CN113497618A - 输入设备、控制设备和用于运行输入设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输入设备，其特别是用于工业控制设备，包括：输入电路，其具有用于施加输入信号的输入连接点和从输入连接点通向分析输入端的输入信号路径，在输入信号路径上将输入信号转换为分析信号；分析装置，其包括分析输入端且被构造为基于分析信号识别输入信号的输入信号电平，其中分析装置还被构造为执行输入设备的功能性测试，并在功能性测试的范围内通过提供测试信号引发分析信号的第一次改变，并基于引发的分析信号的第一次改变来测试输入设备的功能性，其中输入电路包括连接到输入信号路径中的晶体管且被构造为基于测试信号来操控晶体管的控制连接端，以引发分析信号的第一次改变。

Description

输入设备、控制设备和用于运行输入设备的方法

技术领域

本发明涉及一种输入设备，特别是用于工业控制设备的输入设备，所述输入设备包括输入电路，该输入电路具有用于施加输入信号的输入连接点以及从所述输入连接点通向分析输入端的输入信号路径，在所述输入信号路径上将所述输入信号转换为分析信号。所述输入设备还包括分析装置，所述分析装置包括所述分析输入端并且被构造为基于所述分析信号识别所述输入信号的输入信号电平。所述分析装置还被构造为执行所述输入设备的功能性测试，并在所述功能性测试的范围内通过提供测试信号引发所述分析信号的第一次改变，并且基于引发的所述分析信号的第一次改变来测试所述输入设备的功能性。

背景技术

DE 10 2011 015 498 B4描述了一种用于安全地读取所施加的输入信号的输入电路。设置第一测试电路以检查比较电路和耦合元件的可能部件失效。

发明内容

本发明的任务是提供一种输入设备，所述输入设备可以通过执行功能性测试以特别可靠的方式检查其自己的功能性。

该任务通过根据权利要求1的输入设备来解决。所述输入电路包括连接到所述输入信号路径中的晶体管并且被构造为基于所述测试信号来操控所述晶体管的控制连接端，以引发所述分析信号的第一次改变。

所述分析信号的第一次改变特别是用于模拟所述输入信号的改变（从所述分析装置的角度来看），而不必为此实际更改所述输入信号或额外加载所述输入信号。由于所述分析信号的第一次改变是借助于连接在所述输入信号路径中的晶体管进行的，因此可以利用第一次改变来模拟正常运行期间进行的输入信号改变（从所述分析装置的角度来看）。因此可以以特别可靠的方式测试所述输入设备的功能性。

特别是可以借助于功能性测试来检测所述输入设备的所有危险故障（例如，部件失效）。作为危险故障特别是应当表示导致尽管在输入连接点处施加第一输入信号电平（例如“逻辑0”），但是所述输入设备仍错误地检测到第二输入信号电平（例如“逻辑1”）的故障。在特别优选的设计中，所述晶体管附加地用于限制流入所述输入连接点的输入电流，特别是在正常运行期间和/或在所述功能性测试期间。由此可以实现所述输入设备的特别节能的运行。

有利的扩展是从属权利要求的主题。

本发明还涉及一种具有上述输入设备的控制设备。所述控制设备被构造为基于所确定的输入信号电平和/或基于所述功能性测试来执行控制。

本发明还涉及一种用于运行上述输入设备的方法。所述方法包括以下步骤：提供测试信号，基于所述测试信号操控晶体管的控制连接端，并由此引发分析信号的改变，以及基于引发的所述分析信号的改变来测试所述输入设备的功能性。

附图说明

下面参考附图解释其他示例性细节以及示例性实施方式。在此

图1示出了输入设备的电路图，

图2示出了比较器电路的电路图，

图3示出了具有分析信号电平和参考信号电平的简图，

图4示出了具有多个信号电平范围的电流-电压简图，

图5示出了控制设备的示意图，以及

图6示出了用于运行输入设备的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了输入设备10。输入设备10特别是用在工业控制设备30中。输入设备10特别是被构造用于接收和分析输入信号ES。输入设备10提供数字输入端，特别是安全的数字输入端，用于接收输入信号ES。

输入信号ES例如是数字信号，特别是二进制信号。输入信号ES例如是0-24V信号。所述输入信号可以适宜地采取两个不同的信号值，这些信号值通过所述输入信号的电平，特别是电压电平和/或电流电平表示。所述输入信号的电平也应称为输入信号电平。

例如，所述输入信号可以采取第一输入信号电平。所述第一输入信号电平例如是L电平—即低电平。所述第一输入信号电平例如对应于信号值“逻辑0”。作为“第一输入信号电平”适宜地应当表示低于电压切换阈值UT（例如参见图4）的任何输入信号电平。因此，术语“第一输入信号电平”特别是意味着第一输入信号电平范围。

此外，所述输入信号可以采取第二输入信号电平。第二输入信号电平例如是H电平—即高电平。所述第二输入信号电平例如对应于信号值“逻辑1”。作为“第二输入信号电平”，适宜地应当表示高于电压切换阈值UT（例如参见图4）的任何输入信号电平。因此，术语“第二输入信号电平”特别是意味着第二输入信号电平范围。

