专利名称：检验数字输出电路继电器开关触点的电路装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于数字输出电路的电路装置，其具有各继电器的第一和第二开关触点、用于控制这样的电路装置的控制单元，一种由这种电路装置和这种控制单元组成的系统，一种具有这种电路装置的数字输出电路，以及一种用于检验这种电路装置的各继电器的第一和第二开关触点的方法。
背景技术：
出于可靠性技术的理由，对于工业自动化技术中的数字输出电路要求防故障输出，要求对这些输出在其实际接入之前进行接通和断开检验。对于仅为开关电位汇流排之一(例如正电位)的输出，这在加载的情况下将导致一个短暂的单脉冲(所谓的Helltest，亮度检验)。亮度检验的持续时间被限制在最大为1ms，因为否则连接在输出端的继电器可能接通。在利用继电器作为开关的防故障输出中，这种亮度检验是不可能的，因为在此由于较长的开关时间而超过最大亮度检验时间1ms。一般公知的是，在利用继电器作为开关的防故障输出中，可靠性技术功能通过使用至少三个串联的继电器或者使用所谓的安全继电器实现。下面，将概念“保证安全”(sicherheitsgerichtet)相应于DIN V VDE 0801/01.90，“Grundsaetze fuerRechner in Systemen mit Sicherheitsaufgaben”，2.3节使用。其中将概念“保证安全”定义为“系统在发生中断的情况下保持在安全状态或立即过渡到安全状态的能力”。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在不在输出端上造成亮度检验的条件下允许对数字输出电路的继电器开关触点进行检验。
上述技术问题是通过一种用于包括各继电器的第一和第二开关触点的数字输出电路的电路装置解决的，其中，第一开关触点设置在供电电位和与第二开关触点的连接点之间，而第二开关触点设置在该连接点和连接负载的输出点之间，其中，该连接点通过第一电路与供电电位连接，该第一电路具有一个由至少一个第一开关元件和至少一个第一电阻元件组成的串联电路，其中，所述输出点通过第二电路与参考电位连接，该第二电路具有一个由至少一个第二开关元件和至少一个第二电阻元件组成的串联电路，其中，设置了用于确定所述连接点和输出点的电位的装置。
上述技术问题还通过一种用于检验本发明的电路装置的各继电器的第一和第二开关触点的方法解决，其中，利用本发明的控制单元这样控制和分析第一和第二开关元件，使得可以确定开关触点的故障。
按照本发明的电路装置允许在不在输出端上造成亮度检验的条件下对数字输出电路的继电器开关触点进行检验。此外，所提出的技术方案与上述公知的技术方案相比还节省空间，因此可以降低造价。因此可以将本发明的电路装置在更小的外壳中实现。
按照本发明的一种优选的实施方式，将用于确定电位的装置作为分压器构成。例如实现为串联电阻的分压器是一种电压采集的有利的可能性，其同时提供了这样的优点，即在分压器上可以量取的电压包括用于分析所需要的(最大)值。
按照本发明的另一种优选的实施方式，将开关元件作为半导体开关元件、特别是晶体管构成。半导体开关元件特别简单并且可被迅速控制。
如果这样选择第一电阻元件的电阻值，使得通过第一电路流动的、由供电电位驱动的电流被限制在不超过可以固定的电流强度，则可以实现通过第二开关触点并由此通过可能连接的负载流动可以在该相应小的电流强度上设定的检验电流，其中该检验电流不会造成负载的继电器动作。
对应地，按照本发明的另一种优选的实施方式，可以在检验运行期间如下地防止在输出点上的不希望的高电位这样选择第一和第二电阻元件的电阻值，使得在接通第一和第二开关元件、断开第一开关触点并接通第二开关触点的条件下，在该输出点上的电位不超过一个固定的值。
为了将该电路装置对于电容性负载进行优化，建议将第二电路构造成对于电容性负载的主动放电电路，其中，将第二电阻元件构造为低阻值的放电电阻。
优选地，就该电路装置用于保证安全的数字输出电路，因为可以安全地检验第一和第二开关触点的功能。
本发明建议，尤其作为微控制器构成的控制单元用于控制该电路装置，其中，该控制单元具有用于控制开关元件和开关触点的装置，以及具有分析装置，以便对用于确定连接点和输出点的电位的装置进行分析。
按照本发明的方法使得可以对按照本发明的电路装置的各继电器的第一和第二开关触点进行迅速、可靠和节省能量的检验。本发明建议，在启动输出电路时对继电器触点的开关性能进行检查，其中不出现亮度检验。按照本发明方法的一种优选的实施方式，还建议出现有效信号为零时周期地(特别是每小时一次)进行该所谓的虚拟亮度检验。
