DE2637786A1

DE2637786A1 - Einrichtung zur ueberwachung bzw. korrektur von signalen

Info

Publication number: DE2637786A1
Application number: DE19762637786
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schaible
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-07-07
Filing date: 1976-08-21
Publication date: 1978-01-12
Also published as: FR2358055A1; SE419925B; US4143353A; GB1532383A; CH601874A5; SE7707745L; CA1092712A; FR2358055B1; DE2637786C2

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Einrichtung zur Ueberwaehung bzw. Korrektur von Signalen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ueberwaehung bzw. Korrektur von Signalen, mit einer Mehrzahl von Signalkanälen, die miteinander vergleichbare Signale führen und über einen Mittelwertbildner an eine Auswerte- bzw. Korrekturschaltung angeschlossen sind. Einrichtungen dieser Art sind unter der Kurzbezeichnung "Redundanzschaltungen mit Mittelwertbildung" allgemein bekannt.

Wenn bei solchen Schaltungen beispielsweise eine Mehrzahl von Eingangssignalen überwacht werden soll, so wird aus diesem ein Mittelwertsignal gebildet und jedes Eingangssignal mit diesem Mittelwertsignal verglichen«, Eine zu grosse Differenz zwischen Eingangssignal und Mittelxfertsignal wird als Pehlerkriterium

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für das betreffende Eingangssignal ausgewertet und führt zu dessen Abschaltung aus der Mittelwertbildung. Massgebend für die Fehlerselektierung ist hier der vergleichsweise geringere Fehleranteil innerhalb des Mittelwertsignals.

Nachteilig bei diesen Schaltungen ist, dass eine sprunghafte, fehlerbedingte Aenderung eines Eingangssignals - abgesehen von der Schwächung infolge Mittelwertbildung -■ zunächst in das weiterzuverwendende Mittelwertsignal eingeht, bis der Fehler durch Vergleich des betreffenden Eingangssignals mit dem Mittelwertsignal erkannt ist und das fehlerhafte Eingangssignal abgeschaltet wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass ein möglicher Fehler eines weiteren Eingangssignals das fehlerrelevante Differenzkriterium nochweiter schwächt und bei einem System mit drei Eingangssignalen eine -Eehlerdetektion sogar unmöglich wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Ueberwachung und/oder Korrektur von Signalen, die sich durch eine sicherere Fehlerdetektion auszeichnet und von der Anzahl der fehlerbehafteten Signale innerhalb des Mittelwertsignals hinsichtlich der Fehlerdetektion weitgehend unabhängig ist. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale.

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Bei einer solchen Einrichtung steht infolge der Speicherung des Mittelwertsignals für eine begrenzte, im allgemeinen jedoch leicht ausreichend zu bemessendeZeltspanne nach Fehlereintritt das unveränderte oder wenig veränderte Mittelwertsignal als Bezugswert für die Fehlerdetektion zur Verfügung. Die im allgemeinen sprungartig, Jedenfalls aber mit höherer Aenderungsgeschwindigkeit als die Nutzsignaländerungen eintretenden Fehler - im allgemeinen infolge Ausfalles von Bauelementen oder Schaltungsgruppen - können daher mit hoher Sicherheit festgestellt werden, und zwar grundsätzlich auch bei gleichzeitigem Ausfall oder Fehler mehrerer zu überwachender Signale.

Ein besonders einfacher und zuverlässiger Schaltungsaufbau ergibt sich gemäss einer Weiterbildung der Erfindung dadurch, dass die Signalspeicherschaltung einen wenigstens eine Integralkomponente aufweisenden Nachlaufregelkreis mit dem Ausgangssignal des Mittelwertbildners als Führungsgrösse und mit dem Speicherausgangssignal als Regelgrösse umfasst, wobei dieses Speicherausgangssignal zusammen mit wenigstens einem zu überwachenden Signal an die Vergleichsschaltung angeschlossen ist. Weiterhin wird hierbei zweckmässig ein Rückführungszweig des Nachlaufregelkreises gegensinnig zu dem Ausgang des Mittelwertbildners auf den Führungsgrösseneingang des Nachlaufregelkreises geschaltet. Auf diese Weise

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ergibt sich weiterhin die vorteilhafte Möglichkeit, den Mittelwertbildner selbst auf Fehlereintritt zu überwachen, indem nämlich der Ausgang des Mittelwertbildners und der Ausgang der Signalspeicherschaltung an eine Vergleichsschaltung angeschlossen werden. Im Falle fehlerfreier, d.h. nicht sprunghaft veränderter Ueberwachungssignale, kann nun eine sprunghafte und somit fehlerindizierende Aenderung des Mittelwertsignals mit dem zunächst unveränderten, weil gespeicherten Mittelwertsignal verglichen werden.

