DE2020940A1

DE2020940A1 - Einrichtung zur Funktionsueberwachung eines analogen mehrkanaligen Regelsystems

Info

Publication number: DE2020940A1
Application number: DE19702020940
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl-Ing Waldmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-29
Filing date: 1970-04-29
Publication date: 1971-11-11
Also published as: SE379869B; AT315309B; FR2086455B1; SU414820A3; JPS5123287B1; RO63746A; NO128928B; CH558564A; BE766420A; US3689802A; CA934667A; NL7105134A; DE2020940B2; GB1358592A; FR2086455A1; ZA712629B

Description

Einrichtung zur Punktionsüberwachung eines analogen mehrkanaligen Regelsystems .

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf eine Einrichtung zur Funktionsüberwachung der einzelnen Regelstränge eines analogen mehrkanaligen Regelsystems, insbesondere mit einer 2- von 3 Auswahl, mit ständigem gegenseitigen VergMch der einzelnen Regelstränge und ungestörter Analogsignalweitergabe bei Ausfall eines Regelstranges, wie sie zur Erhöhung der Betriebssicherheit, beispielsweise bei der Regelung von Kernreaktoren eingesetzt werden kann. .

Eine derartige Überwachungseinrichtung ist durch die DAS 1 280 bekanntgeworden. Dabei wird von den in drei Meßsträngen auftretenden Signale mittels einer Maximumauswahl jeweils nur das jeweils größte dieser Signale zur Einwirkung auf das Stellglied gebracht, während die Signale der beiden übrigen Meßstränge lediglich zum Vergleich mitgeführt sind. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß durch diese Maximumauswahl bei mit Oberwellen oder auch mit regellosen, stochastischen Störsignalen behafteten Meßgrößen der zeitliche Mittelwert der zur Verarbeitung gelangenden Größe grundsätzlich gegenüber dem der tatsächlichen Meßgröße in undefinierbarer Weise erhöht wird. Als unbefriedigend erscheint weiterhin die erhebliche Redundanz dieser Einrichtung, welche darin zu sehen ist, daß von drei Meß- oder Regelsystemen tatsächlich jeweils nur ein einziges im Eingriff ist.

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Die Vermeidung der vorgenannten Nachteile ist die erfindungsgemäße Aufgabe, wobei deren Lösung darin "besteht, daß sämtliche Kegelstränge abschaltbar den Eingängen eines Mittelwertbildners zugeführt sind und eingangsseitig jeweils mit zwei Regelsträngen verbundene Dreipunktschalter Schalielnrichtungen betätigen zur Abschaltung eines Regelstranges vom Eingang des Mittelwertbildners sowie zur gleichzeitigen Veränderung der Bewichtung entweder seines Ausgangssignals oder eines seiner noch anliegenden Eingangssignale. Auf -diese Weise tragen sämt-) licheptrangsignale gleichmäßig zur Bildung des weiterzuverarbeitenden Signales bei, es wird der zeitliche Mittelwert des zu verarbeitenden Signales gegenüber dem der einzelnen Meßgrößen nicht verändert und es besteht zudem die Möglichkeit, daß sich regellose, stochastische Störsignale im weiterzuverarbeitenden Signal gegeneinander aufheben oder sich zumindest gegenseitig schwächen können.

Die Erfindung samt ihrer weiteren Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nun im folgenden anhand der Figuren näher veranschaulicht werden. Die Eingangsklemmen 11, 12 und 13 einer mit KK (Kontroll- und Korrektureinrichtung) bezeichneten, zweckmäßigerweise zu einer Baugruppe zusammenge-" faßten, erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung sind mit drei Strängen S1, S2 und S3 eines dreikanaligen Regelsystems verbunden, welche von vorgeordneten, nicht weiter dargestellten Regelkreisgliedern, wie Ist- und Sollwertgebern, Regelverstärkern oder anderen SignalübertragungseinricKtungen ausgehen können. Die Klemmen 11 und 12 sind mit den Eingängen eines Dreipunktschalters 14 verbunden, an dessen Ausgang dann ein das Relais A betätigendes Ausgangssignal erscheint, wenn die Differenz der an den Klemmen 11 und 12 anliegenden Spannungen einen vorgebbaren geringen Schwellwert übersteigt. Mit weiteren

