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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zur Fehlerdiagnose
mindestens einer Magnetspule, umfassend ein Ansteuerungsmittel für die Bereitstellung
eines Ansteuersignals, einen Treiber für die Ansteuerung der mindestens
einen Magnetspule mit einem Messsignal und mindestens eine Diagnoseeinheit
zur Weiterverarbeitung des Messsignals.
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Elektronische
Schaltungsanordnungen der hier interessierenden Art werden zur Diagnose
von elektrischen Komponenten wie Magnetspulen, wie sie beispielsweise
als Ventilspulen für
die elektrische Betätigung
von Ventilschiebern oder Vorsteuerventilen vorkommen, eingesetzt.
Dabei wird ein elektrischer Anschluss zu der zu prüfenden Magnetspule hergestellt,
um eine Information über
den Funktionszustand zu erhalten. Solche Diagnoseeinheiten können entweder
in der Fertigung von elektrisch betätigten Ventilen oder während des
Betriebes zur Überwachung
ihrer Funktion eingesetzt werden. Im Falle der Fertigungsüberwachung
kann die Diagnoseeinheit einen Fehler melden, um das entsprechende
Ventil mit der Fehlfunktion zu lokalisieren und damit die Fertigung
zu überwachen.
Bei einer Überwachung
der Ventilfunktion im Betrieb des Ventils über eine elektrische Diagnoseeinheit
kann diese eine Information darüber
liefern, ob bei einer Fehlfunktion eines Ventils ein hydraulischer
bzw. ein pneumatischer oder ein elektrischer Fehler vorliegt.
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Allgemein
bekannt sind elektronische Schaltungsanordnungen zur Diagnose von
Ventilspulen, die auf dem Prinzip der Strommessung beruhen. Dabei
wird in einem Lastkreis ein Strommessgerät in Serienanordnung, also
in Reihe zu den zu prüfenden Magnetspulen
verbunden, und durch das Anlegen der Ventilbetriebsspannung ein
Stromfluss erzeugt. Über
die Höhe
des gemessenen Stromes ist somit eine Information über den
Funktionszustand des Ventils erhältlich.
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Bei
der bekannten Lösung,
die elektrische Funktion der Ventilspulen über eine Strommessung im Lastkreis
zu prüfen,
tritt das Problem auf, dass eine Fehlermeldung bei einer elektrischen
Unterbrechung, beispielsweise der unterbrochenen Spulenkontaktierung,
nicht erfolgen kann. Bei einem Nichtfließen eines Stromes ist keine
Aussage möglich,
wo die Unterbrechung des Stromkreises vorliegt oder das Ventil nur
nicht angeschlossen ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Messung
des Stromes im Lastkreis nicht Kurzschlussfest ist, sollte ein Kurzschluss im
Ventil vorliegen, dann muss zusätzlich
eine Strombegrenzung vorgesehen werden. Zudem kann die Diagnose
nicht im Vorfeld, also vor der Ansteuerung des Ventils erfolgen,
da erst der eigentliche Betriebsanschluss des Ventils vorliegen
muss. Daher kann der Anwender in seiner Anlagenvisualisierung ein
defektes Ventil in einer Ventileinheit nicht sofort, d.h. vor der
eigentlichen Inbetriebnahme, lokalisieren und ggf. einen Austausch
vornehmen. Mit den auf der Strommessung beruhenden Verfahren ist
es nicht möglich,
einen Defekt eines Ventils innerhalb einer Ventileinheit zu lokalisieren
und dieses ggf. auch im Vorfeld anzuzeigen.
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Eine
Ferndiagnose über
ein Feldbus-, Profilbussystem oder ein paralleler Signalanschluss
ist mit dem bisherigen Verfahren der Strommessung nicht möglich. Der
elektrische Fehler ist somit nicht über ein Steuersystem fern vom
Einsatzort des Ventils oder der Ventilinsel anzeigbar. Im Betrieb
des Ventils muss zudem das Ventil erst aus der Ventileinheit entnommen
werden, um eine Diagnose über
eine Strommessung vornehmen zu können.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische
Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der ein elektrischer Fehler
in einer Magnetspule noch vor der Inbetriebnahme sicher detektiert
werden kann, die Zustandsinformation mit einem Signalleitungssystem übertragbar
und fern vom Ort des Ventils bzw. der Ventileinheit anzeigbar ist,
wobei sowohl eine elektrische Unterbrechung als auch ein Kurzschluss
diagnostiziert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer elektrischen Schaltungsanordnung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass zur Detektion eines Kurzschlusses
oder einer elektrischen Unterbrechung in der Magnetspule das Messsignal
durch den Zustand der Magnetspule beeinflussbar und nachfolgend
mit einer Diagnoseeinheit erfassbar ist, wobei ein erster Pullup-Widerstand
zwischen dem Treiber und der Magnetspule angeordnet ist und die
Diagnoseeinheit einen zweiten Pullup-Widerstand umfasst.
