DE60218310T2 - Sicherheitsvorrichtung für Grossfeuerungsanlage mit auf einer Leiterplatte montierten Relais - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsvorrichtung für einen industriellen Heizkessel, umfassend elektromechanische Relais, die unter Bildung einer elektromechanischen Sicherheitskette verbunden sind.
• Eine derartige Vorrichtung ist aus den Dokumenten US-A-5 549 469 und EP-A-0 751 350 bekannt.
• Die Erfindung betrifft insbesondere industrielle Heizkessel, die z.B. einen Gasbrenner zur Erzeugung von Dampf oder überhitztem Wasser umfassen. Derartige Heizkessel sind mit einer Sicherheitsvorrichtung versehen, die zwischen einem oder mehreren Messfühlern und einem oder mehreren Schaltern, die auf dem Heizkessel montiert sind, angeordnet ist, um über die Schalter ein Anhalten des Heizkessels auslösen, wenn wenigstens ein Messfühler einen Funktionsfehler des Heizkessels entdeckt. Dieser Fehler kann ein übermäßiger Druck, ein zu niedriger Wasserstand oder ein Problem mit der Flamme des Brenners sein.
• Eine solche Sicherheitsvorrichtung kann insbesondere beim Nachweis eines Fehlers durch einen Messfühler einen Speisestromkreis der Schalter öffnen. Die Schalter, die z.B. Elektroventile sein können, sind so konzipiert, dass sie ein Anhalten des Heizkessels auslösen, sobald sie durch den Speisestromkreis nicht mehr mit Strom gespeist werden. Jeder Messfühler liefert einen elektrischen Wechselstrom unter 230 Volt an die Sicherheitsvorrichtung im Falle eines normalen Betriebs des Heizkessels und liefert keinen Strom im Falle des Nachweises eines Defekts. Eine solche Anordnung bildet eine "positiv" genannte Sicherheitskette, in der eine Unterbrechung der Stromversorgung ein Anhalten des Heizkessels auslöst.
• In der Sicherheitsvorrichtung entspricht jedem Messfühler ein Relais, das unter Spannung gehalten wird, wenn es mit Strom versorgt wird, der vom entsprechenden Messfühler geliefert wird, und die Kontakte der Relais, die unterschiedlichen Messfühlern entsprechen, sind z.B. in Reihe geschaltet, um eine elektromechanische Sicherheitskette in verbindungsprogrammierbarer Form zu bilden. Der Stromkreis, der dieser elektromechanischen Sicherheitskette entspricht, ist im Falle des normalen Betriebs des Heizkessels geschlossen und im Falle einer Anomalie in demselben geöffnet. Es ist in einer solchen Sicherheitsvorrichtung bekannt, der elektromechanischen Sicherheitskette eine so genannte Informationssicherheitskette hinzuzufügen, die parallel und auf gedoppelte Weise zur elektromechanischen Sicherheitskette arbeitet, wenn der Automatismus und die Steuerung des Heizkessels kompliziert werden und die Verwendung eines programmierbaren industriellen Automatisierungsgeräts erfordern. Die Informationssicherheitskette besteht im Allgemeinen aus einer Schaltung zur Behandlung von Daten, wie einem Mikroprozessor, der am Eingang elektrische Signale erhält, die von den Messfühlern erzeugt und in Informationssignale von 5 Volt umgewandelt werden, und der über einen Transistor, welcher ein Relais steuert, den Speisestromkreis der Schalter speist. Der Ausgang der Schaltung zur Behandlung von Daten ist z.B. in der elektromechanischen Sicherheitskette, welche die Hauptsicherheitskette darstellt, in Reihe geschaltet.
