DD204557A1 - Auswerteschaltung fuer ueberwachungssignale in industriellen steuerungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist in industriellen Steueranlagen verwendbar, die zur Erfuellung extrem hoher Forderungen an die Betriebssicherheit mit redundanter Steuerlogik aufgebaut sind und deren Logikstufen mit einer von einem Kontrollsignal durchflossenen Ueberwachungskette ueberwacht werden. Die Auswerteschaltung beeinflusst mit dem am Ende der Ueberwachungskette auftretenden Ueberwachungssignal das Stellglied der Steuereinrichtung. Bei Ausfall des Ueberwachungssignals wird ein ungefaehrlicher Betriebszustand hergestellt. Die Verbesserung der Selbstueberwachung wird dadurch erzielt, dass der Selbsthaltezweig der Auswerteschaltung zwischen deren Ausgang und der Primaerwicklung des Eingangsuebertragers angeordnet ist.

Description

Erfinder! DiBl.-Ing. Hartmut Bunzel Berlin, 22.12.1981 log. Manfred Schäfer P 1253

Zustellungsbevollm.:

Institut für Hegelungstechnik im Kombinat TEB EAW Berlin-Ereptow

"Friedrich Bbert"

1055 Berlin, Storkower Str. 101 S05B - 9/02

Pat.-Ing. Günther Scheufeie (G05B -23/02)

Auswerteschaltung für Überwachungssignale in industriellen Steuerungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann in industriellen Steueranlagen verwendet werden, bei denen extrem hohe !Orderungen an die Betriebssicherheit erfüllt werden- müssen, weil bei iehlfunktionen große Schaden entstehen können oder sogar Menschenleben gefährdet sind. Dies trifft beispielsweise auf Steueranlagen für große Pressen, Walzwerke, Kernkraftwerke und dgl. au.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

l?ür die Überwachung des fehlerfreien Betriebsablaufs von industriellen Steueranlagen sind mehrere prinzipielle Lösungswege erarbeitet worden. Einer dieser Lösungswege, in dem auch die Erfindung zur Anwendung kommen kann, "besteht darin, die Steuerung mit normalen Logikbausteinen aufzubauen, deren Sicherheit gegen Ausfall oder lehlverhalten nur den normalen Anforderungen genügt. Als Sicherheitsmaßnahme wird die gesamte Steuerlogik redundant in zweifacher Struktur aufgebaut, wobei die zwei Strukturen zueinander entweder logisch identisch oder logisch invers ausgeführt sind und stets gleichzeitig betrieben werden. An allen Stufen der Steuerlogik treten dann bei fehlerfreier ^unktion an den jeweils stufengleichen Logikgattern beider Strukturen ständig äquivalente bzw. antivalente Logiksignalpasre

auf. Mit Hilfe von Überwachungsgliedern wird das Vorhandensein der Äqaivalens bzw. Antivalenz ständig überwacht.

Zur Sicherheit gegen Ausfall und Eehlverhalten der Überwachungsglieder selbst ist es üblich, sämtliche Überwachungsglieder der betreffenden Steueranlage in Kette zu schalten und eine rechteckförmige Wechselspannung von mehreren KHz als Kontrollsignal durch diese Überwachungskette durchzuschleifen und an deren Snde als überwachungssignal auszuwerten. Jedes Überwachungsglied ist in der Weise aufgebaut, daß es das Kontrollsignal unterbricht, wenn das von ihm überwachte Logiksignalpaar von der geforderten Signalkombination abweicht oder wenn im Überwachtmgsglied selbst ein Fehler auftritt. Am Sude der Überwachungskette befindet sich eine Auswerteschaltung, die beim Ausbleiben des Überwachungssignal das Anhalten der gesteuerten Einrichtung bewirkt oder einen ungefährlichen Betriebszustand herbeiführt. Eine derartige Auswerteschaltung stellt den Gegenstand der vorliegenden Erfindung dar.

