Reglertypen

Für Regelungsbedürfnisse im System Desigo werden zwei Reglerbausteine zur Verfügung gestellt, welche die meisten Anforderungen erfüllen

  • PID_CTR
  • [CAS_CTR]

PID_CTR Einzelregler – Sequenzregler

Der Baustein PID_CTR wird eingesetzt als:

  • Universeller Standalone-PID-Regler
  • Universeller PID-Regler mit externer Nachführung (externes Tracking)
  • Ein einzelnes Sequenzregler-Element in einem Sequenzregler oder Sequenzkaskadenregler

Folgende Funktionen sind im Baustein PID_CTR integriert:

  • P, PI, PID oder PD-Reglerverhalten einstellbar
  • Verstärkung, Nachstell- und Vorhaltezeit einzeln einstellbar
  • Stetiger Regelausgang begrenzt auf Minimum/Maximum
  • Verstärkungsfaktor der Reglerverstärkung einstellbar
  • Neutralzone einstellbar
  • Offset (für P- und PD-Regler) einstellbar
  • Initialwert des Integrators (für PI- und PID-Regler) einstellbar
  • Laufzeit Stellgrösse einstellbar (0 – 100%, 100 – 0%) Stellgeschwindigkeit
  • Wirksinn wählbar gleichläufig/gegenläufig

Ein Sequenzregler lässt sich durch die Zusammenschaltung mehrere PID_CTR realisieren. Zusätzlich kann gegebenenfalls der Sequenzlinker SEQLINK eingesetzt werden. Funktionell ist dieser Baustein nicht notwendig; er wird lediglich dafür verwendet, dass einzelne Sequenzelemente ohne Neuverschaltung gelöscht werden können.

Kaskadenregler CAS_CTR

Der Baustein CAS_CTR wird eingesetzt:

  • Als Führungsregler in einer Sequenz-Kaskadenregelung (z. B. Raum-/Zuluftkaskade)
  • In Temperatur- und Feuchtigkeitsregelkreisen

Folgende Funktionen sind im Baustein CAS_CTR integriert:

  • P, PI, PID oder PD-Reglerverhalten einstellbar
  • Stetiger Regelausgang begrenzt auf Minimum/Maximum
  • Sollwerte für Heiz- Kühlsequenzen sowie Energierückgewinnung
  • Wirksinnabhängiger Sollwert für die Energierückgewinnung
  • Initialisierung des Integrators (Startwert)

Universeller PID-Regler

Der Baustein PID_CTR lässt sich als universeller Standalone-Regler in einer Anlage zum Regeln beliebiger Regelgrössen einsetzen, z. B.:

  • Temperatur, Temperaturdifferenz
  • Druck, Druckdifferenz
  • Geschwindigkeit
  • Absolute Feuchtigkeit, relative Feuchtigkeit

Wirksinn

Der Baustein PID_CTR kann als P-, PD-, PI-, und PID-Regler parametriert werden. Mit Hilfe folgender Einstellparameter lässt sich das Regelverhalten einstellen:

  • Reglerverstärkung [Gain]
  • Nachstellzeit [Tn]
  • Vorhaltezeit [Tv]

Optional lässt sich die Reglerverstärkung [Gain] mit dem Eingang [GainFac] beeinflussen. Die Korrektur des Verstärkungsfaktors auf diese Art kann sinnvoll sein bei der Regelung von Aussenluftklappen, z.B. Wirkung der Klappenposition in Abhängigkeit der Aussentemperatur. Diese Korrektur des Verstärkungsfaktors ist z. B. bei der Regelung von Aussenluftklappen sinnvoll, da die Stellwirkung der Klappen von der Aussenlufttemperatur abhängig sein kann. dieser Einfluss wird mit dem Gain-Scheduling-Baustein ADAGAIN definiert.

Die Laufzeit des Antriebs lässt sich einstellen. Durch Vorgabe der tatsächlichen Antriebslaufzeiten wird der Regler besser auf den jeweiligen Antrieb abgestimmt, wodurch sich die Regelgüte der Regelung verbessern lässt.

Stellbereich

Der Stellbereich wird durch Vorgabe der minimalen und maximalen Ausgangsgrösse eingeschränkt. Dabei wird immer das Minimum der beiden Werte als Maximalwert gesetzt. Das heisst, dass der Maximalwert unter dem Minimalwert liegen darf, eine Nachführung des Minimalwertes erübrigt sich.

