DE69110546T2 - Vorrichtung zur Erzeugung eines der Eingangsgrösse der Vorrichtung entsprechenden Stromes. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines Stromes, welcher der Eingangsgröße der Anordnung entspricht, zum Beispiel eine einen analogen Ausgangsstrom liefernde Anordnung für ein digital arbeitendes Prozeßregelsystem. Die Anordnung enthält redundante Schaltkreise und ist zur Überwachung und Steuerung von deren Funktionen konzipiert. Eine solche Anordnung ist zum Beispiel bekannt aus der FR-A-2 422 196.
• Stellglieder zur Beeinflussung von industriellen Prozessen sind oft so beschaffen, daß ihre Stellung eine Funktion eines ihnen zugeführten Stromes ist. Es sind daher zwischen einem System zur Regelung oder Steuerung eines Prozesses und dem Stellglied des Prozesses im allgemeinen Glieder erforderlich zur Umwandlung der von dem Regel- oder Steuersystem erzeugten Signale in Ströme, die den Regel- oder Steuersignalen entsprechen.
• Ein Fehler in solchen Umwandlungsgliedern würde die Fähigkeit des Regel- oder Steuersystems zur Regelung oder Steuerung des Prozesses beeinträchtigen oder zunichte machen, was zu ernsten ökonomischen Folgen führen und auch die Sicherheit beeinträchtigen könnte. In solchen Fällen, in denen die Steuerfunktion besonders kritisch ist, sind daher die Umwandlungsglieder oft ergänzt durch zweite Umwandlungsglieder, wobei normalerweise nur eines dieser Glieder an das Stellglied angeschlossen ist. Wenn ein Fehlverhalten in dem angeschlossenen Umwandlungsglied angezeigt wird, findet eine Umschaltung statt, durch welche dieses Glied abgeschaltet und an seiner Stelle das andere Umwandlungsglied angeschlossen wird. Diese Umschaltung wird gewöhnlich durch elektromechanische Relais durchgeführt, die jedoch ihrerseits selbst in nicht vernachlässigbarem Umfange zu der Häufigkeit eines Versagens von solchen Teilen der Anlage beitragen, welche zwischen dem Regel- oder Steuersystem und dem Stellglied liegen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, welche einerseits eine redundante Funktion hat und andererseits im Falle eines angezeigten Fehlverhaltens die gewünschte Umschaltung zwischen geringe Fehleranfälligkeit haben.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zusätzlichen Ansprüchen genannt.
• Gemäß der Erfindung enthält die Anordnung zwei parallel arbeitende Stromerzeugungsglieder, von denen jedes kontinuierlich oder in Zeitabständen sowohl seine eigene Funktion als auch die des anderen Stromerzeugungsgliedes überprüft. Im Falle der Feststellung einer Fehlfunktion in einem der Stromerzeugungsglieder wird die gesamte Funktion der Anordnung von dem anderen Stromerzeugungsglied allein durch passive Komponenten in einem Stromsummierungsglied übernommen.
• Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung kann die Anordnung durch die Zuschaltung eines in jedem Stromerzeugungsglied vorhandenen alternativen Kreises für den erzeugten Strom so ausgestaltet werden, daß sie erfaßt, ob ein angezeigtes Fehlverhalten verursacht wird durch einen inneren Fehler in dem Stromerzeugungsglied oder durch einen äußeren Fehler, wie zum Beispiel einer Unterbrechung, in dem an das Stromerzeugungsglied angeschlossenen äußeren Teil des Kreises für den erzeugten Strom.
• Beispielhaft soll anhand der Figuren die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
• Figur 1 schematisch ein Blockschaltbild der Anordnung,
• Figuren 2a und 2b in Gestalt von Programmablaufplänen die Kriterien für die redundante Funktion der Anordnung,
• Figur 3 schematisch eine Weiterentwicklung der Anordnung,
• Figuren 4a und 4b in Gestalt von Programmablaufplänen die Kriterien für die Bildung der Status- und Fehlersignale,
• Figur 5 in Gestalt eines genaueren Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Figur 1 zeigt ein erstes und ein zweites Stromerzeugungsglied 1, 2, welche von einem nicht dargestellten übergeordneten Glied, zum Beispiel einem digital oder analog arbeitenden Prozeßregelsystem mit einer Eingangsgröße A gespeist werden. Jedes der Stromerzeugungsglieder 1, 2 erzeugt einen der Größe A proportionalen Strom I1 beziehungsweise 12.
