Regelungstechnik Grundlagen: so funktioniert industrielle Prozessregelung

Was ist Regelungstechnik?

Regelungstechnik dreht sich um die Beherrschung dynamischer Prozesse. Ziel ist es, wichtige Prozessgrößen wie Temperatur, Druck, Durchfluss oder Füllstand so nah wie möglich am gewünschten Wert zu halten, auch wenn der Prozess durch Störungen oder wechselnde Betriebsbedingungen beeinflusst wird.

Dazu werden Informationen aus dem Prozess genutzt, um gezielt nachzusteuern. Eine Messung sagt, was tatsächlich passiert, eine Regelstrategie bestimmt, welche Korrektur nötig ist, und ein Stellglied wie ein Stellventil, eine Pumpe oder ein Antrieb wirkt dann auf den Prozess ein.

In der Prozessindustrie geschieht das ständig. Von einer einfachen Durchflussregelung bis zu mehreren Regelkreisen, die über eine Kaskade oder andere Regelstrukturen zusammenarbeiten. Die Qualität dieser Regelungen hat direkten Einfluss auf Prozessstabilität, Schwankungen, Energie- und Rohstoffverbrauch und die Belastung der Apparate.

Regelungstechnik geht deshalb über das Einstellen eines PID-Reglers hinaus. Auch Prozessdynamik, Rückführung, Störgrößenaufschaltung, Messungen, Stellglieder, Filterung, Begrenzungen und Wechselwirkungen zwischen Regelkreisen bestimmen, wie gut ein Prozess letztlich geregelt wird.

Wie ist ein Regelkreis aufgebaut?

Ein Regelkreis verbindet den gewünschten Zustand eines Prozesses mit dem, was im Prozess tatsächlich geschieht. Dafür arbeiten verschiedene Bestandteile ständig zusammen.

Der gewünschte Prozesswert wird im Sollwert (SP) festgelegt. Ein Messumformer misst den tatsächlichen Prozesswert, den Istwert (PV), zum Beispiel Temperatur, Druck, Durchfluss oder Füllstand. Der Regler vergleicht beide Werte und bestimmt daraus, welche Korrektur nötig ist.

Diese Korrektur wird über die Stellgröße (MV oder Output) an ein Stellglied gesendet. Das kann zum Beispiel ein Stellventil, eine Pumpe, ein Ventilator oder ein Antrieb sein. Das Stellglied wirkt dann auf den Prozess ein, woraufhin die Änderung wieder im Istwert sichtbar wird.

So entsteht ein geschlossener Regelkreis:

SP → Regler → MV → Stellglied → Prozess → PV → Rückführung

Der Prozess selbst ist dabei ein wesentlicher Teil der Regelung. Eine Änderung der Stellgröße wirkt nicht sofort und nicht bei jedem Prozess gleich. Prozessverstärkung, Zeitkonstanten, Totzeit und Störungen bestimmen, wie der Istwert letztlich reagiert.

Deshalb lässt sich ein Regelkreis nicht nur anhand der Einstellungen des Reglers beurteilen. Auch die Messung, das Stellglied, die Prozessdynamik und gegebenenfalls andere Regelkreise können das resultierende Regelverhalten beeinflussen.

Rückführung und Störgrößenaufschaltung: zwei Wege, einen Prozess nachzusteuern

Ein Prozess kann auf verschiedene Weise nachgesteuert werden. Zwei wichtige Prinzipien in der Regelungstechnik sind die Rückführung (Feedback) und die Störgrößenaufschaltung (Feedforward). Der Unterschied liegt vor allem im Zeitpunkt, zu dem die Regelung reagiert.

Rückführung: korrigieren, was schon passiert

Bei der Rückführung wird der gemessene Prozesswert an den Regler zurückgeführt. Der Regler vergleicht den Istwert mit dem Sollwert und reagiert, sobald eine Regelabweichung entsteht.

Ein PID-Regler ist dafür das bekannteste Beispiel.

Steigt eine Temperatur zum Beispiel über den Sollwert, sieht der Regler die Abweichung und passt die Stellgröße an, um die Temperatur zurückzubringen.

Die Rückführung hat damit ein wichtiges Merkmal: Der Einfluss einer Störung muss zuerst im geregelten Prozesswert sichtbar werden, bevor der Regler darauf reagieren kann.

Wie gut das gelingt, hängt unter anderem von der Prozessdynamik ab. Vor allem bei Prozessen mit viel Totzeit kann relativ viel Zeit zwischen einer Korrektur und dem Moment vergehen, in dem ihre Wirkung im Istwert sichtbar wird.

