Konzept für 3-Punkt-Schritt_Regler mit PD-Verhalten (Teil_2)

Hallo liebe LOGO!-Anwender,

sicher werden einige von euch den von mir vorgestellten 3-Punkt-Schritt-Regler kennen (bislang nicht korrekt als 3-Punkt-Regler von mir bezeichnet; Dateianhang: FORUM_witterungsgeführte_Mischersteuerung (1c).zip), der insbesondere in den verschiedenen Mischeransteuerungen Anwendung fand. Dieser Reglertyp wird immer dann benötigt, wenn ein Stellglied über eine Versorgungsspannung in zwei Richtungen geregelt werden soll (z. B. Heizungsmischer, Stellventil). Im englischen Forenteil wurde dazu übrigens ein Konzept mittels zweier Blöcke "PI-Regler" anstelle der von mir verwendeten Komparatoren vorgestellt, unter: "mixing valve"; Dateianhang direkt: mixing valve.zip.

Der von mir seinerzeit angewendete o. g. 3-Punkt-Schritt-Regler als Mischeransteuerung ist v. a. für Regelprozesse geeignet, die vergleichsweise langsam ablaufen und insbesondere nur mit kleinen Sprüngen der Regelgröße einhergehen (z. B. bei einer Heizkreisversorgung über einen Pufferspeicher). Durch das ausschließliche Proportionalverhalten (P) muss dabei ein Kompromiss zwischen möglichst schneller Ausregelung einer (sprunghaften) Störung der Regelgröße und einem "Überschwingen" beim Ausregeln eingegangen werden. Deshalb habe ich versucht, mit den neuen Kapazitäten der LOGO!-0BA6-Serie einen 3-Punkt-Schritt-Regler mit PD-Verhalten zu erstellen, dessen Grundidee ich bereits unter "Konzept für 3-Punkt-Schritt_Regler mit PD-Verhalten" veröffentlicht habe. Auf dessen Basis habe ich inzwischen einen vollständigen Schaltungsentwurf für eine witterungsgeführte (Heizungs-)Mischeransteuerung entwickelt (und seit 2 Jahren im erfolgreichen Einsatz), die Ihr im Dateianhang findet.

Die Grundkonzepte des bisherigen 3-Punkt-Schritt-Reglers mit P-Verhalten und des hier vorgestellten mit PD-Verhalten sind weitgehend identisch: Aufbereitung der Analogeingangswerte für die Außen- und die Vorlauftemperatur (oder natürlich zwei andere Messgrößen für SOLL- und IST-Wert) , Regler, Ansteuerung und Verriegelung der zwei Aktorausgänge sowie Aufbereitung von Werten für die Anzeige. Der eigentliche Reglerteil des bisherigen 3-Punkt-Schritt-Reglers mit P-Verhalten besteht im Wesentlichen aus 2 Blöcken "Komparator" (zum SOLL-/IST-Wertvergleich) in Verbindung mit zwei jeweils in Reihe geschalteten Blöcken "Impulsgenerator" (zur Schrittbildung) und "Ausschaltverzögerung" (zur Definition einer variablen Aktor-Laufzeit). Beim neuen 3-Punkt-Schritt-Regler mit PD-Verhalten sind nun die beiden Blöcke "Impulsgenerator" durch einen komplexen Schaltungsteil ersetzt worden, wobei auch die Aufgaben der beiden Komperatoren etwas modifiziert wurden. Weitere Änderungen sind insbesondere: verbesserte und erweiterte Aufbereitung der Analogeingangsdaten, Wegfall der Ansteuerung der Heizkreispumpe, verbesserte Bedienung durch überwiegend zentrale Parameterdefinitionen sowie die Möglichkeit von Parameteranzeigen und -modifikationen per Textmeldung. Die Schaltung läuft jedoch nur auf LOGO!-Basismodulen ab der Serie 0BA6 und ist für die Ergänzung mit einem Digital-I/O-Modul (möglichst mit Transistorausgängen) optimiert.