Neutralzone [Nz]

[Nz] ist der Unempfindlichkeitsbereich des Reglers um den Sollwert. Sobald der Abstand zwischen Sollwert [Sp] und Istwert [Xctr] kleiner ist als die halbe [Nz], wird der Ausgang noch 7 Zyklen lang angesteuert, damit der Istwert [Xctr] möglichst in die Mitte der [Nz] gelangt. Anschliessend bleibt das Ausgangssignal [Yctr] konstant. Das Ausgangssignal wird erst nach Verlassen der [Nz] wieder korrigiert.

P/PD-Regler

Wird der Baustein PID_CTR als P-Regler oder PD-Regler parametriert, so kann ein Kalibrierpunkt (Offset) [YctrOfs] vorgegeben werden.

Die P-Abweichung ist dann bei einer Last von 0% oder 100% halb so gross wie der Proportionalbereich [Gain].

Nachführung [Track]

[Track] wird z. B. dort eingesetzt, wo der PI(D)-Regler über eine zwischengeschaltete Minimum- oder Maximum-Auswahl auf das Stellglied wirkt, z. B. als Begrenzungsregler. Der Tracking-Eingang garantiert die Bereitschaft des Reglers in der Zeit, in der er bei der Min- oder Max-Auswahl nicht durchkommt. Während dieser Zeit wird sein Integrator (und somit auch sein Ausgang) auf dem Wert des durchkommenden Signals gehalten, so dass er nach einem Verletzen der Begrenzungsbedingung sofort reagieren kann. Eine weitere Anwendung von [Track] besteht in der Verbindung mit speziellen Antrieben, die über eine Möglichkeit der Positionsrückmeldung verfügen.

Wirksinn [Actg]

[Actg] ist eine Kenngrösse des Reglers und zeigt den Zusammenhang zwischen Sollwertabweichung und Energiestromänderung. Es wird zwischen gleichläufigem (direktem) und gegenläufigem (indirektem) [Actg] unterschieden.

  • Mit steigender (sinkender) Regelgrösse steigt (sinkt) der Reglerausgang.
  • Kühlen oder Entfeuchten – Steigt der Istwert über den Sollwert, so muss der Energiestrom zunehmen.
  • Mit sinkender (steigender) Regelgrösse steigt (sinkt) der Reglerausgang.
  • Heizen oder Befeuchten – Sinkt der Istwert unter den Sollwert, so muss der Energiestrom zunehmen.

Invertierung [Inv]

[Inv] des Ausgangssignals wird z. B. bei Luftklappen benötigt. Die Aussen- und Fortluftklappe muss bei grösser werdendem Heizbedarf schliessen. Das Umkehren (Invertieren) der Stellgrösse wirkt sich nur auf das Ausgangssignal [Yctr] und nicht auf die Wirkung des Reglers aus.

Sequenzregler

Sequenzregler werden vorwiegend in Lüftungs- und Klimaanlagen zum Regeln der Temperatur und Feuchtigkeit eingesetzt. Weitere Anwendungen, z. B. in Heizungsanlagen, sind auch möglich.

In jeder geregelten Aggregat-Funktionseinheit ist ein universeller PID-Regler PID_CTR als Sequenzregler-Element integriert.

Die Aussagen, die zum universellen PID-Regler gemacht wurden, gelten auch, wenn der Funktionsbaustein PID_CTR als Sequenzregler-Element eingesetzt wird.

Die Sequenzregler-Elemente koordinieren ihre Zusammenarbeit selbständig. Die Koordination erfolgt über Koordinationssignale [FmHigher], [ToLower], die zwischen benachbarten Sequenzregler-Elementen bilateral ausgetauscht werden. Dies ist die einzige Kopplung zwischen den Sequenzregler-Elementen. Dieses Verfahren ermöglicht eine individuelle Parametrierung jedes einzelnen Reglers bzw. Aggregats und somit eine gute Optimierung der gesamten Anlage.

Eigenschaften und Aufbau von Sequenz und Sequenzregler:

