TWI632581B

TWI632581B - 固態繼電器的監視模組及具有該監視模組的加熱爐

Info

Publication number: TWI632581B
Application number: TW105132233A
Authority: TW
Inventors: 游明輝; 陳阿賜; 梁望遵; 陳長發; 高家榮
Original assignee: 台技工業設備股份有限公司
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2018-08-11
Also published as: TW201814759A

Abstract

一種固態繼電器的監視模組，該固態繼電器設於一控制器與一負載之間，該監視模組包含一輸入端信號偵測單元、一輸出端電流偵測單元、一警示輸出單元、及處理單元。輸入端信號偵測單元用以偵測控制器輸入至固態繼電器輸入端的控制信號，並對應產生一信號偵測結果。輸出端電流偵測單元用以偵測固態繼電器輸出端的電流，並對應產生一電流偵測結果。警示輸出單元用以發出一故障警示信號。處理單元電連接於輸入端信號偵測單元、輸出端電流偵測單元、及警示輸出單元，用以根據接收的該信號偵測結果及該電流偵測結果判斷固態繼電器的故障，並當判斷固態繼電器故障時，控制警示輸出單元發出故障警示信號。

Description

固態繼電器的監視模組及具有該監視模組的加熱爐

本發明有關於一種監視模組，特別是關於一種固態繼電器的監視模組及具有該監視模組的加熱爐。

按，固態繼電器(Solid State Relay，SSR)具有無火花、無雜訊、開關速度快等特點，不像傳統電磁繼電器在快速ON/OFF週期時有容易損壞的問題，已逐漸取代傳統電磁繼電器。

一般來說，固態繼電器具有輸入端與輸出端，輸入端與輸出端中間以光隔離元件隔離，並在信號由輸入端輸入之後，使輸出端從開路(斷路)轉變成短路(通路)狀態，進而導通高功率之輸出電流，但有時會因負載電流過大或溫度過高而故障，使得固態繼電器輸出端一直保持短路或開路，而無法關斷或接通。

然而，目前並沒有一種監視模組能用以即時監視固態繼電器的狀態並予以判定，有鑑於此，本發明人本於多年從事相關產品之開發與設計，有感上述缺失之可改善，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明之主要目的在於提供一種固態繼電器的監視模組及具有該監視模組的加熱爐，能夠即時監視固態繼電器的狀態並予以判定。

為了達到上面所描述的，本發明提供了一種固態繼電器的監視模組，該固態繼電器設於一控制器與一負載之間，該監視模組包含：一輸入端信號偵測單元，電連接於該固態繼電器輸入端，用以偵測該控制器輸入至該固態繼電器輸入端的控制信號，並對應產生一信號偵測結果；一輸出端電流偵測單元，電連接於該固態繼電器輸出端，用以偵測該固態繼電器輸出端的電流，並對應產生一電流偵測結果；一警示輸出單元，用以發出一故障警示信號；及一處理單元，電連接於該輸入端信號偵測單元、該輸出端電流偵測單元、及該警示輸出單元；該處理單元用以根據接收的該信號偵測結果及該電流偵測結果判斷該固態繼電器的故障，並當判斷該固態繼電器故障時，控制該警示輸出單元發出該故障警示信號。

為了達到上面所描述的，本發明亦提供了一種加熱爐，該加熱爐具有一加熱器、一用以將電力供應給該加熱器的電力源、一用以感測該加熱器溫度的溫度感測器、一連接於該加熱器及該電力源的固態繼電器，一用於即時監視該固態繼電器的監視模組，以及一溫度控制器，該溫度控制器用以接收該溫度感測器發出的溫度訊號並根據該溫度訊號發出控制信號至該固態繼電器以控制該固態繼電器的通斷，使該電力源對該加熱器供電或停止供電；其中，該監視模組包含：一輸入端信號偵測單元，電連接於該固態繼電器輸入端，用以偵測該溫度控制器輸入至該固態繼電器輸入端的該控制信號，並對應產生一信號偵測結果；一輸出端電流偵測單元，電連接於該固態繼電器輸出端，用以偵測該固態繼電器輸出端的電流，並對應產生一電流偵測結果；一警示輸出單元，用以發出一故障警示信號；及一處理單元，電連接於該輸入端信號偵測單元、該輸出端電流偵測單元、及該警示輸出單元；該處理單元用以根據接收的該信號偵測結果及該電流偵測結果判斷該固態繼電器的故障，並當判斷該固態繼電器故障時，控制該警示輸出單元發出該故障警示信號。

