CN103050337A - 一种小体积多通道输出安全继电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小体积多通道输出安全继电器，由电源模块、主控制模块、扩展模块和输出模块组成，主要用于实现电源或机器安全输入等安全可靠关断，通过内部的强制导向继电器常开触点(NO)和常闭触点(NC)机械互锁特性，设计了双通道结构电路，在关断电源和机器安全输入时，通过内部主从模式的时序电路，可靠断开串联的冗余常开触点通道。在启动过程中，采用主从模式的时序能检测出致命性故障时，保证该电路不能在故障模式下启动，本发明安全继电器可以在保证可靠性、安全等级的前提下，提高输出通道数，降低内部强制导向继电器成本、缩小整只产品体积，便于用户安装使用。

Description

一种小体积多通道输出安全继电器

技术领域

本发明涉及一种用于机械安全领域的安全继电器，尤其涉及一种小体积多通道输出安全继电器，适用于实现电源或机械安全输入等安全关断及确认。

背景技术

继电器触点在长时间、大电流情况下工作，容易发生触点粘接，导致不能可靠切断负载，从而引发危险。安全继电器是由数个强制导向继电器与逻辑电路组合而成，具有输出触点串联冗余和触点粘接自检功能，发生任意故障时(包括触点粘接)，首先通过电源或机械安全装置进行断开输入确认，可靠强制断开负载(因为输出通道由不同内部强制导向继电器触点串联冗余组成)，其次对故障进行检测判断，在故障排除之前，安全继电器一直处于强制断开状态，确保可靠安全。

现有安全继电器为了满足多通道输出，内部继电器采用大体积多触点强制导向继电器，这使得产品体积大、成本高、安装不便。本发明采用多只小体积、少触点强制导向继电器，通过主从扩展级联方式，达到小体积多通道输出，同时不降低安全等级，满足功能安全需求，替代现有大体积安全继电器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种小体积多通道输出安全继电器，可以在保证可靠性、安全等级的前提下，提高输出通道数，降低内部强制导向继电器成本、缩小整只产品体积，便于用户安装使用。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种小体积多通道输出安全继电器，包括电源模块、主控制模块、扩展模块和输出模块，其中：

电源模块通过外接电源供电，输出一个高电平信号U+和一个低电平信号U-；

主控制模块包括强制导向继电器K1、K2和控制强制导向继电器K1、K2开通和关断的双通道电路，每个通道由一个暂态电路和一个稳态电路构成，其中第一通道包括K1暂态和K1稳态，所述K1暂态由点动开关、K2继电器的常闭触点K21、K3继电器的常闭触点K31和K1继电器线圈串联组成，所述K1稳态由K1继电器常开触点K12、光耦输入端OP_D1、K1继电器线圈串联组成；第二通道包括K2暂态和K2稳态，所述K2暂态由电容放电回路和K2继电器线圈组成，其中电容放电回路由K1继电器常闭触点K11，K4继电器常闭触点K41，电阻R1、R2、R3、R4、R5，三极管T1、T2，光耦输出端OP_T1和电容C1组成，所述K2稳态由K2继电器线圈和K2继电器常开触点K22串联组成；

扩展模块由强制导向继电器K3、K4并联后，再与K1继电器的常开触点K13和K2继电器的常开触点K23串联组成，并与主控制模块通过K3继电器的常闭触点K31、K4继电器的常闭触点K41构成反馈级联结构；

输出模块由主控模块中的强制导向继电器K1、K2和扩展模块中的强制导向继电器K3、K4的机械互锁常开触点或常闭触点串联冗余组成。

在上述小体积多通道输出安全继电器中，电容放电回路由K1继电器常闭触点K11，K4继电器常闭触点K41，电阻R1、R2、R3、R4、R5，三极管T1、T2，光耦输出端OP_T1和电容C1组成，当K1继电器线圈得电后，K1继电器常闭触点K11断开，光耦输出端OP_T1导通，电阻R2被短路，晶体管T1集电极和发射极截止断开，电容C1通过R3、R4和R5进行放电，R5偏置电压使得三极管T2集电极和发射极饱和导通，K2继电器线圈通过三极管T2集电极和发射极导通得电。

