DE2316039C2

DE2316039C2 - Anordnung in einer Regelanlage zur Trennung eines eine Stromquelle aufweisenden Steuerbereiches von einem Arbeitsbereich

Info

Publication number: DE2316039C2
Application number: DE19732316039
Authority: DE
Inventors: Alvan H. Norfolk Mass. Bullard jun.; William Foxboro Mass. Calder III
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1972-04-06
Filing date: 1973-03-30
Publication date: 1984-01-26
Also published as: FR2179151A1; NL7304743A; DE2316039A1; GB1412036A; CA983569A; JPS4914881A; FR2179151B1; IT982957B; AU5251773A

Description

. Die Erfindung betrifft eine Anordnung in einer Regelanlage zur Trennung eines eine Stromquelle

nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US-PS 27 985 bekannt. Solche Anordnungen dienen z. B. zur Verhinderung einer Zündung oder Explosion in gefährdeten Arbeitsbereichen infolge von Schaden oder Störungen der diesen Arbeitsbereichen zugeordneten elektrischen Ausrüstungen.

In verschiedenen industriellen Verfahrensanlagen besteht ein großer Bedarf für elektrische Systeme zur Überwachung und Regelung von Verfahrensabläufen. Diese Systeme bestehen aus im Arbeitsbereich angeordneten Instrumenten, die über Kabel mit einem Steuerbereich verbunden sind, welcher beispielsweise die Stromquellen sowie Anzeige, und Regelinstrumente enthält In vielen Fällen befinden sich im Arbeitsbereich gefährdete Bereiche, in denen entflammbare Gase oder Dämpfe eine Gefahrenquelle darstellen. Aus diesem Grund müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, daß gefährdete Bereiche innerhalb des Arbeitsbereichs im Normalbetrieb der Geräte gegen Explosions- oder Brandgefahr gesichert sind. Wenn ein Störungszustand in der Stromquelle eier in den Instrumenten im Steuerbereich oder im Arbeitsbereich auftritt, muß ebenfalls sichergestellt werden, daß die dort verfügbare Energie so niedrig ist, daß sie keine Entzündung der entfhrjnmbaren Gase oder Dämpfe bewirken kann.

Ein wesentlicher Durchbruch auf diesem Sicherheitsgebiet erfolgte mit der Einführung sog. Trennanordnungen, von denen ein gutes Beispiel in der US-PS 35 27 985 beschrieben ist
Trennanordnungen, wie sie in der genannten US-PS

beschrieben sind, sind aber nur für die Begrenzung des Stroms in einer einzigen Leitung brauchbar. Anlagen mit Trennanordnungen sind sowohl kostspielig als auch kompliziert, da für jede Verbindung mit dem Arbeitsbereich jeweils eine gesonderte Trennanordnung erforder-Hch ist Diese Trennanordnungen müssen außerdem in

v: gewissen Zeitabständen einzeln überprüft werden, um zu gewährleisten, daß rie tatsächlich den zum Arbeitsbereich übertragenden Strom bzw. die Leistung zu begrenzen vermögen.

Jo Ein anderes bekanntes Absicherungsverfahren besteht in der Verwendung von speziell zugeordneten Stromquellen mit eingebauten Spannungs- und Strombegrenzungseinrichtungen. Diese Lösungsart bedingt

; aber starke Einschränkungen bezüglich der Systeman-Ordnung und der Anpassungsfähigkeit und erfordert die Verwendung von mehr als einer Stromversorgung im

" Steuerbereich.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Trennanordnung zu schaffen, bei dec nur eine einzige Stromquelle erforderlich ist um eine Vielzahl vor. Signalpfaden mit Strom zu versorgen, so daß die Trennanordnung flexibel an alle möglichen zu sichernden Geräte- und Schaltungseinheiten angepaßt und ohne großen Aufwand installiert werden kann.

