EP0660043A1 - Steuereinrichtung zur Betätigung von Schalteinrichtungen nach einem Zeitprogramm - Google Patents

Steuereinrichtung zur Betätigung von Schalteinrichtungen nach einem Zeitprogramm Download PDF

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EP0660043A1
EP0660043A1 EP93810909A EP93810909A EP0660043A1 EP 0660043 A1 EP0660043 A1 EP 0660043A1 EP 93810909 A EP93810909 A EP 93810909A EP 93810909 A EP93810909 A EP 93810909A EP 0660043 A1 EP0660043 A1 EP 0660043A1
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EP
European Patent Office
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microprocessor
circuit block
switching devices
control device
voltage
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Lelle Josef
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Landis and Gyr Technology Innovation AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/08—Microprocessor; Microcomputer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/20—Opto-coupler
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/12—Burner simulation or checking
    • F23N2227/16—Checking components, e.g. electronic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/16—Indicators for switching condition, e.g. "on" or "off"
    • H01H9/167—Circuits for remote indication

Definitions

  • the invention relates to a control device of the type mentioned in the preamble of claim 1.
  • Devices of this type are used, for example, for controlling and monitoring the burner and the ignition device for oil and gas fires and for monitoring switches for actuators such as fuel valves and ventilation flaps, with the microprocessor evaluating the information supplied via line voltage-carrying signal lines and issuing corresponding control commands.
  • the switch-off capability of the switching devices that switch safety-critical loads such as a fuel valve must be checked frequently in order to be able to detect a malfunction of the switching device before a dangerous situation arises.
  • a control device for oil burners according to the preamble of claim 1 is known, in which information about the switching states of relay and sensor contacts are transmitted to a microprocessor by means of an amplifier.
  • the switching states of the relay contacts are fed via signaling lines carrying line voltage to an amplifier which is connected on the output side to an input of the microprocessor, so that the microprocessor must have a number of inputs corresponding to the number of amplifiers.
  • Isolators such as e.g. are used for the electrical isolation of the signal lines and the microprocessor.
  • Optocoupler or transmitter used. There is one isolator per signal voltage.
  • the microprocessor is programmed to perform a number of tests to determine whether a system with switched consumers is actually going through a switch-on phase in the correct way. For this purpose, signals are read in by the microprocessor and compared with setpoints. In the event of a faulty consumer status, the microprocessor switches the consumers off.
  • mains voltage-carrying signal lines are connected via optocouplers to an interrogation unit of an AC voltage detector.
  • the signal lines are each connected to the optocoupler via a low-pass filter, which consists of a resistor and a capacitor connected in series with it.
  • the switching states of the AC switches are queried and saved via the signal lines.
  • the switching states are compared with a target state - open or closed - and then a switch state signal is formed, which contains at least one piece of information - error or no error - in total for all AC switches that occur. From the switch status signal do not determine which AC switch can no longer be switched off, so that a simple display for diagnosis is not possible.
  • Optocouplers for example, are used as isolators for the electrical isolation of the monitored system from the microprocessor. Optocoupler applications of this type are known from the specialist literature (TI Opto Cookbook from 1975, ISBN 3 88078 000 5).
  • the optocouplers have the disadvantage that they are not fail-safe and have a higher failure rate compared to other electronic components, so that they have to be checked for a signal pretense even in an active operating state in safety-critical applications. Furthermore, the electromagnetic compatibility and thus the reliability of the control device decrease with an increasing number of optocouplers. Systems with many signal lines carrying mains voltage can incur high costs as long as an expensive isolating element such as an optocoupler or transmitter and an input pin on the microprocessor must be available per signal line.
  • the invention has for its object to design a control device with a microprocessor according to the preamble of claim 1 such that it detects the information in the form of low-voltage signals about the state of switching devices that switch loads on or off in a simple and reliable manner , processed and transmitted to the microprocessor.
  • a shift register is particularly suitable as a circuit block or, in the case of many switching devices to be monitored, an arrangement with a plurality of shift registers in cascade.
  • the signal lines must be connected to the circuit block via coupling elements in such a way that the circuit block is not destroyed even in the event of overvoltages.
  • the information about the states of the switching devices must be obtained from the distinction as to whether a low-voltage signal is of the same or alternating shape.
  • the first subtask could be solved in that the signal lines via resistor networks consisting of resistors, capacitors and diodes, which are both overvoltages also derive overcurrents connected to the circuit block.
  • the coupling element is reduced to a single high-resistance as a cost-effective solution.
  • the digitization could be carried out at a point in time at which the amplitude of an AC voltage is recorded as logic "1" and the amplitude of a DC voltage as logic "0".
  • several digitizations are carried out as multiple queries within a period of one to two network half-waves and an analysis of the values recorded one after the other, so that synchronization is not necessary.
  • the invention has found a solution in which a circuit structure with a minimum of components is combined with an operating mode in which part of the task is solved by software. Such an embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
  • FIG. 1 shows a control device which has a microprocessor 1 as the timer and control logic device. It also contains two switching devices 2.1 and 2.2, two resistors 3.1 and 3.2, a circuit block 4 and a voltage supply circuit 5.
  • the output of the first switching device 2.1 which switches a load L1 to a mains voltage U PG lying between a phase P and a zero point G, is connected to the input of the first resistor 3.1, while the output of the second switching device 2.2, via which a further load L2 is fed by the mains voltage U PG , is connected to the input of the second resistor 3.2.
  • the outputs of the resistors 3.1 and 3.2 are connected to inputs 4.1 and 4.2 of the circuit block 4 arranged in parallel for processing the low-voltage signals which are present at the taps between the switching devices 2.1 and 2.2 and the loads L1 and L2.
  • the circuit block 4 is fed by the voltage supply circuit 5.
  • the circuit block 4 is connected to the microprocessor 1 via two control lines 6a and 6b and a serial data line 7 for transmitting the voltage levels present at the inputs 4.1 to 4.2, the control lines 6a and 6b and the data line 7 are each provided with a connecting element 8, 9 or 10.
  • the microprocessor 1 is programmed by a time program to switch the loads L1 and L2 on and off in a specific sequence during the switch-on phase, for example of a gas burner, by means of the switching devices 2.1 and 2.2 and to carry out various processes such as e.g. monitor the formation of a flame and, if necessary, switch off the entire system so that the gas burner is never in a potentially explosive situation.
  • the microprocessor 1 also executes a monitoring program for the detection of faulty states of the system to be controlled. In order to determine the state of one of the switching devices 2.1 or 2.2 - open or closed - the microprocessor 1 executes a test cycle which will be explained later.
  • test cycles The frequency of the test cycles depends on the intended use of the control device and the corresponding legal regulations or standards. Automatic burner controls that comply with the EN 298 standard must detect a fault within three seconds of their occurrence. A test cycle is therefore typically every 200 milliseconds. In this way it is possible to reliably detect the state of each of the switching devices 2.1 and 2.2 within the prescribed three seconds even if the state of one of the switching devices 2.1 or 2.2 is currently changing during a test cycle.