  • Jede Sequenz kann beliebig viele Elemente haben.
  • Der Sollwert für jedes Sequenzelement lässt sich individuell einstellen, wobei jedoch die Sollwerte in Richtung von der Heizsequenz zu der Kühlsequenz nicht sinken dürfen.
  • Der Sollwert für die Energierückgewinnung liegt wahlweise entweder in der Mitte zwischen dem Sollwert des ersten Heiz- und des ersten Kühlelements oder entspricht je nach der momentan möglichen Art der Energierückgewinnung dem Sollwert des ersten Heizelements (falls die Ablufttemperatur > Aussenlufttemperatur) bzw. des ersten Kühlelements (falls die Ablufttemperatur < Aussenlufttemperatur).
  • Die Verstärkung jedes Sequenzelements lässt sich individuell beeinflussen. So variiert z. B. die Verstärkung des Energierückgewinnungselements in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der Ablufttemperatur und der Aussenlufttemperatur, um eine näherungsweise konstante Kreisverstärkung zu erreichen.
  • Für jedes Element kann individuell ein P-, PI-, PID- PD oder Zweipunkt-Reglerverhalten gewählt werden; die Reglerparameter jedes Elements sind individuell einstellbar (Reglerverstärkung, Nachstellzeit, Vorhaltezeit). Die Regelparameter für jedes Element (Reglerverstärkung, Nachstellzeit und Vorhaltezeit) können einzeln angepasst werden.
  • Weisen alle Sequenzelemente gleiche Parameterwerte auf, ist das Verhalten der Sequenz identisch, wie bei einem einzigen PI(D)-Regler, dessen Ausgangsgrösse auf einzelne Aggregate der Anlage verteilt wird.
  • Der Reglerausgang und der Integrator des Sequenzelementes ist auf den Bereich [YctrMin] bis [YctrMax] begrenzt. Dabei wird der obere Grenzwert des letzten eingeschalteten Sequenzelements jeweils der Heiz- und der Kühlsequenz nach der Anti Windup-Methode (Begrenzung des I-Anteils auf die Stellgrössen-Grenzen) begrenzt; alle anderen Grenzwerte werden durch eine einfache Minimum- bzw. Maximumauswahl begrenzt. Alle anderen Grenzwerte werden durch eine Auswahl des min. oder max. Werts geregelt.
  • Die Geschwindigkeit der Ausgangsänderung jedes Sequenzelements wird auf die Geschwindigkeit des damit verbundenen Antriebs begrenzt. Dadurch lässt sich die Regelgüte verbessern.
  • Der Wirksinn jedes Elements (Heizen/Kühlen bzw. Befeuchten/Entfeuchten) ist pro Element individuell wählbar.
  • Nur ein Element der Sequenz kann regelnd sein. Wenn der Ausgang eines regelnden Sequenzelementes [YctrMin] bzw. [YctrMax] erreicht hat, wird die Regelung an das nächste im ON-Betrieb stehende Nachbarelement übergeben.

Namenskonvention

Als höher werden Sequenzelemente bezeichnet, die im Sequenzdiagramm höheren Sollwerten entsprechen (in der Regel Kühlen oder Entfeuchten).

Als tiefer werden Sequenzelemente bezeichnet, die im Sequenzdiagramm tieferen Sollwerten entsprechen (in der Regel Heizen oder Energierückgewinnung ERG oder Befeuchten).

Aufbau eines Sequenzreglers

Der Sequenzregler besteht grundsätzlich aus einzelnen PID_CTR-Bausteinen. Dabei wirkt jeder PID_CTR als Sequenzregler-Element für ein Aggregat.

Die Verschaltungsfolge der PID_CTR-Bausteine (von Low nach High) entspricht der Reihenfolge der Regelsequenzen (1…n) des Sequenzreglers. Dementsprechend muss der vorgesehene Betriebsbereich (z. B. Heizen) und die Schaltfolge bei der Verschaltung der PID_CTR berücksichtigt werden.

Zum Beispiel, Aggregate:

1 = Rückerwärmer, 2 = Vorerwärmer, 3 = Klappen, 4 = Luftkühler

Regelfolge Heizen: 3 ---> 2 ---> 1

Regelfolge Kühlen: 4 ---> …

Das tiefste (Low) Sequenzregler-Element entspricht der Regelsequenz 1, das höchste (High) der Regelsequenz n.

Das tiefste Sequenzregler-Element regelt ein Aggregat mit einem gegenläufigen Wirksinn (sofern vorhanden).

Wirksinnumschaltungen (z. B. ERG) dürfen auch im Betrieb gemacht werden, allerdings darf die Sequenzfolge dadurch nicht gestört werden.

Im Sequenzregler müssen die Sollwerte [Sp] der Sequenzregler-Elemente (1…n) monoton steigend sein:

[Sp]1 ≤ [Sp]2 ≤ [Sp]3 ≤ ... ≤ [Sp]n

Die kontinuierliche Regelung beim Übergang von der einen Regelsequenz zur nächsten Regelsequenz ist gewährleistet, wenn die Regelsequenzen mit gleichem Wirksinn alle den gleichen Sollwert besitzen.

