DE102006004619A1

DE102006004619A1 - Intelligente Stellgliedtopologie

Info

Publication number: DE102006004619A1
Application number: DE102006004619A
Authority: DE
Inventors: Leandro G. Rochester Hills Barajas
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2006-08-17
Also published as: US20060176823A1

Abstract

Eine intelligente Stellgliedvorrichtung schafft eine gesteuerte Verbindung zwischen einer Quelle und einer Last und enthält ein redundantes Schaltnetz und Sensoren, die so beschaffen sind, dass sie Bedingungen des intelligenten Stellglieds und Bedingungen, die extern zu dem intelligenten Stellglied sind, diagnostizieren. Vorzugsweise sind die Schaltnetzzustände in Übereinstimmung mit mehreren alternativen Netzkonfigurationen festsetzbar. Die Netzdiagnose ermöglicht die Korrektur von Festsetzungsfehlern und die Neukonfiguration des Netzes zur Lieferung des gewünschten Zustands. Außerdem wird durch die Sensoren eine Quell- und Lastbedingungsdiagnose ermöglicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Betätigungssysteme. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf so genannte intelligente Stellglieder.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Viele Betätigungssysteme nutzen eine Schaltredundanz, um die Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit zu verbessern. Besonders wichtig ist eine Redundanz in kritischen Steueranwendungen, um sicher zu stellen, dass die Betätigungsbefehle ausgeführt werden. In einer binären Schaltanwendung kann die Redundanz für einen oder für beide Betätigungszustände (d. h. EIN und AUS) genutzt werden.

Eine typische Redundanz stützt sich auf eine Steuerarchitektur, die hoch zentralisiert ist, und auf eine einzelne Betätigungshardware, die räumlich verteilt ist. Die Steuerfunktionen redundanter Schaltnetze werden auf einer hohen Ebene ausgeführt. Dies trifft in Prozesssteueranwendungen wie etwa bei der Fertigung oder in Produktanwendungen wie etwa z. B. bei Kraftfahrzeugsystemsteuerungen zu. Herkömmlich werden Steuereinheiten, ob sie auf industriellen speicherprogrammierbaren Steuerungen (PLC) oder auf einem Mikroprozessor beruhen, mit einer eineindeutigen Abbildung redundanter Schalter oder Stellglieder auf Steuereinheitsausgaben versehen. Natürlich erfordert somit jeder solche Schalter oder jedes solche Stellglied wenigstens eine einer begrenzten Anzahl von Ausgaben des Mik roprozessors oder der PLC. Dadurch verbraucht jede Betätigungsfunktion eine erhebliche Menge an Hardware-E/A-Funktionalität. Darüber hinaus verbraucht diese Redundanz erhebliche Prozessor- oder PLC-Systemdurchsatz-Betriebsmittel für das Management einer einzelnen Betätigungsfunktion. Noch weiter angespannt wird die Hardware- und Software-Betriebsmittelnutzung, wenn die Redundanz für jeden Betätigungszustand (z. B. EIN und AUS) genutzt wird. Solche Anwendungen mit einer hohen Anzahl von E/A können unerschwinglich teuer und unpraktisch sein.

Die Diagnose oder Validierung dieser Betätigungssysteme erfordert noch mehr E/A-Betriebsmittel. Außerdem kann in redundanten Betätigungssystemen, die nicht passiv redundant sind, für jeden Schalter oder für jedes Stellglied wenigstens ein zusätzlicher Steuereinheits-E/A-Punkt erforderlich sein. Selbst dann bleibt diese Diagnose insofern unvollständig, als der Zustand der Last, die das Ziel der Betätigung ist, unerkannt und unvalidiert bleibt. In bestimmten kritischen Anwendungen kann dies nicht akzeptabel sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist ein intelligentes Stellglied, das minimale E/A-Betriebsmittel von Steuerungen höherer Ebene erfordert. Die Stellgliedsteuerung und -diagnose wird als Teil der intelligenten Stellgliedfunktionalität ausgeführt, während vorteilhaft zusätzlich ebenfalls eine externe Diagnose zur Verfügung gestellt wird.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthält ein intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last ein Netz mit mehreren redundant festsetzbaren Netzzuständen. Es wird ein Mittel zum Festsetzen des Netzes in einen der mehreren redundant fest setzbaren Netzzustände, der einem Befehl für den gewünschten Netzzustand entspricht, bereitgestellt. Die Last wird durch ein Lastdiagnosemittel validiert und ein Rückkopplungsmittel liefert Diagnoseinformationen über das intelligente Stellglied. Das Mittel zum Festsetzen des Netzes enthält ein Netzzustands-Diagnosemittel zum Bestätigen der Festsetzung des einen der mehreren redundant festsetzbaren Netzzustände entsprechend dem Befehl für den gewünschten Netzzustand.

