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Die
Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für einen industriellen Kessel,
mit elektromechanischen Relais, die so in Serie geschaltet sind,
dass sie eine elektromechanische Sicherheitskette bilden, und mindestens
einem Nebenschlussrelais, das im Normalfall geöffnet ist und zu einem der
elektromechanischen Relais parallel geschaltet ist, wobei das Nebenschlussrelais
von einem Automaten so gesteuert wird, dass es während einer Verzögerungszeit
geschlossen ist.
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Eine
Sicherheitsvorrichtung für
einen industriellen Kessel mit elektromechanischen Relais ist aus
der Schrift DE-A-3 704 062 bekannt.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf industrielle Kessel, die
beispielsweise einen Gasbrenner zum Erzeugen von Dampf oder überhitztem Wasser
aufweisen. Solche Kessel sind mit einer Sicherheitsvorrichtung von
dem eingangs angegebenen Typ versehen, die zwischen einen oder mehrere Sensoren
und ein oder mehrere an dem Kessel montierte Betätigungsglieder geschaltet ist.
Diese Vorrichtung ist insbesondere dazu ausgelegt, über die Betätigungsglieder
eine Betriebsunterbrechung des Kessels auszulösen, wenn mindestens ein Sensor eine
Fehlfunktion des Kessels erfasst. Bei dieser Störung kann es sich um einen übermäßig hohen
Druck, einen zu niedrigen Wasserstand, oder ein Problem mit der
Brennerflamme handeln. Jeder Sensor ist beispielsweise ein Druckregler,
der einen elektrischen Wechselstrom von 230 Volt liefert, um ein
entsprechendes elektromechanisches Relais, das in der Sicherheitskette
der Vorrichtung in Serie geschaltet ist, geschlossen zu halten.
Diese Sicherheitskette ist eine elektrische Schaltung mit mehreren
elektromechanischen Relais, die so in Serie geschaltet sind, dass
sie eine elektrische Schaltung bilden, die im Normalfall geschlossen
ist und bei Erfassung einer Störung
durch einen Sensor geöffnet
wird. Die Betätigungsglieder,
bei denen es sich beispielsweise um Elektroventile handeln kann,
sind dazu ausgelegt, eine Betriebsunterbrechung des Kessels auszulösen, sobald
sie nicht mehr mit Strom versorgt werden. Somit weist die Sicherheitsvorrichtung
für jeden Sensor
ein Relais auf, das durch den entsprechenden Versorgungs strom geschlossen
gehalten wird, und sie bewirkt die elektrische Versorgung des Betätigungsglieds,
wenn die Sicherheitskette geschlossen ist. Im Falle einer Fehlfunktion
beendet einer der Sensoren die Zuführung seines Stroms, um die
Sicherheitskette zu öffnen,
was eine Unterbrechung der elektrischen Versorgung des Betätigungsglieds hervorruft,
um die Betriebsunterbrechung des Kessels auszulösen.
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Bestimmte
der Sensoren werden täglichen Prüfungen unterzogen,
um sich zu vergewissern, dass der überprüfte Sensor im Falle einer Störung in dem
Kessel das Öffnen
des entsprechenden Relais hervorruft. Diese Prüfungen werden bei laufendem Betrieb
durchgeführt,
und das entsprechende Relais muss öffnen, ohne jedoch eine Betriebsunterbrechung
des Kessels hervorzurufen. Ein Nebenschlussrelais, das im Normalfall
offen ist, ist daher parallel zu dem Relais geschaltet, das dem
zu prüfenden
Sensor entspricht. Dieses Nebenschlussrelais wird von einem Automaten
während
einer vorgegebenen Verzögerungszeit
geschlossen, damit die Sicherheitskette während des durch die Prüfung hervorgerufenen Öffnens des
Relais des Sensors geschlossen bleibt. Die Prüfung eines Druckreglers besteht
beispielsweise darin, einen Trennschieber eines den Druckregler
enthaltenden Behälters
vorübergehend
zu schließen
und den Druck in diesem Behälter
zu erhöhen,
um sich zu vergewissern, dass das entsprechende Relais in der Sicherheitskette
bei einer Erhöhung
des Drucks in dem Behälter öffnet. Beim
Schließen
des Trennschiebers wird das Nebenschlussrelais von dem Automaten
für die
Dauer der Verzögerungszeit
geschlossen. Die Druckerhöhung ruft
das Öffnen
des Relais des Sensors hervor, aber die Sicherheitskette bleibt
in Folge des geschlossenen Nebenschlussrelais geschlossen. Das Trennschieber
wird daraufhin geöffnet,
um die Prüfung
abzuschließen,
wodurch ein normaler Druck in dem Behälter wieder hergestellt wird.