本發明至少具有下列的優點：本發明係透過輸入端信號偵測單元偵測控制器輸入至固態繼電器輸入端的控制信號，並對應產生一信號偵測結果，又透過輸出端電流偵測單元偵測固態繼電器輸出端的電流，並對應產生一電流偵測結果，使處理單元能根據接收的信號偵測結果及電流偵測結果即時判斷固態繼電器的故障，並能在固態繼電器故障時立即通報。

100‧‧‧固態繼電器

101‧‧‧輸入端

102‧‧‧輸出端

1021、1022‧‧‧輸出接點

200‧‧‧控制器

300‧‧‧負載

400‧‧‧電力源

500‧‧‧溫度感測器

1‧‧‧監視模組

10‧‧‧輸入端信號偵測單元

20‧‧‧輸出端電流偵測單元

30‧‧‧警示輸出單元

40‧‧‧處理單元

50‧‧‧信號隔離單元

60‧‧‧輸出端電壓偵測單元

70‧‧‧通訊單元

80‧‧‧電源單元

M‧‧‧加熱爐

V1‧‧‧控制信號

I‧‧‧電流

V2‧‧‧電壓

S‧‧‧故障警示信號

圖1為本發明固態繼電器的監視模組的方塊示意圖(一)。

圖2為本發明監視模組的方塊示意圖(一)。

圖3為本發明固態繼電器的監視模組的判斷表(一)。

圖4為本發明監視模組的方塊示意圖(二)。

圖5為本發明固態繼電器的監視模組的方塊示意圖(二)。

圖6為本發明監視模組的方塊示意圖(三)。

圖7為本發明固態繼電器的監視模組的判斷表(二)。

圖8為本發明監視模組內建於固態繼電器的示意圖。

圖9為本發明加熱爐的示意圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本創作所公開有關“固態繼電器的監視模組及具有該監視模組的加熱爐”的實施方式，熟悉此領域的技術人員可由本說明書所公開的內容輕易地瞭解本創作的優點與效果。本創作可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本創作的精神下進行各種修飾與變更。另外，本創作的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，予以聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本創作的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本創作的技術範圍。

請參閱圖1至圖3，本發明提供一種固態繼電器的監視模組。本實施例之固態繼電器100設於一控制器200與一負載300之間，而固態繼電器100輸入端101及輸出端102分別用以連接控制器200及負載300。在實際應用中，輸出端102可具有兩常開的輸出接點1021、1022分別連接於電力源400及負載300，此時輸出端102的輸出狀態為開路，當有輸入信號時，輸出狀態可發生轉換。舉例來說，控制器200可以是溫度控制器，負載300可以是加熱器，但不以此為限。控制器200用以發出控制信號至固態繼電器100輸入端101，並當控制信號為真時(例如信號在3Vdc至32Vdc時，即為真)，固態繼電器100輸出端102即短路(導通)，而當控制信號為訊號為假(false)時(例如信號小於3Vdc時，即為假)，固態繼電器100輸出端102即開路，據此控制固態繼電器100輸出端(大電力端)102的短路或開路，從而使電力源400對負載300供電或停止供電。為避免固態繼電器100故障，本實施例的監視模組1即用來即時監視固態繼電器100，如圖2所示，監視模組1基本上包括一輸入端信號偵測單元10、一輸出端電流偵測單元20、一警示輸出單元30，以及一處理單元40。在實際應用中，處理單元40可以是內建有預設程式的微處理器(micro-controller)、數位訊號處理器(DSP)、特殊應用積體電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)等控制晶片或硬體電路元件，以對各功能單元進行相應的控制。以下將進一步說明本實施例之輸入端信號偵測單元10、輸出端電流偵測單元20、警示輸出單元30，以及處理單元40之間的關連結構及動作，再適時介紹與其它功能單元之間的相互關係。

