DE10231797A1

DE10231797A1 - Ausgangsmodul für elektronische Steuerungen

Info

Publication number: DE10231797A1
Application number: DE2002131797
Authority: DE
Inventors: Erhard Dr. Wogatzki; Mario Wolf; Klaus Heera; Matthias Viehmann
Original assignee: INST MASCHINEN ANTRIEBE und EL; Institut fur Maschinen Antriebe und Elektronische Geratetechnik Ggmbh - Img
Current assignee: BRUNEL IMG GMBH, 99734 NORDHAUSEN, DE
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-01-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ausgangsmodul für elektronische Steuerungen, vorzugsweise für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), zur Überwachung bzw. Diagnose und/oder zum Schalten von an die Steuerung angeschlossenen Stromkreisen. DOLLAR A Das vorgeschlagene Ausgangsmodul ist als ein im Verhältnis zur CPU einer Steuerung, als Slave arbeitender Mikrocontroller mit einem oder mehreren an den internen Bus der Steuerung und deren interne Spannungsversorgung anschließbaren Kanälen ausgebildet. DOLLAR A Jeder Kanal umfasst einen Kanal-Controller und einen Leistungs-Halbleiterschalter sowie Mittel zur Strom- und Spannungssensierung. Bestandteile des Kanal-Controllers sind ein interner Speicher und eine darin gehaltene Firmware, ein Bus-Transceiver sowie ein Analog-Digital-Wandler bzw. eine Analog-Digital-Wandlergruppe. Über die Strom- und Spannungssensierung wird der Status des an den jeweiligen Kanal angeschlossenen Stromkreises erfasst. Die Statusinformationen werden an den Kanal-Controller übergeben und können von dort, gegebenenfalls nach einer Vorverarbeitung, zur Weiterverarbeitung durch andere Einheiten ausgelesen und/oder mittels der Firmware, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit der CPU, der Steuerung zur Beeinflussung des jeweiligen Schaltverhaltens des Leistungs-Halbleiterschalters ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ausgangsmodul für elektronische Steuerungen, vorzugsweise für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), zur umfassenden Überwachung bzw. Diagnose und/oder zum Schalten von über das Ausgangsmodul an die Steuerung angeschlossenen Stromkreisen. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Ausgangsmoduls sind SPS. Der Aufbau des vorgeschlagenen Moduls lässt aber einen Einsatz im Zusammenwirken mit unterschiedlichsten elektronischen Steuerungen nach dem Master-Slave-Prinzip mit einer eine Zentraleinheit (CPU) umfassenden Steuerung als Master und dem erfindungsgemäßen Ausgangsmodul als Slave zu. Eine dabei ausdrücklich einbezogene Möglichkeit ist beispielsweise sein Einsatz als Diagnose- und Schaltmodul in Überwachungs- und Managementnetzwerken eines Fahrzeugs im Zusammenwirken mit einer als Master arbeitenden Steuerelektronik. Soweit sich daher Darstellungen und Erläuterungen nachfolgend zumeist auf SPS beziehen, soll dies keine Einschränkung der Erfindung darstellen.

Elektronische Steuerungen spielen in vielen Systemen eine überragende Rolle. So werden heute beispielsweise zur Steuerung von Prozessen im Zuge der Prozessautomatisierung im großem Umfang speicherprogrammierbare Steuerungen eingesetzt. Ihr Einsatz betrifft die Steuerung von Fertigungsprozessen ebenso, wie beispielsweise die Steuerung von Prozessen beim Zusammenwirken von Einrichtungen der Gebäudeleittechnik. Mittels der SPS werden Strom- und Energiepfade bzw. Verbraucher oder Aktoren geschaltet. Selbstverständlich kommt dabei der Gewährleistung eines sicheren Ablaufs der Prozesse eine große Bedeutung zu. Gebräuchliche digitale Schalter zum Schalten der Verbraucher oder Aktoren sind als Leistungs-Halbleiterschalter mit offenem Kollektor oder als potentialfrei schaltende Relais ausgebildet. Ihre digitale Schaltcharakteristik lässt dabei nur die Schaltzustände „Ein" oder „Aus" zu. Sofern Ein- oder Ausschaltvorgänge mit Rampenverläufen oder eine Leistungsdosierung der Verbraucher erforderlich ist, werden hierfür analoge Schaltungen benötigt. Diese lassen jedoch eine Kontrolle der realen Prozess größen und ein flexibles Reagieren auf diese Prozessgrößen nur bedingt zu, da es zur umfassenden Auswertung der Größen einer rechentechnischen und damit digitalen Verarbeitung bedarf. Im Allgemeinen beschränkt sich daher bei ihrer Verwendung die Kontrolle der Ausgänge im Hinblick auf das Vermeiden unzulässiger Zustände, insbesondere einer Überlastung durch zu hohe Ströme, auf die Verwendung herkömmlicher Sicherungen.

