用于失效保护地断开电气负载的安全切换装置

摘要

一种用于失效保护地断开电气负载的安全切换装置，其具有用于供给第一和第二信号的第一和第二端子(36，38)。该安全切换装置还具有一起设计成产生用于断开负载的冗余输出切换信号的第一和第二切换元件(K1，K2)。第一切换元件(K1)具有被供给第一信号的第一控制电路(56)。第二切换元件(K2)具有被供给第二信号的第二控制电路(58)。根据本发明的一方面，该安全切换装置还包括具有第一电流路径(90，74，58，84，78)、可替选的第二电流路径(72，58，84，76，92)和至少一个其它切换元件(72－78，90，92)的电路，其中该至少一个其它切换元件设计成依赖于第二信号的极性而连接第一或第二电流路径，以便将第二信号路由到第二控制电路(58)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种尤其在自动工作设备中的用于失效保护地断开电气负载的安全切换装置，其包括用于供给第一和第二信号的第一和第二端子，并且包括一起设计成产生用于断开负载的冗余输出切换信号的第一和第二切换元件，其中第一切换元件具有被供给第一信号的第一控制电路，并且其中第二切换元件具有被供给第二信号的第二控制电路。

背景技术

例如从DE 44 23 704 C1中可了解这种安全切换装置。另外，本发明的申请人销售商标名为例如PNOZ X8P形式的这类安全切换装置。

依据本发明的安全切换装置用来在必要时以失效保护方式断开危险的机器或设备以便保护人。安全切换装置通常监视利用紧急关断按钮、防护门开关、光障、光栅或其它安全信令装置生成的信号。安全切换装置设计成根据或依赖于这些信号来截断连到被监视机器或设备的供电路径。

依赖于机器或设备的危险可能性，存在不同的安全等级，这些安全等级规定了安全切换装置为特定应用需要满足哪些要求。例如，欧洲标准EN 954-1定义了四个安全等级，其中等级4在安全切换装置的固有失效保护方面强加最高的安全要求。遵从等级4的装置通常设计有多通道冗余。在此情况下，信号也必须是多通道冗余形式的，即它们必须包括具有相关信息内容的至少第一和第二信号。

另外，等级4要求安全切换装置识别传输这些信号的信号线上的短路，因为短路意味着丧失单故障安全性。然而，对于低于等级4的应用，可以免除短路识别，这简化了安全切换装置的布线并使得安装较为廉价。

开始时引述的安全切换装置PNOZ X8P可以在有短路识别或无短路识别的情况下使用，在这两种情况下，用于供给这些信号的信号线的接线是不同的。对于有短路识别的应用，信令装置的第二通道(其产生第二信号)必须连接到与无短路识别的应用的情况相比不同的端子。为了允许灵活的应用，已知安全切换装置因此需要相对大数目的连接端子。

开始时引述的DE 44 23 704 C1公开了一种安全切换装置，其中第一信号经由第一端子被供给到第一切换元件的控制电路，而第二信号经由第二端子被路由到第二切换元件的控制电路。由于两个切换元件的控制电路进一步连接到公共地电位，且所述信号具有相对于公共地电位的正和负信号电平，因而可以识别两个信号之间的短路。

然而，此已知安全切换装置不允许在无短路识别的情况下工作，因此其在应用多样性方面受到限制。此外，此已知安全切换装置需要AC供电，这也限制了应用机会。

发明内容

对照此背景，本发明的一个目的是提供开始时提到的类型的安全切换装置，其提供灵活的应用选项并且可被容纳在紧凑和小的安装空间内。

根据本发明的一方面，此目的通过开始时引述的、并且还包括如下电路的类型的安全切换装置来实现，该电路具有第一电流路径、可替选的第二电流路径和至少一个其它切换元件，其中该至少一个其它切换元件设计成依赖于第二信号的极性而连接第一或第二电流路径，以便将第二信号路由到第二控制电路。

