DE19813364A1 - Energieversorgung für ein Steuerungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Energieversorgung für ein Steuerungssystem mit zentralen und/oder dezentralen Stationen.

Steuerungssysteme mit zentralen und/oder dezentralen Stationen weisen nach dem Stand der Technik eine Energieversorgung über Gleichspannung auf. Dabei wird durch ein zentrales Netzteil eine Gleichspannung zur Verfügung gestellt, die über einzelne Zuleitungen bzw. über eine Busleitung den zentralen und/oder dezentralen Stationen zugeführt wird.

Insbesondere wenn an die einzelnen Stationen Wechselspannungs-Verbraucher angeschlossen werden sollen, müssen diese Stationen mit aufwendigen Wechselrichtern ausgestattet werden. Zudem ist im Regelfall eine galvanische Trennung der an einem Versorgungsnetz ange­ schlossenen Stationen nicht gegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Energieversorgung für ein sicherheitsgerichtetes Steuerungssystem mit zentralen und/oder dezentralen Stationen, in denen sich ein oder mehrere Prozessorsysteme befinden, deren Aufgabe die sicherheits­ gerichtete Signalverarbeitung von Ein- und/oder Ausgängen ist, zur Verfügung zu stellen, bei der die angeschlossenen Stationen und deren Verbraucher voneinander auf einfache Art und Weise galvanisch getrennt sind und insgesamt ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Energieversorgung mit Wech­ selspannung erfolgt, wobei die Wechselspannung in einem zentralen Netz-Transformator erzeugt wird und den zentralen und/oder dezentralen Stationen über eine oder mehrere Zuleitungen zugeführt wird und daß in jeder Station zumindest ein weiterer Transformator zur Versorgung der Station und/oder an der Station angeschlossener Verbraucher angeordnet ist. Durch den Einsatz eines zentralen Netz-Transformators und des zumindest einen in der zentralen und/oder dezentralen Station angeordneten Transformators wird eine sichere galvanische Trennung des gesamten Steuerungssystems erreicht. Dadurch können externe Netzstörungen sowie interne Systemstörungen mit vergleichsweise einfachen Mitteln ausge­ schlossen werden. Auf den Einsatz teurer Netzteile bzw. DC/DC-Wandler kann daher verzichtet werden.

Auch wird durch die Energieversorgung mit Wechselspannung im Vergleich zu einer Energieversorgung mit Gleichspannung der Vorteil erreicht, daß die Verlustleistung auf einer Übertragungsstrecke minimiert wird. Dadurch kann einerseits der Energieverbrauch reduziert und andererseits der Wirkungsgrad erhöht werden.

Durch die Anordnung zumindest eines weiteren Transformators zur Energieversorgung von angeschlossenen und ansteuerbaren Verbrauchern in der Station selbst kann ein höheres Maß an Flexibilität in Bezug auf die anschließbaren Verbraucher erreicht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Transformator ein Gleichrichter mit Regeleinheit nachgeschaltet, wodurch eine Gleichspannung zur Versorgung von elektronischen Bauelemen­ ten der Station sichergestellt ist. Andererseits kann aber auch eine Ausgangswechselspannung ohne zusätzlichen Einsatz von Wechselrichtern zur Verfügung gestellt werden. Insgesamt wird also ein System zur Verfügung gestellt, an das sowohl AC-Verbraucher als auch DC-Verbraucher angeschlossen werden können. Bei einer Energieversorgung mit Gleichspannung tritt die Schwierigkeit auf, daß mit einfachen Mitteln eine Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung nicht möglich ist.

Bei Stationen mit mehreren Teilsystemen ist vorgesehen, daß der zumindest eine in der Station angeordnete Transformator mehrere Ausgangs- bzw. Sekundärwicklungen aufweist, denen jeweils eine Gleichrichtereinheit nachgeschaltet ist. Auf diese Weise können die Teilsysteme mit unterschiedlichen Spannungen und Bezugspotentialen betrieben werden.

Aus Sicherheitsgründen ist vorgesehen, daß die Wechselspannung zur Versorgung der Statio­ nen eine berührungsungefährliche Wechselspannung ist und vorzugsweise ≦ 50 V AC, ins­ besondere 42 V AC beträgt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch der nachfolgenden Beschreibung von den Figuren zu entnehmenden bevorzug­ ten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 prinzipieller Aufbau eines Sicherheitsbussystems,

Fig. 2 prinzipieller Aufbau einer Master-Station mit zwei Kanälen und Energiever­ sorgungselement,

