DE4213131C2 - Redundante Schalteranordnung - Google Patents
Redundante SchalteranordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine redundante Schalteranordnung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Redundante Schaltungsanordnungen sind allgemein bekannt. Dazu
sind Bauteile und deren Verbindungen mehrfach und parallel
angeordnet. Beim Ausfall eines parallelen Teilsystems fällt
nicht das gesamte System aus, sondern die Funktion wird von
dem oder den intakten, parallelen Teilsystemen übernommen
oder aufrechterhalten.
Bei einer aktiven Redundanz sind alle Bauteile bzw. Teil
systeme ständig in Betrieb. Bei passiver Redundanz wird ein
zuvor nicht benutztes Bauteil im Bedarfsfall beim Ausfall des
parallelen, zuvor benutzten Bauteils durch Umschalten in Be
trieb genommen und übernimmt die Funktion des ursprünglichen
Teils.
Eine bekannte, gattungsgemäße Schalteranordnung (DE 39 41 382
A1) zum Betrieb elektrischer Bauteile in einem Kraftfahrzeug
als redundante Schalteranordnung umfaßt zwei redundante, pa
rallele, elektrische Leitungen und mit je einem Schalter, be
stehend aus wenigstens einem Kontaktpaar in jeder der beiden
Leitungen und eine Abfrageeinheit zur Erkennung von Schaltzu
ständen.
Eine erste Ausführungsform dieser bekannten Schalteranordnung
betrifft eine Ansteuerung in der Art einer passiven Redun
danz, wobei bei einem erkannten Ausfall eines Schalters auf
den anderen Strompfad und den anderen Schalter umgeschaltet
wird.
Eine zweite Ausführungsform dieser bekannten Schalteranord
nung betrifft eine Ansteuerung in der Art einer aktiven Redun
danz. Dabei werden bei jedem Schaltvorgang die beiden paral
lel geschalteten Schaltelemente gleichzeitig durchgeschaltet
und ihre Funktionsfähigkeit mittels Strommessung überwacht.
Die Gleichzeitigkeit der Umschaltung ist bei dieser Ausfüh
rungsform mit aktiver Redundanz durch die gleichzeitige An
steuerung aus der Schaltelektronik sicher und eindeutig vorge
geben. Bei einem fehlerfreien Betrieb sind somit beide Schalt
elemente entweder offen oder geschlossen. Wenn unterschiedli
che Schaltzustände ermittelt werden, d. h. ein Schalter offen
ist und der andere geschlossen ist, bzw. der Stromdurchgang
durch die parallelen Leiter unterschiedlich ist, ist dies der
eindeutige Nachweis für einen Fehler.
Bei der Abfrage einer bestimmten Wegstellung durch zwei redun
dant angeordnete Weggeber bzw. Endschalter stellt sich das
Problem, daß ein undefinierter Zwischenzustand auftritt, bei
dem wegen zwangsläufiger Justiertoleranzen der eine Schalter
bereits geschaltet hat, der andere Schalter jedoch noch nicht
betätigt ist. Ein solcher Zwischenzustand mit unterschiedli
chen Schaltzuständen der redundanten Schalter würde in einer
nachgeschalteten gattungsgemäßen Diagnoseeinheit jeweils unzu
treffend als Schalterausfall eines Schalters diagnostiziert
werden. Eine solche Diagnose ist somit für die betriebsmäßig
ständig auftretenden Zwischenzustände falsch bzw. kann in die
sen Zwischenzuständen keine Diagnoseaussage getroffen werden.
Es ist zudem lediglich ein mehrpoliger, handbetätigbarer Kipp
schalter ohne Bezug zu einer redundanten Schaltungsanordnung
und insbesondere ohne Bezug zu einer redundanten Weggeberan
ordnung bekannt (DE 27 24 834 A1). Weiter ist eine spezielle
Ausführung einer Schalterbetätigung durch einen Weggeber be
kannt (DE-AS 12 27 545). Auch hier treten nicht zuordenbare
Zwischenzustände durch eine Schwimmersteuerung auf, die über
eine Magnetanordnung vermieden werden sollen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schalteranordnung mit akti
ver Redundanz mit einem Betätigungseingang über einen kontinu
ierlich verstellbaren Weggeber mit einfachen Mitteln eindeu
tig diagnosefähig auszuführen.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schalteranord
nung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ge
löst.
