專利名稱：用于提高位移/位置測量系統的可用性的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于提高位移/位置測量系統的可用性的方法，所述位移/位置 測量系統基于滑動觸頭分壓的電位器。
背景技術：
這類位置測量系統主要使用在電-氣的位置調節器以及電的調整驅動裝置中以 反饋實際值，并且因此是封閉的調節回路的一部分。因此位置測量系統的突然失靈導致設 備功能性的直接失靈。因此限制了可用性。封閉的調節回路的結構和工作方式是一般已知的，并目.例如在httD:// de. wikipedia. org/wiki/Regelkreis 下說明，并在圖 1 中簡要顯示。kompakte, intelligente Stellungsregler" (ABBAutomation Products GmbH，印刷號50/18-19DE RevA ;2005年6月版)已知一種前述類型的用于氣動
調節驅動裝置的電子位置調節器。在這種位置調節器中參考圖1，指令參量w經由額定值通道預定，它尤其是通過模 擬的4 20mA輸入端或現場總線例如HART、Porfibus PA、FoundationFieldbus等構成。調節對象Fs在這種結構中構成要被定位的氣動的調節驅動裝置/調整驅動裝置。 在已知的位置調節器中，調節環節FK、調節環節Fst和測量環節Fm裝在殼體中。調節環節Fk 在已知的調節驅動裝置中構成為微控制器支持的系統。測量環節Fm在已知的調節驅動裝置 中構成為滑動觸頭分壓的電位器，它測量要被調節的驅動裝置的調節位置x。調節環節Fst 在電-氣的位置調節器中典型地構成為IP模塊。在此，電位器被供給恒定的且已知的基準電壓，于是位置在模數轉換器上通過與 位移成比例的分接電壓確定。在電路技術上，這種結構作為與位置相關地分接電壓的分壓 器實現。因此在模數轉換器中反饋參量r以數字形式存在。電壓分接以測量電路的盡可能 高的阻抗實現，以使得測量誤差最小化。微控制器支持的系統由調節差e借助于在調節器FK中的合適的調節算法構成調 節器輸出參量^，該調節器輸出參量經由合適的電子電路用于控制所述的IP模塊。在若干具體的應用中出現，屬于位置測量系統的位置傳感器或其它附屬的組成部 分不設置在相同的殼體內。在這種情況下，位置測量系統作為脫離的位移傳感器設置在定 位器之外。滑動觸頭分壓的電位器具有如下特性，即它們僅有限地抵抗振動。另外，滑動觸頭 和電阻帶(Widerstandsbahn)通過電腐蝕損耗，直至在最終數量的運動之后有故障。在經常出現的故障中，由于滑動觸頭周期地圍繞總是反復的點往復振動，電阻帶 通過磨蝕和/或電腐蝕而被損壞，因為位置調節器僅修正小的調節偏差。這主要在反饋系 統中發生，例如這些系統在電-氣的位置調節器或電的調整驅動裝置中找到，此時它們長 時間地以恒定的或基本上恒定的額定值工作。調節對象的不良的可調節性促進了故障，因 為它傾向于所述的往復振動，以恒定的或基本上恒定的額定值進行調節的持續時間(此時附屬的傳感器范圍/電位器范圍被長時間地加載)以及故障的出現隨著頻率的增加而上升。經常僅涉及若干角度度數的范圍。滑動觸頭在此越來越深入到電阻帶的材料中， 直到它最后不能再建立接觸。電位器在該點磨損并且因此不能繼續用于測量。在工作范圍 內可能有傳感器的多個點是有故障的。另外化學影響不利地影響到滑動觸頭式電位器的壽命。電位器的故障導致位移/ 位置測量的失靈。位移/位置測量系統的失靈不利地導致設備功能的失靈，結果位置調節器執行這 樣一種為其預定的定位反應，它堅持該定位反應，直到排除失靈的原因。為此設定一些定位 反應，它們可以在沒有位移/位置測量系統的情況下被執行。根據相應的應用可以設定，給 驅動裝置加載或卸載即所謂的“故障安全(Fail Safe)”，或者在實時的位置上閉鎖驅動裝 置即所謂的“故障凍結(Fail Freeze)”。因為失靈不能典型地預測并且在有規律的服務間歇中也不被診斷，在這樣的失靈 時發生過程的無計劃的損失，它在使用者方面經常與高成本相關聯。在力求提高傳感器的可用性中已經嘗試非接觸式的測量方法，例如由DE 4239635A1以及DE 102007019045A1已知。但是已經證實，它們在相對于基于電位器的測量 的較高技術耗費的情況下還具有高的能耗，這使得它們對于在由有限功率的電流環供電的 裝置中的應用變得不能實用。
