位置编码器、特别是电位计的故障安全评估方法和布置

摘要

本发明涉及用于位置编码器(32)、特别是电位计的故障安全评估的布置。位置编码器至少具有第一端子与第二端子(34，36)，在第一端子与第二端子(34，36)之间存在规定的总阻抗。另外，位置编码器(32)具有可调节分接头(38)，可在该分接头上测量第一分阻抗与第二分阻抗(40，42)。该布置包含连接到位置编码器(32)以便借助至少一个分阻抗(40，42)确定分接头(38)的瞬时位置的评估单元(12，14)。该布置还包含用于检查位置编码器(32)的基准阻抗(45)。根据本发明一实施形态，评估单元(12，14)被设计为确定分别表示第一分阻抗与第二分阻抗(40，42)的第一测量值以及第二测量值。

说明书

技术领域

本发明涉及用于位置编码器的故障安全评估、特别是用于电位计的故障安全评估的布置，该位置编码器至少具有第一端子和第二端子(其间有着规定的总阻抗)并具有可调节分接头，在该分接头上，可测量第一分阻抗和第二分阻抗，该布置包含连接到位置编码器以便借助至少一个分阻抗确定分接头的瞬时控制位置的评估单元，并包含用于检查位置编码器的基准阻抗。

本发明还涉及用于对这种位置编码器进行故障安全评估的方法，该方法包含以下步骤：

-借助至少一个分阻抗确定分接头的瞬时控制位置，以及

-借助基准阻抗检查位置编码器。

背景技术

这样的布置和这样的方法由EP 1494098A1公开。

更为一般地说来，本发明涉及安全工程领域的方法和布置，目的在于保护人员免受潜在危险的机器和设备的伤害。目前使用安全开关装置对这类机器和设备的安全保护已经执行了很多年，该装置对来自紧急停止按钮、安全门开关、光障、光幕和其他安全相关发信号装置的状态信号进行评估，并且，取决于评估，或者将被监视的机器或设备从电源断开，或者通过其他手段将之引入安全状态。另外，安全开关装置被典型用于机器或设备的运行控制器。运行控制器对机器或设备的“正常”运行过程进行控制。然而，它们不是被设计为“故障安全”的，因此，不能确保希望水平的人员保护。

如果需要大量的安全功能，典型地使用可编程安全控制器，其中，对单个发信号装置及其逻辑依赖性的监视可通过软件编程来定义。另一方面，对于具有少量或中等数量的安全功能的应用，大部分使用安全开关装置，其运行可被修改为适当的程度，而无需用户进行这种需要的软件编程。例如，在这种安全开关装置中，可设置多种运行模式，例如启动运行模式(自动启动、手动启动、被监视的启动)或机器的延迟/非延迟的关闭。在后一种情况下，用户还可具有设置延迟或从多种预定延迟中进行选择的能力。另外，在许多安全开关装置中，可以对运行模式进行调节，以便适应不同的运行环境，例如，安全开关装置是否被供给有时钟的或无时钟的状态信号。所有这些设置在下面被统称为设置运行量。

例如，运行量可使用电位计或电阻器网络——其提供作为控制元件的控制位置的函数的可变电阻——被设置。然而，出于故障安全的原因，至少两个冗余位置编码器被用于安全开关装置，由于需要组装的部件成本，这是不利的。DE 10009707A1因此提出在一个组件中对安全开关装置的两个冗余旋转开关的开关功能进行合并。

DE 10016712A1公开了一种安全开关装置，其中，运行量可通过将至少三个不同输入信号中的一个供给安全开关装置的输入端子来得到设置。取决于所施加的输入信号，安全开关装置选择至少三个预定运行模式中的一个。该方法已被证明非常有利，因为其免除了冗余旋转开关或电位计的昂贵且耗时的组装。然而，该方法需要安全开关装置上至少一个输入端子可用于供给选择信号。这限制了安全开关装置的最小总尺寸。

开头所引用的EP 1494098A1公开了用于电位计的主要故障安全评估的装置和方法。为了实现这一点，电位计与一个或两个规定的固定电阻器串联连接。电位计与两个固定电阻器一起构成分压器，由电位计的分压比确定瞬时电位计位置。另外，确定一个固定电阻器上的电压降并将之与设定值进行比较。由于同样的电流流经电位计与固定电阻器，可使用固定电阻器检查电位计。采用这种方法的缺点是可借助电位计而改变的电压范围被串联连接的固定电阻器减小。这意味着可以以故障可靠性彼此区分的电位计位置的数量减少。另外，电位计位置的测量容易遭受依赖于固定电阻器的公差的不准确性。最后，如果将要以故障安全可靠性对多个电位计进行评估，这种电路是昂贵的。