  • the voltage supply circuit 5 has a Zener diode ZD and a resistor R, which are connected in series between the phase P and the zero point G of the low-voltage network, the cathode of the Zener diode ZD being connected to the phase P.
  • a capacitor C and a further diode D are connected in series with the Zener diode ZD, the cathode of the diode D being connected to the anode of the Zener diode ZD.
  • a connection Vdd of the circuit block 4 is connected to the cathode of the Zener diode ZD, a connection GND of the circuit block 4 to the anode of the diode D, whereby the connection GND is connected to the negative pole and the connection Vdd to the positive pole of the voltage supply circuit 5.
  • the circuit block 4 contains a circuit part 11 with parallel inputs 11.1 and 11.2, which are connected to the inputs 4.1 and 4.2, respectively.
  • the circuit part 11 has the task of digitizing the voltage levels present at the inputs 11.1 and 11.2 and converting them into a serial data stream for transmission to the microprocessor 1 via the data line 7. For this reason, inputs 11.1 and 11.2 are very high-impedance with values that are typically in the G ⁇ range.
  • the circuit part 11 is implemented as a shift register and can be controlled via only two control inputs.
  • Each of the inputs 4.1 and 4.2 of the circuit block 4 is connected via two protective diodes D1S.1 and D2S.1 or D1S.2 and D2S.2 to the connection Vdd or to the connection GND, the cathodes of the protection diodes D1S.1 and D1S.2 are connected to the Vdd connection and the anodes of the protective diodes D2S.1 and D2S.2 are connected to the GND connection.
  • These protective diodes are used to discharge overvoltages in order to prevent the circuit part 11 from being destroyed.
  • all inputs are equipped as standard, so that in particular a commercially available shift register provided with protective diodes can be used as the entire circuit block 4.
  • the resistors 3.1 and 3.2 are used as coupling elements and are typically 5 M ⁇ sized so that the control device can be used in various low-voltage networks with 115 V or 230 V as well as in low-voltage networks with 24 V, for example, and that the protective diodes D1S.1 , D1S.2, D2S.1 and D2S.2 with a voltage peak of four thousand volts superimposed on the mains voltage U PG cannot be destroyed.
  • This control device works as follows: When the switching device 2.1 is open, as shown in FIG. 1, a current flows from the phase P via the capacitor C, the connection GND, the protective diode D2S.1, the input 4.1 during the positive half-wave of the mains voltage U PG , the resistor 3.1 and the load L1 to the zero point G. During the negative half-wave, a current flows from the zero point G via the load L1, the resistor 3.1, the input 4.1, the protective diode D1S.1 and the connection Vdd to the phase P.
  • the circuit block 4 is fed by the voltage supply circuit 5 in such a way that the voltage difference between the connections Vdd and GND, thanks to the capacitor C, approximately corresponds on average over time to the Zener voltage of the Zener diode ZD. If a current flows through one of the protective diodes D1S.1 or D2S.1, then the voltage drop across these diodes corresponds approximately to their forward voltage U D.
  • the voltage at input 4.1 with respect to the voltage at connection GND is thus approximately -U D during the positive half-wave of mains voltage U PG , during the negative half-wave Vdd - U D , except in the vicinity of the zero crossings.
  • the input 4.2 is connected via the resistor 3.2 to the positive pole Vdd of the voltage supply circuit 5 and is therefore always at the potential Vdd.
  • the voltage curve U 1 at the input 4.1 is therefore alternating, the voltage curve U 2 at the input 4.2 is uniform.
  • the test cycle for determining the state of the switching devices 2.1 and 2.2 now consists in the time course of the To detect voltages U1 and U2 during a period of typically one to two half-waves of the mains voltage U PG and then evaluate them.
  • Fig. 2 are the time course of the mains voltage U PG , the voltages U1 and U2 at the inputs 4.1 and 4.2, the polling clock U cl of the microprocessor 1 and the corresponding to a predetermined voltage level, for example in the middle of the level of the connections GND and Vdd of the circuit block 4 is represented as numbers "0" or "1" binary digitized values U 1, dig and U 2, dig .
  • the interrogation clock U cl of the microprocessor 1 is selected to be higher than the frequency of the mains voltage U PG , for example by a factor of ten.
  • the first part of the test cycle is that the microprocessor 1 by means of the circuit part 11, the levels of the voltages U1 and U2 at k predetermined times t1, t2 to t k as binary numbers "0" or "1" can be detected and transmitted, the Time period t k - t 1 is longer than a network half-wave.
  • the sequence F1 of the numbers U 1, dig (t1), U 1, dig (t2), ... U 1, dig (t k ) contains both values "0” and values "1”
  • the sequence F2 of the numbers U. 2, dig (t1), U 2, dig (t2), ... U 2, dig (t k ) contains only values "1".
  • the microprocessor 1 carries out a suitable analysis of the sequences F 1 and F 2 and determines the state of the switching devices 2.1 and 2.2.
  • Network faults during a query can lead to one or more values of the sequences F 1 or F 2 having a different value than in the case of a query without a fault.
  • a random query during a zero crossing of the mains voltage U PG can also lead to an incorrect value. All numerical values between “0” and “10” can therefore arise as a summation value.
  • the microprocessor 1 is programmed to have values "9” and “10” as closed states, values "3", “4", “5", “6” or “7” as open states and values "0" or “1””to be interpreted as an error of the control device which should not occur. If a value "2" or "8" occurs, the microprocessor 1 repeats the query.
  • the microprocessor 1 can also perform a shorter test cycle, in which the time period between the first query at time t 1 and the last query at time t k is slightly longer than the duration of a network half-wave.
  • the summation value of the sequence F 1 is then subject to a probability distribution without interference, but cannot assume the value "1" or the value "k” since at least the query at time t k falls into a different network half-wave than the query at time t 1.
  • the summation value of the sequence F2 has the value "k”.
  • the microprocessor 1 interprets a value "k” as a closed state, a value in the range "1" to "k-1" as an open state and a value "0" as an error.
  • the shortest test cycle which in the worst case takes a little longer than a network half-wave, results when the microprocessor 1 determines the state of the switching devices 2.1 and 2.2 as soon as either the value U 1, dig (t i ) recorded at the time t i differs from the previous value U 1, dig (t i-1 ) or the value U 2, dig (t i ) is different from the previous value U 2, dig (t i-1 ) or as soon as the time period between the first query at time t 1 and the last query at time t i is longer than the duration of a network half-wave.
  • the state of the switching devices 2.1 and 2.2 is then determined from whether the two last recorded numerical values U 1, dig (t i-1 ) and U 1, dig (t i ) or U 2, dig (t i-1 ) and U 2, dig (t i ) are different or both are "1", as open or closed.
  • the gain in speed goes hand in hand with an increase in susceptibility to interference on the Internet.
