DE4429157A1 - Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Steuer- und Regelsystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwa­ chung eines Steuer- oder Regelsystems mit wenigstens einem Sen­ sor, der wenigstens eine systemrepräsentative Meßgröße erfaßt und entsprechende Meßwerte liefert, einer die Meßwerte aufneh­ menden Elektronik und einem von der Elektronik ansteuerbaren Aktor, der auf das System einwirkt.

Eine Funktionsüberwachung ist die Basis für den Betrieb al­ ler zunehmend automatisierten Steuer- und Regelsysteme, da an­ dernfalls Störungen möglicherweise über eine längere Zeitdauer nicht festgestellt werden. Besonders Steuer- und Regelsysteme in sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie beispielsweise in elektronischen Feuerungsautomaten müssen kontinuierlich über­ wacht werden; ein Fehler im Steuer- oder Regelsystem muß dabei auf eine Weise erkannt werden, die selbst fehlersicher ist.

Bisher kann ein Teil der Komponenten eines Steuer- oder Re­ gelsystems so ausgelegt werden, daß interne Fehler bzw. Umge­ bungseinflüsse entweder die Funktion des Systems überhaupt nicht beeinträchtigen oder nicht zu kritischen Systemverände­ rungen führen können. Zu diesen Komponenten, die die Technik "im Griff" hat gehört beispielsweise eine fehlersichere Hard­ ware in der Elektronik.

Andererseits können bei einem anderen Teil der Komponenten, insbesondere bei Sensoren, Fehler und vollständige Funktions­ ausfälle nicht ausgeschlossen werden. Diese Komponenten werden deshalb bei bekannten sicherheitsrelevanten Systemen zweifach, manchmal auch diversitär vorgesehen. Während der Steuer- oder Regelfunktion erfassen beide Sensoren dann die gleiche system­ repräsentative Meßgröße, so daß sie im Normalbetrieb die glei­ chen Meßwerte liefern. Tritt in einem der Sensoren eine Fehl­ funktion auf, so wird diese durch einen sofort erkennbaren Un­ terschied zwischen den Meßwerten der beiden Sensoren unmittel­ bar angezeigt. Auf diese Weise genügt ein solches Steuer- oder Regelsystem zwar hohen Sicherheitsanforderungen, jedoch ist der Kostenaufwand für die doppelte Auslegung aller Sensoren sehr hoch. Außerdem sind Systeme mit gesonderter Überwachung der Ak­ toren (Stellglieder) bekannt, da auch deren Funktion mit un­ vermeidbaren Fehlern behaftet ist. Es müssen also zusätzlich Kosten für die Überwachung der Aktoren, beispielsweise durch weitere Sensoren, aufgebracht werden. Die dabei anfallenden Ge­ samtkosten sind beträchtlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Funktions­ überwachung eines Steuer- oder Regelsystems zur Verfügung zu stellen, das den technischen Aufwand verringert und die anfal­ lenden Kosten vergleichsweise gering hält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in vorgegebenen Zeitabständen von der Elektronik Testsignale an den Aktor gesendet werden,
daß der Aktor unter Einfluß dieser Testsignale verstellt wird,
daß das System unter Einwirkung des Aktors verstellt wird,
daß danach die zugehörigen Meßwerte des Sensors als Test­ werte von der Elektronik erfaßt werden,
daß die Testwerte von der Elektronik mit gespeicherten Re­ ferenzwerten verglichen werden und
daß außerhalb einer vorgegebenen Abweichung der Testwerte von den Referenzwerten ein Fehlersignal bzw. eine Fehlermeldung von der Elektronik ausgegeben wird.

Auf diese Weise wird eine Überwachungsmöglichkeit für ein Steuer- oder Regelsystem geschaffen, bei der zur Erfassung ei­ ner Meßgröße nur ein Sensor benötigt wird. Weiter wird der Auf­ bau des Systems dadurch vereinfacht, daß der Aktor nicht über­ wacht werden muß. Das heißt, auf den Aktor überwachende Senso­ ren kann vollständig verzichtet werden. Es gelingt somit in dem Testzyklus gleichzeitig Aktor und Sensor zu überwachen, da eine fehlerhafte Funktion einer der beiden Komponenten sofort eine Fehlermeldung auslöst. In dem System kann somit vollständig auf redundante Komponenten verzichtet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei eine beträchtliche Senkung des Raumbedarfs, den eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Anlage beansprucht.

Die Testsignale werden bei diesem Verfahren systemtolerant gewählt, so daß das System nicht in einen kritischen Zustand gerät. In der Regel wird das System unter der Einwirkung der an den Aktor angelegten Testsignale jedoch in deutlichen Abstand zu den für den Normalbetrieb festgelegten Sollwerten gebracht. Die Regelung für den Normalbetrieb wird in den Testzyklen vorübergehend unterbrochen; selbst wenn die Testsignale außerhalb des für den Normalbetrieb festgelegten Toleranzbe­ reichs liegen. Die Testsignale können aus einer beliebig langen Signalsequenz bestehen, es kann jedoch auch mit nur einem einzigen Testsignalimpuls gearbeitet werden.