输入设备10特别是用于提供安全的输入端。优选地，利用输入设备10接收并分析作为输入信号ES的安全信号，例如紧急停止信号。例如，通过所述第一输入信号电平，即特别是通过信号值“逻辑0”来指示安全操作，例如紧急停止操作和/或采取安全状态、例如紧急停止状态。因此，重要的是确保输入设备10能够正确地识别所述第一输入信号电平。

适宜地，输入设备10满足EN 61508-2 SIL2对安全输入端的要求。两个输入设备10的组合适宜地满足EN 61508-2 SIL3或ISO 13849-1至KAT 4/Ple的要求。特别地，所述输入设备满足对所述标准的危险故障的出现概率和诊断的要求。危险故障特别是指，输入信号ES具有第一输入信号电平，但输入设备10错误地识别到第二输入信号电平。例如，当输入信号ES位于下面还要更详细解释的第一信号电平范围SPB1内（参见图4）但被错误地分析为“逻辑1”时得出了危险故障。

输入设备10包括输入电路4，该输入电路具有用于施加输入信号ES的输入连接点1。输入连接点1例如通过线路连接端，特别是电缆连接端（例如插拔连接器）来提供。适宜地，外部设备（例如传感器40）可以连接到输入连接点1或已连接到输入连接点1。连接在输入连接点1上的外部设备优选地提供输入信号ES，该输入信号由输入设备10接收和分析。

输入电路4还包括从输入连接点1通向分析输入端3的输入信号路径。输入电路4被构造为在所述输入信号路径上将输入信号ES转换为分析信号AS。

适宜地，所述输入信号路径是电流路径，也就是说特别是电流（例如直流电流）可以沿着其流动的路径。因此，分析输入端3优选地经由所述输入信号路径与输入连接点1电流连接。适宜地，施加在所述输入信号路径的各个节点上的电位在输入信号路径的方向上（即，从输入连接点1到分析输入端3）单调下降。特别地，输入电路4被构造为（作为转换）在所述输入信号路径上执行电平转换，即从所述输入信号电平转换为分析信号电平。

适宜地，所述分析信号电平与所述输入信号电平相比减小。例如，输入电路4将所述第一输入信号电平转换为第一分析信号电平AP1，并且将所述第二输入信号电平转换为第二分析信号电平AP2。第一分析信号电平AP1适宜地对应于信号值“逻辑0”。术语“第一分析信号电平”特别是意味着第一分析信号电平范围。例如，术语“第一分析信号电平”意味着低于第一参考信号电平RP1的任何分析信号电平。第二分析信号电平AP2适宜地对应于信号值“逻辑1”。术语“第二分析信号电平”特别是意味着第二分析信号电平范围。例如，术语“第二分析信号电平”意味着高于第二参考信号电平RP2的任何分析信号电平。

输入电路4适宜地是模拟电路。示例性地，输入电路4包括少于15个电子器件。特别地，输入电路4包括恰好十个电器件。输入电路4优选地仅包括唯一晶体管。在输入电路4的这些电器件中优选仅存在唯一晶体管。

输入设备10还包括分析装置2，分析装置2包括分析输入端3并且被构造为基于分析信号AS识别输入信号ES的输入信号电平。例如，分析装置2将所述分析信号电平与参考信号电平进行比较，以确定作为输入信号电平是存在第一输入信号电平还是第二输入信号电平。

分析装置2还被构造为执行功能性测试，并在功能性测试的范围内通过提供测试信号TS来引发分析信号AS的第一次改变，并基于引发的分析信号AS的第一次改变来测试输入设备10的功能性。特别地，分析装置2被构造为作为分析信号AS的第一次改变引发从第二分析信号电平AP2到第一分析信号电平AP1的改变。通过所述第一次改变，模拟分析输入端3上特别是从信号值“逻辑1”到信号值“逻辑0”的变更。

分析装置2检查分析信号AS是否响应于测试信号TS的改变而采取期望的分析信号电平。如果是这种情况，则已经通过了功能性测试并且得出了输入设备10的功能性。如果不是这种情况，则所述功能性测试失败并且没有得出输入设备10的功能性。表述“输入设备10的功能性”特别是意味着输入设备10正确地检测到第一输入信号电平的能力。所述功能性测试也可以称为功能性自测试。

当分析装置2响应于分析信号AS的第一次改变而识别出第一分析信号电平AP1时，分析装置2适宜地提供第一功能性信息作为所述功能性测试的结果，所述第一功能性信息表明已得出输入设备10的功能性。相反，如果分析装置2响应于分析信号的第一次改变未识别出第一分析信号电平AP1，则分析装置2适宜地提供第二功能性信息作为所述功能性测试的结果，所述第二功能性信息表明未得出输入设备10的功能性。

