DE4441581A1 - Steuereinrichtung zur Betätigung von Schalteinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Derartige Einrichtungen werden beispielsweise zur Überwachung von Schaltern für Stellglieder wie Brennstoffventile und Lüftungsklappen verwendet, wobei der Mikroprozessor die über netzspannungs­ führende 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 C2 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 Schalt­ zustände von Relais- und Sensorkontakten mittels Verstärker in einen Mikroprozessor übertragen werden. Die Schaltzustände der Relaiskontakte sind als netzspannungsführende Signale je einem Verstärker zugeführt, der ausgangsseitig mit einem Eingang des Mikroprozessors verbunden ist. 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 Mikro­ prozessor Signale eingelesen und mit Sollwerten verglichen. Bei einem fehlerhaften Verbraucherzustand schaltet der Mikroprozessor die Verbraucher ab. Durch die Reihenschaltung von wenigstens zwei Relaiskontakten im Betätigungszweig der kritischen Lasten sind bei einem für intermittierenden Betrieb ausgelegten Ölbrenner diese Relais bei jedem Einschaltvorgang oder während der Standzeit des Ölbrenners auf ihre Abschaltfähigkeit überprüfbar, so daß ein Anschweißen der Relaiskontakte erkannt werden kann.

Die in der DE-PS 30 44 047 C2 beschriebene Steuereinrichtung weist ein Sicherheitsrelais auf, das über einen Halbleiterschalter betätigbar ist. Wegen der mechanischen und der elektrisch induktiven Trägheit des Relais ist der Halbleiterschalter ohne Beeinflussung des Brennvorganges kurzzeitig abschaltbar und damit auf seine Abschaltfähigkeit hin überprüfbar. Im Dauerbetrieb des Brenners ist jedoch ein Verschweißen der Arbeitskontakte dieses Sicherheitsrelais, über die der Strom der gesamten Anlage fließt, nicht erkennbar.

Aus der DE-OS 29 51 118 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung von Leistungsschaltern bekannt, bei der ein Halbleiterschalter und ein Arbeitskontakt eines Relais in Reihe zu einer Last geschaltet sind. Die Versorgungsspannung des Relais ist dabei bei offenem Halbleiterschalter von der Steuer­ spannung des Halbleiterschalters und bei geschlossenem Halbleiterschalter vom Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter abgeleitet. Bei einem Defekt des Halbleiterschalters durch einen Kurzschluß unterbricht das Relais den Strompfad zur Last, sobald die Steuerspannung des Halbleiterschalters abgeschaltet wird. Der Unterbruch erfolgt wegen der Trägheit des Relais zeitverzögert. Eine solche Schaltungsanordnung eignet sich nicht zur Verwendung in einer Steuereinrichtung für einen für Dauerbetrieb ausgelegten Brenner, da eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit des Halbleiterschalters nicht möglich ist ohne Beeinflussung des Brennvorganges.

Eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit mechanischer Schalteinrichtungen im Dauerbetrieb eines Brenners ohne Beeinflussung des Brennvorganges ist möglich, wenn vier Schalteinrichtungen in einer Brücken­ schaltung so angeordnet sind, daß eine wahlweise diagonale Durchschaltung möglich ist. Eine solche Anordnung ist aber mit relativ hohen Kosten verbunden, wenn mehrere sicherheitstechnisch kritische Lasten zu schalten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für eine Anlage, beispielsweise für Öl- oder Gasbrenner zu schaffen, die sicher arbeitet, bei der eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit derjenigen Schalteinrichtungen, die sicherheitstechnisch kritische Lasten zu- oder abschalten, im Dauerbetrieb des Brenners möglich ist, und die kostengünstig ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Steuereinrichtung mit einem Strompfad pro Last,

Fig. 2 eine Meßeinrichtung und

Fig. 3 eine Steuereinrichtung mit zwei Strompfaden pro Last.

Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Steuerung einer Anlage, welche als Zeitgeber- und Steuerlogik­ einrichtung einen Mikroprozessor 1 aufweist. Sie enthält weiter eine Schalteinrichtung 2 und eine Meßeinrichtung 3. Mittels der Schalteinrichtung 2 ist eine sicherheitstechnisch kritische Last L über einen Strompfad K₁ an eine zwischen einer Phase P und einem Nullpunkt G liegende Netzspannung U_PG schaltbar. Die Schalteinrichtung 2 weist einen Schalter 4 und eine Steuerschaltung 5 auf. Die Meßeinrichtung 3 enthält ein Meßelement 6 und einen Schaltungsblock 7. Das Meßelement 6 ist im Strompfad K₁ in Reihe zum Schalter 4 geschaltet und weist zwei Ausgänge 6a und 6b auf, die auf Eingänge 7a bzw. 7b des Schaltungsblockes 7 geführt sind. Der Schaltungsblock 7 weist einen Ausgang 7c auf, der mit einem Eingang R des Mikroprozessors 1 verbunden ist. Die Steuerschaltung 5 ist mit einem Ausgang A des Mikroprozessors 1 verbunden. Ein weiterer Eingang S des Mikroprozessors 1 ist über ein galvanisches Trennglied 19 an die Phase P angeschlossen. Der Mikroprozessor 1, die Steuerschaltung 5 und der Schaltungsblock 7 sind von der Netzspannung U_PG galvanisch getrennt gespeist, wobei die nicht dargestellte Speisungsschaltung die Anschlüsse V und m aufweist.

Die Steuerschaltung 5 dient als Interfaceschaltung, so daß der Zustand - offen oder geschlossen - des Schalters 4 durch den Mikroprozessor 1 steuerbar ist. Der Schaltungsblock 7 hat die Aufgabe, ein mittels des Meßelementes 6 gemessenes Signal in eine binäre Form zu bringen, die vom Mikroprozessor 1 als Zustand offen bzw. geschlossen des Schalters 4 interpretiert werden kann.

Im Beispiel nach der Fig. 1 ist als Meßelement 6 ein Übertrager 8 vorgesehen und der Schaltungsblock 7 besteht aus einem Brückengleichrichter 9 und einem Schmitt-Trigger 10, die in Reihe geschaltet sind. Bei offenem Zustand des Schalters 4 fließt im Strompfad K₁ ein Wechselstrom 1, der in der Sekundär­ wicklung des Übertragers 8 eine wechselförmige Spannung U₁ erzeugt, welche vom Brückengleichrichter 9 gleichgerichtet und vom Schmitt-Trigger 10 in eine Rechteckspannung U₂ umgeformt wird, so daß sowohl eine positive wie eine negative Halbwelle des Wechselstromes 1 einen Rechteckimpuls erzeugt. Während der Dauer jedes Rechteckimpulses liegt am Eingang R des Mikroprozessors 1 somit ein als logisch "1" interpretierbares Potential. Ist der Schalter 4 geschlossen, so fließt im Stromkreis K₁ kein Strom I. Die Spannung U₁ am Ausgang des Übertragers 8 verschwindet folglich auch und die Spannung U₂ wird gleichförmig. Der Zustand geschlossen des Schalters 4 führt also dazu, daß am Eingang R des Mikroprozessors 1 eine als logisch "0" interpretierbare Gleichspannung U₂ anliegt. Die Verwendung des Übertragers 8 als Meßelement 6 ergibt eine einfache galvanische Trennung zwischen dem Laststromkreis K₁ und dem Mikroprozessor 1.

Als Schalter 4 ist ein Triac 11 vorgesehen. Zur galvanischen Trennung zwischen dem Schalter 4 und dem Mikroprozessor 1 weist die Steuerschaltung 5 einen Optokoppler 12 auf. Der Mikroprozessor 1 steuert den Optokoppler 12 über einen durch zwei Widerstände 13 und 14 gebildeten Spannungsteiler und einen Transistor 15 an. Der Zündanschluß des Triac 11 ist mit dem Mittenabgriff eines zweiten Spannungs­ teilers verbunden, der durch Widerstände 16 und 17 gebildet und zwischen die Phase P und den Nullpunkt G des Wechselspannungsnetzes U_PG geschaltet ist. Der Optokoppler 12 ist ausgangsseitig mit den Anschlüssen des Widerstandes 17 verbunden. Solange der Mikroprozessor 1 am Ausgang A eine tiefe Signalspannung abgibt, bleibt der Optokoppler 12 dunkel, der Ausgangstransistor 18 des Optokopplers 12 sperrt und der Triac 11 wird bei jeder Netzhalbwelle gezündet und somit eingeschaltet. Zur Aussetzung oder Verzögerung des Zündvorganges setzt der Mikroprozessor 1 den Ausgang A für eine vorbestimmte Zeitdauer auf ein hohes Potential, so daß der Optokoppler 12 hell ist und der Widerstand 17 durch den nunmehr leitenden Ausgangstransistor 18 kurzgeschlossen ist. Bei dieser Schaltungstechnik ist der Opto­ koppler 12 nur gerade während des Prüfzyklus in Betrieb, was sich auf seine Lebensdauer vorteilhaft auswirkt.