In einer besonderen Form enthält ein intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last ein binäres Schaltnetz mit einem ersten und einem zweiten Netzzustand, wobei wenigstens einer dieser Netzzustände über irgendeine von mehreren redundanten Netzkonfigurationen festsetzbar ist. Außerdem enthält das intelligente Stellglied ein Netzzustands-Festsetzmittel, das auf einen Befehl für den gewünschten Netzzustand reagiert, um das binäre Schaltnetz in einen gewünschten einen des ersten und des zweiten Netzzustands festzusetzen. Ein Mittel zur Diagnose der Lastbedingungen und zum Liefern von Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds, die den Netzzustandsbedingungen und/oder den Lastbedingungen entsprechen, ist ebenfalls Teil des intelligenten Stellglieds. In einer besonderen Form enthält das intelligente Stellglied außerdem ein Mittel für die Diagnose von Netzzustandsbedingungen. In einer abermals besonderen Form, in der mehrere redundante Netzkonfigurationen verfügbar sind, um wenigstens einen der Netzzustände festzusetzen, enthält das Netzzustands-Festsetzmittel ein Mittel zum Konfigurieren des binären Schaltnetzes in eine alternative eine der mehreren redundanten Netzkonfigurationen, wenn das Mittel zum Diagnostizieren von Netzzustandsbedingungen eine anomale Netzzustandsbedingung in Bezug auf eine momentane eine der mehreren redundanten Netzkonfigurationen diagnostiziert.

Außerdem findet sich die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zum steuerbaren Koppeln einer Last mit einer Quelle, das das Bereitstellen eines Netzes zwischen der Last und der Quelle und das Festsetzen des Netzes in eine von mehreren Netzkonfigurationen zum Bewirken eines gewünschten Netzzustands enthält. Wenn bestimmt wird, dass eine der mehreren Netzkonfigurationen nicht den gewünschten Zustand bewirkt, wird das Netz in eine alternative eine der mehreren Netzkonfigurationen festgesetzt, um den gewünschten Netzzustand zu bewirken. Wenn irgendeine der mehreren Netzkonfigurationen nicht den gewünschten Netzzustand bewirkt, werden Netzfehler diagnostiziert. Anhand des Netzfehlers werden dem Netz entsprechende Diagnoseinformationen geliefert. Insbesondere wird außerdem anhand einer Nichtübereinstimmung eines Lastparameters mit einem erwarteten Bereich für den Lastparameter, wenn der gewünschte Netzzustand bewirkt wird, eine Lastfehlerdiagnose ausgeführt.

KURZBESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun Bezug genommen auf die Zeichnungen, die als beispielhaft für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und nicht als deren Einschränkung zu verstehen sind, wobei:
1 ein schematischer Blockschaltplan eines redundanten intelligenten Stellgliedsystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein schematischer Blockschaltplan einer bevorzugten Ausführungsform eines doppelt redundanten binären intelligenten Schaltstellgliedsystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist; und
3 ein Funktionsblockschaltplan ist, der verschiedene Operationen veranschaulicht, die durch das intelligente Stellglied in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der Figuren beschrieben, die allgemeine und bevorzugte Ausführungsformen eines intelligenten Stellglieds 301 in Anwendung mit einer mikroprozessor- oder PLC-gestützten Steuerung 210 veranschaulichen. Das intelligente Stellglied 301 ist in der Figur in funktionaler Kommunikation über Leitungen 211 und 213 mit einer Steuerung 210 gezeigt. Die Leitungen 211 und 213 umfassen irgendeines einer Vielzahl geeigneter Kommunikationsmittel einschließlich der fest verdrahteten oder drahtlosen Kommunikation. In der fest verdrahteten Kommunikation umfasst die Datenübertragung in Übereinstimmung mit einer besonderen Anwendung serielle oder parallel Daten. Zum Beispiel können schnelle Anwendungen eine Parallelbuskommunikation nutzen, während in Anwendungen, in denen eine schnelle Kommunikation nicht so entscheidend ist, eine serielle Datenübertragung ausreichen kann. Die Steuerung 210 kann eine unabhängige Steuerung oder Teil eines komplexeren Netzes zusätzlicher Steuereinheiten (nicht getrennt veranschaulicht), die über irgendeines einer Vielzahl von Bussen/Netzen 215 einschließlich geschlossener und offener Netze kommunizieren, sein. Obgleich dies nicht getrennt veranschaulicht ist, kann das intelligente Stellglied 301 ebenfalls für die direkte Kommunikation über das Netz 215 oder über irgendein Zwischennetz oder über ein Buskommunikationsmittel angepasst sein.
