DE4416995A1 - Leistungsschalter mit eingebauter Ablaufsteuerung - Google Patents

Description

Diese Erfindung hat einen Leistungsschalter zum Inhalt, der mit einer eingebauten Ablaufsteuerung den Leistungskreis eigenständig steuert und überwacht. Er arbeitet dabei auf Befehl der übergeordneten Steuerungsanlage und antwortet dieser mit entsprechenden Rückmeldungen. Zur Erkennung von Fehlerzuständen innerhalb des Leistungskreises ist eine Laststromüberwachung eingebaut. Über zusätzliche digitale Eingänge können Sensoren überwacht werden und deren Signale für die Steuerung des Ablaufes bewertet werden. Die Ver­ bindung zur übergeordneten Steuerungsanlage erfolgt je nach Ausführung über digitale Ein-/Ausgänge oder über ein se­ rielles Protokoll in Feldbusanwendungen. Der Ablauf der Schaltzustände im Leistungskreis, das Steuerprogramm, kann je nach Ausführung entweder für eine Anwendung fest vor­ gegeben werden und ist damit unveränderlich (ROM- oder OTP- Technik), oder kann über ein serielles Protokoll veränderbar gestaltet werden (RAM-, FLASH-, oder EEPROM- Technik).

Eine immer wiederkehrende Aufgabe in der Steuerungstechnik ist das Schalten und Überwachen von Leistungskreisen. Die zeitliche Abfolge der Schaltzustände wird dabei von einer Steuerungsanlage vorgegeben, die ein Steuerprogramm aus­ führt. Dafür wurden früher mechanische Schaltwerke einge­ setzt, die aber immer mehr von elektronischen Steuerungsan­ lagen verdrängt wurden. Da elektronische Steuerungsanlagen programmierbar und damit für alle denkbaren Fälle verwend­ bar sind, kommen diese heute in fast allen Anwendungsberei­ chen zum Einsatz. Die Signale von Sensoren wie Temperatur­ schalter, Endlagenschalter etc. werden ebenfalls von der Steuerungsanlage bewertet und für den weiteren Programmab­ lauf herangezogen. Da die digitalen Ausgänge dieser Steue­ rungen nur gering belastet werden können, werden zur An­ steuerung von Lampen, Motoren, Heizern etc. Relais, Schütze und neuerdings auch Halbleiterschalter eingesetzt.

Enthält das zu steuernde Gesamtsystem untergeordnete, zeitkritische Anforderungen, wie z. B. die schnelle Ab­ schaltung von Motoren bei Erreichen eines Blockierzustandes oder eine Öffnung eines Ventils bei Auftreten eines Über­ drucks, so muß ein erheblicher Anteil der gesamten Rechen­ leistung für die zeitgerechte Bedienung dieser Zustände reserviert werden. Sind gar eine Reihe dieser Untersysteme zu bedienen, so muß oft eine hochleistungsfähige Steue­ rungsanlage eingesetzt werden um alle zeitkritischen Unter­ kreise innerhalb der zeitlichen Vorgaben bedienen zu können.

Bei einer einfachen Ein-/Ausschaltung beispielsweise eines Heizers (ohmsche Last) wird als Leistungsschalter nur ein Relais benötigt und der Schaltungsaufwand bleibt gering. Liegt im Leistungskreis eine induktive Last (z. B. Magnet­ ventil), so wird zusätzlich zum Relais eine Entstör- bzw. Funkenlöschschaltung benötigt. Für eine Motoranwendung mit wechselnder Drehrichtung und Blockierüberwachung müssen zwei Leistungsschalter, einer für die Bestimmung der Drehrich­ tung und einer für die Ein-/Ausschaltung, die entsprechende Entstörschaltung und ein Stillstandssensor eingesetzt wer­ den.

