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MuumlllerPfeifferWieserRegeln mit SIMATIC

Regeln mit SIMATICPraxisbuch fuumlr Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 fuumlr die Prozessautomatisierung

von Juumlrgen Muumlller Bernd-Markus Pfeiffer Roland Wieser

4 uumlberarbeitete und erweiterte Auflage 2011

Publicis Publishing

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uumlber httpdnbd-nbde abrufbar

Autoren und Verlag haben alle Texte und Abbildungen in diesem Buch mit groszliger Sorgfalt erarbeitet Dennoch koumlnnen Fehler nicht ausgeschlossen werden Eine Haftung des Verlags oder der Autoren gleich aus welchem Rechtsgrund fuumlr durch die Verwendung der Programmierbeispiele verursachte Schaumlden ist ausgeschlossen

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ISBN 978-3-89578-688-4

4 Auflage 2011

Vollstaumlndige E-Book-Ausgabe von Juumlrgen-Klaus Muumlller Bernd-Markus Pfeiffer Roland Wieser bdquoRegeln mit SIMATICldquo ISBN 978-3-89578-340-1 (Printausgabe)

Herausgeber Siemens Aktiengesellschaft Berlin und Muumlnchen Verlag Publicis Publishing Erlangen copy 2011 by Publicis Erlangen Zweigniederlassung der PWW GmbH

Das Werk einschlieszliglich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschuumltzt Jede Verwendung auszligerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulaumlssig und strafbar Das gilt insbesondere fuumlr Vervielfaumlltigungen Uumlbersetzungen Mikroverfilmungen Bearbeitungen sonstiger Art sowie fuumlr die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen Dies gilt auch fuumlr die Entnahme von einzelnen Abbildungen und bei auszugsweiser Verwertung von Texten

Printed in Germany

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Vorwort

Als Mitarbeiter der Siemens AG hat Juumlrgen Muumlller uumlber viele Jahre im Bereich Rege-lungen mit SIMATIC S5 und S7 sowie Prozessregelung gearbeitet Dabei haben sichdie Taumltigkeitsfelder von Projektierung und Softwareerstellung Mitwirkung in derProduktentwicklung uumlber die Lastenhefterstellung von regelungstechnischenStandardprodukten und den entwicklungsbegleitenden Systemtests bis hin zu Stouml-rungsbeseitigungen und Serviceeinsaumltzen bei Endkunden im In- und Auslanderstreckt Aus seiner Taumltigkeit und insbesondere aus den Erfahrungen in der Praxiszu Anforderungen in der Automatisierungstechnik mit dem SteuerungssystemSIMATIC S7 und dem Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7 erkannte er die Notwendig-keit eines Fachbuches als Bruumlcke zwischen rein theoretischem Grundwissen undden praktischen Anforderungen Die ersten drei Auflagen des Buches hat er alsHauptautor maszliggeblich gepraumlgt

Bernd-Markus Pfeiffer ist seit 1995 in der Vorfeldentwicklung der Siemens AGKarlsruhe fuumlr die Konzeption Spezifikation Entwicklung Dokumentation undErprobung regelungstechnicher Verfahren in SIMATIC S7 und vor allem PCS 7 ver-antwortlich Er ist Fachexperte fuumlr Advanced Process Control Lehrbeauftragter ander Universitaumlt Karlsruhe und Mitglied im VDIVDE-GMA-Fachausschuss 622 bdquoPro-zessfuumlhrung und gehobene Regelungsverfahrenldquo Das Buch bdquoRegeln mit SIMATICldquohat er zunaumlchst als fachlicher Berater dann als Ko-Autor begleitet In der vorliegen-den vierten Auflage hat er als Hauptautor zusammen mit Roland Wieser die Ausfuumlh-rungen zum Regeln mit SIMATIC PCS 7 staumlrker in den Vordergrund geruumlckt sowieden Themenbereich bdquoAdvanced Process Controlldquo erweitert und vertieft

Roland Wieser ist seit 1978 bei der Siemens AG in Karlsruhe taumltig wo er zunaumlchst inder Vorfeldentwicklung u a auch bei der Entwicklung von Teleperm M mitgewirkthat Es folgte eine Taumltigkeit in der Fachabteilung Teleperm M aus der er heraus dieEntstehung und Vermarktung von SIMATIC PCS 7 mitgestaltet und die Etablierungam Markt begleitet hat Heute ist er im Marketing von PCS 7 fuumlr div Technologie-themen zustaumlndig u a auch fuumlr Advanced Process Control

Mit diesem Anspruch definiert sich auch die Zielgruppe dieses Buches Es richtetsich an alle die mit der Planung dem Vertrieb der Realisierung der Ausfuumlhrungund der Inbetriebnahme von Regelungen in der Fertigungstechnik und im Indus-trieanlagenbau mit SIMATIC S7 und der Automatisierung von Regelungen in ver-fahrenstechnischen Anlagen mit SIMATIC PCS 7 zu tun haben Dies sind in derRegel Inbetriebsetzer Projekteure und Verfahrenstechniker und alle Ingenieurefuumlr die das Thema Regelungstechnik und im speziellen Regelungstechnik in denfreiprogrammierbaren Steuerungen der SIMATIC-Reihe in ihrer taumlglichen Arbeiteine zunehmende Rolle spielt Das Buch will praktische Hinweise Faustformelnpragmatische bdquoKochrezepteldquo und Beispiele aus der Praxis bieten und somit eine

Vorwort

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Hilfe darstellen fuumlr den praktisch arbeitenden Ingenieur Theorie und schulmaumlszligigeGrundlagen werden nur am Rand gestreift oder dort zitiert wo es sich nicht ver-meiden laumlsst Alle aufgefuumlhrten Beispiele sind an existierende industrielle Applika-tionen angelehnt und sollen dem Leser die eine oder andere Anregung und Hilfe-stellung fuumlr die Projektierung und Inbetriebnahme seiner eigenen regelungstech-nischen Anwendungen bieten

Das Buch verfolgt im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schwerpunkte

bull Regelungstechnik im Maschinenbau (SerienmaschinenbauFertigungstech-nik) im individuellen Anlagenbau bei kleinen und mittleren Anlagengroumlszligen im Anlagenbau im Investitionsguumlterbereich und

bull Regelungstechnik in leittechnischen Anlagen sowie in mittleren und groumlszlige-ren verfahrenstechnischen Anlagen

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung im Maschinenbau und imKleinanlagenbau werden heute noch stark durch den Einsatz von separaten Einzel-produkten (Software oder Hardware) realisiert Mit SIMATIC TIA (Totally IntegratedAutomation) werden neben den Standard-SPS-Produkten auch Regelprodukteangeboten die voll in die SIMATIC-Welt integriert sind Fuumlr die jeweilige Aufgaben-stellung werden leistungsmaumlszligig abgestufte Regelprodukte in Hardware- und Soft-wareausfuumlhrung angeboten Um den Trend zur immer weitergehenden Modulari-sierung der Steuerungsaufgaben gerecht zu werden kommen Regler mehr undmehr auch im Bereich der Kleinsteuerungen (LOGO SIMATIC S7-200 und S7-1200)zum Einsatz

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung in verfahrenstechnischenAnlagen sind integrierte Bestandteile eines Gesamtsystems das heute unter demBegriff SIMATIC PCS 7 (Process Control System) vermarktet wird

Fuumlr die Regler-Optimierung spielen diese Unterscheidungen keine wesentlicheRolle Die Unterschiede treten auf bei der Art der Projektierung und Visualisierungbeim Anschluss an ein Stoumlr- und Betriebsmeldesystem sowie bei der Integration indas Kommunikationskonzept der Anlage

Dieses Buch stellt viele Beispiele aus realen Applikationen sowie deren regelungs-technische Loumlsungen mit SIMATIC-Reglern dar

Begeben Sie sich mit uns zusammen auf die spannende Reise durch die Welt derRegelungstechnik in der SIMATIC ihr Umfeld und die typischen Applikationen

Karlsruhe im April 2011 Bernd-Markus PfeifferRoland Wieser

7

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick 11

11 Prozesse und ihr Verhalten 11

12 Regler und Reglerbenennungen 15121 Benennung nach Einsatz und Aufbau 16122 Benennung nach verwendeten Parameteranteilen 17123 Benennung nach verwendeter Regelgroumlszlige 22124 Benennung nach verwendeter Regelstruktur 23125 Benennung nach dem zu regelnden Prozess 24126 Benennung nach Art und Quelle des Sollwerts 24

13 Verwendete Formelzeichen 25

14 Regler und ihre Signale 26141 Formen der Eingangssignale an Reglern im Controller 27142 Formen der Ausgangssignale an Reglern im Controller 28

2 Planung von Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 33

21 Uumlbersicht der SIMATIC-Regelprodukte 33

22 Auswahl des Regelprodukts 36221 Anschlusstechnik 38222 Mengengeruumlst und Dynamik einer Regelung 40223 Guumltekriterium und Genauigkeit einer Regelung 43224 Sicherheitsanforderungen 45225 Bedienung und Visualisierung 45226 Komplexitaumlt und Flexibilitaumlt 46227 Einstellhilfe PID Self-Tuner 46228 Regler mit integrierter Einstellhilfe 48

23 Vorteile von Softwarereglern und FMs 50

3 Aktoren und Sensoren einer Regelung 53

31 Einfluss der Stellorgane auf die Regelung 53311 Schuumltze Relais und Halbleiterrelais 58312 Ventile und Schieber 58313 Klappen und Drosselklappen 61314 Magnetventile 61315 Drehzahlveraumlnderbare Pumpen und Motoren 61316 Stellglieder der Dosierung 62

32 Einfluss der Messtechnik auf die Regelung 63321 Messsignale direkt angeschlossener Thermoelemente 64322 Messsignale direkt angeschlossener Widerstandsthermometer 67323 Standardsignale (010 V 420 mA oder 020 mA) 69324 Messprinzip der Analogerfassung 70325 Aufloumlsung Genauigkeit und Reproduzierbarkeit 72

33 Anschluss der Aktoren und Sensoren an den Controller 73

Inhaltsverzeichnis

8

4 Darstellung von Regelungen 76

41 Flieszligbilder nach DIN 28004 76

42 Planunterlagen nach DIN 19227 Teil 1 78

43 Regler in der Projektieroberflaumlche 81431 Softwareregelungen in der textuellen Darstellung AWL 81432 Modulare Regelungen in der Darstellung CFC 81433 Parametrierung kompakter Regelungen 82434 Projektierung der PID-Regler in der S7-200S7-1200 83435 Projektierung der PI-Regler im Logikmodul LOGO 84436 Regler-Projektierung in SIMATIC PCS 7 85

44 Softwareregler in der Bedienoberflaumlche 86

45 Die Bedienoberflaumlche der Hardwareregler 89451 Die Bedienung der Regel-FMs 89452 Die Bedienung des Logikmoduls LOGO 89453 Die Bedienung der SIPART-Regler 90

5 Betriebsarten 91

51 Uumlbersicht der Betriebsarten 91

52 Die Betriebsarten Hand und Automatik 93521 Hand-Automatikumschaltung mit Stoszligfreiheit 93522 Automatik- Handumschaltung mit Stoszligfreiheit 94523 Hand- Automatikumschaltung ohne Stoszligfreiheit 95524 Automatik-Handumschaltung ohne Stoszligfreiheit 96525 Automatik-Sicherheitsstellwertumschaltung 96526 SPC- bzw DDC-Sicherheitssollwertumschaltung 96

53 Anfahren des (Software-)Reglers nach WiederanlaufNeustart der CPU 97531 Anfahren des Regelkreises ohne Stoszligfreiheit 97532 Anfahren des Regelkreises mit Stoszligfreiheit 98