• I1 und I2 werden durch folgende Beziehungen bestimmt.
• I1 = kl A (1)
• I2 = k2 A (2)
• Die Ströme 11 und 12 werden in einem Stromsummierungsglied 3 zu einem Gesamtstrom I addiert, für den die folgende Gleichung gilt.
• I = (kl + k2) A (3)
• Ferner ist jedes Stromerzeugungsglied 1, 2 in der Lage, im Falle einer fehlerfreien Arbeitsweise ein Zustandssignal S1, S2 zu erzeugen und die Anwesenheit seines eigenen Zustandssignals S1, S2 sowie die Anwesenheit des Zustandssignal S2, S1 des von dem anderen Stromerzeugungsglied 2, 1 erzeugten Zustandssignals zu erfassen. Diese Zustandssignale sind in Figur 1 durch gestrichelte Linien angedeutet. Ferner ist jedes Stromerzeugungsglied 1, 2 in der Lage, in Abhängigkeit der Zustandssignale S1, S2 die Proportionalität zwischen der zugeführten Größe A und den erzeugten Strömen I1, I2 entsprechend vorbestimmten Kriterien zu beeinflussen. Diese Kriterien werden entsprechend dem Prinzip gebildet, welches durch die Programmablaufpläne der Figur 2a, die für das Stromerzeugungsglied 1 gilt, und der Figur 2b, die für das Stromerzeugungsglied 2 gilt, beschrieben wird. Wenn beide Zustandssignale S1, S2 vorhanden sind, nehmen die Proportionalitätsfaktoren k1 und k2 der Gleichungen 1 und 2 vorbestimmte Werte k1 = k11 und k2 = k21 an. Wenn das Zustandssignal S1, S2 des gerade betrachteten Stromerzeugungsgliedes fehlt, nimmt der Proportionalitätsfaktor k1, k2 dieses Stromerzeugungsgliedes den Wert Null an, und wenn das Zustandssignal S2, S1 des anderen Stromerzeugungsgliedes vorhanden ist, nimmt der Proportionalitätsfaktor k2, k1 des anderen Stromerzeugungsgliedes 2, 1 einen Wert an, der gleich der Summe der beiden vorbestimmten Werte k11 und k21 ist. Hieraus folgt, daß, wenn beide, oder zumindest eines der Stromerzeugungsglieder 1, 2 fehlerfrei arbeitet, sich für die Summe der Ströme I1 und I2 gemäß Figur 3 folgendes ergibt:
• I = (k11 + k21) A (4)
• Dies bedeutet, daß die Proportionalität zwischen der Größe A und dem von der Anordnung erzeugten Gesamtstromes I so lange unverändert bleibt, wie mindestens eines der Stromerzeugungsglieder 1, 2 fehlerfrei arbeitet.
• Figur 3 zeigt ein Strommeßglied 4, 5, wie es in jedem Stromerzeugungsglied 1, 2 enthalten ist und welches den erzeugten Strom 11, 12 zu messen vermag. Ferner ist in jedem Stromerzeugungsglied 1, 2 ein Schaltglied 6, 7 vorhanden, welches unter dem Einfluß des Stromerzeugungsgliedes 1, 2 einen alternativen Pfad für den erzeugten Strom 11, 12 in dem Glied bereit zu stellen vermag. Ferner enthält jedes Stromerzeugungsglied 1, 2 eine Einheit 8, 9, welche die folgenden Größen (siehe Figuren 4a und 4b) zu erzeugen vermag:
• 1. Einen Sollwert IC1, IC2, welcher das Produkt aus der Größe A und dem Proportionalitätsfaktor k1, k2 darstellt, zur Erzeugung des Stromes I1, I2.