在上述小体积多通道输出安全继电器中，输出模块包括安全通道6NO和辅助通道4NC。

在上述小体积多通道输出安全继电器中，安全继电器的工作时序由两个暂态过程和三个稳态状态构成，即：K1暂态——K1稳态——K2暂态——K2稳态——K3和K4稳态。

在上述小体积多通道输出安全继电器中，K1暂态为：未闭合点动开关，机械安全装置E-stop急停按钮触点双通道都闭合，强制导向继电器K1、K2、K3和K4线圈均未得电，强制导向继电器K1、K2、K3和K4所有常开触点断开、所有常闭触点吸合，安全继电器通过闭合点动开关，K1继电器线圈得电，进入K1暂态。

在上述小体积多通道输出安全继电器中，K1稳态为：进入K1暂态后，K1继电器的常闭触点K11断开，常开触点K12和K13闭合，K1继电器线圈通过常开触点K12得电自保持，K1稳态建立；同时，光耦输入端OP_D1导通，对应光耦输出端OP_T1导通。

在上述小体积多通道输出安全继电器中，K2暂态为：K1稳态后，K1继电器常闭触点K11断开，光耦输出端OP_T1导通，电阻R2被短路，晶体管T1集电极和发射极截止断开，电容C1通过电阻R3、R4和R5进行放电，电阻R5偏置电压使得三极管T2集电极和发射极饱和导通，K2继电器线圈通过三极管T2集电极和发射极导通得电回路建立，K2暂态建立。

在上述小体积多通道输出安全继电器中，K2稳态为：进入K2暂态后，K2继电器常闭触点K21断开，常开触点K22和K23闭合，K2继电器线圈通过常开触点K22自保持，K2稳态建立。

在上述小体积多通道输出安全继电器中，K3和K4稳态为：K1和K2都进入稳态后，K1继电器的常开触点K13闭合，K2继电器常开触点K23闭合，K3和K4继电器线圈通过常开触点K13和常开触点K23串联闭合得电，K3和K4稳态建立。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明安全继电器采用四只小体积K1、K2、K3和K4内部强制导向继电器，通过主从扩展级联方式，达到小体积多通道输出，同时不降低安全等级，满足功能安全需求；

(2)、本发明内部的继电器元件为具有强制导向功能的继电器，强制导向继电器触点具有机械互锁性，继电器线圈加电，所有常开触点同时吸合，所有常闭触点同时断开，该结构确保了在一个稳定状态下，常开触点和常闭触点通断状态互异，故安全等级和可靠性与主控制模块一致，本发明满足了以纯硬件方案(没有可编程器件)设计复杂逻辑运算的要求，从而也保证系统模块的可靠性；

(3)、本发明安全继电器是由数个强制继电器与逻辑电路组合而成，具有触点粘接自检和强制断开保护功能，任何单一故障不会造成功能安全丧失，故障发生时，安全继电器能自动有规则的动作，使产品最终导向安全；

(4)、本发明安全继电器的主控制模块采用双通道电路结构，启动模式为主从时序模式，保证了每个通道都能完成安全功能；

(5)、本发明安全继电器可以在保证可靠性、安全等级的前提下，提高输出通道数，通道数达到安全通道6NO和辅助通道4NC，实现通道数足够多，体积足够小，输出足够多，同时降低内部强制导向继电器成本、缩小整只产品体积，便于用户安装使用。

附图说明

图1为本发明安全继电器电路结构框图；

图2为本发明安全继电器的工作时序示意图；

图3为本发明工作时序中K1暂态示意图；

图4为本发明工作时序中K1稳态示意图；

图5为本发明工作时序中K2暂态示意图；

图6为本发明工作时序中K2稳态示意图；

图7为本发明工作时序中K3和K4稳态示意图；

图8为本发明的安全继电器正常工作输出通道状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明安全继电器电路结构框图，本发明安全继电器模块包括电源模块、主控制模块、扩展模块和输出模块。其中电源模块通过外接电源供电，输出一个高电平信号U+和一个低电平信号U-，电源模块具备过流保护、过压保护和输出短路保护功能。

主控制模块由双通道电路控制强制导向继电器K1和K2继电器开通和关断。每个通道由一个暂态电路和一个稳态电路构成。第一通道包括K1暂态和K1稳态。K1暂态由点动开关start/reset开关，K2继电器的常闭触点K21，K3继电器的常闭触点K31和K1继电器线圈串联组成；K1稳态由K1继电器常闭触点K12，光耦输入端OP_D1和K1继电器线圈串联组成。

