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Verfahren und Regelschaltung zum
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stossfreien Wiederanfahren eines Regelkreises Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum stossfreien Wiederanfahren eines Regelkreises nach einer zeitweiligen
Unterbrechung der Istwertzuführung am Istwerteingang eines ein Integralverhalten
aufweisenden Reglers mit einem Sollwerteingang, einem Istwerteingang und einem Stellgrössenausgang,
bei dem der zu Beginn der Unterbrechung vorhandene Wert des Stellsignals während
der Unterbrechung aufrechterhalten wird und bei dem nach Beendigung der Unterbrechung
der Regler zunächst derart betrieben wird, dass das von ihm erzeugte Stellsignal
gleich dem aufrechterhaltenen Stellsignal wird, woraufhin dann wieder zum normalen
Regelbetrieb übergegangen wird, sowie eine Regelschaltung zur Durchführung des Verfahrens.
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Es ist bekannt, dass bei Regelprozessen aufgrund von Störungen, beispielsweise
bei einem Stromausfall oder bei einer Störung des Istwert-Gebergerätes sowie aus
anderen Gründen, beispielsweise bei der Entnahme von Proben oder bei der Durchführung
von Eicharbeiten, zeitweilige Unterbrechungen der Istwertzuführung am Istwerteingang
eines Reglers auftreten können.
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Wenn es sich bei diesem Regler um einen Regler mit Integralverhalten
handelt, insbesondere um einen PI-Regler, dann führt das Wegschalten des Istwertes
bzw. die Unterbrechung desselben dazu, dass das Stellwertsignal zu einem Extremwert
läuft, was sich auf den zu regelnden Prozess in unerwünschter Weise auswirken würde.
Aus diesem Grund ist es bekannt, im Störungsfall, insbesondere bei dem relativ häufigen
Ausfall der Stromversorgung oder beim Ausfall der häufig verhältnismässig aufwendigen
und störanfälligen Messwertgeber, wie z.B.
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Analysengeräten, Heizwertgebern, pH-Wert-Gebern usw. den Regelkreis
zwangsläufig aufzutrennen und das letzte Stellsignal festzuhalten bzw. zu speichern.
Auf diese Weise wird verhindert, dass der übersteuerte Regler den zu regelnden Prozess,
der beispielsweise bei einer verhältnismässig kurzen Stromunterbrechung (Netzausfall)
häufig auch einmal für eine gewisse Zeit ohne Regelung weiterlaufen kann, derart
störend beeinflusst, dass letztlich eine Unterbrechung des zu regelnden Prozesses
erforderlich ist.
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Bei einer aus den vorstehend aufgeführten Gründen erfolgenden Unterbrechung
eines Regelvorgangs ist nun das stossfreie Wiederanfahren des Regelkreises in der
Praxis von erheblicher Bedeutung, da unbedingt vermieden werden muss, dass der bis
zum Ende der Unterbrechung der Istwertzuführung ungeregelt weiterlaufende Prozess
nunmehr durch Einschaltschwingungen nachteilig beeinflusst wird. Bisher versuchte
man, einen stossfreien Neubeginn des Regelvorganges dadurch zu erreichen, dass man
in die Regelkreise Regler mit Hand/Automatik-Umschaltung einsetzte und das Anfahren
des Regelvorganges nach einer Unterbrechung bzw. Störung von Hand durchführte.
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Es versteht sich, dass bei dieser Art der Regelung bzw. bei der Verwendung
von derartigen Reglern die ungestörte Fortführung des zu regelnden Prozesses in
hohem Maße von der Aufmerksamkeit, Schulung und Geschicklichkeit des Bedienungspersonals
abhängig ist und dass sich sofort schwerwiegende Probleme ergeben, sobald für das
Wiederanfahren kein erfahrenes Bedienungspersonal zur Verfügung steht.
