DE10159925C2 - Monitoring-Schaltelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Monitoring-Schaltelement mit mindestens einem Interrupt-Aktuator, Stromsensor, Spannungssensor und einem softwaregestützten Element- Controller zum Überwachen und Schalten von elektro­ nischen Pfaden und/oder Energiepfaden durch Einlesen von Sensordaten über ein Sensorport; Empfangen von externen Daten, wie Bewertungsdaten, Bewertungsal­ gorithmen und Steuerbefehle für den softwaregestützten Element-Controller; Adressierung der einzelnen Pfade bei Mehrfachpfaden; Aktivierung und Deaktivierung der Arbeitsmodi, Realisieren der für den externen Daten­ austausch notwendigen Protokolle; Adressierung der Sensoren und Aktuatoren über das Adressport bei Mehr­ pfadbetrieb und Selbstdiagnose des Monitoring-Schalt­ elements.

Mit der zunehmenden Forderung, elektrische Prozesse, beispielsweise in der Automatisierungstechnik und der Fahrzeugtechnik, durch ein intelligentes Funktionsele­ ment 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 Energiema­ nagement.

Durch die DE 198 16 777 A1 ist ein intelligentes Ener­ giemanagement zur Überwachung und zum Schalten von Energiepfaden bekannt geworden, das aus den Bestand­ teilen Energy Bus EB 1, Energy Bus EB 2, Energy Inter­ faces EI-EI4, Control Bus CB, Local Control LC, Zen­ tralrechner sowie Verbraucher mit Sensorik besteht. Mit diesem Energiemanagement werden die Aufgaben, wie ständige Ermittlung der Energiezustände bzw. des Ener­ giebedarfs der einzelnen Komponenten und die Ermitt­ lung der Komponenten, die als nächstes belastet werden können oder aufgeladen werden müssen, erfüllt. Es legt also fest, welche Komponente Energiequelle bzw. Ener­ giesenke wird, wodurch die Energierichtung bestimmt wird, die Spannungsanpassung der einzelnen Komponenten und trennt nichtbenötigte oder nichteinsatzbereite Komponenten vom System und vermeidet Überlastungen und Stromspitzen im System. Nachteilig ist, daß die Ener­ gy-Interfaces EI nicht in Form von mehreren Energie­ pfaden ausgebildet werden können.

Damit ist ein Mehrpfadbetrieb mit Sammelpfaden nicht gegeben. Die Folge ist, daß für jeden Pfad ein geson­ dertes Local Control vorgesehen werden muß. Darüber hinaus liegt der Aktuator nur im Energiepfad.

Aus der US 5 995 911 ist bekannt und auch die Modul­ form läßt in Verbindung mit dem Control Bus CB in der DE 198 16 777 A1 erkennen, daß mindestens ein Teil des Energiemanagementsystems dezentral, d. h. in softwa­ regestützten Element-Controllern realisiert wird.

Aus Meinrad Happacher: "Intelligenz auch ganz unten" in Elektrotechnik 14/1997, Seite 82-86 sind Möglich­ keiten beschrieben, wie eine Visualisierung von Sen­ sorendaten, eine Dezentralisierung von Intelligenz sowie eine Mischung von dezentraler Intelligenz und einer Zentralsteuerung ausgeführt werden kann, wobei auch Funktionen von der dezentralen Steuerung als auch von der zentralen Steuerung wahrgenommen werden.

Der gemeinsame Nachteil aller vorgenannten bekannten Lösungen ist, daß die Schaltelemente nicht für einen Informationsbus, wie CAN-Bus, LIN-Bus, Ethernet-Bus und für einen freien Datenaustausch geeignet sind. Desweiteren ist der Interrupt-Aktuator nur durch die Energy-Interfaces und deren Schaltfunktion in den Energiepfaden des Energiebusses realisiert.

Informations-/Steuer- oder Kommunikationsleitungen in den elektronischen Pfaden sind damit getrennt zu über­ wachen und zu schalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein steuerbares Monitoring-Schaltelement zu schaffen, das universell nutzbar ist und auch nichtsteuerbare Funk­ tionskomponenten und/oder eine separate Energiebereit­ stellung für jede extern steuerbare Baugruppe manage­ bar macht und geeignet ist, Informationen über seine Zustände und der Zustände der schaltbaren elektroni­ schen Pfade und/oder Energiepfade für Diagnosezwecke bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit einem Moni­ toring-Schaltelement gelöst, das ein busnormgerechtes und nach freien Datenaustauschprotokollen extern kom­ munizierendes Schaltelement ist, mit dem in Abhängig­ keit der eingelesenen zeitgesteuerten und/oder exter­ nen Daten unabhängig voneinander einzeln und/oder gleichzeitig in einem oder mehreren elektronischen Pfaden und/oder Energiepfaden

