專利名稱：電子安全裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子安全裝置，其包括用于對電消耗器進行關(guān)斷和/或電流消耗限制的開關(guān)元件，以及本發(fā)明涉及一種用于運行這樣的電子安全裝置的方法。
背景技術(shù)：
電安全裝置廣泛地應(yīng)用于電設(shè)備內(nèi)的故障情況可能導(dǎo)致對人和/或機器的危害的地方。尤其是在工業(yè)設(shè)備中，常見的是使用電子安全裝置。在此，常常借助于一個供電裝置來向多個負載分支供電。每個負載分支包括一個或多個消耗器，其中一般借助于在所述供電裝置的相應(yīng)輸出端處的電子安全裝置來保護這些負載分支中的每一個。在故障情況下，通過負載分支的電流受到限制，并且在存在持續(xù)的故障時關(guān)斷所涉及的負載分支。電子安全裝置的限制電流的功能在此相對于常規(guī)的安全裝置提供這樣的優(yōu)點，即在正常運行下 必要時也可以限制消耗器的接通電流。隨著越來越多地使用開關(guān)電源件作為供電裝置，電子安全裝置越來越普遍，其中所述開關(guān)電源件具有精確的電流限制并且用于明確地識別有故障的消耗器。饋電電壓的擾動在消耗器短路的情況下得到防止，所通過的方式是借助于電安全裝置主動限制短路電流。除了保護每個負載分支以外，常常存在暫時關(guān)斷各個負載分支的需求。原因例如是需要進行維護工作或者單純是電流節(jié)約措施。但是在大多數(shù)情況下，這涉及對不同消耗器(例如電磁閥、接觸器線圈、伺服電動機等)的按照運行的操控。在電流節(jié)約措施的情況下，如果不需要相應(yīng)的設(shè)備件，則關(guān)斷各個負載分支。在此要注意的是，整個設(shè)備和各個設(shè)備件的運行狀態(tài)總是明確定義的，以便隨時確保無摩擦的起動。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，對于關(guān)斷和接通各個負載分支使用繼電器或接觸器。由電容消耗器造成的高的接通電流可能損壞或破壞繼電器或接觸器。因此合理的是，將這樣的開關(guān)繼電器連接在電子安全裝置之后。電子安全裝置于是用作監(jiān)控單元，并且以這樣的方式運行，即在接通過程中限制電流沖擊。在此，在電流再次下降到允許的最高極限以下之前，電子安全裝置一直以線性運行方式工作。由于該接通電流限制，可以使用規(guī)格被確定得較小的開關(guān)繼電器，并且開關(guān)觸頭的壽命顯著提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的任務(wù)是，對從現(xiàn)有技術(shù)中已知的、尤其是用于在工業(yè)設(shè)備中使用的電子安全裝置進行擴展。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)用根據(jù)權(quán)利要求I的方法和根據(jù)權(quán)利要求11的電子安全裝置來解決。通過電子安全裝置的本發(fā)明實施方式和用于運行該安全裝置的本發(fā)明方法，在電設(shè)備中取消了為遠程控制的開關(guān)過程設(shè)置自己的繼電器的必要性。此外，多個安全通道在一個安全設(shè)備中的組合導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)的小的布線成本。在此，經(jīng)由遠程控制接口來接收用于開關(guān)元件的控制命令，并且僅當該開關(guān)元件的熱負荷位于允許的范圍內(nèi)時，該開關(guān)元件才被接通或關(guān)斷。通過這種方式可以將電子安全裝置本身用于接通和關(guān)斷各個負載分支。對熱負荷進行考慮，因為僅一個開關(guān)被設(shè)置用于實施遠程開關(guān)命令并且必要時用于電流限制。進行開關(guān)的繼電器的過高開關(guān)頻率的問題得到克服。例如由于編程錯誤而導(dǎo)致的過高的開關(guān)順序不再導(dǎo)致繼電器觸頭的磨損或者電子安全裝置的突然關(guān)斷。在工業(yè)設(shè)備內(nèi)通常設(shè)置有中央設(shè)備控制裝置。該中央設(shè)備控制裝置經(jīng)由遠程控制接口控制電子安全裝置的開關(guān)功能。僅在允許的熱條件下實施開關(guān)命令的限制防止了對電 子安全裝置的損壞。尤其是在工業(yè)設(shè)備中，這種情形被賦予重要的意義，因為安全裝置的失效可能意味著整個設(shè)備的停工。