Digitale Schaltelemente ermöglichen hier mehr Flexibilität. So ist beispielsweise aus einem Firmenprospekt der Firma Siemens (Stromversorgung, März 2002) ein elektronisches Schalt- und Diagnosemodul bekannt, bei dem der zu überwachende Ausgangsstrom zwischen 2 und 10 Ampere je Abzweig einstellbar ist. Das Modul verfügt über vier Abzweige, mit denen Ausgangsstromkreise überwacht und im Fehlerfall die entsprechenden Lasten bzw. Verbraucher abgeschaltet werden können. Durch LED's wird dabei der Zustand des jeweiligen Abzweigs visualisiert. Die verschiedenfarbigen LED's zeigen den momentanen Schaltzustand am Digitalausgang an, insbesondere, ob der Leistungsschalter durchgesteuert oder gesperrt ist. Allerdings kann es beispielsweise bei der Ansteuerung von Magnetventilen vorkommen, das deren Anker nicht voll durchzieht und sie insoweit ihre Funktion nicht erfüllen können. Dieser Zustand wird jedoch durch das besagte Modul nicht diagnostiziert. In Bezug auf das Schaltverhalten ist zwar mittels des beschriebenen Moduls ein schrittweises Ein- oder Abschalten des jeweiligen Verbrauchers möglich. Eine Möglichkeit der Realisierung von Rampenverläufen oder gar einer Leistungsdosierung ist dabei aber nicht gegeben. Darüber hinaus bestehen keine Möglichkeiten einer statistischen Auswertung des Last- Verbraucherverhaltens.

Durch die DE 199 04 893 A1 und ein dazu paralleles Gebrauchsmuster DE 299 23 430 U1 werden ein Verfahren und eine Überwachungseinheit zur Fehlerunterdrückung bzw. Sicherheitsübennrachung von Steuerungseinrichtungen beschrieben. Die Überwachungseinheit umfasst danach im Wesentlichen drei Komponenten, mittels welcher der Datenverkehr auf dem Systembus einer SPS überwacht werden kann. Dabei erhält die Überwachungseinrichtung jedoch keine Prozessdaten und dient insoweit ausschließlich dazu, im Falle des Entstehens unzulässiger Zustände durch Programmfehler sicherheitssensible Einrichtungen notfalls abzuschalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ausgangsmodul zur Erweiterung einer elektronischen Steuerung zu schaffen, welches eine umfassende Diagnose und Überwachung an die Steuerung angeschlossener Stromkreise und deren Verbraucher bzw. Aktoren, eine umfangreiche Auswertung der überwachten Größen und gegebenenfalls ein flexibles Anpassen von Schaltvorgängen im Hinblick auf das Ergebnis dieser Überwachung gestattet.

Die Aufgabe wird durch ein Ausgangsmodul mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.

Das erfindungsgemäße Ausgangsmodul ist ausgebildet als ein im Verhältnis zur Zentraleinheit (CPU) einer Steuerung, vorzugsweise einer SPS, als Slave arbeitender Mikrocontroller mit einem oder mehreren an den internen Bus der Steuerung und deren interne Spannungsversorgung anschließbaren Kanälen. Jeder Kanal umfasst einen Kanal-Controller und einen Leistungs-Halbleiterschalter sowie Mittel zur Strom- und Spannungssensierung. Bestandteile des Kanal-Controllers sind ein interner Speicher und eine darin gehaltene Firmware, ein Bus-Transceiver sowie ein Analog-Digital-Wandler bzw. eine Analog-Digital-Wandlergruppe, also mehrere derartiger Wandler. Die vorgenannten Elemente des Ausgangsmoduls sind so miteinander verschaltet, dass durch die Strom- und Spannungssensierung der Status des an den jeweiligen Kanal angeschlossenen Stromkreises erfasst und in Form digitaler und/oder analoger Statusinformationen an den Kanal-Controller übergeben wird. Die Statusinformationen werden im Speicher des Kanal-Controllers zwischengespeichert. Aus diesem können sie dann in gegebenenfalls vorverarbeiteter Form zur Weiterverarbeitung durch andere Einheiten ausgelesen und/oder mittels der Firmware sowie gegebenenfalls im Zusammenwirken mir der CPU der Steuerung im Bezug auf im Speicher des Kanal-Controllers gespeicherte Soll-Größen zur Beeinflussung des jeweiligen Schaltverhaltens des Leistungs-Halbleiterschalters ausgewertet werden. Die Funktionalität des erfindungsgemäßen Moduls geht somit weit über die eines einfachen Schalters zum Schalten von Lasten oder Aktoren oder eines Überlast- bzw. Überstromschalters hinaus. Vielmehr ermöglicht das Modul auf der Basis der Strom-/Spannungssensierung eine umfangreiche Diagnose des Ausgangs, wobei die Daten vorteilhafterweise in einem Kanal-Controller des Moduls vorverarbeitet werden können. Wesentlich ist es dabei auch, dass die Daten zum Auslesen für andere Einheiten zur Verfügung stehen. Allerdings, und dies stellt sicherlich ein Hauptanwendungsgebiet des Moduls dar, ist dessen Einsatz insbesondere im Hinblick auf eine Auswertung der Staturinformationen innerhalb des Moduls und ein im Ergebnis dieser Auswertung flexibles Schaltverhalten des Leistungs-Halbleiterschalters von besonderem Vorteil. Das heißt mittels des Moduls können Überwachungs- bzw. Monitorringaufgaben ebenso gelöst werden, wie die Aufgabe einer optimalen Ansteuerung von Verbrauchern oder Aktoren im Hinblick auf deren Ein- oder Ausschalten entsprechend vorgegebenen oder bei der Auswertung der Statusinformationen abgeleiteten Strom-/Spannungsverläufen. Ein Verbraucher kann somit erforderlichenfalls bzw., um ihn weniger zu belasten, mit einem verzögert bis zum Erreichen des Nennstroms ansteigenden Strom angeschaltet (Softstart) werden. Sicherungsfunktionen sind sowohl durch die Möglichkeit des Abschaltens eines Verbrauchers oder Aktors bei Erreichen bestimmter Grenzwerte als auch gegebenenfalls erst bei Vorliegen des Vielfachen eines Grenzwertes über eine längere Zeit gegeben. Darüber hinaus ist, bei Hinterlegung einer entsprechenden Firmware im Kanal-Controller, die Erstellung von Histogrammen für das System möglich. Entsprechende Datenhistogramme sind dabei unter Nutzung von Fuzzi-Control-Algorithmen oder neuronaler Netzmodelle auch für ein „vorausschauendes" Schalten und Überwachen von Verbrauchern einsetzbar. So ermöglicht die Vorhersage (Prediction) von Systemzuständen und eine gegebenenfalls erfolgende vorbeugende Verbraucherabschaltung (auch von einzelnen Verbraucherpfaden) einen wirksamen Zerstörungs- bzw. Havarieschutz.