Kurzbeschreibung des Schaltplans:
Seite 1 oben: (De-)Aktivieren des Mischers über I9. Ist I9 = OFF, dann fährt der Mischer ganz ZU und bleibt ZU bis zu einer Aktivierung (I9 = ON), es sein denn, es liegt ein Fehler an einem (oder beiden) der beiden (Temperatur-)Sensoren vor. Beim Aktivieren wird (sofern die Regelabweichung [Tvorlauf,SOLL - Tvorlauf,IST] einen definierten Wert [=ON = OFF in B112] überschreitet) der Mischer vollständig geöffnet, dann setzt die Regelung ein. Wird dies nicht gewünscht, dann kann entweder die Temperaturschwelle in B112 entsprechend hoch vorgegeben werden oder die Blöcke 089, 111, 112, 113 und 166 gelöscht werden.

Seite 1 unten: Überwachung der Sensoren auf Drahtbruch und Kurzschluss mit Alarmmeldung und Deaktivierung des Mischers (Mischer wird vollständig geschlossen).

Seite 3: Periodische Berechnung der Mittelwerte für die Außen- (Ta) und die Vorlauftemperatur (Tv) aus n (für Ta) bzw. m (für Tv) Werten. Diese Schaltungsteile dienen in erster Linie dem (profilaktischen) Filtern bzw. Glätten der Signalverläufe der (Temperatur-)Sensoren unter Ausnutzung der maximalen zeitlichen Signalauflösung (hier der Basismodule). Werden Sensoren am Zusatzmodul AM2PT100 oder AM2RTD (bzw. am AM2)eingesetzt, dann ist die Skalieung (* V3 = 25 - V4 = 5000 in B108 und B174) und ggf. die Taktzeit (TH + TL = 0,05s) anzupassen. Der IST-Wert (hier: Tv) wird dann direkt dem Reglerteil zugeführt. Der Sollwert (auf Basis von Ta) wird noch (mittels 8 Speicher) über 8 Werte gleitend gemittelt, wobei die Einstellungen eine Mittelung über 24 h ergeben.

Seite 2: Bestimmung des gleitenden Mittelwertes für den SOLL-Wert (hier: Tagesmittel Ta#) aus 8 Einzelmesswerten. Diese Version mit Schaltuhren ist rücksetzbar (erfolgt bei jedem Programmstart mittels M8) und kann auch für andere Mittelungsbedingungen verwendet werden, die durch die Schaltzeiten definiert werden können.

Seite 4: Textmeldungen mit Werteanzeigen und zur Parametermodifikation. Außerdem kann mittels Block "Softwareschalter" zwischen den Textmelde-Zeichensätzen während der Programmausführung (!) umgeschaltet werden. Die Textmeldungen enthalten die wichtigsten Regler-Parameter.

Seite 5: Berechnen des Reglersollwertes (hier der Heizkurve; B008) auf Basis des gleitenden Mittelwertes des SOLL-Wertsensors (hier: Außentemperatur Ta), Berücksichtigung einer zeitgesteuerten Sollwertvorgabenkorrektur (hier im Sinne einer Nachtabsenkung) und (zwischen den Signallienien von SOLL- und IST-Wert) eine Korrekturmöglichkeit der SOLLwertvorbabe durch den Anwender (hier im Sinne einer Raumtemperaturkorrektur). Ganz rechts münden dann SOLL- und IST-Wert (nach Sicherung von Mindestwerten) in die beiden Blöcke "Komparator", die den eigentlichen Reglereingang bilden. Abgesehen von Optimierungen entspricht der Schaltungsteil dieser Seite weitgehend mit meinem bislang veröffentlichten 3-Punkt-Schritt-Regler überein.

Seite 6: Einbindung des PD-Regelalgorithmus über die beiden Blöcke „Ausschaltverzögerung“ B012 „ON_auf“ bzw. B013 „ON_zu“, die die Dauer des Einschaltens der Ausgänge für das AUF- bzw. ZUfahren des Mischers bewirken.Die übrige Beschaltung der Ausgänge besteht aus Schutzelementen, der Organisation der Bestimmung (und Anzeige) der prozentualen Mischerstellung, Bedienelementen von Hand und der Schaltungsinitialisierung. Abgesehen von Optimierungen entspricht der Schaltungsteil dieser Seite weitgehend mit meinem bislang veröffentlichten 3-Punkt-Schritt-Regler. Details können in der dort beigefügten Dokumentation nachgelesen werden.

