Beschreibung
Einrichtung und Verfahren zum fehlersicheren Erfassen von Messwerten in einer Steuereinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum fehlersicheren Erfassen von Messwerten in einer Steuereinheit .
Zum Steuern von Antrieben in unterschiedlichsten Einsatzbereichen wird ein möglichst genaue Bestimmung der Lage bzw. Geschwindigkeit des angetriebenen Stellelements bzw. der Antriebseinrichtung des Stellelements benötigt. Insbesondere der Stillstand angetriebener Wellen ist genau von einer lang- samen Rotation zu unterscheiden. Auch Endlagen und andere Sicherheitsrelevante Stellungen und Betriebszustände müssen zuverlässig und ausfallsicher erfasst werden. Hierzu müssen die Signale fehle sicher erfasst, übertragen und ausgewertet werden, damit die Betriebssicherheit der Einrichtung gewährleis- tet ist. In der Regel wird dabei die Geschwindigkeit durch numerische Ableitung von Lagewerten gebildet.
Diese Betriebssicherheit wird insbesondere durch redundante Bereitstellung von Gebern uns Auswerteeinrichtungen erreicht, wobei über entsprechende Vergleichs- und Votingeinrichtungen die Fehlerfreiheit der aus den Messsignalen der Geber erzeugten Messwerte und der übertragenen Daten geschlossen und ggf. aus dem aufgetretenen Fehlerverhalten auf die Fehlerquelle und die Art des Fehlers geschlossen wird. Im Falle eines Auf- tretens eines Fehlers wird das Übergehen in einen sicheren Zustand ermöglicht.
Derartige redundante Ausführungen sind schon aus Gründen der erforderlichen Vergleichselektronik und der doppelten Ausle- gung von Einrichtungen aufwendig und teuer.
Zur Reduktion des baulichen Aufwandes sind Lösungen bekannt, bei denen es durch entsprechende Auslegung des die Messwerte liefernden Gebers ermöglicht wird, nur aufgrund eines Gebers die Ermittlung der Messwerte fehlersicher und ohne Verlust von Genauigkeit durchzuführen. Aufgrund der niedereren Anzahl der verbauten Komponenten sinkt auch die Ausfallwahrscheinlichkeit. Damit erhöht sich auch die Verfügbarkeit der Anlage, in welcher der Antrieb verbaut ist.
Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber eine weitere Vereinfachung und Kostenreduktion für das fehlersichere Erfassen der Messwerte und den Übergang in einen sicheren Zustand zu ermöglichen. Dabei soll die Fehlersicherheit des Systems nicht reduziert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Einrichtung und ein erfndungsgemäßes Verfahren gelöst .
Eine Einrichtung zum fehlersicheren Erfassen von Messwerten in einer Steuereinheit weist einen Geber zum Erfassen von
Messsignalen auf. Es sind unabhängig voneinander arbeitende Auswerteeinrichtungen zum redundanten Ermitteln von Messwerten aus den Messsignalen des Gebers vorgesehen. Darüber hinaus erfolgt das Übermitteln der Daten an die Steuereinheit mittels fehlersicherer Übermittlungseinrichtungen. Gemäß der Erfindung ist eine erste Auswerteeinrichtung zum Ermitteln eines Messwertes und eine zweite Auswerteeinrichtung zum Ermitteln eines groben Vergleichswertes geringerer Genauigkeit vorgesehen. Darüber hinaus ist wenigstens eine Einrichtung zum Feststellen der Fehlerfreiheit des Messwertes durch Überprüfen mit dem Vergleichswert vorgesehen. Gemäß weiterführender Ausgestaltung sind zwei sich vorzugsweise gegenseitig ü- berprüfende Einrichtungen vorgesehen.
Die zweite Auswerteeinrichtung nimmt also keine vollständige Ermittlung des exakten Messwertes vor. Es werden lediglich die Signale des Gebers ausgewertet und ein grober Vergleichs-
wert erzeugt. Durch den Vergleichswert kann die Plausibilität des Messwertes weiterhin überprüft werden, auch Fehlerursachen können weiterhin aufgrund von Abweichungen von Messwert und Vergleichswert ermittelt werden. Andererseits ist die er- forderliche Auswertelogik viel einfacher und kostengünstiger zu realisieren als eine Auswertung mit hoher Genauigkeit. Auch ist eine vollständige Unabhängigkeit der Auswertungen gewährleistet .
Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann sinnvoll, wenn aufgrund der auftretenden Datenvolumina die Auswertung der Messsignale und das Erfassen mit großer Genauigkeit erfolgen soll, während die zur Verfügung stehende Rechenzeit sehr gering wird. In diesen Fällen ist die Auswerteeinheit zum Er- mitteln des Messwertes besonders aufwändig und kostenintensiv, andererseits besonders störungsanfällig. Hier kann durch die unabhängige zweite Auswerteeinheit, die lediglich einen groben Vergleichswert liefert, eine Verringerung der Kosten erreicht werden.