Die Auswertung der Daten bzw. ihre Diagnose erfolgt, auch im Hinblick auf eine Beeinflussung des Schaltverhaltens, im Modul selbst oder, dem Master-Slave- Prinzip folgend, im Zusammenwirken mit der CPU der Steuerung. Gegebenenfalls folgt dabei der Diagnosealgorithmus einer mehrschichtigen Struktur, um Prioritäten bei der Fehlerprüfung zu berücksichtigen, also beispielsweise kritische Parameter zuerst zu prüfen. Verbraucheraktivitäten, wie beispielsweise die Tätigkeit eines Ventils können durch Vergleiche von Strommittelwerten bzw. integral ermittelten Werten, überprüft werden, welche im Falle des Ventils eine Aussage über eine Bewegung des Betätigungsankers ermöglichen.

Die Erfassung der Strom- bzw. Spannungswerte erfolgt, wie bereits dargestellt, durch eine Sensierung, was sich nicht ausdrücklich auf eine Verwendung von Sensoren, sondern die Möglichkeit einer Laststrommessung ohne Leistungsverlust, mittels spezieller Verfahren, wie beispielsweise des Sence-FET-Prinzips, bzw. die Ermittlung von Spannungswerten durch einen einfachen Spannungsabgriff bezieht.

Entsprechend einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Moduls, insbesondere durch eine hierauf gerichtete Gestaltung der Firmware, wird der Status eines jeweiligen Ausgangskreises durch Strom- und Spannungssensierung in Zeitfenstern erfasst. Diese werden durch den Kanal-Controller vorgegeben. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, beim Einschalten kapazitiver oder induktiver Lasten (z.B. Motor) kurzzeitig Ströme oder Spannungen zuzulassen, die außerhalb der für den Normalbetrieb vorgegebenen Wertebereiche liegen.

Bei dem Leistungs-Halbleiterschalter handelt es sich entsprechend einer vorteilhaften Ausbildungsform des Moduls um einen intelligenten Halbleiterschalter (Smart-Power-Schalter), in welchen die Mittel zu Stromsensierung integriert sind. Ein entsprechendes Monitoring- und Schaltelement wird beispielsweise in der Anmeldung DE 101 59 925 der Anmelderin beschrieben. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Smart-Power-Schalter um einen den Verbraucher oder Aktor des angeschlossenen Stromkreises vom Pluspol gegen Masse schaltenden Highside-Sense-Schalter nach dem Sence-FET-Prinzip. Die Stromsensierung kann aber beispielsweise auch magnetoresistiv oder unter Nutzung des Hall-Effekts erfolgen.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Moduls ist ein an dieses angeschlossener Verbraucher oder Aktor mittels des Leistungs-Halbleiterschalters wahlweise digital oder analog ansteuerbar, wobei eine analoge Ansteuerung durch eine vom Mikrocontroller gegebenenfalls im Zusammenwirken mit der CPU der Steuerung gesteuerte Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt. Letzteres ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Leistungsdosierung im angeschlossen Ausgangskreis oder den schon erwähnten Softstart eines Verbrauchers bzw. dessen verzögertes Ausschalten. Die PWM ermöglich darüber hinaus aber auch die Realisierung einer Sicherungsfunktion, bei der ein Verbraucher bzw. der entsprechende Strompfad bei erreichen kritischer Strom-/Spannungswerte nicht abgeschaltet wird, sondern lediglich eine Strombegrenzung erfolgt.