發明內容
因此本發明的目的在于，在保持測量原理的情況下提高基于電位器的位移/位置 測量系統的可用性。按本發明，上述目的通過權利要求1的措施達到。本發明的有利的進一步方案在 從屬權利要求中說明。本發明出發于一種在封閉調節回路中的基于滑動觸頭分壓的電位器的位移/位 置測量系統，該調節回路的調節器通過微控制器構成，滑動觸頭的位置經由模數轉換器輸 送給微控制器。本發明另外出發于電位器的技術特性，“埋入的”滑動觸頭不中斷電阻帶，而是僅 在個別的被腐蝕的位置上的分壓不再是可能的。按本發明在過程任務之外根據要求通過一系列調節參量的規定掃過電位器的傳 感器范圍的至少一部分，并且以高的掃描率記錄可用的表示位置數值的調節回路參量。通 過調節回路參量關于配屬的調節參量的評價，求得電位器的有故障的滑動觸頭位置的準 確位置，并且在過程任務內使調節回路的指令參量在有故障的位置的范圍內確定地加重 (iiberladen)，使在位移/位置測量中避免有故障的滑動觸頭位置并到達功能正常的滑動 觸頭位置。調節環節在此在按規定的使用期間相對于規定額定值被確定地失去定位 (depositionieren)。在定位時，有故障的滑動觸頭位置僅還在定位過程期間被動態地越 過，但是不再被靜態地到達。另外，有故障的滑動觸頭位置的識別被向上級裝置報警。為了有利于較高的可用性，忍受在進行中的調節運行期間定位精度的臨時降低。但是此時避免設備功能的完全失靈。在具有模數轉換器的位移/位置測量系統中，有故障的滑動觸頭位置識別為在電 位器工作范圍中的數字輸出端的無效數值。在設備工作時，至少一次掃過電位器的測量范 圍內的整個工作范圍。因此工作范圍的界限在相應的應用中是已知的。在有故障的滑動觸 頭位置上，在滑動觸頭上的分接的分電壓處于在工作時求得的工作范圍的界限之外。按本發明的另一特征，為了確定有故障的滑動觸頭位置的地點，連續地以盡可能 恒定的、緩慢的、相同的速度經過傳感器范圍的至少一個部分范圍，并且在識別每個有故障 的傳感器位置時存儲在該有故障的位置之前和之后分別與之最近的有效數值。按本發明的另一特征，有目的地到達已經求得的有故障的滑動觸頭位置，并且用 小步距掃描其周圍。因此精確地求得有故障的滑動觸頭位置的地點和尺寸，并且使得位移 /位置測量系統的要被避免的范圍保持得盡可能小。按本發明的另一特征，通過在多個測量值之間與電位器的滑動觸頭上的分電壓的 期望的特性曲線相比的不期望的偏差例如強烈的不連續性、突變或強烈的改變，識別有故 障的滑動觸頭位置。電位器的特性曲線典型地是線性的。與期望的線性的偏差可以簡單地 識別。按本發明的另一特征，與期望曲線的偏差具體地通過實際曲線與非易失地存儲的 基準的比較而被識別。按本發明的有選擇的特征，有故障的滑動觸頭位置的地點通過實時的指令參量與 反饋參量的相配來求得。按本發明的另一特征，傳感器范圍至少部分地劃分成已知大小的分段，并且在確 定有故障的傳感器位置時至少將存在故障的那個分段從調節之中排除，使得任意的規定額 定值不引起使系統持續地在傳感器的識別為有故障的那個分段中工作的指令參量。在此具 體地，有關的分段以所述的形式排除，其中在故障范圍中的偶然的工作不導致系統的失靈。在本發明的另一實施形式中，指令參量作為一個引起在作為故障被排除的范圍中 工作的規定額定值的結果往上或往下圓整，使得調節器以盡可能小的調節偏差在與被排除 的范圍具有足夠間距的上限值或下限值上工作。按本發明的另一特征，診斷報告產生于識別到一個遭受至少一個故障的范圍，并 且被發送給上級裝置，包括故障范圍的地點、故障位置的大小和數量的信息。按本發明的另一特征，至少一個接連地被排除的范圍的大小用作為整個測量系統 失靈的準則。按本發明的有選擇的特征，在使用的測量范圍中被排除的范圍的數量用作為整個 測量系統失靈的準則。按本發明的有選擇的特征，所有被排除的范圍的絕對大小用作為整個測量系統失 靈的準則。
下面借助于實施例詳細解釋本發明。為此必要的附圖如下圖1顯示現有技術的調節回路的原理圖；圖2顯示包括基于電位器的位置確定裝置的調節驅動裝置的原理圖3顯示按本發明擴展的調節回路的原理圖；圖4顯示特性曲線圖。