该新型安全切换装置由此具有优选地至少部分地布置在第二端子和第二控制电路之间的至少两个可替选电流路径。这允许安全切换装置的第二端子上的信号被不同地路由到第二控制电路。由于在该至少两个可替选电流路径之间的选择依赖于第二端子上的信号的极性，所以该新型安全切换装置能够处理第二端子上的不同极性的信号。换言之，可在第二端子上供给不同极性的信号。依赖于所使用的极性，可以进行有或无短路识别的布线，但在两种情况下经由相同的连接端子供给信号。

因此，与开始时提到的申请人的安全切换装置相比，该新型安全切换装置可用较少数目的连接端子来实现。相应地，其亦可以较小的装置外壳来实现，因为所需连接端子的数目决定了物理尺寸。该新型安全切换装置的节省端子的实现因此允许在不限制应用灵活性的情况下减少安装空间。上述目标因此得以完全实现。

另外，该新型安全切换装置允许很简单和廉价的实现方式，因为信号可直接用于激活或去激活切换元件。换言之，来自信令装置的信号可为接通和/或关断切换元件供电，这在本发明的诸示例实施例中的确是较佳的。因此，来自信令装置的信号的丢失直接导致相关联的切换元件被关断并因此导致被监视的电气负载被断开。

该新型安全切换装置因此可很廉价地实现，其尤其适合于仅需要监视少量安全功能的“小”应用。

在一个优选的细化中，该电路包括构成桥式整流器的多个第一其它切换元件。优选地，所述第一其它切换元件是二极管，这意味着用于对第二信号进行整流的二极管桥被包括。

此细化是无论信号极性如何都向第二控制电路供电的一种很廉价的方式。此外，此细化允许减少所需部件的数目，因为带极性的部件(比如向第二控制电路供电和监视第二控制电路所常常需要的电解电容器或光电耦合器)每个仅需提供一次。

在进一步的细化中，桥式整流器具有第一和第二桥端子，第二控制电路布置在第一和第二桥端子之间。

在此细化中，第二控制电路位于桥式整流器的桥路径中。此细化允许很简单和廉价的实现方式。

在进一步的细化中，桥式整流器具有第三和第四桥端子，其中第三桥端子耦接到第二端子，并且其中第四端子连接到规定的参考电位。在此情况下，参考电位可以是固定的或可变的参考电位，比如可切换的电位。

此细化依赖于安全切换装置的第二端子的信号而提供规定的流过桥式整流器的电流。依赖于第二信号的极性，在桥式整流器内能传导不同的电流路径，这些电流路径由桥式整流器中的切换元件(二极管)来切换。另外，此细化亦提供对第二信号的信号电平的至少粗略的监视，因为仅当参考电位和第二信号之间存在规定的电位差时才可能有足够的电流流过桥式整流器的路径。此细化因此是提供额外安全性的简单和廉价的实现方式。

在进一步的细化中，第二信号在高的第一和低的第二信号电平之间交替改变，其中规定的参考电位大致在第一和第二信号电平的中间。在此细化中，所述信号电平之一亦可以是第二端子上的高阻抗、不使用的状态。

此细化提供了对于不同极性的两个信号自动操作该新型安全切换装置的简单方式。用户(比如将该新型安全切换装置连接在机器或设备中的安装人员)只需将传输第二信号的信号线连接到第二端子即可。无需进一步适应于工作模式(有或无短路识别)，此细化的新型安全切换装置就可被启动。此细化因此对于用户来说是很方便的。

在进一步的细化中，该电路包括设计成将第二控制电路连接到第一或第二工作电位的至少一个第二其它切换元件。优选地，第一和第二工作电位是固定电位。在一个特别优选的实施例中，第一工作电位是DC工作电压，而第二工作电位是地。