Störgrößenaufschaltung: reagieren, bevor der Istwert abweicht

Die Störgrößenaufschaltung arbeitet anders. Statt zu warten, bis eine Störung im Istwert sichtbar wird, wird eine messbare Störung direkt genutzt, um vorab eine Korrektur auszuführen.

Angenommen, der Zulauf zu einem Prozess nimmt plötzlich zu, und es ist bekannt, dass dadurch mehr Wärme nötig ist. Wird dieser Zulauf gemessen, kann eine Störgrößenaufschaltung die Wärmezufuhr sofort anpassen, ohne zu warten, bis die Temperatur abzuweichen beginnt.

Die Regelung versucht damit, die Wirkung der Störung auszugleichen, bevor sie im geregelten Prozesswert vollständig sichtbar wird.

Dafür muss allerdings bekannt sein, wie die gemessene Störung den Prozess beeinflusst. Eine Störgrößenaufschaltung ist deshalb auf brauchbare Messungen und ausreichendes Wissen über den Zusammenhang zwischen Störung und benötigter Korrektur angewiesen.

Rückführung und Störgrößenaufschaltung ergänzen sich

Die Störgrößenaufschaltung ersetzt die Rückführung meist nicht. In industriellen Anwendungen werden beide gerade kombiniert.

Die Störgrößenaufschaltung kann bekannte und messbare Störungen frühzeitig ausgleichen. Die Rückführung korrigiert anschließend die verbleibenden Abweichungen, zum Beispiel weil das Prozessmodell nicht exakt stimmt oder weil nicht alle Störungen messbar sind.

Damit haben beide Prinzipien eine andere Funktion innerhalb derselben Regelstrategie.

Ein Prozess, der trotz eines gut eingestellten PID-Reglers immer wieder auf dieselbe vorhersehbare Störung reagiert, braucht deshalb nicht automatisch ein anderes Kp oder Tn. Es kann auch bedeuten, dass die Regelstruktur selbst genauer untersucht werden muss.

Das ist ein wichtiges Prinzip in der Regelungstechnik: Nicht jedes Regelungsproblem ist ein Problem der PID-Einstellung.

Von einem Regelkreis zu mehreren Regelkreisen

Nicht jeder Prozess lässt sich mit einem einzelnen, getrennten Regelkreis optimal regeln. In industriellen Anlagen beeinflussen sich Prozessgrößen gegenseitig, und oft arbeiten mehrere Regler zusammen, um ein Prozessziel zu erreichen.

Ein bekanntes Beispiel ist die Kaskadenregelung. Dabei arbeiten zwei Regler hintereinander. Der erste Regler wird oft Führungsregler (Master) genannt und der zweite Folgeregler (Slave).

Der Führungsregler überwacht die wichtigste Prozessgröße. Sein Ausgang wird verwendet, um den Sollwert des Folgereglers zu bestimmen. Der Folgeregler regelt dann eine unterlagerte Prozessgröße und steuert das Stellglied an.

Ein praktisches Beispiel ist die Regelung des Wasserstands in einer Dampftrommel. Der Führungsregler überwacht den Trommelwasserstand. Ändert sich der Stand, bestimmt dieser Regler, wie viel Speisewasser nötig ist. Dieser gewünschte Speisewasserdurchfluss wird als Sollwert an den Folgeregler weitergegeben. Der Folgeregler vergleicht diesen Sollwert mit dem tatsächlich gemessenen Speisewasserdurchfluss und stellt das Speisewasserventil nach.

Vereinfacht sieht die Regelstruktur so aus:

Trommelwasserstand → Führungsregler Stand → SP Speisewasserdurchfluss → Folgeregler Durchfluss → Speisewasserventil

Der Folgeregler kann Änderungen im Speisewasserdurchfluss schnell korrigieren, während sich der Führungsregler auf das langsamere Verhalten des Trommelwasserstands konzentriert. Für eine gut funktionierende Kaskade muss der unterlagerte Folgeregler deshalb in der Regel deutlich schneller reagieren als der Führungsregler.

In der Praxis können Trommelwasserstandsregelungen umfangreicher sein, zum Beispiel mit Dampfdurchfluss und Speisewasserdurchfluss als zusätzlichen Signalen. Das wird oft eingesetzt, um Änderungen der Dampflast schneller abzufangen.

Die Kaskade zeigt damit, dass gutes Regelverhalten nicht nur durch die Einstellungen eines einzelnen PID-Reglers bestimmt wird. Auch der Aufbau, die relative Geschwindigkeit und das Zusammenspiel der Regelkreise bestimmen, wie der Gesamtprozess reagiert.

