DE10159925A1 - Monitoring-Schaltelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Monitoring-Schaltelement zum Überwachen und Schalten von einem oder mehreren elektrischen Pfaden und/oder Energiepfaden, das aus einem Stromsensor, einem Spannungssensor, einen Interrupt-Aktuator und einem softwaregestützten Elementen-Controller besteht, in dem ein RAM als Speichereinheit, eine CPU als Verarbeitungseinheit, ein Adressport, Sensorport, Datenport und Aktuatorport integriert ist. Durch den Elementen-Controller werden in Abhängigkeit der eingelesenen Zustandsdaten in den elektrischen Pfaden, die mit extern eingegebenen Daten, beispielsweise über einen Informationsbus, bewertet werden und unabhängig einzelne oder gleichzeitige Mode für eine Sicherungsfunktion, Sensorfunktion, Monitoring-Funktion und Schalterfunktion durchgeführt. Durch die mögliche Abgabe von eigenen und pfandabhängigen Zustandsinformationen ist auch die Diagnosefähigkeit gegeben. Damit ist dieses Monitoring-Schaltelement mamagebar und erfüllt die Forderungen für ein intelligentes Management-System.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Monitoring-Schaltelement zum Überwachen und Schalten von einem oder mehreren elektrischen Pfaden und/oder Energiepfaden, die einen Interrupt-Aktuator, Stromsensor und Spannungssensor beinhalten und bei denen die Funktionen, wie Einlesen von Sensordaten über einen Sensorport, Empfangen von externen Daten, wie Bewertungsdaten, Bewertungsalgorithmen und Steuerbefehle für den Elementen-Controller, Adressierung für die einzelnen Pfade bei Mehrfachpfaden, Aktivierung und Deaktivierung der Arbeitsmodi, Realisieren der für den externen Datenaustausch notwendigen Protokolle, Adressierung der Sensoren und Aktuatoren über den Adress-Port bei Mehrpfadbetrieb und Selbstdiagnose des Schaltelements, durch einen Elementen-Controller realisiert werden.
• Mit der zunehmenden Forderung, elektrische Prozesse, beispielsweise in der Automatisierungstechnik und der Fahrzeugtechnik, durch ein intelligentes Funktionselement zu überwachen, zu steuern und zu regeln, nimmt die Anzahl von Controller gesteuerten Baugruppen pro System ständig zu. Aber auch das Bestreben, mehrere Energiequellen für ein elektrisches System verfügbar zu machen, wie beispielsweise durch die Einführung von 42 Volt Bordnetzen in der Fahrzeugtechnik, bei der neben den bekannten Energiequellen, wie Lichtmaschine und Batterie, weitere Energiequellen genutzt werden, wie z. B. Generatoren und Brennstoffzellen oder auch Energiespeicher, wie u. a. Batterien, Kondensatoren, Kreisel, verlangt nach einem intelligenten Energiemanagement, wie es beispielsweise in der DE 198 16 777 A1 vorgeschlagen wird.
• Um diese Prozesse wirtschaftlich mit einem Funktionsmanagement durchführen zu können und/oder mehrere Energiequellen über ein Energiemanagement inteligent einem elektrischen System zur Verfügung zu stellen, das auch gleichzeitig die Kontinuität der elektrischen Versorgung sichert, sind steuerbare Schaltelemente erforderlich, welche die Managebarkeit dieser Vorgänge ermöglichen.
• Die gegenwärtig literaturbekannten und auf dem Markt verfügbaren Schaltelemente sind nicht steuerbar und auf Grund ihrer Zweckbestimmung, die im wesentlichen nur Sicherungs- und/oder Schaltfunktionen sind, nur bedingt durch zusätzlich vorgesehene Kontroll-, Überwachungs- und Steuereinrichtungen geeignet Funktionen auszuführen, aber gar nicht dazu geeignet, daß mehrfach Funktionen von extern steuerbaren Baugruppen durch ein übergeordnetes Management-System zu- oder abgeschaltet oder andersweitig gesteuert werden können sowie das durch diese Schaltelemente Informationen über ihre Zustände und/oder Zustände der geschalteten elektrischen Pfade und/oder Energiepfade für Diagnosezwecke bereitgestellt werden, die für ein intelligentes Management-System notwendig sind.
