DE3228305A1 - Digitalregler - Google Patents

Description

-A-

Eeschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf digitale Regler, insbesondere auf einen Digitalregler (DDC), in dem eine -IO Trennung zwischen einer analogen und einer digitalen Signalschaltung vorgesehen ist.

Ein Digitalregler erzeugt ein Gleichstromsignal (4 bis 20 mA) als Stellgrößensignal, welches einem Stellglied, z.b. einem Motorventil, zugeführt■wird. Ein Blockschaltbild eines Digitalregelers ist in Figur 1 gezeigt. Dieser Regler kann ein Motorventil steuern.

Mit der· Erfindung soll ein Digitalregler geschaffen werden, bei dem analoge Eingangs- und Ausgangsschaltungen sowie eine Rückkopplungschaltung wirksam von einer zentralen Verarbeitungseinheit getrennt sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Digitalregler mit mehreren Detektoren zur Erzeugung analoger Signale, mit

einer analogen Eingangsschaltung zur Umwandlung der analogen Signale in zugehörige digitale Signale, mit einer zentralen Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der digitalen Signale sowie mit einem Zähler zum Zählen des Ausgangssignals der Verarbeitungseinheit, erfindungsgemäß ausgestaltet durch einen Impulsbreitenwandler zur Erzeugung von Impulssignalen, deren Impulsbreite dem Inhalt des Zählers entspricht, durch eine erste Kopplungsschaltung zur Erzeugung eines dem Impulssignal des Impulsbreitenwandlers entsprechenden ersten Signals, durch eine Schaltung zur Erzeugung des Stellsignals, die ein analoges Stellsignal entsprechend dem ersten Signal der ersten Kopplungsschaltung liefert, durch eine Überwachungsschaltung zur Erzeugung eines Fehlerer-

-J5 kennungssignals, wenn das Verhältnis des ersten Signals zum Stellsignal größer als ein vorgegebener Wert ist, durch eine zweite Kopplungsschaltung zur Erzeugung eines zweiten Signals gemäß dem Fehlererkennungssignal der Überwachungsschaltung und zur Zuführung dieses zweite Signal zur Verarbeitungseinheit sowie durch eine Rückkopplungsschaltung zur Zufuhr des ersten Signals zur analogen Eingangsschaltung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Digitalreglers.

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten Digitalreglers.

Figur 3 zeigt schematisch die elektrische Schaltung eines erfindungsgemäßen Digitalreglers.

Bei dem Digitalregler gemäß Figur 1 werden analoge Signale, von mehreren Detektoren 10a, 10b ... einer analogen Eingangsschaltung 12 zugeführt, die einen Multiplexer oder Mehrfachkoppler 14 und einen Analog-Digital-Wandler (A/D CON.) 16 enthält. Die analogen Signale werden nach dem Zeitteilerverfahren abgetastet. Jedesmal wenn ein Analogsignal abgetastet wurde, wird es durch den A/D-Wandler 16 in ein zugehöriges Digitalsignal umgewandelt. Das digitale Signal dient als ein Eingangssignal einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 18, die z.B. einen Mikroprozessor enthält. Das der Einheit 18 zugeführte, digitale Signal wird verarbeitet und in einem 10-Bit Aufwärts-Abwärtszähler 20 gespeichert .

Ein vorgegebener Wert, der dem Basis— oder Bezugsbetrieb eines Betätigungselementes 22 entspricht, wird anfangs durch die Verarbeitungseinheit 18 im Aufwärts-Abwärtszähler 20 gespeichert. Wenn sich der Betrieb des Betätigungselementes 22 ändert, liefert die Verarbeitungseinheit an den Aufwärts-Abwärtszähler 20 ein entsprechendes Aufwärts-Abwärts-Zählsignal als Fehlersignal bezüglich des Basis- oder Bezugswertes. Ein Befehlssignal, das dem dem Betätigungselement 22 zugeführ- -IO ten Stellsignal entspricht, ist im Aufwärts-Abwärtszähler 20 digital gespeichert.

Das im Aufwärts-Abwärtszähler 20 gespeicherte Befehlssignal wird durch einen Digital-Analogwandler (D/A -I5 CON.) 24 in ein analoges Spannungsstellgrößensignal AV umgewandelt. Das Spannungsignal AV wird durch einen Spannungs-Stromwandler (V/I CON.) 26 in ein analoges Stromstellgrößensignal AI umgewandelt.

