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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines zu einer logischen Steuereinheit gehörenden Zeitgebers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei bekannten Zeitgebern empfängt dieser an seinem Eingang ein logisches Steuersignal, d. h. ein Signal, welches durch einen definierten Zustand "O" und durch einen definierten Zustand "1" gekennzeichnet ist. An seinem Ausgang liefert der Zeitgeber ein entsprechendes logisches Signal. Normalerweise befindet sich sowohl der Eingang als auch der Ausgang des Zeitgebers im Zustand "0", was "Abwesenheit eines Steuersignals" und damit keine Auslösung einer Schutzmaßnahme bedeutet. Sobald am Eingang ein Steuerbefehl eintrifft, geht der Eingang in den Zustand "1" über und damit beginnt das Zählen während einer Verzögerungszeit, die im allgemeinen innerhalb eines gewissen Bereiches einstellbar ist. Während des Zählens verbleibt der Ausgang noch im Zustand "0". Wenn das Steuersignal wieder verschwindet, ehe das Zählen beendet ist, dann verbleibt der Zeitgeber auf Null, d. h. im Anfangszustand. Wenn dagegen das Steuersignal anhält, dann erscheint das Signal "Zeitende", d. h. der Ausgang geht in den Zustand "1" über. Der Ausgang verbleibt im Zustand "1" solange das Steuersignal anhält und beim Verschwinden des Steuersignals geht der Ausgang auf Null zurück und der Zeitgeber befindet sich wieder in seinem Anfangszustand.
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Bei der Betrachtung der Folgen von möglichen Störungen in der Funktionsfähigkeit eines Zeitgebers unterscheidet man zwei Fälle:
- a) das Signal "Zeitende" erscheint am Ausgang mit einer Verzögerung, welche kürzer ist als die eingestellte Verzögerungszeit, also zu früh, oder es erscheint ständig, unabhängig vom Steuersignal;
- b) das Signal "Zeitende" erscheint am Ausgang mit einer Verzögerung, welche länger ist, als die eingestellte Zeit, also zu spät, oder es erscheint überhaupt nicht.
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Die Störungen des Falles a) werden als sicher bezeichnet, da sie die Sicherheit der kontrollierten Anlage nicht beeinträchtigt, obwohl sie Sicherheitsmaßnahmen auslösen. Das Vorhandensein solcher Störungen wird außerdem durch die erfolgte Auslösung sofort offenbar.
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Die Störungen des Falles b) dagegen werden als "nicht sicher" bezeichnet, da sie keine Sicherheit für die kontrollierte Anlage bieten, denn eine Sicherheitsmaßnahme wird zu spät oder gar überhaupt nicht ausgelöst. Diese Störungen des Falles b7 können nur durch entsprechende Überprüfungsmaßnahmen festgestellt werden, mittels welcher der Steuerbefehl und das zeitgerechte Erscheinen des Signals "Zeitende" simuliert werden.
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Andererseits ist bekannt, daß die Überprüfung eines Elements in nahen Zeitabschnitten, die praktisch akzeptabel sind, die Verläßlichkeit einer solchen Betriebsüberwachung bedeutend erhöht. Aus solchen Betrachtungen weiß man um die Bedeutung der Überprüfung der fundamentalen Elemente eines Schutzsystems.
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Bei den bekannten, normalerweise in der Technik verwendeten logischen Systemen ist die Überprüfung der Zeitgeber, ganz gleich ob von Hand oder automatisch betrieben, nur in der Weise möglich, daß der Zeitgeber vom Normalbetrieb abgeschaltet wird, so daß während der Überprüfung dessen Funktion, nämlich die Auslösung einer Schutzmaßnahme beim Erscheinen des Signals "Zeitende", unterbrochen ist. Es besteht nun aber die Möglichkeit, daß die Auslösung einer Schutzmaßnahme gerade während der Überprüfung des Zeitgebers erforderlich wird, also während einer Zeit, während der das logische System ganz oder teilweise abgeschaltet ist. Außerdem kann infolge einer Störung am Zeitgeber oder im logischen System der Ausfall des Schutzes zu einem Dauerzustand werden, so daß der Vorteil der Verläßlichkeit, der mittels der periodischen Überprüfung erreicht werden soll, entfällt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit eines zu einem logischen Steuersystem gehörenden Zeitgebers zu schaffen und so auszubilden, daß die Überprüfung des Zeitgebers auf seine Funktionsfähigkeit auch während des Betriebs des logischen Steuersystems ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Auf diese Weise kann während des normalen Betriebs des logischen Steuersystems eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Zeitgebers stattfinden, ohne daß dabei die Sicherheit der Auslösung von Schutzmaßnahmen währenddessen beeinträchtigt ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im folgenden ist die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Überprüfungsvorrichtung,
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Fig. 2 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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Fig. 3 und 4 Diagramme, welche schematisch den Verlauf der in der Vorrichtung nach Fig. 2 vorhandenen Signale darstellen.