  • the control device described enables the use of a microprocessor 1 with a number of inputs which is independent of the number m of the loads L1 to Lm to be controlled, so that a microprocessor 1 can be used whose number of inputs is significantly smaller than the number m of the loads to be controlled L1 to Lm can be.
  • the proposed control device is further characterized by the possibility of using standardized components through an inexpensive construction.
  • the number of components includes a minimum, which leads to fewer failures and increased reliability.
  • the evaluation of the information obtained in the form of low-voltage signals is carried out entirely by the microprocessor 1, the method not requiring any particular time synchronization between the microprocessor 1 and another component of the control device.
  • This software solution enables one very simple acquisition of certain physically available information and the determination of the desired information about the state of the switching devices by means of a small program which is stored in a memory.
  • Circuit block 4 in particular requires no means of any kind, such as zero point detectors, integrators or averaging devices, etc., for data analysis or data preparation.
  • the electrical supply of the microprocessor 1 can take place in various ways. It depends on the purpose of the control device. In the simplest case, the microprocessor 1 is also fed by the voltage supply circuit 5 and the circuit block 4 is connected directly to the microprocessor 1 via the lines 6a, 6b and 7 without the connecting elements 8, 9 and 10. In such a case, it can be economical to use some of the inputs of the microprocessor 1, which must be provided with appropriate protective diodes, as a circuit block 4 and to connect the resistors 3.1 and 3.2 directly to the inputs of the microprocessor 1.
  • the connecting links 8, 9 and 10 are designed as galvanic isolating links.
  • the microprocessor 1 can be separated from the circuit block 4 and thus also from the mains voltage U PG with only a few galvanic isolators 8, 9 and 10, so that also the number of galvanic isolators can be significantly smaller than the number m of loads L1 to Lm.
  • An input coupling error occurs, for example, when the value read in at input 4.2 depends not only on the voltage level at input 4.2, but also on the voltage level at another input, for example 4.5.
  • the test module 12 has a serial data input, a clock input and an input controlling the state of its parallel outputs 12.1 to 12.8, which are connected to the microprocessor 1 via lines 13, 14 and 15.
  • the parallel outputs 12.1 to 12.8 are connected via lines 16 to the inputs 4.1 to 4.8 of the shift register 4. They can be switched into a state known to the specialist under the term tristate, in which they are high-impedance and do not influence the state of the lines 16 (for example U. Tietze and Ch. Schenk, semiconductor circuit technology, 5th edition, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, ISBN 3-540-09848-8).
  • the test module 12 is advantageously formed by a second shift register and connected to the voltage supply circuit 5 in the same way as the shift register 4.
  • the inputs 4.1 to 4.8 of the shift register 4 are still connected to the outputs of the resistors 3.1 to 3.8, only the switching device 2.1 and the resistor 3.1 being drawn for the sake of clarity.
  • the microprocessor 1 In order to check the reliability of the data acquisition by means of the circuit block 4, the microprocessor 1 carries out a test cycle at certain times.
  • the test cycle consists in the microprocessor 1 sending a test pattern, which consists of eight binary values "0" or "1", to the test module 12 via the serial line 13.
  • these values are available at the outputs 12.1 to 12.8 as soon as the microprocessor 1 sets the outputs 12.1 to 12.8 in the conductive state via the control line 15, so that voltage levels U1 to U8 with values Vdd or GND in accordance with the previously sent test pattern are applied to the inputs 4.1 to 4.8 of the shift register 4.
  • the microprocessor 1 now sends further commands to the shift register 4 for detecting the voltage levels U1 to U1 applied to its inputs 4.1 to 4.8 as binary values and for transmission to it, whereupon it compares the reported binary values with the sent test pattern.
  • the microprocessor 1 is programmed to send a number of selected test patterns to the test module 12 and to read them in again via the shift register 4, so that both input coupling errors and hardware errors can be identified.
  • a test cycle is ended by writing values "0" into the registers of the test module 12.
  • the switching devices 2.1 to 2.8 are open or closed. If necessary, the control lines 13, 14 and 15 can be provided with galvanic isolators.
  • the microprocessor 1 can also be programmed to perform a test cycle, which consists of a single test pattern, during the execution of each test cycle to determine the state of the switching devices 2.1 to 2.8, the test pattern being different from test cycle to test cycle.

Abstract

Die auf Meldeleitungen in der Form von analogen Niederspannungssignalen anliegenden Informationen über die Zustände von Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) werden einem Schaltungsblock (4) parallel zugeführt, zu bestimmten Zeitpunkten als binäre Werte "0" oder "1" digitalisiert und seriell an einen Mikroprozessor (1) übertragen. Als Schaltungsblock (4) eignen sich insbesondere ein oder mehrere Schieberegister in Kaskade. Die Meldeleitungen sind einzig über jeweils einen hochohmigen Widerstand (3.1; 3.2) an den Schaltungsblock angekoppelt. Der Schaltungsblock (4) ist von einer Spannungsversorgungsschaltung (5) so gespeist, dass bei geschlossenem Zustand einer Schalteinrichtung (2.1; 2.2) ein Strom abwechslungsweise über je eine der Schutzdioden (D1S.1, D2S.1; D1S.2, D2S.2) des Schaltungsblockes (4) fliesst, bei offenem Zustand einer Schalteinrichtung (2.1; 2.2) nicht. Die Unterscheidung, ob eine Spannung (U1, U2) am Eingang (4.1; 4.2) des Schaltungsblockes (4) gleich- oder wechselförmig ist, erfolgt durch Mehrfachabfragen innerhalb einer Zeitspanne von ein bis zwei Netzhalbwellen und Analyse der zeitlich nacheinander erfassten Werte durch den Mikroprozessor (1). Diese Steuereinrichtung eignet sich insbesondere zur Steuerung eines Öl- oder Gasbrenners im Dauerbetrieb. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
  • Derartige Einrichtungen werden beispielsweise für die Steuerung und Überwachung des Brenners und der Zündeinrichtung von Öl- und Gasfeuerungen sowie 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 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 werden. Die Schaltzustände der Relaiskontakte sind über netzspannungsführende Meldeleitungen je einem Verstärker zugeführt, der ausgangsseitig mit einem Eingang des Mikroprozessors verbunden ist, so dass dieser eine der Anzahl Verstärker entsprechende Anzahl Eingänge aufweisen muss. Zur galvanischen Trennung der Meldeleitungen und des Mikroprozessors sind Trennglieder wie z.B. Optokoppler oder Übertrager eingesetzt. Dabei ist ein Trennglied pro Signalspannung vorhanden. 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.
