- Veröffentlicht am 19. Juni 2024
- Zuletzt bearbeitet am 19. Juni 2024
- 7 min
Was ist ein Regelkreis?
Der Regelkreis, als Herzstück der Regelungstechnik, ist der wichtigste Bestandteil der Prozessautomation. Dieser Leitfaden gibt einen Überblick über die Rolle und Nutzung von Regelkreisen und deren Komponenten im Rahmen der industriellen Automatisierung. Zudem werden Voraussetzungen, Anwendungen und die Möglichkeiten von maschinellem Lernen / KI erläutert.
Um Produkte und Halbzeuge effizient und qualitativ hochwertig fertigen zu können, ist es unerlässlich, dass bei der Herstellung bestimmte Messgrößen, Standards und Normen eingehalten werden. Dies wiederum bedingt eine stetige Überwachung der erforderlichen Parameter wie beispielsweise Druck, Temperatur oder Dichte.
Werden diese Kennwerte nicht nur erfasst, sondern ausgewertet und anschließend per Rückkopplung regulierend in das Produktionssystem eingebracht, so spricht man von einem Regelkreis.
Ein industrieller Regelkreis beinhaltet demnach nicht nur eine Sollwertfestlegung, definierte Messpunkte sowie die Messung und deren Abgleich mit dem Sollwert als solches. Geschlossen wird der Prozess erst von der anschließenden Berechnung der notwendigen Korrektur und dem Stellvorgang- also dem Anpassen der Prozessgröße und erneuten Messungen, bis der benötigte Parameter erreicht ist. Dieser kontinuierliche Vorgang von Überwachung, Feedback und Anpassung wird als Rückkopplung bezeichnet.
Prozessautomatisierung in der Produktion
In der industriellen Prozessautomation spielt die Steuer- und Regelungstechnik die entscheidende Rolle. Sollen Qualitätsvorgaben eingehalten werden sowie die Produktion in großer Stückzahl effizient erfolgen, so muss im Rahmen eines festgelegten Standards produziert werden, der Prozessgrößen steuer- und regelbar macht. Dies gilt so weit wie möglich auch für vor- und nachgelagerte Schritte wie Anlieferung, Lagerhaltung und Logistik bzw. die Schnittstelle zu den nachfolgenden Aktivitäten.
Von einem automatisierten Prozess spricht man, wenn auch die Auswertung sowie Festlegung und Initiierung der Optimierungsmaßnahme durch das System selbst erfolgt, der Mensch also lediglich eine überwachende Tätigkeit ausführt.
Können Korrekturmaßnahmen unmittelbar auf Regelgrößen wie Luftdruck, Temperatur oder Drehzahl angewandt werden, so hat dies nicht nur Auswirkung auf die Qualität des Prozesses, sondern trägt auch maßgeblich zur Steigerung der Energieeffizienz und Arbeitssicherheit bei. Beispielsweise kann ein sofortiges Abkühlen einer zu hohen Temperatur Fehlproduktionen vorbeugen, was wiederum zu Materialeinsparung und geringerem Energieverbrauch führt und zudem Abfall vermeidet und Entsorgungskosten geringhält. Weit schlimmere Auswirkungen wären Schäden an Menschen und Umwelt, die durch automatisiertes Messen und Regeln vermieden werden können.
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Unterschied zwischen Steuerung und Regelung
Der wesentliche Unterschied zwischen der Steuerung und Regelung eines Systems stellt die Art und Weise dar, wie das System auf äußere Änderungen reagiert und innere Status zurückgemeldet. Die Steuer- und Regelungstechnik ist ein wesentlicher Aspekt der Automatisierungstechnik.
Während bei der Steuerung durch einen Regler lediglich eine feste Ausgangsgröße an das Gerät übertragen wird (beispielsweise: Licht “an”, das Einstellen einer bestimmten Temperatur in einem Medium oder Drehzahl an einem Motor), so meldet ein geschlossener Regelkreis Abweichungen zwischen Soll- und Istwert zurück. Es findet also eine permanente Messung statt, sodass Auswirkungen von Störgrößen, die Einfluss auf Systemzustand haben und somit zu Abweichungen vom Sollzustand führen, minimiert oder ganz ausgeglichen werden können. Beispielsweise hat ein plötzlich geöffnetes Fenster das Potenzial, die Temperatur in einem Regelkreis zu beeinträchtigen (Störgröße); ein Temperatursensor misst daraufhin die Abnahme der Raumtemperatur und meldet dies weiter an den Regler. Dieser wiederum veranlasst eine Heizleistung, bis der Sollwert wieder erreicht ist.
Komponenten eines Regelkreises
Ein klassischer Regelkreis setzt sich aus den folgenden Komponenten zusammen:
- Einem Sensor bzw. eine Messeinrichtung, um den Ist-Wert des zu regelnden Parameters zu erfassen (beispielsweise ein Thermometer, das die Temperatur misst)
- Ein Regler, der Ist- und Sollwert miteinander abgleicht und die erforderliche Korrektur ermittelt und diesen Wert an den Aktor weitergibt
- Ein Aktor bzw. eine Stelleinrichtung, um Maßnahmen einzuleiten, die zu einer Anpassung des Ist-Werts an den Sollwert führen (in diesem Beispiel: die Temperatur wird erhöht)
- Eine Regelstrecke, das heißt der Abschnitt des Regelkreises, der als Teil des Gesamtsystems geregelt werden soll.
Häufigkeit und Art der Messung hängen stark von der Randbedingung des Regelkreises ab. Zumeist wird mit einer vorab festgelegten Frequenz begonnen (x Messungen pro Minute/ Stunde), die dann im Nachhinein- aufgrund von Auswertungen und Erfahrung- korrigiert wird.
