Regelungstechnik - Praxis für verfahrenstechnische Prozesse

Verfahrenstechniker:innen, Chemieingenieur:innen, Chemiker:innen, Maschinenbauer:innen, Projektleitende der Prozessindustrie, Projektingenieur:innen, MSR-Techniker:innen und MSR-Spezialist:innen

Die Kursteilnehmenden werden nach dem Seminar in der Lage sein, Regelungsziele für typische verfahrenstechnische Prozesse zu definieren. Sie können anhand von gezielten Versuchen (Messungen im stationären Zustand, Auswertung von Sprungantworten) Modelltypen und Kennwerte ermitteln und die geeigneten Reglertypen (P, I, PI, PID) sowie Reglerparameter bestimmen. Sie verstehen, wie durch Modifizieren des klassischen PI(D)-Reglers Stellgrößen begrenzen, den Sollwert verfolgen und Störungen unterdrücken kann. Des Weiteren werden Sie in der Lage sein, einschleifige Regelkreise zu erweitern, um Störungen effektiver zu unterdrücken, Regelgrößen abhängig voneinander, z. B. im Verhältnis, zu regeln sowie das Stellsignal über mehrere Stellgeräte (split-range) zu steuern. Sie lernen Regelungen anhand Annäherungsmodelle der Prozesse mit einer freiverfügbaren Software zu simulieren.

Nach den Grundbegriffen der Regelungstechnik (Blockschaltbild, Führungs- und Störverhalten) werden die einschleifigen Regelungen erweitert (Störgrößenaufschaltung, Kaskadenregelung, Verhältnisregelung, Begrenzungsregelung, usw.), um z. B. Störungen effektiver zu kompensieren. Die Teilnehmenden erfahren, wie Strukturen in Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbildern darstellbar sind. Typische verfahrenstechnische Prozesse, wie z.B. Wärmeübertrager, chemischer Reaktor werden mit deren (Näherungs-)Modellen vorgestellt. Diese Prozesse werden mit Kennwerten (Proportionalbeiwert, Zeitkonstante und Totzeit) charakterisiert. In Kenntnis dieser Werte werden PID-Regler entworfen und deren Parameter mit Faustformeln optimal eingestellt. Auch Einstellverfahren ohne Kenntnis des Prozessmodells werden vorgestellt. Die klassische PID-Regelung wird erweitert, um den unterschiedlichen Anforderungen an Führungs- und Störverhalten gerecht zu werden. Regelungsentwürfe und Regelungssimulationen für weitere, in der Praxis vorkommende Fälle, wie Dämpfung der Durchflussschwankungen mithilfe von Pufferbehältern und Prozesse mit großen Totzeiten runden das Themenspektrum ab. Simulationen, Methodenvergleiche, Fallbeispiele und Realisierungen in einem Prozessleitsystem illustrieren die vorgestellten Verfahren.
Die verschiedenen Methoden (Modellbildung und Regelung) werden teils an demselben verfahrenstechnischen Prozess (Heißluftgenerator) angewendet und verglichen. Dieses Gerät lag im Prozessleittechnik-Labor an der TH Köln, und wir werden die experimentelle Modellbildung anhand reeller Messwerte durchführen. Wir werden verschiedene Regelungsalgorithmen zusammen mit den Teilnehmern auslegen und simulieren. Für den Vergleich liegen die Ergebnisse der Echtzeitregelungen mit dem Heißluftgenerator aus dem Labor vor.

Themen:

• Grundbegriffe, Blockschaltbild, Führungs- und Störverhalten einer Regelung
• R&I-(Rohrleitungs- und Instrumentierungs-)Fließbild
• Typische Prozesse
  • Theoretische Modellbildung von einigen verfahrenstechnischen Prozessen
  • Experimentelle Modellbildung anhand Sprungantworten
  • Experimentelle Modellbildung aus Dauerschwingungen (Zweipunktregelung)
  • Experimentelle Modellbildung aus Überschwingungen (mit P-Regler)
• Stetige PI(D)-Regelung für proportionale, aperiodische Prozesse mit Ausgleich
  • Wirkung der Reglerparameter auf das Regelungsverhalten
  • Stellsignalbegrenzung
  • Erweiterungen des PI(D)-Reglers für Berücksichtigung von Sollwertverfolgung, Störungsunterdrückung und Robustheit
  • Praktische Einstellregeln für den Reglerentwurf
  • Einstellverfahren aus Dauerschwingungen (Zweipunktregelung)
  • Einstellverfahren aus Überschwingungen (mit P-Regler)
  • Modellfreie, schrittweise Verbesserung der PI-Regelung
• Wahl des passenden Regeltyps (P, PI, PID) für verschiedene Prozesse
• Stetige PI(D)-Regelung für integrierende Prozesse ohne Ausgleich
• Durchflussberuhigungs-Regelung mit Pufferbehältern
• Robuste Regelung von Totzeitprozessen mit Smith-Prädiktor
• Fehlersuche und Fehlerbehebung (Troubleshooting) in Regelkreisen
  • Beurteilung der Regelungsgüte, Erkennen von Schwingungen, Filtern von Messgeräuschen, Realisierung mit Prozessleitsystem

Vortrag, Rechen- und Simulationsübung, Diskussion, Seminarunterlagen.

Die Schritte der experimentellen Modellbildung und des Regelungsentwurfs werden auch mit Ablaufcharts dargestellt. Die Unterschiede der verschiedenen Methoden werden auch anhand Anwendungsbeispiele erklärt.

Prozessanregungen und Regelungen werden mit dem frei erhältlichen Programmpaket Scilab/Xcos simuliert (https://www.scilab.org/download/scilab-2025.0.0). Die Teilnehmenden erhalten Programmcodes und können das Programm schon während des Seminars anwenden, sofern das Programm im Voraus installiert wurde.

Regelungen werden nach klaren Rezepten und Faust-Regeln geplant und simuliert. Im Gegensatz zu den Hochschulbüchern kann man diese Methoden auch ohne höhere Mathematik (d.h. ohne Laplace-Transformation, Frequenzmethoden, Bode-Diagramm, Nyquist-Kriterium) verstehen.

Prof. Dr.-Ing. Robert Haber

Regelungs- und Prozessleittechnik, Prozessdatenanalyse
Institut für Anlagen- und Verfahrenstechnik, Technische Hochschule Köln

Mitglied der Arbeitsgruppe „Prozessführung und gehobene Regelungsverfahren“ des VDI/VDE-GMA-Fachausschusses 2.19 „Engineering und Betrieb von Automatisierungssystemen“. 

Autor des Kapitels „Steuern und Regeln von chemischen Reaktoren" in „Handbuch Chemische Reaktoren" (Springer, 2021) und Koautor des Buches "Predictive Control in Process Engineering: From the Basics to the Applications" (Wiley, 2011).

 inkl. digitale Kursunterlagen und Teilnahmezertifikat

Rabatte für Studierende/Doktoranden: auf Anfrage
(abhängig von Verfügbarkeit, Studierendenausweis als Nachweis erforderlich)

Vielbucher-Rabatte: auf Anfrage
(bei gleichzeitiger Anmeldung von mehr als fünf Teilnehmenden aus demselben Unternehmen)