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Dreipunktschaltern 15 und 16 sind die Klemmen 12, 13 bzw. 11, 13 verbunden, um in analoger Weise die Spulen der Relais B bzw. C zu betätigen. Die in Fig. 1 dargestellte Stellung der mit a, b und c bezeichneten Kontakte der Relais A, B und C wird bei unbetätigten Zustand dieser Relais eingenommen, der dann gegeben ist, wenn keiner der 3 Stränge gestört ist und demzufolge sämtliche, zwischen den Klemmen 11, 12 und 13 auftretenden Spannungsdifferenzen unter dem zuvor erwähnten Grenzwert liegen. Die in den einzelnen Regelsträngen S1, S2 und S3 auftretenden Spannungen sind dann praktisch gleich groß. In diesem Zustand ist die Klemme 11 über einen Umschaltkontakt c, die Klemme 12 über einen Umschaltkontaktb und die Klemme 13 über einen weiteren Umschaltkontakt c mit den Eingangswiderständen 3R eines Addierverstärkers 17 verbunden, der in seinem unbeschalteten Zustand eine sehr große leerlaufverstärkung aufweist und mit einem Widerstand R gegengekoppelt ist, dessen ohmscher Widerstandswert ein Drittel von demjenigen jedes der Eingangswiderstände 3R des Addierverstärkers beträgt. Der Addierverstärker 17 arbeitet also als Mittelwertbildner, indem an seiner Ausgangsklemme 18 der arithmetische Mittelwert der an seinen Eingangswiderständen anliegenden Spannungen erscheint. Sind sämtliche Regelstränge ungestört, dann entspricht die an der Ausgangsklemme 18 auf "tretende Spannung praktisch jeder der einzelnen Regelstrangspannungen.

Es soll nunmehr der Fall betrachtet werden, in dem beispielsweise die im Regelstrang S1 auftretende Spannung gestört ist und demzufolge einen erheblichen Unterschied gegenüber den in ' den Regelsträngen S1 und S3 auftretenden Spannungen aufweist. Es würden dann die Grenzwertmelder 14 und 16 ansprechen und die Relais A und C betätigen/Die an den Klemmen 12 und 13 auftretenden Spannungen würden nunmehr über Umschaltkontakte

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a und b mit den ihnen auch zuvor zugeordneten Eingangswiderständen des Addierverstärkers 17 verbunden sein, während der zuvor der Klemme 11 zugeordnete Eingang des Addierverstärkers 17 von dieser abgeschaltet ist und nunmehr mit der Klemme 12 in Verbindung steht. Es übernimmt damit die an der Klemme 12 anliegende Spannung eine zusätzliche Einspeisung in den Addierverstärker 17, was mit anderen Worten auch so ausgedrückt werden kann, daß bei der Mittelwertbildung im Addierverstärker 17 das Eingangssignal der Klemme 12 doppelt so stark bewichtet wird wie das der Klemme 13. Somit bleibt das Ausgangssignal an der Klemme 18 unbeeinflußt von der Abschaltung des gestörten Stranges S1.

Über zwei Arbeitskontakte der bei Störung im Strang S1 betätigten Relais A und C kann eine Meldlampe L1 an eine äußere, mit der Klemme 19 verbundene Spannung Uj, gelegt werden und so die Störung des Stranges S1 melden. Da meist mehrere der in Pig. 1 dargestellten Kontroll- und Korrektureinrichtung KK innerhalb einer Regelanlage vorgesehen sind, ist es zweckmäßig, an einer zentralen Stelle eine sämtliche derartigen Überwachungseinrichtungen zugeordnete Meldelampe L vorzusehen, welche jeweils mit der mit 20 bezeichneten Klemme einer derartigen Einrichtung zu verbinden wäre. Arbeitskontakte aller überhaupt vorhandener Melderelais wären somit zwischen diese Klemmen 20 und den jeweiligen Bezugspotentialklemmen 21 parallel, geschaltet, so daß die zentrale Meldelampe L bei Ansprechen auch nur eines der Relais A, B oder C in den einzelnen Überwachungseinrichtungen KK an Spannung gelegt wird. Bei ordnungsgemäß ansprechender Überwachungseinrichtung wird also die zentrale Meldelampe L sowie zwei der betreffenden Überwachungseinheit KK zugeordnete Lampen aufleuchten.

