DE102013217233B4

DE102013217233B4 - Verfahren zum Erkennen eines defekten Verstärkers einer analogen Signalaufbereitung eines Schalters

Info

Publication number: DE102013217233B4
Application number: DE102013217233.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Widmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: US10658836B2; US20150062766A1; CN104422871A; CN104422871B; DE102013217233A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung eines defekten Verstärkers (V) einer analogen Signalaufbereitung (1) eines Schalters (S), der mechanisch trennbare Kontaktelemente (4a, 4b) sowie eine Auslöseeinheit (ETU) aufweist, die nach der analogen Signalaufbereitung (1) jeweils eine Prüfung durchführt, ob die über die Kontaktelemente (4a, 4b) fließende elektrische Energie (E) eine vorgegebene Bedingung erfüllt und die Trennung der Kontaktelemente (4a, 4b) auslöst, wenn die Bedingung erfüllt ist, wobei die Signalaufbereitung (1) umfasst a) zumindest eine Sensoreinheit, die ein energieproportionales elektrisches Analogsignal abgibt, und b) zumindest einen nachgeschalteten Verstärker (V), der das Analogsignal verstärkt, wobei ein Analog-Digital-Wandler (ADC) nachgeschaltet ist und auf den Analog-Digital-Wandler (ADC) jeweils das verstärkte und das nicht verstärkte Analogsignal gegeben und als Digitalwerte ausgegeben werden, bei dem jeweils entschieden wird, welcher der beiden Digitalwerte für die Prüfung der vorgegebenen Bedingung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) geprüft wird, ob zumindest einer der beiden Digitalwerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, b) wenn ja, ob die beiden jeweils zum selben Zeitpunkt gehörenden Digitalwerte in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen, und c) eine Störung (D) signalisiert wird, wenn dies nicht der Fall ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines defekten Verstärkers einer analogen Signalaufbereitung eines Schalters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schalter mit mechanisch trennbaren Kontaktelementen und einer Auslöseeinheit sind beispielsweise als Leistungsschalter bekannt. Die Auslöseeinheit prüft jeweils, ob die über die Kontaktelemente fließende elektrische Energie eine vorgegebene Bedingung erfüllt und löst die Trennung der Kontaktelemente aus, wenn die Bedingung erfüllt ist. Zur Ermittlung des elektrischen Energieflusses dient eine analoge Signalaufbereitung, die zumindest eine Sensoreinheit umfasst, deren Sensor direkt oder indirekt jeweils ein energieproportionales elektrisches Analogsignal abgibt. Weiter weist die Signalaufbereitung nachfolgend meist eine Normierungsstufe zur Anpassung an unterschiedliche Nennströme auf. Das normierte Analogsignal wird dann zumindest durch einen nachgeschalteten Verstärker verstärkt, um den Dynamikbereich des nachfolgenden Analog-Digital-Wandlers zu vergrößern, auf dessen Eingang das verstärkte zusätzlich zu dem nicht verstärkten Analogsignal gegeben wird. Die Prozessoreinheit der Auslöseeinheit wählt jeweils aus, welches der beiden digitalisierten Analogsignale (Digitalwerte) für die Prüfung der vorgegebenen Bedingung verwendet wird. Dabei bleibt jeweils das verstärkte Analogsignal unberücksichtigt, wenn es den Analog-Digital-Wandler übersteuert.
Treten Hardwaredefekte in der analogen Signalaufbereitung der elektronischen Auslöseeinheit auf, können diese dazu führen, dass die Auslöseeinheit im Fehlerfall nicht mehr korrekt reagiert und z. B. einen Kurzschluss nicht erkennt.
Bei der Verwendung von Verstärkern in der Signalaufbereitung ist es wichtig, auch deren Defekte zu erkennen, um Fehlauslösungen oder fehlende Auslösungen zu vermeiden.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 036 080 A1 wird ein Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen offenbart, zur Unterbrechung eines durch einen Leiter fließenden Wechselstroms, mit einem Stromwandler, dessen Primärseite von dem Leiter und dessen Sekundärseite von einer Spule, insbesondere ein Luftspule, gebildet werden, mit mindestens einer nachgeschalteten analogen Verstärkereinheit (1), mit einer an die Verstärkereinheit (1) angeschlossenen digitalen Auslöseeinheit (ETU), welche den Wechselstrom anhand der Ausgangsspannung der Verstärkereinheit (1) überwacht und die Unterbrechung bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts auslöst, wobei die Auslöseeinheit (ETU) mindestens einen Analog-Digital-Wandler (ADC) umfasst. Um eine Platz- und Bauteilereduzierung zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Verstärkereinheit (1) mindestens zwei unabhängige parallel geschaltete Verstärker (IC1, IC2, IC3) aufweist, die einen gemeinsamen Verstärkereingang (Ep), unterschiedliche Verstärkungen und getrennte Verstärkerausgänge (A1, A2, A3) aufweisen, die an getrennten Eingängen (CH1, CH2, CH3) der Auslöseeinheit (ETU) angeschlossen sind, und dass die Auslöseeinheit (ETU) jeweils auswählt, welche der an ihren Eingängen (CH1, CH2, CH3) anliegenden Ausgangsspannungen dem Wechselstrom in Bezug auf die Auflösung entspricht und weiter verwendet wird.