Diese Aufgabe v/ird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

deren v/eitere vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Dutch die Erfindung entfällt das Erfordernis für einzelne, getrennte Trennanordnungen für jeden Anschluß zum Arbeitsbereich, was durch die getrennte Spannungs- und Strombegi enzung ermöglicht wird. Dabei kann nur eine einzige Stromquelle vorgesehen sein, die eine große Vielseitigkeit insbesondere bei der Sy!r!6iP2^I_^l?!^l?^al_^ln'^T7¹_^I!äß» Fs ufpntn alio ein Snannuniysbegrenzer und in jedem zum Arbeitsbereich führenden Signalpfad ein Strombegrenzer verwendet

Der Spannungsbegrenzer ist insofern doppelseitig wirksam, als er neben der Begrenzung der Ausgangs- spannung der Stromquelle auch zu verhindern vermag, daß bei einer in einem Steuerbereichgerät auftretenden Störung über die Stromquelle Strom bzw. Leistung zum Arbeitsbereich abgegeben wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die beiden Seiten der Trennanördnung über getrennte Kabel mit Strom beschickt werden, die nur am Spannimgsbegrenzer miteinander verbunden sind.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbei-

spiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte Darstellung der vollständigen Anordnung nach der Erfindung und

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Spannungsbegrenzers der Anordnung gemäß F i g. 1.

Fig.! zeigt in Blockschaitbüddarsieliung Aufzeichnungs-, Regel- urd Anzeigeinstrumente, die über eine Trennanordnung mit einem Arbeitsbereich verbunden sind. Ein Gefahrenbereich befindet sich im Arbeitsbe- ι» reich.

Innerhalb der Trennanordnung liegen mehrere Signalverarbeitungs-Schaltkreise, von denen ir Erleichterung der Darstellung nu. einzelne rrprär""tative Elemente dargestellt sind. Der Arbeitsbe._:ch enthält is eine Anzahl von Einrichtungen, wie T*; .peratur-. Druck- oder Durchsatzmengengeber. : Messung von Verfahrensparametern sowie £< .irn-uomgen zur Beeinflussung des Verfahrens, wie V-. ». -e und Ventil-Stellglieder, Heizer und Relais, Pumpen und Wandler und -dergl.

Zum besseren Verständnis der Erfindung körnen sowohl die Meß- als auch die Bedienungseinrichtungen im Arbeitsbereich als Widerstandselemente betrachtet Ewerden. Diese Darstellung ist insofern nützlich, als der ^fOr den Betrieb dieser Arbeitsbereich-Einrichtungen !benötigte Strom von einem Steuerbereich durch die ^Trennanordnung über die gleichen Pfade zu diesen ^Einrichtungen übertragen wird, weiche auch die 3>ignalinformation führen. Die Antriebsenergie für reinige dieser Einrichtungen ist nicht-elektrischer Natur, :?. B. pneumatisch, wird jedoch durch elektrische -Wandler gesteuert, so daß die vorliegende Darstellung zzutrifft.

^: Gemäß F i g. 1 ist die Trennanordnung 10 in zwei ^Abschnitte unterteilt, nämlich in einen Steuerbereichsteil 11 und einen Arbeitsbereichsteil 12. Die vorgenannten, im Steuerbereichstei! 11 enthaltenen Instrumente z_und Einrichtungen sind durch einen Instrumentenblock 13 dargestellt und mit dem Steuerbereichsteil 11 der Trennanordnung 10 verbunden. Die Einrichtungen zur ^Messung und Beeinflussung des Verfahrensablaufs sind r:als ein Geber 14 und als ein Stellglied 15 im Arbeitsbereich 16 dargestellt. Diese Einrichtungen and an den Arbeitsbereichsteil 12 der Trennanordnung 10 angeschlossen.

