DE3716259C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer wenigstens zwei zu- und/oder abschaltbare Verbraucher beaufschlagenden Prozeßgröße eines verfahrenstechnischen Prozesses, insbesondere für eine Druckregelung eines Brenner- oder Heizsystems, bei dem die Prozeßgröße gemessen wird, der gemessene Istwert mit einem gewünschten Sollwert verglichen wird und in Abhängigkeit von der Differenz ein auf die Prozeßgröße einwirkendes Regelsignal erzeugt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren dieser Art sind aus der US-PS 37 51 676 bekannt, in der ein Schaltkreis zur Steuerung bürstenloser Gleichstrommotore gezeigt und beschrieben ist.

Bei solchen Regelungsverfahren mit Integral-Anteil werden Störgrößen, die auf die geregelte Prozeßgröße einwirken, ohne bleibende Regelabweichung ausgeregelt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Regelung ihren Arbeitspunkt dem jeweiligen Wert der Prozeßgröße anpaßt. Plötzlich auftretende, starke Änderungen der Prozeßgröße, die beispielsweise durch das Zu- und/oder Abschalten eines Verbrauchers hervorgerufen werden können, werden bei bekannten Regelungen durch entsprechend große Regelabweichungen und daraus resultierende Änderungen des Arbeitspunktes der Regelung ausgeregelt. Abgesehen davon, daß die durch das Zu- oder Abschalten ausgelöste starke Änderung der Prozeßgröße erst nach einer gewissen Zeit ausgeregelt ist, ist es oft nicht erwünscht oder nicht zulässig, daß die Regelabweichung bestimmte Werte übersteigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß starke Änderungen der Prozeß­ größe schnell ausgeregelt werden können, ohne dabei jedoch be­ stimmte Werte der Regelabweichung zu überschreiten.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Zu- und/oder Abschalten eines der Verbraucher erfaßt wird und davon abhängig ein das Regelsignal überlagerndes, impulsförmiges Steuersignal erzeugt wird.

Eine schnelle Ausregelung einer durch das Zu- oder Abschalten eines Verbrauchers hervorgerufenen Änderung der Prozeßgröße wird also nicht mit Hilfe des Regelsignals erreicht, sondern mit Hilfe des impulsförmigen Steuersignals. Dieses Steuersignal wird in Abhängigkeit von dem Zu- und/oder Abschalten des Ver­ brauchers erzeugt. Sein Verlauf wird derart gewählt, daß das Steuersignal zusammen mit dem Regelsignal die Änderung der Pro­ zeßgröße gerade kompensieren. Der Istwert der Prozeßgröße bleibt also nahezu unverändert, so daß, wenn überhaupt, nur ge­ ringe Regelabweichungen an der Regelung auftreten.

Bei einer Ausgestaltung wird als Steuersignal ein sich zuerst sprungartig von einem Ausgangswert auf einen Sprungwert ändern­ des und danach sich etwa analog dem Regelsignal vom Sprungwert dem Ausgangswert annäherndes Signal erzeugt. Mit diesem Verlauf des Steuersignals kann eine nahezu vollständige Kompensation einer Änderung der Prozeßgröße erreicht werden, die durch das Zu- oder Abschalten eines Verbrauchers hervorgerufen worden ist. Zweckmäßig ist es, wenn der Sprungwert des Steuersignals etwa entsprechend einem Endwert des Regelsignals erzeugt wird.

Bei einer Weiterbildung wird der Ausgangswert des Steuersignals vom Regelsignal beeinflußt. Des weiteren kann zusätzlich das Regelsignal vom Steuersignal beeinflußt werden. Mit Hilfe bei­ der Maßnahmen kann eine Angleichung insbesondere des Arbeits­ punktes des Steuersignals an das Regelsignal und umgekehrt er­ reicht werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält Schaltorgane zum Zu- und/oder Abschalten der Verbraucher, ein Meßorgan zur Messung der Prozeßgröße, ein Stellorgan zur Ein­ wirkung auf die Prozeßgröße sowie eine Regeleinrichtung zur Er­ zeugung eines auf das Stellorgan einwirkenden Regelsignals in Abhängigkeit von der Differenz des vom Meßorgan gemessenen Ist­ wertes der Prozeßgröße und einem gewünschten Sollwert für die Prozeßgröße, und ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Er­ fassung des Zu- und/oder Abschaltens eines der Verbraucher so­ wie eine Steuereinrichtung zur Erzeugung eines das Regelsignal überlagernden, impulsförmigen Steuersignals in Abhängigkeit von dem Zu- und/oder Abschalten eines der Verbraucher vorgesehen sind.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeich­ nung beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild für eine er­ findungsgemäße Druckregelung eines Brenner- oder Heizsystems,