Mit besonderem Bezug auf das intelligente Stellglied 301 ist zwischen eine Quelle 401 und eine Last 403 ein redundantes Netz 302 geschaltet, um eine gesteuerte Verbindung dazwischen bereitzustellen. Für die vorliegende Erfindung sind eine Vielzahl von Anwendungsumgebungen einschließlich elektrischer, mechanischer (einschließlich mikromechanischer), magnetischer, pneumatischer, hydraulischer Anwendungsumgebungen sowie Kommunikationsanwendungsumgebungen, aber nicht beschränkt auf sie, vorgesehen. Fluidtransportsysteme, z. B. in Hydrauliksteuersystemen, Signalschaltsysteme, z. B. in Telekommunikations- oder Telematiksystemen, und Betätigungssysteme, z. B. in Industrie- und Kraftfahrzeugelektriksystemen, sind spezifischere und verschiedene Beispiele von Anwendungen der vorliegenden Erfindung. In dem Beispiel der Fluidtransportsysteme kann das redundante Netz 302 ein Mittel zum wahlweisen Leiten einer Quelle von Druckfluid zu Hydraulikschaltelementen enthalten. Im Beispiel der Signalschaltsysteme kann das redundante Netz 302 ein Signalverarbeitungs-Software-Leitmittel zum wahlweisen Leiten von Transaktionen zwischen Client- und Server-Anwendungen enthalten. Eine genauere beispielhafte Kraftfahrzeugelektriksystem-Anwendung ist unten in einer weiteren beispielhaften Erläuterung der vorliegenden Erfindung dargelegt.
Eine beispielhafte Quelle 401 enthält eine Gleichstrom-Spannungsquelle (DC-Spannungsquelle) und eine beispielhafte Last enthält einen elektrischen Widerstand. Insbesondere kann eine Kraftfahrzeuganwendung die Quelle 401 als eine Fahrzeugelektrikquelle wie etwa die Ausgabe der geregelten Lichtmaschine oder die Batteriespannung und die Last als eine oder mehrere Betriebsbremsanwendungs-Indikatorlampen definieren. Weiter Typen von Quellen können z. B. Wechselspannungsquellen (AC-Spannungsquellen), AC- oder DC-Stromquellen enthalten, während andere Typen von Lasten z. B. verschiedene aktive Lasten enthalten können. Ein beispielhaftes redundantes Netz 302 enthält ein binäres Schaltnetz, das durch zwei Netzzustände charakterisiert ist, die der einfachen Verbin dung und Trennung der Quelle 401 mit/von der Last 403 (d. h. EIN bzw. AUS) entsprechen. Das redundante Netz 302 kann durch zusätzliche Funktionalität einschließlich z. B. Spannungs- oder Stromregelung, Schaltungsschutz und Zwischenspeicherung charakterisiert sein. Das redundante Netz kann durch elektromechanische Schalter (z. B. Relais), Halbleiterschalter einschließlich optisch isolierter Schalter, mikromechanische Schalter, andere analoge und digitale Schaltungskomponenten und Kombinationen davon zum Bewirken der gewünschten gesteuerten Schaltungsverbindungsfunktionalität charakterisiert sein. Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzanwendungen können Halbleiterschalten nutzen, während Hochstromanwendungen elektromechanisches Schalten nutzen können. Außerdem ist die vorliegende Erfindung in Bezug auf die Anwendung nicht auf Leistungsquellen und Lasten und binäres Schalten dazwischen beschränkt; eher repräsentieren die Quelle 401 und die Last 403 irgendwelche Teilschaltungen, die wünschenswert steuerbar über das redundante Netz 302 verbunden sind, das eine vorgegebene Funktion ausführt.
Das redundante Netz 302 kann passiv oder aktiv redundant sein. In einem passiv redundanten Netz führen mehrere Schaltungen gleichzeitig die Funktion des Netzes aus. Ein einfaches redundantes Schaltnetz kann z. B. zwei oder mehr Schalter enthalten, die alle gleichzeitig in eine geschlossene oder geöffnete Stellung betätigt werden. Das Nichtschließen eines Schalters wird passiv durch den/die anderen redundanten Schalter berücksichtigt. Durch Reihenanordnungen von Schaltern, in denen das Nichtöffnen eines solchen Schalters passiv durch den/die anderen der in Reihen geschalteten redundanten Schalter berücksichtigt wird, können Netze z. B. leicht für redundanten Öffnungsschutz konstruiert werden. Weitere passive redundante Netze sind dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt und werden hier nicht weiter ausführlich geschildert. In einem aktiv redundanten Netz führen mehrere Schaltungen einzeln – und im Allgemeinen einander ausschließend – die Funktion des Netzes aus. In einem aktiv redundanten Netz können im Allgemeinen alternative Konfigurationen festgesetzt werden, um den gewünschten Netzzustand oder die gewünschte Netzfunktion zu bewirken. Das Nichtbewirken der gewünschten Netzfunktion durch eine der mehreren Konfigurationen kann durch irgendeine der anderen dieser mehreren Konfigurationen berücksichtigt werden. Im Folgenden wird in Bezug auf das doppelt redundante binäre Schaltnetz aus 2 ein einfaches beispielhaftes aktiv redundantes Netz beschrieben.
