用于监测和保护PoDL网络的电路元件、PSE部件和方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的电路元件、根据权利要求6的前序部分的PSE部件以及根据权利要求8的前序部分的用于监测和保护PoDL网络的方法。

背景技术

用于现场总线应用的安全装置在现有技术中是已知的并且在功能上用于安全功率限制以保护人员。

DE102020113822A1公开了一种输出安全装置，其中输出开关元件不为了测试不必周期性地切断，因为它们处于一个永久有源的调节回路中，通过该调节电路监测它们的功能，其中特别测量栅极电压等。该电路仅设计为用于数据线与电源线分离的总线技术。借助PoDL(数据线供电)技术，电源和数据通过同一条线路传输。因此，没有额外的电线来实现功能安全切断，其中无电压状态是安全状态。因此，上述根据DE102020113822A1的解决方案不适用于诸如数据线供电(PoDL)、单对以太网(SPE)等传输技术，其中数据通过电源线传输。

从US7,702,302B1中已知SPE电路，其在电源的正向和返回路径中分别具有场效应晶体管(FET)和用于电流测量的测量电阻器，以便由此能够实现冗余的电流测量。这种电路的缺点是，FET在接通状态下无法进行循环测试，这意味着无法达到高安全级别。此外，测量电阻器连接在功率路径中，这会导致功率损耗。最后，US2019/0312751A1公开了一种SPE电路，该SPE电路在电源的正向和返回路径中同样具有FET。此外，提出了一种安全算法，其中FET彼此依次切断。该解决方案的缺点是，在安全算法期间无法进行通信，因此无法连续检查FET。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于数据承载电源线(PoDL)的改进电路，其中功率受到安全限制。

根据本发明，所述目的通过根据权利要求1的特征的电路元件、根据权利要求6的特征的PSE部件和根据权利要求8的特征的方法得以实现。有利的设计方案在相应的所属从属权利要求中说明。

据此，所述目的通过用于PoDL网络或网络区段，特别是SPE网络或网络区段的PSE部件的电子电路元件得以实现，其包括电压端子和/或电压源；用于将所述电压端子的一个极连接到物理层(PHY)的第一连接的第一线路；用于将所述电压端子的第二极连接到物理层(PHY)的第二连接的第二线路；在每条线路中的至少一个开关元件，其中，所述开关元件与至少一个包括微处理器的调节单元连接并且由此能调节，并且其中设置有至少一个电压测量单元，借助所述电压测量单元能够检测作为经由每个开关元件的测量值的压降并馈送到微处理器。

简而言之，电路提供了(至少)冗余地测量、计算和比较电流和电压以便确定功率。电流测量在此(至少也)通过测量至少两个FET(场效应晶体管)的栅极电压来进行。

使用此电路元件实现了符合IEC61508的功能安全功率限制。此外，还可以实现符合IEEE802.3cg:2019的本质安全性。在这种情况下，电路元件的改进实施方式在于，两个处于导通状态的开关元件具有作为与导通的电流相关联的设置变量的电压，所述开关元件与所述调节单元以传输数据的方式连接。

在这种情况下有利地，至少一个开关元件是场效应晶体管(FET)，特别是常闭(nc)场效应晶体管。替代地，开关元件也可以设计为MOSFET或IGBT。为了比较电压和电流，特别有利的是，开关元件在结构上和功能上是相同的，即相同地或基本相同地设计。

用于PoDL网络和/或PoDL网络区段，特别是SPE网络和/或网络区段的PSE部件，其包括以下部件：

-具有物理层(PHY)的微电子部件，所述微电子部件能够通过线路，特别是通过SPE连接(TPE)与受电装置(PD)连接，

-最初包括电压源和/或能够与其连接的安全电路，其中所述安全电路在微电子部件上游，其中，所述安全电路设计为根据前述权利要求中任一项所述的电路元件。这里的“上游”是指，在电压源的电流流入和包括PHY的微电子部件以及受电装置(PD)之间，安全电路被设置为监测和保护装置。

PSE部件可以进一步改进，因为物理层(PHY)具有两个连接，其中每个连接直接位于无源结构元件的，特别是至少一个电阻器和至少一个电容器的电路的上游。

该电路元件包括一个PHY、一个PSE部件和一个与无源结构元件的耦合器。与PHY的耦合方向必须设计为与安全相关。部件的故障不得导致，通过此路径耦合输入功率。这可以按照IEEE802.3cg:2019中的建议实施，以实现本质安全。在那里，关键部件双重地、根据功能彼此陆续或彼此依次连接。