54 Betriebsweise nach Regler AUSEIN 99541 Gesteuertes Anfahren eines Regelkreises 100542 Geregeltes Anfahren eines Regelkreises 101

55 Sicherheitsbetriebsarten 102551 SPC-Backup 102552 DDC-Backup 102553 Sicherheitssollwert 103554 Sicherheitsstellwert 104

6 Funktionen eines Prozessreglers 105

61 Die elementaren Funktionen des Sollwertzweigs 105611 Interne Sollwertvorgabe 105612 Externe Sollwertvorgabe 106613 Sollwertrampe 106614 Sollwertbegrenzung 107

62 Die elementaren Funktionen des Istwertzweigs 107621 Der Filter 107622 Die Normierung 108623 Die Linearisierung 108624 Istwertuumlberwachung 108

Inhaltsverzeichnis

9

63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

10

9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

11

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

12

die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

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Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

14

Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

MuumlllerPfeifferWieserRegeln mit SIMATIC

Regeln mit SIMATICPraxisbuch fuumlr Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 fuumlr die Prozessautomatisierung

von Juumlrgen Muumlller Bernd-Markus Pfeiffer Roland Wieser

4 uumlberarbeitete und erweiterte Auflage 2011

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uumlber httpdnbd-nbde abrufbar

Autoren und Verlag haben alle Texte und Abbildungen in diesem Buch mit groszliger Sorgfalt erarbeitet Dennoch koumlnnen Fehler nicht ausgeschlossen werden Eine Haftung des Verlags oder der Autoren gleich aus welchem Rechtsgrund fuumlr durch die Verwendung der Programmierbeispiele verursachte Schaumlden ist ausgeschlossen

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ISBN 978-3-89578-688-4

4 Auflage 2011

Vollstaumlndige E-Book-Ausgabe von Juumlrgen-Klaus Muumlller Bernd-Markus Pfeiffer Roland Wieser bdquoRegeln mit SIMATICldquo ISBN 978-3-89578-340-1 (Printausgabe)

Herausgeber Siemens Aktiengesellschaft Berlin und Muumlnchen Verlag Publicis Publishing Erlangen copy 2011 by Publicis Erlangen Zweigniederlassung der PWW GmbH

Das Werk einschlieszliglich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschuumltzt Jede Verwendung auszligerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulaumlssig und strafbar Das gilt insbesondere fuumlr Vervielfaumlltigungen Uumlbersetzungen Mikroverfilmungen Bearbeitungen sonstiger Art sowie fuumlr die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen Dies gilt auch fuumlr die Entnahme von einzelnen Abbildungen und bei auszugsweiser Verwertung von Texten

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Vorwort

Als Mitarbeiter der Siemens AG hat Juumlrgen Muumlller uumlber viele Jahre im Bereich Rege-lungen mit SIMATIC S5 und S7 sowie Prozessregelung gearbeitet Dabei haben sichdie Taumltigkeitsfelder von Projektierung und Softwareerstellung Mitwirkung in derProduktentwicklung uumlber die Lastenhefterstellung von regelungstechnischenStandardprodukten und den entwicklungsbegleitenden Systemtests bis hin zu Stouml-rungsbeseitigungen und Serviceeinsaumltzen bei Endkunden im In- und Auslanderstreckt Aus seiner Taumltigkeit und insbesondere aus den Erfahrungen in der Praxiszu Anforderungen in der Automatisierungstechnik mit dem SteuerungssystemSIMATIC S7 und dem Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7 erkannte er die Notwendig-keit eines Fachbuches als Bruumlcke zwischen rein theoretischem Grundwissen undden praktischen Anforderungen Die ersten drei Auflagen des Buches hat er alsHauptautor maszliggeblich gepraumlgt

Bernd-Markus Pfeiffer ist seit 1995 in der Vorfeldentwicklung der Siemens AGKarlsruhe fuumlr die Konzeption Spezifikation Entwicklung Dokumentation undErprobung regelungstechnicher Verfahren in SIMATIC S7 und vor allem PCS 7 ver-antwortlich Er ist Fachexperte fuumlr Advanced Process Control Lehrbeauftragter ander Universitaumlt Karlsruhe und Mitglied im VDIVDE-GMA-Fachausschuss 622 bdquoPro-zessfuumlhrung und gehobene Regelungsverfahrenldquo Das Buch bdquoRegeln mit SIMATICldquohat er zunaumlchst als fachlicher Berater dann als Ko-Autor begleitet In der vorliegen-den vierten Auflage hat er als Hauptautor zusammen mit Roland Wieser die Ausfuumlh-rungen zum Regeln mit SIMATIC PCS 7 staumlrker in den Vordergrund geruumlckt sowieden Themenbereich bdquoAdvanced Process Controlldquo erweitert und vertieft

Roland Wieser ist seit 1978 bei der Siemens AG in Karlsruhe taumltig wo er zunaumlchst inder Vorfeldentwicklung u a auch bei der Entwicklung von Teleperm M mitgewirkthat Es folgte eine Taumltigkeit in der Fachabteilung Teleperm M aus der er heraus dieEntstehung und Vermarktung von SIMATIC PCS 7 mitgestaltet und die Etablierungam Markt begleitet hat Heute ist er im Marketing von PCS 7 fuumlr div Technologie-themen zustaumlndig u a auch fuumlr Advanced Process Control

Mit diesem Anspruch definiert sich auch die Zielgruppe dieses Buches Es richtetsich an alle die mit der Planung dem Vertrieb der Realisierung der Ausfuumlhrungund der Inbetriebnahme von Regelungen in der Fertigungstechnik und im Indus-trieanlagenbau mit SIMATIC S7 und der Automatisierung von Regelungen in ver-fahrenstechnischen Anlagen mit SIMATIC PCS 7 zu tun haben Dies sind in derRegel Inbetriebsetzer Projekteure und Verfahrenstechniker und alle Ingenieurefuumlr die das Thema Regelungstechnik und im speziellen Regelungstechnik in denfreiprogrammierbaren Steuerungen der SIMATIC-Reihe in ihrer taumlglichen Arbeiteine zunehmende Rolle spielt Das Buch will praktische Hinweise Faustformelnpragmatische bdquoKochrezepteldquo und Beispiele aus der Praxis bieten und somit eine

Vorwort

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Hilfe darstellen fuumlr den praktisch arbeitenden Ingenieur Theorie und schulmaumlszligigeGrundlagen werden nur am Rand gestreift oder dort zitiert wo es sich nicht ver-meiden laumlsst Alle aufgefuumlhrten Beispiele sind an existierende industrielle Applika-tionen angelehnt und sollen dem Leser die eine oder andere Anregung und Hilfe-stellung fuumlr die Projektierung und Inbetriebnahme seiner eigenen regelungstech-nischen Anwendungen bieten

Das Buch verfolgt im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schwerpunkte

bull Regelungstechnik im Maschinenbau (SerienmaschinenbauFertigungstech-nik) im individuellen Anlagenbau bei kleinen und mittleren Anlagengroumlszligen im Anlagenbau im Investitionsguumlterbereich und

bull Regelungstechnik in leittechnischen Anlagen sowie in mittleren und groumlszlige-ren verfahrenstechnischen Anlagen

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung im Maschinenbau und imKleinanlagenbau werden heute noch stark durch den Einsatz von separaten Einzel-produkten (Software oder Hardware) realisiert Mit SIMATIC TIA (Totally IntegratedAutomation) werden neben den Standard-SPS-Produkten auch Regelprodukteangeboten die voll in die SIMATIC-Welt integriert sind Fuumlr die jeweilige Aufgaben-stellung werden leistungsmaumlszligig abgestufte Regelprodukte in Hardware- und Soft-wareausfuumlhrung angeboten Um den Trend zur immer weitergehenden Modulari-sierung der Steuerungsaufgaben gerecht zu werden kommen Regler mehr undmehr auch im Bereich der Kleinsteuerungen (LOGO SIMATIC S7-200 und S7-1200)zum Einsatz

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung in verfahrenstechnischenAnlagen sind integrierte Bestandteile eines Gesamtsystems das heute unter demBegriff SIMATIC PCS 7 (Process Control System) vermarktet wird

Fuumlr die Regler-Optimierung spielen diese Unterscheidungen keine wesentlicheRolle Die Unterschiede treten auf bei der Art der Projektierung und Visualisierungbeim Anschluss an ein Stoumlr- und Betriebsmeldesystem sowie bei der Integration indas Kommunikationskonzept der Anlage

Dieses Buch stellt viele Beispiele aus realen Applikationen sowie deren regelungs-technische Loumlsungen mit SIMATIC-Reglern dar

Begeben Sie sich mit uns zusammen auf die spannende Reise durch die Welt derRegelungstechnik in der SIMATIC ihr Umfeld und die typischen Applikationen

Karlsruhe im April 2011 Bernd-Markus PfeifferRoland Wieser

7

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick 11

11 Prozesse und ihr Verhalten 11

12 Regler und Reglerbenennungen 15121 Benennung nach Einsatz und Aufbau 16122 Benennung nach verwendeten Parameteranteilen 17123 Benennung nach verwendeter Regelgroumlszlige 22124 Benennung nach verwendeter Regelstruktur 23125 Benennung nach dem zu regelnden Prozess 24126 Benennung nach Art und Quelle des Sollwerts 24

13 Verwendete Formelzeichen 25

14 Regler und ihre Signale 26141 Formen der Eingangssignale an Reglern im Controller 27142 Formen der Ausgangssignale an Reglern im Controller 28

2 Planung von Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 33

21 Uumlbersicht der SIMATIC-Regelprodukte 33

22 Auswahl des Regelprodukts 36221 Anschlusstechnik 38222 Mengengeruumlst und Dynamik einer Regelung 40223 Guumltekriterium und Genauigkeit einer Regelung 43224 Sicherheitsanforderungen 45225 Bedienung und Visualisierung 45226 Komplexitaumlt und Flexibilitaumlt 46227 Einstellhilfe PID Self-Tuner 46228 Regler mit integrierter Einstellhilfe 48

23 Vorteile von Softwarereglern und FMs 50

3 Aktoren und Sensoren einer Regelung 53

31 Einfluss der Stellorgane auf die Regelung 53311 Schuumltze Relais und Halbleiterrelais 58312 Ventile und Schieber 58313 Klappen und Drosselklappen 61314 Magnetventile 61315 Drehzahlveraumlnderbare Pumpen und Motoren 61316 Stellglieder der Dosierung 62

32 Einfluss der Messtechnik auf die Regelung 63321 Messsignale direkt angeschlossener Thermoelemente 64322 Messsignale direkt angeschlossener Widerstandsthermometer 67323 Standardsignale (010 V 420 mA oder 020 mA) 69324 Messprinzip der Analogerfassung 70325 Aufloumlsung Genauigkeit und Reproduzierbarkeit 72

33 Anschluss der Aktoren und Sensoren an den Controller 73

Inhaltsverzeichnis

8

4 Darstellung von Regelungen 76

41 Flieszligbilder nach DIN 28004 76

42 Planunterlagen nach DIN 19227 Teil 1 78

43 Regler in der Projektieroberflaumlche 81431 Softwareregelungen in der textuellen Darstellung AWL 81432 Modulare Regelungen in der Darstellung CFC 81433 Parametrierung kompakter Regelungen 82434 Projektierung der PID-Regler in der S7-200S7-1200 83435 Projektierung der PI-Regler im Logikmodul LOGO 84436 Regler-Projektierung in SIMATIC PCS 7 85

