Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens (US-PS 34 21 232).
Bei der Steuerung eines technischen Prozesses durch einen
Rechner mit Hilfe eines im Rechner gesteuerten Prozeßsteuerungsprogramms
kommen die Meßwertsignale von Meßfühlern,
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. 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.
Bei komplizierten technischen Prozessen kann die Anzahl
der zu erfassenden physikalischen Größen recht groß werden,
und sie können von sehr unterschiedlicher Art sein. Die
Beeinflussung jeder physikalischen Größe hängt oft nicht
nur vom Zeitablauf des Prozesses, sondern auch von den
Zuständen anderer physikalischer Größen ab. Es ist daher
für Auszubildende schwierig, diese für sie verwirrenden
Zusammenhänge beim Ablauf des technischen Prozesses rein
theoretisch zu verstehen. Eine praktische Demonstration
der Prozeßsteuerung ist nur selten möglich, weil dazu die
Auszubildenden an den Ort der Anlage gebracht werden müssen,
auf der der Prozeß abläuft. Auch sind solche Anlagen
oft so weitläufig und unübersichtlich, daß der Ablauf der
Prozeßsteuerung an Ort und Stelle nur schwierig zu erkennen
und zu verstehen ist.
Aus der US-PS 34 21 232 ist ein Gerät zur Simulation automatisch
gesteuerter industrieller Prozesse bekannt, das besonders
für Schulungs- und Ausbildungszwecke bestimmt und geeignet
ist. Dieses Gerät enthält eine elektronische Analogrechenschaltung,
die einen Stellgliedsimulator, einen Prozeßsimulator
und einen von dem Stellgliedsimulator über den
Prozeßsimulator beeinflußten Meßfühlersimulator nachbildet.
Dadurch wird ein Teil einer Anlage simuliert, die zur Durchführung
eines wirklichen Prozesses erforderlich wäre. Der
Meßfühlersimulator liefert ein Meßwertsignal, das den Istwert
der vom Stellgliedsimulator scheinbar beeinflußten physikalischen
Größe angibt, zu einem Prozeßrechner, und der Prozeßrechner
liefert ein Steuersignal zu dem Stellgliedsimulator
für die Beeinflussung des vom Meßfühlersimulator gelieferten
Meßwertsignals, wenn der Istwert nicht dem vom Prozeßsteuerungsprogramm
vorgeschriebenen Sollwert entspricht. Dadurch
ist die Prozeßschleife für die betreffende physikalische Größe
geschlossen, und die Steuerung des Prozeßablaufs durch
den Prozeßrechner läuft selbsttätig so ab, als ob die für
die Durchführung des wirklichen Prozesses erforderliche Anlage
tatsächlich vorhanden wäre. Zusätzlich kann die Bedienungsperson
Einstellungen vornehmen, um entweder so in den
Prozeß einzugreifen, wie dies auch bei dem wirklichen Prozeß
möglich wäre, oder um zur Änderung der Prozeßbedingungen das
Ansprechverhalten des Stellgliedsimulators, des Prozeßsimulators
und des Meßfühlersimulators zu verändern. Dagegen kann
die Bedienungsperson das vom Meßfühlersimulator gelieferte
Meßwertsignal nicht direkt bestimmen; dieses Meßwertsignal
wird stets durch die vom Stellgliedsimulator, vom Prozeßsimulator
und vom Meßfühlersimulator gebildete Schleife entsprechend
der gewählten Einstellung in Abhängigkeit von dem
vom Prozeßrechner gelieferten Steuersignal erzeugt. Der Prozeßablauf
kann beispielsweise von einer Gruppe von Auszubildenden
an Anzeigevorrichtungen verfolgt werden, die an der
Frontplatte des Geräts angebracht sind. Das Gerät ist nur
zur Simulation des Prozeßablaufs für eine einzige physikalische
Größe geeignet. In einem wirklichen industriellen Prozeß
muß jedoch eine Vielzahl von physikalischen Größen (Temperatur,
Druck, Füllstand usw.) an verschiedenen Stellen der
Anlage gesteuert werden. Zur Simulation eines vollständigen
industriellen Prozesses müßte für jede im Prozeß gesteuerte
physikalische Größe ein solches Gerät vorgesehen werden. Dies
würde einen beträchtlichen Aufwand erfordern; vor allem aber
wäre es für die Auszubildenden praktisch nicht mehr möglich,
den Prozeßablauf für alle physikalischen Größen gleichzeitig
zu verfolgen, so daß der Ausbildungszweck nicht mehr erfüllt
werden könnte.