输入电路4包括连接到输入信号路径中的晶体管T1。输入电路4被构造为基于测试信号TS来操控晶体管T1的控制连接端B，以便引发所述分析信号的改变。晶体管T1示例性地包括第一载流连接端C和第二载流连接端E。输入信号路径适宜地经过第一载流连接端C和第二载流连接端E延伸。示例性地，晶体管T1是双极晶体管。示例性地，晶体管T1是npn晶体管。控制端子B示例性地是基极，第一载流连接端C示例性地是集电极，并且第二载流连接端E示例性地是发射极。

示例性地，测试信号TS经由测试信号输送部分7（这里适宜地是电阻R6）输送到晶体管T1的控制连接端B。测试信号TS示例性地提供在分析装置2的测试信号输出端TA上。直接施加在控制连接端B上的信号（该信号基于测试信号TS）也可以称为控制信号ANS。例如，电阻R3和R6是MELF类型，并且其大小被选择为使得即使在出现“半电阻值”的故障情况下，它们一起也不能提供针对1状态的必要的输入电流。

根据一种替代设计，测试信号TS也可以直接施加在控制连接端B上。例如，测试信号输出端TA可以直接与控制连接端B连接。

在输入设备10的正常运行中，输入设备10基于分析信号AS识别出当前施加在输入连接点1上的输入信号电平。在正常运行中，所述第一输入信号电平被转换为第一分析信号电平AP1，而所述第二输入信号电平被转换为第二分析信号电平AP2。如果输入设备10识别出第一分析信号电平AP1，则输入设备10断定存在所述第一输入信号电平。如果输入设备10识别出第二分析信号电平AP2，则输入设备10断定存在所述第二输入信号电平。在正常运行中，测试信号TS适宜地持续具有第二测试信号电平。

输入设备10适宜地被构造为从正常运行出发和/或在输入设备10的启动期间执行所述功能性测试。输入设备10优选地被构造为自动地和/或重复地，特别是周期性地执行所述功能性测试。此外，输入设备10也可以被构造为响应于用户输入和/或控制命令来执行所述功能性测试。

适宜地，当所述第二输入信号电平施加在输入连接点1上时，输入设备10执行所述功能性测试。在这种状态下，所述第二测试信号电平引发第二分析信号电平AP2施加在分析输入端3上。此外，在该状态下，也就是当存在所述第二输入信号电平时，第一测试信号电平引发在分析输入端3上施加第一分析信号电平AP1。

分析装置2被构造为在所述功能性测试的范围内将测试信号TS的测试信号电平从所述第二测试信号电平改变为所述第一测试信号电平，以引发分析信号AS的第一次改变。

所述第一测试信号电平优选地小于所述第二测试信号电平。示例性地，所述第二测试信号电平为3.3V，而所述第一测试信号电平为0V。特别地，为了所述分析信号的第一次改变而减小施加在控制连接端B上的电压。由此引发施加在第二载流连接端E上的电压相应减小，由此所述分析信号电平—特别是施加在分析输入端3上的电压—减小（从第二分析信号电平AP2减小到第一分析信号电平AP1）。

分析装置2适宜地被构造为，在所述功能性测试的范围内还将测试信号TS的测试信号电平从所述第一测试信号电平改变为所述第二测试信号电平，以便引发所述分析信号的第二次改变。由此将所述分析信号电平从第一分析信号电平AP1改变回第二分析信号电平AP2。特别地，分析装置2被构造为在第二分析信号电平AP2第一次改变为第一分析信号电平AP1之后立即将第一分析信号电平AP1第二次改变回到第二分析信号电平AP2。示例性地，在所述功能性测试期间提供长度小于10ms（例如1ms）的第一测试信号电平（以及因此还有第一分析信号电平AP1）。

分析装置2特别是被构造为在所述功能性测试时考虑所述分析信号电平的第一次改变和第二次改变。

示例性地，分析装置2被构造为提供参考信号RS，并且在所述功能性性测试的范围内（在第一次改变之后）在所述参考信号的第一参考信号电平RP1与分析信号AS之间进行第一比较以及（在第二次改变之后）在第二参考信号电平RP2与所述分析信号之间进行第二比较。第二参考信号电平RP2大于第一参考信号电平RP1。

这里提到的信号电平，即输入信号电平、分析信号电平、测试信号电平和参考信号电平优选都是电压电平。

在第一比较中，分析装置2适宜地检查在第一次改变之后的分析信号AS是否低于第一参考信号电平RP1，即分析信号AS是否具有第一分析信号电平AP1。此外，所述分析装置在第二比较中检查在第二次改变之后的分析信号AS是否高于第二参考信号电平RP2，即所述分析信号是否具有第二分析信号电平AP2。

分析装置2特别是检查在分析信号电平AP1，AP2与参考信号电平RP1，RP2之间是否存在图3中所示的关系。

适宜地，分析装置2被构造为响应于由第一次改变引发的分析信号电平小于第一参考信号电平RP1并且由第二次改变引发的分析信号电平大于第二参考信号电平RP2，确定得出了输入设备10的功能性。此外，分析装置2适宜地被构造为响应于由第一次改变引发的分析信号电平不小于第一参考信号电平RP1和/或由第二次改变引发的分析信号电平不大于第二参考信号电平RP2，确定没有得出输入设备10的功能性。