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Ausgehend vom Stande der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Regelschaltung
anzugeben, das bzw. die es ermöglicht, nach einer Unterbrechung der Istwertzuführung
ein stossfreies Wiederanfahren des Regelkreis es automatisch durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung bei dem Verfahren der eingangs
beschriebenen Art dadurch gelöst, dass dem Regler nach Beendigung der Unterbrechung
als vorläufiges Sollwertsignal zunächst automatisch ein Signal zugeführt wird, welches
gegenüber dem zu diesem Zeitpunkt anstehenden Istwertsignal um einen vorgegebenen
Betrag verringert ist, dass die Zuführung des vorläufigen Sollwertsignals bei Erreichen
der Gleichheit des aufrechterhaltenen und des vom Regler erzeugten Stellsignals
unterbrochen wird und dass dann das bei Umschaltung auf den normalen Regelbetrieb
geltende Sollwertsignal verzögert zur Wirkung gebracht wird.
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Erfindungsgemäss wird also dafür gesorgt, dass der Regler unmittelbar
nach Beendigung der Unterbrechung des Istwertsignals wieder in Betrieb genommen
wird, wobei seinem Sollwerteingang ein vorläufiges, aus dem Istwert abgeleitetes,
Sollwertsignal
zugeführt wird, bis das vom Regler erzeugte Stellsignal dem aufrechterhaltenen bzw.
gespeicherten Stellwertsignal entspricht, das bis zu diesem Zeitpunkt noch wirksam
war. Durch diesen Teilschritt des erfindungsgemässen Verfahrens wird zunächst einmal
erreicht, dass der zu regelnde Prozess, insbesondere ein Stellglied, dessen Stellung
den zu regelnden Prozess beeinflusst, wieder mit dem Reglerausgang des bereits arbeitenden
Reglers verbunden wird, ohne dass ein Sprung im Stellsignal und damit eine sprunghafte
Änderung der Einflussgrössen des zu regelnden Prozesses erfolgt. Anschliessend wird
dann auch noch der zu diesem Zeitpunkt geltende Sollwert, der bis zu diesem Zeitpunkt
unwirksam war, wieder zur Wirkung gebracht, jedoch derart verzögert, dass auch die
Zuschaltung des möglicherweise geänderten Sollwerts keine sprunghafte Beeinträchtigung
der Prozessregelung mit sich bringt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens hat sich eine Regelschaltung
mit einem Istwert-Gebergerät, mit einem, ein Integralverhalten aufweisenden Regler,
mit einem Istwerteingang, der mit dem Ausgang des Gebergeräts verbindbar ist, mit
einem Sollwerteingang, der mit einem Sollwertgeber verbindbar ist, und mit einem
Stellwertausgang, der mit Stelleinrichtungen für einen zu regelnden Prozess verbunden
ist, und mit Speichereinrichtungen zum Speichern des Stellwertsignals bei einer
Istwertunterbrechung besonders bewährt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass
zwischen dem Istwerteingang und dem Sollwerteingang des Reglers eine Anfahrschleife
mit folgenden, in Serie hintereinanderliegenden Bauelementen vorgesehen ist: Eine
Subtraktionsanordnung, eine Umschaltanordnung, eine Verzögerungsanordnung und eine
Maximalwertwählanordnung,
wobei mit Hilfe der Umschaltanordnung
wahlweise der Ausgang des Sollwertgebers und der Ausgang der Subtraktionsanordnung
mit dem Eingang der Verzögerungsanordnung verbindbar ist, dass in der Verbindung
zwischen dem Stellwertausgang und dem Eingang der Stelleinrichtungen eine normalerweise
offene Ventilanordnung vorgesehen ist, dass eine für die Dauer des Ausfalls des
Istwertsignals betätigbare Störschalteinrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe
die normalerweise offene Ventilanordnung im Störungsfall sperrbar und die Umschaltanordnung
zum Schliessen der Anfahrschaltschleife umschaltbar ist, und dass eine Grenzsignal-Schalteinrichtung
vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Ventilanordnung und die Umschaltanordnung in
dem durch die Betätigung der Störschalteinrichtung herbeigeführten Zustand festhaltbar
sind, bis das Stellwertsignal am Stellwertausgang grösser wird als am Eingang der
Stelleinrichtung.
