DE2744941A1 - Verfahren und einrichtung zur ueberwachung eines stellungsreglers auf stoerungen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur ueberwachung eines stellungsreglers auf stoerungen

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DE2744941A1 DE19772744941 DE2744941A DE2744941A1 DE 2744941 A1 DE2744941 A1 DE 2744941A1 DE 19772744941 DE19772744941 DE 19772744941 DE 2744941 A DE2744941 A DE 2744941A DE 2744941 A1 DE2744941 A1 DE 2744941A1
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B9/00—Safety arrangements
    • G05B9/02—Safety arrangements electric

Description

-5- 27U941
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Stellungsreglers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das Übertragungsverhalten eines idealen Stellungsreglers entspricht dem eines P-Gliedes, d.h. bei einem Sprung des Eingangsignales ändert sich das Ausgangssignal des Stellungsreglers ebenfalls sprungförmig. Bei einem Stellungsregler der eingangs genannten Art stellt sich dagegen das Ausgangesignal aufgrund des integrierend wirkenden Anteils im Übertragungsverhalten des Stellantriebes, z.B. eines Elektromotors, bei einem Sprung des EingangsSignaIs mit Zeitverzögerung auf den durch die Höhe des Sprunges des Eingangseignale vorgegebenen Wert ein. Dabei wird der Stellantrieb solange angesteuert, bis das Ausgangssignal des Stellungereglers gleich seinem Eingangssignal geworden ist. Ua Störungen derartiger Stellungsregler möglichst frühzeitig erkennen zu können, werden Überwachungseinrichtungen verwendet, die beim Abweichen des rückgemeldeten Ausgangssignal8 von dem Eingangssignal eine Störungsmeldung abgeben. Eine derartige Überwachungseinrichtung, auf die sich die Erfindung bezieht, ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 41 438 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Stellungsregler dient ein Elektromotor als Stellantrieb. Da nach einem Sprung des als Führungsgröße für den
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Stellungeregier dienenden Eingangssignals auch bei störungsfreiem Betrieb des Stellungsreglers das Ausgangssignal für eine gewisse Zeit von dem Eingangssignal abweicht, ist in der bekannten überwachungseinrichtung eine Einrichtung vorgesehen, die bei einem Sprung der Führungsgröße die überwachungseinrichtung vorübergehend ausschaltet. Diese Einrichtung besteht aus einem Differenzierglied und einem Schwellwertschalter. Da die Aueschaltzeit einerseits von der Geschwindigkeit des Stellmotors und andererseits von der Höhe des Sprunges des Eingangssignale abhängt, müssen die Parameter des Differenziergliedes und des Schwellwertschalters an die Geschwindigkeit des jeweils verwendeten Stellmotors angepaßt werden, damit die Ausschaltzeit der Überwachungseinrichtung weder zu klein noch zu groß wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch nach einem Sprung der Führungsgröße eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des Stellungsreglers gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet und Weiterbildungen der Einrichtung nach dem Patentanspruch 2 in den Patentansprüchen 3 und 4.
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Die Erfindung wird im folgenden mit ihren Einzelheiten und Vorteilen anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
Figur 1 das Blockschaltbild eines Stellungsreglers und
eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 eine Verknüpfungseinrichtung für die Ausgangssignale der beiden in Figur 1 dargestellten Schwellwertschalter.