适宜地，分析装置2包括比较器电路9，用于在分析信号AS与参考信号RS之间执行上述比较。

比较器电路9适宜地具有滞后性。特别地，比较器电路9被实施为施密特触发器。比较器电路9适宜地提供参考信号RS，特别是基于比较器电路9的在比较器电路输出端KA上施加的输出信号。例如，比较器电路9响应于在分析输入端3上施加的分析信号AS小于第一参考信号电平RP1而将第一参考信号电平RP1改变为第二参考信号电平RP2。此外，比较器电路9响应于施加在分析输入端3上的分析信号AS大于第二参考信号电平RP2而将第二参考信号电平RP2改变为第一参考信号电平RP1。

示例性地，输入电路4包括具有第一电阻R1和第二电阻R2的第一分压器ST1。第一电阻R1在所述输入信号路径中（特别是直接地）连接在晶体管T1之后。

第一分压器ST1用于提供分析信号AS（参见图1）。比较器电路9包括第二分压器ST2（参见图2），用于提供参考信号RS。示例性地，参考信号RS的值还取决于比较器电路输出端KA，该比较器电路输出端KA借助于电阻R7反馈到分压器ST2。第二分压器示例性地通过电阻R8，R9形成。

输入设备10示例性地包括第一电压源V1，利用第一电压源V1向晶体管T1的控制连接端B供电。在正常运行中（在“逻辑1”的情况下），分压器ST1基本上由输入信号ES供应电压。输入设备10还包括第二电压源V2，利用第二电压源V2向第二分压器ST2供应电压。

因此，为了分析所述功能性测试，输入设备10使用由两个分压器ST1，ST2组成的电路，这些分压器在中间抽头处的电位相互比较，例如类似于维恩电桥。比较器电路9包括比较器单元OP（示例性地运算放大器），分压器ST1，ST2连接到该运算放大器的两个输入端上—第一分压器ST1连接到负输入端，而第二分压器ST2连接到正输入端。在所述功能性测试的范围内，比较器单元OP将第一分压器ST1的中间抽头处的电位与第二分压器ST2的中间抽头处的电位进行比较。如果两个电压源V1，V2之一的值、两个分压器ST1，ST2的电阻或下面还要解释的限流功能的改变超过预先确定的公差，则所述功能性测试失败。

输入电路4优选地包括在所述输入信号路径上连接在晶体管T1之前的至少一个输入电阻R4，该至少一个输入电阻R4由于其结构类型—适宜地是MELF结构类型（“MetalElectrode Leadless Faces”，金属电极无引线面）—而不可能短路。示例性地，输入电路4包括在所述输入信号路径上连接在晶体管T1之前的两个输入电阻R4和R5，这两个输入电阻R4和R5由于它们的结构类型—适宜地是MELF结构类型—而不可能短路。

特别地，电阻R4和R5（由于其结构类型）不可能具有会导致所述第一输入信号电平（即“逻辑0”）被错误地识别为所述第二输入信号电平（即“逻辑1”）的故障。

示例性地，输入电路4被构造为使用晶体管T1来提供限流，特别是恒定电流宿，以便限制经过输入连接点1流入输入电路4的输入电流，使得在输入信号电平升高时所述输入电流保持恒定。

示例性地，特别是当第二输入信号电平施加在输入连接点1上时，晶体管T1位于放大区域内。适宜地，流过晶体管T1（以及因此进入输入连接点1）的电流由基极电流（即，从基极B到发射极E的电流）确定，并且特别是不取决于集电极-发射极电压和/或输入信号电平。流入输入电路4的电流通过晶体管T1限制，由此能够实现能量有效的运行。例如，输入设备10在运行期间具有小于150mW的功耗。

由晶体管T1引发的限流在图4中示出。图4示出了电流-电压简图。在水平轴上绘制流入输入连接点1的电流，而在竖直轴上绘制施加在输入连接点1上的电压。电流-电压简图示出了输入信号ES的示例性电流-电压特性曲线，特别是在测试信号TS具有所述第二测试信号电平的情况下。

在电流-电压特性曲线的第一部分AB1中，电流随电压的增加而增大，特别是与增加的电压成比例地增大，适宜地从电流和电压的零点开始。晶体管T1例如在该第一部分中处于饱和区域中。适宜地，输入信号ES的电流-电压特性曲线呈线性地直到（下面解释的）第三信号电平范围SPB3内。晶体管T1是导通的。电流-电压特性曲线的第一部分AB1也可以称为线性部分，并且特别是对角地延伸。有效的输入电阻在该第一部分AB1中作为电阻R1，R2，R4，R5之和得出。

在第一部分AB1之后是第二部分AB2，在第二部分AB2中，即使电压继续升高，电流也保持恒定。晶体管T1在该第二部分中例如在放大区域内。在该第二部分AB2中，经由晶体管T1以及电阻R1和R2引发限流。由晶体管T1和电阻R1，R2形成的电路也可以称为限流电路。第二部分AB2特别是垂直向上延伸。

