2013    Grundlagen der prozesstechnischen  RegelungstechnikWORKSHOP          Peter Kainhofer
Grundlagen der prozesstechnischen RegelungstechnikKurszieleDieser praxisorientierte Kurs ist vor allem für Personen bestim...
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Workshop Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik

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Dieser praxisorientierte Kurs ist vor allem für Personen bestimmt, die sich mit der Planung, der Inbetriebnahme oder der Optimierung von prozesstechnischen Anlagen beschäftigen.
Das Verständnis für Regelung betrifft jedoch alle Bereiche unserer Gesellschaft. Durch das Arbeiten an Modellregelstrecken wird das dynamische und analytische Denken gefördert. Deshalb ist dieser Kurs auch für außertechnische Bereiche zu empfehlen.
Anhand von Übungsbeispielen lernen die Teilnehmer die Dynamik von einfachen Regelkreisen zu verstehen und einfache Regelaufgaben ohne Verwendung der höheren Mathematik zu lösen.
Die praktischen Übungen werden an einem modernen Prozessleitsystem durchgeführt.

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Workshop Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik

  1. 1. 2013 Grundlagen der prozesstechnischen RegelungstechnikWORKSHOP Peter Kainhofer
  2. 2. Grundlagen der prozesstechnischen RegelungstechnikKurszieleDieser praxisorientierte Kurs ist vor allem für Personen bestimmt, die sich mit der Planung, derInbetriebnahme oder der Optimierung von prozesstechnischen Anlagen beschäftigen.Das Verständnis für Regelung betrifft jedoch alle Bereiche unserer Gesellschaft. Durch dasArbeiten an Modellregelstrecken wird das dynamische und analytische Denken gefördert. Deshalbist dieser Kurs auch für außertechnische Bereiche zu empfehlen.Anhand von Übungsbeispielen lernen die Teilnehmer die Dynamik von einfachen Regelkreisen zuverstehen und einfache Regelaufgaben ohne Verwendung der höheren Mathematik zu lösen.Die praktischen Übungen werden an einem modernen Prozessleitsystem durchgeführt.Inhalt • Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik • Rechenfunktionen • Verhalten von Regelstrecken • Stetige und unstetige Regler • Regelkreise mit stetigen und unstetigen Reglern • Praktische Übungen an verschiedenen Modellregelstrecken • Erhöhung der Regelgüte • Erkennen von Optimierungspotenzial anhand von Trendanalysen • Lösungskonzepte für komplexe RegelsystemeDauer des Kurses1 Woche Workshop GL-PRTKursziele / Inhalte Seite 2 von 120
  3. 3. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik Aufbau der Übungsplätze Abbildung 01 Aufbau der ÜbungsplätzeKomponenten des Prozessleitsystems:AS: AutomatisierungssystemOS: Operationssystem (Bedienung und Beobachtung)ES: Engineering Station Workshop GL-PRTÜbungsaufbau Seite 3 von 120
  4. 4. Grundlagen der prozesstechnischen RegelungstechnikInhaltsverzeichnis1 Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik ......................................5 1.1 Einleitung ................................................................................................................................5 1.2 Die Messeinrichtung ...............................................................................................................8 1.3 Aufgaben des Regelungstechnikers ........................................................................................9 1.4 Die mathematische Theorie der Regelung ............................................................................102 Rechenfunktionen ..........................................................................................................................12 2.1 Durchflusskorrektur ..............................................................................................................12 2.2 Füllstandkorrektur .................................................................................................................16 2.3 Übungen Korrekturrechner ...................................................................................................18 2.4 Wärmestrom, therm. Leistung ..............................................................................................20 2.5 Übungen Energieströme........................................................................................................213 Die Regelstrecke ............................................................................................................................22 3.1 Stell- und Stör- Sprungantworten der Regelstrecke: .............................................................22 3.2 Übungen: Aufnahme der Sprungantwort ..............................................................................33 3.3 Beschreibung durch den Frequenzgang (Schwingungsantwort) ...........................................434 Stetige Regler .................................................................................................................................47 4.1 Sprungantworten des K- Reglers ..........................................................................................48 4.2 Übungen Stetige Regler ........................................................................................................525 Regelkreise mit stetigen Reglern ...................................................................................................63 5.1 Allgemeines zur