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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lüfters, der
an einen Steckersockel angeschlossen ist, wobei an den Steckersockel
Lüfter
einer ersten Bauart anschließbar
sind, denen eine drehzahlunabhängige
Versorgungsspannung zugeführt
wird und deren Drehzahl über
ein Drehzahlsteuersignal gesteuert wird, und Lüfter einer zweiten Bauart anschließbar sind,
deren Drehzahl über
die Versorgungsspannung gesteuert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Lüfters.
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Mit
wachsender Integrationsdichte und immer höherer Taktfrequenz steigt bei
Computern auch die Anforderung an die Kühlung einzelner Komponenten.
Häufig
reicht, z.B. bei Prozessoren, die Kühlung durch einen aufgesetzten
Kühlkörper zur
Oberflächenvergrößerung und
passiver Konvektion nicht aus. Üblicherweise
werden zur Unterstützung
der Kühlung
separate Lüfter
eingesetzt, deren Luftstrom direkt auf die Kühlkörper der temperaturkritischen Bauelemente
gelenkt wird. Es ist in der Regel nicht notwendig, den Lüfter dauerhaft
mit höchster
Drehzahl zu betreiben. Im Falle von Prozessoren verlangen beispielsweise
nur sehr rechenintensive Anwendungen maximale Drehzahl des Lüfters. Da
hohe Drehzahl des Lüfters
meist mit hoher Geräuschbelastung
für den
Anwender verbunden ist, ist es erstrebenswert die Drehzahl des Lüfters den
Erfordernissen anzupassen und soweit wie möglich zu reduzieren. Zu diesem
Zweck werden Steuerungen eingesetzt, die die Drehzahl des Lüfters absenken,
z.B. in Abhängigkeit
von der Temperatur des Prozessors. Die Lüfter verfügen in diesem Fall meist über einen Tachoausgang,
mit dessen Hilfe die tatsächliche Drehzahl
des Lüfters
bestimmt, überwacht
und geregelt werden kann. Bei PCs ist die Steuerung üblicherweise
auf dem Mainboard realisiert. Der auf dem Prozessor aufsitzende
Lüfter
ist dann über
Steckverbinder und Kabel mit der Steuerung verbunden.
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Bei
einer neueren ersten Bauart von Lüftern gibt die Steuerung zur
Drehzahlvariation ein leistungsloses und beispielsweise pulsweitenmoduliertes
Signal aus. Der Lüfter
verfügt über eine
Einrichtung, um das pulsweitenmodulierte Signal auszuwerten und
in eine Drehzahl umzusetzen. In diesem Fall hat der Lüfter typischerweise
zwei Eingänge
zur Stromversorgung mit einer konstanten Versorgungsspannung, einen
Tachoausgang sowie einen Steuereingang zur Drehzahlsteuerung und
wird im folgenden auch Vier-Draht-Lüfter
genannt. Dieses Prinzip der Drehzahlsteuerung könnte natürlich auch mit einer anderen
Anzahl an Anschlüssen
realisiert werden.
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In
einer marktüblichen
zweiten Bauart von Lüftern
erfolgt die Drehzahlsteuerung über
Variation der Versorgungsspannung des Lüfters. In dieser bekannten
Ausführungsform
hat der Lüfter
typischerweise zwei Eingänge
zur Stromversorgung und einen Tachoausgang und wird im folgenden
auch als Drei-Draht-Lüfter
bezeichnet. Auch dieses Prinzip ist nicht zwingend an genau drei
Anschlüsse
gebunden. Die Steuerung der Drehzahl kann bei dieser Bauart auf
verschiedene Weise geschehen. Wenn die Drehzahl über die Höhe der Versorgungsspannung
gesteuert wird, tritt am Stellglied auf dem Computer-Mainboard eine
entsprechende Verlustleistung auf. Das Stellglied muss so groß dimensioniert
sein, dass es auch bei blockiertem Lüfter mit hohem Stromfluss und
der in diesem Fall auftretenden hohen Verlustleistung keinen Schaden
nimmt. Alternativ kann eine Überwachungseinheit
vorgesehen werden, die den ungewöhnlich
hohen Stromfluss bei blockiertem Lüfter erkennt und das Stellglied
sperrt um es vor hoher Verlustleistung zu schützen. Beides ist mit hohem
Aufwand und entsprechendem Platzbedarf auf dem Mainboard verbunden.
