PL237078B1

PL237078B1 - Intrinsically safe electronic safety relay

Info

Publication number: PL237078B1
Application number: PL428234A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Gralewski; Piotr DZIERŻAK; Piotr Dzierżak; Leszek DREWNIOK; Leszek Drewniok; Paweł SZWEJKOWSKI; Paweł Szwejkowski
Original assignee: Mdj Electronic Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2021-03-08
Also published as: PL428234A1; WO2020130859A1

Abstract

Iskrobezpieczny elektroniczny przekaźnik bezpieczeństwa składa się z elektronicznego przekaźnika (EP) połączonego poprzez układ izolacji galwanicznej sygnałów (UIGS) z dwoma mikrokontrolerami (MK1) i (MK2), które połączone są ze sobą co najmniej jednym szeregowym interfejsem komunikacyjnym (SZIK). Z kolei elektroniczny przekaźnik (EP) zawiera co najmniej dwa połączone ze sobą równoległe bliźniacze obwody złożone z pierwszej gałęzi (G1) i drugiej gałęzi (G2), które z jednej strony połączone są z zaciskiem dodatnim wyjściowym (A) poprzez szeregowy ogranicznik prądu zewnętrznego (SCL1'), natomiast z drugiej strony połączony jest bezpośrednio z ujemnym zaciskiem wyjściowym (B). Pierwsza gałąź (G1) zawiera połączony szeregowo dodatkowy ogranicznik prądu zewnętrznego (SCL1), z górnym kluczem (K1.1) oraz z dolnym kluczem (K1.2), a równolegle do styków górnego klucza (K1.1) połączony jest szeregowo ogranicznik napięcia wewnętrznego (SCL2), górny układ detektora prądu (TO1.1) oraz górny generator napięcia (U1.1).The intrinsically safe electronic safety relay consists of an electronic relay (EP) connected via a galvanic signal isolation system (UIGS) to two microcontrollers (MK1) and (MK2), which are interconnected via at least one serial communication interface (SZIK). The electronic relay (EP) in turn comprises at least two parallel twin circuits consisting of a first branch (G1) and a second branch (G2), which are connected on one side to the positive output terminal (A) via a serial external current limiter (SCL1'), while on the other side it is connected directly to the negative output terminal (B). The first branch (G1) contains an additional external current limiter (SCL1) connected in series with the upper key (K1.1) and the lower key (K1.2), and in parallel to the contacts of the upper key (K1.1) an internal voltage limiter (SCL2), an upper current detector system (TO1.1) and an upper voltage generator (U1.1) are connected in series.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest iskrobezpieczny elektroniczny przekaźnik bezpieczeństwa stosowany do sterowania urządzeń zlokalizowanych w strefie zagrożonej wybuchem gazu lub pyłu, w szczególności w górnictwie.The subject of the invention is an intrinsically safe electronic safety relay used to control devices located in a gas or dust explosion hazard zone, in particular in mining.

Znane i stosowane są powszechnie przekaźniki bezpieczeństwa oparte na przekaźnikach elektromechanicznych o specjalnej konstrukcji. Przekaźniki te używane są w układach sterowania urządzeń, w których w przypadku nieprawidłowego zadziałania, narażeniu ulega zdrowie lub życie ludzkie lub mienie znacznej wartości. Zastosowanie tych przekaźników w strefie zagrożonej wybuchem gazu lub pyłu jest utrudnione ze względu na znaczne indukcyjności cewek przekaźników elektromechanicznych, znaczny pobór mocy oraz wymagane przez normy na zabezpieczenia za pomocą iskrobezpieczeństwa znaczne odstępy izolacyjne pomiędzy elementami stykowymi a cewkami. Niektóre z nich posiadają jedynie możliwość zastosowania ich zestyków w strefie zagrożonej wybuchem podczas, gdy sam przekaźnik musi zostać zlokalizowany poza strefą.Safety relays based on electromechanical relays of a special design are commonly known and used. These relays are used in the control systems of devices which, in the event of a malfunction, endanger human health or life or property of significant value. The use of these relays in a gas or dust explosion hazard zone is difficult due to the significant inductances of the electromechanical relay coils, significant power consumption and the significant insulation gaps between the contact elements and the coils required by standards for intrinsically safe protection. Some of them only have the option of using their contacts in a hazardous area, while the relay itself must be located outside the area.

Znane są przekaźniki półprzewodnikowe SSR, które są urządzeniami załączającymi zbudowanymi wyłącznie z elementów elektronicznych. Sterowaniem obciążeniem prądowym jest realizowane przy wykorzystaniu układu z elementem optoelektronicznym. Dzięki temu obwód sterujący jest odseparowany galwanicznie od obwodu głównego. Stosowanie sprzężenia optycznego powoduje także niska pojemność pomiędzy wyjściem a wejściem przekaźnika i w konsekwencji niska wartość prądu upływu co ma duże znaczenie w wielu aplikacjach.There are known solid-state relays SSR, which are switching devices composed exclusively of electronic components. The control of the current load is carried out using a system with an optoelectronic element. Thanks to this, the control circuit is galvanically separated from the main circuit. The use of optical coupling also causes a low capacitance between the output and the input of the relay and, consequently, a low value of the leakage current, which is of great importance in many applications.

