專利名稱：安全處理信息的單一信號傳輸?shù)闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明涉及一種在安全系統(tǒng)的輸入和輸出單元之間傳輸安全處理信號的方法和裝置。
背景技術：
特別是在由標準網絡構成和需要滿足嚴格安全要求的系統(tǒng)的情況下，比如符合IEC標準61508的SIL3，或者例如符合EN954-1標準的安全類型4，例如傳感器和致動器的外部電路必須基于雙信道來設計，以通過冗余性來確保必要的安全性。
在安全系統(tǒng)中，這種雙信道外部電路通常將來自傳感器的獨立的信號傳遞到類似的其它冗余外部電路，這些信號通常使用用于控制和/或進行邏輯處理的集成計算機的網絡或底板總線的輸入/輸出單元來傳輸。這種控制和/或邏輯處理隨后通過一個適當匹配的緊急關斷功能元件來處理雙信道信號電路，因此所述元件還必須被設計為具有雙信道輸入，并且隨之啟動一個安全反應動作。這個安全反應動作通常在控制器處直接執(zhí)行，或者通過用于系統(tǒng)集成的計算機的網絡和/或底板總線傳輸?shù)较鄳妮敵鼋M件，例如傳輸?shù)街聞悠鳌?br>
發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是指出一種途徑，其中以一種非常簡單的方式來確保安全處理信息的傳輸及隨后進行的處理，尤其是與附帶數(shù)據(jù)量增長相關地，這些數(shù)據(jù)可以無信息損失地傳輸和/或處理，因此可以更好地利用系統(tǒng)能力。
以一種令人驚奇的方式，通過具有權利要求1所述特征的方法、具有權利要求11所述特征的裝置、以及具有權利要求20所述特征的系統(tǒng)，很簡單地得到了根據(jù)本發(fā)明的解決方案。
有利的和/或優(yōu)選的實施例及改進是各個從屬權利要求的主題。
因此，為了傳輸安全信息，本發(fā)明提供了多個處理信號，這些信號被冗余地檢測，以識別與系統(tǒng)相關的事件，這些信號被轉換為一個單一處理信號，用于進行基于系統(tǒng)的進一步處理。
因此，尤其是在使用了用于安全地傳輸為系統(tǒng)安全冗余檢測到的處理信號的裝置時，該裝置具有將多個信道上傳輸?shù)奶幚硇盘栟D換為可以從一個輸出信道引出的單一處理信號的裝置，本發(fā)明確保了對于相同的整體信息內容而言，只有少得多的數(shù)據(jù)量被傳輸并隨后進一步處理。
此外，本發(fā)明可以實現(xiàn)從信號傳輸路徑的多信道配置到系統(tǒng)內單一信道形式的信號傳輸路徑的簡化，否則必須采用多信道配置來安全傳輸并基于系統(tǒng)地進一步處理冗余檢測到的、與安全性相關的信號。這樣，用于傳輸和/或進一步處理系統(tǒng)中與安全性相關的處理信息的硬件和/或軟件單元可以以簡化的、并且更廉價的方式來制造。另外，以這種方式獲得的簡化，尤其是作為實際信號內容表示的結果，可以得到安全系統(tǒng)相當簡單的配置和編程。
在一個具有優(yōu)點的改進中，執(zhí)行轉換得到一個數(shù)字信號，特別保證了對處理信號進行更簡單和快速的、基于處理器的進一步處理，以啟動具有很高時間要求的反應動作。
在一個具有優(yōu)點的改進中，如果轉換裝置包括了一個A/D轉換器，則進一步保證了與外部連接設備單元相關的數(shù)字和/或模擬處理信號的檢測和/或傳輸，這樣，基本上任何在商業(yè)上可買到或可獲得的安全性元件，如緊急關斷元件、或者用于光柵、安全門或掃描儀的區(qū)域監(jiān)控的傳感器，可以連接至系統(tǒng)，以提供與安全性相關的處理信息。
還提供了另外一個優(yōu)選實施例，用于以1比特數(shù)據(jù)項的形式來傳輸轉換后的處理信號的有效內容，這個1比特數(shù)據(jù)項可以在特定應用的基礎上提供，例如可以通過一個單一邏輯“與”門來提供。一個核心安全系統(tǒng)一旦被配置和/或開始工作之后，就與輸入和/或輸出單元的更換或改變無關了，這些輸入/輸出單元可能與系統(tǒng)安全性相關聯(lián)。
