DE4446710B4

DE4446710B4 - Digitale Ausgabebaugruppe

Info

Publication number: DE4446710B4
Application number: DE19944446710
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr.-Ing. Niemann; Reiner Dipl.-Ing. Bleil; Peter Lapossa; Matthias Dipl.-Ing. Eichhorn; Reinhard Dipl.-Ing. Köhler
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: DE4446710A1

Abstract

Digitale Ausgabebaugruppe eines hierarchisch strukturierten Leitsystems mit einer Verarbeitungseinheit und mit einem von der Verarbeitungseinheit galvanisch getrennten integrierten kurzschluß- und überlastfesten Halbleiterschalter, der einen binären Steuereingang, einen Schaltausgang, einen binären Statusrückmeldeausgang und Anschlüsse für eine erdfreie Schaltspannung aufweist, für jeden Ausgabekanal, wobei
– jeder Steuersignalausgang (840-11 bis 840-18) der Verarbeitungseinheit (840) über einen Optokoppler (851 bis 858) mit dem Steuereingang (831-1 bis 831-8) des zugehörigen Halbleiterschalters (830-1 bis 830-8) verbunden ist,
– der Statusrückmeldeausgang (832-1 bis 832-8) jedes Halbleiterschalters (830-1 bis 830-8) über einen Optokoppler (861 bis 868) mit einem Statusrückmeldesignaleingang (840-21 bis 840-28) der Verarbeitungseinheit (840) verbunden ist, und
– jeder Steuersignalausgang (840-11 bis 840-18) mit dem zugehörigen Statusrückmeidesignaleingang (840-21 bis 840-28) derartig verknüpft ist, daß bei einmaliger Aktivierung des Statusrückmeldesignaleinganges (840-21 bis 840-28) der Steuersignalausgang (833-1) dauerhaft bis zur manuellen Reaktivierung blockiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine digitalen Ausgabebaugruppe eines hierarchisch strukturierten Leitsystems mit einer Verarbeitungseinheit und einem von der Verarbeitungseinheit galvanisch getrennten integrierten kurzschluß- und überlastfesten Halbleiterschalter. Ein derartig hierarchisch strukturiertes Leitsystem ist aus der DE 42 38 957 A1 bekannt.
Die digitale Ausgabebaugruppe umfaßt digitale Ausgabekanäle für binär schaltbare Aktoren, wie beispielsweise Magnetventile, Motorschalter und Anzeigelampen, die mittels einer vorgegebenen Schaltspannung betätigt werden. Aufgrund einschlägiger Sicherheitsvorschriften ist die Schaltspannung für die Aktoren von der Betriebsspannung der Ausgabebaugruppe galvanisch getrennt auszuführen.
Aus „elektro-anzeiger spezial" 1979, Seiten 37-42 ist eine Eingangs- und Ausgangsüberwachung bei PC-Steuerungen, wobei eine Rückführung eines Ausgangssignals einer Ausgabegruppe auf eine separate Eingabebaugruppe bzw. eines Zustandssignals eines Stellgliedes auf eine separate Eingabebaugruppe zum Zweck des Vergleichs des bestimmungsgemäßen Ausgabesignals mit dem tatsächlichen Ausgangssignal bzw. dem tatsächlichen Zustand des Stellgliedes in einer Zentraleinrichtung erfolgt.
Aus der DE 36 33 676 ist ferner eine digitale Ausgabegruppe eines hierarchisch strukturierten Leitsystems mit einer Verarbeitungseinheit und mit einem von der Verarbeitungseinheit galvanisch getrennten Halbleiterschalters bekannt, wobei der Steuersignalausgang einer Verarbeitungseinheit über einen Optokoppler mit dem Steuereingang eines zugehörigen Halbleiterschalters verbunden ist.
Schließlich ist es aus der Veröffentlichung von Günther Strohrmann, Automatisierungstechnik, R. Oldenbourg-Verlag, München Wien, 1992, Band 1, Seite 314 ff. bekannt, Relais derart in die digitale Ausgabebaugruppe zu implementieren, daß die Wicklung im Stromkreis der Betriebsspannung und die Schaltkontakte im Stromkreis der Schaltspannung angeordnet sind. Eine Masche im Stromkreis der Schaltspannung ist dabei durch eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Schmelzeinsatz, den Schaltkontakten des Relais und dem Aktor, gebildet.