Znany jest przekaźnik półprzewodnikowy, który wykorzystuje tranzystory MOSFET. Prąd sterujący wynoszący tylko kilka mA w obwodzie wejściowym PhotoMOS zaświeca diodę LED wykonaną z arsenku galu, emitującą światło podczerwone. Po przejściu przez półprzezroczystą żywicę pełniącą rolę izolatora, podczerwień oświetla fotoogniwa zintegrowane w obudowie PhotoMOS, które przetwarzają światło na napięcie. Zapewnia to izolację galwaniczną pomiędzy obwodami wejściowymi a wyjściowymi. Napięcie z fotoogniw jest podawane na obwód sterujący połączonymi bramkami dwóch sprzężonych tranzystorów DMOSFET dołączonymi do styków wyjściowych.A solid state relay that uses MOSFETs is known. A control current of only a few mA on the PhotoMOS input circuit lights a gallium arsenide LED that emits infrared light. After passing through the translucent resin as an insulator, the infrared light illuminates the photovoltaic cells integrated in the PhotoMOS housing, which transform the light into voltage. This provides galvanic isolation between the input and output circuits. The voltage from the photovoltaic cells is fed to the circuit controlling the connected gates of two coupled DMOSFET transistors connected to the output contacts.

Znany jest z opisu patentowego PL 315389 B1 układ przekaźnika bezstykowego z wyjściem kontrolnym o bardzo małej rezystancji wewnętrznej, przeznaczony do stosowania w bezpiecznych systemach automatyki, zwłaszcza w układach sterowania urządzeniami zewnętrznymi sygnalizacji przejazdowej. Układ przekaźnika bezstykowego według wynalazku charakteryzuje się tym, że bramka klucza tranzystorowego trzeciego wyprowadzona jest poprzez rezystor drugi na wejście drugie układu i połączona jest z kolektorem pierwszego tranzystora, katodą diody czwartej i poprzez rezystor ósmy z ujemnym biegunem zasilania. Źródło klucza tranzystorowego trzeciego połączone jest z anodami diod, trzeciej i czwartej, z odwracającym wejściem komparatora i poprzez dziewiąty rezystor z ujemnym biegunem źródła zasilania. Dren klucza tranzystorowego trzeciego wyprowadzony jest na wyjście pierwsze układu i połączony jest z katodą diody trzeciej oraz z katodą diody pierwszej, której anoda połączona jest z rezystorem szóstym przyłączonym do dodatniego bieguna źródła zasilania. Układ sterowania ma możliwość kontroli przekaźnika i jest w stanie wykryć każde jego dowolne uszkodzenia w obwodzie głównym. Układ przekaźnika ma dwa obwody sygnalizacji: włączenia przekaźnika prądu. Przepływ prądu płynącego przez przekaźnik, powyżej zadanej wartości, jest sygnalizowany optycznie i elektrycznie. Sygnalizacja optyczna pozwala na łatwą diagnostykę. Możliwość włączania układu sygnałem niskim lub wysokim umożliwia sprowadzenie obiektu sterowanego przez układ do zadanego stanu w przypadku awarii sterowania.Known from the patent description PL 315389 B1 is a contactless relay system with a control output with a very low internal resistance, intended for use in safe automation systems, especially in systems for controlling external devices of level crossing signaling. The circuit of the contactless relay according to the invention is characterized in that the gate of the third transistor key is led through the second resistor to the second input of the circuit and is connected to the collector of the first transistor, the cathode of the fourth diode and through the eight resistor to the negative power supply terminal. The source of the third transistor key is connected to the anodes of the third and fourth diodes, to the inverting input of the comparator and through the ninth resistor to the negative pole of the power source. The drain of the third transistor key is led to the first output of the circuit and is connected to the cathode of the third diode and to the cathode of the first diode, the anode of which is connected to the sixth resistor connected to the positive pole of the power source. The control system has the ability to control the relay and is able to detect any of its faults in the main circuit. The relay circuit has two signaling circuits: switching on the current relay. The flow of current flowing through the relay, above the set value, is signaled optically and electrically. Optical signaling allows for easy diagnostics. The possibility of switching the system on with a low or high signal allows to bring the object controlled by the system to the desired state in the event of a control failure.

Celem wynalazku jest przekaźnik bezpieczeństwa zbudowany wyłącznie z wykorzystaniem elementów elektronicznych umożliwiających uzyskanie poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa do SIL3 i możliwości, wykonania przekaźnika w wersji iskrobezpiecznej.The aim of the invention is a safety relay built exclusively with the use of electronic components that enable achieving the safety integrity level up to SIL3 and the possibility of making the relay in an intrinsically safe version.

Iskrobezpieczny elektroniczny przekaźnik bezpieczeństwa że składa się z elektronicznego przekaźnika połączonego poprzez układ izolacji galwanicznej sygnałów z dwoma mikrokontrolerami, które połączone są ze sobą co najmniej jednym szeregowym interfejsem komunikacyjnym. Z kolei elektroniczny przekaźnik zawiera co najmniej dwa połączone ze sobą równoległe bliźniacze obwody składające się pierwszej gałęzi i drugiej gałęzi, które z jednej strony połączone są z zaciskiem dodatnim wyjściowym poprzez szeregowy ogranicznik prądu zewnętrznego, natomiast z drugiej strony połączony jest bezpośrednio z ujemnym zaciskiem wyjściowym. Pierwsza gałąź zawiera połączony szeregowo dodatkowy ogranicznik prądu zewnętrznego, z kluczem górnym oraz z kluczem dolnym. Równolegle do styków klucza górnego połączony jest szeregowo ogranicznik napięcia wewnętrznego, górnyIntrinsically safe electronic safety relay that consists of an electronic relay connected through a galvanic isolation system of signals to two microcontrollers that are connected to each other by at least one serial communication interface. The electronic relay, in turn, comprises at least two parallel twin circuits consisting of the first branch and the second branch, which on the one hand are connected to the positive output terminal through a serial external current limiter, and on the other hand are connected directly to the negative output terminal. The first branch contains an additional external current limiter connected in series with the upper key and the lower key. The upper internal voltage limiter is connected in series parallel to the contacts of the upper key