Wird dagegen die Drehzahl des Drei-Draht-Lüfters durch eine Pulsweitenmodulation
seiner Versorgungsspannung gesteuert, kann sich die Störstrahlung,
die dadurch entsteht, dass ein pulsweitenmoduliertes Signal mit
relativ großer
Leistung an einer cirka 20 cm langen Leitung zwischen Mainboard
und Lüfter
anliegt, negativ auf andere Komponenten des Computers auswirken.
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Daneben
sind auch Lüfter
bekannt, die kein Tachosignal liefern. Die Drehzahl kann dann über eine
Erkennung von Kommutierungsimpulsen im Laststrom des Lüfters ermittelt
werden.
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Zur
Zeit werden in handelsüblichen
PCs fast ausschließlich
Drei-Draht-Lüfter
eingesetzt. Es ist aber abzusehen, dass im Laufe der nächsten Generation
von Mainboards zunehmend Vier-Draht-Lüfter Verwendung
finden werden. Es wird dann eine Übergangszeit geben, in der
beide Ausführungsformen sowohl
bei Mainboards als auch bei Lüftern
auf dem Markt sein werden.
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Drei-
und Vier-Draht-Lüfter
benutzen Stecker aus derselben Steckerfamilie. Mechanisch besteht volle
Kompabilität:
Drei- und Vier-Draht-Stecker
passen wechselseitig auf drei- oder vierpolige Sockel, wobei in
allen Fällen
Verpolungsschutz gewährleistet ist.
Die elektrische Kontaktbelegung der Stecker und Sockel bedingt,
dass ein Drei-Draht-Lüfter,
der auf einen vierpoligen Sockel gesteckt wird, mit höchster Drehzahl
läuft,
wohingegen ein Vier-Draht-Lüfter,
der auf einem dreipoligen Sockel gesteckt wird, sich in einem undefinierten
Zustand befindet. Beides ist unvorteilhaft. Im günstigsten Fall funktioniert
lediglich die Drehzahlabsenkung und damit die Geräuschreduzierung
nicht, wodurch der eigentliche Zweck der Lüftersteuerung verfehlt wird.
Im ungünstigsten
Fall ist keine ausreichende Kühlung
des Prozessors gewährleistet,
was zur Beschädigung
oder Abschaltung des Systems führen
kann.
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Es
sind verschiedene Lüftersteuerungen
bekannt, die so eingerichtet sind, dass ein möglichst gesicherter Betrieb
eines Lüfters
und damit verbunden eine gesicherte Kühlung eines Prozessors gewährleistet
ist.
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Beispielsweise
beschreiben die Dokumente
US
5 436 827 A und
EP
0 690 366 A1 ein Lüftersteuerungssystem
zur Ansteuerung eines Lüfters,
wobei zur Erzielung einer höheren
Betriebssicherheit der Lüfter
alternativ durch eine von zwei gleichzeitig bereitgestellten, redundanten
Stromquellen betrieben werden kann. Die Umschaltung wird durch zwei
Kontrolleinheiten ausgesteuert, die die Funktion beider Stromquellen überwachen.
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Die
Schrift
US 20020101715
A1 offenbart ein Mehrprozessorcomputersystem mit mindestens
zwei Prozessoren, zu deren Kühlung
jeweils ein unabhängiger
Lüfter
vorgesehen ist. Bei Beeinträchtigung
der Funktion eines Lüfters
wird von einer Steuereinheit der betroffene Prozessor durch eine
Umverteilung der Rechenprozesse auf den anderen Prozessor entlastet.
Dadurch kann die Leistungsaufnahme des betroffenen Prozessors vermindert
werden, so dass trotz verminderter Kühlung durch den beeinträchtigten
Lüfter
einer Überhitzung
vorgebeugt wird.
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Das
Dokument
US 20040027799
A1 beschreibt ein Computersystem mit einem Prozessor und
einem Serviceprozessor, bei dem der Serviceprozessor Steuersignale
zur Kontrolle der Lüfterdrehzahl
erzeugt, die an eine Steuereinheit geleitet werden, die die Ansteuerung
von mindestens einem Lüfter
vornimmt. Wenn Steuersignale des Serviceprozessors vorliegen, wird
von der Steuereinheit die Lüfterdrehzahl
wird entsprechend dieser Steuersignale eingestellt. Falls keine
Steuersignale des Serviceprozessors vorliegen, wird zur Verhinderung
von Überhizungsschäden eine
vorgegebene Lüfterdrehzahl
eingestellt.
