DE69710621T2 - Gesichertes automatisches System - Google Patents

Gesichertes automatisches System

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DE69710621T2
DE69710621T2 DE1997610621 DE69710621T DE69710621T2 DE 69710621 T2 DE69710621 T2 DE 69710621T2 DE 1997610621 DE1997610621 DE 1997610621 DE 69710621 T DE69710621 T DE 69710621T DE 69710621 T2 DE69710621 T2 DE 69710621T2
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Laurent Schmitt
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Schneider Automation SAS
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/04Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/05Programmable logic controllers, e.g. simulating logic interconnections of signals according to ladder diagrams or function charts
    • G05B19/058Safety, monitoring

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Programmable Controllers (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Safety Devices In Control Systems (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung soll nun mit Bezug auf eine beispielhaft angegebene und in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Ausführungsform näher beschrieben werden. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Schema eines erfindungsgemäßen programmierbaren Sicherheitssystems;
  • Fig. 2 ein Schema der Verarbeitungskette der Analogeingaben, bestehend aus dem Funktionsblock zur Redundanzverarbeitung (Abstimmung);
  • Fig. 3 ein Ablaufschema der erfindungsgemäßen Verarbeitungsfunktion der Analogeingaben;
  • Fig. 4 ein Zeitdiagramm des Programmzyklus, der Abtastungen und des Eingangssignals;
  • Fig. 5 ein die Methode zum Vergleich der Eingaben darstellendes Schema.
  • 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.
  • 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.
  • Bei ein und derselben Steuerung PLC-A oder PLC-B sind die physikalische und die Steuerungsabtastung unabhängig.
  • 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.
  • Die Redundanzmodule CR-A und CR-B weisen die genaue Synchronisation der Steuerungszyklen zu, d. h. die Synchronisation der Steuerungsabtastung.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei einem Steuerungszyklus werden An und Bn physikalisch zu einem beliebigen Zeitpunkt abgetastet.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • Wenn die erste Bedingung eingehalten wird (Konkordanz), ist die sich ergebende Eingabe gleich dem Mittelwert der Eingaben A und B.
  • 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).
  • 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).
  • Wenn die Abstimmung "annulliert" wird (es wurde keine neue Abtastung seit dem Vorzyklus festgestellt), wird der Wert des Vorzyklus angewandt.
  • Selbstverständlich kann man sich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, Varianten und Detailweiterbildungen erdenken und auch die Verwendung gleichwertiger Mittel in Betracht ziehen.

Claims (8)

1. Gesichertes automatisches System, bestehend aus zwei Steuerungen (PLC-A, PLC-B), die einerseits mit Redundanzmodulen (CR-A und CR-B), die miteinander über eine ketteninterne Verbindung (MC) verbunden sind, und andererseits mit Analogmodulen (CA-A und CA-B) ausgestattet sind, die jeweils einen der beiden Eingangskanäle (A, B) ein und desselben Analogsignals erhalten, das von einem Aufnehmer oder einem ähnlichen Gerät geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine physikalische Abtastung der Eingangssignale in den Analogmodulen (CA-A, CA-B) vorzunehmen, sie mit dem Speicher (MA) der Steuerungen auszutauschen, aus dem Speicher (MA) 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.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das automatische System anhand einer ersten Bedingung die Eingaben der beiden Kanäle (A und B) derart analysiert, dass vom Wert der abgetasteten Eingabe, die der zweiten Eingabe (A oder B) vorauseilt, und von den Werten der zweiten Eingabe (B oder A) im aktuellen Zyklus und im Vorzyklus ausgehend festzustellen, ob der Wert der ersten Eingabe zwischen den Werten der zweiten Eingabe liegt, wobei die Eingaben in diesem Fall übereinstimmen.
3. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn die erste Bedingung nicht eingehalten wird, die Steuerung den Test einer zweiten Bedingung ausführt, um zu bestimmen, ob die Nichteinhaltung der ersten Bedingung in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Zyklen auftritt, wobei die Eingaben in diesem Fall nicht übereinstimmen.
4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, um den Wiederauffrischungstest durchzuführen, die Steuerung überprüft, ob Gleichheit zwischen dem aktuellen Eingabewert (A oder B) und demselben aber im Vorzyklus gemessenen Wert (A oder B) besteht.
5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das automatische System vorbereitend bei jedem neuen Steuerungszyklus überprüft, ob die Eingaben (A oder B) aufgefrischt wurden oder nicht, d. h. ob eine Änderung dieser Eingaben (A oder B) mit Bezug auf den Wert des Vorzyklus stattgefunden hat, und wenn der eine oder andere oder die beiden Eingabewerte (A und B) aufgefrischt wurden, er die Konkordanzanalyse der Eingaben vornimmt.
6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn die Eingaben übereinstimmen, die sich ergebende Eingabe gleich dem Mittelwert der auf den beiden Kanälen (A und B) eingegebenen Werte ist.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn die Eingaben weder konkordant noch ungleich sind, die sich ergebende Eingabe der Wert der sich aus dem Vorzyklus ergebenden Eingabe ist.
8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn die Eingaben ungleich sind, die sich ergebende Eingabe der Wert der sich aus dem Vorzyklus ergebenden Eingabe ist und ein Ungleichheitssignal gesendet wird.
DE1997610621 1996-01-30 1997-01-27 Gesichertes automatisches System Expired - Lifetime DE69710621T2 (de)

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