Um externen weiterverarbeitenden Einheiten einen einfachen Zugriff auf die die Statusinformationen abbildenden Daten zu ermöglichen, ist das Modul so ausgebildet, dass diese Daten über den Bus der Steuerung, vorzugsweise der SPS, aus den Kanal-Controllern auslesbar sind und an einer Programmierschnittstelle RS232 zur Verfügung stehen. Analoge Statusinformationen werden dabei zuvor durch den bzw. einen der Analog-Digital-Wandler des Kanal-Controllers in digitale Signale gewandelt. Vorzugsweise verfügt der Bus-Transceiver über eine oder mehrere Schnittstellen zum CAN-Bus nach Spezifikation CAN (A) und/oder CAN (B). Je nach Auslegung kann der Bus-Tranceiver aber auch über eine oder mehrere Schnittstellen zu Feldbussen wie dem INSTA-Bus und/oder dem Elektro-Installations-Bus (EIB) und/oder dem Prozess-Filed-Bus (ProFiBus) verfügen. Im Hinblick auf die zunehmende Nutzung des Internets zur Ferndiagnose und/oder Fernschaltung ist eine weitere vorteilhafte Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Moduls, gegebenenfalls auch bei gleichzeitigem Vorhandensein der vorgenannten Schnittstellen, internetfähig bzw. verfügt über die Möglichkeit zur Ansteuerung eines Funkmodems.

Für den Einsatz in SPS umfasst die Firmware vorteilhafterweise Programmroutinen, welche als Anweisungsliste nach dem SPS-Standard im Speicher des Kanal-Controllers hinterlegt werden. Dabei ist die Emulator-Software des Kanal-Controllers in die System-Software der SPS einbindbar. Bestandteil der Firmware sind je nach vorgesehener Aufgabe des Moduls gegebenenfalls auch vom Hersteller in den Speichereinheiten des Kanal-Controllers hinterlegte Verbrauchermodelle. Diese betreffen typische Strom-, Spannungsverläufe und/oder Leistungsdaten und/oder das Zeitverhalten an die Steuerung angeschlossener Verbraucher oder Aktoren. In Weiterbildung dieser Überlegungen ist es auf der Basis eines hinterlegten Verbrauchermodells möglich, für den am jeweiligen Kanal betriebenen Verbraucher einen Raum des sicheren Arbeitsbereiches (SOAR – Safe Operating Area) zu definieren, dessen Einhalten bzw. Verlassen beim Betrieb des Verbrauchers in Form der im Speicher des Kanal-Controllers zwischengespeicherten Statusinformationen protokollierbar ist. Je nach Gestaltung des Programmablaufs kann bei Verlassen des SOAR eine durch die Firmware vorbestimmte Schaltreaktion des Smart-Power-Schalters ausgelöst werden.

Es ist weiterhin möglich unter Anwendung der Firmware ein durch eine Datenmenge von Strom-/Spannungswerten repräsentiertes verbraucherbezogenes „Erinnerungsvermögen" für einen Kanal des Ausgangsmoduls aufzubauen. Dies geschieht auf der Basis eines im Speicher des Kanal-Controllers hinterlegten Verbrauchermodells und der durch die Strom- und Spannungssensierung innerhalb bestimmter Zeitfenster erfassten sowie an den Kanal-Controller übergebenen Statusinformationen. Dieses verbraucherbezogene Erinnerungsvermögen beschreibt das Verhalten des Verbrauchers im Hinblick auf absehbare Lastzustände. Auf diese Weise ist es möglich, den SOAR gewissermaßen in einer Art Feintuning unter Zugrundelegung der tatsächlichen Verhältnisse zu präzisieren. Grundsätzlich lässt sich das vorgenannte Verhalten selbstverständlich, sozusagen als eine Art negative Logik, auch auf der Grundlage eines unerlaubten bzw. verbotenen Arbeitsbereiches realisieren, welcher durch Daten im Speicher des Kanal-Controllers definiert ist.

Vorteilhafter Weise verfügt das Ausgangsmodul über die vorgenannten Bestandteile hinaus noch über eine optische Anzeige zur Signalisierung von Fehlfunktionen eines Kanals.