Die Erfindung wird weiter anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierin zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Ueberwachungs- und Korrektureinrichtung nach der Erfindung und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Uebergangsfunktion (Sprungantwort) des Nachlaufregelkreises aus der Schaltung nach Fig.l.

Die in Fig. 1 dargestellte" Ueberwachungs·- und Korrektureinrichtung 1 ist an drei zu überwachende Signalkanäle I, II und III mit je einem Signalwandler 10 bzw» 20 bzw. 30 und je einem nachfolgenden Signalverteiler 11 bzw_ö 21 bzw₀ 31 angeschlossen. Von jedem Signalverteiler wird ein Signaleingang e, bzw. e bzw. e^, sowie je ein Steuereingang e.. ' bzw. e °

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bzw. e,' der Einrichtung 1 angesteuert.

Innerhalb der Einrichtung 1 ist jeder Signalkanal über einen Verstärker 12 bzw. 22 bzw. 32 und einen Ausschalter 13 bzw. 23 bzw. 33 an einen zugehörigen Eingang eines Mittelwertbildners 2 geführt, dessen Ausgang a„ zur weiteren Verwendung gesondert herausgeführt ist und ausserdem den FUhrungsgrössenelngang 3a eines Nachlaufregelkreises 3 ansteuert. Dieser Nachlaufregelkreis wirkt als Signalspeicherschaltung und weist hierzu ein Integralglied 3b auf, welches den Ausgang a., mit dem gespeicherten Mittelwertsignal sowie einen gegensinnig zur Regelabweichung wirkenden und demgemäss mit inverser Polarität auf einen Stell grösseneingang 3c geschalteten Rückführungszweig J>d speist.

Vom Ausgang a, wird das Mittelwertsignal anstelle der untereinander gleichbedeutenden Eingangssignale einer weiteren, hier nicht näher interessierenden Verwendung zugeführt. Es ist hier vorauszusetzen, dass einerseits fehlerbedingte Aenderungen der Eingangssignale wesentlich rascher als die schnellsten Nutzsignaländerungen erfolgen (ausreichender Frequenzabstand zwischen der oberen Grenze des Nutzspektrums und der unteren Grenze des Storspektrums) und andererseits die Signalverzögerung infolge der Speicherung im Nachlaufregelkreis so bemessen ist, dass keine unzulässige zeitliche

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Verzerrung der Nutzslgnalkompönente, jedoch eine ausreichend lange Speicherung im Vergleich zu den störungsbedingten Signaländerungen vorhanden 1st.

Weiterhin ist für jeden Signaleingang e,, e^, e^ ein Paar von Vergleichsschaltungen l4, 15 bzw. 24, 25 bzw. 34, 35 vorgesehen, deren jede zwei Vergleichseingänge E¹ und E" sowie einen Grenzwerteingang G¹ bzw. G" und je einen Indikatorausgang A umfasst. DerUebersichtlichkeit halber sind diese Anschlüsse der Vergleichsschaltungen nur für die Sehaltungseinheiten 14 und 15 angedeutet. Der Aufbau ist so getroffen, dass jede Vergleichsschaltung 14, 24, 34 einen Grenzwerteingang G^f und jede Vergleichsschaltung 15, 25, 35 einen Grenzwerteingang G" aufweist. Die Grenzwerteingänge G' sind gemeinsam an einen unteren Grenzwertgeber G, und alle Grenzwerteingänge G" an einen oberen Grenzwertgeber G^ angeschlossen. Der Vergleichseingang E¹ ist jeweils an den Ausgang des dem betreffenden Signalkanal zugeordneten Verstärkers 12 bzw. 22 bzw. 32 angeschlossen, während die Vergleichseingänge E" gemeinsam an den Ausgang a, der Signalspeicherschaltung 3 angeschlossen sind. Auf diese Weise liefern also die Ausgänge A der Vergleichsschaltungen 14, 15 bzw. 24, 25 bzw. 34, 35 jeweils ein Indikatorsignal, wenn die Differenz zwischen dem betreffenden Eingangssignal und dem gespeicherten Mittelwertsignal den von G, gelieferten unteren Grenzwert unterschreitet oder den von G^ gelieferten oberen

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Grenzwert überschreitet. Der hierzu erforderliche Schaltungsaufbau der Vergleichsschaltungen ist an sich von üblicher Art und bedarf keiner näheren Erläuterung. Es versteht sich weiterhin, dass gegebenenfalls anstelle des DifferenzVergleichs mit zwei Grenzwerten unterschiedlicher Polarität auch ein Betragsvergleich der Differenz mit nur einem Grenzwert in Betracht kommt.

