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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
gesichertes automatisches System, bestehend aus zwei
Steuerungen, die einerseits mit Redundanzmodulen, die
miteinander über eine ketteninterne Verbindung
verbunden sind, und andererseits mit Analogmodulen
ausgestattet sind, die jeweils einen der beiden
Eingangskanäle ein und desselben Analogsignals
erhalten, das von einem Aufnehmer oder einem ähnlichen
Gerät geliefert wird.
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Um die Betriebssicherheit bestimmter Prozesse zu
gewährleisten, ist es notwendig eine gesicherte
automatische Vorrichtung wie die aus dem Patent
FR-A-2 561 410 zu verwenden. Eine derartige Vorrichtung
besteht, mit Bezug auf Fig. 1, aus zwei redundanten
herkömmlichen Steuerungen PLC-A und PLC-B, die jeweils
die von den Aufnehmern C über die Reihenklemmen D
kommenden Signale auf ihren Eingangskanälen A und B
erhalten oder Steuersignale an die Steuerorgane des
Prozesses senden. Jede programmierbare Steuerung PLC-A
oder PLC-B umfasst jeweils ein Redundanzmodul CR-A oder
CR-B, das mit dem internen Bus verknüpft ist. Die
beiden Redundanzmodule CR-A und CR-B sind miteinander
über die ketteninterne, ETHERNET-artige
Hochgeschwindigkeitsverbindung LIC verbunden, die dazu dient, die
Kohärenz ihrer jeweiligen Verarbeitungen zu
gewährleisten. Jede der programmierbaren Steuerungen
kann an ihren Eingängen "EIN/AUS"-Signale und
Analogsignale empfangen. Diese Analogsignale werden an
zwei Analogmodulen CA-A und CA-B, die jeweils in den
Gehäusen der Steuerungen PLC-A und PLC-B installiert
sind, und zwar über die Eingangskanäle A und B
erhalten.
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Die Werte der über die Kanäle A und B erhaltenen
Eingaben werden zunächst zwischen den beiden
Steuerungen PLC-A und PLC-B ausgetauscht, um in den
Redundanzmodulen CR-A und CR-B verarbeitet zu werden.
Die Werte der Eingaben der Kanäle A und B können
unterschiedlich sein, und es ist deshalb notwendig,
einen Mechanismus einzuführen, der diese Eingaben A und
B vergleichen und eine geeignete sich ergebende
Eingabe, die auf den beiden Ketten immer identisch ist,
zur Verarbeitung in der Zentraleinheit durch die
Client-Anwendung wählen kann.
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Bislang konnte die Kohärenzbearbeitung bei
Analogeingaben nicht zufriedenstellend gelöst werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein System
zur Bearbeitung der Kohärenz der Analogeingaben
anzubieten, das eine Unterscheidung zwischen einer
(sogenannten "nominalen") Situation, bei der die
Eingaben unterschiedliche Werte haben können aber
konkordant bleiben, und einer (sogenannten
"degradierten") Situation, bei der die Eingaben nicht
mehr als konkordant angesehen werden, vornimmt. Diese
Situation ist durch das Aussenden eines
Ungleichheitssignals gekennzeichnet.
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Das erfindungsgemäße automatische System ist
dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine
physikalische Abtastung der Eingangssignale in den
Analogmodulen vorzunehmen, sie mit dem Speicher der
Zentraleinheit auszutauschen, aus dem Speicher die bei
der Steuerungsabtastfrequenz abgetasteten Werte
abzugreifen und eine Konkordanzanalyse der abgetasteten
Werte vorzunehmen, um festzustellen, ob die
Unterschiede auf den Datenerfassungsmechanismus, wobei
die Eingaben in diesem Fall übereinstimmen, oder aber
auf einen wirklichen Unterschied der physikalischen
Eingaben, wobei die Eingaben in diesem Fall nicht
übereinstimmen, zurückzuführen sind.