优选地，在输出有效信号之前、即在有效信号由零变为一时执行该方法，以便保证不出故障地输出该随后输出的有效信号。为了不必在有效信号由零变为一时执行该动态的电路检验，按照本发明方法的另一种优选的实施方式，如果在最后一次执行虚拟的亮度检验起经过了可以预定的时间，才执行该动态的电路检验。
下面对照附图所示的实施方式对本发明作进一步的描述和说明。图中图1示出按照本发明的电路装置的一种实施方式的示意图，并且图2示出按照本发明的电路装置的一种实施方式。
具体实施例方式
图1示出了一种用于数字输出电路的电路装置的示意图。由在此没有更详细地示出的各继电器的第一和第二开关触点1、2组成的串联电路，被设置在供电电位3和连接负载6的输出点5(例如输出端子)之间。负载6连接在输出点5和参考电位11之间。在供电电位3与第一和第二开关触点1、2的连接点4之间连接了第一电路7，该第一电路7包括一个由电阻元件9和开关元件8组成的串联电路。在输出点5和参考电位11之间连接了第二电路10，该第二电路包括一个由电阻元件13和开关元件12组成的串联电路。此外，该电路装置还具有用于确定连接点4和输出点5相对于参考电位11的电位的装置14、15。一个可以作为电路装置的部件、作为数字输出电路的部件或者外部设置的控制单元用来控制该电路装置，其中，该控制单元具有用于控制所述开关元件8、12和开关触点1、2的装置16、17。此外该控制单元具有装置16，用于对用于确定连接点4和输出点5的电位的装置14、15所确定的电位进行分析。
下面，根据按照图1的实施方式对用于检验第一和第二开关触点的方法进行描述。因为继电器开关触点的惯性和消隐时间的出现，在运行的期间通常不能对继电器输出的开关性能进行检验。因此，首先在启动时对继电器触点的开关性能进行检查。在此不出现亮度检验。按照下面描述的检验顺序进行处理。
在步骤1中，控制开关元件8、12和开关触点1、2，使它们断开。此时通过装置14、15确定连接点4和输出点5的电位。下面将所确定的电位称为回读(rueckgelesen)信号S1(连接点4)以及S2(输出点5)，它们可以分别获得值逻辑0或者逻辑1。如果在步骤1中S1＝S2＝0，则开关触点1、2没有出现故障。如果S1＝1和S2＝0则表明第一开关触点1被合金化了，因此供电电位3通过合金化的开关触点1施加在连接点4上。在这种情况下，作为消除故障的措施将组件更换。如果S1＝0和S2＝1，则表明出现了外部的P连接(即，供电电位从外部施加到输出点5上)，以及表明用于确定连接点4的电位的第一装置14出现了问题。在这种情况下也是将组件更换，以便消除故障。如果两个回读信号S1＝S2＝1，则要么出现了外部的P连接、要么开关触点1和2被合金化。在此，通过对布线进行检查可以确定确切的故障原因以及必要时对组件进行更换。
在启动检验的步骤2中，控制开关触点1和2使它们断开，并且控制开关元件8和12使它们接通，从而接通检验电流。如果S1＝1且S2＝0，则未出现故障。如果S1和S2＝0，则检验电路出现问题，必须更换该组件。S1＝0，S2＝1以及S1＝S2＝1的情况对应于在步骤1中相同的情况。
在步骤3中将两个开关触点接通。开关元件保持与步骤2中的那样不变，即接通。如果S1＝S2＝0，则在这种情况下没有出现故障。对于S1＝1且S2＝0的情况，可以从中得出第一开关触点1被合金化，并且要更换该组件。对于S1＝0，S2＝1以及S1＝S2＝1的情况与在步骤1和2中的情况相同。
在步骤4中再次断开第二开关触点，其中开关元件保持接通。除了S1＝S1＝0表明第二开关触点2被合金化且要置换该组件之外，步骤4中的状态与步骤3中的对应。
在步骤5中，通过断开开关元件将检验电流断开，其中两个开关触点1和2同样保持断开。因此步骤5中的状态与步骤1中的状态相对应，对回读信号的分析同样如此。
在步骤6中将开关触点1接通，而保持开关元件断开。在这种情况下，如果S1＝1且S2＝0，则未出现故障。如果两个信号S1和S2＝0，则表明第一开关触点1的一个故障，使得在这种情况下要更换该组件。S1＝0，S2＝1以及S1＝S2＝1的情况对应于在步骤1至5中的情况。在最后步骤7中，再次将第一开关触点1断开，从而给出了与在步骤1和步骤5中相同的状态，其具有如在这些步骤中同样的电位故障图。
