DE2744984A1 - Verfahren und einrichtung zur ueberwachung eines stellantriebes auf stoerungen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur ueberwachung eines stellantriebes auf stoerungen

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DE2744984A1 DE19772744984 DE2744984A DE2744984A1 DE 2744984 A1 DE2744984 A1 DE 2744984A1 DE 19772744984 DE19772744984 DE 19772744984 DE 2744984 A DE2744984 A DE 2744984A DE 2744984 A1 DE2744984 A1 DE 2744984A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren ?-\ir Überwachung eines Stellantriebes gemäß dem Oberbep;ri ff des Patentanspruchs!und auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bild 7 auf Seite 28 der Zeitschrift "Regelungsteohrisehe Praxis", 1968, zeigt einen Stellantrieb für ein StoU-ventil, der aus einer Steuereinheit und einem Motor besteht. Die Ansteuerung des Stellantriebes erfolgt über Stellbeffehle, die der Steuereinheit zugeführt rind und deren Dauer ein Maß für den Betrag der gewünschten Stell größenänderung ist. Für jede der beiden Drehri chturipen des Motors ist eine zu der Steuereinheit führende Steuerleitung vorgesehen. Die Überwachung des Stell nnfcr.i ^bs erfolgt durch einen Stellungsgeber, der die Stellung des Stellventils in ein elektrisches Signal umformt. Dieses elektrische Signal wird in der Warte angezeigt. Die Anzeige der Stellung des Stellventils läßt nur grobe Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit des Stellantriebes zu. So läßt sich z. B. erkennen, ob eine der beiden Endlagen erreicht ist. Ändert sich die Anzeige der Stellung des Stellventils über einen längeren Zeitraum nicht, so kann daraus geschlossen werden, daß möglicherweise die Steuereinheit oder der Motor völlig ausgefallen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das eine selbsttätige Überwachung der Funktionsfähigkeit des Stellan-
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triebs und ein möglichst frühzeitiges Erkennen von Störungen erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Einrichtung nach Patentanspruch 2 sind in den Patentansprüchen 3 bis 5 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden mit ihren Einzelheiten und Vorteilen anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
Figur 1 das Blockschaltbild eines Stellantriebes und eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 eine Verknüpfungseinrichtung für die Ausgangssignale des ersten Schwellwertschalters und die Stellbefehle.
Die Figur 1 zeigt einen Stellantrieb und eine überwachungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild. Die Ansteuerung
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des Stellantriebe 1 durch Stellbefehle, deren Dauer der gewünschten Stellgrößenänderung proportional ist, erfolgt je nach der gewünschten Änderungsrichtung über einen eigenen Eingang. Die Stellbefehle +Ay. und -Ajo sind positive Spannungen, deren Hohe entsprechend dem logischen Zustand H der in der Überwachungseinrichtung verwendeten Gatter gewählt ist. Die Stellbefehle +^y_ für eine positive Stellungsänderung sind dem Stellantrieb über ein Übertragungsglied 2 mit kurzschlußfestem Ausgang und eine in Flußrichtung angeordnete Diode 3 zugeführt· Die Stellbefehle -Ay_ für eine negative Stellungsänderung sind dem Stellantrieb über ein Übertragungsglied mit kurzschlußfestern Ausgang und eine in Flußrichtung angeordnete Diode 5 zugeführt. Der Stellantrieb enthält eine Steuereinheit 6, die entsprechend der Dauer der Stellbefehle + Ay_ und -ny einen Motor 7 in der gewünschten Drehrichtung ansteuert. Die Welle des Motors ist mit einem Stellventil 8, einem Drehwinkelmeßumformer und einem Tachogenerator 10 mechanisch verbunden. Der Drehwinkelmeßumformer 9 formt die Stellung der Welle des Motors 7« die das Ausgangssignal des Stellantriebs bildet, in ein Signal y um, das u.a. zur Anzeige der Stellung des Stellventils 8 dient. Das Ausgangssignal des Tachogenerators 10 ist ein Maß für die Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors 7 und somit die erste zeitliche Ableitung y des Ausgangssignals des Stellantriebs 1.
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Beim Auftreten eines Stellbefehls +Ay bzw. -Aye entspricht das Vorzeichen der Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors 7 und damit auch das Vorzeichen des Signals y dem Vorzeichen der gewünschten Stellgrößenänderung. Die erste zeitliche Ableitung y des Ausgangssignals des Stellantriebs 1 läßt sich auch durch Differenzieren des Signals y erhalten.
