Messen und regeln im Klartext

Dipl.-Ing. Wilma Berweiler, Thomas Bierling

Die mechanische Präzision der heute eingesetzten Dosierpumpen ist bereits so weit fortgeschritten, dass sich weitere Verbesserungen im Prozess vor allem über die Optimierung der Mess- und Regelkomponenten erreichen lassen. Die Messverstärker mit integriertem Regler Conex 350 (Abb. 1) ermöglichen es, in Verbindung mit präziser Sensorik, nahezu alle wichtigen Parameter in der Wasseraufbereitung mit nur einem Gerät zu messen und zu regeln.

Ein Beispiel für die Notwendigkeit hochgenauer Mess- und Regelungstechnik stellt die industrielle Neutralisation von Abwasser dar. Dort spielt die gezielte Veränderung des pH-Wertes eine große Rolle. Alle wichtigen Prozesse, zum Beispiel das Ausfällen von Metallen oder das Entgiften, setzen einen bestimmten pH-Wert oder pH-Bereich voraus. Entsorgt werden darf jedoch nur Abwasser mit einem neutralen pH-Wert. Der pH-Wert ändert sich bei Zugabe von Laugen oder Säuren nicht proportional sondern logarithmisch. Zudem ist der pH-Wert temperaturabhängig. Deshalb muss die Zugabe der Korrekturmittel abhängig vom temperaturkompensierten Messwert und nach Sollwertvorgabe geregelt werden.

Der Prozess selbst läuft im Allgemeinen in drei Stufen ab. Nach Einleiten des Wassers in einen Pufferbehälter wird dort zunächst mit einer pH-Einstabmesskette und einer Messsonde zur Temperaturkompensation der pH-Wert bestimmt. Auf der Grundlage des präzise ermittelten Ist-Wertes regelt Conex 350 hier die entsprechenden Dosierpumpen und damit die Zugabe von Säure oder Lauge, bis das erforderliche pH-Niveau auf ein Zehntel genau erreicht ist. Danach fließt das Abwasser zum Ausfällen unerwünschter Metalle und Giftstoffe in den Absetzbehälter. In den Zulauf gibt eine Dosierpumpe dem durchfließenden Wasser die erforderliche Menge an Fällmittel zu. Nach dem Ausbringen der abgesetzten Schadstoffe über ein Magnetventil oder eine Schlauchpumpe gelangt das Abwasser in den Neutralisationsbehälter. Wieder wird in einem zweiten Regelkreis gemessen und temperaturkompensiert. Exakt geregelt bringt ein weiteres Korrekturmittel das Wasser schließlich auf den neutralen Wert von pH 7,1. Erst eine letzte Messung über ein Registriergerät gibt das Wasser frei für die Entsorgung. Mit dem Messverstärker und Regler Conex 350 sind nur wenige Tastatureingaben nötig, um die komplizierten Parameter-, Regelungs- und Kalibriereinstellungen vorzunehmen.

Die Qualität der Regelung ist auch bei der Wasserdesinfektion von großer Bedeutung. Einerseits muss die ausreichende Desinfektion des zu behandelnden Wassers gesichert sein, andererseits führt eine Überdosierung schnell zu Geschmacks- und Geruchsbeeinträchtigungen, gesundheitlichen Gefahren, stärkerer Anlagen- und Leitungskorrosion sowie erhöhten Betriebskosten wegen des hohen Chemikalienverbrauchs. Beispiele für den Einsatz von Desinfektionstechnik sind Anwendungen in der pharmazeutischen Industrie in CIP-Prozessen sowie die Aufbereitung von Trinkwasser. Je nach Applikation kommen unterschiedliche Desinfektionsmittel zum Einsatz. In der Wasseraufbereitung ist es vor allem Chlor, ob gasförmig oder als Natriumhypochlorit.

Erstes und wichtigstes Glied im Regelkreis ist auch hier der Sensor, der den Istwert des zu regelnden Parameters bestimmt. Bei Chlor, Chlordioxid und Ozon werden überwiegend Messzellen nach dem potentiostatischen Messprinzip eingesetzt. Der zu bestimmende Stoff erzeugt darin einen galvanischen Strom, der proportional zu seiner Konzentration ist. Eine zusätzliche Elektrode sorgt für ein genau definiertes Potential der Arbeitselektrode. Das wiederum bewirkt ein sehr lineares Verhalten der Messzelle und einen stabilen Nullpunkt.

