DE19800275C2 - Detektionsanordnung für eine Schalteinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektionsanordnung für eine Schalt­ einrichtung mit dem in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 oder 2 angegebenen Merkmalen.

Die Erkennung von Schalterzuständen von Relaiskontakten, Schlüs­ selschaltern, Weichenlagekontakten o. ä. wird in bekannter Tech­ nik durch eine antivalente Detektion mit einer Gleichspannung erreicht, die beispielsweise an einen Kontakt eines Wechsel­ schalters angelegt wird. Die beiden Ausgangskontakte des Wech­ selschalters sind über einen Optokoppler mit Eingängen eines Mikroprozessors verbunden, der als Auswertungseinrichtung fun­ giert. Je nach Schalterzustand sollte von einem der beiden Aus­ gangskontakte ein Stromflußsignal über den Optokoppler auf den Mikroprozessor übertragen werden. Unabhängig von dem Schalter­ zustand sind die Optokoppler mit einer weiteren Prüf-Gleich­ spannung versorgbar, wobei beide Pole der Spannungsquelle mit Ein-Aus-Schaltern anschaltbar und abschaltbar sind. Das bekannte Verfahren erfordert zur Funktionsüberwachung der beteiligten Komponenten eine zyklische Überprüfung der Schaltfähigkeit die­ ser Komponenten bis hin zum Mikroprozessor. Es erlaubt nur sehr bedingt die Feststellung von Fehlerkomponenten der Schaltein­ richtung, die über einen Fehler des Schalters selbst hinausge­ hen. Unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten ist daher die bekannte Schalterzustandsüberprüfung verbesserungsbedürftig.

Eine Detektionsanordnung der eingangs erwähnten Art ist durch DE 41 37 204 A1 bekannt. Zur Überwachung von als Ein- und Aus- Schalter für Verbraucher fungierenden Wechselstromschaltern wird am verbraucherseitigen Ende des Schalters ein Signal als Ist- Signal abgenommen. In einer Abfrageeinheit wird in Abhängigkeit von der als Referenzsignal zugeführten Phase der Netzspannung der jeweilige Zeitpunkt der Wechselspannung bestimmt, zu dem Ist-Informationen erfaßt und zur Auswerteeinheit weitergeleitet werden. Die Ist-Information wird vorzugsweise in mehreren Peri­ oden der betreffenden Halbwelle der Wechselspannung erfaßt. Nur eine Mehrheit der jeweils erfaßten Informationen werden als ge­ filterte Ist-Information verwendet, um kurzzeitige Störungen im Wechselspannungsdetektor weitgehend unterdrücken zu können. In der Auswerteeinheit wird die gefilterte Ist-Information mit der durch den aktuellen Zustand einer überwachten anlagebedingten Sollinformation verglichen. Die Sollinformation enthält für je­ den überwachten Wechselstromschalter einen Sollzustand, nämlich offen oder geschlossen. Durch den Vergleich dieser Sollinforma­ tion mit der gefilterten Ist-Information wird ein Schalterzu­ standssignal gebildet, das als digitales Signal die Aussage "Fehler oder kein Fehler" enthält. Für die Feststellung, ob ein Fehler vorliegt oder nicht, können Toleranzgrenzwerte der Ampli­ tude bezüglich des Nennwertes der Netzspannung und bezüglich der Nennfrequenz der Netzspannung berücksichtigt werden. Die be­ kannte Detektionsanordnung ermöglicht somit nur die Überwachung von einpoligen Schaltern und lediglich die Aussage, ob ein Feh­ ler vorliegt oder nicht.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Problemstellung zugrunde, eine verbesserte Detektionseinrichtung der eingangs erwähnten Art zu erstellen, wobei die Verbesserung in der Erzielung zu­ sätzlicher Informationen über die Art eines Fehlers oder in der Überwachung mehrerer Kontakte eines Umschalters liegen kann.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß eine Detektionsanordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswertungseinrichtung zur Durchführung des Vergleichs zwischen Detektionssignal und Referenzsignal in Am­ plitude, Frequenz und Phase eingerichtet ist.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Kurvenvergleich der Detektions­ spannung und der Referenzspannung in Amplitude, Frequenz und Phase der Wechselspannungssignale bietet den Vorteil, daß neben der Erkennung des Schaltzustandes Fehler der Schalteinrichtung erkannt werden können. So ist es möglich, durch eine Feststel­ lung von Amplitudenänderungen Kurz- bzw. Nebenschlüsse, überla­ gerte Gleich- oder Wechselfremdspannungen oder defekte nieder­ ohmige Eingänge zu detektieren.