• Folglich sind die in einer Vielzahl literaturbekannten elektrischen und elektronischen Schalter oder Schalterelemente nicht managebar und damit für ein intelligentes übergeordnetes Management-System, das ein Funktionsmanagement und/oder ein Energiemanagement beinhaltet, nicht brauchbar und anwendbar.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein steuerbares Monitoring-Schaltelement zu schaffen, das nichtsteuerbare Funktionskomponenten und/oder eine separate Energiebereitstellung für jede extern steuerbare Baugruppe managebar macht und geeignet ist, Informationen über seine Zustände und der Zustände der schaltbaren elektrischen Pfade und/oder Energiepfade für Diagnosezwecke bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Monitoring-Schaltelement gelöst, bei dem der Elementen- Controller ein im Schaltelement integrierter softwaregestützter Elementen-Controller ist und daß über den Elementen-Controller in Abhängigkeit der eingelesenen zeitgesteuerten und/oder externen Daten unabhängig voneinander einzeln und/oder gleichzeitig in einem oder mehreren elektrischen Pfaden und/oder Energiepfaden
  
• - ein Mode I, Sensordaten bewerten und selbständig Interrupt-Aktuator über Aktuatorport ansteuern,
• - ein Mode II, Sensordaten ohne Bewertung über Datenport ausgeben,
• - ein Mode III, Sensordaten bewerten, Zustandsmeldung generieren und über Datenport ausgeben und
• - ein Mode IV, ausführen von externen Steuerbefehlen, den Interrupt-Aktuator über Aktuatorport ansteuern, ausführbar sind.
• Durch den im Schaltelement integrierten softwaregestützten Elementen-Controller und der Durchführbarkeit von unabhängig ausführbaren Modi I-IV in den einzelnen Pfaden, wird gewährleistet, daß alle extern steuerbaren Baugruppen in einem System oder auch im Sub-System durch eingelesene Daten von den Sensoren zeitgesteuert und/oder auch durch extern eingelesene Daten an- oder abgeschaltet oder auch andersweitig gesteuert und geregelt werden und gleichzeitig Informationen über die Zustände des Elementen-Controllers selbst und über die Zustände der schaltbaren elektrischen Pfade und/oder Energiepfade für Diagnosezwecke bereit gestellt werden.
• Folglich können mit einem derartig vorgeschlagenen Elementen-Controller nicht steuerbare Funktionskomponenten managebar gemacht werden und auch Systeme, die über keine Informationsquellen verfügen, können für Diagnosezwecke nutzbar gemacht werden, indem der Elementen-Controller gleichzeitig genutzt wird, um Informationen über Strom- und Spannungsverhältnisse zu liefern und somit einfache Diagnoseprozesse über die angeschaltete Funktionalität der einzelnen elektrischen Pfade und der Energiepfade zu ermöglichen.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, daß der Mode I nur ereignisgesteuert betrieben ist und somit nur reine Sicherungsfunktionen durchführt. Durch die Sicherungsfunktion wird gewährleistet, daß beim Überschreiten eines extern vorgegebenen und im RAM gespeicherten Strom- und oder Spannungswert, der Pfad durch den Interrupt-Aktuator geöffnet und somit eine angeschlossene Last abgeschaltet werden kann, deren Ursache sowohl bei der Last, wie beispielsweise ein Masseschluß, oder bei der Quelle, beispielsweise zu hohe Spannung durch Ausfall der Stabilisierung, liegen kann.