Auch ist bei einer .erfindungsgemäßen Einrichtung keine Einrichtung zum Durchführen eines Votings zwischen den ermittelten Messwerten zweier gleichwertiger Einrichtungen erforderlich, was eine weitere Kostenreduktion bedeutet.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und zweite Auswerteeinrichtung im Bereich des Gebers ausgebildet sind. Zum fehlersicheren Übermitteln des Vergleichswertes und des Messwertes dient eine Übertragungs- einric tung. Die wenigstens eine Einrichtung zum Feststellen der Fehlerfreiheit ist in einer beabstandet zum Geber angeordneten Steuereinheit vorgesehen.
Hierdurch kann die Signalübermittlung der MessSignale des Ge- bers in einfacher Weise auf eine kurze Strecke reduziert werden und dann die ermittelten Messwerte und Vergleichswerte können in digitaler Form und entsprechendem Protokoll fehler-
sicher übertragen werden, so dass auf der Übertragungsstrecke keine Fehler induziert werden können oder sicher entdeckt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich zu Messwert und Vergleichswert ein Kontrollwert gemessen wird, der eine periodisch wiederkehrende Referenzposition erfasst. Das Erfassen einer Referenzposition, welche insbesondere periodisch wiederkehrt, wie beispielsweise die Nulllage einer sich drehenden Welle, ist mit einfachen Gebern und ohne große Messauswertung möglich, reicht aber zumeist nicht zu hinreichend genauer Bestimmung der Drehgeschwindigkeit bzw. der Lage einer Welle aus, da die Signalfrequenz nicht hinreichend ist. Sie stellt aber eine einfache Möglich- keit eines Nullabgleiches und einer weiteren Signalüberprüfung dar.
Dabei ist der Geber gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein Drehgeber, insbesondere der eines Antriebes. Bei Drehgebern ist es üblich einen kleinen Drehwinkel einer Welle zu erfassen, welcher insbesondere durch eine feine Skalenteilung über eine Drehung der Welle hinweg durch optisches Abtasten erfasst wird, wobei entsprechend der Skalenteilung nach bestimmten Drehwinkeln ein Messimpuls erzeugt wird, wel- eher auswertbar ist. Es entspricht einer alternativen Ausgestaltung, wenn eine entsprechend angepasste Anordnung bei einem Linearsteiler Verwendung findet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Geber zwei oder mehr unabhängige Sensoren auf, welche Messsignale erzeugen, die miteinander korreliert sind. Die Redundanz des Gebers wird durch zwei korrelierte Signale in einem Geber ersetzt, welche insbesondere durch einen vorgegebenen Lageversatz der beiden Sensoren im Geber erzeugt wird. Dem gemäß ist die Signalfolge der beiden Sensoren in bestimmtem Versatz gegeben, wodurch die Signalpegel zueinander in Beziehung ge-
setzt werden können, um zum Einen Signalfehler zu erfassen und zum Anderen die Messgenauigkeit des Gebers zu erhöhen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoren des Gebers Messsignale unterschiedlicher Genauigkeit erzeugen. Hierdurch wird das unabhängige Erfassen von Messsignalen durch zwei Sensoren im Geber dadurch erleichtert, dass einer der beiden Sensoren weniger genaue Signale liefert, beispielsweise indem die zugehö- rige Skalenteilung eines optischen Drehgebers geringer gehalten ist. Dadurch wird die Signalauswertung durch geringe Signalgeschwindigkeiten erleichtert, jedoch bei geringerer Genauigkeit. Durch die Korrelation zwischen den Signalen des genaueren mit dem weniger genaueren Signal kann dennoch eine hinreichend genaue und fehlersichere Auswertung der Gebersignale erfolgen. Insbesondere das Messsignal des zweiten weniger genauen Sensors kann als Grundlage zur Ermittlung des Vergleichswertes erfolgen.
