Elektrische Einrichtung zur Programmsteuerung der Stellung eines Organs Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Einrichtung zur Programmsteuerung der Stellung eines Organs, insbesondere eines Maschinen teiles. Beispielsweise liegen solche Aufgaben bei Walzwerken vor, wo die Stellung einer Walze gegen über einer anderen gesteuert werden soll. Die Steue rung kann entweder eine vorbestimmte Stellung der einen Rolle oder einen vorbestimmten Abstand der beiden Rollen herbeiführen.
Für die Steuerung von Werkzeugmaschinen ist es bekannt, mit digitalen Kommandogrössen zu arbeiten. Die Einrichtung nach der Erfindung zeichnet sich da durch aus, dass die Sollstellung und die Iststellung des Organs in Form digitaler, binärer Signale Stelle für Stelle miteinander verglichen werden und die Diffe renz einen Verstellmotor beeinflusst.
Von besonderem Vorteil sind die grosse Anpas sungsfähigkeit der neuen Einrichtung und die grosse Genauigkeit, die ein Minimum an Aufmerksamkeit des Bedienungspersonals erfordert.
Zur näheren Erläuterung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der sche matischen Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Steuerung für ein Walzwerk, Fig. 2 eine Tafel, die binäre Steuersignale in digi taler Form veranschaulicht, die zur Steuerung des Verstellmotors dienen, Fig. 3 ein Diagramm der Funktion der Steuerein richtung, Fig. 4 ein Diagramm der Motorgeschwindigkeit; Fig. 5 zeigt schematisch eine Möglichkeit zur Ab tastung der steuernden Lochkarte; Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit zur Ausbildung eines Signalspeichers;
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild der kompletten Steuereinrichtung, die es gestattet, bei einem Walz werk nicht nur die Dicke, sondern auch die Breite des Walzgutes zu überwachen.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Walzgerüst angedeutet, bei dem der Abstand zwischen den beiden Rollen 12 und 14 zur Einhaltung der gewünschten Dicke des Walz- gutes 16 gesteuert wird.
Zur Sollwertvorgabe gemäss dem Steuerprogramm dient eine Lochkarte oder ein ähnlicher Signalträger 18, der den Rollenabstand vorschreibt. Es kann sich beispielsweise auch um ein Magnetband oder derglei chen handeln.
Die Lochkarte wird in die Abtasteinrichtung 20 eingeführt, die aus eingestanzten Löchern für jede Stelle des binären Steuersignals ein elektrisches Steuersignal in digitaler Form bildet, wobei die An zahl der Stellen wesentlichen Einfluss auf die Genauig keit der Steuerung hat. Eine Möglichkeit zur Ausbil dung der Abtasteinrichtung 20 gemäss Fig. 5 besteht in einer Bürste 80 für jede Stelle des Steuersignals, die am Ort der Löcher elektrischen Kontakt mit einer Kontaktplatte 76 herstellt.
Als nächste Stufe folgt eine Speichereinrichtung 22 für die elektrischen Steuersignale, die aus einer Mehrzahl von Flip-Flop-Schaltungen, z. B. gemäss Fig. 6, bestehen kann. Dabei ist jeder Stelle 1 bis N des Steuersignals eine eigene Flip-Flop-Schaltung zu geordnet. Es ist möglich, die aufeinanderfolgenden Steuersignale der Lochkarte jeweils für einen Arbeits gang des Walzgerüstes vorzuschreiben und damit auf einanderfolgend den Rollenabstand zu steuern.
In die sem Fall kann die Speichereinrichtung 22 für jede Stelle sämtlicher binärer Steuersignale je eine Flip Flop-Schaltung erhalten. Der Abtasteinrichtung 20 ist ein Druckknopf 21 zugeordnet, der bei Betätigung die Abtastung des Steuerwertes einleitet. Ebenso gehört auch zur Spei chereinrichtung 22 ein Druckknopf 24, der bei Betäti gung die Weitergabe des für jede Stelle gespeicherten elektrischen Signals an eine digitale Subtrahiereinrich- tung 26 bewirkt.