Aus den oben genannten Problemen lassen sich zwei Aufgaben ableiten:
Durch Auslagerung von Steuerungs- und Überwachungsfunktio­ nen in sich geschlossener Subsysteme muß die erforderliche Rechenleistung der Steuerungsanlagen reduziert werden, da­ mit weniger leistungsfähige und somit billigere Anlagen zum Einsatz kommen können.

Der Aufwand für die Schaltung von Leistungskreisen und de­ ren Überwachung muß reduziert werden um auch hier Kosten und zudem Bauraum einsparen zu können.

Beide Aufgaben werden durch eine Vorrichtung, die den Kenn­ zeichen im Patentanspruch 1 genügen, gelöst.

Bei Verwendung eines Leistungsschalters mit integrierter Ablaufsteuerung wird die Steuerung und Überwachung des Lei­ stungskreises vom Schalter selbst übernommen. Die überge­ ordnete Steuerung wird dadurch von diesen Aufgaben fast völlig entlastet. Diese erteilt nur mehr logische Befehle wie "Ein", "Aus", "Drehrichtung links", etc. und wartet an­ schließend auf logische Rückmeldungen von der hier be­ schriebenen Vorrichtung wie "Fertig", "Fehler", "Endlage erreicht", etc . . Über die eingebaute Stromüberwachung wer­ den Fehlerzustände erkannt und der Programmablauf entspre­ chend geändert. Somit können Leitungsbrüche oder Kurz­ schlüsse im Lastkreis oder z. B. ein Blockierzustand eines Motors erkannt werden, was die Sicherheit des Gesamtsystems erheblich erhöht.

Innerhalb einer Einschaltphase können beliebige, zeitlich aufeinanderfolgende Schaltstellungen und, bei Ausführung des Leistungsschalters als Vollbrücke, Polaritäten ohne weitere Beteiligung der übergeordneten Steuerungsanlage eingestellt werden.

Über zusätzliche, digitale Eingänge können Sensoren wie Temperaturschalter, Endlagenschalter etc. überwacht werden und deren Signale für die Steuerung des Ablaufes bewertet werden.

Die Verbindung zur übergeordneten Steuerungsanlage kann je nach Ausführung über digitale Ein-/Ausgänge oder über ein serielles Protokoll (Feldbustopologie) aufgebaut werden.

Zur Ablage des Steuerprogramms in der Ablaufsteuerung sind mehrere Wege gangbar:
Für kostengünstige Ausführungen dieser Anordnung kann das Programm fest und unveränderlich eingebaut werden. Die Ab­ laufsteuerung ist in diesem Fall in einer ROM, OTP oder ASIC-Technologie ausgeführt. Soll das Ablaufprogramm änderbar sein, so muß die Ablaufsteuerung in einer RAM-, FLASH-, oder EEPROM-Technologie implementiert sein. Je nach Komplexität der Ablaufsteuerung sind in diesem Falle Programmladevorgänge außerhalb oder innerhalb der ange­ stammten Funktion möglich.

Die Ablaufsteuerung kann Vorgänge bis in den µs-Bereich steuern und überwachen. Somit ist bei einer Ausführung des Leistungsschalters mit schnellen Halbleitern über die Funk­ tionen eines Ein-/Ausschalters hinaus auch die Möglichkeit gegeben, über eine Pulsweitenmodulation des Laststromes dessen Effektivwert zu verändern oder über eine Pulscodemodulation des Laststromes einer eigenintelligenten Last während des Betriebs Informationen zu übermitteln. Auch diese Funktionen sind ohne weitere Beteiligung der übergeordneten Steuerungsanlage zu erfüllen. Anwendungen in der Licht- und Heizungstechnik sind denkbar.

Da die Anzahl der Komponenten in einer Gesamtanlage durch den Einsatz eines Leistungsschalters mit eingebauter Ab­ laufsteuerung teilweise erheblich reduziert werden kann, führt dies natürlich auch zur Verringerung des benötigten Platzes und damit zu einer weiteren Reduktion der Gesamtko­ sten. Durch Auslagerung der Steuer- und Überwachungsfunk­ tionen für in sich geschlossene Subsysteme in den Lei­ stungsschalter wird das Gesamtsystem logischer strukturiert und damit sowohl hardwaremäßig als auch softwaremäßig ein­ facher aufzubauen und zu warten.

