NL1010601C2 - Redundante veiligheidsschakelinginrichting voor het schakelen van een belasting. - Google Patents

Description

Redundante veilieheidsschakelinginrichting voor het schakelen van een belasting.

De uitvinding heeft betrekking op een veiligheidsschakelinrichting 5 voor het schakelen van een belasting, omvattende twee in serie geschakelde schakelaars, die in serie met de belasting deze op een bekrach-tigingsbron inschakelen of daarvan &fschakelen en een stuurinrichting, die is voorzien van twee van elkaar ontkoppelde stuuruitgangen voor het afgeven van stuursignalen aan de stuuringangen van de schakelaars. 10 Een dergelijke schakelinrichting is bekend uit de ter inzage gelegde Duitse octrooiaanvrage DE 3.517·030 Al,

De bekende veiligheidsschakelinrichting is voorzien van een serie-schakeling vein twee schakelaars in de vorm van transistoren en van een stuurschakeling die twee gelijkwaardige, ten opzichte van elkaar ont-15 koppelde uitgangen heeft. Deze twee ontkoppelde uitgangen zijn via weerstanden met de basis van de beide transistoren verbonden.

De bases van de beide transistoren zijn daardoor zodanig ontkoppelt, dat de schakelspanning op de beide bases terechtkomt, maar bij een ontoelaatbaar defect, zoals een overbrugging van de elektroden van 20 een transistor echter de andere transistor niet geleidend wordt. Daardoor wordt verhinderd dat bij een kortsluiting van de elektroden van een transistor de gehele schakelaar geleidend wordt. Bovendien kan de belasting ondanks een kortsluiting van één van de transistoren nog worden in- of uitgeschakeld en bij het ontbreken van een schakelspan-25 ning blijft de schakelaar in de uitgeschakelde toestand.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een in de aanhef genoemde veiligheidsschakelinrichting, waarbij de stuurinrichting van de schakelaars bij het uitschakelen fail-save zijn. Door defecten zoals sluiting in de componenten van de stuurinrichting moet de belas-30 ting toch uitgeschakeld kunnen worden. Bovendien moet waar mogelijk bij dergelijke fouten ook heringeschakeld kunnen worden. Voorts moet bij een fout in de stuurinrichting deze in een veilige toestand komen, waarbij de belasting wordt uitgeschakeld. Om deze doelstellingen te bereiken moeten bij voorkeur storingen in de stuurinrichting tijdig en 35 betrouwbaar kunnen worden gesignaleerd.

De hierboven genoemde doelstellingen worden volgens de uitvinding daardoor bereikt, dat het onderlinge verbindingspunt van de schakelaars met een van de klemmen van de bekrachtigingsbron is verbonden 1 01 060 1 2 vla een weerstand die een van de schakelaars overbrugt, dat de stuurinrichting een volgorde-inrichting bevat, die bij het inschakelen eerst het eerste stuursignaal aan de eerste stuuruitgang, die de niet door de weerstand overbrugde schakelaar stuurt en een voorafbepaalde 5 periode daarna het tweede stuursignaal aan de tweede stuuruitgang toevoert en dat over de weerstand een foutdetector is aangesloten.

Door de gekozen volgorde van de stuursignalen voor de schakelaars ontstaat bij het inschakelen bij goed functionerende schakelaars een korte puls, die overeenkomt met de schakelt!jd tussen de stuursig-10 nalen. Deze puls kan dan als criterium voor de goede functionering van de schakelaars worden gebruikt door een alarmschakeling.

Het is duidelijk dat bij foutief functionerende schakelaars er geen puls van de genoemde tijdsduur wordt opgewekt.

Bij voorkeur wordt bij het uitschakelen van de belasting door de 15 volgorde-inrichting eerste het tweede stuursignaal en een voorafbepaalde periode daarna het eerste stuursignaal van de corresponderende stuuruitgangen van de stuurinrichting afgeschakeld. Ook bij dit uitschakelen ontstaat dan een overeenkomstige puls mits de schakelaars correct functioneren. De schakelaars worden daardoor zowel bij het in-20 als uitschakelen getest.

Bij voorkeur toe te passen en volledige uitvoeringsvormen zijn omschreven in de verdere volgconclusies.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen, waarin: 25 Fig. 1 een principeschakeling van de veiligheidsinrichting volgens de uitvinding toont;

Fig. 2 diagrammen van de spanning op het onderlinge verbindingspunt van de schakelaars van figuur 1 illustreert bij diverse omstandigheden; en 30 Fig. 3 een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm van de uit vinding weergeeft.

In fig. 1 is een veiligheidsschakelinrichting getoond, die bestaat uit de serieschakeling van de schakelaars Tj en T2, welke schakelaars worden bestuurd door de stuursignalen Usl respectievelijk Us2. De 35 besturing van de schakelaars is schematisch met een stippellijn aangegeven. De stuurinrichting die deze stuursignalen Usl respectievelijk Us2 opwekt is niet getoond.