Ein charakteristisches Arbeilsbereich-Meßsignal erscheint als Änderung des Effektivwiderstands des Gebers 14 und wird zur Trennanordnung 10 über eine erste Leitung 17 übertragen, die mit einem im Arbeitsbereichsteil 12 der Trennanordnung 10 befindlichen ersten Widerstand 18 und einer Stromquelle in Reihe geschaltet ist Das Meßsignal wird als Spannungsänderung über den ersten Widerstand 18 durch einen Differenzverstärker 19 festgestellt, dessen beiden Eingangswiderstände 20 und 21 an die beiden Enden des ersten Widerstands 18 angeschlossen sind. Das durch den Differenzverstärker 19 verarbeitete Signal wird über eine zweite Leitung 22 zu Regelinstrumenten im »Slnstrumentenblpck 13 übertragen.

? Ein vom instrumentenblock 13 ausgehendes repräsentatives Regelsignal wird über eine dritte Leitung 23 an den Steuerbereichsteil 11 der Trennanordnung 10 angelegt. Die dritte Leitung 23 ist mit einem dritten Eingangswiderstand 24 eines Verstärkers 25 in Reihe geschaltet Das vom Verstärker 25 verarbeitete Signal wird auf einer vierten Leitung 27 über einen Ausga'ngswiderstand 26 zum Stellglied 15 im Arbeitsbereich 16 übertragen.

Aufgabe der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung ist die Verhinderung einer Zündung in potentiellen Gefahrenbereichen im Arbeitsbereich 16 durch Begrenzung des Stroms bzw. der Leistung, der bzw. die über die erste Leitung 17 und über die vierte Leitung 27 zum Arbeitsbereich 16 übertragen wird. Diese Strombegrenzung muß im Normalfall der Anordnung wirksam sein und auch den für den Arbeitsbereich 16 verfügbaren Strom und damit die Leistung zu begrenzen vermögen, wenn Störungsbedingungen auftreten.

Es gibt zwei Möglichkeiten für eine zur Zündung ausreichende Leistung. Die erste liegt in der Stromversorgung vor, die zur Erfüllung des normalen Leistungsbedarfs der Arbeitsbereich-Einrichtungen, der Einrichtungen der Trennano^rdnung 10 und der Regelinstrumente benötigt wird. Diese Stromversorgung ist in F i g. 1 als Stromquelle 28 dargestellt, die über ein drittes "Kabel 29 mit dem Instrumentenblock 13 und über ein erstes Kabel 31 mit einem Spannungi^ügrenzer 30 verbunden ist

: Der Spannungsbegrenzer 30 verteilt den Strom ^on der Stromquelle 28 über zwei Sätze von Sammelschienen (Kabeln) an die Trennanordnung 10. Der erste Satz von Kabeln, welcher den Steuerbereichsteil 11 der Trennanordnung 10 mit Strom versorgt besteht aus zweiten Kabeln 32 und 33, weiche zwei getrennte Spannungswerte führen, wie sie von zahlreichen modernen elektronischen Bauteilen, wie Verstärkern mit integrierten Schaltungen benötigt werden. Ein entsprechender Satz von vierten Kabeln 34,35 dient zur Versorgung des Arbeitsbereichsteils 12 der Trennanordnung 10.

: In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen« daß die signalverarbeitenden Differenzverstärker 19 und Verstärker 25 als repräsentative Abschnitte der Trennanordnung 10 dargestellt sind, die eine Vielzahl solcher Einrichtungen enthalten kann, von denen jede auf di·· in F i g. I gezeigte und vorstehend beschriebene Weise mit dem Arbeitsbereich 16. dem Instrumentenblock 13 und dem Spannungsbegrenzc 30 verbunden Ist.

i£ine andere potentieüe Stromquelle, die unter Störungsbedingungen eine Zündung im Arbeitsbereich 16 verursachen kann, ist in F i g. 1 als sekundäre Stromquelle 36 dargestellt. Diese ist über ein fünftes Kabel 37 mit dem Instrumentenblock 13 verbunden und stellt eine beliebige Stromquelle, einschließlich einer Netzspannungsqueüe dar, die während eines Siörungszustandes oder einer Kombination von Störungszuständen mit einem der Steuerbereich-Instrumente in Kontakt kommen kann.

