Alle FAQs zu den Grundlagen zur Regelungstechnik, Startup und den Produkten Kompaktregler JUMO dTRON 16.1, Kompaktregler JUMO cTRON, Mehrkanal-Prozess- und Programmregler JUMO IMAGO 500, Prozessregler JUMO DICON 400, 401, 500, 501 und Kompaktregler JUMO dTRON 304/308/316
Regler wie der JUMO IMAGO 500, der JUMO DICON touch und auch die JUMO-dTRON-Serie verfügen im Setup-Programm über ein komfortables Softwaretool, welches die Inbetriebnahme kontrolliert, dokumentiert und damit wesentlich erleichtert.
Diese Start-up-Software ermöglicht die Visualisierung und Speicherung von Analog- und Binärsignalen, während die Anlage optimiert wird.
Gerade bei schwierigen Prozessen ist eine visuelle Darstellung der wichtigen Prozessdaten in Echtzeit für den Regelungstechniker fast unentbehrlich.
Für die Anlagenoptimierung werden lediglich einer der o.g. Regler, ein PC oder Laptop mit Setup-Programm und eine Schnittstellenverbindung – über ein Setup-Kabel mit RS232- oder USB-Schnittstelle – benötigt.
Diese Verbindung ist bei Setup-Programmierung sowieso erforderlich und dadurch in der Regel auch verfügbar.
Wichtige Einstellungen wie freie Signalauswahl zur Anzeige der einzelnen Analog- und Binärwerte im Gerät, Zoomen, verschiedene Druckoptionen, Ein- oder Ausblenden einzelner
Kurven, freie Skalierung und Farbauswahl sind in diesem Softwaretool standardmäßig enthalten.
Die wesentlichen Aufgaben des Programms umfassen:
Das Programm bietet nicht nur einen praktischen Nutzen, sondern birgt auch viele weitere Vorteile – vor allem auch Kostenvorteile – gegenüber konventioneller Prozessüberwachung, z. B.:
Regleroptimierung ist die Anpassung des Reglers an den gegebenen Prozess, bzw. die Regelstrecke. Die Regelparameter müssen so gewählt werden, dass bei den gegebenen Betriebsverhältnissen ein möglichst günstiges Verhalten des Regelkreises erzielt wird. Dieses günstigste Verhalten kann jedoch unterschiedlich definiert sein, z. B. als ein schnelles Erreichen der Führungsgröße bei kleinem Überschwingen, oder ein überschwingungsfreies Anfahren bei etwas längerer Ausregelzeit. Wenn vom Regler nur ein Verhalten entsprechend einem Grenzkontakt (ohne Taktverhalten) erwartet wird, erübrigt sich die Suche nach der optimalen Einstellung für Proportionalbereich, Vorhaltezeit und Nachstellzeit. Stattdessen ist nur die Schaltdifferenz vorzugeben.
Die Regelparameter können durch eine vorhandene Selbstoptimierung meist vom Regler selbst ermittelt werden, wenn der Prozess eine Selbstoptimierung zulässt. Alternativ dazu kann die günstigste Parametereinstellung von "Hand" durch Versuche und Faustformeln (siehe Formeln im Anhang) ermittelt werden.
Beim Austausch von Reglern, oder bei regelungstechnisch identischen Anlagen, können auch Reglerparameter direkt übernommen und eingegeben werden.
Nach der Parametereinstellung von "Hand" darf die Selbstoptimierung nicht mehr gestartet werden, da sonst die Einstellungen durch die Selbstoptimierung überschrieben werden.
