DE2528548C3 - Selbstüberwachende, redundante Schaltung fur Analoggeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine redundante Schaltung mit mindestens drei parallelgeschalteten, gleichartigen Analoggeräten.

Die Zuverlässigkeit elektrischer und elektronischer Geräte und Anlagen steht in direktem Zusammenhang mit der Zahl und der Qualität der für die Erfüllung einer gestellten Aufgabe bedeutsamen Bauelemente. Dabei ist zu beachten, daß die Qualität mit vertretbaren Mitteln nicht beliebig gesteigert werden kann. Nimmt man eine solche Grenze der Qualität als von allen Elementen erreicht an, so ist die Ausfallhäufigkeit der Zahl der Bauelemente proportional. Dies führt dazu, daß in Geräten und Anlagen mit ausgedehnter und vielfältiger Informationselektronik die geforderte Zuverlässigkeit in vielen Fällen nur erreicht werden kann, indem besonders kritische Teilsysteme redundant ausgeführt werden.

Aus der Literaturstelle: Dombrowski, »Einführung in die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte und Systeme«, AEG-Telefunken-Handbücher, 1970, Seite 208 bis 210, insbesondere Bild 5/25 ist ein rc-^L dundantes System für digitale Schaltungen bekannt, das in Fig. 1 der Zeichnung wiedergegeben ist. Hierbei ist das kritische Teilsystem dreifach vorhanden; die drei gleichartigen Teile sind eingangsseitig parallel geschaltet, und von den drei Ausgangssignalen wird nur dasjenige weiterverarbeitet, welches zeitlich oder bezüglich seiner Größe in der Mitte liegt.

Die gleichartigen, digitalen Geräte 11. 12, und 13 liegen mit ihren Eingängen E₁₁; E_n und E₁₃ parallel am Haupteingang E. Von den drei Ausgängen A_n; A _I2 und A_n liegen je zwei an einem der UND-Gatter 141,15 und 16, deren Ausgänge A_XA\ A₁₅ und A₁₆ einem ODER-Gatter 17 zugeführt sind. Schalten die Ausgänge der digitalen Geräte 11,12,13 zeitlich gestaffelt von O auf L, so folgt der Hauptausgang A stets dem zweiten Signal. Dies ist immer richtig, sofern nicht mehr als eines der Geräte 11 bis 13 ausgefallen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine selbstüberwachende, redundante Schaltung für proportional und integral arbeitende analoge Geräte anzugeben, bei denen mindestens drei gleichartige Analoggeräte parallel geschaltet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Analoggeräte sowohl mit einer Auswählschaltung, die aus den Ausgangsgrößen der Analoggeräte eine einzige auswählt und zur Weiterverarbeitung weiterleitet, als auch mit einem der beiden Eingänge einer der Zahl der Analoggeräte gleichen Anzahl von Differenzverstärkern verbunden ist, daß die zweiten Eingänge der Differenzverstärker mit dem Ausgang der Auswahlschaltung und daß die Ausgänge der Differenzverstärker mit einer Meldeeinrichtung verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es, proportionale Analoggeräte redundant auszulegen.

Eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Differenzverstärker sowohl mit der Meldeeinrichtung als auch mit den Eingängen des ihnen zugeordneten Analoggerätes verbunden sind und einen Gegenkopplungszweig bilden.

Diese Lösung gestattet es, ein redundantes System für integral arbeitende Analoggeräte aufzubauen.

Eine Weitergestaltung dieser Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärker nur zu einem derart geringen Teil ihres maximalen Ausgangshubes ausgesteuert sind, daß bei Ausfall eines der gleichartigen Analoggeräte und damit verbundener Vollaussteuerung des zugehörigen Differenzverstärkers eine beträchtliche und damit leicht auswertbare Änderung des Aussteuerungszustandes in der Miildeeinrichtung erfolgt.

Mit dieser Ausführung ist sichergestellt, daß der Ausfall eines der nicht-führenden Geräte in einer Meldeeinrichtung zwangsläufig erfaßt und angezeigt wird.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 2 das Blockschaltbild einer redundanten Schaltung für analog arbeitende Geräte,

Fig. 3 eine verbesserte redundante Schaltung für analog arbeitende Geräte mit proportionalem und in-

tegralem Verhalten.

Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbi'd zeigt die Übertragung des Prinzips eines redundanten Systems für digitale Schaltungen auf analog arbeitende Geräte. Von den drei Ausgangswerten A₁; A₂ und A₃ wird mittels einer Diodenbrücke 41 der größte und der kleinste Wert von Unikehrverstärkern 42 und 43 erfaßt und in einem Summierverstärker 44 von der Summe der Ausgangswerte A₁ + A₂ + A₃ subtrahiert, so daß der Ausgang A des Summierverstärkers 44 den mittleren der drei Werte annimmt. Auch dieser ist bei höchstens einem Teilausfall immer richtig. Dieses redundante System würde für sich allein noch keine nennenswerte Erhöhung der Zuverlässigkeit bewirken, da bereits beim zweiten Teilausfall ein Ausfall des Gesamtsystems möglich wäre und sich die Zahl der Elemente zudem verdreifacht hat. Es muß deshalb noch sichergestellt werden, daß bereits der erste Teilausfall selbsttätig gemeldet wird und bei der nächsten Wartung behoben werden kann, wobei vorausgesetzt wird, daß die Wartungsintervalle klein gegenüber dem mittleren Ausfallintervall sind, was als erfüllt angesehen werden kann. Handelt es sich bei den Analoggeräten 1,2, und 3 um proportional wirkende, wie dies bei Meß- und Steueraufgaben immer der Fall ist, so kann die zu fordernde Selbstüberwachung in der Weise verwirklicht werden, daß die Teilausgänge A₁ bis A₃ mit dem Hauptausgang A verglichen werden und bei größerer Abweichung eines der drei Teilamgänge vom Hauptausgang A Alarm gegeben wird.