• 2. Einen Istwert IR1, IR2 des erzeugten Stromes I1, I2, der durch die Strommeßglieder 4, 5 gemessen wird.
• 3. Die Differenz D1, D2 zwischen dem Sollwert IC1, IC2 und dem Istwert IR1, IR2,
• 4. Das Zustandssignal S1, S2 entsprechend den vorbestimmten Kriterien in Abhängigkeit des Sollwertes IC1, IC2, des Istwertes IR1, IR2 und der Differenz D1, D2.
• 5. Ein Fehlersignal F1, F2 im Falle eines Fehlers, wie zum Beispiel einer Unterbrechung des an die Stromerzeugungsglieder 1, 2 angeschlossenen äußeren Kreises für die erzeugten Stromes I1, I2.
• Die obigen Kriterien werden nach den in den Figuren 4a und 4b gezeigten Prinzipien gebildet, wobei sich Figur 4a auf das Stromerzeugungsglied 1 und Figur 4b auf das Stromerzeugungsglied 2 bezieht. Die Absolutwerte der Differenzen D1, D2 werden mit einem ersten Vergleichswert DC verglichen, und wenn der genannte Absolutwert kleiner als der erste Vergleichswert DC ist, wird das Zustandssignal S1, S2 gebildet. Ferner wird der Sollwert IC1, IC2 mit einem zweiten Vergleichswert ICM verglichen, und der Istwert IR1, IR2 wird mit einem dritten Vergleichswert IRM verglichen. Um mit einem hohen Grad an Gewißheit feststellen zu können, ob ein äußerer Fehler vorhanden ist, ist es zweckmäßig, die genannten Vergleichswerte so zu wählen, daß der zweite Vergleichswert ICM einem Strom 11, 12 entspricht, der größer als der Strom 11, 12 ist, dem der dritte Vergleichswert IRM entspricht, und daß der erste Vergleichswert DC kleiner als die Differenz zwischen dem zweiten Vergleichswert ICM und dem dritten Vergleichswert IRM ist. Wenn der Sollwert IC1, IC2 größer als der zweite Vergleichswert ICM ist und gleichzeitig der Istwert IR1, IR2 kleiner als der dritte Vergleichswert IRM ist, stellt das Schaltglied 6, 7 den alternativen Pfad für den erzeugten Strom I1, I2 her und veranlaßt danach einen Vergleich des Absolutwertes der Differenz D1, D2 mit dem ersten Vergleichswert DC. Wenn der genannte Absolutwert kleiner als der erste Vergleichswert DC ist, wird nun das Fehlersignal F1, F2 in einer Weise gebildet, daß sie von einer in der Umgebung befindlichen Einrichtung, zum Beispiel einem Prozeßregelsystem, erfaßt wird.
• Figur 5 zeigt ein Steuerglied 10, einen Digital/Analogwandler 12 und ein Stromverstärkungsglied 14, die in dem Stromerzeugungsglied 1 angeordnet sind, sowie ein Steuerglied 11, einen Digigal/Analogwandler 13 und ein Stromverstärkungsglied 15, die in dem Stromerzeugungsglied 2 angeordnet sind. Zu jedem Stromerzeugungsglied 4, 5 gehört ein Strom/Spannungs-Wandler und ein Analog/Digital-Wandler 18, 19. Das Stromsummierungsglied 3 besteht aus zwei Dioden 20, 21, von denen jede mit einem ihrer Pole an einen gemeinsamen Verbindungspunkt 22 angeschlossen sind.
• Auf den in Figur 5 gezeigten Doppellinien werden Größen in digitaler Form übertragen, auf den gezeigten Einfachlinien erfolgt die Übertragung von analogen Spannungen und Strömen. Die Übertragung von Zustands- und Fehlersignalen ist durch gestrichelte Linien angedeutet.