Formeln zur Einstellung nach der Schwingungsmethode:
| Reglerstruktur | |
| P | XP = XPk / 0,5 |
| PI | XP = XPk / 0,45 TP = 0,85 ·TK |
| PID | XP = XPk / 0,6 Tn = 0,5 · TK Tv = 0,12 · TK |
Formeln zur Einstellung nach der Sprungantwort:
| Reglerstruktur |
|
Störung | ||
| P | XP = 3,3 · KS · (Tu/Tg) · 100 % | XP = 3,3 · KS · (Tu/Tg) · 100 % | ||
| PI | XP = 2,86 · KS · (Tu/Tg) · 100 % Tn = 1,2 · Tg |
XP = 1,66 · KS · (Tu/Tg) · 100 % Tn = 4 · Tu |
||
| PID | XP = 1,66 · KS · (Tu/Tg) · 100 % Tn = 1 · Tg Tv = 0,5 · Tu |
XP = 1,05 · KS · (Tu/Tg) · 100 % Tn = 2,4 · Tu Tv = 0,42 · Tu |
invers: Der Stellgrad Y des Reglers ist dann größer Null, bzw. das Relais hat angezogen, wenn der Istwert kleiner als der Sollwert ist (z. B. beim Heizen).
direkt: Der Stellgrad Y des Reglers ist dann größer Null, bzw. das Relais hat angezogen, wenn der Istwert größer als der Sollwert ist (z. B. beim Kühlen).
Der Dreipunktschrittregler hat genau wie der Dreipunktregler zwei schaltende Regelausgänge, die jedoch speziell für motorgetriebene Stellantriebe konzipiert sind, z. B. zum Auf- und Zu-Fahren. Wird bei dem Dreipunktregler ein ständiges Ausgangssignal benötigt, um einen bestimmten Stellgrad halten zu können, so ist bei dem Dreipunktschrittregler zu erkennen, dass der elektrische Stellantrieb in der erreichten Stellung verbleibt, wenn der Regler kein Signal mehr ausgibt.
Der Stellantrieb kann also beispielsweise zu 60 % geöffnet bleiben, obwohl er zu diesem Zeitpunkt nicht von dem Regler angesteuert wird.
Das digitale Eingangsfilter (dF) dient zur Dämpfung der Eingangssignale und wirkt auf Anzeige und Regler. Je größer der Wert für "dF", desto größer ist die Bedämpfung des Eingangssignales. Ein extrem hoher oder niedriger Wert kann sich negativ auf die Regelgüte auswirken. In den meisten Fällen kann mit der Standardeinstellung für "dF" gearbeitet werden.
Dreipunktregler haben zwei Ausgänge, die schaltend oder stetig sein können (Relaiskontakt oder z. B. 4...20 mA). Dreipunktregler kommen zum Einsatz, wenn die Regelgröße über zwei Stellglieder mit entgegengesetzter Wirkung beeinflußt werden soll bzw. kann.
Dies kann z. B. ein Klimaschrank mit Thyristorleistungssteller für die Elektroheizung und einem Magnetventil für die Kühlung sein. In diesem Beispiel müßte ein Dreipunktregler mit stetigem Ausgang für die Heizfunktion (1 Reglerausgang) und schaltendem Ausgang für die Kühlfunktion (2 Reglerausgang) eingesetzt werden.
Bei Dreipunktreglern können oft die vom Zweipunktregler bekannten Parameter Proportionalbereich, Nachstellzeit, Vorhaltezeit und Hysterese für beide Wirkrichtungen getrennt eingestellt werden. Zusätzlich gibt es beim Dreipunktregler den Parameter Kontaktabstand.
Dreipunktschrittregler besitzen zwei schaltende Reglerausgänge und sind speziell für die Ansteuerung von Stellantrieben konzipiert, die z. B. eine Stellklappe "auf-" und "zufahren" können.
Ansteuerbare Stellglieder/Stellantriebe:
Wechselstrom-Stellmotor, Gleichstrommotor, Drehstromstellmotor, Hydraulikzylinder mit Magnetventilen usw.
Mit einer Kaskadenregelung kann die Regelgüte erheblich erhöht werden. Dies betrifft besonders das dynamische Verhalten des Regelkreises, also den Regelgrößenverlauf bei Änderung der Führungsgröße oder Störeinflüssen.
Beispiel 1: Schematischer Aufbau einer Kaskade
Schokolade soll zur Weiterverarbeitung auf vs = 40 °C erwärmt werden. Die Temperatur der Schokolade darf an keinem Ort (auch nicht in der Nähe der Heizung) 50 °C überschreiten. Deshalb wird über ein Wasserbad erhitzt.