Die Signale + Ay_, -Ay0, y und y sind einer überwachungs einrichtung 11 zugeführt. Das Signal y ist einem Schwellwertschalter 12 mit zwei Ausgängen 12 und 12_ zugeführt. Das Signal am Ausgang 12+ nimmt den logischen Zustand H an, wenn das Signal y positiv und sein Betrag größer als die einstellbare Schwelle G1 des Schwellwertschalters ist. Für die übrigen Werte des Signals y nimmt das Signal am Ausgang 12 den logischen Zustand L an. Das Signal am Ausgang 12_ nimmt den logischen Zustand H an, wenn das Signal y negativ und sein Betrag größer als die einstellbare Schwelle G1 des Schwellwertschalters 12 ist. Für die übrigen Werte des Signals y nimmt der Ausgang 12_ den logischen Zustand L an. Die Schwelle G1 ist kleiner als die Drehgeschwindigkeit des Motors 7 gewählt, so daß bei ungestörtem Betrieb des Motors 7 Je nach Drehrichtung entweder das Signal am Ausgang 12 oder am Ausgang 12__ den logischen Zustand H annimmt.
Die Signale der Ausgänge 12+ und 12_ des Schwellwertschalters 12 sowie die Stellbefehle + Δ y„ und -ά7Β sind
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einer Verknüpfungseinrichtung 13 zugeführt, die an sich bekannt Gatter zur logischen Verknüpfung der der Verknüpfungseinrichtung 13 zugeführten Signale enthält. Die beiden Ausgänge 12+ und 12_ sind mit den Eingängen eines NOR-Gatters 14 verbunden und die Leitungen für die Stellbefehle mit den Eingängen eines ODER-Gatters 15· Die Ausgänge des NOR-Gatters 14 und des ODER-Gatters 15 sind mit den beiden Eingängen eines UND-Gatters 16 verbunden. Der Ausgang 12A und die Leitung für den Stellbefehl +^y
+ 5
sind mit den Eingängen eines Antivalenz-Gatters 17 verbunden und der Ausgang 12_ und die Leitung für den Stellbefehl -Δν mit den Eingängen eines Antivalenz-Gatters Den Antivalenz-Gattern 17 und 18 ist ein ODER-Gatter 19 nachgeschaltet. Dem UND-Gatter 16 und dem ODER-Gatter 19 ist ein ODER-Gatter 20 nachgeschaltet. Der Ausgang des ODER-Gatters 20 ist der Ausgang der Verknüpfungseinrichtung 13«
Die Signale +Ay und -Ay0 sind den Eingängen eines ODER-Gatters 21 zugeführt, dem ein Relais 22 nachgeschaltet ist. Beim Anstehen eines Stellbefehles schließt das Relais 22 einen Schalter 23, der das Signal y einem Speicher 24 zuführt. Das Ausgangssignal y», des Speichers 24 ist dem einen Eingang eines Vergleichers 25 zugeführt, dessem anderen Eingang das Signal y zugeführt ist. Das Differenzsignal y» - y ist einem Schwellwertschalter 26 mit zwei Ausgängen 26+ und 26_ zugeführt. Das Signal am Ausgang
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nimmt den logischen Zustand H an, wenn das Differenzsignal jj. - y positiv und sein Betrag größer als die einstellbare Schwelle G2 des Schwellwertschalters 26 ist. Für die übrigen Werte des Differenzsignals y« - y nimmt das Signal am Ausgangs 26 den logischen Zustand L an. Das Signal am Ausgang 26_ nimmt den logischen Zustand H an, wenn das Differenzsignal y« - y negativ und sein Betrag größer als die einstellbare Schwelle G2 des Schwellwertschalters 26 ist. Pur die übrigen Werte des Differenzsignals y„ - y nimmt der Ausgang 26_ den logischen Zustand L an. Die Schwelle G2 ist auf einen Wert eingestellt, der in der Größenordnung von 3 % des gesamten Stellbereichs des Stellantriebs 1 liegt. Die Ausgänge 26 und 26_ sind mit den Eingängen eines 0DER-3atters verbunden. Den ODER-Gattern 20 und 27 ist ein weiteres ODER-Gatter 28 nachgeschaltet.