Das Stromsignal AI wird als Stellgröße an das Motorventil-Betätigungselement 22 gelegt. Der Gleichspannungswert des Spannungsstellgrößensignals AV schwankt entsprechend der Öffnungsstellung des Motorventils 22 zwischen 0 und 5 Volt. Der Gleichstromwert des Stromsignales AI schwankt zwischen 4 und 20 mA.

Das Spannungsstellgrößensignal AV des D/A-Wandler 24 wird als Rückkopplungssignal dem Multiplexer 14 zugeführt, um Fehler der Signalwerte in der die Verarbeitungseinheit 18 enthaltenden, digitalen Verarbeitungsschleife zu korrigieren.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Digitalregler sind die Signalübertragungsleitungen zwischen der Verarbe.Ltungseinheit 18 und den Detektoren 10a, 10b . . . und eer Si-

-\q gnalleitung zum Motorventil 22 oft mit anderen Verarbeitungseinheiten zusammengeschaltet, die sich in einem großen Abstand vom Digitalregler befinden. Diese Signalleitungen werde häufig durch Störsignale, wie z.B. durch das Netz oder Schaltimpulse belastet. Die Span-

-| 5 nung des Spannungsausgangssignals AV des _: D/A-Wandlers 24 wird als Rückkopplungssignal an den Multiplexer 14 gelegt. Das Ausgangssignal des Spannungs-Stromwandler 26 kann jedoch nicht von der Verarbeitungseinheit 18 überwacht werden.

Figur 2 zeigt schematisch das Blockschaltbild eines bekannten Digitalreglers, bei dem die analoge Eingangsschaltung und die Verarbeitungseinheit 18 über einen Trenntransformator 28 verbunden sind. Ebenso sind der D/A-Wandler 24 und der Spannungs-Stromwandler 26 über

einen Trenntransformator 30 verbunden. Der Stellstrom für das Motorventil 22 wird durch einen anderen Trenntransformator 32 ermittelt und dem Multiplexer 14 als Rückkopplungssignal zugeführt. Bei dem Digitalregler gemaß Figur 2 müssen jedoch die analoge und digitale Signalschleife durch die Trenntransformatoren voneinander getrennt werden. Da das Analogsignal ebenso wie der Stellstrom für das Motorventil als Rückkopplungssignal gebraucht werden müssen, besteht immer noch das Pro- -JO blem, daß im Analogsignal Störsignale enthalten sind.

Der Digitalregler gemäß Figur 3 weist mehrere Detektoren 10a, 10b ... und eine analoge Eingangsschaltung 12 auf, die wie in Figur 1 ausgeführt sind. Aus den analo- -J5 · gen Signalen der Detektoren 10a, 10b ... werden digitale Signale gewonnen und in der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 18 verarbeitet.

Die Verarbeitungseinheit 18 erzeugt Aufwärtszählimpulse UP und Abwärtszählimpulse DP, die über eine Hand-Automatik-Umschaltung 42 einem Abwärts-Aufwärtszähler 40 zugeführt. In der Automatik-Stellung der Umschaltung 42 werden dem Abwärts-Aufwärtszähler 40 die Aufwärtszählsignale UP oder die Abwärtszählsignale DP dem als Diffe-2^5 renzsignale zugeführt, während die Aufwärtszähl-

signale UP oder die Abwärtszählsignale DP in der Hand-Stellung dem Aufwärts-Abwärtszähler 40 zugeleitet werden. Im letzteren Fall wird im Abwärts-Aufwärtszähler 40 ein frei wählbarer digitaler Wert gespeichert.

Ein Impulsbreitenwandler 44 liefert Impulse Pl, deren Breite in einem festen Verhältnis zum Inhalt des Abwärts-Auf wärtszählers 40 steht.

-|0 Eine erste Kopplungsschaltung 46 mit drei Photokopplern 48, 50 und 52 ist mit dem Ausgang des Impulsbreitenwandlers 44 verbunden.

Ein sekundäres Ausgangsimpulssignal vom ersten Photokoppler 48 wird als Rückkopplungssignal durch eine Impulsbreiten-Spannungsschaltung 54 an den Eingang des Multiplexers 14 gelegt. Die Schaltung 54 weist einen Inverter 56 und eine Integrationsschaltung 58 auf.

