专利名称：用于提高位移/位置测量系统的可用性的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提高位移/位置测量系统的可用性的方法，所述位移/位置 测量系统基于滑动触头分压的电位器。
背景技术：
这类位置测量系统主要使用在电-气的位置调节器以及电的调整驱动装置中以 反馈实际值，并且因此是封闭的调节回路的一部分。因此位置测量系统的突然失灵导致设 备功能性的直接失灵。因此限制了可用性。封闭的调节回路的结构和工作方式是一般已知的，并目.例如在httD:// de. wikipedia. org/wiki/Regelkreis 下说明，并在图 1 中简要显示。^ZfeBFtiji1 BJ-zP"Der kompakte, intelligente Stellungsregler"(ABB Automation Products GmbH，印刷号:50/18_19 DE RevA ;2005年6月版)已知一种前述类型的用于气 动调节驱动装置的电子位置调节器。在这种位置调节器中参考图1，指令参量w经由额定值通道预定，它尤其是通过模 拟的4 20mA输入端或现场总线例如HART、Porfibus PA、FoundationFieldbus等构成。调节对象Fs在这种结构中构成要被定位的气动的调节驱动装置/调整驱动装置。 在已知的位置调节器中，调节环节Fk、调节环节Fst和测量环节Fm装在壳体中。调节环节Fk 在已知的调节驱动装置中构成为微控制器支持的系统。测量环节Fm在已知的调节驱动装置 中构成为滑动触头分压的电位器，它测量要被调节的驱动装置的调节位置X。调节环节Fst 在电-气的位置调节器中典型地构成为IP模块。在此，电位器被供给恒定的且已知的基准电压，于是位置在模数转换器上通过与 位移成比例的分接电压确定。在电路技术上，这种结构作为与位置相关地分接电压的分压 器实现。因此在模数转换器中反馈参量r以数字形式存在。电压分接以测量电路的尽可能 高的阻抗实现，以使得测量误差最小化。微控制器支持的系统由调节差e借助于在调节器Fk中的合适的调节算法构成调 节器输出参量yR，该调节器输出参量经由合适的电子电路用于控制所述的IP模块。在若干具体的应用中出现，属于位置测量系统的位置传感器或其它附属的组成部 分不设置在相同的壳体内。在这种情况下，位置测量系统作为脱离的位移传感器设置在定 位器之外。滑动触头分压的电位器具有如下特性，即它们仅有限地抵抗振动。另外，滑动触头 和电阻带(Widerstandsbahn)通过电腐蚀损耗，直至在最终数量的运动之后有故障。在经常出现的故障中，由于滑动触头周期地围绕总是反复的点往复振动，电阻带 通过磨蚀和/或电腐蚀而被损坏，因为位置调节器仅修正小的调节偏差。这主要在反馈系 统中发生，例如这些系统在电-气的位置调节器或电的调整驱动装置中找到，此时它们长 时间地以恒定的或基本上恒定的额定值工作。调节对象的不良的可调节性促进了故障，因 为它倾向于所述的往复振动，以恒定的或基本上恒定的额定值进行调节的持续时间(此时附属的传感器范围/电位器范围被长时间地加载)以及故障的出现随着频率的增加而上升。经常仅涉及若干角度度数的范围。滑动触头在此越来越深入到电阻带的材料中， 直到它最后不能再建立接触。电位器在该点磨损并且因此不能继续用于测量。在工作范围 内可能有传感器的多个点是有故障的。另外化学影响不利地影响到滑动触头式电位器的寿命。电位器的故障导致位移/ 位置测量的失灵。位移/位置测量系统的失灵不利地导致设备功能的失灵，结果位置调节器执行这 样一种为其预定的定位反应，它坚持该定位反应，直到排除失灵的原因。为此设定一些定位 反应，它们可以在没有位移/位置测量系统的情况下被执行。根据相应的应用可以设定，给 驱动装置加载或卸载即所谓的“故障安全(Fail Safe)”，或者在实时的位置上闭锁驱动装 置即所谓的“故障冻结(Fail Freeze)”。因为失灵不能典型地预测并且在有规律的服务间歇中也不被诊断，在这样的失灵 时发生过程的无计划的损失，它在使用者方面经常与高成本相关联。在力求提高传感器的可用性中已经尝试非接触式的测量方法，例如由DE 42 39 635 Al以及DE 10 2007 019 045 Al已知。但是已经证实，它们在相对于基于电位器的测 量的较高技术耗费的情况下还具有高的能耗，这使得它们对于在由有限功率的电流环供电 的装置中的应用变得不能实用。
发明内容
