以故障保护方式切断电感性负载的装置和方法

摘要

提出了一种用于以故障保护方式切断电感性负载(54)的方法和装置。根据本发明的一个实施形态，设置负载(54)的切断期间被限定的感应电压(Ui)。通过监测电路(68、70)来监测所述被限定的感应电压(Ui)。在根据本发明的装置中，感应电压(Ui)通过阈值开关(38、40、42、44)被设置，且感应电压(Ui)通过这些阈值开关(38、40、42、44)被监测。

权利要求

1.一种用于以故障保护方式切断电感性负载(54)的安全开关装置，该装置包含：信号处理部分(12)，其用于接收和评估输入侧的切断信号(20、22、24)；

至少一个第一开关元件(26)，其由所述信号处理部分(12)触发，用于切断所述负载(54)；

第一阈值开关(38、40)，其用于在所述切断期间在所述负载(54)上将感应电压(Ui)限制到预定的感应电压(Ui)；

监测电路(46、48、56、58、68、70)，其用于监测所述阈值开关(38、40)，其中，所述监测电路(46、48、56、58、68、70)被配置为当所述感应电压(Ui)下降到低于阈值时生成错误信号，其特征在于还包含至少一个用于将所述感应电压(Ui)限制到所述预定的感应电压的第二阈值开关(42、44)，所述第一阈值开关和所述第二阈值开关以这样一种方式被布置，使得所述感应电压(Ui)的幅度被所述阈值开关(38、40、42、44)中的每一个所影响。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于所述电感性负载是压力机中的磁力阀。

3.根据权利要求1的装置，其特征在于所述第一阈值开关和所述第二阈值开关(38、

40、42、44)被布置为相互串联，对监测信号的分接头(64)被布置在所述的两个阈值开关(38、40、42、44)之间。

4.根据权利要求3的装置，其特征在于所述分接头(64)确定具有第一分压比的第一分压器(66)，还提供有具有第二分压比的第二分压器(62)，所述第二分压器(62)的所述第二分压比与所述第一分压比一致。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于所述第二分压器(62)被布置为与所述第一分压器(66)并联。

6.根据权利要求3或4的装置，其特征在于还包含用于连接所述负载(54)的两个接线端(50、52)，所述接线端(50、52)以这样一种方式被布置，使得所述负载(54)跨接在所述分接头(64)的两侧。

7.根据权利要求1至5中任何一项的装置，其特征在于还包含被所述信号处理部分(12)触发的第二开关元件(28)，所述第一开关元件(26)被布置在所述负载(54)的上游且所述第二开关元件(28)被布置在所述负载(54)的下游。

8.根据权利要求1至5中任何一项的装置，其特征在于所述监测电路包含具有发射元件(72)和接收元件(74)的光耦合器(68、70)，所述发射元件(72)在第一接线端上被连接到依赖于所述感应电压(Ui)的信号且在第二接线端上被连接到参考信号。

9.根据权利要求7的装置，其特征在于所述第一阈值开关(38、40)被布置为与所述第一开关元件(26)并联，所述第二阈值开关(42、44)被布置为与所述第二开关元件(28)并联。

10.根据权利要求1至5中任何一项的装置，其特征在于所述阈值开关具有至少两个被布置为相互串联的阈值开关元件(38、40；42、44)。

11.根据权利要求10的装置，其特征在于所述阈值开关元件为齐纳二极管。

12.根据权利要求1至5中任何一项的装置，其特征在于所述开关元件(26；28)包含至少两个被布置为相互串联的晶体管(30、32；34、36)。

13.根据权利要求12的装置，其特征在于所述晶体管为MOS晶体管。

14.一种用于以故障保护方式切断电感性负载(54)的方法，其包含以下步骤：接收和评估输入侧的切断信号(20、22、24)；

触发用于切断所述负载(54)的第一开关元件(26)；

借助第一阈值开关(38，40)，将所述切断期间所述负载(54)上的感应电压(Ui)限制到预定的感应电压(Ui)；以及通过监测电路(46、48、56、58、68、70)监测所述预定的感应电压(Ui)，其中，当所述感应电压(Ui)下降到低于阈值时，通过所述监测电路生成错误信号，其特征在于所述感应电压(Ui)被分为至少两个感应分电压(Ui1、Ui2)，所述感应分电压(Ui1、Ui2)的分压比被所述监测电路监测。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于所述电感性负载是液压压力机中的磁力阀。