輸入端信號偵測單元10電連接於處理單元40及固態繼電器100輸入端101，且輸入端信號偵測單元10用以偵測控制器200輸入至固態繼電器100輸入端101的控制信號V1，並對應產生一信號偵測結果。在實際應用中，輸入端信號偵測單元10可以是電壓偵測器、電壓比較器、電壓偵測電路或相應的電路以偵測控制信號對應的電壓，並將該電壓轉換為信號偵測結果。在一實施例中，該信號偵測結果可為一高電位信號(邏輯1)或一低電位信號(邏輯0)，並輸出至處理單元40。又，在一實施例中，該信號偵測結果可以是偵測電壓的大小，並輸出至處理單元40以供判定。

輸出端電流偵測單元20電連接於處理單元40及固態繼電器100輸出端102，且輸出端電流偵測單元20用以偵測固態繼電器100輸出端102的電流I，並對應產生一電流偵測結果。在實際應用中，輸出端電流偵測單元20可以是例如比流器(Current-Transformer)、電流分流器(Current-Shunt)、霍耳效應電流感測器、電流偵測器、電流偵測電路或相應的電路以偵測流經負載300的負載電流，並將該負載電流轉換為電流偵測結果。在一實施例中，該電流偵測結果可為一高電位信號(邏輯1)或一低電位信號(邏輯0)，並輸出至處理單元40。又，在一實施例中，該信號偵測結果可以是偵測電流的大小，並輸出至處理單元40以供判定。

警示輸出單元30電連接於處理單元40，且警示輸出單元30用以輸出一故障警示信號S。在實際應用中，警示輸出單元30可以是繼電器(relay)、開漏(open-drain)/開集(open-collector)輸出、電壓輸出或光耦合(photo-coupler)輸出等。

處理單元40用以接收該信號偵測結果及該電流偵測結果，並根據該信號偵測結果及該電流偵測結果判斷固態繼電器100的故障，並當判斷固態繼電器100故障時，控制警示輸出單元30發出故障警示訊號S。

詳細來說，配合圖3所示，當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，且由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，處理單元40據此判斷固態繼電器100是正常的，不會發出故障警示訊號S。

當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，且由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一低電位信號(邏輯0)，處理單元40據此判斷固態繼電器100是開路故障，發出故障警示訊號S。

當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一低電位信號(邏輯0)，且由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，處理單元40據此判斷固態繼電器100是短路故障，發出故障警示訊號S。

當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一低電位信號(邏輯0)，且由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一低電位信號(邏輯0)，處理單元40據此判斷固態繼電器100是正常的，不會發出故障警示訊號S。

另外，處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，而由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一低電位信號(邏輯0)，也有可能是負載300斷路或電力源400電壓喪失所導致。

又，在一實施例中，處理單元40根據接收到的偵測電壓的大小判定為真時，且根據接收到的偵測電流的大小判定為假時，處理單元40可據此判斷固態繼電器100是開路故障，發出故障警示訊號S。

請參閱圖4，並配合圖1所示。在一實施例中，固態繼電器的監視模組1還可包括一信號隔離單元50。信號隔離單元50電連接於處理單元40及輸出端電流偵測單元20，且信號隔離單元50用以隔離固態繼電器輸出端102(大電力端)的電流或電壓，亦即信號隔離單元50能提供固態繼電器輸出端102(大電力端)和其他單元間的隔離，以避免造成其他單元毀損。若輸出端電流偵測單元20為具隔離功能的感測器(例如比流器)，則可省略信號隔離單元50。

請參閱圖5及圖6。在一實施例中，固態繼電器的監視模組1還可包括一輸出端電壓偵測單元60。輸出端電壓偵測單元60電連接於處理單元40及固態繼電器100輸出端102，且輸出端電壓偵測單元20用以偵測固態繼電器100輸出端102的電壓V2，並對應產生一電壓偵測結果。也可以說，輸出端電壓偵測單元20是偵測連接於固態繼電器100輸出端102的電力源400電壓的有無。

藉由固態繼電器的監視模組1還包括有輸出端電壓偵測單元60，使固態繼電器的監視模組1可以作更細緻判斷。

詳細來說，配合圖7所示，當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一高電位信號(邏輯1)、由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一高電位信號(邏輯1)、且由輸出端電壓偵測單元60接收到的電壓偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，處理單元40據此判斷固態繼電器100是正常的，不會發出故障警示訊號S。