44 Softwareregler in der Bedienoberflaumlche 86

45 Die Bedienoberflaumlche der Hardwareregler 89451 Die Bedienung der Regel-FMs 89452 Die Bedienung des Logikmoduls LOGO 89453 Die Bedienung der SIPART-Regler 90

5 Betriebsarten 91

51 Uumlbersicht der Betriebsarten 91

52 Die Betriebsarten Hand und Automatik 93521 Hand-Automatikumschaltung mit Stoszligfreiheit 93522 Automatik- Handumschaltung mit Stoszligfreiheit 94523 Hand- Automatikumschaltung ohne Stoszligfreiheit 95524 Automatik-Handumschaltung ohne Stoszligfreiheit 96525 Automatik-Sicherheitsstellwertumschaltung 96526 SPC- bzw DDC-Sicherheitssollwertumschaltung 96

53 Anfahren des (Software-)Reglers nach WiederanlaufNeustart der CPU 97531 Anfahren des Regelkreises ohne Stoszligfreiheit 97532 Anfahren des Regelkreises mit Stoszligfreiheit 98

54 Betriebsweise nach Regler AUSEIN 99541 Gesteuertes Anfahren eines Regelkreises 100542 Geregeltes Anfahren eines Regelkreises 101

55 Sicherheitsbetriebsarten 102551 SPC-Backup 102552 DDC-Backup 102553 Sicherheitssollwert 103554 Sicherheitsstellwert 104

6 Funktionen eines Prozessreglers 105

61 Die elementaren Funktionen des Sollwertzweigs 105611 Interne Sollwertvorgabe 105612 Externe Sollwertvorgabe 106613 Sollwertrampe 106614 Sollwertbegrenzung 107

62 Die elementaren Funktionen des Istwertzweigs 107621 Der Filter 107622 Die Normierung 108623 Die Linearisierung 108624 Istwertuumlberwachung 108

Inhaltsverzeichnis

9

63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

10

9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

11

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

12

die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

13

Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

14

Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

Regeln mit SIMATICPraxisbuch fuumlr Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 fuumlr die Prozessautomatisierung

von Juumlrgen Muumlller Bernd-Markus Pfeiffer Roland Wieser

4 uumlberarbeitete und erweiterte Auflage 2011

Publicis Publishing

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uumlber httpdnbd-nbde abrufbar

Autoren und Verlag haben alle Texte und Abbildungen in diesem Buch mit groszliger Sorgfalt erarbeitet Dennoch koumlnnen Fehler nicht ausgeschlossen werden Eine Haftung des Verlags oder der Autoren gleich aus welchem Rechtsgrund fuumlr durch die Verwendung der Programmierbeispiele verursachte Schaumlden ist ausgeschlossen

wwwpublicis-booksde

ISBN 978-3-89578-688-4

4 Auflage 2011

Vollstaumlndige E-Book-Ausgabe von Juumlrgen-Klaus Muumlller Bernd-Markus Pfeiffer Roland Wieser bdquoRegeln mit SIMATICldquo ISBN 978-3-89578-340-1 (Printausgabe)

Herausgeber Siemens Aktiengesellschaft Berlin und Muumlnchen Verlag Publicis Publishing Erlangen copy 2011 by Publicis Erlangen Zweigniederlassung der PWW GmbH

Das Werk einschlieszliglich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschuumltzt Jede Verwendung auszligerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulaumlssig und strafbar Das gilt insbesondere fuumlr Vervielfaumlltigungen Uumlbersetzungen Mikroverfilmungen Bearbeitungen sonstiger Art sowie fuumlr die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen Dies gilt auch fuumlr die Entnahme von einzelnen Abbildungen und bei auszugsweiser Verwertung von Texten

Printed in Germany

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Vorwort

Als Mitarbeiter der Siemens AG hat Juumlrgen Muumlller uumlber viele Jahre im Bereich Rege-lungen mit SIMATIC S5 und S7 sowie Prozessregelung gearbeitet Dabei haben sichdie Taumltigkeitsfelder von Projektierung und Softwareerstellung Mitwirkung in derProduktentwicklung uumlber die Lastenhefterstellung von regelungstechnischenStandardprodukten und den entwicklungsbegleitenden Systemtests bis hin zu Stouml-rungsbeseitigungen und Serviceeinsaumltzen bei Endkunden im In- und Auslanderstreckt Aus seiner Taumltigkeit und insbesondere aus den Erfahrungen in der Praxiszu Anforderungen in der Automatisierungstechnik mit dem SteuerungssystemSIMATIC S7 und dem Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7 erkannte er die Notwendig-keit eines Fachbuches als Bruumlcke zwischen rein theoretischem Grundwissen undden praktischen Anforderungen Die ersten drei Auflagen des Buches hat er alsHauptautor maszliggeblich gepraumlgt

Bernd-Markus Pfeiffer ist seit 1995 in der Vorfeldentwicklung der Siemens AGKarlsruhe fuumlr die Konzeption Spezifikation Entwicklung Dokumentation undErprobung regelungstechnicher Verfahren in SIMATIC S7 und vor allem PCS 7 ver-antwortlich Er ist Fachexperte fuumlr Advanced Process Control Lehrbeauftragter ander Universitaumlt Karlsruhe und Mitglied im VDIVDE-GMA-Fachausschuss 622 bdquoPro-zessfuumlhrung und gehobene Regelungsverfahrenldquo Das Buch bdquoRegeln mit SIMATICldquohat er zunaumlchst als fachlicher Berater dann als Ko-Autor begleitet In der vorliegen-den vierten Auflage hat er als Hauptautor zusammen mit Roland Wieser die Ausfuumlh-rungen zum Regeln mit SIMATIC PCS 7 staumlrker in den Vordergrund geruumlckt sowieden Themenbereich bdquoAdvanced Process Controlldquo erweitert und vertieft

Roland Wieser ist seit 1978 bei der Siemens AG in Karlsruhe taumltig wo er zunaumlchst inder Vorfeldentwicklung u a auch bei der Entwicklung von Teleperm M mitgewirkthat Es folgte eine Taumltigkeit in der Fachabteilung Teleperm M aus der er heraus dieEntstehung und Vermarktung von SIMATIC PCS 7 mitgestaltet und die Etablierungam Markt begleitet hat Heute ist er im Marketing von PCS 7 fuumlr div Technologie-themen zustaumlndig u a auch fuumlr Advanced Process Control

Mit diesem Anspruch definiert sich auch die Zielgruppe dieses Buches Es richtetsich an alle die mit der Planung dem Vertrieb der Realisierung der Ausfuumlhrungund der Inbetriebnahme von Regelungen in der Fertigungstechnik und im Indus-trieanlagenbau mit SIMATIC S7 und der Automatisierung von Regelungen in ver-fahrenstechnischen Anlagen mit SIMATIC PCS 7 zu tun haben Dies sind in derRegel Inbetriebsetzer Projekteure und Verfahrenstechniker und alle Ingenieurefuumlr die das Thema Regelungstechnik und im speziellen Regelungstechnik in denfreiprogrammierbaren Steuerungen der SIMATIC-Reihe in ihrer taumlglichen Arbeiteine zunehmende Rolle spielt Das Buch will praktische Hinweise Faustformelnpragmatische bdquoKochrezepteldquo und Beispiele aus der Praxis bieten und somit eine

Vorwort

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Hilfe darstellen fuumlr den praktisch arbeitenden Ingenieur Theorie und schulmaumlszligigeGrundlagen werden nur am Rand gestreift oder dort zitiert wo es sich nicht ver-meiden laumlsst Alle aufgefuumlhrten Beispiele sind an existierende industrielle Applika-tionen angelehnt und sollen dem Leser die eine oder andere Anregung und Hilfe-stellung fuumlr die Projektierung und Inbetriebnahme seiner eigenen regelungstech-nischen Anwendungen bieten

Das Buch verfolgt im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schwerpunkte

bull Regelungstechnik im Maschinenbau (SerienmaschinenbauFertigungstech-nik) im individuellen Anlagenbau bei kleinen und mittleren Anlagengroumlszligen im Anlagenbau im Investitionsguumlterbereich und

bull Regelungstechnik in leittechnischen Anlagen sowie in mittleren und groumlszlige-ren verfahrenstechnischen Anlagen

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung im Maschinenbau und imKleinanlagenbau werden heute noch stark durch den Einsatz von separaten Einzel-produkten (Software oder Hardware) realisiert Mit SIMATIC TIA (Totally IntegratedAutomation) werden neben den Standard-SPS-Produkten auch Regelprodukteangeboten die voll in die SIMATIC-Welt integriert sind Fuumlr die jeweilige Aufgaben-stellung werden leistungsmaumlszligig abgestufte Regelprodukte in Hardware- und Soft-wareausfuumlhrung angeboten Um den Trend zur immer weitergehenden Modulari-sierung der Steuerungsaufgaben gerecht zu werden kommen Regler mehr undmehr auch im Bereich der Kleinsteuerungen (LOGO SIMATIC S7-200 und S7-1200)zum Einsatz

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung in verfahrenstechnischenAnlagen sind integrierte Bestandteile eines Gesamtsystems das heute unter demBegriff SIMATIC PCS 7 (Process Control System) vermarktet wird

Fuumlr die Regler-Optimierung spielen diese Unterscheidungen keine wesentlicheRolle Die Unterschiede treten auf bei der Art der Projektierung und Visualisierungbeim Anschluss an ein Stoumlr- und Betriebsmeldesystem sowie bei der Integration indas Kommunikationskonzept der Anlage

Dieses Buch stellt viele Beispiele aus realen Applikationen sowie deren regelungs-technische Loumlsungen mit SIMATIC-Reglern dar

Begeben Sie sich mit uns zusammen auf die spannende Reise durch die Welt derRegelungstechnik in der SIMATIC ihr Umfeld und die typischen Applikationen

Karlsruhe im April 2011 Bernd-Markus PfeifferRoland Wieser

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Inhaltsverzeichnis

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick 11

11 Prozesse und ihr Verhalten 11

12 Regler und Reglerbenennungen 15121 Benennung nach Einsatz und Aufbau 16122 Benennung nach verwendeten Parameteranteilen 17123 Benennung nach verwendeter Regelgroumlszlige 22124 Benennung nach verwendeter Regelstruktur 23125 Benennung nach dem zu regelnden Prozess 24126 Benennung nach Art und Quelle des Sollwerts 24

13 Verwendete Formelzeichen 25

14 Regler und ihre Signale 26141 Formen der Eingangssignale an Reglern im Controller 27142 Formen der Ausgangssignale an Reglern im Controller 28

2 Planung von Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 33

21 Uumlbersicht der SIMATIC-Regelprodukte 33

22 Auswahl des Regelprodukts 36221 Anschlusstechnik 38222 Mengengeruumlst und Dynamik einer Regelung 40223 Guumltekriterium und Genauigkeit einer Regelung 43224 Sicherheitsanforderungen 45225 Bedienung und Visualisierung 45226 Komplexitaumlt und Flexibilitaumlt 46227 Einstellhilfe PID Self-Tuner 46228 Regler mit integrierter Einstellhilfe 48

23 Vorteile von Softwarereglern und FMs 50

3 Aktoren und Sensoren einer Regelung 53

31 Einfluss der Stellorgane auf die Regelung 53311 Schuumltze Relais und Halbleiterrelais 58312 Ventile und Schieber 58313 Klappen und Drosselklappen 61314 Magnetventile 61315 Drehzahlveraumlnderbare Pumpen und Motoren 61316 Stellglieder der Dosierung 62

32 Einfluss der Messtechnik auf die Regelung 63321 Messsignale direkt angeschlossener Thermoelemente 64322 Messsignale direkt angeschlossener Widerstandsthermometer 67323 Standardsignale (010 V 420 mA oder 020 mA) 69324 Messprinzip der Analogerfassung 70325 Aufloumlsung Genauigkeit und Reproduzierbarkeit 72