Fig. 2 vier Zeitdiagramme von Signalen, die in der Re­ gelung nach der Fig. 1 auftreten und

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Regelung nach der Fig. 1.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist in eine Rohrlei­ tung (10) ein verstellbares Regel- bzw. Steuerventil (11) einge­ setzt, beispielsweise ein elektropneumatischer Stellantrieb. Vor dem Steuerventil (11) ist die Rohrleitung (10) in nicht dargestellter Weise an eine Druckerzeugungseinrichtung o.dgl. angeschlossen, so daß das Steuerventil (11) als Stellorgan für den Druck dient. Dem Steuerventil (11) nachgeordnet ist ein Meßorgan (13), beispielsweise ein Drucksensor der an der Rohr­ leitung (10) angebracht ist und der Druckmessung dient. Nach dem Meßorgan (13) verzweigt sich die Rohrleitung (10) in drei Abzweigleitungen (15, 16, 17), in denen jeweils ein Schaltven­ til (19, 20, 21) angeordnet ist. Jede der Abzweigleitungen (15, 16, 17) führt in nicht dargestellter Weise zu einem Verbrau­ cher, die von dem zugeführten Druck beaufschlagt werden. Die Wirkrichtung des Drucks oder die Strömungsrichtung eines den Druck erzeugenden Mediums, beispielsweise Gas, ist in der Fig. 1 mit einem Pfeil gekennzeichnet.

Jedem der Schaltventile (19, 20, 21) ist ein Schaltmagnet zuge­ ordnet, der über jeweils eine von einer Bedienperson betätigba­ re Schalteinrichtung (23, 24, 25) steuerbar ist. Während die Schaltventile (19, 20, 21) jeweils nur in zwei Zustände schalt­ bar sind, nämlich in einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand, also die jeweils zugehörigen Verbraucher mit Hilfe der Schalteinrichtungen (23, 24, 25) zu- oder abschaltbar sind, ist mit Hilfe des Steuerventils (11) eine stetige Änderung des Drucks in der Rohrleitung (10) möglich.

Jede der Schalteinrichtungen (23, 24, 25) ist mit einem Um­ schalter (27, 28, 29) beispielsweise mechanisch gekoppelt. Die Umschalter (27, 28, 29) weisen zwei Schaltstellungen auf, die dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand der Schaltventile (19, 20, 21) entsprechen. Ist beispielsweise das Schaltventil (20) geöffnet, so befindet sich der zugehörige Umschalter (28) in der in der Fig. 1 dargestellten Position, in der ein Signal (S 0) über den Umschalter (28) weitergeleitet wird. Befindet sich das Schaltventil (20) hingegen in seinem geschlossenen Zu­ stand, so liegt ein Signal (S 2) am zugehörigen Umschalter (28) an. Entsprechendes gilt für die Schaltventile (19 und 21) und die zugehörigen Umschalter (27 und 29), denen jeweils ein Sig­ nal (S 1) und ein Signal (S 3) zugeordnet ist.

Der im wesentlichen aus den Umschaltern (27, 28, 29) aufgebau­ ten Einrichtung zur Erfassung des Zu- und/oder Abschaltens ei­ nes der Verbraucher ist eine Mittelwertbildungsstufe (42) nach­ geordnet, die von den Signalen der von der Schaltstellung unab­ hängigen Anschlüsse der Umschalter (27, 28, 29) beaufschlagt ist und in Abhängigkeit davon ein Signal (Sn) erzeugt. Als Mittel­ wert kann beispielsweise das Signal (Sn) nach der folgenden Gleichung gebildet werden: Sn = Si/n. Si ist die Summe der über die Umschalter (27, 28, 29,) weitergeleiteten Signale (S 0, S 1, S 2 oder S 3) und der Wert n stellt die Anzahl der vorhandenen Schaltventile (19, 20, 21) und damit die Anzahl der angeschlos­ senen Verbraucher dar. Zweckmäßig ist es, das Signal (S 0) bei­ spielsweise mit einem normierten Wert von 0,5 anzusetzen. Die Werte der Signale (S 1, S 2 und S 3) können dann entsprechend der jeweils zugehörigen Verbraucher mit Hilfe von positiven oder negativen Werten angesetzt werden, die kleiner als 0 sind. Durch die Mittelwertbildung wird dann der Einfluß des zu- oder abge­ schalteten Verbrauchers in Relation zu den anderen Verbrauchern ermittelt.

