DE3522220C2 - Schaltungsanordnung zur sicheren Ansteuerung von Stellelementen eines Prozesses - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur sicheren Ansteuerung von Stellelementen eines Prozesses, wobei eine zentrale Datenverarbeitungseinheit über einen Bus mit mindestens einer Steuereinheit verbunden ist, an welche die zentrale Datenverarbeitungseinheit periodisch Einstellwerte zyklisch überträgt, wobei jede Steuereinheit mindestens eine Ausgabeschaltung zur Abgabe von Signalen entsprechend den empfangenen Einstellwerten an das ihr zugeordnete Stellelement aufweist, und wobei der periodische Empfang der Einstellwerte überwacht wird und bei deren Ausbleiben die jeweilige Ausgabeschaltung mit für den Störfall vorgesehenen Werten versorgt wird.

Eine Schaltungsanordnung der vorstehend beschriebenen Art ist bekannt (DE 31 11 126 A1). Diese Schaltungsanordnung stellt Störungen in der gestört arbeitenden oder ausgefallenen zentralen Datenverarbeitungseinheit automatisch fest und gibt andere Einstellwerte aus, um den Prozeß aufrechtzuerhalten.

Bekannt ist auch eine Notlaufeinrichtung für ein mikrocomputergesteuertes System mit einem Mikrocomputer, der über einen Signalausgang zur Abgabe von Steuersignalen sowie einen weiteren Ausgang zur Abgabe von regelmäßigen Failsafe-Impulsen verfügt. Eine Failsafe- Schaltung kontrolliert das regelmäßige Auftreten der Failsafe-Impulse. Bei Auftreten eines Failsafe-Signals wird der Mikrocomputer zurückgesetzt und gleichzeitig dem System ein Notlaufsignal zugeführt (DE 33 22 074 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur sicheren Ansteuerung von Stellelementen eines Prozesses zu schaffen, so daß mit geringem schaltungstechnischem Aufwand die Steuerung des Prozesses von den Steuereinheiten auch ohne Empfang neuer Einstellwerte aus der zentralen Datenverarbeitungseinheit für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten wird, nach deren Ablauf bei weiterhin unterbrochenem Empfang von Einstellwerten aus der Datenverarbeitungseinheit der Prozeß auf vorab eingestellte Sicherheitszustände umgeschaltet wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Steuereinheiten haben bei der Anordnung gemäß Anspruch 1 einen einfachen Aufbau. Sie können daher in kurzer Zeit vollständig hinsichtlich Entwurfs- und Fertigungsfehlern geprüft werden. Durch eine solche vollständige Prüfung können systematische Fehler erkannt und durch eine Änderung der Hardware oder Software beseitigt werden. Die im Anspruch 1 beschriebene Anordnung eignet sich besonders gut für Prozesse, die große Zeitkonstanten aufweisen. Bei der Unterbrechung des Empfangs der Einstellwerte aus der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit können die Steuereinheiten ohne besondere Nachteile den Prozeß für eine gewisse Zeit steuern. Aufgrund der Meldung der Unterbrechung des Empfangs der Einstelldaten ist es möglich, die Störung zu beheben. Wenn die Störung innerhalb einer absehbaren Zeit nicht behoben ist und die in den Steuereinheiten vorhandenen Einstelldaten nicht mehr für die Prozeßsteuerung geeignet sind, wird auf Sicherheitseinstellzustände übergegangen, die den Prozeß in ein gewünschtes Stadium überführen.

Vorzugsweise sind die Steuereinheiten über einen seriellen Bus zur Synchronisierung der Abgabe der Signale an die Stellglieder miteinander verbunden. Die Synchronisation bezieht sich nur auf diejenigen Baugruppen, die für die Steuerung bzw. Regelung eines bestimmten Prozesses zusammengehören. Bei erkannten Fehlern wird über den seriellen Bus eine Fehlermeldung an die anderen Steuereinheiten abgegeben. Die Synchronisation der jeweils für den Prozeß vorgesehenen Steuereinheiten wird hierdurch jedoch nicht aufgehoben.

Weiter zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 und 4 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Reihe von an eine zentrale Daten­ verarbeitungseinheit angeschlossenen Baugruppen, denen Stellelemente eines Prozesses nachgeschaltet sind,

Fig. 2 Einzelheiten einer Baugruppe gemäß Fig. 1.

