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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Schalters, insbesondere eines Leistungsschalters für Niederspannungen, gemäß dem Anspruch 1.
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Leistungsschalter für Niederspannungen sind bekannt und werden insbesondere in Stromverteilungsanlagen eingesetzt. Bei einem mehrpoligen Schalter wird jeder Pol von einem Strom durchflossen, wobei der stromführende Leiter jeweils durch eine Polkassette des Schalters verläuft. Bei geschlossenem Schalter liegen Kontaktelemente in Form von Kontaktstücken aneinander an, die zum Öffnen des Schalters voneinander getrennt werden. Mittels am Leiter angeordneter Wandler und einer nachgeschalteten Signalaufbereitung wird der Strom in ein stromproportionales analoges Spannungssignal umgewandelt. Dieses Spannungssignal deckt den gesamten Dynamikbereich des Stroms ab, also auch den Kurzschlussbereich, in dem der Strom sehr hohe Werte annimmt. Zur genauen Erfassung des Stroms dient eine Erfassungseinheit ASIC, die das Spannungssignal jeweils in ein digitales Messsignal in Form einer Digitalzahl umwandelt. Das Messsignal wird auf einen Digitaleingang eines Mikrocontrollers einer elektronischen Auslöseeinheit gegeben. Der Mikrocontroller vergleicht das Messsignal mit einem digitalen Stromgrenzwert. Überschreitet das Messsignal den Stromgrenzwert, löst die Auslöseeinheit die Trennung der Kontaktelemente aus, was insbesondere bei einem Kurzschluss der Fall ist.
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Moderne Leistungsschalter decken neben ihrer Hauptaufgabe, dem Schutz vor Kurzschluss und Überlast, eine Vielzahl zusätzlicher Funktionen ab. Damit einhergehend müssen die Leistungsschalter in Bezug auf Kommunikationsfähigkeit, Power Management usw. hohen Anforderungen genügen, so dass sie mittlerweile eine hohe Komplexität aufweisen. Damit steigt auch die Anforderung an die Genauigkeit der Messwerte, die ein Leistungsschalter bereitstellen muss. Deshalb werden heute in Leistungsschaltern komplexe Erfassungseinheiten, oft in Form von kundenspezifischen Schaltkreisen ASIC, zur Messwerterfassung in Verbindung mit nachgeschalteten Mikrocontrollern eingesetzt. Diese Erfassungseinheiten ASIC liefern über den gesamten Dynamikbereich des Stroms Messwerte mit einer sehr hohen Auflösung.
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Auf der anderen Seite sind Leistungsschalter Schutzgeräte, welche auch in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt werden, wie z. B. in der Luftfahrttechnik, der Marinetechnik und Kernkraftwerken. Ein wichtiger Aspekt bei sicherheitsgerichtetem Einsatz ist die funktionale Integrität. Diese erfordert es, sowohl die auf den Leistungsschaltern laufende Software (Firmware) als auch deren Hardware ständig zu überwachen. Wird ein Fehler detektiert, so wird dieser ggf. noch durch weitere und/oder wiederholte Maßnahmen überprüft. Wird der Fehler bestätigt, liegt also tatsächlich ein Fehler vor, wird anschließend eine vordefinierte Reaktion ausgeführt und ein vordefinierter sicherer Zustand angenommen. Eine vordefinierte Reaktion ist eine vorhersehbare Reaktion im Fehlerfall, die mit entsprechenden Meldungen verbunden ist.
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Allerdings sind die Möglichkeiten zur Überwachung der Erfassungseinheit ASIC im Vergleich zur Überwachung des Mikrocontrollers deutlich geringer oder aber zumindest sehr aufwendig.
