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Anordnung zur Simulation einer Prozeß steuerung
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Simulation einer Prozeßsteuerung
mit einem programmgesteuerten Rechner, in dem ein Prozeßsteuerungsprogramm gespeichert
ist, eine Eingabe-Schnittstelle, über welche dem Rechner Meßwertsignale zugeführt
werden, die die Istwerte von für den Prozeß maßgeblichen physikalischen Größen angeben,
und mit einer Ausgabe-Schnittstelle, über welche der Rechner Steuersignale für Stellglieder
zur Beeinflussung der physikalischen Größen abgibt, wenn deren Istwerte nicht den
vom Prozeßsteuerungsprogramm vorgeschriebenen Sollwerten entsprechen.
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Bei der Steuerung eines technischen Prozesses durch einen Rechner
mit Hilfe eines im Rechner gesteuerten Prozeßsteuerungsprogramms kommen die Meßwertsignale
von eßfühlern, die an den erforderlichen Stellen der für die Durchführung des Prozesses
verwendeten Anlage angebracht sind und die Istwerte der für den Prozeß maßgeblichen
physikalischen Größen erfassen. Diese physikalischen Größen
können
durch Stellglieder beeinflußt werden, die gleichfalls in der für die Durchführung
des Prozesses verwendeten Anlage an den erforderlichen Stellen angebracht sind.
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Jedes Stellglied ist so ausgebildet, daß es die zu beeinflussende
physikalische Größe in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal verändern
kann. Wenn der Rechner bei der Durchführung des Prozeßsteuerungsprogramms feststellt,
daß der Istwert einer physikalischen Größe von dem vom Prozeßsteuerungsprogramm
vorgeschriebenen Sollwert abweicht, gibt er ein Ausgangssignal ab, das in der Ausgabe-Schnittstelle
in ein Steuersignal für das der betreffenden physikalischen Größe zugeordnete Stellglied
umgewandelt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung, die es ermöglicht,
die Prozeßsteuerung durch einen Rechner zu simulieren, ohne daß der Prozeß tatsächlich
durchgeführt wird und ohne daß die Anlage zur Durchführung des Prozesses sowie die
zugehörigen Meßfühler und Stellglieder vorhanden sind.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für jede
zu erfassende physikalische Größe ein Meßfühler simulator vorgesehen ist, der ein
einstellbares Meßwertsignal abgibt, das dem von einem Meßfühler für die gleiche
physikalische Größe abgegebenen Meßwertsignal entspricht und der Eingabe-Schnittstelle
zugeführt wird, und daß für jede zu erfassende physikalische Größe eine vom Rechner
gesteuerte Anzeigevorrichtung zur Anzeige der Abweichung vom Sollwert vorgesehen
ist.
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Durch die Erfindung ist es möglich, jede beliebige Prozeßsteuerung
durch einen Rechner mit geringem Aufwand und an beliebigem Ort zu simulieren, ohne
daß der Prozeß selbst durchgeführt werden muß. Dadurch kann beispielsweise ein
für
eine bestimmte Prozeß steuerung erstelltes Programm getestet werden. Vor allem kann
die Simulation auch für Schulungs- und Ausbildungszwecke verwendet werden, um anhand
eines bereits erprobten Programms den Ablauf der Prozeßsteuerung sowie die Bedeutung
der Meßfühler und der Stellglieder und deren Zusammenwirken mit dem Rechner verständlich
zu machen.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Benutzer in die Lage
versetzt, die dem Rechner zugeführten Meßwerte signale, welche die Istwerte der
für die Durchführung des Programms maßgeblichen physikalischen Größen darstellen,
unter Steuerung durch den Rechner in gleicher Weise zu beeinflussen, wie dies bei
der wirklichen Prozeßsteuerung automatisch durch die vom Rechner gesteuerten Stellglieder
erfolgt. Der Rechner erhält somit an den erforderlichen Zeitpunkten des Programmablaufs
die die Sollwerte anzeigenden Meßwertsignale, die jeweils die Einleitung des nächsten
Prozeßschrittes ermöglichen. Das Prozeßsteuerungsprogramm läuft wirklichkeitsgetreu
ab, und es ist möglich, den Einfluß der Meßwerte auf den Programmablauf zu erkennen.
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Wenn die Simulation für Schulungszwecke verwendet wird, kann im Rechner
vorteilhaft außer dem eigentlichen Prozeßsteuerungsprogramm ein zusätzliches Unterweisungsprogramm
gespeichert sein, das im Dialog mit dem Benutzer die erforderlichen Bedienungsanweisungen
gibt und den Prozeßablauf erläutert.