• Normen fordern, dass die korrekte Funktion der Sicherheitsmessfühler mit ihren verbundenen Relais regelmäßig nachgeprüft wird. Diese Vorschrift führt zur Installation von wichtigen Anordnungen, die im Allgemeinen einerseits in Form einer verdrahteten Relais-Vorrichtung für alles, was direkt die Sicherheit betrifft, und andererseits durch ein Mikroprozessor-System für alles, was die Verfahren und ihre Folgeüberwachung betrifft, gesichert sind. Wenn zwei gedoppelte Sicherheitsketten installiert sind, wird die zweite (Informations)-Sicherheitskette im Allgemeinen im Mikroprozessor-System behandelt, die letztere muss aber von jeder Leitungsapparatur und jedem Automatismus des Heizkessels unabhängig und verschieden sein. Demgemäß werden die zur Zeit zu verwendenden und zu installierenden Anordnungen immer wichtiger und komplizierter, d.h., mit Relais, speziellen Gehäusen, Verkabelung, Mikroprozessor-Systemen, die nur durch verdrahtete elektrische Kontakte untereinander in Verbindung stehen. Zudem bestehen die Risiken, dass eine Bedienungsperson im unpassenden Moment in die Verbindungsprogrammierung der elektromechanischen Sicherheitskette bei der Überprüfung des korrekten Funktionierens der Sicherheitsmessfühler eingreift, bis hin zum Blockieren eines Relais in geschlossener Position, was für die Funktionssicherheit des Heizkessels sehr schädlich ist.
• Andererseits spezifiziert insbesondere die Norm NF D36504 (Kap. 4.2), dass die Bewertung der Sicherheit der Funktion einer Informations-Sicherheitskette durch eine spezifische Versuchsmethode erfolgen muss, indem man in die Gerätschaft direkt Fehler eingibt, und zwar mit dem Ziel, einen internen Fehler zu simulieren: ein Versagen aller Speicherbits nacheinander wird simuliert. Ein derartiger Test erfordert eine besonders langwierige Durchführung, erschwert beträchtlich die Versuche, die der ersten Inbetriebnahme eines solchen Heizkessels vorhergehen und erhöht zudem seine Kosten.
• Das Ziel der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu überwinden.
• Diesbezüglich besteht das Ziel der Erfindung darin, eine Sicherheitsvorrichtung für einen industriellen Heizkessel bereitzustellen, umfassend elektromechanische Relais die unter Bildung einer elektromechanischen Sicherheitskette verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Relais in Form einer Leiterplatte auf einem Träger montiert sind. Bei dieser Anordnung stellen die elektrischen Verbindungen zwischen den Relais Bahnen der gedruckten Schaltung dar, so dass es für eine Bedienungsperson nicht mehr möglich ist, die Funktionslogik der elektromechanischen Sicherheitskette zu verändern. Vorzugsweise sind diese Relais direkt auf eine Leiterplatte gelötet, und der Anschluss von Eingängen/Ausgängen auf diesen Platten erfolgt durch ausziehbare Klemmleisten, die mit einer Unverwechselbarkeitsvorrichtung versehen sind. Diese Leiterplatten können in einem kompakten, gegebenenfalls versiegelten Gehäuse montiert sein, damit es für eine Bedienungsperson unmöglich ist, einen Zugang zur gesamten elektromechanischen Sicherheitskette zu haben.
• Gemäß einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung sind Stromumformer vorgesehen, die jeweils mit Relais der elektromechanischen Sicherheitskette verbunden sind, um ein elektrisches Eingangssignal eines Relais in ein elektronisches Signal umzuwandeln, wobei die von den Stromumformern gelieferten elektronischen Signale in einem logischen integrierten Schaltkreis verarbeitet werden, der mit den Stromumformern eine bezüglich der elektromechanischen Sicherheitskette gedoppelte elektronische Sicherheitskette darstellt. Eine solche elektronische Sicherheitskette genügt den Bedingungen der Norm NF D36504 in dem Sinne, dass es möglich ist, die Sicherheit des Betriebs des elektronischen Systems in einfacher Darlegung seines Prinzips zu bewerten und diese einfacher durch Tests zu bestätigen als eine Informationssicherheitskette. Der logische integrierte Schaltkreis ist vorzugsweise ein programmierbarer Schaltkreis vom Typ "PAL".
• Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung sind ein Relais und der mit dem Relais verbundene Stromumformer auf der gleichen Leiterplatte montiert, so dass eine kompakte Anordnung der Sicherheitsvorrichtung erhalten wird.
• Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung ist jeder Stromumformer ein optoelektrisches Koppelelement, so dass vom elektrischen Gesichtspunkt aus gesehen die elektromechanische Sicherheitskette und die elektronische Sicherheitskette isoliert sind. Demgemäß hat ein elektrischer Fehler in der elektromechanischen Sicherheitskette keine Rückwirkung auf den Betrieb der elektronischen Sicherheitskette.
• Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung werden die elektronischen Signale durch Mikrosteuerbausteine in Informationssignale umgewandelt, um zu einer bezüglich der elektronischen Sicherheitskette gedoppelten Informationssicherheitskette geschickt zu werden, was eine Verstärkung des Sicherheitsgrads der Sicherheitsvorrichtung ermöglicht, ohne dass die Kompliziertheit ihrer Anwendung erhöht wird, da diese Informationssicherheitskette, die eine dritte Sicherheitskette darstellt, nicht den Testmethoden der oben beschriebenen Norm NF D36504 unterliegt.
• Die Erfindung wird jetzt ausführlicher und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die eine beispielhafte Ausführungsform erläutern.
• 1 ist eine schematische Darstellung der Erfindung.
• 2 ist eine schematische Darstellung einer gedruckten Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• 3 ist eine schematische Darstellung der Anordnung der gedruckten Schaltungen der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung.
• Wie in 1 dargestellt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens mit einem Messfühler PT_n und wenigstens einem Schalter EV_m verbunden, die im Allgemeinen auf einem industriellen Heizkessel CHA montiert sind. Der Messfühler PT_n, der hier ein Druckregler ist, schickt einen elektrischen Strom I_n zu einer Sicherheitsvorrichtung DS, die hier in einem Schaltschrank montiert ist. Im Falle des Erhaltens dieses Strom I_n schickt die Sicherheitsvorrichtung ihrerseits einen zweiten elektrischen Strom J_m zum Schalter EV_m, der hier ein Elektroventil ist, um diesen Schalter in einer normalen Betriebsposition zu halten. Wenn der Strom I_n nicht erhalten wird, steuert die Sicherheitsvorrichtung DS ein Unterbrechungsrelais (nicht dargestellt) des elektrischen Speisestromkreises des Schalters EV, um den Strom J_m zu annullieren und so das Anhalten des Heizkessels auszulösen. Die elektrischen Ströme I_n und J_m sind im Allgemeinen Wechselströme unter 230 Volt. Gemäß der Erfindung umfasst die Sicherheitsvorrichtung DS ein Gehäuse, das die nachstehend gedruckte Schaltungen genannten Leiterplatten einschließt, die eine elektromechanische Sicherheitskette (CH1) bilden. Das Gehäuse umfasst eine oder mehrere gedruckte Schaltungen, auf denen die Relais montiert sind, welche die erste Sicherheitskette (CH1) bilden, und zwar dergestalt, dass diese Relais nicht durch eine Verbindungsprogrammierung verbunden sind, sondern durch Leiterbahnen von gedruckten Schaltungen. Diese unterschiedlichen Schaltungen können so eine kompakte Konstruktion bilden, die in einem gegebenenfalls versiegelten Gehäuse eingeschlossen ist, um einer Bedienungsperson eine Änderung der Konfiguration zu verwehren.
• Diese Art von Heizkessel umfasst im Allgemeinen mehrere Messfühler, die mit mehreren Schaltern verbunden sind, und das Gehäuse kann z.B. mehrere gedruckte Schaltungen CI_A, CI_B, CI_C einschließen, um unterschiedliche Messfühler des Heizkessels zu steuern, wie in 3 dargestellt ist. Diese Schaltungen sind vorteilhaft in Steckverbindungen einer Verdrahtungsplatte (nicht dargestellt) genannten Platte gesteckt, die ebenfalls mit Steckverbindungen versehen ist, die die elektrische Verbindung mit den Messfühlern und mit den Schaltern gewährleisten.
• In der 2 ist die gedruckte Schaltung CI_B dargestellt, die Schaltungen CI_A, CI_B, CI_C entsprechen aber der Schaltung CI_B. Wie in dieser Figur dargestellt ist, umfasst jede gedruckte Schaltung CI_A, CI_B, CI_C ein Relais RE_n, das geschlossen bleibt, wenn es einen Strom I_n des Messfühlers, der PT_n entspricht, erhält, um eine klassische elektromechanische Sicherheitskette CH1 zu bilden. Insbesondere sind bei den Schaltungen CI_A, CI_B, CI_C die Ausgänge derselben in einer in der 3 ersichtlichen Hauptschaltung CIP vereinigt, die Verbindungen umfasst, welche die erste Sicherheitskette CH1 bilden. Diese Hauptschaltung ist ebenfalls auf der Verdrahtungsplatte montiert. Sie realisiert z.B. die Reihenbildung von unterschiedlichen Relais RE_n jeder gedruckten Schaltung CI_A, CI_B, CI_C und steuert ein Unterbrechungsrelais des elektrischen Speisestromkreises des Schalters oder der Schalter des Heizkessels, sobald eines der Relais RE_n offen ist.