Vorzugsweise werden die Testsignale in regelmäßigen Zeitab­ ständen an den Aktor angelegt. Somit kann die Funktion der An­ lage kontinuierlich überwacht werden. Die Zeitabstände werden dabei individuell auf das jeweilige Steuer- oder Regelsystem abgestimmt und richten sich insbesondere nach der Sicherheits­ stufe, der das System zuzuordnen ist.

In Weiterbildung der Erfindung liegen die Testsignale in­ nerhalb des für den Normalbetrieb festgelegten Toleranzbe­ reichs. Auf diese Weise arbeitet das System kontinuierlich un­ gestört weiter.

Vorteilhafterweise werden die Testsignale derart gewählt, daß abwechselnd Referenzwerte oberhalb und unterhalb der Regel­ kurve angesteuert werden. Die Meßsicherheit wird auf diese Weise weiter erhöht, so daß das Auftreten von Funktionsfehlern sehr früh erkannt werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwerte und die vorgegebene Abweichung in einem dem Prozeß der Regelung oder Steuerung zeitlich vorgeschalteten Referenzzyklus bestimmt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Umgebungseinflüsse speziell für jedes Steuer- oder Regelsystem mit zu berücksich­ tigen. Außerdem kann Unterschieden in den Systemkomponenten Rechnung getragen werden, deren Toleranzen in der Herstellung relativ groß sind. Der Referenzzyklus kann in regelmäßigen zeitlichen Abständen beispielsweise jedes Jahr wiederholt wer­ den, um das System neu zu justieren, daß heißt an die aktuellen Betriebsparameter der einzelnen Komponenten anzupassen.

Vorteilhafterweise werden beim Referenzzyklus zunächst un­ ter Standardbedingungen die Testsignale an den Aktor angelegt und in Abhängigkeit von den Testsignale die Meßwerte erfaßt und als Referenzwerte gespeichert. Dieser Verfahrensschritt kann zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Genauigkeit der Refe­ renzwerte mehrmals wiederholt werden. Als Standardbedingungen können entweder Normbedingungen oder bevorzugt die für den Be­ trieb dieser Anlage typischen Bedingungen eingestellt werden.

In Weiterbildung schlägt die Erfindung vor, daß beim Refe­ renzzyklus das Regel- oder Steuersystem möglicherweise beein­ flussende Störgrößen, wie beispielsweise die Temperatur, der Luftdruck und/oder die Luftfeuchtigkeit erfaßt werden, die Störgrößen innerhalb der Grenzen variiert werden, die für die Funktion des Regel- oder Steuersystems unkritisch sind, und die maximale Abweichung der Meßwerte erfaßt und als vorgegebene Abweichung gespeichert werden.

Das Verfahren kann auf diese Weise noch besser auf das je­ weilige Steuer- oder Regelsystem abgestimmt werden, da der Fachmann die Möglichkeit hat, beim Referenzzyklus nicht nur al­ le kritischen Störgrößen mitzuberücksichtigen sondern auch die erlaubte Maximalabweichung der Meßwerte an die speziellen Be­ triebsbedingungen anzupassen. Auf diese Weise wird wirksam ver­ hindert, daß das System zu früh eine Fehlermeldung ausgibt und ggf. zu früh abschaltet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Regelsystems, dessen Funktion mit dem erfindungsgemäßen Verfahren über­ wacht wird; und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Stellgröße und der Meßgröße für das Regelsystem gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelsystems, dessen Funktion mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht wird. Die einzelnen Komponenten, ein Sollwerteinsteller 1 eine Elek­ tronik 2, ein Aktor bzw. Stellglied 3 ein zu regelndes System bzw. die Regelstrecke 4 und ein Sensor 5 sind bekannt. Im Nor­ malbetrieb gibt der Sollwerteinsteller 1 eine Führungsgröße an die Elektronik und legt zu einer Stellgröße gehörige Stellsi­ gnale an den Aktor 3 an. Der Aktor 3 wirkt auf das System 4 ein, wobei von dem Sensor 5 eine systemrepräsentative Meßgröße bzw. Regelgröße erfaßt wird. Der Sensor 5 liefert Meßwerte an die Elektronik, welche die Regelabweichung zwischen Führungs­ größe und Meßgröße berechnet und ein entsprechendes Stellsignal ausgibt.