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Dabei stellt die Erfassungseinheit in der Signalkette eine wesentliche Komponente dar. Sollte in der Messwerterfassung durch die Erfassungseinheit ein Fehler auftreten, wodurch verfälschte Messwerte an den nachgeschalteten Mikrocontroller geliefert werden, so kann es zu schwerwiegenden Schäden kommen, wenn der Leistungsschalters fehlerbedingt auslöst oder aber bei einer Überlast oder einem Kurzschluss nicht abschaltet.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Erfassungseinheit eines Leistungsschalters mit geringem technischem Aufwand auf ihre korrekte Funktion zu prüfen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
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Die Lösung sieht vor, dass der Mikrocontroller einen Analogeingang mit einem nachgeschalteten AD-Wandler aufweist, dass das Spannungssignal auf den Analogeingang geschaltet wird, dass der AD-Wandler aus dem Spannungssignal ein digitales zweites Messsignal bildet, anhand dessen der Mikrocontroller prüft, ob das erste Messsignal unter Berücksichtigung der geringeren Auflösung des zweiten Messsignals plausibel ist. Der AD-Wandler wird bei der Erfindung zur Überwachung der Messwerterfassung der Erfassungseinheit eingesetzt, indem die Messwerte zusätzlich jeweils parallel zur Erfassungseinheit und damit redundant erfasst (gemessen) werden. Die Signalaufbereitung für diesen Überwachungskanal (Parallelzweig) wird so ausgelegt, dass ebenfalls der gesamte Dynamikbereich der Erfassungseinheit abgedeckt ist, wobei selbstverständlich keine ganz so hohe Auflösung erreicht wird. Die aufgrund der Auflösung kleinere „Genauigkeit” der Messwerte reicht jedoch aus, um die Messwerte der Erfassungseinheit jeweils einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen.
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Parallel zum eigentlichen Messzweig der Erfassungseinheit ist also ein Überwachungskanal vorgesehen, der die Messwerte der Erfassungseinheit auf Plausibilität überwacht. Dadurch entfallen komplexe Überwachungen, die in die Erfassungseinheit integriert und vom Mikrocontroller oder einer anderen Elektronik ausgewertet werden müssten. Der Überwachungskanal mit dem AD-Wandler gewährleistet eine relativ einfache Überwachung der Erfassungseinheit, die ein wesentlicher Bestandteil der Signalkette und somit kritisch für die Systemintegrität ist. Dies genügt auch sicherheitsgerichteten Applikationen.
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Die zusätzliche Systemlast durch die Überwachung kann je nach Sicherheitsanforderung begrenzt werden, wenn die Häufigkeit der Überprüfung skaliert wird.
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Der Platzbedarf für den Überwachungskanal kann gering gehalten werden, wenn der AD-Wandler bereits in den Mikrocontroller integriert ist.
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Vorteilhafterweise wird das Spannungssignal über den gesamten Dynamikbereich des vom Wandler erfassten Stroms in ein digitales erstes und zweites Messsignal umgewandelt.
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Im Parallelzweig kommt ein Multiplexer zum Einsatz, wenn mehrere Überwachungskanäle auf eine kleinere Anzahl AD-Wandler geleitet werden, abhängig von der Bauart des Mikrocontrollers.
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Für die Überwachungskanäle kann je nach Anwendungsfall oder Fehlerwahrscheinlichkeit eine mehr oder weniger schnelle und/oder häufige Überprüfung implementiert werden. Damit kann die zusätzliche Belastung des Mikrocontrollers besser gesteuert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, dessen einzige Figur einen Signalpfad SP eines Leistungsschalters für Niederspannungen zeigt (im Folgenden kurz Schalter genannt), der zu einer Stromverteilungsanlage mit hohen Sicherheitsanforderungen (z. B. eines Kernkraftwerks) gehört. Der Schalter ist dreipolig dargestellt, kann aber auch eine andere Anzahl von Polen besitzen. Hier ist er mit vier Polkassetten ausgeführt und jeder Pol wird von einem Strom I1, I2, I3, IN (IN Neutralleiterstrom) durchflossen, wobei der stromführende Leiter L1, L2, L3, N (N Neutralleiter) jeweils durch die Polkassette des Schalters verläuft. Bei geschlossenem Schalter liegen Kontaktelemente K in Form von Kontaktstücken aneinander an, die zum Öffnen des Schalters voneinander getrennt werden. Mittels am Leiter L1, L2, L3 angeordneter Wandler W1, W2, W3 und einer nachgeschalteten Signalaufbereitung (Integrator) SA wird der Strom I1, I2, I3 in ein stromproportionales analoges Spannungssignal U umgewandelt. Dieses Spannungssignal U umfasst den gesamten Dynamikbereich des Stroms I1, I2, I3, also auch den Kurzschlussbereich, in dem der Strom I1, I2, I3 sehr hohe Werte annimmt.