因此，在電子安全裝置的許多應(yīng)用領(lǐng)域中，巨大的價值被放到失效安全性上。在本發(fā)明的一種擴展中，當開關(guān)命令未被轉(zhuǎn)化時生成報告信號。因此，向中央設(shè)備控制裝置給出反饋可能性。這防止了，由于在熱上不利的情況，未被執(zhí)行的遠程開關(guān)命令導(dǎo)致設(shè)備的失靈。另一改善規(guī)定，在每一個開關(guān)過程之后生成確認信號。該確認信號到設(shè)備控制裝置的傳輸提高了該設(shè)備的運轉(zhuǎn)安全性。尤其是在復(fù)雜的設(shè)備中，關(guān)于各個負載分支的運行狀態(tài)的認識是很重要的，以便確保整個設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。錯誤查找也更容易，因為借助于中央設(shè)備控制裝置能自動化地執(zhí)行錯誤確定。當在一個開關(guān)過程之后或在多個開關(guān)過程之后預(yù)先給定鎖定持續(xù)時間時一在該鎖定持續(xù)時間期間不能執(zhí)行另外的開關(guān)過程，得出本發(fā)明的一種簡單的實施方式。鎖定持續(xù)時間的長度被選擇為，使得在所有可能的運行狀態(tài)中，安全裝置部件的允許的熱負荷不被超過。作為鎖定持續(xù)時間的預(yù)先給定，使用開關(guān)元件的所需的冷卻持續(xù)時間加上安全時間間隔。通過這種方式確保了，進行足夠的冷卻并且新的開關(guān)過程不導(dǎo)致該開關(guān)元件的熱負荷離開允許的范圍。當在接通負載分支時電子安全裝置的開關(guān)元件必須將其熱容量的大部分用于在電流限制運行中接通消耗器或者關(guān)斷具有被空轉(zhuǎn)電路加負荷的大電感時，臨界狀態(tài)可能出現(xiàn)。一種簡化的實施方式規(guī)定，確定開關(guān)元件的熱負荷，并且當熱負荷達到臨界極限時不執(zhí)行開關(guān)過程。對開關(guān)過程的阻止取決于開關(guān)元件的實際的熱負荷。通過簡單的方式，熱負荷的確定通過測量開關(guān)元件的溫度來進行。當由所計算的開關(guān)元件的開關(guān)能量損耗和/或傳輸損耗確定熱負荷時，這樣的物理測量過程是不需要的。如果電子安全裝置處于線性運行中，也就是處于限制電流的運行狀態(tài)中，則首先確定在該線性運行中的停留時間。除了該停留時間之外，還使用所設(shè)定的安全限制電流來大概地計算開關(guān)能量損耗。對于更準確的計算來說合理的是，附加地確定在開關(guān)元件處降落的電壓。通過對所述參數(shù)中的至少一個形成積分，可以推斷出電子安全裝置的開關(guān)元件的熱滿負荷。如果測量在開關(guān)元件處降落的電壓和流經(jīng)該開關(guān)元件的電流，則對開關(guān)元件的損耗的計算還更精確地進行。利用該方法檢測所有在開關(guān)元件中產(chǎn)生的損耗，既有開關(guān)能量損耗也有在正常運行中出現(xiàn)的傳輸損耗。
有利地，依據(jù)所確定的熱負荷預(yù)先給定冷卻時間，在該冷卻時間期間不執(zhí)行開關(guān)過程。在此例如將熱冷卻作為數(shù)學(xué)函數(shù)保存在電子安全裝置的控制裝置中。弱的負荷不導(dǎo)致冷卻時間或者導(dǎo)致短的冷卻時間，而強的熱負荷導(dǎo)致較長的冷卻時間。在一種特別的實施方式中，經(jīng)由遠程控制接口傳送二進制信號。于是例如借助于簡單的二進制狀態(tài)來進行電子安全裝置與上級的設(shè)備控制裝置的通信。在此，為每個功能在電子安全裝置與設(shè)備控制裝置之間設(shè)置一個電纜。替代于此地可以經(jīng) 由電報和二進制狀態(tài)進行所述通信，由此多個信號或功能可經(jīng)由唯一的線路傳輸。尤其是在一個安全設(shè)備中存在多個安全通道的情況下，通過對電報形式的信令進行集束，顯著減少了布線成本。電報傳輸此外允許附加功能，即借助于上級的設(shè)備控制裝置可預(yù)先給定電子安 全裝置的安全觸發(fā)值。通過這種方式，可以從中央控制臺對設(shè)備進行精調(diào)(nachtri_en)。本發(fā)明的電子安全裝置包括控制電子裝置和開關(guān)元件，其中設(shè)置用于接收用于所述開關(guān)元件的控制命令的遠程控制接口，并且其中僅當開關(guān)元件的熱負荷位于允許的范圍內(nèi)時，控制電子裝置才操控所述開關(guān)元件。