Frequenzänderungen können auf einen dominanten Einfall von Fremdwechselspannungen anderer Frequenz hinweisen.

Phasenverschiebungen können durch schädliche Induktivitäten bzw. Kapazitäten der Schalteinrichtung verursacht sein.

Ausgehend von der oben erwähnten Problemstellung ist erfindungs­ gemäß eine Detektionsanordnung der eingangs erwähnten Art in einem anderen Aspekt der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an zwei Anschlüsse eines Wechselschalters zwei Wechselspannungs­ quellen für verschiedene Wechselspannungssignale anschließbar sind und daß der Auswertungseinrichtung wenigstens ein Ausgangs­ signal der Wechselspannungsquelle als Referenzsignal zuführbar ist.

Dadurch lassen sich mehrpolige Schalteinrichtungen unproblema­ tisch überprüfen, wobei sich die verwendeten Wechselspannungen durch Ihre Frequenz, Amplitude und/oder Phasenlage unterscheiden können. Dabei können die verschiedenen Wechselspannungen aus dem Ausgangssignal desselben Wechselspannungsgenerators abgeleitet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das De­ tektionssignal dem Eingang der Auswertungseinrichtung über einen Schwellenwertschalter zuführbar. Hierdurch wird das Detektions­ signal ein wohldefiniertes Rechtecksignal, dessen Pulsbreite und Pulslage von der Amplitude und der Phase des beispielsweise si­ nusförmigen Detektionssignals abhängt.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung werden die Detektionssignale über einen Optokoppler auf die Auswertungs­ einrichtung geleitet.

Die Frequenz des Ausgangssignals der Wechselspannungsquelle liegt vorzugsweise zwischen 1 und 15 Hz. Dadurch wird erreicht, daß ein Fehler innerhalb einer maximalen Zeitspanne von 1 s er­ kannt wird. Hieraus ergibt sich eine untere Frequenzgrenze von 1 Hz. Die obere Frequenzgrenze wird beispielsweise für motorge­ triebene Weichen durch die induktiven Widerstände der Motorwick­ lungen bestimmt. Ein praktikabler Wert ist 30% der Netzfre­ quenz. Um Überlagerungen mit Fremdwechselspannungen, die in den Anlagen anzutreffen sind (insbesondere 50 Hz als Netzfrequenz) schnell zu erkennen, sollte die verwendete Wechselspannungsfre­ quenz kein ganzzahliger Teiler von 50 Hz sein. Demzufolge soll­ ten die Wechselspannungen zwischen 1 und 15 Hz liegen. Die Am­ plituden liegen vorzugsweise im Kleinspannungsbereich, um eine Gefährdung auszuschließen und Isolationsmaßnahmen zu reduzieren. Praktikabel erscheint ein Spannungswert von 24 Vss (Spitzenspan­ nung).

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zei­ gen:

Fig. 1 - ein Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungs­ beispiels einer erfindungsgemäßen Detektionsan­ ordnung,

Fig. 2 - zwei Darstellungen von Signalverläufen der Schal­ tung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 - ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Detektionsanordnung für einen Wechsel­ schalter,

Fig. 4 - vier Darstellungen von Signalverläufen in der Anordnung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 - eine Prinzipschaltung eines dritten Ausführungs­ beispiels einer erfindungsgemäßen Detektionsan­ ordnung, die für die Erkennung einer Weichenanla­ ge in Vierdrahtschaltung geeignet ist.