因此本发明的目的在于，在保持测量原理的情况下提高基于电位器的位移/位置 测量系统的可用性。按本发明，上述目的通过权利要求1的措施达到。本发明的有利的进一步方案在 从属权利要求中说明。本发明出发于一种在封闭调节回路中的基于滑动触头分压的电位器的位移/位 置测量系统，该调节回路的调节器通过微控制器构成，滑动触头的位置经由模数转换器输 送给微控制器。本发明另外出发于电位器的技术特性，“埋入的”滑动触头不中断电阻带，而是仅 在个别的被腐蚀的位置上的分压不再是可能的。按本发明在活动的过程任务内通过评价可用的调节回路参量求得电位器的有故 障的滑动触头位置的准确位置，并且调节回路的指令参量在有故障的位置的范围内确定地 加重(Uberladen)，使在位移/位置测量中避免有故障的滑动触头位置并到达功能正常的 滑动触头位置。调节环节在此相对于规定额定值被确定地失去定位(depositionieren)。在定位 时，有故障的滑动触头位置仅还在定位过程期间被动态地越过，但是不再被静态地到达。另外，有故障的滑动触头位置的识别被向上级装置报警。为了有利于较高的可用性，忍受定位精度的临时降低。但是此时避免设备功能的 完全失灵。在具有模数转换器的位移/位置测量系统中，有故障的滑动触头位置识别为在电位器工作范围中的数字输出端的无效数值。在设备工作时，至少一次扫过电位器的测量范 围内的整个工作范围。因此工作范围的界限在相应的应用中是已知的。在有故障的滑动触 头位置上，在滑动触头上的分接的分电压处于在工作时求得的工作范围的界限之外。按本发明的另一特征，通过在多个测量值之间与电位器的滑动触头上的分电压的 期望的特性曲线相比的不期望的偏差例如强烈的不连续性、突变或强烈的改变，识别有故 障的滑动触头位置。电位器的特性曲线典型地是线性的。与期望的线性的偏差可以简单地 识别。按本发明的另一特征，与期望曲线的偏差具体地通过实际曲线与非易失地存储的 基准的比较而被识别。按本发明的另一特征，当来自最小数量的接连的测量中的、至少可预定的有效的 数量提供指标，传感器的有故障的滑动触头位置才认为被识别的。识别为错误的测量值通 过有效的替代值取代。有效的替代值可以由保留的测量值的平均值构成，或者由最后可用 的测量值构成。但是也可以考虑由智能的观测器使用的其它方法。在本发明的另一实施形式中设定，有故障的滑动触头位置的足够准确的地点的确 定和识别如下得以实现或至少得以支持，即在运行时间中在最小数量的接连的测量内的、 无关紧要的个别数量的错误测量(它们不单独地导致故障的解释)在以下形式中分析，即 在最小数量的接连的测量内的环绕错误测量值的有效测量值被存储，并且由此逐步地和/ 或在较晚的判定步骤中获得有故障的传感器位置的信息。在此有故障的滑动触头位置的地点以如下方式被足够准确地求得，即在确定数量 的不一定接连的错误测量(但是它们总是围绕同一个点出现)之后，该点的地点作为有故 障的传感器位置。按本发明的有选择的特征，有故障的传感器位置的地点作为与反馈参量的相配而 求得，反馈参量的最后有效的数值对于系统是已知的，并且为了确定所述地点而直接或间 接作为估计值与其它状态因数和/或过去因数的识别一起利用。在此可以具体地设定，在 环形磁心存储器中收集n+m个数值。如果η个数值是有效的，那么保留的m个数值展示在 传感器范围中的足够准确的地点。地点的这种假设另外可以通过状态观测器机构改进。按本发明的有选择的特征，有故障的滑动触头位置的地点通过实时的指令参量与 反馈参量的相配来求得。在此有利的是，系统处于调节状态中，并且没有通过改变的指令参 量引起的新的规定额定值。在调节状态中不离开对于系统已知的区。按本发明的另一特征，传感器范围至少部分地划分成已知大小的分段，并且在确 定有故障的传感器位置时至少将存在故障的那个分段从调节之中排除，使得任意的规定额 定值不引起使系统持续地在传感器的识别为有故障的那个分段中工作的指令参量。在此具 体地，有关的分段以所述的形式排除，其中在故障范围中的偶然的工作不导致系统的失灵。在本发明的另一实施形式中，指令参量作为一个引起在作为故障被排除的范围中 工作的规定额定值的结果往上或往下圆整，使得调节器以尽可能小的调节偏差在与被排除 的范围具有足够间距的上限值或下限值上工作。按本发明的另一特征，诊断报告产生于识别到一个遭受至少一个故障的范围，并 且被发送给上级装置，包括故障范围的地点、故障位置的大小和数量的信息。按本发明的另一特征，至少一个接连地被排除的范围的大小用作为整个测量系统失灵的准则。按本发明的有选择的特征，在使用的测量范围中被排除的范围的数量用作为整个 测量系统失灵的准则。按本发明的有选择的特征，所有被排除的范围的绝对大小用作为整个测量系统失 灵的准则。按本发明的有选择的特征，在一个额定值突变上出现多个接连的有故障的位置测 量用作为整个系统失灵的准则。取代探测额定值突变，也可以使用用于探测运动的速度信 息。在衰减的规定额定值的情况下，例如这在典型的斜坡函数时出现，应当执行排除。