Anhand der folgenden Fig. 1 (Blockschaltbild) und 2a mit 2b (Stromlaufplan) wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Wie Fig. 1 zeigt, befinden sich innerhalb einer Baueinheit (Platine, Gehäuse) eine Ablaufsteuerung die den Leistungs­ schalter ansteuert und das Signal der Stromüberwachung be­ wertet. Die Eingangssignale wie "Ein/Aus", "Drehrichtung", "Endschalter", "Helligkeit" oder "Programm" liegen über ei­ ne Eingangsanpassung, in der insbesondere eine Pegelanpas­ sung und Filterung vorgenommen wird, an der Ablaufsteue­ rung. Rückmeldesignale wie "Fertig", "Fehler" oder "Status" sind über eine Ausgangsanpassung nach außen geführt. Hier kommen je nach Erfordernissen Push-Pull-, Tri-State oder Open-Collector-Treiberstufen zum Einsatz. Die Versorgung der internen Einheiten wird von der im System zur Verfügung stehenden Spannung (12 V DC, 24 V DC oder 230 V AC) abge­ leitet.

Fig. 2 zeigt eine praktische Ausführung der Erfindung im Stromlaufplan, die für die Schaltung und Überwachung eines Schraubmotores innerhalb einer Maschine ausgelegt ist.

Als Ablaufsteuerung kommt ein einmal programmierbarer Mi­ krocontroller (IC1) zum Einsatz. C1 und R52 bestimmen des­ sen Taktfrequenz. T1 bis T4 bilden den Leistungsschalter, der hier in einer Vollbrückenversion (für Motoransteuerung mit Drehrichtungsumkehr) ausgeführt ist. Die für induktive Lasten erforderlichen Freilaufdioden sind in den verwende­ ten MOS-Leistungstransistoren bereits integriert. Die Tran­ sistoren T5 und T6, die Widerstände R1 bis R10 und die Dioden D1 und D2 sind für die Ansteuerung der Leistungs­ brücke vom Mikrocontroller aus notwendig.

Die Stromüberwachung wird durch den Stromfühlerwiderstand R11 und den beiden Komparatoren IC2A und IC2B gebildet. Mittels der Komparatoren wird der Spannungsabfall am Strom­ fühlerwiderstand mit zwei Referenzwerten, die von der in­ ternen Versorgungsspannung über die Widerstände R54, R55 und R61 abgeleitet werden, verglichen. Ist der Leistungs­ schalter im Einzustand und wird der obere Referenzwert überschritten, so wird dies als Blockierzustand des Motors bewertet, wird der untere Referenzwert unterschritten, so wird ein Leitungsbruch im Leistungskreis erkannt. Da die Komparatoren Open-Collector-Ausgänge aufweisen, müssen die Pull-Up-Widerstände R57 und R60 in der Verbindung zum Mi­ krocontroller eingesetzt werden.

Die hier beschriebene Ausführung arbeitet mit drei digita­ len Eingängen ("Ein", "Drehrichtung" und "Endschalter") so­ wie mit einem digitalen Ausgang ("Rückmeldung") der als Open-Collector-Treiber ausgeführt ist, da je zwei bis vier dieser Vorrichtungen an einen gemeinsamen Eingang der über­ geordneten Steuerung zurückmelden. Die Pegelanpassung und Filterung der Eingänge wird je durch zwei Widerstände eine Zenerdiode und einem Kondensator gebildet. D52 und R46 die­ nen lediglich als Schutzbeschaltung des Ausgangstransistors vor unerwünschten Spannungsspitzen.

Die Versorgung der internen Einheiten wird vom 24 V Systemgleichspannungsnetz abgeleitet. D54 sichert die Vor­ richtung gegen externe Spannungsspitzen und C5 unterdrückt leitungsgebundene Störsignale. Über R56, D55, D56 und C6 wird aus den 24 V eine saubere 5 V-Versorgung gewonnen.