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Einem Merkmal entsprechend analysiert das
automatische System anhand einer ersten Bedingung die
Eingaben der beiden Kanäle derart, dass von dem Wert
der abgetasteten Eingabe, die der zweiten Eingabe
vorauseilt, und den Werten der zweiten Eingabe im
aktuellen Zyklus und im Vorzyklus ausgehend, bestimmt
wird, ob der Wert der ersten Eingabe zwischen den
Werten der zweiten Eingabe liegt, wobei die Eingaben in
diesem Fall konkordant sind.
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Die Erfindung soll nun mit Bezug auf eine
beispielhaft angegebene und in den beigefügten
Zeichnungen dargestellte Ausführungsform näher
beschrieben werden. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Schema eines erfindungsgemäßen
programmierbaren Sicherheitssystems;
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Fig. 2 ein Schema der Verarbeitungskette der
Analogeingaben, bestehend aus dem Funktionsblock zur
Redundanzverarbeitung (Abstimmung);
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Fig. 3 ein Ablaufschema der erfindungsgemäßen
Verarbeitungsfunktion der Analogeingaben;
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Fig. 4 ein Zeitdiagramm des Programmzyklus, der
Abtastungen und des Eingangssignals;
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Fig. 5 ein die Methode zum Vergleich der Eingaben
darstellendes Schema.
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Das erfindungsgemäße. System bearbeitet die
Kohärenz der Analogeingaben der beiden in Fig. 1
abgebildeten Steuerungen PLC-A und PLC-B derart, dass
die Werte dieser von dem Client-Programm der beiden
Steuerungen gehandhabten Analogeingaben identisch sind.
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Mit Bezug auf Fig. 2 ist ersichtlich, dass die
Eingangssignale der Kanäle A und B jeweils an die
Analogmodule CA-A oder CA-B geschickt werden, in denen
sie einer physikalischen Abtastung, mit dem Ziel, sie
zu digitalisieren, und einer dem Verarbeitungstakt der
Client-Anwendung entsprechenden Steuerungsabtastung
unterworfen werden.
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Bei ein und derselben Steuerung PLC-A oder PLC-B
sind die physikalische und die Steuerungsabtastung
unabhängig.
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Angesichts der Tatsache, dass die Steuerungen
PLC-A und PLC-B identisch sind, ist die physikalische
Abtastfrequenz bei diesen beiden Steuerungen PLC-A und
PLC-B identisch.
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Die Redundanzmodule CR-A und CR-B weisen die
genaue Synchronisation der Steuerungszyklen zu, d. h.
die Synchronisation der Steuerungsabtastung.
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Die physikalische Abtastfrequenz und die
Steuerungsabtastfrequenz müssen mit den
Frequenzeigenschaften des Eingangssignals kompatibel sein. Das
bedeutet, dass diese (physikalischen oder Steuerungs-)
Abtastfrequenzen für eine Sinuswelle die Bedingung des
Shannon'schen Lehrsatzes einhalten müssen, nach dem die
Abtastfrequenzen gleich oder größer als zwei Mal die
Frequenz des Eingangssignals sein müssen. Das bedeutet
weiterhin, dass diese Frequenzen die praktische Regel
einhalten müssen, nach der die Abtastfrequenz gleich
oder größer als 5 bis 10 Mal die Schnittfrequenz des
Eingangssignals sein muss, damit die Schwächung des
Signals bei der Abtastfrequenz ausreichend ist.
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In der Nominalsituation sind die aus der
Reihenklemme D kommenden und an die Eingänge der
Analogmodule CA-A und CA-B gesendeten Analogsignale A
und B identisch. Die Analogsignale, die an den
Analogmodulen CA-A und CA-B ankommen, können wegen
einer auf die Anschlusskabel zurückzuführende
Rauscherscheinung unterschiedlich sein. Die sich aus
der physikalischen Abtastung ergebenden Signale in den
Analogmodulen CA-A und CA-B können auf Grund eines
Analog/Digital-Umsetzungsfehlers oder der
Phasenverschiebung zu den Zeitpunkten der physikalischen
Abtastung der Eingänge A und B unterschiedlich sein.
