Regeltechniek: de basis van industriële procesregeling

Wat is regeltechniek?

Regeltechniek draait om het beheersen van dynamische processen. Het doel is om belangrijke procesvariabelen, zoals temperatuur, druk, flow of niveau, zo dicht mogelijk bij de gewenste waarde te houden, ook wanneer het proces wordt beïnvloed door verstoringen of veranderende bedrijfscondities.

Daarvoor wordt informatie uit het proces gebruikt om gericht bij te sturen. Een meting vertelt wat er daadwerkelijk gebeurt, een regelstrategie bepaalt welke correctie nodig is en een actuator, zoals een regelklep, pomp of aandrijving, beïnvloedt vervolgens het proces.

In de procesindustrie gebeurt dit continu. Van een eenvoudige flowregeling tot meerdere regelkringen die via cascade of andere regelstructuren met elkaar samenwerken. De kwaliteit van die regelingen heeft direct invloed op processtabiliteit, variatie, energie en grondstofgebruik en de belasting van apparatuur.

Regeltechniek gaat daarom verder dan alleen het instellen van een PID regelaar. Ook procesdynamiek, feedback, feedforward, metingen, actuatoren, filtering, begrenzingen en interacties tussen regelkringen bepalen hoe goed een proces uiteindelijk wordt geregeld.

Hoe is een regelkring opgebouwd?

Een regelkring verbindt de gewenste toestand van een proces met wat er daadwerkelijk in het proces gebeurt. Daarvoor werken verschillende onderdelen continu met elkaar samen.

De gewenste proceswaarde wordt vastgelegd in het setpoint (SP). Een transmitter meet de werkelijke proceswaarde (PV), bijvoorbeeld temperatuur, druk, flow of niveau. De regelaar vergelijkt beide waarden en bepaalt op basis daarvan welke correctie nodig is.

Die correctie wordt via de regeluitgang (MV of output) naar een actuator gestuurd. Dat kan bijvoorbeeld een regelklep, pomp, ventilator of aandrijving zijn. De actuator beïnvloedt vervolgens het proces, waarna de verandering opnieuw zichtbaar wordt in de PV.

Zo ontstaat een gesloten regelkring:

SP → regelaar → MV → actuator → proces → PV → terugkoppeling

Het proces zelf vormt daarbij een essentieel onderdeel van de regeling. Een verandering van de MV heeft niet onmiddellijk en niet bij ieder proces hetzelfde effect. Procesversterking, tijdconstanten, dode tijd en verstoringen bepalen hoe de PV uiteindelijk reageert.

Daarom kan een regelkring niet alleen worden beoordeeld aan de hand van de instellingen van de regelaar. Ook de meting, actuator, procesdynamiek en eventuele andere regelkringen kunnen het uiteindelijke regelgedrag beïnvloeden.

Feedback en feedforward: twee manieren om een proces bij te sturen

Een proces kan op verschillende manieren worden bijgestuurd. Twee belangrijke principes binnen de regeltechniek zijn feedback en feedforward. Het verschil zit vooral in het moment waarop de regeling reageert.

Feedback: corrigeren op wat er al gebeurt

Bij feedback wordt de gemeten proceswaarde teruggekoppeld naar de regelaar. De regelaar vergelijkt de PV met het setpoint en reageert zodra er een regelafwijking ontstaat.

Een PID regelaar is hiervan het bekendste voorbeeld.

Stijgt een temperatuur bijvoorbeeld boven het setpoint, dan ziet de regelaar de afwijking en past hij de regeluitgang aan om de temperatuur terug te brengen.

Feedback heeft daarmee een belangrijk kenmerk: de invloed van een verstoring moet eerst zichtbaar worden in de geregelde proceswaarde voordat de regelaar erop kan reageren.

Hoe goed dat lukt, hangt onder andere af van de procesdynamiek. Vooral bij processen met veel dode tijd kan er relatief veel tijd verstrijken tussen een correctie en het moment waarop het effect daarvan in de PV zichtbaar wordt.

Feedforward: reageren voordat de PV afwijkt

Feedforward werkt anders. In plaats van te wachten totdat een verstoring zichtbaar wordt in de PV, wordt een meetbare verstoring rechtstreeks gebruikt om vooraf een correctie uit te voeren.

