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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Überprüfung einer mit einem digitalen Eingang eines Aktors verbundenen elektrischen Leitung.
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HINTERGRUND
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Leitungsfehler, wie bspw. Leitungsbruch oder Kurzschluss einer elektrischen Leitung, mit der ein digitaler Eingang eines Aktors verbunden ist, werden oftmals erst im Bedarfsfall erkannt, wenn sich der Aktor durch Anlegen eines entsprechenden Spannungspegels an die elektrische Leitung nicht aktivieren lässt. Eine Aktivierung des Aktors vor Eintritt des Bedarfsfalls zu Diagnosezwecken kann jedoch (insbesondere während eines laufenden Prozesses) unerwünscht oder unmöglich sein, bspw. wenn der Aktor unmittelbar, d. h. nicht über ein abschaltbares Zwischenglied, in den Prozess eingreift.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung bereichert diesbezüglich den Stand der Technik durch ein erfindungsgemäßes System, eine erfindungsgemäße Reihenklemme und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überprüfen einer an einen digitalen Eingang des Aktors angeschlossenen elektrischen Leitung, welche eine Überprüfung der elektrischen Leitung bspw. hinsichtlich Kurzschluss und Leitungsunterbrechung während eines laufenden Prozesses und insbesondere während eines laufenden Prozesses in den der Aktor bei Aktivierung unmittelbar eingreift erlauben.
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Das erfindungsgemäße System umfasst eine Reihenklemme und einen über eine elektrische Leitung mit der Reihenklemme verbundenen Aktor, wobei die Reihenklemme eine Schaltung mit einem digitalen Ausgang aufweist, an den die mit dem Aktor verbundene elektrische Leitung angeschlossen ist, der digitale Ausgang einen High-Pegel in einem ersten Spannungsbereich, einen Low-Pegel in einem zweiten Spannungsbereich und einen zwischen dem ersten Spannungsbereich und dem zweiten Spannungsbereich ausgebildeten dritten Spannungsbereich aufweist, und der Aktor einen Aktivierungsspannungsbereich aufweist, wobei der Aktor durch Anlegen einer Spannung im Aktivierungsspannungsbereich aktiviert wird und die Schaltung eingerichtet ist, eine Testspannung und/oder einen Teststrom auszugeben, wobei die Testspannung um eine Spannungsdifferenz von dem Aktivierungsspannungsbereich verschieden ist.
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In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff „Aktor“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, die eingerichtet ist, in aktiviertem Zustand unter Zufuhr elektrischer Energie mechanische Arbeit zu verrichten. Ferner ist unter dem Begriff „digitaler Ausgang“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Ausgang zu verstehen, der dazu eingerichtet ist, diskrete Spannungspegel relativ zu einem Referenzpotenzial auszugeben. Bspw. kann ein erster Spannungspegel (High-Pegel) 5 Volt und ein zweiter Spannungspegel (Low-Pegel) 0 Volt betragen. Des Weiteren ist unter dem Begriff „verbunden“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet. wird, das Vorhandensein eines durchgängigen Signalpfades zu verstehen, bspw. einer (ggf. mittels eines Schalters unterbrechbaren) durchgängigen elektrischen Leitung zwischen den verbundenen Bauteilen.
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Ferner bezieht sich der Begriff „Spannungsbereich“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere auf Spannungsbereiche relativ zum Referenzpotenzial. Bspw. kann der erste Spannungsbereich in Hinblick auf Transistor-Transistor-Logik, TTL, einen Spannungsbereich von 2,4 Volt bis 5 Volt oder in Hinblick auf CMOS-Logik einen Spannungsbereich von 4,4 Volt bis 5 Volt und der zweite Spannungsbereich in Hinblick auf TTL einen Spannungsbereich von 0,0 Volt bis 0,4 Volt oder in Hinblick auf CMOS-Logik 0,0 Volt bis 0,5 Volt umfassen.
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Ferner kann der dritte Spannungsbereich in Hinblick auf TTL einen Spannungsbereich von 0,4 Volt bis 2,4 Volt oder in Hinblick auf CMOS-Logik einen Spannungsbereich von 0,5 Volt bis 4,4 Volt umfassen.
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Da die Testspannung außerhalb des Aktivierungsspannungsbereichs des digitalen Eingangs des Aktors liegt, kann die Leitung durch Anlegen der Testspannung bzw. eines Testspannungsimpulses überprüft werden, ohne den Aktor (ungewollt) zu aktivieren. Bspw. kann eine Impulsantwort des digitalen Eingangs des Aktors in Form von Strom- und/oder Spannungskennlinien aufgezeichnet und ausgewertet werden.