另外，优选的是，该电路在半桥布置中具有至少两个晶体管(作为第二其它切换元件)，这些晶体管被布置在安全切换装置的内部工作电压和地之间。

对于这些细化，特别优选的是，信号亦在工作电压和地之间交替改变，其中工作电压代表安全状态。通过将第二控制电路(依赖于第二信号的极性)连接到第一或第二工作电位，该控制电路可无论第二信号的极性如何在每种情况下都以相同方式工作。该控制电路可独立于所选工作模式而工作，且该控制电路在每种情况下都设有最大切换功率，这确保该新型安全切换装置很可靠地工作。另外，此细化需要很少的内部电位，这有助于进行失效保护设计。

在进一步的细化中，该新型安全切换装置包括控制单元，该控制单元设计成将第二控制电路交替连接到第一或第二工作电位，直到可在第二控制电路中检测到电流时为止。

在此细化中，该新型安全切换装置亦可自动地自适应于第二端子上的信号，因为第二控制电路中的电流表明第二其它切换元件的相关切换位置是用于评估所施加的第二信号的“正确”切换位置。因此，此细化对用户来说也是很方便的方案，其简化了该新型切换装置的安装。

优选地，此细化还包括电流检测器，该电流检测器连接到第二控制电路以便检测第二控制电路中的电流，该电流检测器然后耦接到控制单元。

在进一步的细化中，该新型安全切换装置包括设计成一旦在第二控制电路中检测到电流就禁用控制单元的使能单元。

此细化允许第一和第二切换元件被用作“故障存储器”，因为当在第二控制电路中检测到电流后，第二切换元件的切换位置不能由控制单元再次改变。因此，此细化有助于设计特别简单和廉价的安全切换装置。

在进一步的细化中，安全切换装置包括具有至少两个控制位置的控制元件，其中该控制元件可工作地耦接到至少一个第二其它切换元件，以便将第二控制电路连接到第一或第二工作电位。优选地，该控制元件设计成由人工操作。

在此细化中，用户具有这样的选项：有选择地设置第二信号的“类型”。此细化因此无需上述各变种的优点：安全切换装置自动识别第二信号的类型。另一方面，本细化具有这样的优点：单极和两极信号都可被正确处理。单极信号是在规定的电位和高阻抗态之间交替改变的信号。通常，单极信号由接触式信令装置如紧急关断按钮产生。两极信号在高电位和低电位之间、例如在24V和0V(地)之间交替改变。这样的信号通常由光障和具有半导体输出的其它信令装置供给。本细化增加了应用该新型安全切换装置的机会。这降低了制造和存储成本。

在进一步的细化中，至少第二切换元件是电动机械切换元件，优选为不带极性的电动机械切换元件。

此细化是有利的，因为电动机械切换元件提供了用于断开负载的浮动输出切换信号。此类型的输出切换信号可用在多种环境中，这意味着该新型安全切换装置的应用范围被扩大。不带极性的电动机械切换元件是有利的，因为控制电流可有效地双向流动。此细化便于实际实施。

当然，上面已提到的特征和下面将要解释的特征不仅能以分别规定的组合来使用，而且在不背离本发明范围的情况下能以其它组合来使用或独立地使用。

附图说明

将在下面的描述中更详细地解释并在附图中图示本发明的示例实施例，在附图中：

图1示出了其中使用了新型安全切换装置的诸示例实施例的自动工作设备的示意图。

图2示出了新型安全切换装置的一个示例实施例的简图。

图3示出了包括根据又一个示例实施例的第二切换元件的简化等效电路图。

图4示出了又一个示例实施例的简化等效电路图。

具体实施方式

在图1中，其中使用了本发明的诸示例实施例的设备整体上用标号10表示。

设备10包括机器人12，机器人12的工作空间通过防护门14来保护。致动器16布置在防护门14上，该致动器与防护门开关18交互。防护门开关18坐落于框架上，防护门14的活动部分当在该框架上时处于关闭状态。举例来说，致动器16可以是仅当防护门14关闭时可与防护门开关18通信的发射应答器。