Besonders anhand der in 1 veranschaulichten allgemeinen Ausführungsform der Erfindung enthält das intelligente Stellglied 301 ferner eine Diagnoseschaltungsanordnung und -funktion 308, die einen oder mehrere Sensoren (S₁, S₂) enthält. In dem vorliegenden Beispiel eines binären Schaltnetzes, das steuerbar eine Spannungsquelle 401 mit einer Last 403 koppelt, bestimmt die Diagnoseschaltungsanordnung und -funktion 308 des intelligenten Stellglieds 301 die Netzzustandsbedingungen einschließlich wenigstens des Gesamtnetzzustands (d. h. EIN oder AUS) des redundanten Netzes 302. Vorzugsweise bestimmt eine Diagnoseschaltungsanordnung und -funktion 308 des intelligenten Stellglieds 301 außerdem die Bedingung der Last 403 und der Quelle 401. Wie im Folgenden weiter beschrieben wird, kann die Diagnose des Netzzustands für ein aktiv redundantes Netz Diagnoseinformationen liefern, die intern durch das intelligente Stellglied 301 verwendet werden, um durch Festsetzen alternativer Netzkonfigurationen einen Netzfehler zu korrigieren, um den gewünschten Netzzustand zu bewirken. Außerdem können Diagnoseinformationen hinsichtlich des Netzzustands und der Festsetzung von Fehlern für viele Zwecke einschließlich der Wartung, der Dienstplanung, der Steuerungsum leitung usw. durch das intelligente Stellglied nützlich z. B. zur Steuerung 210 oder zum Netz 215 übermittelt oder geliefert werden.
Die Steuerschaltungsanordnung 305 in dem intelligenten Stellglied 301 empfängt über eine Leitung 211 von der Steuerung 210 Befehle, die den gewünschten Netzzustand angeben. Die Schaltungsanordnung 305 kann auf vollständig analoge Weise oder in bestimmten Anwendungen durch diskrete Logiknetze realisiert sein. Dagegen ist die Schaltungsanordnung 305 vorzugsweise mikrocontrollergestützt mit einer herkömmlichen Steuer- und Logikschaltungsanordnung, wie sie von der besonderen Anwendung benötigt wird, und enthält eine CPU sowie Nur-Lese- und Lese-Schreib-Speichervorrichtungen, in denen mehrere Routinen zum Ausführen von Operationen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einschließlich Routinen für die Kommunikation mit der Steuerung 210 und zum Festsetzen von Konfigurationen des redundanten Netzes 302 zum Bewirken des gewünschten Netzzustands, wie er in den durch die Steuerung 210 gelieferten Befehlen dargestellt ist, gespeichert sind. Das Festsetzen von Konfigurationen des redundanten Netzes 302, wie es oben beschrieben ist, kann die Diagnose des Netzzustands und die Fehlerkorrektur zum Festsetzen alternativer Netzkonfigurationen zum Bewirken des gewünschten Netzzustands enthalten. Die Sensorüberwachung und die Signalverarbeitung, wie sie für die Diagnoseschaltungsanordnung und -funktion 308 erforderlich sind, werden an sich außerdem vorzugsweise im intelligenten Stellglied 301 durch eine mikrocontrollergestützte Steuerschaltungsanordnung 305 ausgeführt. Dagegen kann die Diagnoseschaltungsanordnung und -funktion 308 auf vollständig analoge Weise oder in bestimmten Anwendungen durch diskrete Logiknetze realisiert sein. Diese Sensorüberwachung, Netz- und Lastdiagnose und Korrektur entlasten die Steuereinheit 210 von diesen Verarbeitungsfunktionen und beseitigen vorteilhaft die begleitenden Durchsatzbeschränkungen und -verzögerun gen. Eine Rückkopplungsschaltungsanordnung 306 in dem intelligenten Sensor 301 liefert über die Leitung 213 Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds an die Steuerung 210. Die übermittelten Informationen enthalten Bedingungsinformationen des Netzes 302 und Bedingungsinformationen der Quelle 401 und der Last 403. Die Schaltungsanordnung 306 kann auf vollständig analoge Weise oder in bestimmten Anwendungen durch diskrete Logiknetze realisiert sein. Dagegen ist die Schaltungsanordnung 306 vorzugsweise mikrocontrollergestützt mit herkömmlicher Steuer- und Logikschaltungsanordnung, wie sie von der besonderen Anwendung gefordert wird, wobei sie vorzugsweise durch Nutzung gemeinsam genutzter Betriebsmittel mit der mikrocontrollergestützten Steuerschaltungsanordnung 305 realisiert ist. Diese Steuerungs-, Diagnose- und Rückkopplungsschaltungsanordnung 305, 308 und 306, die prozessorgestützt ist, kann angepasst programmiert werden, um spezifische Systemanforderungen zu erfüllen, und später bei Bedarf neu programmiert oder neu kalibriert werden.