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Der Erläuterung der Erfindung werden folgende Betrachtungen vorausgeschickt. Abgesehen von den eventuell vorhandenen Zeitgebern ist ein logisches Automatisierungssystem durch Endorgane gekennzeichnet, die eine eigene Verzögerungszeit zwischen dem Steuersignal und dem Ansprechen aufweisen.
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Zum Beispiel ist ein elektrisches System, das auf eine Anlage über ein Relais wirkt, nicht in der Lage, eine Schutzmaßnahme auszulösen, wenn das elektrische Steuersignal der Relaisspule nicht für die zum Ansprechen des Relais erforderliche Mindestzeit anhält; diese Mindestzeit liegt im Bereich von Millisekunden.
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Wenn T r die Mindestzeit zum Ansprechen der Endorgane ist, dann kann irgendein Impulssignal, dessen Dauer geringer als T r ist, sicher keine Schutzmaßnahme im System auslösen. Es ist also möglich, Impulse von geringer Dauer zum Überprüfen der Wirksamkeit der verschiedenen Teile des Systems zu verwenden, ohne Gefahr zu laufen, daß unechte Auslösungen erfolgen. Es genügt, wenn die zu überprüfenden Teile auf Impulse von kurzer Dauer ansprechen, wie im Falle von operativen Signalen.
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Während dies im allgemeinen in logischen Schaltkreisen der Fall ist, welche die normalen logischen binären Operationen, wie Summe, Produkt, Umkehrung und Kombinationen daraus, ausführen, ist der Zeitgeber seiner Natur entsprechend nicht in der Lage, einen Ausgang für einen Impulssteuerbefehl zu geben, da ja seine Aufgabe gerade darin besteht, die Dauer und damit die Glaubhaftigkeit eines Steuersignals zu prüfen.
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Die Erfindung besteht nun im wesentlichen in einer Vorrichtung, welche in Verbindung mit dem Zeitgeber die Überprüfung des letzteren mittels kurzzeitigen, dem tatsächlichen Signal überlagerten Impulsen gestattet, welche die gleiche Verarbeitung erfahren.
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Fig. 1 zeigt, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung D in logischer Weise mit dem Zeitgeber T im Rahmen einer logischen Steuereinheit verbunden ist.
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Das von einer logischen Steuereinheit L&min; kommende Eingangssignal I kann das tatsächliche Steuersignal C&min; des Zeitgebers T oder ein Prüfimpuls C t sein. Die empfangene Überprüfungsvorrichtung D erzeugt das Signal C&min;&min; für den Zeitgeber T, dessen Ausgang U in einer logischen Steuereinheit L&min;&min; verwendet wird und außerdem in die Vorrichtung D zurückkehrt. Die Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Zeitgebers T (und der mit ihm gekoppelten Vorrichtung D) erfolgt mittels an sich bekannter logischer Mittel M dadurch, daß kontrolliert wird, ob nach der voreingestellten Zeit T t , die durch T gezählt wird, am Ausgang U ein Ausgangsimpuls U t erscheint. Ist dies nicht der Fall, dann ist das Prüfelement unwirksam und muß repariert oder ausgewechselt werden. Dies wird durch ein Alarmsignal All. gemeldet.
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Der Ausgangsimpuls U t ist als Prüfimpuls eines eventuellen analogen, in der logischen Steuereinheit L&min;&min; vorhandenen Elements verwendbar.
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Fig. 2 stellt eine bevorzugte elektronische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. In der Schaltungsanordnung dieser Vorrichtung werden einige logische Glieder bzw. Gatter verwendet, welche in positiver Logik (Zustand "1" entsprechend dem höheren Spannungspegel) die Funktion Summe und Neigung (NOR) und in negativer Logik (Zustand "0" entsprechend dem niedrigen Spannungspegel) die Funktion Produkt (oder Koinzidenz) und Neigung (NAND) ausführen und die mit den in der Technik bekannten Symbolen bezeichnet sind.
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Diese Tore gehören im dargestellten Beispiel zu komplementären integrierten MOS-Schaltungen. Die gleichen Funktionen könnten aber auch von anderen an sich bekannten logischen Schaltkreisen anderer Art ausgeführt werden.