Was bestimmt die Leistung eines Regelkreises?

Ein Regelkreis funktioniert wie eine Kette. Von der Messung des Prozesses bis zur endgültigen Bewegung eines Ventils, einer Pumpe oder eines anderen Stellglieds muss jeder Teil seine Funktion gut erfüllen. Die Leistung wird deshalb nicht nur durch den Regler selbst bestimmt.

Eine zuverlässige Messung ist dabei wesentlich. Der Regler trifft Entscheidungen auf Basis des gemessenen Prozesswerts. Messrauschen, Verzögerung oder eine abweichende Messung können das Regelverhalten deshalb direkt beeinflussen.

Dasselbe gilt für das Stellglied. Ein Regler kann eine korrekte Stellgröße berechnen, aber wenn ein Stellventil zum Beispiel Reibung, Spiel, Sättigung oder eine nichtlineare Kennlinie hat, muss der Prozess nicht so reagieren, wie der Regler es erwartet.

Außerdem wird eine industrielle Anlage ständig durch Störungen und wechselnde Betriebsbedingungen beeinflusst. Änderungen der Last, der Zulaufströme, der Temperaturen oder der Zusammensetzungen können von mehreren Regelkreisen gleichzeitig verarbeitet werden. Dadurch können sich Regelkreise auch gegenseitig beeinflussen.

Gutes Regelverhalten entsteht deshalb aus dem Zusammenspiel von Messung, Regelstrategie, Stellglied und Prozess. Arbeitet eine Regelung nicht wie erwartet, muss der vollständige Regelkreis betrachtet werden, bevor man schließt, dass nur die PID-Parameter angepasst werden müssen.

Jede Sekunde zählt

In einem kontinuierlichen Prozess können sich kleine Abweichungen ständig wiederholen. Unnötige Schwankungen, langsame Korrekturen oder zusätzliche Bewegung von Stellgliedern wirken in einem Moment vielleicht gering, können über Tausende Betriebsstunden aber relevant werden.

Gute Regelungstechnik dreht sich deshalb nicht nur um die Vermeidung von Störungen. Es geht auch um einen Prozess, der stabil, beherrscht und effizient arbeitet.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Regelungstechnik?

Regelungstechnik ist das Fachgebiet, das sich mit dem automatischen Nachsteuern dynamischer Prozesse beschäftigt. Ziel ist es, Prozessgrößen wie Temperatur, Druck, Durchfluss und Füllstand auf dem gewünschten Wert zu halten, auch wenn Störungen oder wechselnde Betriebsbedingungen den Prozess beeinflussen. In der Prozessindustrie geschieht das mit Regelkreisen: einer Messung, einem Regler (meist einem PID-Regler) und einem Stellglied wie einem Stellventil oder einer Pumpe.

Was ist ein Regelkreis?

Ein Regelkreis ist die geschlossene Kette aus Sollwert (SP), Regler, Stellgröße (MV), Stellglied, Prozess und Messung (PV). Der Regler vergleicht den gemessenen Prozesswert mit dem Sollwert und stellt das Stellglied nach; die Wirkung wird erneut gemessen und zurückgeführt. Der Prozess selbst, mit seiner Prozessverstärkung, seinen Zeitkonstanten und seiner Totzeit, ist ein vollwertiger Teil dieses Kreises.

Was ist der Unterschied zwischen Rückführung und Störgrößenaufschaltung?

Die Rückführung korrigiert auf Basis einer Abweichung, die im gemessenen Prozesswert bereits sichtbar ist. Die Störgrößenaufschaltung nutzt eine gemessene Störung, um vorab zu korrigieren, noch bevor der Prozesswert abweicht. Die Störgrößenaufschaltung erfordert Wissen darüber, wie diese Störung den Prozess beeinflusst, und ersetzt die Rückführung meist nicht; in der Praxis werden beide kombiniert, wobei die Rückführung die verbleibenden Abweichungen ausregelt.

Was ist eine Kaskadenregelung?

Bei einer Kaskadenregelung arbeiten zwei Regler hintereinander. Der Führungsregler überwacht die wichtigste Prozessgröße und bestimmt mit seinem Ausgang den Sollwert des Folgereglers, der eine unterlagerte, schnellere Größe regelt und das Stellglied ansteuert. Ein bekanntes Beispiel ist die Trommelwasserstandsregelung eines Dampfkessels, bei der der Standregler den Sollwert des Speisewasser-Durchflussreglers bestimmt. Der Folgeregler muss deutlich schneller reagieren als der Führungsregler.

Weiterlesen zur Regelungstechnik

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