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Die Anordnung kann sehr leicht an die verschiedenartigsten technischen
Prozesse angepaßt werden. Wenn das entsprechende Prozeßsteuerungsprogramm in den
Rechner eingegeben ist, ist es lediglich erforderlich, die Meßfühlersimulatoren
und Anzeigevorrichtungen für alle physikalischen
Größen vorzusehen.
Vorzugsweise sind die Meßfühlersimulatoren in Modulbauweise zu einer Meßfühlersimulatoranordnung
zuSammengefaßt, die ein einfaches Austauschen oder Ergänzen von Meßfühlersimulatoren
ermöglicht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnung beschrieben wird.
In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 das Prinzipschema der Prozeßsteuerung eines technischen
Prozesses durch einen Prozeßrechner, Fig. 2 das Fließschema eines Joghurtherstellungsprozesses
als Beispiel für einen zu simulierenden technischen Prozeß, Fig. 3 das Blockschema
einer Anordnung zur Simulation einer Prozeß steuerung, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel
der Meßfühlersimulatoranordnung in der Anordnung von Fig. 3 und Fig. 5 das Schaltbild
eines Ausführungsbeispiels einer Simulatorschaltung, die in einem der Meßfühler
simulatoren von Fig. 4 verwendbar ist.
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In Fig. 1 ist das Prinzip der Prozeß steuerung eines beliebigen technischen
Prozesses durch einen Prozeßrechner 1 dargestellt. Die Anlage, die den zu steuernden
technischen Prozeß ausführt, ist durch einen Block 2 symbolisiert. Im Prozeßrechner
1 ist das Prozeßsteuerungsprogramm gespeichert, dessen Durchführung den richtigen
Ablauf des technischen Prozesses gewährleistet.
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Für die Prozeß steuerung benötigt der Prozeßrechner 1 Informationen
über eine Reihe von physikalischen Größen (Temperaturen, Drücke, Füllstände usw.),
die an verschiedenen Stellen des Prozesses auftreten und vom Prozeßrechner beeinflußt
werden müssen, damit der Prozeß entsprechend dem gespeicherten Programm richtig
abläuft.
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Diese Informationen werden von Meßfühlern (Sensoren) 3 geliefert,
die an den entsprechenden Stellen der Anlage 2 angebracht sind. Jeder Meßfühler
ist so ausgebildet, daß er Meßwerte einer physikalischen Größe in ein elektrisches
Signal (Strom Spannung, Frequenz usw.) umwandelt.
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Die von den Meßfühlern 3 gelieferten elektrischen Signale werden einer
Eingabe-Schnittstelle 4 zugeführt, in der sie in die vom Prozeßrechner 1 benötigte
Form umgesetzt werden.
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Die Beeinflussung der für die Durchführung des Prozesses maßgeblichen
physikalischen Größen erfolgt durch Stellglieder 5, die an den erforderlichen Stellen
der Anlage 2 angebracht sind. Jedes Stellglied ist so ausgebildet, daß es die zu
beeinflussende physikalische Größe in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal
verändert.
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So kann ein Temperatur-Stellglied durch eine elektrisch steuerbare
Heiz- oder Kühleinrichtung gebildet sein, ein Druck-Stellglied durch einen Kompressor
oder ein Druckluftventil, ein Füllstands-Stellglied durch eine Förderpumpe oder
ein Zuflußventil usw.
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Wenn der Prozeßrechner 1 bei der Durchführung des Prozeßprogramms
feststellt, daß eine von einem Meßfühler 3 angezeigte physikalische Größe nicht
den vom Prozeßsteuerungsprogramm vorgeschriebenen Wert hat, gibt er ein Ausgangssignal
ab, das in einer Ausgabe-Schnittstelle 6 in ein Steuersignal für das betreffende
Stellglied umgesetzt wird. Dieses Steuersignal veranlaßt über das Stellglied die
erforderliche Änderung der physikalischen Größe, die wiederum von dem zugeordneten
Meßfühler überwacht und dem Prozeßrechner 1 mitgeteilt wird. Wenn der Prozeßrechner
1 feststellt, daß die physikalische Größe den vom Programm vorgeschriebenen Sollwert
erreicht hat, beendet er ihre weitere Änderung, und er veranlaßt die Ausführung
der nächsten Prozeßschritte.