Zur erfindungsgemäßen Überwachung der einzelnen Komponenten des Steuer- oder Regelsystems werden von der Elektronik 2 in regelmäßigen Zeitabständen Testsignale an den Aktor 3 gesendet, welcher unter dem Einfluß dieser Testsignale verstellt wird. Unter Einwirkung des Aktors wird auch das System 4 verstellt, und der Sensor 5 erfaßt zu den Testsignalen gehörige Testwerte w. Diese werden an die Elektronik 2 angelegt und dort mit ge­ speicherten Referenzwerten r verglichen. Wenn die Testwerte au­ ßerhalb einer ebenfalls gespeicherten Abweichung Δ von den Re­ ferenzwerten r liegen, wird von der Elektronik 2 eine Fehler­ meldung ausgegeben.

Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm der Stellgröße und der Meß­ größe für das Regelsystem gemäß Fig. 1. Die Stellgröße hat im Normalbetrieb den Wert des Stellsignals; und zwar in den Zeit­ perioden 10. In regelmäßigen Zeitabständen werden Testzyklen 11 durchlaufen, in denen statt der Stellsignale Testsignale an den Aktor 3 angelegt werden. Fig. 2 zeigt außerdem stark vergrößert die Regelkurve 13 (Sollwerte) und den Toleranzbereich 14. In den Testzyklen 11 wird das System verstellt und nach einer an die Trägheit des Systems angepaßten Einschwingphase, am Ende der Testzyklen, wird zu den Zeiten t1, t2 . . . von der Elektronik die Meßgröße als Testwert w erfaßt und mit dem zugehörigen Re­ ferenzwert r verglichen. Ist die Differenz zwischen beiden Wer­ ten größer als die gespeicherte Abweichung Δ, so wird eine Feh­ lermeldung ausgegeben. Die Testsignale werden für die Testzy­ klen vorzugsweise so gewählt, daß die Testwerte innerhalb des Toleranzbereichs 14, jedoch in deutlichem Abstand zu den Soll­ werten 13 liegen, bspw. jeweils um 5% über oder unter den Soll­ werten. In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 werden von der Elektronik derart Testsignale ausgegeben, daß abwechselnd Refe­ renzwerte oberhalb und unterhalb der Regelkurve 13 angesteuert werden. Auf diese Weise wird eine hohe Meßsicherheit erzielt.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind viele Variationsmög­ lichkeiten denkbar. Insbesondere können beliebig viele Sensoren und Aktoren verwendet werden. Die Testzyklen können in regelmä­ ßigen Zeitabständen, aber auch variabel gewählt werden. Auch die Referenzwerte, die Einschwingphase und die vorgegebene Ab­ weichung können an die Systemparameter beliebig angepaßt wer­ den.

Claims (8)

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Steuer- oder Regelsystems mit

• - wenigstens einem Sensor, der wenigstens eine system­ repräsentative Meßgröße erfaßt und entsprechende Meßwerte lie­ fert,
• - einer die Meßwerte aufnehmenden Elektronik und
• - einem von der Elektronik ansteuerbaren Aktor, der auf das System einwirkt,

dadurch gekennzeichnet,
daß in vorgegebenen Zeitabständen von der Elektronik Test­ signale an den Aktor gesendet werden,
daß der Aktor unter Einfluß dieser Testsignale verstellt wird,
daß das System unter Einwirkung des Aktors verstellt wird,
daß danach die zugehörigen Meßwerte des Sensors als Test­ werte von der Elektronik erfaßt werden,
daß die Testwerte von der Elektronik mit gespeicherten Re­ ferenzwerten verglichen werden und
daß außerhalb einer vorgegebenen Abweichung der Testwerte von den Referenzwerten ein Fehlersignal bzw. eine Fehlermeldung von der Elektronik ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Testsignale in regelmäßigen Zeitabständen an den Aktor ge­ sendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Testsignale innerhalb des für den Normalbetrieb festgelegten Toleranzbereichs liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Testsignale derart gewählt werden, daß abwechselnd Referenzwerte oberhalb und unterhalb der Regelkurve angesteuert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Referenzwerte und die vorgegebene Abwei­ chung in einem dem Prozeß der Regelung oder Steuerung zeitlich vorgeschalteten Referenzzyklus bestimmt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Referenzzyklus
zunächst unter Standardbedingungen die Testsignale an den Aktor angelegt werden und
in Abhängigkeit von den Testsignale die Meßwerte erfaßt und als Referenzwerte gespeichert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Referenzzyklus
das Regel- oder Steuersystem möglicherweise beeinflussende Störgrößen, wie beispielsweise die Temperatur, der Luftdruck und/öder die Luftfeuchtigkeit erfaßt werden,
die Störgrößen innerhalb der Grenzen variiert werden, die für die Funktion des Regel- oder Steuersystems unkritisch sind, und
die maximale Abweichung der Meßwerte erfaßt und als vorge­ gebene Abweichung gespeichert wird.