Industrielle Prozessregelkreise nutzen eine geschlossene Rückkopplung, um präzise Flüssigkeitsstände, Drücke und Temperaturen aufrechtzuerhalten. Während komplexe Prozessanlagen überwiegend auf vollständige Proportional-Integral-Differential- (PID-)Algorithmen setzen, lassen sich viele Flüssigkeitsspeichersysteme zuverlässig mit einem einfachen Proportionalregler (P-Regler) betreiben.

Die Implementierung einer proportionalen Tankfüllstandsregelung im Siemens TIA Portal bietet eine reaktionsschnelle Lösung für Automatisierungsprojekte in der Fertigung. Ein Verständnis der Dynamik der Proportionalverstärkung (Kp) ermöglicht Regelungstechnikern, die Flüssigkeitsstandsregelung zu optimieren und gleichzeitig übermäßigen Ventilverschleiß und Systeminstabilität zu vermeiden.

1. Grundlagen der geschlossenen Proportionalregelung

Ein Regelkreis überwacht kontinuierlich die Prozessgrößen und passt die Regelausgänge an, um die Regelabweichung zu minimieren. Anders als bei der herkömmlichen EIN-AUS-Regelung wird die Position des Stellglieds bei der Proportionalregelung direkt proportional zum Regelfehler verändert.

Der mathematische Zusammenhang wird wie folgt ausgedrückt:

C(s) = Kp * e(t)

Dabei gilt:

• C(s) steht für das berechnete Ausgangsregelsignal.
• Kp (oder P) ist die Proportionalverstärkung.
• e(t) ist die Regeldifferenz zwischen Sollwert (SP) und Prozessgröße (PV).

2. Warum eine Proportionalregelung statt EIN-AUS-Systemen?

Die herkömmliche diskrete EIN-AUS-Regelung verursacht ständige Schaltzyklen um den Sollwert. Dieses dauernde Schalten belastet die Regelventile mechanisch und erzeugt Druckstöße in den Prozessleitungen.

Die Proportionalregelung verhindert heftige Schaltzyklen, indem sie Regelventile gleichmäßig drosselt. Nähert sich der Flüssigkeitsstand dem Sollwert, wird die Regelabweichung kleiner, sodass sich das Füllventil allmählich schließt. Diese kontinuierliche Regelung stabilisiert daher das Fluidmanagement in Regelungssystemen.

Einblick in die Praxis: Eine reine Proportionalregelung weist bei veränderten Lastbedingungen zwangsläufig eine stationäre Regelabweichung (Offset) auf. Erfordert Ihr Prozess eine Regelabweichung von null, ist ein Integralanteil (I) notwendig. Bei Vorlage- und Pufferspeichern bietet eine reine Proportionalregelung jedoch eine robuste Leistung ohne das Risiko eines Integral-Windups.

3. Zentrale Systemarchitektur und Hardwarekonfiguration

Ein standardmäßiger industrieller Füllstandsregelkreis verbindet Feldinstrumente mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung. Die physische Architektur umfasst Feldsensoren, modulierende Ventile und lokale Bedienerschnittstellen.

Zu den wichtigsten Hardwarekomponenten gehören:

• Füllstandsmessumformer: Misst die Flüssigkeitshöhe im Tank in Echtzeit und gibt ein 4-20mA- oder 0-10V-Analogsignal aus.
• Proportionalventile: Regeln den Zu- und Abfluss anhand von 0-10V-Analogsignalen von der SPS.
• Bedienpult: Beherbergt Drucktasten, Potenziometer zur Einstellung von SP und Verstärkung sowie Digitalanzeigen.
• Siemens S7-1200 / S7-1500 SPS: Führt die Skalierungsroutinen und den Algorithmus zur Proportionalregelung aus.

4. Betriebsablauf und Proportionalverhalten

Das Steuerungsprogramm wird ausgeführt, sobald der Bediener die Starttaste drückt und einen Füllstandssollwert eingibt. Der Systembetrieb folgt einer strukturierten Abfolge:

1. Der Regler liest die rohen Analogeingänge des Füllstandsmessumformers und des Sollwertpotenziometers ein.
2. Das Programm subtrahiert den aktuellen Füllstand (PV) vom gewünschten Füllstand (SP), um den Fehler e(t) zu bestimmen.
3. Wenn e(t) > 0 und die Verstärkung Kp > 0 ist, berechnet der Regler den Analogausgang für das Zulaufventil.
4. Das Zulaufventil öffnet sich bei einem großen Fehler zu 100 % und drosselt dann, während sich der Tank füllt.
5. Das Ablassventil arbeitet symmetrisch, wenn der Prozesswert den Sollwert überschreitet.