本发明还包括一种用于监测和保护PoDL网络和/或网络区段的方法，其中，在连接到电压源的两个线路中分别设置至少一个开关元件并且测量经由每个开关元件的压降，其中，根据实际电压测量值(调节变量)借助与所述电流(干扰变量)相关联的电压(设置变量、控制极电压)操控开关元件。

在改进的方法变型中，在两条线路中从技术角度独立地测量电流，并且将所述测量值和/或由此推导的数据共同在处理器单元中评估，通过以下方式，即在每个开关元件中借助操控电压确定电流并且将两个开关元件的电流进行比较以进行监测。

有利地，每个开关元件中的电流(干扰变量，I-S)借助操控电压(U_GS，栅极电压)测量，这意味着由操控电压(U_GS，栅极电压)计算确定。该确定在两个开关元件中并行且独立地进行。使用以这种方式生成和比较的电流(流动电流)来监测网络或网络区段，并在此基础上必要情况下启动需要的过程控制、警告消息和/或切断。

一种方法改进是，在开关元件之前或之后在连接到电压源的线路的至少一个线路区段上分接实际电压测量值，即

-在电压源和开关元件之间(之前)和/或

-从电压源观察在分接开关元件后。在第一种情况下(在开关元件“之前”)，实际电压分接在正极线中的开关元件的源极侧上和负极线中的开关元件的漏极侧上。在第二种情况下(在开关元件“之后”)，实际电压分接在正极线中的开关元件的漏极侧上和负极线中的开关元件的源极侧上。两个实际电压可以并行、顺序和/或定时测量以进行监测。

因此，该方法设定了，开关元件，例如FET，位于调节回路中。同时，使用操控电压(U_GS，栅极电压)确定流动电流，并比较和由此监测两个开关元件的流动电流。如果确定了流动电流的不相等，则两个开关元件都被切断，因为不相等表明故障是在开关元件本身中或在耦合输入的外部电势中。

在此，对冗余测量的流动电流进行评价，并与规格，如FET特性曲线进行比较。通常，电流在此不会被主动限制，而是被监测并在超过时切断。PHY发送功率没有单独测量、监测或限制，但实际电源和/或电压源本身完全切断。PHY的发送功率即使在切断之后也有利地保持为自主信号，其发送功率小于0.5瓦。

为了监测开关元件本身的功能方式和功能能力，在进一步改进的方法变型中规定了，为每个开关元件存储目标特性曲线并且两个开关元件的电阻值和/或栅极电压(U_GS)在限定的范围内变化，并将实际值与相应开关元件的目标特性曲线和/或目标特性曲线的走廊进行比较。电阻值和/或相应的栅极电压(U_GS)的变化可以单独或同步进行。

另一个改进的方法变型规定，在由于检测到不相等的电流强度和/或不相等的电流而切断之后，在重新接通之前，特别是在通过用户进行错误分析和/或错误纠正之后进行用户干预或进行控制规范，通过规定输出限制或功率限制的方式，由于控制的内部规范，进行重新接通和/或正常操作。

有利地，在该方法中使用PSE部件，其根据上述实施方式之一设计并相应地操作。本文在各个实施方式中描述的方法可以特别用于供电网络和数据网络，其中数据传输和电流线路共同通过双线电缆，特别是单对以太网(SPE)和/或绞线对以太网(TPE)实现。

在此，电流的限制可以在于，电流完全切断到0A或>0的限定值，特别是高达100mA的值。不完全切断的优点是，利用低电流也可以继续数据传输，例如以便能够传输状态数据或能够转发控制命令。

特别的优点是，相同的FET用作电流测量的输出开关元件，其也用于切断，从而无需在功率路径中安装额外的部件。因此，借助这种电路还能够实现安全的功率限制和切断本身不包括安全功能的电子部件或设备，如变频器。使用根据本发明的电路可以省去复杂的、功能安全的总线通信，因为功率限制和必要时的切断发生在更高的水平上。

附图说明

现在将参照附图中所示的实施例更详细地解释本发明的更多细节和优点。

附图中：

图1示出了第一实施方式的电路图；

图2示出了另一实施方式的电路图；以及

图3示出了电路示意图以及FET特性曲线图。

具体实施方式

图1所示的PoDL网络或网络区段1的结构如IEEE802.3cg:2019中常规设置的那样。它包括一个物理层8(PHY)，其用于在SPE系统4的两侧上进行数据通信，即在PSE3(电源设备)一侧和SPE系统的另一侧上；PD2(受电装置)。