PL 237 078 B1 układ detektora prądu oraz górny generator napięcia. Przy czym z układem izolacji galwanicznej sygnałów połączony jest kolejno: układ górnego detektora prądu, górny klucz i górny generator napięcia. Z kolei równolegle do styków klucza dolnego połączony jest szeregowo ogranicznik prądu wewnętrznego, układ dolnego detektora prądu oraz dolny generator napięcia. Przy czym z układem izolacji galwanicznej sygnałów połączony jest kolejno: układ dolnego detektora prądu, dolny klucz i dolny generator napięcia.Current detector circuit and upper voltage generator. The upper current detector system, upper key and upper voltage generator are successively connected to the signal galvanic isolation system. In turn, parallel to the contacts of the lower key, the internal current limiter, the lower current detector system and the lower voltage generator are connected in series. The following elements are connected to the signal galvanic isolation system: the lower current detector system, the lower key and the lower voltage generator.

Poprzez zastosowanie w układzie elektronicznego przekaźnika bezpieczeństwa według wynalazku układu testowania technicznej poprawności działania kluczy K1.1 i K1.2 K2.1 i K2.2 oraz sposobu realizacji tej kontroli z wykorzystaniem dwóch niezależnych mikrokontrolerów MK1 i MK2 umożliwiono uzyskanie poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa do poziomu SIL3. Ponadto zastosowanie ograniczników prądowych zabezpiecza przed przekazaniem energii dostarczonej z zewnątrz do układów detektorów prądu. Użycie w elektronicznym przekaźniku bezpieczeństwa wyłącznie elementów elektronicznych umożliwia hermetyzację układu w celu uniemożliwienia dostępu atmosfery wybuchowej.By using the electronic safety relay according to the invention, the system for testing the technical correctness of the operation of the K1.1 and K1.2 K2.1 and K2.2 keys and the method of carrying out this control with the use of two independent microcontrollers MK1 and MK2, it was possible to obtain the safety integrity level up to the SIL3 level . In addition, the use of current limiters prevents the transfer of energy supplied from the outside to the current detector systems. The use of only electronic components in the electronic safety relay allows the system to be hermetically sealed in order to prevent the access of an explosive atmosphere.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania rysunku, na którym Fig. 1 - przedstawia schemat układu elektronicznego przekaźnika bezpieczeństwa, Fig. 2 - przedstawia wykres jednego pełnego cyklu sterowania i testowania obwodu wyjściowego w pierwszej gałęzi elektronicznego przekaźnika z oznaczeniem istotnych punktów cyklu oraz wykres jednego pełnego cyklu sterowania i testowania obwodu wyjściowego w drugiej gałęzi elektronicznego przekaźnika bez dodatkowych oznaczeń punktów cyklu, Fig. 3 - przedstawia ogólny schemat sterowania urządzeniem zlokalizowanym w przestrzeni zagrożonej wybuchem gazu lub pyłu z zastosowaniem elektronicznego przekaźnika bezpieczeństwa.The subject of the invention is presented in an embodiment of the drawing, in which Fig. 1 - shows a diagram of the electronic circuit of the safety relay, Fig. 2 - shows a diagram of one full cycle of control and testing of the output circuit in the first branch of the electronic relay with the marking of important cycle points and a diagram of one complete control and testing cycle of the output circuit in the second branch of the electronic relay without additional marking of the cycle points, Fig. 3 - shows the general scheme of controlling the device located in a gas or dust explosion hazard area with the use of an electronic safety relay.

Układ elektronicznego przekaźnika bezpieczeństwa (Fig. 1) składa się z elektronicznego przekaźnika EP połączonego poprzez układ izolacji galwanicznej sygnałów UIGS z dwoma mikrokontrolerami MK1 i MK2, przy czym mikrokontrolery MK1 i MK2 połączone są ze sobą szeregowym interfejsem komunikacyjnym SZIK. Elektroniczny przekaźnik EP zawiera dwa połączone ze sobą równoległe bliźniacze obwody w postaci pierwszej gałęzi G1 i drugiej gałęzi G2, które z jednej strony połączone są z zaciskiem dodatnim wyjściowym A poprzez szeregowy ogranicznik prądu zewnętrznego SCL1 zabezpieczający przed zsumowaniem się napięcia z iskrobezpiecznego źródła zasilania zewnętrznego IŹZZ (Fig. 3), natomiast z drugiej strony połączony jest bezpośrednio z ujemnym zaciskiem wyjściowym B.The electronic safety relay system (Fig. 1) consists of an electronic EP relay connected through the UIGS signal galvanic isolation system with two microcontrollers MK1 and MK2, where the microcontrollers MK1 and MK2 are connected with each other by a serial communication interface SZIK. The electronic relay EP includes two parallel twin circuits connected to each other in the form of the first branch G1 and the second branch G2, which on one side are connected to the positive output terminal A through a serial external current limiter SCL1 preventing the summation of the voltage from the intrinsically safe external power source IŹZZ ( Fig. 3), while on the other hand it is connected directly to the negative output terminal B.