• Die Mode II-IV sind bevorzugt sowohl Zeit- als auch ereignissteuerbar. Damit können
  
• - bei dem Mode II, die in einem RAM befindlichen Sensordaten entweder zeitgesteuert oder durch eine als Master fungierende Einheit ohne Bewertung über einen Datenport ausgegeben werden und stehen damit anderen angeschlossenen Einheiten zur Auswertung zur Verfügung,
• - bei dem Mode III, die ereignisbezogenen eingelesenen Sensordaten mit den extern im RAM vorgegebenen und gespeicherten Daten verglichen, bewertet und entsprechenden Zustandsmeldungen zugeordnet werden. Diese Zustandsmeldungen können dann zeitgesteuert oder durch Eintritt eines Ereignisses oder Abrufen, durch eine als Master fungierende Einheit, über einen Datenport ausgegeben und anderen angeschlossenen Einheiten zur Auswertung zur Verfügung gestellt werden,
• - durch das Mode IV, das eine Schalterfunktion ist, in Ausführung von externen Steuerbefehlen an den Interrupt-Aktuator über den Ausgangsport übertragen werden.
  Dabei werden über das Datenport Signale in den RAM übertragen, die von einer CPU als Einschalt- oder Ausschaltbefehl interpretiert werden und über den Aktuatorport einen oder mehrere Aktuatoren in Abhängigkeit des erhaltenen Befehls betätigen.
• Durch die Voraussetzung, daß die Mode II bis IV sowohl Zeit- als auch ereignisgesteuert und das Mode I nur ereignisgesteuert abläuft sowie deren unabhängig voneinander durchführbaren einzelnen oder gleichzeitigen Abläufe in einem oder mehreren elektrischen Pfaden und/oder Energiepfaden und der Möglichkeit, daß die Ereignisse extern über das Datenport durch Bewertungsdaten und -algorithmen frei definiert und geändert werden können und durch eine mögliche externe Umschaltung zwischen der Zeit- und Energiesteuerung pro Mode in Verbindung mit Diagnosefähigkeit, ist das vorgeschlagene Monitoring-Schaltelement ausreichend managebar, um die Durchführbarkeit eines intelligenten Management-Systems zu gewährleisten.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die elektrischen Pfade und/oder Energiepfade Einzelpfade oder Sammelpfade. Auf diese Weise kann die Variantenmöglichkeit durch die Anzahl der schaltbaren Pfade pro Element in Verbindung Kombination von frei beschaltbaren und sammelschienenmäßig beschaltbaren Pfaden vorteilhaft beeinflußt werden. Die Schaltbarkeit von mehreren Kanälen wird zweckmäßigerweise durch die Zusammenschaltung von mehreren Monitoring-Schaltelementen über die Sammelschiene zu einem Block erreicht, wobei bevorzugt für mehrere elektrische Pfade ein gemeinsamer Elementen-Controller genutzt wird.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommuniziert das Schaltelement bus-normgerecht und/oder nach freien Datenaustauschprotokollen. Auf diese Weise ist das Schaltelement auch busfähig für einen Informationsbus, beispielsweise für einen CAN-Bus, LIN-Bus, Ethernat-Bus kann aber auch bei der Verwendung von freien Datenaustauschprotokollen zur Anwendung kommen.
• Bei der Nutzung des Schaltelements in einem Informationsbus fungiert bevorzugt der Elementen-Controller gleichzeitig als Bus-Konten. Damit können kostengünstig die Zeit- und/oder ereignisgesteuerten Sicherungsfunktionen auf dem Informationsbus ausgegeben und über den Informationsbus die Schwellwerte für die Sicherungsfunktion und Steuerbefehle für die Reaktion des Interrupt-Aktuators dem Elementen-Controller mitgeteilt sowie die Adressierung zum Ansprechen des definierten Pfades bei einem Mehrpfad-Schaltelement ermöglicht werden.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht werden.