Seite 7: PD-Regelalgorithmus des 3-Punkt-Schritt-Reglers. Wesentliche Parameter werden direkt in den Blockparametern definiert, weitere über zentralisierte Eingaben auf Seite 8. Wie der Name schon sagt, erfolgt über einen Impulsgenerator eine getaktete Verarbeitung bzw. Analyse von SOLL- und IST-Werten sowie eine Speicherung von SOLL-IST-Abweichung und der dynamischen Mischerlaufzeit (auf der Seite oben). (Darunter) werden die Berechnungen des Proportional- und Differentialanteils der Regelgröße (= Mischerlaufzeit) je Takt ausgeführt. Besonderheit: Über eine optional aktivierbare automatische Umschaltung zwischen diesen zwei Übertragungsfunktionen des D-Anteils am Reglerausgang habe ich mal eine mögliche Anwendung von zwei alternativen Übertragungsfunktionen eingebaut. Der Hintergrund ist, dass eine Regelabweichung weg vom Sollwert möglichst schnell ausgeregelt werden soll, also eine entsprechend deutliche Stellgliedreaktion erfordert. Andererseits sollen aber Regelabweichungen hin zum Sollwert nicht zu einem Überschwingen führen, so dass in diesen Fällen eine moderatere Stellgliedreaktion wünschenswert ist. Benötigt werden also bei identischem Betrag der Änderung der Regelabweichung zwei unterschiedliche Verstärkungen bzw. allgemein Übertragungsfunktionen! Ausgewählte Hintergrundinformationen zu Dreipunktschritt-Reglern sind im Dateianhang enthalten.
Weiter interessante Informationen zur Regelungstechnik und im Besonderen zu Dreipunktschritt-Reglern (im Kap 5.5) findet ihr in folgender Veröffentlichung von www.JUMO.de: "Regelungstechnik für den Praktiker (FAS 525)".

Seite 8: Zentral organisierte Parametereingaben bzw. Definitionen für eine benutzerfreundliche Einstellung und Wartung.
Hinweis zum Parameter "Kontaktabstand": Der Kontaktabstand "Ka" liegt symmetrisch um den Sollwert. Bei Dreipunktreglern werden die P-Anteile um diesen auseinander geschoben, bei Dreipunktschritt- und Stellungsreglern erfolgt in diesem Bereich keine Ansteuerung des Motorstellgliedes. Mein Schaltungsentwurf ermöglicht diesbezüglich zwei optionalen Ausnahmen. Über den Parameter "p_von_Ka" kann letztendlich ein Wert für den D-Anteil definiert werden, der zu einer Aktivierung des Stellgliedes führt, wenn die Regelabweichung (SOLL-Wert - IST-Wert) größer ist als der prozentuale Anteil "p_von_Ka" an Ka UND zuvor der IST-Wert eine Mindesddeuer innerhalb von Ka lag. Die zweite Ausnahme wird mittels der Zeitdauer "Ka_Verz2" gesteuert und bewirkt (wenn Block 131 "Takt_Ka" = ON") eine Aktivierung des Stellgliedes beim Überschreiten von Ka, also unabhängug und i. A. vor Ablauf der dynamischen Taktzeit. Beide optionalen Ausnahmen sollen eine verbesserte Reaktionsgeschwindigkeit des Reglers bereitstellen OHNE die Schalthäufigkeit des Aktors wesendlich zu erhöhen! Die Schaltung enthält darüber hinaus Erhäuterungen zu den wesentlichen Parametern...

Zum Abschluss:
Der Schaltungsentwurf kann nur die Rahmenbedingungen und Funktionen für die bzw. eine Mischeransteuerung bereitstellen. Die aufgabenspezifischen Parameter diverser Blöcke müssen an die jeweils vorliegenden Randbedingungen (Gerätetechnik, Gebäude Anwenderwünsche etc.) angepasst werden, um ein korrektes Steuerungsverhalten zu erreichen!