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Die vorstehend beschriebene 2- aus 3 Auswahl, ist in ent- · sprechender Weise auch bei Störungen in den Hegelsträngen S1 oder S3 gegeben; eine Störung im Strang S2 hätte demzufolge eine Betätigung der Relais A und B und eine Störung im Strang S3 eine. Betätigung der Relais B und C zur Folge. Selbstverständlich ist es ohne weiteres möglich, die in Mg. 1 dargestellten Relais bzw. die Punktion ihrer mit a, b und c bezeichneten Kontakte unter Verwendung der bekannten Regeln der Boole¹sehen Schaltalgebra auch durch digitale, elektronisch arbeitende Schaltglieder zu realisieren. Eine weitere Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung könnte darin bestehen, daß die in Fig. 1 in Form der zentralen Lampe L dargestellte Warneinrichtung in einem Meldereläis besteht, welches dann zur Erhöhung der Betriebssicherheit nicht von parallel geschalteten Arbeitskontakten der Relais A bis C betätigt wird, sondern von hintereinander geschalteten Ruhekontakten dieser Relais (Ruhestromprinzip). Dadurch kann die Betriebssicherheit der Anlage weiterhin gesteigert werden.

In Fig. 2 ist die Variante der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung dargestellt, welche das Prinzip der Mittelwertbildung unter gleichmäßiger Beteiligung sämtlicher jeweils auf den Mittelwertbildner einwirkender Regelstrangspannungen auch für den gestörten Fall verwirklieht. Für gleichwirkende Elemente sind hier die entsprechenden Bezugszeichen der Fig. 1 übernommen worden. Die Beaufschlagung der Grenzwertmelder 14 bis sowie der Relais A bis C erfolgt genau in gleicher Weise wie bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung; auch der sich auf die Fehlermeldung beziehende Schaltungsteil ist praktisch unverändert beibehalten worden, als zentrale Warneinrichtung könnte hier, wie dargestellt, z.B. auch eine mit H bezeichnete Hupe verwendet werden. Der wesentliche Unterschied gegenüber der

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Einrichtung in Pig. 1 besteht darin, daß die an die Eingangsklemmen 11, 12 und 13 anzuschließenden Strangspannungen den Eingangswiderständen über eine Parallelschaltung von Ruhekontakten jeweils der beiden Relais zugeführt sind, die bei Störung in dem betreffenden Strange ansprechen und daß mit einer Reihen-Parale.lschaltung von weiteren Ruhekontakten dieser Relais der Gegenkopplungswiderstand des Addierverstärkers 17 zum Teil in der Weise überbrückt wird, daß sich bei Abschaltung eines Regelstranges vom Eingang des Verstärkers, dessen Verstärkung gegenüber dem ungestörten Zustand- um den Faktor 3/2 vergrößert. '

Im ungestörten Fall sind sämtliche Relais A, B und C nicht betätigt, d.h. die ihnen zugeordneten Ruhekontakte a, b und c, geschlossen. In der Gegenkopplung des Verstärkers 17 ist somit lediglich der mit R bezeichnete Gegenkopplungswiderstand wirksam, an der Ausgangsklemme 18 erscheint deshalb die mit dem Faktor 1/3 multiplizierte Summe der drei an den Klemmen 11, 12 und 13 liegenden Eingangsspannungen. Besitzt der durch die Reihenparallelanordnung von Kontakten a bis b überbrückte Teil des Gegenkopplungswiderständes genau den halben Ohmwert des Wider-Standes R, dann wird durch Öffnung der Ruhekontakte a, c, a, b oder b, c die Summe der von zwei ungestörten Regelstrecken herrührenden Eingangsspannungen durch den Addierverstärker 17 mit dem Faktor 1/2 multipliziert und an die Ausgangsklemme 18 weitergegeben. Es tritt damit also eine verschiedene Bewichtung des Ausgangssignals des Mittelwertbildners in Bezug auf die Summe seiner Eingangssignale ein.

An der Variante gemäß Fig. 2 wird in besonders übersichtlicher Weise deutlich, wie die dort dargestellte 2- von 3¹ Auswahlüberwachungsschaltung zwanglos auf eine 3- von 4- Auswahlüberwachungsschaltung (allgemein auf eine (n-1)- von n- Auswahlüberwachungsschaltung) zu erweitern wäre. Für eine 3- von 4- Aus-

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wahl wären hierzu insgesamt 6 (allgemein n(n-1) · 1/2) Dreipunktschalter für jede mögliche Kombination von zwei Strangspannungen erforderlich und Ruhekontakte der jeweils 3 (allgemein n-1) von einer Strangspannung beeinflußbaren Relais waren sinngemäß zur Fig. 2 im Eingangs- und Gegenkopplungskreis des Addierverstärkers 17 einander parallel zu schalten. Eingangewiderstand, nicht überbrückbarer und überbrückbarer Teil des Gegenkopplungswiderstandes müßten sich dann wie 4:1:1/3 (allgemein wie n:1:i/n-1) verhalten. Ein 3- von 4- System bietet zwar bezüglich spezifischer Fehlerarten noch ein größeres Maß an Sicherheit als das 2- von 3- System, ist aber wesentlich aufwendiger, so daß sein Einsatz vorwiegend auf das Gebiet der Reaktortechnik beschränkt bleiben dürfte..