Ss ist bereits eine Auswerteschaltung bekannt, die als Torschaltung mit abfallverzögerter Selbsthaltung realisiert ist. Sie enthält zwei als ШШ-Gatter ausgeführte Torglieder. Dem ersten Torglied wird.über seinen Informationseingang das Überwachungssignal vom Sude der Überwachungskette zugeführt, und auf den Steuereingang des ersten Torgliedes wird zur Selbsthaltung das abfallverzögerte Steuersignal des zweiten Torgliedes aur-ückgeführt. Sas direkte Kontrollsignal gelangt in den Informationseingang des zweiten Torgliedes und wird von diesem bei störungsfreiem Betriebsablauf auf den Ausgang und damit zum Stellglied durchgeschaltet. Diese Auswerteschaltung ist selbstüberwaqhend in der Weise aufgebaut, aaß innere Peüler stets eine Sperrung des Kontrollsignals hervorrufen. Ihr haftet Jedoch der Hachteil an, daß das zweite Torglied nicht" in die Selbstüberwachung einbezogen ist, weil die Rückführung für die Selbsthaltung bereits von seinem Steuereingans abgeleitet ist, wodurch das Vorhandensein des Eontrollsignals an Ausgang der Auswerteschaltung nicht überprüft wird.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Betriebssicherheit der Steueranlage zu erhöhen, indem die Selbstüberwaohung der Aaswerte schaltung veibessert wird.

Wesen der Erfindung Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe augrunde, eine Auswerteschaltung für Überwachungssignale zu schaffen, die am Snde von Überwachungsketten auftreten, mit denen in industriellen Steuerungen die redundant angeordnete Steuerlogik mit Hilfe eines Eontrollsignals überwacht wird. Die Auswerteschaltung soll selbstüberwachend ausgeführt sein und bei vorhandenem oder kurzzeitig unterbrochenem überwachungssignal das Kontrollsignal zu ihrem Ausgang durchschalten. Bei wegfallendem Überwachungssignal ти£ das Kontrollsignal gesperrt werden, und bei wiederkehrendem überwachungssignal darf sich diese Sperrung nicht selbsttätig aufheben. Erst die Eingabe eines Startsignals darf die Aufhebung der Sperrung bewirken.

Merkmale der Erfindung

Die Auswerteschaltung, die in an sich bekannter Weise das Überwachungssignal mit einer Diode und einem Speicherkondensator in ein abfallversögertes Steuersignal für ein das Kontrollsignal schaltendes Torglied umwandelt, ist durch folgende" Ivlerkmale gekennzeichnet:

Mit den Ausgang des Torgliedes und mit der steuerseitigen Masse sind die Anschlüsse der Primärwicklung eines Kückführübertragers verbunden. Die Anschlüsse von dessen Sekundärwicklung führen über eine Anordnung aus einer Diode und einem Ladekondstisator zur Basis-3n±tter-8trecke eines Haltetransistors. lessen Kollektor-Smitter-Strecke ist zwischen der logikseitisen laasse und dem masseseitigen Anschluß der Primärwicklung eines an sich bekannten Singangsübertragers angeordnet, der das

Überwachungssignal überträgt. Die Basis des Haltetransistors ist über eine Entkopplangsdiode mit einem Starteingang verbunden.

Das Kontrollsignal, das über das Torglied bei vorhandenem Überwachungssignal nach einem Startvorgang zum Ausgang gelangt, wird dort zur Rückführung abgezweigt und nach Durchlaufen des HücJdTührübertragers in eine Gleichspannung umgewandelt, die den Haltetransistor im leitenden Zustand hält. Sällt das Überwachungssignal länger aus, als es der Abfallverzögerung entspricht, dann sperrt das Torglied, und am Ausgang entfällt das Eontrollsignal und demzufolge die Gleichspannung am Haltetransistor, der daraufhin sperrt, womit die Selbsthaltung aufgehoben ist. Auch bei wiederkehrendem Überwachungssignal kommt еіде erneute Selbsthaltung erst nach einem Startvorgang zustande, bei dem der Haltetransistor mit einer Gleichspannung so lange leitend gehalten wird, bis alle Ladevorgänge abgeschlossen sind und die Selbsthaltung wieder wirksam ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt die erfindungsgemäSe Auswerteschaltung in Verbindung mit einer symbolisch dargestellten Überwachungskette, die zur Überwachung des fehlerfreien Steuerungsablaufs dient.

