NL8100131A - Belastingsstuurschakeling. - Google Patents

Description

N.0. 29764

Belastingsstuurschakeling.

»

Met de komst van logische stuurinrichtingen in vaste-stoftoestand, zoals microcomputers of microprocessoren, is een geheel nieuw veld van stuurinrichtingen ontstaan. Wanneer deze inrichtingen bij de besturing van toestands- of procestoepassingen worden toegepast, bestuurt de lo-5 gische stuurinrichting van vaste-stof of de microcomuper uiteindelijk de elektrische schakelapparatuur, zoals relais of vaste-stofschakelaars met hoge werkcyclus. Het vermogen van de microcomputer of microprocessor om een groot aantal stuurfuncties in een buitengewone korte tijd uit te voeren maakt dit type inrichting tot een ideaal gereedschap om 10 bijbehorende apparatuur te bewaken en te besturen. Terwijl de bewerkingen van de microcomputer of microprocessor mogelijke foutmodi met zich meebrengen waartegen gewaakt moet worden, hebben zij eveneens een vrijwel ongelimiteerd vermogen om betrokken apparatuur te bewaken en te besturen op een faal veilige wijze welke niet eerder in de besturings-15 technieken beschikbaar was.

Teneinde een mate van veiligheid te verschaffen die met die van inrichtingen van elektro-mechanisch type vergelijkbaar is, moeten toe-standsstuurstelsels van het microcomputer of microprocessortype met stuurroutines bediend worden welke aanzienlijk verschillend zijn van de 20 bij elektro-mechanische eenheden toegepaste besturingsmode. Deze routines vormen voor de inrichting typen van veiligheidscontrolemodi. Specifieke veiligheidscontroleschakelingen die op dynamische wijze de schakeleenheden controleren zijn eerder reeds ontworpen. Deze schakelingen steunen op de logische stuurinrichtingen of microcomputer en 25 bijbehorende schakelingen uitwendig van de computer om op dynamische wijze na te gaan of de belastingsschakeleenheden op de juiste wijze hebben gewerkt. Deze bekende schakelingen controleren niet de veilige werking van de microcomputer of de logische stuurinrichting zelf. Wanneer een logische stuurinrichting of microcomputer er niet in slaagt op 30 de juiste wijze te werken, zijn de uitwendige veiligheidscontrolescha-kelingen slechts van beperkte waarde. De logische stuurinrichting moet zelf streng op storingsmodi en op de uitzending van signalen in de vorm van "ruis" gecontroleerd worden. Wanneer de belastingsstuurschakelingen door de microcomputer gecontroleerd of gechecked worden en de microcom-35 puter zichzelf op juiste werking nagaat, ontstaat een nieuw veilig-heidsbedrijf van koper niveau.

De uitvinding beoogt een schakeling van het veiligheidstype te verschaffen dat in staat is om een logische stuurinrichting of microcompu- 8100131 2 *· * ter te bewaken en om een geheel stelsel op veilige wijze af te schakelen wanneer er een storing binnen de logische stuurinrichting of binnen de veiligheidsrandschakelingen optreedt.

Volgens de uitvinding wordt een belastingsstuurschakeling verschaft 5 bestaande uit een aantal relais, een relais-contactschakeling die de belasting bestuurt, en een stuurschakeling die de relais bedient, waarbij de relais-contactschakeling veiligheidsmiddelen heeft waarvan het opheffen van de bekrachtiging daarvan de bekrachtiging van de belasting opheft onafhankelijk van het andere relais of de relais, waarbij de 10 stuurschakeling gevoed wordt met een kloksignaal betrokken op het lei-dingstelsel of net en een vast frequentiesignaal met nominale netfrequ-entie en de stuurschakeling deze twee signalen vergelijkt, en waarbij een veiligheid tijdstuurschakeling gevoed wordt vanuit de stuurschakeling en de veiligheidsmiddelen stuurt en een terugkoppelsignaal ver-15 schaft dat gecombineerd wordt met het netkloksignaal, waarbij de stuurschakeling de veiligheidstijdstuurschakeling bewaakt en de veiligheidstijdstuurschakeling het uitgangssignaal van de stuurschakeling voor de veiligheidsmiddelen bewaakt.