為了進一步提高安全性，本發(fā)明的目的還在于，對轉換后的處理信號的傳輸進行保護，特別是通過一個基于有效內容的數(shù)據(jù)保護值來進行保護。其中在另外一個具有優(yōu)點的實施例中，用于保護轉換后的信號的裝置被設計為生成并添加至少一個校驗比特，所述校驗比特跟隨在有效內容之后。
在這種情況下，人們已經發(fā)現(xiàn)，在實踐中采用所謂的CRC(循環(huán)冗余校驗)是特別有利的，能夠進一步顯著提高差錯識別率。
最好由硬件和/或軟件單元構成的轉換裝置基本上可以具有優(yōu)點地設置在處理信號傳輸路徑中的任何位置處，這個位置根據(jù)需要被預先確定和/或可以被預先確定，特別地，這樣就確保了可以通過附加的與安全性相關的單元使安全系統(tǒng)在此之后得到進一步擴展。
因此，本發(fā)明基本上可以應用在任何所希望的網絡中，并且與安全性相關的單元可以分布設置在整個網絡中，而與基于系統(tǒng)的單元無關，如系統(tǒng)聯(lián)接器和網關，其特點在于，即使在現(xiàn)有技術中也可以很簡單地實現(xiàn)，并具有很高的集成度。
還附帶地提供了另外一個具有優(yōu)點的改進，其中被轉換為用于安全系統(tǒng)處理的單一信道的處理信號還被再一次轉換為多個處理信號，特別地，再次轉換后的多個處理信號通過分開的信道傳輸?shù)较到y(tǒng)輸出組件中，這些系統(tǒng)輸出組件被預先確定和/或可以被預先確定，如特定系統(tǒng)的致動器、驅動器或機械電子(mechatronics)單元。


在下文中將利用優(yōu)選實施例并參照附圖更詳細地說明本發(fā)明，圖中圖1示出了一個連接有緊急關斷安全輸出元件的安全系統(tǒng)的高度簡化了的框圖，
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的、與用于安全功能的信號鏈相關的原理簡圖。
具體實施例方式
首先參考圖1，以非常簡單的方式示出了一個安全系統(tǒng)，它在整體上以附圖標記1來標識，這個安全系統(tǒng)例如在制造工業(yè)中用于控制和/或管理與人員、機器和/或環(huán)保相關的安全功能。
為了這個目的，作為示例，一個緊急關斷功能元件2被連接到安全系統(tǒng)1的一個安全輸入單元11，以識別與系統(tǒng)安全性相關的“緊急關斷”事件，這一事件例如可以提供給要被監(jiān)控的驅動器。特別是在現(xiàn)有的具有嚴格安全要求的情況下，如上所述，諸如緊急關斷功能元件2這樣的電路必須被設計為冗余式的，例如具有兩個信道。在本例中，在所示的緊急關斷功能沒有被啟動的情況下，兩個并聯(lián)設置的觸點K21和K22處于接觸狀態(tài)，使得與觸點K21相關的部分信號路徑S211和S212通過閉合的觸點K21導通地相互連接。在這種情況下，可以在安全系統(tǒng)的輸入單元11處引出一個與觸點K21相關的“1”信號。并且可以通過安全輸入單元11，在相互連接的部分信號路徑S221和S222處以相應的方式引出一個與觸點K22相關的“1”信號。
當在圖1中用A標識的方向上按下緊急關斷按鈕22，以使緊急關斷功能開始工作時，觸點K21和K22打開，這樣，可以通過信號路徑S211-S212在輸入單元11處引出一個與觸點K21相關的“0”信號，并且可以通過中斷了的信號路徑S221-S222引出一個與觸點S22相關的“0”信號。
現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明，這兩個出于安全性考慮而冗余檢測到的處理信號通過安全系統(tǒng)1的安全輸出單元11被還原為一個單一處理信號S1，這樣這個單一處理信號S1通過一個系統(tǒng)計算機的網絡(沒有詳細示出)和/或一個底板總線傳送到一個帶有相應設計的邏輯處理功能的控制器12，進行基于系統(tǒng)的進一步處理。如果響應處理信號S1啟動一個安全反應動作，這個安全反應動作在控制器12處直接執(zhí)行，或者通過網絡和/或底板總線進一步傳遞至一個安全輸出元件13，這個安全輸出元件通過反應信號S14和S15分別相應地驅動微控制器14和15，以切斷由安全系統(tǒng)1所監(jiān)控的相關區(qū)域設備，也就是說在這種情況下中為要監(jiān)控的驅動器，例如監(jiān)視器或安全門。