Nachteilig ist an dieser Ausführung, daß nach jeder Überlastung in einer der Maschen im Stromkreis der Schaltspannung, die zum bestimmungsgemäßen Abschmelzen des Schmelzeinsatzes führt, der Schmelzeinsatz vor Ort in der Ausgabebaugruppe manuell zu ersetzen ist. Insbesondere in dezentralen Leitsystemen mit verteilten Prozeßstationen ist dieser Vorgang zeitaufwendig und wegen der damit verbundenen Ausfallzeit des betreffenden Aktors unerwünscht. Darüber hinaus ist wegen der irreversiblen Schutzcharakteristik des Schmelzeinsatzes eine Unterscheidung zwischen temporären und statischen Überlastungen unmöglich. Das bedeutet, daß auch bei kurzzeitiger Überlastung, beispielsweise infolge elektromagnetischer Beeinflußung auf einem den Aktor mit der digitalen Ausgabebaugruppe verbindenden Anschlußkabel, der Aktor durch Auslösen des Schmelzeinsatzes blockiert werden kann. Weiterhin ist die Ausfallwahrscheinlichkeit elektromechanischer Schaltelemente vergleichsweise hoch gegenüber der elektronischer Schaltelemente, so daß das Relais im wesentlichen die Lebensdauer der digitalen Ausgabebaugruppe bestimmt.
Aus der o. g. Veröffentlichung ist weiterhin bekannt, Stellinformationen über Optokoppler oder magnetische Ringkerne potentialgetrennt ins Feld zu übertragen. Zum Schalten des Aktors im Stromkreis der Schaltspannung sind konfektionierte niederohmige Halbleiterschalter, wie beispielsweise die BTS 400-Reihe der Firma Siemens, bekannt, die für sich thermisch überlastgeschützt und kurzschlußfest sind, die aus der Schaltspannung speisbar sind und die über einen Statusrückmeldeausgang verfügen, der bei Überlastung des Halbleiterschalters insbesondere bei Kurzschluß in der betreffenden Masche aktiviert wird.
Beim Betrieb derartiger Halbleiterschalter an einer strombegrenzten Schaltspannung kommt es im Fall ausgangsseitiger stationärer Überlastung mit erhöhtem Stromfluß zu einem störenden Pulsen der Schaltspannung, weil beim Ansprechen des thermischen Überlastschutzes der Ausgang des Halbleiterschalters abgeschaltet wird, der Halbleiterschalter dadurch abkühlt und der Ausgang des abgekühlten Halbleiterschalters wieder freigegeben wird. Die pulsende Schaltspannung beeinträchtigt dabei das Verhalten von Aktoren in parallelgeordneten Maschen im Stromkreis derselben Schaltspannung. Darüber hinaus verkürzt eine dauernde thermische Beanspruchung im Überlastfall die Lebensdauer des Halbleiterschalters.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine digitalen Ausgabebaugruppe der genannten Art anzugeben, die geeignet ist, temporäre und statische Störungen differenziert zu behandeln, daß Störbeeinflussungen der dem gestörten Aktorstromkreis parallelgeordneten, derselben Schaltspannung zugeordneten Aktorstromkreise weitgehend vermeidet und die eine Fernwartung der Aktorstromkreise von einer Leitstation aus ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderliche Zeichnung zeigt
1 die Prinzipdarstellung einer digitalen Ausgabebaugruppe.
Jede digitale Ausgabebaugruppe 830 weist gemäß 1 mindestens physische Schaltvorrichtung für einen Aktor 95/1 auf. In 1 ist eine digitale Ausgabebaugruppe 830 mit acht Schaltvorrichtungen dargestellt. Jede physische Schaltvorrichtung ist durch einen kurzschlußfesten und thermisch überlastgeschützten Halbleiterschalter 830-1 bis 830-8 gebildet. An jeden Halbleiterschalter 830-1 bis 830-8 ist ein Aktor 95/1 bis 95/8 anschaltbar. Zur Versorgung der Aktoren 95/1 bis 95/8 ist eine Schaltspannung 950 vorgesehen, die von der Betriebsspannung 800 der digitalen Ausgabebaugruppe 830 galvanisch getrennt ist. Jeder Halbleiterschalter 830-1 bis 830-8 weist einen Steuereingang 831-1 bis 831-8 zur Eingabe eines Steuersignals, einen Schaltausgang 833-1 bis 833-8 und einen Statusrückmeldeausgang 832-1 bis 832-8 zur Ausgabe eines Statusrückmeldesignals bei Kurzschluß am jeweiligen Schaltausgang 833-1 bis 833-8 auf. Die Steuersignalausgänge 840-11 bis 840-18 der Verarbeitungseinheit 840 sind über Optokoppler 851 bis 858 mit einem Steuereingang 831-1 bis 831-8 jeweils eines Halbleiterschalters 830-1 bis 830-8 verbunden. Der Statusrückmeldeausgang 832-1 bis 832-8 jedes Halbleiterschalters 830-1 bis 830-8 ist über einen Optokoppler 861 bis 868 mit einem Statusrückmeldesignaleingang 840-21 bis 840-28 der Verarbeitungseinheit 840 verbunden. Jeder Steuersignalausgang 840-11 bis 840-18 ist mit dem zugehörigen Statusrückmeldesignaleingang 840-21 bis 840-28 derart verknüpft, daß bei einmaliger Aktivierung des Statusrückmeldesignaleinganges 840-21 bis 840-28 der zugehörige Steuersignalausgang 840-11 bis 840-18 dauerhaft bis zur manuellen Reaktivierung blockiert ist. Die Verarbeitungseinheit 840 ist an einen E/A-Bus 50 angeschlossen.