De uitvinding zal nader toegelicht worden aan de hand van een uit-20 voeringsvoorbeeld met verwijzing naar de tekeningen, waarin: fig. 1 een blokschema geeft van het stuurstelselj fig. 2 een serie golfvormen toont die in de schakeling van fig. 1 optreden; fig. 3 een tijddiagram geeft behorend bij de in fig. 1 aangegeven 25 klok; fig. 4 een tijddiagram geeft van tijdcycli optredend bij normaal bedrijf en bij abnormale werkstoringen; en fig. 5 een variant geeft van het in fig. 1 aangegeven stelsel voor een aantal belastingsstuurmiddelen.

30 Een microprocessor 20 wordt bekrachtigd met behulp van een paar klokschakelingen 21 en 22 die continu met elkaar vergeleken worden. De eerste klokschakeling 22 is een door de lijnspanning gesynchroniseerde klokschakeling en de tweede klokschakeling 21 is een inwendig kristal-gestuurde klokschakeling die hoofdzakelijk voor de werking van de logi-35 sche schakelingen uit de microprocessor wordt gebruikt. De microprocessor reageert continu op het uitgangssignaal van de beide klokken en trekt regelmatig een paar opnieuw trekbare monostabiele multivibrato-ren 44 en 45 die als een veiligheidstijdstuurschakeling 43 fungeren. De veiligheidstijdstuurschakeling 43 bewaakt op continue wijze de aanwe-40 zigheid van een uitgangspuls of klokpuls van de logische stuurinrich- 8100 13 1 «- * 3 ting teneinde continu opnieuw getrokken te kunnen worden. De veilig— heidstijdstuurschakeling 43 kan eveneens zichzelf uitvergrendelen in het geval er te vaak klokpulsen ontvangen zouden worden, waarbij een dergelijk voorval aangeeft dat er hoogfrequente of andere typen elek-5 trische ruis door het stelsel gaan en op foutieve wijze de aanwezigheid van stuursignalen aangeven of dat er enige andere foutieve functie is opgetreden. Het uitgangssignaal van de veiligheidstijdstuurschakeling 43 wordt gebruikt om een deel van een belastingsstuurschakeling 15 aan te drijven welke voorzien is van een schakelaar of relais 62-63 welke 10 een normaal open ketenconfiguratie heeft zodat deze het stelsel in geval van storing op veilige wijze kan afschakelen. De belastingsstuurschakeling voert via de schakeling 70 een signaal terug aan de microprocessor om de toestand van de uitgangsveiligheidsschakelmiddelen 63 te veriferen. Deze uitgangsveiligheidsschakelmiddelen 63 worden in se-15 rie gestuurd met de voeding voor de uiteindelijke belasting 15, waardoor gewaarborgd wordt dat zijn afschakeling de belasting uitschakelt in het geval dat de normale belastlngsschakelmiddelen 30 wellen of er niet in slagen de belasting af te schakelen wanneer dit aldus vereist wordt.

20 In de onderhavige schakeling wordt een paar kloksignalen onderling vergeleken of volgen deze elkaar en vervolgens wordt de veiligheidstijdstuurschakeling geactiveerd. De veiligheidstijdstuurschakeling werkt in samenhang met de klokschakelingen en de gewenste toestand van de belasting, zodat een veiligheidsbewakingschakeling wordt gevormd die 25 in wezen verhindert dat een storing in de microprocessor en in de bijbehorende apparatuur de uiteindelijke belasting voor het stelsel doet bedienen op een wijze die onveilig zou zijn onafhankelijk van het feit of de storing binnen de stuurschakeling zelf of binnen de uiteindelijke werking van de belasting optreedt.