Bei der Erläuterung der Wirkungsweise der überwachungseinrichtung 11 wird zunächst davon ausgegangen, daß ein Stellbefehl +Ay0 für eine positive Stellgrößenänderung beginnt, so daß der Motor 7 sich in positiver Richtung dreht. Das Relais 22 zieht an und schließt den Schalter Das Ausgangssignal y« des Speichers 24 folgt dem Signal y. Das Differenzsignal jy. - y ist daher Null, an den Aus- , gangen 26+ und 26_ des Schwellwertschalters 26 steht ein L-Signal, da der Betrag des Differenzsignal y« - y
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kleiner als die Schwelle G2 ist. Am Ausgang des ODER-Gatters 27 steht ebenfalls ein L-Signal an. Da der Motor 7 sich in positiver Richtung dreht, ist das Signal y positiv und sein Betrag großer als die Schwelle G1. Am Ausgang 12 des Schwellwertschalters 12 steht daher ein Η-Signal und dementsprechend ein L-Signal am Ausgang 12_ an. Am Ausgang des NOE-Gatters 14 und damit auch am Ausgang des UND Gatters 16 steht ein L-Signal an. Da bei einem Stellbefehl für eine positive Stellgrößenänderung am Ausgang 12+ ein Η-Signal ansteht, steht am Ausgang des Antivalenz-Gatters 17 «in L-Signal an. Da an den Eingängen des Antivalenz-Gatters 18 L-Signale anstehen, steht am Ausgang des Antivalenz-Gatters 18 ebenfalls ein L-Signal an. An den Ausgängen der ODER-Gatter 19, 20 und 28 stehen somit ebenfalls L-Signale an. Ein L-Signal am Ausgang des ODER-Gatterε 28 entspricht einem störungsfreien Betrieb des Stellantriebs 1.
Mit dem Ende des Stellbefehls für eine positive Stellgrößenänderung fällt das Relais 22 ab und öffnet den Schalter 23· Bis zum Beginn eines neuen Stellbefehls bleibt das Ausgangssignal yM des Speichers 24 erhalten. Im störungsfreien Betrieb ändert sich zwischen zwei Stellbe'fehlen die Stellgröße nicht, d.h. für +Ay « L und -Δ yg « I gilt y ■ Jn und y = 0. Mit diesen Voraussetzungen steht am Ausgang des ODER-Gatters 27 ein L-Signal und an dem Ausgang des NOR-Gatters 14 ein
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Η-Signal an. Da Jedoch am Ausgang des ODER-Gatters 15 ein L-Signal ansteht, steht auch an Ausgang des UND-Gatters 16 ein L-Signal an. An den Ausgängen der Anti-Yalenz-Gatter 17 und 18 stehen L-Signale an. Somit steht auch am Ausgang des ODER-Gatters 28 ein L-Signal an, das einem störungsfreien Betrieb des Stellantriebs 1 entspricht.
Als Beispiel für einen ersten Störungsfall wird angenommen, daß während eines Stellbefehls für eine positive Stellgrößenänderung der Stellantrieb 1 blockiert. Dadurch wird das Signal y zu Null,während das Signal + Ay - H weiterhin ansteht. Am Ausgang des NOR-Gatters 14 steht ein H-Signal an und am Ausgang des ODER-Gatters 15 steht ebenfalls ein Η-Signal an. Somit steht auch am Ausgang des UND-Gatters 16, des ODER-Gatters 20 und des ODER-Gatters 28 ein H-Signal an, das einer Störung entspricht.
Als Beispiel für einen zweiten Störungsfall wird angenommen, daß während eines Stellbefehls für eine positive Stellgrößenänderung der Stellmotor 7 in der falschen Richtung läuft. Dadurch wird das Signal y negativ und sein Betrag größer als die Schwelle G1 des Schwertwertschalters Jetzt steht am Ausgang des Antivalenz-Gatters 17 ein H-Signal an, da während eines Stellbefehls für eine positive Stellgrößenänderung am Ausgang 12 ein L-Signal ansteht. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß auch am Ausgang des Antivalenz-Gatters 18 ein H-Signal
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ansteht. Das Η-Signal am Ausgang des Antivalenz-Gatters verursacht ein Η-Signal am Ausgang des ODER-Gatters 28, das einer Störung entspricht.
Als Beispiel für einen dritten Störungsfall wird angenommen, daß zwischen zwei Stellbefehlen eine Ansteuerung des Stellmotors 7 erfolgt, ohne daß ein Stellbefehl vorhanden ist. In diesem Fall ist der Betrag des Differenzsignals yj, - y, das dem Schwellwertschalter 26 zugeführt wird größer als die Schwelle G2, und an einem der beiden Ausgänge 26 bzw. 26_ steht ein Η-Signal an. Ein H-Signal an einem der beiden Ausgänge des Schwellwertschalters 26 verursacht ein Η-Signal am Ausgang des ODER-Gatters 28, das einer Störung entspricht.
