CN110658801B - 用于以故障安全的方式提供模拟输出值的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种为针对功能安全性设计的控制过程以故障安全的方式提供模拟输出值(AWa)的方法，其中，输出值(AW)被控制单元(d)给定为数字输出值(AWd)，以及在第一步骤中借助转换装置将数字输出值(AWd)转换成模拟输出值(AWa)，在第二步骤中，在使用故障安全标准的情况下借助回读装置将模拟输出值(AWa)转换成故障安全的数字输出值(AWfd)，在第三步骤中，将原始提供的数字输出值(AWd)与所转换的故障安全的数字输出值(AWfd)进行比较，对于该比较得出偏差的情况或者可靠性标准被损害的情况，执行安全性动作，否则，借助于释放装置将模拟输出值(AWa)输出给控制过程。

Description

用于以故障安全的方式提供模拟输出值的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于为针对功能安全性设计的控制过程以故障安全的方式提供模拟输出值的方法，其中，该输出值由控制单元给定为数值输出值。
本发明还涉及一种用于为针对功能安全性设计的控制过程以故障安全的方式提供模拟输出值的系统。
背景技术
在自动化技术中，特别是在工厂自动化和过程自动化中，使用安全性相关控制(故障安全性，功能安全性)的范围近年来持续增加。
安全性相关控制的基本是安全状态的定义，这通常是关机状态或提供安全的替代值。在机器处，关机状态或提供安全的替代值保证了该机器此时处于或采取对操作员的生命和肢体没有风险的状态。
现今，在大多数情况下利用所谓的故障安全控制器(F-PLC)实现过程的安全性相关控制，其中，通过数字输入和输出组件来检测对此必要的信号或驱控相关的致动器。在数字输出组件中只能实现关或开这两种状态。
然而，在自动化技术中，常常也会发生所谓的模拟调节过程。为此目的也已知有故障安全的模拟输入组件，利用这种组件能够以故障安全的方式检测来自传感器的模拟信号。然而，现今对这些检测到的模拟值的响应同样以数字形式进行，即，通过数字输出，所以并未给出故障安全的模拟值调节。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种故障安全的模拟输出模块，利用该模拟输出模块可以实现直至IEC 61508的SIL3(安全完整性等级)的故障安全的模拟调节，其例如用于模拟致动器(如线性阀)、位置调节器或者具有0至20mA，4至20mA，0至10V，+/-10V等接口的伺服电机。
在方法方面，本发明由此实现一种用于为针对功能安全性设计的控制过程以故障安全的方式提供模拟输出值的方法，其中，输出值由控制单元给定为数字输出值，该方法包括以下步骤：
-在第一步骤中，借助转换装置将数字输出值转换成模拟输出值。
-在第二步骤中，在使用故障安全标准的情况下，借助回读装置将模拟输出值转换成故障安全的输出值。
-在第三步骤中，将原始提供的数字输出值与所转换的故障安全的数字输出值进行比较，对于该比较得出偏差的情况或者可靠性标准被损害的情况，执行安全性动作，否则，借助释放装置将模拟输出值输出给控制过程。
故障安全标准在此意味着，例如以两种不同方式执行计算，或者在内部以双通道的方式构建相应的组件，或者两个集成的计算处理器相互监视。此外，还使用安全性相关的总线协议，如PROFI Safe。在标准61508中描述了其他的故障安全标准。
通过将模拟值再次转换为数字值并且随后又将其反馈到控制装置中，根据第一替代设计方案，可以在控制装置中通过可靠性检查/或者比较来确定实际值与额定值之间的不允许的偏差，从而能够在有偏差的情况下开始安全状态。
根据第二替代设计方案提出，故障安全的数字输出值通过回读装置双通道地生成，并且通过第一通道生成的故障安全的数字输出值与原始提供的数字输出值进行比较，并且，还将通过第二通道生成的故障安全的数字输出值与通过第一通道生成的数字输出值进行比较。
有利地，在该方法中，使用针对功能安全性设计的、具有安全性程序的可编程逻辑控制器(例如Simatic S7F，其具有安全性相关的、故障容忍的程序)作为控制单元。特别有利地提出，使用模拟输出组件作为转换装置，使用针对功能安全性设计的模拟输入组件作为回读装置，并且使用针对功能安全性设计的数字输出组件作为释放装置。因此，在由三个组件构成的示例性的分立构造中，待输出的模拟值可以利用作为标准组件的模拟输出组件，即不是针对功能安全性设计的组件来实现。相反，对于反馈来说所需的模拟输入组件是针对功能安全性设计的特殊组件。