De serieschakeling van de schakelaars T], en T2 is in serie gescha- 101ORn1 3 keld met de belasting B om deze op de bekrachtigingsbron Ub aan te schakelen of daar vanaf te schakelen, dit onder besturing van de stuursignalen Usl en Us2.

Het criterium voor foutdetectie wordt afgenomen van het onderlinge 5 verbindingspunt ^ van de schakelaars Tj en T2. Dit verbindingspunt kj wordt via de weerstand Rx verbonden met een klem van de bekrachtigingsbron, bij de in figuur 1 getoonde uitvoeringsvorm met de onderste klem van de bekrachtigingsbron. Hierbij wordt de schakelaar T2 door de weerstand Rx overbrugd. Het is uiteraard ook mogelijk deze weerstand Rx te 10 verbinden met de bovenste klem van de bekrachtigingsbron Ub of met het verbindingspunt tussen de belasting B en de schakelaar Tj. Bij deze optie ontstaan echter bij diverse omstandigheden van de veiligheids-inrichting spanningsniveaus op het onderlinge verbindingspunt kb van de schakelaars Tj en T2, die omgekeerd zijn ten opzichte van de bij de in 15 figuur 1 getoonde uitvoeringsvorm optredende niveaus.

Opgemerkt wordt dat de schakelaars Tx en T2 kunnen worden gevormd door relaiscontacten, transistoren, veldeffecttransistoren of andere bestuurbare halfgeleiderschakelaars.

Deze veiligheidsinrichting kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor 20 het op veilige wijze schakelen van elektromotoren als belasting.

Over de weerstand Rj^ ontstaat een spanning Uchk die aan een fout-detector wordt toegevoerd.

In figuur 2 zijn de spanningsvormen van het onderlinge verbindingspunt kj van de schakelaars Tx en T2 getoond.

25 Op regel a is het tijddiagram van het niveau van het verbindings punt kx getoond bij correct werkende schakelaars Tx en T2.

Een niet in figuur 1 getoonde stuurinrichting omvat een volgorde-inrichting voor het volgens een bepaalde volgorde toevoeren van de stuursignalen asm de schakelaars Tx en T2. Voor het inschakelen wordt 30 eerst het stuursignaal Usl toegevoerd aan de schakelaar Tlt die niet door de weerstand Ri wordt overbrugd. De inschakeling van dit stuursignaal Usl vindt plaats op het tijdstip tt. Op het tijdstip t2 wordt dan het tweede stuursignaal Us2 aan de schakelaar T2 toegevoerd. Op het onderlinge verbindingspunt kx van de schakelaars en T2 ontstaat dan 35 een puls waarvan de duur overeenkomt met de tijdsperiode tussen de toevoertijdstippen van de stuursignalen Usl en Us2. Het optreden van deze puls is een indicatie voor het goed functioneren van de schakelaars Tj en T2. Bij het niet correct functioneren van de schakelaars Tt 1010601 4 en T2 treedt een dergelijke puls met de genoemde pulsduur niet op. (Zie regels d-i van figuur 2). Bij het afschakelen van de belasting B wordt eerst het tweede stuursignaal Us2 en een voorafbepaalde periode daarna het eerste signaal Usl van de stuuruitgangen van de niet getoonde 5 stuurinrichting afgeschakeld en op deze tijdstippen dus niet toegevoerd aan de schakelaars Tj en T2. Door deze bijzondere volgorde ontstaat weer een puls met een voorafbepaalde duur die overeenkomt met de tijdsperiode tussen de afschakeltijdstippen van de stuursignalen Usl en us2.

10 Regel b van figuur 2 geldt voor een correct functionerende schake laar Tj en een defecte kortgesloten schakelaar T2. Het niveau van het verbindingspunt kj van de schakelaars Tt en T2 blijft op een laag niveau onafhankelijk van het al dan niet toevoeren van de stuursignalen Usl en Us2.

15 Wanneer de schakelaar Tj correct functioneert, terwijl de schake laar T2 defect is en onderbroken blijft, ontstaat bij het inschakelen en uitschakelen van de stuursignalen Usl en Us2 het spanningsverloop op regel c van figuur 2.

De regels d, e en f van figuur 2 gelden voor een defecte kort-20 gesloten schakelaar Tj en respectievelijk goed functionerende, kortgesloten en onderbroken schakelaar T2.

De regels g, h en i van figuur 2 gelden voor een defecte onderbroken schakelaar Tj bij diverse mogelijkheden van de schakelaar T2.

Uit de spanningsverlopen van figuur 2 blijkt dus dat bij het 25 inschakelen en uitschakelen van de stuursignalen Usl en Us2 slechts de pulsen van een voorafbepaalde duur op regel a van figuur 2 optreden bij correct functionerende schakelaars en T2.