• In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Einpfad- Monitoring-Schaltelements mit Informationsbus,
• Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Mehrpfad-Monitoring-Schaltelements mit Informationsbus,
• Fig. 3 ein schematischer Aufbau des Elementen- Controllers mit Informationsbus.
• Das Monitoring-Schaltelement 1 besteht im wesentlichen aus einem softwaregestützten Elementen-Controller 4, der bevorzugt mit einem Informationsbus 9 in Verbindung steht, einem Stromsensor 2, einem Spannungsensor 3 und einem Interrupt-Aktuator 5, die in einem elektrischen Pfad 8 zwischen dem Eingang 7 und dem Ausgang 8 eingebunden sind.
• Der softwaregestützte Elementen-Controller 4 besteht aus einer Speichereinheit, die nachfolgend als RAM 13 genannt wird, einer Verarbeitungseinheit, die nachfolgend CPU 14 genannt wird, einem Sensorport 17, einem Aktuatorport 16, einem Adressport 15, dem Datenport 20 und dem Eingang 18 und Ausgang 19, die mit dem internen Informationsbus 9 in Verbindung stehen.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, sind bei einem Einpfad-Monitoring-Schaltelement 1 im elektrischen Pfad 8 zwischen dem Eingang 7 und dem Ausgang 6 der Stromsensor 2, der Spannungssensor 3 und der Interrupt-Aktuator 5 eingebunden.
• Die nachfolgenden Funktionsabläufe eines Monitoring- Schaltelements 1; 1a erfolgen durch Hilfsmode V bis IX, die zur Realisierung der Hauptmode I bis IV erforderlich sind. Dabei wird unter einem Hilfsmode und Hauptmode die Zusammenfassung der zur Realisierung einer Aufgabe notwendigen Algorithmen und Funktionen verstanden.
Hilfsmode V
• Die kontinuierlich von dem Stromsensor 2 bzw. dem Spannungssensor 3 ermittelten Spannungs- bzw. Stromzustände im elektrischen Pfad 8 werden als Sensordaten zeitgesteuert über den Sensorport 17 eingelesen und als Daten in den RAM 13 des Elementen-Controllers 4 übernommen. Bei der Übernahme werden die übernommenen Daten mit Informationen der Adressierung des Sensors 2 bzw. 3 sowie der Zeit durch die CPU 14 ergänzt und im RAM 13 abgelegt.
Hilfsmode VI
• Empfangen von kontinuierlichen oder diskontinuierlichen externen Daten, bevorzugt aus einem Informationsbus 9, über den Eingang 18 des Datenports 20, die im RAM 13 gespeichert werden, die aus Bewertungsdaten, beispielsweise Schwellwerte für die Sicherungsfunktion, aus Bewertungsalgorithmen und Steuerbefehle für den Elementen-Controller 4, Steuerbefehle für den Interrupt-Aktuator 5, Adressierung der einzelnen elektrischen Pfade 8 bei einen Mehrpfad-Schaltelement, wie in Fig. 2 gezeigt, Aktivieren und Deaktivieren der Mode I bis IV bestehen.
• Diese Daten ermöglichen, daß das Monotoring-Schaltelement in seinen Parametern und in seinen Funktionen extern gesteuert werden kann, um somit als Slave in einer Bus- oder Netzarchitektur zu fungieren.
Hilfsmode VII
• Realisierung der für den Datenaustausch notwendigen Protokolle, wie z. B. für eine Busknotenfunktion.
Hilfsmode VIII
• Adressierung der Strom- bzw. Spannungssensoren 2 bzw. 3 und dem Interrupt-Aktuator 5 bzw. bei einem Mehrfach-Monitoring-Schaltelement 1a der Strom- bzw. Spannungssensoren 2, 2a, 2b, 2x bzw. 3, 3a, 3b, 3x und der Interrupt-Aktuatoren 5, 5a, 5b, 5x.