最好執(zhí)行轉換以得到一個數(shù)字信號S1，特別是為了確保對處理信號S1的至少虛擬在線的、由處理器所支持的進一步處理。
為了生成1比特數(shù)據(jù)項，本例中安全輸入單元11最好包括一個用于兩個信號信道S211-S212和S221-S222的邏輯“與”操作，該操作通過適當?shù)挠布?或軟件單元來實現(xiàn)。
以相應的方式，當兩個開關S21和S22閉合時，轉換后的處理信號S1的值為“1”，這樣通過安全輸入單元11可以得到兩個相應的冗余處理信號，每個冗余處理信號的信號內容都對應于信號值“1”。如果啟動了緊急關斷功能，兩個信號路徑S211-S212和S221-S222被中斷，則轉換后的處理信號S1的值為“0”。以相應的方式，當兩個開關S21和S22中的一個打開時，處理信號S1的信號值對應于值“1”，因此在故障情況或安全情況下，處理信號S1的信號值始終為“0”。
因此將冗余檢測到的處理信號還原為單一處理信號S1的過程僅僅與信道的數(shù)目有關，而與總體信號內容無關。例如如果如圖所示，執(zhí)行對短路的監(jiān)控，在根據(jù)本發(fā)明利用安全系統(tǒng)的安全輸出單元11和輸出單元13之間的單一信道系統(tǒng)進行基于系統(tǒng)的進一步處理時，根據(jù)在這種情況下對于S211-S212和S221-S222都有效的信號值“兩個信道均為1”，總體信號內容將無誤差的關系進行信號化。
為了提高安全性，還將處理信號S1以受保護的方式在圖1所示的安全輸入單元11與安全輸出單元13之間傳輸。
在實踐中，為此目的通過輸入單元11將至少一個校驗比特或校驗和添加到有效內容中。安全輸入單元11最好包含一個用于執(zhí)行CRC校驗的裝置，例如一個適當配置的移位寄存器。根據(jù)對于安全系統(tǒng)的特定應用和/或需要，并且與所需保護相關地，要生成的CRC代碼以適當高的階數(shù)生成，例如采用CRC-32代碼。然而應注意到，也可以通過其他裝置來執(zhí)行適當?shù)陌踩胧@些措施本身對于本領域技術人員是熟知的，特別地為了滿足IEC國際標準61508。
另外參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的信號鏈首先包括基于功能性單元100的對輸入信息的安全性檢測，這種功能性單元例如為傳感器，它可以被連接并啟動與安全性相關的事件。這些事件和處理信息在各種情況下通過冗余處理信號S100來檢測，然后通過安全輸入單元100轉換為單一處理信號S110，用于基于系統(tǒng)的進一步處理。應該注意到，要進行轉換的處理信號S100，即那些在輸入單元110的輸入端處得到的信號，是數(shù)字和/或模擬形式的，這取決于特定應用或保護功能單元。為了使輸入單元110能夠將模擬處理信號S100轉換為數(shù)字處理信號S101，轉換裝置具有一個相應的A/D轉換元件。
此外，還應注意到，根據(jù)特定系統(tǒng)的實施例，轉換裝置110還可以包含在智能網用戶單元或機械電子(mechatronic)單元中，而不一定要以獨立的安全輸入單元的形式實現(xiàn)。
以受保護的形式在由轉換裝置110輸出的下行數(shù)據(jù)流中提供的處理信號S110可以在整個系統(tǒng)中在一個單一信道上傳輸，具體地說，通過包含有傳輸路徑和/或結構/處理單元的至少一個環(huán)狀網、星型網、直線網和/或樹狀網絡和/或總線網絡來傳輸。
此外，轉換后的處理信號隨后在基于系統(tǒng)的進一步處理裝置120中的一個單一信道上進行處理，用于進一步處理的裝置例如為控制器和/或邏輯器件和/或網絡。
