DE4200312A1 - Verfahren zur ueberwachung von hydraulischen oder pneumatischen stellgliedern und ueberwachungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von hydraulischen oder pneumatischen Stellgliedern, bei dem der mo­ mentane Istwert einer Stellgliedeinstellung mit vorgebbaren Sollwerten der gewünschten Einstellung verglichen und ein Feh­ lersignal ausgelöst wird, sobald die Abweichung der momentanen Istwerte von den Sollwerten einen vorgebbaren Grenzwert über­ schreitet.

Die Erfindung betrifft ferner eine Überwachungseinrichtung für hydraulische oder pneumatische Stellglieder in einem Regelkreis mit einem Sollwertgeber und einem Istwertgeber für die momen­ tane Stellgliedeinstellung, die über einen Komparator und einen einstellbaren Schwellwertdiskriminator über eine Fehlermelde­ einrichtung mit einer Abschalt- oder mit einer Warneinrichtung verbunden sind.

Beispielsweise in der Hubförderung wie in Umschlaggeräten für den kombinierten Ladungsverkehr oder in der Bühnentechnik wer­ den hohe Sicherheitsanforderungen gestellt.

Nach dem Stand der Technik sind relativ einfache Funktionsüber­ wachungen zur Überprüfung, ob ein Steuerbefehl zur Betätigung eines hydraulischen Antriebes zu einer entsprechenden Druckän­ derung hinter dem Regelventil führt, bekannt. Bei Funktionsstö­ rungen wird das Hydrauliksystem total abgeschaltet bzw. blockiert. In einer konkreten Ausführungsform wird hierzu per­ manent der Druck zwischen dem Ventil und dem Hydraulikzylinder gemessen und gleichzeitig das Steuersignal als Sollgröße abge­ griffen, die über ein Zeitrelais mit wählbarer Verzögerung mit dem Ist-Druck am oder vor dem Hydraulikzylinder verglichen wird. Bei einer von dem Befehl abweichenden Druckänderung wird z. B. mit einem sogenannten Schwarz-Weiß-Ventil mit einer Zeit­ verzögerung eine Totalabschaltung ausgelöst.

Ein Steuersignal zur Hydraulik-Betätigung wird nur dann weiter­ gegeben, wenn die Leitung hinter dem Steuerventil drucklos ist. Diese Art der Überwachung bedingt, daß das Zeitrelais stets eingeschaltet sein muß und jeweils durch den Steuerbefehl eines Betätigungshebels neu aktiviert wird. Das Rückfallen in den deaktivierten Zustand geschieht nach einer vorgegebenen Zeit.

Die geschilderte Überwachung kann lediglich Fehler feststellen, die die Bewegungsrichtung eines Hydraulikkolbens oder den De­ fekt des Steuerventils betreffen. Eine Lokalisierung des Feh­ lers ist nicht möglich. Darüber hinaus reicht diese Überwachung bei Geräten und Anlagen, die erhöhte Sicherungsanforderungen haben, nicht aus.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren sowie die Überwachungseinrichtung dahinge­ hend zu verbessern, daß Fehler sowohl im aktiven Zustand, d. h. bei Bewegung, als auch im nicht aktiven Zustand, d. h. bei Stillstand, des Antriebes erkannt werden können. Beispielsweise sollen folgende denkbaren Fehler des Regelkreises, ggf. zusätz­ lich, erkannt werden:

• - Federbruch der Zentrierfedern eines Ventiles (fehlerhafte Mittellage),
• - Klemmen des (Haupt-)Steuerkolbens,
• - Fehler im Wegaufnehmer der Hauptstufe infolge eines Drif­ tens (ungewollte spontane Auslenkung des Steuerkolbens) oder als Offset (statische Abweichung),
• - Bruch der mechanischen Verbindung zwischen der Hauptstufe und dem Wegaufnehmer,
• - Fehler in der Regelelektronik des Stellgliedes.