• Die Steuerglieder 10, 11 enthalten einen Mikroprozessor, der über eine nicht gezeigte Schnittstelle die Größe A in digitaler Form erfaßt. Jeder Mikroprozessor ist nach den oben anhand der Programmablaufpläne der Figuren 2a, 2b, 4a, 4b gezeigten Prinzipien programmiert. Die Strom/Spannungs-Wandler 16, 17 bestehen aus einem Shunt, der von dem erzeugten Strom I1, I2 durchflossen wird.
• Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr sind verschiedene Abwandlungen möglich. So können die Steuerglieder 10, 11 aus für diesen Zweck aufgebauten Hardware-Schaltungen bestehen, und die Bildung und Erfassung der Zustandssignale S1, S2 und die Bildung der Fehlersignale F1, F2 kann in Abständen oder kontinuierlich erfolgen. Die Stromerzeugungsglieder 1, 2 können mit Anzeigegliedern ausgerüstet sein, welche das Vorhandensein von Status- oder Fehlersignalen anzeigen, und sie können so ausgebildet sein, daß diese Signale von umgebenden Einrichtungen erfaßt werden können. Wenn es als zweckmäßig erachtet wird, kann jedes der beiden Stromverstärkungsglieder mit dem an diese Glieder angeschlossenen Digital/Analog-Wandler 12, 13 integriert aufgebaut sein. Insbesondere wenn die Einheiten 8, 9 der Steuerglieder 10, 11 beziehungsweise 11 digital arbeiten, erhält man eine einfache Lösung, wenn die vorgegebenen Werte k11, k21 der Proportionalitätsfaktoren k1, k2 gleich groß gewählt werden, jedoch können sie natürlich auch unterschiedlich groß gewählt werden. Die Anordnung gemäß der Erfindung kann so beschaffen sein, daß die beiden Dioden 20, 21 innerhalb der entsprechenden Stromerzeugungsglieder 1, 2 angeordnet sind, während der Verbindungspunkt 22 außerhalb von diesen liegt. Hierdurch ist es möglich, die Stromerzeugungsglieder 1, 2 entweder in einer redundanten Verbindung zu verwenden, wobei diese zu je zwei an den Verbindungspunkt 22 angeschlossen sind, oder, wenn kein Bedarf an Redundanz besteht, jeden von ihnen an einen entsprechenden äußeren Kreis anzuschließen. Im letztgenannten Falle können sie unter Benutzung der Strommeßglieder 4, 5 auch so beschaffen sein, daß sie eine Größe A bilden, die den den Stromerzeugungsglieden 1, 2 zugeführten Strömen I1, I2 entspricht, und so als eine Anordnung mit analogen Stromeingang für beispielsweise ein Prozeßregelsystem verwendet werden.

Claims (7)

1. Anordnung zur Erzeugung eines Stromes (I), welcher der Eingangsgröße (A) der Anordnung entspricht, mit einem ersten und einem zweiten Stromerzeugungsglied (1, 2), von denen jedes an ein Stromsummierungsglied (3) angeschlossen ist und von denen jedes in der Lage ist, einen Strom (I1, I2) zu erzeugen, der einer Größe (A) proportional ist, wobei die Proportionalität durch einen entsprechenden beeinflussbaren Proportionalitätsfaktor (k1, k2) bestimmt wird, ein entsprechendes Zustandssignals (S1, S2) zu bilden und sein Vorhandensein zu erfassen, welches Zustandssignal eine fehlerfreie Funktion des zugehörigen Stromerzeugungsgliedes (1,2) anzeigt, das Vorhandensein eines Zustandssignals (S1, S2) zu erfassen, welches von dem anderen Stromerzeugungsglied (2, 1) gebildet wird, und seinen eigenen Proportionalitätsfaktor (k1, k2), der in dem Stromerzeugungsglied (1, 2) wirksam ist, in der Weise zu beeinflussen, daß

a) wenn das eigene von dem betreffenden Stromerzeugungsglied erzeugte Zustandssignal (S1, S2) nicht vorhanden ist, der Proportionalitätsfaktor (k1, k2) den Wert Null annimmt,