Der Strom von der sekundären Stromquelle 36 könnte über zwei mögliche Wege den Arbt-iisbcrciun ίό erreichen und eine Zündung verursachen. Der erste Weg verläuft dabei über die Signalpfade mit der zweiten und dritten Leitung Ί.λ und 23. Dieser Strom könnte den Arbeitsbereich 16 unmittelbar über die in der Trennanordnung 10 enthaltenen elektronischen Schaltungen oder sogar über den Spannungsgrenzer 30 erreichen, indem er die zweiten Kabel 32 und 33 erreicht 'jnd über den Spannungsbegrenzer 30 zu den vierten Kabeln 34 und 35 und von dort zum Arbeitsbereich 16 gelangt.

.Der zweite denkbare Weg, über den der Strom von der sekundären Stromquelle 36 den Arbeitsbereich 16 erreichen könnte, verläuft über das fünfte Kabel 37 zum Instrumentenblock 13, sodann über das dritte und erste

Kabel 29 und 31 zum Spannungsbegrenzer 30 und von diesem über die vierten Kabel 34 und 35 zu der ersten Leitung 17 und der vierten Leitung 27.

Obgleich aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist, daß einige der Kombinationen von Störungszuständen, die für eine mögliche Zündung im Arbeitsbereich 16 nötig sind, äußerst unwahrscheinlich sind, macht die große Gefahr für Personal und Ausrüstung, die im Arbeitsbereich eingesetzt sind, der entflammbare Gase und Dämpfe enthalten kann« auch einen Schutz gegen sehr unwahrscheinliche Kombinationen von Vorfällen erforderlich.

Auf die im folgenden beschriebene Weise wird ein Schutz gegen zu hohe Strom- oder Leistungswerte auf beispielhaft der mit dem Arbeitsbereich 16 verbundenen ersten Leitung 17 und vierten Leitung 27 gewährleistet Die strombegrenzenden Widerstände 20, 21 und 24 dienen zur Begrenzung des Stroms, der vorn Steuerbereichsteil 11 her für den Arbeilsbereichtsteil 12 der Trennanordnung 10 verfügbar ist Der Spannungsbegrenzer 30 begrenzt die für den Arbeitsbereichsteil 12 der Trennanordnung 10 auf den vierten Kabeln 34 und 35 verfügbare Spannung. Die Einzelheiten des Spannungsbegrenzers 30 sind nachstehend in Verbindung mit F ig. 2 beschrieben.

Die Stromquelle 28 liefert den Strom unmittelbar zum Instrumentenblock 13 und über den Spannungsbegrenzer 30 zur Trennanordnung 10. Im Normalbetrieb wird die Trennanordnung 10 über das erste Kabel 31 mit Strom versorgt Falls eine Störung in den Regelinstrumenten des Instrumentenblocks 13 auftritt, kann der Strom von der sekundären Stromquelle 36 ebenfalls über das dritte Kabel 29 an das erste Kabel 31 angelegt werden. Der Spannungsbegrenzer JO wirkt dann für das erste Kabel 31 und verhindert, daß eine am ersten Kabel 31 auftretende Überspannung der Stromquelle 28 oder der sekundären Stromquelle 36 die Trennanordnung 10 über die zweiten und vierten Kabel 32, 33, 34 oder 35 erreicht Diese Funktion wird durch die in Fig.2 dargestellte Spannungsbegrenzungs-Schaltung erreicht Bei der dargestellten Ausführungsform sind drei identische spannungsbegrenzende Schaltkreise 37, 38 und 39 parallelgeschaltet Obgleich jeder Schaltkreis für sich die erforderliche Spannungsbegrenzungsfunktion zu erfüllen vermag, dienen die redundanten Schaltkreise 37 bis 39 zur Gewährleistung dieser Funktion auch für den Fall eines Störungszustandes im Spannungsbegrenzer 30 selbst