Eine derartige Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt, bei der die Verstärker 5,6 und 7 sowie die Einrichtung Zur Höchst- und Tiefstwert-Auswahl entsprechend der Fig. 2 in einem gemeinsamen Block 4 zusammengefaßt sind. Die Differenzverstärker S, 6, 7 vergleichen an ihren Differenzeingängen die Teilausgänge A₁ bis A₃ der redundanten Analoggeräte 1 bis 3 mit dem ausgewählten Ausgang A der Auswählschaltung 4. Von den drei Ausgängen A₅, A₆ und A₁ der Differenzverstärker 5,6 und 7 wird einer immer exakt auf Null liegen, während die beiden anderen im Rahmen der Toleranz der Analoggeräte 1 bis 3 geringfügig von Null abweichen. Bei Ausfall eines der Analoggeräte 1 bis 3 wird der zugehörige Ausgang A₁, A₂ oder A₃ in die eine oder andere Endlage gehen, während der ausgewählte Ausgang A den richtigen Wert behält. Demzufolge geht auch der zugehörige Ausgang A₅, A₆ oder A₁ in die eine oder andere Endlage und meldet damit den Ausfall.

Bei integral wirkenden Geräten, wie sie in Regeleinrichtungen vorwiegend verwendet werden, entspricht die Ausgangsgröße dem Zeitintegral der Eingangsgröße. Das bedeutet, daß beliebig kleine Eingangsgrößen nach hinreichender Zeit in der Lage

ίο sind, den Ausgang voll durchzusteuern, so daß sich ein stabiler Zustand außerhalb der Endlagen nur im geschlossenen Gegenkopplungskreis einstellen kann. Das bedeutet weiterhin, daß sich die bisher beschriebene Anordnung aus zwei Gründen nicht auf integral wirkende Geräte übertragen läßt:

1. die beiden nicht-führenden Geräte befinden sich nicht im geschlossenen Kreis und wurden in entgegengesetzte Endlagen abwandern. Bei Ausfall des führenden Gerätes müßte das zur Übernähme der Führung geeignete Gerät aus dem

Zustand der Übersteuerung in den Arbeitsbereich zurückgeholt werden. Dazu ist ein bestimmtes Produkt aus Regelabweichung und Zeit erforderlich, so daß der Führungswechsel problematisch und nicht stoßfrei möglich wäre,

2. der Ausfall eines der nicht-führenden Geräte wird nicht zwangsläufig bemerkt.

Die in Fig. 3 gestrichelt dargestellte Verbindung der Ausgänge der drei Differenzverstärker 5, 6,7 mit den Eingängen der Analoggeräte 1, 2, 3 mit Integralverhalten zu einem Gegenkopplungskreis stellt sicher, daß die Ausgänge der nicht-führenden Geräte in den Arbeitsbereich und in die Nähe des Wertes des führenden Ausgangs zurückgeholt werden, so daß ein Führungswechsel unproblematisch und stoßfrei vor sich gehen kann. Eine Anwendung der redundanten, analogen Schaltung auf Geräte mit Integralverhalten ist somit möglich.

Der Einfluß des Gegenkopplungskreises braucht

dabei nur so groß zu sein, daß er in der Lage ist, die Toleranzen der Bauelemente der nicht-führenden Geräte gegenüber dem führenden mit Sicherheit zu kompensieren, wobei es genügt, die Bauteile der ersten Verstärkerstufe der Geräte 1 bis 3 zu berücksichtigen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Redundante Schaltung mit mindestens drei parallelgeschalteten, gleichartigen Analoggeräten, dadurch gekennzeichnet, daß die Analoggeräte (1,2,3) sowohl mit einer Auswählschal-

. tung (4), die aus den Ausgangsgrößen der Analoggeräte (1, 2, 3) eine einzige auswählt und zur Weiterverarbeitung weiterleitet, als auch mit einem der beiden Eingänge einer der Zahl der Analoggeräte (1,2,3) gleichen Anzahl von Differenzverstärkern (5, 6, 7) verbunden ist, daß die zweiten Eingänge der Differenzverstärker (5, 6, 7) mit dem Ausgang der Auswählschaltung (4) und daß die Ausgänge der Differenzverstärker (5, 6, 7) mit einer Meldeeinrichtung (8) verbunden sind.

2. Redundante Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Differenzverstärker (5, 6, 7) sowohl mit der Meldeeinrichtung (8) als auch mit den Eingängen des ihnen zugeordneten Analoggerätes (1 bzw. 2 bzw. 3) verbunden sind und dadurch ein Gegenkopplungszweig gebildet wird.

3. Redundante Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärker (5 bis 7) nur zu einem derart geringen Teil ihres maximalen Ausgangshubes angesteuert sind, daß bei Ausfall eines der gleichartigen Analoggeräte (1 bis 3) und damit verbundener Vollaussteuerung des zugehörigen Differenzverstärkers (5 bis 7) eine beträchtliche und damit leicht auswertbare Änderung des Aussteuerungszustandes in der Meldeeinrichtung (8) erfolgt.

4. Redundante Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswählschaltung (4) aus einer Diodenbrücke (41) mit nachgeschalteten Umkehrverstärkern (42, 43) und einem Summierverstärker (44), der eingangsseitig mit den Ausgängen der Analoggeräte (1,2,3) und den Ausgängen der Umkehrverstärker (42,43) verbunden ist und an dessen Ausgang die mittlere der drei Ausgangsgrößen der Analoggeräte (1, 2, 3) zu entnehmen ist, besteht. *