Deshalb folgendes: Dies ist ein Programmbeispiel ohne Gewähr!

Warnung:
Steuerungen können bei unsicheren Betriebszuständen ausfallen und dadurch den unkontrollierten Betrieb der gesteuerten Geräte verursachen. Solche gefährlichen
Ereignisse können zu tödlichen und/oder schweren Verletzungen und/oder Sachschaden führen. Sorgen Sie daher für eine Not-Aus-Funktion, elektrische oder
andere redundante Sicherheitseinrichtungen, die von Ihrem Automatisierungssystem unabhängig sind.

Haftungsausschluss:
Jeder Anwender ist für den sachgemäßen Betrieb seines LOGO!-Systems selbst verantwortlich. Dieses Programm enthebt Sie nicht der Verpflichtung zu sicherem
Umgang bei Anwendung, Installation, Parameterfestlegung, Betrieb und Wartung. Durch die Nutzung dieses Programm-Beispiels erkennen Sie an, dass der Autor unter
keinen Umständen für möglicherweise infolge der Nutzung auftretende Sach- und/oder Personenschäden haftbar gemacht werden kann.

MfG
Betel

Hallo allerseits,

leider liegt die Ursache wieder einmal in der neuen Version von LOGO!Soft V7 begründet, denn unter V6.12.. geht alles einwandfrei!Ich habe die "neuen Texteigenschaften" der 0BA6 eingesetzt und den Zeichensatz GBK...


Nun in der Anlage hier findet ihr eine Version, die auch mit V7.x zu öffnen ist, allerdings sind ALLE Texte mit dem Zeichensatz GBK gelöscht ... Ihr findet die entsprechenden Daten in den PDF-Datei!!!
Sorry.

MfG
Betel

Hallo liebe LOGO!-Anwender,

der Winter ist fast vorüber und ggf. wollt ihr noch einige Modifikationen bzw. Erweiterungen an euren Steuerungen für den nächsten Einsatz testen...

Für alle die, die bereits oder zukünftig eine (oder mehrere) LOGO!-0BA7 dazu einsetzen möchten, will ich hier nun eine Schaltungsversion meiner 3-Punkt-Schritt-Mischeransteuerung mit PD-Verhalten speziell für die 0BA7 vorstellen. Diese Variante benötigt 11 % weniger Blöcke, das sind insgesamt 20 Stück. Erreicht wird dies durch das Ersetzen der Schaltungsteile zur periodischen Mittelwertbildung für SOLL- und ISTwert (hier: beide gemessenen Temperaturen Ta und Tv) durch jeweils einen Block "Mittelwertbildung" und einen Block Analogverstärker zur Skalierung des Messwertes (hier: als Temparatur in °C mit einer Auflösung von 0,1 °C).

Ausführliche Hintergrundinformationen dazu und insbesondere warum der Block "Analoger Filter" nicht zur Anwendung kommt findet ihr im Kommentar der Schaltungsdatei und in meiner Antwort vom 19.03.2012 im Beitrag:

"Hinweise zu Maßnahmen bei schwankenden Analogeingangswerten (z. B. Temperatur-Messwerten)"

HINWEIS:
Diejenigen, die anstelle des PD-Regelverhaltens mit einem P-Verhalten auskommen, können diese Schaltung weiter vereinfachen. Das geht wie folgt:
1) Löschen der beiden untersten Schaltplanseiten in der Datei "DEMO_Mischersteuerung_V8e (0BA7)_(Forum_ohne_GBK).lsc".
2) Ergänzen des Schaltungsteiles "zwischen" den beiden Blöcken "Komparator" B001 und B002 sowie der beiden Blöcken "Ausschaltverzögerung" B012 und B013 (+ B046) sinngemäß entsprechend der Angaben im Schaltplan "DEMO_3_Punkt_Regelung_mit_PWM_V1b (0BA5).lsc" einschließlich der Parameter (Werte und Verweise) der o. g. Blöcke.

Viel Erfolg beim Anwenden dieser Mischeransteuerung, die im Grunde einen universellen 3-Punkt-Schritt-Regler mit P(D)-Verhalten darstellt.

MfG
Betel