Nunmehr anhand von 2 enthält eine besonders genaue Ausführungsform eines intelligenten Stellglieds 301 ein alternativ konfigurierbares doppelt redundantes binäres Schaltnetz 302, einen Spannungssensor 310 und einen Stromsensor 312. Das Schaltnetz 302 umfasst ein erstes Paar gemeinsam betätigter Schaltelemente 320 mit komplementären Schaltzuständen, wobei ein geschlossener Zustand jedes Schaltelements einem geöffneten Zustand des anderen Schaltelements entspricht. Die Schaltelemente 320 haben erste Zustände, die in durchgezogenen Linien veranschaulicht sind, und zweite Zustände, die in Strichlinien veranschaulicht sind. Außerdem umfasst das Schaltnetz 302 ein zweites Paar gemeinsam betätigter Schaltelemente 330 mit komplementären Schaltzuständen, wobei ein geschlossener Zustand jedes Schaltelements einem geöffneten Zustand des anderen Schaltelements entspricht. Die Schaltelemente 330 ha ben erste Zustände, die in durchgezogenen Linien veranschaulicht sind, und zweite Zustände, die in Strichlinien veranschaulicht sind. Die Schaltelemente 320 und 330 haben jeweilige Betätigungsmittel (A₁ und A₂) zum Festsetzen der Schaltelementzustände. Die Betätigungsmittel A₁ und A₂ können z. B. im Fall elektromechanischer Schalter Steuerelektromagnete oder im Fall bestimmter Halbleiterschalter eine geeignete Gate-Ansteuerschaltungsanordnung sein. Die Betätigungsmittel A₁ und A₂ werden durch die Steuerschaltungsanordnung 305 in Übereinstimmung mit den durch das intelligente Stellglied 301 empfangenen Befehlen für den gewünschten Netzzustand und mit dessen Netzzustandsdiagnose- und Netzzustandskorrekturfunktionalität so gesteuert, dass das Schaltnetz 302 zum Festsetzen des gewünschten Netzzustands (d. h. EIN oder AUS) konfiguriert wird.
Aus 2 und der vorstehenden Beschreibung ist klar, dass mehrere Netzkonfigurationen möglich sind, die die verschiedenen Schaltelementkombinationen umfassen. In der in 2 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist angenommen, dass ein EIN-Zustand des Netzes 302 einem geschlossenen Schaltungsweg (d. h. kurzgeschlossen) durch das Schaltnetz 302 entspricht, während angenommen ist, dass ein AUS-Zustand des Netzes 302 einem geöffneten Schaltungsweg (d. h. geöffnet) durch das Schaltnetz 302 entspricht. Somit ist zu sehen, dass der AUS-Zustand des Netzes 302 konfigurierbar ist, wenn die ersten Schaltelemente 320 in ihren jeweiligen ersten Zuständen sind und die zweiten Schaltelemente 330 in ihren jeweiligen ersten Zuständen sind. Alternativ ist der AUS-Zustand des Netzes 302 konfigurierbar, wenn die ersten Schaltelemente 320 in ihren jeweiligen zweiten Zuständen sind und die zweiten Schaltelemente 330 in ihren jeweiligen zweiten Zuständen sind. Ähnlich ist zu sehen, dass der EIN-Zustand konfigurierbar ist, wenn die ersten Schaltelemente 320 in ihren jeweiligen zweiten Zuständen sind und die zweiten Schaltelemente 330 in ihren jeweiligen ersten Zuständen sind oder wenn die ersten Schaltelemente 320 in ihren jeweiligen ersten Zuständen sind und die zweiten Schaltelemente 330 in ihren jeweiligen zweiten Zuständen sind.
