Wenn Sie unsere Artikel in letzter Zeit hier in Visaya verfolgt haben, haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass wir viel über Steuerungssysteme sprachen. Wir haben Steuerungssysteme, die Funktionsweise von Steuergeräten und die unterschiedlichen Typen von Steuerungsalgorithmen definiert.

Mit dem Wissen, das wir hier geteilt haben, können Sie wahrscheinlich ein einfaches, geschlossenes Steuerungssystem entwerfen. Ihr Prozess ist aber aller Wahrscheinlichkeit nach nicht so einfach.

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Manchmal muss man mehrere Variablen steuern, um den primären Prozesswert (PV, Process Value) im gewünschten Bereich zu halten. Sie können auch Störungen in Ihrem Betrieb feststellen, die Ihre Messwerte und damit Ihren gesamten Prozess beeinflussen können.

Für diese komplexeren Situationen haben Sie ein paar Steuerungsstrategien, die Ihren Prozess vereinfachen oder mehr Kontrolle in Ihrem Betrieb gewährleisten können. In diesem Artikel prüfen wir einige dieser Strategien, die wir auch Advanced Regulatory Control (ARC) nennen.

Feedforward-Steuerung

Beginnen wir mit der Feedforward-Steuerung. Wenn Sie eine messbare Störung in Ihrem System haben, dann kann diese Strategie die Auswirkungen der Störung reduzieren, um die Leistung und Geschwindigkeit Ihres Systems zu verbessern.

In der Feedback-Only-Steuerung wird das Steuergerät erst aktiv, wenn er nach Ihren PV-Änderungen einen Fehler entdeckt. Mit einer Feedforward-Steuerung messen Sie die Störungen und können Maßnahmen ergreifen, bevor Fehler auftreten, die Ihr PV beeinflussen.

Nehmen wir ein Beispiel, um es besser zu verstehen. Stellen Sie sich vor, Sie wollen einen Wärmetauschprozess mit kaltem Wasser und heißem Dampf im Austausch steuern. In diesem System steuern Sie die Wassertemperatur, indem Sie den Dampfdurchfluss im Wärmetauscher wechseln.

Wenn die Zufuhr von kaltem Wasser ansteigt, dann sollte die Temperatur am Ausgang sinken. Mit einem Feedback-Only-Steuergerät wird das Steuerungssystem jedoch erst dann aktiv, wenn es einen Fehler erkennt. Das bedeutet, dass sich die Temperatur am Ausgang bereits verändert haben wird.

Mit einem Feedforward-Steuergerät, die dem System hinzugefügt wird, können Sie die Wasseraufnahme als eine Störung im System messen. Indem Sie dies tun, können Sie die Temperaturänderung am Ausgang vorhersagen, bevor sie stattfindet. Auf diese Weise hängt der Fehler nicht nur von der Wasserausgangstemperatur, sondern auch von der Durchflussmenge des Wassereinlaufs ab.

Verhältnissteuerung

Die Verhältnissteuerung ist eine spezifische Feedforward-Steuerungsstrategie. Sie wird häufig verwendet, um das Durchflussverhältnis für zwei Ströme zu steuern.

Bild mit freundlicher Genehmigung von automationforum.in

Betrachten Sie die Steuerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in Brennern. Hier messen Sie den Durchfluss von Kraftstoff und Luft und speisen das Verhältnis der beiden in Ihres Steuergerät ein. Dieses Steuergerät wird in nur einem Ventil aktiv und hat das von Ihnen gewünschte Verhältnis als SP.

Jetzt können Sie den Durchfluss einer Flüssigkeit als Ihren gemessenen Wert und die andere als Ihre Störung betrachten. Ihr Steuergerät misst Ihre Störung, berechnet das Verhältnis und passt das Ventil gegebenenfalls an, um das Verhältnis der Flüssigkeiten zu erhöhen oder zu verringern.

Kaskadensteuerung

Sie können auch eine Kaskadensteuerung verwenden, um Störungen zu beheben. Die Kaskade funktioniert, genauso wie die Feedforward-Steuerung, prädiktiv – mit einem kleinen Unterschied.

Bei einer Feedforward-Steuerung messen Sie die Störung und speisen sie in dasselbe Steuergerät ein, die Ihre primäre Variable steuert. Bei einer Kaskadensteuerung haben Sie zwei Steuergeräte, mit dem Ausgang der einen als dem Eingang der anderen. Hier ist ein Beispiel zur Veranschaulichung.