為了響應各個處理信號S110而啟動安全反應動作，相應的反應信號S120(它最好也是以單一信號的形式和受保護的形式來提供)被傳送至相應的輸出單元130，在本例中輸出單元為二進制信號處理而設計，以根據(jù)已啟動的反應動作驅動所連接的輸出功能性單元140，如致動器和/或機械電子(mechatronic)單元，用于安全地輸出和/或安全地斷開連接。
如圖2所示，本發(fā)明還包括如下的實施例其中安全輸出單元130至少部分地這樣來設計施加到單一信號信道上并具有受保護的處理信息的處理信號S120被再一次轉換為可以通過分開的信道來傳輸?shù)亩鄠€處理信號S130，以驅動輸出功能性單元140。
根據(jù)本發(fā)明，用于簡化安全處理信息的傳輸過程的應用可以大大簡化安全系統(tǒng)的配置和編程，此外由于需要安全傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小于同樣的信息內容，還大大提高了系統(tǒng)容量利用率。這尤其是基于以下事實根據(jù)本發(fā)明，邏輯操作可以在單一信號的基礎上執(zhí)行，以表示實際有效內容，否則的話這些邏輯操作必須要以硬件方式在兩個或更多的信道上執(zhí)行，這在很大程度上與工程師、程序員和/或服務技術人員的期望相一致，這些技術人員例如將“電機”輸出識別為信號“電機打開”或“電機關閉”。因此采用不同的手段來適應轉換位置的上行和下行數(shù)據(jù)流。
由于多個處理信號(這些信號描述了與系統(tǒng)安全相關的事件)被轉換和還原為一個單一處理信號的步驟基本上可以在處理信號傳輸路徑中的任意希望的位置處執(zhí)行，例如在底板系統(tǒng)中，本發(fā)明包括了許多實施例，其中轉換裝置基本上分布整個安全系統(tǒng)和/或網絡中，而與系統(tǒng)聯(lián)接器和網關無關。
總的來說，對于安全系統(tǒng)，本發(fā)明的主題不僅可以應用在制造工業(yè)中，尤其是監(jiān)控緊急關斷功能，如光柵、安全門和/或掃描儀等領域，以及各種不同的應用，如機器人，包括靜音、消隱(blanking)和/或壓制(pressing)的交叉領域，和對致動器和傳感器系統(tǒng)的安全控制和/或管理，特別是帶有集成安全性的系統(tǒng)，尤其還可以應用在客運領域中，例如用于山區(qū)鐵路或升降機，還可以在建筑工程、供熱系統(tǒng)和加工工業(yè)舉出一些應用的例子。
因此，被保護的、單一信道的、與安全相關的處理信息最好僅僅在根據(jù)本發(fā)明的轉換裝置110、130中執(zhí)行的與安全性相關的預處理功能的基礎上，在特定安全系統(tǒng)的集成輸入和輸入單元110、130與控制安全性的邏輯處理器120之間傳輸。
權利要求
1.用于傳輸安全處理信息的方法，其特征在于，冗余地檢測多個用于識別與系統(tǒng)安全相關的事件的處理信號(S211-S212，S221-S222，S100)，將所述信號轉換為單一處理信號(S1，S110)，用于基于系統(tǒng)的進一步處理。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，冗余地檢測到的處理信號(S211-S212，S221-S222，S100)通過多個信道被檢測，直到所述轉換過程，以及轉換后的處理信號(S1，S110)通過一個信道來傳輸。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，檢測過程是以數(shù)字或模擬的方式進行的。
4.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，執(zhí)行轉換過程以形成一個數(shù)字處理信號(S1，S110)。
5.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將一個1比特的數(shù)據(jù)項作為處理信號(S1，S110)的有效內容來傳輸。
6. 如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，對轉換后的處理信號(S1，S110)的傳輸進行保護。