In Fig. 1 ist ein Schalter S1 als einpoliger Ein-Aus-Schalter dargestellt. An ein erstes Ende des Schalters S1 ist eine Wech­ selspannungsquelle G1 für ein Wechselspannungssignal Φ1 ange­ schlossen, die vorzugsweise eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt. An den Ausgangskontakt des Schalters S1 ist eine Leuchtdiode eines Optokopplers OK1 angeschlossen. Der Optokopp­ ler OK1 bewirkt eine Übertragung des in der Leuchtdiode gebilde­ ten Detektionssignals in eine Auswertungseinrichtung µP mit ei­ ner galvanischen Trennung. Zwischen dem Optokoppler OK1 und der Auswertungseinrichtung µP ist ein Schwellenwertschalter SS ein­ gesetzt, der ein Ausgangssignal logisch "1" produziert, wenn die Eingangssignalamplitude einen Schwellenwert U_S überschreitet und im übrigen ein Ausgangssignal logisch "0" auf die Auswertungs­ einrichtung µP leitet. Es entsteht somit ein digitales Signal mit einem festgelegten Logikpegel, das in der Auswertungsein­ richtung µP mit einem aus dem Ausgangssignal der Wechselspan­ nungsquelle G1 abgeleiteten Referenzsignal, das einem anderen Eingang der Auswertungseinrichtung µP zugeleitet wird, vergli­ chen wird.

Fig. 2 läßt die Signalverläufe für das sinusförmige Ausgangs­ signal der Wechselspannungsquelle G1 und der durch die Schalt­ schwelle U_S des Schwellenwertschalters SS resultierenden digi­ talen Signalverlauf erkennen.

Amplitudenänderungen des Detektionssignals führen demgemäß zu einer Änderung der Pulsbreite des gebildeten digitalen Signals am Ausgang des Schwellenwertschalters SS.

Frequenzänderungen, die auf eine Variation in der Wechselspan­ nungsquelle zurückzuführen sind, sind durch den Vergleich zwi­ schen Detektionssignal und Referenzsignal nicht zu ermitteln, können aber durch Vergleich mit einem internen Takt der üblicherweise durch einen Mikroprozessor gebildeten Auswertungs­ einrichtung µP ermittelt werden.

Phasenänderungen, die durch Induktivitäten bzw. Kapazitäten der den Schalter S1 beinhaltenden Schalteinrichtung auftreten kön­ nen, können durch Vergleich mit dem Referenzsignal Φ1 festge­ stellt werden.

Veränderungen der Bauteile, die eine Veränderung der Schalt­ schwelle des Schwellwertschalters SS bewirken, machen sich als verändertes Pulsverhältnis im Ausgangssignal des Schwellwert­ schalters SS bemerkbar.

Einfachfehler, die eine der o. a. Veränderungen herbeiführen, werden innerhalb einer Periode des Wechselspannungssignals Φ1 erkannt. Mehrfachfehler, die sich gegenseitig kompensieren und die gleichzeitig auftreten, können nicht erkannt werden. Derar­ tige Mehrfachfehler behindern allerdings zunächst die Funktion der Schalteinrichtung nicht und stellen dadurch keine Gefahr dar.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die De­ tektion an einem Schalter S2, der als Wechselschalter ausgebil­ det ist.

Auf die beiden Wechselkontakte des Wechselschalters werden zwei Wechselspannungen von Wechselspannungsquellen G1, G2 geleitet, so daß der eine Schaltzustand des Schalters S2 durch Detektion der ersten Wechselspannung Φ1 und der andere Schaltzustand des Schalters S2 durch Detektion der zweiten Wechselspannung Φ2 mit­ tels des Optokopplers OK1 und des Schwellwertschalters SS mög­ lich ist. Die beiden Wechselspannungsquellen G1, G2 werden dabei zweckmäßigerweise von demselben Wechselspannungsgenerator ge­ speist, wenn beispielsweise die beiden Wechselspannungen Φ1, Φ2 lediglich zueinander phasenverschoben sind.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden beide Wechsel­ spannungen Φ1 und Φ2 als Referenzsignale zwei entsprechenden Eingängen der Auswertungseinrichtung µP zugeleitet.