30 Zoals eerder gesteld geeft fig. 1 een algemeen blokschema van het stelsel. Het te besturen stelsel, bijvoorbeeld een verwarmingsstelsel, is in vereenvoudigde vorm rechts als een belasting 15 (bijvoorbeeld een branderklepsolenoïde, etc.) aangegeven welke bekrachtigd wordt wanneer er twee relaiscontacten 30 en 63 gesloten worden. Het contact 30 is een 35 stuurcontact door middel waarvan de brander op normale wijze gestuurd wordt, terwijl het contact 63 een veiligheidscontact is waarvan de opening het verwarmingsstelsel volledig doet afschakelen. De temperatuur wordt door een thermostaat 10 afgetast welke aan een microprocessor 20 aangeeft, wanneer de brander aangestoken moet worden. De micro-40 processor 20 heeft een uitgangsleiding naar een relaisspoel 28 en door 8100 13 1

Jh *> 4 deze relaisspoel te sturen, kan het relaiscontact 30 geopend en gesloten worden zodat de belasting 15 gestuurd wordt. De microprocessor 20 heeft eveneens een uitgangsleiding 40 die via de tijdstuurschakeling 43 een relaisspoel 62 stuurt. Deze relaisspoel stuurt het veiligheidscon-5 tact 63 zodat de microprocessor het stelsel wanneer gewenst kan uitschakelen. De aan de spoel 62 gevoerde spanning wordt door de microprocessor 20 via de versterker 70 afgetast zodat de microprocessor kan controleren of de spoel 62 op de juiste wijze reageert. Een vrij-lopen-de diode 67 beschermt de schakeling tegen spanningsstoten wanneer de 10 stroom door het relais 62 uitgeschakeld wordt; een overeenkomstige ber-schermingsdiode (niet aangegeven) wordt gebruikt voor de spoel 28.

Aan de microprocessor 20 worden twee kloksignalen toegevoerd, het uitgangssignaal van de kristalklok 21 en het uitgangssignaal van een OF-schakeling en golfvormer 24 die gevoed wordt met het 60 Hz netsig-15 naai en het Q uitgangssignaal van een één-schotschakeling 44. Het uitgangssignaal op de leiding 40 wordt vanaf de microprocessor toegevoerd aan een één-schotschakeling 44 en aan een tweede één-schotschakeling 45 die een onderdrukkingsingang van de één-schotschakeling 44 voedt, zodat deze alleen kan reageren op een trekkeringangssignaal wanneer het on-20 derdrukkingsingangssignaal (van de één-schotschakeling 45) fout is·

Deze twee één-schotschakelingen 44 en 45 zijn opnieuw trekbare één-schotschakelingen waarin een trekkeringangssignaal de tijdstuurver-traging opnieuw zal starten, zodat een stroom van trekkeringangssignalen op minder dan de tijdstuurvertraging het uitgangssignaal bestendig 25 zullen houden. Het Q-uitgangssignaal bevindt zich normaal op 0 en gaat naar 1 voor de tijdstuurvertraging wanneer getrokken wordt. Deze twee één-schotschakelingen kunnen op een enkele chip aangebracht zijn.

De werking van de tijdstuurschakeling 43, (dat wil zeggen, de één-schotschakelingen 44 en 45) zal toegelicht worden met verwijzing 30 naar de golfvormen van fig. 2. De bovenste golfvorm toont het netsig- 4 naai op de leiding 23 na blokvorming; de periodetijd bedraagt 16,7 m.sec. De positief gaande flanken van deze golfvorm worden door de OF-schakeling en golfvormer 24 omgezet in negatief gaande pieken, waarbij de schakeling 24 deze pieken aan de microprocessor toevoert zoals 35 aangegeven door de tweede golfvorm. De microprocessor reageert op deze pieken en wekt in een relatief korte tijd pulsen op aan de uitgang 40 (derde golfvorm). Deze pulsen worden aan de één-schotschakeling 44 toegevoerd, die een tijdvertraging heeft van ongeveer 13 m.sec. Derhalve trekt de eerste (negatief gaande) puls op de leiding 40 de één-schot-40 schakeling 44, waarvan de Q uitgang daarom gedurende 13 m.sec. naar 1 8100131 - * 5 gaat.