7.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，作為對轉換過程的響應，將至少一個校驗比特添加到轉換后的處理信號(S1，S110)的有效內容中。
8.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，采用CRC方法來生成至少一個校驗比特。
9.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在處理信號傳輸路徑中的一個可任意預定的和/或給定的位置處執(zhí)行轉換過程。
10.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在可預定的和/或給定的系統(tǒng)輸出單元(13，130)中，在系統(tǒng)內以單一信道傳輸?shù)奶幚硇盘?S1，S110)被再一次轉換為多個尤其是通過分開的信道傳輸?shù)奶幚硇盘?S130)。
11.用于安全地傳輸處理信號(S211-S212，S221-S222，S100)的裝置，所述信號被冗余地檢測，用于系統(tǒng)安全，其特征在于，用于將施加到多個信道上的處理信號(S211-S212，S221-S222，S100)轉換為可在一個信道上傳輸?shù)奶幚硇盘?S1，S110)的裝置(11，110)。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，還包括用于將在一個信道上傳輸?shù)奶幚硇盘?S1，S110)進行基于系統(tǒng)的進一步處理的裝置(12，120)。
13.如權利要求11或12所述的裝置，其特征在于，轉換裝置組合有一個輸入單元(11)，一個輸出單元(13)，一個智能單元，和/或一個機械電子單元。
14.如權利要求11至13中任一項所述的裝置，其特征在于，轉換裝置(11)被設計用來生成1比特數(shù)據(jù)項(S1)。
15.如權利要求11至14中任一項所述的裝置，其特征在于，轉換裝置(11)包括一個邏輯與門。
16.如權利要求11至14中任一項所述的裝置，其特征在于，轉換裝置(11，110)具有用于保護轉換后的處理信號(S1)的裝置。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，為了進行保護的目的，轉換裝置(11，110)具有用于生成至少一個校驗比特，以及用于將至少一個校驗比特添加到處理信號(S1)的信號內容中的裝置。
18.如權利要求11至17中任一項所述的裝置，其特征在于，轉換裝置(11，110)被設計用來應用CRC方法。
19.如權利要求11至18中任一項所述的裝置，其特征在于，轉換裝置包括硬件和/或軟件單元。
20.安全系統(tǒng)，尤其是包括至少一個用于自動化系統(tǒng)的網絡，所述安全系統(tǒng)具有至少一個如權利要求11至19中任一項所述的裝置。
21.如權利要求11至19中任一項所述裝置的應用，用于執(zhí)行如權利要求1至10中任一項所述的方法，特別是應用在如權利要求20所述的安全系統(tǒng)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及在安全系統(tǒng)的輸入和輸出單元之間的安全處理信號傳輸。本發(fā)明的目的是指出一種途徑，其中以一種非常簡單的方式來確保安全處理信息的傳輸及隨后的處理。因此，為了傳輸安全處理信息，本發(fā)明提供了多個處理信號(S
文檔編號H04L1/06GK1518266SQ200410002250
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月16日 優(yōu)先權日2003年1月17日
發(fā)明者卡斯藤·邁耶爾-格拉費, 奧利弗·施塔爾曼, 約翰尼斯·卡爾霍夫, 斯蒂芬·霍恩, 托爾斯藤·加斯特, 施塔爾曼, 霍恩, 卡斯藤 邁耶爾-格拉費, 斯 卡爾霍夫, 藤 加斯特 申請人:弗尼克斯-康泰克兩合公司