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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Durchflusses und/oder Druckes in einer hydraulischen Anlage umfassend ein Regelventil mit Regeleinheit zur Ansteuerung des Regelventils.
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Eine typische Aufgabe eines Regelventils innerhalb einer hydraulischen Anlage besteht darin, den Volumenstrom auf einem bestimmten Sollwert Qset konstant zu halten. Bekannte Regeleinheiten bestimmen die Regelabweichung zwischen dem gemessenen Förderstrom Q und dem Sollwert Qset und minimieren die Regelabweichung mittels PI-Regler. Eine Herausforderung ist die richtige Konfiguration der benötigten Reglerparameter, insbesondere bei hydraulischen Anlagen mit sich ändernden Betriebspunkten, wie dies bei Heizungsanlagen der Fall ist. Hier sind die hydraulischen Systemgleichungen nichtlinear und zudem abhängig vom Betriebspunkt der Anlage, was oftmals dazu führen kann, dass die Parameter des Pl-Reglers, die für einen Betriebspunkt optimal sind, für einen anderen Betriebspunkt eher ungeeignet sind. Idealerweise müssten in einem solchen Fall auch die Reglerparameter betriebspunktabhängig eingestellt werden.
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In der Praxis wird daher meist eine Kompromisslösung angewandt, bei dieser Reglerparameter verwendet werden, die über den gesamten Betriebsbereich hinreichend gut funktionieren.
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Ein weiteres Problem dieser Regeleinheiten besteht darin, dass der Durchflusssensor sein Signal in der Regel zeitverzögert zur Verfügung stellt. Um ein Überschwingen des PI-Reglers aufgrund dieser zeitlichen Verzögerung in allen Betriebspunkten zu vermeiden, wird der Regler üblicherweise sehr langsam eingestellt. Dadurch lassen sich zwar Überschwinger vermeiden, es muss jedoch eine zeitliche Verzögerung bis zum Erreichen des Sollwertes in Kauf genommen werden. Eine solche Verzögerung ist in hydraulischen Anlagen ohne weitere geregelte Komponenten, bspw. ungeregelten Pumpen, meist akzeptabel. Problematisch ist dies jedoch, wenn sich Regler unterschiedlicher Anlagenkomponenten gegenseitig beeinflussen. Umfasst die Anlage bspw. auch eine drehzahlgeregelte Pumpe, dann können Wechselwirkungen zwischen Pumpe und Regelventil entstehen, die das Erreichen des Sollwertes erschweren. Dies ist besonders kritisch, wenn die Pumpe entlang einer quadratischen Regelkennlinie arbeitet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung setzt sich zum Ziel, eine bestehende Regelung auf Basis eines Pl-Reglers im Hinblick auf die vorgenannten Schwierigkeiten zu verbessern.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass anders als beim herkömmlichen Pl-Regler nicht die Differenz zwischen Soll- und Istwert mittels Regler zurückgeführt wird, sondern die Regeleinheit stattdessen das Ventil mit einer spezifischen Stellgeschwindigkeit bzw. Hubgeschwindigkeit öffnet oder schließt. Der konkrete Wert der Stellgeschwindigkeit richtet sich nach der aktuellen Regelabweichung. Dabei gilt vorzugsweise je größer die Regelabweichung desto größer die Stellgeschwindigkeit.
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Für das erfindungsgemäße, von der Regeleinheit auszuführende Verfahren wird vorgeschlagen, dass die Regeleinheit zunächst die Regelabweichung, d.h. die Differenz zwischen Soll- und Istwert bestimmt. Die Regelabweichung wird dann gegen wenigstens einen ersten Schwellwert abgeglichen. Liegt die Regelabweichung unterhalb des definierten Schwellwertes, wird das Regelventil mit einer ersten Stellgeschwindigkeit verstellt. Bei Überschreitung des Schwellwertes wird das Regelventil stattdessen mit einer zweiten definierten Stellgeschwindigkeit betätigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie dessen nachfolgend erläuterte vorteilhafte Ausführungen sind zur Durchflussregelung oder auch Druckregelung mittels Regelventil einsetzbar. Bei einer Durchflussregelung beziehen sich die Soll- und Istwerte auf den Soll-Volumenstrom bzw. den Ist-Volumenstrom. Im Falle einer Druckregelung beziehen sich Soll- und Istwerte auf entsprechende Druckwerte.