EP1022570A2、DE 4322472A1和US 5,812,411公开了用于对电位计的位置进行评估以及检查电位计的正确运行的另外的电路。然而，这些方案是昂贵的，特别是在将要以故障安全可靠性对多个电位计进行监视的情况下。另外，由于附加部件的公差，可彼此区分的电位计位置的数量再次受到限制。

发明内容

针对这种背景，本发明的目的在于提供一种上述类型的方法和布置，其使用少量部件使得基于阻抗的位置编码器的精确且故障安全的评估成为可能。特别地，本发明的目的在于提供一种方法和布置，其使用少量部件并需要少量空间，使得安全开关装置(安全开关装置或安全控制器)中运行量的故障安全设置成为可能。

根据本发明一实施形态，该目的通过上述类型的布置实现，其中，评估单元被设计为确定表示第一分阻抗的第一测量值以及表示第二分阻抗的第二测量值。

根据本发明另一实施形态，该目的通过上述类型的方法实现，其中，确定表示第一分阻抗的第一测量值，确定表示第二分阻抗的第二测量值，且其中，第一测量值和第二测量值用于检查分接头的瞬时位置。

如同上面已经提到的那样，这种新装置和新方法不仅可用于对电位计进行监视和评估，还可用于对任何其他基于阻抗的位置编码器进行监视和评估。例如，代替电位计的是，位置编码器可为具有可选电阻器的电阻器网络。另外，位置编码器的总阻抗可包含电容性和电感性部件，也就是说，本发明不限于电阻性位置编码器。

本发明基于通过测量确定各个可变分阻抗的构思，这些分阻抗累加到一起以给出总阻抗。这里，没有必要实际以字面的狭义理解阻抗测量，确定对于各分阻抗的代表(但单独的)测量值就够了。优选为测量各分阻抗上的电压降。

相反，在迄今为止所有已知的用于评估和监视基于阻抗的位置编码器的过程中，仅仅测量分阻抗的分压比。尽管如果总阻抗已知则可以计算分阻抗，它们不是彼此单独受到测量的。新过程使得可以将彼此单独确定的分阻抗相互和/或与已知或测量得到的总阻抗进行比较。这使得多种在电路上非常容易实现的有效性检查成为可能，也使非常简单的冗余评估成为可能。例如，在特别优选的实例性实施例中，除两个微处理器以外，新布置仅需要一个固定电阻器。出于冗余性的原因，无论以何种方式，两个微处理器经常用于安全开关装置，故部件成本在这里非常低。

简言之，新布置和新方法使用少量部件使得对基于阻抗的位置编码器的精确且故障安全的评估成为可能。这又在不需要连接端子和/或冗余位置编码器的情况下创造了实现运行量的故障安全设置的机会。新布置和新方法于是使得安全开关装置或安全控制器(其包含运行量的故障安全设置)的非常紧凑且节省成本的实现成为可能。

于是，完全实现了上面提到的目的。

在一个优选实施例中，评估单元包含第一评估电路和第二评估电路，其各自被设计为确定至少一个测量值。优选为，每个评估电路可测量一个测量值。

在这一实施例中，每个评估电路可测量位置编码器的分阻抗。因此，每个评估电路能够确定位置编码器的瞬时位置。这样的实现特别适用于安全开关装置。

在另一实施例中，第一评估电路具有第一输出，第二评估电路具有第二输出，其各自被配置为交替连接到高电位或低电位。

此实施例使得位置编码器被交替供以不同极性的电压。于是，测量分阻抗非常容易。

在另一实施例中，第一输出连接到位置编码器的第一端子，第二输出连接到位置编码器的第二端子。

在这一实施例中，位置编码器有效地位于评估电路的输出之间，该输出可交替连接到高电位或低电位。施加在位置编码器上的电压可容易地以这种方式反转，这使得分阻抗特别容易地得到确定。显然，位置编码器也可间接连接到两个评估电路，即经由中间电阻器或其他部件。然而，位置编码器直接连接在评估电路输出之间以便提供评估的最大电压范围是优选的。

