DE4430441C2 - Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern
Aus dem Buch von Michael Rose, Gebäudesystemtechnik in Wohn- und Zweckbau mit dem EIB, 1993, Hüthig Buch Verlag GmbH, Heidelberg, insbesondere Seiten 17 bis 19 und Seiten 68 bis 82, sind komplette elektronisch gesteuerte Systeme bekannt, die den Bedienkomfort für den Benutzer erhöhen. Durch eine elektronische Kopplung einzelner Komponenten können auch komplexere Funktionen ausgeführt werden. Spezielle Anbindungen, wie z. B. Fernschalten (TEMEX), werden ebenfalls ermöglicht. So bietet der Elektroinstallations-Bus (EIB) die Möglichkeit der Kopplung von Steuerungsmodulen verschiedener Herstellerfirmen. Mittels solcher Bussysteme werden einzelne Komponenten, wie z. B. spezielle Eingabemodule (Schalter), Empfänger für die Ein-/Ausschaltung von Leuchten, Rolladen oder Fenster und Heizung und Lüftung zu einer Gesamtanlage zusammengesetzt.
Ungeachtet aller Standards kommen auch spezielle Steuerungsanlagen für große Objekte, wie z. B. Hotels, Krankenhäuser, usw., zum Einsatz. Diese Anlagen bestehen in der Regel aus vielen einzelnen Komponenten; sie sind in Industrieschaltschränken eingebaut. Die Planung, Installation und Inbetriebnahme wird von speziell geschultem Personal durchgeführt.
Weiterhin ist es bekannt (Prospekt der Firma F. Wieland Elektrische Industrie GmbH, Bamberg: EIB Wieland Installations- Bus, Druckvermerk 0054.1 Mü 9.92), dezentral abhängig von der Schaltstellung eines Schaltelementes über eine Buskoppeleinrichtung einen Verbraucher zu schalten, der auch über den EIB-Bus ansteuerbar ist. Die Ansteuerung des Verbrauchers erfolgt dabei über eine Buskoppeleinrichtung.
Bekannte Systeme haben den Nachteil, daß bei einem Ausfall der datenverarbeitenden Elektronik oder der Datenübertragungsstrecke die Bedienung der Verbraucher nicht mehr gewährleistet ist. Der Betreiber ist nicht mehr in der Lage, selbst einfache Funktionen, wie "Licht Ein/Aus", auszuführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern zu schaffen, die im Störungsfall nicht gänzlich versagt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß nunmehr auch bei einem Ausfall der datenverarbeitenden Elektronik oder der Datenübertragungsstrecke eine Notbedienung der elektrischen Verbraucher gewährleistet ist. Die Projektierung und Inbetriebnahme einer Elektroinstallationsanlage mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht schwieriger als bei der herkömmlichen Realisierung mit konventionellen Bauteilen. Die Gebäudeinstallation wird gegenüber der konventionellen Installation vereinfacht und kann ohne spezielle Kenntnisse über die Steueranlage durchgeführt werden. Für den Anschluß der Modulträger reichen die Kenntnisse über die einfache Verdrahtung mit Relais aus.