下面借助于实施例详细解释本发明。为此必要的附图如下图1显示现有技术的调节回路的原理图；图2显示包括基于电位器的位置确定装置的调节驱动装置的原理图；图3显示按本发明扩展的调节回路的原理图；图4显示特性曲线图。
具体实施例方式在图1中显示已经在说明书背景技术部分中解释的调节回路的原理结构，如它由 现有技术已知。在图2中，在一个未另外描述的工艺装置的局部表示的管道1中安装一个作为调 节机构的过程阀2。过程阀2在其内部具有与阀座3共同作用的关闭体4，用于控制通过的 过程介质5的量。关闭体4由气动的调节驱动装置6经由升降杆7直线操纵。调节驱动装 置6经由一个轭部8与过程阀2连接。在轭部8上安装数字的位置调节器9。通过位置记 录器10将升降杆7的行程报告给位置调节器9。探测的行程与经由通信接口 11输入的额 定值在控制电子装置18中比较并且根据求得的调节偏差控制调节驱动装置6。位置调节器 9的控制电子装置18操纵I/P转换器，用于将电的调节偏差转换成相当的控制压力。位置 调节器9的I/P转换器经由压力介质输送装置19与调节驱动装置6连接。位置记录器10在位置调节器9中与电位器的转轴连接并且具有一个孔眼，在升降 杆7上的随动件嵌入到该孔眼内。该电位器是在图1的调节回路和同样在按后面解释的图 3的扩展的调节回路中的测量环节Fm的组成部分。在图3中原理性地描述按本发明扩展的调节回路。在此，作用链从调节偏差e开 始经过调节器Fk、调节环节Fst、调节对象Fs和测量环节Fm直至反馈参量r与按图1的已 知的调节回路一致。与已知的调节回路不同，指令参量w通过修改的指令参量W’加重，后者按本身已 知的方式与反馈参量r结合成调节偏差e。在此，修改的指令参量w’通过指令参量w的有 目的的向上或向下圆整而构成，使得系统越过识别为有故障的并且宣布为有故障的传感器 范围或者保持在该传感器范围之前，如果没有所述加重则指令参量w将会到达该传感器范 围。指令参量w到修改的指令参量W’的传递特性曲线在图4中描述。对于指令参量W在围绕坐标原点对称地伸展的范围I0至W0之外的所有值，修改的指令参量W’等于指令 参量W。在范围-Wtl至Wtl之内，修改的指令参量W’对于指令参量W的正值通过正的预定值 w’构成，而对于指令参量W的负值通过负的预定值-w’v构成。因此指令参量W的范围I0 至Wtl从修改的指令参量W’的数值范围中隐没。 关于按图4的传递特性曲线，来自反馈参量r的每个有故障的滑动触头位置分别 本身投射到指令参量W到W’的传递函数的坐标原点上。一旦调节驱动装置6由于其指令 参量w而会到达有故障的滑动触头位置并且因此会接近宣布为有故障的反馈参量r，那么 在进入范围I0至W0时对于指令参量w的正值输出预定值w’ v作为修改的指令参量W’而 对于指令参量w的负值输出预定值-w’ v作为修改的指令参量W’。通过修改的指令参量W’ 与反馈参量r的结合提供对于继续调节重要的调节差e，该调节差避开作为力求的实际值 的有故障的滑动触头位置，并且取代该实际值，过程阀2的确定的偏离位置力求在电位器 的功能正常的滑动触头位置上、在识别为有故障的滑动触头位置旁边。因此调节驱动装置 6直至电位器的要求的更换保持能使用性。附图标记列表
1管道
2过程阀
3阀座
4关闭体
5过程介质
6调节驱动装置
7阀杆
8轭部
9位置调节器
10位置记录器
11通信接口
18控制电子装置
19压力介质输送
权利要求
用于提高位移/位置测量系统的可用性的方法，所述位移/位置测量系统基于在封闭的调节回路中的滑动触头分压的电位器，该调节回路的调节器通过微控制器构成，滑动触头的位置经由模数转换器输送给该微控制器，其特征在于在活动的过程任务内通过评价可用的调节回路参数求得电位器的有故障的滑动触头位置的准确位置，并且使调节回路的指令参量确定地加重，使得在位移/位置测量中避免有故障的滑动触头位置并且到达功能正常的滑动触头位置。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于有故障的滑动触头位置识别为在电位器工 作范围中的数字输出端的无效数值。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于通过在多个测量值之间与电位器的滑动触 头上的分电压的期望的特性曲线相比的不期望的偏差例如强烈的不连续性、突变或强烈的 改变，识别有故障的滑动触头位置。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于通过实际曲线与非易失地存储的基准的比 较，识别与期望曲线的偏差。