Die erfindungsgemäße Funktionsüberwachungseinrichtung wäre nun in einem Regelsystem mit drei Strängen grundsätzlich in der Weise einsetzbar, daß drei Ausgangssignale der in den drei Regelsträngen einander entsprechenden Regelkreisglieder durch nur eine Überwachungseinrichtung kontrolliert bzw. korrigiert werden und das Ausgangssignal derselben parallel den Eingängen dreier nachfolgenden signalverarbeitenden Regelkreisgliedern zugeführt wird. Damit würde aber die Überwachung nach dem 2 von 3- Auswahlprinzip die Kontroll- und Korrekturglieder selbst nicht mehr umfassen können als Folge davon, daß mit einer solchen Anordnung das Prinzip der durchweg dreikanaligen Anordnung des Regelsystems durchbrochen wäre. Es ist deshalb zweckmäßig, pro signalverarbeitendem Regelkreisglied eine Kontroll- und Korrekturschaltung vorzusehen, so daß jeweils drei Korrekturschaltungen vom Ausgang eines Regelkreisgliedes parallel beaufschlegt werden.

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Fig. 3 zeigt das Schema einer derartigen Anordnung. Die Ausgangsgrößen 1.1, 1.2 und 1.3 dreier gleichartig aufgebauter Sollwertgeber werden von einer Fernübertragungseinrichtung 2 zu den Ausgangsignalen 2.1, 2.2, 2.3 verarbeitet, welche drei Kontroll- und Korrekturglieder KK entsprechend Fig. 1 oder Fig. 2 beaufschlagen. Die Ausgänge 3.1» 3.2 und 3·3 wirken als Sollwerte auf drei mit 6 bezeichneten. Mischstellen, denen die Ausgangsgrößen 5.I₃ 5.2 und 5°3 weiterer Funktionsüberwachungsr

|. einrichtungen KK, welche in analoger Weise von drei mit 4 bezeichneten Istwertgebern beaufschlagt sind, zugeführt werden. Zur Überwachung der hinter den Mischstellen 6 sowie den mit 8 bezeichneten Reglern liegenden Regelkreisabschnitte sind jeweils weitere drei Überwachungseinriehtungen KK vorgesehen, welche eingangsseitig in entsprechender Weise mit den Ausgängen der ihnen vorgeordneten Regelkreisgl,iedern verbunden sind. Das in Fig. 3 dargestellte System gestattet eine lückenlose Überwachung und überaus leichte und eindeutige Fehlerortsbestimmung, indem, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und Figo 2 erläutert, das Auftreten einer Störung durch die zentrale Warneinrichtung gemeldet wird und der Störungsort durch die den einzelnen Regelkreisabschnitten zugeordneten Meldelampen I»1 bis L3 bestimmt

fc werden kann.

Die Überwachung parallel arbeitender legier mit Integralanteil könnte sich iasoferh als problematisch erweisen, als"befürchtet werden müßte, daß drei voneinander, unabhängige Int^gralregler durch unvermeidliche Toleranzen bei der Bildung der Regelabweichung und bezüglich des Arbeitspunktes voneinander verschiedene Ausgangsspannungen annehmen und damit auch bei ihrer an sich ordnungsgemäßen Funktion ihnen zugeordnete Ütoerwaehungsschaltungen ungewollt zma Ansprechen bringen würden«