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Vorzugsweise ist die Schaltung ferner dazu eingerichtet, einen Stromfluss durch den digitalen Ausgang zu bestimmen, während die Testspannung an den digitalen Ausgang angelegt ist.
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Dabei ist bspw. bei einem Kabelbruch ein geringerer Stromfluss oder bei einem Kurzschluss ein höherer Stromfluss als im fehlerfreien Fall zu erwarten. Somit können Fehler an der elektrischen Leitung bspw. durch einen Vergleich mit einem Stromflussreferenzwert oder einer Stromflussreferenzkurve detektiert werden. Dabei kann der Stromflussreferenzwert oder die Stromflussreferenzkurve in einer Anlernphase bei fehlerfreier Verbindung aufgenommen bzw. im Rahmen einer Mittelwertbildung aus verschiedenen statistisch unabhängigen Messreihen erzeugt werden.
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Vorzugsweise ist die Schaltung ferner dazu eingerichtet, ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn der bestimmte Stromfluss unterhalb eines ersten Schwellenwertes oder oberhalb eines zweiten Schwellenwertes liegt.
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Bspw. kann der erste Schwellenwert kleiner als der Stromflussreferenzwert und der zweite Schwellenwert größer als der Stromflussreferenzwert sein, wobei die Abstände zwischen dem Stromflussreferenzwert und den Schwellenwerten bspw. aus (erwarteten oder gemessenen) Schwankungen des Stromflussreferenzwerts abgeleitet sein können. Das Fehlersignal kann dann als akustisches oder optisches Signal auf den Fehlerzustand hinweisen oder als Datensignal an eine übergeordnete Steuerung übertragen werden, die die Anlage überwacht.
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Vorzugsweise ist die Schaltung ferner dazu eingerichtet, das Anlegen der Testspannung nach einem bestimmten Zeitintervall automatisch oder in Reaktion auf ein von der Schaltung empfangenes Signal zu wiederholen.
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Durch das regelmäßige Überprüfen können dabei bspw. Fehler in der Leitung vor einer gewünschten Aktivierung erkannt werden und entsprechende Maßnahmen wie das Stoppen des Prozesses oder ein Anpassen des Prozesses an einen zu erwartenden Ausfall des Aktors frühzeitig eingeleitet werden.
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Die erfindungsgemäße Reihenklemme zum Anschluss eines Aktors umfasst eine Schaltung mit einem digitalen Ausgang zum Anschluss einer mit dem Aktor verbundenen elektrischen Leitung, wobei der digitale Ausgang einen High-Pegel in einem ersten Spannungsbereich, einen Low-Pegel in einem zweiten Spannungsbereich und einen zwischen dem ersten Spannungsbereich und dem zweiten Spannungsbereich ausgebildeten dritten Spannungsbereich aufweist, wobei die Schaltung eingerichtet ist, im ersten Spannungsbereich oder im zweiten Spannungsbereich eine Testspannung und/oder einen Teststrom auszugeben, wobei die Testspannung von dem High-Pegel und dem Low-Pegel um eine Spannungsdifferenz verschieden ist.
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Dabei ist unter dem Begriff „Reihenklemme“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine in einem Isolierstoffgehäuse angeordnete Klemme zu verstehen, wobei das Isolierstoffgehäuse dazu ausgebildet ist, an andere Isolierstoffgehäuse gleicher Art (lösbar) angereiht zu werden. Weiterhin kann die Reihenklemme mit einer weiteren elektronischen Schaltung zur Kommunikation, insbesondere über ein Bussystem, mit Reihenklemmen gleicher Art ausgebildet sein, wobei die Reihenklemmen untereinander lösbar (elektrisch) verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Anlegen einer Spannung an die elektrische Leitung, wobei der Wert der Spannung größer oder kleiner ist, als Werte eines Spannungsintervalls, bei denen der Aktor aktiviert wird, und ein Überwachen eines durch die angelegte Spannung angetriebenen Stromflusses durch die elektrische Leitung.
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Dadurch kann, wie bereits oben ausgeführt, die elektrische Leitung auf Fehler überprüft werden, ohne den Aktor zu aktivieren.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Erzeugen eines Fehlersignals, wenn der überwachte Stromfluss außerhalb eines bestimmten Stromflussintervalls liegt.