Aus der "Siemens-Zeitschrift" 42, 1968, Heft 5, Seiten 388
bis 392, ist ein Baustein-Regelmodell bekannt, das die Nachbildung
von unterschiedlichen Regelkreisschaltungen mit steckbaren
Bausteinen ermöglicht. Jeder Baustein enthält einen
elektronischen Analogrechner, ein auswechselbares Buchsenfeld,
über das der Baustein beschaltet wird, sowie einen
Drehknopf, mit dem die Zeitkonstante einstellbar ist. Die
Bausteine werden zum Nachbilden der Regelstrecke und des
Reglers so in das Regelmodell eingesteckt, wie es die jeweilige
Aufgabe verlangt. In den auf diese Weise nachgebildeten
Regelstrecken laufen dann die Vorgänge selbsttätig ab, so
daß das Verhalten des Gesamtsystems beobachtet werden kann.
Das Baustein-Regelmodell kann zur Demonstration sowie zu
Schulungs- und Ausbildungszwecken verwendet werden.
In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 33 10 403 sind ein
Testverfahren zur Prüfung der Funktion eines in eine Anlage
integrierten Steuer- oder Regelgerätes sowie eine
Testvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.
Die Testvorrichtung weist ein Simulationsbord auf,
das zur Überprüfung des Steuer- oder Regelgeräts mit besonderen,
im Normalbetrieb nicht verwendeten Prüfeingängen
und Prüfausgängen des Steuer- oder Regelgeräts verbunden
wird. Mit Hilfe des Simulationsbords können dann
simulierte Meßgrößen über die Prüfeingänge in das Steuer-
oder Regelgerät eingegeben werden, und die vom Steuer-
oder Regelgerät daraufhin gelieferten Stellgrößen können
am Anzeigeteil des Simulationsbords abgelesen werden.
Durch Vergleich dieser Iststellgrößen mit den zu den eingestellten
simulierten Meßgrößen gehörenden Sollstellgrößen
kann dann festgestellt werden, ob das Steuer- oder
Regelgerät einwandfrei arbeitet. Die Simulation eines programmgesteuerten
Prozeßablaufs mit diesem Gerät ist weder
vorgesehen noch möglich.
In ähnlicher Weise arbeitet ein aus dem DE-GM 76 13 293
bekanntes Prüfgerät für eine programmierbare Steuereinheit,
bei welchem zur Durchführung der Prüfung vorgegebene
Eingangswerte simuliert werden und durch Meldelampen angezeigt
wird, ob die programmierbare Steuereinheit ordnungsgemäß
oder fehlerhaft arbeitet. Auch mit diesem Prüfgerät
ist die Simulation eines programmgesteuerten Prozeßablaufs
weder vorgesehen noch möglich.
In der DE-OS 28 41 220 ist ein Verfahren zum Prüfen der
Funktion eines eine Selbstüberwachungsschaltung umfassenden
Regelsystems beschrieben, bei welchem dem zu prüfenden
Regelsystem für definierte Meßwerte charakteristische,
künstlich erzeugte Signale zugeführt werden und dann ein
Prüfprogramm ausgelöst wird, dessen Ablauf beobachtet
wird, um festzustellen, ob ein Fehler im Regelsystem vorliegt.
Das Prüfprogramm wird nach Einbau definierter Fehler
wiederholt, um auch das Funktionieren der Selbstüberwachungsschaltung
zu überprüfen. Die Simulation des Ablaufs
eines programmgesteuerten Prozesses ist mit diesem
Verfahren weder vorgesehen noch möglich.
Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung eines
Verfahrens, das es ermöglicht, zur Unterweisung Auszubildender
den Ablauf programmgesteuerter Prozesse mit einer beliebigen
Anzahl von Prozeßschleifen für zu regelnde physikalische
Größen mit geringem Aufwand in einer für das Verständnis
des Prozeßablaufs sehr hilfreichen Weise zu simulieren.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Ablauf jedes
beliebigen programmgesteuerten Prozesses durch einen Rechner
dadurch simuliert werden, daß bei Anzeige einer Abweichung
eines simulierten Meßwertsignals von dem durch das Prozeßsteuerungsprogramm
vorgeschriebenen Sollwert der Auszubildende
die Einstellung des zugeordneten Meßfühlersimulators
verändert, bis die Abweichung beseitigt ist. Dadurch kann
das Prozeßsteuerungsprogramm wirklichkeitsgetreu ablaufen,
ohne daß der Prozeß selbst durchgeführt werden muß. Das Verfahren
ergibt einen besonders wirksamen Lehreffekt, weil der
Auszubildende selbst die dem Rechner zugeführten Meßwertsignale,
welche die Istwerte der für die Durchführung des Prozesses
maßgeblichen physikalischen Größen darstellen, unter
Steuerung durch den Rechner in gleicher Weise beeinflußt,
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 Istwerte anzeigenden Meßwertsignale,
die jeweils die Einleitung des nächsten Prozeßschrittes ermöglichen,
in gleicher Weise wie von den echten Meßfühlern
eines wirklichen Prozesses. Das Prozeßsteuerungsprogramm
läuft daher wirklichkeitsgetreu ab, und es ist möglich, den
Einfluß der Meßwerte auf den Programmablauf zu erkennen sowie
die Bedeutung der Meßfühler und der Stellglieder und deren
Zusammenwirken mit dem Rechner verständlich zu machen.