5.按权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于电位器受到预报性的诊断以识 别有故障的滑动触头位置。
6.按权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于当来自最小数量的接连的测量 中的、至少可预定的有效的数量提供指标时，传感器的有故障的滑动触头位置才认为是被 识别的。
7.按权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于有故障的滑动触头位置的足够 准确的地点的求得和识别如下得以实现或至少得以支持，即在运行时间中在最小数量的接 连的测量内的、不单独导致故障的解释的、无关紧要的个别数量的错误测量在以下形式中 分析，即在最小数量的接连的测量内的环绕错误测量值的有效测量值被存储，并且由此逐 步地和/或在较晚的判定步骤中获得有故障的传感器位置的信息。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于有故障的滑动触头位置的地点以如下方式 被足够准确地求得，即在确定数量的不一定接连的、但总是围绕同一个点出现的错误测量 之后，该点的位置作为有故障的传感器位置。
9.按权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于有故障的传感器位置的地点作 为与反馈参量的相配而求得，反馈参量的最后有效的数值对于系统是已知的，并且为了确 定所述地点而作为估计值与其它状态因数和/或过去因数的识别一起利用。
10.按权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于有故障的滑动触头位置的地点 通过实时的指令参量与反馈参量的相配来求得。
11.按上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于传感器范围至少部分地划分成 已知大小的分段，并且在确定有故障的传感器位置时至少将存在故障的那个分段从调节之 中排除。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于指令参量作为一个引起在作为故障被排 除的范围中工作的规定额定值的结果往上或往下圆整，使得调节器以尽可能小的调节偏差 在与排除的范围具有足够间距的上限值或下限值上工作。
13.按上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于在识别到一个遭受至少一个故 障的范围时产生诊断报告，并且发送给上级装置。
14.按上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于至少一个接连地被排除的范围 的大小用作为整个测量系统失灵的准则。
15.按权利要求1至13任一项所述的方法，其特征在于在使用的测量范围中被排除 的范围的数量用作为整个测量系统失灵的准则。
16.按权利要求1至13任一项所述的方法，其特征在于所有被排除的范围的绝对大 小用作为整个测量系统失灵的准则。
17.按权利要求1至13任一项所述的方法，其特征在于多个接连的有故障的位置测 量出现在额定值突变上用作为整个系统失灵的准则。
全文摘要
本发明涉及一种用于提高位移/位置测量系统的可用性的方法，所述位移/位置测量系统基于在封闭的调节回路中的滑动触头分压的电位器，该调节回路的调节器通过微控制器构成，滑动触头的位置经由模数转换器输送给该微控制器，在活动的过程任务内通过评价可用的调节回路参数求得电位器的有故障的滑动触头位置的准确位置，并且使调节回路的指令参量确定地加重，使得在位移/位置测量中避免有故障的滑动触头位置并且到达功能正常的滑动触头位置。
文档编号F16K31/00GK101989090SQ201010243680
公开日2011年3月23日 申请日期2010年7月28日 优先权日2009年7月29日
发明者A·瓦尔曼, S·泰布兰德尔, T·克里格列维 申请人:Abb技术股份公司