如果所述限流有效，即在输入信号ES的电流-电压特性曲线的第二部分AB2中，则将所述输入电流特别是限制到以下值：Imax=（V1-UBE）/（R1+R2），其中UBE是晶体管T1的基极-发射极电压。

示例性地，输入电路4被构造为在所述功能性测试的范围内，通过提供测试信号TS来减少经过输入连接点1流入输入电路4的输入电流。特别地，输入电路4被构造为通过将测试信号TS从所述第二测试信号电平改变为所述第一测试信号电平来减小经过输入连接点1流入输入电路4的输入电流。示例性地，在上式中V1以R6/（R3+R6）的比率减小，并且电流Imax相应地减小。由于在所述功能性测试时降低了电流消耗，因此在所述功能性测试期间也不会超出允许的电流消耗和损失功率。

根据一种优选的设计，输入设备10在电流消耗和切换阈值方面满足IEC 61131-2类型3的要求。输入设备10适宜地具有低的损失功耗，特别是在输入设备10的功能性测试期间，也就是例如在测试信号TS具有所述第一测试信号电平时。

图4还示出了多个信号电平范围SPB1，SPB2，SPB3和SPB4。在第一信号电平范围SPB1中，电流小于第一电流阈值IT1，并且电压小于第一电压阈值UT1，和/或电压小于第二电压阈值UT2（第二电压阈值UT2小于第一电压阈值UT1）。第一信号电平范围SPB1示例性地为L形。如果所述输入信号电平位于第一信号电平范围SPB1中，则输入设备10将所述输入信号电平分析为第一输入信号电平，即特别是分析为“逻辑0”。第一信号电平范围SPB1也可以称为0状态。

在第二信号电平范围SPB2中，电流大于第一电流阈值IT1，并且电压位于第二电压阈值UT2与第三电压阈值UT3之间。第二信号电平范围SPB2适宜地是第一信号电平范围SPB1与第三信号电平范围SPB3之间的过渡范围。示例性地，上述电压切换阈值UT位于第二信号电平范围SPB2中。电压切换阈值UT适宜地具有滞后性。

在第三信号电平范围SPB3中，电流大于第二电流阈值IT2，并且电压位于第三电压阈值UT3与第四电压阈值UT4之间。第四电压阈值UT4大于第三电压阈值UT3。如果所述输入信号电平位于第三信号电平范围SPB3中，则输入设备10将所述输入信号电平分析为第二输入信号电平，即特别是分析为“逻辑1”。第三信号电平范围SPB3也可以称为1状态。

在第四信号电平范围SPB4中，电流大于第二电流阈值IT2，并且电压大于第四电压阈值UT4。如果所述输入信号电平位于第四信号电平范围SPB4中，则输入设备10将所述输入信号电平分析为故障，特别是分析为供电故障。

输入信号ES的电流-电压特性曲线以其第一部分AB1穿过第一信号电平范围SPB1和第二信号电平范围SPB2进入第三信号电平范围SPB3。所述电流-电压特性曲线在所述第一部分中单调上升。在第三信号电平范围SPB3中，所述电流-电压特性曲线从第一部分AB1转变为第二部分AB2。在第二部分AB2中，所述电流-电压特性曲线垂直向上运行延伸—这里电流与电压无关地保持恒定。

示例性地，输入信号ES对应于以下通信协议，根据该通信协议，所述输入信号的位于第一信号电平范围SPB1内的输入信号电平表示第一输入信号电平，特别是第一信号值，例如“逻辑0”。所述通信协议例如是IEC 61131-2标准。第一信号电平范围SPB1向上受到第一信号电平极限值的限制，示例性地由第二电压阈值UT2限制。适宜地将输入设备10构造为将输入信号ES的直到切换阈值（这里示例性地是电压切换阈值UT）的输入信号电平分析为所述第一输入信号电平，其中该切换阈值适宜地至少是所述第一信号电平极限值的两倍。因此，示例性地，电压切换阈值UT至少是第二电压阈值UT2的两倍（第二电压阈值UT2特别是对应于IEC 61131-2标准的UTmin）。

因此，定义所述第一输入信号电平与所述第二输入信号电平之间的边界的电压切换阈值UT在第二信号电平范围SPB2的上半部分中是第二电压阈值UT2的两倍值。通过这种方式可以防止，电压切换阈值UT在减小的情况下（例如由于部件失效）立即下降到第一信号电平范围SPB1中。即使电阻R4和R5下降到其电阻值的一半，电压切换阈值UT也适宜地不下降到第二电压阈值UT2以下。

根据一种优选设计，电流切换阈值高于第一电流阈值IT1的两倍值，使得即使输入电阻由于R4和R5的双倍部件值而增加，所述电流切换阈值也不可能下降到低于第一电流阈值IT1。