Die erfindungsgemäße Anlage sieht eine Koppelmöglichkeit zu dem oben erwähnten EIB o.a. vor. Somit können die Vorteile mehrerer Systeme genutzt werden. Die Signale der Eingabemodule von Fremdsystemen können verarbeitet werden, so daß auch die erfindungsgemäßen Ein/Ausgabemodule angesteuert werden können. Auch sind bei nachträglichen Ergänzungen keine weiteren Bauteile in einem Verteilerschrank vorzusehen. Durch Modifizierung der Steuerungssoftware kann jede Änderung in der Installation schnell erfaßt und ohne Umbau berücksichtigt werden.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Untersprüchen enthalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf den Stand der Technik anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das grobe Blockschaltbild einer Gebäudeinstallation nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 das Blockschaltbild einer Gebäudeinstallation gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine Detailschaltung des in der Fig. 2 dargestellten Ein/Ausgabe-Moduls für einen einzigen Verbraucher und
Fig. 4 eine Detailschaltung des in der Fig. 2 dargestellten Ein/Ausgabe-Moduls für zwei Verbraucher.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt eine konventionelle Elektroinstallation zur Verteilung elektrischer Energie an Verbraucher, die über Schalter ein- bzw. ausgeschaltet werden. Dabei liegen parallel zu einem Nulleiter N (Klemme 1) und einer 230-Volt-Leitung L (Klemme 2) einzelne Reihenschaltungen, die jeweils aus Verbrauchern 3′, 3′′ bis 3 n und zugeordneten Schaltern 4′, 4′′ bis 4 n bestehen. Als Verbraucher kommen beispielsweise elektrische Beleuchtungseinrichtungen, Haushalts-, Heizungs-, Klimageräte, usw. in Betracht. Die Schalter 4 können von Hand betätigte Schalter sein oder auch gesteuerte Schaltelemente, die über ein Bus-System 5 von einem Zentralrechner 6 fernsteuerbar sind. Die Topologie des Bus-Systems ist so angelegt, daß die Bus-Leitung an jeden gesteuerten Schaltelement 4 entlanggeführt wird. Die auf der Bus-Leitung übertragenen Daten werden selektiv abgegriffen und zur Ableitung von Steuersignalen ausgewertet.
Wie eingangs dargelegt, weist diese bekannte Installationsstruktur den Nachteil auf, daß in einem Havariefall, wie dem Zusammenbruch der Betriebsspannungen für den Rechner oder die einzelnen datenverarbeitenden Schaltungskomponenten sowie Fehlern in der Hard/Soft-Ware des Rechners bzw. des Datenübertragungssystems, nicht einmal ein Notbetrieb möglich ist. Selbst eine Beleuchtungseinrichtung kann nicht mehr von Hand mit einem konventionellen Schalter ein- bzw. ausgeschaltet werden. Abhilfe schafft hier eine Gebäudeinstallation gemäß der Fig. 2.
In der Fig. 2 bezeichnet 7′ eine als Ein/Ausgabe-Modul bezeichnete Umschalteinrichtung, die einen Eingang mit einer Klemme 8′ für die 230-Volt-Leitung L und einer Klemme 9′ für den Nulleiter N aufweist. Ferner weist das Ein/Ausgabe-Modul 7′ einen Eingang mit Klemmen 10′ und 11′ auf, an die Leitungen zu dem Schalter 4′ angeschlossen sind. Darüber hinaus ist an dem Ein/Ausgabe-Modul 7′ ein Ausgang mit Klemmen 12′ und 13′ vorhanden, an denen Zuleitungen des Verbrauchers 3′ angeschlossen sind.
In entsprechender Weise sind weitere Ein/Ausgabe-Module 7′′, 7′′′, 7′′′′ bis 7 n mit der 230-Volt-Leitung L, dem Nulleiter N und den Schaltern 4′ bis 4 n sowie den Verbrauchern 3′ bis 3 n verbunden.
Die Steuerung der einzelnen Ein/Ausgabe-Module 7′ bis 7 n geschieht zweckmäßigerweise so, daß mehrere Ein/Ausgabe-Module zu Gruppen zusammengefaßt werden, wobei jede Gruppe von einer zugeordneten Steuerung Daten empfängt bzw. Daten an die zugeordnete Steuerung abgibt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Ein/Ausgabe- Module 7′ und 7′′ zu einer solchen Gruppe zusammengefaßt, die im Fernsteuer-Betrieb von der Steuerung 14′ signalmäßig bedient werden. In gleicher Weise werden Steuerdaten der Ein/Ausgabe- Module 7′′′ und 7′′′′ von/zu einer Steuerung 14′′ übertragen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Ein/Ausgabe-Module zu eine Gruppe zusammengefaßt werden.