Der Mikroprozessor 1 ist durch ein Zeitprogramm dahingehend programmiert, während der Einschaltphase und im Betrieb der Anlage, beispielsweise einem Ölbrenner, einzelne Lasten L wie Brennstoffventile oder einen Gebläsemotor in einer bestimmten Reihenfolge einzuschalten und einzelne Vorgänge wie z. B. die Bildung einer Flamme zu überwachen und gegebenenfalls die gesamte Anlage abzuschalten, so daß sich der Ölbrenner zu keinem Zeitpunkt in einer z. B. explosionsgefährdeten Situation befindet.

Im Dauerbetrieb der Anlage ist der Schalter 4 geschlossen, so daß die Last L eingeschaltet ist. Am Ausgang 7c des Schaltungsblockes 7 erscheinen somit rechteckförmige Impulse einer vorgegebenen Länge. Der Mikroprozessor 1 ist dahingehend programmiert, das Potential am Eingang R laufend abzufragen und zu überprüfen, ob der daraus abgeleitete Ist-Zustand des Schalters 4 dem vorgegebenen Soll-Zustand entspricht. Bei einem Ist-Zustand "offen" und einem Soll-Zustand "geschlossen" schaltet der Mikroprozessor 1 die ganze Anlage gemäß einem vorgegebenen Unterprogramm ab, beispielsweise durch Ausschalten eines Hauptschalters 20. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß auch ein Bauteilfehler eines Bauelementes in der Steuerschaltung 5, der dazu führt, daß der Triac 11 nicht mehr ausschaltbar ist, keine Gefährdung ergibt.

Zur Überprüfung der Abschaltfähigkeit des Schalters 4 führt der Mikroprozessor 1 einen Prüfzyklus durch, der darin besteht, daß der Mikroprozessor 1 den Schalter 4 für eine Zeitdauer T in der Größenordnung einiger Millisekunden schließt und das in dieser Zeit am Ausgang der Messeinrichtung 3 anstehende Signal U₂ analysiert. Die Zeitdauer T, in der der Schalter 4 geöffnet ist, ist so kurz, daß die Last L trotz kurzzeitig fehlender Spannungsversorgung ihren Betriebszustand infolge mechanischer oder elektrischer Trägheit nicht ändert. Auf diese Weise ist die Abschaltfähigkeit des Schalters 4 überprüfbar, ohne daß der Betriebszustand der Anlage ändert. So wird beispielsweise die Flamme eines Ölbrenners gleichförmig mit Brennstoff versorgt, auch wenn das Brennstoffventil kurzzeitig ohne Spannungs­ versorgung ist.

Das am Eingang S anliegende Signal ist in Phase zur Netzspannung U_PG. Seine Nulldurchgänge definieren zeitlich die Zündpunkte des Triac 11 im Normalbetrieb. Aus der Kenntnis dieser Zündzeiten ist es dem Mikroprozessor 1 möglich, das Einschalten des Triac 11 um eine vorbestimmte Zeitspanne zu verzögern. Um eine Selbstzündung des Triac 11 erkennen zu können, muß diese Zeitspanne wenigstens eine halbe Netzhalbwelle dauern, damit die am Triac 11 anliegende Netzspannung U_PG ihren Maximal­ wert erreicht. Die Anstiegsflanke des zugehörigen Rechteckimpulses am Ausgang 7c erscheint dementsprechend verzögert, während die Ausschaltflanke dieses Rechteckimpulses unverzögert erscheint. Der Mikroprozessor 1 mißt die zeitliche Länge dieses und des vorangegangenen oder des nächsten Rechteckimpulses. Die Differenz oder das Verhältnis dieser Rechteckimpulse enthält die Information, ob der Triac 11 wie vorgesehen verzögert einschaltete. Der Vergleich der Dauer der zwei aufeinander­ folgenden Rechteckimpulse bietet den Vorteil, daß eine bei einer induktiven Last mögliche Phasen­ verschiebung zwischen der Netzspannung U_PG und dem im Stromkreis K₁ fließenden Strom I keinen Einfluß auf das Meßresultat hat. Ein solcher Prüfzyklus wird mit Vorteil sowohl bei positiven wie bei negativen Halbwellen durchgeführt.