通过上面解释的在所述功能性测试的范围内执行的所述分析信号与所述参考信号之间的两次比较，可以如下所解释地识别出大量故障：

特别地，通过所述功能性测试来检查电压源V1和V2。这样，电压源V1和V2提供的电压必须彼此间具有预先确定比率，示例性地由分压器ST1，ST2和比较器电路9的滞后性定义的比率，以便通过所述功能性测试。因此，分析装置2可以借助于所述功能性测试来识别出电压源V1和V2的故障。

此外，通过所述功能性测试来检查比较器电路9，特别是所述比较器单元。这样，比较器电路9必须响应于分析信号AS的两次改变而将其比较器电路输出端KA正确地切换两次，以便通过所述功能性测试。在电压切换阈值UT发生危险改变的情况下和/或在比较器单元OP的切换功能丧失的情况下（例如由于固定故障），所述功能性测试失败。因此，分析装置2可以借助于所述功能性测试来识别比较器电路9、特别是比较器单元OP的故障。

此外，通过所述功能性测试测试两个分压器ST1和ST2。由两个分压器ST1和ST2形成的电路近似为维恩电桥，该维恩电桥在所述功能性测试的范围内通过测试信号TS围绕比较器电路9的利用电阻R7设置的滞后性来回跳跃。这样，在所述功能性测试的范围内，分析信号AS示例性地必须跳跃到高出第一参考信号电平RP1与第二参考信号电平RP2之间的电压差两次，以便通过所述功能性测试。一旦两个分压器ST1，ST2的部件使其值的改变超过预给定的公差，所述维恩电桥就失调，并且来回跳跃不再起作用。因此，分析装置2可以借助于所述功能性测试来识别两个分压器ST1和ST2的故障。

此外，可以借助于所述功能性测试来识别晶体管T1的失效。在从集电极到基极或发射极发生短路的情况下，失去可测试性—所述功能性测试失败。在基极与发射极之间发生短路的情况下，失去电流增益，流过R3和R6的电流不足以接通—所述功能性测试同样失败。此外，晶体管T1的连接的中断同样导致所述功能性测试失败。因此，分析装置2可以借助于所述功能性测试来识别晶体管T1的故障。

此外，可以借助于所述功能性测试来识别第一分压器ST1的电阻R1和R2的改变。如果第一分压器ST1改变，例如由于R2采取两倍的电阻值，则电压切换阈值UT下降。这导致，在所述功能性测试中所述分析信号电平在第一比较期间不低于第一参考信号电平RP1，由此所述功能性测试失败。特别地，当电压切换阈值UT由于电阻R2增大而减小，但是仍然高于第二电压阈值UT2时，所述功能性测试已经失败。如果该分压器朝不同的方向改变，例如由于R2采取电阻值的一半，则电压切换阈值UT增大，该失效不是危险的，但适宜地同样可以通过所述功能性测试来加以识别。

输入设备10特别是被构造为针对电阻R1，R2，R7，R8，R9分别识别短路、中断和电阻值直至一半电阻值和直至两倍电阻值的偏差，更确切地说借助于所述功能性测试，特别是借助于两个比较来识别。

电阻R4或R5的中断导致输入设备10将所述第一输入信号电平（即“逻辑0”）识别为输入信号电平。因此，这样的中断并不表示危险故障。适宜地，对于电阻R4和R5不可能出现危险故障—也就是说，不会出现导致将“逻辑0”识别为“逻辑1”的故障。

输入设备10适宜地由没有危险故障可能性的第一部分（电阻R4和R5）和被完全检查的第二部分组成，在第二部分的情况下所有的故障，特别是所有的危险故障都通过所述功能性测试得以识别。

下面应当详细解释输入设备10的在图1中示出的示例性电路设计。

输入电路4示例性地包括EMV保护电路5（EMV＝电磁兼容性）、电平转换器6和/或测试信号输送部分7。

电平转换器6在所述输入信号路径上位于输入连接点1与分析输入端3之间。示例性地，电平转换器6在所述输入信号路径上位于EMV保护电路5与分析输入端3之间。

电平转换器6包括晶体管T1。示例性地，电平转换器6还包括第一电阻R1和第二电阻R2。第一电阻R1和第二电阻R2形成分压器ST1。分压器ST1包括分压器输出节点K1，分压器ST1在分压器输出节点K1处提供分压，基于该分压提供分析信号AS。示例性地，所述分压是分析信号AS。适宜地，分压器输出节点K1与分析输入端3直接连接。第一电阻R1示例性地连接到第二载流连接端E与分压器输出节点K1之间。第二电阻R2示例性地连接到分压器输出节点K1与地GND之间。电平转换器6还示例性地包括第一电容器C1，第一电容器C1连接到分压器输出节点K1与地GND之间。电平转换器6还示例性地包括第三电阻R3，该第三电阻R3连接到第一电压源V1与晶体管T1的控制连接端B之间。电平转换器6还示例性地包括第四电阻R4，该第四电阻R4连接到电平转换器输入节点K2与晶体管T1的第一载流连接端C之间。