5. Strukturierung der Logik im Siemens TIA Portal

Ingenieure verwenden häufig Funktionsbausteine (FBs), um die Steuerungslogik im Siemens TIA Portal zu modularisieren. Mit Structured Text (SCL) oder Statement List (STL) übernimmt der Baustein die Eingangsnormierung, Skalierung und Fehlerberechnung.

Der Algorithmus normalisiert rohe Analogwerte (0 bis 27648) auf technische Einheiten (0,0 bis 300,0 cm). Anschließend multipliziert er den skalierten Fehler mit dem Parameter für die Proportionalverstärkung. Schließlich begrenzt er das Ergebnis und wandelt es zurück in das Rohdatenformat für den Peripherieausgang (0 bis 27648).

6. Abstimmung der Proportionalverstärkung für einen stabilen Systembetrieb

Bei der Wahl der richtigen proportionalen Verstärkung (Kp) müssen Reaktionsgeschwindigkeit und Systemstabilität gegeneinander abgewogen werden. Eine höhere Verstärkung beschleunigt die Systemreaktion, verstärkt jedoch Überschwingen und vorübergehende Regelschwingungen.

• Niedrige Verstärkung (Kp): Führt zu einer trägen Ventilreaktion, langen Anstiegszeiten und einer größeren Regelabweichung im stationären Zustand.
• Optimale Verstärkung (Kp): Sorgt für eine schnelle Stabilisierung mit minimalem Überschwingen bei Sollwertänderungen.
• Zu hohe Verstärkung (Kp): Führt zu Regelschwingungen, Ventilflattern und instabilen Prozessschwankungen.

Inbetriebnahmeingenieure müssen Verstärkungswerte mit den Simulationstools in TIA Portal schrittweise testen, bevor sie Parameter auf Produktionsanlagen im laufenden Betrieb übertragen.

Industrielles Anwendungsszenario: Regelung eines Chemikalien-Puffertanks

Problemstellung

In einer Chemie-Dosieranlage kam es zu schnellen Druckstößen und starkem Ventilverschleiß an einer Rohstoffversorgungsleitung. Das Altsystem nutzte obere und untere Schwimmerschalter, um Absperrventile am Zulauf ein- und auszuschalten. Diese Zweipunktregelung verursachte Wasserschlagschäden an den vorgeschalteten Sammelleitungen.

Systemarchitektur der Lösung

Ingenieure rüsteten die Anlage auf eine kontinuierliche proportionale Regelung mit einer Siemens-SPS S7-1200 und einem Radar-Füllstandsmessumformer um:

1. Aktualisierung der Instrumentierung: Schwimmerschalter wurden durch einen kontinuierlich messenden geführten Radar-Füllstandsensor mit 4-20 mA ersetzt.
2. Neuentwicklung der Regelung: Ein proportionaler Regelungsbaustein wurde in TIA Portal mit einem analogen Regelventil implementiert.
3. Verstärkungsabgleich: Die proportionale Verstärkung wurde auf die Spitzenzuflussraten der Anlage abgestimmt.

Betriebsergebnisse

Die Proportionalstrategie hielt den Tankfüllstand während des stationären Betriebs innerhalb von +/- 3 % des Sollwerts. Durch die gleichmäßige Ventilregelung wurde Wasserschlag in der Leitung vollständig verhindert und der jährliche Wartungsaufwand um 40 % reduziert.

Über den Autor

Li Ming ist ein leitender Spezialist für industrielle Automatisierung mit über 15 Jahren Praxiserfahrung in der Entwicklung von DCS-Architekturen, SPS-Software und Prozessinstrumentierungssystemen. Er hat groß angelegte Automatisierungsmodernisierungen in den Bereichen Öl und Gas, chemische Verarbeitung und Stromerzeugung geleitet und ist auf Advanced Process Control (APC), Regelkreisoptimierung und Implementierungen mit Siemens TIA Portal spezialisiert.