说明书

以故障保护方式切断电感性负载的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于以故障保护(failsafe)方式切断电感性负载特别是液压压力机中的磁力阀的安全开关装置；本发明还涉及相应的方法。

背景技术

[0002] 在前技术中典型的安全开关装置被用于可靠地切断技术装置，例如发生危险情况时的自动化输送系统或液压压力机，其中，“可靠地”意味着“以故障保护的方式”。为了达到这个目的，在前技术中的安全开关装置的输入被连接到信号发生装置，例如紧急断开按钮、光障、保护门、旋转速度传感器及其他。安全开关装置以预先确定的故障保护方式评估这些信号发生装置的信号，且依赖于此，安全开关装置在它们的输出端产生开关信号，借助该开关信号，例如，接着可使被监测系统的驱动慢下来或停止。结果因此得到了安全状态。 [0003] 由于在安全开关装置失效的情况下操作者和其他人的健康甚至是生命有风险，在安全开关装置的开发、制造和运行中不得不遵守大量的特殊规则。因此，本发明涉及特别遵守相关欧洲标准EN954-1类别3或4或类似的安全要求的(安全)开关装置。然而，在此范围中，该发明并不限于上面提到的特例。

[0004] 为了达到对固有故障安全性(fail-safety)的高要求，在前技术中典型的安全开关装置常常被冗余构建和/或连续不断地进行内部功能检查。显然，与“常规”的开关装置相比，典型安全开关装置的开发与生产因此需要相当大的努力。另一方面，由于成本的原因，仅在为了获得所需的故障安全性而有必要时才进行这种增加的努力。因此，在前技术中的安全开关 装置可包括除非需要否则本身并不具备故障安全性的部件和/或部分。 [0005] 在前技术中的安全开关装置经常用于切断电感性负载，例如接触器(contactor)或磁力阀。众所周知，流过这类负载的电流由于它们的电感不能被突然中断。在切断的瞬间，也就是当安全开关装置的一个或更多的开关元件中断到电感性负载的电流通路时，产生感应电压，且其幅度可能远远超过正常运行条件下负载上存在的运行电压。通过适当的阈值开关例如齐纳二极管限制这样一种感应电压也为人们所知。限制感应电压有助于防止安全开关装置的输出电路和被切断的负载的损坏。另一方面，由于前面提到的阈值开关对在前技术中的开关装置的安全性能没有直接影响，向来没有必要在这个地方提供功能性的安全措施。

[0006] 通常，当危险情况发生时，人们想要尽可能快地切断被监测的系统。这一点对压力机的监测尤其适用，这是因为一方面向下移动的冲压机意味着对运行人员有巨大危险，且另一方面，运行人员不得不在离冲压机很近的地方工作的缘故。

[0007] 鉴于这种背景，本发明的一个目标是提供一种能够迅速且又以故障保护方式切断电感性负载的安全开关装置。如果这种新型安全开关装置能以简单并因此价廉的方式实现则为优选。

发明内容

[0008] 根据本发明的一个实施形态，该目标通过包含以下内容的安全开关装置来实现： [0009] 用于对输入侧的切断信号进行接收与评估的信号处理部分，

[0010] 至少一个第一开关元件，其由信号处理部分触发，并用于切断负载， [0011] 第一阈值开关，其用于设置在切断期间负载上被限定的感应电压，以及 [0012] 监测电路，其用于监测阈值开关。