Pierwsza gałąź G1 zawiera połączony szeregowo dodatkowy ogranicznik prądu zewnętrznego SCL1’, z górnym kluczem K1.1 oraz z dolnym kluczem K1.2, Równolegle do styków górnego klucza K1.1, połączony jest szeregowo górny ogranicznik napięcia wewnętrznego SCL2, górny układ detektora prądu TO1.1 oraz górny generator napięcia U1.1.The first branch of G1 includes an additional external current limiter SCL1 'connected in series, with the upper key K1.1 and with the lower key K1.2. Parallel to the contacts of the upper key K1.1, the upper internal voltage limiter SCL2, the upper current detector system TO1 is connected in series. .1 and the upper voltage generator U1.1.

Przy czym z układem izolacji galwanicznej sygnałów UIGS połączony jest kolejno:It is connected to the galvanic isolation system of UIGS signals in sequence:

• górny układ detektora prądu TO1.1 poprzez końcówkę D_l1.1.• the upper current detector circuit TO1.1 through the D_l1.1 pin.

• górny klucz K1.1 poprzez końcówkę C_K1.1, • górny generator napięcia U1.1 poprzez końcówkę C_U1.1,• upper key K1.1 through the tip C_K1.1, • upper voltage generator U1.1 through the tip C_U1.1,

Z kolei równolegle do styków dolnego klucza K1.2, połączony jest szeregowo dolny ogranicznik napięcia wewnętrznego SCL4, dolny układ detektora prądu TO1.2 oraz dolny generator napięcia U1.2.In turn, parallel to the contacts of the lower key K1.2, the lower internal voltage limiter SCL4, the lower current detector system TO1.2 and the lower voltage generator U1.2 are connected in series.

• dolny układ detektora prądu TO1.2 poprzez końcówkę D_I1.2, • dolny klucz K1.2 poprzez końcówkę C_K1.2, • dolny generator napięcia U1.2 poprzez końcówkę C_U1.2.• the lower current detector system TO1.2 through the D_I1.2 pin, • the lower key K1.2 through the C_K1.2 pin, • the lower voltage generator U1.2 through the C_U1.2 pin.

Druga gałąź G2 ma taki sam bliźniaczy układ poszczególnych elementów oraz połączeń jak pierwsza gałąź G1 i została uwidoczniona i odpowiednio oznaczona na Fig. 1, dlatego pominięto ją w opisie wynalazku.The second branch G2 has the same twin arrangement of individual elements and connections as the first branch G1 and has been shown and correspondingly marked in Fig. 1, therefore it has been omitted from the description of the invention.

Górny klucz K1.1 sterowany jest przez mikrokontroler MK1, z kolei dolny klucz K1.2 jest sterowany przez mikrokontroler MK2. Mikrokontrolery MK1 i MK2 za pomocą szeregowego interfejsu komunikacyjnego SZIK wymieniają się danymi, sprawdzając tym samym poprawność wykonywanych operacji.The upper K1.1 key is controlled by the MK1 microcontroller, while the lower K1.2 key is controlled by the MK2 microcontroller. The MK1 and MK2 microcontrollers use the SZIK serial communication interface to exchange data, thus checking the correctness of the operations performed.

Załączenie wyjścia A B elektronicznego przekaźnika EP wymaga jednoczesnego zwarcia obu kluczy K1.1 i K1.2 lub K2.1 i K2.2 w pierwszej gałęzi G1 lub w drugiej gałęzi G2, czyli wysterowania ich przez dwa mikrokontrolery MK1 i MK2 jednocześnie.Switching on the A B output of the electronic EP relay requires a simultaneous short-circuit of both keys K1.1 and K1.2 or K2.1 and K2.2 in the first branch G1 or in the second branch G2, i.e. they must be actuated by two microcontrollers MK1 and MK2 simultaneously.

PL 237 078 B1PL 237 078 B1

Dwie równoległe gałęzie G1 i G2 służą naprzemiennie do realizowania funkcji sterowania i testowania ich stanu technicznego. W fazie cyklu, w którym sterowanie realizuje pierwsza gałąź G1, druga gałąź G2 jest testowana. Następnie druga gałąź G2, która została pozytywnie przetestowana, przejmuje funkcję sterowania, a testowana jest pierwsza gałąź G1, która do tej pory pełniła funkcję sterującą.Two parallel branches G1 and G2 are used alternately to perform control functions and test their technical condition. In the cycle phase where the control is performed by the first branch G1, the second branch G2 is tested. Then the second branch of G2, which has been positively tested, takes over the control function, and the first branch of G1, which until now performed the control function, is tested.