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Die Stellrichtung der Ventilbetätigung hängt vom Betrag der Regelabweichung ab, d.h. ist der Istwert größer als der Sollwert, wird das Ventil mit der definierten Stellgeschwindigkeit geschlossen, während für den Fall, dass der Istwert kleiner als der Sollwert ist, das Ventil mit der definierten Stellgeschwindigkeit geöffnet wird. Im Falle einer Druckregelung ist zu beachten, dass das Verhalten hier invers zur Durchflussregelung ist, d.h. ist der Istwert größer als der Sollwert, wird das Ventil mit der definierten Stellgeschwindigkeit geöffnet, während für den Fall, dass der Istwert kleiner als der Sollwert ist, das Ventil mit der definierten Stellgeschwindigkeit geschlossen wird.
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Bevorzugt ist die erste Stellgeschwindigkeit kleiner als die zweite definierte Stellgeschwindigkeit. Demzufolge wird das Ventil also mit größerer Stellgeschwindigkeit betätigt, wenn die Regelabweichung zunimmt. Liegt demgegenüber nur eine geringe Regelabweichung vor, genügt es, das Ventil mit einer vergleichsweise langsamen Stellgeschwindigkeit zu betätigen.
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Gemäß der Erfindung wird wenigstens ein Schwellwert für die Festlegung der Stellgeschwindigkeit bestimmt. Besonders bevorzugt ist es, wenn wenigstens zwei Schwellwerte definiert sind. In diesem Fall ist der erste Schwellwert kleiner als der zweite Schwellwert. Das Regelventil wird dann mit einer ersten definierten langsamen Stellgeschwindigkeit betätigt, wenn die Regelabweichung unterhalb des ersten Schwellwertes liegt. Das Ventil wird mit einer größeren Stellgeschwindigkeit betätigt, sofern die Regelabweichung größer als der erste Schwellwert, jedoch kleiner als der zweite Schwellwert ist. Mit der größten Stellgeschwindigkeit erfolgt die Ventilbetätigung, sofern die Regelabweichung größer als der zweite Schwellwert ist. Beispielsweise ist vorgesehen, dass der erste Schwellwert so definiert ist, dass eine erste Stellgeschwindigkeit nur dann angewendet wird, wenn Sollwert und Istwert faktisch identisch sind, das heißt nur marginale Abweichungen zeigen. In diesem Fall genügt es, wenn das Ventil mit sehr langsamer Stellgeschwindigkeit betätigt wird. Die sehr langsame Stellgeschwindigkeit könnte auch zu null gewählt werden. Dann würde das Ventil stillstehen.
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Der erste und zweite Schwellwert sind vorzugsweise so definiert, dass die zweite Stellgeschwindigkeit dann angewendet wird, wenn Sollwert und Istwert dicht beieinanderliegen, jedoch eine größere Abweichung als der erste Schwellwert aufzeigen. In diesem Fall reicht die extrem langsame Geschwindigkeit der ersten Stellgeschwindigkeit nicht aus, um Soll- und Istwert innerhalb eines angemessenen Zeitfensters in Übereinstimmung zu bekommen. Vor diesem Hintergrund wird also eine etwas größere Stellgeschwindigkeit gewählt.
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Der zweite Schwellwert ist dann so definiert, dass dieser nur dann die dritte Stellgeschwindigkeit auslöst, wenn Sollwert und Istwert sehr weit auseinanderliegen. Dies deckt den Praxisfall ab, falls das System gerade eingeschaltet wurde oder der Sollwert im System verändert worden ist. Im letzteren Fall liegt eine Folgeregelung vor, sodass das Ventil mit maximaler Geschwindigkeit geöffnet bzw. geschlossen werden sollte, um eine hohe Systemdynamik sicherzustellen.