Der Mittelwertbildungsstufe (42) ist eine Impulserzeugerstufe (43) nachgeordnet, die von dem Signal (Sn) beaufschlagt ist und in Abhängigkeit davon ein Steuersignal (S) erzeugt. Die Impuls­ erzeugerstufe (43) ist Teil einer Steuereinrichtung, die von der Einrichtung zur Erfassung des Zu- und/oder Abschaltens ei­ nes der Verbraucher abhängig ist. Das von der Impulserzeuger­ stufe (43) gebildete Steuersignal (S) ist einer Additionsstelle (45) zugeführt.

Als weiteres Eingangssignal beaufschlagt ein Regelsignal (R) die Additionsstelle (45). Dieses Regelsignal (R) wird von einem Regler (40) gebildet, an dessen Eingängen als Istwert (IW) das vom Meßorgan (13) erzeugte Ausgangssignal und als Sollwert (SW) ein Sollsignal angeschlossen ist, das von einer nicht darge­ stellten, von einer Bedienperson betätigbaren Einstelleinrich­ tung erzeugt wird. Dem Regler (40) liegt ein Regelalgorithmus zugrunde, der zumindest einen Integral-Anteil besitzt und der in Abhängigkeit von der Differenz des Istwertes (IW) und des Sollwertes (SW) das Regelsignal (R) bildet.

Aus dem Steuersignal (S) und dem Regelsignal (R) erzeugt die Additionsstelle (45) ein Stellsignal (T), das das Steuerventil (11) beaufschlagt. Zur Angleichung des Reglers (40) und der Im­ pulserzeugerstufe (43), insbesondere zur Angleichung der Ar­ beitspunkte, ist das Regelsignal (R) an die Impulserzeugerstufe (43) angeschlossen sowie das Steuersignal (S) entweder direkt oder indirekt über das Stellsignal (T) an den Regler (40).

Anhand der Zeitdiagramme der Fig. 2 wird nachfolgend die Funk­ tion der in der Fig. 1 schematisch dargestellten Regelung er­ läutert:

Es sei angenommen, daß die Schaltventile (19, 20, 21) sich in ihrem geöffneten Zustand befinden, also sämtliche Verbraucher druckbeaufschlagt sind. Des weiteren sei angenommen, daß die vom Regler (40) gebildete Regeleinrichtung sich in einem ausge­ regelten Zustand befindet, also der Istwert (IW) dem Sollwert (SW) entspricht.

Zum Zeitpunkt (Tz) wird das Schaltventil (20) von einer Bedien­ person oder von einer Sicherheitseinrichtung o.dgl. geschlos­ sen.

Dies hat zur Folge, daß der Umschalter (28) in seine in der Fig. 1 nicht dargestellte Position geschaltet wird und damit das Signal (Sn) sich sprungartig ändert, wie dies in dem ent­ sprechenden Zeitdiagramm der Fig. 2 gezeigt ist. Die Sprunghöhe der Änderung des Signals (Sn) entspricht der Differenz zwischen dem Signal (S 0) und dem Signal (S 2) bezogen auf die Anzahl (n) der angeschlossenen Verbraucher.

Durch den Sprung des Signals (Sn) erzeugt die Impulserzeuger­ stufe (43) ein Steuersignal (S), wie es in dem entsprechenden Zeitdiagramm der Fig. 2 dargestellt ist. Das Steuersignal (S) springt dabei zum Zeitpunkt (Tz) von einem Ausgangswert (A) auf einen Sprungwert (B) und nähert sich danach vom Sprungwert (B) langsam dem Ausgangswert (A) wieder an. Der Verlauf dieser An­ näherung entspricht etwa dem Verlauf des nachfolgend noch er­ läuterten Regelsignals (R). Die Sprunghöhe vom Ausgangswert (A) zum Sprungwert (B) entspricht einem ebenfalls nachfolgend noch erläuterten Endwert (C) des Regelsignals (R).