當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一高電位信號(邏輯1)、由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一低電位信號(邏輯0)、且由輸出端電壓偵測單元20接收到的電壓偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，處理單元 40據此判斷固態繼電器100是開路故障，或負載300斷路，發出故障警示訊號S。

當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一低電位信號(邏輯0)、由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一高電位信號(邏輯1)、且由輸出端電壓偵測單元60接收到的電壓偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，處理單元40據此判斷固態繼電器100是短路故障，發出故障警示訊號S。

當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一低電位信號(邏輯0)、由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一低電位信號(邏輯0)、且由輸出端電壓偵測單元60接收到的電壓偵測結果為一高電位信號(邏輯1)，處理單元40據此判斷固態繼電器100是正常的，不會發出故障警示訊號S。

當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一高電位信號(邏輯1)、由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一高電位信號(邏輯1)、且由輸出端電壓偵測單元20接收到的電壓偵測結果為一低電位信號(邏輯0)，處理單元40據此判斷監視模組1內部元件故障，或其他故障，發出故障警示訊號S。

當處理單元40由輸入端信號偵測單元10接收到的信號偵測結果為一低電位信號(邏輯0)、由輸出端電流偵測單元20接收到的電流偵測結果為一高電位信號(邏輯1)、且由輸出端電壓偵測單元60接收到的電壓偵測結果為一低電位信號(邏輯0)，處理單元40據此判斷監視模組1內部元件故障，或其他故障，發出故障警示訊號S。

在一實施例中，監視模組1的輸出端電流偵測單元10、輸出端電壓偵測單元60可採用精確度較高的電流/電壓偵測元件，並透過提昇處理單元40的計算能力，使監視模組1亦可作為電流/電壓/功率的量測及記錄模組，而有更廣泛的應用。

在一實施例中，負載300為加熱器，其使用一段時間後會有老化的問題，導致其電阻值產生變化，從而導致電流變化及輸出功率改變，透過監視模組1作偵測並發出警示，可作為負載300性能劣化之警示或更換之參考。

固態繼電器的監視模組1還可包括一通訊單元70(如圖6)。通訊單元70電連接於處理單元40，且通訊單元70用以進行通訊，以將一故障警示訊息送出。在實際應用中，通訊單元30可用通訊方式，例如RS-232/485/422通訊，乙太網路通訊或無線通訊，並可經由通訊單元設定監視模組1的運作參數，例如監視模組1的編號，發出故障警示訊息的條件等。另外，通訊單元70可具有通訊隔離功能，以避免干擾。除此之外，通訊單元70還可將固態繼電器100及負載300的狀態送出，以形成大數據資料，可滿足工業4.0的要求。

另外，固態繼電器的監視模組1還可包括一電源單元80(如圖6)。電源單元80電連接於處理單元40，且電源單元80用以提供監視模組1運作所需電力。在實際應用中，可以由通訊線直接提供電力，或是獨立的電源。

在一實施例中，如圖8所示，監視模組1可微小化內建(build-in)於固態繼電器100內，以使固態繼電器100形成一具自我故障判定功能的智能固態繼電器(smart SSR)。另外，監視模組1也可形成為一外掛式獨立模組，以外掛於現有的固態繼電器上。

請參閱圖9，並配合圖1所示。在一實施例中，監視模組1可設置於一加熱爐M上，而加熱爐M可以是一種箱型爐型的加熱爐。本實施例的加熱爐M可設置有固態繼電器100、控制器200、負載300、電力源400、及溫度感測器500。在本實施例中，控制器200為一溫度控制器，負載300為一加熱器，電力源400用以將電力供應給該加熱器(負載300)，溫度感測器500用以感測該加熱器(負載300)溫度，固態繼電器100連接於該加熱器(負載300)及電力源400，監視模組1用以即時監視固態繼電器100，該溫度控制器(控制器200)用以接收溫度感測器500發出的溫度訊號並根據該溫度訊號發出控制信號至固態繼電器100，使電力源400對該加熱器(負載300)供電或停止供電。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，非意欲侷限本發明的專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為的等效變化，均同理皆包含於本發明的權利保護範圍內，合予陳明。