Zur Inbetriebsetzung eines Aktors 95/1 wird ein über den E/A-Bus 50 empfangenes Datensignal auf den Steuersignalausgang 840-11 der Verarbeitungseinheit 840 umgesetzt. Dabei wird der Steuereingang 831-1 des Halbleiterschalters 830-1 aktiviert und der Halbleiterschalter 830-1 leitend. Der Statusrückmeldeausgang 832-1 ist während des störungsfreien Betriebes deaktiviert.
Beim Auftreten einer Überlastung durch Kurzschluß des Schaltausganges 833-1 wird der Statusrückmeldeausgang 832-1 aktiviert und über den Optokoppler 861 ein Statusrückmeldesignal an den Statusrückmeldesignaleingang 840-21 der Verarbeitungseinheit 840 übertragen. Infolgedessen wird der Steuersignalausgang 840-11 deaktiviert und der Halbleiterschalter 830-1 gesperrt. Weiterhin wird das Ereignis über den E/A-Bus 50 an eine übergeordnete Leitstation gemeldet. In der Leitstation ist das Ereignis visualisierbar und für das Bedienpersonal zur Quittierung vorhaltbar. Dabei bleibt der Steuersignalausgang 840-11 solange deaktiviert, bis der Aktor 95/1 manuell von der Leitstation aus reaktiviert wird.
In vorteilhafter Weise wird dabei erreicht, daß der Ausgang des Halbleiterschalters spannungsfrei geschaltet wird, so daß keine dauernden thermischen Verlustleistungen bei ausgangsseitigem Kurzschluß abzuführen sind. Darüber hinaus wird das pulsende Schalten mit den damit verbundenen Schwankungen der Schaltspannung vermieden, so daß parallel geordnete Halbleiterschalter, die an derselben Schaltspannung angeschlossen sind, unbeeinträchtigt bleiben. Weiterhin werden die Halbleiterschalter vor dauerhaft fließenden Kurzschlußströmen geschützt, die deutlich größer als die Nennströme sind.
Die Wiederinbetriebnahme ist, abgesehen von der physischen Beseitigung der Überlastursache, ausschließlich von der Leitstation aus realisierbar. Für temporäre Überlastfälle ist somit die schnellstmögliche Wiederinbetriebnahme der digitalen Ausgabebaugruppe durch versuchsweise Reaktivierung des gestörten Halbleiter-Schalters gegeben. Für den Fall, daß die versuchsweise Realisierung fehlschlägt, wird von einem statischen Überlastfall ausgegangen und erst dann die Vor-Ort-Untersuchung eingeleitet. Auf diese Weise wird eine größtmögliche Verfügbarkeit der an der digitalen Ausgabebaugruppe angeschlossenen Aktoren erreicht.
Die digitale Ausgabebaugruppe 830 kann gemäß 1 darüber hinaus mit einem Komparator 880 zur Bewertung der Schaltspannung 950 ausgestattet sein, der über einen Optokoppler 870 an einen Schaltspannungsüberwachungseingang 840-31 der Verarbeitungseinheit 840 angeschlossen ist.
Sinkt die Schaltspannung 950 unter eine vorgegebene Schranke, wird über den Optokoppler 870 der Schaltspannungsüberwachungseingang 840-31 aktiviert. Dieses Ereignis ist über den E/A-Bus 50 an eine übergeordnete Leitstation weiterleitbar. In der Leitstation ist das Ereignis quittierbar und visualisierbar.
Infolge Unterschreitung der minimalen Schaltspannung 950 werden die Halbleiterschalter 830-1 bis 830-8 der digitalen Ausgabebaugruppe 830 durch Deaktivierung der Steuersignalausgänge 840-11 bis 840-18 der Verarbeitungseinheit 840 gesperrt. Dadurch wird erreicht, daß undefinierte Zustände der Aktoren 95/1 bis 95/8 der betroffenen digitalen Ausgabebaugruppe 830 infolge unzureichender Schaltspannung vermieden werden.
Nach Quittierung der Meldung in der Leitstation und bei Vorliegen mindestens der minimalen Schaltspannung 950 sind die Steuersignale der durch das Ereignis abgeschalteten Halbleiterschalter 830-1 bis 830-8 gemeinsam reaktivierbar.