Die Subtrahiereinrichtung hat einen weiteren Ein gang, der von einem Analog-Digital-Umsetzer 28 über die Leitung 36 gespeist wird. Der Umsetzer gibt die tatsächliche Stellung der oberen Rolle 12, die von der Stellung des Motors 30 abgeleitet wird, über eine ge eignete Kupplung 34 nach Umwandlung in ein digi tales Signal an die Subtrahiereinrichtung. Die Subtra- hiereinrichtung bildet die Differenz zwischen dem binären Steuersignal A, das über die Leitung 38 zu geführt wird,
und dem binären Steuersignal B und liefert diese Differenz A -B über die Leitung 40 an einen Digital-Analos Umsetzer 42, der eine Steuer wicklung eines Magnetverstärkers 44 in entsprechen der Weise erregt.
Die Lastwicklungen des Magnetverstärkers 44 sind an ein Speisenetz 46 angeschlossen, und der Aus gang des Magnetverstärkers beeinflusst eine Einrich tung 48 zur Steuerung der Erregung eines Leonard- Generators 58. Bei der Steuereinrichtung 48 kann es sich beispielsweise um ein Rototrol oder eine ähnliche Verstärkermaschine handeln. An die Kupplung 34 ist ein Tachometergenerator 50 angeschlossen, der an den Magnetverstärker 44 ein der Geschwindigkeit der Rollenverstellbewegung proportionales Signal gibt.
Das Rototrol 48 steuert die Erregung der Feldwick lungen 56 und 57 des Leonard-Generators, an den der Verstellmotor 30 angeschlossen ist. Die Lastwick lungen des Magnetverstärkers 44 können Teile der bekannten Gegentaktschaltung bilden und, falls ge wünscht, auch unmittelbar die Erregerwicklungen des Leonard-Generators speisen. Im Ankerstromkreis ist ein Widerstand 60 angeordnet, dessen Spannung bei Einschalten des Schalters 62 ein Rückführungssignal zur Ankerstrombegrenzung an das Rototrol oder an den Magnetverstärker liefert.
Als Digital-Analog-Umsetzer ist grundsätzlich jede beliebige bekannte derartige Einrichtung ver wendbar.
Die binäre Steuertafel nach Fig. 2 soll die Wir kungsweise der beschriebenen Steuereinrichtung er läutern. Die Subtrahiereinrichtung 26 subtrahiert in digitaler Form das binäre Steuersignal B von dem binären Steuersignal A und das hierbei entstehende digitale Signal entspricht dem Stellungsfehler der obe ren Rolle 12 und damit dem Fehler der gewünschten Walzdicke. In der Praxis geht man hierbei so vor, dass man das binäre Signal A zu dem Komplementär wert des binären Signals B addiert. Das entsprechende Differenzsignal wird in der Regel von dem beliebig wählbaren Nullfehlersignal, das sich aus der ge wünschten Walzdicke ergibt, abweichen.
Dieses vor bestimmte Nullfehlersignal wird so gewählt, dass eine Stelle den Wert Null und die übrigen Stellen den Wert 1 haben, wie in Fig. 2 ersichtlich. Es sei hier bemerkt, dass unabhängig von dem Sollstellungssignal, das von der Lochkarte 18 vorgeschrieben wird, die Aufein anderfolge der binären Steuersignale bei der Bewe gung der Walze 12 in der erforderlichen Richtung immer die gleiche bleibt.
Mit anderen Worten, wenn irgendeine Kombination zweier binärer Steuersignale mit der gleichen Wegdifferenz in die Subtrahierein- richtung 26 eingegeben wird, ist das Ausgangssigna( dieser Einrichtung immer das gleiche. Dieses Aus gangssignal hat den Fehlerwert Null, wenn identische Steuersignale<I>A</I> und<I>B</I> zugeführt wurden. Hier be nützt man diesen Wert dann, wenn die Walze 12 tat sächlich in der vorbestimmten gewünschten Stellung ist.
Die Tafel nach Fig. 2 zeigt Differenzsignale A-B mit elf Stellen, wobei die zusätzliche Trägerstelle bei der Differenzbildung entsteht, wie später noch näher erläutert wird. Geht man vom Nullsignal nach auf wärts<I>(A > B),</I> so steigt das binäre Steuersignal der art an, dass es einen grösseren Stellungsfehler wieder gibt. Entsteht ein Stellungsfehler in der anderen Rich tung<I>(A < B),</I> so nimmt das binäre Steuersignal dem Wert nach ab.