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Eine solche Regelschaltung kann mit verhältnismässig geringem Aufwand
aufgebaut werden und arbeitet sehr zuverlässig, insbesondere wenn ihre Bauelemente
zumindest teilweise pneumatisch betätigbare Bauelemente sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand einer Zeichnung noch näher erläutert, deren einzige Figur ein schematisches
Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Regelschaltung gemäss der Erfindung
zeigt.
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Im einzelnen zeigt die Zeichnung eine Regelschaltung mit einem Stellglied
10 in Form eines einstellbaren Ventils, das den
Zustrom eines Stoffes
P zu einer Prozessleitung 12 dosiert.
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Die Stellung des Stellgliedes 10 wird durch ein Stellwertsignal y
vom Stellwertausgang eines Reglers 14 beeinflusst.
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Der Regler 14, welcher ein Integralverhalten aufweist und beispielsweise
ein PI- oder ein PID-Regler sein kann, besitzt ferner einen Istwerteingang, der
mit dem Ausgang eines Istwert-Gebergeräts 16 verbunden ist, welches normalerweise
einen Istwert x an den Istwerteingang des Reglers 14. liefert. In die Verbindungsleitung
18 zwischen dem Gebergerät 16 und dem Istwerteingang des Reglers 14 ist ein 3-Wege-Ventil
20 eingefügt, welches eine Erregerwicklung 22 aufweist, die normalerweise über einen
Ruhekontakt 24 an Netzspannung liegt, so dass der Weg 1-2 des Ventils 20 geöffnet
ist. Ein weiteres Ventil 26 liegt in der Verbindungsleitung 28 zwischen dem Stellwertausgang
des Reglers 14 und dem Stellglied 10. Das weitere bzw.
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zweite Ventil 26 besitzt eine Erregerwicklung 30, welche in Reihe
mit der Erregerwicklung 32 eines dritten Ventils geschaltet ist, wobei die beiden
Erregerwicklungen 30,32 in Serie zu einem weiteren Ruhekontakt 36 und einem dritten
Kontakt 38 normalerweise, d.h. bei störungsfreiem Betrieb, an Netzspannung liegen.
Wenn die Erregerwicklung 30 des zweiten Ventils 26 erregt ist, dann ist das Ventil
26 geöffnet.
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Wenn die Erregerwicklung 32 des dritten Relais 34, welches als 3-Wege-Ventil
ausgebildet ist, erregt ist, dann ist der Weg 1-2 dieses Ventils geöffnet, so dass
das Sollwertsignal w vom Ausgang eines Sollwertgebers 40 an den Eingang eines Verzögerungsrelais
42 gelangen kann. Der Ausgang des Verzögerungsrelais 42 ist mit dem ersten Eingang
E1 eines Auswahlrelais 44 für Maximaldruck verbunden, an dessen zweitem Eingang
E2 ein konstanter Druck von beispielsweise 0,2 bar anliegt und
dessen
Ausgang mit dem Sollwerteingang des Reglers 14 verbunden ist. Ausser den beschriebenen
Bauelementen enthält die in der Zeichnung dargestellte Regelschaltung noch ein Subtraktionsrelais
46, dessen Eingang mit dem Ausgang des Gebergeräts 16 verbunden ist und dessen Ausgang
mit dem Anschluss 3 des dritten Ventils 34 verbunden ist, sowie ein Grenzsignalrelais
48 mit einem ersten Eingang E1 auf der Reglerseite des zweiten Ventils 26 und mit
einem zweiten Eingang E2 auf der Stellgliedseite des zweiten Ventils 26; das Grenzsignalrelais
48 dient der Betätigung des dritten Kontaktes 38 im Erregerstromkreis für die Erregerwicklungen
30 und 32 des zweiten und dritten Ventils 26 bzw. 34.