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Bspw. kann das Stromflussintervall in einer Anlernphase oder während des (störungsfreien) Betriebs des Aktors auf Basis eines gemessenen Stromflusses und gegebener Sicherheitsintervalle oder im Rahmen einer Mittelwertbildung auf Basis verschiedener statistisch unabhängiger Messungen bestimmt werden.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Aktivieren und anschließendes Deaktivieren des Aktors, wobei das Aktivieren und Deaktivieren des Aktors dem Anlegen der Spannung und dem Überwachen des Stromflusses vorausgeht.
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Dadurch kann bspw. die Gefahr reduziert werden, dass bereits bestehende Fehler während der Anlernphase die nachfolgende Überprüfung erschweren oder verhindern.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Wiederholen des Überprüfens der elektrischen Leitung nach einem Zeitintervall durch erneutes Anlegen der Spannung und erneutes Überwachen eines Stromflusses durch die elektrische Leitung.
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Dadurch können bspw. während eines laufenden Prozesses auftretende Leitungsfehler vor der Aktivierung des Aktors erkannt und entsprechende Maßnahmen wie das Stoppen des Prozesses oder ein Anpassen des Prozesses an den zu erwartenden Ausfall des Aktors eingeleitet werden.
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Vorzugsweise wird das Anlegen der Spannung und das Überwachen des Stromflusses automatisch oder in Reaktion auf ein bestimmtes Signal durch eine in einer Reihenklemme integrierte Schaltung durchgeführt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- 1 ein Blockdiagramm eines Systems mit einem an eine in eine Reihenklemme integrierte Schaltung angeschlossenen Aktor;
- 2 einen beispielhaften Signalverlauf zum Aktivieren des Aktors und zum Überprüfen der elektrischen Leitung;
- 3 eine beispielhafte Impulsantwort beim Überprüfen der elektrischen Leitung und ein darauf basierendes Fehlersignal; und
- 4 ein Flussdiagramm eines Vorgehens zum Überprüfen der elektrischen Leitung zeigt.
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Dabei sind in den Zeichnungen gleiche oder analoge Elemente durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems 100. Das Systems 100 umfasst einen Aktor 200, wobei ein Eingang 210 des Aktors 200 mittels einer elektrischen Leitung 300 mit einer Reihenklemme 400 verbunden ist. Die Reihenklemme 400 weist einen Eingang 410 und eine mit dem Eingang 410 verbundene elektronische Schaltung 420 auf, die über einen digitalen Ausgang 430 wert- und zeitdiskrete Signale an den Aktor 200 überträgt. Der Eingang 410 der Reihenklemme 400 kann dabei sowohl ein analoger als auch ein digitaler Eingang 410 sein.
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Die elektronische Schaltung 420 weist zwei Betriebszustände auf, zwischen denen die elektronische Schaltung 420 während des Betriebs, selbstständig oder durch ein empfangenes Signal veranlasst, umschaltet. Im ersten Betriebszustand, der dem Normalfall entspricht, d. h. während einer prozessgemäßen Verwendung des Aktors aktiv ist, werden die Signale am analogen Eingang 410 am Ausgang 430 ausgegeben (bspw. durchgeschleift) bzw. die Signale am digitalen Eingang 410 am Ausgang 430 repliziert oder invertiert. D. h., dass bspw. ein High-Pegel am Eingang 410 die Ausgabe eines High-Pegels oder eines Low-Pegels am Ausgang 430 bewirkt. Liegen bspw. 5 Volt oder 0 Volt am Eingang 410 an, werden am Ausgang 430 ebenfalls 5 Volt oder 0 Volt ausgegeben.
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Im zweiten Betriebszustand wird die Leitung 300 auf Fehler getestet. Dabei wird, wie im Folgenden noch näher unter Bezugnahme auf 2 erläutert wird, von der elektronischen Schaltung 420 am Ausgang 430 eine Testspannung erzeugt, die sich von der am Eingang 410 anliegenden Spannung und den während der prozessgemäßen Verwendung des Aktors 200 ausgegebenen Low- noch High-Pegeln unterscheidet. Dabei können die Bedingungen unter denen die elektronische Schaltung 420 zwischen den Betriebszuständen umschaltet, durch die Bauart der elektronischen Schaltung 420 fest vorgegeben oder einstellbar sein.
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Bspw. kann die elektronische Schaltung 420 eingerichtet sein, gemäß einem festen oder einstellbaren Zeitraster in den zweiten Betriebszustand zu wechseln und Testspannungen auszugeben. Ferner kann fest vorgegeben oder einstellbar sein, ob das Ausgeben von Testspannungen unterdrückt wird, wenn die Signale am Eingang 410 darauf ausgelegt sind, am Ausgang 430 einen High-Pegel zu bewirken, oder, wenn die Signale am Eingang 410 darauf ausgelegt sind, am Ausgang 430 einen Low-Pegel zu bewirken.