Man kann die Steuereinrichtung so auslegen, dass die obere Rolle 12 immer in der gleichen Richtung gegen ihre gewünschte Endstellung bewegt wird, wo bei z. B. die Schliessrichtung<I>(A < B)</I> gewählt werden kann, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Es ist jedoch auch möglich, die Geschwindigkeit des Ver- stellmotors vor Erreichen der gewünschten Stellung stetig abnehmen zu lassen, so dass die Rolle 12 bis auf einen bestimmten Unterschied zur gewünschten Stellung mit höchster Geschwindigkeit bewegt wird und hierauf in die ,gewünschte Stellung langsamer ein läuft. Der Digital-Analog-Umsetzer 42 kann z.
B. bei Vorliegen eines Differenzsignals die Drehzahl des Motors 30 im wesentlichen proportional zwischen Null und 16 Einheiten des Stellungsfehlers zunehmen lassen, während bei Fehlersignalen oberhalb von 16 Einheiten die Maximalgeschwindigkeit eingestellt wird. Eine ähnliche Betriebsweise kann auch in der umgekehrten Verstellrichtung vorgeschrieben werden. Es sei beispielsweise ein Grenzwert von 15 Einheiten des Stellungsfehlers für den letzteren Fall angenom men, wie aus Fig.2 ersichtlich. Man erkennt aus Fig. 2 auch, dass diese 15 Einheiten des Stellungsfeh lers durch vier Stellen des binären Signals und eine Trägerstelle nachgebildet werden können.
Unter die sen Umständen kann also die Lochkarte 18 derart ausgebildet sein, dass sie nur insgesamt fünf Stellen aufweist.
Im Diagramm nach Fig. 3 erkennt man das Mo torsteuersignal in Abhängigkeit von der digitalen Zu nahme des Stellungsfehlers in der einen oder anderen Richtung. Die Treppenkurven 51 und 53 zeigen, dass der Stellmotor ein etwa linear zunehmendes Signal er hält, solange die Einheit des Stellungsfehlers unter halb des Wertes 15 bleibt. Von da an läuft der Motor mit voller Geschwindigkeit. Die gestrichelt angedeu- tete Kurve 59 zeigt eine andere Betriebsweise für die Schliessbewegung des Motors, die dadurch vorge schrieben werden kann; dass die ersten beiden Stellen des Differenzsignals gemeinsam zur Wirkung gebracht werden. Wenn beide den Wert Null haben, werden sie als eine kombinierte Stelle behandelt und wirken so, als ob nur eine Stelle den Wert Null hätte.
In die sem Fall wirkt die dritte Stelle als zweite, die vierte als dritte, die fünfte als vierte. Auf diese Weise kann eine grössere Fehlerzunahme vom Signal A-B be herrscht werden. Ferner kann man gemäss der gestri chelten Kurve 55 den Motor in der Öffnungsrichtung mit voller Geschwindigkeit laufen lassen, bis die Soll stellung erreicht ist. In diesem Fall tritt ein über schwingen in den Bereich des entgegengesetzten Stel lungsfehlers auf, das nunmehr nach der Kurve 53 auf den Wert Null zurückgeführt wird.
Zur Verdeutlichung ist in Fig.4 die Verstellge- schwindigkeit des Motors in Abhängigkeit vom Wert des Stellungsfehlers angedeutet. Die Kurve 70 bezieht sich dabei auf die Steuerung nach den Kurven 51 und 53 der Fig. 3, während die Kurve 72 einer Steuerung nach den Kurven 53 und 55 der Fig. 3 entspricht. Es kann in der praktischen Anwendung vorteilhaft sein, zur Ausschaltung von Totgängen in Getrieben eine solche Stellungsregelung vorzunehmen, bei der die Sollstellung immer mit der gleichen Verstellrichtung erreicht wird.
In Fig. 5 ist eine Möglichkeit zur Ausbildung der Abtasteinrichtung nach Fig. 1 dargestellt. Sie enthält eine elektrisch leitende Grundplatte 76, die mit Erde verbunden sein kann. Auf die Grundplatte wird die Lochkarte 18 aufgelegt. Zur Abtastung dient eine Leiste 78, die für jede Stelle des digitalen Signals eine Bürste 80 trägt. Die Bürste ist jeweils über einen Wi derstand 82 und den Druckknopf 21 mit einer geeig neten Stromquelle 84 verbunden. Die Leiste muss so ausgebildet sein, dass die den einzelnen Stellen zuge ordneten Bürsten 80 gegeneinander isoliert sind.