F i g. 2 ist eine schematische Darstellung des vorstehend erläuterten Spannungsbegrenzers 30, über ein erstes Kabel 31 und über Schmelzsicherungen 40 und 41, von denen je eine pro Eingangsleitung vorgesehen ist, mit Strom gespeist wird. Diese beiden Schmelzsicherungen 4Π und 41 sind mit weiteren Schmelzsicherungen 42 bzw. 43 in Reihe geschaltet, die in einem Raum 44 angeordnet sind. Der Raum 44 stellt den Teil des Spannungsbegrenzers 30 dar, der gewünschtenfalls vergossen oder auf sonstige zweckmäßige Weise gegenüber Umgebungseinflüssen geschützt sein kann. Die Schmelzsicherungen 40 bis 43 schützen den Spannungsbegrenzer 30 vor Überlastung unter Störungsbedingungen. Mit jeder Leitung sind zwei Schmelzsicherungen in Reihe geschaltet, so daß diese verschiedene Nennwerte besitzen können. Hierdurch wird erreicht, daß Schmelzsicherungen aus verschiedenen Fertigungsserien verwendet werden, so daß eine ausreichende Sicherheit dafür besteht, daß nicht beide Schmelzsicherungen einer Leitung schadhaft sind. Die Schwächeren Schmelzsicherungen, d.h. die beiden Schmelzsicherungen 40 und 41, befinden sich im Spannungsbegrenzer 30, aber außerhalb des versiegelten Raums 44. Auf diese Weise kann erforderlichenfalls eine der beiden Schmelzsicherungen 41 und 42 ersetzt v/erden, ohne in den Raum 44 eindringen zu müssen, falls dieser beispielsweise vergossen oder auf andere Weise geschützt ist
, Die weiteren Schmelzsicherungen 42 und 43 sind an

ic beiden Enden von drei parallel strombegrenzenden Schaltkreisen angeschlossen, von denen der erste Schaltkreis 37 nachstehend näher erläutert ist

Die hauptsächliche Spannungsbegrenzung wird durch einen als gesteuerter Siliziumgleichrichter (SCR) ausgeführten Gleichrichter 45 gewährleistet der über die Speiseleitung schaltbar ist. Wenn die am ersten Kabel 31 anliegende Spannung einen vorbestimmten Wert übersteigt, schaltet der Gleichrichter 45 durch und wirkt als Kurzschluß über die Speiseleitung, wodurch die Spannung auf weniger als 1 V reduziert wird.

Die Steuerelektrode des Gleichrichters 45 ist mit einer Reihenkombination aus einer Zenerdiode 46 und einem Widerstand 47 verbunden, die eine Temperaturkompensation für den Gleichrichter 45 bietet und die Spannung bestimmt, bei welcher der Gleichrichter 45 zündet bzw. durchschallet Die Anordnung der Bauteile im ersten Schaltkreis 37 ermöglicht einen Überspannungsschutz für die Differenzspannung zwischen der Plus- und Minusklemme einer Stromversorgung mit nur einem steuerbaren Gleichrichter.

Eine Reihenkomb^;nation aus Dioden 48 und 49, die parallel zum Gleichrichter geschaltet ist und eine Mittelanzapfung nach Masse besitzt gewährleistet eine Steuerfunktion, um den Gleichrichter 45 gegenüber den beiden Leitungen des ersten Kabels 31 auf Masse zu beziehen.

Gemäß Fig.2 sind die Spannungsbegrenzenden Schaltkreise 37, 38 und 39 durch Überbrückungen 50 und 51 parallelgeschallet an welche;· die vierten Kabel

34 bzw. 35 angeschlossen sind. Diese beiden Überbrükkungen 50 und 51 sind ausbaubar, um die Prüfung der einzelnen Schaltkreise 37 bis 39 zu erleichtern.

Die zweiten Kabel 32 und 33, weiche den Steuerbereich der Trennanordnung 10 mit Strom versorgen, sind jeweils an den dritten Schaltkreis 39 über ein Paar Schmelzsicherungen 40' bis 43' angeschlossen, welche die gleiche Funktion besitzen wie die beschriebenen Schmelzsicherungen 40 bis 43.