Stan półprzewodnikowych kluczy K1.1 i K1.2 lub K2.1 i K2.2 w pierwszej gałęzi G1 lub drugiej gałęzi G2 jest przemiennie kontrolowany w fazie testów technicznych za pomocą izolowanych galwanicznie od układu elektronicznego przekaźnika EP układów generujących napięcie U1.1, U1.2, U2.1, U2.2. Napięcie to jest doprowadzane, zgodnie z sekwencją testów, do każdego obwodu z kluczami K1.1 i K1.2 lub K2.1 i K2.2, który aktualnie poddawany jest testowaniu. Przepływ prądu przez testowane klucze K1.1 i K1.2 lub K2.1 i K2.2 jest kontrolowany za pomocą układów poszczególnych detektorów prądu TO1.1, TO1.2, TO2.1 i TO2.2. Zwarcie poszczególnego klucza K1.1 i K1.2 lub K2.1 i K2.2 powoduje przepływ prądu, który jest wykrywany przez układ jego detektora prądu TOxx. Rozwarcie klucza Kxx powoduje zanik przepływu prądu. Każdorazowo testowany stan klucza Kxx jest porównywany przez oba mikrokontrolery MK1 i MK2 z sygnałami zwrotnymi generowanymi przez uczestniczące w danym cyklu układy detektorów prądu TOxx. Wykrycie jakiejkolwiek niezgodności pomiędzy stanem wymaganym, a rzeczywistym świadczy o awarii klucza Kxx lub układów jego kontroli i powoduje awaryjne rozwarcie wszystkich kluczy K1.1 i K1.2 K2.1 i K2.2 oraz ustawienie układu elektronicznego przekaźnika EP w stan bezpieczny. Powyższe testy techniczne są synchronizowane w obu mikrokontrolerach MK1 i MK2 za pośrednictwem szeregowego interfejsu komunikacyjnego, którym mikrokontrolery wymieniają dane.The state of the semiconductor keys K1.1 and K1.2 or K2.1 and K2.2 in the first branch of G1 or the second branch of G2 is alternately monitored during the technical tests phase by means of voltage generating systems U1.1, U1, galvanically isolated from the electronic system of the EP relay .2, U2.1, U2.2. This voltage is applied, according to the test sequence, to each circuit with keys K1.1 and K1.2 or K2.1 and K2.2 that is currently being tested. The current flow through the tested keys K1.1 and K1.2 or K2.1 and K2.2 is controlled by the systems of individual current detectors TO1.1, TO1.2, TO2.1 and TO2.2. A short circuit of a particular key K1.1 and K1.2 or K2.1 and K2.2 causes the flow of current, which is detected by the circuit of its current detector TOxx. Opening the Kxx key causes the loss of the current flow. Each time the tested state of the Kxx key is compared by both MK1 and MK2 microcontrollers with the feedback signals generated by the TOxx current detector systems participating in a given cycle. The detection of any discrepancy between the required and actual conditions proves the failure of the Kxx key or its control systems and causes an emergency opening of all keys K1.1 and K1.2 K2.1 and K2.2 and setting the electronic system of the EP relay to a safe state. The above technical tests are synchronized in both MK1 and MK2 microcontrollers via a serial communication interface through which the microcontrollers exchange data.

Pełny cykl sterowania i testowania obwodu wyjściowego w pierwszej gałęzi G1 został przedstawiony na wykresach G1 - Fig. 2. Opis działania układu elektronicznego przekaźnika EP został przedstawiony przy założeniu, że funkcje sterujące w tym czasie spełnia druga gałąź G2, a pierwsza gałąź G1 poddawana jest testom technicznym. Przy czym sygnały z mikrokontrolerów M1 i M1 podawane są do poszczególnych styków układów pierwszej gałęzi G1 poprzez układ izolacji galwanicznej sygnałów UIGS.The complete control and testing cycle of the output circuit in the first branch of G1 is presented in graphs G1 - Fig. 2. The description of the electronic system of the EP relay has been presented with the assumption that the control functions at that time are performed by the second branch of G2, and the first branch of G1 is tested technical. The signals from the microcontrollers M1 and M1 are fed to individual contacts of the first branch G1 systems through the galvanic isolation system of UIGS signals.