Die Ausgänge A der Vergleichsschaltungen sind an eine Auswerteschaltung k. angeschlossen, die mit ebenfalls an sich üblichen und nicht näher zu erläuternden, logischen Sehaltungsmitteln an Ausgängen S-, S^, S, Steuersignale für die Ausschalter 13 bzw. 2j5 bzw. J$ liefert und in Abhängigkeit von dem Auftreten einer Grenzwertunterschreitung oder Grenzwertüberschreitung der vorgenannten Art den Ausschalter des betreffenden Signalkanals öffnet.

Damit ist der betreffende Signalkanal von der Mittelwertbildung und damit von einer verfälschenden Einflussnahme auf das weiterzuverwende Signal ausgeschlossen, ohne dass es auch nur zu einer vorübergehenden, merklichen Verfälschung dieses Signals gekommen wäre. Diese Wirkungsweise bleibt grundsätzlich auch bei einem Ausfall weiterer Signalkanäle erhalten, sofern nur mindestens ein eingangsseitiger Signalkanal bestehen bleibt. Bei Unterschreiten einer vorgegebenen Anzahl von funktionsfähigen Signalkanälen kann selbstverständlich ohne weiteres eine Notabschaltung oder dergl. ausgelöst werden.

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Für die weitere Auswertung aufgetretener Störungen sind ferner die Signalkanäle I, II und III über entsprechende Ausgänge der Signalverteiler 11 bzw. 21 bzw. 31 an zugeordnete Eingänge et bzw. el bzw. e' der Auswerteschaltung 4 angeschlossen. Ein Ausgang a, der Auswerteschaltung 4 kann - neben der bereits erwähnten Kanalabschaltung über die Ausgänge S,, S , S-. - Störmeldungen verschiedener Art ausgeben.

Für die Ueberwachung der Vergleichsschaltungen selbst sowie der Grenzwertgeber ist eine Prüfschaltung 5 vorgesehen, die für jede Vergleichsschaltung einen Prüfsigna laus gang K, bzw. K₂ bzw. .'.*. Kg aufweist. Jeder dieser Ausgänge führt ein zusätzlich zu einem aus einem zu überwachenden Signal und dem gespeicherten Mittelwertsignal gebildeten Differenzsignal zur Grenzwertüberwachung additiv aufschaltbares Prüfsignal. Durch diese Aufschaltung eines künstlichen Fehlersignals kann die Funktionsfähigkeit der Vergleichsschaltungen mit Grenzwertüberwachung und diejenige der Auswerteschaltung überprüft werden. Ueber einen Kanal 6 können Rückmeldungen über diese Prüfungen bzw. entsprechende Rückstellbefehle mit der Auswerteschaltung ausgetauscht werden. Damit ist eine mehrstufige Ueberwachung und ein entsprechend hohes Sicherheitsniveau erreicht.

Die bereits erwähnte Signalspeicherschaltung j5. ist in der in Fig.l dargestellten Weise an den Ausgang des Mittelwertbildners 2 angeschlossen, wobei neben dem Stellgrösseneingang 3o auch der Führungsgrösseneingang 3a gesondert zugänglich sind. Infolgedessen kann das Mittelwertsignal am Ausgang a₂ in einer

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nachgeordneten Vergleichsschaltung 7 gegenüber dem gespeicherten Mittelwertsignal am Ausgang a~ als Bezugsgrösse kontrolliert werden. Fällt nun bei z.B. fehlerfreien Signalkanälen I - III der Mittelwertbildner 2 aus, so ergibt sich am Ausgang a^, der Vergleichsschaltung 7 ein entsprechend selektives Störungssignal. Ohne diesen Vergleich mit dem gespeicherten, quasistationären Mittelwertsignal wäre eine selektive Ueberwachung des Mittelwertbildners nicht ohne weiteres möglich, weil der Vergleich der Eingangssignale mit dem unverzögerten Mittelwertsignal keine Rückschlüsse darüber erlaubt, ob der Fehler auf der Eingangsseite oder in der Mittelwertbildung liegt.