EMV保护电路5在所述输入信号路径上连接到输入连接点1与电平转换器6、特别是电平转换器输入节点K2之间。EMV保护电路5示例性地包括第五电阻R5，该第五电阻R5连接到输入连接点1与电平转换器输入节点K2之间。EMV保护电路5还示例性地包括齐纳二极管Z1，该齐纳二极管Z1以截止方向连接到所述输入信号路径、特别是输入连接点1与地GND之间。EMV保护电路5还示例性地包括第二电容器C2，该第二电容器C2连接到所述输入信号路径、特别是电平转换器输入节点K2与地GND之间。

测试信号输送部分7示例性地包括电阻R6，该电阻R6连接到控制连接端B与分析装置2的测试信号输出端TA之间。

在该示例性电路设计中，所述输入信号路径从输入连接点1出发按照以下说明的顺序依次通过：第五电阻R5、电平转换器输入节点K2、第四电阻R4、第一载流连接端C、晶体管T1、第二载流连接端E、第一电阻R1和分压器输出节点K1延伸，并且然后到达分析输入端3。

分析装置2示例性地包括逻辑装置8，例如一个或多个微控制器。示例性地，分析装置2还包括比较器电路9。示例性地，比较器电路9提供分析输入端3。分析输入端3示例性地是比较器电路9的第一比较器输入端。分析输入端3适宜地是负比较器输入端。比较器电路9以其比较器电路输出端KA与逻辑装置8的输入端连接。根据一种替代设计，分析输入端3也可以直接由逻辑装置8提供，例如借助于逻辑装置8的模数转换器。在该替代设计中，比较器电路9适宜地不存在。

比较器电路9包括比较器单元OP，该比较器单元OP具有第二比较器输入端11。第二比较器输入端11特别是正比较器输入端。参考信号RS施加在第二比较器输入端11上。比较器单元OP将分析信号AS与参考信号RS进行比较，并将比较结果提供给逻辑装置8。

图2示出了比较器电路9的示例性设计。比较器电路9示例性地包括运算放大器OP作为比较器单元OP，该运算放大器OP的负输入端是分析输入端3，而其正输入端是第二比较器输入端11。比较器电路9还包括第七电阻R7，该第七电阻连接到比较器单元OP的输出端与运算放大器OP的第二比较器输入端11之间。比较器电路9还包括第八电阻R8，该第八电阻连接到比较器单元OP的第二比较器输入端（即正输入端）与第二电压源V2之间。比较器电路9还包括第九电阻R9，该第九电阻连接到比较器单元OP的第二比较器输入端与地GND之间。

逻辑装置8示例性地包括第一逻辑单元12和第二逻辑单元13，它们经由通信连接14彼此通信连接。示例性地，第一逻辑单元12与比较器电路9的比较器电路输出端KA连接。第二逻辑单元13示例性地包括测试信号输出端TA，并且被构造为在测试信号输出端TA上提供所述测试信号。两个逻辑单元12、13例如可以是单独的数字电路和/或单独的微控制器。根据一种替代设计，逻辑装置8由微控制器实现，该微控制器与比较器电路9的比较器电路输出端KA连接并提供测试信号输出端TA。

图5示出了由控制设备30和传感器40构成的装置20。传感器40例如经由线路60、特别是经由电缆与控制设备30连接。适宜地，控制设备30也可以被独立地提供，也就是说没有线路60和/或传感器40。控制设备30包括输入设备10。线路60示例性地连接到输入连接点1。传感器40例如是感应传感器，特别是感应接近传感器。

控制设备30被构造为基于所确定的输入信号电平和/或基于对输入设备10的功能性的检查来执行控制。例如，控制设备30被构造为响应于所述第一输入信号电平和/或响应于在所述检查时确定没有得出输入设备10的功能性，执行引发紧急操作、特别是紧急停止操作和/或采取安全状态（例如紧急停止状态）的控制。

示例性地，控制设备30还包括执行器50。执行器50例如是流体的和/或电的驱动器。控制设备30被构造为基于所确定的输入信号电平和/或基于对输入设备10的功能性的检查来操控执行器50。例如，控制设备30被构造为响应于所述第一输入信号电平和/或响应于在所述检查时确定未得出输入设备10的功能性，引发执行器50执行紧急操作，特别是紧急停止操作和/或采取安全状态、例如紧急停止状态。该紧急操作例如是采取安全状态。

控制设备30例如是驱动调节器，特别是伺服驱动调节器，例如用于机器人。所述驱动调节器适宜地被构造为，作为紧急操作例如将机器人切换到无转矩状态。此外，控制设备30可以是例如用于阀门的通风单元。所述通风单元适宜地被构造为作为所述紧急操作引发阀门的通风。

图6示出了用于运行输入设备10的方法的流程图，该方法包括以下步骤：提供S1测试信号TS，基于测试信号TS操控S2晶体管T1的控制连接端B并由此引发分析信号AS的第一次改变，基于引发的分析信号AS的改变检查S3输入设备10的功能性。

Claims (14)