50: E/A-Bus
95, 95/1 bis 95/8: Aktoren
800: Betriebsspannung
830: digitale Ausgabebaugruppe
830-1 bis 830-8: Halbleiterschalter
831-1 bis 831-8: Steuereingang
832-1 bis 832-8: Statusrückmeldeausgang
833-1 bis 833-8: Schaltausgänge
840: Verarbeitungseinheit
840-11 bis 840-18: Steuersignalausgänge
840-21 bis 840-28: Statusrückmeldesignaleingänge
840-31: Schaltspannungsüberwachungseingang
851 bis 870: Optokoppler
880: Komparator
950: Schaltspannung

Claims

Digitale Ausgabebaugruppe eines hierarchisch strukturierten Leitsystems mit einer Verarbeitungseinheit und mit einem von der Verarbeitungseinheit galvanisch getrennten integrierten kurzschluß- und überlastfesten Halbleiterschalter, der einen binären Steuereingang, einen Schaltausgang, einen binären Statusrückmeldeausgang und Anschlüsse für eine erdfreie Schaltspannung aufweist, für jeden Ausgabekanal, wobei – jeder Steuersignalausgang (840-11 bis 840-18) der Verarbeitungseinheit (840) über einen Optokoppler (851 bis 858) mit dem Steuereingang (831-1 bis 831-8) des zugehörigen Halbleiterschalters (830-1 bis 830-8) verbunden ist, – der Statusrückmeldeausgang (832-1 bis 832-8) jedes Halbleiterschalters (830-1 bis 830-8) über einen Optokoppler (861 bis 868) mit einem Statusrückmeldesignaleingang (840-21 bis 840-28) der Verarbeitungseinheit (840) verbunden ist, und – jeder Steuersignalausgang (840-11 bis 840-18) mit dem zugehörigen Statusrückmeidesignaleingang (840-21 bis 840-28) derartig verknüpft ist, daß bei einmaliger Aktivierung des Statusrückmeldesignaleinganges (840-21 bis 840-28) der Steuersignalausgang (833-1) dauerhaft bis zur manuellen Reaktivierung blockiert ist.
Digitale Ausgabebaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (880) zur Überwachung der erdfreien Schaltspannung (950) auf Unterschreiten einer vorgegebenen minimalen Schaltspannung mit einem Ausgang, der über einen Optokoppler (870) an einen Schaltspannunbgsüberwachungseingang (840-31) der Verarbeitungseinheit (840) angeschlossen ist, vorgesehen sind.
Digitale Ausgabebaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Mittel (880) zur Überwachung der Schaltspannung (950) derart mit den zugehörigen Steuersignalausgängen (840-11 bis 840-18) verknüpft ist, daß bei Unterschreitung der minimalen Schaltspannung alle Steuersignalausgänge (840-11 bis 840-18) blockierbar sind.