Regelkreis

Ein Regelkreis ist der grundlegende Baustein von Steuerungssystemen im Allgemeinen und industriellen Steuerungssystemen im Besonderen. Er besteht aus dem Prozesssensor , der Reglerfunktion und dem Stellglied (FCE), das den Prozess steuert, der notwendig ist, um den Wert einer gemessenen Prozessgröße (PV) automatisch auf den Wert eines gewünschten Sollwerts (SP) einzustellen.

Es gibt zwei gängige Arten von Regelkreisen: offene Regelkreise und geschlossene Regelkreise.

• In einem offenen Regelkreis ist die Stellgröße des Reglers unabhängig von der Prozessgröße. Ein Beispiel hierfür ist ein Heizkessel, der ausschließlich über einen Timer gesteuert wird . Die Stellgröße ist das Ein- oder Ausschalten des Kessels. Die Prozessgröße ist die Gebäudetemperatur. Dieser Regler betreibt die Heizungsanlage unabhängig von der Gebäudetemperatur für eine konstante Zeit.
• In einem geschlossenen Regelkreis hängt die Stellgröße des Reglers von der Soll- und Ist-Prozessgröße ab. Im Beispiel eines Heizkessels würde dies bedeuten, dass ein Thermostat die Raumtemperatur überwacht und ein Rückkopplungssignal ausgibt, um sicherzustellen, dass die Raumtemperatur durch den Regler nahe am Sollwert gehalten wird. Ein geschlossener Regler verfügt über einen Rückkopplungszweig, der gewährleistet, dass der Regler die Prozessgröße auf den Sollwert regelt. Daher werden geschlossene Regler auch als Feedback-Regler bezeichnet. ^{[ 1 ]}

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Regelkreisen: die Regelung im offenen Regelkreis (Vorsteuerung) und die Regelung im geschlossenen Regelkreis (Rückkopplung).

• Bei der Regelung im offenen Regelkreis ist die Stellgröße unabhängig vom Prozessausgang (bzw. der Regelgröße). Ein gutes Beispiel hierfür ist ein Heizkessel, der nur über eine Zeitschaltuhr gesteuert wird, sodass unabhängig von der Gebäudetemperatur für eine konstante Zeit Wärme zugeführt wird. Die Stellgröße ist das Ein- und Ausschalten des Kessels, die Regelgröße sollte jedoch die Gebäudetemperatur sein. Dies ist aber nicht der Fall, da es sich um eine Regelung des Kessels im offenen Regelkreis handelt, die keine Regelung der Temperatur im geschlossenen Regelkreis ermöglicht.
• Bei der Regelung mit geschlossenem Regelkreis hängt die Stellgröße des Reglers vom Prozessausgang ab. Im Beispiel eines Heizkessels würde dies beispielsweise einen Thermostat umfassen, der die Gebäudetemperatur überwacht und ein Signal zurückmeldet, um sicherzustellen, dass der Regler die Temperatur im Gebäude auf dem am Thermostat eingestellten Wert hält. Ein Regler mit geschlossenem Regelkreis verfügt daher über eine Rückkopplungsschleife, die dafür sorgt, dass die Stellgröße des Reglers dem Sollwert entspricht. Aus diesem Grund werden Regler mit geschlossenem Regelkreis auch als Feedback-Regler bezeichnet. ^{[ 2 ]}

Die Definition eines geschlossenen Regelkreises gemäß der British Standards Institution lautet: „ein Regelsystem mit Überwachungsrückkopplung, wobei das durch diese Rückkopplung erzeugte Abweichungssignal dazu verwendet wird, die Wirkung eines Stellglieds so zu steuern, dass die Abweichung gegen Null reduziert wird.“ ^{[ 3 ]}

Ebenso: „Ein Rückkopplungsregelungssystem ist ein System, das darauf abzielt, eine vorgegebene Beziehung zwischen zwei Systemvariablen aufrechtzuerhalten, indem es Funktionen dieser Variablen vergleicht und die Differenz als Steuerungsmittel nutzt.“ ^{[ 3 ]}

Ein Beispiel für ein Regelsystem ist der Tempomat eines Autos . Er dient dazu, die Fahrzeuggeschwindigkeit auf einer vom Fahrer vorgegebenen Soll- oder Referenzgeschwindigkeit konstant zu halten. Der Tempomat ist der Regler, das Fahrzeug die Anlage und das System das Fahrzeug und der Tempomat. Die Systemausgabe ist die Fahrzeuggeschwindigkeit, und die Regelung selbst ist die Drosselklappenstellung des Motors , die die abgegebene Motorleistung bestimmt.