Diese Korrektur kann auch kontinuierlich passieren und von einer KI unterstützt werden.
Regelgrößen
Eine Regelgröße ist der Wert, der innerhalb des Regelkreises überwacht und gegebenenfalls reguliert werden muss. Vorab werden ein fester Sollwert und ein Toleranzbereich definiert, bei dessen Über- oder Unterschreitung der Regulierungsprozess greift. Es gibt auch Systeme, in denen kein fester Sollwert definiert ist, sondern von anderen Prozessgrößen abhängige, veränderliche Werte.
Zu den wichtigsten Parametern in der Prozesssteuerung gehören die Überwachung und Regelung von Temperatur, Luftdruck, dem Volumen (beispielsweise als Durchflussvolumen bei flüssigen Medien), Gewicht und die Drehzahl (bei Motoren). Eine grundsätzliche Regelgröße sind Spannung bzw. Stromstärke, die wiederum variiert werden, um beispielsweise Drehzahlen oder Taktungen zu steuern.
Korrekturmaßnahmen
Um Abweichungen von dem Sollwert zu minimieren oder kompensieren, gibt es verschiedene Mess- und Regelungsarten, die Korrekturmaßnahmen einleiten:
- Die proportionale Korrektur (P-Anteil): Die proportionale Korrektur wirkt unmittelbar auf die Abweichung von Ist- und Sollwert ein und ist somit die einfachste Form der Korrektur. Sollten keine weiteren Maßnahmen erfolgen, besteht allerdings die Möglichkeit einer dauerhaften stationären Abweichung des Parameters.
- Die integrale Korrektur (I-Anteil): Bei der integralen Korrektur dagegen wird eine Summe der Fehler über einen bestimmten (Mess-)Zeitraum gebildet und daraus kontinuierlich eine Korrekturmaßnahme abgeleitet.
- Die differenziale Korrektur (D-Anteil): hier reagiert der Regler auf die Geschwindigkeit, mit der sich der Fehler ändert (also seine Änderungsrate) und nicht auf den Fehler selbst. Vorteil ist eine schnelle Reaktion auf kleinste Abweichungen, es besteht aber auch die Gefahr der Überregulation durch zu schnell und häufig veranlasste Änderungen der Stellgröße.
- Die PID-Korrektur (Anteile aller vorangegangenen Korrekturen): Die PID-Korrektur vereint alle Vorteile der proportionalen, integralen und differenzialen Regelung. Sie ist in der Industrie am häufigsten anzutreffen, bedarf jedoch einer sehr genauen Abstimmung und ist damit am aufwändigsten.
Darüber hinaus spricht man von einer adaptiven Regelung, wenn sich die zu regelnde Parameter dynamisch an veränderliche Einflussgrößen anpassen.
Robuste Regler sind unempfindlicher gegenüber externen Störquellen.
Steuerungsaufgaben
Zu den Aufgaben in der Steuerungstechnik innerhalb eines Regelkreises gehören verschiedene Funktionen und Prozesse, die sicherstellen, dass der Regelkreis effektiv arbeitet, um die gewünschten Ziele zu erreichen. Zusätzlich muss der Steuer- und Regelprozess selbst ständig überwacht und optimiert werden.
Mit Hilfe der Übertragungsfunktion ist es möglich, das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsgröße eines geregelten Systems zu beurteilen, um daraus weitere Maßnahmen für Instandhaltung und Verbesserung abzuleiten.
Somit gehört nicht nur ein funktionierender Regelkreis zur Prozessautomation, sondern auch die kontinuierliche Überwachung und Verbesserung zu den Steuerungsaufgaben.
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Anwendungsbeispiele für Regelkreise
Eine moderne Prozessautomatisierung ist ohne Regelkreise nicht möglich. Anwendungen finden Regelkreise in der industriellen Fertigung, aber auch vorausschauenden Instandhaltung (predictive Maintenance). In beiden Fällen tragen Regelkreise nicht nur zu präziseren und effektiveren Ergebnissen bei, sondern sie leisten auch ihren Beitrag zur Arbeitssicherheit, schützen vor schwerwiegenden Unfällen und beeinflussen das Erreichen von Energiezielen positiv.
Bei der Temperaturregelung von Öfen, Kühl- und Klimaanlagen aber auch Prozesswärme sorgen Regelkreise für minimale Verluste und stabile Produktions- und Arbeitsbedingungen.
Besonders in der chemischen Industrie wird der Durchfluss von Flüssigkeiten oder Gasen geregelt und das Ansteuern von Ventilen und Pumpen gewährleistet neben optimierten Prozessbedingungen auch eine hohe Sicherheit.
Bei der Stromversorgung bewirkt die Spannungsregelung in elektrischen Netzwerken eine stabile Stromversorgung und verhindert Verluste.
Regelkreise und maschinelles Lernen
Regelkreise und maschinelles Lernen können in der Fertigung kombiniert werden, um selbstoptimierende Systeme zu schaffen. Während Regelkreise grundsätzlich feste Algorithmen nutzen, ermöglicht maschinelles Lernen die dynamische Anpassung dieser Algorithmen basierend auf erfassten Daten und daraus resultierenden Mustererkennung. Dies ermöglicht es, Maschinen aus vergangenen Abweichungen und Störungen zu lernen und ihre Regelparameter selbständig kontinuierlich zu optimieren. Das Ergebnis zielt auf eine verbesserte Prozessstabilität, Effizienz und Reaktionsfähigkeit ab. Insgesamt kombiniert diese Integration von KI die Präzision und Robustheit klassischer Regelungstechnik mit der Flexibilität und Intelligenz moderner Datenanalyse.