Das Ausgangsdaten kennzeichnende Steuersignal des Ein/Ausgabe- Moduls 7′ gelangt über eine Klemme 15 zu einer Eingangsklemmen 17 der Steuerung 14′. In umgekehrter Richtung gelangt das Ausgangsdaten der Steuerung 14′ kennzeichnende Steuersignal von einer Ausgangsklemme 17′ über einer Leitung zu einer Eingangsklemme 18′ des Ein/Ausgabe-Moduls 7′. Weiterhin ist in der Fig. 2 zwischen den einzelnen Ein/Ausgabe-Modulen 7 und den zugeordneten Steuerungen 14 eine Leitung k1 angedeutet, die zur Ansteuerung eines Relais K1 vorgesehen ist.
Die einzelnen Steuerungen 14′, 14′′ bis 14 n enthalten im wesentlichen einen Single-Chip-Prozessor, der die von den Schaltern 4 abgeleiteten Schaltdaten der 230-Volt-Elektrik empfängt und-diese über einen seriellen Tooken Ring 19 zu eine Hauptprozessor 20 sendet. Der Hauptprozessor 20 verknüpft die empfangenen Daten gemäß eines anwenderspezifischen Programms und sendet schaltbefehle als Daten über den Tooken Ring 19 an die angeschlossenen Steuerungen 14 zurück. Die angesprochene Steuerung 14 ordnet die empfangenen Daten einem bestimmten Modul zu und leitet die Daten als Steuersignal dem Ein/Ausgabe- Modul zu. Zum Empfangen der auf dem Tooken-Ring 19 übertragene Daten weisen die einzelnen Steuerungen 14 standardisierte Interface-Bausteine 21′, 21′′ bis 21 n auf, deren Ein-und Ausgänge mit Ein- und Ausgängen des Single-Chip-Prozessors verbunden sind.
Der Hauptprozessor 20 kann mit einer Ein/Ausgabe-Einrichtung 22 verbunden sein, damit gegebenenfalls Programmänderungen vorgenommen können bzw. ein Protokoll über den Betrieb der Anlage ausgegeben werden kann. Weiterhin kann der Hauptprozessor 20 über Ein/Ausgabe-Leitungen 23 mit verschiedenen Sensoren, dem Fernschaltsystem TEMEX oder auch mit dem Elektroinstallations-Bus (EIB) verbunden sein. Anstelle des in der Fig. 2 angegebenen Tooken Ring 19 kann selbstverständlich auch ein anderer Datenbus verwendet werden, z. B. der Ethernet- oder Cheapernet-Bus.
Die Fig. 3 zeigt die ausführliche Schaltung eines in der Fig. 2 dargestellten Ein/Ausgabe-Moduls. In der gezeichneten Schalterstellung (Hav.) befindet sich das Modul in einem Havarie-Betrieb. Die an der Klemme 8 liegende Netzspannung (230-Volt-Leitung L) wird einmal über die Klemme 10 und den Schalter 4 zu der Klemme 11 geführt, weiterhin zu dem Umschaltkontakt 24 (k1) eines Relais 25 (K1), dessen Spule von der Steuerung 14 signalmäßig angesprochen wird. In der vollstrich gezeichneten Stellung (Hav.) des Umschaltkontaktes 24 liegen Spulenenden eines Relais 26 (K2) an der 230-Volt- Leitung L (Klemme 8) und dem Nulleiter N (Klemme 9). Außerdem ist die Klemme 8 über eine Leitung mit dem Umschaltkontakt 27 (k1) des Relais 25 verbunden. In der angegebenen Schalterstellung (Hav.) ist der Kontakt des Umschaltkontaktes 27 mit einem offenen Kontakt 28 (k2) des Relais 26 (K2) verbunden.
Parallel zur anderen Kontaktstellung (µP) des Umschaltkontaktes 27 und dem Kontakt 28 liegt der gesteuerte Kontakt 29 eines Relais 33, dessen Spule 30 von einem Schaltsignal beaufschlagt ist, das der in der Steuerung 14 befindliche Single-Chip- Prozessors erzeugt und über die Klemmen 17 und 18 dem Ein/Ausgabe-Modul 7 zuführt.