Der Nachlaufregelkreis 3 umfasst neben einem Sollwert-Istwertvergleicher 3e mit den bereits erwähnten Eingängen 3a und 3c einen Proportionalverstärker 3f mit zwei nachfolgenden Grenzwertschaltern 3g und 3h sowie je einem zugehörigen Grenzwertgeber 3g' bzw. 3hΌ Diese Grenzwertschalter verleihen dem Regelkreis ein nichtlineares bzw. unstetiges Verhalten in der Weise ₃ dass der auf den Betrag der Regelabweichung bezogene Betrag der Regelgeschwindigkeit unterhalb bzw. oberhalb vorgegebener negativer bzw. positiver Grenzwerte der Regelabweichung grosser ist als im Bereich der Regelabweichung zwischen diesen Grenzwerten,= Diese Beeinflussung des Regelverhaltens beruht auf einer Veränderung des Verhältnisses zwischen der Proportional- und der Integralkomponente der liebertragungs-

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funktion bzw. des Schaltungsaufbaues. Im dargestellten Beispiel wird die Proportionalkomponente verändert, jedoch kommt grundsätzlich eine sinngemäss entsprechende Aenderung der Integralkomponente zum gleichen Zweck ebenfalls in Betracht. Jedenfalls wird erreicht, dass die Regelabweichung - im Gegensatz zu einer konstanten Uebertragungsfunktion - nicht inversexponentiell, d.h. asymptotisch, sondern bis zum Passieren des nächstliegenden Grenzwertes zunächst wenigstens annähernd linear abnimmt und erst dann einen sehr kurzen, asymptotischen Abschnitt in der zeitlichen Uebergangsfunktion durchläuft. Das insgesamt für die Aus regelung eines Pührungs- oder Regelgrössensprunges (Störgrösse) erforderliche Zeitintervall wird dadurch wesentlich verkürzt, ohne das Zeitverhalten und damit das Speichervermögen des Nachlaufregelkreises in der für die vorliegende Ueberwachung ausgenutzten Anfangsphase des Regelvorganges zu beeinträchtigen.

In Fig.2 sind die Verhältnisse in einem Zeitdiagramm der Führungsgrösse a^ und der Regelgrösse a-, (der Einfachheit sind diese Signalbezeichnungen gleich den entsprechenden Schaltungsausgängen gewählt) unter Annahme eines Pührungsgrössen-Sprunges schematisch dargestellt.

Vor t , dem Zeitpunkt des Sprungeintritts von a_p, befinde sich der Regelkreis im abgeglichenen Zustand mit a₂ = a~. Nach t

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läuft a,, bis zum Zeitpunkt t_p entsprechend dem positiven Sprung von a_p hoch, und zwar mit wenigstens annähernd konstanter Anstiegsgeschwindigkeit. Dies entspricht einem reinen oder weitaus überwiegenden I-Verhalten des Regelkreises. Wenn bei t_p ein geringer Restwert der Regelabweichung ^p-a, erreicht ist, kommt durch die erwähnte Umschaltung oder nichtlineare Aenderung der Uebertragungsfunltion die P-Komponente stärker zur Wirkung, so dass nun in einem kurzen Restintervall von t_p bis t^. a den Wert von a erreicht und die Regelabweichung praktisch verschwindet. Bei t^, ist der Regelkreis also bereits wieder abgeglichen. Ohne die Aenderung des Regelkreisverhaltens würde dies erst wesentlich später der Fall sein, etwa beim Zeitpunkt t^, wie mit dem strichpunktierten Verlauf des Kurvenzweiges Ά-,' angedeutet.

Gleichwohl wird durch diese Trägheitsverminderung des Regelkreises keine Erhöhung der Aenderungsgeschwindigkeit von &-. in der Anfangsphase des RegeIvorganges im Anschluss an t verursacht. Das Speichervermögen des Nachlaufregelkreises bleibt also in dem für die vorliegende Signalkontrolle ausgenutzten Anfangsintervall - für die Verhältnisse gemäss Fig.2 etwa von t bis t - unverändert. Aus dieser Darstellung ist auch ersichtlich, dass sich a., in dem letztgenannten Intervall nur sehr wenig ändert, d.h. als quasistationär betrachtet werden kann.