Die mit dem Rauschen und der Umsetzung verbundenen
Unterschiede werden der "Streuung" "assimiliert". Die
mit den Abtastzeitpunkten verbundenen Unterschiede
werden der Phasenverschiebung "assimiliert".
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Die am Eingang des Kanals A und am Eingang des
Kanals B abgetasteten Werte werden über die
ketteninterne Verbindung LIC ausgetauscht, um im
Speicher MA der Steuerung abgespeichert zu werden. Die
Zentraleinheit führt eine Steuerungsabtastung durch,
die aus ihrem Speicher MA die digitalisierten Werte der
Eingänge A und B im Takt des Client-Programmzyklus
wiedergewinnt.
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Über seinen in Fig. 3 aufgeführten
Abstimmungsalgorithmus toleriert das automatische
System zwei Unterschiedsquellen für das verarbeitete
Signal, mit anderen Worten analysiert es die Eingaben,
um festzustellen, ob die Unterschiede auf den
Datenerfassungsmechanismus oder aber auf einen
wirklichen Unterschied bei den physikalischen Eingaben
zurückzuführen sind. Im ersten Fall werden die Eingaben
als übereinstimmend bezeichnet, während die Eingaben im
zweiten Fall als nicht übereinstimmend bezeichnet
werden.
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Die Zentraleinheit des automatischen Systems
testet vorbereitend, bei jedem neuen Automatzyklus, ob
die Eingaben der Kanäle A oder B aufgefrischt wurden,
d. h. ob eine Änderung der einen oder anderen oder der
beiden Eingaben A oder B mit Bezug auf den Wert des
Vorzyklus stattgefunden hat. Um diesen Test
auszuführen, überprüft das automatische System anhand
der Bedingungen 2 und 3 der Fig. 3, ob die Werte der
aktuellen Eingabe, A und B, und entsprechend die Werte
A und B des Vorzyklus gleich sind. Die
Wahrscheinlichkeit, dass zwei physikalische Abtastungen
einen genau gleichen Wert haben, ist sehr gering.
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Wenn die beiden Eingaben ("Ja"-Alternative der
Bedingungen 2 und 3) nicht aufgefrischt wurden, findet
die Abstimmung nicht statt. Andernfalls ("Nein"-
Alternative der Bedingungen 2 oder 3) findet die
Abstimmung statt. Demnach versteht sich, dass
mindestens einer der beiden erhaltenen Werte zwischen
dem Zeitpunkt des Steuerungslesevorgangs im Vorzyklus
und dem Zeitpunkt des aktuellen Zyklus physikalisch
abgetastet wurde.
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Auf dem Zeitdiagramm der Fig. 4 geben die mit a
oder b markierten Einkerbungen die Zeitpunkte an, zu
denen jeweils die Analogmodule CA-A und CA-B dasselbe
Eingangssignal abtasten. Angesichts der Tatsache, dass
die physikalischen Abtastungen zu verschiedenen
Zeitpunkten stattfinden und das Signal der
physikalischen Eingabe mit der Zeit variiert, sind die
Werte der an den Eingängen A und B erhaltenen
physikalischen Abtastungen unterschiedlich. Bei Fig. 4
wird Eingang B mit Bezug auf den Zyklus, dessen Periode
mit T markiert ist, physikalisch vor Eingang A
abgetastet.
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Wegen der oben genannten Frequenzeinschränkungen
kann man das ankommende Signal wie eine Reihe von
Abschnitten einer Geraden ansehen (Linearannäherung in
Fig. 4), die jeweils die beiden aufeinanderfolgenden
abgetasteten Werte verbindet. Der Allgemeinfall
besteht, wenn sich die Werte mit einer negativen,
positiven oder Nullneigung ändern. Der Fall der
Krümmungsumkehrungen soll als Sonderfall behandelt
werden.
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Mit Bezug auf Fig. 5 geben die Kurven CA und CB
jeweils die von A und B nach der Steuerungsabtastung
erhaltenen Werte an. An und Bn sind die Werte von A und
B im Zyklus n, während An-1 und Bn-1 die Werte von A
und B im Zyklus n-1 sind. T stellt die Periode des
Client-Programmzyklus dar.