An einer gemeinsamen Verbindungsleitung der gesteuerten Relaiskontakte 28 und 29 ist über die Klemme 13 eine Leitung des Verbrauchers 3 angeschlossen. Die andere Leitung des Verbrauchers 3 liegt über die Klemmen 12 und 9 an dem Nulleiter N.
In dem als Umschalteinrichtung dienenden Ein/Ausgabe-Modul 7 ist ein Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandler 31 vorgesehen, dessen einer Eingang an der Klemme 9 und dessen anderer Eingang an dem offenen Kontakt (µP) des Umschaltkontaktes 24 liegt. In einem Fernsteuer-Betrieb (Schalterstellung µP) gibt der Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandler 31 ein TTL-Signal mit dem logischen Pegel "1" über die Klemmen 15 und 16 an den in der Steuerung 14 befindlichen Single-Chip-Prozessor ab, sofern der Schalter 4 geschlossen ist. Der Single-Chip-Prozessor kommuniziert über das Interface 21 und dem Tooken-Ring 19 mit dem Hauptprozessor 20. Der Single-Chip-Prozessor der Steuerung 14 steuert entweder direkt oder unter Zwischenschaltung eines (weiteren) Havariedetektors 32 das Relais 25 (K1) an.
Die Schaltung des Ein/Ausgabe-Moduls 7 weist folgende Wirkungsweise auf: In der gezeichneten Schalterstellung (Havarie-Betrieb) fließt bei geschlossenem Schalter 4 durch die Spule des Relais 26 (K2) ein Strom, so daß das Relais 26 anzieht und der bisher offene Kontakt 28 (k2) geschlossen wird. Dadurch wird der Verbraucher 3 an die Klemmen 8 und 9 gelegt und es kann ein Netzstrom durch den Verbraucher 3 fließen. Das Relais 25 (K1) ist als Halterelais ausgelegt. Bei fehlender Betriebsspannung des datenverarbeitenden Systems beziehungsweise detektierten Hard/Soft-Ware-Fehlern fallen die Umschaltkontakte 24 und 27 (k1) in die vollstrich gezeichnete Havariestellung (Hav.).
In einem Fernsteuer-Betrieb (Schalterstellung µP), in dem der Hauptprozessor 20 die Steuerung der Verbraucher übernimmt, befinden sich die Umschaltkontakte 24 und 27 (k1) in der gestrichelt gezeichneten Schalterstellung (µP). In dieser Betriebsart wird bei Tastung des Schalters 4 und entsprechender Wandlung durch den Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandler 31 ein TTL-Schaltsignal zu dem Single-Chip-Prozessor der Steuerung 14 übertragen. Der Single-Chip-Prozessor leitet die dem Pegel des TTL-Schaltsignals entsprechenden Daten zu dem Interface 21, das diese Daten dem Tooken-Ring 19 zuleitet, so daß die vorliegenden Daten zu dem Hauptprozessor 20 übertragen werden. In umgekehrter Richtung können von dem Hauptprozessor 20 abgegebene Schaltbefehle als Daten über den Tooken-Ring 19, dem Interface 21 und dem Single-Chip-Prozessor der Steuerung 14 über die Klemmen 17 und 18 zu der Relaisanordnung 33 gelangen, die über den gesteuerten Kontakt 29 den Verbraucher 3 an die Klemmen 8 und 9 schaltet.
Die Relaisanordnung 33 kann als Halbleiter-Relais ausgeführt sein. Der Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandler 31 sollte zur Potentialtrennung mit einem Optokoppler ausgestattet sein.
Anstelle der in den Schaltungen der Fig. 3 und 4 eingesetzten Halterelais (K1) können selbstverständlich auch Stromstoßschalter oder monostabile Relais benutzt werden.