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Das
erfindungsgemäße Messprinzip
beruht auf der Auswertung eines aus einer Messspannung bestehenden
Messsignals, das abhängig
vom Zustand des Ventils für
eine fehlerfreie Magnetspule, eine elektrische Unterbrechung in
der Magnetspule bzw. deren Kontaktierung oder einen Kurzschluss
jeweils unterschiedliche Werte annimmt. Der erste Pullup-Widerstand
ermöglicht
dabei die Diagnose einer elektrischen. Unterbrechung, da aufgrund
des fehlenden Stromflusses durch die Magnetspule kein Strom fließt und die
Grundspannung erhalten bleibt, die von der Diagnoseeinheit erfasst
wird. Der zweite Pullup-Widerstand bietet den Vorteil, dass im ansteuerungslosen
Zustand der Diagnoseeinheit kein High- Level- Signal ausgegeben
werden kann, um Fehldiagnosen zu vermeiden.
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Eine
weitere die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass die
Diagnoseeinheit aus mindestens einem Komparatorelement und mindestens
einer digitalen Logikschaltungsanordnung besteht, wobei das Messsignal
von dem Komparatorelement erfassbar ist, welches das Messsignal
mit einem Referenzsignal vergleicht, um abhängig von der Höhe des Messsignals
einen Wert über
einen Ausgang des Komparatorelements an die digitale Logikschaltungsanordnung
zu übermitteln
und dass das Messsignal eine elektrische Spannung gegen Masse ist,
die durch den ersten Pullup-Widerstand ohne Ansteuerung des Treibers
einen definierten Wert annimmt. Das Komparatorelement differenziert
durch den Vergleich des Messwertes mit dem Referenzwert zwei Zustände der
zu prüfenden
Magnetspule, sodass sowohl der betriebsbereite Zustand der Magnetspule
als auch eine elektrische Unterbrechung detektiert werden kann.
Die Pullup-Funktion des ersten Pullup-Widerstandes dient der Bestimmung einer elektrischen
Unterbrechung, da nur so die EXOR-Schaltverknüpfung im ansteuerungslosen
Zustand der elektrischen Schaltungsanordnung ein „1"- Signal von der
EXOR- Schaltverknüpfung
ausgegeben wird und die NOR-Schaltverknüpfung ein „0"- Signal für ein Defekt
an der Magnetspule ausgibt.
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Vorteilhafter
Weise umfasst die digitale Logikschaltungsanordnung mindestens zwei
EXOR Schaltverknüpfungen
und mindestens eine NOR Schaltverknüpfung, wobei die Diagnoseeinheit
für ein betriebsbereites
Ventil ein High- Level- Signal ausgibt und die EXOR Schaltverknüpfung über einen
Bypass mit dem Ansteuersignal verbunden ist und dass für die Diagnose
von genau zwei Magnetspulen die elektronische Schaltungsanordnung
doppelt vorhanden ist und über
die NOR Schaltverknüpfung
logisch verknüpft
ist, um für
zwei funktionsbereite Magnetspulen ein High- Level- Signal anzuzeigen.
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Es
ist für
eine Messung von zwei Magnetspulen von besonderem Vorteil, dass
für deren
Diagnose die elektronische Schaltungsanordnung doppelt vorhanden
ist und über
die NOR Schaltverknüpfung
logisch verknüpft
ist, um für
zwei funktionsbereite Magnetspulen ein High- Level- Signal anzuzeigen.
Bei der NOR Schaltverknüpfung
wird erst dann ein „1"-Signal ausgegeben, wenn an beiden Eingängen ein „0"-Signal vorhanden
ist. Damit wird nur dann am Ausgang der NOR Schaltverknüpfung ein „1"-Signal ausgegeben,
wenn beide Magnetspulen in einem funktionsbereiten Zustand sind.
Das ausgegebene „1"-Signal kann dabei
zur Detektierung mit einer Steuerung verbunden und dadurch fern
vom Ort der elektrischen Schaltungsanordnung ausgewertet und anzeigt
werden. Der Bypass bietet den Vorteil, dass die digitale Logikschaltungsanordnung
eine Information über
den Ansteuerungszustand der Schaltungsanordnung erhält, um alle
Funktionszustände
der Magnetspulen zu detektieren.
