DE102016201165A1

DE102016201165A1 - Elektronische Schaltung zur Versorgung einer industriellen Steuerung

Info

Publication number: DE102016201165A1
Application number: DE102016201165.0A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Mecking; Hartmut Franz; Ulrich Jäger; Christian Pommer
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: DE102016201165B4

Abstract

Elektronische Schaltung zur Versorgung einer industriellen Steuerung 10 aus einer Bordspannung mit einem Spannungswandler 1 zur Erzeugung einer stabilisierten Zwischenspannung U1, einem zweiten Spanungswandler 2, zur Erzeugung einer weiteren stabilisierten Spannung U2, einem Stützkondensator 4 zur Überbrückung von Spannungsschwankungen, einem Speicherkondensator 7 mit einer Strombegrenzungsimpedanz 5 zur Einstellung seines Ladestroms und einem steuerbaren Schalter 6 zur Freigabe des Ladestroms, sowie einer Diagnoseeinrichtung 9 zur Bestimmung des Ladezustandes des Speicherkondensators 7, wobei nach dem Zuschalten einer Bordspannung zunächst nur der Stützkondensator 4 über den ersten Spannungswandler 1 aufgeladen wird, damit dieser rasch die Zwischenspannung U1 erreicht, und so den Systemstart der Steuerung 10 ermöglicht, danach die Aufladung des Speicherkondensators 7 gestartet wird,, wobei die Diagnoseeinrichtung 9 den Ladezustand des Speicherkondensators 7 bestimmt, bei Erreichen einer zum geordneten Herunterfahren der Steuerung 10 in einem Störungsfall oder bei Ausfall der Bordspannung ausreichenden Ladung eine Meldung erzeugt, damit nun auch Prozesse gestartet werden können, die ein geordnetes Herunterfahren der Anlage erfordern.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Versorgung einer industriellen Steuerung (Steuereinheit) mit einem Speicher- oder Energiereservekondensator und einer stabilisierten Zwischenspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Stromversorgung kann vorteilhaft überall dort eingesetzt werden, wo bei Stromausfall noch elektrische Energie zur Datensicherung und/oder zum kontrollierten Herunterfahren einer Anlage benötigt wird. Das gilt insbesondere auch für sicherheitsgerichtete industrielle Steuerungen und für mobile Arbeitsmaschinen, die beide eine breite Anwendung in der Automatisierungstechnik finden.
Neben dem schnellen Einschalten der Steuerung geht es auch um die Speicherung von wichtigen Betriebsdaten, die für den reibungslosen Wiederanlauf oder zur Fehlerdiagnose erforderlich sind. Wobei ein Speicherkondensator eine für diese Maßnahmen ausreichende Restverfügbarkeitszeit gewährleisten soll.
Die DE 10 2013 106 854 A1 zeigt eine elektronische Schaltung zur Stromversorgung für eine Airbag-Steuerung mit einem Speicherkondensator. Der maximale Einschaltstrom wird mit Hilfe einer geschalteten Induktivität begrenzt. Um schwankende Eingangsspannungen auszugleichen, arbeitet die Schaltung als Buck-Boost-Wandler.
Die DE 10 2006 051 588 A1 zeigt eine Schaltung zur Versorgung eines Verbrauchers im Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem Speicherkondensator, der bei Unterschreitung einer Schwellspannung Ladung an das Bordnetz abgibt. Darüber hinaus werden bestimmte Verbraucher bei Unterspannung abgeschaltet.
Die US 2005 0127 854 A1 offenbart eine Stromversorgung für einen sicherheitsrelevanten Aktuator mit einer Eingangsspannung von 24 Volt. Um bei einem Spannungsausfall noch ausreichend Energie zur Verfügung zu haben, wird ein Speicherkondensator auf 300 Volt aufgeladen. Die hohe Zwischenspannung ermöglicht die Verwendung eines Speicherkondensators mit geringerer Kapazität, jedoch wird die hohe Zwischenspannung als nachteilig angesehen.
Aus der DE 20 2013 102 618 U1 ist ein Weitbereichsnetzteil mit einem ersten und einem zweiten Glättungskondensator bekannt, bei dem der zweite Glättungskondensator eine erheblich größere Kapazität, aber eine geringere Spannungsfestigkeit aufweist, und erst bei Unterschreitung einer Schwellspannung zugeschaltet wird. Die Schaltung besitzt allerdings keine Energiereserve bei Ausfall der Versorgungspannung.
Die DE 694 15 913 T2 beschreibt eine elektronische Steuereinrichtung eines Airbag-Systems, sowie ein Verfahren zur Prüfung des Ladezustands eines Speicherkondensators (Reserveenergiekondensators), wobei das System eine Parallelschaltung aus der direkten Bordspannungsversorgung und einem DC/DC Wandler realisiert.
Die Zusammenführung erfolgt über Dioden, so dass die jeweilig höhere Spannung den Spannungswert des Zwischenkreises bestimmt.
Abhängig von der Bordnetzspannungsqualität ergibt sich hierdurch die Situation, dass die Steuerung startet, ohne dass die Zwischenspannung einen definierten Wert hat, wobei gleichzeitig der Ladevorgang des Speicherkondensators beginnt.
Eine Diagnose zur Überprüfung der gespeicherten Energie und die Überwachung des durch Temperatur, Bauteiletoleranzen und/oder Alterung beeinflussten Kapazitätswertes des Speicherkondensators ist somit nicht möglich.
