DE4213131A1 - Redundante Schalteranordnung - Google Patents

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, parallele Schalteranordnung mit passiver Redun­ danz in einem Kraftfahrzeug (DE 39 41 382 A1) umfaßt ein erstes Schaltelement und ein zweites, redundantes Schaltele­ ment, das parallel geschaltet ist. Dem ersten Schaltelement ist ein Stromsensor zur Überwachung der zu schaltenden Lei­ stung zugeordnet und bei angesteuertem, ersten Schaltelement und fehlendem Strom in der zu schaltenden Leitung, was auf einen Fehler im ersten Schaltelement hinweist, wird das zwei­ te Schaltelement durchgeschaltet. Zudem wird eine Fehleran­ zeige im Kraftfahrzeug betätigt.

Bei einer solchen passiven redundanten Schalteranordnung müssen er­ sichtlich die beiden redundanten Schaltelemente nacheinander getrennt betätigbar sein. Bei mechanischen Schaltern bedeutet dies einen relativ hohen Aufwand an getrennten Mechanikbautei­ len, insbesondere mechanischen Sprunggliedern, zur Betätigung der elektrischen Kontaktpaare.

Nach dem gängigen Sicherheitskonzept bei Kraftfahrzeugen reicht es bei vielen sicherheitsrelevanten Einrichtungen, mechanische Betätigungen einfach, die nachgeschaltete Elek­ trik jedoch redundant doppelt auszulegen. Dabei tritt das Pro­ blem auf, daß beispielsweise bei der Abfrage einer bestimmten Wegstellung durch zwei redundant angeordnete Endschalter ein undefinierter Zwischenzustand auftritt, bei dem wegen zwangs­ läufiger Justiertoleranzen der eine Schalter bereits geschal­ tet hat, der andere Schalter jedoch noch nicht betätigt ist. Ein solcher Zwischenzustand mit unterschiedlichen Schaltzu­ ständen der redundanten Schalter würde in einer nachgeschalte­ ten Diagnoseeinheit jeweils unzutreffend als Schalterausfall eines Schalters diagnostiziert werden. Eine solche Diagnose ist somit für die betriebsmäßig ständig auftretenden Zwischen­ zustände falsch bzw. kann in diesen Zwischenzuständen keine Diagnoseaussage getroffen werden.

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 mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 enthält die redundante Schalteranordnung zwei redundante, parallele, elektrische Leitungen, die ge­ schaltet werden sollen. In jeder der beiden Leitungen ist je ein Schalter, bestehend aus wenigstens einem Kontaktpaar, an­ geordnet.

Erfindungsgemäß weist die Schalteranordnung an einem Betäti­ gungseingang einen kontinuierlich über eine bestimmte Strecke betätigbaren Weggeber auf. Dem Weggeber ist ein einziges, mechanisches Sprungglied zugeordnet, das vom Weggeber an wenigstens einem bestimmten Wegpunkt als Schaltpunkt reversi­ bel betätigbar ist. Dieser Schaltpunkt kann auch einstellbar ausgeführt 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.

Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung mit weiteren Einzelheiten, Merkmalen und Vorteilen 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 redundanten 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) und
mit je einem Schalter (4, 5), bestehend aus wenigstens einem Kontaktpaar in jeder der beiden Leitungen (2, 3),
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) eine Abfrageeinheit (17) mit einer Fehlererkennungseinrichtung nachgeschaltet ist, die die elektrischen Schaltzustände der Kontaktpaare ab­ fragt.

2. Redundante Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Weggeber (20) unmittelbar mit einer mecha­ nischen Linearbewegung oder Drehbewegung beaufschlagbar ist.

3. Redundante Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Weggeber (20) 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.