Het Q uitgangssignaal van de één-schotschakeling 44 wordt aan de OF-schakeling en golfvormer 24 toegevoerd die op de achterflank daarvan reageert (13 m.sec. nadat de één-schotschakeling 44 getrokken is) door 5 een negatief gaande piek op te wekken ongeveer 3,7 m.sec. voordat de volgende negatief gaande piek van het netsignaal verwacht wordt. De microprocessor reageert op deze piek zoals bovenvermeld, wekt op de leiding 40 een negatief gaande puls op, en reageert op de uit het net afgeleide volgende piek door een andere puls op de leiding 40 op te wek-10 ken. De eerste van deze pulsen trekt de één-schotschakeling 44, en de tweede trekt de schakeling opnieuw zodat de vertraging daarvan opnieuw door de (uit het net afgeleide) tweede puls wordt gestart en het uitgangssignaal van de schakeling daarom gedurende 13 m.sec. na de uit het net afgeleide piek loopt. Het IJ uitgangssignaal van de êen-schotschake-15 ling 44 is daarom gelijk aan de vierde golf vorm met een kort 0 niveau gedeelte op 13 m.sec. over elke netcyclus.

Dit <J uitgangssignaal van de één-schotschakeling 44 wordt aan de relalswikkeling 62 gevoerd en houdt deze bekrachtigd. De korte negatief gaande gedeelten van dit signaal hebben tot gevolg dat de bekrachti-20 ging van de wikkeling periodiek wordt opgeheven. Deze ontkrachtiging wordt via de invertor 70 door de microprocessor 20 gedetecteerd en stelt de microprocessor in staat te controleren of de wikkeling 62 op de juiste wijze gestuurd wordt. De ophefingen van de bekrachtigingen zijn echter te kort voor het relais om mechanisch te reageren zodat de 25 contacten 63 niet opengaan. Dit aspect van de werking is in een met deze aanvraag samenhangende Amerikaanse octrooiaanvrage toegelicht.

Het zal natuurlijk duidelijk zijn dat de microprocessor aan de uitgang 40 een puls zal opwekken in antwoord op de ingangspuls van de schakeling 24 alleen wanneer de belastingsmiddelen (zoals door de ther-30 mostaat 10 gesignaleerd) bekrachtigd moeten worden en er door de microprocessor geen fout is gedetecteerd. Anders zal de microprocessor eenvoudig ophouden met pulsen aan de uitgang 40 af te geven en/of proberen de belasting af te schakelen door middel van de relalswikkeling 28.

De pulsen van de uitgang 40 worden eveneens aan de tweede 35 één-schotschakeling 45 toegevoerd, die een periode'van 2 m.sec. heeft.

Doordat deze één-schotschakeling 45 getrokken wordt, wordt een hoog signaal toegevoerd aan de onderdrukkingsingang van de één-schotschakeling 44, waardoor deze verhinderd wordt te reageren op ingangspulsen gedurende de 2 m.sec.-periode van de één-schotschakeling 45. Hierdoor 40 wordt gewaakt tegen een mogelijke foutieve functionering van de micro- 8100131 6 processor 20 resulterend in een continue stroom van pulsen aan de uitgang 40. Een dergelijke continue stroom zal de êên-schotschakeling 45 continu doen trekken en opnieuw trekken en zal daarom de êën-schotscha-keling 44 onderdrukt houden en verhinderen dat de pulsen overgaan naar 5 de relaiswikkeling 62. Daarom zullen de veiligheidsrelaiscontacten 63 opengaan en de belasting afschakelen. De gecombineerde periode van de êên-schotschakelingen 44 en 45 is natuurlijk wat kleiner dan de periode van het netkloksignaal.

De kristalklok 21 bestaat uit een kristaloscillator en deelschake-10 lingen om een kristalkloksignaal op te wekken met een periodè van ongeveer 17 m.sec., dat wil zeggen in het algemeen aangepast aan het 60 Hz netvoedingssignaal maar is daar niet mee gesynchroniseerd. De microprocessor 20 vergelijkt de voedingssignalen van de schakeling 24 met de kristalkloksignalen van de klok 21 om zich zelf op juiste wijze in 15 volgorde te synchroniseren.

Wanneer in é,ên van de klokschakelingen een component een storing krijgt, veroorzaakt de verandering van de stroom van tijdstuurinforma-tie binnen de logische stuurveiligheidsbewakingsschakeling een veilige afschakeling van de belastingsmiddelen door beëindiging van het klokken 20 van de tijdstuurschakeling 43, waardoor de veiligheidschakelaar 61 (met name bij het opheffen van de bekrachtiging van het relais 62 en het openen van het contact 63) open kan gaan en tegelijkertijd de bekrachtiging van de belastingschakelaar- 28 opheft. Het mankeren bijvoorbeeld van de microprocessor 20 om een klokpuls op te wekken, stelt de veilig-25 heidstijdsstuurschakeling 43 in staat om het contact 63 te openen. Een storing van of de klok 21 of de 60 Hz voedingssignaalbron 22 resulteert in het verlies van de klokpuls op de trekkerleiding 40 en het contact 63 wordt in reactie op de veiligheidstijdstuurschakeling 43 geopend.