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Die vorstehend beschriebene Regelschaltung arbeitet wie folgt: (a)
Normalbetrieb: Bei Normalbetrieb wird das Istwertsignal x dem Regler 14 über den
Weg 1-2 des ersten Ventils 22 zugeführt. Ferner wird das Sollwertsignal w über den
Weg 1-2 des dritten Ventils 34 und die Relais 42 und 44 dem Sollwerteingang des
Reglers 14 zugeführt. Ausserdem ist der Stellwertausgang des Reglers 14 über die
Verbindungsleitung 28 mit dem offenen dritten Ventil 26, mit dem Stellglied 10 verbunden.
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Somit liegt ein geschlossener Regelkreis vor, der in üblicher Weise
arbeitet.
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(b) Störung: Für die nachfolgende Betrachtung wird davon ausgegangen,
dass die Störung auf ein Versagen des Gebergeräts 16 zurückzuführen ist. In diesem
Fall liefert das Gebergerät 16 ein Störungssignal St durch welches, wie dies durch
Pfeile angedeutet ist, die Ruhekontakte 24,36 geöffnet werden. Das
öffnen
der Ruhekontakte hat zur Folge, dass der Erregerstrom für alle drei Ventile 20,26,34
unterbrochen wird. Dies bedeutet im einzelnen, dass der Weg 1-2 des ersten Ventils
20 geschlossen und der Weg 2-3 dieses Ventils geöffnet wird, so dass der Istwerteingang
des Reglers 14 entlüftet wird, da der Weg 3 des Ventils 20 mit der Atmosphäre in
Verbindung steht.
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Ferner sperrt das zweite Ventil 26 die Verbindungsleitung 28, so dass
der zu diesem Zeitpunkt den Stellwert bildende Druck auf der Stellgliedseite des
zweiten Ventils 26 erhalten bleibt.
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Dabei kann es zweckmässig sein, insbesondere bei kleinem Leitungsvolumen
und bei der Gefahr von Undichtigkeiten, am stellgliedseitigen Ende der Verbindungsleitung
28 einen Speicherbehälter 50 mit einem Zusatzvolumen von beispielsweise 0,5 Liter
bereitzustellen. Schliesslich wird durch die Unterbrechung des Erregerstroms 32
der Weg 1-2 des dritten Ventils 34 geschlossen und der Weg 2-3 dieses Ventils geöffnet.
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Durch die vorstehend beschriebenen Schalt- bzw. Umschaltvorgänge an
den drei Ventilen 22,26,34 wird zunächst einmal der Regelvorgang unterbrochen (die
Regelschleife wird geöffnet) und die letzte Stellung des Stellglieds 10 "eingefroren".
Gleichzeitig wird durch das Umschalten des dritten Ventils 34 zur Vorbereitung der
Anfahrphase eine Anfahrschleife mit den Bauelementen 46,34,42,44 zwischen dem Ausgang
des Gebergeräts 16 und dem Sollwerteingang des Reglers 14 geschlossen. Ausserdem
wird durch das Entlüften des Istwerteingangs des Reglers 14 ein Absinken des Stellwertsignals
y herbeigeführt. Wenn nun der Wert y 1 des Stellwertsignals y auf der Reglerseite
des zweiten Ventils 26 kleiner wird als der Wert y2 des aufrechterhaltenen Stellwertsignals
auf der Stellgliedseite des zweiten
Ventils 26, dann spricht das
Grenzsignalrelais 48 an und öffnet den bis dahin geschlossenen dritten Kontakt 38.
Auch diese Massnahme bleibt zunächst ohne Wirkung, da der Erregerstromkreis für
die Erregerwicklungen 30,32 ohnehin unterbrochen ist und dient somit allein der
Vorbereitung der Anfahrphase.
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(c) Anfahrphase: Wenn mit Beendigung der Störung das Stösignal St
des Gebergeräts 16 endet, dann schliessen die Ruhekontakte 24,36, so dass die Erregerwicklung
22 des ersten Ventils 20 wieder erregt wird und seinen Weg 1-2 öffnet, so dass das
Istwertsignal x vom Gebergerät 16 wieder an den Istwerteingang des Reglers 14 angelegt
wird. Das Istwertsignal x wird ferner an den Eingang des Subtraktionsgerätes 46
angelegt, wo ein vorgegebener konstanter Wert k abgezogen wird. Am Ausgang des Subtraktionsgerätes
46 erscheint somit ein Signal x-k.