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Nach
einer möglichen
Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Ansteuersignal
ein TTL Standardsignal ist, wobei das Ansteuerungsmittel ein Feldbusanschluss,
ein Profibusanschluss oder ein paralleler Signalanschluss ist. Damit besteht
die Möglichkeit,
die elektronische Schaltungsanordnung in einem Steuerungssystem
zu integrieren und über
das TTL Signal vom Steuerungssystem fern vom Ort der Magnetspulen
erfassbar und anzeigbar zu machen.
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Vorzugsweise
ist die elektronische Schaltungsanordnung in einer oder zusammen
mit einer Ventilträgereinheit
angeordnet und die Magnetspule ist eine Ventilspule, wobei die Magnetspule
entweder eine magnetische Spule zur Betätigung des Ventilschiebers
eines zwei Magnetspulen umfassenden Ventils oder eine magnetische
Spule eines Vorsteuerventils ist. Bei bistabilen Ventilen können zwei
Magnetspulen in einem Ventil vorhanden sein, womit mit der Möglichkeit,
zwei Magnetspulen parallel zu messen, die elektrische Funktionsbestimmung
eines Ventils möglich
ist. Um auf Ventilträgern
montierten Ventilen die Funktionsbestimmung durchführen zu können, ist
die elektronische Schaltungsanordnung in die Ventilträgereinheit
integriert oder mit ihr gemeinsam angeordnet. Damit wird der Vorteil
erreicht, dass für
alle Ventile innerhalb einer Ventileinheit die elektronische Schaltungsanordnung
entsprechend der Anzahl der Ventile mehrfach an der Ventileinheit vorhanden
ist, um jederzeit eine sichere Information über die Funktion aller vorhandenen
Ventile über
ein Bussystem oder einer parallelen Schnittstelle an die Steuerung
bzw. an die Auswerteeinheit zu senden.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
dargestellt. Es zeigt:
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1 Prinzipdarstellung der
Anordnung von Steuerung, elektronische Schaltungsanordnung und den
Ventilen, und
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2 Schaltbild der elektronischen
Schaltungsanordnung in doppelter Ausführung für die Diagnose eines Ventils.
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In 1 ist die elektronische
Schaltungsanordnung 1 in der Ventilträgereinheit 15 integriert,
wobei beispielhaft zwei Ventile 16 mit je zwei Magnetspulen 2, 2' an den elektronischen
Schaltungsanordnungen 1 zur Diagnose angeschlossen sind.
Dabei kommen entsprechend der Anzahl n der Ventile 16 auch
n doppelt ausgeführte
elektronische Schaltungsanordnungen 1 vor, um für jedes
Ventil 16 eine Diagnose erstellen zu können und den Funktionszustand über eine
Signalrückführung an
das Ansteuerungsmittel 3 zu melden.
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In 2 ist das Schaltbild der
elektronischen Schaltungsanordnung 1 in doppelter Ausführung für die Diagnose
eines Ventils 16 dargestellt. Dabei beide elektronischen
Schaltungsanordnungen über
eine NOR- Schaltverknüpfung
nur miteinander verknüpft. Das
Ansteuerungsmittel 3 stellt dabei ein Ansteuersignal zur
Verfügung,
welches die Diagnose des Ventils 16 einleitet. Bei einem
auf den Treiber 4, 4' wirkenden Ansteuersignal gibt
der Treiber 4, 4' eine Messspannung
in der Höhe
einer Grundspannung aus, wobei die Messspannung direkt an der Magnetspule 2, 2' anliegt. Eine über einen
ersten Pullup-Widerstand 6, 6' hergestellte
Kontaktierung einer Spannungsquelle mit einem der Grundspannung
entsprechenden Spannungssignal, hält die Messspannung auch dann
auf dem Grundspannungswert, wenn das Ansteuersignal nicht am Treiber 4, 4' anliegt und
der Treiber kein Messsignal ausgibt. Die Spannungsversorgung über den
ersten Pullup-Widerstand 6, 6' ist aufgrund seines hohen Wiederstandswertes
jedoch nicht lastfähig.
Die Diagnoseeinheit 5 umfasst das Komparatorelement 8, 8', den zweiten
Pullup-Widerstand 7 und eine EXOR-Schaltungsverknüpfung 11 und dient
der Erfassung und Weiterverarbeitung der Messspannung, um es nachfolgend
für eine
Steuerung bzw. ein Anzeigesystem erfassbar zu machen. Der zweite
Pullup-Widerstand 7, 7' ist Bestandteil der Diagnoseeinheit 5,
der verhindert, dass im Ruhezustand der elektronischen Schaltungsanordnung 1 am Ausgang
der Diagnoseeinheit 5 ein High-Level-Signal ausgegeben
wird.
