DE4237828C2 - Einrichtung zur Störungserfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Störungserfas­ sung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Aufgrund der sich ständig verringernden verwendeten Ener­ giepegel bei informationsverarbeitenden Einrichtungen bei gleichzeitig engerer konstruktiver Integration von in ih­ rer Funktionalität ständig zunehmenden elektronischer Bau­ gruppen und einem Zuwachs von Störungskomponenten, die u. a. aus höheren Kurzschlußstromstärken und Oberwellenan­ teilen resultieren, ist die elektromagnetische Verträg­ lichkeit (EMV) einzelner Bauelemente bzw. Baugruppen sowie die Erfassung von möglichen Störungen zu einem wesentli­ chen Faktor bei komplexen elektronischen Anlagen geworden. Einrichtungen zur Störerfassung sind außerdem von Bedeu­ tung, um bei einem aufgetretenen Störungsfall nachträglich die Ursache für den Ausfall einer Baugruppe ermitteln zu können. Insbesondere ist es wichtig, eine Aussage zu er­ halten, ob als Ursache für den Störungszustand einer Bau­ gruppe eine von außen in das System gelangte Störbeein­ flussung in Betracht zu ziehen ist oder ob für den Störzu­ stand der Ausfall eines Bauelements der Baugruppe verant­ wortlich gemacht werden kann.

In der industriellen Automatisierungstechnik und auch bei Datenverarbeitungsanlagen sind leitungsgeführte, von lei­ tungsgebundenen und/oder leitungsungebundenen Störungen verursachte Störpegel eine der Hauptursachen für die Be­ einflussung der elektromagnetischen Verträglichkeit von elektronischen Steuer- und Regelbaugruppen bzw. das Aus­ fallen für die Betriebsführung wesentlicher Anlagenteile.

Leitungsgebundene Störungen werden in bekannter Weise da­ durch festgehalten, daß eine Sicherung anspricht und eine bleibende Leitungsunterbrechung bewirkt. Das Ansprechen der Sicherung bildet dabei gleichzeitig eine Störungsan­ zeige, verbunden mit einem Abschalten der entsprechend geschützten Baugruppe aus Sicherheitsgründen. Nach Beseitigung der Störungsursache wird dann die Sicherung ersetzt bzw. wiedereingeschaltet. Die Sicherung selbst gibt dabei indirekt Aufschluß über die Störungsursache.

Da Sicherungen gegen Überspannungen oder -ströme normaler­ weise mit einer Abschaltvorrichtung für die zu schützende Schaltung verbunden sind, geht die zu schützende Schaltung bei Ansprechen der Sicherung außer Betrieb - unabhängig davon, ob ein Schaden durch den Störungszustand eingetre­ ten ist oder nicht. Eine derartige Art der "Störungsre­ gistrierung" ist insoweit unzweckmäßig, als eine weitge­ hende Aufrechterhaltung des Betriebs bei solchen Störungen angestrebt wird, die nicht zu Ausfällen führen.

Ferner sind auch Registriergeräte für (ausschließlich lei­ tungsgebundene) Störungen bekannt, welche - insbesondere im Bereich der Elektrizitätsversorgungsunternehmen - auf Leitungen auftretende Störspitzen fortlaufend registrie­ ren, um bei eventuellen Ausfällen die Störungsursache ein­ grenzen zu können.

Wenn eine Einwirkung einer äußeren Störung auf die kom­ plexen elektronischen Schaltungen der Baugruppen eines Sy­ stems über die zu diesen Baugruppen führenden Leitungen erfolgt, wird der mit der Störung verbundene Ausfall häu­ fig zu einem Versicherungsfall. Ob dieses Störsignal aus dem Gerät selbst oder von außerhalb kam, ist aber bisher nachträglich nicht mehr feststellbar.

Insbesondere durch externe elektrostatische Entladungen oder Schaltvorgänge außerhalb des zu überwachenden Gerätes entstehen Störspannungen mit einem relativ breiten Spek­ trum, die leitungsgebunden übertragen werden. Eine solche Folge kurzer und steiler Impulse kann insbesondere in prozessorgesteuerten Abläufen zu Fehlfunktionen führen. Begrenzte Abhilfe schaffen zwar in der Regel Filter, deren Dämpfung dem Frequenzverlauf der Störspannung angepaßt ist. Bei prozessorgesteuerten Systemen können derartige Einflüsse jedoch nicht mit vollständiger Sicherheit ausge­ schlossen werden und durch äußere Störungen hervorgerufene Fehlsteuerungen können vielfach zu unvorhersehbaren Folge­ fehlern führen, deren Auswirkungen - einschließlich des so hervorgerufenen Schadens - im Einzelfall kaum abgeschätzt werden können.

