CH689879A5 - Steuereinrichtung zur Betätigung von Schalteinrichtungen. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. 



  Derartige Einrichtungen werden beispielsweise zur Überwachung von Schaltern für Stellglieder wie Brennstoffventile und Lüftungsklappen verwendet, wobei der Mikroprozessor die über netzspannungsführende Meldeleitungen zugeführten Informationen auswertet und entsprechende Steuerbefehle absetzt. Insbesondere wegen der beim Einschaltvorgang und beim Betrieb von \l- und Gasbrennern geforderten Sicherheit ist die Abschaltfähigkeit der Schalteinrichtungen, die sicherheitstechnisch kritische Lasten wie beispielsweise ein Brennstoffventil schalten, häufig zu überprüfen, um eine Fehlfunktion der Schalteinrichtung erkennen zu können, bevor eine gefährliche Situation entsteht. 



  Aus der DE-PS 3 044 047 C2 und der prioritätsälteren DE-PS 3 041 521 C2 ist eine Steuereinrichtung für \lbrenner gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei welcher Informationen über die Schaltzustände von Relais- und Sensorkontakten mittels Verstärker in einen Mikroprozessor übertragen werden. Die Schaltzustände der Relaiskontakte sind als netzspannungsführende Signale je einem Verstärker zugeführt, der ausgangsseitig mit einem Eingang des Mikroprozessors verbunden ist. Der Mikroprozessor ist programmiert, eine Anzahl Prüfungen dahingehend durchzuführen, ob ein System mit geschalteten Verbrauchern tatsächlich in der richtigen Weise eine Einschaltphase durchläuft. Dazu werden vom Mikroprozessor Signale eingelesen und mit Sollwerten verglichen. Bei einem fehlerhaften Verbraucherzustand schaltet der Mikroprozessor die Verbraucher ab.

   Durch die Reihenschaltung von wenigstens zwei Relaiskontakten im Betätigungszweig der kritischen Lasten sind bei einem für intermittierenden Betrieb ausgelegten \lbrenner diese Relais bei jedem Einschaltvorgang oder während der Standzeit des \lbrenners auf ihre Abschaltfähigkeit überprüfbar, so dass ein Anschweissen der Relaiskontakte erkannt werden kann. 



  Die in der DE-PS 3 044 047 C2 beschriebene Steuereinrichtung weist ein Sicherheitsrelais auf, das über einen Halbleiterschalter betätigbar ist. Wegen der mechanischen und der elektrisch induktiven Trägheit des Relais ist der Halbleiterschalter ohne Beeinflussung des Brennvorganges kurzzeitig abschaltbar und damit auf seine Abschaltfähigkeit hin überprüfbar. Im Dauerbetrieb des Brenners ist jedoch ein Verschweissen der Arbeitskontakte dieses Sicherheitsrelais, über die der Strom der gesamten Anlage fliesst, nicht erkennbar. 



  Aus der DE-OS 2 951 118 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung von Leistungsschaltern bekannt, bei der ein Halbleiterschalter und ein Arbeitskontakt eines Relais in Reihe zu einer Last geschaltet sind. Die Versorgungsspannung des Relais ist dabei bei offenem Halbleiterschalter von der Steuerspannung des Halbleiterschalters und bei geschlossenem Halbleiterschalter vom Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter abgeleitet. Bei einem Defekt des Halbleiterschalters durch einen Kurzschluss unterbricht das Relais den Strompfad zur Last, sobald die Steuerspannung des Halbleiterschalters abgeschaltet wird. Der Unterbruch erfolgt wegen der Trägheit des Relais zeitverzögert.

   Eine solche Schaltungsanordnung eignet sich nicht zur Verwendung in einer Steuereinrichtung für einen für Dauerbetrieb ausgelegten  Brenner, da eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit des Halbleiterschalters nicht möglich ist ohne Beeinflussung des Brennvorganges. 



  Eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit mechanischer Schalteinrichtungen im Dauerbetrieb eines Brenners ohne Beeinflussung des Brennvorganges ist möglich, wenn vier Schalteinrichtungen in einer Brückenschaltung so angeordnet sind, dass eine wahlweise diagonale Durchschaltung möglich ist. Eine solche Anordnung ist aber mit relativ hohen Kosten verbunden, wenn mehrere sicherheitstechnisch kritische Lasten zu schalten sind. 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für eine Anlage, beispielsweise für \l- oder Gasbrenner zu schaffen, die sicher arbeitet, bei der eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit derjenigen Schalteinrichtungen, die sicherheitstechnisch kritische Lasten zu- oder abschalten, im Dauerbetrieb des Brenners möglich ist, und die kostengünstig ist. 



  Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. 



  Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. 



  Es zeigen: 
 
   Fig. 1 eine Steuereinrichtung mit einem Strompfad pro Last, 
   Fig. 2 eine Messeinrichtung und 
   Fig. 3 eine Steuereinrichtung mit zwei Strompfaden pro Last. 
 



  Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Steuerung einer Anlage, welche als Zeitgeber- und Steuerlogikeinrichtung einen Mikroprozessor 1 aufweist. Sie enthält weiter eine Schalteinrichtung 2 und eine Messeinrichtung 3. Mittels der Schalteinrichtung 2 ist eine sicherheitstechnisch kritische Last L über einen Strompfad K1 an eine zwischen einer Phase P und einem Nullpunkt G liegende Netzspannung UPG schaltbar. Die Schalteinrichtung 2 weist einen Schalter 4 und eine Steuerschaltung 5 auf Die Messeinrichtung 3 enthält ein Messelement 6 und einen Schaltungsblock 7. Das Messelement 6 ist im Strompfad K1 in Reihe zum Schalter 4 geschaltet und weist zwei Ausgänge 6a und 6b auf, die auf Eingänge 7a bzw. 7b des Schaltungsblockes 7 geführt sind. Der Schaltungsblock 7 weist einen Ausgang 7c auf, der mit einem Eingang R des Mikroprozessors 1 verbunden ist.

   Die Steuerschaltung 5 ist mit einem Ausgang A des Mikroprozessors 1 verbunden. Ein weiterer Eingang S des Mikroprozessors 1 ist über ein galvanisches Trennglied 19 an die Phase P angeschlossen. Der Mikroprozessor 1, die Steuerschaltung 5 und der Schaltungsblock 7 sind von der Netzspannung UPG galvanisch getrennt gespeist, wobei die nicht dargestellte Speisungsschaltung die Anschlüsse V und m aufweist. 



  Die Steuerschaltung 5 dient als Interfaceschaltung, so dass der Zustand - offen oder geschlossen - des Schalters 4 durch den Mikroprozessor 1 steuerbar ist. Der Schaltungsblock 7 hat die Aufgabe, ein mittels des Messelementes 6 gemessenes Signal in eine binäre Form zu bringen, die vom Mikroprozessor 1 als  Zustand offen bzw. geschlossen des Schalters 4 interpretiert werden kann. 



  Im Beispiel nach der Fig. 1 ist als Messelement 6 ein Übertrager 8 vorgesehen und der Schaltungsblock 7 besteht aus einem Brückengleichrichter 9 und einem Schmitt-Trigger 10, die in Reihe geschaltet sind. Bei offenem Zustand des Schalters 4 fliesst im Strompfad K1 ein Wechselstrom I, der in der Sekundärwicklung des Übertragers 8 eine wechselförmige Spannung U1 erzeugt, welche vom Brückengleichrichter 9 gleichgerichtet und vom Schmitt-Trigger 10 in eine Rechteckspannung U2 umgeformt wird, so dass sowohl eine positive wie eine negative Halbwelle des Wechselstromes 1 einen Rechteckimpuls erzeugt. Während der Dauer jedes Rechteckimpulses liegt am Eingang R des Mikroprozessors 1 somit ein als logisch "1" interpretierbares Potential. Ist der Schalter 4 geschlossen, so fliesst im Stromkreis K1 kein Strom I.

