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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterbrechen einer Brennstoffzufuhr
zu einem Verbrennungssystems mittels von einem Gasfeuerungsautomaten
gesteuerten Ventilen, bei Vorliegen eines Sicherheitsbedenkens und/oder
einer Störung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Weiter
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Unterbrechen einer Brennstoffzufuhr
zu einem Verbrennungssystems mittels von einem Gasfeuerungsautomaten
gesteuerten Ventilen, bei Vorliegen eines Sicherheitsbedenkens und/oder
einer Störung, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 6.
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Auch
betrifft die Erfindung einen Gasfeuerungsautomat zum sicheren Betreiben
eines Verbrennungssystems, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 12.
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Zudem
betrifft die Erfindung ein Verbrennungssystem, insbesondere ein
Verbrennungssystem mit einem Gasbrenner, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 13.
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Verbrennungssysteme,
Gasfeuerungsautomaten sowie Verfahren und Vorrichtungen zum Unterbrechen
einer Brennstoffzufuhr sind allgemein aus dem Stand der Technik
bekannt.
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Bei
diesen bekannten Lösungen sind zwei unabhängige
Abschaltwege vorgesehen. Hierbei weisen nur wenige Lösungen
einen Überspannungsschutz auf, welche bei einer fehlerhaften
oder unterbochenen Stromzufuhr ein ungewolltes Öffnen einer Gaszufuhrunterbrechung
verhindern. In einer bekannten Lösung ist ein Überspannungsschutz
an einem den Gasfeuerungsautomaten versorgenden Netzteil vorgesehen.
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Der Überspannungsschutz
wird in der Regel mit Z-Dioden oder Suppressor-Dioden, die parallel zur
Logikversorgung geschaltet sind, erreicht Dieser Überspannungsschutz
ist jedoch sehr ungenau, wodurch zu versorgende Logikteile wie Mikrocontroller, sogenannte Watchdogs
etc. sehr leicht beschädigt werden können und
dadurch die Sicherheit des Gasfeuerungsautomaten verringern.
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Auch
sind Gasfeuerungsautomaten bekannt, die nur einen ihrer Abschaltwege,
z. B. mit Hilfe einer internen Spannungsregelung, vor Überspannung schützen.
Hier versagt der Gasfeuerungsautomat bei einer weitergehenden Betrachtung
nach Norm EN 298 9.1.6.2, wenn dieser Abschaltweg
bereits als defekt angenommen wird und eine Überspannung
auftritt die den Rest der GFA-Schaltung gefährdet. Häufig
ist der Überspannungsschutz nur eine redundante Maßnahme,
die nicht prüfbar ist. Wird der Überspannungsschutz
innerhalb der Lebensdauer des GFA aus irgendeinem Grund unwirksam,
ist die Sicherheit des GFA gefährdet.
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Bei
Versagen lässt sich ein dritt- und mehrfach statischer
Fehler nicht ausschließen. Bei dritt- oder mehrfach statischen
Fehlern handelt es sich um Folgendes: Bei einem derartigen Fehlerfall
kommt es vor, dass z. B. mehrere Ports eines Mikrocontrollers ihren
Zustand dauerhaft behalten oder dass ein Mikrocontroller durch Überspannung,
EMV-Puls o. ä. in einem aktuellen Zustand dauerhaft verharrt,
ohne diesen wieder zu verlassen. Diese Fehlerbetrachtung soll bei
einer Überarbeitung der Norm EN 298 berücksichtigt
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungssystem, einen
Gasfeuerungsautomaten, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Unterbrechen
einer Brennstoffzufuhr zu schaffen, bei denen die Logik- und/oder
Schaltteile sicher geschützt sind und ein unbeabsichtigtes Öffnen
einer Brennstoffzufuhr sicher verhindert ist.
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Erfindungsgemäß wird
dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches
1, des Patentanspruchs 6, des Patentanspruchs 12 und des Patentanspruchs
13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Unterbrechen einer
Brennstoffzufuhr zu einem Verbrennungssystems mittels von einem
Gasfeuerungsautomaten gesteuerten Ventilen, bei Vorliegen eines
Sicherheitsbedenkens und/oder einer Störung, wobei das
Unterbrechen über mindestens zwei unabhängige
Abschaltwege durchgeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine unabhängige Überwachung mindestens
eines der unabhängigen Abschaltwege durchgeführt
wird, um bei Störung in mindestens einem der Abschaltwege
eine sichere Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zu gewährleisten.