Eine Reihe von Baugruppen (Steuereinheiten) 1, 2, 3 ist für die Ausgabe von Steuersignalen an Stellelemente 7, 8, 9 eines Prozesses bestimmt. Jede Baugruppe 1, 2, 3, die z. B. als Steckbaugruppe für ein Magazin ausgebildet ist, enthält zahlreiche Ausgangsanschlüsse 4, 5, 6, von denen in Fig. 1 jedoch nur jeweils ein Paar von ihnen dargestellt ist. An diese Ausgangsanschlüsse 4, 5, 6 sind beispielsweise als Stellelemente 7, 8, 9 jeweils ein Magnetventil 7, ein Schütz 8 und ein Anzeigeelement 9 angeschlossen. Die Ausgangsanschlüsse 4, 5, 6 sind in den Baugruppen 1, 2, 3 mit Kontakten von Relais 10, 11, 12 verbunden, die von in Fig. 1 nicht dargestellten Eingabe-/Ausgabeschaltungen bestätigt werden, die Speicherschaltungen enthalten. Die Stellelemente 7, 8, 9 werden je nach Anforderungen des Prozesses schrittweise betätigt, z. B. im Ein-Aus-Betrieb. Die Art der Betätigung und die Dauer der Betätigung sind als Einstellwerte in Speichern 13, 14, 15 der Baugruppen 1, 2, 3 enthalten. Die schrittweise Ausgabe der Einstellwerte für bestimmte Zeiten ist in Fig. 1 durch einzelne Ebenen 17 der Speicher 13, 14, 15 symbolisch dargestellt. Die Baugruppen 1, 2, 3 sind an einen parallelen Bus 15 angeschlossen. Mit diesem parallelen Bus 15 steht auch eine zentrale Datenverarbeitungseinheit 16 in Verbindung. Diese zentrale Datenverarbeitungseinheit 16 ist für die Steuerung bzw. Regelung des Prozesses maßgebend. Beispielsweise kann die zentrale Datenverarbeitungseinheit 16 mit Sensoren für die verschiedenen Prozeßvariablen verbunden sein. Die Ausgabe der Einstellwerte für die Stellelemente 7, 8, 9 erfolgt über die Baugruppen 1, 2, 3.

Die Einstellwerte für die Stellelemente 7, 8, 9 werden von der zentralen Daten­ verarbeitungseinheit 16 beispielsweise unter Verarbeitung der Meßwerte von Sensoren gebildet oder in die zentrale Datenverarbeitungseinheit 16 über Eingabe-/ Ausgabegeräte eingespeichert. Die zentrale Datenverarbeitungseinheit 16 sendet die Einstellwerte über den parallelen Bus 15 zu den Baugruppen 1, 2, 3, in denen die Einstellwerte, die den an die jeweiligen Baugruppen 1, 2, 3 angeschlossenen Stellelementen 7, 8, 9 zugeordnet sind, in die Speicher 13, 14 eingelesen werden. Die Speicher 13, 14, 15 sind für wahlfreien Zugriff ausgebildet. Die gespeicherten Einstellwerte werden von den Baugruppen 1, 2, 3 selbsttätig aus den Speichern 13, 14 ausgelesen und über die Eingabe-/Ausgabeschaltungen und Relais 10, 11, 12 den Stellelementen vorgegeben.

Die Ebenen 17 bilden in den Speichern 13, 14 einen ersten Speicherbereich. Ein zweiter Speicherbereich wird von Ebenen 18 gebildet, denen ganz bestimmte Einstellwerte zugeordnet sind, die auch als Sicherheits­ einstellwerte bezeichnet sind. Die Einstellwerte in den Ebenen 18 sind für den Notbetrieb des Prozesses vorgesehen. Es kann sich je nach den Gegebenheiten des Prozesses um Einstellwerte handeln, die in einer vorgegebenen Reihenfolge zu einem Stillstand des Prozesses führen oder diesen in einem vorgegebenen Zustand aufrechterhalten, der gefahrlos ist. Den Ebenen 18 werden diese "Noteinstellwerte" ebenfalls über die zentrale Datenverarbeitungseinheit 16 zugeführt. Es ist auch möglich, die "Noteinstellwerte" über nicht dargestellte Eingabemittel für die Baugruppen 1, 2, 3 in die Speicher 13, 14 einzulesen, wenn z. B. ein Zugriff zu den Ebenen 18 von der zentralen Datenverarbeitungseinheit 16 aus Sicherheitsgründen nicht zugelassen werden soll. Weiterhin können die Speicherbereiche, die die Ebenen 18 umfassen, in besonderen Fällen auch als PROM′s ausgebildet sein, deren Inhalte nicht mehr verändert werden.