• Die Sicherheitsvorrichtung schließt eine in Bezug auf die erste gedoppelte, zweite Sicherheitskette CH2 ein, wobei diese zweite Kette elektronisch ist. Diese elektronische Kette kann ebenfalls den elektrischen Speisestromkreis des Schalters EV_m öffnen, um seine Stromversorgung in dem Fall abzuschneiden, dass kein elektrischer Strom I_n erhalten wird. Der Vorteil einer elektronischen Steuerung für diese zweite Kette besteht darin, dass Bewertungstests einfacher sind als im Rahmen einer Informationssteuerung. Diese elektronische Kette CH2 könnte in einem separaten Gehäuse montiert und durch spezielle Steckverbindungen mit der Verdrahtungsplatte verbunden werden. Vorteilhaft kann sie aber in die gedruckten Schaltungen integriert werden, die die elektromechanische Kette definieren, wie nachstehend erklärt wird.
• Bei dieser Variante wird der von einem Messfühler PT_n gelieferte Strom in der gedruckten Schaltung, auf der das Relais, das RE_n entspricht, montiert ist, durch einen Stromumwandler, der OC_n entspricht, in ein elektronisches Signal umgewandelt. Dieses elektronische Signal ist ein Gleichstrom unter 12 Volt, der von einem logischen integrierten Schaltkreis CIL aufgenommen werden soll, um die zweite Sicherheitskette CH2 zu bilden. Der logische integrierte Schaltkreis CIL kann auf der gedruckten Hauptschaltung CIP der Sicherheitsvorrichtung DS montiert sein, wobei diese Hauptschaltung ihrerseits mit der Verdrahtungsplatte verbunden ist. So empfängt die gedruckte Hauptschaltung CIP elektronische Signale, die von jeder gedruckten Schaltung CI_A, CI_B, CI_C erzeugt werden, um ein Unterbrechungsrelais des elektrischen Speisestromkreises des Schalters EV_m auf Anweisung des logischen integrierten Schaltkreises CIL zu steuern.
• Ein derartiger logischer integrierter Schaltkreis wird vorzugsweise z.B. durch einen Schaltkreis von Typ "PAL" verwirklicht. Die Schaltkreise "PAL" arbeiten unter 12 Volt und ermöglichen die Durchführung logischer Schaltungen zwischen Eingangsbahnen und Ausgangsbahnen mit geringeren Kosten. Sie sind auf eindeutige Weise anhand des elektrischen Durchschlags konfiguriert.
• In der 2 ist eine gedruckte Schaltung CI_A, CI_B, CI_C dargestellt, die auch als Magnetkarte bezeichnet wird, welche den Strom I_n eines einzelnen Messfühlers erhält. Eine solche Karte kann aber die Ströme I_n erhalten, welche von mehreren Messfühlern geliefert werden, so dass alle Messfühler eines Elements des Heizkessels, wie z.B. der Brenner, gesteuert werden. In einer derartigen Konfiguration umfasst die Karte ein Relais und ein optoelektrisches Koppelelement für jeden Messfühler, wobei die Relais auf der Karte in Reihe geschaltet sind, so dass sie einen einzigen Ausgang für die elektromechanische Sicherheitskette CH1 liefern. Die elektronischen Signale, die von verschiedenen optoelektrischen Koppelelementen ausgehen, werden dann durch einen lokalen integrierten logischen Schaltkreis vereinigt, der auch auf der Karte CI_A, CI_B, CI_C montiert ist. Dieser Schaltkreis liefert so ein einzelnes, den Zustand des betreffenden Elements widerspiegelnden, elektronisches Ausgangssignal, das für die elektronische Sicherheitskette CH2 bestimmt ist.