Als Schalter 4 sind auch Schalttransistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, oder Relais verwendbar. Die Steuerschaltung 5 ist dabei dem Typ des Schalters 4 anzupassen. Halbleiterschalter wie der Triac 11 oder ein Transistor bieten den Vorteil, daß sie sehr schnell ein- und ausschaltbar sind.

Als Meßelement 6 ist auch ein Hallelement oder ein Widerstand einsetzbar. Das Hallelement liefert bei entsprechender Speisung ein galvanisch getrenntes Signal.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Meßeinrichtung 3. Dem Schalter 4 im Laststromkreis K₁ sind in Reihe ein Widerstand 21 und eine Leuchtdiode 22 parallel geschaltet, wobei die Leuchtdiode 22 Bestandteil eines Optokopplers 23 ist. Bei geschlossenem Zustand des Schalters 4 fließt kein Strom durch den Widerstand 21 und die Leuchtdiode 22, so daß der Ausgang des Optokopplers 23 ein gleichförmiges Signal führt, während bei offenem Zustand des Schalters 4 ein Strom durch den Widerstand 21 und die Leuchtdiode 22 fließt, so daß der Ausgang des Optokopplers 23 ein wechselförmiges Signal führt. Der Widerstand 21 ist hochohmig bemessen, so daß die Last L bei offenem Zustand des Schalters 4 ausgeschaltet bleibt. Bei der Durchführung eines Prüfzyklus stellt der Mikroprozessor 1 durch Mehrfach­ abfragen fest, ob das Signal am Eingang R gleich- oder wechselförmig ist und bestimmt daraus den Ist- Zustand des Schalters 4.

Die Fig. 3 zeigt eine Steuereinrichtung, bei der die Last L über zwei getrennte Strompfade K₁ bzw. K₂ an die Phase P angeschlossen ist. Beide Strompfade K₁ und K₂ weisen je in Reihe eine Schalteinrichtung 2.1 bzw. 2.2 und ein Meßelement 6.1 bzw. 6.2 auf. Die Meßelemente 6.1 und 6.2 bilden zusammen mit dem Schaltungsblock 7 die Meßeinrichtung 3. Die Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 sind durch den Mikro­ prozessor 1 getrennt schaltbar. Als Meßelemente 6.1 und 6.2 dienen Widerstände. In der Fig. 3 ist der Übersichtlichkeit wegen nur eine dem Widerstand 6.1 zugeordnete Schaltung des Schaltungsblockes 7 dargestellt. Diese Schaltung weist eine Zenerdiode 30, eine aus einem Vorwiderstand 31, einem Transistor 32 und einem Widerstand 33 bestehende Verstärkerstufe 34, einen Schmitt Trigger 35 und, falls erforderlich, ein galvanisches Trennglied 36 auf, dessen Ausgang mit einem Eingang R₁ des Mikroprozessors 1 verbunden ist. Bei geschlossener Schalteinrichtung 2.1 erzeugt der im Stromkreis K₁ fließende Wechselstrom über dem Widerstand 6. 1 einen Spannungsabfall, welcher mittels der beschriebenen Schaltung eine am Eingang R₁ auftreffende Folge von Rechteckimpulsen erzeugt. Bei offenem Zustand der Schalteinrichtung 2.1 liegt am Eingang R₁ hingegen eine gleichförmige Spannung mit einem der Maße m entsprechenden Pegel.

Die beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt: Im Dauerbetrieb der Anlage sind die beiden Schalt­ einrichtungen 2.1 und 2.2 geschlossen, so daß die Last L eingeschaltet ist. Zur Überprüfung der Abschalt­ fähigkeit der Schalteinrichtungen 2.1 bzw. 2.2 führt der Mikroprozessor 1 einen Prüfzyklus durch, der darin besteht, daß der Mikroprozessor 1 abwechslungsweise eine der Schalteinrichtungen 2.1 oder 2.2 für eine vorbestimmte Zeitdauer T öffnet und das am entsprechenden Eingang R₁ bzw. R₂ anliegende Signal analysiert, daraus in der weiter oben bereits beschriebenen Weise den Ist-Zustand der Schalteinrichtung bestimmt und mit dem Soll-Zustand vergleicht.

Diese Einrichtung hat den Vorteil, daß eine Überprüfung der Abschaltfähigkeit der Schalteinrichtungen 2 unabhängig von den Schalteigenschaften der Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 und unabhängig von den elektrischen Eigenschaften der Last L durchführbar ist. Als Schalteinrichtungen 2.1 und 2.2 sind mit Vorteil mechanische Schaltglieder wie z. B. Relais verwendbar. Eine Synchronisierung zwischen dem Mikroprozessor 1 und der Meßeinrichtung 3 ist nicht nötig, da die Zeitspanne, während der die Schalteinrichtung 2.1 bzw. 2.2 offen ist, beliebig lang sein kann.