Mikrokontroler MK1 podaje sygnał M1_C_K1.1 do styku C_K1.1 załączając górny klucz K1.1, a mikrokontroler M2 podaje sygnał M2_C_K1.2 do styku C_K1.2 wyłączając dolny klucz K1.2 (punkt 1 na wykresie Fig. 2). Sygnały te podawane są zwrotnie na mikrokontroler MK2 sygnałem M2_D_K1.1 i na mikrokontroler MK1 sygnałem M1_D_K1.2. Następnie mikrokontroler MK1 włącza górny generator napięcia U1.1 sygnałem M1_C_U1.1 oraz generator dolny U1.2 sygnałem M1_C_U1.1 (punkt 2 na wykresie Fig. 2). Mikrokontroler MK2 zostaje o tym poinformowany za pomocą sygnałów M2_D_U1.1 i M2_D_U1.2. Po ustaleniu się poziomów napięć mikrokontrolery MK1 i MK2 sprawdzają stan sygnałów odpowiednio M1 _D_I1.1, M2_D_l1.1, M1_D_I1.1 oraz M2_D_I1,2 (punkt 3 na wykresie Fig. 2). Sygnały te wykazują przepływ prądu przez górny klucz K1.1 i brak przepływu prądu przez dolny klucz K1.2. Po ustalonym czasie następuje zmiana stanu kluczy: górny klucz K1.1 zostaje wyłączony, a dolny klucz K1.2 zostaje włączony (punkt 4 na wykresie Fig. 2). Następuje powtórne sprawdzenie sygnałów M1_D_I1.1, M2_D_l1.1, M1_D_I1.1 oraz M2_D_I1,2 przez oba mikrokontrolery MK1 i MK2 (punkt 5 na wykresie Fig. 2). Sygnały M1_D_I1.1, M2_D_I1.1 powinny teraz wykazywać brak przepływu prądu przez górny klucz K1.1 i przepływ prądu przez dolny klucz K1.2. Mikrokontrolery MK1 i MK2, korzystając z łącza szeregowego interfejsu komunikacyjnego SZIK porównują uzyskane testowe dane i na ich podstawie, stwierdzają stan techniczny testowanych kluczy K1.1 i K1.2. Jeśli wyniki testów technicznych są pozytywne górny klucz K1.1 i dolny klucz K1.2 pierwszej gałęzi G1 zostają ustawione w stan odpowiadający aktualnie realizowanej funkcji przekaźnika (punkt 6 na wykresie Fig. 2), a mikrokontrolery MK1 i MK2 przechodzą do testowania drugiej gałęzi G2. Jeśli w trakcie testów wykryto jakikolwiek błąd wszystkie klucze K1.1, K1.2, K2.1 i K2.2 zostają rozwarte i iskrobezpieczny elektroniczny przekaźnik bezpieczeństwa przechodzi w tryb awaryjny. Testowanie drugiej gałęzi G2 odbywa się wg identycznego trybu postępowania jak testowanie pierwszej gałęzi G1 (Fig. 2 - wykresy G2).The MK1 microcontroller gives the signal M1_C_K1.1 to the contact C_K1.1 turning on the upper key K1.1, and the microcontroller M2 gives the signal M2_C_K1.2 to the contact C_K1.2 turning off the lower key K1.2 (point 1 in the diagram Fig. 2). These signals are fed back to the MK2 microcontroller with the M2_D_K1.1 signal and to the MK1 microcontroller with the M1_D_K1.2 signal. Then the microcontroller MK1 turns on the upper voltage generator U1.1 with the signal M1_C_U1.1 and the lower generator U1.2 with the signal M1_C_U1.1 (point 2 in the diagram of Fig. 2). The MK2 microcontroller is informed about this with the signals M2_D_U1.1 and M2_D_U1.2. After the voltage levels are established, the MK1 and MK2 microcontrollers check the status of the signals M1 _D_I1.1, M2_D_l1.1, M1_D_I1.1 and M2_D_I1.2, respectively (point 3 in the diagram of Fig. 2). These signals show that the current is flowing through the upper key K1.1 and no current is flowing through the lower key K1.2. After a set period of time, the state of the keys changes: the upper key K1.1 is turned off and the lower key K1.2 is turned on (point 4 in the diagram Fig. 2). The signals M1_D_I1.1, M2_D_l1.1, M1_D_I1.1 and M2_D_I1.2 are re-checked by both microcontrollers MK1 and MK2 (point 5 in the graph of Fig. 2). The signals M1_D_I1.1, M2_D_I1.1 should now show no current flowing through the upper key K1.1 and current flowing through the lower key K1.2. The MK1 and MK2 microcontrollers, using the serial link of the SZIK communication interface, compare the obtained test data and on their basis, state the technical condition of the tested K1.1 and K1.2 keys. If the results of the technical tests are positive, the upper key K1.1 and the lower key K1.2 of the first G1 branch are set to the state corresponding to the current relay function (point 6 on the Fig. 2 diagram), and the MK1 and MK2 microcontrollers go to the second G2 branch testing . If any error is detected during the tests, all keys K1.1, K1.2, K2.1 and K2.2 open and the intrinsically safe electronic safety relay goes into the emergency mode. The testing of the second branch of G2 follows the same procedure as the testing of the first branch of G1 (Fig. 2 - G2 plots).

Iskrobezpieczeństwo elektronicznego przekaźnika bezpieczeństwa według wynalazku zostało uzyskane poprzez szeregowe ograniczniki prądu SCL1, które razem z ogranicznikami prądu zewnętrznego SCL1’ tworzą łącznie jeden układ zabezpieczenia zgodny z zasadami iskrobezpieczeństwa ogranicznik prądu dla pierwszej gałęzi G1, a razem z ogranicznikami prądu zewnętrznego SCL1” dla drugiej gałęzi G2. Z kolei ograniczniki prądowe SCL2, SCL3, SCL4 i SCL5 zabezpieczają przed przekazaniem energii dostarczonej z zewnątrz do układów detektorów prądu TO1.1, TO1.2, TO2.1 i TO2.2.The intrinsic safety of the electronic safety relay according to the invention was obtained by the series current limiters SCL1, which together with the external current limiters SCL1 'together form one protection system compliant with the intrinsic safety rules, current limiter for the first branch G1, and together with external current limiters SCL1 "for the second branch G2 . On the other hand, the current limiters SCL2, SCL3, SCL4 and SCL5 protect against the transfer of energy supplied from the outside to the systems of current detectors TO1.1, TO1.2, TO2.1 and TO2.2.

PL 237 078 B1PL 237 078 B1

Na Fig. 3 przedstawiono ogólny schemat sterowania urządzeniem wykonawczym zlokalizowanym w przestrzeni zagrożonej wybuchem gazu lub pyłu PZWG, w którym zastosowano elektroniczny przekaźnik bezpieczeństwa według wynalazku. Z wejściami mikrokontrolerów MK1 i MK2 połączony jest mechaniczny przycisk bezpieczeństwa WB, z kolei do zacisków wyjściowych A i B podłączone jest szeregowo iskrobezpieczne źródło zasilania zewnętrznego IŹZZ i przekaźnik z obwodem sterowania wyłącznikiem mocy OSWM.Fig. 3 shows a general control diagram of an actuator located in a gas or dust explosion hazard zone UCG, in which the electronic safety relay according to the invention is used. A mechanical safety button WB is connected to the inputs of MK1 and MK2 microcontrollers, while the A and B output terminals are connected in series with an intrinsically safe external power source IŹZZ and a relay with the OSWM power switch control circuit.