   Die Spannung U1 am Ausgang des Übertragers 8 verschwindet folglich auch und die Spannung U2 wird gleichförmig. Der Zustand geschlossen des Schalters 4 führt also dazu, dass am Eingang R des Mikroprozessors 1 eine als logisch "0" interpretierbare Gleichspannung U2 anliegt. Die Verwendung des Übertragers 8 als Messelement 6 ergibt eine einfache galvanische Trennung zwischen dem Laststromkreis K1 und dem Mikroprozessor 1. 



  Als Schalter 4 ist ein Triac 11 vorgesehen. Zur galvanischen Trennung zwischen dem Schalter 4 und dem Mikroprozessor 1 weist die Steuerschaltung 5 einen Optokoppler 12 auf. Der Mikroprozessor 1 steuert den Optokoppler 12 über einen durch zwei Widerstände 13 und 14 gebildeten Spannungsteiler und einen Transistor 15 an. Der Zündanschluss des Triac 11 ist mit dem Mittenabgriff eines zweiten Spannungsteilers verbunden, der durch Widerstände 16 und 17 gebildet und zwischen die Phase P und den Nullpunkt G des Wechselspannungsnetzes UPG geschaltet ist. Der Optokoppler 12 ist ausgangsseitig mit den Anschlüssen des Widerstandes 17 verbunden. Solange der Mikroprozessor 1 am Ausgang A eine tiefe Signalspannung abgibt, bleibt der Optokoppler 12 dunkel, der Ausgangstransistor 18 des Optokopplers 12 sperrt und der Triac 11 wird bei jeder Netzhalbwelle gezündet und somit eingeschaltet.

   Zur Aussetzung oder Verzögerung des Zündvorganges setzt der Mikroprozessor 1 den Ausgang A für eine vorbestimmte Zeitdauer auf ein hohes Potential, so dass der Optokoppler 12 hell ist und der Widerstand 17 durch den nunmehr leitenden Ausgangstransistor 18 kurzgeschlossen ist. Bei dieser Schaltungstechnik ist der Optokoppler 12 nur gerade während des Prüfzyklus in Betrieb, was sich auf seine Lebensdauer vorteilhaft auswirkt. 



  Der Mikroprozessor 1 ist durch ein Zeitprogramm dahingehend programmiert, während der Einschaltphase und im Betrieb der Anlage, beispielsweise einem \lbrenner, einzelne Lasten L wie Brennstoff-ventile oder einen Gebläsemotor in einer bestimmten Reihenfolge einzuschalten und einzelne Vorgänge wie z.B. die Bildung einer Flamme zu überwachen und gegebenenfalls die gesamte Anlage abzuschalten, so dass sich der \lbrenner zu keinem Zeitpunkt in einer z.B. explosionsgefährdeten Situation befindet. 



  Im Dauerbetrieb der Anlage ist der Schalter 4 geschlossen, so dass die Last L eingeschaltet ist. Am Ausgang 7c des Schaltungsblockes 7 erscheinen somit rechteckförmige Impulse einer vorgegebenen Länge. Der Mikroprozessor 1 ist dahingehend programmiert, das Potential am Eingang R laufend abzufragen und  zu überprüfen, ob der daraus abgeleitete Ist-Zustand des Schalters 4 dem vorgegebenen Soll-Zustand entspricht. Bei einem Ist-Zustand "offen" und einem Soll-Zustand "geschlossen" schaltet der Mikroprozessor 1 die ganze Anlage gemäss einem vorgegebenen Unterprogramm ab, beispielsweise durch Ausschalten eines Hauptschalters 20. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch ein Bauteilfehler eines Bauelementes in der Steuerschaltung 5, der dazu führt, dass der Triac 11 nicht mehr ausschaltbar ist, keine Gefährdung ergibt. 