In Fig.2 ist noch strichliert ein negativer Sprung a " ent-

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sprechend einem Ausfall des Mittelwertbildners als Fehlerfall angedeutet. Ersichtlich steht im Intervall t bis t,, d.h. in der Anfangsphase des linearen Absinkens von a-,", praktisch der volle Wert von a^. aus dem Zustand vor t als Bezugsgrösse für den Signalvergleich zur Verfügung, hier also für die Differenzbildung zwischen a, und a =0. Der Mittelwertbildner kann also für sich überwacht werden. Genauso steht der Bezugswert von a, aus dem Zustand vor t auch für die Ueberwachung der Eingangssignale "für sich zur Verfügung.

Eine Kenngrösse für das unterschiedliche Verhalten des Nachlaufregelkreises in den verschiedenen Bereichen der Regelabweichung ist die auf den Betrag dieser Regelabweichung bezogene Regelgeschwindigkeit, d.h. die Nachlaufgeschwindigkeit des Speichergliedes. Diese bezogene Regelgeschwindigkeit ist für die vorliegenden Zwecke im Bereich grosser Regelabweichungen grosser als innerhalb des vorgegebenen Bereiches einer Restregelabweichung, Ausserdem kann die bezogene Regelgeschwindigkeit im ersten Fall vorzugsvr Öse wenigstens annähernd konstant, d.h. unabhängig von der sich ändernden Regelabweichung gemacht werden.

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Claims

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1. Einrichtung zur Ueberwachung bzw. Korrektur von Signalen, mit einer Mehrzahl von Signalkanälen, die miteinander vergleichbare Signale führen und über einen Mittelwertbildner an eine Auswerte- bzw. Korrekturschaltung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwertbildner und eine Signalspeicherschaltung hintereinandergeschaltet und zusammen mit wenigstens einem Signalkanal, der ein zu überwachendes Signal führt, an eine Vergleichsschaltung angeschlossen sind, in der als Ueberwachungskriterium die Differenz zwischen wenigstens einem zu überwachenden Signal und einem gespeicherten Mittelwertsignal gebildet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalspeicherschaltung einen wenigstens eine Integralkomponente aufweisenden Nachlaufregelkreis mit dem-Ausgangssignal des Mittelwertbildners als Pührungsgrosse und mit dem Speicherausgangssignal als Regelgrösse umfasst und dass dieses Speicherausgangssignal zusammen mit wenigstens einem zu überwachenden Signal an die Vergleichsschaltung angeschlossen ist.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückführungszweig des Nachlaufregelkreises gegensinnig zu dem Ausgang des Mittelwertbildners auf einen Stellgrösseneingang des Nachlaufregelkreises geschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Mittelwertbildners und der Ausgang der Signalspeicherschaltung an eine Vergleichsschaltung angeschlossen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachlaufregelkreis eine Uebertragungsfunktion mit einer Proportionalkomponente und einer Integralkomponente aufweist und mit einer nichtlinear bzw. unstetig wirkenden Kennlinienumsteuerung versehen ist, die das Verhältnis zwischen der Proportionalkomporiente und der Integralkomponente unterhalb bzw. oberhalb vorgegebener negativer bzw. positiver Grenzwerte der Regelabweichung im Sinne einer grösseren, auf gleiche Beträge der Regelabweichung bezogenen Regelgeschwindigkeit im Vergleich zu derjenigen für Regelabweichungen im Bereich zwischen den genannten Grenzwerten verändert.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einer Mehrzahl von zu überwa-

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chenden EingangsSignalkanälen zusammen mit dem Ausgang der Signalspeicherschaltung an eine Vergleichsschaltung mit Grenzwertüberwachung angeschlossen ist.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem zu überwachenden Signalkanal.ein in Abhängigkeit vom Ueberschreiten bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen positiven bzw. negativen Grenzwertes der Differenz zwischen dem zu überwachenden Signal und dem gespeicherten Mittelwertsignal ansprechender Ausschalter vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prüfschaltung vorgesehen ist, die für jede Vergleichsschaltung einen Ausgang aufweist, der ein Prüfsignal führt, das zu einem aus einem -zu überwachenden Signal und dem gespeicherten Mittelwertsignal gebildeten Differenzsignal für eine Grenzwertüberwachung zwecks Prüfung der Ueberwachungsschaltung aufschaltbar ist.

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