Außerdem ist die mikroprozessorgestützte Schaltungsanordnung 305 verantwortlich für das Erfassen von Sensordaten – in dem vorliegenden Beispiel vom Spannungssensor 310 und vom Stromsensor 312. Der über das Schaltnetz 302 verbundene Spannungssensor 310 bewirkt die Messung der Spannungsdifferenz darüber und ist besonders nützlich bei der Diagnose der Schaltnetzbedingung und bei der Fehlerkorrektur. Zum Beispiel kann der Befehl für den gewünschten Netzzustand EIN von der Steuerung 210 in Steuersignale für jedes der Stellglieder A₁ und A₂ übersetzt werden, um das Netz 302 in eine der verfügbaren alternativen Konfigurationen festzusetzen, die dem EIN-Zustand des Schaltnetzes entsprechen. Eine normale Schaltnetzbedingung, die dem Befehl für den gewünschten Netzzustand EIN entspricht, wird durch eine Spannungsmessung von im Wesentlichen null Volt angeben. Andererseits wird eine anomale Schaltnetzbedingung, die dem Befehl für den gewünschten Netzzustand EIN (z. B. geöffnetes Schaltelement oder hohe Stromimpedanz) entspricht, durch eine Spannungsmessung eines anderen Pegels als im Wesentlichen null Volt angegeben. Somit wird durch die Schaltungsanordnung 305 eine dem Befehl für den gewünschten Netzzustand EIN entsprechende anomale Schaltnetzbedingung diagnostiziert, wobei sie durch den Versuch einer alternativen verfügbaren Konfiguration zum Festsetzen des redundanten Netzes 302 in den EIN-Zustand reagiert. Die Rückkopplungsschaltungsanordnung 306 übermittelt geeignet Diagnoseinformationen bezüglich des Schaltnetzes 302 an die Steuerung 210. Außerdem ist der Spannungssensor 310 nützlich bei der Diagnose der Bedingung der Quelle 401. Unter der Annahme eines festgesetzten AUS-Zustands für das redundante Netz 302 wird durch eine Spannungsmessung in einem Bereich akzeptabler Werte eine normale Quellbedingung angegeben. Andererseits wird durch eine Spannungsmessung mit einem anderen Pegel als in einem Bereich akzeptabler Werte eine anomale Quellbedingung (z. B. geöffnet, Kurzschluss, ungeregelt) angegeben. Somit kann eine anomale Quellbedingung durch einen zu hohen oder zu niedrigen Wert der Spannung angegeben werden, was einen Kurzschluss-, einen Geöffnet-, einen Regelungsfehler oder eine andere Anomalie auf der Quellseite des intelligenten Stellglieds 301 angibt. Somit wird durch die Schaltungsanordnung 305 eine anomale Quellbedingung diagnostiziert. Die Rückkopplungsschaltungsanordnung 306 übermittelt geeignet Diagnoseinformationen bezüglich der Quelle 401 an die Steuerung 210.
Der Stromsensor 312, der so verbunden ist, dass er den in die Last fließenden Strom misst, ist besonders nützlich bei der Diagnose der Lastbedingung. Aus dem obigen Beispiel wird unter der Annahme eines festgesetzten EIN-Zustands für das redundante Netz 302 durch eine Strommessung in einem Bereich akzeptabler Werte eine normale Lastbedingung angegeben. Andererseits wird unter der Annahme eines festgesetzten EIN-Zustands für das redundante Netz 302 durch eine Strommessung mit einem anderen Pegel als im Bereich akzeptabler Werte eine anomale Lastbedingung (z. B. geöffnet oder Kurzschluss) angegeben. Somit kann eine anomale Lastbedingung durch einen zu hohen oder zu niedrigen Wert des Stroms angegeben werden, was eine Kurzschluss-, Geöffnet- oder andere Anomalie auf der Lastseite des intelligenten Stellglieds 301 angibt. Somit wird durch die Schaltungsanordnung 305 eine anomale Lastbedingung diagnostiziert. Die Rückkopplungsschaltungsanordnung 306 übermittelt geeignet Diagnoseinformationen bezüglich der Last 403 an die Steuerung 210. Der Spannungssensor 310 und der Stromsensor 312 liefern zusammen eine umfassende Anordnung für die Diagnose und Korrektur des be tätigten Systems einschließlich der Gesundheit und Validierung des redundanten Schaltnetzes 302 des intelligenten Stellglieds, der Quelle 401 und der Last 403.
3 veranschaulicht bestimmte beispielhafte Operationen, die durch die mikrocontrollergestützte Steuerschaltungsanordnung 305 und durch die Rückkopplungsschaltungsanordnung 306 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und in Übereinstimmung mit z. B. in nicht flüchtigen Speichervorrichtungen gespeicherten Anweisungssätzen ausgeführt werden. Obgleich sie allgemein als mehrere serielle Unteroperationen 410 bis 460 veranschaulicht sind, erkennt der Fachmann auf dem Gebiet, dass die Operationen nicht notwendig auf diese geordnete Weise ausgeführt werden. Diese Unteroperationen können unabhängig und auf regelmäßiger Grundlage wie etwa durch eine herkömmliche Zeitgeberunterbrechungsschleife oder durch andere unregelmäßige Unterbrechungen wie etwa durch ereignisgestützte Unterbrechungen oder durch zyklisches Abfragen ausgeführt werden.
Beginnend zunächst mit Block 410 wird durch das intelligente Stellglied 301 ein Befehl für den gewünschten Netzzustand empfangen. Wie oben beschrieben wurde, werden die Netzzustandsbefehle durch das intelligente Stellglied bearbeitet, um den gewünschten Netzzustand zu bewirken. Allgemein ist die Steuerung 210 verantwortlich dafür, die Kommunikationszeitgebung der Netzbefehle in Übereinstimmung mit einer Gesamtsystemsteuerung zu steuern, die dadurch gemanagt wird.