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Die Prozeßsteuerung durch einen Rechner erfordert also einerseits
eine besondere Software in Form des vom Rechner durchzuführenden Programms und andererseits
zusätzlich zu dem Rechner eine besondere Hardware zur Verbindung des Rechners mit
der den Prozeß durchführenden Anlage. Diese Hardware umfaßt insbesondere auf der
Eingabeseite des Rechners die Meßfühler (Sensoren), die gewissermaßen die Sinnesorgane
des Rechners darstellen und ihm die erforderlichen Informationen über den Prozeßablauf
liefern, und auf der Ausgabeseite des Rechners die Stellglieder, die es dem Rechner
ermöglichen, auf den Prozeß einzuwirken.
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Im folgenden wird beschrieben, wie die Prozeßsteuerung durch einen
Rechner, in dem das Prozeßsteuerungsprogramm gespeichert ist, simuliert werden kann,
ohne daß der Prozeß tatsächlich durchgeführt wird und ohne daß die Anlage zur Durchführung
des Prozesses vorhanden ist.
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Eine solche Simulation kann aus verschiedenen Gründen
erwünscht
sein. So ist es durch die Simulation möglich, ein für eine bestimmte Prozeßsteuerung
erstelltes Programm mit geringem Aufwand und an beliebigem Ort zu testen. Vor allem
kann die Simulation auch für Schulungs- und Ausbildungszwecke verwendet werden,
um anhand eines bereits erprobten Programms den Ablauf der Prozeßsteuerung sowie
die Bedeutung der Meßfühler und der Stellglieder und deren Zusammenwirken mit dem
Rechner verständlich zu machen.
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Mit der nachstehend beschriebenen Anordnung kann die Rechnersteuerung
eines beliebigen technischen Prozesses simuliert werden, für den ein Prozeßsteuerungsprogramm
vorliegt. Als Beispiel soll die Simulation für den technischen Prozeß der Joghurtherstellung
beschrieben werden, dessen Fließschema in Fig. 2 dargestellt ist.
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In einem Vorratsbehälter 10 befindet sich Milch mit definierten Eigenschaften
(in bezug auf Fettgehalt, Eiweißgehalt usw.). Der erste Prozeßschritt besteht darin,
daß eine Pumpe 11 Milch aus dem Vorratsbehälter 10 durch einen Erhitzer 12 und durch
einen Homogenisierer 13 in einen Impftank 14 fördert. Im Erhitzer 12 muß die Milch
auf 730C erhitzt werden. Da der Erhitzer 12 als Durchlauferhitzer wirkt, ist die
Temperatur, die die Milch beim Austritt aus dem Erhitzer 12 hat, durch die Förderleistung
der Pumpe 11 bestimmt. Im Homogenisierer 13 wird die Milch bei einem Druck von 220
bar homogenisiert.
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Die so vorbehandelte Milch gelangt in den Impftank 14, wo ihr die
Bakterienkultur aus einem Behälter 15 zugefügt wird. Die beiden Substanzen werden
gründlich vermischt. In diesem ersten Prozeßschritt verläuft der Prozeß stetig.
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Wenn der Impftank 14 gefüllt ist, wird die weitere Zufuhr von Milch
unterbrochen, und es findet im Impftank 14 ein Reifeprozeß als zweiter Prozeßschritt
statt. Die Temperatur im Impftank muß während der Dauer des Reifevorgangs auf 450C
gehalten werden. Zu diesem Zweck ist ein Temperaturregler 16 vorgesehen.
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Ein pH-Wert von 4,3 zeigt die Reife des Inhalts des Impftanks 14 an,
worauf der dritte Prozeßschritt eingeleitet wird. Der Inhalt des Impftanks 14 wird
über einen Nachkühler 17 in einen Puffertank 18 (oder auch in mehrere Puffertanks)
geleitet, wobei die Substanz auf 80C gekühlt wird.
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Wenn der Puffertank 18 gefüllt ist, kann mittels einer Abfüllvorrichtung
19 als vierter Prozeßschritt die Abfüllung in die üblichen Joghurtbecher erfolgen.
Wenn der Puffertank 18 leer ist, kann der nächste Prozeßdurchlauf gestartet werden,
wobei jedoch zuvor die ganze Anlage einem Reinigungszyklus unterworfen werden muß.
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Aus dem Prinzipschema von Fig. 2 ergeben sich die Meßstellen, an denen
Meßfühler angebracht werden müssen, die den Prozeßrechner mit den erforderlichen
Meßwerten versorgen.