上面描述的启动检验可以作为所谓的虚拟亮度检验，周期性地在有效信号＝0时被重复，特别是每小时重复一次。
在对输出电路提出更高的可靠性要求的条件下，可以将启动检验或者亮度检验的步骤2至5作为所谓的动态电路检验，在输出有效信号之前在有效信号由0至1转变时执行。不过优选的是，如果在最后数小时中没有执行虚拟亮度检验或者没有出现由0至1的转变，才执行这种动态检验。通过该动态检验在接通之前检查第二开关触点2，从而防止了在故障的情况下接通供电电压。不过，由于该检验处理值1的接通被延迟了大约10ms。
图2示出了按照本发明的电路装置的一种实施方式。根据图2，该电路装置具有各继电器的第一开关触点20和第二开关触点21。利用附图标记22和23标记对开关触点20、21的继电器控制。自振荡二极管24、25分别与开关触点20、21并联，例如按照并联晶体管(灭火花)的寄生二极管的形式。第一开关触点20连接在供电电位26(在本例中是24V正电压)和至第二开关触点21的连接点31之间。第二开关触点21设置在连接点31和用于连接负载39的输出点32之间。该负载可以连接在输出点32和参考电位40(地)之间。连接点31通过第一电路与供电电位26连接，其中，该第一电路是由两个第一开关元件27、28(在本例中实现为晶体管)和两个串联的电阻29、30组成的串联电路。输出点32借助于第二电路与参考电位40连接，其中，该第二电路是由一个第二开关元件38(在本例中实现为晶体管)和电阻37组成的串联电路。在本例中，用于确定连接点31和输出点32的电位的装置分别构成为由两个串联电阻组成的分压器33和34，为了进行分析可以通过一个或者多个在此没有详细表示出的分析单元在两个分压器上量取电压35和36。
在按照图2的实施方式中对于电路装置的控制和对信号的分析通过两个由例如微控制器实现的分析单元实现。
归属于第一分析单元的是-对第一开关元件27的控制检验电流的接通-对第一开关触点20的控制第一输出继电器-回读信号对第二输出继电器的继电器触点进行回读归属于第二分析单元的是-对第二开关元件29的控制检验电流的接通-对第二开关触点21的控制第二输出继电器-对开关元件37的控制放电-回读信号35对第一输出继电器的继电器触点进行回读。
通过第一和第二开关元件27、28以及通过电阻20、30馈入用于检验第二继电器触点的检验电流。电阻33和34组成分压器，用于对开关信号进行回读。由电阻37和开关元件38组成的第二电路构成对于电容性负载的放电电路，通过该放电电路在高阻负载的情况下检验电流也可以流出。
按照图2的电路装置的电阻的典型值是电阻292.43kΩ；电阻302.43kΩ；电阻3339.2kΩ或者12kΩ；电阻3439.2kΩ或者12kΩ，以及电阻37950Ω。
这样实现的电路允许在输出端32不造成亮度检验的条件下对第二继电器触点21进行检验。在此，通过第二继电器触点21流动约5mA的较小电流。通过主动放电电路(电阻37和开关元件38)抑制了电容性负载的影响，因此可以相对迅速地实施检验。通过950Ω的低阻放电电阻37，在供电电压为24V的情况下在输出端上可见到的电压脉冲最大为4V。
总之，本发明涉及一种用于包括各继电器的第一和第二开关触点1、2的数字输出电路的电路装置，其中，第一开关触点1设置在供电电位3和与第二开关触点2的连接点4之间，而该第二开关触点2设置在该连接点4和连接负载6的输出点5之间。为了在不在输出端上造成亮度检验的条件下允许对继电器开关触点1、2进行检验，所述连接点4通过第一电路7与供电电位3连接，该第一电路7具有一个由至少一个第一开关元件8和至少一个第一电阻元件9组成的串联电路，其中，所述输出点5通过一个第二电路10与参考电位11连接，该第二电路10具有一个由至少一个第二开关元件12和至少一个第二电阻元件13组成的串联电路，其中，设置了用于确定所述连接点4和输出点5的电位的装置14、15。此外，本发明还涉及对于这种电路装置的各继电器的第一和第二开关触点1、2进行检验的方法。
权利要求
