CN1518266A - 安全处理信息的单一信号传输 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在安全系统的输入和输出单元之间的安全处理信号传输。本发明的目的是指出一种途径，其中以一种非常简单的方式来确保安全处理信息的传输及随后的处理。因此，为了传输安全处理信息，本发明提供了多个处理信号(S211－S212，S221－S222，S100)，这些信号被冗余地进行检测，以识别与系统安全性相关的事件，这些信号被转换为一个单一处理信号(S1，S110)，用于进行基于系统的进一步处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种在安全系统的输入和输出单元之间传输安全处理信号的方法和装置。
背景技术
特别是在由标准网络构成和需要满足严格安全要求的系统的情况下，比如符合IEC标准61508的SIL3，或者例如符合EN954-1标准的安全类型4，例如传感器和致动器的外部电路必须基于双信道来设计，以通过冗余性来确保必要的安全性。
在安全系统中，这种双信道外部电路通常将来自传感器的独立的信号传递到类似的其它冗余外部电路，这些信号通常使用用于控制和/或进行逻辑处理的集成计算机的网络或底板总线的输入/输出单元来传输。这种控制和/或逻辑处理随后通过一个适当匹配的紧急关断功能元件来处理双信道信号电路，因此所述元件还必须被设计为具有双信道输入，并且随之启动一个安全反应动作。这个安全反应动作通常在控制器处直接执行，或者通过用于系统集成的计算机的网络和/或底板总线传输到相应的输出组件，例如传输到致动器。
发明内容
本发明的任务是指出一种途径，其中以一种非常简单的方式来确保安全处理信息的传输及随后进行的处理，尤其是与附带数据量增长相关地，这些数据可以无信息损失地传输和/或处理，因此可以更好地利用系统能力。
以一种令人惊奇的方式，通过具有权利要求1所述特征的方法、具有权利要求11所述特征的装置、以及具有权利要求20所述特征的系统，很简单地得到了根据本发明的解决方案。
有利的和/或优选的实施例及改进是各个从属权利要求的主题。
因此，为了传输安全信息，本发明提供了多个处理信号，这些信号被冗余地检测，以识别与系统相关的事件，这些信号被转换为一个单一处理信号，用于进行基于系统的进一步处理。
因此，尤其是在使用了用于安全地传输为系统安全冗余检测到的处理信号的装置时，该装置具有将多个信道上传输的处理信号转换为可以从一个输出信道引出的单一处理信号的装置，本发明确保了对于相同的整体信息内容而言，只有少得多的数据量被传输并随后进一步处理。
此外，本发明可以实现从信号传输路径的多信道配置到系统内单一信道形式的信号传输路径的简化，否则必须采用多信道配置来安全传输并基于系统地进一步处理冗余检测到的、与安全性相关的信号。这样，用于传输和/或进一步处理系统中与安全性相关的处理信息的硬件和/或软件单元可以以简化的、并且更廉价的方式来制造。另外，以这种方式获得的简化，尤其是作为实际信号内容表示的结果，可以得到安全系统相当简单的配置和编程。
在一个具有优点的改进中，执行转换得到一个数字信号，特别保证了对处理信号进行更简单和快速的、基于处理器的进一步处理，以启动具有很高时间要求的反应动作。
在一个具有优点的改进中，如果转换装置包括了一个A/D转换器，则进一步保证了与外部连接设备单元相关的数字和/或模拟处理信号的检测和/或传输，这样，基本上任何在商业上可买到或可获得的安全性元件，如紧急关断元件、或者用于光栅、安全门或扫描仪的区域监控的传感器，可以连接至系统，以提供与安全性相关的处理信息。
还提供了另外一个优选实施例，用于以1比特数据项的形式来传输转换后的处理信号的有效内容，这个1比特数据项可以在特定应用的基础上提供，例如可以通过一个单一逻辑“与”门来提供。一个核心安全系统一旦被配置和/或开始工作之后，就与输入和/或输出单元的更换或改变无关了，这些输入/输出单元可能与系统安全性相关联。
为了进一步提高安全性，本发明的目的还在于，对转换后的处理信号的传输进行保护，特别是通过一个基于有效内容的数据保护值来进行保护。其中在另外一个具有优点的实施例中，用于保护转换后的信号的装置被设计为生成并添加至少一个校验比特，所述校验比特跟随在有效内容之后。
在这种情况下，人们已经发现，在实践中采用所谓的CRC(循环冗余校验)是特别有利的，能够进一步显著提高差错识别率。