33 Anschluss der Aktoren und Sensoren an den Controller 73

Inhaltsverzeichnis

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4 Darstellung von Regelungen 76

41 Flieszligbilder nach DIN 28004 76

42 Planunterlagen nach DIN 19227 Teil 1 78

43 Regler in der Projektieroberflaumlche 81431 Softwareregelungen in der textuellen Darstellung AWL 81432 Modulare Regelungen in der Darstellung CFC 81433 Parametrierung kompakter Regelungen 82434 Projektierung der PID-Regler in der S7-200S7-1200 83435 Projektierung der PI-Regler im Logikmodul LOGO 84436 Regler-Projektierung in SIMATIC PCS 7 85

44 Softwareregler in der Bedienoberflaumlche 86

45 Die Bedienoberflaumlche der Hardwareregler 89451 Die Bedienung der Regel-FMs 89452 Die Bedienung des Logikmoduls LOGO 89453 Die Bedienung der SIPART-Regler 90

5 Betriebsarten 91

51 Uumlbersicht der Betriebsarten 91

52 Die Betriebsarten Hand und Automatik 93521 Hand-Automatikumschaltung mit Stoszligfreiheit 93522 Automatik- Handumschaltung mit Stoszligfreiheit 94523 Hand- Automatikumschaltung ohne Stoszligfreiheit 95524 Automatik-Handumschaltung ohne Stoszligfreiheit 96525 Automatik-Sicherheitsstellwertumschaltung 96526 SPC- bzw DDC-Sicherheitssollwertumschaltung 96

53 Anfahren des (Software-)Reglers nach WiederanlaufNeustart der CPU 97531 Anfahren des Regelkreises ohne Stoszligfreiheit 97532 Anfahren des Regelkreises mit Stoszligfreiheit 98

54 Betriebsweise nach Regler AUSEIN 99541 Gesteuertes Anfahren eines Regelkreises 100542 Geregeltes Anfahren eines Regelkreises 101

55 Sicherheitsbetriebsarten 102551 SPC-Backup 102552 DDC-Backup 102553 Sicherheitssollwert 103554 Sicherheitsstellwert 104

6 Funktionen eines Prozessreglers 105

61 Die elementaren Funktionen des Sollwertzweigs 105611 Interne Sollwertvorgabe 105612 Externe Sollwertvorgabe 106613 Sollwertrampe 106614 Sollwertbegrenzung 107

62 Die elementaren Funktionen des Istwertzweigs 107621 Der Filter 107622 Die Normierung 108623 Die Linearisierung 108624 Istwertuumlberwachung 108

Inhaltsverzeichnis

9

63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

10

9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

11

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

12

die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

13

Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

14

Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uumlber httpdnbd-nbde abrufbar

Autoren und Verlag haben alle Texte und Abbildungen in diesem Buch mit groszliger Sorgfalt erarbeitet Dennoch koumlnnen Fehler nicht ausgeschlossen werden Eine Haftung des Verlags oder der Autoren gleich aus welchem Rechtsgrund fuumlr durch die Verwendung der Programmierbeispiele verursachte Schaumlden ist ausgeschlossen

wwwpublicis-booksde

ISBN 978-3-89578-688-4

4 Auflage 2011

Vollstaumlndige E-Book-Ausgabe von Juumlrgen-Klaus Muumlller Bernd-Markus Pfeiffer Roland Wieser bdquoRegeln mit SIMATICldquo ISBN 978-3-89578-340-1 (Printausgabe)

Herausgeber Siemens Aktiengesellschaft Berlin und Muumlnchen Verlag Publicis Publishing Erlangen copy 2011 by Publicis Erlangen Zweigniederlassung der PWW GmbH

Das Werk einschlieszliglich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschuumltzt Jede Verwendung auszligerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulaumlssig und strafbar Das gilt insbesondere fuumlr Vervielfaumlltigungen Uumlbersetzungen Mikroverfilmungen Bearbeitungen sonstiger Art sowie fuumlr die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen Dies gilt auch fuumlr die Entnahme von einzelnen Abbildungen und bei auszugsweiser Verwertung von Texten

Printed in Germany

5

Vorwort

Als Mitarbeiter der Siemens AG hat Juumlrgen Muumlller uumlber viele Jahre im Bereich Rege-lungen mit SIMATIC S5 und S7 sowie Prozessregelung gearbeitet Dabei haben sichdie Taumltigkeitsfelder von Projektierung und Softwareerstellung Mitwirkung in derProduktentwicklung uumlber die Lastenhefterstellung von regelungstechnischenStandardprodukten und den entwicklungsbegleitenden Systemtests bis hin zu Stouml-rungsbeseitigungen und Serviceeinsaumltzen bei Endkunden im In- und Auslanderstreckt Aus seiner Taumltigkeit und insbesondere aus den Erfahrungen in der Praxiszu Anforderungen in der Automatisierungstechnik mit dem SteuerungssystemSIMATIC S7 und dem Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7 erkannte er die Notwendig-keit eines Fachbuches als Bruumlcke zwischen rein theoretischem Grundwissen undden praktischen Anforderungen Die ersten drei Auflagen des Buches hat er alsHauptautor maszliggeblich gepraumlgt

Bernd-Markus Pfeiffer ist seit 1995 in der Vorfeldentwicklung der Siemens AGKarlsruhe fuumlr die Konzeption Spezifikation Entwicklung Dokumentation undErprobung regelungstechnicher Verfahren in SIMATIC S7 und vor allem PCS 7 ver-antwortlich Er ist Fachexperte fuumlr Advanced Process Control Lehrbeauftragter ander Universitaumlt Karlsruhe und Mitglied im VDIVDE-GMA-Fachausschuss 622 bdquoPro-zessfuumlhrung und gehobene Regelungsverfahrenldquo Das Buch bdquoRegeln mit SIMATICldquohat er zunaumlchst als fachlicher Berater dann als Ko-Autor begleitet In der vorliegen-den vierten Auflage hat er als Hauptautor zusammen mit Roland Wieser die Ausfuumlh-rungen zum Regeln mit SIMATIC PCS 7 staumlrker in den Vordergrund geruumlckt sowieden Themenbereich bdquoAdvanced Process Controlldquo erweitert und vertieft

Roland Wieser ist seit 1978 bei der Siemens AG in Karlsruhe taumltig wo er zunaumlchst inder Vorfeldentwicklung u a auch bei der Entwicklung von Teleperm M mitgewirkthat Es folgte eine Taumltigkeit in der Fachabteilung Teleperm M aus der er heraus dieEntstehung und Vermarktung von SIMATIC PCS 7 mitgestaltet und die Etablierungam Markt begleitet hat Heute ist er im Marketing von PCS 7 fuumlr div Technologie-themen zustaumlndig u a auch fuumlr Advanced Process Control

Mit diesem Anspruch definiert sich auch die Zielgruppe dieses Buches Es richtetsich an alle die mit der Planung dem Vertrieb der Realisierung der Ausfuumlhrungund der Inbetriebnahme von Regelungen in der Fertigungstechnik und im Indus-trieanlagenbau mit SIMATIC S7 und der Automatisierung von Regelungen in ver-fahrenstechnischen Anlagen mit SIMATIC PCS 7 zu tun haben Dies sind in derRegel Inbetriebsetzer Projekteure und Verfahrenstechniker und alle Ingenieurefuumlr die das Thema Regelungstechnik und im speziellen Regelungstechnik in denfreiprogrammierbaren Steuerungen der SIMATIC-Reihe in ihrer taumlglichen Arbeiteine zunehmende Rolle spielt Das Buch will praktische Hinweise Faustformelnpragmatische bdquoKochrezepteldquo und Beispiele aus der Praxis bieten und somit eine

Vorwort

6

Hilfe darstellen fuumlr den praktisch arbeitenden Ingenieur Theorie und schulmaumlszligigeGrundlagen werden nur am Rand gestreift oder dort zitiert wo es sich nicht ver-meiden laumlsst Alle aufgefuumlhrten Beispiele sind an existierende industrielle Applika-tionen angelehnt und sollen dem Leser die eine oder andere Anregung und Hilfe-stellung fuumlr die Projektierung und Inbetriebnahme seiner eigenen regelungstech-nischen Anwendungen bieten

Das Buch verfolgt im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schwerpunkte

bull Regelungstechnik im Maschinenbau (SerienmaschinenbauFertigungstech-nik) im individuellen Anlagenbau bei kleinen und mittleren Anlagengroumlszligen im Anlagenbau im Investitionsguumlterbereich und

bull Regelungstechnik in leittechnischen Anlagen sowie in mittleren und groumlszlige-ren verfahrenstechnischen Anlagen

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung im Maschinenbau und imKleinanlagenbau werden heute noch stark durch den Einsatz von separaten Einzel-produkten (Software oder Hardware) realisiert Mit SIMATIC TIA (Totally IntegratedAutomation) werden neben den Standard-SPS-Produkten auch Regelprodukteangeboten die voll in die SIMATIC-Welt integriert sind Fuumlr die jeweilige Aufgaben-stellung werden leistungsmaumlszligig abgestufte Regelprodukte in Hardware- und Soft-wareausfuumlhrung angeboten Um den Trend zur immer weitergehenden Modulari-sierung der Steuerungsaufgaben gerecht zu werden kommen Regler mehr undmehr auch im Bereich der Kleinsteuerungen (LOGO SIMATIC S7-200 und S7-1200)zum Einsatz

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung in verfahrenstechnischenAnlagen sind integrierte Bestandteile eines Gesamtsystems das heute unter demBegriff SIMATIC PCS 7 (Process Control System) vermarktet wird

Fuumlr die Regler-Optimierung spielen diese Unterscheidungen keine wesentlicheRolle Die Unterschiede treten auf bei der Art der Projektierung und Visualisierungbeim Anschluss an ein Stoumlr- und Betriebsmeldesystem sowie bei der Integration indas Kommunikationskonzept der Anlage

Dieses Buch stellt viele Beispiele aus realen Applikationen sowie deren regelungs-technische Loumlsungen mit SIMATIC-Reglern dar

Begeben Sie sich mit uns zusammen auf die spannende Reise durch die Welt derRegelungstechnik in der SIMATIC ihr Umfeld und die typischen Applikationen

Karlsruhe im April 2011 Bernd-Markus PfeifferRoland Wieser

7

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick 11

11 Prozesse und ihr Verhalten 11

12 Regler und Reglerbenennungen 15121 Benennung nach Einsatz und Aufbau 16122 Benennung nach verwendeten Parameteranteilen 17123 Benennung nach verwendeter Regelgroumlszlige 22124 Benennung nach verwendeter Regelstruktur 23125 Benennung nach dem zu regelnden Prozess 24126 Benennung nach Art und Quelle des Sollwerts 24

13 Verwendete Formelzeichen 25

14 Regler und ihre Signale 26141 Formen der Eingangssignale an Reglern im Controller 27142 Formen der Ausgangssignale an Reglern im Controller 28

2 Planung von Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 33

21 Uumlbersicht der SIMATIC-Regelprodukte 33

22 Auswahl des Regelprodukts 36221 Anschlusstechnik 38222 Mengengeruumlst und Dynamik einer Regelung 40223 Guumltekriterium und Genauigkeit einer Regelung 43224 Sicherheitsanforderungen 45225 Bedienung und Visualisierung 45226 Komplexitaumlt und Flexibilitaumlt 46227 Einstellhilfe PID Self-Tuner 46228 Regler mit integrierter Einstellhilfe 48