Het is vanzelfsprekend dat wanneer de microprocessor en de bijbehorende 30 klokschakelingen op de juiste wijze werken maar de veiligheidstijds-stuurschakeling 43 ophoudt op de juiste wijze te werken, de microprocessor vervolgens signalen zal ontvangen die niet overeenkomen met de logica welke ingebouwd is en de microprocessor volgens de bekrachtiging van de belastingsmiddelen op veilige wijze zal opheffen door bediening 35 van het contact 30 of van het contact 63.

Fig. 3 geeft een grafiek van de tijdverhoudingen tussen de veiligheidstijdstuurschakeling 43 (TMR43), de kristalklok 21 (TMR21), en het 60 Hz voedingssignaal. De grafiek toont een tijdinterval van 18 m.sec. dat betrokken is op een 60 Hz signaal. Er zijn twee vensters W-43 en 40 W-60 Hz aangegeven. Dit zijn de bereiken van tijden toegestaan door de 8100131 7 microprocessor 20 ten einde normaal bedrijf door te laten gaan. Wanneer de overeenkomstige gebeurtenissen (het TMR43 signaal en het 60 Hz signaal) buiten de aangegeven vensters vallen, zal de microprocessor 20 de juiste actie nemen zoals in de vorige paragrafen is toegelicht.

5 Fig. 4 geeft een grafiek van een aantal cycli van de 60 Hz klok 22, welke aangeeft wat er bij drie afzonderlijke stellen omstandigheden zal gebeuren. De grafiek geeft twee normale cycli aan gevolgd door twee cycli waarin het 60 Hz kloksignaal mankeert. Dit kan een tijdelijk verlies aan netvoedingsspanning zijn. De grafiek geeft vervolgens aan wat 10 er gebeurt wanneer de kristalklok 21 ophoudt te werken.

De eerste in fig. 4 aangegeven twee cycli geven op andere wijze de typerende golfvorm van fig. 2 aan. Zij tonen de werking van de veilig-heidstijdstuurschakeling 43 gevolgd door de werking van de 60 Hz voe-dingssignaalbron 22. De cyclus wordt vervolgens herhaald zodat de eer-15 ste twee cycli de normale werking van het stelsel aangeven. De grafiek geeft vervolgens het mankeren van de voedingslijnsignaalbron 22 aan gevolgd door de werking van de veiligheidstijdstuurschakeling 43 welke aangeeft dat hij gewerkt heeft. De microprocessor 21 is zodanig geprogrammeerd dat hij dit type van op voedingslijn reagerende klokstoring 20 accepteert of herkent door een bepaald aantal mankerende voedingslijn-cycli te accepteren zonder afschakeling. Het totale besturingsstelsel is in staat om dit type van voedingslijnstoring te overbruggen als gevolg van het ontwerp van de voedingsvoorziening voor het gehele stelsel. Daar het ongewenst is om het stelsel af te schakelen wanneer er 25 een paar cycli van de op de voedingslijn reagerende klok gemist worden, is de microcomputer 22 geprogrammeerd om bij een typerend stuk apparatuur voor bijvoorbeeld 2 tot 4 cycli door te blijven werken.