In der Fig. 4 ist ein Ein/Ausgabe-Modul 7 dargestellt, welches beispielsweise einen Jalousie-Motors 3.1, 3.2 steuern kann, dessen Drehrichtung durch entsprechende Tastung der Schalter 4.1, 4.2 bestimmbar ist. Im wesentlichen entspricht die Schaltung der Fig. 4 der Schaltung der Fig. 3. Die einzelnen Schaltelemente sind doppelt ausgeführt. Die Schaltungsstruktur ist im Vergleich zu jener der Fig. 3 erhalten geblieben. Redundante Leitungen zu den Schaltern 4.1 und 4.2 sowie zu den Verbrauchern 3.1 und 3.2 können hier entfallen. Auch die Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 4 entspricht der Fig. 3, so daß eine ausführliche Erläuterung dieser Schaltung entfallen kann.
Die Anlage besteht aus wenigen verschiedenen Einzelteilen, wobei die Ein/Ausgabe-Module eine konventionelle Ansteuerung der Ausgänge für den Betrieb ohne Mikroprozessor-Kontrolle beinhalten. Eine Planung der Elektroinstallation ist sehr einfach, da die Module als zusammengesetzte konventionell arbeitende Bauteile betrachtet werden können.
Für den Betrieb der Vorrichtung ist eine spezielle Installation der Leitungen erforderlich. Im Gegensatz zu einer Standard-Installation, bei in jeden Raum des Gebäudes eine 230-Volt-Zuleitung gelegt wird, sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in jeden Raum getrennte Zuleitungen für die Verbraucher und Schaltelemente zu legen. Dieser zunächst erhöhte Aufwand hat aber den Vorteil, daß für die Beleuchtung und die restlichen Verbraucher getrennte Stromkreise geführt werden können, wodurch letzlich der Bedienkomfort der Elektroinstallation erhöht werden kann. Alle Steuerungselemente sind zentral als kombinierte Ein/Ausgabe- Module in einer Hauptverteilung untergebracht. Herkömmliche Etagenverteiler können eingespart werden. In größeren Gebäudekomplexen mit sehr weit entfernten Verbrauchern kann jedoch selbstverständlich auch eine Unterverteilung vorsehen werden, in der die angeschlossenen Verbraucher und Eingabemedien an die Module angeschlossen und über den Tooken Ring mit dem Hauptprozessor datenmäßig verbunden werden können.
Durch die höhere Anzahl an notwendigen Verbindungen zum Verteilerschrank wird die erfindungsgemäße Anlage auch gleichzeitig störsicherer. Im Fall eines Defektes gestaltet sich eine Fehlersuche sehr einfach, da aufgrund des strukturierten Modulkonzeptes ein defektes Modul gezielt ermittelt werden kann.
Daneben erhält man durch eine programmtechnische Unterstützung der Steuerung eine Elektroinstallationsanlage mit komfortablen Eigenschaften. So können mit einem einzigen konventionellen Schalter beispielsweise bis zu vier verschiedene Funktionen aufgeführt werden. Dabei wird unterschieden, ob ein Schaltelement ein-, zwei-, drei- oder einmal länger als drei Sekunden gedrückt wird. Ferner kann das Ein/Ausschalten von Verbrauchern auch zeitabhängig erfolgen, z. B. uhr- oder tageszeit-abhängig, helligkeits- oder witterungsabhängig. Außerdem können bei einem derartigen Installationskonzept die Verbraucher von verschiedenen Stellen getrennt eingeschaltet oder gemeinsam von einem Schalter wieder ausgeschaltet werden. Im Störungsfall ist jedoch gewährleistet, daß im Gebäude vorhandenen elektrischen Verbraucher auch noch von Hand ein- bzw. ausgeschaltet werden können. Lediglich die "komfortablen" Sonderfunktionen sind beim Ausfall der datenverarbeitenden Systemteile dann nicht mehr verfügbar.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern, enthaltend:
  • - mindestens eine zentral in einem Gebäude angeordnete fernsteuerbare Umschalteinrichtung (7) mit
  • - einem ersten Eingang (8, 9) zur Entgegennahme einer Netzspannung,
  • - einem zweiten Eingang (10, 11), welcher über erste Leitungen (1, 2) mit einem Schaltelement (4) verbunden ist,
  • - einem Steuereingang (18), welchem das Steuersignal einer Datenübertragungseinrichtung (14, 19, 20) zuleitbar ist,
  • - einem Ausgang (12, 13), an welchem über zweite Leitungen der elektrische Verbraucher (3) angeschlossen ist, und
  • - einem Steuerausgang (15) zur Abgabe eines Steuersignals an die Datenübertragungseinrichtung (14, 19, 20),
  • - bei welcher Umschalteinrichtung (7) in einem Havarie-Betrieb (Hav.) abhängig von der Schaltstellung des Schaltelements (4) der Ausgang (12, 13) über eine erste Schalteinrichtung (24, 26 bis 28) mit dem ersten Eingang (8, 9) verbindbar ist und
  • - bei welcher Umschalteinrichtung (7) in einem Fernsteuer- Betrieb (µP) ein von der Schaltstellung des Schaltelements (4) abgeleitetes Steuersignal an dem Steuerausgang (15) abgebbar ist und abhängig von einem am Steuereingang (18) liegenden Steuersignal den Ausgang (12, 13) über eine zweite Schalteinrichtung (33) mit dem ersten Eingang (8, 9) verbindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zentral angeordnete fernsteuerbare Umschalt­ einrichtungen (7′ bis 7 n) zu Gruppen zusammengefaßt sind und jeder Gruppe eine Steuereinrichtung (14′ bis 14 n) zugeordnet ist und daß die Steuereinrichtungen (14′ bis 14 n) über einen Datenbus (19) mit einem Rechner (20) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leitungen 230-Volt-Leitungen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenbus als Tooken-Ring (19) ausgeführt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Umschalteinrichtung (7) enthält:
  • - einen Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandler (31) mit zwei Eingangsanschlüssen und dem Ausgangsanschluß (15), wobei einer der Eingangsanschlüsse an einer ersten Klemme (9) des ersten Eingangs (8, 9) angeschlossen ist,
  • - ein erstes Schaltrelais (26) mit einem ersten Schaltkontakt (28),
  • - ein erstes Umschaltrelais (25) mit einem ersten und zweiten Umschaltkontakt (24, 27), bei welchem in einem Havarie-Betrieb (Hav.) ein Spulenende des ersten Schaltrelais (26) über den ersten Umschaltkontakt (24) und das Schaltelement (4) mit einer zweiten Klemme (8) des ersten Eingangs (8, 9) verbunden ist und das andere Spulenende an der anderen Klemme (9) des ersten Eingangs (8, 9) angeschlossen ist, wobei im Fernsteuer- Betrieb (µP) der erste Umschaltkontakt (24) mit dem anderen Eingangsanschluß des Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandlers (31) verbunden ist, wobei im Havarie-Betrieb (Hav.) der erste Schaltkontakt (28) mit dem zweiten Umschaltkontakt (27) in Reihe liegt, so daß die zweite Klemme (8) des ersten Eingangs (8, 9) mit einem ersten Anschluß des Verbrauchers (3) verbindbar ist, dessen zweiter Anschluß an der ersten Klemme (9) des ersten Eingangs liegt, und
  • - ein zweites Schaltrelais (30) mit einem zweiten Schaltkontakt (29), bei welchem eine Seite des zweiten Schaltkontaktes (29) an dem ersten Anschluß des Verbrauchers (3) angeschlossen ist und die andere Seite des zweiten Schaltkontaktes (29) im Fernsteuer-Betrieb (µP) an dem zweiten Umschaltkontakt (27) liegt, wobei die Spule des zweiten Relais (30) über dem Steuereingang (18) ansteuerbar ist.
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