Der Block 420 repräsentiert Schritte, die zum Konfigurieren des Netzes zum Festsetzen des Netzzustands in Übereinstimmung mit dem Befehl für den gewünschten Netzzustand ausgeführt werden. Falls das redundante Netz nicht passiv redundant ist, werden an diesem Punkt beim Festsetzen alternativer Konfigurationen des Netzes Diagnoseinformationen in Bezug auf die Netzbedingung verwendet, um den gewünschten Netzzustand festzusetzen. Falls Diagnoseinformationen in Bezug auf die vorliegende Konfiguration ein Nichtfestsetzen des gewünschten Netzzustands des Netzes in Übereinstimmung mit dem Befehl für den gewünschten Netzzustand angeben, wird eine alternative Netzkonfiguration festgesetzt, um den gewünschten Netzzustand zu bewirken. Die Anzahl alternativer Netzkonfigurationen ist nur durch den in das redundante Netz konstruierten Redundanzgrad beschränkt. Für höhere Redundanzniveaus, z. B. dreifache Redundanz, kann beim Festsetzen der Netzkonfiguration in Übereinstimmung mit dem Befehl für den gewünschten Netzzustand ein iterativer Prozess befolgt werden. An diesem Punkt, wo vorangehende Netzkonfigurationen, die das Netz nicht in den gewünschten Netzzustand festgesetzt haben, nicht mehr als brauchbare alternative Konfigurationen betrachtet werden, können auch Historiendiagnosedaten (d. h. gespeicherte Diagnoseinformationen) genutzt werden.
Nachfolgend repräsentiert der Block 430 die Sensorelement-Datenerfassung einschließlich der Schritte, die notwendig sind, um die einzelnen Spannungs- und Stromsensoren zu lesen. Diese Schritte können auf regelmäßiger Grundlage wie etwa über eine herkömmliche Zeitgeberunterbrechungsschleife oder über andere unregelmäßige Unterbrechungen wie etwa ereignisgestützte Unterbrechungen (d. h. nach Netzkonfigurationsänderungen) ausgeführt werden. Die Häufigkeit der Datenerfassung variiert in Übereinstimmung mit solchen Faktoren wie dem Parameter, der abgetastet wird, und dem Messprinzip des Abtastelements. Außerdem repräsentiert der Block 430 die Aufbereitung der so erfassten Sensorelementdaten. Zum Beispiel wird an den erfassten Daten eine Signalaufbereitung ausgeführt, die ein herkömmliches "Entprellen", Filtern, Mitteln, Fehler- und Offset-Kompensationen, Linearisierung usw. umfasst. Außerdem wird an den Daten als Teil der Signalaufbereitung eine Analog/Digital-Umsetzung ausgeführt.
Wie im Block 440 veranschaulicht ist, können die Sensordaten daraufhin bei der Diagnose von Netz-, Quell- und Lastbedingungen genutzt werden. Wie zuvor beschrieben wurde, enthalten Beispiele solcher Diagnoseinformationen nicht nur Informationen, die sich auf die Bedingung des intelligenten Stellglieds 301 beziehen, sondern können sie auch Informationen enthalten, die sich auf die Bedingung von Teilen des Systems, die extern zu dem intelligenten Stellglied sind, (d. h. der Quelle 401 und der Last 403) beziehen.
Nachfolgend repräsentiert der Block 450 die Speicherung von Daten, die einzelne Sensorelementdaten, Diagnose- und Prognosedaten enthalten kann. Schließlich repräsentiert der Block 460 das Kommunikationsmanagement und die Datenübertragung zwischen dem intelligenten Stellglied 301 und der Steuerung 210 oder anderen Bussen oder Netzen 215. Die Kommunikation von Diagnoseinformationen bezüglich der Gesundheit des intelligenten Stellglieds kann auf zyklisches Abfragen von der Steuerung 210 oder per Auslösung der Rückkopplungsschaltung 306 bewirkt werden.
Die Erfindung ist in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, die als beispielhaft für die Erfindung und nicht als Einschränkung verstanden werden sollen.

Claims

Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last, wobei das intelligente Stellglied umfasst: ein Netz mit mehreren redundant festsetzbaren Netzzuständen; ein Netzzustands-Festsetzmittel zum Festsetzen des Netzes in einen der mehreren redundant festsetzbaren Netzzustände, der einem Befehl für den gewünschten Netzzustand entspricht; ein Lastdiagnosemittel zum Validieren der Last; und ein Rückkopplungsmittel zum Liefern von Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 1, bei dem das Netzzustands-Festsetzmittel ein Netzzustands-Diagnosemittel zum Bestätigen des Festsetzens des einen der mehreren redundant festsetzbaren Netzzustände, der dem Befehl für den gewünschten Netzzustand entspricht, umfasst.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 1, bei dem das Lastdiagnosemittel ein Netzzustands-Diagnosemittel zum Bestätigen des Festsetzens des einen der mehreren redundant festsetzbaren Netzzustände, der dem Befehl für den gewünschten Netzzustand entspricht, umfasst.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 3, bei dem das Lastdiagnosemittel ein Mittel zum Bestätigen, dass ein Lastparameter mit einem erwarteten Bereich für den Lastparameter in Übereinstimmung steht, der dem einen der mehreren redundant festsetzbaren Netzzustände entspricht, der dem Befehl für den gewünschten Netzzustand entspricht, umfasst.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 2, bei dem das Netzzustands-Festsetzmittel ein Mittel zum Festsetzen alternativer Netzkonfigurationen, bis das Netzzustands-Diagnosemittel die Festsetzung des einen der mehreren redundant festsetzbaren Netzzustände, der dem Befehl für den gewünschten Netzzustand entspricht, bestätigt, umfasst.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 1, bei dem die Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds Lastdiagnoseinformationen umfassen.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 2, bei dem die Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds Netzzustands-Diagnoseinformationen umfassen.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 3, bei dem die Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds Netzzustands-Diagnoseinformationen und Lastdiagnoseinformationen umfassen.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 4, bei dem die Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds Netzzustands-Diagnoseinformationen und Lastdiagnoseinformationen umfassen.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 5, bei dem die Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds Netzzustands-Diagnoseinformationen, Netzkonfigurationsinformationen und Lastdiagnoseinformationen umfassen.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 1, bei dem das Netz ein binäres Schaltnetz umfasst und die mehreren redundant festsetzbaren Netzzustände geöffnete und geschlossene Zustände umfassen.