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Sinnvoll kann auch die Definition eines Minimalschwellwertes sein, der kleiner gewählt ist als der erste, zweite und alle weiteren Schwellwerte. Um nicht bei jeder kleinsten festgestellten Regelabweichung eine Reaktion des Regelventils zu bewirken wird also eine minimale Regelabweichung definiert, bei deren Überschreitung erst eine Betätigung des Regelventils ausgelöst wird. Dieser Minimalschwellwert kann jedoch auch zu null gewählt werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass über eine externe Schnittstelle bzw. über ein Bedienfeld die Schwellwerte und/oder Stellgeschwindigkeiten manuell von außen konfigurierbar sind. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Regeleinheit mit einem adaptiven Lernverfahren ausgeführt ist, das während des Betriebs eine automatische Anpassung und Optimierung der Schwellwerte und/oder der Stellgeschwindigkeiten an die gegebenen Umstände gestattet.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung ebenso eine Vorrichtung zur Durchfluss und/oder Druckregelung umfassend ein Regelventil sowie eine zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung konfigurierte Regeleinheit. Demzufolge ergeben sich für die Vorrichtung dieselben Vorteile und Eigenschaften wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich dargelegt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigen:
- 1: das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regeleinheit mit zwei Schwellwerten,
- 2: eine Diagrammdarstellung der Regelabweichung gegenüber der Stellgeschwindigkeit für eine modifizierte Ausführung des Verfahrens und
- 3: ein Blockschaltbild für das modifizierte erfindungsgemäße Verfahren basierend auf dem Diagramm der 2.
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Im Folgenden soll auf das erfindungsgemäße Verfahren im Detail eingegangen werden. Das neuartige Verfahren weist im Vergleich zu den herkömmlichen PI-Reglern für die Durchflussregelung in einer hydraulischen Anlage die folgenden Verbesserungen und Vorteile auf:
- - Die Dynamik, mit der der Sollwert erreicht wird, wird erhöht
- - Die Genauigkeit, mit der der Endwert getroffen wird, wird verbessert.
- - Der Aufwand beim Einstellen der Reglerparameter wird reduziert wird.
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Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass nicht die Differenz zwischen Soll- und Istwert mittels Regler zurückgeführt wird, sondern dass sich das Regelventil immer mit definierter Hubgeschwindigkeit (Speed value SV) verstellt. Die ausgewählte Geschwindigkeit SV hängt davon ab wie weit der Sollwert vom Ist-Wert entfernt liegt. Die Auswahl der geeigneten Stellgeschwindigkeit erfolgt mittels Schwellwertvergleiches. Diese Funktionsweise ist im Blockschaltbild der 1 erkennbar.
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Bei 1 wird zunächst die Regelabweichung bestimmt, indem die Differenz zwischen Sollförderstrom Qset und dem Istförderstrom QAct gebildet wird. Der absolute Wert spielt jedoch keine Rolle. Es wird lediglich bewertet, ob die Differenz positiv oder negativ ist, was im Block 2 erfolgt. Die Regelabweichung wird aber gleichzeitig dem Auswahlmodul 3 zugeführt, das durch entsprechenden Abgleich mit Schwellwerten S1, S2, S3 die passende Stellgeschwindigkeit SV1, SV2, SV3 auswählt und dem Regler 4 zuführt, der dann die entsprechende Stellgröße 5 für das Ventil erzeugt. Bei der Auswahl der Schwellwerte gilt S1<S2<S3, für die zugeordneten Stellgeschwindigkeiten gilt ebenfalls SV1<SV2<SV3.
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Der Schwellwert S1 stellt einen Minimalschwellwert dar und gibt eine minimale Regelabweichung vor, bei deren Überschreitung überhaupt erst eine Ventilbetätigung ausgelöst wird. Dieser Schwellwert kann auch zu null gewählt werden. Dann regelt das Ventil immer. Hierdurch wird permanentes Rauschen optimal ausgeregelt. Durch geeignete Definition der übrigen Schwellwerte lässt sich das Regelszenario in die folgenden drei Fälle unterscheiden:
- Fall 1: Sollwert Qset und Istwert QAct sind fast identisch:
- Dieser Fall tritt ein, wenn die berechnete Regelabweichung zwar oberhalb der Mindestschwelle S1 liegt, jedoch die Schwelle S2 nicht überschreitet. In einem solchen Fall handelt es sich quasi um eine Störgrößenregelung. Wenn sich der Sollwert nicht ändert, müssen nur kleinere Signalstörungen ausgeglichen werden. Es reicht, wenn sich das Ventil nur mit sehr langsamer Geschwindigkeit SV1 verstellt.
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Wenn der Istwert QAct über dem Sollwert Qset liegt, schließt das Ventil mit der Geschwindigkeit SV1 sehr langsam. Liegt der Istwert QAct unter dem Sollwert Qset, so wird das Ventil langsam mit der Geschwindigkeit SV1 geöffnet. Da die Geschwindigkeit SV1 sehr gering ist, steht das Ventil faktisch still und korrigiert nur die Störungen im Nachkommabereich.