最好由硬件和/或软件单元构成的转换装置基本上可以具有优点地设置在处理信号传输路径中的任何位置处，这个位置根据需要被预先确定和/或可以被预先确定，特别地，这样就确保了可以通过附加的与安全性相关的单元使安全系统在此之后得到进一步扩展。
因此，本发明基本上可以应用在任何所希望的网络中，并且与安全性相关的单元可以分布设置在整个网络中，而与基于系统的单元无关，如系统联接器和网关，其特点在于，即使在现有技术中也可以很简单地实现，并具有很高的集成度。
还附带地提供了另外一个具有优点的改进，其中被转换为用于安全系统处理的单一信道的处理信号还被再一次转换为多个处理信号，特别地，再次转换后的多个处理信号通过分开的信道传输到系统输出组件中，这些系统输出组件被预先确定和/或可以被预先确定，如特定系统的致动器、驱动器或机械电子(mechatronics)单元。
附图说明
在下文中将利用优选实施例并参照附图更详细地说明本发明，图中：
图1示出了一个连接有紧急关断安全输出元件的安全系统的高度简化了的框图，
图2示出了根据本发明的、与用于安全功能的信号链相关的原理简图。
具体实施方式
首先参考图1，以非常简单的方式示出了一个安全系统，它在整体上以附图标记1来标识，这个安全系统例如在制造工业中用于控制和/或管理与人员、机器和/或环保相关的安全功能。
为了这个目的，作为示例，一个紧急关断功能元件2被连接到安全系统1的一个安全输入单元11，以识别与系统安全性相关的“紧急关断”事件，这一事件例如可以提供给要被监控的驱动器。特别是在现有的具有严格安全要求的情况下，如上所述，诸如紧急关断功能元件2这样的电路必须被设计为冗余式的，例如具有两个信道。在本例中，在所示的紧急关断功能没有被启动的情况下，两个并联设置的触点K21和K22处于接触状态，使得与触点K21相关的部分信号路径S211和S212通过闭合的触点K21导通地相互连接。在这种情况下，可以在安全系统的输入单元11处引出一个与触点K21相关的“1”信号。并且可以通过安全输入单元11，在相互连接的部分信号路径S221和S222处以相应的方式引出一个与触点K22相关的“1”信号。
当在图1中用A标识的方向上按下紧急关断按钮22，以使紧急关断功能开始工作时，触点K21和K22打开，这样，可以通过信号路径S211-S212在输入单元11处引出一个与触点K21相关的“0”信号，并且可以通过中断了的信号路径S221-S222引出一个与触点S22相关的“0”信号。
现在根据本发明，这两个出于安全性考虑而冗余检测到的处理信号通过安全系统1的安全输出单元11被还原为一个单一处理信号S1，这样这个单一处理信号S1通过一个系统计算机的网络(没有详细示出)和/或一个底板总线传送到一个带有相应设计的逻辑处理功能的控制器12，进行基于系统的进一步处理。如果响应处理信号S1启动一个安全反应动作，这个安全反应动作在控制器12处直接执行，或者通过网络和/或底板总线进一步传递至一个安全输出元件13，这个安全输出元件通过反应信号S14和S15分别相应地驱动微控制器14和15，以切断由安全系统1所监控的相关区域设备，也就是说在这种情况下中为要监控的驱动器，例如监视器或安全门。
最好执行转换以得到一个数字信号S1，特别是为了确保对处理信号S1的至少虚拟在线的、由处理器所支持的进一步处理。
为了生成1比特数据项，本例中安全输入单元11最好包括一个用于两个信号信道S211-S212和S221-S222的逻辑“与”操作，该操作通过适当的硬件和/或软件单元来实现。
以相应的方式，当两个开关S21和S22闭合时，转换后的处理信号S1的值为“1”，这样通过安全输入单元11可以得到两个相应的冗余处理信号，每个冗余处理信号的信号内容都对应于信号值“1”。如果启动了紧急关断功能，两个信号路径S211-S212和S221-S222被中断，则转换后的处理信号S1的值为“0”。以相应的方式，当两个开关S21和S22中的一个打开时，处理信号S1的信号值对应于值“1”，因此在故障情况或安全情况下，处理信号S1的信号值始终为“0”。
因此将冗余检测到的处理信号还原为单一处理信号S1的过程仅仅与信道的数目有关，而与总体信号内容无关。例如如果如图所示，执行对短路的监控，在根据本发明利用安全系统的安全输出单元11和输出单元13之间的单一信道系统进行基于系统的进一步处理时，根据在这种情况下对于S211-S212和S221-S222都有效的信号值“两个信道均为1”，总体信号内容将无误差的关系进行信号化。