特别有利地，该方法用于故障安全的模拟调节过程的应用。由于在自动化技术中常常也出现所谓的模拟调节过程，为此目的同样已知有故障安全的模拟输入组件，利用这种组件能够以故障安全的方式检测来自传感器的模拟信号，然而现今对这些检测到的模拟值的响应同样以数字形式进行，即，通过数字输出，所以到目前为止还无法实现故障安全的模拟值调节。
上文提到的目的同样通过一种用于为针对功能安全性设计的控制过程以故障安全的方式提供模拟输出值的系统来实现。在此，该系统包括：控制单元，其给定数字输出值；转换装置，其将数字输出值转换为模拟输出值；回读装置，其在使用故障安全标准的情况下将模拟输出值转换为故障安全的数字输出值；释放装置，其被设计用于，当原始提供的数字输出值与所转换的故障安全的数字输出值一致时，将模拟输出值输出给控制过程，并且对于存在偏差的情况或者可靠性标准被损害的情况，通过控制单元执行安全性动作，否则，借助释放装置将模拟输出值输出给控制过程。
在此，该系统也可以根据第一或第二变体来实现。在第一变体中，控制单元设计用于，将原始提供的数字输出值与所转换的故障安全的数字输出值进行比较，并且对于该比较得出偏差或者可靠性标准被损害的情况，通过控制单元执行安全性动作，否则，控制单元使得模拟输出值借助释放装置被输出给控制过程。
有利地，在第一变体的系统时组装分立的组件。此时，控制单元被设计为针对功能安全性设计的、具有安全性程序的可编程逻辑控制器。转换装置被设计为模拟输出组件(标准)，并且回读装置被设计为针对功能安全性设计的模拟输入组件，并且释放装置被设计为针对功能安全性设计的数字输出组件。
作为该设计方案变体的替代方案，系统也可以由集成的组件变体构造。因此，也许仅具有以下的故障安全的模拟输出组件，其与控制单元共同工作，其中，在故障安全的模拟输出模块中布置回读装置，回读装置具有第一通道和第二通道，并且还设有双通道测试装置，双通道测试装置被设计为，将通过第一通道提供的故障安全的数字输出值与原始提供的数字输出值进行比较，并且，还将通过第二通道提供的故障安全的数字输出值与第一通道的故障安全的数字输出值进行比较。
附图说明
附图示出了本发明的两个不同实施例。图中示出：
图1是用于在由三个不同组件构成的分立构造中以故障安全的方式提供模拟输出值的系统，以及
图2是用于在集成的实施方案中以故障安全的方式提供模拟输出值的系统，其中，在故障安全的模拟输出组件中实现功能性。
具体实施方式
根据图1示出了用于为针对功能安全性设计的控制过程以故障安全的方式提供模拟输出值AWa的系统1。模拟输出值AWa应最终施加在具有模拟接口的致动器2上。根据本发明，通过控制单元D提供的数字输出值AWd利用模拟输出组件A转换成模拟输出值AWa，其中，所转换的该模拟输出值AWa利用故障安全的模拟输入组件B回读并转换成故障安全的数字输出值AWfd。模拟输出组件A和故障安全的模拟输入组件B借助背板总线RWB连接。控制单元D可以通过背板总线RWB与组件A、B通信。
由故障安全的模拟输入组件B生成的故障安全的数字输出值AWfd被提供给控制单元D，控制单元将原始提供的数字输出值AWd与所转换的故障安全的数字输出值AWfd进行比较，并且对于该比较得出偏差的情况或者可靠性标准被损害的情况，执行安全性动作，否则，借助释放装置将模拟输出值AWa输出给控制过程，其中，释放装置布置在故障安全的数字输出组件C中。因此，释放装置或故障安全的数字输出组件C设计用于，根据控制单元D的指令将模拟输出值AWa转发给控制过程，例如通过开关借助于驱控装置10来转发。
对于从数字到模拟的转换，模拟输出组件A具有数模转换器D/A，其包含放大器和电平调节。对于从模拟值到数字值的向回转换，故障安全的模拟输入组件B具有故障安全的模数转换器F-A/D，其包含电平匹配。在故障安全的数字输出组件C中(其可以实现为故障安全的数字输出或故障安全的继电器输出)，释放装置被设计为(逻辑)驱控装置10，其可以具有或者驱控两个串联的开关以用于转发模拟输出值AWa。
图2示出了用于以故障安全的方式提供模拟输出值AWa的系统1的替代实施方案。利用图1所阐述的关于转换装置、回读装置和释放装置的功能根据图1被分立地构建，现在它们根据图2在故障安全的模拟输出组件F-AO中实现。
控制单元D又提供数字输出值AWd，其通过背板总线RWB由控制单元D传输到故障安全的模拟输出模块F-AO中。作为释放装置，故障安全的模拟输出模块F-AO现在具有第一驱控装置11和第二驱控装置12。第一和第二驱控装置11、12嵌入到双通道测试装置13中。故障安全的模数转换器F-AD通过第一通道21并通过第二通道22分别提供故障安全的数字输出值AWfd。
双通道测试装置设计用于，将通过第一通道21提供的故障安全的数字输出值AWfd与原始提供的数字输出值AWd进行比较，并且，还将通过第二通道22提供的故障安全的数字输出值AWfd与第一通道21的故障安全的数字输出值AWfd进行比较。