  Zur Überprüfung der Abschaltfähigkeit des Schalters 4 führt der Mikroprozessor 1 einen Prüfzyklus durch, der darin besteht, dass der Mikroprozessor 1 den Schalter 4 für eine Zeitdauer T in der Grössenordnung einiger Millisekunden schliesst und das in dieser Zeit am Ausgang der Messeinrichtung 3 anstehende Signal U2 analysiert. Die Zeitdauer T, in der der Schalter 4 geöffnet ist, ist so kurz, dass die Last L trotz kurzzeitig fehlender Spannungsversorgung ihren Betriebszustand infolge mechanischer oder elektrischer Trägheit nicht ändert. Auf diese Weise ist die Abschaltfähigkeit des Schalters 4 überprüfbar, ohne dass der Betriebszustand der Anlage ändert. So wird beispielsweise die Flamme eines \lbrenners gleichförmig mit Brennstoff versorgt, auch wenn das Brennstoffventil kurzzeitig ohne Spannungsversorgung ist. 



  Das am Eingang S anliegende Signal ist in Phase zur Netzspannung UPG. Seine Nulldurchgänge definieren zeitlich die Zündpunkte des Triac 11 im Normalbetrieb. Aus der Kenntnis dieser Zündzeiten ist es dem Mikroprozessor 1 möglich, das Einschalten des Triac 11 um eine vorbestimmte Zeitspanne zu verzögern. Um eine Selbstzündung des Triac 11 erkennen zu können, muss diese Zeitspanne wenigstens eine halbe Netzhalbwelle dauern, damit die am Triac 11 anliegende Netzspannung UPG ihren Maximalwert erreicht. Die Anstiegsflanke des zugehörigen Rechteckimpulses am Ausgang 7c erscheint dementsprechend verzögert, während die Ausschaltflanke dieses Rechteckimpulses unverzögert erscheint. Der Mikroprozessor 1 misst die zeitliche Länge dieses und des vorangegangenen oder des nächsten Rechteckimpulses.

   Die Differenz oder das Verhältnis dieser Rechteckimpulse enthält die Information, ob der Triac 11 wie vorgesehen verzögert einschaltete. Der Vergleich der Dauer der zwei aufeinanderfolgenden Rechteckimpulse bietet den Vorteil, dass eine bei einer induktiven Last mögliche Phasenverschiebung zwischen der Netzspannung UPG und dem im Stromkreis K1 fliessenden Strom I keinen Einfluss auf das Messresultat hat. Ein solcher Prüfzyklus wird mit Vorteil sowohl bei positiven wie bei negativen Halbwellen durchgeführt. 



  Als Schalter 4 sind auch Schalttransistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, oder Relais verwendbar. Die Steuerschaltung 5 ist dabei dem Typ des Schalters 4 anzupassen. Halbleiterschalter wie der Triac 11 oder ein Transistor bieten den Vorteil, dass sie sehr schnell ein- und ausschaltbar sind, 



  Als Messelement 6 ist auch ein Hallelement oder ein Widerstand einsetzbar. Das Hallelement liefert bei entsprechender Speisung ein galvanisch getrenntes Signal. 



  Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Messeinrichtung 3. Dem Schalter 4 im Laststromkreis K1 sind in Reihe ein Widerstand 21 und eine Leuchtdiode 22 parallel geschaltet, wobei die Leuchtdiode 22 Bestandteil eines Optokopplers 23 ist. Bei geschlossenem Zustand des Schalters 4 fliesst kein Strom durch den Widerstand 21 und die Leuchtdiode 22, so dass der Ausgang des Optokopplers 23 ein gleichförmiges Signal führt, während bei offenem Zustand des Schalters 4 ein Strom durch den Widerstand 21 und die Leuchtdiode 22 fliesst, so dass der Ausgang des Optokopplers 23 ein wechselförmiges Signal führt. Der Widerstand 21 ist hochohmig bemessen, so dass die Last L bei offenem Zustand des Schalters 4 ausgeschaltet bleibt.