23 Vorteile von Softwarereglern und FMs 50

3 Aktoren und Sensoren einer Regelung 53

31 Einfluss der Stellorgane auf die Regelung 53311 Schuumltze Relais und Halbleiterrelais 58312 Ventile und Schieber 58313 Klappen und Drosselklappen 61314 Magnetventile 61315 Drehzahlveraumlnderbare Pumpen und Motoren 61316 Stellglieder der Dosierung 62

32 Einfluss der Messtechnik auf die Regelung 63321 Messsignale direkt angeschlossener Thermoelemente 64322 Messsignale direkt angeschlossener Widerstandsthermometer 67323 Standardsignale (010 V 420 mA oder 020 mA) 69324 Messprinzip der Analogerfassung 70325 Aufloumlsung Genauigkeit und Reproduzierbarkeit 72

33 Anschluss der Aktoren und Sensoren an den Controller 73

Inhaltsverzeichnis

8

4 Darstellung von Regelungen 76

41 Flieszligbilder nach DIN 28004 76

42 Planunterlagen nach DIN 19227 Teil 1 78

43 Regler in der Projektieroberflaumlche 81431 Softwareregelungen in der textuellen Darstellung AWL 81432 Modulare Regelungen in der Darstellung CFC 81433 Parametrierung kompakter Regelungen 82434 Projektierung der PID-Regler in der S7-200S7-1200 83435 Projektierung der PI-Regler im Logikmodul LOGO 84436 Regler-Projektierung in SIMATIC PCS 7 85

44 Softwareregler in der Bedienoberflaumlche 86

45 Die Bedienoberflaumlche der Hardwareregler 89451 Die Bedienung der Regel-FMs 89452 Die Bedienung des Logikmoduls LOGO 89453 Die Bedienung der SIPART-Regler 90

5 Betriebsarten 91

51 Uumlbersicht der Betriebsarten 91

52 Die Betriebsarten Hand und Automatik 93521 Hand-Automatikumschaltung mit Stoszligfreiheit 93522 Automatik- Handumschaltung mit Stoszligfreiheit 94523 Hand- Automatikumschaltung ohne Stoszligfreiheit 95524 Automatik-Handumschaltung ohne Stoszligfreiheit 96525 Automatik-Sicherheitsstellwertumschaltung 96526 SPC- bzw DDC-Sicherheitssollwertumschaltung 96

53 Anfahren des (Software-)Reglers nach WiederanlaufNeustart der CPU 97531 Anfahren des Regelkreises ohne Stoszligfreiheit 97532 Anfahren des Regelkreises mit Stoszligfreiheit 98

54 Betriebsweise nach Regler AUSEIN 99541 Gesteuertes Anfahren eines Regelkreises 100542 Geregeltes Anfahren eines Regelkreises 101

55 Sicherheitsbetriebsarten 102551 SPC-Backup 102552 DDC-Backup 102553 Sicherheitssollwert 103554 Sicherheitsstellwert 104

6 Funktionen eines Prozessreglers 105

61 Die elementaren Funktionen des Sollwertzweigs 105611 Interne Sollwertvorgabe 105612 Externe Sollwertvorgabe 106613 Sollwertrampe 106614 Sollwertbegrenzung 107

62 Die elementaren Funktionen des Istwertzweigs 107621 Der Filter 107622 Die Normierung 108623 Die Linearisierung 108624 Istwertuumlberwachung 108

Inhaltsverzeichnis

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63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

10

9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

11

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

12

die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

13

Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

14

Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

5

Vorwort

Als Mitarbeiter der Siemens AG hat Juumlrgen Muumlller uumlber viele Jahre im Bereich Rege-lungen mit SIMATIC S5 und S7 sowie Prozessregelung gearbeitet Dabei haben sichdie Taumltigkeitsfelder von Projektierung und Softwareerstellung Mitwirkung in derProduktentwicklung uumlber die Lastenhefterstellung von regelungstechnischenStandardprodukten und den entwicklungsbegleitenden Systemtests bis hin zu Stouml-rungsbeseitigungen und Serviceeinsaumltzen bei Endkunden im In- und Auslanderstreckt Aus seiner Taumltigkeit und insbesondere aus den Erfahrungen in der Praxiszu Anforderungen in der Automatisierungstechnik mit dem SteuerungssystemSIMATIC S7 und dem Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7 erkannte er die Notwendig-keit eines Fachbuches als Bruumlcke zwischen rein theoretischem Grundwissen undden praktischen Anforderungen Die ersten drei Auflagen des Buches hat er alsHauptautor maszliggeblich gepraumlgt

Bernd-Markus Pfeiffer ist seit 1995 in der Vorfeldentwicklung der Siemens AGKarlsruhe fuumlr die Konzeption Spezifikation Entwicklung Dokumentation undErprobung regelungstechnicher Verfahren in SIMATIC S7 und vor allem PCS 7 ver-antwortlich Er ist Fachexperte fuumlr Advanced Process Control Lehrbeauftragter ander Universitaumlt Karlsruhe und Mitglied im VDIVDE-GMA-Fachausschuss 622 bdquoPro-zessfuumlhrung und gehobene Regelungsverfahrenldquo Das Buch bdquoRegeln mit SIMATICldquohat er zunaumlchst als fachlicher Berater dann als Ko-Autor begleitet In der vorliegen-den vierten Auflage hat er als Hauptautor zusammen mit Roland Wieser die Ausfuumlh-rungen zum Regeln mit SIMATIC PCS 7 staumlrker in den Vordergrund geruumlckt sowieden Themenbereich bdquoAdvanced Process Controlldquo erweitert und vertieft

Roland Wieser ist seit 1978 bei der Siemens AG in Karlsruhe taumltig wo er zunaumlchst inder Vorfeldentwicklung u a auch bei der Entwicklung von Teleperm M mitgewirkthat Es folgte eine Taumltigkeit in der Fachabteilung Teleperm M aus der er heraus dieEntstehung und Vermarktung von SIMATIC PCS 7 mitgestaltet und die Etablierungam Markt begleitet hat Heute ist er im Marketing von PCS 7 fuumlr div Technologie-themen zustaumlndig u a auch fuumlr Advanced Process Control

Mit diesem Anspruch definiert sich auch die Zielgruppe dieses Buches Es richtetsich an alle die mit der Planung dem Vertrieb der Realisierung der Ausfuumlhrungund der Inbetriebnahme von Regelungen in der Fertigungstechnik und im Indus-trieanlagenbau mit SIMATIC S7 und der Automatisierung von Regelungen in ver-fahrenstechnischen Anlagen mit SIMATIC PCS 7 zu tun haben Dies sind in derRegel Inbetriebsetzer Projekteure und Verfahrenstechniker und alle Ingenieurefuumlr die das Thema Regelungstechnik und im speziellen Regelungstechnik in denfreiprogrammierbaren Steuerungen der SIMATIC-Reihe in ihrer taumlglichen Arbeiteine zunehmende Rolle spielt Das Buch will praktische Hinweise Faustformelnpragmatische bdquoKochrezepteldquo und Beispiele aus der Praxis bieten und somit eine

Vorwort

6

Hilfe darstellen fuumlr den praktisch arbeitenden Ingenieur Theorie und schulmaumlszligigeGrundlagen werden nur am Rand gestreift oder dort zitiert wo es sich nicht ver-meiden laumlsst Alle aufgefuumlhrten Beispiele sind an existierende industrielle Applika-tionen angelehnt und sollen dem Leser die eine oder andere Anregung und Hilfe-stellung fuumlr die Projektierung und Inbetriebnahme seiner eigenen regelungstech-nischen Anwendungen bieten

Das Buch verfolgt im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schwerpunkte

bull Regelungstechnik im Maschinenbau (SerienmaschinenbauFertigungstech-nik) im individuellen Anlagenbau bei kleinen und mittleren Anlagengroumlszligen im Anlagenbau im Investitionsguumlterbereich und

bull Regelungstechnik in leittechnischen Anlagen sowie in mittleren und groumlszlige-ren verfahrenstechnischen Anlagen

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung im Maschinenbau und imKleinanlagenbau werden heute noch stark durch den Einsatz von separaten Einzel-produkten (Software oder Hardware) realisiert Mit SIMATIC TIA (Totally IntegratedAutomation) werden neben den Standard-SPS-Produkten auch Regelprodukteangeboten die voll in die SIMATIC-Welt integriert sind Fuumlr die jeweilige Aufgaben-stellung werden leistungsmaumlszligig abgestufte Regelprodukte in Hardware- und Soft-wareausfuumlhrung angeboten Um den Trend zur immer weitergehenden Modulari-sierung der Steuerungsaufgaben gerecht zu werden kommen Regler mehr undmehr auch im Bereich der Kleinsteuerungen (LOGO SIMATIC S7-200 und S7-1200)zum Einsatz

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung in verfahrenstechnischenAnlagen sind integrierte Bestandteile eines Gesamtsystems das heute unter demBegriff SIMATIC PCS 7 (Process Control System) vermarktet wird

Fuumlr die Regler-Optimierung spielen diese Unterscheidungen keine wesentlicheRolle Die Unterschiede treten auf bei der Art der Projektierung und Visualisierungbeim Anschluss an ein Stoumlr- und Betriebsmeldesystem sowie bei der Integration indas Kommunikationskonzept der Anlage

Dieses Buch stellt viele Beispiele aus realen Applikationen sowie deren regelungs-technische Loumlsungen mit SIMATIC-Reglern dar

Begeben Sie sich mit uns zusammen auf die spannende Reise durch die Welt derRegelungstechnik in der SIMATIC ihr Umfeld und die typischen Applikationen

Karlsruhe im April 2011 Bernd-Markus PfeifferRoland Wieser

7

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick 11

11 Prozesse und ihr Verhalten 11

12 Regler und Reglerbenennungen 15121 Benennung nach Einsatz und Aufbau 16122 Benennung nach verwendeten Parameteranteilen 17123 Benennung nach verwendeter Regelgroumlszlige 22124 Benennung nach verwendeter Regelstruktur 23125 Benennung nach dem zu regelnden Prozess 24126 Benennung nach Art und Quelle des Sollwerts 24

13 Verwendete Formelzeichen 25

14 Regler und ihre Signale 26141 Formen der Eingangssignale an Reglern im Controller 27142 Formen der Ausgangssignale an Reglern im Controller 28

2 Planung von Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 33

21 Uumlbersicht der SIMATIC-Regelprodukte 33

22 Auswahl des Regelprodukts 36221 Anschlusstechnik 38222 Mengengeruumlst und Dynamik einer Regelung 40223 Guumltekriterium und Genauigkeit einer Regelung 43224 Sicherheitsanforderungen 45225 Bedienung und Visualisierung 45226 Komplexitaumlt und Flexibilitaumlt 46227 Einstellhilfe PID Self-Tuner 46228 Regler mit integrierter Einstellhilfe 48

23 Vorteile von Softwarereglern und FMs 50

3 Aktoren und Sensoren einer Regelung 53

31 Einfluss der Stellorgane auf die Regelung 53311 Schuumltze Relais und Halbleiterrelais 58312 Ventile und Schieber 58313 Klappen und Drosselklappen 61314 Magnetventile 61315 Drehzahlveraumlnderbare Pumpen und Motoren 61316 Stellglieder der Dosierung 62

32 Einfluss der Messtechnik auf die Regelung 63321 Messsignale direkt angeschlossener Thermoelemente 64322 Messsignale direkt angeschlossener Widerstandsthermometer 67323 Standardsignale (010 V 420 mA oder 020 mA) 69324 Messprinzip der Analogerfassung 70325 Aufloumlsung Genauigkeit und Reproduzierbarkeit 72