Die Figur 1 zeigt einen Stellungsregler und eine überwachungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild. Dem Stellungsregler 1 ist über einen Verstärker 2 mit kurzschlußfestem Ausgang und mit dem Verstärkungsfaktor V ■ +1 als Führungsgröße das Eingangssignal y zugeführt. Das Eingangssignal y ist dem einen Eingang eines Vergleichers 3 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Verstärker 4- verbunden ist. Der Verstärker 4 steuert einen Motor 5 an« mit dessen Welle ein Stellventil 6, ein Drehwinkelmeßumformer 7 und ein Tachogenerator 8 mechanisch verbunden sind. Der Drehwinkelmeßumformer 7 formt die Stellung der Welle des Motors 5i die das Ausgangssignal des Stellungsreglers 1 bildet, in ein Signal y um, das in gegenkoppelndem Sinn auf den anderen Eingang des Vergleichers 3 geschaltet ist. Der Verstärker 4 steuert den
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Motor 5 solange an, bis das in das Signal y umgeformte Ausgangssignal des Stellungsreglers 1 gleich dem als Führungsgröße dienenden Eingangssignal y_ ist. Das Übertragungsverhalten des Motors 5 weist einen integrierend wirkenden Anteil auf. Daraus ergibt sich, daß das Signal y dem Eingangssignal y_ nicht unverzögert folgen kann. Das Ausgangssignal des Tachogenerators 8 ist ein Maß für die Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors 5 und somit die erste zeitliche Ableitung y des Ausgangssignals des Stellungsreglers 1. Bei einer Änderung des Eingangssignals y_ entspricht das Vorzeichen der Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors 5 und damit auch das Vorzeichen des Signals y dem Vorzeichen der Änderung des Eingangssignals y . Die erste zeitliche Ableitung y des Ausgangssignals des Stellungsreglers 1 läßt sich auch durch Differenzieren des Signals y erhalten.
Die Signale y , y und y sind einer Überwachungseinrichtung zugeführt. Ein Vergleicher 10 bildet die Differenz zwischen den Signalen y und y_. Das Differenzsignal y - y_ ist einem Schwellwertschalter 11 mit zwei Ausgängen 11 und 11_ zugeführt. Das Signal am Ausgang 11 nimmt den logischen Zustand H an, wenn das Differenzsignal y - y_ positiv und sein Betrag größer als die einstellbare Schwelle G1 des Schwellwertschalters 11 ist. Für die übrigen Werte des Differenzsignals y - y_ nimmt das Signal am Ausgang 11 den
S +
logischen Zustand L an. Das Signal am Ausgang 11_ nimmt den logischen Zustand H an, wenn das Differenzsignal y - yc
's 909816/0086
negativ und sein Betrag größer als die einstellbare Schwelle G1 des Schwellwertschalters 11 ist. Pur die übrigen Werte des Differenzsignals y - y nimmt der Ausgang 11 den logischen Zustand L an. Die Schwelle G1 ist auf einen Wert eingestellt, der in der Größenordnung von 3 % des gesamten Stellbereichs des Stellungsreglers 1 liegt.
Das Signal y ist einem Schwellwertschalter 12 mit zwei Ausgängen 12 und 12_ zugeführt. Das Signal am Ausgang 12 nimmt den logischen Zustand H an, wenn das Signal y positiv und sein Betrag größer als die einstellbare Schwelle G2 des Schwellwertschalters 12 ist. Pur die übrigen Werte des Signals y nimmt das Signal am Ausgang 12 den logischen Zustand L an. Das Signal am Ausgang 12_ nimmt den logischen Zustand H an, wenn das Signal y negativ und sein Betrag größer als die einstellbare Schwelle G2 ist. Pur die übrigen Werte des Signals y nimmt der Ausgang 12_ den logischen Zustand L an. Die Schwelle G2 ist kleiner als die Drehgeschwindigkeit des Motors 5 gewählt, so daß bei ungestörtem Betrieb des Motors 5 je nach der Drehrichtung entweder das Signal am Ausgang 12 oder am Ausgang 12_ den logischen Zustand H annimmt.
Die Ausgänge 11 , 11_, 12 , 12_ der Schwellwertschalter 11 und sind mit den Eingängen einer Verknüpfungseinrichtung 13 verbunden, die an sich bekannte Gatter zur logischen Verknüpfung der der Verknüpfungseinrichtung 13 zugeführten Signale enthält. Die beiden Ausgänge 11 und 11_ sind mit den Eingängen eines ODER-Gatters 14 verbunden und die beiden Ausgänge 12+ und 12_ mit den
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Eingängen eines NOR-Gatters 15· Die Ausgänge 11 und 12 sind mit den Eingängen eines Äquivalenz-Gatters 16 verbunden und die Ausgänge 11_ und 12_ mit den Eingängen eines Äquivalenz-Gatters 17< Den Äquivalenz-Gattern 16 und 17 ist ein ODER-Gatter 18 nachgeschaltet. Dem NOR-Gatter 15 und dem ODER-Gatter 18 ist ein ODER-Gatter 19 nachgeschaltet. Der Ausgang des UND-Gatters 20 ist sowohl der Ausgang der Verknüpfungseinrichtung 13 als auch derjenige der Überwachungseinrichtung 9· Ein Η-Signal am Ausgang der Überwachungseinrichtung 9 signalisiert eine Störung des Stellungsreglers 1 und auch eine Störung im Bereich zwischen der Abgriffstelle 21 für das Signal y_ und dem Eingang des Stellungsreglers 1 bzw. im Bereich zwischen der Abgriffstelle 22 für das Signal y und dem Stellungsregler 1.