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Die Anordnung besteht im wesentlichen aus zwei Teilen:
T = Zeitgeber, welcher die mit B bezeichneten logischen Glieder, die integrierten binären Zähler C und die dazugehörigen Schaltelemente enthält;
D = Überprüfungsvorrichtung gemäß der Erfindung mit den logischen Gliedern A und den dazugehörigen Schaltelementen.
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Beim Zeitgeber T handelt es sich beispielsweise um eine digitale Ausführungsform. Der Steuerbefehl am Eingang C&min;&min; wirkt auf die Anschlußklemme R im Sinne der Ruhestellung des Zählers C. Solange ein hoher Spannungspegel herrscht, ist der Zähler auf Null gehalten. Bei einem Steuerbefehl mit niedrigem Spannungspegel wird der Zähler freigegeben und es beginnt die Zählung. Die logischen Glieder B ( 1-2-3) und B (5-6-4) stellen einen astabilen Multivibrator dar, der schwingen und dem binären Teiler-Zähler Vorwärtsimpulse liefern kann, solange der Ausgang Q des Zählers gleich der höchsten binären Ziffer auf niedrigem Pegel bleibt. Die Zählzeit T t des Zeitgebers T ist proportional zur Periode des Multivibrators, die durch P einstellbar ist, und zur Anzahl der erforderlichen Impulse, um den Ausgang Q auf den hohen Pegel zu bringen. Sobald der Pegel am Ausgang Q hoch ist, wird der Zähler blockiert, über R 1 wird C 2 aufgeladen und damit der Ausgang U der aus den logischen Gliedern B (8-9-10) und B (12-13-14) bestehenden Schwellenschaltungen auf den hohen Pegel umgeschaltet. Wenn das Eingangssignal C&min;&min; wieder verschwindet, kann der Multivibrator wieder wirksam werden, C 2 entladet sich und das Ausgangssignal U verschwindet.
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Die Überprüfungsvorrichtung D besteht in seiner bevorzugten Ausführungsform aus:
- - einem ersten logischen Schaltkreis, der dem Zeitgeber T das Steuersignal C&min;&min; aus der Summe des verzögerten Eingangsignals IR und eines weiteren sogenannten "Selbsthaltesignals" AU (im Beispiel das logische Glied A mit Ausgang 3 und Eingang 1 für IR und 2 für AU) liefert;
- - einem zweiten logischen Schaltkreis, der sofort ein " Befähigungssignal" aus dem Produkt des Steuersignals mit dem negierten Signal des Ausgangssignals des Zeitgebers (im Beispiel die Diode D 2 mit dem Widerstand R 5, wobei das Befähigungssignal AB als Produkt in negativer Logik erzeugt wird) erzeugt;
- - einem dritten logischen Schaltkreis, der das " Selbsthaltesignal" AU für das erste logische Element aus dem Produkt des genannten Befähigungssignals AB mit dem negierten Signal des Eingangssignals I (also das Signal, das beim Verschwinden des Eingangssignals erscheint) (im Beispiel das logische Glied A (5-6-4), erzeugt;
- - einem ersten Verzögerungsglied, das beim Erscheinen des Ausgangssignals des Zeitgebers nach Ablauf der Zeit T t das Erscheinen des genannten Befähigungssignals AB um die Zeit T 3 verzögert (im Beispiel der Widerstand R 3, parallel zur Diode D 3, mit C 3, der sich in der Zeit T 3 wiederaufladet), wobei die Zeit T 3 kleiner ausgelegt ist als T r (= Mindestverzögerungszeit bis zum Ansprechen der Endorgane);
- - einem zweiten Verzögerungsglied, das das Eingangssignal um die Zeit T 4 verzögert (im Beispiel R 4 und C 4).
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Das Selbsthaltesignal AU verschwindet nach einer Zeit, die der gewünschten Länge für den Antwortimpuls U t auf das Prüfimpulssignal C t am Eingang entspricht (siehe auch Fig. 1).