   Bei der Durchführung eines Prüfzyklus stellt der Mikroprozessor 1 durch Mehrfachabfragen fest, ob das Signal am Eingang R gleich- oder wechselförmig ist und bestimmt daraus den Ist-Zustand des Schalters 4. 



  Die Fig. 3 zeigt eine Steuereinrichtung, bei der die Last L über zwei getrennte Strompfade K1 bzw. K2 an die Phase P angeschlossen ist. Beide Strompfade K1 und K2 weisen je in Reihe eine Schalteinrichtung 2.1 bzw. 2.2 und ein Messelement 6.1 bzw. 6.2 auf Die Messelemente 6.1 und 6.2 bilden zusammen mit dem Schaltungsblock 7 die Messeinrichtung 3. Die Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 sind durch den Mikroprozessor 1 getrennt schaltbar. Als Messelemente 6.1 und 6.2 dienen Widerstände. In der Fig. 3 ist der Übersichtlichkeit wegen nur eine dem Widerstand 6.1 zugeordnete Schaltung des Schaltungsblockes 7 dargestellt.

   Diese Schaltung weist eine Zenerdiode 30, eine aus einem Vorwiderstand 31, einem Transistor 32 und einem Widerstand 33 bestehende Verstärkerstufe 34, einen Schmitt Trigger 35 und, falls erforderlich, ein galvanisches Trennglied 36 auf, dessen Ausgang mit einem Eingang R1 des Mikroprozessors 1 verbunden ist. Bei geschlossener Schalteinrichtung 2.1 erzeugt der im Stromkreis K1 fliessende Wechselstrom über dem Widerstand 6.1 einen Spannungsabfall, welcher mittels der beschriebenen Schaltung eine am Eingang R1 auftreffende Folge von Rechteckimpulsen erzeugt. Bei offenem Zustand der Schalteinrichtung 2.1 liegt am Eingang R1 hingegen eine gleichförmige Spannung mit einem der Masse in entsprechenden Pegel. 



  Die beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt: Im Dauerbetrieb der Anlage sind die beiden Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 geschlossen, so dass die Last L eingeschaltet ist. Zur Überprüfung der Abschaltfähigkeit der Schalteinrichtungen 2.1 bzw. 2.2 führt der Mikroprozessor 1 einen Prüfzyklus durch, der darin besteht, dass der Mikroprozessor 1 abwechslungsweise eine der Schalteinrichtungen 2.1 oder 2.2 für eine vorbestimmte Zeitdauer T öffnet und das am entsprechenden Eingang R1 bzw. R2 anliegende Signal analysiert, daraus in der weiter oben bereits beschriebenen Weise den Ist-Zustand der Schalteinrichtung bestimmt und mit dem Soll-Zustand vergleicht. 



  Diese Einrichtung hat den Vorteil, dass eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit der Schalteinrichtungen 2 unabhängig von den Schalteigenschaften der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 und unabhängig von den elektrischen Eigenschaften der Last L durchführbar ist. Als Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 sind mit Vorteil mechanische Schaltglieder wie z.B. Relais verwendbar. Eine Synchronisierung zwischen dem  Mikroprozessor 1 und der Messeinrichtung 3 ist nicht nötig, da die Zeitspanne, während der die Schalteinrichtung 2.1 bzw. 2.2 offen ist, beliebig lang sein kann. 



  Die Häufigkeit der Prüfzyklen richtet sich nach gesetzlichen Vorschriften und nach der Arbeitsbelastung des Mikroprozessors 1. Ein Prüfzyklus kann z.B. einmal pro Minute oder auch einmal pro Tag durchgeführt werden. 



