Funktionsmodul PID-Regelung (Drehzahlregelung)

Mit Hilfe der PID- Regelung ist eine Änderung der Fördermenge - also des Volumenstromes - von handelsüblichen Umwälzpumpen möglich. Das erlaubt im System das Konstanthalten von (Differenz-) Temperaturen. Sie eignet sich aber nicht nur für die Drehzahlregelung, sondern kann auch als Regler der Brennerleistung udgl. eingesetzt werden. Anhand des einfachen Solarschemas sollen nun die Möglichkeiten dieses Verfahrens beschrieben werden:

Tk kann mit Hilfe der Drehzahlregelung sehr gut auf einer Temperatur (z.B. 60°C) konstant gehalten werden. Verringert sich die Solarstrahlung, wird Tk kälter. Der Regler senkt daraufhin die Drehzahl und damit die Durchflussmenge ab. Das führt aber zu einer längeren Aufheizzeit des Wärmeträgers im Kollektor, wodurch Tk wieder steigt. Alternativ kann in diversen Systemen (z.B. Boilerladung) ein konstanter Rücklauf (Tr) sinnvoll sein. Dafür ist eine inverse Regelcharakteristik erforderlich. Steigt Tr, so überträgt der Wärmetauscher zu wenig Energie in den Speicher. Es wird also die Durchflussmenge verringert. Eine höhere Verweilzeit im Tauscher kühlt den Wärmeträger mehr ab, somit sinkt Tr. Eine Konstanthaltung von Tb ist nicht sinnvoll, weil die Variation des Durchflusses keine unmittelbare Reaktion an Tb bewirkt und somit kein funktionierender Regelkreis entsteht.

Die Konstanthaltung der Temperaturdifferenz zwischen z.B. Tk und Tr führt zu einem „gleitenden” Betrieb des Kollektors. Sinkt Tk in Folge einer geringer werdenden Einstrahlung, sinkt damit auch die Differenz zwischen Tk und Tr. Der Regler senkt daraufhin die Drehzahl ab, was die Verweilzeit des Mediums im Kollektor und damit die Differenz Tk - Tr erhöht.

Wenn beispielsweise Tb 60°C erreicht hat (Aktivierungsschwelle), soll der Kollektor auf einer be-stimmten Temperatur gehalten werden. Die Konstanthaltung des entsprechenden Sensors funktioniert wie bei der Absolutwertregelung.

Wenn zugleich die Absolutwertregelung (Konstanthalten eines Sensors) und die Differenzregelung (Konstanthalten der Differenz zwischen zwei Sensoren) aktiv sind, “gewinnt” die langsamere Drehzahl aus beiden Verfahren. Die Ereignisregelung “überschreibt” Drehzahlergebnisse aus anderen Regelverfahren. Somit kann ein festgelegtes Ereignis die Absolutwert- oder Differenzregelung blockieren.

Zwei Signalformen stehen zur Motorregelung zur Verfügung (im Menü “Ausgänge”).

Nur für Umwälzpumpen mit Standard- Motorabmessungen. Dabei werden dem Pumpenmotor einzelne Halbwellen aufgeschaltet. Die Pumpe wird gepulst betrieben und erst über das Trägheitsmoment entsteht ein „runder Lauf”.

Hohe Dynamik von 1:10, gut geeignet für alle handelsüblichen Pumpen ohne interne Elektronik mit einer Motorlänge von etwa 8 cm.

Die Linearität ist abhängig vom Druckverlust, teilweise Laufgeräusche, nicht geeignet für Pumpen, deren Motordurchmesser bzw. -Länge deutlich von 8 cm abweicht.

Für Pumpen und Lüftermotoren. Die Pumpe wird innerhalb jeder Halbwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt (Phase) auf das Netz geschaltet.

Für fast alle Motortypen geeignet

Bei Pumpen geringe Dynamik von 1:3. Dem Gerät muss ein Filter mit mindestens 1,8mH und 68nF vorgeschaltet werden, um die CE- Normen der Funkentstörung zu erfüllen (ausgenommen A1, der aber dafür nur bis 0,7A belastbar ist)

Die Drehzahlregelung mittels Phasenanschnittsteuerung ist serienmäßig bei den Ausgängen 2,6 und 7 nicht möglich.

