Serie 'Einstieg in das TIA Portal' (Teil 7 von 12)

Vorprogrammierte Effizienz durch integrierten Temperaturregler

Die Integration von Regelungsfunktionen in die Steuerung spart separate Hardware, ist einfach, effizient und flexibel. Für aktuelle Standardsteuerungen gibt es jetzt auch einen PID-Temperaturregler mit Heiz- oder Heiz/Kühl-Funktion. Er beherrscht selbst Anwendungen wie das zonenweise Temperieren von Extrudern.

Die Controller-Familien Simatic S7-1200 und S7-1500 bieten neue Regelungsfunktionen. Zum Universalregler PID_Compact mit analogen bzw. pulsweitenmodulierten Ausgängen und dem Schrittregler PID_3Step für integrierende Stellglieder wie Ventile, steht nun auch der Temperaturregler PID_Temp direkt in der SPS zur Verfügung. Das erspart den Aufwand für Hardware-Regler, erübrigt zusätzliche Engineering- und Parametrier-Tools und reduziert somit Aufwand und Kosten. Wie die Pendants ist auch der Temperaturregler vollständig in der Controller Firmware umgesetzt, er belegt somit keinen Code-Speicher. Ein intelligentes zweistufiges Auto-Tuning mit Erst- und Nachoptimierung ist bereits standardmäßig integriert.

Heizen und Kühlen individuell

Der Temperaturregler unterstützt aktives Heizen und Kühlen, d.h. der Regler steuert je nach Vorzeichen der Regelabweichung zwei unterschiedliche Stellglieder an (Split Range). Da die Heiz- und Kühlstellglieder meist unterschiedliche Verstärkung und unterschiedliche Dynamik haben, können zwei verschiedene Parametersätze für Heizen und Kühlen eingestellt oder automatisch ermittelt werden. Alternativ ist auch die Vorgabe eines definierten Kühlfaktors (Relation Heizen/Kühlen) möglich. Mit diesen Fähigkeiten eignet sich der Regler auch für Anwendungen wie das Temperieren von Extrudern mit mehreren Heiz- und Kühlzonen (Bild 1) – und ermöglicht hier eine einfache Inbetriebnahme: Wo sich – wie bei Extrudern typisch – die einzelnen Zonen gegenseitig durch Wärmeübergang beeinflussen, da kann die Selbstoptimierung der Regler so angepasst werden, dass zunächst alle Heiz- und dann alle Kühlstrecken synchronisiert in Betrieb genommen werden. So lässt sich gegenläufiges Arbeiten der Regler ausschließen. Zu den spezifischen Funktionen des Temperaturreglers gehört die automatische Ermittlung der Regelzone um den Sollwert. Außerhalb dieser Regelzone wird der Ausgangswert maximiert oder minimiert. Dies beschleunigt das Anfahren eines Sollwerts, etwa beim Aufheizen auf den Arbeitspunkt. Um unnötig häufiges Schalten der Stellglieder zu vermeiden, kann der Anwender eine Totzone für die Regeldifferenz definieren. Liegt die Regelabweichung innerhalb dieser Totzone, werden Stelleingriffe unterdrückt. Um das Führungsverhalten weiter zu verbessern, lassen sich sowohl der Proportional- als auch der Differential-Anteil des Reglers stufenlos abschwächen, was unerwünschtes Überschwingen bei Sollwertveränderungen verhindert bzw. reduziert. Das ist bei der Kunststoffaufbereitung besonders wichtig, um temperaturbedingte Schäden am Material zu vermeiden.

Kaskadenregelung vereinfacht

Benutzerfreundlich ist auch das Anlegen einer Kaskadenregelung aus zwei oder mehreren ineinander greifenden Temperaturreglern. Dazu wird der überlagerte Regler als Master, der Folgeregler als Slave deklariert. Das Engineering-System legt notwendige Verschaltungen zwischen Master und Slave automatisch an. Im Betrieb werden die Stellwerte von Regler zu Regler weitergegeben und auch Statusinformationen ausgetauscht. Dies hilft den unerwünschten Wind-up-Effekt im Integral-Anteil des Masters zu vermeiden, der auftritt, wenn ein Slave an eine Stellwertbegrenzung stößt oder nicht mehr auf die Vorgaben des Masters reagieren kann (z.B. im Handbetrieb).

Komfortables Handling

Der neue SPS-integrierte Temperaturregler steht mit der neuesten Firmware für Simatic S7-1200 bzw. S7-1500 zur Verfügung und wird von Step 7 ab Version 13 mit Service Pack 1 unterstützt. Wie die bereits in früheren Versionen integrierten Universal- und Schrittregler fügt sich der neue Temperaturregler in das Engineering-Framework TIA Portal ein und kann hier ohne tieferes Regelungs-Know-how konfiguriert und in Betrieb genommen werden. Dazu zieht der Anwender aus der Auswahlliste das Technologieobjekt (TO) PID_Temp per Drag&Drop in sein Programm, vergibt symbolische Namen und verbindet die verwendeten Mess- und Stellglieder mit den entsprechenden Ein- bzw. Ausgängen des TOs (Bild 2). Durch die gemeinsame Datenbasis für Controller und HMI im TIA Portal können Reglervariablen, die zur Laufzeit visualisiert werden sollen, in den HMI-Teil des Projekts gezogen werden und stehen dort zur Verfügung. Die automatische Variablennachführung über alle Editoren hinweg sorgt für eine projektweite Datenkonsistenz auch nach Änderungen. Konfigurations- und Inbetriebnahmemasken führen intuitiv zum einsatzfertigen Regler. Mit wenigen Mausklicks und Eingaben lassen sich darin unter anderem die Regelungsart, Grenzwerte und Skalierungen definieren. Ebenso das Anlaufverhalten des Reglers (Betriebsart) sowie dessen Verhalten bei außergewöhnlichen Prozesszuständen. So kann der Regler mit dem zuletzt verwendeten oder einem Ersatzstellwert weiterbetrieben werden. Das ist insbesondere bei sensiblen Prozessen wichtig, wo unkontrollierte Stillstände Folgeschäden nach sich ziehen können. Die Inbetriebnahme wird durch eine Steuertafel mit Kurvenschreiber unterstützt (Bild 3). Hier wählt der Anwender die Art der Optimierung und startet diese. Bei der Erstoptimierung berechnet das System selbstständig die Werte für Proportionalverstärkung, Integrations- und Differenzierzeit sowie weitere Parameter des Reglers. Über die zusätzlich wählbare Nachoptimierung erfolgt das Feintuning im Arbeitspunkt. Der Kurvenschreiber visualisiert dabei den aktuellen Soll- und Istwert sowie die Ausgangswerte für Heizen und Kühlen entlang der Zeitachse grafisch. So lässt sich das Reglerverhalten leicht nachvollziehen und auch der Einfluss manueller Änderungen von Parametern analysieren. Für fortgeschrittene Anwender sind alle Konfigurations- und Inbetriebnahmeparameter in der \’Parametersicht\‘ listenartig strukturiert und einfach und direkt zugänglich. Zusätzliche Hilfe für den Programmierer bietet ein laufend aktualisierter Vergleich des Online- und Offline-Status aller Parameter.

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