在本發(fā)明的一種實現(xiàn)方式中，設(shè)置限時元件，借助于該限時元件設(shè)定鎖定持續(xù)時間，在該鎖定持續(xù)時間期間不能執(zhí)行另外的開關(guān)過程。此外有利的是，電子安全裝置被設(shè)計用于確定開關(guān)元件的熱負荷。因為電子安全裝置一般無論如何都包括微控制器，因此有利的是，該微控制器被設(shè)置用于計算開關(guān)能量損耗。最后有利的是，設(shè)置操作元件，借助于該操作元件能人工調(diào)用電子安全裝置的至少一種功能。這尤其是對于維護工作和運轉(zhuǎn)目的來說是合理的。另一種構(gòu)型規(guī)定，并排設(shè)置的電子安全裝置彼此按照所謂的雛菊鏈方法連接。因此，每個安全裝置或者多個組合成組的安全裝置具有通信輸入端和通信輸出端。設(shè)備控制裝置的信號被傳輸給安全裝置或安全裝置組并且在安全裝置與安全裝置之間轉(zhuǎn)發(fā)。同樣地，消息經(jīng)由安全裝置或安全裝置組傳輸給中央設(shè)備控制裝置。由此可以更換損壞的安全裝置，而無需改變程序或地址。
具體實施例方式下面詳細闡述本發(fā)明。在大多數(shù)自動化設(shè)備中，對于設(shè)備控制裝置及其外圍設(shè)備的供電使用直流電壓。許多年以來，24V直流電壓的世界范圍的標準被建立起來并且正在使用。該電壓作為控制電壓提供。在一些設(shè)備中，該控制電壓也可以是230V AC電壓或者任意的其他電壓。AC電壓的頻率在此可特定于設(shè)備地設(shè)定。本發(fā)明涉及非常不同的供電系統(tǒng)，但尤其是涉及用于直流電壓系統(tǒng)的安全裝置，因為直流電壓系統(tǒng)是最經(jīng)常出現(xiàn)的。下面首先參照24V DC配電系統(tǒng)。一般，在工業(yè)設(shè)備中使用由230V或400V供電電壓產(chǎn)生24V DC控制電壓的供電裝置。這些供電裝置可以未經(jīng)調(diào)節(jié)地(大多是具有整流器的50Hz變壓器)或者經(jīng)調(diào)節(jié)地(大多是以脈沖方式工作的電源件)實施。對工業(yè)設(shè)備的控制借助于中央控制裝置、例如Siemens公司的SIMATIC來進行。尤其是當上級的設(shè)備控制裝置與本發(fā)明的安全裝置連接以接入或斷開相應(yīng)的負載分支時，本發(fā)明的優(yōu)點顯現(xiàn)出來。
對于開關(guān)命令的傳輸，可以使用已知的標準解決方案。例如，借助于自己的線路來將電安全裝置的傳輸通道與上級的設(shè)備控制裝置的數(shù)字輸出端連接。傳送簡單的輸入輸出信號，或者借助于電報調(diào)用多通道電子安全裝置的經(jīng)定義的各個開關(guān)通道。該電子安全裝置也可以經(jīng)由任意的標準化的數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)(例如Profinet)連接。尤其是接入負載分支、也就是接通相應(yīng)的消耗器，導(dǎo)致電子安全裝置內(nèi)的開關(guān)元件的熱負荷。該負荷的大小取決于相應(yīng)的消耗器的特性。當涉及具有高電容分量的消耗器時，接通電流是特別大的。在閉合開關(guān)元件時，電流僅再受到線路和接線柱的寄生電阻、供電裝置的輸出端電容器的內(nèi)電阻以及消耗器電容器的內(nèi)電阻的限制。
尤其是當消耗器具有明顯高于持續(xù)運行電流的起動電流時，產(chǎn)生開關(guān)元件的大量負荷。在沒有適當措施的情況下，這可能導(dǎo)致饋電的供電裝置的過載并且接下來進一步導(dǎo)致供電電壓的不允許的擾動。電安全裝置因此被設(shè)計用于線性的電流限制。消耗器電流在此被限制到預(yù)先給定的最大值。在開關(guān)元件中，在這樣的線性運行期間可出現(xiàn)大量的損耗功率。這種類型的消耗器例如是白熾燈、用于使物質(zhì)加速的伺服電動機、或者DC/DC轉(zhuǎn)換器，它們在輸入端電容器充電期間和在輸出端電容器充電期間消耗高電流。具有本身非線性的起動電流的消耗器因此導(dǎo)致開關(guān)元件的在時間上限制到起動過程的附加負荷。開關(guān)元件有利地被構(gòu)造為功率晶體管。一種替換方案是具有橋接的機械觸頭的功率電阻的分級網(wǎng)絡(luò)。在任何情況下，該開關(guān)元件或多個開關(guān)元件必須能夠無級地或者分級地限制輸出端處的電流。一般應(yīng)考慮這樣的消耗器，所述消耗器由于電容分量而在開關(guān)元件處引起高的接通電流或者由于電感分量而在開關(guān)元件處引起高的關(guān)斷電壓。