Halten wir uns an den Wärmetauscher, aber diesmal nutzen wir den Dampfdurchfluss als unsere Störung. Wenn sich der Dampfdruck ändert, kann sich der Durchfluss auch dann verändern, wenn sich das Steuerventil nicht bewegt hat. Um diese Störung zu vermeiden, können Sie einen Durchflussregler (flow controller, FC) zusammen mit dem Temperaturregler (temperature controller, TC) hinzufügen, um die Steuerungsschleife zu vervollständigen. Dieser Aufbau macht den Ausgang des TC zum Eingang des FC. Wir nennen die Durchflusssteuerungsschleife die innere Schleife und die Temperatursteuerungsschleife die äußere Schleife.

Die Nutzung einer Kaskadensteuerungsstrategie bringt zwei wesentliche Vorteile für Ihre Anwendung. Erstens kann sie die Auswirkungen beseitigen, die eine Störung auf Ihr System haben kann. Zweitens verbessert sie die Gesamtdynamik der gesamten Schleife.

Split-Range

Split-Range-Steuerung ist die zu empfehlende Strategie, wenn Sie mehrere Variablen (Eingänge) haben, um einen einzelnen Ausgang zu steuern.

Sagen wir, Sie haben ein pH-Steuerungssystem, das eine Lösung bei pH 7 halten muss. Mit einer Split-Range-Steuerungsstrategie kann das Steuergerät zwei Ventile betreiben, eine für eine Grundlösung und eine für eine Säurelösung.

Wenn Sie einen pH-Wert von 7 als 50 % Ihres Gesamtbereichs haben, wird das Steuergerät das Ventil zur Grundlösung öffnen, sobald der gemessene Wert unter diesen Bereich fällt. Wenn Ihr Messwert über 50 liegt, wird das Säureventil geöffnet. Und wenn der pH-Wert 7 erreicht, werden beide Ventile geschlossen und bleiben es so lange, bis sich der Wert wieder ändert.

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Auswahl- oder Überbrückungssteuerung

Und schließlich gibt es da noch die Überbrückungs- oder Auswahlsteuerungsstrategie. Die Überbrückungssteuerung wird für gewöhnlich verwendet, wenn Sie einen kontrollierten Wert, aber mehrere Messwerte haben. Dafür wird mehr als ein Steuergerät in der Schleife benötigt, aber nur eine überwacht aktiv den kontrollierten Wert.

Für diese Einstellung benötigen Sie Wahlschalter, die in zwei Typen erhältlich sind, als Hochwahlschalter (high selector switch, HSS) und als Niedrigwahlschalter (low selector switch, LSS). Welchen Schalter Sie verwenden, hängt von Ihrer Anwendung ab.

Betrachten wir den Kessel und nehmen wir an, dass wir den Druck in der Auslassleitung steuern müssen. Sie können diesen Druck steuern, indem Sie das Ventil in der Auslassleitung steuern. Sie müssen jedoch auch den Wasserstand im Kessel hoch genug halten, um die Heizspule einzutauchen.

Hier verwenden Sie eine Überbrückungssteuerstrategie mit einem Niedrigwahlschalter. Ein Füllstandtransmitter überwacht den Wasserstand innerhalb des Kessels und ein Drucktransmitter überwacht den Druck in der Auslassleitung.

Steigt das Wasser im Kessel über den Mindestwert, wird der Druck in der Auslassleitung das Ventil steuern. Fällt das Wasser unter die Untergrenze, schließt der LSS-Schalter das Ventil in der Auslassleitung, unabhängig vom Druck.

Schlussfolgerung

Feedback-Steuersysteme und PID-Steuergeräte lassen sich gut in einfachen Anwendungen einsetzen. Komplexere Systeme sind jedoch unter Umständen störanfälliger, was die Leistung und Geschwindigkeit Ihres Prozesses verringern kann.

Wenn Sie die Störungen in Ihren Systemen wissen und messen können, können Sie ARC-Strategien verwenden, um die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit Ihres Prozesses zu verbessern.

Dieser Artikel befasst sich mit den am weitesten verbreiteten Steuerungsstrategien. Es gibt jedoch auch weitere, erweiterte Strategien, mit denen Sie Ihre Anwendung optimieren können. Viele Hersteller bieten das Design und die Umsetzung dieser Strategien als Dienstleistung an, wenn Sie sie untersuchen wollen.

Um mehr über Steuerstrategien zu erfahren, können Sie sich mit unseren Ingenieuren in Verbindung setzen,  und wir helfen Ihnen gerne weiter.

 

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