Bist du wirklich mit der Anwendung von Hochwert- und Niedrigwert-Selektoren vertraut?

Thread Content

Signalwähler werden in Hochwert-Wähler und Niedrigwert-Wähler unterteilt und werden insbesondere bei der Konstruktion von Sicherheitssteuerungssystemen verwendet. Changhui Instruments teilt in diesem Artikel Fachwissen über acht Anwendungsmöglichkeiten von Signalwählern, das Ingenieure im Bereich Industrieautomatisierung unbedingt kennen und beherrschen müssen. Signalwähler yunrun.com.cn/product/1954.html Die Funktion des Signalwählers besteht darin, aus zwei Eingangssignalen eines auszuwählen, um es als Ausgangssignal zu verwenden. Es gibt vier Möglichkeiten, den Ausgang des Signalwählers zu steuern: Automatische Auswahl des höheren Signals, automatische Auswahl des niedrigeren Signals, Steuerung über externe Schalter-/Niveausignale zur Auswahl eines Eingangssignals sowie Isolierung des ausgewählten Signals von den Eingangssignalen und der Stromversorgung vor dem Ausgeben. Ein Signalwähler mit automatischer Auswahl des höchsten Werts wird als Hochwert-Wähler bezeichnet, ein Signalwähler mit automatischer Auswahl des niedrigsten Werts wird als Niedrigwert-Wähler bezeichnet. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805150436075704.png Abbildung 1: Schaltplan des Hochwert-Wählers
http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805150439515074.png Abbildung 2: Schaltplan des Niedrigwert-Wählers
Acht typische Anwendungen für Hochwert- und Niedrigwert-Wähler: yunrun.com.cn/tech/1974.html
1. Anwendung von Signalwählern in selektiven Steuerungssystemen
Wie alle wissen, ist ein Kompressor ein Gerät zur Übertragung von Gasen. Ein Kompressor kann entweder durch Dampf angetrieben werden oder auch durch einen Gleichstrom-Servomotor. Durch Regulierung der Eingangsleistung des Dampfmotors oder der Spannung am Anschluss des Gleichstrommotors kann die Ausgangsleistung sowie der Ausdruck des Kompressors gesteuert werden. Abbildung 3 zeigt das Prinzipdiagramm eines Durchfluss- und Druckkontrollsystems, das von einem Signalwähler mit niedrigem Wert gesteuert wird. Für die Regler der Druck- und Durchflusssysteme werden ausschließlich PID-Regler verwendet. In dem selektiven Steuersystem in Abbildung 3 ist P* das vorgegebene Signal des Drucksteuerungssystems. Der Auslassdruck des Kompressors soll in der Nähe von P* gehalten werden, darf aber diesen Wert nicht überschreiten. Q* ist das vorgegebene Signal des Durchflusssteuerungssystems; der Auslassdurchfluss des Kompressors muss in der Nähe von Q* bleiben, wobei ein Überschreiten von Q* ebenfalls nicht zulässig ist. Daher wird die Steuerungsart dadurch bestimmt, dass zwischen zwei Steuersystemen gewählt wird – je nachdem, welche der zu steuernden Größen den festgelegten Wert überschreitet. Auf dieser Grundlage sendet der Regler dieses Systems ein Signal aus, um den festgelegten Wert des Thyristor-Geschwindigkeitsregelsystems zu ändern. Es handelt sich dabei um ein selektives Steuersystem. Die Funktion des Low-Value-Selektors in diesem System besteht darin, die Funktionen der beiden Systeme zu steuern. Um den Funktionsweise des Systems zu veranschaulichen, nehmen wir hier an, dass P < P* und Q > Q* gilt. Wenn die Einstellparameter der Regler beider Systeme gleich sind, dann ist die Ausgabe des Reglers im Q-System größer als die Ausgabe des Reglers im P-System. Diese höhere Ausgabe wird vom Selektor mit dem niedrigeren Wert abgeschnitten – doch es kommt nicht zur Integralversättigung. Dadurch wird sichergestellt, dass bei Q < Q* und P > P* ein reibungsloser Übergang vom Schließkreis des Q-Systems in den Schließkreis des P-Systems möglich ist. Dabei werden Druck P und Durchfluss Q stets daran gehindert, ihre vorgegebenen Werte zu überschreiten. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805150505449965.png Abbildung 3: Alternative Regelungsmöglichkeiten für zwei Steuerungssysteme (Selektive Steuerungssysteme). 2. Verwendung eines Hochwert-Signalwählers als Schutzvorrichtung gegen Überlastungen des Messsignals. In Atomkraftreaktoren oder Chemikalienreaktoren ist die Temperaturkontrolle ein wichtiger Faktor, um den reibungslosen Ablauf des Produktionsprozesses zu gewährleisten. Wenn nur eine Thermoelement verwendet wird, um die Temperatur zu überwachen oder zu regulieren, fühlt man sich oft unsicher. Deshalb werden in der Regel mehrere Thermoelemente an verschiedenen Stellen installiert, und die Signale werden über Temperatursender an einen Hochwert-Signalwähler weitergeleitet. Es gibt zwei Vorteile dabei: Erstens kann die Temperatur auf dem höchstmöglichen Niveau gesteuert werden, wodurch eine Überhitzung an bestimmten Stellen verhindert wird ； Zweitens kann die Steuerung auch dann weiterhin gewährleistet werden, wenn ein, zwei oder drei Thermoelemente ausfallen – **wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Steuerungssystems erhöht wird.** http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805150533486834.png Abbildung 4: Mehrsignal-System zur Auswahl des höchsten Signals. Wenn in Abbildung 4 die Hochwertauswähler der Hochwertauswahlergruppe durch Niedrigwertauswähler ersetzt werden, kann so ein Mehrsignal-System zur Auswahl des höchsten Signals erstellt werden. 3. Der Signalwähler dient dazu, die Reihenfolge der Abläufe im System zu koordinieren. Wenn ein bestimmtes Steuersignal gleichzeitig mehrere Regelungssysteme steuert, entstehen zwischen den einzelnen Systemen Probleme bezüglich der Zeitverteilung und der Abstimmung der Signale. Die Abstimmung der Signale sorgt dafür, dass das System einen stabilen Betriebspunkt findet, während die Zeitverteilung für die Sicherheit in der Produktion sorgt. In vielen Produktionsprozessen werden aus Gründen wie der Vermeidung von Nebenprodukten oder Explosionen sowie zum Energiesparen klare Vorgaben für die Reihenfolge der Abläufe im Steuerungssystem festgelegt. Beispielsweise sieht der Verbrennungsprozess von Schweröl vor, dass bei steigender Produktionslast zunächst mehr Luft und anschließend mehr Öl zugeführt werden, während bei sinkender Produktionslast erst das Öl und danach die Luft reduziert wird, um einen sekundären Brand zu vermeiden, der die Anlagen beschädigen könnte. Solche Systeme benötigen in der Regel zwei Signalwähler – einen für hohe Werte und einen für niedrige Werte – um die Reihenfolge der Abläufe zwischen den Systemen zu steuern. Abbildung 5 zeigt die Aufbaustruktur des Kontrollsystems für den Brennvorgang von Schweröl. Wenn die Lastanforderungen steigen, erhöht sich auch der Lastbefehl I. Da I > I1 ist, wählt der Wertauswähler I1 als Ausgangssignal aus. Zudem ist I > I2, wodurch das P-Signal über den Wertauswähler auf den Lufströmungsregler wirkt und so zunächst die Luftmenge erhöht wird. Nachdem die Luftmenge zugenommen hat, steigt auch I1 allmählich an, was wiederum zu einer Erhöhung des Signals durch den Wertauswähler führt. Umgekehrt, wenn die Lastanforderungen sinken, gilt I < I1, I < I2. Der Lastbefehl führt zunächst dazu, dass die Menge an Kraftstoff reduziert wird; erst nachdem die Kraftstoffmenge gesunken ist, wird auch der Luftdurchfluss verringert. Diese Art der Steuerung wird als „Zunahme zuerst, anschließend Abnahme“ oder „Abnahme zuerst, anschließend Zunahme“ bezeichnet und ist ein typisches Prinzip für Schaltsysteme. Nachdem der Regelungsprozess stabil ist, bleibt das Verhältnis I=I1, I=I2 bestehen. In der Abbildung dienen der Regler und der Addierer dazu, die Anfangszustandssignale der beiden Systeme aufeinander abzustimmen. Der Multiplikator dient hingegen dazu, das Verhältnis zwischen Kraftstoffmenge und Luftmenge zu regulieren. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151238082857.png Abbildung 5: Schaltprinzip des Steuerungssystems für den Verbrennung von Schweröl. 4. Signalwähler zur Verhinderung von Überschreitungen bei der Ausgabe des Dividierers. Ein Dividierer muss bestimmte Bedingungen erfüllen, um ordnungsgemäß funktionieren zu können. Diese Bedingung lautet I1 ≤ I2, wobei I1 das Signal des Zählers und I2 das Signal des Nenners ist. Falls I2 < I1 gilt, überschreitet die Ausgabe des Dividers den Bereich des Messsignals. Zum Beispiel der Divisor: Wenn I2 < I1 ist, überschreitet seine Ausgabe die Obergrenze des Messsignals von 20 mA. Falls das Steuersignal I2 für die Variablen im Produktionsprozess unter I1 fallen kann, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, dass dieses Phänomen auf den Divisor übertragen wird. Bevor der Signalwähler bei Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. in Betrieb genommen wurde, wurde das Signal des Zählers in der Regel vor dem Anschluss an den Divisor geteilt oder gedrückt. Der Grad dieser Trennung oder Drückung musste so gewählt werden, dass der Zählerwert stets unter dem Wert des Nenners lag (siehe Abbildung 6). Aber nach dem Erscheinen des Selektors kann der Selektor mit hohem Wert verhindern, dass die Ausgabe des Dividers außerhalb der zulässigen Grenzen liegt. Die Schaltungsstruktur ist in Abbildung 7 dargestellt. Im Vergleich zur ersten Methode kann die zweite Methode unter normalen Betriebsbedingungen die Empfindlichkeit des Dividierers beibehalten. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151252390357.png
http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151259260868.png
Abbildung 6: Verwendung eines Splitters, um zu verhindern, dass das Ausgangssignal des Dividiers außerhalb der zulässigen Grenzen liegt.
Abbildung 7: Verwendung eines Signalwählers, um zu verhindern, dass das Ausgangssignal des Dividiers außerhalb der zulässigen Grenzen liegt.
5. Auswahl des Mittelwerts mehrerer Eingangssignale
In einigen Produktionsprozessen ist es notwendig, aus mehreren Messsignalen mit gleichen Eigenschaften das mittlere Signal als Messsignal auszuwählen. Zum Beispiel sind in den drei Temperaturzonen eines Heizofens jeweils drei Temperatursender installiert, die hohe, mittlere und niedrige Messwerte liefern. Wenn die Steuerung nach dem höchsten Temperatursignal erfolgt, liegt die durchschnittliche Temperatur des gesamten Heizofens zu hoch. Im Gegensatz dazu wird die Durchschnittstemperatur niedriger sein, wenn sie nach der niedrigsten Temperatur eingestellt wird. Daher ist das Signal des mittleren Wertes die repräsentativste der drei Temperaturmesspunkte. Abbildung 7 zeigt die Netztopologie mit den Mittelwerten der drei Überwachungspunkte. Diese Schaltung besteht aus zwei Hochwert-Selektoren und zwei Niedrigwert-Selektoren. Im Folgenden werden drei Fälle erörtert. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151453348883.png Abbildung 8: Aufbau der Schaltungen zur Auswahl des Mittelwerts der drei Signale. ① I1 < I2 < I3 In diesem Fall sind die Ausgangssignale des Signalwählers I und des Signalwählers II jeweils I12 = I2 sowie I13 = I1. Die Ausgangssignale des Signalwählers III und des Signalwählers IV sind I14=I12=12, I0=I14=I2. Das Signal I2 mit dem mittleren Wert wird als Ausgangssignal gewählt. ②I2＜I1＜I3 In diesem Fall sind die Ausgangssignale des Signalwählers I und des Signalwählers II gleich I12=I1 sowie I13=I2. Die Ausgangssignale des Signalwählers III