Gemäß weiterführender Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Auswerten der Gebersignale wenigstens auch in einem externen, vorzugsweise mittels einem Netzwerk insbesondere mit fehlersicherer Datenübertragung, angebundenen Steuergerät. Die Signalaufbereitung kann dabei in einem zwischengeschalteten U - richter erfolgen, der die Messsignale in digital verarbeitbare Signale umwandelt. Damit wird es ermöglicht, die Messauswertung und die zugehörige Elektronik in entfernten geschützteren Bereichen durchzuführen, welche geringeren Störungen und günstigeren Umweltbedingungen unterliegen als eine geber- nahe Signalverarbeitung.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung sieht ein fehlersicheres Erfassen von Messwerten in einer Steuereinheit vor. In einem Geber werden Messsignale erzeugt. In einer ersten und einer zweiten Auswerteeinheit werden Messwerte aus den Messsignalen ermittelt und danach durch Vergleich der Messwerte die Fehlerfreiheit festgestellt. Es ist dabei vorgesehen, dass ein
Messwert in einer ersten Auswerteeinrichtung und ein grober Vergleichswert geringerer Genauigkeit in der zweiten Auswerteeinheit ermittelt wird. Der ermittelte Messwert wird durch Vergleich mit dem Vergleichswert validiert.
Es wird hierdurch die erforderliche Signalauswertung vereinfacht, ohne dass die Fehlerfreiheit des ermittelten Messwertes verloren geht. Auch ein Genauigkeitsverlust des Messwertes entsteht nicht. Jedoch wird der Auswerteaufwand reduziert und durch Einsparung elektronischer Bauelemente auch die Standzeit verbessert.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt zusätzlich zum Erfassen der Messwerte ein Messen eines Kon- trollwertes, welcher eine periodisch wiederkehrende Referenzposition erfasst, wobei eine Korrelation zwischen Messwert und Vergleichswert mittels des Kontrollwerts erfolgt. Durch den Kontrollwert kann ein Signalabgleich an bekannter Position in einfacher Weise durchgeführt werden und darüber hinaus ein Teil von Fehlern erkannt werden. Die Referenzposition kann dabei wesentlich einfacher erfasst werden und bedarf geringeren Aufwandes als eine feinere Erfassung von Messwerten. Insbesondere kann sie aus einem einfachen Tastschalter bestehen, der in bestimmter Lage betätigt wird.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Geber zwei oder mehr Sensoren auf, welche zueinander korrelier- te Messsignale erfassen. Das Ermitteln des Messwertes erfolgt dabei unter Berücksichtigung der Korrelation der beiden Mess- Signale zueinander, so dass insbesondere auch eine bessere Signalauflösung bzw. erhöhte Genauigkeit erzielbar ist. Das Ermitteln des Vergleichswertes erfolgt vorzugsweise ohne Berücksichtigung der Korrelation, wodurch die Auswertung vereinfacht wird.
Gemäß bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung repräsentieren die Messwerte die Winkellage einer Welle, insbesondere der
Welle eines Antriebes. Hierzu erzeugen die Sensoren des Gebers vorzugsweise in Abhängigkeit der Rotation der Welle Impulse, welche jeweils einen bestimmten Drehwinkel repräsentieren. Diese Art der Messerfassung kann in einfacher Weise auch optisch durchgeführt werden und zur Messung sowohl des Drehwinkels als auch der Drehgeschwindigkeit herangezogen werden.
Gemäß weiterführender Ausgestaltung der Erfindung erzeugen die Sensoren des Gebers Messsignale unterschiedlicher Genauigkeit. Dies reduziert den erforderlichen Aufwand für den zweiten Sensor, während ein Verlust an Messgenauigkeit nicht auftritt. Das Validieren des Signals des ersten Gebers kann dennoch durchgeführt werden und auch der Vergleichswert kann aus dem zweiten Messsignal geringerer Auflösung in einfacher Weise abgeleitet werden.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt beim Ermitteln des Messwertes in der ersten Auswerteeinrichtung ein erster Vergleich von Messwert und Grobwert. Somit ist eine qualitativ zuverlässige erste Auswertung gegeben, und der Vergleichswert geringerer Genauigkeit wird in zwei voneinander unabhängigen Einrichtungen durchgeführt . Hierdurch wird die Zuverlässigkeit und die Fehleranalyse verbessert.
Im Übrigen ist die Erfindung nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, dabei zeigen:
FIG 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäßen Einrichtung; und FIG 2 in Blockdarstellung die Ermittlung von Messwert und Vergleichswert .
Die FIG 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäß ausgestaltete Einrichtung 10. Es ist ein Geber 11 mit zwei Sensoren 12 und 13 vorgesehen. Dabei liegen die Messsig-
nale der beiden Sensoren 12, 13 in einer durch Anordnung der Sensoren zueinander festgelegten Beziehung, welche in einer Plausibilitätsüberwachung überprüft werden. Die Signale der Sensoren 12 und 13 werden nahe dem Geber 11 ausgewertet.
Dazu werden die Signale der Sensoren 12 und 13 einer ersten Auswerteeinrichtung 14 und einer zweiten Auswerteeinrichtung 15 zugeführt. In der ersten Auswerteeinrichtung 14 wird ein Messwert ermittelt, während in der zweiten Auswerteeinheit 15 mit entsprechend geringerem Aufwand der Vergleichswert ermittelt wird.