Infolge der Verwendung getrennter Kabelsätze für die Stromversorgung des Steuerbereichs ur J des Arbeitsbereichs 16 der Trennanordnung 10 vermag der Spannungsbegrenzer 30 eine auf den Kabeln 32 und 33 von einer anderen Stromquelle, wie der sekundären Stromquelle 36, auftretende Überspannung daran zu hindern, an den mit dem Arbeitsbereich 16 verbundenen vierten Kabeln 34 und 35 zu erscheinen.

Beispielsweise können die in F i g. 1 als strombegrenzende Einrichtungen durch Widerstände dargestellten Elemente durch andere Elemente, etwa optische Trenneinrichtungen, ersetzt sein. Die Meßgeräte können Thermoelemente, Schließkontakte oder frequenzabhängige Einrichtungen sein. Aus diesem Grund hängt der elektrische Aufbau der Trennanordnung 10 von den jeweils angewandten Meß- und Regefgeräten ab. Die Schaltung gemäß Fi g. 2 kann auch durch verschiedene andere Uberspannungsschakungen ersetzt werden. Es ist aber von Bedeutung, Widerstandseinrichtungen in der Trennanordnung 10 und den Spannungsbegrenzer

30 zu verwenden, wie dies vorstehend beschrieben ist

Die Erfindung erlaubt einen ausreichenden Schutz: vor der Übertragung von gefährlichen Strom- oder Leistungswerten über die Anschlüsse zu einem Gefahrenbereich bietet, um dort eine Zündung zu verhindern. Die Anordnung weist einen einzigen, zweiseitig

wirkenden Spannungsbegrenzer 30 sowie mehrere Strombegrenzer 10 für alle zum Gefahrenbereich führenden Signalpfade auf, wodurch die Notwendigkeit für getrennte Spannungsbegrenzer 30 in jeder mit dem Gefahrenbereich verbundenen Leitung vermieden wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

23 16 03., Patentansprüche:

1. Anordnung in einer Regelanlage zur Trennung eines eine Stromquelle aufweisenden Steuerbereiches von einem Arbeitsbereich, mit einer Vorrichtung zur Begrenzung anstehender Spannungen und eingespeister Ströme, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsbegrenzer (30) von dem mehrere Signalpfade aufweisenden Strombegrenzer (10) getrennt angeordnet und direkt mit der Stromquelle (28) verbunden ist, daß der Strombegrenzer (10) entsprechend den benachbarten, zu trennenden Bereichen in einen Steuerbereichsteil (11) und einen Arbeitsbereichsteil (12) unterteilt ist, und daß diese Bereichsteile (11, 12) mit dem Spannungsbegrenzer (30) jeweils direkt gekoppelt sind.

2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer (10) zur Verarbeitung der zi;rn und vom Arbeitsbereichsteif (12) gelieferten Signale je Signalpfad einen Verstärker (19, 25) aufweist, dem jeweils eingangsseitig Widerstände (20, 21, 24) zur Strombegrenzung zugeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsbegrenzer (30) ein erstes Kabel (31) zur Verbindung mit der Stromquelle (28), ein zweites Kabel (32,33) zur Verbindung mit dem Steuerbereichsteil (11) des Strombegrenzers (10) und ein drittes Kabel (34,35) zur Verbindung mit dem Arbeitsbereichsteil (12) des Strombegrenzers (10) aufweist.

4. Anordnung nach Adsprucki 3. dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb lies I pannungsbegrerczers (30) in das erste Kabel (31) und ii* das zweite Kabel (32, 33) in Reihe geschaltete Schmelzsicherungen (40—43: 40'—43*) mit unterschiedlichen Werten vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer (10) anstelle der Widerstände (20, 21, 24) andere Impedanzelemente aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, WU0 der S^annun^sbe^rsnzer ^3Q^ **insn von der Stromquelle (28) angesteuerten Gleichrichter (45) aufweist, der über eine Zenerdiode (46) und einen dieser vorgeschalteten Widerstand (47) angesteuert ist.