Hilfsmode IX
• Selbstdiagnose des Monitoring-Schaltelements 1, 1a. Bei der Selbstdiagnose werden die Sensordaten des Stromsensors 2 bzw. 2a, 2b, 2x und des Spannungssensors 3, bzw. 3a, 3b, 3x in Bezug auf vorgegebene und im RAM 13 abgelegte technische Parameter durch die CPU 14 ausgewertet und daraus Zustandsmeldungen über das Monitoring-Schaltelement 1; 1a auf das Datenport 20 generiert, beispielsweise Vergleiche von Schaltvorgängen mit vorgebenen Referenzkurven.
• Mit dem Funktionsablauf entsprechend den Hilfsmode V- IX werden durch das Monitoring-Schaltelement 1 nachfolgende Hauptmode I bis IV voneinander unabhängig einzeln oder auch gleichzeitig im elektischen Pfad 8 oder bei einem Mehrpfad-Monitoring-Schaltelement 1a in einem oder mehreren elektrischen Pfaden 8, 8a, 8b, 8x ausgeführt.
Mode I - Sicherungsfunktion
• Die vom RAM 13 übernommenen Daten des Sensorports 17 werden durch die CPU 14 in Bezug zu den extern vorgegebenen und gespeicherten Daten im RAM 13 bewertet. Werden die extern vorgegebenen und im RAM 13 gespeicherten Strom- und/oder Spannungswerte überschritten, wird der Interrupt-Aktuator 5; 5a; 5b; 5x in dem elektrischen Pfad 8; 8a; 8b; 8x geöffnet, in dem die Überschreitung ermittelt wurde. Damit ist eine an diesem Pfad 8; 8a; 8b; 8x angeschlossene Last abgeschaltet.
Mode II - Sensorfunktion
• Die im RAM 13 befindlichen Sensordaten des Stromsensors 2 und Spannungssensors 3 bzw. der Stromsensoren 2, 2a, 2b, 2x und Spannungssensoren 3, 3a, 3b, 3x bei einem Mehrpfad-Monitoring-Schaltelement 1a, werden entweder zeitgesteuert oder auf Abruf durch eine als Master fungierende Einheit über den Datenport 20 ausgegeben und stehen damit weiteren nicht näher dargestellten angeschlossenen Einheiten zur Auswertung zur Verfügung.
Mode III - Monitoring-Funktion
• Die Sensordaten des Stromsensors 2 und Spannungssensors 3 bzw. der Stromsensoren 2, 2a, 2b, 2x und Spannungssensoren 3, 3a, 3b, 3x bei einem Mehrpfad-Monitoring-Schaltelement 1a werden durch das CPU 14 mit den extern vorgegebenen und im RAM 13 gespeicherten Strom- und oder Spannungswerten verglichen und mit ebenfalls vorgegebenen und im RAM 13 gespeicherten Parametern bewertet und Zusatzmeldungen zugeordnet. Diese Zusatzmeldungen werden durch das CPU 14 entweder zeitgesteuert oder durch Eintritt eines Ereignisses, beispielsweise Auftreten eines Fehlerbildes oder ein Abruf durch eine als masterfungierende Einheit, über den Datenport 20 beispielsweise an einen Informationsbus 9 ausgegeben und werden damit anderen angeschlossenen Einheiten zur Auswertung zur Verfügung gestellt.
Mode IV - Schalterfunktion
• Über den Datenport werden Signale in den RAM 13 übertragen, die von der CPU 14 als Einschalt- oder Ausschalt-Befehle interpretiert und von der CPU 14 über den Aktuatorport 16 zum Betätigen des Interrupt-Aktuators 5 bzw. der Interrupt-Aktuatoren 5, 5a, 5b, 5x übertragen werden.