Stel dat de toevoer naar een proces plotseling toeneemt en bekend is dat daardoor meer warmte nodig is. Wanneer die toevoer wordt gemeten, kan een feedforward regeling de warmtetoevoer direct aanpassen zonder eerst te wachten totdat de temperatuur begint af te wijken.

De regeling probeert het effect van de verstoring daarmee te compenseren voordat deze volledig zichtbaar wordt in de geregelde proceswaarde.

Daarvoor moet wel bekend zijn hoe de gemeten verstoring het proces beïnvloedt. Een feedforward regeling is daarom afhankelijk van bruikbare metingen en voldoende kennis van de relatie tussen verstoring en benodigde correctie.

Feedback en feedforward vullen elkaar aan

Feedforward vervangt feedback meestal niet. In industriële toepassingen kunnen beide juist worden gecombineerd.

Feedforward kan bekende en meetbare verstoringen vroegtijdig compenseren. Feedback corrigeert vervolgens de afwijkingen die overblijven, bijvoorbeeld doordat het procesmodel niet exact klopt of doordat niet alle verstoringen meetbaar zijn.

Daarmee hebben beide principes een andere functie binnen dezelfde regelstrategie.

Een proces dat ondanks een goed ingestelde PID regelaar steeds op dezelfde voorspelbare verstoring reageert, hoeft daarom niet automatisch een andere Kp of Tn nodig te hebben. Het kan ook betekenen dat de regelstructuur zelf verder moet worden onderzocht.

Dat is een belangrijk principe binnen regeltechniek: niet ieder regelprobleem is een PID tuningprobleem.

Van één regelkring naar meerdere regelkringen

Niet ieder proces kan optimaal worden geregeld met één afzonderlijke regelkring. In industriële installaties beïnvloeden procesvariabelen elkaar en werken meerdere regelaars vaak samen om één procesdoel te bereiken.

Een bekend voorbeeld hiervan is een cascaderegeling. Hierbij werken twee regelaars achter elkaar. De eerste regelaar wordt vaak de master genoemd en de tweede regelaar de slave.

De master bewaakt de belangrijkste procesvariabele. De uitgang van deze regelaar wordt gebruikt om het setpoint van de slave te bepalen. De slave regelt vervolgens een onderliggende procesvariabele en stuurt de actuator aan.

Een praktisch voorbeeld is de regeling van het waterniveau in een stoomdrum. De master bewaakt het drumniveau. Wanneer het niveau verandert, bepaalt deze regelaar hoeveel voedingswater nodig is. Deze gewenste voedingswaterflow wordt als setpoint doorgegeven aan de slave. De slave vergelijkt dit setpoint met de werkelijk gemeten voedingswaterflow en stuurt de voedingswaterklep bij.

De regelstructuur ziet er vereenvoudigd als volgt uit:

Drumniveau → master niveauregelaar → voedingswaterflow SP → slave flowregelaar → voedingswaterklep

De slave kan veranderingen in de voedingswaterflow snel corrigeren, terwijl de master zich richt op het langzamere gedrag van het drumniveau. Voor een goed werkende cascade moet de onderliggende slave daarom doorgaans duidelijk sneller reageren dan de master.

In de praktijk kunnen drumniveauregelingen uitgebreider zijn, bijvoorbeeld met stoomflow en voedingswaterflow als aanvullende signalen. Dit wordt vaak toegepast om veranderingen in de stoombelasting sneller op te vangen.

Cascade laat daarmee zien dat goed regelgedrag niet alleen wordt bepaald door de instellingen van één PID regelaar. Ook de opbouw, onderlinge snelheid en samenwerking van regelkringen bepalen hoe het totale proces reageert.

Wat bepaalt de prestaties van een regelkring?

Een regelkring functioneert als een keten. Van de meting van het proces tot de uiteindelijke beweging van een klep, pomp of andere actuator moet ieder onderdeel zijn functie goed uitvoeren. De prestaties worden daarom niet alleen bepaald door de regelaar zelf.