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In
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Abschaltwege
jeweils über mindestens eine unabhängige Überwachungseinrichtung überwacht
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass die Überwachung über
einen dritten, mit mindestens einem der unabhängigen Abschaltwege
gekoppelten Abschaltweg durchgeführt wird.
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In
noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass der dritte Abschaltweg mit mindestens
dem ersten und/oder dem zweiten Abschaltweg getriggert wird.
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Wiederum
eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass der dritte Abschaltweg die Brennstoffzufuhr unterbricht,
wenn ein von dem mindestens einen gekoppelten unabhängigen
Abschaltweg generiertes dynamisches Signal ausbleibt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Unterbrechen
einer Brennstoffzufuhr zu einem Verbrennungssystems mittels von
einem Gasfeuerungsautomaten gesteuerten Ventilen, bei Vorliegen
eines Sicherheitsbedenkens und/oder einer Störung, wobei mindestens
zwei unabhängige Abschaltwege zum Unterbrechen der Brennstoffzufuhr
vorgesehen sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Durchführen
eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen
sind.
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In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen,
dass die Mittel mindestens eine, mit mindestens einem der unabhängigen
Abschaltwege gekoppelte, Sicherheitseinrichtung umfassen, um bei
Vorliegen einer Störung in dem mindestens einen unabhängigen
Abschaltweg eine sichere Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zu gewährleisten.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist vorgesehen, dass die Sicherheitseinrichtung mindestens einen
abhängigen, insbesondere dritten, Abschaltweg umfasst,
der mit mindestens einem der unabhängigen Abschaltwege
gekoppelt ist.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist vorgesehen, dass der abhängige Abschaltweg über
ein dynamisches Signal mit mindestens einem der unabhängigen
Abschaltwege gekoppelt, insbesondere getriggert, ist.
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Wiederum
eine weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass der abhängige Abschaltweg mindestens einen
System-Basis-Chip, insbesondere einen Watchdog IC oder Wachhund
IC, zum Überwachen des gekoppelten unabhängigen
Abschaltweges umfasst.
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Noch
eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass die Sicherheitseinrichtung mindestens für
mindestens zwei unabhängige Abschaltwege je einen Stromausfallschutz, insbesondere
einen Überspannungsschutz, aufweist.
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Der
erfindungsgemäße Gasfeuerungsautomat zum sicheren
Betreiben eines Verbrennungssystems, mit Schaltmitteln, ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaltmittel mindestens eine erfindungsgemäße
Vorrichtung umfassen.
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Das
erfindungsgemäße Verbrennungssystem, ist dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein erfindungsgemäßer
Gasfeuerungsautomat vorgesehen ist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, dem erfindungsgemäßen Gasfeuerungsautomaten
und dem erfindungsgemäßen Verbrennungssystem werden
insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Durch den dritten
Abschaltweg lassen sich dritt- und/oder mehrfach statische Fehler
vermeiden, welche zu einem ungewollten Öffnen von Stellgliedern wie
Ventilen führen, was zu einer ungewollten Brennstoffzufuhr
führen würde. Durch die Kopplung der Abschaltwege
ist ein redundantes System geschaffen, welches sicher ausgebildet
ist. Durch die Redundanz ist eine sicheres Gesamtsystem auf einfache
Weise realisiert.
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Die
Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dar und zeigen in den Figuren:
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1 schematisch
in einem Blockdiagramm ein Schaltungsanordnung einer Vorrichtung
für einen Gasfeuerautomaten und
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2 schematisch
in einem Blockdiagramm eine andere Schaltungsanordnung einer Vorrichtung für
einen Gasfeuerautomaten.
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1 zeigt
schematisch in einem Blockdiagramm eine Schaltungsanordnung einer
Vorrichtung 1 für einen Gasfeuerautomaten. Eine
Gasversorgung erfolgt entsprechend der Stellung zweier Sicherheitsmagnetventile 14,
welche von einer Stromversorgung 12 gespeist werden. Bei
einer Unterbrechung der Stromversorgung schließen die Sicherheitsmagnetventile 14 und
unterbrechen so eine Gaszufuhr.
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Um
sicherzustellen, dass bei Störungen und/oder Vorliegen
von Sicherheitsbedenken eine Gaszufuhr unterbrochen wird, umfasst
die Vorrichtung 1 eine Sicherheitseinrichtung 4 mit
einem ersten Abschaltweg 2, einem zweiten Abschaltweg 3 und
einem erfindungsgemäßen dritten Abschaltweg 5.