Eine einfache Methode zur Implementierung eines Tempomaten besteht darin, die Drosselklappenstellung zu fixieren, sobald der Fahrer den Tempomat aktiviert. Auf einer unebenen Strecke fährt das Auto jedoch bergauf langsamer und bergab schneller. Dieser Regler wird als Open-Loop-Regler bezeichnet, da keine Rückkopplung erfolgt ; die Systemausgabe (die Fahrzeuggeschwindigkeit) wird nicht gemessen, um die Regelung (die Drosselklappenstellung) anzupassen. Daher kann der Regler Änderungen der Fahrzeugbedingungen, wie beispielsweise eine Änderung der Straßenneigung, nicht ausgleichen.

In einem geschlossenen Regelkreis werden die Daten eines Geschwindigkeitssensors (Systemausgang) an einen Regler übermittelt. Dieser vergleicht kontinuierlich die gemessene Geschwindigkeit mit der Sollgeschwindigkeit. Die Differenz, der sogenannte Fehler, bestimmt die Drosselklappenstellung (den Stellwert). Ziel ist es, die Fahrzeuggeschwindigkeit an die Sollgeschwindigkeit anzupassen (die gewünschte Systemausgabe beizubehalten). Fährt das Fahrzeug bergauf, bestimmt die Differenz zwischen Eingangsgröße (der gemessenen Geschwindigkeit) und Sollwert kontinuierlich die Drosselklappenstellung. Sinkt die gemessene Geschwindigkeit unter den Sollwert, vergrößert sich die Differenz, die Drosselklappe öffnet sich, die Motorleistung steigt und das Fahrzeug beschleunigt. So wirkt der Regler dynamisch Geschwindigkeitsänderungen entgegen. Das zentrale Prinzip dieser Regelsysteme ist der Regelkreis : Der Regler beeinflusst den Systemausgang, der wiederum gemessen und an den Regler zurückgeführt wird.

Das beigefügte Diagramm zeigt einen Regelkreis mit einem einzelnen PV-Eingang, einer Stellgröße und dem Stellausgang (CO), der die Funktion des Stellglieds (FCE) steuert, um den Wert der Stellgröße (MV) zu verändern. In diesem Beispiel ist ein Durchflussregelkreis dargestellt, er kann aber auch für Füllstand, Temperatur oder einen beliebigen anderen Prozessparameter verwendet werden. Die dargestellte Stellgröße ist ein „Zwischenregler“, beispielsweise ein PID-Regler. Das bedeutet, dass sie ein Ausgangssignal im gesamten Bereich von 0 bis 100 % erzeugen kann und nicht nur ein Ein/Aus-Signal. ^{[ 1 ]}

In diesem Beispiel entspricht der Wert von PV stets dem Wert von MV, da beide in der Rohrleitung in Reihe geschaltet sind. Würde die Zufuhr vom Ventil jedoch in einen Tank erfolgen und die Reglerfunktion darin bestünde, den Füllstand mithilfe des Füllventils zu steuern, entspräche der Wert von PV dem Tankfüllstand und der Wert von MV dem Zufluss zum Tank.

Die Reglerfunktion kann ein diskreter Regler oder ein Funktionsbaustein in einem computergestützten Steuerungssystem wie einem verteilten Steuerungssystem oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) sein . In allen Fällen ist ein Regelkreisdiagramm eine sehr praktische und nützliche Methode, die Reglerfunktion und ihre Wechselwirkung mit der Anlage darzustellen. In der Praxis werden Regelkreise auf Prozessleitebene üblicherweise mithilfe von Standardsymbolen in einem Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm abgekürzt , das alle Elemente der Prozessmessung und -regelung auf Basis eines Prozessablaufdiagramms zeigt . ^{[ 4 ]}

Im Detail zeigt das Regelkreis-Anschlussdiagramm die elektrischen und pneumatischen Verbindungen. Dies erleichtert die Diagnose und Reparatur erheblich, da alle Verbindungen für eine einzelne Regelfunktion in einem Diagramm dargestellt sind.

Zur eindeutigen Identifizierung der Geräte werden alle Schleifen und ihre Elemente durch ein „Kennzeichnungssystem“ identifiziert, wobei jedes Element eine eindeutige Kennzeichnung besitzt. ^{[ 5 ]}

Die Kennzeichnungen basieren auf den Normen ANSI / ISA S5.1 und ISO 14617 -6 und bestehen aus bis zu 5 Buchstaben.

Der erste Buchstabe steht für den Messwert, der zweite für einen Modifikator, der dritte für die passive/Auslesefunktion, der vierte für die aktive/Ausgabefunktion und der fünfte für den Funktionsmodifikator. Darauf folgt die Schleifennummer, die für diese Schleife eindeutig ist.

Beispielsweise bedeutet FIC045, dass es sich um den Durchflussregler im Regelkreis 045 handelt. Dies ist auch als „Kennzeichnung“ des Feldgeräts bekannt und gibt üblicherweise dessen Standort und Funktion an. Im selben Regelkreis kann sich auch FT045 befinden – dies ist der Durchflussmessumformer im selben Regelkreis.