第二通道包括K2暂态和K2稳态。K2暂态由电容放电回路和K2继电器线圈组成，其中电容放电回路由K1继电器常闭触点K11，K4继电器常闭触点K41，电阻R1、R2、R3、R4、R5，三极管T1、T2，光耦输出端OP_T1和电容C1组成，当K1继电器线圈得电后，常闭触点K11断开，光耦输出端OP_T1导通，电阻R2被短路，晶体管T1集电极和发射极截止断开，电容C1对R3、R4和R5串联回路进行放电，R5偏置电压使得三极管T2集电极和发射极饱和导通，K2继电器线圈通过与三极管T2集电极和发射极串联导通得电。K2稳态由K2继电器线圈和K2继电器常开触点K22串联组成。

K1和K2继电器为强制导向继电器，由线圈和常开触点、常闭触点构成；触点间采用机械联锁结构，常开触点和常闭触点同时动作——该结构确保了在一个稳定状态下，常开触点和常闭触点通断状态互异。

扩展模块由K3、K4继电器线圈并联后，再与K1继电器的常开触点K13和K2继电器的常开触点K23串联组成。扩展模块通过K1继电器的常开触点K13、K2继电器的常开触点K23与主控制模块通过K3继电器的常闭触点K31、K4继电器的常闭触点K41构成反馈级联结构，故安全等级和可靠性与主控制模块一致。K3和K4继电器为强制导向继电器，由线圈和常开触点、常闭触点构成；触点间采用机械联锁结构，常开触点和常闭触点同时动作——该结构确保了在一个稳定状态下，常开触点和常闭触点通断状态互异。

输出模块由主控模块的强制导向继电器K1、K2和扩展模块的强制导向继电器K3、K4的机械互锁常开触点或常闭触点串联冗余组成，包括安全通道6NO和辅助通道4NC，其通道数足够多，最小的体积，最多的输出。

如图2所示为本发明安全继电器的工作时序示意图，整个安全继电器模块工作时序如图2所示，由两个暂态过程和三个稳态状态构成：K1暂态——K1稳态——K2暂态——K2稳态——K3和K4稳态。

其中K11是K1继电器的常闭触点，K12和K13是K1继电器的常开触点；K21是K2继电器的常闭触点，K22和K23是K2继电器的常开触点；K31是K3继电器的常闭触点，K41是K4继电器的常闭触点。

如图3所示为本发明工作时序中K1暂态示意图，未闭合start/reset开关时，机械安全装置E-stop急停按钮触点双通道都闭合，K1、K2、K3和K4继电器线圈均未得电，K1、K2、K3和K4继电器所有常开触点断开，所有常闭触点吸合，模块通过闭合start/reset开关，K1继电器线圈得电，进入K1暂态。回路如图3箭头所示。

如图4所示为本发明工作时序中K1稳态示意图，进入K1暂态后，K1继电器所有常开触点吸合，所有常闭触点断开。K1继电器的常闭触点K11断开，常开触点K12和K13闭合，K1继电器线圈通过K12得电自保持，K1稳态建立；同时，光耦输入端OP_D1导通，对应光耦输出端OP_T1导通，回路如图4箭头所示。

如图5所示为本发明工作时序中K2暂态示意图，K1稳态后，K1继电器常闭触点K11断开，光耦输出端OP_T1导通，电阻R2被短路，晶体管T1集电极和发射极截止断开，电容C1通过R3、R4和R5进行放电，R5偏置电压使得三极管T2集电极和发射极饱和导通，K2继电器线圈通过三极管T2集电极和发射极导通得电回路建立，K2暂态建立，回路如图5箭头所示。

如图6所示为本发明工作时序中K2稳态示意图，K2暂态后，K2继电器所有常开触点吸合，所有常闭触点断开。K2继电器常闭触点K21断开，常开触点K22和K23闭合，K2继电器线圈通过K22自保持，K2稳态建立。回路如图6箭头所示。

如图7所示为本发明工作时序中K3和K4稳态示意图，K1和K2都进入稳态后，K1继电器的常开触点K13闭合，K2继电器常开触点K23闭合，K3和K4继电器线圈通过K13和K23串联闭合得电，K3和K4稳态建立，回路如图7箭头所示。

如图8所示为本发明的安全继电器正常工作输出通道状态示意图，经过以上五个过程，K1、K2、K3和K4继电器都进入稳态，即四只内部继电器所有常开触点都吸合，所有常闭触点都断开，最终实现输出模块安全通道6NO闭合和辅助通道4NC断开，整个模块输出通道建立，如图8所示。