在另一实施例中，第一输出与第二输出连接到分接头。

在此实施例中，交替变化的电压被施加到位置编码器的分接头。这使得第一测量值与第二测量值同时被发现。这意味着可非常迅速地进行评估和检查。

在另一实施例中，设置至少一个开关元件，其被设计为将位置编码器与第二输出或第一输出隔离。

换句话说，此实施例包含使得位置编码器与评估电路输出之间的连接成为高阻抗的可能。有利的是，这可发生在评估电路自身的输出上。此实施例对于通过电压反转(voltage reversal)测量分阻抗是特别容易的选择。

在另一实施例中，第一评估电路有着第一输出，第二评估电路有着第二输出，其各自连接到位置编码器。

在此实施例中，位置编码器因此也连接在评估电路的输入之间。因此，各评估电路可直接读取表示分阻抗的测量值。这使得具有高水平的故障安全可靠性的控制位置迅速评估成为可能。

在另一实施例中，第一输入与第二输入连接到分接头。

此实施例使得第一测量值和第二测量值在每种情况下冗余地受到检测。每个评估电路可检测两个测量值中的一个，并确定所关联的分阻抗。因此，每个分阻抗可冗余地受到监视，这使得特别高水平的故障安全可靠性成为可能。

在这种情况下，基准阻抗还具有连接到分接头的第一端子是特别优选的。

采用这种实施例，可以容易且可靠地检测位置编码器中的漂移误差以及特别是分阻抗中的漂移误差。

在另一实施例中，第一输入连接到位置编码器的第一端子，第二输入连接到位置编码器的第二端子。

在此实施例中，每个评估电路检测“它的”分阻抗，使得位置编码器的非常快速的评估成为可能。

在另一实施例中，基准阻抗具有第二端子，其连接到评估单元的输出。另外提供开关元件以便将基准阻抗与该输出之间的连接有选择地切换到高阻抗是特别优选的。

采用这种实施例，可以使对于测量模式的基准阻抗“不可见”，故表示分阻抗的测量值独立于基准阻抗及其公差。这使得具有更精细的分辨率的位置编码器的更为精确的评估成为可能。

在另一实施例中，提供具有多个分接头的多个位置编码器，它们连接在一起，每个位置编码器具有连接到评估单元的第二端子和第一端子。

此实施例是非常直接的选择，其使用非常少的部件以根据本发明的方式对多个位置编码器进行评估和监视。这使得多个运行量能用非常低的部件成本设置，并需要非常小的空间。

在另一实施例中，第一评估电路和第二评估电路为集成电路，特别是可编程集成电路，其经由位置编码器连接在一起。在特别优选的实施例中，集成电路经由位置编码器直接连接在一起。换句话说，位置编码器于是直接连接在集成电路之间。

集成电路的使用本身在安全工程领域也是已知的。然而，使用微控制器、微处理器、FPGA或其他集成逻辑电路实现第一评估电路和第二评估电路特别有利。所需要的部件的数量由此得到最小化。制造成本和需要的总空间相应地低。

不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上面提到的特征以及将在下面介绍的特征不仅可以以所给出的组合应用，还可以以其他组合或以其自身应用。

附图说明

本发明的示例性实施例在附图中示出，在下面的说明中更为详细地阐释，其中，

图1示出了根据本发明的优选示例性实施例用于电气负载故障安全关闭的安全开关装置的简化原理图；

图2示出了用于位置编码器的故障安全评估的新装置的第一示例性实施例的简化图；

图3和4以两种不同的运行状态示出了图2中的装置；

图5示出了新装置的第二示例性实施例；

图6示出了新装置的第三示例性实施例；

图7示出了新装置的第四示例性实施例，以及

图8示出了新装置的第五示例性实施例；

具体实施方式

在图1中，实现新方法和新布置的安全开关装置整体用参考标号10表示。安全开关装置10具有双通道设计并具有两个微控制器12和14，其经由链路15彼此通信，以便将它们的数据进行比较并彼此监视。例如，链路14可以为双端口RAM或通信接口(例如UART)。

每个微控制器12、14控制继电器16、18。继电器16、18的开关接点彼此串联位于安全开关装置10的连接端子20之间。它们因此构成连接端子20之间的电流路径22，其可以以故障安全可靠性通过微控制器12、14断开。继电器16、18的常开接点构成两个电流路径22，两个接触器24、26经由其连接到外部电源27。接触器24、26为本发明意义上的电气负载，例如，其用于机器(这里未示出)驱动的故障安全断开。继电器16、18的常闭接点受到常开接点的积极驱动，它们构成反馈电路，微控制器12、14可经由其读取继电器16、18的控制状态。