Wykaz pozycji:List of items:

EP - elektroniczny przekaźnik,EP - electronic relay,

G1 - pierwsza gałąź elektronicznego przekaźnika,G1 - the first branch of the electronic relay,

G2 - druga gałąź elektronicznego przekaźnika,G2 - the second branch of the electronic relay,

K1.1 - górny klucz G1,K1.1 - upper key G1,

K2.1 - górny klucz G2,K2.1 - upper key G2,

K1.2 - dolny klucz G1,K1.2 - lower key G1,

K2.2 - dolny klucz G2,K2.2 - lower key G2,

TO1.1 - układ górnego detektora prądu G1,TO1.1 - G1 upper current detector system,

TO2.1 - układ górnego detektora prądu G2,TO2.1 - G2 upper current detector system,

TO1.2 - układ dolnego detektora prądu G1,TO1.2 - G1 lower current detector system,

TO2.2 - układ dolnego detektora prądu G2,TO2.2 - G2 lower current detector system,

U1.1 - górny generator napięcia G1,U1.1 - upper voltage generator G1,

U2.1 - górny generator napięcia G2,U2.1 - upper voltage generator G2,

U1.2 - dolny generator napięcia G1,U1.2 - lower voltage generator G1,

U2.2 - dolny generator napięcia G2,U2.2 - lower voltage generator G2,

SCL1 - szeregowy ogranicznik prądu zewnętrznego,SCL1 - serial external current limiter,

SCL1’ - ogranicznik prądu zewnętrznego dla gałęzi G1,SCL1 '- external current limiter for G1 branch,

SCL1” - ogranicznik prądu zewnętrznego dla gałęzi G2,SCL1 "- external current limiter for G2 branch,

SCL2 - górny ogranicznik detektora prądu TO1.1,SCL2 - current detector upper limiter TO1.1,

SCL3 - górny ogranicznik detektora prądu TO2.1,SCL3 - current detector upper limiter TO2.1,

SCL4 - dolny ogranicznik detektora prądu TO1.2,SCL4 - the lower limiter of the current detector TO1.2,

SCL5 - dolny ogranicznik detektora prądu TO2.2,SCL5 - the lower limiter of the current detector TO2.2,

D_I1.1 - końcówka obwodu kontrolnego prądu klucza K1.1,D_I1.1 - K1.1 key current control circuit end,

C_K1.1 - końcówka obwodu sterującego kluczem K1.1,C_K1.1 - K1.1 key control circuit end,

C_U1.1 - końcówka obwodu sterującego generatorem napięcia U 1.1,C_U1.1 - end of the circuit controlling the voltage generator U 1.1,

D_I1.2 - końcówka obwodu kontrolnego prądu klucza K1.2,D_I1.2 - K1.2 key current control circuit end,

C_K1.2 - końcówka obwodu sterującego kluczem K1.2,C_K1.2 - K1.2 key control circuit end,

C_U1.2 - końcówka obwodu sterującego generatorem napięcia U 1.2,C_U1.2 - end of the circuit controlling the voltage generator U 1.2,

D_I2.1 - końcówka obwodu kontrolnego prądu klucza K2.1,D_I2.1 - K2.1 key current control circuit end,

C_K2.1 - końcówka obwodu sterującego kluczem K2.1,C_K2.1 - K2.1 key control circuit end,

C_U2.1 - końcówka obwodu sterującego generatorem napięcia U2.1,C_U2.1 - end of the circuit controlling the voltage generator U2.1,

D_I2.2 - końcówka obwodu kontrolnego prądu klucza K2.2,D_I2.2 - K2.2 key current control circuit end,

C_K2.2 - końcówka obwodu sterującego kluczem K2.2,C_K2.2 - K2.2 key control circuit end,

C_U2.2 - końcówka obwodu sterującego generatorem napięcia U2.2,C_U2.2 - end of the circuit controlling the voltage generator U2.2,

MK1 - mikrokontroler G1,MK1 - G1 microcontroller,

MK2 - mikrokontroler G2,MK2 - G2 microcontroller,

SZIK - szeregowy interfejs komunikacyjny,SZIK - serial communication interface,

UGIS - układ galwanicznej izolacji sygnałów,UGIS - signal galvanic isolation system,

A - dodatni zacisk wyjściowy,A - positive output terminal,

B - ujemny zacisk wyjściowy,B - negative output terminal,

WB - mechaniczny wyłącznik bezpieczeństwa,WB - mechanical safety switch,

PZWG - przestrzeń zagrożenia wybuchem gazu,PZWG - gas explosion hazard area,

OSWM - obwód sterowania wyłącznikiem mocy, IŹZZ - iskrobezpieczne źródło zasilania zewnętrznego.OSWM - power switch control circuit, IŹZZ - intrinsically safe external power source.