Am Anfang der überwachungstette ÜK, befindet sich eia Eontrollsignalgenerator KG, der ein Kontrollsignal ES in 3?orm einer rechteckförmigen Wechselspannung von einigen kHz erzeugt, das alle Überwachungsglieder ÜG der Überwachungskette ÜK durchläuft. Jedes Überwachungsglied ÜG besitzt die Eigenschaft, das Kontrollsignal KS zu übertragen, wenn die überwachten Logikgatter der Steuerlogik fehlerfrei arbeiten oder das Kontrollsignal KS zu sperren, wenn eine Störung auftritt. Das Kontrollsignal KS wird auch gesperrt, wenn ein Überwachungsglied ÜG selbst fehlerhaft wird. Am Ende der Überwachungskette ÜK

üritt bei fehlerfreiem Betrieb das Kontrollsignal KS als Überwachungssignal ÜB auf.

Die in der Zeichnung nicht dargestellte Steuerlogik ist zum Erreichen der erforderlichen Betriebssicherheit redundant aus-, geführt und besteht aus zwei identischen bzw. zwei logisch inversenStrukturen, die stets gleichzeitig betrieben werden, in den jeweils stufengleichen Logikgattern der beiden Strukturen werden die Logiksignale abgegriffen und von den Üüerwachungsgliedern ÜG paarweise auf Äquivalenz bzw. Antivalenz überwacht.

Von ihrer Wirkungsweise her gesehen stellt die Auswerteschaltung eine Torschaltung mit abfallverzögerter Selbsthaltung des Steuersignals dar. Die Auswerteschaltung besteht aus einem Torglied TG in der Ausführung als ШГО-Gatter, einem Schaltungstei] zum Erzeugen des Steuersignals und einem Schaltungsteil für die Selbsthaltung. Zunächst soll der Zustand betrachtet werden, der die Auswerteschaltung einnimmt, wenn alle Einschalt- und Startvorgänge abgeschlossen sind und ein ungestörter Betriebsablauf der Steueranlage stattfindet, so daß sowohl ein Kontrollsignal ES als auch ein überwachungssignal OS vorhanden sind.

Das Kontrollsignal XS gelangt in den Kontrolleingang EE und von dort aus in den Informationseingang IE des Tolgliedes TG. Das Überwachungssignal US wird in den Überwachungseingang- ÜB eingespeist und durchläuft von dort aus ein eventuell erforderliches Entkopplungsgatter EG, gegebenenfalls noch einen Torwiderstand und wird dann vom Eingangsübertrager Üi übertragen. U±e noch gezeigt wird, befindet sich der Haltetraßsistor Ts während eines ungestörten Betriebsablaufs stets im durchgeschalteten Zustand, so daß der Anschluß 12 des Eingangsübertragers Ü1 das Potential der logikseitigen Masse M1 aufweist.

Das aus dem Eingangsübertrager Ü1 kommende überwachungssignal wird mit der Diode 31 gleichgerichtet and alt dem Speicherkondensator 01 geglättet. Diese Gleichspannung liegt als logisches Steuersignal S3 mit dera.logikpegel L am Steuereingang S3 des Torgliedes TG. Dis Ε-Diode ZD begrenzt das Steuer-

Signal SS aiii eine Spannung, die von der weit tolerierten Speisespannung der Logikgatter unabhängig ist. Damit ist die Entladezeit des Spelcuerkonäe'nsators 01, auf die später noch eingegangen wird, unabhängig von der Söhe der Speisespannung. W-t dem Logikpsgel L an seinem Steuereingang SE schaltet das Torglied TG das am Inforinationseingang IB vorhandene Kontrollsignal ES auf den Ausgang A durch, wo es für ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Stellglied zur Verfügung steht.

Zwischen Ausgang A und steuerseitiger Masse M2 wird noch eine Eückführung des Kontrollsignals für die Selbsthaltung abgezweigt. Das vom Büekführübertrager Ü2 übertragene EoQtrollsignal wird in der Diode D2 gleichgerichtet und vom Ladekondensator 02 geglättet. Mit der entstandenen Gleichspannung wird der Haltetransistor Ts im durchgeschalteten Zustand gehalten. Erforderlichenfalls kann noch ein Begrensungswiderstand zwischen dem Ladekondensator C2 und der Basis des Haltetransistors Ts eingefügt werden.