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Dieses Signal wird über den Weg 3-2 des dritten Ventils 34, das Verzögerungsrelais
42 und das Auswahlrelais 44 an den Sollwerteingang des Reglers 14 gelegt. Da das
Signal am Sollwerteingang des Reglers 14 mit Hilfe des Subtraktionsgerätes 46 zwangsläufig
kleiner gehalten wird als das Signal an dessen Istwerteingang, steigt nunmehr das
Stellwertsignal y am Ausgang des Reglers 14. Erst wenn im Verlauf dieses Vorgangs
der Wert y1 grösser wird als der Wert y2, schaltet das Grenzsignalrelais 48, so
dass nunmehr der dritte Kontakt 38 den Erregerstromkreis für die Erregerwicklungen
30 und 32 des zweiten und dritten Ventils 26 bzw. 34 wieder schliesst. Dies hat
zur Folge, dass das zweite Ventil 26 öffnet, so dass das Stellglied 10 nunmehr wieder
direkt mit dem Stellwertausgang des Reglers 14 verbunden ist. Ferner schliesst das
Ventil 34
den Weg 3-2 und öffnet den Weg 1-2, so dass die Anfahrschleife
unterbrochen wird und das Sollwertsignal w vom Sollwertgeber 40 über das Verzögerungsrelais
42 und das Auswahlrelais 44 an den Sollwerteingang des Reglers 14 gelegt wird. Ein
bei dieser Umschaltung gegebenenfalls auftretender Schaltsprung wird dabei am Regler
14 nicht wirksam, da das Verzögerungsrelais 42 zwischengeschaltet ist.
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Hinsichtlich des Auswahlrelais 44 ist an dieser Stelle noch nachzutragen,
dass dieses während der Störung dafür sorgt, dass der Sollwert w auf einem definierten
Wert gehalten wird, so dass das Stellwertsignal y bei der angenommenen Regelwirkung
"N"(steigendes y bei steigendem x) gegen Null geht.
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Bei Regelwirkung "U" (steigendes y bei fallendem x) arbeitet die Regelschaltung
im wesentlichen ebenso wie vorstehend beschrieben. Unterschiedlich ist lediglich,
dass bei einem Istwertausfall der Regler 14 auf Zuluftdruck aussteuert und dass
die Anschlüsse E1 und E2 des Grenzsignalrelais 48 für diesen Fall untereinander
vertauscht werden.
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Grundsätzlich besteht auch bei der erfindungsgemässen Regelschaltung
die Möglichkeit einer Handregelung. In diesem Fall wird ein Regler 14 mit Hand/Automatik-Umschaltung
verwendet, der an einem zusätzlichen Ausgang S bei Automatik-Betrieb den Signalwert
0 liefert und bei Handbetrieb einen erhöhten Signalwert, beim Ausführungsbeispiel
beispielsweise einen Zuluftdruck von 1,4 bar. Der Ausgang S des Reglers 14 ist mit
einem ersten Eingang E1 eines Umschaltrelais 52 verbunden, dessen zweiter Eingang
E2 mit der Stellgliedseite des Ventils 26 verbunden ist und dessen Ausgang A mit
der Reglerseite des
Ventils 26 verbunden ist. Ein dritter Eingang
E3 des Umschaltrelais 52 ist dicht verschlossen". Das Umschaltrelais 52 bietet bei
Handbetrieb die Möglichkeit, einen Parallelpfad zu dem zweiten Ventil 26 zu schliessen.
Die für den Handbetrieb erforderlichen Einrichtungen betreffen die Positionen 14,
52 und 26. Die entsprechenden Verbindunqen sind gestrichelt eingetragen.
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Es ist ebenfalls vorgesehen das Ventil 10 nicht unmittelbar über die
Leitung 28 anzusteuern, sondern über ein Rechenglied 54. Die Anordnung ist strichpunktiert
eingezeichnet.