[0013] 根据另一实施形态，该目标通过包含以下步骤的方法实现：

[0014] 对输入侧的切断信号进行接收和评估，

[0015] 触发用于切断负载的第一开关元件，

[0016] 设置在切断期间负载上被限定的感应电压，以及

[0017] 通过监测电路，对被限定的感应电压进行监测。

[0018] 新型安全开关装置首次对所用的阈值开关的功能进行监测，并因此意味着对切断期间所发生的感应电压的幅度的监测。感应电压越高，储存在电感性负载中的能量能够被越快地移除，且预期的切断过程实际上越快地结束。换句话说，可通过对安全开关装置的输出电路进行设计以使感应电压在负载正被切断时不会下降到低于特定阈值电压的方法来实现快速的切断过程。如果人们想要通过减小例如其他方面所需要的安全系数来从高切断速率中获益，感应电压的幅度则成为安全性至关重要的(safety-critical)变量。于是，为了保证负载在所有运行情况下被及时切断，人们想要对感应电压的幅度进行监测。结果，一向未被用于安全功能的阈值开关也成为开关装置中安全性至关重要的部件。 [0019] 对感应电压或相关联的阈值开关进行监测可以将正在被切断的电感性负载的放电时间保证在可被确定的时间窗口之内。该时间窗口可通过适当设计阈值开关(可能还有该安全开关装置输出电路中所用的其它部件)的大小来减到最小。因此，新型安全开关装置提供了更快且又更为可靠的切断。由此，上述目标得以圆满实现。

[0020] 由于本发明，通常可以防止由于过高感应电压的产生或相应损坏所引起的对安全开关装置的损坏，且可以更快、更可靠地检测出相关联的功能性故障。因此，新型安全开关装置提供了更大的安全系数。

[0021] 在本发明的优选改进装置中，当感应电压降到低于阈值时生成错误信号。 [0022] 在本改进装置中，对可能降低新型安全开关装置切断速率的运行错误及早进行报告，因此，在必要的情况下，可生成警报信号和/或将被监测的系统引入静止的安全状态作为预防。因此，本改进装置代表了上述基本概念的有益发展。

[0023] 在进一步的改进装置中，将感应电压分为至少两个感应分电压，并监 测该感应分电压的分压比。

[0024] 原则上可通过拾取适当的测量值并将该测量值与预先规定的参考值进行比较来测量感应电压，然而，在这种方法下，由于错误的参考值可能导致这样的结果，即未被检测出的感应电压降到低于所选择的最小值，故而参考值也是安全性至关重要的。因此，优选改进装置不是通过绝对测量值而是通过相互比较感应分电压来监测感应电压。本优选实施例可用更为廉价的方式实施。在本改进装置中，利用了这样的一个事实，即由于阈值开关或所用开关的选择，感应电压的实际幅度由安全开关装置的制造者预先确定。于是，为了监测感应电压，保证运行中不发生相对于制造者设定值的变化就足够了。此处，这可通过对制造商所设置的变量进行相互比较来方便地实现，例如在这种情况下通过比较两个感应分电压。在更优选的实例中，将感应电压分为相等的两半，故通过对称的比较实现了监测。然而，其他的分压比通常也是可以的。

[0025] 在进一步的改进装置中，新型安全开关装置具有用于设置感应电压的第二阈值开关，第一和第二阈值开关以这样的方式被布置，使得感应电压的幅度受这些阈值开关中的每一个所影响。在尤为优选的实施例中，相互串联地布置至少两个阈值开关，因此，当一个阈值开关故障时感应电压的幅度必定改变。在该布置中，制造者保证的最小感应电压已通过一个阈值开关保持也是优选的，因为这提供了冗余和增强的故障安全性。此外，由于两个阈值开关通过自身已生成感应分电压，该改进装置可用非常简单的方式实现。 [0026] 在进一步的改进装置中，第一和第二阈值开关被相互串联地布置，且用于监测电压的分接头(tap)被布置在两个阈值开关之间。