具體實施例方式在圖1中顯示已經在說明書背景技術部分中解釋的調節回路的原理結構，如它由 現有技術已知。在圖2中，在一個未另外描述的工藝裝置的局部表示的管道1中安裝一個作為調 節機構的過程閥2。過程閥2在其內部具有與閥座3共同作用的關閉體4，用于控制通過的 過程介質5的量。關閉體4由氣動的調節驅動裝置6經由升降桿7直線操縱。調節驅動裝 置6經由一個軛部8與過程閥2連接。在軛部8上安裝數字的位置調節器9。通過位置記 錄器10將升降桿7的行程報告給位置調節器9。探測的行程與經由通信接口 11輸入的額 定值在控制電子裝置18中比較并且根據求得的調節偏差控制調節驅動裝置6。位置調節器 9的控制電子裝置18操縱I/P轉換器，用于將電的調節偏差轉換成相當的控制壓力。位置 調節器9的I/P轉換器經由壓力介質輸送裝置19與調節驅動裝置6連接。位置記錄器10在位置調節器9中與電位器的轉軸連接并且具有一個孔眼，在升降 桿7上的隨動件嵌入到該孔眼內。該電位器是在圖1的調節回路和同樣在按后面解釋的圖 3的擴展的調節回路中的測量環節Fm的組成部分。首先在過程任務之外根據要求通過一系列調節參量的規定掃過電位器的傳感器 范圍的至少一部分，并且以高的掃描率記錄可用的表示位置數值的反饋參量r。通過反饋參 量r關于配屬的調節參量y的評價，求得電位器的有故障的滑動觸頭位置的準確位置。由電位器的有故障的滑動觸頭位置的充分已知的位置出發，在過程任務內使調節 回路的指令參量w在有故障的位置的范圍內確定地加重(iiberladen)，使在位移/位置測 量中避免有故障的滑動觸頭位置并到達功能正常的滑動觸頭位置。在圖3中原理性地描述按本發明擴展的調節回路。在此，作用鏈從調節偏差e開 始經過調節器Fk、調節環節Fst、調節對象Fs和測量環節Fm直至反饋參量r與按圖1的已 知的調節回路一致。與已知的調節回路不同，指令參量w通過修改的指令參量W’加重，后者按本身已 知的方式與反饋參量r結合成調節偏差e。在此，修改的指令參量w’通過指令參量w的有 目的的向上或向下圓整而構成，使得系統越過識別為有故障的并且宣布為有故障的傳感器 范圍或者保持在該傳感器范圍之前，如果沒有所述加重則指令參量w將會到達該傳感器范 圍。指令參量w到修改的指令參量W’的傳遞特性曲線在圖4中描述。對于指令參量 W在圍繞坐標原點對稱地伸展的范圍I0至W0之外的所有值，修改的指令參量W’等于指令 參量W。在范圍-Wtl至Wtl之內，修改的指令參量W’對于指令參量W的正值通過正的預定值 \構成，而對于指令參量W的負值通過負的預定值-w’v構成。因此指令參量W的范圍I0 至Wtl從修改的指令參量W’的數值范圍中隱沒。關于按圖4的傳遞特性曲線，來自反饋參量r的每個有故障的滑動觸頭位置分別 本身投射到指令參量W到W’的傳遞函數的坐標原點上。一旦調節驅動裝置6由于其指令 參量w而會到達有故障的滑動觸頭位置并且因此會接近宣布為有故障的反饋參量r，那么在進入范圍I0至W0時對于指令參量W的正值輸出預定值W’ v作為修改的指令參量W’而 對于指令參量W的負值輸出預定值-W’ v作為修改的指令參量W’。通過修改的指令參量W’ 與反饋參量r的結合提供對于繼續調節重要的調節差e，該調節差避開作為力求的實際值 的有故障的滑動觸頭位置，并且取代該實際值，過程閥2的確定的偏離位置力求在電位器 的功能正常的滑動觸頭位置上、在識別為有故障的滑動觸頭位置旁邊。因此調節驅動裝置 6直至電位器的要求的更換保持能使用性。附圖標記列表
1管道
2過程閥
3閥座
4關閉體
5過程介質
6調節驅動裝置
7閥桿
8軛部
9位置調節器
10位置記錄器
11通信接口
18控制電子裝置
19壓力介質輸送
權利要求
1.用于提高位移/位置測量系統的可用性的方法，所述位移/位置測量系統基于在封 閉的調節回路中的滑動觸頭分壓的電位器，該調節回路的調節器通過微控制器構成，滑動 觸頭的位置經由模數轉換器輸送給該微控制器，其特征在于在過程任務之外根據要求通 過一系列調節參量的規定掃過電位器的傳感器范圍的至少一部分，并且以高的掃描率記錄 可用的表示位置數值的調節回路參量，通過調節回路參量關于配屬的調節參量的評價，求 得電位器的有故障的滑動觸頭位置的準確位置，并且在過程任務內調節回路的指令參量確 定地加重，使在位移/位置測量中避免有故障的滑動觸頭位置并到達功能正常的滑動觸頭 位置。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于為了確定有故障的滑動觸頭位置的地點，連 續地以盡可能恒定的、緩慢的、相同的速度經過傳感器范圍的至少一個部分區域，并且在識 別每個有故障的傳感器位置時存儲在該有故障的位置之前和之后分別與之最近的有效數值。