Een betrouwbare meting is daarbij essentieel. De regelaar neemt beslissingen op basis van de gemeten proceswaarde. Meetruis, vertraging of een afwijkende meting kan daardoor direct invloed hebben op het regelgedrag.

Hetzelfde geldt voor de actuator. Een regelaar kan een correcte uitgang berekenen, maar wanneer een regelklep bijvoorbeeld wrijving, speling, verzadiging of een niet lineair karakter heeft, hoeft het proces niet te reageren zoals de regelaar verwacht.

Daarnaast wordt een industriële installatie voortdurend beïnvloed door verstoringen en veranderende bedrijfscondities. Veranderingen in belasting, toevoerstromen, temperaturen of samenstellingen kunnen door meerdere regelkringen tegelijk worden verwerkt. Daardoor kunnen regelkringen elkaar ook onderling beïnvloeden.

Goed regelgedrag ontstaat daarom uit de samenwerking tussen meting, regelstrategie, actuator en proces. Wanneer een regeling niet presteert zoals verwacht, moet de volledige regelkring worden bekeken voordat wordt geconcludeerd dat alleen de PID instellingen aangepast moeten worden.

Elke seconde telt

In een continu proces kunnen kleine afwijkingen zich voortdurend herhalen. Onnodige variatie, trage correcties of extra beweging van actuatoren lijken op één moment misschien beperkt, maar kunnen over duizenden bedrijfsuren wel relevant worden.

Goede regeltechniek draait daarom niet alleen om het voorkomen van storingen. Het gaat ook om een proces dat stabiel, beheerst en efficiënt blijft presteren.

Veelgestelde vragen

Wat is regeltechniek?

Regeltechniek is het vakgebied dat zich bezighoudt met het automatisch bijsturen van dynamische processen. Het doel is om procesvariabelen zoals temperatuur, druk, flow en niveau op de gewenste waarde te houden, ook wanneer verstoringen of veranderende bedrijfscondities het proces beïnvloeden. In de procesindustrie gebeurt dat met regelkringen: een meting, een regelaar (meestal een PID regelaar) en een actuator zoals een regelklep of pomp.

Wat is een regelkring?

Een regelkring is de gesloten keten van setpoint (SP), regelaar, regeluitgang (MV), actuator, proces en meting (PV). De regelaar vergelijkt de gemeten proceswaarde met het setpoint en stuurt de actuator bij; het effect daarvan wordt opnieuw gemeten en teruggekoppeld. Het proces zelf, met zijn procesversterking, tijdconstanten en dode tijd, is een volwaardig onderdeel van die kring.

Wat is het verschil tussen feedback en feedforward?

Feedback corrigeert op basis van een afwijking die al zichtbaar is in de gemeten proceswaarde. Feedforward gebruikt een gemeten verstoring om vooraf te corrigeren, nog voordat de proceswaarde afwijkt. Feedforward vereist kennis van hoe die verstoring het proces beïnvloedt en vervangt feedback meestal niet; in de praktijk worden beide gecombineerd, waarbij feedback de resterende afwijkingen wegwerkt.

Wat is een cascaderegeling?

Bij een cascaderegeling werken twee regelaars achter elkaar. De master bewaakt de belangrijkste procesvariabele en bepaalt met zijn uitgang het setpoint van de slave, die een onderliggende, snellere variabele regelt en de actuator aanstuurt. Een bekend voorbeeld is de drumniveauregeling van een stoomketel, waarbij de niveauregelaar het setpoint van de voedingswaterflowregelaar bepaalt. De slave moet duidelijk sneller reageren dan de master.

Verder lezen over regeltechniek

Regeltechniek bestaat uit verschillende onderwerpen die ieder hun eigen verdieping verdienen. Denk aan PID regelingen, procesdynamiek, tuningmethoden, feedforward en cascade. In onze kennisbank behandelen we deze onderwerpen afzonderlijk en steeds verder in de diepte.

Uw regelkringen laten analyseren?

Wilt u weten hoe uw regelkringen daadwerkelijk presteren? PID Dynamics analyseert historische procesdata om het regelgedrag en mogelijke verbeterpunten technisch in kaart te brengen.

Bekijk het complete traject of neem contact met ons op voor meer informatie.