[0027] 本改进装置为对通过比较感应分电压对感应电压进行监测的基本概念的有益改进。在串联的阈值开关之间拾取监测电压是一种非常简单的实施形式。然而，原则上也可对在阈值开关之间拾取的监测电压监测其绝对幅度，该改进装置具有这样的一般优点，即可使用不必需要具有高电压耐受能力的、更为简单因而也更为廉价的测量元件。 [0028] 在进一步的改进装置中，该分接头确定了具有第一分压比的第一分压器，且此处还提供了具有第二分压比的第二分压器，第二分压比与第一分压比一致。 [0029] 本改进装置为以相对的方式而不是关于绝对值对感应电压进行监测的基本概念的另一改进。采用优选为以固定的比率将安全开关装置中存在的运行电压进行划分的第二分压器，可以用非常简单的方式生成用于监测的参考值。不同的是，第一分压器对所产生的感应电压进行分压，且第一分压器可还包含除两个阈值开关以外的其它部件。比较两个分压器的相互一致的分电压，可以非常高效且有效的方式对预置的感应电压进行监测。 [0030] 在进一步的改进装置中，将第二分压器布置为与第一分压器并联。 [0031] 由于可将有待相互比较的分电压简单地提供给比较电路，本改进装置更加简化了电路构造。

[0032] 在进一步的改进装置中，新型安全开关装置具有用于连接负载的两个接线端，以这样一种方式对这两个接线端进行布置，使得负载跨接在上面提到的分接头的两侧。 [0033] 结果，所产生的感应电压直接分布在被相互比较以进行监测的两个支路上，因此，本改进装置促进了实施形式的简化，所需要的部件的数量也可进一步地减少。 [0034] 在进一步的改进装置中，新型安全开关装置具有由信号处理部分触发的第二开关元件，第一开关元件被布置在负载的上游(upstream)，而第二开关元件被布置在负载的下游(downstream)。

[0035] 本改进装置进一步延续了通过对优选为平衡的或对称的分电压进行比较来监测感应电压的概念，实施形式也得到了进一步的简化。

[0036] 在进一步的改进装置中，监测电路包含具有发射元件和接收元件的光耦合器，该发射元件在第一接线端上被连接到取决于感应电压的信号，并在第二接线端上被连接到参考信号。

[0037] 在本改进装置中，感应电压或由此得到的监测信号通过光耦合器与参考信号相比较。通常，为达到这样的目的，向来采用使用运算放大器或传 统差动放大器的比较器电路。不同的是，光耦合器的采用具有反馈电路已提供DC隔离(DC-isolation)的优点，DC隔离有利于增强安全性。因此，本改进装置有助于减少所需要的部件。

[0038] 在进一步的改进装置中，将阈值开关布置为与开关元件并联。

[0039] 或者，阈值开关本质上还可布置在其他的地方，例如与负载并联。然而，该优选实施例能使通过分电压的相对比较对感应电压进行监测的概念具有非常简单的实施形式。 [0040] 在进一步的改进装置中，阈值开关包含至少两个阈值开关元件，阈值开关元件优选为齐纳二极管，并被布置为相互串联。

[0041] 在本实施例中，一个阈值开关本身是多余的。这提供了增强的故障安全性。特别地，即使阈值开关元件中有一个有故障，也可以保证所想要的最小感应电压。此外，本改进装置具有这样的优点，即可以使用具有低功率值且因此具有更小的公差的开关，这有助于进一步缩减生产成本。

[0042] 在进一步的改进装置中，开关元件包含至少两个被布置为相互串联的晶体管，且该晶体管优选为MOS晶体管。

[0043] 本改进装置与上述两种改进装置组合起来特别有利，也就是当多个阈值开关元件被布置为与多个晶体管并联时。优点在于通过使用多个晶体管，在不需要具有特别高电压耐受能力的晶体管的情况下，避免了存在于单个晶体管中的pn结过早击穿。另外，本改进装置提供了进一步的冗余，这对故障安全性是有利的。被布置为相互串联的两个晶体管优选为具有差异性，也就是说来自不同的制造商和/或具有不同类型的结构，这可更进一步地降低同时故障的风险。