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Am Auslaß des Erhitzers 12 ist ein Temperatursensor 21 angebracht,
der ein elektrisches Signal liefert, das die Temperatur der vom Erhitzer 12 in den
Homogenisierer 13 geförderten Milch anzeigt.
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Ein am Homogenisierer 13 angebrachter Drucksensor 22 liefert ein Signal,
das den Druck im Homogenisierer 13 anzeigt.
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Am Impftank 14 sind drei Sensoren erforderlich: Ein Füllstandsensor
23 zeigt den Füllstand des Impftanks 14 an, ein Temperatursensor 24 zeigt die Temperatur
im Impftank 14 an, und ein pH-Meter 25 liefert ein elektrisches Signal, das den
pH-Wert des Inhalts des Impftanks 14 anzeigt.
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Am Ausgang des Nachkühlers 17 ist ein weiterer Temperatursensor 26
angebracht, der die Temperatur der aus dem Nachkühler 17 in den Puffertank 18 geförderten
Substanz anzeigt.
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Schließlich zeigt ein Füllstandsensor 27 den Füllstand im Puffertank
18 an.
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In Fig. 3 ist das Blockschema der Anordnung zur Simulation der Prozeßsteuerung
dargestellt. Diese Anordnung enthält, wie die echte Prozeßsteuerungsanordnung von
Fig. 1, einen Rechner 30 mit einer Eingabe-Schnittstelle 31 und einer Ausgabe-Schnittstelle
32. Dagegen fehlt die Anlage zur Durchführung des Prozesses mit den Meßfühlern und
den Stellgliedern; diese Bestandteile sind durch eine Meßfühlersimulatoranordnung
33 und eine Stellgliederanzeige 34 ersetzt.
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Zu dem Rechner 30 ist folgendes zu bemerken: Für die echte Prozeßsteuerung
muß ein Rechner verwendet werden, dessen Eigenschaften dem zu steuernden Prozeß
angepaßt sind. Für die Steuerung von Prozessen, bei denen kritische Zustände auftreten
könnten, die ein schnelles Eingreifen erfordern, muß beispielsweise ein Rechner
mit ausreichend großer Rechengeschwindigkeit verwendet werden, der in einer schnellen
Programmiersprache programmiert ist. Wenn die Simulation zum Testen des für einen
solchen Rechner geschriebenen Prozeßsteuerungsprogramms dient, muß das Programm
natürlich auf dem gleichen Rechner ablaufen. Wenn
dagegen die Simulation
dem Zweck der Ausbildung dient, wie in der folgenden Beschreibung unterstellt wird,
spielt die Rechengeschwindigkeit keine Rolle. Der Rechner 30 kann dann ein handelsüblicher
Mikrocomputer (Heimcomputer, Personal Computer) sein, der in einer langsamen Programmiersprache,
z.B. in Basic programmiert sein kann.
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Das im Rechner 30 gespeicherte Programm enthält dann vorzugsweise
außer dem eigentlichen Prozeßsteuerungsprogramm ein zusätzliches Unterweisungsprogramm,
das im Dialog mit dem Benutzer die erforderlichen Bedienungsanweisungen gibt und
den Prozeßablauf erläutert.
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Vorzugsweise ist der Rechner 30 mit einem Farbmonitor 35 ausgestattet.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Meßfühlersimulatoranordnung
33. Sie enthält für jeden im Prozeß vorkommenden Meßfühler einen Simulator, der
ein veränderbares elektrisches Signal liefert, das vom Rechner in der gleichen Weise
wie das vom wirklichen Meßfühler im echten Prozeß gelieferte Signal interpretiert
werden kann. Die Anordnung von Fig. 4, die zur Simulation des Joghurtherstellungsprozesses
von Fig. 2 verwendet wird, enthält somit sieben Meßfühlersimulatoren 41 bis 47,
die auf einer gemeinsamen Grundplatte 40 montiert sind.
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In bestimmten Fällen kann ein Meßfühlersimulator durch einen echten
Meßfühler gebildet sein, bei welchem lediglich die auf den Meßfühler einwirkende
physikalische Größe simuliert wird. Diese Möglichkeit ist bei der Anordnung von
Fig. 4 für die beiden Füllstandsimulatoren 43 und 47 gewählt, die den Füllstandsensoren
23 bzw. 27 von Fig. 2 entsprechen und die Füllstände im Impftank 14 bzw. im Puffertank
18 simulieren sollen.