• - ein Mode I, Sensordaten bewerten und selbständig In­ terrupt-Aktuator über Aktuatorport ansteuern,
• - ein Mode II, Sensordaten ohne Bewertung über Daten­ port 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 die Ausbildung des Monitoring-Schaltelements als Schaltelement, das busnormgerecht und nach freien Da­ tenaustauschprotokollen kommuniziert, wird gewährleis­ tet, daß das Schaltelement auch busfähig für einen In­ formationsbus, wie beispielsweise für einen CAN-Bus, Line-Bus, Ethernat-Bus ist aber auch bei der Verwen­ dung von freien Datenaustauschprotokollen zur Anwen­ dung kommen kann. Durch den Einsatz des Interrupt-Ak­ tuators ist ein Mehrpfadbetrieb mit Sammelpfaden mög­ lich, bei dem der Element-Controller allen gemeinsam ist.

Alle extern steuerbaren Baugruppen eines Systems oder auch eines Sub-Systems sind durch eingelesene Daten von den Sensoren zeitgesteuert und/oder auch durch extern eingelesene Daten an- oder abschaltbar oder auch andersweitig steuerbar und regelbar, wobei gleichzeitig Informationen über die Zustände des Ele­ ment-Controllers selbst und über die Zustände der schaltbaren elektronischen Pfade und/oder Energiepfade für Diagnosezwecke bereit gestellt werden.

Mit einem derartig vorgeschlagenen Element-Controller können somit nichtsteuerbare Funktionskomponenten managebar gemacht und auch Systeme, die über keine Informationsquellen verfügen, können für Diagnose­ zwecke nutzbar gemacht werden. Zu diesem Zweck wird der Element-Controller gleichzeitig genutzt, um In­ formationen über Strom- und Spannungsverhältnisse zu liefern und somit einfache Diagnoseprozesse über die angeschaltete Funktionalität der einzelnen elektro­ nischen Pfade und der Energiepfade zu ermöglichen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, daß der Mode I nur ereignisge­ steuert betrieben ist und somit nur reine Sicherungs­ funktionen durchführt. Durch die Sicherungsfunktion wird gewährleistet, daß beim Überschreiten eines ex­ tern vorgegebenen und im RAM gespeicherten Strom- und oder Spannungswerts, der Pfad durch den Interrupt-Ak­ tuator geöffnet und somit eine angeschlossene Last ab­ geschaltet 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 Modi 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 ent­ sprechenden 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 angeschlos­ senen Einheiten zur Auswertung zur Verfügung ge­ stellt werden,
• - durch den Mode IV, der eine Schalterfunktion ist, werden externe Steuerbefehle an den Interrupt- Aktuator über das Ausgangsport übertragen.
  Dabei werden über das Datenport Signale in den RAM übertragen, die von einer CPU als Einschalt- oder Ausschaltbefehl interpretiert werden und über das Aktuatorport einen oder mehrere Aktuatoren in Ab­ hängigkeit des erhaltenen Befehls betätigen.

Durch die Voraussetzung, daß die Modi II bis IV sowohl zeit- als auch ereignisgesteuert und das Mode I nur ereignisgesteuert abläuft sowie deren unabhängig von­ einander durchführbaren einzelnen oder gleichzeitigen Abläufe in einem oder mehreren elektronischen Pfaden und/oder Energiepfaden und der Möglichkeit, daß die Ereignisse extern über das Datenport durch Bewertungs­ daten und -algorithmen frei definiert und geändert werden können und durch eine mögliche externe Umschal­ tung zwischen der Zeit- und Energiesteuerung pro Mode in Verbindung mit einer 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 elektronischen Pfade und/oder Ener­ giepfade Einzelpfade oder Sammelpfade. Auf diese Weise kann die Variantenmöglichkeit durch die Anzahl der schaltbaren Pfade pro Element in Verbindung mit frei beschaltbaren und sammelschienenmäßig beschaltbaren Pfaden vorteilhaft beeinflußt werden. Die Schaltbar­ keit von mehreren Kanälen wird zweckmäßigerweise durch die Zusammenschaltung von mehreren Monitoring-Schalt­ elementen über die Sammelschiene zu einem Block er­ reicht, wobei bevorzugt für mehrere elektronische Pfade ein gemeinsamer Element-Controller genutzt wird.