Ein Schalter zum Ein- und Ausschalten des Ladestroms fehlt, was eine genauere Diagnose, insbesondere eine Kapazitätsmessung wegen des unbekannten Ausgangszustands des Speicherkondensators in der Startphase unmöglich macht.
Nachteilig bei dem genannten Stand der Technik ist, dass entweder bei einem kleinen Speicherkondensator und geringer Einschaltverzögerung zwar kurzfristige Spannungsausfälle überbrückt werden können, aber keine ausreichende Energiereserve bei Ausfall des Bordnetzes vorhanden ist, oder bei einem großen Speicherkondensator zwar beide Störfälle abgesichert sind, aber die Einschaltverzögerung (Hochlaufzeit) entsprechend groß ist, wodurch die volle Betriebsbereitschaft erst nach Aufladung des kapazitätsreichen Speicherkondensators erreicht wird. Eine Kapazitätsmessung wird in keinem Dokument vorgeschlagen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektronische Schaltung zur Versorgung einer industriellen Steuerung anzugeben, die eine schnelle Betriebsbereitschaft gewährleistet, und bei längeren Spannungsausfällen ein kontrolliertes Herunterfahren der Steuerung ermöglicht. Um die Startphase zu optimieren und unzureichende Speicherkapazitäten zu erkennen, soll eine Kapazitätsmessung ermöglicht werden.
Außerdem soll ein Verfahren zur Verkürzung der Startphase vom Zuschalten der Bordspannung bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft einer industriellen Steuerung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 und dem nebengeordneten Anspruch 6 gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, sowie deren Verwendung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die zu versorgende Steuerung während der Aufladung des Speicherkondensators von diesem zu trennen, und statt dessen einen wesentlich kapazitätsärmeren und damit schneller aufgeladenen Stützkondensator zu verwenden, der nur Unterbrechungen im Bereich von einigen 10 µs überbrücken kann.
Weiterhin soll eine Kapazitätsmessung am Speicherkondensator durchgeführt werden, um einerseits seine Ladezeit zu optimieren, und anderseits eine Unterschreitung der zum kontrollierten Herunterfahren der von der zu versorgenden Steuerung kontrollierten Anlage erforderlichen Kapazität des Speicherkondensators zu bestimmen, und anzuzeigen.
Der Vorteil besteht u. a. drin, dass die zu versorgende industrielle Steuerung schneller betriebsbereit ist.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromversorgung für eine industrielle Steuerung 10. Damit die Bordspannung (Betriebsspannung) zwischen 5 und 32 Volt verarbeitet werden kann, ist der erste Spannungswandler 1 vorteilhaft als Sepic Wandler ausgeführt. Es kann aber auch einen Buck-Boost oder ein anderer gängiger Aufwärts- und/oder Abwärts-Wandler verwendet werden. Seine Ausgangsspannung ist eine stabilisierte Zwischenspannung U1 von beispielsweise 20 Volt. Erfindungsgemäß ist sie größer als die Ausgangsspannung U2 des zweiten Spannungswandlers 2, der die industrielle Steuerung 10 mit beispielsweise 5 Volt versorgt.
Somit arbeitet der zweite Spannungswandler notwendigerweise als Abwärtswandler.
Da die gespeicherte Energie vom Quadrat der Spannung abhängt (W = 0.5·C·U²) ist eine hohe Ladespannung zu bevorzugen, so dass eine große Spannungsdifferenz zur noch minimal nutzbaren Zwischenspannung U1 durch den Spannungswandler 2 vorteilhaft ist.
Der Ausgang des ersten Spannungswandlers 1 ist über die Rückflusssperrdiode 3 von der Zwischenspannung U1 getrennt um eine ungewollte Entladung der Kapazitäten zu verhindern.
Der Stützkondensator 4 weist vorzugsweise eine Kapazität von einigen 10 µF auf. Er kann somit wesentlich schneller geladen werden und sorgt dafür, dass die zu versorgende Steuerung 10 und die mit ihr verbundene, oder zu ihr gehörende Diagnoseeinrichtung 9 schnell betriebsbereit sind.
Sobald die Versorgungsspannung U2 (z.B. 5 Volt) anliegt, startet die Steuerung 10, die in der Regel einen (Mikro-)Controller aufweist. Zwar können wegen des nicht geladenen Speicherkondensators 7 keine Programme oder Prozesse gestartet werden, die ein kontrolliertes Herunterfahren der Steuerung 10 erfordern, aber die Wartezeit bis zur Betriebsbereitschaft wird durch diese erste erfindungsgemäße Maßnahme verkürzt. Wenn die Steuerung 10 betriebsbereit ist, wird der Schalter 6 geschlossen, und die Ladung des Speicherkondensators 7 wird gestartet. Der Ladestrom wird durch die Strombegrenzungsimpedanz 5 so eingestellt, dass der erste Spanungswandler 1 nicht überlastet wird. Der Speicherkondensator 7 ist vorteilhaft ein Elektrolytkondensator mit einer Kapazität bis zu einigen tausend Mikrofarad.
Der Schalter 6 und die Strombegrenzungsimpedanz 5 können durch einen Schaltransistor, beispielsweise einen getakteten Feldeffekt-Transistor (MOSFET), ersetzt werden, was die Wärmeentwicklung im Gerät deutlich vermindert. Für den Schalter 6 kommt auch ein Relais in Frage.