Arbeitsweise von Regelkreisen mit stetigen Reglern ................................63 5.2 Das Störverhalten des Regelkreises ......................................................................................64 5.3 Die wichtigsten Methoden für die Reglereinstellung............................................................67 5.4 Übungen Stetige Regler mit Regelstrecken ..........................................................................726 Dreipunktregler mit quasistetigem Verhalten ................................................................................76 6.1 Gründe, warum Elektromotoren als Stellantriebe an vielen Stellen bevorzugt werden........76 6.2 Dreipunkt- Schrittregler (S- Regler) für elektromotorische Antriebe ...................................77 6.3 Schrittregler (PI- Verhalten) .................................................................................................80 6.4 Übung Dreipunktregler mit quasistetigem Verhalten (S- Regler) ........................................81 6.5 Übung Dreipunktregler (S- Regler) mit Regelstrecken ........................................................847 Erhöhung der Regelgüte .................................................................................................................88 7.1 Störgrößenaufschaltung ........................................................................................................89 7.2 Dreikomponentenregelung ....................................................................................................90 7.3 Kaskadenregelung .................................................................................................................92 7.4 Verhältnisregelung ................................................................................................................93 7.5 Parametersteuerung bei nichtlinearen Regelstrecken............................................................948 Erkennen von Optimierungspotenzial anhand von Trendanalysen ................................................95 8.1 Soll- Zustand der Dynamik eines thermischen Prozesses .....................................................95 8.2 Vergleich des Regelverhaltens vor und nach der Optimierung ............................................97 8.3 Erstanalyse der Energieversorgung und -verteilung einer Industrieanlage ...........................989 Lösungskonzepte für komplexe Regelsysteme ............................................................................108 9.1 Gesamtregelsystem für den Prozess Gasauslagerung .........................................................108 9.2 Optimale Nutzung von Abwärme und Alternativenergien .................................................112 9.3 Schnelle und energiesparende Prozessregelung ..................................................................113 9.4 Regelung der Wasserlieferung für eine Destillationsanlage ...............................................11710 Literaturverzeichnis......................................................................................................................11811 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................119 Workshop GL-PRTInhaltsverzeichnis Seite 4 von 120
  5. 5. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik1 Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik (1)1.1 EinleitungKybernetik ist nach ihrem Begründer Norbert Wiener die Wissenschaft der Steuerung undRegelung von Maschinen, lebenden Organismen und sozialen Organisationen und wurde auch mitder Formel „die Kunst des Steuerns“ beschrieben. Seit der Einführung der EDV in derAutomatisierung ist die prozesstechnische Regelungstechnik immer mehr in Vergessenheit geraten.Das bewirkt einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad, eine Verringerung der Verfügbarkeit undeine Verschlechterung der Stabilität. Mein Wunsch ist es, den Menschen die Kunst des Regelnsbeizubringen. So wie bei den Griechen ein guter Steuermann hoch angesehen war, der auch beiSturm und Regen sein Schiff auf Kurs gehalten hat, so muss auch ein guter RegelungstechnikerKonzepte entwickeln, die unterschiedliche Störfaktoren und Bedingungen miteinbeziehen. DieKunst des Regelns kann man nicht aus Büchern lernen, so wie ein guter Steuermann die Kunst desSteuerns eines Schiffes nicht aus Büchern lernen kann. Man muss in der Praxis lernen, mit einemSchiff oder mit einer Prozessanlage zu fahren und es trotz verschedener Störeinflüsse auf demgewünschten Kurs zu halten.Die Regelungstechnik ist ein verhältnismäßig junges Gebiet der Technik. Während die Theorie derRegelung in den vergangenen Jahrzehnten zu hoher Vollkommenheit ausgebaut wurde, fehlt esauch heute noch an genügend Verbindungsstellen zwischen Theorie und der ebenfalls weitentwickelten regelungstechnischen Praxis.Die Aufgabe der Regelung ist es, bestimmte Größen wie z.B. Temperatur, Drehzahl, Druck usw.auf vorgeschriebene Werte zu bringen und entgegen allen Störeinwirkungen zu halten. Diese soeinfach aussehende Aufgabe beinhaltet aber in sich eine erstaunliche Fülle von Problemen, wie mansie auf den ersten Blick gar nicht vermuten würde.Worauf es bei der Lösung von Regelaufgaben eigentlich ankommt, ist nicht die Kenntnis vielerFormeln und Rechenverfahren, sondern das Erfassen der wirkungsmäßigen Zusammenhänge imRegelkreis. Daneben muss man sich, wie bei jeder Technik, eine Reihe von Grundregeln aneignen.Die Grundgesetze der Regelungstechnik gelten in gleicher Weise für alle Regelkreise, ganz unabhängig davon, wie verschieden sie im Einzelnen auch apparativ aufgebaut sein mögen. Workshop GL-PRTKapitel 1: Einführung Seite 5 von 120