Fig. 4 zeigt die beiden um 180° phasenverschobenen, frequenz­ gleichen Wechselspannungssignale Φ1 und Φ2 und zur Auswertung durch den Schwellwertschalter SS herausgebildeten Logiksignale. Neben der Detektion der o. g. Fehler für den einphasigen Schalter S1 kann noch ein Kurz- oder Nebenschluß zwischen den die Signale Φ1 und Φ2 tragenden Leitungen auftreten. Dieser Fehler verändert die Amplitude von Φ1 und/oder Φ2. Ein derartiger Kurz- oder Ne­ benschluß kann durch eine Adernberührung, durch eine Andernun­ terbrechung der Massen oder eine erhöhte Belastung durch defekte Eingänge auftreten.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Detektion an einem Schalter S3, der eine Weiche in einer Vierdrahtschaltung ist. Zwei Anschlüssen werden die Wechselspannungen Φ1 und Φ2 zugelei­ tet, die an zugeordneten Ausgangsanschlüssen abnehmbar und über die Optokoppler OK1 und OK2 und die Schwellenwertschalter SS1 bzw. SS2 den Auswertungseinrichtungen µP1 bzw. µP2 zugeleitet werden.

Die jeweilige Lage der Weiche ergibt sich aus der Korrelation der an OK1 und OK2 anliegenden Phasen Φ1 bzw. Φ2.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele machen deutlich, daß mit dem erfindungsgemäßen Prinzip einer Detektionseinrichtung Schalteinrichtungen unterschiedlichster Arten sicher überprüfbar sind, wobei die Erkennung zusätzlicher Fehler möglich ist.

Claims (7)

1. Detektionsanordnung für eine Schalteinrichtung (S1, S2, S3) mit einer mit einem Anschluß der Schalteinrichtung (S1, S2, S3) verbundenen Wechselspannungsquelle (G1, G2) und einer an einen anderen Anschluß der Schalteinrichtung (S1, S2, S3) angeschlossenen Stromdetektionseinrichtung (OK1, OK2), deren Detektionssignal einem Eingang einer Auswer­ tungseinrichtung (µP, µP1, µP2) zuführbar ist, der über einen weiteren Eingang das Ausgangssignal der Wechselspan­ nungsquelle (G1, G2) als Referenzsignal zur Durchführung eines Vergleichs zwischen dem Detektionssignal und einem Sollsignal zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung (µP, µP1, µP2) zur Durchführung des Vergleichs zwischen Detektionssignal und Referenzsignal in Amplitude, Frequenz und Phase eingerichtet ist.

2. Detektionsanordnung für eine Schalteinrichtung (S1, S2, S3) mit einer mit einem Anschluß der Schalteinrichtung (S1, S2, S3) verbundenen Spannungsquelle (G1, G2) und einer an einen anderen Anschluß der Schalteinrichtung (S1, S2, S3) ange­ schlossenen Stromdetektionseinrichtung (OK1, OK2), deren Detektionssignal einem Eingang einer Auswertungseinrichtung (µP, µP1, µP2) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei Anschlüsse eines Wechselschalters (S2, S3) zwei Wechselspannungsquellen (G1, G2) für verschiedene Wechsel­ spannungssignale (Φ1, Φ2) anschließbar sind und daß der Auswertungseinrichtung (µP, µP1, µP2) wenigstens ein Aus­ gangssignal (Φ1, Φ2) der Wechselspannungsquelle (G1, G2) als Referenzsignal zuführbar ist.

3. Detektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Detektionssignal dem Eingang der Aus­ wertungseinrichtung (µP, µP1, µP2) über einen Schwellen­ wertschalter (SS, SS1, SS2) zuführbar ist.

4. Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektionssignale über einen Optokoppler (OK1, OK2) auf die Auswertungseinrichtung (µP, µP1, µP2) leitbar sind.

5. Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Ausgangssignale (Φ1, Φ2) der Wechselspannungsquellen (G1, G2) zwischen 1 und 15 Hz liegt.

6. Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ausgangssignals (Φ1, Φ2) der Wechselspannungsquellen (G1, G2) der Amplitude einer für Menschen ungefährlichen Niedervoltspannung ent­ spricht.

7. Detektionsanordung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ausgangssignals (Φ1, Φ2) größenord­ nungsmäßig 24 Vss beträgt.