1.一种用于数字输出电路的电路装置，包括各继电器的第一和第二开关触点(1，2)，其中，所述第一开关触点(1)设置在供电电位(3)和与所述第二开关触点(2)的连接点(4)之间，而该第二开关触点(2)设置在该连接点(4)和连接负载(6)的输出点(5)之间，其中，所述连接点(4)通过第一电路(7)与供电电位(3)连接，该第一电路(7)具有一个由至少一个第一开关元件(8)和至少一个第一电阻元件(9)组成的串联电路，其中，所述输出点(5)通过一个第二电路(10)与参考电位(11)连接，该第二电路(10)具有一个由至少一个第二开关元件(12)和至少一个第二电阻元件(13)组成的串联电路，其中，设置了用于确定所述连接点(4)和输出点(5)的电位的装置(14，15)。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述用于确定电位的装置(14，15)构成为分压器。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，所述开关元件(8，12)构成为半导体开关元件。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，这样选择所述第一电阻元件(9)的电阻值，使得通过所述第一电路(7)流动的、由供电电位(3)驱动的电流被限制在不超过固定的电流强度。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，这样选择所述第一和第二电阻元件(9，13)的电阻值，使得在接通第一和第二开关元件(8，12)、断开第一开关触点(1)和接通第二开关触点(2)的条件下，在所述输出点(5)上的电位不超过一个固定的值。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，将所述第二电路(10)构造成对于电容性负载的主动放电电路，其中，将所述第二电阻元件(13)构造为低阻值放电电阻。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置用于保证安全的数字输出电路。
8.一种用于控制根据上述权利要求中任一项所述的电路装置的控制单元，其中，该控制单元具有用于控制所述开关元件(8，12)和开关触点(1，2)的装置(16，17)。
9.根据权利要求8所述的控制单元，其特征在于，所述控制单元具有分析装置(16)，用于对由所述用于确定所述连接点(4)和输出点(5)的电位的装置(14，15)所确定的电位进行分析。
10.根据权利要求8或9所述的控制单元，其特征在于，将所述控制单元构成为微控制器。
11.一种至少由根据上述权利要求1至7中任一项所述的电路装置和根据权利要求8至10中任一项所述的控制单元组成的系统。
12.一种具有根据上述权利要求1至7中任一项所述的电路装置的数字输出电路。
13.一种用于检验根据上述权利要求1至7中任一项所述的电路装置的各继电器的第一和第二开关触点(1，2)的方法，其中，利用根据权利要求8至10中任一项所述的控制单元这样控制并且利用根据权利要求9或10所述的控制单元这样分析所述第一和第二开关元件(8，12)，使得可以确定所述开关触点(1，2)的故障。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述输出电路启动时执行该方法。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在出现有效信号为零时周期地执行该方法。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，在所述有效信号由零变为一时执行该方法。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，只有当从执行按照权利要求15所述的方法起经过了预定的时间时，才执行该方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于数字输出电路的电路装置，其包括各继电器的第一和第二开关触点(1，2)。第一开关触点(1)设置在供电电位(3)和与第二开关触点(2)的连接点(4)之间，第二开关触点(2)设置在该连接点(4)和连接负载(6)的输出点(5)之间。为了在不在输出端上造成亮度检验时允许对继电器开关触点(1，2)进行检验，连接点(4)通过第一电路(7)与供电电位(3)连接。输出点通过第二电路(10)与参考电位(11)连接。设置了用于确定连接点(4)和输出点(5)的电位的装置(14，15)。此外，本发明还涉及一种相应的方法。
文档编号H01H47/00GK1693912SQ200510068679
公开日2005年11月9日 申请日期2005年5月8日 优先权日2004年5月5日
发明者托马斯·布里姆尔, 马里奥·梅尔, 莱因哈德·马克, 哈特穆特·许茨, 乔基姆·瓦尔比克勒 申请人:西门子公司