Die Rückkehr
zu einem normalen Druck in der Umgebung des Sensors ruft somit das
Schließen
des Relais des Sensors hervor. Anschließend wird die Verzögerungszeit über den Automaten
aufgehoben, wodurch das Nebenschlussrelais aufgesteuert wird, was
einer Rückkehr
zu dem anfänglichen
Zustand vor der Prüfung
entspricht.
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Das
Problem, das von diesen Verzögerungszeiten
aufgeworfen wird, ist, dass sie nur von dem Automaten gesteuert
werden. Als Folge davon kann eine Fehlfunktion des Automaten ein
Geschlossenhalten eines Nebenschlussrelais in der Sicherheitskette über die
Verzögerungszeit
hinaus verursachen. In einem solchen Fall ist der entsprechende
Sensor daher ausser Kraft gesetzt, denn falls er eine Störung erfasst,
ruft das Öffnen
seines Relais kein Öffnen
der Sicherheitskette hervor, da sein Nebenschlussrelais geschlossen
ist. Eine solche Fehlfunktion wird somit von der Sicherheitsvorrichtung
nicht erfasst, was ein beträchtliches
Risiko für
die Betriebssicherheit der Anlage darstellt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben.
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Hierzu
hat die Erfindung eine Sicherheitsvorrichtung für einen industriellen Kessel
zum Gegenstand, mit elektromechanischen Relais, die so in Serie
geschaltet sind, dass sie eine elektromechanische Sicherheitskette
bilden, und mindestens einem Nebenschlussrelais, das im Normalfall
geöffnet
ist und zu einem der elektromechanischen Relais parallel geschaltet
ist, wobei das Nebenschlussrelais von einem Automaten so gesteuert
wird, dass es während einer
Verzögerungszeit
geschlossen ist, wobei die Sicherheitsvorrichtung dadurch gekennzeichnet
ist, dass das Nebenschlussrelais einen Kontakt aufweist, der mit
einer elektronischen Schaltung verbunden ist, sowie dadurch, dass
die elektronische Schaltung ein in der Sicherheitskette in Serie
geschaltetes elektromechanisches Relais aufsteuert, falls das Nebenschlussrelais
während
einer Zeit geschlossen ist, die länger als die besagte Verzögerungszeit
ist.
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Eine
solche Konstruktion hat zur Folge, dass die Verzögerungszeit von der elektronischen
Schaltung und von dem Automaten gesteuert wird, um einen zufriedenstellenden
Grad der Sicherheit der Anlage zu gewährleisten.
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Gemäß einer
bestimmten Ausführungsweise,
bei der die Sicherheitsvorrichtung elektromechanische Relais aufweist,
die so in Serie geschaltet sind, dass sie eine elektrische Versorgungsschaltung eines
Betätigungsgliedes
des Kessels bilden, wobei eines der Relais von einem Automaten so
gesteuert wird, dass es bei Empfang eines Verzögerungsinitiierungsbefehls
während
einer Verzögerungszeit
geöffnet
ist, steuert die elektronische Schaltung ein anderes elektromechanisches
Relais, das ebenso in der Versorgungsschaltung in Serie geschaltet
ist, um das besagte andere elektromechanische Relais während der
Verzögerungszeit
ab dem Empfang des Verzögerungsinitiierungsbefehls
zu öffnen.
