通或关断过程中尽可能准确地确定损耗功率并且计入到对热状况的计算中。由此在换向操作相继立即出现的情况下利用功率件的热容量并且仅在有威胁性的过载时抑制对另外的开关命令的接收。

Claims (16)

1. 一种用于运行电子安全装置的方法，所述电子安全装置包括用于对电消耗器进行关断和/或电流消耗限制的开关元件，其特征在于，经由远程控制接口接收用于所述开关元件的控制命令，并且仅当所述开关元件的热负荷位于允许的范围内时，所述开关元件才被接通或关断。

2. 根据权利要求1的方法，其特征在于，当开关命令不被转化时生成报告信号。

3. 根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在每个开关过程之后生成确认信号。

4. 根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，在一个开关过程或者多个开关过程之后预先给出锁定持续时间，在该锁定持续时间期间不能执行另外的开关过程。

5. 根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，确定所述开关元件的热负荷，并且当该热负荷达到临界极限时不执行开关过程。

6. 根据权利要求5的方法，其特征在于，通过测量所述开关元件的温度确定所述热负荷。

7. 根据权利要求5的方法，其特征在于，由所计算的所述开关元件的开关能量损耗和/或传输损耗确定所述热负荷。

8. 根据权利要求7的方法，其特征在于，测量在所述开关元件处降落的电压和流经所述开关元件的电流，并且从这些测量值中计算出所述开关元件的损耗。

9. 根据权利要求5至8之一的方法，其特征在于，依据所确定的热负荷预先给定冷却时间，在该冷却时间期间不执行开关过程。

10. 根据权利要求1至9之一的方法，其特征在于，经由远程控制接口传送二进制信号。

11. 一种电子安全装置，包括控制电子装置和开关元件，其特征在于，设置用于接收用于所述开关元件的控制命令的远程控制接口，并且仅当所述开关元件的热负荷位于允许的范围内时，所述控制电子装置才操控所述开关元件。

12. 根据权利要求11的电子安全装置，其特征在于，设置限时元件，借助于该限时元件设定锁定持续时间，在该锁定持续时间期间不能执行另外的开关过程。

13. 根据权利要求11或12的电子安全装置，其特征在于，所述电子安全装置被设计用于确定所述开关元件的热负荷。

14. 根据权利要求13的电子安全装置，其特征在于，设置用于计算开关能量损耗的微控制器。

15. 根据权利要求11至14之一的电子安全装置，其特征在于，设置操作元件，借助该操作元件能人工调用所述电子安全装置的至少一种功能。

16. 根据权利要求11至15之一的电子安全装置，其特征在于，所述远程控制接口被设计用于连接到雏菊链通信连接，使得用于多个安全装置或来自多个安全装置的开关命令和报告能被转发。