为了提高安全性，还将处理信号S1以受保护的方式在图1所示的安全输入单元11与安全输出单元13之间传输。
在实践中，为此目的通过输入单元11将至少一个校验比特或校验和添加到有效内容中。安全输入单元11最好包含一个用于执行CRC校验的装置，例如一个适当配置的移位寄存器。根据对于安全系统的特定应用和/或需要，并且与所需保护相关地，要生成的CRC代码以适当高的阶数生成，例如采用CRC-32代码。然而应注意到，也可以通过其他装置来执行适当的安全措施，这些措施本身对于本领域技术人员是熟知的，特别地为了满足IEC国际标准61508。
另外参考图2，根据本发明的信号链首先包括基于功能性单元100的对输入信息的安全性检测，这种功能性单元例如为传感器，它可以被连接并启动与安全性相关的事件。这些事件和处理信息在各种情况下通过冗余处理信号S100来检测，然后通过安全输入单元100转换为单一处理信号S110，用于基于系统的进一步处理。应该注意到，要进行转换的处理信号S100，即那些在输入单元110的输入端处得到的信号，是数字和/或模拟形式的，这取决于特定应用或保护功能单元。为了使输入单元110能够将模拟处理信号S100转换为数字处理信号S101，转换装置具有一个相应的A/D转换元件。
此外，还应注意到，根据特定系统的实施例，转换装置110还可以包含在智能网用户单元或机械电子(mechatronic)单元中，而不一定要以独立的安全输入单元的形式实现。
以受保护的形式在由转换装置110输出的下行数据流中提供的处理信号S110可以在整个系统中在一个单一信道上传输，具体地说，通过包含有传输路径和/或结构/处理单元的至少一个环状网、星型网、直线网和/或树状网络和/或总线网络来传输。
此外，转换后的处理信号随后在基于系统的进一步处理装置120中的一个单一信道上进行处理，用于进一步处理的装置例如为控制器和/或逻辑器件和/或网络。
为了响应各个处理信号S110而启动安全反应动作，相应的反应信号S120(它最好也是以单一信号的形式和受保护的形式来提供)被传送至相应的输出单元130，在本例中输出单元为二进制信号处理而设计，以根据已启动的反应动作驱动所连接的输出功能性单元140，如致动器和/或机械电子(mechatronic)单元，用于安全地输出和/或安全地断开连接。
如图2所示，本发明还包括如下的实施例：其中安全输出单元130至少部分地这样来设计：施加到单一信号信道上并具有受保护的处理信息的处理信号S120被再一次转换为可以通过分开的信道来传输的多个处理信号S130，以驱动输出功能性单元140。
根据本发明，用于简化安全处理信息的传输过程的应用可以大大简化安全系统的配置和编程，此外由于需要安全传输的数据量小于同样的信息内容，还大大提高了系统容量利用率。这尤其是基于以下事实：根据本发明，逻辑操作可以在单一信号的基础上执行，以表示实际有效内容，否则的话这些逻辑操作必须要以硬件方式在两个或更多的信道上执行，这在很大程度上与工程师、程序员和/或服务技术人员的期望相一致，这些技术人员例如将“电机”输出识别为信号“电机打开”或“电机关闭”。因此采用不同的手段来适应转换位置的上行和下行数据流。
由于多个处理信号(这些信号描述了与系统安全相关的事件)被转换和还原为一个单一处理信号的步骤基本上可以在处理信号传输路径中的任意希望的位置处执行，例如在底板系统中，本发明包括了许多实施例，其中转换装置基本上分布整个安全系统和/或网络中，而与系统联接器和网关无关。
总的来说，对于安全系统，本发明的主题不仅可以应用在制造工业中，尤其是监控紧急关断功能，如光栅、安全门和/或扫描仪等领域，以及各种不同的应用，如机器人，包括静音、消隐(blanking)和/或压制(pressing)的交叉领域，和对致动器和传感器系统的安全控制和/或管理，特别是带有集成安全性的系统，尤其还可以应用在客运领域中，例如用于山区铁路或升降机，还可以在建筑工程、供热系统和加工工业举出一些应用的例子。
因此，被保护的、单一信道的、与安全相关的处理信息最好仅仅在根据本发明的转换装置110、130中执行的与安全性相关的预处理功能的基础上，在特定安全系统的集成输入和输入单元110、130与控制安全性的逻辑处理器120之间传输。
Claims (21)