Über die direkte oder indirekte Verbindung der Impulserzeuger­ stufe (43) mit dem Regler (40) wird der Arbeitspunkt des Reg­ lers (40) und damit das Regelsignal (R) verändert. Diese Ände­ rung des Regelsignals (R) erfolgt nach dem bereits erwähnten Regelalgorithmus, beispielsweise in der Form einer exponentiel­ len Funktion. Der Grenzwert dieser exponentiellen Funktion ent­ spricht dem Endwert (C) des Regelsignals (R), wie dies in dem entsprechenden Zeitdiagramm der Fig. 2 gezeigt ist.

In der Additionsstelle (45) werden das Regelsignal (R) und das Steuersignal (S) einander überlagert. Durch die erwähnte Anpas­ sung des Steuersignals (S) an den Regelalgorithmus des Reglers (40) ergibt diese Überlagerung ein Stellsignal (T), wie es in dem entsprechenden Diagramm der Fig. 2 gezeigt ist. Das Stell­ signal (T) weist im Zeitpunkt (Tz) einen sprungartigen Verlauf auf. Das Steuerventil (11) wird dadurch ebenfalls nahezu sprungartig verstellt.

Durch diese sprungartige Verstellung des Steuerventils (11) wird erreicht, daß der vom Meßorgan (13) gemessene Istwert (IW) trotz des Abschaltens des dem Schaltventil (20) zugeordneten Verbrauchers nahezu konstant bleibt. Die Regelabweichung zwi­ schen dem Istwert (IW) und dem Sollwert (SW) ist äußerst ge­ ring. Die an sich durch das Schließen des Schaltventils (20) hervorgerufene Druckerhöhung wird also durch das nahezu sprung­ artige Verstellen des Steuerventils (11) in Schließrichtung kompensiert. Dies wird seinerseits durch den sprungartigen An­ stieg des Steuersignals (S) erreicht sowie durch dessen nach­ folgende Ablösung durch das Regelsignal (R).

Wird das Schaltventil (20) in einem Zeitpunkt (Ta) wieder ge­ öffnet, so ergibt sich ein Verlauf des Signals (Sn), des Steu­ ersignals (S), des Regelsignals (R) sowie des Stellsignals (T), wie dies jeweils in der Fig. 2 dargestellt ist.

In der Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der in der Fig. 1 schematisch dargestellten Regelung gezeigt. Dort ist die Mit­ telwertbildungsstufe (42), die Impulserzeugerstufe (43) und die Additionsstelle (45) zu einer Steuereinheit (50) zusammenge­ faßt, der eine Maximalauswahlstufe (51) nachgeordnet ist. Die Steuereinheit (50) ist von dem Regelsignal (R) und den Signalen der Einrichtung zur Erfassung des Zu- und/oder Abschaltens ei­ nes der Verbraucher beaufschlagt. Gleichzeitig ist das Regel­ signal (R) der Maximalauswahlstufe (51) zugeführt, das in Ab­ hängigkeit von seinen Eingangssignalen das Stellsignal (T) er­ zeugt. Die in der Fig. 1 der Angleichung des Arbeitspunktes der Impulserzeugerstufe (43) an den Regelalgorithmus des Reglers (40) dienende Beaufschlagung der Impulserzeugerstufe (43) mit dem Regelsignal (R) ist in der Steuereinheit (50) intern be­ werkstelligt. Mit Hilfe der Maximalauswahlstufe (51) wird er­ reicht, daß der negativ gerichtete Impuls des Steuersignales (S) im Zeitpunkt (Ta) nicht berücksichtigt wird, und dadurch das Stellsignal (T) nach dem Zeitpunkt (Ta) dem Regelsignal (R) entspricht, wie dies gestrichelt in dem Zeitdiagramm des Stell­ signals (T) dargestellt ist. Die sprungartige Verstellung des Steuerventils (11) kann mit Hilfe der Maximalauswahlstufe (51) also auf das Schließen eines der Schaltventile (19, 20, 21) be­ schränkt werden. Entsprechend kann mit Hilfe einer Minimalaus­ wahlstufe die genannte sprungartige Verstellung des Steuerven­ tils (11) auf das Öffnen eines der Schaltventile (19, 20, 21) ausgerichtet werden.