Gemäß Anspruch 1 weist die Schalteranordnung an einem Betäti
gungseingang einen kontinuierlich über eine bestimmte Strecke
betätigbaren Weggeber auf. Dem Weggeber ist ein einziges, me
chanisches Sprungglied zugeordnet, das vom Weggeber an wenig
stens einem bestimmten Wegpunkt als Schaltpunkt reversibel be
tätigbar ist. Dieser Schaltpunkt kann auch einstellbar ausge
führt sein.
Die Kontaktpaare in den beiden Leitungen sind gemeinsam durch
das einzige, mechanische Sprungglied betätigbar, so daß die
Schalter in den beiden redundanten Leitungen einen gemeinsam
betätigbaren Zweifach-Schalter bilden. Dem Zweifach-Schalter
ist eine Abfrageeinheit mit einer Fehlererkennungseinrichtung
nachgeschaltet, die die elektrischen Schaltzustände der Kon
taktpaare zu Diagnosezwecken abfragt. Beispielsweise wird bei
ungleichen elektrischen Schaltzuständen, das heißt, bei
logisch 0 und logisch 1 an den redundanten Kontaktpaaren ein
Fehlersignal ausgegeben. Bei einer kreuzweisen Schaltung tre
ten betriebsmäßig richtig ungleiche, elektrische Schaltzustän
de, das heißt logisch 0 und logisch 1, an den redundanten Kon
taktpaaren auf, so daß bei einem Fehler gleiche elektrische
Schaltzustände diagnostiziert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Schalteranordnung wird vorteilhaft
erreicht, daß durch die gemeinsame Betätigung mit nur einem
einzigen mechanischen Sprungglied beide redundanten Kontakt
paare mechanisch gleichzeitig durch einen kontinuierlich ver
stellbaren Weggeber umgeschaltet werden. Damit sind undefi
nierbare Zwischenzustände ausgeschlossen, wie sie bei zwei
separat betätigbaren Schaltern mit zwei Sprunggliedern und
einer gemeinsamen Auslösung durch mechanische Justiertoleran
zen auftreten können, ausgeschlossen. Da diese undefinierten
Zwischenzustände mit unterschiedlichen Schaltstellungen der
redundanten Kontaktpaare nicht auftreten, ist eine sichere
und eindeutige Diagnose der ordnungsgemäßen Funktion der Kon
taktpaare möglich.
Dazu wird vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Schal
teranordnung mit nur einer mechanischen Betätigungseinrich
tung bzw. nur einem mechanischen Sprungglied benötigt. Wenn
nun einer der Kontakte beschädigt ist, beispielsweise kleben
bleibt oder durch Korrosion keinen elektrischen Durchgang
mehr aufweist, treten elektrisch ungleiche Schaltzustände
(bei kreuzweiser Schaltung elektrisch gleiche Schaltzustände)
an den redundanten Kontaktpaaren auf. Diese Ungleichheit der
Schaltzustände kann relativ einfach und kostengünstig mit
einer elektrischen Überprüfung durch den Vergleich der Signal
führung der den redundanten Kontaktpaaren nachgeschalteten
Leitungen ermittelt werden.
Die Abfrageeinheit zur Ermittlung der elektrischen Schaltzu
stände der Kontaktpaare kann in einer bevorzugten Ausführungs
form ständig aktiviert sein. Je nach Gegebenheiten kann es je
doch auch ausreichend sein, diese Abfrageeinheit nur zusammen
mit einem Schaltvorgang für kurze Zeit zu aktivieren, da Feh
ler meist bei Schaltvorgängen auftreten.
In einer Ausführungsform nach Anspruch 2 wird der Weggeber
unmittelbar mit einer mechanischen Linearbewegung oder einer
Drehbewegung beaufschlagt. Beispielsweise kann der Einfeder
weg über einen Zeiger an einem Torsionsstab bestimmt werden,
wobei der Zeiger beim Einfedern verdreht wird und den konti
nuierlichen Weg als Weggeber vorgibt.
In einer allgemeineren Ausführungsform nach Anspruch 3 kann
der Weggeber ein Meßumformer für eine nichtmechanische, physi
kalische Größe sein, die durch ein Umformelement in eine Weg
größe in an sich bekannter Weise umgesetzt wird. Beispielswei
se wird hier ein Meßumformer für eine Temperaturgröße in der
Form eines allgemein bekannten Temperatur-Ausdehnungselements
oder eines Bimetallelements, angegeben.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 ist eine vorteilhafte Aus
bildung eines mechanischen Sprunggliedes aus einer Anordnung
aus Kipphebel, Totpunktfeder und Schwenkplatte angegeben, wo
bei auf der Schwenkplatte elektrisch getrennt zwei Kontakte
bzw. Leitungen angebracht sind, die den redundanten beiden
Leitungen zugeordnet sind.