Die übertragungsglieder 2 und 4 mit kurzschlußfestern Ausgang ermöglichen eine überwachung auf einen Kurzschluß zwischen den Eingängen des Stellantriebs 1 und dem Bezugspotential im Bereich zwischen den Übertragungsgliedern 2 bzw. 4 und den Eingängen des Stellantriebs 1. Die Dioden 3 und 5 ermöglichen eine Überwachung auf einen Kurzschluß zwischen den Eingängen des Stellantriebs 1 und der positiven Versorgungsspannung für den Stellantrieb 1 im Bereich zwischen den Dioden 3 bzw. 5 und den Eingängen des Stellantriebs 1. In dem ersten Fall liegt der Eingang des Stellantriebs 1 auf Bezugspotential,
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d.h. der Stellantrieb erhält keine Stellbefehle mehr und der Motor bleibt stehen. In dem zweiten Fall wird dem entsprechenden Eingang des Stellantriebs 1 die positive Versorgungsspannung zugeführt und damit ein Stellbefehl vorgetäuscht, d.h. der Motor dreht sich. Da der Überwachungseinrichtung 11 die ungestörten Stellbefehle zugeführt sind, erkennt die Überwachungseinrichtung das Auftreten einer Störung, und am Ausgang der Überwachungseinrichtung steht ein Η-Signal an.
Die Figur 2 zeigt eine gegenüber der Verknüpfungseinrichtung 13 in der Figur 1 vereinfachte Verknüpfungseinrichtung 13'. Bei dieser Verknüpfungseinrichtung wird davon Gebrauch gemacht, da£ für ein Eingangssignal des Schwellwertschalters 12, dessen Betrag die Schwelle G1 überschreitet, an einem der beiden Ausgänge ein Η-Signal und an dem jeweils anderen ein L-Signal ansteht. Die Verknüpfungseinrichtung 13' weist zwei UND-Gatter 29 und 30 auf, denen ein ODER-Gatter 31 nachgeschaltet ist. Die die Stellbefehle +δ y_ bzw. -i y führenden Leitungen sind direkt mit einem Eingang der UND-Gatter 29 bzw. 30 verbunden, während die Ausgänge 12+ und 12_ des Schwellwertschalter 12 über je ein NICHT-Gatter 32 bzw. 33, das den logischen Zustand der Ausgangssignale des Schwellwertschalters umkehrt, mit einem Eingang der UND-Gatter 29 bzw. 30 verbunden sind.
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Ist die Anlaufzeit des verwendeten Stellmotors nicht vernachlässigbar klein, so kann ihr Einfluß auf die überwachungseinrichtung durch ein Zeitglied berücksichtigt werden« das beim Auftreten eines Stellbefehls ein Η-Signal am Ausgang der überwachungseinrichtung 11 für die Bauer der Anlaufzeit des Stellmotors unterdrückt.
Da das erfindungsgemäße Verfahren zur überwachung eines Stellantriebs es ermöglicht, bereits während eines Stellbefehles Störungen zu erkennen, können beim Auftreten einer Störung schon sehr frühzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Ist die Bremszeit des verwendeten Stellmotors 7 nicht vernachlässigbar klein, so kann sie durch eine Vergrößerung der Schwelle G2 des Schwellwertschalters 26 in der Figur 1 berücksichtigt werden. Eine andere Möglichkeit, den Einfluß der Bremszeit des Stellmotors zu berücksichtigen, besteht darin, das Relais 22 durch ein Relais mit Abfallverzögerung zu ersetzen, wobei die Verzögerungszeit des Relais an die Bremszeit des Stellmotors anzupassen ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist auch eine überwachung des Stellantriebs eines kontinuierlichen Reglers, z.B. eines Stellungsreglers, möglich, dessen
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Ansteuerung im Handsteuerbetrieb durch Stellbefehle erfolgt, deren Dauer ein Maß für den Betrag der gewünschten Stellgrößenänderung ist. Weiterhin gestattet das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Überwachung von Speichereinrichtungen für elektrische Analogwerte, deren Ansteuerung durch Stellbefehle erfolgt, deren Dauer ein Maß für den Betrag der gewünschten Änderung der gespeicherten Größe ist, und bei denen als Speicherglied ein Elektromotor dient oder bei denen z.B. nach einer Spannungs/Frequenz-Umsetzung als Speicherglied ein Digitalzähler dient, dem ein Digital/Analog-Wandler nachgeschaltet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Stellantriebes erlaubt die Verwendung von Stellmotoren mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Wird der Grenzwert für die erste zeitliche Ableitung des Ausgangssignals des Stellantriebes kleiner als die Geschwindigkeit des langsamsten zur Verwendung kommenden Stellmotors gewählt, so ist eine erneute Anpassung dieses Grenzwertes bei der überwachung schneller laufender Stellmotore nicht erforderlich.