作为安全开关装置10的输出侧开关元件的继电器16、18的使用被理解为一个实例。本发明还可用于具有半导体输出的安全开关装置，并用于基于阻抗的位置编码器以故障安全可靠性得到评估和监视的其它设备和装置。

在输入侧，安全开关装置10检测来自一个或一个以上的紧急停止按钮28以及一个或一个以上的安全门开关30的状态信号。另外，安全开关装置还可被设计为连接其它发信号单元，例如光障、光幕、速度传感器等等。

原理性地示出并用参考标号32表示的位置编码器根据新方法在安全开关装置10中得到评估和监视。为简化起见选择作为“外部”单元的位置编码器32的图示。位置编码器32通常布置在安全开关装置10的外壳内部，可在安全开关装置10外壳的一侧接触操作把手(例如旋转控制器)。

图2示出了用于评估和监视位置编码器32的优选示例性实施例。在特别优选的示例性实施例中，位置编码器为具有第一端子34、第二端子36以及可调节分接头38的电位计。电位计具有端子34与36之间规定的总阻抗。第一分阻抗和第二分阻抗40、42(其总和等于总阻抗)可在可调节分接头38上得到测量。

然而，本发明不限于对电位计进行评估。其可应用于这样的电阻器网络以及其它部件或电路元件：其中，总阻抗经由可调节分接头被分为两个(或两个以上的)分阻抗，分阻抗被确定。

电位计32的第一端子34连接到微控制器12的端子A_P1。以同样的方式，电位计32的第二端子36被连接到微控制器14的端子B_P1。微控制器12、14的端子A_P1、B_P1可被微控制器可选择地连接到高电压电位(例如运行电压)或低电压电位(例如地电位)。另外，微控制器的两个端口输入可被切换到高阻抗，其对应于将第一端子或第二端子34、36分别从相关联的微控制器12、14断开(图3和4所示)。

电位计32的分接头38被连接到微控制器12的输入A_IN和微控制器14的输入B_IN。输入A_IN、B_IN允许微控制器检测存在于电位计32的分接头38上的电压。在特别优选的示例性实施例中，每个微控制器12、14包含集成A/D转换器，其将存在于输入A_IN、B_IN上的电压转换为数字值，该数字值于是由微控制器进一步处理。存在于输入A_IN、B_IN上的电压为表示电位计3的分阻抗40、42的测量值。

另外，分接头38也被连接到固定电阻器45的第一端子44，其在这里用作基准阻抗。固定电阻器45的第二端子46经由开关元件48连接到微控制器14的端口B_TEST。因此，电位计32的分接头38与固定电阻器45串联，串联电路经由开关元件48连接到微控制器14的端口B_TEST。作为替代或作为附加的是，串联电路也可连接到微控制器12的对应端口A_TEST(未示出)。

微控制器14能够将地电位施加到端口B_TEST。另外，固定电阻器45和微控制器14之间的连接可经由开关元件48被切换到高阻抗。开关元件48在这里出于说明性目的示出。在优选示例性实施例中，微控制器14能够经由集成开关元件(未示出)将端口B_TEST切换到高阻抗。

图3和4示出了这种用于检查电位计32的新装置的运行原理，同样的参考标号用于表示在各种情况下相同的元件。

为了测试电位计32，微控制器12将例如5V的高电压电位施加到端口A_P1。微控制器14将其端口B_P1切换到高阻抗，其在图3中用从端口B_P1断开的端子36表示。另外，微控制器14将低电压电位(优选为地电位)施加到端口B_TEST。在这种情况下，电位计32的第一分阻抗40与固定电阻器45一起构成电位分割器。分阻抗40两端之间的分电压降可在输入A_IN、B_IN上得到测量。分阻抗40两端之间的这种电压降为分阻抗30的量的量度。