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Das
Dokument
DE 692 25
723 T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
automatischen Bestimmung der Struktur und der Parameter der Übertragungsfunktion
einer Regelstrecke mit Hilfe eines neuronalen Netzes. Angewendet
auf eine Lüftersteuerung
kann so durch optimierte Regelparameter eine möglichst effektive Kühlung erreicht
werden.
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Nachteilig
bei den vorgestellten Verfahren und Lüftersteuerungen ist jedoch,
dass sie nur jeweils für
einen bestimmten Lüftertyp
mit einer festgelegten Art der Drehzahlregulierung geeignet sind. Das
Anschließen
eines Lüftertyps
der falschen Bauart an die Steuerung führt bei diesen Steuerungen durch
die eingeführten
Sicherheitsmaßnahmen
zwar nicht zur Überhitzung
des Prozessors, dennoch wird entweder wegen mangelnder Kühlung nicht
die optimale Leistungsfähigkeit
des Prozessors erreicht oder aufgrund einer dauerhaft zu hohen Lüfterdrehzahl
ein unnötiger
Lärmpegel
erzeugt und eine kürzere
Lüfterlebensdauer
hervorgerufen.
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Eine
weitere, naheliegende Lösung
ist, auf dem Mainboard Steckersockel für beide Lüftertypen, gegebenenfalls mit
eigener Steuerung, vorzusehen. Damit ist allerdings die Vertauschungsgefahr
zwischen den Typen nicht ausgeschlossen.
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Weiterhin
führt diese
Lösung
zu erhöhten Herstellungskosten
bei den Mainboards und belegt zudem zusätzlichen Platz auf der Platine.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Ansteuerung eines Lüfters anzugeben, so dass ein
angeschlossener Lüfter
drehzahlvariabel gesteuert wird, unabhängig davon, ob es sich um einen
Lüfter einer
ersten Bauart oder einer zweiten Bauart handelt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lüfters gelöst, bei
dem
- – zunächst eine
erste Betriebsart zur Ansteuerung von Lüftern der ersten Bauart eingestellt
wird, bei der die Versorgungsspannung (V) konstant gehalten wird
und die Drehzahl über
das Drehzahlsteuersignal (DS) gesteuert wird,
- – dann
die Ist-Drehzahl des Lüfters
bei Variation des Drehzahlsteuersignals (DS) ermittelt und ausgewertet
wird,
- – die
erste Betriebsart beibehalten wird, falls sich die Drehzahl bei
Variation des Drehzahlsteuersignals geändert hat, und
- – eine
zweite Betriebsart zur Ansteuerung von Lüftern der zweiten Bauart, bei
der die Drehzahl über
die Versorgungsspannung (V) gesteuert wird, eingestellt wird, falls
sich die Drehzahl bei Variation des Drehzahlsteuersignals nicht
geändert
hat.
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Erfindungsgemäß wird somit
die Bauart eines angeschlossenen Lüfters erkannt und der Lüfter kann
sachgemäß und drehzahlgesteuert
betrieben werden. Ein einziger Stecker auf dem Mainboard ist dazu
ausreichend, wodurch jede Vertauschungsgefahr der Typen durch den
Anwender ausgeschlossen ist. Das Erkennen des Eingangs zur Drehzahlsteuerung über seine
Funktion hat den Vorteil, dass es von der detaillierten Bauform
des Lüfters
unabhängig
ist. Diese wäre
bei Ausführungsformen,
bei denen das Erkennen des Lüftertyps
beispielsweise über
die Impedanz des Steuereingangs erfolgt, nicht gegeben. Die Phase
zum Erkennen der Bauart des Lüfters kann
zudem sehr kurz gehalten werden, damit die Kühlung durch die Erkennungsphase
nicht beeinträchtigt
wird. Ausreichende Wärmeabfuhr
ist so jederzeit sichergestellt, insbesondere da zu Betriebsbeginn
kaum Kühlbedarf
besteht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens werden die Lüfter
der zweiten Bauart mit einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung zur
Drehzahlsteuerung angesteuert. Weiterhin ist bevorzugt, dass externe
Messwerte und Sollwerte eingelesen werden können und die Drehzahl in Abhängigkeit
dieser Werte geregelt wird.