Das Ausgangsmodul ermöglicht es in Abhängigkeit von der jeweils hinterlegten Firmware sehr flexible sowie unterschiedlichste Schalt- und Überwachungs- bzw. Diagnosefunktionen für eine elektronische Steuerung zur Verfügung zu stellen. So ist für die einzelnen Kanäle unabhängig und flexibel ein Überstrom- und Überspannungsschutz programmierbar. Weiterhin ist die Möglichkeit einer Detektierung von Kurzschluss- und Unterbrechungsfehlern gegeben. Insbesondere im Hinblick auf Unterbrechungsfehler ermöglicht es das Modul den „wahren Einschaltzustand", beispielsweise bei seinem Einsatz mit SPS speziell von Magnetventilen, festzustellen. Des weiteren ist eine Kontrolle der Einschaltzeit t_on, der Ausschaltzeit t_off oder der Betriebszeit t_Betrieb der Verbraucher möglich. Für die Verbraucher ist die Möglichkeit einer programmierbaren Stromführung gegeben. Insbesondere die Möglichkeit einer Ansteuerung der Verbraucher nach dem Puls-Weiten-Modulationsverfahren ist als sehr vorteilhaft hervorzuheben. Außerdem besteht die Möglichkeit einer schrittweisen Inbetriebnahme oder eines schrittweisen Abschaltens von Lasten sowie die Möglichkeit eines Funktionstests. Die Prozessbetriebsspannung kann variabel im Bereich von + 12 V bis + 42 V eingestellt werden. Fehlfunktionen der Kanäle sind mittels einer in vorteilhafter Ausbildung des Moduls vorgesehenen Anzeige erkennbar. Von besonderem Vorteil ist aber auch die Möglichkeit einer Vorverarbeitung der Statusinformationen und des Bereitstellens der Daten über den Systembus sowie die Programmierschnittstelle oder gar über das Internet oder andere Kommunikationsnetze. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben Zustandshistogramme der einzelnen Verbraucherkreise zu erstellen. Dies betrifft insbesondere Histogramme zum Betriebsverhalten und zur Ausfallstatistik. Auf der Basis dieser Histogramme sind dann Rückschlüsse für die Planung von Serviceintervallen, Aussagen und Bewertung zu Garantie- und Gewährleistungsansprüchen sowie ein vorausschauendes Managen im Hinblick auf die Organisation von Redundanzen bei sich ankündigenden Defekten möglich. Es kann sicher gestellt werden, dass ein an das Modul angeschlossener Verbraucher im sicheren Arbeitsbereich (SOAR) bzw. innerhalb eines hierfür vorgesehenen Toleranzfeldes arbeitet. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Einheit als Modul ermöglicht es, dass jede elektronische Steuerung lediglich durch eine Erweiterung der Master-Software ohne Änderung des sonstigen Systemkonzepts mit einem oder mehreren Ausgangsmodulen ergänzt werden kann. Die Erfindung soll nach folgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: Ein vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ausgangsmoduls mit einem Smart-Power-Schalter
2: Ein modifizierte Darstellung des Ausgangsmoduls nach 1 in einer Ausführung mit vier Kanälen
3: Das Grundkonzept des Diagnosealgorithmus In der 1 ist das erfindungsgemäße Ausgangsmodul in einem vereinfachten Blockschaltbild dargestellt. Über entsprechende Anschlüsse werden die Kanäle des als Slave zu einer elektronischen Steuerung, beispielsweise einer SPS, arbeitenden Mikrocontrollers 1 an den Bus der Steuerung und deren interne Spannungsversorgung angeschlossen. Das Modul umfasst 1 bis n separate Kanäle. Jeder Kanal 1 bis n besteht im wesentlichen aus einem Kanal-Controller 2₁ – 2_n und einem mit diesem in Wechselwirkung stehenden Smart-Power-Schalter 5₁ – 5_n . Der Kanal-Controller 2₁ – 2_n verfügt neben einem internen (nicht dargestellten) Speicher zur Anpassung an den Systembus über einen Bus-Transceiver 3₁ – 3_n und im Bereich des Übergangs zum Smart-Power-Schalter 5₁ – 5_n über einen Analog-Digital-Wandler bzw. eine Analog-Digital-Wandlergruppe 4₁ – 4_n . Bei dem Smart-Power-Schalter 5₁ – 5_n handelt es sich um einen intelligenten Halbleiterschalter, der über die aus dem Bild