Die verkannte Methode

Autorin Lori McPherson Regional Sales Manager, Walchem

Herkömmliche Proportional- oder PID-Regler erfordern einen stetigen Ausgang am Controller und einen entsprechenden Analogausgang am Stellglied. Die Zeit-Proportionalregelung hingegen erreicht ein proportionales Regelverhalten mit einem einfachen Standardrelais oder Digitalsignal am Ausgang, indem sie die Ein-/Aus-Zeiten in einem definierten Zeitrahmen variieren. Das Stellglied ist im Allgemeinen ein nicht sehr aufwendiges, kostengünstiges Ein-/Aus-Gerät. Im Wesentlichen sind zwei Arten von Proportionalregelungen üblich. Die erste verwendet ein analoges Ausgangssignal (4…20 mA), die zweite generiert ein proportionales Impulsausgangssignal. Eine dritte Möglichkeit wird häufig übersehen. Sie erreicht jedoch eine Proportionalregelung allein mit einem Ein-/Aus-Steuerausgang. Diese zeitproportionalen Regelungen bieten ein sehr kostengünstiges Verfahren zur Erzielung besserer Regelgüten im Vergleich zu Schwarz-Weiß-Regelungen und sie haben noch weitere Vorteile. Die Regler Wind (Webmaster Industrial) und WPH von Walchem (Bild 1) sind mit ihrer Softwareausstattung für den Einsatz zur zeitproportionalen Regelung ausgelegt.

Proportionale Analogsignale sind die häufigsten Ausgangssignale. Das Stellsignal wird an ein Steuerventil (Positionierer) gesendet, eine drehzahlgeregelte Pumpe (Kreisel- oder Membrandosierpumpe) oder andere mechanische Steuerungseinrichtungen wie etwa zur Geschwindigkeitsregelung eines Bandlaufwerks usw. Die Wirkungsweise ist einfach – das Stellsignal 4…20 mA bewirkt eine direkte proportionale Antwort (0 bis 100 %) des Stellgliedes. Bei einer reinen Proportionalregelung ergibt sich der Signalwert linear aus der Abweichung von Soll- und Istwert, wobei der Maximalstellgrad ab einer vorgegebenen maximalen Abweichung erreicht wird. Ein typisches Beispiel ist eine pH-Regelung, bei der das Stellsignal 4…20 mA die Fördermenge einer Säure-Dosierpumpe zwischen 0 und 100 % variiert. Der pH-Wert steigt nun von 8 auf 10. Bei pH 8 oder weniger werden 4 mA gesendet, um 0 % Leistung der Pumpe zu erreichen. Während sich der pH-Wert auf pH 10 erhöht, nimmt das Ausgangssignal linear zu, bis bei pH 10 oder höher 20 mA an die Pumpe gesendet werden, um 100 % Leistung zu erzielen.

In anspruchsvolleren Regelszenarien kann der Algorithmus, der den Ausgangswert bestimmt, zusätzlich Integral- oder Differenzialberechnungen (PI oder PID-Regelung) berücksichtigen, um eine Vorhersage basierend auf der Geschwindigkeit des Prozesses als Reaktion auf das Eingreifen des Reglers zu ermöglichen. Aber auch in PI-oder PID-Regelung bleibt das aktuelle Ausgangssignal ein 4…20-mA-Signal, das zu einer proportionalen 0 bis 100 % Reaktion des Stellgliedes führt.

Die Proportional-Impulsregelung wird speziell zur Ansteuerung von magnetgetrieben Dosierpumpen eingesetzt. Eine Steuerung variiert einen Impulsausgang basierend auf der Abweichung vom Sollwert, ähnlich wie bei analogen proportionalen Regelungen. Die Dosierpumpe reagiert auf jeden empfangenen Impuls mit einer vorgegebenen Anzahl an Hüben. In unserem Beispiel mit der Säuredosierung würde die Steuerung bei pH 8 oder weniger 0 Impulse pro Minute an die Dosierpumpe senden und die Impulsrate mit steigendem pH-Wert proportional erhöhen, bis sie bei pH 10 oder größer die maximale Impulsfrequenz ausgibt. Dadurch antwortet die Dosierpumpe auf einen Anstieg des pH-Werts direkt proportional mit einer Erhöhung ihrer Fördermenge.

Das Verfahren der Zeit-Proportionalregelung hat nun den Vorteil, dass am Ausgang kostengünstige Ein-/Aus-Geräte wie Magnetventile oder Pumpen mit fest eingestellter Fördermenge verwendet werden können. Durch das Variieren des Verhältnisses zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer innerhalb eines festen Zeitrahmens (Zykluszeit) wird der proportionale Zusammenhang zur Regelabweichung erreicht. Die Aus-Zeit-Bereiche der Regelung bieten einen zusätzlichen Vorteil, indem sie eine bessere Durchmischung im Prozess ermöglichen oder Zeit für Reaktionen schaffen.