Intelligentes Stellglied nach Anspruch 5, bei dem das Netz ein binäres Schaltnetz umfasst und die mehreren redundant festsetzbaren Netzzustände geöffnete und geschlossene Zustände umfassen.
Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last, wobei das intelligente Stellglied umfasst: ein binäres Schaltnetz mit einem ersten und einem zweiten Netzzustand, wobei der erste und/oder der zweite Netzzustand über irgendeine von mehreren redundanten Netzkonfigurationen festsetzbar ist/sind; ein Netzzustands-Festsetzmittel zum Festsetzen des binären Schaltnetzes in einen gewünschten einen des ersten und des zweiten Netzzustands in Reaktion auf einen Befehl für den gewünschten Netzzustand; ein Mittel zum Diagnostizieren von Lastbedingungen; und ein Rückkopplungsmittel zum Liefern von Diagnoseinformationen des intelligenten Stellglieds, die den Netzzustandsbedingungen und/oder den Lastbedingungen entsprechen.
Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last nach Anspruch 13, das ferner ein Mittel zum Diagnostizieren von Netzzustandsbedingungen umfasst.
Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last nach Anspruch 14, bei dem der Befehl für den gewünschten Netzzustand dem ersten und/oder dem zweiten Netzzustand entspricht und das Netzzustands-Festsetzmittel ein Mittel zum Konfigurieren des binären Schaltnetzes in eine alternative eine der mehreren redundanten Netzkonfigurationen umfasst, wenn das Mittel zum Diagnostizieren von Netzzustandsbedingungen eine anomale Netzzustandsbedingung in Bezug auf eine momentane eine der mehreren redundanten Netzkonfigurationen diagnostiziert.
Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last nach Anspruch 13, bei dem das Mittel zum Diagnostizieren von Lastbedingungen ein Mittel zum Bestätigen, dass ein Lastparameter mit einem erwarteten Bereich für den Lastparameter in Übereinstimmung steht, der dem festgesetzten einen des ersten und des zweiten Netzzustands entspricht, umfasst.
Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last nach Anspruch 14, bei dem das Mittel zum Diagnostizieren von Netzzustandsbedingungen einen Spannungssensor umfasst.
Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last nach Anspruch 13, bei dem das Mittel zum Diagnostizieren von Lastbedingungen einen Stromsensor umfasst.
Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last nach Anspruch 13, bei dem das binäre Schaltnetz mechanische Schalter umfasst.
Intelligentes Stellglied zum steuerbaren Koppeln einer Quelle mit einer Last nach Anspruch 13, bei dem das binäre Schaltnetz Halbleiterschalter umfasst.
Verfahren zum steuerbaren Koppeln einer Last mit einer Quelle, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Netzes zwischen der Last und der Quelle; Festsetzen des Netzes in eine von mehreren Netzkonfigurationen zum Bewirken eines gewünschten Netzzustands; Bestimmen, wenn die eine der mehreren Netzkonfigurationen nicht den gewünschten Zustand bewirkt, und Festsetzen des Netzes in eine alternative eine der mehreren Netzkonfigurationen zum Bewirken des gewünschten Netzzustands; Diagnostizieren eines Netzfehlers, wenn irgendeine der mehreren Netzkonfigurationen nicht den gewünschten Netzzustand bewirkt; und Liefern von Diagnoseformationen, die dem Netz entsprechen, anhand des Netzfehlers.
Verfahren zum steuerbaren Koppeln einer Last mit einer Quelle nach Anspruch 21, das ferner das Diagnostizieren eines Lastfehlers anhand einer Nichtübereinstimmung eines Lastparameters mit einem erwarteten Bereich für den Lastparameter, wenn der gewünschte Netzzustand bewirkt wird, umfasst.
Verfahren zum steuerbaren Koppeln einer Last mit einer Quelle nach Anspruch 21, bei dem das Netz ein binäres Schaltnetz umfasst.