Mit dieser Ausführungsweise
kann auch eine minimale Verzögerungszeit
wie eine minimale Vorspülzeit,
die einer Inbetriebsetzung vorausgehen muss, gesichert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsweise
der Erfindung ist das von der elektronischen Schaltung gesteuerte
Relais geschlossen ist, wenn es von der elektronischen Schaltung
mit elektrischer Leistung versorgt wird, und ansonsten geöffnet. Bei dieser
Ausführungsweise
tendiert die Verzögerungszeit
im Falle einer Störung
in der elektronischen Schaltung gegen Null, so dass die Sicherheitskette
in einem solchen Fall augenblicklich geöffnet wird. Diese Anordnung
erhöht
die Betriebssicherheit der Steuerung der Verzögerungszeit noch weiter.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsweise
der Erfindung sind die Relais und die elektronische Schaltung auf
einem Träger
in Form einer gedruckten Schaltplatte montiert. Bei dieser Ausführungsweise
kann die Sicherheitsvorrichtung in einer kompakten Gesamtanordnung
montiert werden, die von einem gegebenenfalls versiegelten Gehäuse umschlossen
ist, um eine Modifizierung der Konfiguration durch eine Bedienperson
zu unterbinden.
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Gemäß einer
bestimmten anderen Ausführungsweise
der Erfindung weist die elektronische Schaltung eine programmierbare
Schaltung vom Typ "PAL" auf. Mit dieser
Ausführungsweise
kann die elektronische Schaltung mit geringen Kosten verwirklicht
werden.
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Die
Erfindung wird nun ausführlicher
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
die eine Ausführungsform
davon beispielhaft und auf nicht einschränkende Weise veranschaulichen.
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1 ist
eine stark schematisierte Darstellung der Erfindung;
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2 ist
eine stark schematisierte Darstellung einer ersten Ausführungsweise
der Erfindung;
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3 ist
eine stark schematisierte Darstellung einer elektronischen Schaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 ist
eine stark schematisierte Darstellung einer zweiten Ausführungsweise
der Erfindung.
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Gemäß der Darstellung
in 1 ist eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung mit
mindestens einem Sensor PTn und mit mindestens
einem Betätigungsglied
EVm verbunden, die im Allgemeinen in dem
industriellen Kessel CHA montiert sind. Der Sensor PTn,
bei dem es sich in dem vorliegenden Fall um einen Druckregler handelt,
schickt einen elektrischen Strom In an die
Sicherheitsvorrichtung DS, die vorliegend in einem Schaltschrank
AE montiert ist. Falls dieser Strom In empfangen
wird, schickt die Sicherheitsvorrichtung ihrerseits einen zweiten
elektrischen Strom Jm zu dem Betätigungsglied
EVm, im vorliegenden Fall ein Elektroventil,
um dieses Betätigungsglied
in einer Normalbetriebposition zu halten. Falls dieser Strom In nicht empfangen wird, weist die Sicherheitsvorrichtung
DS ein Relais zum Öffnen
der elektrischen Versorgungsschaltung des Betätigungsgliedes EVm an,
den Strom Jm zu unterbrechen und dadurch
die Betriebsunterbrechung des Kessels auszulösen. Die elektrischen Ströme In und Jm sind im Allgemeinen
230 Volt-Wechselstarkströme.
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2 zeigt
auf stark schematisierte Weise die Architektur der Sicherheitsvorrichtung
DS. Diese weist mehrere elektromechanische Relais REn auf, die
so in Serie geschaltet sind, dass sie eine elektromechanische Sicherheitskette
CH1 bilden. Jedes Relais REn wird durch
einen entsprechenden Versorgungsstrom In,
der von einem entsprechenden Sensor PTn geliefert
wird, geschlossen gehalten. Die Sicherheitskette CH1 stellt somit
eine elektrische Schaltung dar, die im normalen Betrieb geschlossen ist,
und die geöffnet
wird, wenn einer der Sensoren PTn eine Störung erfasst.
Bei den Sensoren, die Gegenstand einer periodischen Prüfung sein
müssen, ist
ein Nebenschlussrelais RTn, das im Normalfall
offen ist, parallel zu dem Relais des Sensor REn geschaltet.