Bei der Erläuterung der Wirkungsweise der überwachungseinrichtung 9 wird zunächst davon ausgegangen, daß sich das Eingangssignal y_ über einen längeren Zeitraum nicht geändert hat, d. h. das Signal y ist gleich dem Eingangssignal y_ und das Signal y ist Null, da die Welle des Motors 5 stillsteht. Da in diesem Betriebszustand sowohl das Differenzsignal y - y_ kleiner als die einstellbare Schwelle G1 ist und auch das Signal y kleiner als die einstellbare Schwelle G2 ist, steht an den Ausgängen 11 , 11_, 12 und 12_ ein L-Signal an. Damit steht auch am Ausgang des ODER-Gatters 14 ein L-Signal an, das dem UND-Gatter 20 zugeführt ist. In dem angenommenen Betriebszustand steht zwar am Ausgang des ODER-Gatters 19 ein H-Signal an, wegen des L-Signals am Ausgang des ODER-Gatters 14 steht
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am Ausgang des UND-Gatters 20 jedoch ein L-Signal an, das einem störungsfreien Betrieb des Stellungsreglers 1 entspricht. Ändert sich jetzt das Eingangssignal y„ sprungförmig um einen positiven Wert, so dreht sich die Welle des Motors 5 in positiver Richtung bis wieder das Signal y gleich dem Eingangssignal y_ ist. Während dieses NachlaufVorganges steht am Ausgang 11_ ein Η-Signal an, da das Differenzsignal y - yo negativ und sein Betrag größer als die Schwelle G1 ist, und an dem Ausgang 12+ ein Η-Signal, da das Signal y positiv und sein Betrag größer als die Schwelle G2 ist. An den Ausgängen 11 und 1?_ steht jeweils ein L-Signal an. Damit steht zwar am Ausgang des ODER-Gatters 14- ein Η-Signal an, jedoch steht am Ausgang des ODER-Gatters 19 ein L-Signal an, da jeweils an dem Ausgang des NOR-Gatters 15, des Äquivalenz-Gatters 16 und des Äquivalenz-Gatters 17 ein L-Signal ansteht. Am Ausgang des UND-Gatters 20 steht somit auch während des Nachlaufvorganges ein L-Signal an, das einem störungsfreien Betrieb des Stellungsreglers 1 entspricht.
Als Beispiel für einen ersten Störungsfall wird angenommen, daß der Stellantrieb während des oben beschriebenen Nachlaufvorganges blockiert. Dadurch wird das Signal y zu Null während weiterhin das Differenzsignal y - y_ negativ und sein Betrag größer als die Schwelle G1 bleibt. An den Ausgängen 12 und 12 steht jetzt ein L-Signal an, an dem Ausgang 11 steht weiterhin ein L-Signal an und an dem Ausgang 11_ steht weiterhin ein H-Signal an. Zu dem Η-Signal am Ausgang des ODER-Gatters 14
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kommt jetzt noch ein Η-Signal am Ausgang des NOR-Gliedes 15i so daß am Ausgang des UND-Gatters 20 ein Η-Signal ansteht, das einer Störung entspricht.
Als Beispiel für einen zweiten Störungsfall wird angenommen, daß bei dem oben beschriebenen störungsfreien Nachlaufvorgang der Motor 5 auch nach dem Erreichen der durch das Eingangssignal y vorgegebenen Stellung weiterläuft. Das Signal y ist also weiterhin positiv und sein Betrag größer als die Schwelle G2. Dagegen ändert sich das Vorzeichen des Differenzsignals y - y_, wenn das Signal y größer als das Eingangssignal y_ geworden ist. Ist der Betrag des Differenzsignals y - y größer als die Schwelle G1 geworden, so steht am Ausgang 11 ein Η-Signal an und an dem Ausgang 11_ ein L-Signal. Am Ausgang 12 steht weiter hin ein Η-Signal an und an dem Ausgang 11_ ein L-Signal. Zu dem Η-Signal am Ausgang des UND-Gatters 14 kommt jetzt noch ein Η-Signal am Ausgang des Äquivalenz-Gatters 16, so daß am Ausgang des UND-Gatters 20 ein Η-Signal ansteht, das einer Störung entspricht.