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Zur Erfassung des Stroms I1, I2, I3 dient eine Erfassungseinheit IC, die das Spannungssignal U in ein (erstes) digitales Messsignal MS1, also eine Digitalzahl, umwandelt. Das Messsignal MS1 wird auf den Digitaleingang DE eines Mikrocontrollers uC gegeben, welcher zu einer elektronischen Auslöseeinheit ETU gehört und das Messsignal MS1 mit einem digitalen Stromgrenzwert vergleicht. Überschreitet das Messsignal MS1 den Stromgrenzwert, z. B. infolge eines Über- oder Kurzschlussstroms, löst die Auslöseeinheit ETU die Trennung der Kontaktelemente K (schematisch über eine Verbindung V) aus.
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Die Erfassungseinheit IC liefert Messwerte mit einer sehr hohen Auflösung.
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Parallel zur Erfassungseinheit IC wird das stromproportionale analoge Spannungssignal U auf einen AD-Wandler ADC (über Eingang AE) geleitet, der hier in den Mikrocontroller uC integriert ist. Der AD-Wandler ADC bildet aus dem Spannungssignal U ebenfalls ein digitales Messsignal MS2 (ein zweites Messsignal), das der Mikrocontroller uC mit dem ersten Messsignal MS1 vergleicht. Dabei weist das zweite Messsignal MS2 eine kleinere Auflösung als das erste Messsignal MS1 auf. Der Mikrocontroller uC überprüft deshalb, ob das erste Messsignal MS1 im Auflösungsbereich (Ungenauigkeitsbereich) des zweiten Messsignals MS2 liegt. Der absolute Ungenauigkeitsbereich ergibt sich jeweils aus dem zweiten Messsignal MS2 plus/minus dem Rundungsfehler. Liegt das erste Messsignal MS1 in diesem Bereich, so ist das erste Messsignal MS1 plausibel und die Erfassungseinheit IC wird als in Ordnung angesehen.
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Es sind natürlich auch noch andere Plausibilitätsprüfungen anhand des zweiten Messsignals MS2 möglich. Der Vergleich unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Auflösung ist aber die einfachste Plausibilitätsprüfung.
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Da die Erfassungseinheit IC für die drei Leiter L1, L2, L3 mit den drei Stromwandlern W1, W2, W3 ausgelegt ist, weist die Erfassungseinheit IC drei Eingänge und drei Ausgänge auf.
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Diese Situation ist in der Figur dargestellt, wobei ein Multiplexer vorgesehen ist und der Mikrocontroller uC nur über einen Digitaleingang DE verfügt. Dabei werden die drei stromproportionalen analogen Spannungssignale U der drei Stromwandler W1, W2, W3 parallel zur Erfassungseinheit IC auf einen Multiplexer MP gegeben, der sie zeitlich nacheinander auf den integrierten AD-Wandler ADC (AE-Eingang) des Mikrocontrollers uC leitet. Der AD-Wandler ADC bildet aus den Spannungssignalen U jeweils ein digitales Messsignal (zweites Messsignal MS2), das der Mikrocontroller uC nacheinander jeweils mit den drei ersten Messsignalen MS1 der Erfassungseinheit IC vergleicht.
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Anstelle des Multiplexers MP kann selbstverständlich auch ein Mikrocontroller uC mit mehreren AE-Eingängen verwendet werden.
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Sind die Messsignale MS1, MS2 nicht zueinander plausibel, so wird die gewünschte Fehlerreaktion ausgelöst.