Aus der DD 2 79 083 A1 ist eine Schaltungsanordnung be­ kannt, mit der eine Prüfung digitaler Baugruppen hinsicht­ lich ihrer elektromagnetischen Störfestigkeit vorgenommen werden kann. Hierbei wird der Takt- bzw. Setzeingang eines Flip-Flops, welches ein gleiches oder ähnliches Störver­ halten wie die Bauelemente der zu überprüfenden Baugruppe aufweisen soll, mit einer galvanisch abgegriffenen, infol­ ge elektromagnetischer Störbeeinflussung im Prüfling ent­ stehenden Störspannung beschaltet.

Der wesentliche Nachteil der vorstehend beschriebenen Lö­ sung besteht darin, daß die Reaktion des Flip-Flops auf mögliche Störimpulse gleichgesetzt wird mit der Störim­ puls-Verträglichkeit von digitalen Schaltungen beliebiger Struktur. Damit können Fehlein­ schätzungen verbunden sein, die zu erheblichen Geräteschäden führen können. Es kommt hinzu, daß die Störpotentiale über die räumliche Gerätediagonale abgegriffen werden, wodurch eine genauere Störungsanalyse wesentlich erschwert wird und daß die Ansprechempfindlichkeit der Schaltung zur Stö­ rungsregistrierung unterhalb einer zu einer Schädigung führenden Störpegels liegen muß, um eine Registrierung si­ cherzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der ein­ gangs genannten Gattung zu schaffen, die es bei leitungs­ geführten, von leitungsgebundenen und/oder leitungsunge­ bundenen Störungen hervorgerufenen Störsignalen ermög­ licht, nach einem aufgetretenen Störfall eine genaue Aus­ sage sowohl über die Amplitude des Störsignals als auch über dessen mögliche Ursache zu treffen.

Diese Aufgabe unterscheidet sich grundsätzlich beispiels­ weise von derjenigen, die einer aus der DD 2 79 083 A1 be­ kannten gattungsfremden Schaltungsanordnung zugrundeliegt, bei der Takt- oder Setzeingang eines Flipflops, welches gleiches oder ähnliches Störverhalten zeigen soll, wie die Bauelemente der zu prüfenden Baugruppe, mit der abgreif­ baren Störspannung beschaltet ist. Diese Schaltung dient nicht zur Diskriminierung einer im Betrieb auftretenden Störeinwirkung, sondern zur Überprüfung der elektromagne­ tischen Abschirmung des betreffenden Geräts, in dem ver­ sucht wird, durch Einbringung einer Störeinwirkung, deren Einwirkung auf eine Testbaugruppe festzustellen, um daraus dann Rückschlüsse auf das Verhalten anderer Baugruppen zu ziehen.

In der nachveröffentlichten DE 41 15 432 A1 wird eine gattungsgemäße Vorrichtung beschrieben, die jedoch nicht zur Erfassung leitungsgebundener Störungen vorgesehen ist und eine nachträgliche Fehleranalyse nur bedingt ermöglicht.

Die vorgenannte Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die über­ wiegende Anzahl von leitungsgebunden und leitungsungebun­ den vorhandenen Störungen, die die elektromagnetische Ver­ träglichkeit zwischen verschiedenen elektrischen oder elektronischen Baugruppen von Geräten beeinträchtigen, als Störpegel durch Leitungen auf die Baugruppen übertragen werden. Gleichermaßen ist zu beachten, daß für eine be­ weissichernde Störerfassung eine feste Zuordnung zwischen Einrichtung zur Störüberwachung und zu überwachender Bau­ gruppe von besonderem Vorteil ist. Damit ist sicherge­ stellt, daß auf den Ort und die Art der Störung jederzeit auch noch nachträglich geschlossen werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich auch erstmals eine Zuordnung zu dem Weg treffen, den eine Störung in Be­ zug auf die betreffende Schaltungsbaugruppe genommen hat.