• In einer Abänderung kann die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung auch eine gegenüber den anderen Sicherheitsketten CH1 und CH2 redundante dritte Sicherheitskette CH3 umfassen, wobei diese dritte Kette eine Informationssicherheitskette ist. In dieser Abänderung schließt jede gedruckte Schaltung CI einen Mikrosteuerbaustein ein, der das elektronische Signal von 12 Volt in ein Informationssignal umwandelt, das durch eine den Mikrosteuerbaustein enthaltende Uhr getaktet wird. Dieses Informationssignal wird mit etwa 5 Volt abgegeben. Wie bei den anderen Sicherheitsketten werden die unterschiedlichen Informationssignale durch den gedruckten Hauptschaltkreis CIP aufgenommen. Dieser Schaltkreis CIP ist mit einem Mikrosteuerbaustein versehen, der die unterschiedlichen Informationssignale vereinigt und mit einem Mikroprozessor MP in Verbindung steht, um die dritte Sicherheitskette zu bilden. Insbesondere steht der Mikroprozessor MP auch mit dem Mikrosteuerbaustein MCP in Verbindung, um ein Anhalten des Heizkessels auf Anweisung des Informationssteuerprogramms der dritten Kette auszulösen. Der Mikroprozessor öffnet dann das Unterbrechungsrelais des Speisestromkreises des oder der Schalter EV_m durch einen Transistor, der auf der gedruckten Hauptschaltung montiert ist. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass diese Sicherheitskette, die eine Informationssicherheitskette ist, eine dritte Kette darstellt, so dass sie nicht den Testspezifikationen der oben erwähnten Norm NF D36504 unterworfen ist.
• Im Fall einer gedruckten Schaltung CI, die mehrere Messfühler des gleichen Elements des Heizkessels vereinigt, kann der Mikrosteuerbaustein MC dieser gedruckten Schaltung ein gleichgerichteter-serieller Stromumwandler sein. Ein derartiger Stromumwandler empfängt am Eingang elektronische Signale von 12 Volt von jedem Messfühler und liefert am Ausgang ein serielles getaktetes Informationssignal von 5 Volt, das den Zustand jedes der durch die Schaltkreise CI_A, CI_B, CI_C gesteuerten Messfühler widerspiegelt. Auf diese Weise ist der Mikrosteuerbaustein MCP der gedruckten Hauptschaltung in der Lage, Informationsdaten an den Mikroprozessor MP zu übermitteln, die den präzisen Zustand jedes Messfühlers des Heizkessels definieren.
• Wie man sieht, ergibt die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung mit einer heterogenen Redundanz eine verbesserte Kompaktheit und einen erhöhten Sicherheitsgrad, da eine Bedienungsperson die Anordnung derselben nicht verändern kann. Zudem ermöglich die Anwendung einer dritten Informationssicherheitskette die Verknüpfung des Heizkessels mit einem Informationssystem, das den Zustand jedes Messfühlers des Heizkessels präzise angibt.

Claims (5)

1. Sicherheitsvorrichtung für einen industriellen Heizkessel (CHA), umfassend elektromechanische Relais (RE_n), die unter Bildung einer elektromechanischen Sicherheitskette (CH1) verbunden sind, wobei jedes Relais (RE_n) in Form einer Leiterplatte (CI_A, CI_B, CI_C, CIP) auf einem Träger montiert ist, Stromumformer (OC_n), die jeweils mit Relais der elektromechanischen Sicherheitskette (CH1) assoziiert sind und zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals eines Relais in ein elektronisches Signal vorgesehen sind, wobei die von den Umformern gelieferten elektronischen Signale in einem logischen integrierten Schaltkreis (CIL) verarbeitet werden, der mit den Umformern eine bezüglich der elektromechanischen Sicherheitskette (CH1) gedoppelte elektronische Sicherheitskette (CH2) darstellt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der ein Relais (RE_n) und der mit dem Relais assoziierte Stromumformer (OC_n) auf der gleichen Leiterplatte (CI_A, CI_B, CI_C) montiert sind.
3. Sicherheitsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, in der jeder Stromumformer (OC_n) ein optoelektrisches Koppelelement ist.
4. Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der der logische integrierte Schaltkreis (CIL) ein programmierbarer Schaltkreis vom Typ "PAL" ist.
5. Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in der die elektrischen Signale durch Mikrosteuerbausteine (MC) umgewandelt werden, um zu einer bezüglich der elektronischen Sicherheitskette gedoppelten Informations-Sicherheitskette (CH3) geschickt zu werden.