  6. 6. Grundlagen der prozesstechnischen RegelungstechnikSteuerung und RegelungWas ist der Unterschied zwischen Steuerung und Regelung?Ich möchte Ihnen das an einem einfachen Beispiel erklären:Sie wollen ein Bad nehmen und ihre Badewanne mit warmem Wasser füllen, das gerade IhrenWünschen entspricht. 1. Steuerung: Sie stellen die moderne Mischarmatur in die Mitte und öffnen den Wasserhahn. Sie vertrauen darauf, dass das kalte und warme Wasser durch die Armatur auf die Temperatur gemischt wird, die in etwa Ihren Wünschen entspricht. Sie bemerken, dass die Wasser- temperatur in ihrer Badewanne unter Ihrer Körpertemperatur liegt. Das angegebene Misch- verhältnis der Armatur entspricht nicht Ihren Wünschen. Eine Steuerung hat keine Rückkopplung! 2. Regelung Sie stellen die moderne Mischarmatur in die Mitte und öffnen den Wasserhahn. Sie vertrauen nicht auf das mechanische Mischverhältnis, sondern sie verstellen die Mischarmatur solange, bis die Wassertemperatur durch das Messen mit Ihrer Hand der gewünschten Temperatur entspricht. Jetzt können Sie endlich Ihr Bad genießen. Sie haben gerade geregelt. Ihre Hand diente dabei als Messfühler und Ihr Gehirn als Sollwertgeber und Regler. Das Gehirn vergleicht den gewünschten Sollwert mit dem Signal Ihres Messfühlers und gibt den Befehl an Ihre zweite Hand, die Armatur solange zu verändern, bis das Messsignal dem gewünschten Sollwert entspricht. Eine Regelung hat immer eine Rückkopplung! Workshop GL-PRTKapitel 1: Einführung Seite 6 von 120
  7. 7. Grundlagen der prozesstechnischen RegelungstechnikEine Regelung ist immer dann erforderlich, wenn Störgrößenänderungen auftreten.Bei jeder Regelaufgabe müssen wir uns mit dem „Dreigestirn“ Regelgröße – Stellgröße – Störgrößenauseinandersetzen.Ganz gleich, welche Regelaufgabe zu lösen ist, immer müssen wir uns zuerst fragen: Was soll geregelt werden? Was ist die Regelgröße? Wie kann die Regelgröße beeinflusst werden? Was ist die geeignetste Stellgröße? Welche Störgrößen sind vorhanden und wie wirken sie sich aus? Workshop GL-PRTKapitel 1: Einführung Seite 7 von 120
  8. 8. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik1.2 Die MesseinrichtungEine der wichtigsten Aufgaben eines Reglers ist der Vergleich zwischen Regelgröße undFührungsgröße.Um den Vergleich exakt durchführen zu können, muss – neben einer genau einstellbarenFührungsgröße – der genaue augenblickliche Wert der Regelgröße bekannt sein. Der Messung derRegelgröße durch die Messeinrichtung kommt daher im Regelkreis eine entscheidende Bedeutungzu. Ein Regelkreis kann nie genauer arbeiten, als die Messung der Regelgröße erfolgt.Die gesamte Messeinrichtung besteht bei der überwiegenden Zahl der Reglerkonstruktionen auszwei Teilen: dem meist in der Regelstrecke eingebauten Aufnehmer für die Regelgröße, der beiunmittelbarem Kontakt mit dem Messmedium auch Fühler genannt wird, und dem imAutomatisierungsgerät eingebauten Teil der Messeinrichtung.Der im Automatisierungsgerät eingebaute Teil der Messeinrichtung hat dabei die Aufgabe, das vomAufnehmer in einer bestimmten physikalischen Form gelieferte Regelsignal in eine für denVergleicher verarbeitbare Form umzuformen (z.B. 4 – 20 mA in 0 – 1 V).Das Erfassen der Regelgröße durch die Messeinrichtung muss ausreichend schnell erfolgen, dazeitliche Verzögerungen – wie wir später sehen werden, die Regelgüte verschlechtern.Die Erfahrung zeigt, dass die Ursachen für eine unbefriedigende Regelgüte vielfach in einemungenauen oder zu langsamen Erfassen der Regelgröße liegen. Gutes Regeln beginnt mit gutem Messen Workshop GL-PRTKapitel 1: Einführung Seite 8 von 120
  9. 9. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik1.3 Aufgaben des RegelungstechnikersDie Aufgabe des Regelungstechnikers besteht meist darin, einen Prozess von Hand- auf eineselbsttätige Regelung umzustellen, eine unbefriedigende Regelung zu verbessern und bei derNeuplanung von Arbeitsprozessen deren regelungstechnische Bearbeitung zu übernehmen.1.) Beratung und Unterstützung bei der technologischen Planung einer Anlage2.) Unterstützung bei der Erstellung der R&I- Schemata3.) Festlegung der zulässigen Überschwingweiten und der Ausregelzeiten4.) Überprüfung der mechanischen Ausführung auf die geforderte Regelbarkeit5.) Erstellen der Regelkonzepte und der Funktionsbeschreibung6.) Festlegung der Regelgrößen7.) Festlegung der Messorte8.) Feststellen, welche Störgrößen vorhanden sind9.) Festlegung der Stellgrößen und der Stellantriebe10.) Vorgabe der wichtigsten Parameter für die Voreinstellungen11.) Beratung und Unterstützung bei der Planung der Automatisierung12.) Unterstützung bei der Inbetriebnahme und der Optimierung13.) Feinoptimierung des KreisprozessesIn schwierigen Fällen (z.B. versnetzte oder komplexe Regelungen) werden noch zusätzlicheMaßnahmen erforderlich sein, um die gewünschte Regelgüte zu erreichen. In der überwiegendenZahl der Fälle kommt man jedoch bei diesen regelungstechnischen Arbeiten ohne großenRechenaufwand aus. Workshop GL-PRTKapitel 1: Einführung Seite 9 von 120

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