• Bei einem Mehrpfad-Monitoring-Schaltelement 1a, wie in Fig. 2 dargestellt, kann die Schaltbarkeit von mehreren elektrischen Pfaden 8, 8a, 8b, 8x durch Zusammenschaltung über Sammelschienen 10,11, 12 zu einem Block erreicht werden, wobei die Schaltung der elektrischen Pfade 8, 8a, 8b, 8x über einen gemeinsamen Eingang 7 und Ausgang 6 verfügen und zweckmäßigerweise über einen gemeinsamen Elementen-Controller 4 überwacht, geregelt und geschaltet werden. Bezugszeichen 1, 1a Monitoring-Schaltelement
  2, 2a, 2b, 2x Stromsensor
  3, 3a, 3b, 3x Spannungssensor
  4 Elementen-Controller
  5, 5a, 5b, 5x Interrupt-Aktuator
  6 Ausgang
  7 Eingang
  8, 8a, 8b, 8x elektronischer Pfad/Energiepfad
  9 Informationsbus
  10 Sammelschiene
  11 Sammelschiene
  12 Sammelschiene
  13 RAM (Speichereinheit)
  14 CPU (Verarbeitungseinheit)
  15 Adressport
  16 Aktuatorport
  17 Sensorport
  18 Eingang extern aus Informationsbus
  19 Ausgang in Informationsbus
  20 Datenport
  

Claims (5)

1. Monitoring-Schaltelement zum Überwachen und Schalten von elektrischen Pfaden und/oder Energiepfaden (8 oder 8-8x), das mindestens einen Interrupt-Akuator (5 oder 5-5x), Stromsensor (2 oder 2-2x) und Spannungssensor (3 oder 3-3x) beinhaltet und bei dem die Funktionen, wie
Einlesen von Sensordaten über einen Sensorport (17),
Empfangen von externen Daten, wie Bewertungsdaten, Bewertungsalgorithmen und Steuerbefehle für den Elementen-Controller (4), Adressierung für die einzelnen Pfade (8 oder 8-8x) bei Mehrfachpfaden, Aktivierung und Deaktivierung der Arbeitsmode,
Realisieren der für den externen Datenaustausch notwendigen Protokolle,
Adressierung der Sensoren (2 oder 2-2x und 3 oder 3-3x) und Aktuatoren (5 oder 5-5x) über den Adressport (15) bei Mehrpfadbetrieb und
Selbstdiagnose des Monitoring-Schaltelements (1; 1a)
durch einen Elemente-Controller (4) realisiert werden, wobei der Elementen-Contoller (4) des Monitoring-Schaltelements (1; 1a) ein im Schaltelement (1; 1a) integrierter softwaregestützter Elementen-Controller (4) ist und daß über den Elementen-Controller (4) in Abhängigkeit der eingelesenen zeitgesteuerten und/oder externen Daten unabhängig voneinander einzeln und/oder gleichzeitig in einem oder mehreren elektrischen Pfaden und/oder Energiepfaden (8 oder 8-8x)
ein Mode I, Sensordaten bewerten und selbständig Interrupt-Aktuator (5 oder 5-5x) über Aktuatorport (16) ansteuern,
ein Mode II, Sensordaten ohne Bewertung über Datenport (20) ausgeben,
ein Mode III, Sensordaten bewerten, Zustandsmeldung generieren und über Datenport (20) ausgeben und
ein Mode IV, ausführen von externen Steuerbefehlen, den Interrupt-Aktuator (5 oder 5-5x) über Aktuatorport (16) ansteuern,
ausführbar sind.

2. Monitoring-Schaltelement nach Anspruch 1, wobei der Mode I nur ereignisgesteuert betrieben ist.

3. Monitoring-Schaltelement nach Anspruch 1 und 2, wobei die Mode II bis IV sowohl Zeit- als auch ereignissteuerbar sind.

4. Monitoring-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektrischen Pfade und/oder Energiepfade (8 oder 8-8x) Einzelpfade oder Sammelpfade sind.

5. Monitoring-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Monitoring-Schaltelement (1; 1a) bus-normgerecht und/oder nach freien Datenaustauschprotokollen extern kommuniziert.