1.输入设备（10），特别是用于工业控制设备（30）的输入设备，所述输入设备包括：输入电路（4），所述输入电路具有用于施加输入信号（ES）的输入连接点（1）以及从所述输入连接点（1）通向分析输入端（3）的输入信号路径，在所述输入信号路径上将所述输入信号（ES）转换为分析信号（AS）；分析装置（2），所述分析装置包括所述分析输入端（3）并且被构造为基于所述分析信号（AS）识别所述输入信号（ES）的输入信号电平，其中所述分析装置（2）还被构造为执行所述输入设备（10）的功能性测试，并在所述功能性测试的范围内通过提供测试信号（TS）引发所述分析信号（AS）的第一次改变，并且基于引发的所述分析信号（AS）的第一次改变来测试所述输入设备（10）的功能性，其中所述输入电路（4）包括连接到所述输入信号路径中的晶体管（T1）并且被构造为基于所述测试信号（TS）来操控所述晶体管（T1）的控制连接端（B），以引发所述分析信号（AS）的第一次改变。

2.根据权利要求1所述的输入设备（10），其中，所述晶体管（T1）包括第一载流连接端（C）和第二载流连接端（E），并且所述输入信号路径经由所述第一载流连接端（C）和所述第二载流连接端（E）延伸。

3.根据前一权利要求所述的输入设备（10），其中，所述输入电路（4）被构造为使用所述晶体管（T）提供限流、特别是恒定电流宿，以便限制经过所述输入连接点（1）流入所述输入电路（4）的输入电流，使得在所述限流中所述输入电流在输入信号电平进一步升高时保持恒定。

4.根据前一权利要求所述的输入设备（10），其中，所述输入电路（4）被构造为在所述功能性测试的范围内，通过提供测试信号来减少经过所述输入连接点（1）流入所述输入电路（4）的输入电流。

5.根据前一权利要求所述的输入设备（10），其中，所述输入电路（4）还包括具有第一电阻（R1）和第二电阻（R2）的第一分压器（ST1），其中所述第一电阻（R1）在所述输入信号路径中连接在所述晶体管（T1）之后。

6.根据前述权利要求中任一项所述的输入设备（10），其中，所述分析装置（2）被构造为将所述测试信号（TS）的测试信号电平从第二测试信号电平改变为第一测试信号电平，以引发所述分析信号（AS）的第一次改变，以及将所述测试信号（TS）的测试信号电平从所述第一测试信号电平改变为所述第二测试信号电平，以引发所述分析信号（AS）的第二次改变，并且在所述功能性测试中考虑所述分析信号（AS）的第一次改变和第二次改变。

7.根据前述权利要求中任一项所述的输入设备（10），其中，所述分析装置（2）被构造为提供参考信号（RS），并且在所述功能性测试的范围内在所述参考信号的第一参考信号电平（RP1）与所述分析信号（AS）之间进行第一比较以及在不同于所述第一参考信号电平（RP1）的第二参考信号电平（RP2）与所述分析信号（AS）之间进行第二比较。

8.根据权利要求7所述的输入设备（10），其中，所述输入电路（4）包括用于提供所述分析信号的第一分压器（ST1）/所述第一分压器（ST1），并且所述分析装置（2）包括用于提供所述参考信号（RS）的比较器电路（9）。

9.根据权利要求8所述的输入设备（10），包括第一电压源（V1），利用所述第一电压源向所述晶体管（T1）的所述控制连接端（B）供应电压。

10.根据前一权利要求所述的输入设备（10），其中，所述输入电路（4）包括在所述输入信号路径上连接在所述晶体管（T1）之前的至少一个输入电阻（R4，R5），所述至少一个输入电阻由于其结构类型，适宜地是MELF结构类型而不可能短路。

11.根据前一权利要求所述的输入设备（10），其中，所述输入信号（ES）对应于以下通信协议，根据该通信协议，所述输入信号（ES）的位于第一信号电平范围（SPB1）内的输入信号电平表示第一输入信号电平，特别是第一信号值，例如逻辑0，其中所述第一信号电平范围（SPB1）向上受到第一信号电平极限值的限制，并且其中所述输入设备（10）被构造为将所述输入信号（ES）的直到切换阈值的输入信号电平分析为所述第一输入信号电平，所述切换阈值至少是所述第一信号电平极限值的两倍。

12.一种控制设备（30），具有根据前述权利要求中任一项所述的输入设备（10），其中所述控制设备（30）被构造为基于所确定的输入信号电平和/或基于功能性测试来执行控制。

13.根据权利要求12所述的控制设备（30），还包括执行器（50），特别是流体的和/或电的驱动器，其中所述控制设备（30）被构造为基于所确定的输入信号电平和/或基于所述功能性测试来操控所述执行器（50）。

14.用于运行根据权利要求1至11中任一项所述的输入设备（10）的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供（S1）测试信号（TS），

-基于所述测试信号（TS）操控（S2）晶体管（T1）的控制连接端（B），并由此引发分析信号（AS）的第一次改变，以及

基于引发的所述分析信号（AS）的改变来测试（S3）所述输入设备（10）的功能性。

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