erkennbare Eigenschaft eines Schalters hinaus über nicht dargestellte Mittel zur Stromsensierung (beispielsweise gemäß DE 101 59 925 ) verfügt. Durch die Strom-/Spannungssensierung wird innerhalb durch den Kanal-Controller 2₁ – 2_n vorgegebener Zeitfenster der Status des jeweiligen Lastkreises erfasst. Die entsprechenden Statusinformationen (ST bzw. IS) werden in digitaler und/oder analoger Form an den Kanal-Controller 2₁ – 2_n übergeben. Analoge Statusinformationen werden gegebenenfalls durch einen Analog-Digital-Wandler 4₁ – 4_n des Kanal-Controllers 2₁ – 2_n in digitale Signale gewandelt. Die Statusinformationen werden im Speicher des Kanal-Controllers 2₁ – 2_n zwischengespeichert. Von hier können Sie über den Systembus bzw. über eine Programmierschnitt stelle 7, vorzugsweise RS232, ausgelesen werden, wobei je nach im Kanal-Controller 2₁ – 2_n hinterlegter Firmware bereits im Controller eine Vorverarbeitung der Daten erfolgt. Auf der Basis dieser Daten können verbraucherbezogen Aussagen über charakteristische Strom-/Spannungsverläufe am jeweiligen Verbraucher 6₁ – 6_n gewonnen werden. Diese dienen im Weiteren, sofern sie vermittels anderer Einheiten ausgelesen werden, beispielsweise der Erstellung umfassender Histogramme bzw. Statistiken oder in Weiterführung dessen der Prediction von Systemzuständen auch im Hinblick auf ein vorausschauendes Überwachen und Schalten. Allerdings, und dies macht den besonderen Vorteil des Moduls aus, können sie durch den Kanal-Controller 2₁ – 2_n auch unmittelbar mit in dessen Firmware hinterlegten Daten, welche ein Verbrauchermodell darstellen, in Relation gesetzt werden, so dass im Ergebnis dessen der Smart-Power-Schalter 5₁ – 5_n im Hinblick auf ein optimales Ein- und/oder Ausschaltverhalten für den jeweiligen Verbraucher 6₁ – 6_n durch ein Steuersignal (Steuersignal IN) angesteuert werden kann.
In der 2 ist das Modul gemäß 1 für eine Ausbildungsform mit vier Kanälen nochmals in einer etwas modifizierten Darstellung wiedergegeben. Das Modul umfasst entsprechend der Anzahl der Kanäle vier Kanal-Controller 2₁ – 2₄ und vier Smart-Power-Schalter 5₁ – 5₄ . Es verfügt weiterhin über eine mit der internen Stromversorgung der Steuerung zu koppelnde Stromversorgungseinheit 10. Für das Beschreiben der Speicher der Kanal-Controller 2₁ – 2₄ mit Daten sowie das Auslesen darin zwischengespeicherter Statusinformationen verfügt das Ausgangsmodul über entsprechende Schnittstellen. Das im Beispiel dargestellte Modul besitzt eine RS232 Programmierschnittstelle sowie Schnittstellen zum CAN-Bus. Bei den letztgenannten Schnittstellen handelt es sich, im Beispiel, um eine der Spezifikation CAN (A) und um eine der Spezifikation CAN (B) entsprechende Schnittstelle. Mit den jeweiligen Ausgangsstromkreisen deren Verbraucher oder Aktoren 6₁ – 6₄ zu überwachen bzw. zu schalten sind, wird das Modul über entsprechende Power-Plugs 9₁ – 9₄ verbunden.
Die 3 dient der Verdeutlichung des Grundkonzepts für den Diagnosealgorithmus. Der Ablauf dieses Diagnosealgorithmus vollzieht sich jeweils im Kanal-Controller 2₁ – 2_n eines Kanals oder, dem Master-Slave-Prinzip folgend, verteilt zwischen diesem und der Zentraleinheit der Steuerung unter Berücksichtigung der über Strom-/Spannungssensierung erfassten und übermittelten Statusinformationen. Aus diesen Messwerten, die zu entsprechenden Zeittakten ermittelt werden, wird im Kanal-Controller 2₁ – 2_n ein Messwertraum gebildet. Dieser Raum wird durch ein System von Prüfalgorithmen, welche als Firmware im Speicher des Kanal-Controllers 2₁ – 2_n hinterlegt sind, auf einen Merkmalsraum abgebildet. Der Merkmalsraum enthält zu jeder Prüfung das aktuelle Prüfresultat. Mittels einer Klassifikation mit wiederum von der Firmware bestimmten Klassifikatoren wird der durch die Menge aller aktuellen Prüfresultate repräsentierte Merkmalsraum auf definierte