Dieses Nebenschlussrelais wird von einem Automaten API so gesteuert,
dass es während
einer Verzögerungszeit
ab dem Beginn der Prüfung
geschlossen ist. Diese Verzögerungszeit
beträgt
z.B. maximal 30 Sekunden. Wenn eine Betriebsperson einen Druckregler
PTn prüft,
indem er einen Trenn schieber VIn des entsprechenden
Isolierbehälters
CIn schließt und dadurch eine Druckerhöhung in
diesem Behälter
hervorruft, wird die Prüfungsverzögerungszeit
ausgelöst.
Im Allgemeinen ist der Trennschieber VIn mit
einem elektrischen Arbeitskontakt versehen, der mit dem Automaten
API verbunden ist, um das Nebenschlussrelais RTn zuzusteuern,
wenn der Schieber VIn geschlossen ist. Dieses
Nebenschlussrelais wird daraufhin auf Anweisung des Automaten geöffnet, sobald
die Verzögerungszeit
verstrichen ist. Im Falle einer Fehlfunktion des Automaten oder
des Nebenschlussrelais kann das Nebenschlussrelais RTn daher
während
einer Dauer geschlossen bleiben, die länger als die Verzögerungszeit
ist. In einem solchen Fall ist der entsprechende Sensor somit ausser
Kraft gesetzt, denn wenn er ein Störung erfasst, ruft das Öffnen seines
Relais kein Öffnen
der Sicherheitskette hervor, da sein Nebenschlussrelais geschlossen
ist. Eine solche Fehlfunktion wird daher von der Sicherheitsvorrichtung
nicht erfasst, was ein erhebliches Risiko für die Betriebssicherheit der
Anlage darstellt.
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Gemäß der Erfindung
ist die Verzögerungszeit
des von dem Automaten API gesteuerten Nebenschlussrelais RTn durch eine elektronische Schaltung CEn so gesichert, dass die Schaltung CEn ein elektromechanisches Relais RS steuert,
das in der Kette CH1 in Serie geschaltet ist, um die Kette CH1 zu öffnen, falls
das Relais REn während einer Dauer, die länger als
die Verzögerungszeit
ist, geschlossen bleibt. Diese elektronische Schaltung hat einen
Eingang E, der mit einem Kontakt des Nebenschlussrelais RTn derart verbunden ist, dass er eine Verzögerungszeit
auslöst,
sobald er ein Schließen
des Relais RTn erfasst, und falls nach Ablauf
dieser Verzögerungszeit
das Relais RTn immer noch geschlossen ist,
das Öffnen
des Relais RS anweist. Somit ist die elektronische Schaltung CEn in der Lage, unabhängig von dem API und bei Erfassung
einer Überschreitung
der Verzögerungszeit
eine Betriebsunterbrechung des Kessels auszulösen. Gemäß der Erfindung ist die von
dem Automaten API gesteuerte Verzögerungszeit daher ebenfalls
durch die elektronische Schaltung CEn gesichert,
so dass sie eine materielle heterogene Redundanz bei der Steuerung
der Verzögerungszeit
bildet.
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Diese
Ausführungsweise
wird als Beispiel für die
Sicherung einer Verzögerungszeit
gegeben, die einer Sensorprüfung
entspricht, kann aber ebenso auf die Sicherung anderer, ähnlicher
Verzögerungszeiten
angewendet werden. Beispielsweise ist der Flammenerfassungssensor
im Verlauf der Hochfahrsequenz Gegenstand einer ähnlichen Verzögerungszeit,
bei der er das Vorhandensein einer Brennerflamme spätestens
fünf Sekunden
nach dem Beginn der Gaszufuhr zum Brenner erfassen muss, da ansonsten
ein Sicherungszustand des Kessels oder seiner Starteinrichtung ausgelöst werden
muss.