  • Weiter sind bei einer aus der DE-OS 41 37 204 bekannten Anordnung zur Überwachung von Wechselstromschaltern netzspannungsführende Meldeleitungen über Optokoppler mit einer Abfrageeinheit eines Wechselspannungsdetektors verbunden. Die Meldeleitungen sind hierbei über je einen Tiefpass, der aus einem Widerstand und einem mit diesem in Reihe geschalteten Kondensator besteht, an den Optokoppler angeschlossen. Über die Meldeleitungen werden die Schaltzustände der Wechselstromschalter abgefragt und gespeichert. In einer der Abfrageeinheit nachgeschalteten Auswerteeinheit werden die Schaltzustände mit einem Sollzustand - offen oder geschlossen - verglichen und danach ein Schalterzustandssignal gebildet, das mindestens eine Information - Fehler oder kein Fehler - gesamthaft für alle vorkommenden Wechselstromschalter enthält. Aus dem Schalterzustandssignal lässt sich nicht ermitteln, welcher Wechselstromschalter allenfalls nicht mehr abschaltbar ist, so dass eine einfache Anzeige zur Diagnose nicht möglich ist.
  • Als Trennglieder zur galvanischen Trennung des überwachten Systems vom Mikroprozessor werden beispielsweise Optokoppler eingesetzt. Optokoppleranwendungen dieser Art sind aus der Fachliteratur bekannt (TI Opto Kochbuch von 1975, ISBN 3 88078 000 5).
  • Den Optokopplern haftet allerdings der Nachteil an, dass sie nicht fehlersicher sind und eine im Vergleich zu anderen elektronischen Bauteilen erhöhte Ausfallrate haben, so dass sie in sicherheitstechnisch kritischen Anwendungsfällen auch in einem aktiven Betriebszustand auf eine Signalvortäuschung überprüft werden müssen. Weiter nimmt mit zunehmender Zahl der Optokoppler die elektromagnetische Verträglichkeit und damit die Zuverlässigkeit der Steuereinrichtung ab. Bei Systemen mit vielen netzspannungsführenden Meldeleitungen können hohe Kosten entstehen, solange pro Meldeleitung ein teures Trennelement wie ein Optokoppler oder Übertrager und ein Eingangspin am Mikroprozessor vorhanden sein muss.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung mit einem Mikroprozessor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszugestalten, dass sie die in der Form von Niederspannungssignalen anliegende Information über den Zustand von Schalteinrichtungen, die Lasten ein- oder ausschalten, auf einfache und zuverlässige Weise erfasst, aufbereitet und an den Mikroprozessor überträgt.
  • Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Die Lösung der Aufgabe beruht auf dem Gedanken, die auf Meldeleitungen in der Form von analogen Niederspannungssignalen anliegende Information über die Zustände der Schalteinrichtungen einem Schaltungsblock parallel zuzuführen, die an den Eingängen des Schaltungsblockes anliegenden Spannungen zu bestimmten Zeitpunkten entsprechend einem vorbestimmten Spannungspegel als binäre Werte "0" oder "1" zu digitalisieren und diese Werte seriell an den Mikroprozessor zu übertragen. Als Schaltungsblock eignet sich insbesondere ein Schieberegister oder, bei vielen zu überwachenden Schalteinrichtungen, eine Anordnung mit mehreren Schieberegistern in Kaskade.
  • Für die technische Umsetzung dieses Gedankens stellen sich zwei Teilprobleme. Als erstes müssen die Meldeleitungen über Kopplungsglieder so mit dem Schaltungsblock verbunden sein, dass der Schaltungsblock auch bei Überspannungen nicht zerstört wird. Als zweites muss die Information über die Zustände der Schalteinrichtungen aus der Unterscheidung gewonnen werden, ob ein Niederspannungssignal gleich- oder wechselförmig ist. Die erste Teilaufgabe könnte dadurch gelöst werden, dass die Meldeleitungen über Widerstandsnetzwerke aus Widerständen, Kondensatoren und Dioden, welche sowohl Überspannungen als auch Überströme ableiten, an den Schaltungsblock angeschlossen sind. Bei der Erfindung ist als kostengünstige Lösung das Kopplungsglied auf einen einzigen hochohmigen Widerstand reduziert. Mittels einer Synchronisiereinrichtung könnte die Digitalisierung jeweils zu einem Zeitpunkt vorgenommen werden, bei dem die Amplitude einer Wechselspannung als logisch "1", die Amplitude einer Gleichspannung als logisch "0" erfasst wird. Bei der Erfindung erfolgen mehrere Digitalisierungen als Mehrfachabfragen innerhalb einer Zeitspanne von ein bis zwei Netzhalbwellen und einer Analyse der zeitlich nacheinander erfassten Werte, so dass eine Synchronisierung nicht erforderlich ist.
  • Aus den vorgenannten Lösungsmöglichkeiten zur Erfassung des Zustandes der Schalteinrichtungen ist mit der Erfindung eine Lösung gefunden, bei der ein Schaltungsaufbau mit einem Minimum an Bauteilen mit einer Betriebsweise kombiniert ist, bei der ein Teil der Aufgabe softwaremässig gelöst ist. Nachfolgend wird ein solches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Blockdiagramm einer Steuereinrichtung,
    Fig. 2
    Diagramme zur Veranschaulichung der Betriebsweise dieser Steuereinrichtung und
    Fig. 3
    eine Steuereinrichtung mit einem Testbaustein.
  • Die Fig. 1 zeigt eine Steuereinrichtung, welche als Zeitgeber- und Steuerlogikeinrichtung einen Mikroprozessor 1 aufweist. Sie enthält weiter zwei Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2, zwei Widerstände 3.1 und 3.2, einen Schaltungsblock 4 und eine Spannungsversorgungsschaltung 5. Der Ausgang der ersten Schalteinrichtung 2.1, die eine Last L1 an eine zwischen einer Phase P und einem Nullpunkt G liegende Netzspannung UPG schaltet, ist mit dem Eingang des ersten Widerstandes 3.1 verbunden, während der Ausgang der zweiten Schalteinrichtung 2.2, über die eine weitere Last L2 durch die Netzspannung UPG gespeist ist, am Eingang des zweiten Widerstandes 3.2 angeschlossen ist. Die Ausgänge der Widerstände 3.1 und 3.2 sind mit parallel angeordneten Eingängen 4.1 und 4.2 des Schaltungsblockes 4 verbunden zur Verarbeitung der Niederspannungssignale, die an den Abgriffen zwischen den Schalteinrichtungen 2.1 bzw. 2.2 und den Lasten L1 bzw. L2 anliegen. Der Schaltungsblock 4 ist gespeist von der Spannungsversorgungsschaltung 5. Weiter ist der Schaltungsblock 4 über zwei Steuerleitungen 6a und 6b sowie eine serielle Datenleitung 7 zur Übertragung der an den Eingängen 4.1 bis 4.2 vorhandenen Spannungspegel zum Mikroprozessor 1 mit diesem verbunden, wobei die Steuerleitungen 6a und 6b und die Datenleitung 7 je mit einem Verbindungsglied 8, 9 bzw. 10 versehen sind. Die Steuereinrichtung kann auch zur Steuerung von mehr als zwei Lasten ausgebildet sein, z.B. für n = 32 Lasten.