如果開關(guān)元件開關(guān)這樣的消耗器，則開關(guān)元件的熱負荷出現(xiàn)，所述熱負荷需要兩個開關(guān)過程之間的必要的冷卻時間。所述冷卻時間的持續(xù)時間一方面由出現(xiàn)的熱負荷確定并且另一方面由開關(guān)元件的規(guī)格以及冷卻條件來確定。熱負荷可以由開關(guān)損耗和傳輸損耗確定，開關(guān)元件的熱負荷能力和冷卻條件通過電子安全裝置的構(gòu)造形式和實現(xiàn)方式預(yù)先給定。從必要的冷卻時間中得出可以用于開關(guān)消耗器或負載分支的最大頻率。為了將開關(guān)元件的熱負荷保持在允許的范圍內(nèi)，當設(shè)備控制裝置可能過于頻繁地接通和關(guān)斷消耗器時，根據(jù)本發(fā)明阻止遠程開關(guān)命令。尤其是在具有專用控制裝置的復(fù)雜設(shè)備的情況下，假設(shè)這種情況頻繁發(fā)生。此外，在設(shè)備構(gòu)造中短的規(guī)劃時間是規(guī)則，由此不總是能對所有負荷進行詳細計算以及由此不總是能對所有開關(guān)元件進行可靠的規(guī)格確定。在最簡單的情況下，向安全裝置中現(xiàn)有的控制電子裝置(例如微控制器)預(yù)先給定開關(guān)頻率的固定限制。因此，在兩個換向操作之間固定的最小冷卻時間必然消失。如果在相應(yīng)的鎖定持續(xù)時間期間接收到開關(guān)命令，則控制電子裝置阻止該命令并且將這報告給上級的設(shè)備控制裝置。電子安全裝置在此必要時被設(shè)計為，使得所阻止的開關(guān)命令稍后在鎖定時間到期之后被實施。在一些設(shè)備配置中還可以是合理的是，根本不實施所阻止的開關(guān)命令并且將這報告給上級控制裝置。另一實施方式規(guī)定，每時間單位的開關(guān)過程數(shù)目受到限制。如果遵循相應(yīng)長的冷卻時間，則開關(guān)過程的頻繁發(fā)生被接受。在此，開關(guān)元件的熱時間常數(shù)例如保存在計算算法中。熱負荷以簡單的方式由安全裝置的開關(guān)時間和最大允許的限制電流導(dǎo)出。在用于確定最大允許的開關(guān)頻率的有利方法中，開關(guān)元件的溫度被用作熱儲備的度量。這需要對開關(guān)元件的溫度進行測量。如果開關(guān)元件的損耗功率借助于歐姆電阻分布，則這些電阻也必須受到熱監(jiān)控。作為開關(guān)元件，有利地使用具有裝入的熱信令的功率晶體管(例如Infineon公司的Tempfet)。在定義的極限溫度下，附加地觸發(fā)裝入的晶閘管，由此在功率半導(dǎo)體外部引起分壓器的可檢測的變化。電子安全裝置在此被設(shè)計為使得開關(guān)命令在達到極限溫度時被阻止。為了更好地確定開關(guān)元件的損耗功率，測量限制時間，在該限制時間期間開關(guān)元件在消耗器的接通或關(guān)斷過程時以線性運行方式工作。假設(shè)在該線性運行期間存在消耗器電壓的持續(xù)升高或降低，則從該限制時間中得出每開關(guān)過程的最大可能的損耗能量。對開關(guān)元件的熱狀態(tài)的確定借助于熱時間常數(shù)來確定，該熱時間常數(shù)是已知的或者可通過簡單的嘗試來確定。因此為每一個消耗器確定自己的最大開關(guān)頻率并且將該最大開關(guān)頻率作為極限值向控制電子裝置預(yù)先給定。 另一改善通過按照以下方式確定開關(guān)元件處實際出現(xiàn)的損耗來得出，即隨著時間測量通過開關(guān)元件的電流和施加在開關(guān)元件處的電壓。由此可以幾乎精確地計算出熱狀況并且電子安全裝置的效率可以提高。在此適宜的是，在每個接通或關(guān)斷過程中盡可能準確地確定損耗功率并且計入到對熱狀況的計算中。由此在換向操作相繼立即出現(xiàn)的情況下利用功率件的熱容量并且僅在有威脅性的過載時抑制對另外的開關(guān)命令的接收。
權(quán)利要求