Die Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren dadurch gelöst, daß die in einem Steuerungslauf, z. B. gezielte Aussteuerung des Stellgliedes, ermittelten Istwerte die dynamischen Sollwerte während der Überwachung darstellen. Als Sollwerte werden somit keine statischen Werte verarbeitet, sondern dynamische, die auf das individuelle Verhalten des Stellgliedes, z. B. des Regelventiles, abgestimmt sind. Hier­ durch ist es möglich, den Überwachungsschwellwert sehr klein zu wählen, d. h., z. B. kleiner als 1% von der maximalen Auslenkung des Wegaufnehmers. Damit wird eine bisher nicht erreichbare Fehlergrenzenminimierung erzielt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die sich bei in­ aktiv geschaltetem Stellglied aus apparativ bedingten Auslen­ kungen aus der Nullage ergebenden Istwerte (Drift oder Offset) kompensiert. Auch mit dieser Maßnahme wird eine Anpassung an die realen Stellglied-Bedingungen erzielt, die jederzeit nach­ vollziehbar ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden während der Ein- und Ausschaltvorgänge des Regelkreises an Stelle der Istwerte des Stellgliedes 0 V-Spannungen als Istwerte verwen­ det. Signalschwankungen in Form von Spannungsspitzen werden so­ mit bei Ein- und Ausschaltvorgängen von vornherein eliminiert.

Zur weiteren Erhöhung der Überwachungssicherheit werden die dy­ namischen Sollwerte und die Istwerte mehrfach abgegriffen und getrennten Komparatoren zugeführt, die in Form einer UND- oder eine ODER-Schaltung mit einer Fehlersignalauslösung verbunden sind. Im Prinzip handelt es sich hierbei um eine Mehrfachüber­ wachung, die gleichzeitig den Ausfall eines Überwachungskreises feststellen läßt.

Vorrichtungstechnisch wird die oben beschriebene Aufgabe mit der in dem Anspruch 5 beschriebenen Überwachungseinrichtung ge­ löst, bei der ein Sollwertfilter eine einstellbare Kennlinie aufweist, die auf die Stellglied-Kennlinie abgleichbar ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist eine monostabile Kipp­ stufe (Monoflop) vorgesehen, die über einen Schalter das als Istwert auf den Komparator gegebene Signal spannungslos (0 V) zeitlich begrenzt schaltet.

Vorzugsweise kommen als Stellglieder insbesondere Stetigven­ tile, wie Proportionalventile, Regelventile und Servoventile infrage. Wie bereits erwähnt, können mehrere Komparatoren vor­ gesehen sein, die jeweils über voneinander getrennte Addierer Differenzsignale erhalten und über geeignete UND- oder ODER- Schaltungen das Stellglied mehrfach (redundant) überwachen. Ge­ gebenenfalls kann dem Komparator ein Verzögerungsglied (PT1- Glied) zur Störunterdrückung vorgeschaltet sein. Weitere Vor­ teile der Erfindung sowie weitere Ausführungsmerkmale werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 und 2 jeweils Prinzipskizzen der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung wird anhand von hydraulischen Stellgliedern beschrieben, Entsprechendes gilt für pneumatische Stellglieder. Die Stellglieder bestehen aus einem Hauptsteuer­ kolben, der entweder direkt oder indirekt über eine Vorstufe ausgelenkt wird. Bei hochwertigen Regelungseinrichtungen, wie sie beispielsweise in der Bühnentechnik zum Einsatz kommen, be­ finden sich sowohl an der Hauptstufe als auch an der Vorstufe Wegaufnehmer, die eine genaue Positionierung des Hauptsteuer­ kolbens über eine nicht dargestellte Regelelektronik ermögli­ chen. Die Regelelektronik ist entweder im Ventil unmittelbar integriert oder separat auf einer Baugruppe angeordnet. Die Überwachungselektronik 10 erhält als Überwachungssignal einen "Sollwert-Ventil" zu einem Referenzwert 0. Die Regelelektronik positioniert den Hauptsteuerkolben proportional zu diesem Si­ gnal. Das Signal "Freigabe" aktiviert die Regelelektronik und die dargestellte Überwachungselektronik; bei nicht aktivierter Regelelektronik befindet sich der Hauptsteuerkolben in seiner federzentrierten Mittelstellung. Der "Sollwert-Ventil" wird über einen Operationsverstärker 11 und eine Proportionalver­ stärkungsstufe (P-Glied) 12 auf einen Addierer 13 und von dort über ein Ventilmodell 14 (Sollwertfilter) mit einstellbarer Kennlinie auf einen Addierer 15 gegeben. Ebenso zum Addierer 15 gelangen, ggf. nach Invertierung die Istwerte der Hauptstufe, die von einem Operationsverstärker 16 über einen Schalter 17 geleitet werden. Der Schalter 17 kann jedoch aus der in Fig. 1 dargestellten Schaltstellung auch auf die 0 V-Stellung umgelegt werden, was mittels einer monostabilen Kippstufe 18 geschieht. Das Freigabesignal wird weiterhin auf einen Schalter 19 gegeben, der im geschlossenen Zustand das Signal U_off an den Addierer 13 weiterleitet. Das Signal U_off wird von einem Regelpotentiometer 20 abgegriffen. Vom Addierer 15 gelangt das Differenzsignal zwischen dem Sollwert und dem Istwert über ein Verzögerungsglied 21 auf einen Komparator 22, der bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes ein "Error"-Signal abgibt. Das Ventilmodell 14 arbeitet im vorliegenden Ausführungsbeispiel wie ein zweiter Wegaufnehmer des Hauptsteuerkolbens. Bei Ein- oder Abschaltvorgängen durch das Signal "Freigabe" (Umschaltung 0-1 bzw. 1-0) werden un­ bestimmte Istwerte des Regelventiles (Hauptstufe) dadurch ver­ mieden, daß die Überwachung für eine von der Zeitkonstanten der monostabilen Kippstufe 18 abhängigen Zeit abgeschaltet bzw. auf 0 V gesetzt wird. Bei abgeschalteter Regelelektronik wird weiterhin von der Freigabe-Steuerung die federzentrierte Mit­ telstellung des Hauptsteuerkolbens mit Hilfe der dargelegten Offset-Steuerung überwacht. Zur Vermeidung von Rückwirkungen auf den "Sollwert-Ventil" und auf das Wegaufnehmersignal ("Istwert Hauptstufe") werden hochohmige Eingangsdifferenzver­ stärker 11 und 16 verwendet. Die erfindungsgemäße Überwa­ chungsschaltung 10 funktioniert folgendermaßen:

Im Betriebszustand, in dem das Ventil inaktiv ist, hat das Si­ gnal "Freigabe" den Zustand "0", die Regelelektronik des Ven­ tils ist abgeschaltet, wobei der Hauptsteuerkolben sich in sei­ ner federzentrierten Mittelstellung befindet. Liegt die Mittel­ stellung aufgrund unterschiedlicher Federkonstanten oder auf­ grund eines Federbruches dezentral, zeigt der "Istwert Haupt­ stufe" ein von 0 V verschiedenes Signal, wohingegen der "Sollwert-Ventil" auf dem 0 V-Pegel liegt. Bei geschlossenem Schalter 19 gelangt in diesem Falle das Signal U_off an den Ad­ dierer 13, das auf den Offset des Regelventils aus der Mittel­ stellung abgeglichen ist. Somit wird durch das Signal U_off die Abweichung aus der federzentrierten Mittelstellung kompensiert. Bei nicht aktiviertem Freigabesignal liegen somit am Ad­ dierer 15 sowohl abgeglichene 0 V-Werte als "Sollwert-Ventil" als auch solche Referenz-Nullwerte als Ist-Signale an. Befindet sich jedoch aufgrund eines Fehlers der Hauptsteuerkolben au­ ßerhalb der vorbeschriebenen federzentrierten Mittelstellung, kann gegenüber dem fest vorgegebenen U_off keine Kompensation mehr stattfinden, so daß ein Schwellwert am Komparator 22 überschritten wird, der dann einen Fehler "Error" meldet. Gleichfalls können Fehler gemeldet werden, falls der "Sollwert- Ventil" fehlerhaft anliegt.

Den Übergangszustand vom geschilderten inaktiven Zustand in den aktiven Zustand und umgekehrt, d. h. die Umschaltung des Freiga­ besignales vom Zustand "0" in den Zustand "1" berücksichtigt die Einrichtung 10 folgendermaßen: Zur Vermeidung undefinierter Zustände infolge des Ein- und Ausschaltens und der damit verbundenen irregulären Spannungsverläufe wird beim Umschalten des Freigabesignales die monostabile Kippstufe 18 geschaltet und der "Istwert Hauptstufe" über den Schalter 17 auf 0 V ge­ setzt. Gleichzeitig wird der Schalter 19 geöffnet, so daß der "Sollwert-Ventil" direkt am Addierer 13 anliegt.