Zur Programmierung eines zeitproportionalen Ausgangs benötigt man die Parameter Zykluszeit, Sollwert, Proportionalband und Regelrichtung. Der Sollwert ist beispielsweise der gewünschte pH-Wert des Systems, während die Regelrichtung bestimmt, ob der Ausgang oberhalb des Sollwerts (oft bezeichnet als High Set-Point) oder unterhalb des Sollwerts (Low Set-Point) aktiv wird. Die Zykluszeit sollte auf etwa den 1 ½-fachen Wert der Zeitdauer eingestellt werden, die es braucht, bis das System auf die Chemikaliendosierung reagiert. Diese Zeit kann nur empirisch ermittelt werden, indem man manuell Chemie zugibt und die Zeit misst, bis der Prozess darauf reagiert.

Wird die Zykluszeit zu gering gewählt, beginnt der Controller mit einer zweiten Dosierung, bevor die erste erkannt wurde. Die Folge davon wäre eine Überdosierung und ein Überfahren des Sollwerts. Wird die Zykluszeit zu groß gewählt, erfolgt die zweite Dosierung zu spät und der Sollwert wird unter Umständen nicht erreicht. Als Proportionalband bezeichnet man diejenige Abweichung vom Sollwert, ab der die Einschaltdauer des Ausgangs 100 % beträgt.

Kehren wir zu unserem Beispiel Säuredosierung zur pH-Kontrolle zurück. Nehmen wir an, die Zykluszeit sei zehn Minuten, der High Set-Point 8,0 und das Proportionalband 2 pH-Einheiten (von 8 bis 10). Bei pH 8 oder darunter würde der Ausgang 100 % der Zeit ausgeschaltet sein. Bei pH 10,0 oder höher wäre der Ausgang für die nächsten 10 Minuten eingeschaltet (100 % der Zykluszeit). Bei pH 9 wäre der Ausgang für fünf Minuten eingeschaltet, dann für fünf Minuten ausgeschaltet. Der Anteil der Einschaltdauer an der Gesamtzykluszeit von zehn Minuten erhöht sich proportional mit der Entfernung des Prozesswerts vom Sollwert.

Zur Berechnung der Einschaldauer subtrahiert man den Sollwert vom aktuellen pH-Wert, dividiert das Ergebnis urch den Wert des Proportionalbandes und multipliziert mit der Zykluszeit. Die Aus-Zeit ist dann immer gleich dem Rest der Zykluszeit. Im Bild 2 ist beispielsweise der Sollwert 8,0 und die Proportionalband 2,0. Wenn der pH-Wert über den Sollwert steigt, ist das Steuerrelais zunächst für einen kurzen Zeitraum eingeschaltet. Steigt der pH-Wert weiter, erhöht sich die Einschaltdauer des Steuerrelais. Sobald die Dosierung den Prozess zu beeinflussen beginnt und der pH-Wert wieder sinkt, verringert sich auch die Einschaltdauer des Steuerrelais. Fällt der pH-Wert am Ende wieder unter den Sollwert von 8,0, bleibt das Steuerrelais die ganze Zeit ausgeschaltet.

Neben den geringeren Kosten für Regelgeräte gibt es häufig auch andere Vorteile. Einige Anlagen nutzen Prozessabwasser als neutralisierende Chemikalien (z. B. Abwasser aus sauren Bädern als Säureersatz oder Reinigungsmittel (in der Regel alkalisch) als basische Reagenzien). Viele dieser Abwasserströme sind zu schmutzig, um mit Standard-Magnetdosierpumpen gepumpt zu werden. Ein Magnetventil, Motorkugelhahn oder ein Membranventil am Ende eines konventionellen Systems nach dem Schwerkraftprinzip kann einen niedrigeren Wartungsaufwand bedeuten.

Zeitproportionale Regelungen sollten nicht bei Einmal-Durchlaufprozessen wie etwa bei der Dosierung in eine Rohrleitung eingesetzt werden. Solche Systeme erfordern Rückmeldungen und Vorhersagealgorithmen, wie sie in PID-Reglern zu finden sind. Das Regelungsverfahren eignet sich für Kreislaufprozesse oder Systeme mit genügend großer Verweildauer, etwa in Neutralisationsbehältern. Ein Prozess mit einer Verweildauer von zehn Minuten oder länger ist geeignet. Um die Verweildauer eines Systems zu bestimmen, teilt man einfach das Tankvolumen durch die Strömung, die durch den Tank fließt, das heißt ein 600-l-Tank mit einem Einlass-/Auslass-Strom von 60 l/min hat eine Retentionszeit von 10 min.

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