DE19813364B4

DE19813364B4 - Energieversorgung für ein Steuerungssystem

Info

Publication number: DE19813364B4
Application number: DE19813364A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kramer; Olaf Ziegler; Volkmar Schneider
Original assignee: Elan Schaltelemente GmbH and Co KG
Current assignee: Elan Schaltelemente & Co Kg 35435 Wettenber GmbH
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: DE19813389A1; DE19813364A1; DE19813389C2

Abstract

Energieversorgung für ein Steuerungssystem mit zentralen und/oder dezentralen Stationen mit angeschlossenen Sensoren und/oder Aktoren, wobei die Stationen über eine Daten- und Energieleitungen umfassende Busleitung miteinander verbinden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung einen zentralen Transformator (52) umfasst, der eingangsseitig an Netzspannung liegt und ausgangsseitig zur Versorgung der Stationen (12 – 20) mit einer potential getrennten Versorgungswechselspannung mit der Energieleitung (48, 50) verbunden ist und dass jede Station (12 – 20) zumindest einen weiteren Transformator (96, 98) aufweist, der eingangsseitig mit der Energieleitung (48, 50) verbunden ist und ausgangsseitig über einen Gleichrichter (108, 110) mit zumindest einem DC-Verbraucher oder unmittelbar mir zumindest einem AC-Verbraucher verbindbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Energieversorgung für ein Steuerungssystem mit zentralen und/oder dezentralen Stationen, mit angeschlossenen Sensoren und/oder Aktoren, wobei die Stationen über eine Daten- und Energieleitungen umfassende Busleitung miteinander verbunden sind.

Eine Energieversorgung der bekannten Art ist aus der DE 195 05 845 A1 bekannt. Zur Verbindung von Steuerungsvorrichtungen zum Betrieb von auf Fahrzeugen befindlichen und/oder anbaubaren Zusatzaggregaten, insbesondere in Form eines Steuergerätes ist ein CAN-Bus vorgesehen. Beim CAN-Bus handelt es sich um eine Zwei-Draht-Bus. der robust und wenig störanfällig arbeitet. Neben dem CAN-Bus ist eine weitere Verkabelung für die Energieversorgung der Module vorgesehen, die zusätzliche Adern umfasst. Die Energieversorgung erfolgt dabei mit Gleichspannung.

Derartige 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 angeschlossenen Stationen nicht gegeben.

Aus der DE l96 36 03l A 1 ist ein Kommunikationssystem bekannt, das insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen mit integrierter Energie- und Informationsübertragung über ein gemeinsames Adernpaar vorgesehen ist. Dabei wird die Versorgungsleistung als Wechselstrom übertragen, wobei dem Wechselstrom Informationssignale aufmoduliert sind. Um eine kontaktlose Anschaltung von Netzwerkknoten an das Kommunikationssystem zu erreichen, werden induktive Koppelelemente eingesetzt, wobei die Primärwicklung aus nur einer Windung des Netzwerkkabels und einem ferromagnetischen Material gebildet wird. Die Einspeisung erfolgt über eine Stromquelle.

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 sicherheitsgerichtete 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 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch l gelöst. 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 ausgeschlossen 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 bevor zugten Ausführungsform ist dem Transformator ein Gleichrichter mit Regeleinheit nachgeschaltet, wodurch eine Gleichspannung zur Versorgung von elektronischen Bauelementen 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 Stationen eine berührungsungefährliche Wechselspannung ist und vorzugsweise ≤ 50 V AC, insbesondere 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 bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 prinzipieller Aufbau eines Sicherheitsbussystems,
2 prinzipieller Aufbau einer Master-Station mit zwei Kanälen und Energieversorgungselement,
3 Schaltungsanordnung eines ersten Kanals der Master-Station gemäß 2.
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 Transformator 52 verbunden, der seinerseits mit Netzspannung verbunden ist und eine berührungssichere 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 durchgeschliffen. 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 dein Multi-Master-Prinzip selbständig. Grundsätzlich weisen die Stationen 12 – 20 einen im wesentlichen identischen Hardware-Aufbau auf.
In 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 Verbindung zu einem externen Prorammiergerät 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 Halbleiterausgänge auf.
In 3 ist eine Schaltungsanordnung des Kanals A der Master-Station 12 gemäß 2 im Detail dargestellt. Dabei weist der Kanal A einen an sich nach dem Stand der Technik typischen Schaltungaufbau auf. Das Netzteil 56 umfasst zwei Transformatoren 96, 98, deren Primärwicklungen 100, 102 primärseitig in Reihe an Versorgungsspannung liegen. Die Transformatoren 96, 98 weisen jeweils eine Sekundärwicklung 104, 106 auf, die jeweils über einen Gleichrichter 108, 110 und über einen Spannungsregler 112, 114 eine geregelte Ausgangsspannung 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 zugreifen. 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 Transformatoren 96, 98 verbunden. An den Ausgangswicklungen 104, 106 liegt eine Spannung von ca. 8 V AC an, die über dden 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 übernommen 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 überflüssig. Auch ist der Wirkungsgrad bei Wechselspannungsversorgung größer als bei Gleichspannungsversorgung. Des Weiteren wird der Vorteil erreicht, dass Wechselspannungsverbraucher, 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

Energieversorgung für ein Steuerungssystem mit zentralen und/oder dezentralen Stationen mit angeschlossenen Sensoren und/oder Aktoren, wobei die Stationen über eine Daten- und Energieleitungen umfassende Busleitung miteinander verbinden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung einen zentralen Transformator (52) umfasst, der eingangsseitig an Netzspannung liegt und ausgangsseitig zur Versorgung der Stationen (12 – 20) mit einer potential getrennten Versorgungswechselspannung mit der Energieleitung (48, 50) verbunden ist und dass jede Station (12 – 20) zumindest einen weiteren Transformator (96, 98) aufweist, der eingangsseitig mit der Energieleitung (48, 50) verbunden ist und ausgangsseitig über einen Gleichrichter (108, 110) mit zumindest einem DC-Verbraucher oder unmittelbar mir zumindest einem AC-Verbraucher verbindbar ist.
Energieversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass dem Gleichrichter (108, 110) eine Regeleinheit (112, 114) nachgeschaltet ist.
Energieversorgung nach Anspruch l oder 2_; dadurch gekennzeichnet. dass der zumindest eine in der Station (l2 – 20) angeordnete Transformator (96. 98) mehrere Ausgangs- bzw. Sekundärwicklungen (104, 106) aufweist.
Energieversorgung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. dass die Wechselspannung zur Versorgung der Stationen (12 – 20) eine berührungsungefährliche Wechselspannung ist und vorzugsweise ≤ 50 V AC, insbesondere 42 V AC beträgt.
Energieversorgung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Netzteils (56) durch eine integrierte Schaltung (120) überwacht wird.
Energieversorgung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. dass die Energieversorgungsleitung (48) zweiadrig ausgebildet ist.
Energieversorgung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet. dass die Stationen (12 – 20) interne Leiterbahnen aufweisen, mit denen die Energieversorgungsleitung (48) als auch die Datenleitung (46) intern zwischen einem Bus-Eingang (26, 28, 30,) und einem Bus-Ausgang (32, 34, 36) verbunden wird.