Wie Sollten Prozessvariablen Bei Der Auslegung Von Regelsystemen Für Verfahrenstechnische Pilotanlagen Klassifiziert Werden? Ein Praktischer Leitfaden

Prozessvariablen sollten zunächst nach ihrer Wirkungsrichtung über die Prozessgrenze hinweg klassifiziert werden. In einer verfahrenstechnischen Pilotanlage werden Variablen in Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen unterteilt. Eingangsgrößen werden weiter in Stellgrößen oder Störgrößen unterteilt, während Ausgangsgrößen als messbare Ausgangsgrößen oder nicht messbare Ausgangsgrößen klassifiziert werden.

Die wesentliche Klassifizierung lautet: Stell- und Störgrößen beeinflussen den Prozess; messbare und nicht messbare Ausgangsgrößen beschreiben die Prozessantwort. Diese Unterscheidung unterstützt die Freiheitsgradanalyse, die Instrumentenauswahl sowie den Entwurf von Rückführungs-, Vorsteuerungs- und Mehrgrößenregelsystemen.

Klassifizierung der Variablen nach ihrer Prozessrolle

Stellgrößen

Eine Stellgröße (Manipulated Variable, MV) ist eine Eingangsgröße, die ein Bediener oder Regler gezielt anpassen kann, um das Prozessverhalten zu beeinflussen.

Typische Beispiele sind:

Kühlwasserdurchfluss
Stellung des Dampfventils
Durchfluss des Heizmediums
Pumpenförderstrom
Zulaufrate der Edukte
Bypass-Strom um einen Wärmetauscher

In einem Temperaturregelkreis kann der Regler beispielsweise den Dampfstrom anpassen, um die Temperatur des Reaktors oder des Prozessfluids auf dem Sollwert zu halten.

Störgrößen

Eine Störgröße (Disturbance Variable, DV) beeinflusst den Prozess, wird aber vom Regelsystem nicht direkt für das unmittelbare Regelungsziel angepasst.

Beispiele sind:

Schwankungen der Zulaufrate
Änderungen der Zulauftemperatur
Variationen der Zulaufzusammensetzung
Änderungen der Umgebungstemperatur
Druckschwankungen in den Versorgungsleitungen
Änderungen der vorgeschalteten Betriebsbedingungen

Störgrößen sind wichtig, da sie erklären, warum eine geregelte Ausgangsgröße von ihrem Zielwert abweicht. Eine Störung der Zulauftemperatur in einem Rührkesselheizer kann beispielsweise dazu führen, dass sich die Auslasstemperatur ändert, selbst wenn die Stellung des Heizventils zunächst unverändert bleibt.

Messbare Ausgangsgrößen

Eine messbare Ausgangsgröße ist ein Prozessergebnis, das direkt durch ein Instrument überwacht wird.

Häufige Beispiele sind:

Reaktortemperatur, gemessen mit einem Thermoelement
Füllstand, gemessen mit einem Füllstandstransmitter
Durchflussrate, gemessen mit einem Durchflussmessumformer
Druck, gemessen mit einem Druckmessumformer
pH-Wert, gemessen mit einem elektrochemischen Analysator
Leitfähigkeit, gemessen in einem Elektrolytsystem

Messbare Ausgangsgrößen können als Prozessvariablen (PV) in der Rückführungsregelung verwendet werden. Der Regler vergleicht die PV mit dem gewünschten Sollwert (SP) und passt die MV entsprechend an.

Nicht messbare Ausgangsgrößen

Eine nicht messbare Ausgangsgröße ist eine Prozessantwort, die wichtig ist, aber nicht direkt mit der vorhandenen Instrumentierung beobachtet werden kann.

Beispiele sind:

Interne Konzentration innerhalb eines Reaktors
Zusammensetzung an einem unzugänglichen Punkt in einer Destillationsanlage
Lokale Temperatur innerhalb eines Behälters
Produktqualität, wenn kein Online-Analysator installiert ist
Interne Stufenzusammensetzungen in einem mehrstufigen Prozess

Diese Variablen können aus Messwerten und einem Prozessmodell geschätzt werden. Solche Schätzungen werden oft als abgeleitete Variablen, Soft-Sensoren oder Beobachterausgänge bezeichnet.