und des Signalwählers IV sind I14=I1, I0=I14=I1. Das Signal I1 mit dem mittleren Wert wird als Ausgangssignal gewählt. ③I1＜I3＜I2 In diesem Fall sind die Ausgangssignale des Signalwählers I und des Signalwählers II gleich I12=I2, I13=I2. Die Ausgangssignale des Signalwählers III und des Signalwählers IV sind I14=I3, I0=I14=I3. Das Signal I3 mit dem mittleren Wert wird als Ausgangssignal gewählt. Aus der Analyse der drei oben genannten Fälle geht hervor, dass in jedem Fall die Schaltung in Abbildung 8 den Mittelwert der drei Eingangssignale als ihr Ausgangssignal verwendet. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151510561025.png Abbildung 9: Schaltung zur Auswahl des Mittelwerts der fünf Ausgangssignale. Auf der Grundlage des oben beschriebenen Prinzips ist es nicht schwierig, eine Schaltung zur Auswahl des Mittelwerts der fünf Ausgangssignale zu konstruieren – wie in Abbildung 9 dargestellt. Diese Schaltung besteht aus in Reihe geschalteten Auswahlschaltungen für die Mittelwerte von zwei Dreipunkten-Signalen. Der erste Teil wählt eines der drei Messsignale aus und leitet es an den zweiten Teil weiter. Dort wird dieses Signal dann mit den anderen beiden Signalen verglichen, wobei erneut ein Signal ausgewählt wird, das in der Mitte liegt. Nach dem gleichen Prinzip können auch Wege zur Auswahl von Mittelwerten wie 7, 9 usw. erstellt werden. 6. Der Signalwähler dient als Schalter sowie als Sampler. Der Wähler für niedrige Werte und der Wähler für hohe Werte können ebenfalls als Schalter oder Sampler verwendet werden. Abbildung 10 zeigt, wie ein Low-Value-Selector als Schalter verwendet wird. Der Regler legt lediglich zwei Werte fest: 0 (der Nullwert des Messsignals) und 1 (der oberste Wert des Messsignals). Wenn IR 0 ist, wird das I1-Signal blockiert ； Wenn IR 1 ist, ist das I1-Signal aktiv. Abbildung 11 zeigt genau das Gegenteil: Wenn IR gleich 0 ist, dann ist das I1-Signal aktiv ； Wenn IR 1 beträgt, wird das I1-Signal blockiert. Abbildung 12 zeigt, wie anstelle des Drehreglers ein Pulsquellen verwendet wird. Das Ausgangssignal der Pulsquelle wechselt periodisch zwischen 0 und 1. Das Signal I1 ist mal aktiv und mal inaktiv – dadurch entsteht ein Signal mit derselben Periode wie die Pulssequenz. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151526471454.png Abbildung 10: Verwendung eines Signalwählers mit niedrigen Werten als Schalter.
http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151528224459.png Abbildung 11: Verwendung eines Signalwählers mit hohen Werten als Schalter.
Abbildung 12: Periodische Signalausgabe.
7. Der Signalwähler wird verwendet, um Signalreihenfolgen zu bestimmen. In einigen Produktionsprozessen ist es notwendig zu wissen, welches der gemessenen Signale am höchsten, welches am niedrigsten und welches einen mittleren Wert hat. Diese Anforderung kann durch die Warteschlangenverbindungen in Abbildung 12 erfüllt werden. Die gesamte Schaltung besteht aus sechs Signalwählern. Der Wähler III gibt das höchste Signal aus, der Wähler IV das niedrigste Signal. Die mittleren Signale werden vom Wähler VI ausgegeben. Die Schaltungen in Abbildung 13 können in drei Bestandteile unterteilt werden: I und III bilden eine Schaltung zur Auswahl des höchsten Wertes, II und IV bilden eine Schaltung zur Auswahl des niedrigsten Wertes. I, II, V und VI hingegen bilden eine Schaltung zur Auswahl eines mittleren Wertes. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151621548609.png Abbildung 13: Die Warteschlangen der drei Eingangssignale. 