In Fig. 2 ist die Baugruppe 1 im einzelnen dargestellt. Die anderen Baugruppen 2, 3 haben den gleichen Aufbau. Die Baugruppe 1 weist eine Anpassungsschaltung 19 auf, die zwischen dem parallelen Bus 15 und einem Prozessor 20 angeordnet ist, der über einen internen Bus 21 der Baugruppe 1 mit dem Speicher 13, einem CMOS-RAM, einem Festwertspeicher 22, in dem sich das Programm für den Prozessor 20 befindet, einer Zeitgeberschaltung 23, einer Interrupt-Logik 24, einer Ausgabeschaltung 25 und einer Anpassungsschaltung 26 verbunden ist, an die über einen Buskoppler 28 ein serieller Bus 27 angeschlossen ist, der die Baugruppen 1, 2, 3 miteinander verbindet.

Von der zentralen Datenverarbeitungseinheit 16 werden periodisch die an die Stellelemente 6, 7, 8 auszugebenden Einstellwerte an die Baugruppen 1, 2, 3 übertragen. Der Prozessor 20 in jeder Baugruppe 1, 2, 3 überprüft an Hand seines Programms im Festwertspeicher 22, ob die Einstellwerte innerhalb der vorgegebenen Perioden empfangen werden. Die innerhalb der vorgegebenen Perioden empfangenen Einstellwerte gelangen in den Speicher 13 und werden in den Ebenen 17 für die schrittweise Ausgabe eingespeichert. Die für den normalen Betrieb bestimmten Einstellwerte sind durch die Wertigkeit an einer Stelle im Wort gekennzeichnet. Sicherheitseinstellwerte enthalten eine andere Wertigkeit an dieser Stelle des Worts. Daher werden die letzteren Einstellwerte in die Ebenen 18 eingegeben. Die Einstellwerte werden überdies in einem bestimmten Code auf dem parallelen Bus 15 übertragen. Dieser Code, der eine fehlerhafte Übertragung erkennen läßt, wird in der jeweiligen Baugruppe 1, 2, 3 mit dem Prozessor 20 ausgewertet.

Falls keine neuen Einstellwerte innerhalb der vorgeschriebenen Zeit empfangen werden oder die empfangenen Einstellwerte fehlerhaft sind, geht der Prozessor 20 auf eine andere Betriebsweise über, in der über die Ausgabeschaltung 25 ein optisches Anzeigeelement 29 zum Aufleuchten gebracht wird. In dieser Betriebsweise werden die abgespeicherten Einstellwerte in den vorgesehenen Schritten über die Ausgabeschaltung 25 an Relais 10, 31, 32, 33 gelegt, denen die Stellelemente 6, 7, 8 nachgeschaltet sind. Diese schrittweise Ausgabe wiederholt sich in zyklischer Folge, bis von der zentralen Datenverarbeitungseinheit 16 neue Einstellwerte gesendet und fehlerfrei empfangen werden.

Die Meldung über das Anzeigeelement 29 veranlaßt das Überwachungs­ personal zu einer genauen Beobachtung des Prozesses. Sollte sich mit den abgespeicherten Einstellwerten der Prozeß in unerwünschter Weise ver­ ändern, dann wird die jeweilige Baugruppe durch Betätigung eines Ein­ gabeelements 34, das mit der Ausgabeschaltung 25 verbunden ist, dazu veranlaßt, die Sicherheitseinstellwerte aus den Ebenen 18 auszulesen und den Prozeß nach diesen Sicherheitseinstellwerten zu steuern.