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Das
Komparatorelement 8, 8' detektiert das Messsignal, was
einer Messspannung gegen Masse entspricht, wobei diese vom Komparatorelement 8, 8' mit einer Referenzspannung,
die einem geringen Prozentsatz der Grundspannung der Messspannung entspricht,
verglichen wird. In Abhängigkeit
davon, ob die Messspannung je nach Zustand der Magnetspule 2 größer oder
kleiner als die Referenzspannung ist, wird ein High-Level-Signal
vom Komparatorelement 8, 8' ausgegeben. Dieses High- Level-
Signal, was in seiner Höhe
dem Ansteuersignal entspricht, wird über einen Bypass 13 durch
eine EXOR Schaltungsverknüpfung 11, 11' verglichen.
Die Bestimmung des Zustandes einer Magnetspule 2 wird daher
sowohl mit als auch ohne eingeschaltetes Ansteuersignal des Ansteuerungsmittels 3 vorgenommen.
Dabei werden folgende Fälle
unterschieden: Bei eingeschaltetem Ansteuersignal, was dem High-Level-Signal
bzw. TTL-Signal entspricht, liegt über dem Bypass 13 das
als logischer Schaltzustand „1" zu verstehende Ansteuersignal
am ersten Eingang der EXOR Schaltverknüpfung 11, 11' an und der
Treiber 4, 4' gibt
die Grundspannung frei, an der die Magnetspule 2, 2', der erste
Pullup-Widerstand 6, 6' und der Eingang des Komparatorelements 8, 8' angeschlossen
sind. Bei einem Kurzschluss in der Magnetspule 2, 2' ist der Stromfluss über den
Kurzschluss so groß,
dass die Messspannung auf einen Wert absinkt, der unter der Referenzspannung
liegt. Damit gibt das Komparatorelement 8, 8' kein High-Level-Signal
aus, womit an der EXOR Schaltverknüpfung 11, 11' unterschiedliche
Signale an den Eingängen
anliegen und diese eine „1" ausgibt. Bei einer
funktionsfähigen
Magnetspule liegt die Messspannung über der Referenzspannung, womit
am Ausgang der EXOR Schaltverknüpfung 11, 11' eine „0" ausgegeben wird.
Bei ausgeschaltetem Ansteuersignal liegt am Eingang der EXOR Schaltverknüpfung 11, 11' ein „0" Wert an. Im Falle
einer elektrischen Unterbrechung in der Magnetspule 2, 2' hebt nun der
erste Pullup-Widerstand 6, 6' die Messspannung auf die Grundspannung,
womit am Eingang des Komparatorelements 8, 8' eine Messspannung
anliegt, die höher
ist als die Referenzspannung. Daher gibt das Komparatorelement 8, 8' ein High- Level-
Signal aus, welches wiederum zu unterschiedlichen Signalen am Eingang
der EXOR Schaltverknüpfung 11, 11' führt und
hiervon wiederum eine „1" ausgegeben wird.
Da die EXOR Schaltverknüpfung 11, 11' mit einer NOR
Schaltverknüpfung 12 verbunden
ist, invertiert diese das Ausgangssignal der EXOR Schaltverknüpfung 11, 11'. Bei zwei in
einem Ventil 16 vorhandenen Magnetspulen 2, 2' mit je einem
funktionsbereiten Zustand erhält
die NOR Schaltverknüpfung 12 an
beiden Eingängen
ein „0" Signal, was ausschließlich zu
einem „1"-Signal am Ausgang
der NOR-Schaltverknüpfung 12 führt. Dieses „1"-Signal entspricht einem
TTL-Standartsignal und wird nachfolgend über die Ansteuerung 3 an
ein fern vom Messort angeordnetes Anzeigemittel gesendet.
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- 1
- Elektronische
Schaltungsanordnung
- 2,
2'
- Magnetspule
- 3
- Ansteuerungsmittel
- 4,
4'
- Treiber
- 5
- Diagnoseeinheit
- 6,
6'
- Erster
Pullup-Widerstand
- 7,
7'
- Zweiter
Pullup-Widerstand
- 8,
8'
- Komparatorelement
- 9
- Digitale
Logikschaltungsanordnung
- 10,
10'
- Ausgang
- 11,
11'
- EXOR-
Schaltverknüpfung
- 12
- NOR-
Schaltverknüpfung
- 13
- Bypass
- 14
- Ansteuermittel
- 15
- Ventilträgereinheit
- 16
- Ventil