Fig. 3 Schaltungsanordnung eines ersten Kanals der Master-Station gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein sicherheitsgerichtetes Steuerungssystem 10, das in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als strangförmiges Bussystem ausgebildet wird. Das Bussystem weist eine Vielzahl von miteinander in Verbindung stehender Ein- und/oder Ausgänge aufweisender zentraler und/oder dezentraler Stationen 12, 14, 16, 18, 20 auf. Dabei ist eine erste Station 12 als Bus-Anfangsstation bzw. als Bus-Master mit einem Busanschluß 22 und eine letzte Station 20 als Bus-Abschluß-Station mit einem Buseingang 24 ausgebildet. Die weiteren Stationen 14, 16, 18 besitzen jeweils einen Buseingang 26, 28, 30 und einen Busausgang 32, 34, 36. Zwischen einem Busausgang 22, 32, 34, 36 einer Bus-Station und einem Buseingang 26, 28, 30 ist jeweils eine einkanalige Busleitung 38, 40, 42, 44 angeordnet. Auf diese Weise kann das Bussystem 10 einen Strang mit bis zu 64 Stationen aufweisen.

Das Übertragungsmedium bzw. die einkanalige Busleitung 38, 40, 42, 44 besteht aus einer Datenleitung 46 und einer Energieversorgungsleitung 48. Dabei sind sowohl die Datenleitung als auch die Energieversorgungsleitung zweiadrig ausgebildet.

Zur Energieversorgung ist der Bus-Master 12 über eine Zuleitung 50 mit einem Trans­ formator 52 verbunden, der seinerseits mit Netzspannung verbunden ist und eine berührungs­ sichere Versorgungswechselspannung von vorzugsweise 42 V AC zur Verfügung stellt. Sowohl die Datenleitung 46 als auch die Energieversorgungsleitung 48 werden innerhalb der die Busein- und -ausgänge 26, 32; 28, 34; 30, 36 aufweisenden Stationen intern durch­ geschliffen. Grundsätzlich weist jede Station 12, 14, 16, 18, 20 des Bussystems 10 zwei voneinander unabhängige Teilsysteme bzw. Knoten A, B auf, die im Folgenden als Kanal A und Kanal B bezeichnet werden. Durch die zweikanalige Ausbildung wird ein redundantes System aufgebaut. Dabei hat jeder Kanal A, B innerhalb der Station 12-20 die Möglichkeit, selbständig auf den Bus 38-44 zuzugreifen. Mit anderen Worten arbeitet jeder Kanal A, B nach dem Multi-Master-Prinzip selbständig. Grundsätzlich weisen die Stationen 12-20 einen im wesentlichen identischen Hardware-Aufbau auf.

In Fig. 2 ist der Aufbau des Bus-Masters 12 dargestellt. Die Kanäle A und B weisen jeweils ein Netzteil 54, 56 auf, das eingangsseitig mit der Vorsorgungsleitung 50 verbunden sind. Ein erster Ausgang 58, 60 des Netzteils 54, 56 ist mit einer programmierbaren Steuereinheit 62, 64 wie Mikrocomputer verbunden. Die Mikrocomputer 62, 64 sind über Leitungen 66, 68 mit Bus-Controlern 70, 72 verbunden, die über weitere Leitungen 74, 76 mit Buskopplern 78, 80 mit der Bus-Datenleitung 46 verbunden sind. Die Buskoppler 78, 80 weisen eine separate Spannungsversorgung auf und sind mit einem zweiten Ausgang 82, 84 des Netzteils 54, 56 verbunden.

Über eine Verbindungsleitung bzw. einen Link 86 zwischen den Mikrocomputern 62, 64 erfolgt ein Datenaustausch zwischen den Kanälen A und B zur gegenseitigen Überprüfung.

Dabei handelt es sich um eine galvanisch entkoppelte, serielle Schnittstelle. Des Weiteren sind in den Mikrocomputern 62, 64 serielle Schnittstellen 88, 90 wie RS 232- oder CAN-Schnittstelle vorgesehen, die über jeweils eine Verbindungsleitung mit einer Ausgangsebene 92 des Kanals B und einer Ausgangsebene 94 des Kanals A verbunden sind, um eine Ver­ bindung zu einem externen Programmiergerät wie Personalcomputer zur Programmierung des Bussystems herzustellen. Auch können weitere Schnittstellen zur Ankopplung an andere Busebenen vorgesehen sein. Die Ausgangsebenen 92, 94 weisen jeweils bis zu acht Halblei­ terausgänge auf.

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung des Kanals A der Master-Station 12 gemäß Fig. 2 im Detail dargestellt. Dabei weist der Kanal A einen an sich nach dem Stand der Technik typi­ schen Schaltungsaufbau auf. Das Netzteil 56 umfaßt zwei Transformatoren 96, 98, deren Primärwicklungen 100, 102 primärseitig in Reihe an Versorgungsspannung liegen. Die Trans­ formatoren 96, 98 weisen jeweils eine Sekundärwicklung 104, 106 auf, die jeweils über einen Gleichrichter 108, 110 und über einen Spannungsregler 112, 114 eine geregelte Ausgangs­ spannung für den Mikrocomputer 64 bzw. für den Buskoppler 80 zur Verfügung stellen. Der Mikrocomputer 64 weist zudem externe Speicherbausteine 116, 118 wie RAM und ROM auf sowie einen Watchdog 120. Die beiden Mikrocomputer 62, 64 der Master-Station 12 können unabhängig voneinander auf den Bus 38, 40, 42, 44 über jeweils den Buskoppler 78, 80 zu greifen. Über den Link 86 ist ein Datenaustausch für Kontrollzwecke möglich. Die Verbindung ist optoelektronisch entkoppelt.

