Temperaturregler

Beschreibung der Funktion der unterschiedlichen Regler-Typen

Es gibt drei Grundtypen von Reglern: Zweipunktregler, Proportionalregler und PID-Regler. Unter Verwendung dieser unterschiedlichen Reglertypen kann für jedes Regelsystem eine Regelung aufgebaut werden.

On-Off-Regelung

Ein On-Off-Regler ist die einfachste Form eines Temperaturregelgerätes. Das Ausgangssignal des Gerätes ist entweder Ein oder Aus, ohne weiteren Status dazwischen. Ein ON-Off-Regler schaltet das Ausgangssignal nur dann um, wenn die zu regelnde Temperatur den Sollwert durchläuft. Bei einer Heizungsregelung ist das Ausgangssignal Ein, wenn die Temperatur unterhalb des Sollwertes, und Aus, wenn oberhalb des Sollwertes liegt. Das Umschalten des Ausgangssignals geschieht, indem die Temperatur den Sollwert durchläuft. Die zu regelnde Temperatur schwingt entsprechend um den Sollwert. Zur Vermeidung eines sich rasch verstärkenden Schwingens und dadurch hervorgerufener Schäden an Kontakten oder Ventilen wird eine Schaltdifferenz zwischen den Schaltpunkten je nach Durchlaufrichtung eingefügt. Dieser Abstand zwischen Sollwert für Ein und Sollwert für Aus wird auch mit Hysterese bezeichnet. Die Schaltdifferenz macht es unvermeidlich, dass die Temperatur den Sollwert um ein gewisses Maß überschreitet, bevor das Ausgangssignal umgeschaltet wird. Dies wird jedoch in Kauf genommen, weil die Hysterese ein Flattern (einen zu schnellen Wechsel) zwischen Ein und Aus verhindert. Typische Einsatzfelder für die On-Off-Regelung sind Anwendungsfälle ohne hohe Genauigkeitserfordernis oder extrem träge Systeme (z. B. extrem langsame Temperaturänderungen aufgrund großer Masse). Ebenso wird die On-Off-Regelung eingesetzt bei Systemen, die ein ständiges Ein- und Ausschalten nicht vertragen sowie für Warnmelder. Eine spezielle Form einer On-Off-Regelung kommt als Warnmelder in einem Grenzwertregler zur Anwendung. Dieser Regler verwendet ein Halterelais, das geschaltet bleibt, bis es manuell zurückgesetzt wird. Nach Auslösung des Grenzwertreglers durch die Grenztemperatur wird der Prozess heruntergefahren.

Proportionalregelung

Proportionalregler sind in der Lage, das bei den On-Off-Reglern auftretende Schwingen der Regelgröße zu vermeiden. Ein Proportionalregler vermindert die Heizungsleistung, wenn die Temperatur sich dem Schaltpunkt nähert. Damit wird das Überschwingen des Sollwertes vermieden, die Solltemperatur wird erreicht und vergleichsweise stabil gehalten. Das Dosieren der Heizleistung kann durch intervallweises Einschalten des Ausgangssignals erfolgen. Das Verhältnis zwischen Ein- und Aus-Intervall wird proportional verändert. Dieses Dosieren geschieht in einem Proportionalbereich mit festgelegter Bandbreite um die Solltemperatur. Außerhalb der Bandbreite funktioniert der Proportionalregler wie ein On-Off-Regler, das Ausgangssignal ist außerhalb der Bandbreite entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet. Innerhalb des Proportionalbereichs wird das Ausgangssignal intervallweise eingeschaltet, das Längenverhältnis zwischen Ein- und Aus-Intervall variiert je nach Abstand vom Sollwert. Die Mitte der Bandbreite entspricht dem Sollwert, hier ist das Verhältnis 1:1; das heißt, Ein-Intervall und Aus-Intervall sind gleich lang. Innerhalb der Bandbreite verändert sich das Verhältnis proportional zum Abstand vom Sollwert. Bei Temperaturen unterhalb des Sollwertes ist das Ein-Intervall länger; bei oberhalb liegenden Temperaturen ist das Aus-Intervall länger.

PID-Regelung

Der dritte Reglertyp verbindet den Proportionalregler mit den weiteren Typen Integrierer und Differenzierer zum PID-Regler. Dieser Regler kombiniert die Proportionalregelung mit zwei zusätzlichen Regelanteilen, mit denen unerwünschte Änderungen im Regelverhalten automatisch kompensiert werden. Diese Regelanteile sind Nachstellzeit (I-Anteil) und Vorhaltezeit (D-Anteil), sie werden als Zeiten angegeben; in der amerikanischen Literatur werden diese Parameter auch als RESET und RATE bezeichnet. Sie geben dann den Kehrwert von I- und D-Anteil an. Für jedes konkrete Regelsystem müssen die Proportional-, Integral- und Differenzial-Anteile individuell angepasst werden, optimale Ergebnisse werden oftmals durch ein schrittweises Vorgehen gemäß „Trial and Error“ erreicht.

