-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. (
DE 3044047 C2 )
-
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 Öl- 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 30 44 047 C2 und der
prioritätsälteren
DE-PS 30 41 521 C2 ist
eine Steuereinrichtung für Ölbrenner
gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei welcher Informationen über die
Schaltzustände
von Relais- und Sensorkontakten mittels Verstärker in einen Mikroprozessor übertragen
weiden. 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 Betätigunszweig der kritischen
Lasten sind bei einem für
intermittierenden Betrieb ausgelegten Ölbrenner diese Relais bei jedem
Einschaltvorgang oder während
der Standzeit des Ölbrenners
auf ihre Abschaltfähigkeit überprüfbar, so
dass ein Anschweissen der Relaiskontakte, erkannt werden kann.
-
Die in der
DE-PS 30 44 047 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 29 51 118 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.
-
Aus der
DE 36 43 226 C2 ist eine
Einrichtung zum Betrieb mehrerer parallel geschalteter elektrischer
Verbraucher, die aus einer gemeinsamen Stromversorgung gespeist
werden, bekannt, wobei zur Überwachung
der Verbraucher ein allen Verbrauchern gemeinsam zugeordneter Messwertgeber
vorgesehen ist, der den Gesamtstrom der jeweils angeschalteten Verbraucher
misst und den gewonnenen Messwert einem Rechnersystem zuführt, das
die einzelnen Verbraucher steuert. Diese Druckschrift offenbart
somit ein allen Verbrauchern gemeinsam zugeordneten Messwertgeber,
der selbständig
keine Prüfzyklen
initiiert.
-
Die
DE 39 42 167 C2 offenbart eine Fehlererfassungseinrichtung
für mehrere
elektrische Schaltungen, die jeweils von Steuersignalen einer Steuereinheit
gesteuerte Stellantriebe umfassen, wobei auch hier ein einziger
Stromsensor die Summe der in den Ansteuerkreisen fliessenden Ströme erfasst
und anhand dieses Messwerts ein Rechner entscheidet, ob ein Fehler
im System vorliegt.
-
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 Öl- 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: 1 eine Steuereinrichtung mit einem Strompfad
pro Last,
-
2 eine
Messeinrichtung und
-
3 eine
Steuereinrichtung mit zwei Strompfaden pro Last.
-
Die 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 zubringen, die vom Mikroprozessor 1 als Zustand offen
bzw. geschlossen des Schalters 4 interpretiert werden kann.
-
Im Beispiel nach der 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 I 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 Ölbrenner,
einzelne Lasten L wie Brennstoffventile 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 Ölbrenner
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
sich der Betriebszustand der Anlage ändert. So wird beispielsweise
die Flamme eines Ölbrenners 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 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 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 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 m 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.