3.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于有目的地到達已經求得的有故障的滑 動觸頭位置，并且用小步距掃描該有故障的滑動觸頭位置的周圍。
4.按上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于有故障的滑動觸頭位置識別為在 電位器工作范圍中的數字輸出端的無效數值。
5.按上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于通過在多個測量值之間與電位器 的滑動觸頭上的分電壓的期望的特性曲線相比的不期望的偏差例如強烈的不連續性、突變 或強烈的改變，識別有故障的滑動觸頭位置。
6.按上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于通過實際曲線與非易失地存儲的 基準的比較，識別與期望曲線的偏差。
7.按上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于有故障的滑動觸頭位置的地點通 過實時的指令參量與反饋參量的相配來求得。
8.按上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于傳感器范圍至少部分地劃分成已 知大小的分段，并且在確定有故障的傳感器位置時在過程任務內至少將存在故障的那個分 段從調節之中排除。
9.按上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于指令參量作為一個引起在作為故 障被排除的范圍中工作的規定額定值的結果往上或往下圓整，使得調節器以盡可能小的調 節偏差在與排除的范圍具有足夠間距的上限值或下限值上工作。
10.按上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于在識別到一個遭受至少一個故 障的范圍時產生診斷報告，并且發送給上級裝置。
11.按上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于至少一個接連地被排除的范圍 的大小用作為整個測量系統失靈的準則。
12.按權利要求1至11任一項所述的方法，其特征在于在使用的測量范圍中被排除 的范圍的數量用作為整個測量系統失靈的準則。
13.按權利要求1至11任一項所述的方法，其特征在于所有被排除的范圍的絕對大 小用作為整個測量系統失靈的準則。
14.按權利要求1至11任一項所述的方法，其特征在于多個接連的有故障的位置測 量出現在額定值突變上用作為整個系統失靈的準則。
全文摘要
本發明涉及一種用于提高位移/位置測量系統的可用性的方法，所述位移/位置測量系統基于在封閉的調節回路中的滑動觸頭分壓的電位器，該調節回路的調節器通過微控制器構成，滑動觸頭的位置經由模數轉換器輸送給該微控制器。在過程任務之外根據要求通過一系列調節參量的規定掃過電位器的傳感器范圍的至少一部分，并且以高的掃描率記錄可用的表示位置數值的調節回路參量，通過調節回路參量關于配屬的調節參量的評價，求得電位器的有故障的滑動觸頭位置的準確位置，并且在過程任務內調節回路的指令參量在有故障的位置的范圍內確定地加重，使在位移/位置測量中避免有故障的滑動觸頭位置并到達功能正常的滑動觸頭位置。
文檔編號G05D3/12GK101995886SQ20101025102
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月9日 優先權日2009年8月10日
發明者A·瓦爾曼, S·泰布蘭德爾, T·克里格列維 申請人:Abb技術股份公司