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Die
Schaltung CEm kann auf verschiedene Weisen
ausgeführt
sein, z.B. unter Verwendung von Kondensatoren und Widerständen, die
von einer integrierten logischen Schaltung gesteuert werden, um die
Verzögerungszeit
auf der Grundlage der Ladezeit eines Kondensators zu zählen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der elektronischen Schaltung CEn ist stark
schematisiert in 3 dargestellt. Es weist eine
integrierte logische Schaltung CIL auf, mit einem Eingang E, der
mit einem Kontakt des Nebenschlussrelais RTn verbunden
ist, und einem Ausgang S zum Aufsteuern des Relais RS für den Fall,
dass der Eingang E während
einer längeren Zeitdauer
als der Verzögerungszeit
mit Leistung versorgt wird. Diese integrierte logische Schaltung
wird mit einer Gleichspannung von 12 Volt versorgt und ist mit einem
Widerstand R und mit Kondensatoren C1 und C2 verbunden, um Ladevorgänge des
Kondensators C1 zu steuern und dadurch die Verzögerungszeit zu steuern. Bei
Empfang eines Verzögerungsinitiierungsbefehls
an E löst
die integrierte logische Schaltung einen Ladevorgang des Kondensators
C1 aus. Die integrierte logische Schaltung weist ferner einen Eingang
auf, der mit einem zwischen dem Widerstand R und dem Kondensator
C1 befindlichen Punkt V verbunden ist, so dass dieser Eingang während des
Ladevorgangs des Kondensators C1 seinen Zustand ändert, wenn die Verzögerungszeit
verstrichen ist. Wenn die Verzögerungszeit
verstrichen ist, obwohl das Nebenschlussrelais RTn immer
noch geschlossen ist, steuert die integrierte logische Schaltung
das Relais RS daher über
ihren Ausgang S auf.
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Die
integrierte logische Schaltung CIL wird vorteilhaft beispielsweise
mit einer Schaltung vom Typ "PAL" (Programmable Array
Logic) ausgeführt. Diese "PAL"-Schaltungen arbeiten
mit 12 Volt und ermöglichen
es, mit geringen Kosten logische Operatoren zwischen dem Eingangs-
und Ausgangspfad zu schaffen. Sie sind auf definitive Weise durch
elektrischen Durchschlag konfiguriert.
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Genauer
gesagt ist das Relais RS ein Relais, das geschlossen ist, wenn es über den
Ausgang S versorgt ist, und ansonsten offen ist, so dass eine Fehlfunktion
der Schaltung CE ein Öffnen
des Relais RS auslöst.
Somit tendiert die Verzögerungszeit
im Falle einer Störung
in der elektronischen Schaltung gegen Null, so dass die Sicherheitskette
in einem solchen Fall augenblicklich geöffnet wird. Diese Maßnahme erhöht die Betriebssicherheit
der Steuerung der Verzögerungszeit
noch weiter.
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Bei
einer anderen Variante der Erfindung sind die verschiedenen elektronischen
Schaltungen und die verschiedenen Relais in einem Gehäuse zusammengefasst,
das Träger
in Form von gedruckten Schaltplatten umschließt, auf denen sie durch Löten montiert
sind. Ein solches Gehäuse
weist eine oder mehrere gedruckte Schaltungen auf, auf denen die Relais
montiert sind, welche die elektromechanische Kette bilden, so dass
diese Relais nicht durch eine verkabelte Logik, sondern durch Leiterbahnen
der gedruckten Schaltungen unter einander verbunden sind. Diese
verschiedenen Schaltungen können
daher eine kompakte Gesamtanordnung bilden, die von einem gegebenenfalls
versiegelten Gehäuse
umschlossen ist, um eine Modifizierung der Konfiguration durch eine
Bedienperson zu unterbinden. Vorteilhaft sind mehrere Schaltungen
in Verbinder einer Karte eingesteckt, die als Verdrahtungskarte
("carte de fond
de panier") bezeichnet
wird und ebenfalls mit Verbindern versehen ist, welche die elektrische
Verbindung mit den Sensoren und mit den Betätigungsgliedern bewirken.