33 Anschluss der Aktoren und Sensoren an den Controller 73

Inhaltsverzeichnis

8

4 Darstellung von Regelungen 76

41 Flieszligbilder nach DIN 28004 76

42 Planunterlagen nach DIN 19227 Teil 1 78

43 Regler in der Projektieroberflaumlche 81431 Softwareregelungen in der textuellen Darstellung AWL 81432 Modulare Regelungen in der Darstellung CFC 81433 Parametrierung kompakter Regelungen 82434 Projektierung der PID-Regler in der S7-200S7-1200 83435 Projektierung der PI-Regler im Logikmodul LOGO 84436 Regler-Projektierung in SIMATIC PCS 7 85

44 Softwareregler in der Bedienoberflaumlche 86

45 Die Bedienoberflaumlche der Hardwareregler 89451 Die Bedienung der Regel-FMs 89452 Die Bedienung des Logikmoduls LOGO 89453 Die Bedienung der SIPART-Regler 90

5 Betriebsarten 91

51 Uumlbersicht der Betriebsarten 91

52 Die Betriebsarten Hand und Automatik 93521 Hand-Automatikumschaltung mit Stoszligfreiheit 93522 Automatik- Handumschaltung mit Stoszligfreiheit 94523 Hand- Automatikumschaltung ohne Stoszligfreiheit 95524 Automatik-Handumschaltung ohne Stoszligfreiheit 96525 Automatik-Sicherheitsstellwertumschaltung 96526 SPC- bzw DDC-Sicherheitssollwertumschaltung 96

53 Anfahren des (Software-)Reglers nach WiederanlaufNeustart der CPU 97531 Anfahren des Regelkreises ohne Stoszligfreiheit 97532 Anfahren des Regelkreises mit Stoszligfreiheit 98

54 Betriebsweise nach Regler AUSEIN 99541 Gesteuertes Anfahren eines Regelkreises 100542 Geregeltes Anfahren eines Regelkreises 101

55 Sicherheitsbetriebsarten 102551 SPC-Backup 102552 DDC-Backup 102553 Sicherheitssollwert 103554 Sicherheitsstellwert 104

6 Funktionen eines Prozessreglers 105

61 Die elementaren Funktionen des Sollwertzweigs 105611 Interne Sollwertvorgabe 105612 Externe Sollwertvorgabe 106613 Sollwertrampe 106614 Sollwertbegrenzung 107

62 Die elementaren Funktionen des Istwertzweigs 107621 Der Filter 107622 Die Normierung 108623 Die Linearisierung 108624 Istwertuumlberwachung 108

Inhaltsverzeichnis

9

63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

10

9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

11

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

13

Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

14

Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

Vorwort

6

Hilfe darstellen fuumlr den praktisch arbeitenden Ingenieur Theorie und schulmaumlszligigeGrundlagen werden nur am Rand gestreift oder dort zitiert wo es sich nicht ver-meiden laumlsst Alle aufgefuumlhrten Beispiele sind an existierende industrielle Applika-tionen angelehnt und sollen dem Leser die eine oder andere Anregung und Hilfe-stellung fuumlr die Projektierung und Inbetriebnahme seiner eigenen regelungstech-nischen Anwendungen bieten

Das Buch verfolgt im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schwerpunkte

bull Regelungstechnik im Maschinenbau (SerienmaschinenbauFertigungstech-nik) im individuellen Anlagenbau bei kleinen und mittleren Anlagengroumlszligen im Anlagenbau im Investitionsguumlterbereich und

bull Regelungstechnik in leittechnischen Anlagen sowie in mittleren und groumlszlige-ren verfahrenstechnischen Anlagen

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung im Maschinenbau und imKleinanlagenbau werden heute noch stark durch den Einsatz von separaten Einzel-produkten (Software oder Hardware) realisiert Mit SIMATIC TIA (Totally IntegratedAutomation) werden neben den Standard-SPS-Produkten auch Regelprodukteangeboten die voll in die SIMATIC-Welt integriert sind Fuumlr die jeweilige Aufgaben-stellung werden leistungsmaumlszligig abgestufte Regelprodukte in Hardware- und Soft-wareausfuumlhrung angeboten Um den Trend zur immer weitergehenden Modulari-sierung der Steuerungsaufgaben gerecht zu werden kommen Regler mehr undmehr auch im Bereich der Kleinsteuerungen (LOGO SIMATIC S7-200 und S7-1200)zum Einsatz

Regler als Teil einer gesamten Automatisierungsloumlsung in verfahrenstechnischenAnlagen sind integrierte Bestandteile eines Gesamtsystems das heute unter demBegriff SIMATIC PCS 7 (Process Control System) vermarktet wird

Fuumlr die Regler-Optimierung spielen diese Unterscheidungen keine wesentlicheRolle Die Unterschiede treten auf bei der Art der Projektierung und Visualisierungbeim Anschluss an ein Stoumlr- und Betriebsmeldesystem sowie bei der Integration indas Kommunikationskonzept der Anlage

Dieses Buch stellt viele Beispiele aus realen Applikationen sowie deren regelungs-technische Loumlsungen mit SIMATIC-Reglern dar

Begeben Sie sich mit uns zusammen auf die spannende Reise durch die Welt derRegelungstechnik in der SIMATIC ihr Umfeld und die typischen Applikationen

Karlsruhe im April 2011 Bernd-Markus PfeifferRoland Wieser

7

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick 11

11 Prozesse und ihr Verhalten 11

12 Regler und Reglerbenennungen 15121 Benennung nach Einsatz und Aufbau 16122 Benennung nach verwendeten Parameteranteilen 17123 Benennung nach verwendeter Regelgroumlszlige 22124 Benennung nach verwendeter Regelstruktur 23125 Benennung nach dem zu regelnden Prozess 24126 Benennung nach Art und Quelle des Sollwerts 24

13 Verwendete Formelzeichen 25

14 Regler und ihre Signale 26141 Formen der Eingangssignale an Reglern im Controller 27142 Formen der Ausgangssignale an Reglern im Controller 28

2 Planung von Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 33

21 Uumlbersicht der SIMATIC-Regelprodukte 33

22 Auswahl des Regelprodukts 36221 Anschlusstechnik 38222 Mengengeruumlst und Dynamik einer Regelung 40223 Guumltekriterium und Genauigkeit einer Regelung 43224 Sicherheitsanforderungen 45225 Bedienung und Visualisierung 45226 Komplexitaumlt und Flexibilitaumlt 46227 Einstellhilfe PID Self-Tuner 46228 Regler mit integrierter Einstellhilfe 48

23 Vorteile von Softwarereglern und FMs 50

3 Aktoren und Sensoren einer Regelung 53

31 Einfluss der Stellorgane auf die Regelung 53311 Schuumltze Relais und Halbleiterrelais 58312 Ventile und Schieber 58313 Klappen und Drosselklappen 61314 Magnetventile 61315 Drehzahlveraumlnderbare Pumpen und Motoren 61316 Stellglieder der Dosierung 62

32 Einfluss der Messtechnik auf die Regelung 63321 Messsignale direkt angeschlossener Thermoelemente 64322 Messsignale direkt angeschlossener Widerstandsthermometer 67323 Standardsignale (010 V 420 mA oder 020 mA) 69324 Messprinzip der Analogerfassung 70325 Aufloumlsung Genauigkeit und Reproduzierbarkeit 72

33 Anschluss der Aktoren und Sensoren an den Controller 73

Inhaltsverzeichnis

8

4 Darstellung von Regelungen 76

41 Flieszligbilder nach DIN 28004 76

42 Planunterlagen nach DIN 19227 Teil 1 78

43 Regler in der Projektieroberflaumlche 81431 Softwareregelungen in der textuellen Darstellung AWL 81432 Modulare Regelungen in der Darstellung CFC 81433 Parametrierung kompakter Regelungen 82434 Projektierung der PID-Regler in der S7-200S7-1200 83435 Projektierung der PI-Regler im Logikmodul LOGO 84436 Regler-Projektierung in SIMATIC PCS 7 85

44 Softwareregler in der Bedienoberflaumlche 86

45 Die Bedienoberflaumlche der Hardwareregler 89451 Die Bedienung der Regel-FMs 89452 Die Bedienung des Logikmoduls LOGO 89453 Die Bedienung der SIPART-Regler 90

5 Betriebsarten 91

51 Uumlbersicht der Betriebsarten 91

52 Die Betriebsarten Hand und Automatik 93521 Hand-Automatikumschaltung mit Stoszligfreiheit 93522 Automatik- Handumschaltung mit Stoszligfreiheit 94523 Hand- Automatikumschaltung ohne Stoszligfreiheit 95524 Automatik-Handumschaltung ohne Stoszligfreiheit 96525 Automatik-Sicherheitsstellwertumschaltung 96526 SPC- bzw DDC-Sicherheitssollwertumschaltung 96

53 Anfahren des (Software-)Reglers nach WiederanlaufNeustart der CPU 97531 Anfahren des Regelkreises ohne Stoszligfreiheit 97532 Anfahren des Regelkreises mit Stoszligfreiheit 98

54 Betriebsweise nach Regler AUSEIN 99541 Gesteuertes Anfahren eines Regelkreises 100542 Geregeltes Anfahren eines Regelkreises 101

55 Sicherheitsbetriebsarten 102551 SPC-Backup 102552 DDC-Backup 102553 Sicherheitssollwert 103554 Sicherheitsstellwert 104

6 Funktionen eines Prozessreglers 105

61 Die elementaren Funktionen des Sollwertzweigs 105611 Interne Sollwertvorgabe 105612 Externe Sollwertvorgabe 106613 Sollwertrampe 106614 Sollwertbegrenzung 107

62 Die elementaren Funktionen des Istwertzweigs 107621 Der Filter 107622 Die Normierung 108623 Die Linearisierung 108624 Istwertuumlberwachung 108

Inhaltsverzeichnis

9

63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

10

9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

11

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

12

die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

13

Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

14

Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

7

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick 11

11 Prozesse und ihr Verhalten 11

12 Regler und Reglerbenennungen 15121 Benennung nach Einsatz und Aufbau 16122 Benennung nach verwendeten Parameteranteilen 17123 Benennung nach verwendeter Regelgroumlszlige 22124 Benennung nach verwendeter Regelstruktur 23125 Benennung nach dem zu regelnden Prozess 24126 Benennung nach Art und Quelle des Sollwerts 24

13 Verwendete Formelzeichen 25

14 Regler und ihre Signale 26141 Formen der Eingangssignale an Reglern im Controller 27142 Formen der Ausgangssignale an Reglern im Controller 28

2 Planung von Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7 33

21 Uumlbersicht der SIMATIC-Regelprodukte 33

22 Auswahl des Regelprodukts 36221 Anschlusstechnik 38222 Mengengeruumlst und Dynamik einer Regelung 40223 Guumltekriterium und Genauigkeit einer Regelung 43224 Sicherheitsanforderungen 45225 Bedienung und Visualisierung 45226 Komplexitaumlt und Flexibilitaumlt 46227 Einstellhilfe PID Self-Tuner 46228 Regler mit integrierter Einstellhilfe 48

23 Vorteile von Softwarereglern und FMs 50

3 Aktoren und Sensoren einer Regelung 53

31 Einfluss der Stellorgane auf die Regelung 53311 Schuumltze Relais und Halbleiterrelais 58312 Ventile und Schieber 58313 Klappen und Drosselklappen 61314 Magnetventile 61315 Drehzahlveraumlnderbare Pumpen und Motoren 61316 Stellglieder der Dosierung 62