In der europäischen Patentanmeldung EP 2 315 226 A2 wird ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung eines Fehlers eines Aktuator Schaltgerätes offenbart.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, defekte Verstärker in der Signalaufbereitung von elektronischen Auslöseeinheiten im laufenden Betrieb zu erkennen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Lösung sieht vor, dass geprüft wird, ob zumindest einer der beiden Digitalwerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, und wenn ja, ob die beiden jeweils zum selben Zeitpunkt gehörenden Digitalwerte der unterschiedlich verstärkten Signale in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen. Wenn dies nicht der Fall ist, wird eine Störung signalisiert. Die Digitalwerte der unterschiedlich verstärkten Signale werden (in einem bestimmten Bereich) miteinander verglichen (Plausibilitätsprüfung). Liegen die Ergebnisse nicht innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs (Toleranzbandes), ist von einem Hardwaredefekt des Verstärkers auszugehen. Entsprechend wird eine Störung signalisiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Schalter mit einer Signalaufbereitung, die einen Verstärker umfasst, und
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erkennung eines defekten Verstärkers der Signalaufbereitung gemäß 1.
1 zeigt eine Signalaufbereitung 1 eines Schalters S, die eine Sensoreinheit 2 umfasst. Zur Sensoreinheit 2 gehört eine Sensorspule 2a (schematisch als Kreis dargestellt), die einen elektrischen Leiter 3 umschließt, wobei der Leiter 3 die Primärseite und die Sensorspule 2a die Sekundärseite eines elektro-magnetischen bzw. transformatorischen Wandlers darstellt. Die Sensoreinheit 2 gibt als Analogsignal eine elektrische Spannung Us ab, welche der durch den Leiter fließenden elektrischen Energie E proportional ist. Die Energie E fließt durch den Schalter über mechanisch trennbare Kontaktelemente 4a, 4b eines Schaltkontakts 4, die bei geschlossenem Schalter S aneinander anliegen.
Die mechanische Trennung der Kontaktelemente 4a, 4b wird von einer elektronischen Auslöseeinheit ETU ausgelöst, wenn die Spannung Us und damit die Energie E eine vorgegebene Bedingung erfüllt, hier wenn sie einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Der Schalter kann für unterschiedliche Nennströme ausgelegt sein, weshalb die Spannung Us hinter der Sensoreinheit 2 normiert (Normierung N) wird, d. h. hinter der Normierung N liegt die Spannung Us unabhängig vom Nennstrom des Schalters jeweils in demselben Spannungsbereich.
Ein nachgeschalteter Verstärker V verstärkt die Spannung Us zusätzlich 8-fach (v = 8).
Anschließend wird die Spannung Us sowohl nicht verstärkt (v = 1) und verstärkt (v = 8) auf einen Analog-Digital-Wandler ADC mit 12 Bit Auflösung (entspricht 4096 Stufen) gegeben. Allgemein gesagt digitalisiert der Analog-Digital-Wandler ADC die unterschiedlich verstärkte Spannung Us bzw. das unterschiedlich verstärkte Analogsignal. Selbstverständlich wäre es hier auch möglich, zwei Verstärker zu verwenden, wobei der eine Verstärker beispielsweise 10-fach und der andere Verstärker 80-fach verstärkt. Ein Verstärkungsunterschied von 8-fach ist hier zweckmäßig, aber nicht zwingend erforderlich.
Die beiden jeweils vom Analog-Digital-Wandler ADC erzeugten Digitalwerte werden auf den Eingang eines Mikroprozessors uP gegeben, der die 1-fach (v = 1) verstärkte Spannung Us digital mit 8 und die 8-fach (v = 8) verstärkte Spannung Us nicht (also quasi mit 1) multipliziert.
Der Mikroprozessor uP verwendet den Digitalwert der 8-fach verstärkten Spannung Us, wenn dieser Digitalwert unterhalb von 4095 Digits liegt, in einem Überwachungsalgorithmus, der jeweils prüft, ob der Schwellwert überschritten ist. Unterhalb von 4095 Digits bedeutet: Der Analog-Digital-Wandler ADC ist nicht übersteuert. Ansonsten wird der Digitalwert der 1-fach (v = 1) verstärkten Spannung Us vom Überwachungsalgorithmus für die Prüfung verwendet.
Ist der Schwellwert überschritten, so wird vom Mikroprozessor uP ein Auslösesignal AL erzeugt und der Schaltkontakt 4 (schematisch dargestellt durch die gestrichelte Linie) geöffnet. Nur wenn dieser Digitalwert bei 4070 Digits liegt, wird der Digitalwert des nicht verstärkten Analogsignals für die Prüfung der Schwell-Bedingung verwendet.
Um zu erkennen, ob der Verstärker V defekt ist, wird jeweils der Verfahrensablauf gemäß 2 durchgeführt. Im ersten Schritt Max < E < Min wird geprüft, ob zumindest einer der beiden durch Multiplikation mit 8 bzw. 1 erhaltenen Digitalwerte im Bereich zwischen 200 und 4000 Digits und damit in dem vorgegeben Bereich liegt.
Ist dies der Fall (y), so wird im nächsten Schritt geprüft, ob die beiden (jeweils zum selben Zeitpunkt gehörenden) Digitalwerte gleich sind (v1·8 = v8?), d. h. in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen, also sich höchstens um 10% voneinander unterscheiden. Ist der Unterschied größer, liegen sie also außerhalb des Toleranzbereichs, so liegt ein Defekt vor und es wird eine Störung D signalisiert. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Schalter S bei Vorliegen einer solchen Störung D ausgelöst wird.
Auf einem getrennten Verstärkungskanal un wird die Spannung Us bzw. das Analogsignal unnormiert auf den Analog-Digital-Wandler ADC gegeben und deren bzw. dessen Digitalwert einem Kurzschluss-Überwachungsalgorithmus unterzogen, der zusätzlich zu dem „normalen” Überwachungsalgorithmus auf dem Mikroprozessor uP läuft. Auf diese Weise kann ein Kurzschluss über den Verstärkungskanal un erkannt und entsprechend reagiert werden, wodurch sich die Zuverlässigkeit der Auslöseeinheit erhöht. Dies funktioniert auch beim Auftreten von Defekten im Verstärker V.