Nach diesem ungestörten Betriebsfall soll ein Sehlerfall betrachtet werden, bei dem z.B. eine .Störung in der Steuerlogik auftritt, so daß eines der Überwachungsglieder ÜG die 7ieiterleitung des Kontrollsignals KS sperrt, woraufhin am Überwachungseingang ÜB das Überwachungssignal US ausbleibt. Als j?oige davon sinkt am Speicherkondensator 01 die Gleichspannung ab, und am Steuereingang SS weeSselt der Ijogikpegei des Steuersignals SS von L auf 0. Beim Erreichen der SchaltschT/el-Ie des Torgliedes TG sperrt dieses das an seinem Inforinationseingang 13 vorhandene Kontrollsignal KS, wodurch das as Ausgang A angeschlossene Stellglied abschaltet oder einen ungefährlichen Betriebszustand herbeiführt.

Der ?/egfall des Eontrollsignals аді Ausgang A führt darüber hinaus zum Aufheben der Selbsthaltung, weil die gleichgerichtete Spannung am Ladekondensator G2 ebenfalls wegfällt, -»vorauf hin der Haltetransistor Ts sperrt. Dadurch ist die Verbindung zwischen der Primärwicklung des Eingangsübertragers Ü1 und der Masse Ы1 unterbrochen.

Auch wean die Störung nach einiger Zeit beseitigt wirä und wenn als Folge davon das Überwachungssignal Ü3 wiederkehrt, kann dieses wegen des gesperrten Haltetransistors Ts nicht auf die Sekundärseite de*s Eingangsübertragers Ü1 gelangen. Am Steuereingang S3 bleibt also als Steuersignal SS weiterhin der O-Pegel wirksam^ und das Tcrglied TG wird weiterhin im gesperrten Zustand gehalten.

3rst wenn die Selbsthaltung wieder aktiviert wird, kann das Kontrollsignal 5CS wieder zum Ausgang A anlangen. Zum Aktivieren wird der Starteingang ST mit einem Startsignal in Porm einer Gleichspannung beaufschlagt, die den Haltetransistor Ts in den leitenden Zustand versetzt. Daraufhin kann das Überwachungssignal US den Eingangsübertrager 01 wieder durchlaufen und am Steuereingang SS ein Steuersignal SS mit dem Logikpegel L hervorrufen, der das Torglied TG wieder für das Kontrollsignal EB öffnet. Das Startsignal mus aber so lange eingegeben werden, bis der Speicherkondensator C1 und der Ladekondensator 02 aufgeladen sind, erst dann ist die Selbsthaltung wieder wirksam. Eine Bntkopplungsdiode SD verhindert eine unerwünschte Ableitung des Basispotentials vom Haltetransistor Ts zu der anden Starteingang ST angeschlossenen Quelle.

Der zuletzt beschriebene Vorgang entspricht genau dem Starten der Auswerteschaltung bei einem betriebsbedingten Binschaiten der Steueranlage nach einer Betriebspause. Auch hierbei tritt das Überwachungssignal US am Überwachtingseingang ÜE auf, die Selbsthaltung ist aber wegen des gesperrten Haitetransistors Ts noch nicht aktiviert. Durch ein Startsignal am Starteingang ST wird die Auswerteschaltung betriebsbereit.

In der bis hierher dargestellten Tjirkungsweise wurde vereinfachend von der Annahme ausgegangen, daß das Eoutrollsignal KS bei einem fehlerfreien Betriebsablauf alle Jber~v^rachungsgiieder HG ununterbrochen durchläuft und daß demzufolge am über-7/achungseingang ÜZ das Überwachungssignal Ü3 ununterbrochen vorhanden ist. i)iese Annahme berücksichtigt jedoch nicht die Sigensohaften der Logikgatter, mit denen die zu überv/achende

Steuerlogik aufgebaut ist. Wie bereits ausgeführt, ist wegen der redundanten Doppelstruktur der Steuerlogik jedes Logikgatter zweifach vorhanden, und wenn die jeweiligen parallelarbeitendenLogikgatter gleichzeitig die ablaufbedingteη Logiksignale liefern, läßt das zugeordnete überwachungsglied ÜG- das Kontrollsignal ES passieren.