32 Einfluss der Messtechnik auf die Regelung 63321 Messsignale direkt angeschlossener Thermoelemente 64322 Messsignale direkt angeschlossener Widerstandsthermometer 67323 Standardsignale (010 V 420 mA oder 020 mA) 69324 Messprinzip der Analogerfassung 70325 Aufloumlsung Genauigkeit und Reproduzierbarkeit 72

33 Anschluss der Aktoren und Sensoren an den Controller 73

Inhaltsverzeichnis

8

4 Darstellung von Regelungen 76

41 Flieszligbilder nach DIN 28004 76

42 Planunterlagen nach DIN 19227 Teil 1 78

43 Regler in der Projektieroberflaumlche 81431 Softwareregelungen in der textuellen Darstellung AWL 81432 Modulare Regelungen in der Darstellung CFC 81433 Parametrierung kompakter Regelungen 82434 Projektierung der PID-Regler in der S7-200S7-1200 83435 Projektierung der PI-Regler im Logikmodul LOGO 84436 Regler-Projektierung in SIMATIC PCS 7 85

44 Softwareregler in der Bedienoberflaumlche 86

45 Die Bedienoberflaumlche der Hardwareregler 89451 Die Bedienung der Regel-FMs 89452 Die Bedienung des Logikmoduls LOGO 89453 Die Bedienung der SIPART-Regler 90

5 Betriebsarten 91

51 Uumlbersicht der Betriebsarten 91

52 Die Betriebsarten Hand und Automatik 93521 Hand-Automatikumschaltung mit Stoszligfreiheit 93522 Automatik- Handumschaltung mit Stoszligfreiheit 94523 Hand- Automatikumschaltung ohne Stoszligfreiheit 95524 Automatik-Handumschaltung ohne Stoszligfreiheit 96525 Automatik-Sicherheitsstellwertumschaltung 96526 SPC- bzw DDC-Sicherheitssollwertumschaltung 96

53 Anfahren des (Software-)Reglers nach WiederanlaufNeustart der CPU 97531 Anfahren des Regelkreises ohne Stoszligfreiheit 97532 Anfahren des Regelkreises mit Stoszligfreiheit 98

54 Betriebsweise nach Regler AUSEIN 99541 Gesteuertes Anfahren eines Regelkreises 100542 Geregeltes Anfahren eines Regelkreises 101

55 Sicherheitsbetriebsarten 102551 SPC-Backup 102552 DDC-Backup 102553 Sicherheitssollwert 103554 Sicherheitsstellwert 104

6 Funktionen eines Prozessreglers 105

61 Die elementaren Funktionen des Sollwertzweigs 105611 Interne Sollwertvorgabe 105612 Externe Sollwertvorgabe 106613 Sollwertrampe 106614 Sollwertbegrenzung 107

62 Die elementaren Funktionen des Istwertzweigs 107621 Der Filter 107622 Die Normierung 108623 Die Linearisierung 108624 Istwertuumlberwachung 108

Inhaltsverzeichnis

9

63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

10

9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

11

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

12

die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

13

Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

14

Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

Inhaltsverzeichnis

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4 Darstellung von Regelungen 76

41 Flieszligbilder nach DIN 28004 76

42 Planunterlagen nach DIN 19227 Teil 1 78

43 Regler in der Projektieroberflaumlche 81431 Softwareregelungen in der textuellen Darstellung AWL 81432 Modulare Regelungen in der Darstellung CFC 81433 Parametrierung kompakter Regelungen 82434 Projektierung der PID-Regler in der S7-200S7-1200 83435 Projektierung der PI-Regler im Logikmodul LOGO 84436 Regler-Projektierung in SIMATIC PCS 7 85

44 Softwareregler in der Bedienoberflaumlche 86

45 Die Bedienoberflaumlche der Hardwareregler 89451 Die Bedienung der Regel-FMs 89452 Die Bedienung des Logikmoduls LOGO 89453 Die Bedienung der SIPART-Regler 90

5 Betriebsarten 91

51 Uumlbersicht der Betriebsarten 91

52 Die Betriebsarten Hand und Automatik 93521 Hand-Automatikumschaltung mit Stoszligfreiheit 93522 Automatik- Handumschaltung mit Stoszligfreiheit 94523 Hand- Automatikumschaltung ohne Stoszligfreiheit 95524 Automatik-Handumschaltung ohne Stoszligfreiheit 96525 Automatik-Sicherheitsstellwertumschaltung 96526 SPC- bzw DDC-Sicherheitssollwertumschaltung 96

53 Anfahren des (Software-)Reglers nach WiederanlaufNeustart der CPU 97531 Anfahren des Regelkreises ohne Stoszligfreiheit 97532 Anfahren des Regelkreises mit Stoszligfreiheit 98

54 Betriebsweise nach Regler AUSEIN 99541 Gesteuertes Anfahren eines Regelkreises 100542 Geregeltes Anfahren eines Regelkreises 101

55 Sicherheitsbetriebsarten 102551 SPC-Backup 102552 DDC-Backup 102553 Sicherheitssollwert 103554 Sicherheitsstellwert 104

6 Funktionen eines Prozessreglers 105

61 Die elementaren Funktionen des Sollwertzweigs 105611 Interne Sollwertvorgabe 105612 Externe Sollwertvorgabe 106613 Sollwertrampe 106614 Sollwertbegrenzung 107

62 Die elementaren Funktionen des Istwertzweigs 107621 Der Filter 107622 Die Normierung 108623 Die Linearisierung 108624 Istwertuumlberwachung 108

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63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

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9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

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Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

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1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

13

Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

14

Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

Inhaltsverzeichnis

9

63 Elementare Funktionen der Regeldifferenzbildung 110631 Die Ansprechschwelle 110632 Die Verhaumlltnisbildung eines Verhaumlltnisreglers 110

64 Die elementaren Funktionen des PID-Algorithmus 111641 Standard-PI- oder PID-Algorithmus mit D-Anteil im Vorwaumlrtszweig 111642 PI- oder PID-Algorithmus mit D- undoder P-Anteil im Ruumlckfuumlhrungszweig

(Strukturzerlegung) 112643 PI-Algorithmus mit D-Anteil im Stoumlrzweig 113644 P-Algorithmen 114645 Quasi-kontinuierliche und inkrementelle PID-Algorithmen 115646 Parallele und seriell-interaktive PID-Struktur 116

65 Elementare Funktionen der Signalausgabe 117651 Die Stellwertbegrenzung im Automatikbetrieb 117652 Handstellwertbegrenzung 117653 Pulsbreitenmodulation 117654 Schrittregler mit und ohne Stellungsruumlckmeldung 119

7 PID-Regelstrukturen und Advanced Process Control 121

71 Stoumlrgroumlszligenaufschaltung 121

72 Vorsteuerregelung 124

73 Verhaumlltnisregelung 124

74 Kaskadenregelung 126

75 Splitrange-Regelung 131

76 Hilfsgroumlszligenregelung 132

77 Abloumlse- oder Auswahlregelung (Override-Regelung) 133

78 PID Gain-Scheduling fuumlr nichtlineare Prozesse 136

79 PID mit Smith-Praumldiktor fuumlr Totzeitprozesse 137

710 Mehrgroumlszligenregelung 1397101 Grundlagen zu Gegenkopplung Mitkopplung Entkopplung 1407102 Modellbasierte Praumldiktivregelung Grundlagen 1427103 Modellbasierte Praumldiktivregelung Realisierungsalternativen 1457104 Leitsystem-intergrierte Praumldiktivregelung 1467105 Ankopplung externer APC-Softwarepakete 149

711 Vorgehensweise zur Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens 151

8 Der Aufruf von Softwarereglern im Controller 154

81 Zeitalarmebenen und Abtastzeiten 154

82 Aufrufe in SIMATIC STEP 7 154821 Aufteilung von zyklischen und Weckalarm-gesteuerten Programmteilen 154822 Zeittaktverteilung und Abtastzeiten der Funktionsglieder 155823 Zeittaktverteilung mit dem Baustein LP_SCHED 156824 Aufbau einer modularen Regelung 157

83 Aufrufe in S7-200 159

84 Aufrufe in LOGO 160

85 Aufrufe in SIMATIC PCS 7 160

Inhaltsverzeichnis

10

9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

11

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

12

die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

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Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

Inhaltsverzeichnis

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9 Inbetriebnahme von Prozessreglern 162

91 Erste Schritte 162911 Installation und Uumlberpruumlfung der Signalverbindungen 162912 Wirksinn eines Prozessreglers 162913 Vorbesetzung der Regelparameter 163914 Linearisierung von Prozesswerten 164915 Einstellungen der Pulsformerstufen 166916 Einstellungen eines Kaskadenreglers 168

92 Aufnahme der Sprungantwort des Prozesses 170921 Checkliste der Vorbereitungen 171922 Erste Aufnahme 172923 Strecken mit reinem Verzoumlgerungsverhalten 172924 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und passivem Kuumlhlen 174925 Temperaturstrecken mit aktivem Heizen und aktivem Kuumlhlen 176

93 Einstellregeln ndash Auswahl Grenzen und Bewertung 177931 Einstellung der Abtastzeit bei Softwareregelungen 179932 Einstellung nach ChienHronesReswick 180933 Einstellregeln totzeitbehafteter Strecken nach ZieglerNichols 181934 Einstellregel nach der Anstiegsgeschwindigkeit 181935 Einstellregel fuumlr empirisches Nachoptimieren 183

94 Umrechnung von S5 nach S7 185

95 Inbetriebnahme mit PID Self-Tuner 186

96 PCS 7 PID-Tuner 188

97 Inbetriebnahme der S7-200S7-1200 mit dem integrierten Autotuner 192

98 Uumlberwachung von Regelkreisen (Control Performance Monitoring) 194

10 Beispiele 196

Literaturverzeichnis 197

Normen Vorschriften Berichte und Links 198

Verwendete Abkuumlrzungen 199

Stichwortverzeichnis 203

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1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

13

Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

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1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

11 Prozesse und ihr Verhalten

Als Prozess bezeichnet man ein abgegrenztes System in dem Materie Energie undoder Information umgeformt undoder transportiert wird Die Beherrschung derProzesse und Prozesswerte im industriellen Umfeld ist das Haupteinsatzgebiet vonRegelgeraumlten oder Regeleinrichtungen Sie umfassen die Gesamtheit der zur Re-gelung benoumltigten Geraumlte einschlieszliglich Software mit mindestens einem Messgliedzur Erfassung der Regelgroumlszlige einem Vergleicher zur Bildung der Regelabwei-chung einem Rechenglied um aus der Regelabweichung einen Stellwert berech-nen zu koumlnnen und einem Stellglied das in den zu regelnden Prozess eingreift Re-gelgeraumlte kommen im Wesentlichen in Form von Einzelregelgeraumlten oder Soft-warereglern vor und werden im Maschinenbau eingesetzt zur Regelung von Tem-peratur Druck Durchfluss Menge Dosierung Fuumlllstand Lage Position Ge-schwindigkeit Entfernung ndash in der Verfahrenstechnik zusaumltzlich noch zur Rege-lung von Konzentration Leitfaumlhigkeit Viskositaumlt Dichte chemischen Zusammen-setzungen usw

Dieses breite Feld an Anwendungen wird zusaumltzlich dadurch noch vergroumlszligert dasses zu fast jeder Regelung der oben genannten Prozesse noch verschiedene Produk-tionsanforderungen gibt die eine Klassifizierung des Aufgabengebiets fastunmoumlglich macht Man unterscheidet im Wesentlichen kontinuierliche Produk-tionsprozesse (mit kontinuierlicher Rohstoffzufuhr und kontinuierlichem Abflussdes Produktes) und diskontinuierliche Produktionsprozesse (ChargenprozesseRezepturverfahren usw) sowie ereignisdiskrete Prozesse (Stuumlckgutprozesse)