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Der Füllstandsimulator 43 ist ein handelsüblicher kapazitiver Füllstandsensor
mit einer stabförmigen Sondenelektrode 43a, einem Einschraubstuck 43b und einem
Sondenkopf 43c, der die Vorortelektronik enthält. Bei der üblichen Verwendung ist
der Füllstandsensor mittels des Einschraubstücks 43b in einer Öffnung an der Oberseite
des Behälters so befestigt, daß die Sondenelektrode 43a senkrecht nach unten in
den Behälter ragt und der Sondenkopf 43c außerhalb des Behälters liegt. Die Sondenelektrode
43a ist so lang, daß sie sich über die ganze Höhe des Behälters erstreckt. Die Kapazität
zwischen der Sondenelektrode und der Behälterwand ist davon abhängig, bis zu welcher
Höhe die Sondenelektrode vom Füllgut im Behälter bedeckt ist; diese Kapazität ist
somit ein Maß für den Füllstand im Behälter. Zu dem Füllstandsensor gehört eine
elektronische Auswerteschaltung 53, die bei der üblichen Verwendung an einer vom
Behälter entfernten Stelle angeordnet und über eine Dreidrahtleitung mit der Vorortelektronik
im Sondenkopf verbunden ist. Die Auswerteschaltung liefert zu der Vorortelektronik
die erforderliche Betriebsspannung, und sie empfängt von dieser ein elektrisches
Signal, das von der Kapazität der Sondenelektrode und somit vom Füllstand im Behälter
abhängt.
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Dieses Signal kann beispielsweise ein Gleichstrom sein, der sich in
Abhängigkeit von der Kapazität zwischen 0 und 4 mA ändert. Die Auswerteschaltung
53 wandelt dieses Signal in ein genormtes einheitliches Signal um, beispielsweise
in einen Gleichstrom, der sich im Bereich von 4 bis 20 mA oder wahlweise auch im
Bereich von 0 bis 20 mA ändert, oder auch in eine Gleichspannung, die sich zwischen
0 und 10 V ändert.
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Für die hier vorgesehene Verwendung als Füllstandsimulator ist die
Sondenelektrode 43a beträchtlich gekürzt, und das Einschraubstück 43b sitzt in der
Öffnung eines Metallwinkels 43e, mit dem der Füllstandsensor auf der Grundplatte
40
befestigt ist. Die zugehörige elektronische Auswerteschaltung 53 ist ebenfalls auf
der Grundplatte 40 befestigt und über eine sehr kurze Dreidrahtleitung 43d mit dem
Sondenkopf 43c verbunden.
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Zur Simulation des Füllstands dient ein Metallrohr 48, das etwa die
Länge der gekürzten Sondenelektrode 43a hat und durch eine Litze 49 an Massepotential
gelegt ist.
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Wenn das Metallrohr 48 mehr oder weniger weit über die Sondenelektrode
43a geschoben wird, ändert sich die gemessene Sondenkapazität in gleicher Weise
wie beim Eintauchen der Sondenelektrode 43a in ein Füllgut.
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Der Füllstandsimulator 47 ist in gleicher Weise mit einer Sondenelektrode
47a, einem Einschraubstück 47b und einem Sondenkopf 47c ausgebildet, mittels eines
Metallwinkels 47e auf der Grundplatte 40 befestigt und über eine kurze Dreidrahtleitung
47d mit einer elektronischen Auswerteschaltung 57 verbunden, die ebenfalls auf der
Grundplatte 40 befestigt ist. Der Füllstand kann am Füllstandsimulator 47 ebenfalls
mit Hilfe des Metallrohrs 48 oder, falls beide Füllstände gleichzeitig simuliert
werden sollen, mit Hilfe eines zweiten, in Fig. 4 nicht dargestellten Metallrohres
simuliert werden.
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Die Simulatoren 41, 44 und 46 dienen als Temperatursimulatoren, die
die Ausgangssignale der Temperatursensoren 21, 24 bzw. 26 von Fig. 2 simulieren
sollen. Der Drucksimulator 42 simuliert das Ausgangssignal des Drucksensors 22,undderpH-Simulator45
simuliert das Ausgangssignal des pH-Meters 25 von Fig. 2. Da es schwierig ist, die
physikalischen Größen Temperatur, Druck und pH-Wert zu simulieren, werden bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel für diese Simulatoren nicht echte Sensoren verwendet,
sondern elektronische Simulatorschaltungen, die Ausgangssignale
liefern,
die vom Rechner 30 in gleicher Weise wie die Ausgangssignale echter Sensoren verarbeitet
werden können.