Der Verstärker 2 mit sowohl gegen Bezugspotential als auch gegen die Versorgungsspannung kurzschlußfestem Ausgang und mit dem Verstärkungsfaktor V = +1 ermöglicht sowohl eine Überwachung auf einen Kurzschluß zwischen dem Eingang des Stellungsreglers 1 und dem Bezugspotential als auch auf einen Kurzschluß zwischen dem Eingang des Stellungsreglers 1 und der Versorgungsspannung für den Stellungsregler im Bereich zwischen dem Verstärker 2 und dem
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Eingang des Stellungsreglers 1. In einem derartigen Störungsfall wird dem Stellungsregler entweder das Bezugspotential oder die Versorgungsspannung als Eingangssignal zugeführt, und der Stellungsregler 1 versucht diesen Wert zu erreichen. Da der Überwachungseinrichtung 9 jedoch das ungestörte Eingangssignal y_ zugeführt ist, erkennt die Überwachungseinrichtung das Auftreten einer Störung, und am Ausgang der Überwachungseinrichtung steht ein Η-Signal an.
Die Figur 2 zeigt eine gegenüber der Verknüpfungseinrichtung in der Figur 1 vereinfachte Verknüpfungseinrichtung 13'· Bei dieser Verknüpfungseinrichtung wird davon Gebrauch gemacht, daß für Eingangssignale der Schwellwertschalter 11 und 12, deren Beträge die Schwellen G1 bzw. G2 überschreiten, an einem der beiden Ausgänge ein Η-Signal und an dem jeweils anderen ein L-Signal ansteht. Die Verknüpfungseinrichtung 13' weist zwei UND-Gatter 23 und 24 auf, denen ein ODEB-Gatter 25 nachgeschaltet ist. Die Ausgänge 11 und 11_ des Schwellwertschalters 11 sind direkt mit einem Eingang der UND-Gatter 23 bzw. 24 verbunden, während die Ausgänge 12+ und 12_ des Schwellwertschalters 12 über je ein NICHT-Gatter 26 und 27, das den logischen Zustand der Ausgangssignale des Schwellwertschalters 12 umkehrt, mit einem Eingang der UND-Gatter 23 bzw. 24 verbunden sind.
Ist die Anlaufzeit des verwendeten Stellmotors nicht vernachlässigbar klein, so kann ihr Einfluß auf die überwachungseinrichtung durch ein Zeitglied berücksichtigt werden, das bei einer Änderung des Eingangssignals y ein Η-Signal am Ausgang
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_14. 27U941
der Überwachungseinrichtung 9 für die Dauer der Anlaufzeit des Stellmotors unterdrückt.
Da das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Stellungsreglers es ermöglicht, bereits während des auf einen Sprung der Führungsgröße folgenden Nachlaufvorganges Störungen zu erkennen, können beim Auftreten einer Störung schon sehr frühzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wie z. B. eine automatische Umschaltung des Stellungsreglers auf Handsteuerbetrieb.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Stellungsreglers erlaubt die Verwendung von Stellmotoren mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Wird der Grenzwert für die erste zeitliche Ableitung des Ausgangssignals des Stellungsreglers kleiner als die Geschwindigkeit des langsamsten zur Verwendung kommenden Stellmotors gewählt, so ist eine erneute Anpassung dieses Grenzwertes bei der Überwachung schneller laufender Stellmotore nicht erforderlich.
Stellungsregler im Sinne der Erfindung sind auch als Nachlaufregler arbeitende Speicher für elektrische Analogwerte, bei denen als Speicherglied ein Elektromotor dient oder bei denen z. B. nach einer Spannungs/Frequenz-Umsetzung als Speicherglied ein Digitalzähler dient, dem ein Digital/Analog-Wandler nachgeschaltet ist.
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Die Realisierung einer nach dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren arbeitenden Einrichtung kann auch durch einen entsprechend der Lehre der Erfindung programmierten Digitalrechner erfolgen.