防护门开关18连接到安全切换装置20，安全切换装置20处理来自防护门开关18的信号。第二安全切换装置22与安全切换装置20串联地布置，紧急关断按钮24作为信令装置连接到第二安全切换装置22。安全切换装置20、22是依据本发明的紧凑的安全切换装置，它们具有由制造商实现的预定范围的功能。然而，从原理上说，本发明亦可用于更复杂的可编程安全控制器。

标号26、28表示两个接触器，这两个接触器的合触点(make contact)被布置在连到机器人12的供电路径中。接触器26、28的控制电路经由安全切换装置20、22被供电，使得安全切换装置20、22都能够经由接触器26、28断开机器人12。为简单起见，未示出控制机器人12的正常操作的操作控制器。

图2示出了关于安全切换装置22的本发明的一个优选示例实施例。相同的标号表示与前面相同的元件。

安全切换装置22具有装置外壳34，外壳34包括用于连接紧急关断按钮24、接触器26、28以及可能的其它信令装置和致动器(这里未示出)的多个装置或连接端子。标号36表示与紧急关断按钮24的第一开触点(break contact)24a相连的第一连接端子。标号38表示与紧急关断按钮24的第二开触点24b相连的第二端子。安全切换装置22由此经由端子36接收依赖于信令触点24a的切换位置的第一信号，并且经由端子38接收依赖于信令触点24b的切换位置的第二信号。

在这里所示实施例中，开触点24a还连接到端子40，端子40例如从该装置内部携带24V的工作电压U_B。当开触点24a闭合时，端子36由此接收工作电压U_B作为信号。当信令触点24a开启(这里未示出)时，端子36“看到”高阻抗态。

在此示例实施例中，开触点24b类似地连接到端子42，端子42从该装置内部接地。相应地，当开触点24b闭合时，端子38连接到装置地。当开触点24b开启时，端子38类似地处于高阻抗态。

在该装置的输出端子40、42上提供被路由经过开触点24a、24b的信号是此类型安全切换装置的一种典型实施方式。然而，本发明不限于此实施方式。与该实施方式不同，端子36、38也可接收利用其它装置、例如利用光障(这里未示出)在外部产生的信号。在此情况下，端子40、42可保持不用。

在所示变体中，安全切换装置22可识别连到紧急关断按钮的信令线之间的短路，因为在安全状态下端子36上的信号对应于工作电压U_B，而在安全状态下第二端子38上的信号对应于地电位。携带信号的信号线之间的短路会导致第一端子36的电位被拉到地，这以下面描述的方式进行检测。

可替选地，安全切换装置22亦可在没有信令线上的短路识别的情况下工作，前提是这根据较低安全等级是可接受的。在此情况下，紧急关断按钮24的第二信令触点24b连接到端子44，如虚线和标号24b′所示。端子44从该装置内部连接到工作电压U_B，使得在安全状态下信令触点24a、24b′都携带工作电压U_B。在此情况下短路识别是不可能的。

作为此例示的可替选方案，第二信令触点24b′也可布置在端子38和40之间，即，信令触点24a、24b′的输入侧连接被并联连接于端子40。此实施方式允许省去端子44以便节省更多安装空间。

另两个端子46、48用于向安全切换装置22提供例如24V的工作电压U_B。提供另两个端子50、52来连接接触器26、28和可能的其它负载。

在所示示例实施例中，安全切换装置22具有彼此串联连接在端子50、52之间的继电器触点的形式的浮动输出。在此情况下，端子50可连接到例如24V的正电位，而接触器26、28可连接到端子52。继电器K1、K2的继电器触点于是可用来向接触器26、28提供电流或用来截断电流。然而，可替选地或另外地，本发明亦可用于具有与特定电位相关的半导体输出的安全切换装置。