Wenn an der abgetasteten Stelle ein Loch in die Karte 81 gestanzt ist, so fällt am Widerstand 82 eine Span nung ab, die an den Klemmen 86 und 88 abgenom men und der Signalspeichereinrichtung 22 zugeführt wird.
Eine solche Signalspeichereinrichtung kann ge mäss Fig. 6 aufgebaut sein. Das Beispiel bezieht sich auf eine Speichereinrichtung für jeweils ein einzelnes digitales Signal mit den Stellen 1 bis N. Jeder einzel nen Stelle ist eine eigene Flip-Flop-Schaltung zuge ordnet. Die gesamte Anordnung ist an eine Gleich stromquelle 90 angeschlossen und durch einen Schal ter 92 wird die Rückstellung der Flip-Flop-Schaltun- gen vorgenommen.
Die Weitergabe des gespeicherten Signals erfolgt unter dem Einfluss des Druckknopfes 24, vergleiche Fig. 1. Diese Ausgänge der Flip-Flop- Schaltungen gestatten demnach eine wiederholte und dauernde Abfrage des von der Lochkarte eingege benen digitalen Signals.
In der Fig. 7 ist sowohl für die Dicke als auch für die Breite des Walzgutes je eine Steuereinrichtung vorgesehen, die im wesentlichen identisch aufgebaut sein können. Die entsprechenden Schaltungselemente für die Steuerung der Breite vermittels .der Walzen 134, 136 tragen die gleichen Bezugszeichen wie die Schaltelemente für die Steuerung der Dicke des Walz- gutes und sind zur Unterscheidung mit einem Strich versehen.
Der Magnetverstärker 44 ist in Fig.7 im ein zelnen dargestellt, und zwar als Selbstsättigungsver- stärker in Doubler-Schaltung mit nachfolgender Gleichrichtung und Gegentaktausgang auf die Erre gerwicklungen 56 und 57 des Verstellmotors 30. Der Spannungsabfall des Ankerstromes am- Widerstand 60 ist einer weiteren Erregerwicklung 132 zugeführt. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers wird einem Steuerkreis 110, 112 und das geschwindigkeits proportionale Signal des Tachometers einem Steuer kreis 114, 116 zugeführt.
Zur Einstellung des Ar beitspunktes dient ein konstant erregter Steuerkreis 118, 120.
Die Wirkungsweise der beiden Steuereinrichtun gen, die voneinander unabhängig arbeiten, ergibt sich unmittelbar aus der Erläuterung zu Fig. 1. Es handelt sich um eine Steuerung der jeweils gewünschten Stel lung, da die Iststellung über den Analog-Digital-Um- setzer 28 rückgeführt wird. Das geschwindigkeitspro portionale Signal des Tachometers 50 wird in bei Stellungsregelungen bekannter Weise als weitere Rückführgrösse verwendet.
Die Ausbildung des Analog-Digital-Umsetzers kann nach den bekannten Prinzipien erfolgen. Bei spielsweise kann es sich um eine rotierende Kontakt einrichtung handeln, die die Umdrehungen des Stell motors 30 durch Öffnen und Schliessen von Kontak ten in ein binäres Steuersignal umwandelt. Auch als Digital-Analog-Umsetzer 42 sind an sich bekannte Einrichtungen verwendet.
Totgänge im Getriebe zwischen dem Stellmotor 30 und der Rolle 32 machen es meist wünschenswert, dass die obere Rolle 12 ihre Sollstellung immer aus der gleichen Richtung erreicht, unabhängig davon, ob der Motor zunächst in der einen oder anderen Rich tung arbeitet. Der Umsetzer 42 wird in diesem Fall so ausgelegt, dass er die Antriebsleistung des Motors im wesentlichen linear in Schliessrichtung der Walzen vermindert, und zwar von einer bestimmten Grösse des Fehlersignals ab, beispielsweise 3 cm.
Dagegen wird, vergleiche Fig.4, der Motor in der anderen Richtung auf volle Geschwindigkeit geschaltet, so dass ein Überschwingen über die Sollstellung eintritt und die Annäherung an die Sollstellung wieder aus der gleichen Richtung erfolgt.