Die Verarbeitungseinheit 18 soll Fehlfunktionen in der digitalen Verarbeitungsschleife feststellen, wenn der Rückkopplungswert größer als der vorbestimmte Wert ist. Dies wird nachfolgend beschrieben.

Ein sekundäres Ausgangsimpulssignal des zweiten Photokopplers 50 wird an eine Schaltung 60 zur Erzeugung eines Stellsignals gelegt, die einen Impulsbreiten-Spannungswandler 62 und einen Spannungs-Stromwandler (V/I CON.) 64 enthält. Der Impulsbreiten-Spannungswandler 62 liefert entsprechend der Impulsbreite des Impulssignals Pl des Impulsbreitenwandlers 44 eine Gleichspannung AV. Im Impulsbreiten-Spannungswandler 62 wird das Ausgangssignal Pl des Impulsbreitenkonverters 44 in

-JO einem Inverter 66 invertiert. Das invertierte Signal wird durch eine Integrationsschaltung 68 integriert, die einen Widerstand und einen Kondensator enthält. Das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 68 gelangt über einen Operationsverstärker 70 an den Spannungs-

-j 5 Stromwandler 64. Die Ausgangsspannung AV des Operationsverstärkers 70 wird durch den Spannungs-Stromwandler 64 in ein Stromstellgrößensignal AI umgewandelt. Das Stromstellgrößensignal (Stellgrößensignal) AI wird an ein Betätigungselement 72, z.B. ein Motorventil, gelegt.

Ein sekundäres Ausgangsimpulssignal des dritten Photokopplers 52 wird einer Überwachungsschaltung 74 zugeführt. Es gelangt in einen Impulsbreiten-Spannungswandler 76, der einen Inverter 78 und eine Integrationsschaltung 80 enthält. Das Ausgangssignal V des Impuls-

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breiten-Spannungswandlers 7β wird einer Vergleichsschaltung 82 als erstes Vergleichseingangssignal zugeführt.

Das Ausgangsstromsignal AI des Spannungs-Stromwandlers 64 wird durch einen Strom-Spannungswandler 84 mit einen Operationsverstärker 86 und mit Widerständen 88, 90, 92, 94 und 96 in ein Spannungssignal VI umgewandelt. Das Ausgangssignal VI des Strom-Spannungswandlers 84 wird der Vergleichsschaltung 82 als zweites Vergleichseingangssignal zugeführt.

Die Vergleichsschaltung 82 enthält einen ersten Vergleicher 98 und einen zweiten Vergleicher 100. Das erste Vergleichseingangssignal V wird einem Eingang des

-\ 5 ersten Vergleichers 98 zugeführt. Ein erstes Eingangsspannungssignal aV , das von einem Spannungsteiler aus den Widerständen 102 und 104 geliefert wird, wird an einen Eingang des zweiten Vergleichers 100 gelegt. Das zweite Vergleichseingangssignal VI wird an den anderen Eingang des zweiten Vergleichers 100 gelegt. Ein zweites Vergleichseingangssignal aVI, das vom Spannungsteiler aus den Widerständen 106 und 108 stammt wird an den anderen Eingang des ersten Vergleichers 98 gelegt.

Der erste Vergleicher 98 vergleicht das Eingangsspannungssignal V mit dem Signal OtVI. Wenn das Eingangsspannungssignal V hoher als die Spannung aVI ist, liefert der erste Vergleicher 98 ein Fehlererkennungssignal DK1 und leitet es über einen Widerstand 112 an einen Anschluß einer ODER-Schaltung 110. Ebenso vergleicht der zweite Vergleicher 100 das Eingangsspannungssignal VI mit dem Signal aV . Wenn das Eingangsspannungssignal VI höher als die Spannung aV ist, liefert der zweite Vergleicher 100 ein Fehlererkennungssignal DK2 und leitet es über einen Widerstand 114 an den zweiten Anschluß der ODER-Schaltung 110 weiter. Das Ausgangssignal der ODER-Schaltung 110 wird einer zweiten Kopplungsschaltung 116, die einen Photokoppler enthält, zugeführt;