Die Häufigkeit der Prüfzyklen richtet sich nach gesetzlichen Vorschriften und nach der Arbeitsbelastung des Mikroprozessors 1. Ein Prüfzyklus kann z. B. einmal pro Minute oder auch einmal pro Tag durchgeführt werden.

Die Arbeitsweise der Steuereinrichtungen ist bisher beschrieben worden für den Fall, daß die Netzspannung U_PG eine Wechselspannung ist. Ein Betrieb ist jedoch ohne weiteres unter Ausnutzung der gleichen erfinderischen Idee bei Gleichspannung möglich, wenn die Meßelemente und Schalteinrichtungen entsprechend ausgewählt sind.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Steuerung einer Anlage, welche als Zeitgeber- und Steuerlogikeinrichtung einen Mikroprozessor (1) aufweist zur Betätigung von Schalteinrichtungen (2; 2.1, 2.2) nach einem Zeit­ programm, wobei Lasten (L) der Anlage jeweils über einen mit mindestens einer Schalteinrichtung (2; 2.1, 2.2) versehenen Strompfad (K₁) an eine Netzspannung (U_PG) anschließbar sind, und welche Meßeinrichtungen (3) mit Meßelementen (6; 6.1, 6.2) zur Erfassung des Zustandes - offen oder geschlossen - der Schalteinrichtungen (2; 2.1, 2.2) und zur Übertragung desselben an den Mikroprozessor (1) aufweist, wobei der Mikroprozessor (1) den gemeldeten Ist-Zustand mit dem Soll-Zustand vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine sicherheitstechnisch kritische Last (L) über mindestens einen Strompfad (K₁; K₁, K₂) an die Netzspannung (U_PG) anschließbar ist, daß in jedem Strompfad (K₁; K₁, K₂) jeder Schalteinrichtung (2; 2.1, 2.2) ein Meßelement (6; 6.1, 6.2) zugeordnet ist, und daß der Mikroprozessor (1) dahingehend programmiert ist, im Dauerbetrieb der Anlage zu vorbestimmten Zeitpunkten einen Prüfzyklus durchzuführen, um die Abschaltfähigkeit der Schalteinrichtungen (2; 2.1, 2.2) zu überprüfen, ohne daß die dieser Schalteinrichtung (2; 2.1, 2.2) zugeordnete Last (L) während des Prüfzyklus ihren Betriebszustand ändert.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Last (L) ein einziger Strompfad (K₁) vorhanden ist, daß die Schalteinrichtung (2) einen Schalter (4) aufweist und daß der Prüfzyklus darin besteht, daß der Mikroprozessor (1) den Schalter (4) für eine vorbestimmte Zeitdauer T öffnet und das von der Meßeinrichtung (3) in dieser Zeitdauer T abgegebene Signal (U₂) mit dem vor oder nach dem Öffnen des Schalters (4) abgegebenen Signal (U₂) vergleicht und daraus den Ist-Zustand des Schalters (4) während der Zeitdauer T bestimmt.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (4) ein Halbleiterschalter ist.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (4) ein Triac (11) oder ein Feldeffekttransitor ist.

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Last (L) zwei Strompfade (K₁; K₂) mit je einer Schalteinrichtung (2.1 bzw. 2.2) vorhanden sind und daß der Prüfzyklus darin besteht, daß der Mikroprozessor (1) abwechslungsweise eine der beiden Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) öffnet, aus dem Signal, das das dieser Schalteinrichtung (2.1 bzw. 2.2) zugeordnete Meßelement (6. 1 bzw. 6.2) abgibt, den Ist-Zustand der Schalteinrichtung (2.1 bzw. 2.2) bestimmt, und die Schalteinrichtung (2.1; 2.2) wieder schließt.

6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (2.1; 2.2) mechanische Schaltglieder sind.

7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (6; 6.1, 6.2) ein Übertrager (8), ein ohmscher Widerstand oder ein Hallelement sind.

8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) ein Meßelement mit einem Widerstand (21) und einem Optokoppler (23) aufweist, wobei der Widerstand (21) und die Leuchtdiode (22) des Optokopplers (23) parallel zur Schalteinrichtung (2; 2.1, 2.2) geschaltet sind.