1.用于传输安全处理信息的方法，其特征在于，冗余地检测多个用于识别与系统安全相关的事件的处理信号(S211-S212，S221-S222，S100)，将所述信号转换为单一处理信号(S1，S110)，用于基于系统的进一步处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，冗余地检测到的处理信号(S211-S212，S221-S222，S100)通过多个信道被检测，直到所述转换过程，以及转换后的处理信号(S1，S110)通过一个信道来传输。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，检测过程是以数字或模拟的方式进行的。
4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，执行转换过程以形成一个数字处理信号(S1，S110)。
5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将一个1比特的数据项作为处理信号(S1，S110)的有效内容来传输。
6. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对转换后的处理信号(S1，S110)的传输进行保护。
7.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为对转换过程的响应，将至少一个校验比特添加到转换后的处理信号(S1，S110)的有效内容中。
8.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，采用CRC方法来生成至少一个校验比特。
9.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在处理信号传输路径中的一个可任意预定的和/或给定的位置处执行转换过程。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在可预定的和/或给定的系统输出单元(13，130)中，在系统内以单一信道传输的处理信号(S1，S110)被再一次转换为多个尤其是通过分开的信道传输的处理信号(S130)。
11.用于安全地传输处理信号(S211-S212，S221-S222，S100)的装置，所述信号被冗余地检测，用于系统安全，其特征在于，用于将施加到多个信道上的处理信号(S211-S212，S221-S222，S100)转换为可在一个信道上传输的处理信号(S1，S110)的装置(11，110)。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括用于将在一个信道上传输的处理信号(S1，S110)进行基于系统的进一步处理的装置(12，120)。
13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，转换装置组合有一个输入单元(11)，一个输出单元(13)，一个智能单元，和/或一个机械电子单元。
14.如权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于，转换装置(11)被设计用来生成1比特数据项(S1)。
15.如权利要求11至14中任一项所述的装置，其特征在于，转换装置(11)包括一个逻辑与门。
16.如权利要求11至14中任一项所述的装置，其特征在于，转换装置(11，110)具有用于保护转换后的处理信号(S1)的装置。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，为了进行保护的目的，转换装置(11，110)具有用于生成至少一个校验比特，以及用于将至少一个校验比特添加到处理信号(S1)的信号内容中的装置。
18.如权利要求11至17中任一项所述的装置，其特征在于，转换装置(11，110)被设计用来应用CRC方法。
19.如权利要求11至18中任一项所述的装置，其特征在于，转换装置包括硬件和/或软件单元。
20.安全系统，尤其是包括至少一个用于自动化系统的网络，所述安全系统具有至少一个如权利要求11至19中任一项所述的装置。
21.如权利要求11至19中任一项所述装置的应用，用于执行如权利要求1至10中任一项所述的方法，特别是应用在如权利要求20所述的安全系统中。
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