Bei der praktischen Arbeitsweise der Steuerlogik muß jedoch die Tatsache berücksichtigt v/erden, daß die Ansprechschwellen und die Umschalt2eiteη der Logikgatter von Exemplar su Exemplar unterschiedlich sind. Dies führt dazu, daß in identischen Stufen der beiden parallelen Strukturen Zeitdifferenzen beim Umschalten der Logikgatter auftreten. In diesen kurzen Zeitabschnitten ist die ordnungsgemäße Äquivalenz bzw. Antivalenz nicht vorhanden. Obwohl hiermit keine I?ehlfunktion der Steuerlogik verbunden, ist, reichen diese Zeitabschnitte bei langsamer störsicherer Logik durchaus zum kurzzeitigen Ansprechen der Überwachungsglieder ÜG aus. Die dadurch bedingten kurzzeitigen Unterbrechungen des Überwachungssignals US dürfen sich jedoch am Ausgang A und damit am Stellglied nicht auswirken. .

Zur Überbrückung dieser betriebsbedingten Unterbrechungen dient der Speicherkondensator 01. 3r kann z. S. stufenweise umschaltbar ausgeführt sein und auf einen solchen Wert eingestellt werden, daß er während des Entladevorgangs das Steuersignal SS einen entsprechenden Seitabschnitt oberhalb der Abschaltschwells des Torgliedes TG aufrecht erhält, Ia Zusammenwirken mit dein einstellbaren Sntladewiderstand He ergibt sich die Abfallverzögerung für die Selbsthaltung. Deren Abfall tritt erst ein, wenn das Sontrollsignal am Ausgang A ausbleibt. In der praktischen Aaswirkung ergibt sich natürlich auch eine Ansprechverzögerung der Selbsthaltung, die aber nicht ins Gericht fällt, wenn das Startsignal am Starteingang ST ausreichend lange eingegeben wird.

Die SeIbstuberv/achuag dieser Auswerteschaltung ist dadurch gewährleistet, daß jeder fehler oder Spanniingsausfail dazu führt,

daß am Ausgang A immer nur ein statisches Signal, insbesondere logisch 0 entsteht, das Kontrollsignal aber gesperrt wird. Die Verbesserung der Selbstüberwachung, die durch die Erfindung erzielt wird, resultiert daraus, daS das Vorhandensein des Kontrollsignals am Ausgang A als Kriterium für das Zustandekommen der Selbsthaltung herangezogen wird.

Claims (1)

1. Srfindungsanspruch

   AuswerteschaltuDg für Überwachungssignale in industriellen Steuerungen mit redundant angeordneter Steuerlogik and einer von einem Kontrollsignal durcaflossenen Überwachungskette, deren Ausgangssignal das Überwachungssignal aarstellt, das in der Atiswerteschaltung in ein gleichgerichtetes and abfallverzögertes Steuersignal für ein das Kontrollsignal schaltendes Torglied umgewandelt wird, gekennzeichnet dadurch, daß mit dem Ausgang des Torgliedes (Td) und mit der steuerseitigen Hasse (M2) die Anschlüsse (21s 22) der Primärwicklung eines Eückführütertragers (Ü2) verbunden sind, daß die Anschlüsse (23; 2*) von dessen Sekundärwicklung unter Zwischenschaltung einer Diode (D2) und Parallelschalten eines Ladekoadensators (C2) mit der Basis-Emitter-Strecke eines Haltetransistors (Ts) verbunden sind, dessen Kollektor-Bmitter-Strecke zwischen der logifcseitigen Masse (И1) und dem masseseitigen Anschluß (12) der Primärwicklung eines an sich bekannten Eingangsübertragers (tf1) für das überwachungssignal (Ш) angeordnet ist, and das der BasisanschluB des Haltetransistors (2s) über eine Sntkopplungsdiode (ED) mit einem Starteingang (ST) verbunden ist.

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