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Es wäre möglich, für jeden Sensortyp eine Simulatorschaltung aufzubauen,
die genau das gleiche Ausgangssignal wie der echte Sensor liefert. Dieses Ausgangssignal
könnte dann einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt werden, die mit der
zum echten Sensor gehörigen Auswerteschaltung identisch wäre. Da aber alle Auswerteschaltungen
die von den Sensoren bzw. den entsprechenden Simulatoren gelieferten Signale, wie
verschiedenartig sie auch sein mögen, in die genormten gleichartigen Signale umwandeln,
die der Eingabe-Schnittstelle zugeführt werden, ist es für den Rechner belanglos,
von welcher Art die von den Simulatorschaltungen gelieferten Signale sind. Es bietet
sich daher die Vereinfachung an, für alle Simulatoren 41, 42, 44, 45, 46 die gleiche
Simulatorschaltung zu verwenden, so daß auch die zugehörigen elektronischen Auswerteschaltungen
51, 52, 54, 55, 56 einander gleich sein können.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Tatsache ausgenutzt,
daß für die kapazitiven Füllstandsensoren, die als Füllstandsimulatoren 43 und 47
verwendet wurden, bereits eine Simulatorschaltung vorhanden war, die entwickelt
wurde, um die Funktion der zugehörigen elektronischen Auswerteschaltungen zu testen.
Diese vorhandene Simulatorschaltung wird für jeden der Simulatoren 41, 42, 44, 45,
46 verwendet. Dies ergibt den weiteren Vorteil, daß auch für die elektronischen
Auswerteschaltungen 51, 52, 54, 55, 56, ebenso wie für die Auswerteschaltungen 53
und 57, die für die kapazitiven Füllstandsensoren vorgesehenen echten Auswerteschaltungen
verwendet
werden können. Alle elektronischen Auswerteschaltungen
51 bis 57 sind daher einander gleich.
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Da alle Simulatoren 41, 42, 44, 45, 46 einander gleich sind, soll
ihr Aufbau anhand des Temperatursimulators 41 beschrieben werden. Die Simulatorschaltung
ist in einem quaderförmigen Gehäuse 41a untergebracht, das auf der Grundplatte 40
befestigt ist. An der Oberseite des Gehäuses 41a befindet sich ein Potentiometer-Drehknopf
41b und ein als Druckknopfschalter ausgebildeter Bereichsumschalter 41c. Die Simulatorschaltung
ist über eine Dreidrahtleitung 41d mit der elektronischen Auswerteschaltung 51 verbunden.
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Mit Hilfe des Bereichsumschalters 41c kann wahlweise ein Strombereich
von 0 bis 1 mA oder ein Strombereich von 0 bis 10 mA eingestellt werden. Mit Hilfe
des Potentiometer-Drehknopfs 41b kann der Strom innerhalb des eingestellten Bereichs
stufenlos verändert werden.
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Fig. 5 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der im Gehäuse
41a enthaltenen elektronischen Simulatorschaltung 60. Diese Schaltung ist in einer
für den Fachmann geläufigen Weise aufgebaut und wird daher nur in groben Zügen erläutert
Die drei Klemmen 61, 62, 63 sind über die Dreidrahtleitung 41d mit der elektronischen
Auswerteschaltung 51 verbunden. Die Auswerteschaltung 51 liefert zu den Klemmen
61 und 62 die erforderliche Betriebsspannung von beispielsweise 12 oder 24 V. An
der Klemme 63 steht das elektrische Ausgangssignal zur Verfügung. Der Schaltungszweig
64 dient zur Erzeugung einer stabilisierten Bezugsspannung, von der ein einstellbarer
Bruchteil mit Hilfe eines Potentiometers 65 abgegriffen wird, das mittels des Drehknopfs
41b betätigt wird. Die abgegriffene Spannung steuert über einen Operationsverstärker
66
einen npn-Transistor 67, über den somit von der Klemme 63 ein Strom fließt, dessen
Wert von der am Potentiometer 65 abgegriffenen Spannung abhängt. Der Umschaltkontakt
68 des Bereichsumschalters 41c dient zur Einstellung des Strombereichs. Die Schaltung
wirkt als Stromsenke, d.h. der mittels des Potentiometers 65 und des Umschaltkontakts
68 eingestellte Strom fließt aus der angeschlossenen Auswerteschaltung in die Klemme
63.