Die energiefreie Zone wird mit den Sollwerten beim Wirksinnwechsel definiert (z. B. Heizsollwert, Kühlsollwert).

Verschaltungs-möglichkeiten der Sequenzregler-Elemente

Die Verschaltung der PID_CTR-Bausteine zu einem Sequenzregler ist auf zwei Arten möglich:

  • Direkt
  • Mit SEQLINK verschalten

Direkt

Die einzelnen PID_CTR-Bausteine werden direkt untereinander verschaltet. Das Verschalten erfolgt zwischen den Anschlüssen [ToLower] und [FmHigher] und den Anschlüssen [FmLower] und [ToHigher].

Mit SEQLINK verschalten

Die einzelnen PID_CTR-Bausteine werden über den SEQLINK-Baustein verschaltet. Der Sequenzlinker SEQLINK ist ein Verdrahtungsbaustein ohne weitere Funktionalität.

Das Verschalten erfolgt zwischen den Anschlüssen des Bausteins PID_CTR und einem Platz am Baustein SEQLINK. Die Anschlussreihenfolge der PID_CTR muss mit der Sequenzreihenfolge übereinstimmen. Die Veschaltungen mit dem Baustein SEQLINK müssen nicht durchgängig sein: Es dürfen freie Anschlüsse dazwischen liegen.

1 = Rückerwärmer, 2 = Vorerwärmer, 3 = Klappen, 4 = Luftkühler

Diese Verbindungsmethode wird für die Verschaltung der Bausteine PID_CTR auf verschiedenen Plänen verwendet, oder aber wenn einzelne, projektspezifische Sequenzreglerelemente oder Aggregate aus einer Standardlösung (CAS-Bibliothek) gelöscht werden soll.

Die Verständigung der einzelnen Sequenzreglerelemente verläuft über die Anschlüsse [ToLower] → [FmHigher] und [ToHigher] → [FmLower].

Der Baustein erkennt Konfigurationsfehler und zeigt diese am Ausgang Token-Zustand [TknSta] an. Wird z. B. der Wirksinn [Actg] einzelner Sequenzreglerelemente falsch eingestellt, so wird das entsprechende Sequenzreglerelement deaktiviert und eine Fehlermeldung angezeigt.

Ausgabe der Elemente 4 und 6 [TknSta] = HEL_CSEQ Ausgabe der Elemente 3 und 5 [TknSta] = CEL_HSEQ:

Beispiele für automatisch deaktivierte Sequenzelemente:

In den dargestellten Beispielen werden immer mehrere Aggregate deaktiviert. Dies ist eine Vorsichtsmassnahme, da die Sequenzelemente nicht entscheiden können, welche Aggregate falsch parametriert wurden. Aus diesem Grund werden immer so viele Aggregate deaktiviert, bis ein eindeutiger Sequenzübergang vorliegt.

Kaskadenregelung

Der im System Desigo integrierte Baustein CAS_CTR ist ein PI-Führungsregler für eine Raum-Zuluft-Kaskadenregelung. Er liefert 3 Zuluftsollwerte aufgrund der Differenz zwischen Raum-Sollwert und Raum-Istwert.

Folgende Funktionen sind im Baustein integriert:

  • P-, PI-Regelverhalten einstellbar
  • Verstärkung und Nachstellzeit einstellbar
  • Zuluftsollwert unten für die Teilsequenz mit gegenläufigem Wirksinn
  • Zuluftsollwert oben für die Teilsequenz mit gleichläufigem Wirksinn
  • Zuluftsollwert für die Energierückgewinnung
  • Sollwertbegrenzung min/max (Zuluftsollwert)
  • Wirksinn der Energierückgewinnung wählbar
  • Vorgabe des Integrator-Startwertes

Mit einer Kaskadenregelung wird beispielsweise gegenüber einer Regelung ohne Kaskade eine verbesserte Dynamik des Regelvorgangs erreicht.

Ist z. B. in einem belüfteten Raum die Temperatur tiefer als der Sollwert, ist es nötig, die Zulufttemperatur zumindest kurzfristig zu erhöhen, damit der Raumsollwert erreicht werden kann. Dies lässt sich dadurch bewerkstelligen, dass – ausser der Raumtemperatur, die den Benutzer tatsächlich interessiert – auch die Zulufttemperatur gemessen und geregelt wird, wobei der Zuluftsollwert von der Differenz (Raumsollwert minus Raumtemperatur) abhängig ist.

Falls nun die Raumtemperatur tiefer als ihr Sollwert ist, wird der Zuluftsollwert infolge seiner Proportionalität zur Raumregeldifferenz angehoben, und der Zuluftregelkreis sorgt dafür, dass die Zulufttemperatur ansteigt.