Claims

Verfahren zur Erkennung eines defekten Verstärkers (V) einer analogen Signalaufbereitung (1) eines Schalters (S), der mechanisch trennbare Kontaktelemente (4a, 4b) sowie eine Auslöseeinheit (ETU) aufweist, die nach der analogen Signalaufbereitung (1) jeweils eine Prüfung durchführt, ob die über die Kontaktelemente (4a, 4b) fließende elektrische Energie (E) eine vorgegebene Bedingung erfüllt und die Trennung der Kontaktelemente (4a, 4b) auslöst, wenn die Bedingung erfüllt ist, wobei die Signalaufbereitung (1) umfasst a) zumindest eine Sensoreinheit, die ein energieproportionales elektrisches Analogsignal abgibt, und b) zumindest einen nachgeschalteten Verstärker (V), der das Analogsignal verstärkt, wobei ein Analog-Digital-Wandler (ADC) nachgeschaltet ist und auf den Analog-Digital-Wandler (ADC) jeweils das verstärkte und das nicht verstärkte Analogsignal gegeben und als Digitalwerte ausgegeben werden, bei dem jeweils entschieden wird, welcher der beiden Digitalwerte für die Prüfung der vorgegebenen Bedingung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) geprüft wird, ob zumindest einer der beiden Digitalwerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, b) wenn ja, ob die beiden jeweils zum selben Zeitpunkt gehörenden Digitalwerte in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen, und c) eine Störung (D) signalisiert wird, wenn dies nicht der Fall ist.