Bei einem unerwarteten Ausfall der Bordspannung wird der Speicherkondensator 7 über einen weiteren, hier als Schaltdiode dargestellten Schalter 8 entladen, um die Steuerung 10 noch eine gewisse Zeit mit Strom zu versorgen. Wegen des Spanungsabfalls über der Diode 8 kann diese vorteilhaft durch einen von der Steuerung 10 oder der Diagnoseeinrichtung 9 aktivierten MOSFET, oder ein Relais ersetzt werden.
Erfindungsgemäß dienen der Ladeaktivierungs-Schalter 6 und die Diagnoseschaltung 9 zur systematischen Ladesteuerung und zur Diagnose der gespeicherten Energiemenge im Speicherkondensator 7, aber auch zur Kapazitätsmessung, um eine Unterschreitung der erforderlichen Mindestkapazität des Speicherkondensators 7 durch Alterung oder niedrige Temperatur zu erkennen.
Die Diagnoseinformation dient zur Meldung der vollen Betriebsbereitschaft und/oder zur Signalisierung von kritischen Versorgungsspannungen an die zu versorgende Steuerung 10, über Ethernet an eine übergeordnete Steuereinheit und/oder an einen Bediener.
Die zu versorgende Steuerung 10 kann eine speicherprogrammierte Steuerung (SPS) aufweisen, die mit einer übergeordneten Steuereinheit und diversen Aktoren und/oder Sensoren verbunden ist, die bei Unterspannung mit Hilfe der im Speicherkondensator 7 gespeicherten elektrischen Energie kontrolliert in einen definierten Zustand gebracht werden müssen. Deshalb ist sie in der Zeichnung auch mit „System“ bezeichnet. Außerdem kann, wie bereits erwähnt, eine Routine zur Datensicherung erforderlich sein.
Der zweiter Spannungswandler 2 wird direkt aus der Zwischenspannung U1 gespeist, und erzeugt, die von der zu versorgende Steuerung 10 und der Diagnoseschaltung 9 benötigten systeminternen Betriebsspannung(en) U2 von beispielsweise 5 Volt.
Zur Gewährleistung eines schnellen „Hochlaufens“ der zu versorgenden Steuerung 10 und somit zur Sicherstellung der schnellen Verfügbarkeit der wesentlichen Systemfunktionen arbeitet die erfindungsgemäße Schaltung mit zwei getrennten Energiespeichern 4 und 7.
Mit Hilfe der Diagnoseeinrichtung 9 und des gesteuerten Schalters 6 kann neben dem Ladezustand auch die aktuelle Kapazität des Speicherkondensators 7 bestimmt werden, und zwar durch eine Spannungs-Zeit-Messung oder eine Strom-Zeit-Messung und einer anschließenden daraus folgenden Berechnung der aktuellen Kapazität des Speicherkondensators 7, wobei der aktuelle Kapazitätswert und die verfügbare Energie im Speicherkondensator 7 der Steuerung 10 zur Verfügung gestellt werden. So kann die Diagnoseeinrichtung 9 oder die Steuerung 10 entscheiden, ob die bei einer Bordspannungsunterbrechung zum kontrollierten Herunterfahren benötigte Energie auch zur Verfügung steht.
Die Höhe der vom ersten Spannungswandler 1 erzeugten stabilisierten Zwischenspannung U1 ergibt sich aus der optimalen Auslegung der Gesamtschaltung, insbesondere aus der Diagnoseschaltung und der Bauteileauswahl, vor allem des Speicherkondensators 7 und des Stützkondensators 4.
Wie bereits erwähnt, sollen die für den Energiespeicher 7 wichtigen Bauteilwerte, beispielsweise Kapazitätsänderungen durch Temperatureinfluss oder Alterung überprüft werden.
In der Startphase ist der steuerbare Speicherkondensator 7 mit der großen Kapazität noch nicht aktiviert. Kurze Spannungseinbrüche der Bordspannung werden durch den aktiven Stützkondensator 4 mit seiner kleineren Kapazität überbrückt.
Die Diagnoseschaltung 9 überprüft die uneingeschränkte Funktion der Schaltung, insbesondere den Ladezustand des Speicherkondensators 7 mit seiner Energiemenge. Hierbei wird, wie bereits ausgeführt, mittels Spannungs- oder Strom- und Zeitmessung der aktuelle Kapazitätswert (die aktuelle Kapazität) des Speicherkondensators 7 bestimmt.
Weiterhin meldet die Diagnoseschaltung 9, ob im Bedarfsfall genügend Energie zum geordneten Herunterfahren der Steuerung 10 einschließlich der Fähigkeit zur Datenrettung vorhanden ist. Die Trennung in zwei Energiespeicher, nämlich einen Stützkondensator 4 mit kleiner Kapazität und einen Speicherkondensator 7 mit großer Kapazität, ermöglicht die schnelle Verfügbarkeit der stabilisierten Zwischenspannung U1 in der Startphase, sowie eine ausreichende Energiereserve zum geordneten Herunterfahren der Steuerung 10 aus dem Speicherkondensator 7 beim Ausfall der Bordspannung.
Bei Unterspannung gibt der hier als Diode dargestellte zweite Schalter 8 die im Speicherkondensator 7 gespeicherte Energie frei, wodurch die Zwischenspannung U1 gepuffert und die Steuerung 10 über den zweiten Spannungswandler 2 weiter versorgt wird. Wie bereits oben erwähnt, verhindert die Rückflusssperrdiode 3 eine Rückspeisung der gespeicherten Energie in den ersten Spannungswandler 1.
Die erfindungsgemäße Schaltung kann Bestandteil der Steuereinheit einer mobilen Arbeitsmaschine oder auch einer sicherheitsgerichteten industriellen Steuerung sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reduzierung der Wartezeit vom Zuschalten der Bordspannung bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft einer industriellen Steuerung 10, wobei