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Bspw. kann die elektronische Schaltung 420 eingerichtet oder eingestellt sein, dann, wenn das Ausgeben des High-Pegels dazu geeignet ist, den Aktor 200 zu aktivieren (d. h. wenn der High-Pegel in einem Aktivierungsspannungsbereich des Aktors 200 liegt), ein Erzeugen der Testspannung nicht zuzulassen, wenn am Ausgang 430 ein High-Pegel auszugeben ist bzw. ausgegeben wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Testen der Leitung 300 die prozessgemäße Verwendung des Aktors 200 nicht stört oder verhindert, wenn dieser durch Ausgeben eines High-Pegels zu aktivieren wäre bzw. aktiviert ist.
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Ferner kann die elektronische Schaltung 420 eingerichtet oder eingestellt sein, dann, wenn das Ausgeben des Low-Pegels dazu geeignet ist, den Aktor 200 zu aktivieren (d. h. wenn der Low-Pegel in einem Aktivierungsspannungsbereich des Aktors 200 liegt), ein Erzeugen der Testspannung nicht zuzulassen, wenn am Ausgang 430 ein Low-Pegel auszugeben ist bzw. ausgegeben wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Testen der Leitung 300 die prozessgemäße Verwendung des Aktors 200 nicht stört oder verhindert, wenn dieser durch Ausgeben eines Low-Pegels zu aktivieren wäre bzw. aktiviert ist.
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Insbesondere kann die elektronische Schaltung 420 mit einem mechanischen Schalter (nicht gezeigt) verbunden sein, mittels dem zwischen besagten Einstellungen, d. h. dem nicht-Zulassen einer Testspannung während des Ausgebens eines High-Pegels bzw. dem nicht-Zulassen einer Testspannung während des Ausgebens eines Low-Pegels, umgeschaltet werden kann. Ferner kann die elektronische Schaltung 420 einen Signaleingang (nicht gezeigt) aufweisen, über den ein Umschaltsignal empfangen werden kann, mittels dem zwischen besagten Einstellungen, d. h. dem nicht-Zulassen einer Testspannung während des Ausgebens eines High-Pegels bzw. dem nicht-Zulassen einer Testspannung während des Ausgebens eines Low-Pegels umgeschaltet werden kann.
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2 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf UE am Eingang 410 (in 2 oben) und einen teilweise daraus abgeleiteten Spannungsverlauf UA am Ausgang 430 (in 2 unten). Der Signalverlauf ist dabei auf den Fall gerichtet, dass das Ausgeben des High-Pegels dazu geeignet ist, den Aktor 200 zu aktivieren. Wie in 2 gezeigt, liegt am Eingang 410 anfangs ein Low-Pegel 500 an. Da sich die elektronische Schaltung 420 im ersten Betriebszustand befindet, gibt die elektronische Schaltung 420 am Ausgang 430 einen Low-Pegel 500. aus und schaltet zum Zeitpunkt t1, dem Signalverlauf am Eingang 410 folgend, auf Ausgabe eines High-Pegels 600 um, wodurch der Aktor 200 aktiviert wird.
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In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der ausgegebene High-Pegel 600 (durch den Aktor 200) als solcher dadurch erfasst wird, dass er in einem definierten ersten Spannungsbereich 700 liegt. Insofern hat der ausgegebene High-Pegel, der am oberen Ende des ersten Spannungsbereichs 700 (bspw. bei 5 Volt) liegt, beispielhaften Charakter, da die Schaltung 420 auch niedrigere High-Pegel 600 ausgeben könnte, die den Aktor 200 ebenfalls aktivieren würden.
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Wie in 2 gezeigt, schaltet die elektronische Schaltung 420 zum Zeitpunkt t2, wiederrum dem Signalverlauf am Eingang 410 folgend, auf Ausgabe des Low-Pegels 500 um, wodurch der Aktor 200 deaktiviert wird. In diesem Zusammenhang ist ebenfalls anzumerken, dass der ausgegebene Low-Pegel 500 (durch den Aktor 200) als solcher erfasst wird, da er in einem definierten zweiten (niedrigeren) Spannungsbereich 710 liegt. Insofern hat der ausgegebene Low-Pegel 500, der am unteren Ende des zweiten Spannungsbereichs 710 (bspw. bei 0 Volt) liegt, beispielhaften Charakter, da die Schaltung 420 auch höhere Low-Pegel 500 ausgeben könnte, die den Aktor 200 ebenfalls deaktivieren würden.