Fast jede Regelung einer bestimmten physikalischen Groumlszlige weist ihr eigenes spezi-fisches Problem auf das haumlufig durch die verwendete Aktorik und Sensorikbestimmt wird Sensorik bezeichnet Technik mit der Messwerte aufgenommenwerden Als Sensor werden miniaturisierte mit integrierter elektronischer (Ver-staumlrker-)Schaltung versehene Messwertaufnehmer bezeichnet Hierzu liefert dasBuch bdquoHandbuch der Prozessautomatisierungldquo [6] neben einer ausfuumlhrlichenTabelle zur Marktuumlbersicht auch eine umfassende Beschreibung der Funktions-weise und der verschiedenen Verfahren von Aktor- und Sensorsystemen in der Pro-zessautomatisierung Im Folgenden sollen die Besonderheiten und Unterschiededer einzelnen Regelstrecken kurz erlaumlutert werden

Temperatur

Die Beherrschung von Temperaturregelstrecken zaumlhlt (oft zu unrecht) auch heutenoch zu den bdquoeinfachenldquo Regelungsaufgaben Sie sind meist unsymmetrisch(unterschiedliches Verhalten beim Aufheizen und Abkuumlhlen) und erhalten durch

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

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Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

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Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

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die eingesetzten AktorenSensoren nichtlineares Verhalten Die Folge sind zeitauf-wendige Inbetriebnahmen durch die langen Aufheiz- und Abkuumlhlzeiten und durchdie Beeinflussungen benachbarter Temperaturregelstrecken uumlber thermische Aus-gleichsvorgaumlnge Derartiges Streckenverhalten erschwert die Optimierung undEinstellung der Regler ndash des als Baueinheit oder Softwarefunktion zusammenge-fassten Teils der Regeleinrichtung der mindestens den Vergleicher und dasRechenglied enthaumllt Das Rechenglied bestimmt das Uumlbertragungsverhalten derRegeleinrichtung Obwohl die Temperaturregelungen zu den langsamen Regelvor-gaumlngen zaumlhlen sind Optimierungen von komplexeren Temperaturstrecken sehrschwierig und externe Optimierwerkzeuge liefern in der Praxis nicht immerbrauchbare Ergebnisse Trotzdem werden die meisten thermischen Prozesse imAnlagenbau und im Maschinenbau nicht zuletzt aus Kostengruumlnden mit kompak-ten Regelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen ausgestat-tet Bei vielen Temperaturregelstrecken lohnt sich der bewusste Einsatz von PID-Reglern mit D-Anteil sowie die gezielte Betrachtung von Fuumlhrungs- und Stoumlrver-halten

Zum Messen der zu regelnden Temperaturen werden WiderstandsthermometerThermoelemente und Strahlungsthermometer (Pyrometer) eingesetzt

Druck

Druckregelungen in Rohrleitungen gelten im Allgemeinen als schnelle Regelun-gen die unter Umstaumlnden an die (Geschwindigkeits-) Grenzen von kompaktenRegelgeraumlten oder softwaremaumlszligig realisierten Regeleinrichtungen stoszligen koumlnnenDruckregelungen in groszligen Behaumlltern verhalten sich dagegen eher wie Tempera-turregelstrecken Je nach Art und Lage der Stelleinrichtung koumlnnen Druckregel-strecken einen positiven oder negativen Wirksinn haben Bei Eingriff uumlber ein Ven-til im Zulauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckanstieg bei Eingriff uumlberein Ventil im Ablauf bewirkt ein Oumlffnen des Ventils einen Druckabfall Entspre-chend muumlssen die Vorzeichen der Reglerverstaumlrkung unterschiedlich festgelegtwerden Man unterscheidet Druck- und Differenzdruckmessverfahren

In der Verfahrenstechnik werden hauptsaumlchlich statische Druckmesssysteme influumlssigen und gasfoumlrmigen Medien eingesetzt Druckregelstrecken sind meistensreine Verzoumlgerungsstrecken niedriger Ordnung und damit leicht zu optimierenOptimierungswerkzeuge liefern in der Regel auszligergewoumlhnlich gute ErgebnisseKritisch kann es fuumlr einen Druckregler werden wenn Absperrmechanismen im Lei-tungssystem schnell reagieren koumlnnen oder muumlssen Schlagartige Druckerhoumlhun-gen ausregeln zu muumlssen stellt sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Reg-lers und sein Stellglied Durch geeignete konstruktive Maszlignahmen kann hier derMaschinenbau hohe Aufwendungen auf der E-Seite vermeiden helfen

Die Druckmessung erfolgt uumlber induktive piezoresistive oder kapazitive Verfahrenmit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Resonanzdrahtsensoren

11 Prozesse und ihr Verhalten

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Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

11 Prozesse und ihr Verhalten

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Durchfluss und Menge

Durchflussregelungen und Mengenregelungen spielen in verfahrenstechnischenAnlagen eine wesentliche Rolle und verhalten sich aus regelungstechnischer Sichtin der Praxis aumlhnlich wie schnelle Druckregelungen wobei das Beherrschen vonTotzeiten erschwerend hinzu kommen kann Voraussetzung fuumlr eine gute Durch-fluss- und Mengenregelung ist eine hochwertige und stoumlrunempfindliche Ausfuumlh-rung der Sensorik Das Messrauschen ist typischerweise staumlrker bei Durchfluss- alsbei Temperatur-Sensoren Die Stellglieder sind meist Ventile so dass Form undVarianz der Stellsignale im Hinblick auf Verschleiszlig und Verbrauch an pneumati-scher Hilfsenergie eine wichtige Rolle spielen Regler mit D-Anteil sind daher beiDurchflussregelungen meist nicht ratsam Bei Durchflussregelungen von Fluumlssig-keiten gibt es in der Praxis haumlufig Probleme mit den Sensoren (z B durch Gasmit-foumlrderung) die nicht direkt als Sensorprobleme erkannt werden und die dann oftirrtuumlmlich dem Regler angelastet werden Der Unterschied von mengen- oderdurchflussproportionalen Messsignalen liegt in der Beruumlcksichtigung der Zeitein-heit

Zur Messung von Durchfluss und Mengen kommen WirkdruckmessungVerdraumlngungszaumlhlung Stroumlmungszaumlhlung Schwebekoumlrper-Durchflussmessungmagnetisch-induktive Durchflussmessung (MID) Coriolis-Durchflussmessung(CMD) und Ultraschall-Durchflussmessung (USD) zum Einsatz Moderne Durch-fluss- und Mengenmessgeraumlte sind haumlufig als eigenstaumlndige Feldgeraumlte mit einereigenen Recheneinheit ausgestattet und bieten eine komfortable Bedieneinheit zuraufgabenspezifischen Normierung des Messsignals sowie der Vorort-Anzeige desMesswerts

Dosierung

Dosierung ist das Abmessen Abgeben oder Zuteilen bestimmter Mengen In derVerfahrenstechnik ist das Dosieren oft an Rezepte gebunden Das kann diskontinu-ierlich oder kontinuierlich geschehen Nach der Definition der Regelung im Sinneeines geschlossenen Wirkkreises besteht die Aufgabe des Dosierens in einer Rege-lung des Materialflusses und aumlhnelt damit stark der Druck bzw MengenregelungBei einer Dosierungsregelung erfolgt der Stelleingriff durch die Zugabe fluumlssigerbzw fester Komponenten zu einem Chargenprozess bzw zu einem kontinuierli-chen Prozess Diese Aufgabe wird von Dosierpumpen Dosierbandwaagen Zellen-rad- Vibrations- oder Schneckendosierer uumlbernommen

Zur Messung der zu regelnden Mengen kommen die bereits genannten Druck- undMengenerfassungssensoren in Frage

Fuumlllstand

Fuumlllstandsregelungen in der Verfahrenstechnik gelten in ihrer Reinform oft als ein-fach beherrschbar und sind aufgrund ihres integrierenden Verhaltens mit Hilfevon P(D)-Reglern leicht einzustellen Die Kombination aus einem Regler mitI-Anteil und einem integrierenden Prozess ist dagegen aus Sicht der Systemdyna-mik unvorteilhaft In verfahrenstechnischen Anlagen gibt es eine Vielzahl von

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-

1 Einfuumlhrung und Uumlberblick

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Behaumlltern deren Fuumlllstande geregelt werden muumlssen z B Pufferbehaumllter Abschei-degefaumlszlige Ruumlhrkesselreaktoren Kolonnensuumlmpfe Speisewasserbehaumllter Abwas-sergruben Wichtig bei Fuumlllstandsregelung ist eine klare Definition der Anforde-rungen weil es verschiedene Ziele geben kann

bull Fuumlllstand konstant (exakt auf Sollwert) halten ndash wichtig bei Fuumlllstaumlnden die den Prozess direkt beeinflussen Stoumlrungen werden an den Ausgang (Ablauf) weitergegeben

bull Fuumlllstand moumlglichst niedrig halten ndash wenn Totvolumina oder Lagerbestaumlnde unerwuumlnscht sind

bull Fuumlllstand in gewissen Grenzen halten aber Behaumllter als Puffer verwenden ndash Fuumlllstandsaumlnderungen tolerieren um den Ablauf ruhig zu halten

In der Praxis koumlnnen durch eine Reihe von zu beruumlcksichtigenden Stoumlrgroumlszligen ver-einzelt houmlhere Anforderungen an den Entwurf von Regelungskonzepten fuumlr solcheProzesse gestellt werden

Zur Messung von Niveau und Fuumlllstand kommen Schwimmer VerdraumlngergeraumlteBodendruckmessung kapazitive und konduktive Fuumlllstandsmessung Laufzeit-und radiometrische Messgeraumlte sowie Grenzsignalgeber und Gewicht in Frage

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung

Lage Position Geschwindigkeit und Entfernung sind bereits Grenzfaumllle mancherStandardregelgeraumlte im Hinblick auf Zykluszeiten und andere spezielle Anforde-rungen wie z B Taktsynchronisation Daher gibt es fuumlr den Bereich Mechatronikbzw Bewegungsfuumlhrung spezielle Regelsysteme (Hard- und oder Software) Lang-samere Positionieraufgaben wie Taumlnzerregelungen Walzenpositionsregelung uswkoumlnnen dagegen noch mit Standardprodukten geloumlste werden

Man unterscheidet die Messung von Lage Position Geschwindigkeit und Entfer-nung und erfasst diese durch Winkelschrittgeber SSI-Geber und Impulsgeber uumlberVorwaumlrts-Ruumlckwaumlrtszaumlhlung

Chemische Groumlszligen

Bei der Regelung chemischer Groumlszligen handelt es sich haumlufig um Konzentrations-regelungen wie pH-Wertregelung Sauerstoffregelung und andere biochemischeMessgroumlszligen die uumlber teilweise sehr aufwendige Analyseverfahren ermittelt wer-den

Als Beispiele der Analysetechnik koumlnnen genannt werden Messung des pH-WertesSauerstoffanalyse Feuchtemessung Rauchgasanalyse Gaswarnsensorik Messungder Viskositaumlt sowie Fotometrie Gaschromatographie Spektrometrie u v m

Nicht selten spielen bei solchen chemischen oder biochemischen Verfahren auchnoch physikalische oder thermodynamische Kopplungen mit anderen Regelgroumlszligenwie Temperaturen oder Druumlcken eine Rolle wie am Beispiel der Temperaturabhaumln-gigkeit einer exothermen Reaktion oder eines Phasengleichgewichts von Dampfund Fluumlssigkeit in einer Destillationskolonne ersichtlich ist Diese Regelungen zaumlh-