Die Überwachungsschaltung 74 erkennt eine Fehlfunktion im Impuls-Spannungswandler 62 und im Spannungs-Stromwandler 64 daran, daß die Differenz zwischen der Erkennungsspannung am Ausgang des Impulsbreitenwandlers 64 und der Erkennungsspannung infolge des Stromsignals AI des Spannungs-Stromwandlers 64 größer als ein vorgegebener Wert ist. Das zusätzliche Ausgangssignal AL, nämlich das Fehlererkennungssignal des Photokopplers 116, wird der Verarbeitungseinheit 18 zugeführt. Diese

verarbeitet das Signal AL, um eine Fehlfunktion der Schaltung 60 zur Erzeugung eines Stellsignals festzustellen. Wenn die vorstehend genannte Differenz 5 % beträgt, kann α wie folgt ausgedrückt werden:

R₁₁ R₂₁

α = = = 0,95 ,

R₁₁ + R₁₂ R₂₁ + R₂₂

wobei die .Größen der Widerstände 102, 104 und 106, 108 den Faktoren R₁₁. R₁₂ und R₂₁t R₂₂ entsprechen.

Durch die Erfindung kann die digitale Verarbeitungsschleife einfach von der analogen Ausgangsschleife abgetrennt werden, weil der Inhalt des Aufwärts-Abwärtszählers 40 in Impulssignale umgewandelt wird, deren Impuls-

-I5 breite durch den Impulsbreitenwandler 44 gewählt wird.

Die Photokoppler 48, 50, 52 und 116 verbinden den Impulsbreitenwandler 44 mit der analogen Ausgangsschleife. Sie können jedoch durch ein Impulstrennungselement, z.B. durch einen Impulswandler oder -transformator, verbunden werden. Da das Impulssignal des Impulsbreitenwandlers 44 als Rückkopplungssignal für die Verarbeitungseinheit 18 verwandt wird, kann diese sowohl Fehlfunktionen des Aufwärts-Abwärtszählers 40 als auch des Impulsbreitenwandlers 44 erkennen.

GL/SU/wo

Leerseite

Claims (3)

1. UEXKÜ1X2 STOLBcRG " * european patent attorneys

   PATENTANWÄLTE

   BESELERSTRASSE 4

   D-SOOO HAMBURG 03 DR. J-D. PRHR. von UEXKULL

   DR. ULRICH SRAF STOLBERG DIPL-ING. JÜRGEN SUCHANTKE DIPL..ING. ARNULF HUBER DR. ALLARD von KAMEKE DR. KARL-HEINZ SCHULMEYER

   TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA 72 Horikawa-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken, Tokyo,

   Japan

   (Prio.: 12. August 1981 JP P56-126409 18878/GL/SU/wo)

   Juli 1982

   Digitalregler

   Patentansprüche

   Digitalregler mit mehreren Detektoren zur Erzeugung analoger Signale, mit einer analogen Eingangsschaltung zur Umwandlung der analogen Signale in zugehörige digitale Signale, mit einer zentralen Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der digitalen Signale sowie mit einem Zähler, zum Zählen des Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit, gekenn-

   zeichnet durch einen Impulsbreitenwandler (44) zur Erzeugung von Impulssignalen, deren Impulsbreite dem Inhalt des Zählers (40) entspricht, durch eine erste Kopplungsschaltung (46) zu Erzeugung eines ' dem Impulssignal des Impulsbreitenwandlers (44) entsprechenden ersten Signals, durch eine Schaltung (60) zur Erzeugung des Stellsignals, welche ein analoges Stellsignal entsprechend dem ersten Signal der ersten Kopplungsschaltung (46) liefert,

   ..Q durch eine Überwachungsschaltung (47) zur Erzeugung eines Fehlererkennungssignals, wenn das Verhältnis des ersten Signals zum Stellsignal größer als ein vorgegebener Wert ist, durch eine zweite Kopplungsschaltung (116) zur Erzeugung eines zwei-

   .. ι- ten Signals gemäß dem Fehlererkennungsignal der

   Überwachungsschaltung (74) und zur Zuführung dieses zweite Signal zur Verarbeitungseinheit (18) sowie durch eine Rückkopplungsschaltung (54) zur Zufuhr des ersten Signals zur analogen Eingangsschaltung.
2. 2. Digitalregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Verarbeitungseinheit (18) einen Mikroprozessor enthält.
3. 3. Digitalregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Kopplungsschaltung Photokoppler enthalten.