Unterscheidung zwischen Ausgangsgrößen und Zustandsvariablen

Zustandsvariablen beschreiben den internen Zustand

Eine Zustandsvariable ist eine interne dynamische Größe, die erforderlich ist, um den Zustand eines Prozesses zu einem bestimmten Zeitpunkt zu beschreiben.

Für einen mehrstufigen Trennprozess könnten Zustandsvariablen sein:

Flüssigkeitsinhalt auf jeder Stufe
Flüssigkeitszusammensetzung auf jeder Stufe
Dampfzusammensetzung auf jeder Stufe
Interne Behälterbestände

Zustandsvariablen sind Teil des Prozessmodells. Sie sind nicht automatisch identisch mit den messbaren Ausgangsgrößen.

Ausgangsgrößen sind ausgewählte Prozessantworten

Eine Ausgangsgröße ist eine Prozessantwort, die zur Beobachtung, Regelung oder Leistungsbewertung ausgewählt wurde.

Beispielsweise kann ein Destillationsmodell viele interne Stufeninhalte und Zusammensetzungen als Zustandsvariablen enthalten, während die ausgewählten Ausgangsgrößen sein können:

Kopfproduktzusammensetzung
Sumpfproduktzusammensetzung
Destillatdurchflussrate
Kolonnendruck

Einige Ausgangsgrößen können direkt gemessen werden, während andere abgeleitet werden können. Eine Pilotanlage kann daher weit mehr Zustandsvariablen haben als verfügbare Ausgangsmessungen.

Warum die Unterscheidung wichtig ist

Die Unterscheidung bestimmt, ob ein Regelsystem eine Variable direkt regulieren kann oder sie schätzen muss.

Wenn die Produktkonzentration nicht online gemessen wird, kann ein Regler sie ohne Analysator oder Schätzer nicht als konventionelle Rückführungs-PV verwenden. Die Konstrukteure können stattdessen eine verwandte messbare Variable wie Temperatur, Druck, Leitfähigkeit oder Durchflussverhältnis regeln und ein Modell verwenden, um die Konzentration abzuleiten.

Verwendung der Klassifizierung für den Entwurf von Regelkreisen

Rückführungsregelung (Feedback Control)

In einem Rückführungsregelkreis wird eine gemessene Ausgangsgröße mit ihrem Sollwert verglichen. Der Regler ändert eine Stellgröße, um die Regelabweichung zu reduzieren.

Ein typischer Temperaturregelkreis in einer Pilotanlage besteht aus:

Geregelte Ausgangsgröße: Temperatur des Prozessfluids
Messung: Thermoelement oder Temperaturmessumformer
Stellgröße: Dampf- oder Kühlwasserdurchfluss
Aktor: Stellventil für die Versorgungsmedien
Störgrößen: Zulauftemperatur, Zulaufmenge und Wärmeverlust an die Umgebung

Diese Anordnung ist effektiv, wenn die Ausgangsgröße zuverlässig gemessen werden kann und die Stellgröße einen ausreichenden Einfluss darauf hat.

Vorsteuerung (Feedforward Control)

Die Vorsteuerung reagiert auf eine gemessene Störgröße, bevor diese einen signifikanten Ausgangsfehler verursacht.

Zum Beispiel können der gemessene Zulaufdurchfluss und die Zulauftemperatur verwendet werden, um den Versorgungsstrom vorab anzupassen. Die Vorsteuerung erfordert im Allgemeinen ein vernünftiges Prozessmodell und genaue Störungsmessungen, daher wird sie oft mit einer Rückführungskorrektur kombiniert.

Mehrgrößenregelung

Pilotanlagen enthalten häufig Wechselwirkungen zwischen Variablen. Die Änderung einer Stellgröße kann mehrere Ausgangsgrößen beeinflussen.

Eine Erhöhung des Dampfstroms kann die Temperatur erhöhen, die Dampferzeugung verändern, den Druck ändern und den Füllstand beeinflussen. Die Klassifizierung aller relevanten MVs, DVs, messbaren und nicht messbaren Ausgangsgrößen hilft den Konstrukteuren, diese Wechselwirkungen zu identifizieren und festzustellen, ob separate PID-Regelkreise ausreichen oder ob eine Mehrgrößenregelung gerechtfertigt ist.

Anpassung der Instrumente an die Klassifizierung

Die Instrumentierung sollte entsprechend den Ausgangsgrößen ausgewählt werden, die beobachtet und geregelt werden müssen.