Des weiteren ist von besonderer Bedeutung, daß eine er­ kannte und registrierte Störung nicht von der weiteren Si­ gnalverarbeitung durch die elektronische Schaltung der zu überwachenden Baugruppe nachträglich verändert wird. Da die Baugruppe mit großer Wahrscheinlichkeit durch die Stö­ rung in ihrer Arbeitsweise beeinträchtigt ist, würde mit großer Wahrscheinlichkeit auch die Störmeldung fehlerhaft behandelt werden, so daß deren Zuverlässigkeit in Frage gestellt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung erfolgt die Erfassung einer leitungsgebundenen Störung an einer Eingangsleitung der zu überwachenden elektronischen Baugruppe. Die Ankopplung der Einrichtung zur Störerfassung wird bei fester räumlicher Zuordnung zu der Baugruppe auf engstem Raum vorgenommen, um eine Ver­ fälschung des erfaßten Störpegels auf ein Minimum herabzu­ setzen. Die Verwendung einer Schwellwert-Schaltung sichert in vorteilhafter Weise eine Pegelüberwachung auf der Ein­ gangsleitung, so daß jede Störung, die zu einer Über­ schreitung des Logikpegels führt, erfaßt und lokal zuge­ ordnet werden kann.

Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Anschluß der Einrichtung zur Stö­ rerfassung mit der Eingangsleitung einer zu überwachenden Baugruppe durch eine nichtgalvanische Verbindung herge­ stellt. Eine kapazitive oder induktive Kopplung verhindert in günstiger Weise eine Verfälschung des normalen Logikpe­ gels und läßt darüberhinaus auch einen Betrieb an poten­ tialgetrennten Systemen zu.

Der dem Sensor/Speicher-Element erfindungsgemäß vorgeord­ nete Schwellwertgeber ist entsprechend einer günstigen Weiterbildung der Erfindung als Spannungsteiler ausgebil­ det. Das einstellbare bzw. vorprogrammierbare Teilungsver­ hältnis eines oder mehrerer, vorzugsweise parallelgeschal­ teter Spannungsteiler ermöglicht auf einfache Weise eine Realisierung unterschiedlicher, von den Störungen verur­ sachte Potentiale, die an entsprechende Ansprechempfind­ lichkeiten der den jeweiligen Spannungsteilern nachgeord­ neten, speicherfähigen Detektier-Einrichtungen, vorzugs­ weise bistabile Kippschaltungen, angepaßt sind. In Verbin­ dung mit einer zusätzlichen Auswerte-Einheit, z. B. Mikro­ rechner, in welche die von den Sensor/Speicher-Elementen detektierten Störungen eingespeist werden, sind somit un­ terschiedlich starke Störpegel vergleichbar und können möglichen Störfällen zugeordnet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung in schematisierter Darstellung,

Fig. 2 eine vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung im Blockschaltbild,

Fig. 3 eine günstige Weiterbildung der in Fig. 2 gezeig­ ten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Dar­ stellung,

Fig. 4 eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Er­ findung als Blockschaltbild,

Fig. 5 die perspektivische Darstellung einer erfindungs­ gemäß ausgerüsteten elektronischen Baugruppe,

Fig. 6 und 7 weitere vorteilhafte Ausführungen der Ein­ zelheit A gemäß Fig. 5 in schematisierter Darstellung so­ wie

Fig. 8 eine günstige Weiterbildung der Einzelheit A gemäß Fig. 5 in schematisierter Darstellung.

Die in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte Einrich­ tung zur Störerfassung 1 ist durch ein Koppelglied 3 mit einem Leitungszug 2 einer hinsichtlich von leitungsgebun­ den und/oder leitungsungebunden auftretenden Störungen zu überwachenden elektronischen Schaltung verbunden. Die durch die Ankopplung an die Leitung 2 auf einen Schwell­ wertgeber übertragenen, einer Störung entsprechenden Span­ nungswerte werden einem Sensor/Speicher-Element 5 zugelei­ tet und dort geeignet detektiert. Die Erfassung und Bewer­ tung von festgestellten Störungsereignissen erfolgt in vorteilhafter Weise rechnergestützt in einer, dem Sensor/Speicher-Element 5 nachgeschalteten Auswerte Einheit 6.