Die Abschaltwege 2, 3, 5 umfassen jeweils
eine Logikschaltung oder einen Microcontroller 17, 10, 6,
wobei jeder μC mit mindestens einem Schalter 16, 11, 19 zur
Unterbrechung einer Stromversorgung der Sicherheitsmagnetventile 14 zusammenwirkt.
Die Microcontroller 6, 10 und 17 werden
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils von einer
eigenen Spannungsquelle versorgt. Zur redundanten Ausbildung der
Sicherheitseinrichtung 4 weist diese mindestens für
mindestens zwei unabhängige Abschaltwege 2, 3 je
einen Stromausfallschutz 7, insbesondere einen Überspannungsschutz,
auf, wobei hier nur einer schematisch dargestellt ist.
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Der
erste Abschaltweg 2 und der zweite Abschaltweg 3 sind über
entsprechende Leitungen 8 mit einer Ionisationsdetektionsschaltung 9 verbunden.
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Eine
Wärmeforderung wird, wie durch den Pfeil P dargestellt,
ebenfalls an den μC 17 gesendet, der entsprechend
die gekoppelten Komponenten schaltet. Je nach Wärmeforderung
schaltet der μC 17 die Sicherheitsmagnetventile 14,
wodurch die Brennstoffzufuhr entsprechend einer Sicherheitsmagnetventilstellung 14 geregelt
oder eingestellt wird.
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Im
Folgenden ist der Aufbau detaillierter beschrieben. Der erste Abschaltweg 2 und
der zweite Abschaltweg 3 sind über entsprechende
Leitungen 8 mit einer Ionisationsdetektionsschaltung 9 verbunden.
Der zweite Abschaltweg 3 umfasst gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 1 einen Asic, μC oder Watchdog-Logikbaustein 10.
Dieser ist wiederum mit einem sogenannten Highside-Schalter 11 gekoppelt, der
eine Spannungsversorgung 12 für Sicherheitsmagnetventile 14 schaltet
oder unterbricht. Nachgeschaltet zu dem Highside-Schalter 11 ist
eine Gasarmatur 13. Die Gasarmatur 13 umfasst
die zwei Sicherheitsmagnetventile 14, welche ein entsprechendes
Schalten der Brennstoffzufuhr regeln. Die Sicherheitsmagnetventile 14 können,
wie dargestellt, parallel geschaltet sein. Eingangsseitig sind die
Sicherheitsmagnetventile 14 über einen Sicherheitstemperaturbegrenzer 15 mit
dem Highside-Schalter 11 gekoppelt. Nachgeschaltet zu den
Sicherheitsmagnetventilen 14 ist jeweils ein Schalter 16 des
ersten Abschaltweges 2. Die Schalter 16 werden über
einen Mikrocontroller oder kurz μC 17 gesteuert,
der in dem ersten Abschaltweg 2 umfasst ist. Je nach Stellung der
Schalter wird die Stromzufuhr zu den Sicherheitsmagnetventilen 14 geschaltet
oder unterbrochen. Der Mikrocontroller 17 steuert über
eine entsprechende Schaltung 18, hier eine logische UND-Schaltung,
die Stromzufuhr zu den Sicherheitsmagnetventilen 14, sodass
eine Brennstoffzufuhr entsprechend auch über den ersten
Abschaltweg 2 durch Schalten des Schalters 11 und
damit der Stromzufuhr zu den Sicherheitsmagnetventilen 14 schaltbar
ist. Eine Wärmeforderung wird, wie durch den Pfeil P dargestellt,
ebenfalls an den μC 17 gesendet, der entsprechend
die gekoppelten Komponenten schaltet. Je nach Wärmeforderung
schaltet der μC 17 die Sicherheitsmagnetventile 14,
wodurch die Brennstoffzufuhr entsprechend einer Sicherheitsmagnetventilstellung 14 geregelt
oder eingestellt wird.
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Der μC 17 bearbeitet
somit die Wärmeforderungen und betreibt den Brenner. Demgegenüber steht
dem μC 17 der Watchdog, ASIC oder μC 10 des zweiten
Abschaltweges 3, der in dem Ausführungsbeispiel
nach 1 die Flamme eines Brenners anhand eines Flammsignals
(Ionisation) überwacht. Mit dem ersten Abschaltweg 2 ist
die Sicherheitseinrichtung 4, genauer der dritte Abschaltweg 5 der
Sicherheitseinrichtung 4 gekoppelt. Der dritte Abschaltweg 5 umfasst
den System-Basis-Chip 6, der vorliegend als Watchdog ausgebildt
ist. Der Watchdog 6 wird durch den μC 17 regelmäßig
getriggert, etwa über ein dynamisches Signal. Wird der
Watchdog 6 nicht getriggert, öffnet er einen Lowside-Schalter 19,
wodurch die Magnetsicherheitsventile 14 geschlossen werden.