  Die Arbeitsweise der Steuereinrichtungen ist bisher beschrieben worden für den Fall, dass die Netzspannung UPG eine Wechselspannung ist. Ein Betrieb ist jedoch ohne weiteres unter Ausnutzung der gleichen erfinderischen Idee bei Gleichspannung möglich, wenn die Messelemente und Schalteinrichtungen entsprechend ausgewählt sind. 

Claims (8)

1. Einrichtung zur Steuerung einer Anlage, welche als Zeitgeber- und Steuerlogikeinrichtung einen Mikroprozessor (1) aufweist zur Betätigung von Schalteinrichtungen (2;

2.1, 2.2) nach einem Zeitprogramm, wobei Lasten (L) der Anlage jeweils über einen mit mindestens einer Schalteinrichtung (2; 2.1, 2,2) versehenen Strompfad (K1) an eine Netzspannung (UPG) anschliessbar sind, und welche Messeinrichtungen (3) mit Messelementen (6; 6.1, 6.2) zur Erfassung des Zustandes - offen oder geschlossen - der Schalteinrichtungen (2; 2.1, 2.2) und zur Übertragung desselben an den Mikroprozessor (1) aufweist, wobei der Mikroprozessor (1) den gemeldeten Ist-Zustand mit dem Soll-Zustand vergleicht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine sicherheitstechnisch kritische Last (L) über mindestens einen Strompfad (K1;

K1, K2) an die Netzspannung (UPG) anschliessbar ist, dass in jedem Strompfad (K1; K1, K2) jeder Schalteinrichtung (2; 2.1, 2.2) ein Messelement (6, 6.1, 6.2) zugeordnet ist, und dass der Mikroprozessor (1) dahingehend programmiert ist, im Dauerbetrieb der Anlage zu vorbestimmten Zeitpunkten einen Prüfzyklus durchzuführen, um die Abschaltfähigkeit der Schalteinrichtungen (2; 2.1, 2,2) zu überprüfen, ohne dass die dieser Schalteinrichtung (2; 2.1, 2.2) zugeordnete Last (L) während des Prüfzyklus ihren Betriebszustand ändert. 2.

Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Last (L) ein einziger Strompfad (K1) vorhanden ist, dass die Schalteinrichtung (2) einen Schalter (4) aufweist und dass der Prüfzyklus dann besteht, dass der Mikroprozessor (1) den Schalter (4) für eine vorbestimmte Zeitdauer T öffnet und das von der Messeinrichtung (3) in dieser Zeitdauer T abgegebene Signal (U2) mit dem vor oder nach dem \ffnen des Schalters (4) abgegebenen Signal (U2) vergleicht und daraus den Ist-Zustand des Schalters (4) während der Zeitdauer T bestimmt.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (4) ein Halbleiterschalter ist.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (4) ein Triac (11) oder ein Feldeffekttransitor ist.

5.

Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Last (L) zwei Strompfade (K1; K2) mit je einer Schalteinrichtung (2.1 bzw. 2.2) vorhanden sind und dass der Prüfzyklus darin besteht, dass der Mikroprozessor (1) abwechslungsweise eine der beiden Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) öffnet, aus dem Signal, das das dieser Schalteinrichtung (2.1 bzw. 2.2) zugeordnete Messelement (6.1 bzw. 6.2) abgibt, den Ist-Zustand der Schalteinrichtung (2.1 bzw. 2.2) bestimmt, und die Schalteinrichtung (2.1; 2.2) wieder schliesst.

6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) mechanische Schaltglieder sind.

7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelemente (6; 6.1, 6.2) ein Übertrager (8), ein ohmscher Widerstand oder ein Hallelement sind.

8.

Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (3) ein Messelement mit einem Widerstand (21) und einem Optokoppler (23) aufweist, wobei der Widerstand (21) und die Leuchtdiode (22) des Optokopplers (23) parallel zur Schalteinrichtung (2; 2.1, 2.2) geschaltet sind.