继电器K1、K2每个都具有控制电路，该控制电路在图2中用标号56、58表示。在此情况下，控制电路56、58是相应继电器K1、K2的赋能线圈。如图2所示，继电器K1的控制电路(赋能线圈)56的一个端子连接到地，此路径亦包含晶体管60的集电极-发射极路径，微控制器62可使用晶体管60来截断通过赋能线圈56的电流。控制电路56的第二端子经由继电器K1的合触点66和电阻器64路由到端子36。电阻器64是象征性等效电阻，其代表为简单起见这里未示出的其它部件和线路电阻。合触点66实施继电器K1的自锁，这已在本类型的安全切换装置中使用了很多年，因此为本领域的技术人员所知。

总之，来自端子36的信号由此被路由经过继电器K1的控制电路56，且该信号为闩锁继电器K1供电。(为了对继电器K1赋能，可经由启动电路供电，为简单起见这里未示出启动电路。)如果端子36上的信号对应于工作电压U_B，且继电器K1处于自锁状态(合触点66闭合)，则控制电流流过继电器K1的赋能线圈，且继电器K1的工作触点闭合(未示出)。

类似地，继电器K2的控制电路58经由象征性等效电阻68和合触点70(用于自锁)连接到第二端子38。然而，与继电器K1的控制电路56不同，继电器K2的控制电路58在此示例实施例中位于二极管桥中，该二极管桥在桥路中包括四个二极管72、74、76、78。该二极管桥具有第一和第二桥端子80、82，继电器K2的控制电路58和光电耦合器84布置在桥端子80、82之间。在此情况下，光电耦合器84被用作电流检测器，微控制器62可使用光电耦合器84来确定在桥连接80、82之间的桥路径中是否有电流流动。代替光电耦合器，亦可以使用其它元件来检测电流，比如旁路电阻器或霍尔元件。

该二极管桥还具有第三和第四桥端子86、88。第三桥端子86经由电阻器68和合触点70连接到端子38。(可替选地，电阻器68和合触点70亦可布置在二极管桥的桥路径中。)第四桥端子88连接到pnp晶体管90的集电极和npn晶体管92的集电极。晶体管90、92构成布置在工作电压U_B和地之间的半桥。相应地，pnp晶体管90的发射极连接到工作电压U_B，而npn晶体管92的发射极连接到地。晶体管90、92的控制连接(基极)经由使能单元94耦接到微控制器62。

该二极管桥提供了连到继电器K2的控制电路58的第一和可替选的第二电流路径。如果端子38的第二信号如图2所示那样对应于地电位，而且pnp晶体管90接通且npn晶体管92关断，则二极管74、78正向偏置，并且使得电流能够经由pnp晶体管90、第四桥端子88、二极管74、继电器K2的控制电路58、光电耦合器84、二极管78、桥端子86、电阻器68、合触点70和信令触点24b流到地。

与之相比，如果信令触点24b′连接到工作电压U_B，而且晶体管90关断且晶体管92接通，则使得电流能够流经信令触点24b′、合触点70、电阻器68、二极管72、继电器K2的控制电路58、光电耦合器84、二极管76和晶体管92。在这两种情况下，控制电流流过控制电路58，该控制电流导致继电器K2的合触点能够闭合。

因此，二极管72、74、76、78是这样的切换元件：其依赖于端子38上的信号的极性而构成连到继电器K2的控制电路58的不同电流路径。另外，晶体管90、92是这样的切换元件：其可由微控制器62用来以有选择的方式激活和去激活所述不同电流路径。

标号96表示作为可人工致动的控制元件的一个例子的电位计。电位计96的一个端子连接到工作电压U_B而另一个端子连接到地。该电位计的抽头被提供给微控制器62。代替电位计，亦可以在这里使用旋转开关、DIP开关或其它可人工致动的控制元件。微控制器62可根据控制元件96的控制位置来识别想要使安全切换装置22工作的工作模式。