Die Wirkungsbeziehung zwischen dem Leitungszug 2 und der Einrichtung zur Störungserfassung 1 wird entsprechend des in Fig. 2 schematisiert dargestellten Schaltbilds durch eine kapazitive Koppelstelle 14 realisiert, wobei ein Ab­ schnitt des Leitungszuges 2 eine der Elektroden des Kon­ densators der Koppelstelle bildet. Der Schwellwertgeber (Position 4 in Fig. 1) ist als Spannungsteiler 12 ausge­ bildet, dessen Teilungsverhältnis der Ansprechschwelle am Setzeingang S der bistabilen Kippstufe 13 angepaßt ist. Die von der bistabilen Kippstufe 13, vorzugsweise Flip-Flop, detektierten und befristet gespeicherten Störungs­ zustände werden am Signalausgang Q der bistabilen Kippstu­ fe 13 durch die Auswerte-Einheit 6 erfaßt und weiterverar­ beitet (z. B. Bezug zu Vergleichswerten bekannter Störer­ eignisse und Registrierung der Störamplituden).

Fig. 3 zeigt eine günstige Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Einrichtung zur Störungserfassung 1. Der Schwellwertgeber (Position 4 in Fig. 1) besteht aus einer Mehrzahl von Spannungsteilern 12.1 bis 12.n, die jeweils ein voneinander verschiedenes Teilungsverhältnis besitzen. Jeder der Spannungsteiler 12.1 bis 12.n ist einer bistabi­ len Kippstufe 13.1 bis 13.n zugeordnet, deren Ansprechempfind­ lichkeit an das Teilungsverhältnis der jeweiligen Spannungsteiler angepaßt ist. Dadurch ist es in günstiger Weise möglich, an einer Stelle der zu überwachenden elek­ tronischen Baugruppe Störungen unterschiedlicher Stärke getrennt zu detektieren und auszuwerten. Je nach Schwere der Störungen kann dabei unterschieden werden zwischen

• - Überschreiten der Normforderungen nach IEC 801 und
• - Gefährdung der Daten- und/oder Betriebssicherheit.

Die Ankopplung 14 an einen der Leitungszüge 2 der elektro­ nischen Baugruppe erfolgt ebenfalls kapazitiv. Diese kapa­ zitive Ankopplung einer Einrichtung 1 zur Störungserfas­ sung kann an verschiedenen Punkten der elektronischen Bau­ gruppe gleichzeitig vorgenommen werden und ermöglicht zu­ gleich - bei geeigneter Dimensionierung der Kapazität des verwendeten Koppelkondensators - einen Betrieb an poten­ tialgetrennten Systemen.

Die in Fig. 4 als Schaltbild dargestellte Einrichtung zur Störungserfassung 1 besitzt eine induktive Koppelstelle 15 zur Ankopplung des Spannungsteilers 12. Die Kopplungs­ stelle 15 ist in günstiger Weise als Transformator ausge­ bildet, wobei die Leitung 2 die Primärwicklung des Trans­ formators bildet. Die Wirkungsweise der restlichen Schal­ tung entspricht den vorstehend gemachten Ausführungen.

Fig. 5 zeigt eine zu überwachende elektronische Baugruppe 7 mit der dazugehörigen Einrichtung 1 zur Störungserfas­ sung schematisch in perspektivischer Darstellung. Die Ein­ richtung 1 zur Störungserfassung ist auf der Leiterplatte 8 in unmittelbarer Nähe des Steckers 10 angeordnet. Die Einzelheit A erfaßt den Bereich der Koppelstelle, die sich direkt am Steckerpin 11 bzw. an dem dazugehörigen Lötauge 9 eines Leitungszuges, vorzugsweise einer Eingangsleitung der elektronischen Baugruppe 7 auf der Leiterplatte 8 be­ findet. Die die Elemente 3, 4, 5 der Einrichtung 1 bilden so bei engster räumlicher Zuordnung mit der elektronischen Baugruppe 7 eine bauliche Einheit.

Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen als Vergrößerung der Einzel­ heit A in Fig. 5 in schematisierter Darstellung verschie­ dene Ausführungsformen der Koppelstellen 14 und 15 der Einrichtung 1 zur Störungserfassung, bei deren Bildung in vorteilhafter Weise Abschnitt einer Leitung der zu überwa­ chenden elektronischen Baugruppe einbezogen wird. Fig. 6 zeigt eine kapazitive Koppelstelle 14, deren Kondensator aus einer, das Lötauge 9 des Steckerpins 11 ringförmig um­ schließenden Elektrode 16 und einer, aus dem Steckerpin 11 gebildeten Stabelektrode besteht. Der aus dem Stecker 10 herausgeführte Steckerpin 11 ist vorzugsweise mit einer Eingangsleitung der elektronischen Baugruppe verbunden.