本发明安全继电器主要用于实现电源或机器安全输入等安全可靠关断，通过内部的强制导向继电器常开触点(NO)和常闭触点(NC)机械互锁特性，设计了双通道结构电路。在关断电源和机器安全输入时，通过内部主从模式的时序电路，可靠断开串联的冗余常开触点通道。在启动过程中，采用主从模式的时序能检测出致命性故障(如常开触点粘接、电子延时开关短路或开路等情况)，保证该电路不能在故障模式下启动。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：包括电源模块、主控制模块、扩展模块和输出模块，其中：

电源模块通过外接电源供电，输出一个高电平信号U+和一个低电平信号U-；

主控制模块包括强制导向继电器K1、K2和控制强制导向继电器K1、K2开通和关断的双通道电路，每个通道由一个暂态电路和一个稳态电路构成，其中第一通道包括K1暂态和K1稳态，所述K1暂态由点动开关、K2继电器的常闭触点K21、K3继电器的常闭触点K31和K1继电器线圈串联组成，所述K1稳态由K1继电器常开触点K12、光耦输入端OP_D1、K1继电器线圈串联组成；第二通道包括K2暂态和K2稳态，所述K2暂态由电容放电回路和K2继电器线圈组成，其中电容放电回路由K1继电器常闭触点K11，K4继电器常闭触点K41，电阻R1、R2、R3、R4、R5，三极管T1、T2，光耦输出端OP_T1和电容C1组成，所述K2稳态由K2继电器线圈和K2继电器常开触点K22串联组成；

扩展模块由强制导向继电器K3、K4并联后，再与K1继电器的常开触点K13和K2继电器的常开触点K23串联组成，并与主控制模块通过K3继电器的常闭触点K31、K4继电器的常闭触点K41构成反馈级联结构；

输出模块由主控模块中的强制导向继电器K1、K2和扩展模块中的强制导向继电器K3、K4的机械互锁常开触点或常闭触点串联冗余组成。

2.根据权利要求1所述的一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：所述电容放电回路由K1继电器常闭触点K11，K4继电器常闭触点K41，电阻R1、R2、R3、R4、R5，三极管T1、T2，光耦输出端OP_T1和电容C1组成，当K1继电器线圈得电后，K1继电器常闭触点K11断开，光耦输出端OP_T1导通，电阻R2被短路，晶体管T1集电极和发射极截止断开，电容C1通过R3、R4和R5进行放电，R5偏置电压使得三极管T2集电极和发射极饱和导通，K2继电器线圈通过三极管T2集电极和发射极导通得电。

3.根据权利要求1所述的一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：所述输出模块包括安全通道6NO和辅助通道4NC。

4.根据权利要求1所述的一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：所述安全继电器的工作时序由两个暂态过程和三个稳态状态构成，即：K1暂态——K1稳态——K2暂态——K2稳态——K3和K4稳态。

5.根据权利要求4所述的一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：所述K1暂态为：未闭合点动开关，机械安全装置E-stop急停按钮触点双通道都闭合，强制导向继电器K1、K2、K3和K4线圈均未得电，强制导向继电器K1、K2、K3和K4所有常开触点断开、所有常闭触点吸合，安全继电器通过闭合点动开关，K1继电器线圈得电，进入K1暂态。

6.根据权利要求4所述的一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：所述K1稳态为：进入K1暂态后，K1继电器的常闭触点K11断开，常开触点K12和K13闭合，K1继电器线圈通过常开触点K12得电自保持，K1稳态建立；同时，光耦输入端OP_D1导通，对应光耦输出端OP_T1导通。

7.根据权利要求4所述的一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：所述K2暂态为：K1稳态后，K1继电器常闭触点K11断开，光耦输出端OP_T1导通，电阻R2被短路，晶体管T1集电极和发射极截止断开，电容C1通过电阻R3、R4和R5进行放电，电阻R5偏置电压使得三极管T2集电极和发射极饱和导通，K2继电器线圈通过三极管T2集电极和发射极导通得电回路建立，K2暂态建立。

8.根据权利要求4所述的一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：所述K2稳态为：进入K2暂态后，K2继电器常闭触点K21断开，常开触点K22和K23闭合，K2继电器线圈通过常开触点K22自保持，K2稳态建立。

9.根据权利要求4所述的一种小体积多通道输出安全继电器，其特征在于：所述K3和K4稳态为：K1和K2都进入稳态后，K1继电器的常开触点K13闭合，K2继电器常开触点K23闭合，K3和K4继电器线圈通过常开触点K13和常开触点K23串联闭合得电，K3和K4稳态建立。

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