Fig. 4 geeft vervolgens bij cyclus 5 het herstel van de 60 Hz voe-dingssignaalbron 22 en de opvolgende opwekking van een uitgangssignaal 30 van de veiligheidstijsstuurschakeling 43 aan. De grafiek geeft vervolgens het verlies aan van het kristalkloksignaal 21 (TMR21 tussen haakjes en gebroken pijlen) hetgeen de microcomputer 20 programmeert in zijn werkvolgorde. Dit verlies heeft tot gevolg dat het stelsel naar veilige toestand afschakelt wanneer de veiligheidstijdstuurschakeling 35 43 zijn volgende uitgangssignaal SS afgeeft. Dit gebeurt doordat het Q

uitgangssignaal van de êén-schotschakeling 44 omlaag gaat, waardoor de bekrachtiging van de wikkeling 62 opgeheven en het contact 63 geopend wordt. Daar het contact 63 in serie met de belasting 15 is opgenomen, wordt de bekrachtiging van de belasting 15 opgeheven onafhankelijk van 40 de toestand van het contact 30. Het aantal cycli dat gemist kan worden 8100 13 1 8 en de tijdsturing (zoals aangegeven door fig. 4) kan geselecteerd worden onafhankelijk van het type apparatuur dat gestuurd wordt en van de mate van veiligheid welke het bedrijf daarvan vereist wordt.

Fig. 5 toont een variant van de in fig. 1 aangegeven schakeling 5 welke in staat stelt een aantal stuurcontacten in de belastingsketen te gebruiken in plaats van een enkelvoudig belastingsstuurcontact 30. Een aantal belastingsstuurrelaiswikkelirigen 80 tot 82 wordt zoals aangegeven vanuit een microprocessor 20 aangedreven via een vrijlopende diode 96 en zij zijn verbonden met dè positieve voedingsleiding via een en-10 kelvoudige transistopr 94 welke door het uitgangssignaal van de tijd-stuurschakeling 43 zoals aangegeven gestuurd wordt. Evenals tevoren kan de bekrachtiging van de belasting opgeheven worden of door een gestuurde afschakeling door middel van de wikkelingen 80 tot 82 of door een veiligheidsafschakeling door de transistor 94 uit te schakelen.

8100 13 f

Claims (7)

1. Belastingsstuurschakeling bestaande uit een aantal relais, een de belastingsturende relaiscontactschakeling en een stuurschakeling die de relais bedient, waarbij de relaiscontactschakeling veiligheidsmidde-len heeft waarvan de opheffing van de bekrachtiging daarvan de bekrach-5 tiging van de belasting opheft onafhankelijk van het andere relais of de relais, met het kenmerk, dat de stuurschakeling (20) gevoed wordt door een van een klokschakeling (22) afkomstig netkloksignaal en een van de klokschakeling (21) afkomstig vast frequentiesignaal van nominale netfrequentie, en de stuurschakeling deze twee signalen vergelijkt, 10 waarbij een veiligheidstijdstuurschakeling (43) gevoed wordt door de stuurschakeling en de veiligheidsmiddelen (62-63) stuurt en een terug-koppelsignaal 7$ (bij 44) afgeeft dat gecombineerd wordt (bij 24) met het netkloksignaal, waarbij de stuurschakeling de veiligheidstijdstuurschakeling bewaakt en de veiligheidstijdstuurschakeling het uitgangs-15 signaal van de stuurschakeling voor de veiligheidsmiddelen bewaakt.

2. Belastingsstuurschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stuurschakeling de veiligheidsmiddelen bewaakt.

3. Belastingsstuurschakeling volgens êên der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de stuurschakeling een microprocessor bevat.

4. Belastingsstuurschakeling volgens êên der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het vaste frequentiesignaal opgewekt door een kris talklokschakeling.

5. Belastingsstuurschakeling volgens êên der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de veiligheidstijdstuurschakeling bevat uit een 25 paar hertrekbare êên-schotschakelingen die elk door de stuurschakeling gevoed worden, waarbij de eerste êên-schotschakeling een periode heeft wat groter dan de helft van de netperiode en de veiligheidmiddelen voedt en het terugkoppelsignaal opwekt, en waarbij de tweede êên-schotschakeling een periode heeft kort ten opzichte van de netperiode en die 30 wanneer getrokken de eerste êên-schotschakeling voor het trekken onderdrukt .

6. Belastingsstuurschakeling volgens éên der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de veiligheidsmiddelen een relais omvatten.

7. Belastingsstuurschakeling volgens êên der conclusies 1 tot 5, 35 met het kenmerk, dat de veiligheidsmiddelen een vaste-stofschakelaar omvatten die in serie is opgenomen met de wikkelingen van de relais van de relaiscontactschakeling 8100 13 1