Der hierfür erforderliche Aufwand ist sehr gering, denn es
werden außer dem Rechner lediglich die Meßfühlersimulatoren
von sehr einfachem Aufbau sowie eine Anzeigevorrichtung benötigt,
die beispielsweise durch den Bildschirm des Rechners
gebildet sein kann. Ferner genügt für die Durchführung des
Verfahrens ein verhältnismäßig langsamer und daher billiger
Rechner, beispielsweise ein Personal-Computer.
Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
ist in den Ansprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet.
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.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der
Zeichnung beschrieben. 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 Prozeßsteuerung,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Meßfühlersimulatoranordnung
in der Anordnung von Fig. 3 und
Fig. 5 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer
Simulationschaltung, die in einem der Meßfühlersimulatoren
von Fig. 4 verwendbar ist.
In Fig. 1 ist das Prinzip der Prozeßsteuerung 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.
Für die Prozeßsteuerung 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Im folgenden wird beschrieben, wie die Prozeßsteuerung
durch einen Rechner, in dem das Prozeßsteuerungsprogramm
gespeichert ist, für Schulungs- und Ausbildungszwecke mit geringem Aufwand
und an beliebigem Ort simuliert werden kann, ohne daß der
Prozeß tatsächlich durchgeführt wird und ohne daß die
Anlage zur Durchführung des Prozesses vorhanden ist.
Dadurch ist es möglich, 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.
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.
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 73°C 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.
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.
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 45°C gehalten werden. Zu diesem Zweck ist ein
Temperaturregler 16 vorgesehen.
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 8°C gekühlt wird.
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.
Aus dem Prinzipschema von Fig. 2 ergeben sich die Meßstellen,
an denen Meßfühler angebracht werden müssen,
die den Prozeßrechner mit den erforderlichen Meßwerten
versorgen.
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.
Ein am Homogenisierer 13 angebrachter Drucksensor 22
liefert ein Signal, das den Druck im Homogenisierer 13
anzeigt.
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.
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.
Schließlich zeigt ein Füllstandsensor 27 den Füllstand
im Puffertank 18 an.
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.
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.
Da die Simulation dem Zweck der Ausbildung dient,
spielt die
Rechengeschwindigkeit keine Rolle. Der Rechner 30 kann
ein handelsüblicher Mikrocomputer (Heimcomputer,
Personal-Computer) sein, der in einer langsamen Programmiersprache,
z. B. in Basic, programmiert sein kann.
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.
Vorzugsweise ist der Rechner 30 mit einem Farbmonitor 35
augestattet.
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.
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.
Der Füllstandsimulator 43 ist ein handelsüblicher kapazitiver
Füllstandsensor mit einer stabförmigen Sondenelektrode
43 a, einem Einschraubstück 43 b und einem Sondenkopf
43 c, der die Vorortelektronik enthält. Bei der
üblichen Verwendung ist der Füllstandsensor mittels des
Einschraubstücks 43 b in einer Öffnung an der Oberseite
des Behälters so befestigt, daß die Sondenelektrode 43 a
senkrecht nach unten in den Behälter ragt und der Sondenkopf
43 c außerhalb des Behälters liegt. Die Sondenelektrode
43 a 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.
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.
Für die hier vorgesehene Verwendung als Füllstandsimulator
ist die Sondenelektrode 43 a beträchtlich gekürzt, und
das Einschraubstück 43 b sitzt in der Öffnung eines Metallwinkels
43 e, 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 43 d
mit dem Sondenkopf 43 c verbunden.
Zur Simulation des Füllstands dient ein Metallrohr 48,
das etwa die Länge der gekürzten Sondenelektrode 43 a hat
und durch eine Litze 49 an Massepotential gelegt ist.
Wenn das Metallrohr 48 mehr oder weniger weit über die
Sondenelektrode 43 a geschoben wird, ändert sich die gemessene
Sondenkapazität in gleicher Weise wie beim Eintauchen
der Sondenelektrode 43 a in ein Füllgut.