Um eine möglichst schnelle Ausregelung zu erreichen, wird eine Kaskadenregelung verwendet.
Regler 1 ist immer der Führungsregler und Regler 2 immer der Folgeregler.
Die Sollwertvorgabe für den Folgeregler wird über eine Stellgradnormierung realisiert.
Dabei wird der Stellgröße y1 ein Sollwert mit der Einheit des Istwertes x2 zugeordnet (hier: 0 ... 100 % entspricht 0 ... 50 °C).
Zeichenerklärung
A2 - Ausgang 2
E1 - Analogeingang 1
E2 - Analogeingang 2
R1 - Regler 1
R2 - Regler 2
w 1 - Sollwert Regler 1
w 2 - Sollwert Regler 2
x 1 - Istwert Regler 1
x 2 - Istwert Regler 2
x w1 - Regelabweichung Regler 1
x w2 - Regelabweichung Regler 2
y 1 - Stellgröße 1
y 2 - Stellgröße 2; 1. Ausgang Regler 2
v s - Temperatur der Schokolade
v w -Temperatur des Wasserbades
Beispiel 2: Aufbau einer Trimmkaskade
Zwei Chargen von Schokolade sollen auf 40 °C bzw. 50 °C erhitzt werden. Die Temperatur der Schokolade darf an keinem Ort (auch nicht in der Nähe der Heizung) den Sollwert um mehr als 10 °C überschreiten. Deshalb wird über ein Wasserbad erhitzt.
Um eine möglichst schnelle Ausregelung ohne Überschwingen zu erreichen und ohne eine Veränderung der Reglerkonfiguration (Stellgradnormierung) bei einer Sollwertänderung (Chargenwechsel) vornehmen zu müssen, wird eine Trimmkaskadenregelung eingesetzt.
Regler 1 ist immer der Führungsregler und Regler 2 immer der Folgeregler.
Die Sollwertvorgabe für den Folgeregler wird über eine Stellgradnormierung und die Addition des Sollwerts des Führungsreglers (w1) realisiert.
Bei der Stellgradnormierung wird der Stellgröße y1 ein Wert mit der Einheit des Istwertes w2 zugeordnet. Er entspricht der maximal zulässigen Temperaturdifferenz (± | x1 - w1 |; hier: 0 ... 100 % entspricht -10 ... +10 °C).
Zeichenerklärung
A2 - Ausgang 2
E1 - Analogeingang 1
E2 - Analogeingang 2
R1 - Regler 1
R2 - Regler 2
w 1 - Sollwert Regler 1
w 2 - Sollwert Regler 2
x 1 - Istwert Regler 1
x 2 - Istwert Regler 2
x w1 - Regelabweichung Regler 1
x w2 - Regelabweichung Regler 2
y 1 - Stellgröße 1
y 2 - Stellgröße 2; 1. Ausgang Regler 2
v s - Temperatur der Schokolade
v w -Temperatur des Wasserbades
Bewegt sich die Regelgröße in einem festgelegten Intervall um die Führungsgröße, innerhalb dem Kontaktabstand Xsh, ist kein Ausgang aktiv. Ausnahme: Dreipunktregler mit I- und D-Anteil. Innerhalb des Kontaktabstands ist nur der Proportionalanteil inaktiv.
Dieser Kontaktabstand ist erforderlich, damit bei unruhiger Regelgröße nicht dauernd zwischen beiden Stellgrößen umgeschaltet wird, z. B. Heiz- und Kühlregister. Für den Kontaktabstand ist auch die Bezeichnung Totband gebräuchlich. Ein zu klein eingestelltes Totband kann in einer Anlage sinnlos Energie vernichten.
Der I-Anteil eines Reglerausgangssignales sorgt für eine ständige Veränderung des Reglerstellgrades, bis der Istwert den Sollwert erreicht hat.