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Natürlich könnte die gleiche Simulatorschaltung auch für jeden der
beiden Füllstandsimulatoren 43 und 47 verwendet werden. Die Verwendung echter Füllstandsensoren
dient lediglich zur Veranschaulichung der Funktionsweise.
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Vorzugsweise ist die Meßfühlersimulatoranordnung von Fig. 4 in Modulbauweise
ausgeführt, indem die verwendeten Sensoren, Simulatoren und Auswerteschaltungen
lösbar auf der beispielsweise als Lochrasterplatte ausgebildeten Grundplatte 40
befestigt sind. Dadurch ist es möglich, die Meßfühlersimulatoranordnung durch Austausch,
Hinzufügen oder Entfernen von Bestandteilen einfach und schnell an die Simulation
der Prozeß steuerung beliebiger technischer Prozesse anzupassen.
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Wie erwähnt, setzen die elektronischen Auswerteschaltungen 51 bis
57 die ihnen zugeführten Stromwerte in genormte einheitliche Ausgangssignale um,
beispielsweise in Ströme, die sich im Bereich von 4 bis 20 mA ändern. Diese Ausgangs
signale erscheinen auf einer von jeder Auswerteschaltung abgehenden Doppelleitung
51a, 52a, ... 57a. Die Doppelleitungen 51a bis 57a sind zu einem Kabel 58 zusammengefaßt,
das die Meßfühlersimulatoranordnung 33 mit der Eingabe-Schnittstelle 31 (Fig. 3)
verbindet.
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Die Eingabe-Schnittstelle 31 ist von herkömmlicher Art.
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Sie enthält beispielsweise einen Analog/Digital-Wandler, dem die von
der Meßfühlersimulatoranordnung 33 kommenden Stromsignale von 4 - 20 mA über Optokoppler
und einen Strom/Spannungs-Wandler im Zeitmultiplex zugeführt werden, so daß von
sechzehn Meßstellen bzw. Simulatoren aus eingelesen werden kann.
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Die Stellgliederanzeige 34 enthält für jede überwachte physikalische
Größe bzw. für jedes eine überwachte physikalische Größe beeinflussende Stellglied
eine Leuchtdiode 71, 72, ... 77. Jedes von der Ausgabe-Schnittstelle 32 abgegebene
Steuersignal, das bei der echten Prozeßsteuerung das betreffende Stellglied in Tätigkeit
setzen würde, um die physikalische Größe auf den Sollwert zu bringen, läßt in der
Stellgliedanzeige 34 die zugeordnete Leuchtdiode aufleuchten, wodurch angezeigt
wird, daß die betreffende physikalische Größe ihren Sollwert nicht erreicht hat.
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Die Eingabe-Schnittstelle 31, die Ausgabe-Schnittstelle 32 und die
Stellgliederanzeige 34 können zu einer Einheit zusammengefaßt .werden, beispielsweise
in einem Einschub, an dessen Frontplatte die Leuchtdioden 71 bis 77 angeordnet sind.
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Unter Verwendung der beschriebenen Anordnung und des im Rechner 30
gespeicherten Prozeßsteuerungsprogramms kann dann - je nach dem zusätzlichen Unterweisungprogramm
-die Simulation des Joghurtherstellungsprozesses beispielsweise in der nachstehend
beschriebenen Weise ablaufen.
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Nach dem Start des Programms durchläuft dieses zunächst eine Initialisierungsphase,
in der die externe Hardware initialisiert wird, in der aber auch im Bereich der
Software Variablen und Konstanten deklariert werden. Daraufhin
meldet
sich das Programm mit der Abfrage der Meßbereiche der verwendeten Meßgeräte. Werden
andere Bereiche gewünscht als vorgeschlagen, so müssen die Werte an dieser Stelle
geändert werden (Quittierung erfolgt durch Betätigung der Taste RETURN). Danach
wird auf dem Bildschirm des Farbmonitors 35 das Fließschema des Prozesses entsprechend
der Darstellung von Fig. 2 aufgebaut und die Belegung der an der Rechner-Tastatur
vorgesehenen Funktionstasten bekanntgegeben, die es dem Benutzer ermöglichen, auf
den Programmablauf Einfluß zu nehmen. Beispielsweise sind folgende Möglichkeiten
vorgesehen: Funktionstaste "Fließschema" Funktionstaste "Erläuterungen" Funktionstaste
"Simulation" Funktionstaste "Datenanzeige".