Der Füllstandsimulator 47 ist in gleicher Weise mit einer
Sondenelektrode 47 a, einem Einschraubstück 47 b und einem
Sondenkopf 47 c ausgebildet, mittels eines Metallwinkels
47 e auf der Grundplatte 40 befestigt und über eine kurze
Dreidrahtleitung 47 d 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.
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, und der pH-Simulator 45 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.
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.
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.
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 41 a untergebracht, das auf der
Grundplatte 40 befestigt ist. An der Oberseite des Gehäuses
41 a befinden sich ein Potentiometer-Drehknopf 41 b und
ein als Druckknopfschalter ausgebildeter Bereichsumschalter
41 c. Die Simulatorschaltung ist über eine Dreidrahtleitung
41 d mit der elektronischen Auswerteschaltung 51
verbunden.
Mit Hilfe des Bereichsumschalters 41 c kann wahlweise ein
Strombereich von 0 bis 1 mA oder ein Strombereich von 0
bis 10 mA eingestellt werden. Mit Hilfe des Potentiometer-
Drehknopfs 41 b kann der Strom innerhalb des eingestellten
Bereichs stufenlos verändert werden.
Fig. 5 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
der im Gehäuse 41 a 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 41 d 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 41 b 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 41 c 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.
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.
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 Prozeßsteuerung beliebiger technischer
Prozesse anzupassen.
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
Ausgangssignale erscheinen auf einer von jeder Auswerteschaltung
abgehenden Doppelleitung 51 a, 52 a, . . . 57 a. Die
Doppelleitungen 51 a bis 57 a sind zu einem Kabel 58 zusammengefaßt,
das die Meßfühlersimulatoranordnung 33 mit der
Eingabe-Schnittstelle 31 (Fig. 3) verbindet.
Die Eingabe-Schnittstelle 31 ist von herkömmlicher Art.
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.
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.
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.
Unter Verwendung der beschriebenen Anordnung und des im
Rechner 30 gespeicherten Prozeßsteuerungsprogramms kann
dann - je nach dem zusätzlichen Unterweisungsprogramm -
die Simulation des Joghurtherstellungsprozesses beispielsweise
in der nachstehend beschriebenen Weise ablaufen.
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 Auszubildenden ermöglichen,
auf den Programmablauf Einfluß zu nehmen. Beispielsweise
sind folgende Möglichkeiten vorgesehen:
Funktionstaste "Fließschema"
Funktionstaste "Erläuterungen"
Funktionstaste "Simulation"
Funktionstaste "Datenanzeige".
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.
Bei Betätigung der Funktionstaste "Erläuterungen" erscheinen
auf dem Bildschirm anstelle des Fließschemas
Hinweise und Erklärungen zum prinzipiellen Prozeßablauf.
Die Betätigung der Funktionstaste "Simulation" startet
die Simulation des Prozeßablaufs.
Alle Teile des Fließschemas, die bei der Durchführung des
momentanen Prozeßschrittes beteiligt sind, erscheinen auf
dem Bildschirm farbig unterlegt. Die für den jeweiligen
Prozeßschritt 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 Auszubildende 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.
Wenn beispielsweise der Temperatursimulator 41 so eingestellt
ist, daß sein Ausgangssignal nicht der Solltemperatur
von 73°C am Ausgang des Erhitzers 12 entspricht,
bringt der Rechner 30 die Leuchtdiode 71 zum Aufleuchten.
Die Bedienungsperson muß dann durch Drehen am Potentiometer-
Drehknopf 41 b das Ausgangssignal des Temperatursimulators
41 verändern, bis der Sollwert erreicht ist.
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 Auszubildende simuliert diesen Sollwert,
indem er am Potentiometer-Drehknopf 42 b des Drucksimulators
42 dreht, bis die Leuchtdiode 72 erlischt.
Wenn die Leuchtdiode 73 aufleuchtet, bedeutet dies, daß
der Impftank 14 nicht den Füllstand von 100% erreicht hat.
Der Sollwert des Füllstands wird dadurch simuliert, daß
der Auszubildende das Metallrohr 48 vollständig über
die Sondenelektrode 43 a (Fig. 4) schiebt.
In entsprechender Weise werden die Sollwerte der übrigen
Meßwerte unter Steuerung durch den Rechner 30 simuliert.
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.
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.
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:
Man kann die Datenanzeige während des Prozeßablaufs anwählen
und auch wieder zur Simulation mit Hilfe des Fließschemas
zurückspringen.