Fehlerzustände abgebildet. Dies bedeutet im einfachsten Fall, dass eine Prüfung unmittelbar einen bestimmten Fehler diagnostiziert. Allerdings ist es auch möglich, dass bei Bestehen komplexerer Zusammenhänge, ein gültiger Schluss erst aus der Gesamtheit der Aussagen mehrerer Prüfungen gewonnen werden kann. Im Zusammenhang mit der Bildung des Merkmalsraums fließen, wie ersichtlich, dem Mikrocontroller 1 manuell zugeführte Expertenangaben und/oder statistische Größen aus Testläufen, wodurch praktisch eine Lernfähigkeit des Systems aus elektronischer Steuerung und Ausgangsmodul gegeben ist und/oder Herstellermodelle, beispielsweise betreffend SOAR-Vorgaben der Hersteller von Verbrauchern in Form von Tabellen, Kennlinien oder in ähnlicher Form, in die Abarbeitung des Algorithmus ein.
Bei der im Zuge der Bildung des Merkmalsraums erfolgenden Prüfung werden unterschiedliche Prüfungstypen unterschieden, wobei die alternativ oder kumulativ zum Einsatz gelangen. Bei einer Soll-Prüfung werden für eine Messgröße oder einen komplexen Zusammenhang ein Soll-Zustand und dazu gehörige zulässige Abweichungen definiert und im System hinterlegt. Als Fehler wird interpretiert, wenn die zulässigen Abweichungen überschritten werden, wobei darunter gegebenenfalls sowohl Abweichungen im Hinblick auf das Überschreiten eines Maximalwertes als auch das Unterschreiten eines Minimalwertes verstanden werden sollen. Die Sollprüfung selbst wird dabei noch unterteilt in Prüfungen im Hinblick auf eine Sicherungsfunktion und Kennlinienprüfungen. Eine Prüfung im Sinne einer Sicherungsfunktion beschreibt für eine Messgröße entweder ein Minimum oder ein Maximum (wobei das Maximum dem Grundgedanken der Sicherung am meisten entspricht). Nach Ablauf einer Reaktionszeit im Über- bzw. Unterschreitungsbereich erfolgt die Fehler-Signalisierung und/oder gegebenenfalls eine entsprechende Schaltreaktion, wobei diese Schaltreaktion nicht zwingend das bloße Abschalten eines Verbrauchers oder Anschalten eines Aktors ist, sondern auch die Möglichkeit einer Strombegrenzung durch den Übergang zur PWM umfasst. Im Zuge einer Kennlinien-Prüfung wird ein funktionaler Zusammenhang zwischen zwei Messgrößen (z. B. U_OUT und I_L) in einer Wertetabelle hinterlegt. Dieser wird von einem Akzeptanzbereich umgeben (im einfachsten Fall ist das eine ±-Toleranz, jedoch sollte das Problem der zwei statistischen Fehler False Rejektion Rate und False Acceptance Rate dabei nicht ignoriert und durch die Firmware abgefangen werden). Ist eine definierte Einlaufphase abgeschlossen und verläuft der Prozess über eine geschlossene Reaktionszeit außerhalb des Akzeptanzbereiches, so erfolgt eine Fehlersignalisierung. Andere Prüfungen beziehen sich auf so genannte Fehler-Prüfungen. Hierbei muss die Charakteristik eines Fehlerbildes definiert werden. Bestätigen die vorliegenden Messwerte dieses, so wird auf „Fehler" entschieden, andernfalls erfolgt keine weitere Aussage. Weiterhin sind noch präventive Prüfungen bekannt. Hier geht es um eine Erweiterung der Soll-Prüfungen. Ziel ist es, auf der Grundlage der Ermittlung von prognostizierenden Parametern eine vorbeugende Reaktion auszulösen, bevor das System aus dem zulässigen Bereich herausläuft. Jede Prüfung, egal welchen Typs, muss in ihrem Ablauf qualitativ beschrieben werden, wobei entsprechende Grundkategorien definiert werden. Bei der Quantifizierung/Spezifizierung wird aus der Grundkategorie unter Konkretisierung der Messgrößen-Auswahl und der quantitativen Festlegung von Parametern die komplette Beschreibung der Prüfung erstellt. Dabei laufen mehrere Wege parallel – zum einen die Einarbeitung von Expertenangaben der Fachingenieure oder von Herstellermodellen der Verbraucherhersteller, zum anderen können durch Testläufe Parameter direkt aus dem praktischen Prozess heraus unter Anwendung statistischer Methoden ermittelt werden.