  • Der Mikroprozessor 1 ist durch ein Zeitprogramm dahingehend programmiert, während der Einschaltphase beispielsweise eines Gasbrenners mittels der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 die Lasten L1 und L2 in einer bestimmten Reihenfolge ein- und auszuschalten und verschiedene Vorgänge wie z.B. die Bildung einer Flamme zu überwachen und gegebenenfalls die gesamte Anlage abzuschalten, so dass sich der Gasbrenner zu keinem Zeitpunkt in einer explosionsgefährdeten Situation befindet. Weiter führt der Mikroprozessor 1 im Dauerbetrieb ein Überwachungsprogramm zur Erkennung von Fehlzuständen der zu steuernden Anlage aus. Um den Zustand einer der Schalteinrichtungen 2.1 oder 2.2 - offen oder geschlossen - zu ermitteln, führt der Mikroprozessor 1 einen später noch zu erläuternden Prüfzyklus aus. Die Häufigkeit der Prüfzyklen richtet sich nach dem Verwendungszweck der Steuereinrichtung und den entsprechenden gesetzlichen Vorschriften oder Normen. So müssen Feuerungsautomaten, die der Norm EN 298 genügen, einen Fehler innerhalb einer Zeitdauer von drei Sekunden nach seinem Auftreten erkennen. Ein Prüfzyklus erfolgt deshalb typischerweise alle 200 Millisekunden. Auf diese Weise ist es möglich, den Zustand jeder der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 auch dann innerhalb der vorgeschriebenen drei Sekunden zuverlässig zu erfassen, wenn sich der Zustand einer der Schalteinrichtungen 2.1 oder 2.2 während eines Prüfzyklusses gerade ändert.
  • Die Spannungsversorgungsschaltung 5 weist eine Zenerdiode ZD und einen Widerstand R auf, die in Reihe zwischen der Phase P und dem Nullpunkt G des Niederspannungsnetzes geschaltet sind, wobei die Kathode der Zenerdiode ZD an der Phase P angeschlossen ist. Parallel zur Zenerdiode ZD sind in Reihe ein Kondensator C und eine weitere Diode D geschaltet, wobei die Kathode der Diode D mit der Anode der Zenerdiode ZD verbunden ist. Ein Anschluss Vdd des Schaltungsblockes 4 ist mit der Kathode der Zenerdiode ZD, ein Anschluss GND des Schaltungsblockes 4 mit der Anode der Diode D verbunden, wodurch der Anschluss GND mit dem Minuspol und der Anschluss Vdd mit dem Pluspol der Spannungsversorgungsschaltung 5 verbunden ist.
  • Der Schaltungsblock 4 enthält einen Schaltungsteil 11 mit Paralleleingängen 11.1 und 11.2, die mit den Eingängen 4.1 bzw. 4.2 verbunden sind. Der Schaltungsteil 11 hat die Aufgabe, die an den Eingängen 11.1 und 11.2 vorhandenen Spannungspegel zu digitalisieren und in einen seriellen Datenstrom zur Übertragung an den Mikroprozessor 1 über die Datenleitung 7 zu wandeln. Aus diesem Grund sind die Eingänge 11.1 und 11.2 sehr hochohmig mit Werten, die typischerweise im GΩ Bereich liegen. Der Schaltungsteil 11 ist als Schieberegister verwirklicht und ist über nur zwei Steuereingänge steuerbar. Mit der ersten Steuerleitung 6a wird das Schieberegister entsprechend einem Steuerpegel "0" oder "1" dazu gebracht, beim nächsten über die zweite Steuerleitung 6b geschickten Impuls die an seinen Eingängen 11.1 und 11.2 anliegenden Spannungspegel als Werte "0" oder "1" zu digitalisieren und in seine Register einzulesen bzw. den Inhalt der Register um eine Stelle in Richtung des seriellen Ausganges zu schieben, so dass nach n = 2 Impulsen alle parallel eingelesenen Werte über die serielle Datenleitung 7 an den Mikroprozessor 1 übertragen sind. Jeder der Eingänge 4.1 und 4.2 des Schaltungsblockes 4 ist über zwei Schutzdioden D1S.1 und D2S.1 bzw. D1S.2 und D2S.2 mit dem Anschluss Vdd bzw. mit dem Anschluss GND verbunden, wobei die Kathoden der Schutzdioden D1S.1 und D1S.2 am Anschluss Vdd und die Anoden der Schutzdioden D2S.1 und D2S.2 am Anschluss GND angeschlossen sind. Diese Schutzdioden dienen der Ableitung von Überspannungen, um eine Zerstörung des Schaltungsteils 11 zu verhindern. Bei integrierten Schaltungen wie z.B. CMOS sind in der Regel alle Eingänge standardmässig so ausgerüstet, so dass als gesamter Schaltungsblock 4 insbesondere ein käufliches, mit Schutzdioden versehenes Schieberegister verwendbar ist.
  • Die Widerstände 3.1 und 3.2 sind als Kopplungsglieder eingesetzt und sind in ihrem Wert von typisch 5 MΩ so bemessen, dass die Steuereinrichtung bei verschiedenen Niederspannungsnetzen mit 115 V oder 230 V wie auch bei Kleinspannungsnetzen mit beispielsweise 24 V einsetzbar ist und dass die Schutzdioden D1S.1, D1S.2, D2S.1 und D2S.2 bei einer der Netzspannung UPG überlagerten Spannungsspitze von viertausend Volt nicht zerstört werden.
  • Diese Steuereinrichtung arbeitet im Betrieb wie folgt:
    Bei offenem Zustand der Schalteinrichtung 2.1, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, fliesst während der positiven Halbwelle der Netzspannung UPG ein Strom von der Phase P über den Kondensator C, den Anschluss GND, die Schutzdiode D2S.1, den Eingang 4.1, den Widerstand 3.1 und die Last L1 zum Nullpunkt G. Während der negativen Halbwelle fliesst ein Strom vom Nullpunkt G über die Last L1, den Widerstand 3.1, den Eingang 4.1, die Schutzdiode D1S.1 und den Anschluss Vdd zur Phase P. Der Schaltungsblock 4 ist von der Spannungsversorgungsschaltung 5 so gespeist, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen Vdd und GND dank des Kondensators C im zeitlichen Mittel annähernd der Zenerspannung der Zenerdiode ZD entspricht. Fliesst ein Strom durch eine der Schutzdioden D1S.1 oder D2S.1, dann entspricht der Spannungsabfall über diesen Dioden etwa deren Durchlassspannung UD. Die Spannung am Eingang 4.1 bezüglich der Spannung am Anschluss GND beträgt somit während der positiven Halbwelle der Netzspannung UPG etwa -UD, während der negativen Halbwelle Vdd - UD, ausser in der Nähe der Nulldurchgänge.
  • Bei offenem Zustand der Schalteinrichtung 2.2, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, ist der Eingang 4.2 über den Widerstand 3.2 mit dem Pluspol Vdd der Spannungsversorgungsschaltung 5 verbunden und liegt deshalb immer auf dem Potential Vdd.