如果存在有效的模拟输出值AWa，则第一驱控装置11已经可以关闭用于转发模拟输出值AWa的开关。在通过第一通道21以数字方式提供的数字输出值AWd与通过第二通道22提供的数字输出值AWd进行验证之后，第二驱控装置12可以关闭用于输出模拟输出值AWa的第二开关，并因此可以利用模拟接口将模拟输出值AWa发送给致动器。第一和第二驱控装置为了验证而具有比较器连接14。如果这两个比较之一失败，则不仅不释放输出值AWa，而且还向控制装置D发送诊断消息Diag。

Claims (9)

1.一种用于为针对功能安全性设计的控制过程以故障安全的方式提供模拟输出值(AWa)的方法，其中，输出值(AW)被控制单元(d)给定为数字输出值(AWd)，以及
在第一步骤中，借助转换装置将所述数字输出值(AWd)转换成模拟输出值(AWa)，
在第二步骤中，在使用故障安全标准的情况下，借助回读装置将所述模拟输出值(AWa)转换成故障安全的数字输出值(AWfd)，
在第三步骤中，将原始提供的所述数字输出值(AWd)与所转换的所述故障安全的数字输出值(AWfd)进行比较，对于该比较得出偏差的情况或者可靠性标准被损害的情况，执行安全性动作，否则，借助于释放装置将所述模拟输出值(AWa)输出给所述控制过程，
其中，所述故障安全的数字输出值(AWfd)通过所述回读装置双通道地生成，并且通过第一通道(21)生成的故障安全的数字输出值(AWfd)与原始提供的数字输出值(AWd)进行比较，并且，另外将通过第二通道(22)生成的故障安全数字输出值(AWfd)与所述第一通道(21)的故障安全的数字输出值(AWfd)进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述故障安全的数字输出值(AWfd)被提供给所述控制单元并且在所述控制单元中与所述数字输出值(AWd)进行比较。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，使用针对功能安全性设计的、具有安全性程序(F-prog)的可编程逻辑控制器(F-PLC)作为所述控制单元(D)。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，使用模拟输出组件(A)作为所述转换装置，使用针对功能安全性设计的模拟输入组件(B)作为所述回读装置，并且使用针对功能安全性设计的数字输出组件(C)作为所述释放装置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述方法用于故障安全的模拟调节过程的应用。
6.一种用于为针对功能安全性设计的控制过程以故障安全的方式提供模拟输出值(AWa)的系统(1)，包括
控制单元(D)，给定数字输出值(AWd)，
转换装置，将所述数字输出值(AWd)转换为模拟输出值(AWa)，
回读装置，在使用故障安全标准的情况下将所述模拟输出值(AWa)转换为故障安全的数字输出值(AWfd)；
释放装置，设计用于，当原始提供的所述数字输出值(AWd)与所转换的故障安全的数字输出值(AWfd)一致时，将所述模拟输出值(AWa)输出给所述控制过程，
并且对于没有得出一致性的情况或者可靠性标准被损害的情况，通过所述控制单元(D)执行安全性动作，否则，借助所述释放装置将所述模拟输出值(AWa)输出给所述控制过程，
其中，所述回读装置布置在故障安全的模拟输出模块(F-AO)中，所述回读装置具有第一通道(21)和第二通道(22)，并且还设有双通道测试装置(13)，所述双通道测试装置被设计为，将通过所述第一通道(21)提供的故障安全的数字输出值(AWfd)与原始提供的数字输出值(AWd)进行比较，并且，还将通过所述第二通道(22)提供的故障安全的数字输出值(AWfd)与所述第一通道(21)的故障安全的数字输出值(AWfd)进行比较。
7.根据权利要求6所述的系统(1)，其中，所述控制单元(D)设计用于，将原始提供的所述数字输出值(AWd)与所转换的所述故障安全的数字输出值(AWfd)进行比较，并且对于所述比较得出偏差的情况或者可靠性标准被损害的情况，通过所述控制单元(D)执行安全性动作，否则，所述控制单元(D)使得所述模拟输出值(AWa)借助所述释放装置被输出给所述控制过程。
8.根据权利要求6或7所述的系统(1)，其中，所述控制单元(D)被设计为针对功能安全性设计的、具有安全性程序(F-prog)的可编程逻辑控制器。
9.根据权利要求6所述的系统(1)，其中，所述转换装置被设计为模拟输出组件(A)，并且所述回读装置被设计为针对功能安全性设计的模拟输入组件(B)，并且所述释放装置被设计为针对功能安全性设计的数字输出组件(C)。
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