– in einer Startphase zunächst nur der Stützkondensator 4 geladen wird,
– bei Erreichen einer Zwischenspannung U1 die Steuerung 10 gestartet wird,
– danach die gesteuerte Ladung des Speicherkondensators 7 beginnt,
– die Diagnoseeinrichtung 9 den Zustand des Speicherkondensators 7 bestimmt,
– wobei eine Spannungs-Zeitmessung erfolgt, aus der neben der Spannung auch die Kapazität des Speicherkondensators 7 berechnet wird,
– der Steuerung 10 die Unterschreitung einer Mindestkapazität gemeldet wird,
– der Steuerung 10 gemeldet wird, wenn ausreichend Energie für ein geordnetes Herunterfahren bei einer Störung oder bei Ausfall der Bordspannung vorhanden ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Ladezustand und die Kapazität des Speicherkondensators 7, der Wert der Zwischenspannung U1, oder eine Meldung über die vollständigen Betriebsbereitschaft einem Bediener angezeigt, oder über eine Bus- oder Ethernet-Verbindung gemeldet.
Bezugszeichenliste

1: Erster Spannungswandler (Sepic oder andere Topologie)
2: Zweiter Spannungswandler, vorzugsweise Abwärtsregler
3: Rückflusssperrdiode
4: Stützkondensator
5: Strombegrenzungsimpedanz, Stromquelle für den Speicherkondensator 7
6: Erster Schalter, zur Aktivierung des Ladevorgangs
7: Speicherkondensator, Energiereservekondensator
8: Zweiter Schalter (z.B. Schaltdiode) zur Aktivierung des Entladevorgangs
9: Diagnoseschaltung zur Verfügbarkeitsdiagnose für den Speicherkondensator 7
10: Zu versorgende industrielle Steuerung, SPS, Steuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013106854 A1 [0004]
DE 102006051588 A1 [0005]
US 20050127854 A1 [0006]
DE 202013102618 U1 [0007]
DE 69415913 T2 [0008]