8. Der Signalwähler dient als schwebender Begrenzer. Aus Sicherheitsgründen erfordern viele Produktionsprozesse oft eine Begrenzung einer bestimmten zu steuernden Größe oder eines Betriebsparameters. Eine solche Begrenzung kann in der Regel durch einen Limiter erreicht werden. Wenn jedoch die Grenzwerte von einer anderen Variablen abhängig sein sollen, ist es notwendig, einen Signalwähler zu verwenden, um ein Begrenzungssystem zu erstellen. Abbildung 14 zeigt den Funktionsprinzip des Hochgrenzen-Fluktuationsschalters. Der maximale Wert des Betriebssignals liegt bei Ix. Wenn I1 < Ix ist, dann gilt I0 = I1. Doch wenn I1 > Ix ist, dann gilt I0 = Ix. Selbst wenn I1 weiter ansteigt, wird I0 nicht weiter ansteigen und bleibt weiterhin auf dem Wert von Ix. Da Ix variabel ist, wird die Schaltungsstruktur als hochschwankender Begrenzer bezeichnet. Abbildung 15 zeigt den Funktionsprinzip des unteren Schwellenwertbegrenzers, wenn I1 unter dem Wert von Ix liegt. Abbildung 16 zeigt den Aufbauprinzip des Hoch- und Tiefgrenzenbegrenzers. Diese Konstruktion besteht aus Elementen 14 und 15, die in Reihe miteinander verbunden sind. http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151350088030.png
http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151359438903.png
Abbildung 14: Obergrenzenregler mit variabler Einstellung
Abbildung 15: Untergrenzenregler mit variabler Einstellung
Die Ausgaben der Obergrenzen- und Untergrenzenregler können wie in http://yunrun.com.cn/upload/201805/15/201805151413246178.png dargestellt werden.
Abbildung 16: Obergrenzen- und Untergrenzenregler zusammen
Die Regler mit variabler Einstellung finden vielfältige Anwendungen, um die Produktivität der Geräte zu steigern und eine sichere Produktion zu gewährleisten. Ein wichtiger Bedingung für einen sicheren Betrieb des Kompressors ist beispielsweise die Gewährleistung, dass es zu keinem Turbulenzphänomen beim Kompressor kommt. Wenn der Einlassstrom des Kompressors auf einem bestimmten Wert gehalten wird, kann das Turbulieren vermieden werden. Allerdings ist ein fester Einlassstrom nicht vorteilhaft, um die Leistungsfähigkeit des Kompressors voll auszuschöpfen. Eine ziemlich wirksame Methode besteht darin, den minimalen Zulaufstrom anhand des Auslassdrucks zu regulieren. Die Zusammensetzung des Steuerungssystems ist in Abbildung 17 dargestellt. Der Bereich innerhalb des geschwungenen Rahmens in der Abbildung zeigt die einzelnen Komponenten der Funktion. Diese werden durch einen Addierer realisiert. Die Berechnungsbeziehung lautet IΣ = I0 + αIP. Dabei ist I0 die Anfangsspannung – sie gibt den minimalen Rückflussstrom an, der beim Wert P-0 vom Kompressor benötigt wird ； α ist der Proportionalitätsfaktor. IΣ ist das Signal zur Begrenzung des unteren Bereichs des Hochwert-Wählers. In der Regel hält das Durchflusssteuerungssystem die Regulierventile in den Rückflussschläuchen in einem geringen Öffnungsgrad – beispielsweise 90 %. Bei außergewöhnlichen Betriebsbedingungen reicht die Zufuhrmenge nicht aus, um die Stabilitätsanforderungen des Kompressors zu erfüllen. In diesem Fall ersetzt ein Signal zur Regulierung der Grenzwerte die Steuerung des Rückflussventils. Dadurch wird die Öffnungsweite des Regulierventils erhöht, wodurch die Menge des Rückflusses zunimmt und die Zufuhrmenge auf einen sichereren Betriebsbereich gebracht wird. Mit der Verbreitung von PLC- und DCS-Systemen ist es in Steuerungssystemen sehr praktisch, die Funktion eines Signalwählers programmgesteuert auszuführen. Das bedeutet jedoch nicht, dass der Signalwähler veraltet ist. Als Fachkraft im Bereich der Prozessautomatisierung muss man die Prinzipien sowie Anwendungsmöglichkeiten des Signalwählers gut beherrschen. Dadurch hat man einen Vorteil bei der Erstellung von Steuerungsplänen sowie bei der Konfiguration und Programmierung der DCS- oder PLC-Systeme zur Umsetzung dieser Pläne.