In figuur 3 is een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm van de veiligheidsschakelinrichting volgens de uitvinding getoond, die 30 geschikt is voor het schakelen en besturen van motoren van bijvoorbeeld pompen in een petrochemische fabriek. Daarbij speelt bedrijfszekerheid en veiligheid dikwijls een cruciale rol. Bij deze uitvoeringsvorm is een microprocessor of -controller 1 toegepast. Hierdoor is de flexibiliteit van de veiligheidsinrichting zeer groot, echter 35 mede door de toegenomen complexiteit, moeten er speciale maatregelen worden genomen om de veiligheid van de gebruiker te garanderen.

Er wordt geanticipeerd op twee soorten fouten:

Sluiting van halfgeleiders in de stuureindtrappen. In het 1 01 060 1 5 algemeen wordt een halfgeleider een kortsluiting als hij defect raakt.

Een storing in de besturingsprocessor. Het gaat hierbij om een fout in de besturingssoftware of om een hardwarefout.

5 De microprocessor of -controller 1 wekt een eerste stuursignaal ac in de vorm van een pulstrein en een stuursignaal dc met een voorafbepaald vast niveau op, die respectievelijk worden gebruikt voor het besturen van de als transistoren Tx en T2 uitgevoerde schakelaars. De pulstrein ac wordt toegevoerd aan de stuuringang van de hertriggerbare 10 monostabiele multivibrator 2, waarvan de uitgang via de weerstanden R2 en R3 wordt toegevoerd aan de basisemitterketen van de transistor Tx. Het tweede stuursignaal dc wordt via de weerstanden R*, en R5 toegevoerd aan de basisemitterketen van de transistor T2.

Het onderlinge verbindingspunt kx van de transistoren Tx en T2 is 15 via de weerstand Rx met aarde verbonden. De transistoren Tx en T2 sturen de belasting B aan of uit. Deze belasting kan worden gevormd door een relais eventueel met voorschakeling van een thermische beveiliging. Deze opties kunnen door elke normale deskundige worden gerealiseerd. De spanning over het verbindingspunt kx wordt via een span-20 ningsinterface, bestaande uit de weerstand R6 en de Zener-diode Dx en de diode D2 toegevoerd aan de microprocessor 1. Het signaal chk is een indicatie van het al dan niet goed functioneren van de transistoren Tx en T2. Met het signaal chk wordt tevens geverifieerd of de voedingsbron of bekrachtigingsbron voor de last aanwezig is.

25 Wanneer eerst het signaal ac en daarna het signaal dc worden inge schakeld en bij uitschakelen van de belasting B eerst het signaal dc en daarna het signaal ac worden uitgeschakeld, ontstaan afhankelijk van het al dan niet correct functioneren van de transistoren en daarbijbehorende stuurcircuits spanningsniveaus die overeenkomen met de 30 spanningsverlopen van figuur 2. Wanneer de pulstrein ac verschijnt zal de uitgang van de hertriggerbare monostabiele multivibrator hoog worden en de transistor Tx worden doorgeschakeld, wanneer deze goed functioneert. Nadat na een voorafbepaalde periode het stuursignaal dc wordt ingeschakeld, wordt de transistor T2 doorgeschakeld. Tussen de 35 schakeltijdstippen van de stuursignalen ac respectievelijk dc ontstaat op het verbindingspunt kx een puls wanneer de transistoren Tx en T2 correct functioneren. Na deze puls wordt de belasting B op de bekrachtigingsbron Ub geschakeld. Het signaal chk geeft de status weer van het 1010601 6 knooppunt kx tussen de twee transistoren Tx en T2.

In de microprocessor 1 is een foutdetectiefunctie gerealiseerd. Door middel van deze functie kan worden vastgesteld of het signaal chk een puls van voorafbepaalde duur is, zodat een foutmelding aan de 5 hertriggerbare monostabiele multivibrator 2 kan worden afgegeven wanneer het signaal chk niet een puls van voorafbepaalde duur is, hetgeen een indicatie is van een foutief werkende transistor Tx of T2. De hertriggerbare monostabiele multivibrator 2 wordt dan teruggesteld en wanneer de transistor Tx goed functioneert zal deze in de niet-gelei-10 dende toestand komen, zodat de belasting B wordt uitgeschakeld, ook al zou de transistor T2 door een defect een kortsluiting vormen. De beschreven terugstelketen voor de hertriggerbare monostabiele multivibrator 2 is niet getoond maar kan door elke deskundige worden bedacht.

15 De hertriggerbare monostabiele multivibrator 2 en de pulstrein ac zijn toegepast als extra controle op het goed functioneren van de opwekking van het stuursignaal voor de transistor Tx.