  • Im beschriebenen Beispiel ist der Spannungsverlauf U₁ am Eingang 4.1 also wechselförmig, der Spannungsverlauf U₂ am Eingang 4.2 gleichförmig. Der Prüfzyklus zur Bestimmung des Zustandes der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 besteht nun darin, den zeitlichen Verlauf der Spannungen U₁ und U₂ während einer Zeitspanne von typisch ein bis zwei Halbwellen der Netzspannung UPG zu erfassen und dann auszuwerten.
  • In der Fig. 2 sind der zeitliche Verlauf der Netzspannung UPG, der Spannungen U₁ und U₂ an den Eingängen 4.1 bzw. 4.2, der Abfragetakt Ucl des Mikroprozessors 1 sowie die entsprechend einem vorgegebenen Spannungspegel, der beispielsweise in der Mitte der Pegel der Anschlüsse GND und Vdd des Schaltungsblockes 4 liegt, als Zahlen "0" oder "1" binär digitalisierten Werte U1,dig und U2,dig dargestellt. Der Abfragetakt Ucl des Mikroprozessors 1 ist höher als die Frequenz der Netzspannung UPG gewählt, beispielsweise um einen Faktor zehn. Der erste Teil des Prüfzyklusses besteht darin, dass der Mikroprozessor 1 mittels des Schaltungsteils 11 die Pegel der Spannungen U₁ und U₂ zu k vorbestimmten Zeitpunkten t₁, t₂ bis tk als binäre Zahlen "0" oder "1" erfassen und übertragen lässt, wobei die Zeitspanne tk - t₁ länger als eine Netzhalbwelle ist. Die Folge F₁ der Zahlen U1,dig(t₁), U1,dig(t₂),... U1,dig(tk) enthält sowohl Werte "0" wie Werte "1", die Folge F₂ der Zahlen U2,dig(t₁), U2,dig(t₂),...U2,dig(tk) enthält nur Werte "1". Im zweiten Teil des Prüfzyklusses führt der Mikroprozessor 1 eine geeignete Analyse der Folgen F₁ und F₂ durch und bestimmt daraus den Zustand der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2.
  • Wenn der Abfragetakt Ucl um einen Faktor zehn höher ist als die Netzfrequenz, dann ergibt eine einfache Summation der Folgen F₁ und F₂ über zehn aufeinanderfolgende Zahlen im Mittel einen Wert "5" für die Folge F₁ und damit für die offene Schalteinrichtung 2.1, und einen Wert "10" für die Folge F₂ und damit für die geschlossene Schalteinrichtung 2.2, womit der Zustand der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 aus dem Summationswert der zugehörigen Folge F₁ bzw. F₂ erkennbar ist.
  • Netzstörungen während einer Abfrage können dazu führen, dass ein oder mehrere Werte der Folgen F₁ oder F₂ einen anderen Wert haben als bei einer Abfrage ohne Störung. Auch eine zufällige Abfrage während eines Nulldurchganges der Netzspannung UPG kann zu einem falschen Wert führen. Als Summationswert können deshalb alle numerischen Werte zwischen "0" und "10" entstehen. Der Mikroprozessor 1 ist dahingehend programmiert, Werte "9" und "10" als Zustand geschlossen, Werte "3", "4", "5", "6" oder "7" als Zustand offen und Werte "0" oder "1" als Fehler der Steuereinrichtung, der nicht auftreten sollte, zu interpretieren. Beim Auftreten eines Wertes "2" oder "8" wiederholt der Mikroprozessor 1 die Abfrage.
  • Der Mikroprozessor 1 kann auch einen zeitlich kürzeren Prüfzyklus ausführen, bei dem die Zeitspanne zwischen der ersten Abfrage zur Zeit t₁ und der letzten Abfrage zur Zeit tk etwas länger als die Dauer einer Netzhalbwelle ist. Der Summationswert der Folge F₁ unterliegt dann bereits ohne Störungen einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, kann aber weder den Wert "1" noch den Wert "k" annehmen, da mindestens die Abfrage zur Zeit tk in eine andere Netzhalbwelle als die Abfrage zur Zeit t₁ fällt. Der Summationswert der Folge F₂ hat den Wert "k". Der Mikroprozessor 1 interpretiert dann einen Wert "k" als Zustand geschlossen, einen Wert im Bereich "1" bis "k-1" als Zustand offen und einen Wert "0" als Fehler. Fallen zwei Abfragezeitpunkte in verschiedene Netzhalbwellen, dann kann der Summationswert der Folge F₁ die Werte "1", "2", "k-1" und "k" nicht annehmen. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung für den Summationswert der Folge F₁ wird schmaler mit zunehmender Zahl der Abfragezeitpunkte, die in verschiedene Netzhalbwellen fallen, wodurch die Anfälligkeit gegenüber Störungen abnimmt, da die möglichen Summationswerte für die Folgen F₁ und F₂ auch noch beim Auftreten von Störungen verschieden sind.
  • Der kürzeste Prüfzyklus, der im ungünstigsten Fall etwas länger als eine Netzhalbwelle dauert, ergibt sich dann, wenn der Mikroprozessor 1 den Zustand der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 bestimmt, sobald entweder der zum Zeitpunkt ti erfasste Wert U1,dig (ti) verschieden vom vorhergehenden Wert U1,dig (ti-1) oder der Wert U2,dig (ti) verschieden vom vorhergehenden Wert U2,dig (ti-1) ist oder sobald die Zeitspanne zwischen der ersten Abfrage zur Zeit t₁ und der letzten Abfrage zur Zeit ti länger als die Zeitdauer einer Netzhalbwelle ist. Der Zustand der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 bestimmt sich dann daraus, ob die zwei letzten erfassten Zahlenwerte U1,dig (ti-1) und U1,dig (ti) bzw. U2,dig (ti-1) und U2,dig (ti) verschieden oder beide "1" sind, als offen bzw. geschlossen. Der Gewinn an Schnelligkeit geht jedoch einher mit einer Zunahme der Anfälligkeit gegenüber Störungen auf dem Netz.
  • Die beschriebene Steuereinrichtung ermöglicht die Verwendung eines Mikroprozessors 1 mit einer Anzahl Eingängen, die unabhängig von der Zahl m der zu steuernden Lasten L1 bis Lm ist, so dass ein Mikroprozessor 1 verwendbar ist, dessen Anzahl Eingänge wesentlich kleiner als die Zahl m der zu steuernden Lasten L1 bis Lm sein kann. Die Ausnutzung der in integrierten Schaltungen ohnehin standardmässig eingebauten Schutzdioden D1S.1 und D2S.1 bis D1S.2 bzw. D2S.2 zur Informationsgewinnung über den Zustand der Schafeinrichtungen 2.1 und 2.2 bietet durch die Erzeugung dynamischer Signale bereits ohne Erweiterung mit Testelementen und dazugehörigen Prüfverfahren ein hohes Mass an Sicherheit, da im sicherheitstechnisch bedeutungsvolleren Fall des offenen Zustandes einer der Schalteinrichtungen 2.1 oder 2.2 logische Werte "0" und "1" vorhanden sein müssen.