Typische Geräte sind:

Thermoelemente oder Widerstandsthermometer für die Temperatur
Differenzdruckmessumformer für Füllstand oder Druck
Durchflussmessumformer für Zulauf- und Versorgungsströme
Stellventile für geregelte Durchflüsse
pH-, Leitfähigkeits-, Redox- oder Gelöstsauerstoff-Analysatoren für elektrochemische Variablen
Spektroskopische oder physikalische Analysatoren für Zusammensetzungs- oder Qualitätsmessungen

Die Messung muss ausreichend genau, reaktionsschnell, wartungsfreundlich und mit den Prozessbedingungen kompatibel sein.

Anwendung grundlegender Konfigurationsregeln für Pilotanlagen

Zuweisung einer primären Stellgröße pro Regelkreis

Ein definiertes Prozessziel sollte eine klare Stellgröße haben. Die Installation mehrerer konkurrierender Stellventile in einem Prozessstrom zwischen Verfahrenseinheiten kann dazu führen, dass sich Regelkreise gegenseitig stören.

Die Regelstrategie sollte definieren, welcher Regelkreis die Autorität über jedes Ventil hat und wie andere Ziele koordiniert werden.

Regelung von Phasengrenzflächen mit Füllstandsregelkreisen

Wann immer eine Gas-Flüssig- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche aufrechterhalten werden muss, ist normalerweise ein Füllstandsregler erforderlich.

Der Regler manipuliert einen Zu- oder Ablaufstrom, sodass der Bestand stabil bleibt. Dies ist besonders wichtig in Behältern, Abscheidern, Reboilern, Kondensatoren und anderen Geräten, bei denen der Phaseninhalt den sicheren und vorhersehbaren Betrieb beeinflusst.

Geeignete Platzierung von Füllstandsventilen

Bei einer typischen Füllstandsregelung wird das Stellventil im Allgemeinen in der Druckleitung der Pumpe und nicht in der Saugleitung platziert.

Dies bewahrt geeignete Saugbedingungen der Pumpe und ermöglicht es dem Ventil, den abgegebenen Flüssigkeitsstrom zu regulieren, ohne die Pumpenhydraulik unnötig zu beeinträchtigen.

Verwendung von Versorgungs- oder Bypass-Strömen zur Temperaturregelung

Die Temperatur wird üblicherweise durch Anpassen des Stroms eines Heiz- oder Kühlmediums geregelt.

Eine Alternative ist die Verwendung eines Bypasses um einen Wärmetauscher, wodurch der Regler den Anteil des Prozessfluids variieren kann, der den Wärmeaustausch durchläuft.

Etablierung der Hauptstoffbilanz am Zulauf

Der Hauptzulaufregler oder Verhältnisregler bestimmt oft den Stoffeintrag in die Pilotanlage.

Dies schafft eine stabile Basis für die nachgeschaltete Regelung von Füllstand, Durchfluss, Zusammensetzung und Verweilzeit. Zulaufstörungen sollten dennoch separat identifiziert werden, wenn der Zulauf nicht vollständig geregelt ist.

Verständnis der Kompromisse

Messbare Variablen verbessern die Rückführung, erhöhen aber die Kosten

Die direkte Messung gibt dem Regler im Allgemeinen bessere Informationen über die tatsächliche Prozessantwort.

Analysatoren können jedoch teuer, langsam, schwer zu kalibrieren oder wartungsintensiv sein. Bei Ausbildungspilotanlagen muss das Instrument seine Kosten durch seinen Schulungs- oder Forschungswert rechtfertigen.

Nicht messbare Variablen erfordern Schätzungen

Die Schätzung der Konzentration oder internen Zusammensetzung kann den Bedarf an zusätzlichen Analysatoren reduzieren.

Die Einschränkung besteht darin, dass eine abgeleitete Ausgangsgröße von der Modellqualität, der Sensorzuverlässigkeit und den Prozessannahmen abhängt. Die Schätzung sollte nicht als gleichwertig mit einer direkten Messung betrachtet werden, wenn die Folgen eines Fehlers signifikant sind.

Zu viele Regelkreise können Interaktionsprobleme verursachen

Das Hinzufügen eines Reglers für jede verfügbare Messung verbessert die Regelung nicht automatisch.

Eng gekoppelte Regelkreise können um dieselbe Stellgröße konkurrieren oder Schwingungen verstärken. Die Regelungsstruktur sollte die Prozesskausalität, die verfügbare Aktorautorität und das dynamische Ansprechverhalten jeder Verfahrenseinheit widerspiegeln.