在本实施例中，特别而言，微控制器62识别想要使安全切换装置22在有还是没有端子36、38的信号线之间的短路识别的情况下工作。如果电位计96已被用来选择带有短路识别的工作模式，则微控制器62接通pnp晶体管90并且关断npn晶体管92。这意味着桥端子88连接到工作电压U_B，且当向第二端子38施加地电位(另外，还必须向第一端子36施加工作电压电位以使得继电器K2可赋能，但这为了简单起见而不在这里更详细地示出)时，有电流流过桥路径并流经继电器K2的控制电路58。与之相比，如果电位计96被用来选择在没有信号线上的短路识别的情况下工作的可替选工作模式，则微控制器62关断pnp晶体管90并且接通npn晶体管92。在此情况下，端子38必须被施加工作电压电位，以使得控制电流可流过桥路径并流经继电器K2的控制电路58。

在这里所示示例实施例中，实施端子36、38的信号线之间的短路识别的方式是：微控制器62通过测量(这通过两根测量线98、100以简化方式示出)来记录两个端子36、38的电位。在一个优选实施例中，微控制器62具有经由测量线98、100记录端子36、38的电位的集成A/D转换器。对电位的似真性比较允许识别短路。此类型的短路识别是本申请人的较早德国专利申请DE 10 2005 055 325.7-32的主题，出于进一步解释的目的而将该专利申请通过引用合并于此。

可替选地，比如在开始时提到的安全切换装置PNOZ X8P的情况下，短路识别亦可按传统方式实施。

在图2所示的示例实施例中，分接于端子38的电位还被供给到使能单元94。后面将参照图4更详细地解释使能单元94。在其它示例实施例中，使能单元94可被省去。

最后，新型安全切换装置22的一个优选实施例包括单通道微控制器62。然而，可替选地，亦可以使用如图2中以简化形式示出的两个或更多冗余微控制器62。此外，代替微控制器62，亦可以使用其它逻辑芯片如FPGA或ASIC，或者可完全由利用了本发明的分立部件来构造安全切换装置。

图3以简化等效电路图示出了图2中的实施例的一种修改，该简化等效电路图主要示出了包括第二控制电路的桥式整流器、以及第二信令触点24b/24b′的可替选端子选项。除此以外，相同的标号表示与前面相同的元件。

在图3所示的修改中，信令触点24b或24b′仍连接在二极管桥的桥端子86和工作电压U_B之间、或桥端子86和地之间。然而，在此情况下，相对的桥端子88连接到对应于工作电压U_B的一半的电位。此实施方式允许省去晶体管90、92。

由于桥连接80、82之间的桥路径上总是存在工作电压的一半U_B/2，因此，无需人工倒换，在两种可替选方案中，控制电流均可流经继电器K2的控制电路58。仅二极管72-78依赖于桥端子86上的电位或者布线而连接不同的电流路径，其中任何倒换都自动发生。本发明的此变体由此提供了对所选相应类型布线的自动识别。

图4示出了允许自动识别该类型布线的另一变体。同样，相同的标号表示与前面相同的元件。此变体的内部布线对应于包括两个晶体管90、92的图2中所示方案。如果微控制器62现在使两个晶体管90、92在接通和关断之间切换，则桥端子88被交替施加工作电压U_B或地电位。如果信令触点24b/24b′现在连接到桥端子86，则一旦桥连接86、88处于不同电位，就有控制电流流过桥路径并流经光电耦合器84。微控制器62可使用光电耦合器84识别电流，然后其维持晶体管90、92的最新切换位置。

为了防止微控制器62在连接的信令触点开启后重新启动对信令触点24b/24b′的布线类型的“搜索”，提供了使能单元94(图2)。其呈自锁机构的形式，从而其防止微控制器62在规定的电位在桥端子86上被识别并且/或者电流在桥路径中被识别之后访问晶体管90、92。使能单元94不允许微控制器62再次访问晶体管90、92，直到端子46上不再有工作电压U_B之后安全切换装置22被重新启动时为止。

在另一个示例实施例(这里未示出)中，桥端子88上的电位可被人工倒换以便在桥式整流器的可替选电流路径之间有选择地改变。