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Claims (4)

  1. Patentansprüche;
    / 1.)Verfahren zur Überwachung eines Stellungsreglers mit einem Stellantrieb, dessen Übertragungsverhalten einen integrierend wirkenden Anteil aufweist und dessen Ausgangssignal dem Eingang des Stellungsreglers in gegenkoppelndem Sinn zugeführt ist, auf Störungen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Differenz (y - y_) zwischen dem Ausgangssignal (y) des Stellungsreglers (1) und dem Eingangssignal (ys) des Stellungsreglers (1), deren Betrag einen ersten Grenzwert (G1) überschreitet, das Unterschreiten eines zweiten Grenzwertes (G2) durch den Betrag der ersten zeitlichen Ableitung (y) des Ausgangssignale (y) des Stellungsreglers (1) als ein erstes Kriterium für eine Störung und eine Übereinstimmung des Vorzeichens der Differenz (y - y ) zwischen dem Ausgangssignal (y) des Stellungsreglers (1) und dem Eingangssignal (y_) des Stellungeregiere (1) mit dem Vor-
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    zeichen der ersten zeitlichen Ableitrung (7) des Ausgangssignals (7) des Stellungsreglers (1) als ein weiteres Kriterium für eine Störung dient.
  2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (7 - 7.) zwischen den Ausgangssignal (7) des Stellungsreglers (1) und seinem Eingangssignal (7) einem ersten Schwellwertschalter (11) mit zwei Ausgängen (11 + , 11_) zugeführt ist, von denen der eine positiven Werten und der andere negativen Werten der Differenz (7 - 7.) zwischen dem Ausgangssignal (7) des Stellungsreglers (1) und seinem Eingangssignal (y_) zugeordnet ist, wobei das jeweilige Ausgangssignal einen ersten logischen Zustand (L) annimmt, wenn der Betrag der Differenz (7 - 7_)
    kleiner als der erste Grenzwert (G1) ist, und einen zweiten logischen Zustand (H) annimmt, wenn der Betrag der Differenz (7 - 7 ) größer als der erste Grenzwert (G1) ist, daß die erste zeitliche Ableitung (7) des Auegangssignals (7) des Stellungsreglers (1) einem zweiten Schwellwertschalter (12) mit zwei Ausgängen (12+, 12_) zugeführt ist, von denen der eine positiven Werten und der andere negativen Werten der ersten zeitlichen Ableitung (7) des Ausgangssignale (7) des Stellungsreglers (1) zugeordnet ist, wobei das jeweilige Ausgangs-
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    signal den ersten logischen Zustand (L) annimmt, wenn der Betrag der ersten zeitlichen Ableitung (y) kleiner als der zweite Grenzwert (G2) ist, und den zweiten logischen Zustand (H) annimmt, wenn der Betrag der ersten zeitlichen Ableitung (y) größer als der zweite Grenzwert (G2) ist, und daß die Ausgänge (11+, 11_, 12+, 12_) der beiden Schwellwertschalter (11, 12) mit einer Verknüpfungseinrichtung (13) verbunden sind, deren Ausgangssignal den zweiten logischen Zustand (H) annimmt, wenn entweder ein Ausgangssignal des ersten Schwellwertschalters (11) den zweiten logischen Zustand (H) annimmt und beide Ausgangssignale des zweiten Schwellwertschalters (12) den ersten logischen Zustand (L) annehmen oder wenn sowohl ein Aus gangs signal des ersten (11) als auch ein Ausgangssignal des zweiten Schwellwertschalters (12) den zweiten logischen Zustand (H) annehmen und die Ausgänge (11+, 11_, 12+, 12_) der beiden Schwellwertschalter (11, 12) gleichen Vorzeichen der jeweiligen Eingangseignale der Schwellwertschalter (11, 12) zugeordnet sind.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte (G1, G2) der Schwellwertschalter (11, 12) einstellbar sind.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3« dadurch gekennzeichnet, daß in der die Führungsgröße zum Eingang des Stellungsreglers (1) führenden Leitung zwischen der Abgriff-
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    stelle (21) für die Überwachungseinrichtung (9) und dem Eingang des Stellungsreglers (1) ein übertragungsglied (2) mit kurzschlußfestem Ausgang angeordnet ist.
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