PL 237 078 Β1PL 237 078 Β1

Opis sygnałów sterujących i kontrolnych mikroprocesora MK1Description of the control and monitoring signals of the MK1 microprocessor

1. 1. M1_C_K1.1 M1_C_K1.1 sygnał sterujący kluczem K1.1 K1.1 key control signal 2. 2. M1_C_K12 M1_C_K12 sygnał sterujący kluczem K1.2 K1.2 key control signal 3. 3. M1_C_U1.1 M1_C_U1.1 sygnał sterujący generatorem napięcia U 1.1 a signal controlling the voltage generator U 1.1 4. 4. M1_C_U1.2 M1_C_U1.2 sygnał sterujący generatorem napięcia U 1.2 the signal controlling the voltage generator U 1.2 5. 5. M1_C_U2.1 M1_C_U2.1 sygnał sterujący generatorem napięcia U2.1 voltage generator control signal U2.1 6. 6. M1 CJJ2.2 M1 CJJ2.2 sygnał sterujący generatorem napięcia U2.2 voltage generator control signal U2.2 7. 7. M1 D.K1.2 M1 D.K1.2 sygnał kontrolny wysterowania klucza K1.2 K1.2 key activation control signal 8. 8. M1 D_K2.2 M1 D_K2.2 sygnał kontrolny wysterowania klucza K2.2 K2.2 key activation control signal 9. 9. M1 DJ1.1 M1 DJ1.1 sygnał kontrolny prądu klucza K1.1 Key current control signal K1.1 10. 10. M1 DJ1.2 M1 DJ1.2 sygnał kontrolny prądu klucza K1.2 K1.2 key current control signal 11. 11. M1_DJ2.1 M1_DJ2.1 sygnał kontrolny prądu klucza K2.1 K2.1 key current control signal 12. 12. M1_D_I2.2 M1_D_I2.2 sygnał kontrolny prądu klucza K2.2 Key current control signal K2.2

Opis sygnałów sterujących i kontrolnych mikroprocesora MK2Description of the control and monitoring signals of the MK2 microprocessor

1. M2 1. M2 D_K1.1 D_K1.1 sygnał kontrolny wysterowania klucza K1.1 K1.1 key activation control signal 2. M2 2. M2 D_K2.1 D_K2.1 sygnał kontrolny wysterowania klucza K2.1 K2.1 key activation control signal 3. M2 3. M2 D.U1.1 D.U1.1 sygnał kontrolny wysterowania generatora U1.1 generator control signal U1.1 4. M2 4. M2 D_U2.1 D_U2.1 sygnał kontrolny wysterowania generatora U2 1 U2 generator control signal 1 5. M2 5. M2 C_K1 2 C_K1 2 sygnał sterujący kluczem K1.2 K1.2 key control signal 6. M2 6. M2 C_K2.2 C_K2.2 sygnał sterujący kluczem K2.2 K2.2 key control signal 7. M2 7. M2 D U1.2 D U1.2 sygnał kontrolny wysterowania generatora U 1.2 generator control signal U 1.2 8. M2 8. M2 D_U2.2 D_U2.2 sygnał kontrolny wysterowania generatora U2.2 generator control signal U2.2 9. M2 9. M2 D 11.1 D 11.1 sygnał kontrolny wysterowania generatora U1.1 generator control signal U1.1 10. M2 10. M2 D_I1.2 D_I1.2 sygnał kontrolny wysterowania generatora U1.2 generator control signal U1.2 11.M2 11.M2 D 12.1 D 12.1 sygnał kontrolny wysterowania generatora U2.1 generator control signal U2.1 12. M2 12. M2 D I2.2 D I2.2 sygnał kontrolny wysterowania generatora U2.2 generator control signal U2.2

Zastrzeżenia patentowePatent claims

Claims

1. Intrinsically safe electronic safety relay containing a transistor key gate and galvanic isolation between circuits, characterized by the fact that it consists of an electronic relay (EP) connected through a signal galvanic isolation system (UIGS) with two microcontrollers (MK1) and (MK2), which are connected are at least one serial communication interface (SZIK) with each other, while the electronic relay (EP) comprises at least two parallel twin circuits connected to each other, consisting of a first branch (G1) and a second branch (G2), which on one side are connected with the positive output terminal (A) through the serial external current limiter (SCL1), and on the other hand it is directly connected to the negative output terminal (B).

2. Intrinsically safe electronic relay according to claim A device according to claim 1, characterized in that the first branch (G1) comprises an additional external current limiter (SCL1) connected in series, with the upper key (K1.1) and with the lower key (K1.2), and parallel to the contacts of the upper key (K1.1) ) the internal voltage limiter (SCL2), the upper current detector system (TO1.1) and the upper voltage generator (U1.1) are connected in series, with the signal galvanic isolation system (UIGS) connected in sequence:

- upper current detector circuit (TO1.1) through the tip (D_I1.1),

- upper key (K1.1) through the tip (C_K1.1),

- upper voltage generator (U1.1) through the pin (C_U1.1).

PL 237 078 B1

3. Intrinsically safe electronic relay according to claim 2, characterized in that the internal current limiter (SCL4), the lower current detector system (TO1.2) and the lower voltage generator (U1.2) are connected in series parallel to the lower key contacts (K1.2), with the insulation system galvanic signals (UIGS) is connected successively:

- lower current detector circuit (TO1.2) through the terminal (D_I1.2),

- lower key (K1.2) through the tip (C_K1.2),

- lower voltage generator (U1.2) through the terminal (C_U1.2).