Ein Regler, der aufgrund der Differenz Hauptsollwert – Hauptregelgrösse (z. B. Raum-Sollwert – Raumtemperatur) den Sollwert für die Hilfsregelgrösse (z. B. Zulufttemperatur) erzeugt, heisst Führungsregler.

Da der Reglerausgang auch im stationären Beharrungsfall (Istwert = Sollwert) und damit einem vernachlässigbaren Regelfehler in der Regel auf einem situativ unterschiedlichen Betriebspunkt stehen muss, muss der Führungsregler einen Integrator enthalten. Für die bessere Regeldynamik sollte dem Integrator noch ein Proportionalanteil parallel geschaltet werden. Der eingesetzte Führungsregler hat infolgedessen eine PI-Struktur.

Auch im Falle, dass die Hauptregelgrösse (Raumtemperatur) gleich ihrem Sollwert ist, muss im Allgemeinen die Hilfsregelgrösse (Zulufttemperatur) einen Wert ≠ 0 haben, das heisst, ihr Sollwert muss ≠ 0 sein. Dies ist nur dann möglich, wenn der Ausgang des Führungsreglers nicht gleich 0 ist, selbst wenn der P-Anteil = 0 ist. Das heisst, der Führungsregler muss einen I-Anteil aufweisen, der konstant bleibt, wenn die Regeldifferenz = 0. Daher hat der Führungsregler sowohl einen Proportional-, als auch einen Integralanteil. Er ist ein numerischer PI-Regler für die Anwendung als Führungsregler in einer Raum-/Zuluftkaskade.

Um Energie in den Lüftungsanlagen einzusparen, werden häufig für verschiedene Betriebsfälle der Luftbehandlung – Heizen/Kühlen bzw. Befeuchten/Entfeuchten – verschiedene Raumsollwerte gewählt. Der Führungsregler der Kaskade muss daher in der Lage sein, je nach Betriebsfall (Heizen/Kühlen bzw. Befeuchten/Entfeuchten) verschiedene Zuluftsollwerte zu erzeugen.

Die Entscheidungsstrategie dafür, ob die Heiz- oder die Kühlsequenz aktiviert werden soll, ist dem Zuluftregler überlassen und beeinflusst die Berechnung der beiden Zuluftsollwerte nicht. Die Zuluftsollwerte bewegen sich im Verlaufe der Kaskadenregelung immer parallel, und ihr Offset ist durch den Integralanteil gegeben.

Falls die Luftaufbereitungsanlage ein Energierückgewinnungsaggregat enthält, lässt sich dieses Aggregat je nach dem Verhältnis des Aussenluft- und des Abluftzustandes entweder mit indirektem Wirksinn (z.B. Heizen) oder mit direktem Wirksinn (z.B. Kühlen) betreiben.

Um eine externe Berechnung des ERG-Sollwertes zu vermeiden, wird sie ebenfalls durch den Kaskadenführungsregler vorgenommen, und einem eventuell vorhandenen ERG-Aggregat an einem eigenen Ausgangspin zur Verfügung gestellt:

In der Feuchtigkeitsregelung mit unterschiedlichen physikalischen Regelgrössen sollte der Startwert des Integrators vorgegeben werden.

Beispiel:

Wird die Zuluft in absoluter Feuchtigkeit [g/kg] gemessen, die Raumluft jedoch in relativer Feuchtigkeit [%Hu], muss ein Integrator-Startwert vorgegeben werden, ansonsten wird der Mittelwert aus [SpLoR] und [SpHiR] als Startwert verwendet. Sind die Raumsollwerte in relativer Feuchtigkeit angegeben, wird der Integrator-Startwert bei einem zahlenmässig grossen Wert beginnen und in Abhängigkeit von der eingestellten Nachstellzeit [Tn] zurücklaufen. Dies kann zur Folge haben, dass während der Startphase des Reglers die Befeuchtung eingeschaltet wird, bis der Integrator seinen richtigen Wert erreicht hat, auch wenn der Raum entfeuchtet werden muss.

Um dies zu verhindern, wird der aktuelle Messwert der Zuluftfeuchtigkeit auf den Integrator-Startwert verschaltet oder ein fester Parameterwert für den Integrator vorgegeben.

Bestehen hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Regelung (z.B. Verzicht auf energiefreie Regelzone), dann wird der aktuelle Messwert auf den Integrator-Startwert verschaltet oder ein fester Parameterwert für den Integrator vorgegeben.