Die beschriebene Regelvorrichtung kann als elektronische Schal­ tung in Analogtechnik ausgeführt sein. Es ist jedoch auch mög­ lich, insbesondere die Regel- und die Steuereinrichtung in ei­ nem programmierbaren elektronischen Rechengerät zusammenzu­ fassen. Von diesem Rechengerät kann dann gegebenenfalls auch die Ansteuerung des Stellorgans und der Schaltorgane direkt vorgenommen werden, wie auch die der Erfassung der Schaltstel­ lung der Schaltorgane.

Das beschriebene Regelverfahren sowie die zugehörige Vorrich­ tung kann z.B. bei der Versorgung der Brenner eines Dampfkes­ sels eingesetzt werden. Ebenfalls können nach dem Verfahren die Brenngase von Porzellanöfen bei gestaffelter Zu- bzw. Abschal­ tung der einzelnen Heizzonen druckgeregelt werden. Mit Hilfe des Verfahrens ist auch eine Druckregelung des Heizdampfes der Walzen einer Papiermaschine insbesondere bei Papierabriß mög­ lich. Auch die plötzliche Übernahme der Gasmenge eines Prozes­ ses durch eine Fackelregelung bei Ausfall des Prozesses kann mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens und der zugehörigen Vor­ richtung durchgeführt werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Regelung einer wenigstens zwei zu- und/ oder abschaltbare Verbraucher beaufschlagenden Prozeßgröße eines verfahrenstechnischen Prozesses, insbesondere für eine Druckregelung eines Brenner- oder Heizsystems, bei dem die Prozeßgröße gemessen wird, der gemessene Istwert mit einem gewünschten Sollwert verglichen wird und in Abhängigkeit von der Differenz ein auf die Prozeßgröße einwirkendes Regelsignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Zu- und/oder Abschalten eines der Verbraucher erfaßt wird und davon abhängig ein das Regelsignal (R) überlagerndes, impulsförmiges Steuersignal (S) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuersignal (S) ein sich zuerst sprungartig von einem Ausgangswert (A) auf einen Sprungwert (B) änderndes und danach sich etwa analog dem Regelsignal (R) vom Sprungwert (B) dem Ausgangswert (A) annäherndes Signal erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprungwert (B) des Steuersignals (S) etwa entsprechend einem Endwert (C) des Regelsignals (R) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswert (A) des Steuersignals (S) vom Regelsignal (R) beeinflußt wird.

5. Vorrichtung zur Regelung einer wenigstens zwei mittels Schaltorganen zu- und/oder abschaltbare Verbraucher beaufschlagenden Prozeßgröße eines verfahrenstechnischen Prozesses, insbesondere für eine Druckregelung eines Brenner- oder Heizsystems, mit einem Meßorgan zur Messung der Prozeßgröße, mit einem Stellorgan zur Einwirkung auf die Prozeßgröße und mit einer Regeleinrichtung zur Erzeugung eines auf das Stellorgan einwirkenden Regelsignals in Abhängigkeit von der Differenz des vom Meßorgan gemessenen Istwertes der Prozeßgröße und einem gewünschten Sollwert für die Prozeßgröße, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erfassung des Zu- und/oder Abschaltens eines der Verbraucher sowie eine Steuereinrichtung zur Erzeugung eines das Regelsignal (R) überlagernden, impulsförmigen Steuersignals (S) in Abhängigkeit von dem Zu- und/oder Abschalten eines der Verbraucher vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung des Zu- und/oder Abschaltens eines der Verbraucher Umschalter (27, 28, 29) enthalten, die mit den den Verbrauchern zugeordneten Schaltorganen gekoppelt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Umschaltern (27, 28, 29) eine Mittelwertbildungsstufe (42) nachgeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Impulserzeuger­ stufe (43) enthält, die von den Mitteln zur Erfassung des Zu- und/oder Abschaltens eines der Verbraucher beaufschlagt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulserzeugerstufe (43) das Regelsignal (R) zugeführt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (40) direkt oder indirekt mit dem Steuersignal (S) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellorgan ein von einem Elektromotor verstellbares Steuerventil (11), insbesondere ein elektropneumatischer Stellantrieb, vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltorgane Schaltventile (19, 20, 21) mit Hilfe von betätigbaren Schalteinrichtungen (23, 24, 25) zu- und/oder abschaltbar sind und die Schalteinrichtungen (23, 24, 25) mit den Umschaltern (27, 28, 29) gekoppelt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßorgan (13) ein dem Stellorgan nachgeordneter Drucksensor vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Regel- und die Steuereinrichtung in einem elektronischen Rechengerät zusammengefaßt sind.