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Das
Hochfahren eines solchen Kessels ist an eine Sequenz gebunden, welche
ebenfalls Verzögerungszeiten
anwendet. Beispielsweise darf das Zünden des Brenners erst nach
einer Vorspüloperation der
Brennkammer durchgeführt
werden, welche den Zweck hat, gegebenenfalls vorhandene Gasrückstände vor
dem Inbetriebsetzen des Brenners zu entleeren. Ein Öffnen des
Elektroventils der Gasversorgung des Brenners muss unterbunden sein,
solange die Vorspülsequenz
nicht abgeschlossen ist. Eine solche Startsequenz wird von einem
Automaten durchgeführt,
der die Vorspülsequenz
steuert, um ein Relais der elektrischen Versorgungsschaltung des Elektroventils
für die
Gaszufuhr am Ende der Vorspülsequenz
zuzusteuern. Dieses Relais wird erst nach dem Ablauf der Mindestdauer
der Verzögerungszeit
zugesteuert, die dem Vorspülen
entspricht. Der Automat kann ein programmierbarer Automat mit einem
Mikroprozessor sein, oder auch eine "Black Box", die beispielsweise einen Servomotor
zum Steuern der Sequenz aufweist.
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Auf
analoge Weise zur Sicherung der Sicherheitskette können bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Verzögerungszeiten
ihrer Startsequenz ebenfalls durch eine oder mehrere elektronische Schaltungen
gesichert sein. Zum Steuern der Verzögerungszeit für das Vorspülen steuert
der in 4 dargestellte Automat API somit eine Verzögerungszeit,
die dieses Mal eine minimale Zeitdauer ist, die verstreichen muss,
bevor er ein Relais REm einer elektromechanischen
Kette CA zusteuert. Die dadurch gesicherte Kette CA ist im vorliegenden
Fall eine elektrische Versorgungsschaltung eines Betätigungsgliedes
EVm, bei dem es sich beispielsweise um das
Elektroventil der Gasversorgung des Brenners handelt.
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Gemäß der Erfindung
wird der Befehl zum Initiieren der Verzögerungszeit für das Vorspülen, der an
T empfangen wird, parallel an den Automaten API und an eine elektronische
Schaltung CEm geschickt. Bei Empfang eines
Verzögerungsinitiierungsbefehls steuert
die elektronische Schaltung CEm während der minimalen
Zeitspanne ein anderes elektromechanisches Relais RS auf. In Folge
dessen wird das Betätigungsglied
EVm im Falle einer Fehlfunktion des Automaten,
welche ein verfrühtes
Schließen
des Relais REm hervorruft, nicht versorgt,
da die Versorgungsschaltung CA von dem Relais RS, das von der elektronischen
Schaltung CEm gesteuert wird, offen gehalten
wird. Das Relais RS stellt hierbei ein Starterlaubnis-Relais dar.
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Allgemeiner
ausgedrückt
beinhaltet die Startsequenz Verzögerungszeiten,
bei denen es sich um minimale Zeitspannen und maximale Zeitspannen
handelt, während
denen Relais betätigt
werden müssen.
Die Sicherung einer solchen gesamten Startsequenz umfasst daher
mehrere elektronische Schaltungen zum Steuern dieser beiden Typen
von Verzögerungszeiten
parallel zu dem Automaten.
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Die
elektronische Schaltung CEm, welche diese
Verzögerungszeit
für das
Vorspülen
steuert, bei der es sich um eine minimale Zeitspanne handelt, kann
beispielsweise eine Schaltung von dem Typ sein, der in 3 dargestellt
ist, aber mit einer anderen Logik als der vorausgehend Beschriebenen
gesteuert wird. Diese Schaltung hält das Starterlaubnis-Relais RS bei Empfang
eines Verzögerungszeitbefehls
offen und steuert dieses Relais zu, nachdem die Verzögerungszeit
verstrichen ist.
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Genauer
gesagt ist das Relais RS ein Relais, das geschlossen ist, wenn es über den
Ausgang S versorgt wird, und ansonsten offen ist, so dass eine Fehlfunktion
der Schaltung CE ein Öffnen
des Relais RS auslöst.
Somit tendiert die Verzögerungszeit
im Falle einer Störung
in der elektronischen Schaltung gegen unendlich, so dass in einem
solchen Fall ein Starten des Brenners unterbunden wird. Diese Maßnahme erhöht die Betriebssicherheit
der Steuerung der Verzögerungszeit
noch weiter.
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Es
zeigt sich, dass die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung zu
einem verbesserten Grad der Sicherung der Steuerung der Sicherungs-Verzögerungszeiten
führt,
indem sie eine heterogene Redundanz für die Steuerung dieser Verzögerungszeiten bildet.