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Bezüglich der
Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur
Ansteuerung eines Lüfters
gemäß Anspruch
7 gelöst.
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Weitere
bevorzugte Weiterbildungen des beschriebenen Verfahrens und der
Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Ansteuerung eines Lüfters.
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2 ein
Flussdiagramm des Verfahrens.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Lüfters nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ein Steckersockel 1 dient dem Anschluss von Lüftern der
verschiedenen Bauarten wie sie eingangs beschrieben wurden. Der
Steckersockel 1 weist einen Masseanschluss GND, einen Anschluss V
zur Bereitstellung der Versorgungsspannung, einen Anschluss DS für ein Drehzahlsteuersignal
und einen Anschluss TS für
ein Tachosignal auf. Der Steckersockel 1 ist mit einer
Einrichtung 2 zum Einlesen und Auswerten des Tachosignals
TS verbunden, an deren Ausgang die Ist-Drehzahl des Lüfters bereitgestellt
wird. Der Ausgang der Einrichtung 2 ist mit einem Speicher 3 und
einer Steuereinheit 4 verbunden. An den Speicher 3 ist
ein Vergleicher 5 angeschlossen, der überprüft, ob die im Speicher 3 abgelegten Drehzahlwerte
gleich oder unterschiedlich sind. Beim Vergleich könnte auch
der erste Wert aus dem Speicher und der zweite Wert direkt aus der
Einrichtung 2 entnommen werden. Der Ausgang des Vergleichers 5 wird
ebenfalls der Steuereinheit 4 zugeführt. Weiterhin hat die Steuereinheit 4 einen
oder mehrere Eingänge
zum Einlesen von Sollwerten SW für
zum Beispiel Temperatur oder Drehzahl und einen oder mehrere Eingänge zum
Einlesen von Messwerten MW, zum Beispiel für die aktuelle Prozessortemperatur.
Als Ausgänge
stellt die Steuereinheit 4 das Drehzahlsteuersignal DS
und ein Betriebsartsteuersignal BS bereit. Das Drehzahlsteuersignal
DS liegt zum einen am Steckersockel 1 an und wird zum anderen
in einem Treiber 6 in eine variable Versorgungsspannung
Vvar umgesetzt. Ein Umschalter 7 verbindet abhängig vom
Betriebsartsteuersignal BS den Anschluss für die Versorgungsspannung V
am Steckersockel 1 entweder mit dem Ausgang des Treibers 6 (V
= Vvar) oder mit einer konstanten Versorgungsspannungsquelle (V
= Vcc).
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Der
Steckersockel 1 ist mechanisch und elektrisch so ausgelegt,
dass handelsübliche
Lüfter der
beiden beschriebenen Bauarten (Drei- oder Vier-Draht-Lüfter) eingesteckt
werden können. Drei-Draht-Lüfter kontaktieren
dabei die Anschlüsse für Masse
GND, Versorgungsspannung V und Tachosignal TS. Vier-Draht-Lüfter kontaktieren
neben den genannten drei Anschlüssen
zusätzlich
den Anschluss für
das leistungslose Drehzahlsteuersignal DS. Bei Drei-Draht-Lüftern ist
die Drehzahlvariation nur über Änderung
der Versorgungsspannung V möglich,
was sowohl über Änderung
der Höhe
der Versorgungsspannung oder über
eine Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung V geschehen kann.
Bei Vier-Draht-Lüfter
hingegen wird die Versorgungsspannung V konstant gehalten, und die
Drehzahlvariation wird von einer Einrichtung im Lüfter durchgeführt, die
in der Lage ist das leistungslose Drehzahlsteuersignal DS auszuwerten.
Umschalter 7 und Treiber 6 können dabei so ausgeführt sein,
dass ein Schaltelement, z.B. ein Endstufentransistor, beide Funktionen übernimmt.
Die Ausgabe einer konstanten Versorgungsspannung entspricht dann
beispielsweise einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung mit
einem Einschaltverhältnis
von 100%.