Das Steuerprogramm ist in dieser Ausführung fest eingebun­ den und nicht veränderbar.

Die erreichte Funktion dieser Vorrichtung kann wie folgt beschrieben werden:
Um den Motorlauf zu starten muß die übergeordnete Steue­ rungsanlage das Signal "Ein" aktivieren. Je nach Stellung des Signales "Drehrichtung" (wahr oder unwahr) wird darauf­ hin der Motor im Leistungskreis im Rechts- oder Linkslauf eingeschaltet. Den beiden Laufrichtungen ist ein unter­ schiedlicher Programmablauf zugeordnet. In jedem Fall wird bei einer vorzeitigen Rücknahme des "Ein"-Signales durch die Steuerungsanlage der Motor abgeschaltet.

Nach dem Einschalten wird in beiden Fällen während der er­ sten 0,8 s eine Überschreitung der eingestellten oberen Stromgrenze ignoriert, um den erhöhten Einschaltstrom nicht als Motorblockierung zu werten.

Im Rechtslauf erreicht der Motor seine Endlage entweder bei Betätigung eines Endlagenschalters oder durch einen Blockierzustand. Dazu wird bei Zeiten < 0,8 s die obere Stromschwelle und das Signal "Endschalter" überwacht. Wird eines der beiden Signale aktiv, wird der Motor abgeschaltet und das Signal "Rückmeldung" aktiviert.

Wurde der Motor im Linkslauf gestartet, so wird keine End­ lage erreicht. Die Abschaltung erfolgt fest nach 8 s. Dar­ aufhin wird ebenfalls das Signal "Rückmeldung" aktiviert.

Die übergeordnete Steuerungsanlage erkennt das aktive Rückmeldesignal und nimmt sodann das Signal "Ein" wieder zurück.

Der komplette Ablauf innerhalb dieser Einschaltsequenz wird vom intelligenten Leistungsschalter ohne weitere Eingriffe der Steuerungsanlage ausgeführt und überwacht Selbst der Zeitpunkt wann die Steuerungsanlage auf das Rückmeldesignal reagiert ist unkritisch.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Schaltung von ohmschen und/oder induk­ tiven Lasten mit einem Leistungsschalter mit eingebauter Ablaufsteuerung, gekennzeichnet durch ein Schalt- und/oder Überwachungsprogramm innerhalb der Ablaufsteuerung, das durch Anlegen von digitalen Signalen ansteuerbar und/oder beeinflußbar ist, eigenständig abläuft nach dem es ange­ steuert wurde, und nach Ablauf gegebenenfalls eine Rückmel­ dung sendet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des weiteren eine Stromüberwachung des Lastkreises enthält, die den Ablauf des Schalt- und/oder Überwachungsprogrammes ändern kann.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leistungsschalter als Halbleiterschalter und/oder in einer Brückenanordnung ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Befehlsgabe und/oder Rückmeldung zur übergeord­ neten Steuerung über digitale Leitungen erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Befehlsgabe und/oder Rückmeldung zur übergeordneten Steuerung über ein serielles Protokoll (Feldbustopologie) erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Steuer- und/oder Überwachungsprogramm fest ein­ gebaut und damit unveränderlich ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Steuer- und/oder Überwachungsprogramm in irgendeiner Weise verändert werden kann, während die Vorrichtung ihre angestammte Funktion nicht ausübt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Steuer- und/oder Überwachungsprogramm in irgendeiner Weise verändert werden kann, während die Vorrichtung ihre angestammte Funktion ausübt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Steuerprogramm mit Hilfe des Leistungsschalters durch eine Pulsweitenmodulation des Laststromes dessen Ef­ fektivwert verändert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Steuerprogramm mit Hilfe des Leistungsschalters durch eine Pulscodemodulation des Laststromes der Last Informa­ tionen übermittelt.