In einer einfachen, kostengünstigen Ausführungsform wird
üblicherweise das Sprungglied direkt die redundanten Kontakt
paare mechanisch betätigen. Je nach den Gegebenheiten kann es
aber auch zweckmäßig und vorteilhaft sein, die Stellung des
Sprungglieds durch einen berührungslos arbeitenden Sensor,
wie beispielsweise einen an sich bekannten magnetischen oder
optischen Sensor, abzutasten und das Sensorsignal als Schalt
signal (über eine nachgeordnete Schalteinheit) für die redun
danten Kontaktpaare zu verwenden.
Zweckmäßig werden nach Anspruch 6 der Weggeber, die Kontakt
paare und das gemeinsame mechanische Sprungglied und ggfs.
ein Sensor in einem gemeinsamen Schaltergehäuse unterge
bracht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfin
dung wird anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Seitenansicht einer redundanten Schalteranordnung
und
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Schnitt entlang der Linie
A-A mit zwei redundanten, elektrischen Leitungen und
angeschlossenen, elektrischen Bauteilen in schemati
scher Blockbilddarstellung.
In den Fig. 1 und 2 ist eine redundante Schalteranordnung 1
dargestellt mit zwei redundanten, parallelen, elektrischen
Leitungen 2, 3. In jeder der beiden Leitungen 2, 3 ist ein
Schalter 4, 5 angeordnet, mit dem die Leitungen 2, 3 parallel
und gleichzeitig unterbrochen oder verbunden werden können.
Die redundaten Leitungen 2, 3 verbinden (schematisch darge
stellte) redundante, gleiche und parallel betriebene, elektri
sche Bauteile 6 und 7 bzw. 8 und 9.
Die Einzelschalter 4, 5, die den redundanten Leitungen 2, 3
zugeordnet sind, sind zu einem gemeinsam schaltbaren Zwei
fach-Schalter 10 in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefaßt,
mit einer gemeinsamen Schaltplatte 11, an die ein Kipphebel
mit einer integrierten Totpunktfeder 12 angeformt ist.
Die Schaltplatte 11 ist durch einen kontinuierlich mit einer
Stellgröße (schematisch als Doppelpfeil 19 dargestellt) beauf
schlagbaren Weggeber 20 betätigbar. Der Weggeber besteht hier
(schematisch) aus einer Schubstange mit Nasen 21, 22, die die
Umschaltpunkte an der Wegstrecke bestimmen.
Die Totpunktfeder 12 liegt mit einem Druckstück 13 an einer
Schwenkplatte 14 an, auf der zwei elektrisch getrennte Kon
taktstreifen 15, 16 angebracht sind.
In Fig. 1 ist der Zweifach-Schalter 10 in der Stellung ge
zeichnet, in der durch die Kontaktstreifen 15, 16 die redun
danten Leitungen 2, 3 verbunden sind. Bei einer Betätigung
der Schaltplatte 11 (durch den Weggeber 20) in die andere
Richtung wird auch die Schwenkplatte 14 in die andere Rich
tung gekippt, so daß dann die redundanten Leitungen 2, 3 bzw.
die Verbindung zwischen den elektrischen Bauteilen 6 und 7
bzw. 8 und 9 abgeschaltet sind.
Wenn mit der mechanischen Umschaltung bei ordnungsgemäßer
Schaltfunktion des Zweifach-Schalters 10 die Schaltzustände
der beiden Einzelschalter 4, 5 geändert wurden, liegen diese
elektrischen Schaltzustände entweder beide auf logisch 0 oder
beide auf logisch 1. Wenn dagegen nur noch einer der redundan
ten Schalter 4, 5 ordnungsgemäß schaltet, treten ungleiche,
elektrische Schaltzustände auf, so daß einer der redundanten
Schalter 4, 5 den Schaltzustand logisch 0 und der andere den
Schaltzustand logisch 1 aufweist. Diese Schaltzustände werden
über eine Abfrageeinheit 17 mit einer Fehlererkennungseinrich
tung ermittelt.
Die Abfrageeinheit ist schematisch in Fig. 2 dargestellt und
an die dem Zweifach-Schalter 10 nachgeschalteten Leitungstei
le 2, 3 angeschlossen. Wenn in beiden Leitungsteilen 2, 3 die
gleichen Leitungssignale auftreten, wird in der Abfrageein
heit 17 darauf geschlossen, daß beide Schalter 4, 5 die glei
chen elektrischen Schaltzustände eingenommen haben und damit
fehlerfrei schalten. Bei ungleichen Leitungssignalen wird ein
Fehler im Zweifach-Schalter 10 diagnostiziert und von der Ab
frageeinheit 17 ein Fehlersignal 18 abgegeben, das ggfs. ange
zeigt oder einer weiteren Diagnoseeinrichtung zugeführt wer
den kann.