Claims

Elektronische Schaltung zur Versorgung einer industriellen Steuerung (10) aus einer Bordspannung mit einem ersten Spannungswandler (1) zur Erzeugung einer stabilisierten Zwischenspannung (U1), einem zweiten Spanungswandler (2), zur Erzeugung einer weiteren stabilisierten Spannung (U2), einem Stützkondensator (4) zur Überbrückung von Spannungsschwankungen, einem Speicherkondensator (7) mit einer Strombegrenzungsimpedanz (5) zur Einstellung seines Ladestroms und einem steuerbaren Schalter (6) zur Freigabe des Ladestroms, sowie einer Diagnoseeinrichtung (9) zur Bestimmung des Ladezustandes des Speicherkondensators (7) dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zuschalten der Bordspannung zunächst nur der Stützkondensator (4) über den ersten Spannungswandler (1) aufgeladen wird, damit die Zwischenspannung (U1) schnell erreicht wird, und so den Systemstart der Steuerung (10) ermöglicht, danach die gesteuerte Aufladung des Speicherkondensators (7) gestartet wird, wobei die Diagnoseeinrichtung (9) den Zustand des Speicherkondensators (7) bestimmt, bei Erreichen einer zum kontrollierten Herunterfahren der Steuerung (10) im Störungsfall oder bei Ausfall der Bordspannung ausreichenden Ladung eine Meldung erzeugt, damit nun auch Prozesse gestartet werden können, die ein kontrolliertes Herunterfahren der von der Steuerung 10 kontrollierten Anlage erfordern.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Strombegrenzungsimpedanz (5) und dem ersten Schalter (6) ein zweiter gesteuerter Schalter (8) vorhanden ist, der im Störungsfall oder bei Ausfall der Bordspannung Speicherkondensators (7) zum Stützkondensator (4) hinzugeschaltet wird.
Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinrichtung (9) den aktuellen Zustand des Speicherkondensators (7) durch eine Spannungs-Zeit-Messung oder eine Strom-Zeit-Messung bestimmt, so dass neben der Spannungsmessung auch eine Zeitmessung und eine daraus folgende Berechnung der aktuellen Kapazität des Speicherkondensators (7) erfolgt, so dass neben der Alterung auch die aktuelle Temperatur bei der Meldung zur vollständigen Betriebsbereitschaft der einer industriellen Steuerung (10) berücksichtigt ist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom ersten Spannungswandler (1) erzeugte stabilisierte Zwischenspannung (U1) größer/kleiner oder gleich der Bordspannung sein kann.
Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldung zur vollständigen Betriebsbereitschaft einem Bediener angezeigt, oder über eine Bus- oder Ethernet-Verbindung weitergemeldet wird.
Verfahren zur Verkürzung der Startphase vom Zuschalten der Bordspannung bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft einer industriellen Steuerung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass – in der Startphase zunächst nur der Stützkondensator (4) geladen wird, – bei Erreichen einer Zwischenspannung (U1) die Steuerung (10) gestartet wird, – danach die gesteuerte Ladung des Speicherkondensators (7) gestartet wird, – die Diagnoseeinrichtung (9) den Zustand des Speicherkondensators (7) bestimmt, – wobei eine Spannungs-Zeitmessung oder eine Strom-Zeitmessung erfolgt, aus der neben der Spannung auch die Kapazität des Speicherkondensators (7) berechnet wird, – der Steuerung (10) die Unterschreitung einer Mindestkapazität gemeldet wird, – der Steuerung (10) gemeldet wird, wenn ausreichend Energie für ein kontrolliertes Herunterfahren bei einer Störung oder bei Ausfall der Bordspannung vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass der Steuerung (10) gemeldet wird, wenn die Zwischenspannung (U1) einen bestimmten Wert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass der Ladezustand, die Kapazität des Speicherkondensators (7), der Wert der Zwischenspannung (U1), oder eine Meldung über die vollständigen Betriebsbereitschaft einem Bediener angezeigt, oder über eine Bus- oder Ethernet-Verbindung weiter gemeldet wird.
Verwendung einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung in einer mobilen Arbeitsmaschine.
Verwendung einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung in einer sicherheitsgerichteten industriellen Steuerung.