b) wenn das eigene von dem betreffenden Stromerzeugungsglied erzeugte Zustandssignal (S1, S2) vorhanden ist, der Proportionalitätsfaktor (k1, k2) einen von Null verschiedenen vorbestiinmten Wert (k11, k21) annimmt,

c) wenn das eigene von dem betreffenden Stromerzeugungsglied erzeugte Zustandssignal (S1, S2) vorhanden ist und das von dem anderen Stromerzeugungsglied (2, 1) erzeugte Zustandssignal (S1, S2) nicht vorhanden ist, der Proportionalitätsfaktor (k1, k2) einen Wert annimmt, der gleich der Summe der vorbestimmten Werte (k11, k21) ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Stromerzeugungsglieder (1, 2) ein Strommeßglied (4, 5) zur Messung des erzeugten Stromes (E1, E2) enthält und in der Lage ist, die Differenz (D1, D2) zu bilden zwischen einem Sollwert (IC1, IC2), welcher das Produkt aus der Größe (A) und dem Proportionalitätsfaktor (k1, k2) repräsentiert, und einem Istwert (IR1, IR2), welcher den durch die Strommeßglieder (4, 5) gemessenen Wert (I1, I2) repräsentiert, die Differenz (D1, D2) mit einem ersten Vergleichswert (DC) zu vergleichen, und, falls der Absolutwert der Differenz (D1, D2) kleiner als der erste Vergleichswert (DC) ist, daß Zustandssignal (S1, S2) zu bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stromerzeugungsglied (1, 2) ein schaltglied (6, 7) zur schließung eines alternativen Kreises für den erzeugten Strom (11, 12) enthält und in der Lage ist zu erfassen, ob der Sollwert (IC1, IC2) größer als ein zweiter Vergleichswert (ICM) ist und ob gleichzeitig der Istwert (IR1, IR2) kleiner als ein dritter Vergleichswert (IRM) ist und, wenn dies der Fall ist, zunächst das Schaltglied (6, 7) zum Schließen des alternativen Kreises zu veranlassen und danach die Erfassung der Differenz (D1, D2) zu veranlassen, und, falls der Absolutwert der Differenz (D1, D2) dann kleiner als der erste Vergleichswert (DC) ist, ein Fehlersignal (F1, F2) zu erzeugen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Stromerzeugungsglieder (1, 2) ein Steuerglied (10, 11), einen Digital/Analog- Wandler (12, 13) und ein Stromverstärkungsglied (14, 15) enthält, daß jedes Steuerglied (10, 11) imstande ist, die Größe (A) zu erfassen, das Zustandssignal (S1, S2) des Stromerzeugungsgliedes, zu welchem es gehört, zu bilden und sein Vorhandensein zu erfassen, das Vorhandensein des von dem anderen Steuerglied (11, 10) gebildeten Zustandssignal (S2, S1) zu erfassen, den zu dem Stromerzeugungsglied (1, 2) gehörenden Proportionalitätsfaktor (k1, k2) zu bilden und zu beeinflussen, und den Sollwert (IC1, IC2) zu bilden und diesen an den Digital/Analog-Wandler (12, 13) weiterzugeben.

4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Steuerglied (10, 11) in der Lage ist, das in demselben Stromerzeugungsglied (1, 2) wie das Steuerglied enthaltene Schaltglied (6, 7) zu beeinflussen und das Fehlersignal (F1, F2) zu erzeugen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strommeßglied (4, 5) einen Strom/Spannungs-Wandler (16, 17) und einen an das Steuerglied (10, 11) angeschlossenen Analog/Digital-Wandler (18, 19) enthält.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsummierungsglied (3) aus zwei Dioden (20, 21) besteht, welche die erzeugten Ströme (11, 12) einem gemeinsamen Verbindungspunkt (22) zuzuführen vermögen.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn jedes der Zustandssignale (51, 52) vorhanden ist, die von den beiden Stromerzeugungsgliedern (1, 2) erzeugten Ströme gleich groß sind.