Mit dem Schrittregler ‚PID 3-Step‘ von Siemens steht ein hochwertiger Dreipunktregler für die SPS-Familie Simatic S7-1200/1500 zur Verfügung, der dank intelligenter Selbsteinstellung auch ohne tiefere Kenntnisse von Regelungstechnik in Betrieb genommen werden kann. Herkömmliche Hardwareregler erfordern ein eigenes Engineering, belegen zusätzlichen Platz im Schaltschrank und besitzen meist eine feste Regelungsstruktur. Dank leistungsfähiger Steuerungen können selbst komplexe mathematische Funktionen heute von der Steuerung übernommen werden. Die integrierten PID-Regler fügen sich damit nahtlos in das Engineering der Gesamtanlage ein. Am folgenden Beispiel einer Füllstandsregelung werden diese Vorteile deutlich. Bei einer Füllstandsregelung wird die Füllhöhe eines Behälters konstant gehalten und diese gegen Störeinflüsse stabilisiert. Durch einen geregelten Zufluss kann ein variabler Abfluss ausgeglichen werden. Üblicherweise kommen hier Durchflussventile zur Anwendung, die über digitale Steuersignale mit dem Regler verschaltet sind. In Bild 1 ist ein schematischer Aufbau einer Füllstandsanlage dargestellt. Ein elektronisches Ventil reguliert den Zufluss, während ein Ultraschall-Sensor den aktuellen Füllstand erfasst. Der Sollwert kann programmintern oder komfortabel über ein HMI-Panel vorgegeben werden. Die Anweisung ‚PID 3-Step‘ wird aus der umfangreichen Step7 Standard-Bibliothek (TIA Portal) in das Programm eingefügt. Im zweiten Schritt können die Ein- und Ausgänge der analogen oder digitalen Baugruppen mit symbolischen Namen versehen werden und direkt per Drag & Drop auf die Eingänge der Anweisung gezogen werden. Sollen bestimmte Größen für den Anwender sichtbar oder editierbar sein, so können diese ebenfalls per Drag & Drop auf ein projektiertes HMI gezogen werden, ohne eine spezielle Verbindung herzustellen. Die gemeinsame Datenbasis im TIA Portal macht es möglich. Nach dem Verschalten von Soll-, Ist- und Stellwert kann der Regler bereits in Betrieb genommen werden.
Einfache Inbetriebnahme
Bei der Inbetriebnahme werden die Parameter des Reglers auf die Regelstrecke abgestimmt. Da die Eigenschaften der Regelstrecke oft nur unzureichend bekannt sind, kommen vermehrt Auto-Tuning-Verfahren zum Einsatz, die selbstständig die optimalen PID-Parameter ermitteln. Auch ‚PID 3-Step‘ bietet diesen Mehrwert. Nach Starten der Erstoptimierung wird das Stellglied aus einem beliebigen Arbeitspunkt heraus kurz auf und wieder zu gefahren. Dabei wird die Impulsantwort gemessen und aus der Steigung, Verzugszeit und Streckenverstärkung werden die PID-Parameter sowie die Gewichtungsfaktoren ermittelt. Der gesamte Ablauf kann über die Trendanzeige im Engineering nachvollzogen werden (siehe Bild 3). Über den Eintrag ‚Optimierungsart‘ kann die Nachoptimierung ausgewählt und gestartet werden. Nach dem Relay-Feedback-Verfahren wird eine kontrollierte Schwingung auf die Strecke gegeben. Aus Amplitude und Frequenz der resultierenden Schwingung des Istwertes können genauere PID-Parameter für einen Arbeitspunkt bestimmt werden. Die Inbetriebnahme ist damit abgeschlossen und die ermittelten Parameter können im Projekt abgespeichert werden. Im Gegensatz zum kontinuierlichen Kompaktregler (PID Compact) sind die PID-Parameter jetzt speziell für Ventilregelungen ausgelegt. Auch nach Stromausfall bleiben alle wichtigen Parameter dank remanentem Speicher erhalten.
Verbesserte Regelgüte durch automatische Stellzeitmessung
Die benötigte Zeit um ein Stellglied (z.B. das Durchflussventil) vom geschlossenen in den geöffneten Zustand zu bewegen, wird Motorstellzeit genannt. Aus Sicht des Reglers stellt dies ein zusätzliches Verzögerungsglied dar. Besitzt das Stellglied keine analoge Stellungsrückmeldung, muss der Regler die aktuelle Position, basierend auf der vom Anwender eingestellten Motorstellzeit, simulieren. Diese kann gegenüber den Angaben aus der Dokumentation, bedingt durch Alterung, Verschleiß etc., stark variieren. Entsprechen die eingestellten Werte nicht der realen Motorstellzeit, so sind die Stelleingriffe üblicherweise zu groß oder zu klein. Dies führt dazu, dass mehr Stelleingriffe erfolgen als notwendig und es daher zu erhöhtem mechanischen Verschleiß kommt. Hier bietet der ‚PID 3-Step‘ ein automatisches Verfahren zur exakten Bestimmung der Motorstellzeit. Sobald eine Rückmeldung in Form von Anschlagssignalen vorliegt, kann die Stellzeitmessung genutzt werden. Ventilstellungen können nun noch präziser angefahren werden. Weiterhin kann die minimale Ein- und Ausschaltzeit für das Stellglied eingestellt werden. Dies verhindert, dass ein Stellmotor bei zu hoher Schalthäufigkeit überhitzt.
Fazit
Die S7-Steuerungen Simatic S7-1200 und S7-1500 bieten dem Anwender besonderen Mehrwert: Mit der Integration eines Schrittreglers in die Firmware der CPU wird der Trend zu Softwarereglern konsequent weiterverfolgt. Dies macht die Steuerung zu einem universellen und intuitiven Tool für einfache bis komplexe Regelungsaufgaben; Kosten für externe Hardwareregler entfallen somit komplett. Mit dem ‚PID 3-Step‘ steht ein hochwertiger Schrittregler zur Verfügung, der dank integrierter Selbsteinstellung spezielle PID-Parameter für Ventilregelungen berechnen kann. Durch Maßnahmen wie automatische Motorstellzeitmessung und einstellbare minimale Ein- und Ausschaltzeiten wird dem Stellgliedschutz umfassend Rechnung getragen. Die S7-Steuerung steht damit klassischen Hardwarereglern in nichts nach. Der Anwender wird vom noch leeren Projekt bis hin zum optimierten Regler durch intuitive Dialoge geführt. Dank konsequenter Durchgängigkeit der neuen SPS-Generation lassen sich zusammen mit dem TIA Portal alle Regelungsaufgaben auf einer Micro-SPS Simatic S7-1200 bis hin zur großen Steuerung Simatic S7-1500 breitbandig skalieren.