  • Die vorgeschlagene Steuereinrichtung zeichnet sich weiter dank der Möglichkeit der Verwendung standardisierter Bauelemente durch einen kostengünstigen Aufbau aus. Die Anzahl der Bauteile umfasst ein Minimum, was zu weniger Ausfällen führt und eine erhöhte Zuverlässigkeit ergibt. Die Auswertung der in der Form von Niederspannungssignalen anfallenden Information erfolgt vollständig durch den Mikroprozessor 1, wobei das Verfahren keine besondere zeitliche Synchronisierung zwischen dem Mikroprozessor 1 und einem anderen Bauelement der Steuereinrichtung erfordert. Diese Softwarelösung ermöglicht eine sehr einfache Erfassung bestimmter physikalisch vorliegender Informationen und die Bestimmung der gewünschten Information über den Zustand der Schalteinrichtungen durch ein kleines Programm, das in einem Speicher abgelegt ist. Der Schaltungsblock 4 benötigt insbesondere keine Mittel irgendwelcher Art wie beispielsweise Nullpunktsdetektoren, Integratoren oder Mittelwertbildner, etc. zur Datenanalyse oder Datenaufbereitung. Der Schaltungsblock 4 ist mit Vorteil verwirklichbar durch ein Schieberegister mit beispielsweise n=8 Paralleleingängen, die mit Schutzdioden versehen sind, wie es in Millionenstückzahlen hergestellt wird. Bei einem Fehlverhalten einer der Schalteinrichtungen 2.1 oder 2.2 ist eine einfache Anzeige möglich, da die Information über den Zustand jeder der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 im Mikroprozessor 1 vorhanden und mit einfachen Mitteln, z.B. mit Leuchtdioden oder einem LCD Display, anzeigbar ist.
  • Die elektrische Speisung des Mikroprozessors 1 kann auf verschiedene Weise erfolgen. Sie hängt ab vom Verwendungszweck der Steuereinrichtung. Im einfachsten Fall ist der Mikroprozessor 1 ebenfalls von der Spannungsversorgungsschaltung 5 gespeist und der Schaltungsblock 4 ist über die Leitungen 6a, 6b und 7 ohne die Verbindungsglieder 8, 9 und 10 direkt mit dem Mikroprozessor 1 verbunden. Es kann in einem solchen Fall wirtschaftlich sein, einige der Eingänge des Mikroprozessors 1, die mit entsprechenden Schutzdioden versehen sein müssen, als Schaltungsblock 4 zu benützen und die Widerstände 3.1 und 3.2 direkt an die Eingänge des Mikroprozessors 1 anzuschliessen.
  • Bei Steuereinrichtungen, bei denen der Mikroprozessor 1 aus Gründen der Sicherheit galvanisch von der Netzspannung UPG getrennt sein muss, weil z.B. ein Temperaturfühler am Mikroprozessor 1 angeschlossen ist, sind die Verbindungsglieder 8, 9 und 10 als galvanische Trennglieder ausgeführt. Für die Steuereinrichtung ergeben sich weitere Vorteile bezüglich der Zuverlässigkeit, der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Kosten dadurch, dass der Mikroprozessor 1 mit nur wenigen galvanischen Trenngliedern 8, 9 und 10 vom Schaltungsblock 4 und damit auch von der Netzspannung UPG trennbar ist, so dass auch die Zahl der galvanischen Trennglieder wesentlich kleiner als die Zahl m der Lasten L1 bis Lm sein kann.
  • Die Fig. 3 zeigt eine Weiterentwicklung einer Einrichtung zur Steuerung von bis zu n=8 Schalteinrichtungen 2.1 bis 2.8, die um einen Testbaustein 12 erweitert ist zur Erfassung von Eingangskopplungsfehlern oder Hardwarefehlern des Schaltungsblockes 4, der in der Form eines Schieberegisters verwirklicht ist. Ein Eingangskopplungsfehler tritt beispielsweise dann auf, wenn der am Eingang 4.2 eingelesene Wert nicht nur vom Spannungspegel am Eingang 4.2, sondern auch noch von dem an einem anderen Eingang, z.B. 4.5, anliegenden Spannungspegel abhängt. Von einem Hardwarefehler spricht man, wenn der eingelesene Wert eines Einganges unabhängig vom anliegenden Spannungspegel immer als logisch "0" (stack at zero) oder logisch "1" (stack at one) erscheint.
  • Der Testbaustein 12 verfügt über einen seriellen Dateneingang, einen Takteingang und einen den Zustand seiner Parallelausgänge 12.1 bis 12.8 steuernden Eingang, die über Leitungen 13, 14 bzw. 15 mit dem Mikroprozessor 1 verbunden sind. Die Parallelausgänge 12.1 bis 12.8 sind über Leitungen 16 mit den Eingängen 4.1 bis 4.8 des Schieberegisters 4 verbunden. Sie sind in einen der Fachwelt unter dem Begriff tristate bekannten Zustand schaltbar, in welchem sie hochohmig sind und den Zustand der Leitungen 16 nicht beeinflussen (z.B. U. Tietze und Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 5. Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, ISBN 3-540-09848-8). Der Testbaustein 12 ist mit Vorteil durch ein zweites Schieberegister gebildet und auf die gleiche Weise wie das Schieberegister 4 an der Spannungsversorgungsschaltung 5 angeschlossen. Die Eingänge 4.1 bis 4.8 des Schieberegisters 4 sind weiterhin mit den Ausgängen der Widerstände 3.1 bis 3.8 verbunden, wobei der Übersichtlichkeit wegen nur die Schalteinrichtung 2.1 und der Widerstand 3.1 gezeichnet sind.