Durch den zentralen Leistungstransformator 52 wird die Netzspannung von U_N = 230 V AC auf eine Versorgungsspannung U_v = 42 V AC transformiert. Die Versorgungsspannung U_v liegt am Eingang des Netzteils 54, 56 an und ist mit den Eingangswicklungen der Trans­ formatoren 96, 98 verbunden. An den Ausgangswicklungen 104, 106 liegt eine Spannung von ca. 8 V AC an, die über den Gleichrichter 108, 110 und zugeordnete Spannungsregeler 112, 114 auf ca. 5 V begrenzt wird. Die Spannung wird mit Hilfe des Watchdog 120 überwacht.

Der ROM-Baustein 118 dient zur Speicherung von Firmware. Der ROM-Baustein 118 ist als EPROM ausgebildet und wird mit Hilfe einer Checksummenbildung 16 Bit (CRC-Check) zyklisch überprüft. Anwenderspezifische Daten werden in einem Flash-EPROM gespeichert. Die Programmierung des Flash-EPROMS erfolgt über die serielle Schnittstelle 90. Mit Hilfe eines Schalters und verschiedener Sicherungsmechanismen können die Anwenderdaten über­ nommen werden. Die Prüfung des Flash-EPROMS erfolgt mit Hilfe des oben beschriebenen CRC-Check.

Das externe RAM 116 ist zusätzlich zu einem prozessorinternen RAM vorgesehen. Dieser RAM-Baustein 116 beinhaltet eine RTC (Real Time Clock). Für den Mikrocomputer 62 ist ebenfalls ein externes RAM vorgesehen, das allerdings keine RTC aufweist.

Zusammenfassend werden durch die erfindungsgemäße Energieversorgung mehrere Vorteile erreicht. Durch die Anordnung eines zentralen Netz-Transformators und eines in der zentralen und/oder dezentralen Station angeordneten Transformators wird eine sichere und zuverlässige galvanische Trennung zwischen den Stationen kostengünstig erreicht. Insbesondere werden teure DC/DC-Wandler zur Energieversorgung der internen Schaltungskomponenten über­ flüssig. Auch ist der Wirkungsgrad bei Wechselspannungsversorgung größer als bei Gleich­ spannungsversorgung. Des Weiteren wird der Vorteil erreicht, daß Wechselspannungsver­ braucher, die unmittelbar an die Station angeschlossen bzw. von dieser getrennt werden, direkt mit der Versorgungswechselspannung versorgt werden können. In diesem Fall kann auf den Einsatz kostspieliger DC/AC-Wandler verzichtet werden. Gleichspannungsverbraucher können hingegen durch einfache Gleichrichtung versorgt werden.

Claims (7)

1. Energieversorgung für ein Steuerungssystem mit zentralen und/oder dezentralen Stationen, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung mit Wechselspannung erfolgt, wobei die Wechselspan­ nung in einem zentralen Netz-Transformator (52) erzeugt wird und den zentralen und/oder dezentralen Stationen (12-20) über eine oder mehrere Zuleitungen (48, 50) zugeführt wird und daß in jeder Station (12-20) zumindest ein Transformator (96, 98) zur Versorgung der Station (12-20) und/oder an der Station angeschlossener Verbraucher angeordnet ist.

2. Energieversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Transformator (96, 98) ein Gleichrichter (108, 110) mit Regeleinheit (112, 114) nachgeschaltet ist.

3. Energieversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine in der Station (12-20) angeordnete Transformator (96, 98) mehrere Ausgangs- bzw. Sekundärwicklungen (104, 106) aufweist.

4. Energieversorgung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung zur Versorgung der Stationen (12-20) eine berührungs­ ungefährliche Wechselspannung ist und vorzugsweise ≦ 50 V AC, insbesondere 42 V AC beträgt.

5. Energieversorgung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Netzteils (56) durch eine integrierte Schaltung (120) überwacht wird.

6. Energieversorgung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsleitung (48) zweiadrig ausgebildet ist und zusammen mit einer Datenleitung (46) eine Busleitung (38, 40, 42, 44) bildet.

7. Energieversorgung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stationen (12-20) interne Leiterbahnen aufweisen, mit denen die Energie­ versorgungsleitung (48) als auch die Datenleitung (46) intern zwischen einem Bus-Eingang (26, 28, 30) und einem Bus-Ausgang (32, 34, 36) verbunden wird.