Wanneer de belasting B moet worden uitgeschakeld, wordt eerst het stuursignaal dc en eerst daarna het stuursignaal ac uitgeschakeld. Bij 20 dit uitschakelen ontstaat bij goed functioneren van de transistor transistoren Tx en T2 op het verbindingspunt kx van de transistoren Tx en T2 een puls van voorafbepaalde duur, die overeenkomt met de periode tussen de uitschakeltijdstippen van de stuursignalen ac en dc. Het signaal chk geeft de status van het verbindingspunt kx tusen de twee 25 transistoren Tx en T2 weer en wordt door de microprocessor ingelezen. De in de microprocessor geïmplementeerde foutdetector test het signaal chk op de voorafbepaalde duur en geeft een foutmelding als niet aan de gestelde eisen wordt voldaan.

Bij de in figuur 3 getoonde uitvoeringsvorm is de microprocessor 1 30 voorzien van een bewakingsschakeling, een zogenaamde "watch dog"-scha-keling 3· Zolang de microprocessor goed werkt, wordt het signaal kick gegenereerd. Dit is een pulstrein met zodanige intervallen, dat de watch dog-schakeling 3 niet aanspreekt. Wanneer het signaal kick uitblijft maakt de watch dog-schakeling de terugsteluitgang reset actief, 35 waardoor ook de hertriggerbare monostabiele multivibrator 2 wordt teruggesteld. Hiermee wordt de belasting dus uitgeschakeld.

Tenslotte wordt nog opgemerkt, dat de schakeling van de hertriggerbare monostabiele multivibrator met het daarbijbehorende pulsvor- ,101 06 01 7 mige stuursignaal en het reset-signaal ook kan worden toegepast, wanneer de hierboven genoemde volgorde van toevoeren en uitschakelen van de stuursignalen voor de schakelaars en T2 niet wordt toegepast. Hierbij wordt dan de microprocessor op goed functioneren getest.

1010601

Claims (8)

1. Veiligheidsschakelinrichting voor het schakelen van een belasting, omvattende twee in serie geschakelde schakelaars, die in serie 5 met de belasting deze op een bekrachtigingsbron inschakelen of daarvan afschakelen en een stuurinrichting, die is voorzien van twee van elkaar ontkoppelde stuuruitgangen voor het afgeven van stuursignalen aan de stuuringangen van de schakelaars, met het kenmerk, dat het onderlinge verbindingspunt van de schakelaars met een van de klemmen 10 van de bekrachtigingsbron is verbonden via een weerstand die een van de schakelaars overbrugt, dat de stuurinrichting een volgorde-inrich-ting bevat, die bij het inschakelen eerst het eerste stuursignaal aan de eerste stuuruitgang, die de niet door de weerstand overbrugde schakelaar stuurt en een voorafbepaalde periode daarna het tweede stuur-15 signaal aan de tweede stuuruitgang toevoert en dat over de weerstand een foutdetector is aangesloten.

2. Veiligheidsschakelaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat bij het uitschakelen de volgorde-inrichting eerst het tweede 20 stuursignaal en een voorafbepaalde periode daarna het eerste stuursignaal van de corresponderende stuuruitgangen afschakelt.

3· Veiligheidsschakelinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat een van de stuursignalen een pulstrein is en dat het 25 andere stuursignaal een gelijkstroomsignaal is. k. Veiligheidsschakelinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk. dat de pulstrein via een hertriggerbare monostabiele multivibrator aan de daarbijbehorende stuuringang van de schakelaar wordt 30 toegevoerd.

5· Veiligheidsschakelinrichting volgens conclusie met het kenmerk. dat een door de foutdetector afgegeven foutmeldingssignaal als terugstelsignaal aan de monostabiele multivibrator wordt toegevoerd. 35

6. Veiligheidsschakelinrichting volgens een van de conclusies 1-5, met het kenmerk, dat een microprocessor of microcontroller aanwezig is, die tenminste een van de functies van het opwekken van de stuur- 1 01 060 1 signalen en van de foutdetector uitvoert en die een foutmeldingssig-naal afgeeft bij een defect van een of beide schakelaars.

7. Veiligheidsschakelinrichting volgens conclusie 6, met het ken-5 mgrk, dat een bewakingsschakeling aanwezig is, die is verbonden met een uitgang van de microprocessor of -controller, waarop een correct-signaal optreedt wanneer de microprocessor of controller correct functioneert, en dat de bewakingsschakelingsuitgang met de terugstelingang van de monostabiele multivibrator is verbonden om deze terug te stel-10 len bij incorrect functioneren van de microprocessor of -controller.

8. Veiligheidsschakelinrichting volgens conclusie 7. met het kenmerk. dat bij een defect van een of beide schakelaars het correct-sig-naal wegvalt. ********

101 OR 0 1