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Die Betätigung der Funktionstaste Fließschema" läßt auf dem Bildschirm
erneut das obenerwähnte Fließschema gemäß der Darstellung von Fig. 2 erscheinen,
wenn zwischenzeitlich eine andere Bildschirmdarstellung gewählt war.
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Bei Betätigung der Funktionstaste "Erläuterungen" erscheinen auf dem
Bildschirm anstelle des Fließschemas Hinweise und Erklärungen zum prinzipiellen
Prozeßablauf.
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Die Betätigung der Funktionstaste "Simulation" startet die Simulation
des Prozeßablaufs.
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Alle Teile des Fließschemas, die bei der Durchführung des momentanen
Prozeßschrittes beteiligt sind, erscheinen auf dem Bildschirm farbig unterlegt.
Die für den jeweiligen Prozeß schritt benötigten Meßwerte werden auf dem Bildschirm
angezeigt. Wenn der Rechner 30 feststellt, daß ein
Meßwert nicht
den vom Programm vorgeschriebenen Sollwert hat, bringt er die zugeordnete Leuchtdiode
in der Stellgliedanzeige 34 zum Aufleuchten. Der Benutzer muß dann an dem zugehörigen
Simulator der Meßfühlersimulatoranordnung 33 die Änderung des Meßwerts simulieren,
bis das Ausgangssignal des Simulators den dem Sollwert entsprechenden Wert erreicht
hat. Dann erlischt die Leuchtdiode, und der Rechner 30 kann zur Durchführung des
nächsten Prozeßschrittes weiterschalten.
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Wenn beispielsweise der Temperatursimulator 41 so eingestellt ist,
daß sein Ausgangssignal nicht der Solltemperatur von 730C am Ausgang des Erhitzers
12 entspricht, bringt der Rechner 30 die Leuchtdiode 71 zum Aufleuchten.
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Die Bedienungsperson muß dann durch Drehen am Potentiometer-Drehknopf
41b das Ausgangssignal des Temperatursimulators 41 verändern, bis der Sollwert erreicht
ist.
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In der gleichen Weise zeigt das Aufleuchten der Leuchtdiode 72 in
der Stellgliedanzeige 34 an, daß das Ausgangssignal des Drucksimulators 42 nicht
dem Sollwert von 220 bar entspricht. Der Benutzer simuliert diesen Sollwert, indem
er am Potentiometer-Drehknopf 42b des Drucksimulators 42 dreht, bis die Leuchtdiode
72 erlischt.
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Wenn die Leuchtdiode 73 aufleuchtet, bedeutet dies, daß der Impftank
14 nicht den Füllstand von 100% erreicht hat.
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Der Sollwert des Füllstands wird dadurch simuliert, daß die Bedienungsperson
das Metallrohr 48 vollständig über die Sondenelektrode 43a (Fig. 4) schiebt.
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In entsprechender Weise werden die Sollwerte der übrigen Meßwerte
unter Steuerung durch den Rechner 30 simuliert.
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Wahlweise oder zusätzlich ist es auch möglich, daß der Rechner 30
die Abweichung der verschiedenen Meßwerte von
ihren Sollwerten
auf dem Bildschirm des Farbmonitors 35 in das Fließschema einblendet.
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Zusätzlich kann der Rechner 30 am unteren Bildschirmrand unter dem
dargestellten Fließschema die Maßnahmen dokumentieren, die er bei einer wirklichen
Prozeßsteuerung vornehmen würde, um eine von ihm festgestellte Sollwertabweichung
auszuregeln.
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Bei Betätigung der Funktionstaste "Datenanzeige" werden auf dem Bildschirm
anstelle des Fließschemas sämtliche zuletzt von den Simulatoren eingegebenen Meßwerte
und zusätzlich die Sollwerte der Meßgrößen angezeigt. Auf dem Bildschirm erscheint
also beispielsweise die folgende Tabelle, wobei die Istwerte zufällig sind: IST
SOLL # 1 Temperatur Erhitzer 250C 730C # 2 Druck Homogenisierer 150 bar
220 bar # 3 Füllstand Impftank 10 % 100 % # 4 Temperatur Impftank 200C 450C
# 5 pH-Wert Impftank 6,5 3,5 # 6 Temperatur Nachkühler 150C 8"C # 7 Füllstand
Puffertank 0 % 100 % Man kann die Datenanzeige während des Prozeßablaufs anwählen
und auch wieder zur Simulation mit Hilfe des Fließschemas zurückspringen.