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.

1. 2013
Grundlagen der
prozesstechnischen
Regelungstechnik
WORKSHOP
Peter Kainhofer

2. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Kursziele
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.
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 Regelsysteme
Dauer des Kurses
1 Woche
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Kursziele / Inhalte Seite 2 von 120

3. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Aufbau der Übungsplätze
Abbildung 01 Aufbau der Übungsplätze
Komponenten des Prozessleitsystems:
AS: Automatisierungssystem
OS: Operationssystem (Bedienung und Beobachtung)
ES: Engineering Station
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Übungsaufbau Seite 3 von 120

4. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Inhaltsverzeichnis
1 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 ............................................................................10
2 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........................................................................................................21
3 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) ...........................................43
4 Stetige Regler .................................................................................................................................47
4.1 Sprungantworten des K- Reglers ..........................................................................................48
4.2 Übungen Stetige Regler ........................................................................................................52
5 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 ..........................................................................72
6 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 ........................................................84
7 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............................................................94
8 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 ...........................98
9 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 ...............................................117
10 Literaturverzeichnis......................................................................................................................118
11 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................119
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Inhaltsverzeichnis Seite 4 von 120

5. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
1 Einführung in die Grundlagen der prozesstechnischen
Regelungstechnik
(1)
1.1 Einleitung
Kybernetik ist nach ihrem Begründer Norbert Wiener die Wissenschaft der Steuerung und
Regelung von Maschinen, lebenden Organismen und sozialen Organisationen und wurde auch mit
der Formel „die Kunst des Steuerns“ beschrieben. Seit der Einführung der EDV in der
Automatisierung ist die prozesstechnische Regelungstechnik immer mehr in Vergessenheit geraten.
Das bewirkt einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad, eine Verringerung der Verfügbarkeit und
eine Verschlechterung der Stabilität. Mein Wunsch ist es, den Menschen die Kunst des Regelns
beizubringen. So wie bei den Griechen ein guter Steuermann hoch angesehen war, der auch bei
Sturm und Regen sein Schiff auf Kurs gehalten hat, so muss auch ein guter Regelungstechniker
Konzepte entwickeln, die unterschiedliche Störfaktoren und Bedingungen miteinbeziehen. Die
Kunst des Regelns kann man nicht aus Büchern lernen, so wie ein guter Steuermann die Kunst des
Steuerns eines Schiffes nicht aus Büchern lernen kann. Man muss in der Praxis lernen, mit einem
Schiff oder mit einer Prozessanlage zu fahren und es trotz verschedener Störeinflüsse auf dem
gewünschten Kurs zu halten.
Die Regelungstechnik ist ein verhältnismäßig junges Gebiet der Technik. Während die Theorie der
Regelung in den vergangenen Jahrzehnten zu hoher Vollkommenheit ausgebaut wurde, fehlt es
auch heute noch an genügend Verbindungsstellen zwischen Theorie und der ebenfalls weit
entwickelten 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 so
einfach aussehende Aufgabe beinhaltet aber in sich eine erstaunliche Fülle von Problemen, wie man
sie auf den ersten Blick gar nicht vermuten würde.
Worauf es bei der Lösung von Regelaufgaben eigentlich ankommt, ist nicht die Kenntnis vieler
Formeln und Rechenverfahren, sondern das Erfassen der wirkungsmäßigen Zusammenhänge im
Regelkreis. 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.
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Kapitel 1: Einführung Seite 5 von 120

6. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Steuerung und Regelung
Was 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 Ihren
Wünschen 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!
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Kapitel 1: Einführung Seite 6 von 120

7. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
Eine Regelung ist immer dann erforderlich, wenn Störgrößenänderungen auftreten.
Bei jeder Regelaufgabe müssen wir uns mit dem „Dreigestirn“
Regelgröße – Stellgröße – Störgrößen
auseinandersetzen.
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?
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Kapitel 1: Einführung Seite 7 von 120

8. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
1.2 Die Messeinrichtung
Eine der wichtigsten Aufgaben eines Reglers ist der Vergleich zwischen Regelgröße und
Führungsgröße.
Um den Vergleich exakt durchführen zu können, muss – neben einer genau einstellbaren
Führungsgröße – der genaue augenblickliche Wert der Regelgröße bekannt sein. Der Messung der
Regelgröße durch die Messeinrichtung kommt daher im Regelkreis eine entscheidende Bedeutung
zu. Ein Regelkreis kann nie genauer arbeiten, als die Messung der Regelgröße erfolgt.
Die gesamte Messeinrichtung besteht bei der überwiegenden Zahl der Reglerkonstruktionen aus
zwei Teilen: dem meist in der Regelstrecke eingebauten Aufnehmer für die Regelgröße, der bei
unmittelbarem Kontakt mit dem Messmedium auch Fühler genannt wird, und dem im
Automatisierungsgerät eingebauten Teil der Messeinrichtung.
Der im Automatisierungsgerät eingebaute Teil der Messeinrichtung hat dabei die Aufgabe, das vom
Aufnehmer in einer bestimmten physikalischen Form gelieferte Regelsignal in eine für den
Vergleicher verarbeitbare Form umzuformen (z.B. 4 – 20 mA in 0 – 1 V).
Das Erfassen der Regelgröße durch die Messeinrichtung muss ausreichend schnell erfolgen, da
zeitliche Verzögerungen – wie wir später sehen werden, die Regelgüte verschlechtern.
Die Erfahrung zeigt, dass die Ursachen für eine unbefriedigende Regelgüte vielfach in einem
ungenauen oder zu langsamen Erfassen der Regelgröße liegen.
Gutes Regeln beginnt mit gutem Messen
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Kapitel 1: Einführung Seite 8 von 120

9. Grundlagen der prozesstechnischen Regelungstechnik
1.3 Aufgaben des Regelungstechnikers
Die Aufgabe des Regelungstechnikers besteht meist darin, einen Prozess von Hand- auf eine
selbsttätige Regelung umzustellen, eine unbefriedigende Regelung zu verbessern und bei der
Neuplanung von Arbeitsprozessen deren regelungstechnische Bearbeitung zu übernehmen.
1.) Beratung und Unterstützung bei der technologischen Planung einer Anlage
2.) Unterstützung bei der Erstellung der R&I- Schemata
3.) Festlegung der zulässigen Überschwingweiten und der Ausregelzeiten
4.) Überprüfung der mechanischen Ausführung auf die geforderte Regelbarkeit
5.) Erstellen der Regelkonzepte und der Funktionsbeschreibung
6.) Festlegung der Regelgrößen
7.) Festlegung der Messorte
8.) Feststellen, welche Störgrößen vorhanden sind
9.) Festlegung der Stellgrößen und der Stellantriebe
10.) Vorgabe der wichtigsten Parameter für die Voreinstellungen
11.) Beratung und Unterstützung bei der Planung der Automatisierung
12.) Unterstützung bei der Inbetriebnahme und der Optimierung
13.) Feinoptimierung des Kreisprozesses
In schwierigen Fällen (z.B. versnetzte oder komplexe Regelungen) werden noch zusätzliche
Maßnahmen erforderlich sein, um die gewünschte Regelgüte zu erreichen. In der überwiegenden
Zahl der Fälle kommt man jedoch bei diesen regelungstechnischen Arbeiten ohne großen
Rechenaufwand aus.
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Kapitel 1: Einführung Seite 9 von 120