根据本发明的实施方式涉及PSE3的侧面，因此PD2不再详细解释并且包括本领域技术人员熟悉的(微)电子部件和部件。

PSE3主要包括来自PHY8的保护电路9和无源部件7.1、7.2和电路元件5。保护电路9包括用于耦合PHY和PSE的无源元件7.1和7.2。这种无源元件7.1、7.2是耦合所必需的。在这种情况下，无源元件7.1必须以安全为导向的方式设计。由此，在发生单一故障的情况下，保护功能得以保持，这意味着安全相关故障的可能性很小。在此，PHY8的发送功率是最低功率水平。理想情况下，通过检测电压识别PD2和通过SCCP(串行通信分类协议)传输功率等级符合通常的标准。在本例中，无源元件7.1设置在保护电路9中，其包括串联的电阻器16和电容器17。第二无源部件7.2的结构在下部详细视图中被放大并与各个部件一起示出。

电路元件5包括与第一线路31的电压端子30(正极)，第一线路31通向物理层(PHY)8的第一连接8.1。第二线路32将另一电压端子30(负极)连接到PSE3的PHY8的第二连接8.2。两条线路31、32分别包括设计为FET的开关元件10、20。电压端子30可以通向外部源，如图1所示，或在集成的源中，例如电池，如图2所示。中央调节单元15通过第一线路31中的线对11、13和第二线路32中的线对21、23分接相应开关元件10、20(FET)上的电压(U_DS)。此外，每个开关元件10、20通过与调节单元15连接的分别附属的控制线路12、22来控制和调节。例如，具有印刷电路板作为基座的调节单元15还包括用于至少部分数据处理的微处理器6和电压测量器18。未示出调节单元15的其他常规的另外的(微)电子元件。在所示的实施例中，调节通过运算放大器以电子方式进行，但也可以通过微处理器进行。这里微处理器用于控制和监测目的。

根据本发明的功能安全切断仅影响PSE3。这意味着仅在切断时将功率限制到PHY8的最大发送功率。以太网可以可选地用作安全协议的黑色通道。因此可以运行安全协议(例如PROFIsafe或CIPP Safety)。可以运行安全协议和标准协议。然而，本发明的优点在于，即使没有安全协议也可以实现更高级别的安全切断。

下表列出了符合IEEE802.3cg:2019的PSE3的额定电压和电流，并且都可以设置。

表1

图1还示出了作为可选扩展的附加电流表14，其也通过点划线的数据线连接到调节单元15。如此在正极线31中测量的电流可以与由电压确定的电流进行比较并用于监测。如图2所示，如果在两条线路31、32中都设置额外的电流表14.1、14.2，并且以这种方式确定的电流被比较并用于监测，则可以进一步改进这种额外的、单独的电流测量。

如图3所述，开关元件(FET)在调节回路24中处于接通状态，其中电压34(U_DS)作为调节变量保持恒定。该电压34通过线路31中的线路11、13和线路32中的线路21、23分接，如图1和2所示。经由控制线12、22施加的(栅极)电压35(U_GS)在此与流动电流的干扰变量33(I_S)成典型比率。这种关系可以从每个设置元件10、12的部件特定的特性曲线中得到，如图3中的下部曲线所示。

此外，如虚线箭头所示，输出电压19(U_IST)可以可选地通过第一线路31(正极)和第二线路32(负极)中的线路13通过线路23(冗余)测量，这在之前被称为在开关元件10、20的“后面”。替代地，可以通过线路对11、21以类似的方式测量，这在之前被称为在开关元件10、20的“前面”。

如果仅切断电源，则PHY8受限于传输功率。为此，无需精确测量功率或电流。电流测量主要用于监测设计为FET的开关元件10、20。这意味着在该变型中通常只设置两个安全功率水平。

替代地，可以进行电流和电压的安全相关的测量，从中进行功率的计算。这与规范进行比较，例如根据上表的IEEE802.3cg:2019的功率等级。为此，原则上必须安全地配置规范。必要情况下存在的瘦客户端控制协议(SCCP)具有控制效果。如果不满足规范，则启动安全切断。

1 PoDL网络或网络区段(1)

2 受电装置(PD)

3 PSE部件

4 SPE

5 电路元件(5)

6 微处理器、处理器单元

7 结构元件、无源(也是7.1、7.2)

8 物理层(PHY)

8.1 第一连接

8.2 第二连接

9 保护电路

10 开关元件

11 线路

12 控制线路

13 线路

14 电流表(也是14.1、14.2)

15 调节单元

16 电阻器

17 电容器

18 电压测量器

19 输出电压(U_IST)

20 开关元件

21 线路

22 控制线路

23 线路

24 调节回路

27 调节系统

28 参考变量(U_Ref)

29 返回

30 电压端子

31 第一线路

32 第二线路

33 干扰变量(I_S)

34 调节变量(U_DS)

35 设置变量(U_GS)