[0044] 在不脱离本发明的范围的前提下，上述以及有待下文阐述的要点可以用规定组合、其他组合或者通过其自身进行应用，这一点是不言自明的。

附图说明

[0045] 附图展示了本发明特别优选的实施例，其将在下文的介绍中进一步详细阐释。 具体实施方式

[0046] 在唯一的附图中，用参考标号10来标示整个新型安全开关装置的一个典型实施例。这里的安全开关装置10比如说为可自主运行(autonomouslyoperable)的安全开关装置，该装置中的所有功能元件被紧凑地嵌入在装置外壳11之中。然而，作为替代，这也可以是复合安全控制器特别是为安全目的所设计的PLC(可编程逻辑控制器)的电路板。在另一个典型实施例(此处未示出)中，安装开关装置10可用空间分布式部件构建，这些部件通过例如总线系统互相连接。

[0047] 安全开关装置10具有信号处理部分12。此处，按照所预期的用途和所关联的安全要求，信号处理部分12通过几种途径被构建。因此，具有两个微处理器14、16的信号处理部分12以简化的方式示出，微处理器14、16相互通信并相互监测，其以箭头18表示。 [0048] 在输入端，用于安全目的的信号发生装置可被连接到安全开关装置10。此处以举例但非限定的方式示出了保护门20、光障22和紧急断开按钮24。信号处理部分12以已知的故障保护方式对这些信号发生装置的信号进行评估，并依赖于此在输出端触发一个或更多的开关元件。

[0049] 在本实例中，安全开关装置10在输出端具有两个开关元件26、28，每个开关元件包含两个被布置为相互串联的MOS晶体管。此处，晶体管被标示为参考编号30、32、34和36，它们被相互串联地连接在运行电压UB和地之间。四个MOS晶体管30、32、34和36中的每一个可被信号处理部分12通过相应的连接触发。

[0050] 两个齐纳二极管38、40被布置为相互串联并与两个晶体管30、32并联。齐纳二极管38、40一起组成本发明意义上的第一阈值开关。

[0051] 晶体管34、36一起组成第二开关元件。两个另外的齐纳二极管42、44被布置为相互串联并与第二开关元件并联。齐纳二极管42、44为本发明意义上的第二阈值开关。 [0052] 采用MOS晶体管30至36以及齐纳二极管38至44为当前优选实施例。然而，作为变体，也可以使用其他部件，例如将双极晶体管用于开关 元件或将传统二极管或晶闸管用作阈值开关元件。此外，如此处所示的每种情况下使用两个晶体管或两个齐纳二极管是一种优选的变形。然而，作为变体，也可以使用其它元件或仅用一个晶体管和一个齐纳二极管。

[0053] 两个电阻46、48被串联地布置在第一开关元件26和第二开关元件28之间。一般而言，这造成了布置在运行电压UB和地之间的晶体管30、32和电阻46、48以及晶体管34、36的串联电路。齐纳二极管38、40与晶体管30、32并联，而齐纳二极管42、44与晶体管34、
36并联。

[0054] 在晶体管32和电阻46之间的第一接点处设置一个分接头，其被引至安全开关装置10的接线端50。类似地，在晶体管34和电阻48之间设置第二分接头。第二分接头被引至接线端52。当安全开关装置10正在运行时，负载被连接到接线端50、52，在本实例中负载以举例的形式示为磁力阀54。在现有技术的本领域中，负载54的这样一种连接通常叫做双极连接。双极连接代表了本发明的优选应用场合。然而，原则上本发明还可适用于单极输出连接。

[0055] 两个电阻56、58的串联电路与晶体管30至36以及电阻46、48的串联电路相并联。在两电阻56、58之间为分接头60，因此，电阻56、58组成了此处用参考标号62标示的分压器。如同晶体管30至36以及电阻46、48的串联电路一样，分压器62被布置在运行电压UB和地之间。