Die Subtrahiereinrichtung kann in bekannter Weise als binäre Addiereinrichtung ausgebildet sein. Hierzu wird in üblicher Weise das Steuersignal A direkt und das Steuersignal B nach Bildung des Kom- plementärwertes in die Subtrahiereinrichtung einge speist.
Bei der Bewegung der oberen Walze 12 in die ge wünschte Stellung ändert sich das Rückführsignal B immer jeweils in einer Stelle, bis das der Sollstellung entsprechende Nullfehlersignal erreicht ist. Das Aus gangssignal der Subtrahiereinrichtung 26 entspricht daher dem üblichen Fehlersignal in einem stetigen Regelkreis mit dem richtig zugeordneten Vorzeichen und zeigt an, wie gross der Abstand von der Sollstel lung ist.
Das Ausgangssignal der Subtrahiereinrich- tung 26, das dieser Sollstellung entspricht, wird als Nullfehlersignal ausgewählt und die Arbeitspunkt einstellung des Magnetverstärkers 44 dementspre chend so bemessen, dass der Stellmotor in Ruhe bleibt, wenn das Ausgangssignal der Subtrahierein- richtung diesem Nullfehlersignal entspricht. Bei jeder Abweichung von der Sollstellung wird dann der Motor ein Signal erhalten, das ihn zum Ausgleich des Feh lers anlaufen lässt. Wie bereits erwähnt, kann dabei jeder digitalen Zunahme des Fehlersignals eine ent sprechende Zunahme der Motorgeschwindigkeit zuge ordnet werden.
Man vergleiche beispielsweise in Fig. 2, wie die Stellen 1, 2, 3, 4 des Signals<I>A -B</I> so wie die Trägerstelle den Fehler abbilden und auch für das richtige Vorzeichen sorgen.
Wenn die obere Walze 12 von der vorgegebenen Sollstellung um einen Betrag abweicht, der aus dem Bereich abgestufter Verstellgeschwindigkeiten heraus fällt, kann eine Kombination der verbleibenden Stel len des Signals A -B dazu herangezogen werden, in der jeweils erforderlichen Richtung ein Signal für volle Geschwindigkeit an den Motor zu geben. Wenn beispielsweise die fünfte Stelle des Signals und zu glei cher Zeit auch die Trägerstelle den Wert 1 haben (17 Einheiten des Stellungsfehlers), kann man aus dieser Bedingung ein Signal ableiten, das volle Geschwindig keit des Motors in der Öffnungsrichtung<I>(A > B)</I> hervorruft.
Im umgekehrten Falle, wenn nämlich die fünfte Stelle und die Trägerstelle den Wert Null haben, kann daraus ein Signal für volle Motorgeschwindig keit in der anderen Richtung abgeleitet werden. Im normalen Betriebszustand ändert sich unabhängig von der vorbestimmten Sollstellung das Signal <I>A -B</I> je weils nur in einer Stelle.
Die Stellenanzahl der binären digitalen Signale hängt im wesentlichen davon ab, wie gross der Bereich der Einheiten des Stellungsfehlers sein soll, in dem die Motorgeschwindigkeit abgestuft wird. Im Ausfüh rungsbeispiel handelt es sich etwa um den Bereich 15. Wünscht man einen Bereich von beispielsweise 8000, dann ergibt sich für die binären Signale eine Stellenanzahl von etwa 13. In Fig. 2 wurden Steuer signale mit elf Stellen und einer Trägerstelle zugrunde gelegt. Mit dieser Stellenanzahl ist es möglich, auf eine beliebige von ungefähr 1000 verschiedenen Stel lungen zu steuern. Im Beispiel wurde für den Bereich abnehmender Motorgeschwindigkeit eine Grenze von 15 angenommen.
Selbstverständlich kann dieser Bereich innerhalb des Gesamtbereiches der Fehler stellungen beliebig gross gewählt werden.
Die Erfindung ist auf das Ausführungsbeispiel und die dargestellten Möglichkeiten zur Lochkarten- abtastung und Signalspeicherung nicht beschränkt. Verwendet man für das Sollstellungssignal einen ma gnetischen Träger, so kann unter Umständen die Spei chereinrichtung entfallen.