Damit wird das System auch im Falle von dritt statischen Fehlern
in einen sicheren Zustand gebracht. Über den System-Basis-Chip 6 wird
der der Gasarmatur 13 nachgeschaltete Schalter 19 geschaltet,
sodass auch über den dritten Abschaltweg 5 eine
Brennstoffzuführungsunterbrechung realisierbar ist. Der
Watchdog 6 des dritten Abschaltwegs kann als Time Out Watchdog,
ein Zeitfenster Watchdog oder einen intelligenten Watchdog mit Frage-Antwort-Protokoll
ausgebildet sein. Der Lowside-Schalter 19 umfasst bevorzugt
einen N-Kanal Power MosFET.
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Die
Sicherheitseinrichtung 4 umfasst zudem einen Stromausfallschutz 7,
der hier als Überspannungsschutz in dem Logikbaustein 10 integriert
ist.
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2 zeigt
schematisch in einem Blockdiagramm eine andere Schaltungsanordnung
einer Vorrichtung 1 für einen Gasfeuerautomaten.
Die Funktionsweise entspricht im Wesentlichen der gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach 1. Die Sicherheitseinrichtung 4 umfasst
dabei ebenfalls drei Abschaltwege 2, 3, 5.
Der erste Abschaltweg 2 umfasst den μC 17,
der die eingehende Wärmeforderung bearbeitet und den Brenner
betreibt. Zwei der Abschaltwege 2, 3, 5 sind
vor Überspannung geschützt. Im vorliegenden Beispiel
ist es der zweite und der dritte Abschaltweg 3, 5.
Sie lassen sich, aufgrund einer geringeren Pinanzahl, weniger aufwändig,
an allen Pins gegen Überspannungen schützen. Der
zweite Abschaltweg 3 umfasst einen ASIC 10, das
einen internen Spannungsregler besitzt und damit die integrierte
Logik vor Überspannung schützt. Auch sind sämtliche
Pins des ASIC bis zu 42 V spannungsfest. Eine Ausnahme bilden die
Eingänge eines Resonators, der keine Verbindung zu anderen
Schaltungsteilen hat. Der dritte Abschaltweg 5 umfasst
einen Watchdog oder Timer IC. Er wird über eine Schutzbeschaltung 20 mit
einer Ventilversorgungsspannung versorgt. Ein Triggereingang B ist über
einen hochohmigen Vorwiderstand vor Überspannung seitens μC 17 (erster
Abschaltweg 2) geschützt. Beide spannungsgeschützten
Abschaltwege 3, 5 steuern je einen Schalter 16, 19,
der die Stromversorgung für die Sicherheitsmagnetventile 14 im
Fehlerfall unterbricht. Die Schalter 16 und 19 liegen
bezüglich ihrer Spannungsfestigkeit oberhalb der maximal
(„worst case”) auftretenden Ventil-Versorgungsspannung
und tragen ihrerseits zum Überspannungsschutz bei. Der dritte
Abschaltweg 5 ist in 2 genauer
dargestellt und im Folgenden detailliert beschrieben:
Der Watchdog 6 des
dritten Abschaltwegs 5 baut auf ein retriggerbares Monoflop 6a auf.
Der μC 17 muss das Monoflop 6a regelmäßig
durch einen Puls triggern. Tut er das nicht, schaltet das Monoflop 6a über seinen
Ausgang Q ein MOSFET 19 ab und sperrt die Stromversorgung
der Gasventile 14. Das Monoflop 6a wird über
die Kombination von Widerstand Rv und Spannung Uz vor Überspannungen
auf der Ventilversorgung geschützt und stellt somit eine
Abschaltung sicher, insbesondere wenn die anderen Abschaltwege 2, 3 durch Überspannung
der 5 V Logikversorgung 21 bereits zerstört wurden.
Eine Fehlerbetrachtung nach Norm EN 298 in dieser
Kombination führt zum Erkennen des Fehlers. Der Widerstand
Rp schützt zusätzlich den Monoflop Eingang A vor Überspannung
seitens des μCs 17. Der Widerstand Ra verhindert
ein schwebendes Signal bei defektem μC 17.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EN 298 9.1.6.2 [0008]
- - EN 298 [0009]
- - EN 298 [0036]