Die Kapazität der Kopplungsstelle 14 kann in einfacher Weise auch aus zwei parallel und dicht nebeneinander ange­ ordneten Leitungszügen 17 gebildet werden, von denen einer einen Abschnitt der Eingangsleitung der elektronischen Baugruppe verkörpert, wie in Fig. 7 schematisiert darge­ stellt ist.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer induktiven An­ kopplung 15 der Einrichtung zur Störungserfassung 1 an ei­ ne Leitung der elektronischen Baugruppe. Die Koppelstelle 15 besteht aus einem Transformator, dessen Primärwicklung aus dem Steckerpin 11 gebildet wird. Die Störungsamplitu­ den werden durch Induktion auf die Sekundärwicklung 18 übertragen und können danach in der Einrichtung zur Stö­ rungserfassung 1, wie vorab erläutert, weiterverarbeitet werden. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen ist zwischen Steckerpin 11 und der ihn umgebenden Sekundärwicklung 18 eine (nicht dargestellte) Isolation vorgesehen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (15)

1. Einrichtung zur Störungserfassung für eine elektro­ nische Baugruppe und zum Festhalten einer, die Wirkungs­ weise der elektronischen Baugruppe beeinträchtigenden Störung zwecks nachträglicher Auswertung im Falle eines in dieser Baugruppe aufgetretenen Störzustandes, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung leitungsgebundener und/oder leitungs­ ungebundener elektrischer und/oder magnetischer Störungen

• - mindestens ein Sensor/Speicher-Element (5),
• - ein dem Sensor/Speicher-Element (5) vorgeschal­ teter Schwellwertgeber (4) und
• - ein Koppelglied (3)

vorgesehen sind, wobei das Koppelglied (3) eine Energieübertragung zwischen dem Eingang des Schwellwertgebers (4) und einem Abschnitt eines Leitungszuges (2) der elektronischen Baugruppe (7) bewirkt und daß die Elemente (3, 4, 5) in räumlicher Zuordnung mit der elektronischen Baugruppe (7) eine bauliche Einheit bilden.

2. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kop­ pelglied (3) als kapazitive Koppelstelle (14) ausgebildet ist.

3. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kop­ pelglied (3) als induktive Koppelstelle (15) ausgebildet ist.

4. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied (3) als Kondensator ausgebildet ist, wobei die erste Elektrode durch einen Abschnitt eines Leitungszugs (2) der elektronischen Schaltung (7) gebildet wird und die zweite Elektrode (16) die entsprechende Leitung (2) ring­ förmig umgibt.

5. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (17) des Kondensators im wesentlichen parallel zu dem Leitungszug (2) der elektronischen Baugruppe (7) verläuft.

6. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwellwertgeber (4) ein Spannungsteiler (12) vorgesehen ist.

7. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sen­ sor/Speicher-Element (5) eine bistabile Kippstufe (13) vorgesehen ist.

8. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertgeber (4) eine Mehrzahl parallelgeschalteter Spannungsteiler (12.1 bis 12.n) mit unterschiedlichem Teilerverhältnis aufweist.

9. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Spannungsteiler (12.1 bis 12.n) ein Sensor/Speicher-Ele­ ment (13.1 bis 13.n) mit einer dem Teilerverhältnis angepaßten Ansprechschwelle zugeordnet ist.

10. Einrichtung zur Störungserfassung nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang eines Sensor/Speicher-Elements (5) mit einer Auswerte-Einrichtung (6) verbunden ist.

11. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerte-Einrichtung (6) ein Mikrorechner vorgesehen ist.

12. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung durch einen Transformator erfolgt, dessen Primär­ wicklung durch einen Abschnitt des Leitungszugs (2) der elektronischen Baugruppe (7) gebildet wird und dessen Sekundärwicklung (18) mit dem Schwellwertgeber (4) verbun­ den ist.

13. Einrichtung zur Störungserfassung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (18) den Leitungszug (2) konzentrisch umschließt.

14. Einrichtung zur Störungserfassung nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Leitungszug (2) zur Ankopplung der Einrichtung zur Störerfassung (1) eine Ein- oder Ausgangsleitung der elektronischen Baugruppe (7) vorgese­ hen ist.