Bei der Nutzung des Monitoring-Schaltelements in einem Informationsbus fungiert bevorzugt der Element-Con­ troller gleichzeitig als Bus-Konten. Damit können kos­ tengünstig die zeit- und/oder ereignisgesteuerten Sicherungsfunktionen auf dem Informationsbus ausge­ geben und über den Informationsbus die Schwellwerte für die Sicherungsfunktion und Steuerbefehle für die Reaktion des Interrupt-Aktuators dem Element-Control­ ler mitgeteilt sowie die Adressierung zum Ansprechen des definierten Pfades bei einem Mehrpfad-Schaltele­ ment ermöglicht werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung veranschaulicht werden.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Einpfad- Monitoring-Schaltelements mit Informations­ bus,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Mehr­ pfad-Monitoring-Schaltelements mit Informa­ tionsbus,

Fig. 3 ein schematischer Aufbau des Element- Controllers mit Informationsbus.

Das Monitoring-Schaltelement 1 besteht im wesentlichen aus einem softwaregestützten Element-Controller 4, der bevorzugt mit einem Informationsbus 9 in Verbindung steht, einem Stromsensor 2, einem Spannungssensor 3 und einem Interrupt-Aktuator 5, der in einem elek­ tronischen Pfad/Energiepfad 8 zwischen dem Eingang 7 und dem Ausgang 6 eingebunden ist.

Der softwaregestützte Element-Controller 4 besteht aus einer Speichereinheit, die nachfolgend als RAM 13 genannt wird, einer Verarbeitungseinheit, die nach­ folgend CPU 14 genannt wird, einem Sensorport 17, einem Aktuatorport 16, einem Adressport 15, dem Daten­ port 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-Monito­ ring-Schaltelement 1 im elektronischen Pfad/Energie­ pfad 8 zwischen dem Eingang 7 und dem Ausgang 6 der Stromsensor 2, der Spannungssensor 3 und der Inter­ rupt-Aktuator 5 eingebunden.

Die nachfolgenden Funktionsabläufe eines Monitoring- Schaltelements 1; 1a erfolgen durch Hilfsmodi V bis IX, die zur Realisierung der Hauptmodi I bis IV erfor­ derlich 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 elektronischen Pfad/Energiepfad 8 werden als Sensordaten zeitgesteuert über den Sensorport 17 ein­ gelesen und als Daten in den RAM 13 des Element-Con­ trollers 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 diskontinuierli­ chen externen Daten, bevorzugt aus einem Informations­ bus 9, über den Eingang 18 des Datenports 20, die im RAM 13 gespeichert werden, die aus Bewertungsdaten, beispielsweise Schwellwerte für die Sicherungsfunk­ tion, aus Bewertungsalgorithmen und Steuerbefehle für den Element-Controller 4, Steuerbefehle für den In­ terrupt-Aktuator 5, Adressierung der einzelnen elek­ tronischen Pfade/Energiepfade 8 bei ein Mehrpfad- Schaltelement, wie in Fig. 2 gezeigt, Aktivieren und Deaktivieren der Modi I bis IV bestehen.

Diese Daten ermöglichen, daß das Monotoring-Schalt­ element 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 Mehr­ fach-Monitoring-Schaltelement 1a der Strom- bzw. Span­ nungssensoren 2, 2a, 2b, 2x bzw. 3, 3a, 3b, 3x und der In­ terrupt-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 Mo­ nitoring-Schaltelement 1; 1a auf das Datenport 20 ge­ neriert, beispielsweise Vergleiche von Schaltvorgängen mit vorgegebenen Referenzkurven.

Mit dem Funktionsablauf entsprechend dem Hilfsmode V-­ IX werden durch das Monitoring-Schaltelement 1 nach­ folgende Hauptmodi I bis IV voneinander unabhängig einzeln oder auch gleichzeitig im elektronischen Pfad/­ Energiepfad 8 oder bei einem Mehrpfad-Monitoring- Schaltelement 1a in einem oder mehreren elektronischen Pfaden/Energiepfaden 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 vorge­ gebenen und gespeicherten Daten im RAM 13 bewertet. Werden die extern vorgegebenen und im RAM 13 gespei­ cherten Strom- und/oder Spannungswerte überschritten oder unterschritten, wird der Interrupt-Aktuator 5; 5a; 5b; 5x in dem elektronischen Pfad/Energiepfad 8; 8a; 8b; 8x geöffnet, nach dem die Überschreitung oder Unterschreitung ermittelt wurde. Damit ist eine an diesem Pfad 8; 8a; 8b; 8x angeschlossene Last oder elektronische Einheit abgeschaltet.

Mode II - Sensorfunktion

Die im RAM 13 befindlichen Sensordaten des Stromsen­ sors 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 das Datenport 20 ausgegeben und stehen damit weiteren nicht näher dargestellten angeschlossenen Einheiten zur Auswertung zur Verfü­ gung.