[0056] 在两个电阻46、48之间布置有另一个分接头，此处用参考标号64标示。分接头64从中间分开了晶体管30、32、34、36和电阻46、48的串联电路，因此，形成了第一分压器66。第二分压器62的分压比与第一分压器66的分压比优选为具有相同的大小。此处两个分压比每个均为0.5同样是优选的，也就是说，正常运行时，在分接头60、64的每一个上存在幅度为UB/2的电压。然而，原则上其他分压比也是可行的。

[0057] 参考标号68和70标示两个光耦合器，此处，光耦合器70相对于光耦合器68冗余运行且也可省略。本实例中的光耦合器68具有两个发射元件72、73以及接收元件74，发射元件72、73以相互反并联的方式连接。典型的发射元件72、73为LED，它们在一个接线端上连接到分接头60，在 第二接线端上连接到两个齐纳二极管76、78的串联电路。将两个齐纳二极管76、78彼此相对于对方翻转，因此，在每种情况下，只有一个运行在导通方向，而另一个运行在非导通方向。两个齐纳二极管76、78的串联电路的自由端(open end)连接到分接头64。齐纳二极管76、78确保发射元件72、73只产生在所限定的开关阈值之上的发射信号。这样的一种发射信号接着产生引到信号处理部分12的反馈信号。由于分接头60和64之间的差动电压可能为负或者正，以反并联方式连接的两个发射元件72、73提供某种类型的绝对值结构。依赖于此，此处每种情况下只有一个发射元件72、73做出反应。或者，也可用以反并联方式布置的两个光耦合器68、70实现这种绝对值结构，其中，每种情况下因此只使用一个发射元件72。

[0058] 所示安全开关装置10如下运行：

[0059] 在静态运行中，也就是说，当磁力阀54输送电流时，在磁力阀54的两端存在与运行电压UB近似一致的电压。运行电压UB通过两个分压器62、66被分为相等的两半，且所产生的分电压在分接头60、64处提供给光耦合器68、70。由于分接头60、64上的电压实际上幅度相同(抛开某些轻微的公差不计)，发射元件72上不存在电压，且因此接收元件74没有接收到发射信号。

[0060] 接着，如果信号处理部分12希望切断负载54(或希望执行切断测试)，其以这样一种方式触发晶体管30至36，使得到负载54的电流通路被中断。换句话说，信号处理部分12断开晶体管30至36。由于电流通路的中断，在负载54的两端生成感应电压Ui。感应电压Ui受到齐纳二极管38到44限制。换句话说，感应电压Ui的幅度被齐纳二极管38至44的大小所设置。

[0061] 于是，下列关系适用于安全开关装置10的输出电路中的电压(在分压器62、66的分压比为0.5的条件下)：

[0062] Ui＝U1+U2-UB以及

[0063] Ui1＝Ui2＝Ui/2

[0064] 其中，U1为第一开关元件26两端的电压，

[0065] U2为第二开关元件28两端的电压，

[0066] Ui为负载54两端的感应电压，

[0067] Ui1为电阻46两端的电压，

[0068] Ui2为电阻48两端的电压，以及

[0069] UB为运行电压。

[0070] 于是，分接头64处的电压为：

[0071]

[0072] 换句话说，只要分电压Ui1和Ui2或者分电压U1和U2在每种情况下均有相等的幅度，即使负载54被切断，分接头64处的电压实际上保持不变。如果齐纳二极管40至44中有一个为有故障，该假设不再成立。分压器66将对发生的感应电压进行不均匀的分压，这将导致分接头60和64上的电势彼此不同，结果将会是一电压被施加到发射元件72上，这导致了光耦合器68、70的发射信号。

[0073] 根据优选典型实施例，此处以这样的方式选择齐纳二极管38至44的大小，使得即使这些齐纳二极管中有一个有故障，仍获得最小感应电压Ui＝100V。