Beispiel Temperaturregelung mit PID-Regler CNPt

Flexible, industrielle Heizfolien mit Leistungdichten von 2,5, 5 oder 10 W/in2		Pt100- und Thermoelement- Fühler für industrielle Anwendungen	Halbleiterrelais mit hoher Zuverlässigkeit AC- und DC-Ansteuerung
Programmierung über mitgelieferte Standardsoftware		DASYLab Datenerfassungs- und Verarbeitungssoftware für Omega PC-Messsysteme

Die PID-Regelung bietet im Vergleich mit den vorgenannten Regelverfahren On-Off-Regler und Proportionalregler die höchste Genauigkeit und das stabilste Verhalten. Sie ist die beste Wahl für Systeme mit geringer Masse, die schnell auf ihnen zugeführte Energie reagiert. Die PID-Regelung ist zu empfehlen für Regelsysteme mit häufigen Belastungswechseln und der Erfordernis einer automatischen Kompensation, z. B. bei ständigen Veränderungen des Sollwertes, der verfügbaren Energie oder der vorhandenen Masse. OMEGA Engineering biete eine Reihe von Reglern an, die sich automatisch auf ein Prozessverhalten einstellen können. Diese werden als Regler mit Selbstoptimierung bezeichnet.

DIN-Größen

Da Temperaturregler in der Regel in einer Schalttafel montiert werden, muss diese mit entsprechenden Ausschnitten für die Aufnahme der Regler versehen werden. Um die Austauschbarkeit von Temperaturreglern zu gewährleisten, weisen die meisten Temperaturregler DIN-Abmessungen auf. Die gebräuchlichsten DIN-Größen sind im Folgenden dargestellt.

On-Off-Regler
Ein On-Off-Regler ist die einfachste Art eines Reglers, für derartige Regler gibt es nur die beiden Zustände EIN und AUS. Sie sind für Anwendungen ausgelegt, in denen die gleiche Funktionalität wie bei einfachen PID-Regler, jedoch zu geringeren Kosten realisiert werden sollen.

PID-Regler mit Selbstoptimierung
PID-Regler sind für sehr genaue Regelungen geeignet, setzen aber ein aufwändiges Parametrieren des PID-Algorithmus voraus. Selbstoptimierende Regler bieten die Funktion einer automatischen Parametrierung.

Regler für mehrere Regelkreise
Jeder Regelkreis besitzt normalerweise 1 Eingangssignal und mindestens 1 Ausgangssignal. OMEGA bietet zahlreiche Regler für mehrere Regelkreise an. OMEGA CN1507 kann bis zu 7 Regelkreise verarbeiten.

Sicherheits-Grenzwertregler
Ein Sicherheits-Grenzwertregler ist ein On-Off-Regler mit einem selbsthaltenden (bleibend geschalteten) Ausgangssignal. Wird das Ausgangssignal gesetzt, dann macht es ein manuelles Rückstellen erforderlich. Sicherheits-Grenzwertregler werden normalerweise als redundante Überwachungseinrichtungen verwendet, die einen Prozess bei Erreichen eines Grenzwertes abschalten, bevor unerwünschte Bereiche jenseits des Grenzwertes erreicht werden.

Temperaturschalter
Ein einstellbarer Temperaturschalter ist für Anwendungsfälle geeignet, die eine kostengünstige Temperaturregelung erfordern. Temperaturschalter sind unkompliziert im Aufbau und einfach in der Anwendung im Vergleich mit den aufwändigeren, elektronischen Regler.

So wählen Sie den richtigen PID-Regler aus

Der Regler ist Teil des gesamten Regelsystems, alle Glieder dieses Gesamtsystems sollten bei der Auswahl des geeigneten Reglers Berücksichtigung finden. Dazu gehören folgende Punkte:

1. Die Art des Temperaturfühlers (Widerstandsfühler oder Thermoelement) als Lieferant des Eingangsignals sowie der Messtemperaturbereich
2. Die Art des Ausgangssignals (Elektromechanisches Relais, Logik, Analogausgang)
3. Der benötigte Regelalgorithmus (On-Off, Proportional, PID)
4. Anzahl und Art der Regelgrößen (Wärme, Kälte, Alarm, Grenzwert)