Der Proportionalteil des PID- Reglers stellt die Verstärkung der Abweichung zwischen Soll- und Istwert dar. Die Drehzahl wird pro 0,X K Abweichung vom Sollwert um eine Stufe geändert. Eine große Zahl führt zu einem stabileren System und zu mehr Regelabweichung. Der Integralteil des PID- Reglers stellt die Drehzahl in Abhängigkeit der aus dem Proportionalteil verbliebenen Abweichung periodisch nach. Pro 1 K Abweichung vom Sollwert ändert sich die Dreh-zahl alle X Sekunden um eine Stufe. Eine große Zahl ergibt ein stabileres System, aber es wird langsamer an den Sollwert angeglichen. Der Differenzialteil des PID- Reglers führt zu einer kurzfristigen “Überreaktion” je schneller eine Abweichung zwischen Soll- und Istwert auftritt, um schnellstmöglich einen Ausgleich zu erreichen. Weicht der Sollwert mit einer Geschwindigkeit von 0,X K pro Sekunde ab, wird die Drehzahl um eine Stufe geändert. Hohe Werte = stabiler aber auch langsamer. In manchen Fällen ist der Abgleich der PID- Werte erforderlich. Ausgehend von einer betriebsbereiten Anlage mit entsprechenden Temperaturen, sollte die Pumpe im Automatikbetrieb laufen. Während I und D auf Null gestellt sind, wird der Proportionalteil P ausgehend von 10 alle 30 Sekunden so weit verringert, bis das System instabil wird, sich also die Pumpendrehzahl rhythmisch ändert. Sie ist im Menü oberhalb der PID- Anteile ablesbar. Jener Proportionalteil, bei dem die Instabilität einsetzt, wird als Pkrit ebenso wie die Periodendauer der Schwingung (= Zeit zwischen zwei höchsten Drehzahlen) als tkrit notiert. Mit folgenden Formeln lassen sich die korrekten Parameter ermitteln.

Ein typisches Ergebnis der hygienischen Brauchwasserbereitung mit ultraschnellem Sensor ist PRO= 8, INT= 9, DIF= 3. Rechnerisch nicht nachvollziehbar, aber praktisch bewährt hat sich die Einstellung PRO= 3, INT= 1, DIF= 4. Vermutlich ist dabei der Regler so instabil, dass er sehr schnell schwingt und durch die Trägheit von System und Fluid ausgeglichen erscheint.

Das Wellenpaketverfahren (Standard) erlaubt die Variation des Volumenstromes um den Faktor 10 in 30 Stufen. Rückschlagklappen können bei zu geringem Durchfluss einen Stillstand hervorrufen, eben-so eine niedrige Leistungsstufe der Pumpe mit kleinen Drehzahlstufen des Reglers. Mitunter kann das sogar erwünscht sein, weshalb als Untergrenze auch die Stufe 0 zugelassen ist. Eine vernünftige Drehzahlgrenze lässt sich durch einen einfachen Versuch finden. Im Menü “Ausgänge” den Handbetrieb wählen und eine Drehzahlstufe vorgeben. Durch Abnahme der Rotorkappe kann der Rotor beobachtet werden. Nun wird die Drehzahl so weit verringert, bis der Rotor zum Stillstand kommt. Diese Grenze, um drei Stufen erhöht, ergibt einen sicheren Pumpenlauf. Die Angabe der unteren Drehzahlstufe er-folgt in der entsprechenden Funktion Drehzahlregelung.

Unter Angabe von Temperatursensoren wird mit Hilfe der variablen Pumpendrehzahl der Volumenstrom im hydraulischen System so geregelt, dass der betreffende Sensor auf einer gewünschten Temperatur konstant gehalten werden kann.

• Die Momentandrehzahl steht als Ausgangsvariable zur weiteren Verwendung auch für andere Funktionen zur Verfügung. Des weiteren kann sie an Stelle von Pumpenausgängen auch auf den Analogausgang geschaltet werden.

• Alle Regelverfahren können getrennt auf Regelmodus normal (Drehzahl steigt mit steigender Temperatur), invers (Drehzahl fällt mit steigender Temperatur) oder auch auf aus (Regelverfahren nicht aktiv) gestellt werden.

• Wenn zugleich die Absolutwertregelung (Konstanthalten eines Sensors) und die Differenzregelung (Konstanthalten der Differenz zwischen zwei Sensoren) aktiv sind, “gewinnt” die langsamere Drehzahl aus beiden Verfahren.

• Die Ereignisregelung “überschreibt” Drehzahlergebnisse aus anderen Regelverfahren. Somit kann ein festgelegtes Ereignis die Absolutwert- oder Differenzregelung blockieren. Beispiel: Das Konstanthalten der Kollektortemperatur auf 60°C mit der Absolutwertregelung wird blockiert, wenn der Speicher oben bereits eine Temperatur von 50°C erreicht hat = schnelles Erreichen einer brauchbaren Warmwassertemperatur ist abgeschlossen und nun soll mit vollem Volumenstrom (und dadurch geringerer Temperatur) weitergeladen werden. Dazu muss als neue Wunschtemperatur in der Ereignisregelung ein Wert angegeben werden, der automatisch die volle Drehzahl erfordert (z.B. Koll = 10°C).

Für die Regelparameter P=8, I=5, D=2 ist meistens ein stabiler Betrieb sichergestellt. Sollte sich die Drehzahl periodisch (Periodendauer typ. 20- 30 Sek) verändern, wird bei einfachen Systemen empfohlen, I und D auf Null zu stellen. Nachteil: Es wird um eine kleine, konstante Temperatur falsch geregelt und das System ist etwas langsamer.

Bei Verwendung der Drehzahlregelung in hygienischen Brauchwassersystemen müssen die PID- Anteile entsprechend einem Versuch (siehe “Stabilitätsprobleme“) ermittelt werden, will man ein optimales Ergebnis erzielen.