Mode III - Monitoring-Funktion

Die Sensordaten des Stromsensors 2 und Spannungssen­ sors 3 bzw. der Stromsensoren 2, 2a, 2b, 2x und Span­ nungssensoren 3, 3a, 3b, 3x bei einem Mehrpfad-Monito­ ring-Schaltelement 1a werden durch die 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 Zusatz­ meldungen werden durch die CPU 14 entweder zeitgesteu­ ert oder durch Eintritt eines Ereignisses, beispiels­ weise Auftreten eines Fehlerbildes oder ein Abruf durch eine als masterfungierende Einheit, über das Datenport 20 beispielsweise an einen Informationsbus 9 ausgegeben und werden damit anderen angeschlossenen Einheiten zur Auswertung zur Verfügung gestellt.

Mode IV - Schalterfunktion

Über das Datenport werden Signale in den RAM 13 über­ tragen, die von der CPU 14 als Einschalt- oder Aus­ schalt-Befehle interpretiert und von der CPU 14 über den Aktuatorport 16 zum Betätigen des Interrupt-Aktu­ ators 5 bzw. der Interrupt-Aktuatoren 5, 5a, 5b, 5x übertragen wurden.

Bei einem Mehrpfad-Monitoring-Schaltelement 1a, wie in Fig. 2 dargestellt, kann die Schaltbarkeit von mehre­ ren elektronischen Pfaden/Energiepfaden 8, 8a, 8b, 8x durch Zusammenschaltung über Sammelschienen 10, 11, 12 zu einem Block erreicht werden, wobei die Schaltung der elektronischen Pfade/Energiepfade 8, 8a, 8b, 8x über einen gemeinsamen Eingang 7 und Ausgang 6 verfügen und zweckmäßigerweise über einen gemeinsamen Element- Controller 4 überwacht, geregelt und geschaltet wer­ den.

Bezugszeichen

1

,

1

a Monitoring-Schaltelement

2

,

2

a,

2

b,

2

x Stromsensor

3

,

3

a,

3

b,

3

x Spannungssensor

4

Elementen-Controller

5

,

5

a,

5

b,

5

x Interrupt-Aktuator

6

Ausgang

7

Eingang

8

,

8

a,

8

b,

8

x 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 (4)

1. Monitoring-Schaltelement mit mindestens einem Interrupt-Aktuator, Stromsensor, Spannungssensor und einem softwaregestützten Element-Control­ ler zum Überwachen und Schalten von elektroni­ schen Pfaden und/oder Energiepfaden durch Ein­ lesen von Sensordaten über ein Sensorport, durch Empfangen von Bewertungsdaten, Bewertungsalgo­ rithmen und Steuerbefehlen für den softwarege­ stützten Element-Controller, durch Adressierung der einzelnen Pfade bei Mehrfachpfaden, durch Aktivierung und Deaktivierung von Arbeitsmodi, durch Realisieren der für den externen Datenaustausch notwendigen Protokolle, durch Adressierung der Sensoren und Aktua­ toren über das Adressport bei Mehrpfadbetrieb und durch Selbstdiagnose des Monitoring-Schaltelements, da­ durch gekennzeichnet, daß das Monitoring-Schalt­ element (1; 1a) ein busnormgerechtes und nach freien Datenaustauschprotokollen extern kommuni­ zierendes Schaltelement ist, mit dem in Abhängig­ keit der eingelesenen zeitgesteuerten und/oder externen Daten unabhängig voneinander einzeln und/oder gleichzeitig in einem oder mehreren elektronischen Pfaden und/oder Energiepfaden (8 oder 8-8x)
ein Mode I, Sensordaten bewerten und selbstän­ dig Interrupt-Aktuator (5; oder 5-5x) über Ak­ tuatorport (16) ansteuern,
ein Mode II, Sensordaten ohne Bewertung über Datenport (20) ausgeben,
ein Mode III, Sensordaten bewerten, Zustands­ meldung generieren und über Datenport (20) aus­ geben und
ein Mode IV, Ausführen von externen Steuerbe­ fehlen und/oder den Interrupt-Aktuator (5 oder 5-5x) über Aktuatorport (16) ansteuern, ausführbar sind.

2. Monitoring-Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mode I nur ereignisge­ steuert ist.

3. Monitoring-Schaltelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modi II bis IV sowohl zeit- als auch ereignissteuerbar sind.

4. Monitoring-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro­ nischen Pfade und/oder Energiepfade (8 oder 8-8x) als Einzel- oder Sammelpfade ausgebildet sind.