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Fall 2: Sollwert Qset und Istwert QAct liegen dicht beieinander:
- Dieser Fall beschreibt die Situation, dass Soll- und Istwert Qset, QAct beieinanderliegen, jedoch so weit entfernt sind, dass die extrem langsame Geschwindigkeit SV1 aus Fall 1 nicht ausreichend ist, um Soll- und Istwert QSet, QAct in akzeptabler Dauer in Übereinstimmung zu bekommen. In diesem Fall überschreitet die Regelabweichung den Schwellwert S2 und der Wert SV2 wird für die Ventilverstellung gewählt. Das Ventil bewegt sich damit etwas schneller.
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Fall 3: Sollwert QSet und Istwert QAct liegen weit auseinander:
- Dies ist der Fall, wenn das System eingeschaltet wird oder der Sollwert QSet sich geändert hat. Im letzteren Fall liegt eine Folgeregelung vor. In diesem Fall sollte sich das Ventil mit maximaler Geschwindigkeit SV3 Öffnen bzw. Schließen, um eine hohe Systemdynamik sicherzustellen. Übersteigt also die Regelabweichung den höchsten Schwellwert S3, dann wird die höchste Stellgeschwindigkeit SV3 ausgewählt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass keine PI-Parameter konfiguriert werden müssen, sondern lediglich die drei Hubgeschwindigkeitswerte SV1, SV2, SV3 sowie die Schwellwerte S1, S2, S3 festzulegen sind. Der Vorteil ist, dass diese Parameter SV1, SV2, SV3, S1, S2, S3 deutlich robuster gegenüber der Anlage bzw. dem Betriebspunkt sind, was die Chance erhöht, dass bereits herstellerseitig gute default-Werte auffindbar sind, die kundenseitig nicht mehr angepasst werden müssen.
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Die Erfahrung am Prüfstand hat gezeigt, dass der Ansatz mit drei Geschwindigkeitswerten (SV1, SV2, SV3) sehr gut funktioniert und ausreicht. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass anstatt drei Geschwindigkeitswerten mehrere oder quasi unendlich viele Geschwindigkeitswerte zur Auswahl stehen. Letztere Variante würde zu einer parabelförmigen Funktion der Stellgeschwindigkeit SV in Abhängigkeit der Regelabweichung führen, wie dies in 2 gezeigt ist. Die Kurve kann durch den Koordinatenursprung verlaufen, wodurch die Ventilgeschwindigkeit SV gegen null gehen kann. Besser ist es jedoch, wenn die Kurve (wie in 2 gezeigt) leicht nach oben verschoben ist. Dann bewegt sich das Ventil mit sehr geringer Hubgeschwindigkeit um den Sollwert Qset herum, wodurch höchste Präzision beim Erreichen des Sollwertes Qset gegeben ist. Das zugehörige Blockschaltbild ist in 3 gezeigt.
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Der Verlauf der Regelkurve wird vom Hersteller festgelegt. Um die Präzision zu erhöhen, kann die Regelkurve vom Kunden manuell an die Anlage angepasst werden. Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Regler mit Hilfe eines lernenden Verfahrens selbst in der Lage ist, die Regelkurve auf die Anlage hin zu optimieren.
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Vorstehend wurde eine Anwendung des Verfahrens zur Durchflussregelung aufgezeigt. Der erfindungsgemäße Gedanke ist jedoch ohne Modifikation auch auf eine Druckregelung übertragbar, hier jedoch bei inverser Stellrichtung in Abhängigkeit der Regelabweichung.
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Eine Einsatzmöglichkeit des Durchflussregelverfahrens ergibt sich beispielsweise bei der Bestimmung des Energieeffizienzindex (EEI) von Heizungsumwälzpumpen. Um den EEI zu messen, ist es erforderlich, dass der Förderstrom sehr präzise eingestellt wird. Dies ist eine besondere Herausforderung, da die Pumpe gleichzeitig regelt und ihre Drehzahl in Abhängigkeit des Förderstroms verstellt. Das aufgezeigte Verfahren erfüllt diese Voraussetzung an eine besonders präzise Regelung.
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Im Rahmen einer Druckregelung müsste in Verbindung mit einer geregelten Pumpe noch deren Regelkurve berücksichtigt werden.