Besonders aufwendig ist das Messen und Regeln von Chlor. Hier besteht eine starke Abhängigkeit von pH-Wert und Temperatur. Chlor in der Form Cl2 liegt bei den anwendungsrelevanten pH-Werten zwischen 4,5 und 9,0 praktisch nicht vor. Der Zusatzstoff unterliegt vielmehr einer Hydrolyse in Gegenwart von Wasser. Die unterchlorige Säure ist das wirksame Desinfektionsmittel des Wassers. Durch die Dissoziation der Säure entstehen Hypochlorit-Anionen (OCl-). Das Verhältnis von Säure zu Anionen steht in einem pH-Wert-abhängigen Gleichgewicht gemäß Abbildung 2. Bei der Chlormessung erfasst die potentiostatische Messzelle nur die unterchlorigen Säuren. Da die Abhängigkeit vom pH-Wert gerade im relevanten Bereich zwischen pH 7 und pH 8 sehr groß ist, muss der Messverstärker bei schwankendem pH-Wert diese Abhängigkeit kompensieren. Das erfordert zusätzlich Messungen von pH-Wert und Temperatur. Conex 350 erledigt diese Mess- und Regelaufgaben einschließlich der pH-Wert- und Temperaturkompensation in einem Gerät. Conex 350 verfügt über eine Elektronik, die sich in ihrer Eingangsempfindlichkeit unterschiedlichen Sensoren und Messbereichen automatisch anpasst. Dadurch ist das Gerät mit nur einer Hardware für praktisch alle relevanten Parameter einsetzbar. Zu diesen Parametern gehören auch die seltener verwendeten Desinfektionsmittel Ozon, Peressigsäure und Wasserstoffperoxid.

Neben der Ermittlung des Ist-Wertes des jeweiligen Parameters ist die Berechnung der nötigen Dosiermenge die zweite Aufgabe des Mess- und Regelgerätes. Ein PID-Reglerkern sorgt für einen stabilen und schnell reagierenden Regelkreis.

Sicherheit im Prozess bedeutet auch eine maximale Selbstüberwachung der eingesetzten Geräte. Bei Conex 350 gehören die innovative Drahtbruchüberwachung der Stromschleifen sowie die Meldung bei defekten Sensoren ebenso dazu wie das Protokollieren der Kalibrierwerte, Alarmzustände und Fehlermeldungen. Zudem bietet das Gerät eine mehrsprachige Klartext-Bedienerführung, die selbst bei wenigen Grundkenntnissen die Betriebsanleitung fast überflüssig macht. Eine Codierungsfunktion, die wichtige Grundeinstellungen vor unbefugter Verstellung schützt, sorgt ebenfalls für Betriebssicherheit.

Zur Flexibilität eines Reglers gehört es, dass unterschiedliche Ansteuerungsarten von Stellgliedern leicht möglich sind (Abb. 3). Gerade im Bereich der Dosierpumpen sind die Ansteuerungsarten vielfältig. Sie lassen sich mit Hilfe von Conex 350 durch entsprechendes Beschalten und Parametrieren leicht realisieren. Die einfachste Form der Regelung ist die Grenzkontakt-Regelung. Über die Netzspannung wird die Dosierpumpe bei Unterschreiten des Sollwertes ein-, bei Überschreiten abgeschaltet. Eine Hysterese um den Sollwert verhindert zu unruhiges Schalten.

Bei der Zweipunkt-Puls-Pausen-Regelung läuft die Steuerung der Dosierpumpe ebenfalls über die Netzspannung. Bei Unterschreiten des Sollwertes wird die Pumpe für kurze Intervalle eingeschaltet. Je größer die Abweichung vom Sollwert ist, desto länger bleibt die Pumpe innerhalb der Puls-Pausen-Zeit eingeschaltet, bis sie bei sehr großen Abweichungen kontinuierlich läuft.

Viele Dosierpumpen verfügen bereits über eine eingebaute Kontaktsteuerung, die die Regelung wesentlich erleichtern: Sie führen beim Schließen des Kontaktes einen einzelnen Dosierhub aus. Für solche Pumpen eignet sich die Zweipunkt-Pulsfrequenzregelung. Ein Unterschreiten des Sollwertes bewirkt einzeln gesteuerte Dosierhübe, deren Frequenz mit steigender Abweichung anwächst. Andere Dosierpumpen verfügen zudem über die Möglichkeit, 4…20 mA-Norm-Stromsignale zu verarbeiten und diese in Hubfrequenzen umzusetzen. Bei größeren Dosierpumpen mit Drehstrommotor kommen außerdem Frequenzumrichter zum Einsatz. Bei dieser Stetigregelung erzeugt der Regler ein Stromsignal, als Maß für die Dosiermenge bei entsprechender Abweichung vom Sollwert.

Die Dreipunkt-Schrittregelung wird eingesetzt, wenn größere Dosierpumpen mit Drehstrommotoren benötigt werden und Frequenzumrichter zur Hubfrequenzregelung nicht in Frage kommen. Diese Dosierpumpen besitzen einen Stellmotor. Die Position zwischen 0 und 100% ist das Maß für die Stellgröße. Bei Abweichung vom Sollwert muss der Stellmotor auf die entsprechende Hublänge und damit auf die nötige Dosiermenge gefahren werden.

Halle 8.0, Stand D17-D19

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