1: Mikrocontroller
2₁ – 2_n: Kanal-Controller mit internem Speicher
3₁ – 3_n: Bus-Transceiver
4₁ – 4_n: Analog-Digital-Wandler bzw. Gruppe von Analog-Digital-Wandlern
5₁ – 5_n: Leistungs-Halbleiterschalter (z.B. Smart-Power-Schalter)
6₁ – 6_n: Verbraucher bzw. Aktor (Last)
7: Programmierschnittstelle
8, 8': Schnittstelle zum CAN-Bus
9₁ – 9₄: Power-Plug
10: Stromversorgungseinheit

Claims

Ausgangsmodul für elektronische Steuerungen, vorzugsweise für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), zur umfassenden Überwachung bzw. Diagnose und/oder zum Schalten von über das Ausgangsmodul an die Steuerung angeschlossenen Stromkreisen mit darin eingeordneten Verbrauchern oder Aktoren (6₁ – 6_n ), ausgebildet als ein im Verhältnis zu einer Zentraleinheit (CPU) der Steuerung als Slave arbeitender Mikrocontroller (1) mit einem oder mehreren an einen internen Bus der Steuerung und deren Spannungsversorgung anschließbaren Kanälen, welche jeweils einen Kanal-Controller (2₁ – 2_n ) mit einem internen Speicher und einer darin gehaltenen Firmware, mit einem Bus-Transceiver (3₁ – 3_n ) und mit einem Analog-Digital-Wandler oder einer Analog-Digital-Wandlergruppe (4₁ – 4_n ) sowie einen Leistungs-Halbleiterschalter (5₁ – 5_n ) und Mittel zur Strom- und Spannungssensierung umfassen, wobei vermittels der Strom- und Spannungssensierung der Status des an den jeweiligen Kanal angeschlossenen Stromkreises erfasst und in Form digitaler und/oder analoger Statusinformationen an den Kanal-Controller (2₁ – 2_n ) übergeben wird, wo die Statusinformationen zwischengespeichert und in gegebenenfalls vorverarbeiteter Form zum Auslesen und zur Weiterverarbeitung durch andere Einheiten zur Verfügung stehen und/oder mittels der Firmware in Bezug auf im Speicher des Kanal-Controllers (2₁ – 2_n ) gespeicherte Sollgrößen zur Beeinflussung des jeweiligen Schaltverhaltens des Leistungs-Halbleiterschalters (5₁ – 5_n ) ausgewertet werden.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die Strom- und Spannungssensierung in durch den Kanal-Controller (2₁ – 2_n ) vorgegebenen Zeitfenstern erfolgt.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Leistungs-Halbleiterschalter (5₁ – 5_n ) um einen intelligenten Halbleiterschalter (Smart-Power-Schalter) handelt und die Mittel zur Stromsensierung integraler Bestandteil dieses Leistungs-Halbleiterschalters (5₁ – 5_n ) sind.
Ausgangsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Smart-Power-Schalter (5₁ – 5_n ) als ein den Verbraucher oder Aktor (6₁ – 6_n ) des angeschlossenen Stromkreises vom Pluspol gegen Masse schaltender Highside Sense-Schalter ausgebildet ist.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensierung magnetoresistiv erfolgt.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensierung unter Nutzung des Hall-Effekts erfolgt.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einen Kanal des Ausgangsmoduls angeschlossener Verbraucher oder Aktor (6₁ – 6_n ) mittels des Leistungs-Halbleiterschalters (5₁ – 5_n ) wahlweise digital oder analog ansteuerbar ist, wobei eine analoge Ansteuerung durch eine vom Mikrocontroller (1), gegebenenfalls im Zusammenwirken mit der Zentraleinheit der elektronischen Steuerung gesteuerte Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Statusinformationen abbildendenden Daten über den Bus der jeweiligen elektronischen Steuerung, vorzugsweise der SPS, aus den Kanal-Controllern (2₁ – 2_n ) auslesbar sind und an einer Programmierschnittstelle RS232 (7) zur Verfügung stehen, wobei analoge Statusinformationen zuvor durch einen Analog-Digital-Wandler (4₁ – 4_n ) des Kanal-Controllers (2₁ – 2_n ) in digitale Signale gewandelt werden.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bus-Transceiver (3₁ – 3_n ) über eine oder mehrere Schnittstellen zum CAN-Bus (8, 8') nach Spezifikation CAN(A) und/oder CAN(B) verfügt.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bus-Transceiver (3₁ – 3_n ) über eine oder mehrere Schnittstellen zu einem Feldbus wie dem INSTA-Bus und/oder dem Elektro-Installations-Bus (EIB) und/oder dem Process-Field-Bus (Profi-Bus) verfügt.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses internetfähig ist oder/und ein Funkmodem ansteuern kann.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 3, bei welchem vermittels und als Bestandteil der Firmware im Speicher des Kanal-Controllers (2₁ – 2_n ) Verbrauchermodelle, betreffend typische Strom-/Spannungsverläufe und/oder Leistungsdaten und/oder das Zeitverhalten an die Steuerung angeschlossener Verbraucher (6₁ – 6_n ) hinterlegt sind.
Ausgangsmodul nach Anspruch 12, bei welchem auf der Basis eines hinterlegten Verbrauchermodells für den am jeweiligen Kanal betriebenen Verbraucher (6₁ – 6_n ) ein Raum des sicheren Arbeitsbereiches (SOAR – Safe Operation Area) definiert ist, dessen Einhalten bzw. Verlassen beim Betrieb des Verbrauchers (6₁ – 6_n ) in Form der im Speicher des Kanal-Controllers (2₁ – 2_n ) zwischengespeicherten Statusinformationen protokollierbar oder bei dessen Verlassen eine durch die Firmware vorbestimmte Schaltreaktion des Leistungs-Halbleiterschalters (5₁ – 5_n ) ausgelöst wird.
Ausgangsmodul nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem auf der Basis eines hinterlegten Verbrauchermodells und vermittels der Strom- und Spannungssenierung innerhalb bestimmter Zeitfenster erfasster sowie an den Kanal-Controller (2₁ – 2_n ) übergebener Statusinformationen ein durch eine Datenmenge von Strom-/Spannungswerten repräsentiertes verbrau cherbezogenes Erinnerungsvermögen aufgebaut wird, welches den SOAR des jeweiligen Verbrauchers (6₁ – 6_n ) in Hinblick auf absehbare Lastzustände beschreibt.
Ausgangsmodul für eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Firmware als Anweisungsliste nach dem SPS-Standard hinterlegte Programmroutinen umfasst, wobei die Emulator-Software des Kanal-Controllers (2₁ – 2_n ) in die SPS-Systemsoftware einbindbar ist.
Ausgangsmodul nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul über eine optische Anzeige zur Signalisierung von Fehlfunktionen eines Kanals verfügt.