于是，如图4所示，在微控制器12将其端口A_P1切换到高阻抗的同时，电位计32的第二分阻抗42通过向其端口B_P1施加高电压电位(例如5V)的微控制器14确定。电位分割器现在由第二分阻抗42以及固定电阻器45构成。分阻抗42两端之间的电压降可在输入A_IN、B_IN上受到测量。通过累加测量得到的分电压/分阻抗，可以检测电位计32的任何接触误差以及任何漂移误差。另外，电位计32的瞬时位置可由两个分阻抗40、42的已知值进行确定，使得有效性检查成为可能，因为电位计32的控制位置也可通过下面介绍的方式的测量找到。最后，这种测试方案还可用于检测微控制器12、14的所述端口的固定误差。

电位计32的控制位置可在图2所示的布置中通过将端口B_TEST切换到高阻抗(将元件48切换为断开)、将例如5V的高电压电位施加到微控制器12的端口A_P1、将例如地电位的低电压电位施加到微控制器14的端口B_P1进行测量。端口A_P1、B_P1上的电压电位也可交换。在两种情况下，电压位于电位计32两端之间，分接头38构成分压器。电位计32的控制位置可通过读取分接头38上存在的分电压进行测量。

如同相关领域技术人员将会容易地理解的那样，用于对电位计32进行故障安全评估的当前电路也可以以到微控制器12、14的不同的供电电压运行。由于多种冗余性，这使得特别高水平的故障安全可靠性成为可能。另外，这一示例性实施例具有这样的优点：电位计32的控制位置不依赖于电位计的特定阻抗值，也不依赖于电位计的弧触点(wiper contact)电阻或固定电阻器45的值和公差，也不依赖于供电电压。另外，分接头38上存在的分电压随着控制位置的变化线性变化，故多个控制位置可用电位计32的整个运行范围上的同样的精度识别。

在已经使用用于评估和监视发信号装置的冗余微控制器的安全开关装置中，这里介绍的包含两个微控制器的实施方式是优选的。附加部件成本是很小的。然而，原理上，本发明还可使用仅仅一个微控制器(或另一“单通道”评估单元)通过循序测量第一测量值和第二测量值和/或经由所述一个评估单元的不同端口输入实现。

图5示出了另一示例性实施例，其中，同样的参考标号表示与上面相同的元件。在这种情况下，三个电位计P1、P2、P3通过它们的第一与第二端子连接在微控制器12、14的对应端口之间。使得三个电位计的分接头38a、38b、38c在节点上在一起，并以上面介绍的方式连接到两个微控制器12、14的输入A_IN、B_IN，并经由固定电阻器45连接到端口B_TEST。多个电位计P1、P2、P3可以上面介绍的方式使用这样的布置进行评估和监视。根据替代性s示例性实施例，另外的两个电阻器在图5中被示为分接头38a、38b、38c和微控制器12、14的输入A_IN、B_IN之间的连接线。这些电阻器在这里被用于解耦合，但在其他示例性实施例中可省略。

图6示出了用于位置编码器(又一次地，例如电位计32)的故障安全评估的布置的另一示例性实施例。同样的参考标号表示与上面相同的元件。在图6所示示例性实施例中，电位计32的端子34、36位于微控制器12、14的端口A_P1、B_P1之间。分接头38与微控制器12、14的两个输入A_IN、B_IN并联连接。与前面的示例性实施例不同，使用两个固定电阻器54、56，电阻器54位于电位计32的第一端子34与微控制器12的端口A_P1之间，第二电阻器56位于电位计32的第二端子36与微控制器14的端口B_P1之间。在微控制器12、14具有不同的供电电压的情况下，借助电阻器54、56，可以避免向具有较低供电电压的微控制器给予超过其供电电压的电压电位。两个电阻器54、56优选为具有相等的值，故当电位计32位于其中间位置时分接头38上的电压确切地为施加在串联电路32、54、56上的电压的一半。电位计32的分阻抗可通过交替切换端口输出A_P1、B_P1上的电位确定，用于检查电位计32的运行的有效性检查是可行的。

图7示出了一示例性实施例，其中，电位计32的端子34、36位于微控制器12、14的输入A_IN、B_IN之间。分接头38与端口A_P1、AP2并联连接。另外，端子34经由电阻器58连接到地，端子36经由电阻器60连接到地。在这种情况下，交替变化的电压电位可通过在另一个微控制器输出高电位时将其端口切换到高阻抗的微控制器12、14中的一个被提供到分接头38。

图8所示的示例性实施例等同于图7所示的示例性实施例，除了固定电位Vcc被施加到分接头38以外。在后面的两个示例性实施例中，微控制器分别测量电位计32上的相反的分电压，其对应于相应的分阻抗。