Ist das Ventil aktiviert, d. h., das Freigabesignal liegt auf dem Zustand "1" und die beschriebene Umschaltzeit ist abgelau­ fen, liegt der "Istwert Hauptstufe" nach Rückfall der monosta­ bilen Kippstufe 18 über Schalter 17 wieder am Addierer 15 an. Es werden somit die sich aus der Kennlinie des Ventilmodel­ les 14 ergebenden korrigierten Ventil-Sollwerte mit den Ist­ werten verglichen. Bei Antriebsbewegungen entstehende dynami­ sche Änderungen des Signals "Sollwert-Ventil" werden dynamisch verarbeitet, so daß Fehler im Wegaufnehmer, in der Ansteuerung des Hauptsteuerkolbens sowie in der Regelelektronik zuverlässig erkannt werden können.

Eine weitere Verbesserung der Überwachungseinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt, für die mit gleichen Bezugszeichen bezif­ ferten Teile Entsprechendes wie oben beschrieben, gilt. Zu­ sätzlich werden jedoch die dynamischen Sollwerte des Regelven­ tiles mit dem Istwert der Hauptstufe mehrfach abgegriffen und in getrennten Addierern 23, 24 und 25 sowie Verzögerungsglie­ dern bzw. Komparatoren 21a bis c und 22a bis c verglichen. Ist auch nur eines der Differenzsignale jenseits der vorgegebenen Fehlergrenze, wird ein Fehlersignal ausgelöst. Die vorliegende Schaltung nach Fig. 2 kann somit Fehler der Überwachungselek­ tronik selbst ausschließen.

Eine weitere Erhöhung der Fehlersicherheit wird durch eine re­ dundant aufgebaute monostabile Kippstufe 18a und b erreicht, die einen Ausfall jeweils einer monostabilen Kippstufe sicher erkennt, da über den Umschalter 17a und ebenfalls über Schal­ ter 17b eine Referenzspannung U_ref synchron geschaltet wird.

Der Ausfall einer monostabilen Kippstufe wird dadurch erkannt, daß an den Addierer 23, 24 und 25 ein Differenzsignal U_ref er­ mittelt wird, das jenseits der Fehlergrenze liegt und ein Feh­ lersignal auslöst.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Überwachungseinrichtung kann auch unter Verwendung von hydraulischen oder pneumatischen Tei­ len entsprechend ausgeführt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung von hydraulischen oder pneuma­ tischen Stellgliedern, bei dem der momentane Istwert einer Stellgliedeinstellung mit vorgebbaren Sollwerten der gewünschten Einstellung verglichen und ein Fehlersignal ausgelöst wird, sobald die Abweichung der momentanen Ist­ werte von den Sollwerten einen vorgebbaren Grenzwert über­ schreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem Steuerungslauf ermittelten Istwerte des Stellgliedes die dynamischen Sollwerte während der Über­ wachung darstellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bei inaktiv geschaltetem Stellglied aus apparativ be­ dingten Auslenkungen aus der Null-Lage ergebenden Istwerte kompensiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ein- und Ausschaltvorgänge des Regelkrei­ ses anstelle der Istwerte des Stellgliedes eine 0 V-Spannung als Istwert verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dynamischen Sollwerte und die Ist­ werte mehrfach abgegriffen und getrennten Komparatoren zu­ geführt werden, die in Form einer ODER-Schaltung oder ei­ ner UND-Schaltung mit einer Signalauslösung verbunden sind.

5. Überwachungseinrichtung für hydraulische oder pneumatische Stellglieder in einem Regelkreis mit einem Sollwertgeber und einem Istwertgeber für die momentane Stellgliedein­ stellung, die über einen Komparator und einen einstellba­ ren Schwellwertdiskriminator über eine Fehlermeldeeinrich­ tung mit einer Abschalt- oder mit einer Warneinrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert­ filter (14) eine einstellbare Kennlinie aufweist, die auf die Stellglied-Kennlinie abgleichbar ist.

6. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine regelbare Offset-Spannung (U_off) zur Kompensa­ tion etwaiger Ist-Signale des sich in der Null-Lage be­ findlichen Stellgliedes.

7. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine monostabile Kippstufe (18) über einen Schalter (17) das als Istwert auf den Kompara­ tor (15) gegebene Signal spannungslos schaltet.

8. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Stetigven­ til ist.

9. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Komparatoren (23 bis 25 bzw. 22a bis 22c) jeweils über voneinander getrennte Addierer Differenzsignale erhalten und über geeignete UND- oder ODER-Schaltungen das Stellglied mehrfach (redundant) überwachbar ist.

10. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (22a bis 22c) ein Verzögerungsglied (PT1-Glied) (21a bis 21c) vorge­ schaltet ist.