Die Sicherheitseinstellwerte bringen den Prozeß in einen sicheren Zustand. Wenn eine Baugruppe 1, 2, 3 den Prozeß mittels der Sicherheitseinstellwerte steuert, werden die anderen Baugruppen in die gleiche Betriebsweise versetzt. Über den seriellen Bus 27 werden Schrittsynchronisiersignale für die Ausgabe der Einstellwerte an die Stellelemente übertragen.

Die Synchronisiersignale beziehen sich jeweils auf die für einen bestimmten Prozeß vorgesehenen Baugruppen 1, 2, 3. Bei Ausfall einer oder mehrerer Baugruppen 1, 2, 3 wird der serielle Bus 27 nicht blockiert. Es wird jedoch über diesen seriellen Bus 27 den übrigen Baugruppen 1, 2, 3 gemeldet, wenn eine von ihnen nicht mehr von der zentralen Datenverarbeitungseinheit 16 mit Einstellwerten versorgt wird.

Die Elemente 20, 22, 23, 24 und 26 sind in Fig. 1 schematisch durch einen Block 35 dargestellt, der die Umschaltung der Ebenen 17, 18 auf die Eingabe-/Ausgabeschaltung 25 steuert. Außerdem steuert der Block 35 die Ausgabe der Sicherheitseinstellwerte aus den Ebenen 18.

Jede Baugruppe 1, 2, 3 ist mit einer von der zentralen Daten­ verarbeitungseinheit 16 unabhängigen eigenen Stromversorgung versehen. In Fig. 2 ist dies durch ein Netzgerät 36 dargestellt. Bei Ausfall der Stromversorgung der zentralen Datenverarbeitungseinheit 16 kann die Baugruppe 1 bzw. 2 bzw. 3 daher weiterarbeiten.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur sicheren Ansteuerung von Stellelementen (7, 8, 9) eines Prozesses, wobei eine zentrale Datenverarbeitungseinheit (16) über einen Bus (27) mit mindestens zwei Steuereinheiten (1, 2, 3) verbunden ist, an welche sie periodisch Einstelelwerte zyklisch überträgt, wobei jede der mindestens zwei Steuereinheiten (1, 2, 3) mindestens eine Ausgabeschaltung (25) zur Abgabe von Signalen entsprechend den empfangenen Einstellwerten an das ihr zugeordnete Stellelement (7, 8, 9) aufweist, wobei jede der mindestens zwei Steuereinheiten (1, 2, 3) einen Speicher (13, 14, 15) sowie einen Prozessor (20) aufweist und die von der zentralen Datenverarbeitungseinheit (16) erzeugten Einstellwerte in die Speicher (13, 14, 15) zur schrittweisen Ausgabe über die Ausgabeschaltungen (25) eingelesen werden, wobei der Prozessor (20) den Empfang der Einstellwerte auf ihr Auftreten innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne und auf Übereinstimmung mit einem bestimmten fehlererkennbaren Code mit Hilfe eines Zeitgebers (23) in der jeweiligen Steuereinheit (1, 2, 3) derart überprüft, daß bei Ausbleiben oder bei Störung der Einstellwerte die im jeweiligen Speicher (13, 14, 15) vorhandenen Einstellwerte in der vorgegebenen Reihenfolge unter zyklischer Wiederholung an die Ausgabeschaltungen (25) der jeweiligen Steuereinheit (1, 2, 3) unter Angabe einer entsprechenden Meldung übertragen werden, und daß dann die jeweilige Steuereinheit (1, 2, 3) auf eine Betriebsweise umschaltbar ist, wodurch in einem gesonderten Speicher (18) enthaltene Sicherheitseinstellwerte an die jeweiligen Ausgabeschaltungen (25) gelangen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheiten (1, 2, 3) über einen seriellen Bus (27) zur Synchronisierung der Abgabe der Signale an die Stellglieder (7, 8, 9) miteinander verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall oder Störung der Eingabe der Einstellwerte aus der zentralen Datenverarbeitungseinheit (16) in mindetens einer Steuereinheit (1, 2, 3) auf dem seriellen Bus (27) eine Fehlermeldung an die übrigen mit dem Bus (27) verbundenen Steuereinheiten (1, 2, 3) übertragen wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Steuereinheit (1, 2, 3) eine von der zentralen Datenverarbeitungseinheit (16) unabhängige eigene Stromversorgung (36) aufweist.