Die Realisierung einer nach dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren arbeitenden Einrichtung kann auch durch einen entsprechend der Lehre der Erfindung programmierten Digitalrechner erfolgen.
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Claims (4)

Schoppe & Faeser 4950 Minden/Westfaleh; GmbH Schillerstraße 12 Verfahren und Einrichtung zur überwachung eines Stellantriebes auf Störungen Patentansprüche;
1.) Verfahren zur überwachung eines Stellantriebes, dessen Ansteuerung über Stellbefehle erfolgt, deren Dauer der gewünschten Stellgrößenänderung proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Stellbefehles ( + Ay_, -Ay.) entweder das Unterschreiten eines ersten
S S
Grenzwertes (G1) durch den Betrag der ersten zeitlichen
Ableitung (y) der Stellgröße (y) oder das Abweichen des
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Vorzeichens der ersten zeitlichen Ableitung (y) der Stellgröße (y) von den Vorzeichen des Stellbefehls (+&y_, -Ay.) als ein erstes Kriterium für eine Störung dient und daß zwischen zwei Stellbefehlen eine Abweichung zwischen der Stellgröße am Ende des vorangegangenen Stellbefehls und dem jeweiligen Istwert der Stellgröße als ein weiteres Kriterium für eine Störung dient.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste zeitliche Ableitung (y) der Stellgröße (y) einem ersten Schwellwertschalter (12) mit zwei Ausgängen (12 , 12_) zugeführt ist, von denen der eine positiven Werten und der andere negativen Werten der
ersten zeitlichen Ableitung (y) zugeordnet ist, wobei das jeweilige Ausgangssignal einen ersten logischen Zustand (L)
annimmt, wenn der Betrag der ersten zeitlichen Ableitung (y) kleiner als der erste Grenzwert (G1) ist, und einen zweiten logischen Zustand (H) annimmt, wenn der Betrag der ersten zeitlichen Ableitung (y) größer als der erste Grenzwert (G1) ist, daß die Ausgänge (12 , 12_) des ersten Schwellwertschalters (12) und die beiden die Stellbefehle für eine Stellgrößenänderung führenden Leitungen mit einer Verknüpfungseinrichtung (13) verbunden sind, deren Ausgangssignal den zweiten logischen Zustand (H) annimmt, wenn entweder eine der beiden Leitungen einen Stellbefehl führt und beide Ausgänge (12 , 12_) des ersten Schwellwertschalters
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(12) den ersten logischen Zustand (L) annehmen oder wenn beim Anstehen eines Stellbefehls der logische Zustand des Ausgangs des ersten Schwellwertschalter (12), der dem Vorzeichen des anstehenden Stellbefehls zugeordnet ist, von dem Vorzeichen des anstehenden Stellbefeh]π abweicht, daß während der Dauer eines Stellbefehls (+Ay0, -A7_)
S S
die Stellgröße (y) einem Speicher (24) zugeführt ist und die Differenz (y,, - y) zwischen dem Ausgangssignal de.^ Speichers (24) und dem Istwert der Stellgröße ei rpm zweiten Schwellwertschalter (26, 27) zugeführt ist, dessen Ausgangssignal den ersten logischen Zustand (L) annimmt, wenn der Betrag der Differenz (y„ - y) zwischen dem Ausgangssignal des Speichers (24) und dem Istwert der Stellgröße den zweiten Grenzwert (G2) unterschreitet und dessen Ausgangssignal den zweiten logischen Zustand (H) annimmt, wenn der Betrag der Differenz (y„ - y) zwischen dem Ausgangssignal des Speichers (24) und dem Istwert der Stellgröße den zweiten Grenzwert (G2) überschreitet, und daß der Ausgang der Verknüpfungseinrichtung (13) und derjenige des zweiten Schwellwertschalters (26, 27) durch ein ODER-Gatter (28) miteinander verknüpft sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte (G1, G2) der Schwellwertschalter (12, 26) einstellbar sind.
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4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß in Jeder der beiden die Stellbefehle zum Stellantrieb (1) führenden Leitungen zwischen den Abgriffstellen für die Überwachungseinrichtung (11) und den Eingängen des Stellantriebs (1) ein Übertragungsglied (2, 4) mit kurzschlußfestern Ausgang angeordnet ist.
5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der beiden die Stellbefehle zum Stellantrieb (1) führenden Leitungen zwischen den Abgriffstellen für die überwachungseinrichtung (11) und den Eingängen des Stellantriebs eine Diode (3* 5) in Flußrichtung angeordnet ist.
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