1.一種用于運行電子安全裝置的方法，所述電子安全裝置包括用于對電消耗器進行關(guān)斷和/或電流消耗限制的開關(guān)元件，其特征在于，經(jīng)由遠程控制接口接收用于所述開關(guān)元件的控制命令，并且僅當所述開關(guān)元件的熱負荷位于允許的范圍內(nèi)時，所述開關(guān)元件才被接通或關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其特征在于，當開關(guān)命令不被轉(zhuǎn)化時生成報告信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其特征在于，在每個開關(guān)過程之后生成確認信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之一的方法，其特征在于，在一個開關(guān)過程或者多個開關(guān)過程之后預(yù)先給出鎖定持續(xù)時間，在該鎖定持續(xù)時間期間不能執(zhí)行另外的開關(guān)過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3之一的方法，其特征在于，確定所述開關(guān)元件的熱負荷，并且當該熱負荷達到臨界極限時不執(zhí)行開關(guān)過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，通過測量所述開關(guān)元件的溫度確定所述熱負荷。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，由所計算的所述開關(guān)元件的開關(guān)能量損耗和/或傳輸損耗確定所述熱負荷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，測量在所述開關(guān)元件處降落的電壓和流經(jīng)所述開關(guān)元件的電流，并且從這些測量值中計算出所述開關(guān)元件的損耗。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8之一的方法，其特征在于，依據(jù)所確定的熱負荷預(yù)先給定冷卻時間，在該冷卻時間期間不執(zhí)行開關(guān)過程。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9之一的方法，其特征在于，經(jīng)由遠程控制接口傳送二進制信號。
11.一種電子安全裝置，包括控制電子裝置和開關(guān)元件，其特征在于，設(shè)置用于接收用于所述開關(guān)元件的控制命令的遠程控制接口，并且僅當所述開關(guān)元件的熱負荷位于允許的范圍內(nèi)時，所述控制電子裝置才操控所述開關(guān)元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電子安全裝置，其特征在于，設(shè)置限時元件，借助于該限時元件設(shè)定鎖定持續(xù)時間，在該鎖定持續(xù)時間期間不能執(zhí)行另外的開關(guān)過程。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的電子安全裝置，其特征在于，所述電子安全裝置被設(shè)計用于確定所述開關(guān)元件的熱負荷。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電子安全裝置，其特征在于，設(shè)置用于計算開關(guān)能量損耗的微控制器。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14之一的電子安全裝置，其特征在于，設(shè)置操作元件，借助該操作元件能人工調(diào)用所述電子安全裝置的至少一種功能。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15之一的電子安全裝置，其特征在于，所述遠程控制接口被設(shè)計用于連接到雛菊鏈通信連接，使得用于多個安全裝置或來自多個安全裝置的開關(guān)命令和報告能被轉(zhuǎn)發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電子安全裝置，包括用于對電消耗器進行關(guān)斷和/或電流消耗限制的開關(guān)元件，其中經(jīng)由遠程控制接口接收用于所述開關(guān)元件的控制命令，并且其中僅當所述開關(guān)元件的熱負荷位于允許的范圍內(nèi)時，所述開關(guān)元件才被接通或關(guān)斷。此外，本發(fā)明涉及一種用于運行這樣的電子安全裝置的方法。由此，在電設(shè)備中取消了為遠程控制的開關(guān)過程設(shè)置自己的繼電器的必要性。
文檔編號H03K17/082GK102771050SQ201180011795
公開日2012年11月7日 申請日期2011年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者A.施內(nèi)德, A.赫梅爾, D.胡布里茨, H.施維格特 申請人:西門子公司