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Die in Pig. 4 angegebene Schaltung vermeidet diesen Zustand, indem jeder der in den drei Regelstrecken angeordnete Integralregler 22, 23 und 24 durch einen mit dem Eingang der Korrekturschaltung KK verbundenen Gegenkopplungswiderstand R eine Statik erhält, welche durch eine über einen Widerstand Rm gleicher Größe vom Ausgang 18 des Mittelwertbildners abgenommenen Mitkopplung im Normalfall vollständig kompensiert wird. Die erwähnten Toleranzen wirken sich dann nur so aus, daß die AusgangsSpannungen dar drei Integralregler 22 bis 24 nur noch geringe Differenzbeträge aufweisen, welche durch eine entsprechende Justierung der Ansprechgrenzen dere Dreipunktschalter in den Kontroll- und Korrekturschaltungen KK berücksichtigt werden können. Auf diese Weise werden im ungestörten Pall die Ausgangsspannungen sämtlicher Integralregler aneinander angeglichen, während die Überwachung für den gestörten Pail, d.h. beispielsweise bei plötzlichem fehlerhaften Anstieg der Ausgangsspannung eines Reglers an den Endanschlag die bestimmungsgemäße Punktion der Überwachungsschaltung nach der zuvor beschriebenen Art gewährleistet ist.

In Pig. 5 ist ein Ausführungstfeispiel für die in den Pig. 1 und 2 mit 14 bis 16 bezeichneten Dreipunktschalter dargestellt. Dieser besteht aus einem Addierverstärker 25, dessen Eingangsklemmen 26 und 27 die miteinander zu vergleichenden Spannungen zugeführt sind. Sein Ausgang ist über ein niederohmiges Potentiometer 28 mit dem Bezugspotential verbunden, an dessen Abgriff ein Gegenkopplungswiderstand 29 angeschlossen ist. Der Gegenkopplungswiderstand 29 sowie die übrigen mit den mit - und + bezeichneten Verstärkereingängen verbundenen Widerstände sind von gMcher Größe. Der Verstärkerausgang ist über zwei in Reihe geschaltete Dioden 30,im dargestellten Beispiel Zenerdioden,

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mit dem Eingang eines Verstärkers 31 von einem derart hohen Verstärkungsgrad verbunden, daß dessen Ausgangsspannung praktisch bei einer von Null verschiedenen Eingangsspannung ihre maximale Größe in der einen oder anderen Richtung einnimmt.
Bei einer bestimmten,durch das Potentiometer 28 einstellbaren Differenz der an den Eingangsklemmen 26 und 27 anliegenden
Spannungen, wird die Sperrspannung einer der Dioden 30 überschritten, so daß in diesem Zeitpunkt das Ausgangssignal des Verstärkers 31 schlagartig an seine Ausgangsbegrenzung springt, Es kann damit also die im Blockschaltbild der Elementen 14 und 16 in Pig. 1 angedeutete Charakteristik verwirklicht werden.

7 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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-•11. Patentansprüche

(1.)Einrichtung zurFunktionsuberwachung der einzelnen Regelstränge eines analogen mehrkanaligen Regelsystems, insbesondere mit einer 2- von 3 Auswahl, mit ständigem gegen-• seitigen Vergleich der einzelnen Regelstränge und ungestörter Analogsignalweitergabe bei Ausfall eines Regelstranges, dadurch gekennzeichnet, -daß sämtliche Regelstränge (S1, S2, S3) abschaltbar denEingängen eines Mittelwertbildners (17) zugeführt sind und eingangsseitig jeweils mit zwei Regelsträngen verbundene Dreipunktschalter (H, 15» 16) Schalteinrichtungen (A, B, G) betätigen zur Abschaltung eines Regelstranges vom Eingang des Mittelwertbildners sowie zur gleichzeitigen Veränderung der Bewiehtung entweder seines Ausgangssignals oder eines seiner noch anliegenden Eingangssignale.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbildner aus einem Addierverstärker besteht, dessen Gegenkopplungswiderstand (R) oder dessen einer Eingangsgröße zugeordneter Eingangswiderstand durch die Schalteinrichtungen veränderbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreipunktschalter aus einem Addierverstärker (25), vorzugsweise veränderbarer Verstärkung besteht, dessen Ausgangsgröße über zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete Dioden (30) einen Kippverstärker (31) beaufschlagt.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch ihre abschnittsweise Verwendung in einer jeweils der Strangzahl entsprechenden Anzahl.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4 für Integralglieder enthaltende Stränge, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgröße des Mittelwertbildners (17) auf den Eingang eines Integralgliedes gegengekoppelt und die Ausgangsgröße des Mittelwertbildners auf den Eingang des Integralgliedes mitge-• koppelt ist.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß von den Schalteinrichtungen jedem Strang zu-

t geordnete Warneinrichtungen (L1, L2, L3) betätigbar sind.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß von den S'chalteinrichtungen eine zentrale Warneinrichtung (L,H) betätigbar ist.

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