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2 zeigt
in einem Flussdiagramm das Verfahren zur Erkennung und Ansteuerung
eines Lüfters,
das nach Einstecken eines Lüfters
in den Steckersockel 1, beziehungsweise nach Einschalten der
Vorrichtung, startet. Zunächst
wird von der Steuereinheit 4 eine erste Betriebsart eingestellt,
bei der über
das Betriebsartsteuersignal BS und den Umschalter 7 eine
konstante Versorgungsspannung V = Vcc an den Lüfter ausgegeben wird. Über das
Drehzahlsteuersignal DS wird eine erste Drehzahl vorgegeben, die
beispielsweise der Maximaldrehzahl des Lüfters entspricht. Nach einer
angemessenen Wartezeit wird die tatsächliche Ist-Drehzahl des Lüfters durch
Auswertung des Tachosignals TS in der Einheit 2 bestimmt
und im Speicher 3 gespeichert. Danach wird eine zweite
Drehzahl über
DS vorgegeben, die sich hinreichend von der ersten Drehzahl unterscheidet,
also beispielsweise 50 % der Maximaldrehzahl. Die sich tatsächlich einstellende
Ist-Drehzahl wird wiederum
in analoger Weise gespeichert. Die gespeicherten Werte werden vom
Vergleicher 5 verglichen. Wenn sich beide Ist-Drehzahlen
unterscheiden, heißt das,
dass der Lüfter
in der Lage ist, das Drehzahlsteuersignal auszuwerten und wird weiterhin
in dieser Betriebsart angesteuert. Wenn sich die beiden gespeicherten
Ist-Drehzahlen nicht unterscheiden, verfügt der Lüfter nicht über Mittel, das Drehzahlsteuersignal
DS auszuwerten. In diesem Fall wird auf eine Betriebsart umgestellt,
in der zur Drehzahlsteuerung die Versorgungsspannung des Lüfters variiert wird.
Zu diesem Zweck verbindet der Umschalter 7 den Anschluss
für die
Versorgungsspannung V des Lüfters
mit dem Ausgang des Treibers 6, d.h. V = Vvar.
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Das
beschriebene Verfahren ist dabei sehr flexibel an die jeweiligen
Bedürfnisse
anpassbar. Zur Drehzahlsteuerung können sowohl das Drehzahlsteuersignal
DS wie die variable Versorgungsspannung Vvar entweder in ihrer Höhe variiert
oder pulsweitenmoduliert werden. Weiterhin kann die Steuereinheit 4 so
ausgelegt sein, dass Sollwerte SW, zum Beispiel eine gewünschte Drehzahl,
sowie Messwerte MW, zum Beispiel die Temperatur des zu kühlenden
Bauteils, eingelesen und zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl
hergezogen werden können. Ebenfalls
ist eine Ausführung
denkbar, bei der auch Lüfter
angeschlossen und korrekt betrieben werden können, die kein Tachosignal
zur Verfügung
stellen. In diesem Fall kann die Ist-Drehzahl durch Auswertung der
Kommutierungsimpulse des Laststroms des Lüfters bestimmt werden.
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Die
beschriebene Anordnung ist insbesondere zum Einsatz in PCs geeignet.
In diesem Fall würde
die Steuerung auf dem Mainboard angeordnet und der Lüfter zur
Kühlung
des Prozessors eingesetzt. Die Anordnung kann als ein einziger integrierter
Schaltkreis ausgeführt
werden. Ebenso ist es möglich,
bereits bekannte Baugruppen, z.B. zur temperaturgeregelten Steuerung
von Lüftern
nur einer Bauart, um weitere, neue Baugruppen zu ergänzen, um
die beschriebene Steuerung zu realisieren. Erfindungsgemäß wird auf
dem Mainboard nur ein Steckersockel benötigt. Damit trägt die vorgestellte
Lösung
den Ansprüchen
der Hersteller an Kompaktheit Rechnung.
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- 1
- Steckersockel
- 2
- Einrichtung
zur Auswertung des Tachosignals TS
- 3
- Speicher
- 4
- Steuereinheit
- 5
- Vergleicher
- 6
- Treiber
- 7
- Umschalter
- TS
- Tachosignal
- V
- Versorgungsspannung
für Lüfter
- Vcc
- konstante
Versorgungsspannung
- Vvar
- variable
Versorgungsspannung
- GND
- Masse
- DS
- Drehzahlsteuersignal
- BS
- Betriebsartsteuersignal
- SW
- Sollwerte
- MW
- Messwerte