Klassifizierung ersetzt nicht die Freiheitsgradanalyse

Die Kennzeichnung einer Variablen als Stell- oder Störgröße stellt für sich genommen noch nicht fest, ob die Anlage regelbar ist.

Der Konstrukteur muss dennoch die Anzahl der unabhängigen Stellgrößen mit den erforderlichen Spezifikationen und Einschränkungen vergleichen. Dies bestätigt, ob die vorgeschlagenen Regelungsziele gleichzeitig erreicht werden können.

Bildungssichtbarkeit muss mit industriellem Realismus abgewogen werden

Eine Pilotanlage sollte den Studierenden aussagekräftige PV-, SP- und MV-Beziehungen, Trends und Betriebsantworten vermitteln.

Gleichzeitig kann eine übermäßige Instrumentierung den Prozess verdecken und den Wartungsaufwand erhöhen. Das beste Design macht wichtige Störungen und Regelungsaktionen sichtbar, ohne jede mögliche Variable zu instrumentieren.

Anwendung auf Ihre Pilotanlage

Beginnen Sie damit, jede Variable aufzulisten, die die Prozessgrenze überschreitet oder die Verfahrenseinheit beeinflusst, und weisen Sie dann jeder Variablen eine Regelungsrolle zu.

Wenn Ihr Fokus auf der Freiheitsgradanalyse liegt: Trennen Sie einstellbare Stellgrößen von unabhängigen Störgrößen und zählen Sie nur wirklich unabhängige Variablen.
Wenn Ihr Fokus auf der Rückführungsregelung liegt: Identifizieren Sie die messbaren Ausgangsgrößen, die als zuverlässige PVs dienen können, und paaren Sie jede mit einer geeigneten Stellgröße.
Wenn Ihr Fokus auf der Produktqualität liegt: Behandeln Sie Zusammensetzung und Konzentration als geregelte Ausgangsgrößen und bestimmen Sie dann, ob sie direkte Analysatoren oder Zustandsschätzungen erfordern.
Wenn Ihr Fokus auf der Störgrößenunterdrückung liegt: Messen Sie wichtige Störungen wie Zulaufdurchfluss, Temperatur oder Zusammensetzung, damit die Vorsteuerungsaktion bewertet werden kann.
Wenn Ihr Fokus auf dem Mehrgrößenverhalten liegt: Bilden Sie ab, wie jede Stellgröße jede wichtige messbare und nicht messbare Ausgangsgröße beeinflusst, bevor Sie unabhängige PID-Regelkreise zuweisen.
Wenn Ihr Fokus auf dem sicheren Betrieb der Pilotanlage liegt: Geben Sie Füllstands-, Druck-, Temperatur- und Durchflussmessungen Vorrang, die die Ausrüstung schützen und stabile Bestände aufrechterhalten.

Eine gut durchdachte Klassifizierung verwandelt eine Ansammlung von Sensoren und Ventilen in eine Regelungsstruktur, deren Verhalten analysiert, gelehrt und verbessert werden kann.

Zusammenfassungstabelle:

Variablenklassifizierung	Rolle im Prozess	Typische Beispiele	Verwendung im Regelsystem
Stellgröße (MV)	Einstellbare Eingabe zur Beeinflussung des Prozessverhaltens	Dampfstrom, Kühlwasserstrom, Pumpenförderung, Zulaufrate	Reglerausgang und Aktorauswahl
Störgröße (DV)	Ungeregelte Eingabe, die den Prozess beeinflusst	Zulauftemperatur, Zusammensetzung, Durchflussänderungen, Druckschwankungen	Rückführungsanalyse und Vorsteuerung
Messbare Ausgangsgröße	Prozessantwort, die durch ein Instrument überwacht wird	Temperatur, Füllstand, Druck, Durchfluss, pH, Leitfähigkeit	Prozessvariable für Rückführungsregelung
Nicht messbare Ausgangsgröße	Wichtige Prozessantwort, die nicht direkt überwacht wird	Interne Konzentration, Stufenzusammensetzung, Produktqualität	Schätzung, Soft-Sensoren oder modellbasierte Regelung
Zustandsvariable	Interne Größe zur Beschreibung des Prozesszustands	Inhalt, Behälterbestand, interne Zusammensetzung	Dynamische Modellierung und Beobachterentwurf

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