  • Die beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt:
    Im Normalbetrieb befinden sich die Ausgänge 12.1 bis 12.8 des Testbausteins 12 im tristate-Zustand und beeinflussen die Spannungen U₁ bis U₈ an den Eingängen 4.1 bis 4.8 nicht. Zur Überprüfung der Zuverlässigkeit der Datenerfassung mittels des Schaltungsblocks 4 führt der Mikroprozessor 1 zu bestimmten Zeitpunkten einen Testzyklus durch. Der Testzyklus besteht darin, dass der Mikroprozessor 1 ein Testmuster, das aus acht binären Werten "0" oder "1" besteht, über die serielle Leitung 13 zum Testbaustein 12 sendet. Nach der Übertragung stehen diese Werte an den Ausgängen 12.1 bis 12.8 zur Verfügung, sobald der Mikroprozessor 1 die Ausgänge 12.1 bis 12.8 über die Steuerleitung 15 in den leitenden Zustand setzt, so dass Spannungspegel U₁ bis U₈ mit Werten Vdd oder GND entsprechend dem vorgängig gesendeten Testmuster an den Eingängen 4.1 bis 4.8 des Schieberegisters 4 anliegen. Der Mikroprozessor 1 sendet nun weitere Befehle an das Schieberegister 4 zur Erfassung der an seinen Eingängen 4.1 bis 4.8 anliegenden Spannungspegel U₁ bis U₈ als binäre Werte und zur Übertragung an ihn, worauf er die zurückgemeldeten binären Werte mit dem abgeschickten Testmuster vergleicht. Der Mikroprozessor 1 ist dahingehend programmiert, eine Anzahl ausgewählter Testmuster zum Testbaustein 12 zu senden und über das Schieberegister 4 wieder einzulesen, so dass sowohl Eingangskopplungsfehler wie auch Hardwarefehler erkennbar sind. Zur Vermeidung eines Fehlers durch Verlust der tristate-Fähigkeit des Testbausteins 12 wird ein Testzyklus damit beendet, dass in die Register des Testbausteins 12 Werte "0" geschrieben werden. Zur Durchführung dieses Testvorganges spielt es keine Rolle, ob die Schalteinrichtungen 2.1 bis 2.8 offen oder geschlossen sind. Bei Bedarf können die Steuerleitungen 13, 14 und 15 mit galvanischen Trenngliedern versehen sein.
  • Der Mikroprozessor 1 kann auch dahingehend programmiert sein, bei der Durchführung jedes Prüfzyklusses zur Ermittlung des Zustandes der Schalteinrichtungen 2.1 bis 2.8 auch einen Testzyklus durchzuführen, der aus einem einzigen Testmuster besteht, wobei das Testmuster von Testzyklus zu Testzyklus verschieden ist.

Claims (10)

  1. Steuereinrichtung, welche als Zeitgeber- und Steuerlogikeinrichtung einen Mikroprozessor (1) aufweist zur Betätigung mehrerer Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) nach einem Zeitprogramm, wobei die Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) die Stromzufuhr zu Lasten (L1; L2) steuern, die in einem Niederspannungsnetz zwischen einer Phase (P) und einem Nullpunkt (G) in Reihe zu den Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) anschliessbar sind, und welche einen Schaltungsblock (4) aufweist, der eingangsseitig über parallel angeordnete, der Erfassung des Zustandes der Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) - offen oder geschlossen - dienende Meldeleitungen mit im Strompfad zwischen den Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) und den zugehörigen Lasten (L1; L2) angeordneten Abgriffen und ausgangsseitig mit dem Mikroprozessor (1) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldeleitungen einen einzigen Widerstand (3.1; 3.2) aufweisen, dass eine Spannungsversorgungsschaltung (5) zur Speisung des Schaltungsblockes (4) aus der Phase (P) des Niederspannungsnetzes vorhanden ist, so dass bei offenem Zustand einer der Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) Ströme über dem entsprechenden Eingang zugeordnete Schutzdioden (D1S.1, D2S.1; D1S.2, D2S.2) des Schaltungsblockes (4) fliessen, so dass die Spannung (U₁; U₂) an diesem Eingang (4.1; 4.2) gegenüber einem Bezugspunkt (GND) des Schaltungsblockes (4) einen zeitlich variierenden Verlauf annimmt, während der Spannungsverlauf (U₁; U₂) bei geschlossenem Zustand der Schalteinrichtung (2.1; 2.2) konstant ist, und dass der Mikroprozessor (1) zu bestimmten Zeitpunkten einen Prüfzyklus zur Erfassung des Zustandes der Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) durchführt, der darin besteht, dass der Mikroprozessor (1) zu vorgegebenen Zeitpunkten (t₁ bis tk) die Spannungen (U₁; U₂) an den Eingängen (4.1; 4.2) des Schaltungsblockes (4) entsprechend einem vorgegebenen Spannungspegel als binäre Zahlen "0" oder "1" erfassen und über einen seriellen Ausgang des Schaltungsblockes (4) und eine serielle Datenleitung (7) an sich übertragen lässt und dass der Mikroprozessor (1) aus den durch diese Mehrfachabfragen erfassten binären Zahlen (U1,dig; U2,dig) den Zustand der Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) bestimmt.
  2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (1) von der Spannungsversorgungsschaltung (5) aus der Phase (P) des Niederspannungsnetzes gespeist ist und dass die Widerstände (3.1; 3.2) direkt an Eingänge des Mikroprozessors (1) angeschlossen sind.
  3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsblock (4) ein oder mehrere in Kaskade geschaltete Schieberegister aufweist.
  4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsblock (4) und der Mikroprozessor (1) galvanisch getrennt sind.
  5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (1) zur Fehlererkennung bei Dauerbetrieb der von der Steuereinrichtung gesteuerten Anlage zu bestimmten Zeitpunkten einen Prüfzyklus zur Erfassung des Zustandes der Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) durchführt.
  6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (1) den Zustand der Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) aufgrund einer Summation der erfassten binären Zahlen (U1,dig; U2,dig) bestimmt.
  7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (1) den Zustand der Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) bestimmt, sobald entweder eine der zum Zeitpunkt ti erfassten binären Zahlen (U1,dig(ti); U2,dig(ti)) verschieden von der zugehörigen, zum vorherigen Zeitpunkt ti-1 erfassten binären Zahl (U1,dig (ti-1): U2,dig (ti-1)) ist oder sobald die Zeitspanne zwischen der ersten Abfrage zur Zeit t₁ und der letzten Abfrage zur Zeit ti länger als die Zeitdauer einer Netzhalbwelle ist.
  8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (1) mit einem Testbaustein (12) verbunden ist, der über einen seriellen Dateneingang und mehrere Parallelausgänge (12.1 bis 12.8) verfügt, dass die Parallelausgänge (12.1 bis 12.8) des Testbausteins (12) mit den Paralleleingängen (4.1 bis 4.8) des Schaltungsblockes (4) verbunden sind und dass die Parallelausgänge (12.1 bis 12.8) entweder in einen leitenden oder einen hochohmigen tristate-Zustand schaltbar sind.
  9. Steuereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Testbaustein (12) aus einem oder mehreren in Kaskade geschalteten Schieberegistern besteht.
  10. Steuereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (1) zur Erfassung von Eingangskopplungsfehlern oder Hardwarefehlern des Schaltungsblockes (4) zu vorbestimmten Zeitpunkten einen Testzyklus durchführt, indem er ein aus binären Werten bestehendes Testmuster über eine serielle Leitung (12) in den Testbaustein (12) hineinschreibt, den Testbaustein (12) in den leitenden Zustand setzt, die an den Eingängen (4.1 bis 4.8) des Schaltungblockes (4) anliegenden Spannungspegel (U₁ bis U₈) erfassen und an sich übertragen lässt, das zurückgemeldete Testmuster mit dem abgeschickten Testmuster vergleicht und den Testbaustein (12) wieder in den tristate-Zustand setzt.
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