Darüber hinaus findet parallel zur Signalauswertung in den Auswerteeinheiten eine Überprüfung des Signalpegels statt. Hierzu dient der Plausibilitätsprüfer, in dem überprüft wird, ob die Signalpegel der zwei Sensoren 12 und 13 in richtigem Verhältnis zueinander stehen. Insbesondere wird überprüft, ob sich der definierte Versatz der Signale ergibt, welcher aus der Lagebeziehung der beiden Sensoren resultiert. Bei Drehge- bern ist es beispielsweise möglich, die Sensoren in bestimmtem Versatz zueinander anzuordnen, so dass beispielsweise die Signalpegel der beiden Sensoren 12, 13 in festem Verhältnis stehen, insbesondere können die Quadrate der Signalpegel einen konstanten Wert ergeben, wenn die Sensoren in einer Win- kellage von 90° zueinander versetzt sind. Wird bei der Plau- sibilitätsprüfung auf einen Fehler geschlossen, so wird in einen sicheren Zustand übergegangen.
Messwert, Vergleichswert und Plausibilitätswert werden insbe- sondere mittels einer fehlersicheren Datenübertragungseinrichtung 17, insbesondere einem lokalen Datenübertragungsbus, an den Frequenzumrichter übertragen. Das Protokoll fehlersicherer Datenübertragungseinrichtungen ist insbesondere so gewählt, dass im Falle von Übertragungsstörungen die Werte wie- der hergestellt werden können, also eine Redundanz im Datensatz gegeben ist oder Fehler mit Sicherheit festgestellt werden.
In einem Frequenzumrichter 17, der insbesondere für die lokale Durchführung von einer Regelung aufgrund von durch eine Steuereinheit 18 vorgegebenen Sollwerten dient, wird der übermittelte Messwert für die Regelung von mit den Sensoren 12 und 13 verbundenen, überwachten Einrichtungen, beispielsweise dem Drehantrieb einer rotierenden Welle, verwendet. Darüber hinaus wird mit einem Datenbus 19 Messwert, Vergleichswert und Plausibilitätswert an eine entfernt angeordnete Steuereinheit 19 übertragen, wozu wiederum eine fehler- sichere Datenübertragung verwendet wird.
In der Steuereinheit 18 wird aus dem Messwert und der Groblage ein Vergleich durchgeführt und festgestellt, ob Fehler vorliegen. Ist dies der Fall, so kann mit der Warneinrichtung 20 ein Alarm geschlagen werden.
Sowohl in den Frequenzumrichter 17 als auch in der Steuereinheit 19 werden aus dem Messwert Istwerte für eine Bewegungsüberwachung, beispielsweise eine Stillstandskontrolle ermit- telt. Hierzu dienen die Bewegungsuberwacher 21. Die unabhängig voneinander ermittelten Istwerte werden über den Datenbus 19 gegenseitig übermittelt und jeweils in einer Kreuzvergleichseinrichtung 22 miteinander verglichen, so dass eine doppelte Redundanz in der Bewegungsüberwachung gegeben ist.
Die FIG 2 zeigt die Auswertung der Signale des Gebers 11. Der Geber weist 2 Sensoren 12, 13 auf, die in bestimmter Lage zueinander angeordnet sind. Deren Signale werden sowohl an die erste Auswerteeinrichtung 14 als auch an die zweite Auswerte- einrichtung 15 übermittelt.
In der ersten Auswerteeinrichtung wird zur Ermittlung des Messwertes eine Analog-Digital-Umwandlung 23 der Signale der beiden Sensoren 12 und 13 durchgeführt. Aus einer Verknüpfung der Signale unter Berücksichtigung der räumlichen Lage der Sensoren 12, 13 zueinander wird eine Signalverarbeitung 24 durchgeführt, deren Ergebnis der Messwert 25 ist. Diesem
Messwert 25 wird noch ein erster Vergleichswert 27 zugeordnet, welcher dadurch ermittelt wird, dass das Überschreiten gewisser Signalpegel 28 überwacht wird, und in einer Signalzusammenführung 26 zu einem ersten Vergleichswert 27 zusam- mengeführt wird.
Unabhängig vom Ermitteln des ersten Vergleichswertes wird ein zweiter Vergleichswert 27 in der zweiten Auswerteeinheit 15 ermittelt, wobei hier wiederum eine Signalpegelüberwachung 28 und eine Signalzusammenführung 26 stattfindet. Als Ergebnis der Auswertung steht ein Messwert 25 und der Vergleichswert 27 zur Verfügung.