Claims (6)
1. Redundante Schalteranordnung
mit zwei redundanten, parallelen, elektrischen Leitungen (2, 3),
mit je einem Schalter (4, 5), bestehend aus wenigstens einem Kontaktpaar in jeder der beiden Leitungen (2, 3), und
mit einer Abfrageeinheit (17) zur Erkennung von Schaltzu ständen,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Betätigungseingang ein kontinuierlich über eine be stimmte Strecke betätigbarer Weggeber (20) angeordnet ist,
daß dem Weggeber (20) ein einziges, mechanisches Sprung glied (Schaltplatte 11, Totpunkt 12, Schwenkplatte 14) zugeordnet ist, das vom Weggeber (20) an wenigstens einem bestimmten Wegpunkt (Nasen 21, 22) reversibel betätigbar ist,
daß die Kontaktpaare (Kontaktstreifen 15, 16 und Kontakte an den Leitungen 2, 3) in den beiden Leitungen (2, 3) gemeinsam durch das einzige, mechanische Sprungglied (Schwenkplatte 11, Totpunktfeder 12, Schwenkplatte 14) betätigbar sind, so daß die Schalter (4, 5) in den beiden redundanten Leitungen (2, 3) einen gemeinsam betätigbaren Zweifach-Schalter (10) bilden, und
daß dem Zweifach-Schalter (10) die Abfrageeinheit (17) mit einer Fehlererkennungseinrichtung nachgeschaltet ist, die die elektrischen Schaltzustände der Kontaktpaare abfragt.
mit zwei redundanten, parallelen, elektrischen Leitungen (2, 3),
mit je einem Schalter (4, 5), bestehend aus wenigstens einem Kontaktpaar in jeder der beiden Leitungen (2, 3), und
mit einer Abfrageeinheit (17) zur Erkennung von Schaltzu ständen,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Betätigungseingang ein kontinuierlich über eine be stimmte Strecke betätigbarer Weggeber (20) angeordnet ist,
daß dem Weggeber (20) ein einziges, mechanisches Sprung glied (Schaltplatte 11, Totpunkt 12, Schwenkplatte 14) zugeordnet ist, das vom Weggeber (20) an wenigstens einem bestimmten Wegpunkt (Nasen 21, 22) reversibel betätigbar ist,
daß die Kontaktpaare (Kontaktstreifen 15, 16 und Kontakte an den Leitungen 2, 3) in den beiden Leitungen (2, 3) gemeinsam durch das einzige, mechanische Sprungglied (Schwenkplatte 11, Totpunktfeder 12, Schwenkplatte 14) betätigbar sind, so daß die Schalter (4, 5) in den beiden redundanten Leitungen (2, 3) einen gemeinsam betätigbaren Zweifach-Schalter (10) bilden, und
daß dem Zweifach-Schalter (10) die Abfrageeinheit (17) mit einer Fehlererkennungseinrichtung nachgeschaltet ist, die die elektrischen Schaltzustände der Kontaktpaare abfragt.
2. Redundante Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Weggeber unmittelbar mit einer mecha
nischen Linearbewegung oder Drehbewegung beaufschlagbar
ist.
3. Redundante Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Weggeber ein Meßumformer für eine
nichtmechanische, physikalische Größe, wie z. B. ein Tempe
ratur-Ausdehnungselement oder Bimetallelement, ist.
4. Redundante Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisches Sprung
glied eine Anordnung aus Kipphebel (Schaltplatte 11), Tot
punktfeder (12) und Schwenkplatte (14) vorgesehen ist und
auf der Schwenkplatte (14) elektrisch getrennt zwei Kon
takte bzw. Leitungen (Kontaktstreifen 15, 16) angebracht
sind, die den redundanten beiden Leitungen (2, 3) zugeord
net sind.
5. Redundante Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung des Sprung
glieds von einem Sensor berührungslos ermittelt wird und
entsprechend dieser Stellung die Schalter (4, 5) geschal
tet werden.
6. Redundante Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweifach-Schalter
(10), das heißt die Schalter (4, 5) sowie der Weggeber
(20) und das gemeinsame mechanische Sprungglied und ggfs.
ein berührungslos arbeitender Sensor in einem gemeinsamen
Gehäuse untergebracht sind.
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