Solange eine Regelabweichung besteht, wird der Stellgrad auf- bzw. abintegriert. Je länger eine Regelabweichung an einem Regler ansteht, desto größer wird der integrale Einfluss auf den Stellgrad. Je größer die Regelabweichung und je kleiner die Nachstellzeit ist, desto stärker (schneller) ist die Wirkung des I-Anteils.
Der I-Anteil sorgt dafür, dass ohne bleibende Regelabweichung ausgeregelt werden kann. Die Nachstellzeit ist ein Maß dafür, wie stark die zeitliche Dauer der Regelabweichung in die Regelung eingeht. Eine große Nachstellzeit bedeutet einen geringen Einfluss des I-Anteils und umgekehrt. In der angegebenen Zeit Tn (in sec.) wird die Stellgrößenänderung, die der P-Anteil (xp oder pb) bewirkt, noch einmal aufaddiert. Somit besteht ein festes Verhältnis zwischen dem P- und I-Anteil. Wird der P-Anteil (xp) geändert, so bedeutet das auch ein geändertes Zeitverhalten, bei einem gleichbleibenden Wert von Tn.
Bei einem reinen Proportionalregler (P-Regler) verhält sich die Stellgröße (Reglerausgang Y), innerhalb des Proportionalbereiches (Xp), proportional zur Regelabweichung. Über den Proportionalbereich lässt sich die Verstärkung des Reglers an die Regelstrecke anpassen. Wird ein kleiner Proportionalbereich gewählt, so reicht schon eine kleine Regelabweichung aus, um 100 % Stellgrad zu erreichen, d. h. die Verstärkung nimmt mit kleinerem Proportionalbereich (Xp) zu. Der Regler reagiert bei kleinem Proportionalbereich schneller und heftiger. Ein zu kleiner Proportionalbereich führt zum Schwingen des Regelkreises. Eine Veränderung des Proportionalbereiches verändert in gleichem Maß auch das I- und D-Verhalten eines PID-Reglers.
Wenn der Proportionalbereich auf Null eingestellt wurde, ist die Reglerstruktur nicht wirksam. Dies bedeutet, der Regler arbeitet als reiner Grenzkontakt. Die eingestellte Hysterese, bzw. Schaltdifferenz ist wirksam, die Einstellungen für Vorhaltezeit und Nachstellzeit werden dagegen nicht berücksichtigt.
Bei allen Reglerarten, außer dem Dreipunktregler, ist nur der Proportionalbereich Xp1 relevant. Nur beim Dreipunktregler sind, für die beiden Wirkrichtungen, getrennte Einstellungen für den Proportionalbereich notwendig (z. B. Xp1 für Heizen und Xp2 für Kühlen).
Die Schaltdifferenz wird auch als Hysterese bezeichnet und ist nur bei schaltenden Reglern mit Proportionalbereich = 0 relevant.
Für Regler mit inversem Wirksinn (z. B. Heizungsregelung) gilt für das standardmäßige Verhalten folgender Zusammenhang:
Die Schaltdifferenz liegt unterhalb des Sollwertes. Das bedeutet, der Regler schaltet genau beim Überschreiten des Sollwertes ab. Das erneute Einschalten erfolgt erst, wenn der Istwert unter den Einschaltpunkt gesunken ist, der um den Betrag der Schaltdifferenz unterhalb vom Sollwert liegt.
Bei Reglern mit direktem Wirksinn (z. B. Kühlung) liegt die Schaltdifferenz standardmäßig oberhalb des Sollwertes. Der Ausschaltpunkt liegt wie beim Regler mit inversem Wirksinn genau auf dem Sollwert. Das Wiedereinschalten erfolgt jedoch, um die Schaltdifferenz verschoben, oberhalb des Sollwertes.
Die Stellgliedlaufzeit ist eine vom Stellantrieb vorgegebene Größe, und deshalb nur beim Dreipunktschrittregler, bzw. stetigen Regler mit integriertem Stellungsregler relevant.
Unter der Stellgliedlaufzeit ist die Zeit einzustellen, die der Stellantrieb benötigt, um den nutzbaren Stellbereich in einem Zug zu durchlaufen.