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Wie gezeigt, liegt zwischen dem ersten Spannungsbereich 700 und dem zweiten Spannungsbereich 710 ein dritter Spannungsbereich 720. Das „dauerhafte“ Ausgeben einer Spannung im dritten Spannungsbereich 720 ist im ersten Betriebszustand nicht vorgesehen. Vielmehr ist das Auftreten von Spannungen im dritten Spannungsbereich 720 mit einem Übergang der Spannung zwischen dem ersten Spannungsbereich 700 und dem zweiten Spannungsbereich 720 verknüpft, während Übergänge zwischen dem ersten Spannungsbereich 700 zum dritten Spannungsbereich 720 mit unmittelbar anschließender Rückkehr in den ersten Spannungsbereich 700 nicht vorgesehen.
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Analog dazu sind Übergänge vom zweiten Spannungsbereich 710 zum dritten Spannungsbereich 720 mit unmittelbar anschließender Rückkehr in den zweiten Spannungsbereich 710 ebenfalls nicht vorgesehen. Ferner ist anzumerken, dass dies auch für Spannungen am Eingang 410 gilt, wobei der vorgesehene Spannungsbereich am Eingang 410 ebenfalls in drei Spannungsbereiche 730, 740, 750 unterteilt werden kann, die zu den Spannungsbereichen am Ausgang 430 korrespondieren, allerdings einen kleineren dritten Spannungsbereich 750 (zu Gunsten des ersten und zweiten Spannungsbereichs 730, 740) umfasst, um übertragungsinduzierte Verfälschungen einer ausgegebenen Spannung aufzufangen.
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Zum Zeitpunkt t3 wechselt die elektronische Schaltung 420 in Reaktion auf ein Testsignal UT in den zweiten Betriebszustand. Im zweiten Betriebszustand wird am Ausgang 430 kurzzeitig eine Testspannung 800 angelegt, die sich vom während des ersten Betriebszustandes ausgegebenen Low-Pegel 500 um eine Differenzspannung unterscheidet, wodurch ein Spannungspuls erzeugt wird, und gleichzeitig um eine Spannungsdifferenz 760 vom eingangsseitigen Aktivierungsspannungsbereich des Aktors 200, der bspw. dem ersten Spannungsbereich 730 entspricht, verschieden ist. Der durch den Spannungspuls erzeugte Stromfluss Imess durch den Ausgang 430 wird durch die elektronische Schaltung 420 gemessen und mit einem Referenzwert Iref verglichen, der bspw. auf Basis eines vorhergehenden Anlegens einer Testspannung 800 bestimmt wurde.
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Weicht der gemessene Stromfluss Imess um mehr als eine vorbestimmte Stromdifferenz Idiff von dem Referenzwert Iref ab, wird, wie in 3 gezeigt, auf einen Leitungsfehler geschlossen und ein Fehlersignal UF durch die elektronische Schaltung 420 ausgegeben. Weicht der gemessene Stromfluss Imess um nicht mehr als die vorbestimmte Stromdifferenz Idiff von dem Referenzwert Iref ab, wechselt die elektronische Schaltung 420 bei t4 in den ersten Betriebszustand zurück. Ferner kann, wie in 2 gezeigt, das Anlegen der Testspannung 800 nach einem vorgegebenen Intervall t5-t3 wiederholt werden.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Vorgehens zum Überprüfen der 1 elektrischen Leitung 300. Der Prozess beginnt bei 900 mit dem Schritt des Anlegens einer Spannung an die elektrische Leitung 300, die außerhalb des Spannungsintervalls 730 ist, bei dem der Aktor 200 aktiviert wird. Die angelegte Spannung ist bspw., wie oben beschrieben, eine sich von den während der prozessgemäßen Verwendung des Aktors 200 angelegten High- und Low-Pegeln 500, 600 unterscheidende Testspannung 800. Bei Schritt 910 wird der Prozess durch das Überwachen des Stromflusses durch die Leitung 300 fortgesetzt, auf Basis dessen Leitungsfehler erkannt und angezeigt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 200
- Aktor
- 210
- Eingang
- 300
- Leitung
- 400
- Reihenklemme
- 410
- Eingang
- 420
- Schaltung
- 430
- Ausgang
- 500
- Low-Pegel
- 600
- High-Pegel
- 700
- Spannungsbereich
- 710
- Spannungsbereich
- 720
- Spannungsbereich
- 730
- Spannungsbereich
- 740
- Spannungsbereich
- 750
- Spannungsbereich
- 760
- Spannungsdifferenz
- 800
- (Test-) Spannung
- 900
- Prozessschritt
- 910
- Prozessschritt