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Bei einem Steuerungszyklus werden An und Bn
physikalisch zu einem beliebigen Zeitpunkt abgetastet.
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Angenommen B wird physikalisch vor A abgetastet. Wenn
die Neigung positiv ist, ist Bn gleich oder kleiner als
An, aber auch gleich oder größer als die Abtastung An-1
des Vorzyklus. Bei negativer Neigung ist es umgekehrt.
Bn gehört zum Intervall An-1 An. Um die mit dem
Rauschen und den Analog/Digital-Umsetzungsfehlern
verbundenen Wertunterschiede zu berücksichtigen, muss
man den Toleranzwert den Grenzen der
Vergleichsintervalle hinzufügen. Somit wird ein
Vergleichsintervall eingeführt, dem Bn angehört. Die Toleranz ist
einstellbar.
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Um die Konkordanz der Eingaben A und B zu
bestimmen, überprüft das automatische System, ob die
Phasenverschiebung zulässig bzw. annehmbar ist, und
zwar über eine erste in Fig. 3 mit 4 markierte
Bedingung, die folgendermaßen formuliert wird: Wenn B A
vorauseilt und die Neigung positiv oder gleich Null
ist, dann liegt Bn zwischen An-1 und An (bis auf die
Toleranz), oder wenn B A vorauseilt und die Neigung
negativ ist, dann liegt Bn zwischen An und An-1 (bis
auf die Toleranz), oder wenn A B vorauseilt und die
Neigung positiv oder gleich null ist, dann liegt An
zwischen Bn-1 und Bn (bis auf die Toleranz), oder wenn
A B vorauseilt und die Neigung negativ ist, dann liegt
An zwischen Bn und Bn-1 (bis auf die Toleranz).
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Wenn diese erste Bedingung eingehalten wird ("Ja"-
Alternative der Bedingung 4 von Fig. 3), sagt die
Abstimmung aus, dass die Eingaben übereinstimmen, und
die sich ergebende Eingabe ist gleich dem Mittelwert
der Eingaben A und B.
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Wenn diese erste Bedingung nicht eingehalten wird
("Nein"-Alternative der Bedingung 4 von Fig. 3), kann
dies auf eine Umkehrung der Krümmung zurückzuführen
sein. Die Nichteinhaltung kann jedoch höchstens nur in
jedem zweiten Zyklus vorkommen (unter Einhaltung der
oben genannten Frequenzbedingungen). Das automatische
System führt den Test einer zweiten Bedingung für die
abgetasteten Werte der Eingänge A und B aus. Bei dieser
zweiten in Fig. 3 mit 5 markierten Bedingung testet das
automatische System, ob die Nichteinhaltung der ersten
Bedingung in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen auftritt
oder nicht. Wenn die Nichteinhaltung in zwei
aufeinanderfolgenden Zyklen erfasst wird ("Nein"-
Alternative), d. h. wenn die beiden Bedingungen nicht
eingehalten werden, dann wird Ungleichheit angegeben.
In der Praxis ist der Wert Zwei ein Mindestwert.
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Wenn die erste Bedingung eingehalten wird
(Konkordanz), ist die sich ergebende Eingabe gleich dem
Mittelwert der Eingaben A und B.
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Wenn die erste Bedingung nicht eingehalten wird
und die zweite eingehalten wird (weder Konkordanz noch
Ungleichheit), ist die sich ergebende Eingabe der Wert
der sich aus dem Vorzyklus ergebenden Eingabe
(Konstanz).
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Wenn weder die erste noch die zweite Bedingung
eingehalten wird (Ungleichheit), ist die sich ergebende
Eingabe der Wert der sich aus dem Vorzyklus ergebenden
Eingabe (Konstanz).
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Wenn die Abstimmung "annulliert" wird (es wurde
keine neue Abtastung seit dem Vorzyklus festgestellt),
wird der Wert des Vorzyklus angewandt.
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Selbstverständlich kann man sich, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen, Varianten und
Detailweiterbildungen erdenken und auch die Verwendung
gleichwertiger Mittel in Betracht ziehen.