Claims

一種固態繼電器的監視模組，該固態繼電器設於一控制器與一負載之間，該監視模組包含：一輸入端信號偵測單元，電連接於該固態繼電器輸入端，用以偵測該控制器輸入至該固態繼電器輸入端的控制信號，並對應產生一信號偵測結果；一輸出端電流偵測單元，電連接於該固態繼電器輸出端，用以偵測該固態繼電器輸出端的電流，並對應產生一電流偵測結果；一警示輸出單元，用以發出一故障警示信號；及一處理單元，電連接於該輸入端信號偵測單元、該輸出端電流偵測單元、及該警示輸出單元；該處理單元用以根據接收的該信號偵測結果及該電流偵測結果判斷該固態繼電器的故障，並當判斷該固態繼電器故障時，控制該警示輸出單元發出該故障警示信號。
如請求項1所述之固態繼電器的監視模組，其中當該處理單元接收到的該信號偵測結果為一低電位信號，且接收到的該電流偵測結果為一高電位信號，該處理單元據此判斷該固態繼電器短路故障。
如請求項1所述之固態繼電器的監視模組，其中當該處理單元接收到的該信號偵測結果為一高電位信號，且接收到的該電流偵測結果為一低電位信號，該處理單元據此判斷該固態繼電器開路故障。
如請求項1所述之固態繼電器的監視模組，其中該監視模組還包括一信號隔離單元，該信號隔離單元電連接於該處理單元，用以隔離該固態繼電器輸出端的電流或電壓。
如請求項1所述之固態繼電器的監視模組，其中該監視模組還包括一輸出端電壓偵測單元，該輸出端電壓偵測單元電連接於該處理單元及該固態繼電器輸出端，用以偵測該固態繼電器輸出端的電壓，並對應產生一電壓偵測結果。
如請求項5所述之固態繼電器的監視模組，其中該處理單元更用以根據接收的該電壓偵測結果判斷該固態繼電器的故障。
如請求項6所述之固態繼電器的監視模組，其中當該處理單元接收到的該信號偵測結果為一高電位信號、接收到的該電流偵測結果為一低電位信號、及接收到的該電壓偵測結果為一高電位信號，該處理單元據此判斷該固態繼電器開路故障。
如請求項6所述之固態繼電器的監視模組，其中當該處理單元接收到的該信號偵測結果為一低電位信號、接收到的該電流偵測結果為一高電位信號、及接收到的該電壓偵測結果為一高電位信號，該處理單元據此判斷該固態繼電器短路故障。
如請求項1所述之固態繼電器的監視模組，其中該監視模組還包括一通訊單元，該通訊單元電連接於該處理單元，用以進行通訊。
如請求項1所述之固態繼電器的監視模組，其中該監視模組還包括一電源單元，該電源單元電連接於該處理單元，用以提供該監視模組運作所需電力。
如請求項1所述之固態繼電器的監視模組，其中該監視模組內建於該固態繼電器，以使該固態繼電器形成一具自我故障判定功能的智能固態繼電器。
如請求項1所述之固態繼電器的監視模組，其中該負載為一加熱器，該監視模組更用以偵測該負載的電流變化及輸出功率的改變，並據此判斷該負載的斷路或劣化，以發出警示信號。
一種加熱爐，該加熱爐具有一加熱器、一用以將電力供應給該加熱器的電力源、一用以感測該加熱器溫度的溫度感測器、一連接於該加熱器及該電力源的固態繼電器，一用於即時監視該固態繼電器的監視模組，以及一連接於該溫度感測器、該固態繼電器及該監視模組的溫度控制器，該溫度控制器用以接收該溫度感測器發出的溫度訊號並根據該溫度訊號發出控制信號至該固態繼電器以控制該固態繼電器的通斷，使該電力源對該加熱器供電或停止供電；其中，該監視模組包含：一輸入端信號偵測單元，電連接於該固態繼電器輸入端，用以偵測該溫度控制器輸入至該固態繼電器輸入端的該控制信號，並對應產生一信號偵測結果；一輸出端電流偵測單元，電連接於該固態繼電器輸出端，用以偵測該固態繼電器輸出端的電流，並對應產生一電流偵測結果；一警示輸出單元，用以發出一故障警示信號；及一處理單元，電連接於該輸入端信號偵測單元、該輸出端電流偵測單元、及該警示輸出單元；該處理單元用以根據接收的該信號偵測結果及該電流偵測結果判斷該固態繼電器的故障，並判斷該固態繼電器故障時，控制該警示輸出單元發出該故障警示信號。