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nachstehend mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 näher beschrieben, worin die verschiedenen Signale mittels des diesbezüglichen Spannungspegels (oberer Pegel S und unterer Pegel I in bezug auf die Schaltwelle) und der diesbezüglichen Bedeutung ("0" oder "1") angegeben sind. In der Fig. 3 ist die Wirkungsweise während eines Prüfzyklus gezeigt. C t ist der Prüfimpuls, dessen Dauer geringer ist als T r . Es ist klar, daß auch bei anderen Impulssignalen irgendwelcher Herkunft, aber mit geringerer Dauer als T t , die Vorrichtung sich in gleicher Weise verhält, d. h. sie liefert nur einen Impuls U t mit Dauer Dauer T 3, der nicht imstande ist, ein Ansprechen auf Endorgane hervorzurufen. Dies ist normalerweise in jedem Falle akzeptabel. Die Zeit T t beginnt, wenn ein Signal ankommt, während ein Prüfzyklus im Gange ist. Während das Signal IR noch nicht vorhanden ist, wird durch das am dritten logischen Schaltkreis schon vorhandene Eingangssignal (im Beispiel das logische Glied A -5-6-4) das Selbsthaltesignal AU weggenommen, wodurch das Steuersignal C&min;&min; für die Zeit T 4 weggenommen wird und der Zeitgeber auf Null gestellt und für eine neue Zählung bereit gemacht wird. Falls man auf diese für die Sicherheit des Systems nicht wesentliche Eigenschaften verzichten will, so kann man die Vorrichtung durch Weglassen des zweiten Verzögerungsgliedes und des dritten logischen Schaltkreises vereinfacht werden, da das Befähigungssignal AB und das Selbsthaltesignal AU vom logischen Standpunkt aus zusammenfallen können (im Beispiel kann der Eingang 5 des logischen Gliedes A direkt mit dem Eingang verbunden sein, oder auf konstanten Nullpegel eingestellt sein). Die Zeit T 5, die sich aus der physischen Notwendigkeit einer bestimmten Zeit zur Änderung des Energiepegels von C 3 ergibt, kann beliebig gewählt werden, wobei aber die Entkopplung der Singale U und C&min;&min; und T 4 + T 5 = kleiner als C t sichergestellt bleiben muß. Die beim Ausgangsimpuls entsprechende Zeit T 3 könnte auch beliebig gewählt werden, sie muß aber kleiner als T r sein und vom logischen Kontrollsystem M erkennbar sein.
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Die Wahl von T 3 = C t gestattet es aber, mehrere Vorrichtungen der gleichen Type in Kaskadenform zu überprüfen, womit der letzte der eingangs angeführten Erfindungszwecke erfüllt wird.
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Im Überprüfungsfall wird also ein kurzer Prüfimpuls C t als Eingangssignal I der Schaltungsanordnung zugeführt. Der Prüfimpuls C t wird durch das zweite Verzögerungsglied (R 4, C 4) um die Zeit T 4 verzögert. Das Steuersignal befindet sich nach diesem Zeitpunkt auf niederem Spannungspegel der Zähler wird freigegeben und die Zählung beginnt. Nach der ( einstellbaren) Verzögerungszeit T t des Zeitgebers T wird am Ausgang U ein Impuls U t mit der Zeitdauer T 3, die durch den ersten Verzögerer (D 3, R 3, C 3) bestimmt wird, festgestellt. Am Ende des Ausgangsimpulses U befindet sich das Steuersignal C&min;&min; auf hohem Spannungspegel und der Zahlbefehl ist unterbrochen. Dabei muß die Dauer des Prüfimpulses C t und die Zeitdauer T 3 des Ausgangsimpulses U t kleiner sein als die Mindestverzögerungszeit T r bis zum Ansprechen der Endorgane. Unter diesen Bedingungen wird der Zeitgeber T zwar wie bei einer echten Steuerung angesteuert, jedoch erfolgt keine tatsächliche Steuerung, da die o. g. Zeiten kürzer als die tatsächlichen Ansprechzeiten sind. Trotzdem ist aber die Funktionsfähigkeit des Zeitgebers T dadurch festgestellt, daß an seinem Ausgang U innerhalb der Zeit T t auch tatsächlich ein Signal erscheint und dieses wiederum in die Schaltungsanordnung D das Ende des Prüfungsvorganges durch das Ende des Steuersignals C&min;&min; angezeigt wird.
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In der Fig. 4 ist die Wirkungsweise bei einem tatsächlichen Steuerbefehl dargestellt. Wenn der Steuerbefehl die genügende Dauer C hat, dann hat das mit Verzögerung am Ausgang erscheinende Signal die Dauer U = C + T 4 - (T t + T 4) = C - T t-.
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Man kann also sehen, daß alle "nicht sicheren" Störungen des Zeitgebers T und der Prüfvorrichtung D durch die Prüfvorrichtung selbst festgestellt werden können, indem in der angegebenen Weise die Prüfung wiederholt durchgeführt wird.