Die Stellgliedlaufzeit kann nicht durch die Selbstoptimierung ermittelt werden, und ist unbedingt vor der Optimierung einzustellen.
Mit der Stellgliedlaufzeit erhält der Regler eine Information über die Wirkung der Stellimpulse. Bei einer Stellgliedlaufzeit von z. B. 20 Sekunden ist die prozentuale Stellgradänderung, bei gleichem Stellimpuls, wesentlich größer als bei einem Stellglied mit z. B. 100 Sekunden Laufzeit.
Bei der Auswahl/Dimensionierung von Stellantrieben ist zu beachten, dass eine kurze Stellgliedlaufzeit, von z. B. weniger als 10 Sekunden, zu großen Stellgradstufen und damit zu einer geringeren Regelgenauigkeit führt. Wenn man z. B. 0,5 Sekunden als kürzeste Stellimpulszeit annimmt, würden sich bei einer Stellgliedlaufzeit von 10 Sekunden nur noch 20 Stellschritte ergeben. Das bedeutet, dass der Stellgrad nur in Sprüngen von 5 % geändert werden kann.
Stellantriebe mit sehr langer Stellgliedlaufzeit können dagegen hinsichtlich der Dynamik nachteilig sein, weil die Regelung den Stellgrad nur relativ langsam ändern kann.
Probleme wegen zu kurzer Stellgliedlaufzeit sind in der Praxis jedoch häufiger, als Probleme die sich aus zu langen Stellgliedlaufzeiten ergeben.
Der "Stetigregler mit integrierten Stellungsregler“ kurz Stellungsregler besteht aus einem stetigen Regler mit einem integrierten Stellungsregler. Im Gegensatz zum Dreipunktschrittregler ist bei dem Stellungsregler eine Stellgradrückmeldung unbedingt notwendig.
Der Stellungsregler steuert über 2 schaltende Ausgänge den Rechts- bzw. Linkslauf des Motorstellgliedes.
Die Position des Motorstellgliedes wird erfasst und mit der Stellgröße (yR) des Stetigreglers verglichen.
Über die Vorhaltezeit wird die Intensität des D-Anteils (Differentieller Anteil) eingestellt. Der D-Anteil eines Reglers, mit PID oder PD-Struktur, reagiert auf die Änderungsgeschwindigkeit des Istwertes.
Beim Anfahren an den Sollwert "bremst" der D-Anteil und kann damit ein Überschwingen der Regelgröße über den Sollwert vermeiden.
Im Prinzip hat der D-Anteil folgende Auswirkungen:
Sobald sich die Regelgröße verändert, wirkt der D-Anteil dieser Änderung entgegen.
Für einen Regler mit einem inversen Wirksinn (also z. B. Heizen) würde dies beispielsweise bedeuten:
Der Zweipunktregler (ON/OFF Regler) schaltet den Ausgang bei Erreichen der Führungsgröße (Sollwert ) aus. Wird die Führungsgröße um eine bestimmte Toleranz, die eingestellt werden kann (xsd, Schaltdifferenz, Hysterese) unterschritten, so wird der Ausgang wieder eingeschaltet. Er besitzt somit nur zwei Schaltzustände. Man findet ihren Einsatz z. B. bei Temperaturregelungen, wo die Heizung oder Kühlung lediglich ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Ein Zweipunktregler mit Dynamik kann aber beispielsweise auch mit P-, I- oder D-Anteil arbeiten.
Die Schaltperiodendauer wird in Sekunden angegeben und definiert die Zeit für einen kompletten Schaltzyklus aus Ein- und Ausschaltzeit.
Allgemein sollte die Schaltperiodendauer so gewählt werden, dass der Ist-Regelprozess noch geglättet werden kann. Dabei sollte die Schalthäufigkeit nicht vergessen werden.
Am besten kann das Verhalten im Handbetrieb nachgestellt werden, indem man den direkten Einfluß der Stellgröße auf die Schaltperiodendauer beobachten kann. Bei einer Stellgröße von 50 % ist "Tein" und "Taus" gleich groß. Wird die Stellgröße geändert, verändert sich dieses Verhältnis entsprechend.
