Régler Umformer

A L S B E S T A N D T E I L M O D E R N E R R E G E L S Y S T E M E

F P I W I N G E R Ø

E I N L E I T U N G

Von einem modernen Regelsystem verlangt man Regeleinrichtungen fur die verschiedensten Regelaufgaben. Im allgemeinen wird sich ein solches System aus einer Anzahl von Fuhlern, Umformern, Reglern und Stellgerâten verschiedener Hilfsenergie zusammensetzen. Meistens besteht dann noch die Moglichkeit, inner- halb der Regeleinrichtung die Hilfsenergie zu wechseln, beispielsweise von einem elektrischen Signal auf ein pneumatisches Signal iiberzugehen oder umgekehrt.

Bild 1 zeigt ein Geratesystem fur Messung, Regelung und zentrale Messwert-

Fuhler Umformer

Régler

MECH. GRÔSSEN ELEKTR. GROSSEN

El.-pn.

Signal - Umformer

Pn.-el.

Signal - Umformer

Elektr.

MeD- Umformer

Pneum.

Universal Régler

Elektr.

Einheits- ffegler

Stellgerate

El.-pn.

Stellgerat

pneumatisch elektr ο - pneumatisch

Elektr. Et.-hydr.

Stellgerat Stellgerat

elektrisch

Bild 1. E i n G e r a t e s y s t e m fu r M e s s u n g , R e g e l u n g u n d z e n t r a l e M e s s w e r t r e g i s t r i e r u n g . Ø J . C . E C K A R D T A G , S t u t t g a r t , B u n d e s r e p u b l i k D e u t s c h l a n d .

registrierung. Diès e Système , dere n wesentliche r Bestandtei l di e sogenannte n Einheitsregler sind , habe n sic h sei t Jahre n bewâhr t un d habe n i n ihre r Entwicklun g einen gewisse n Abschlus s erreicht . E s lasse n sic h dami t einfach e un d vermascht e Regelkreise ohn e weitere s darstellen .

Die Entwicklun g i n de n letzte n Jahre n ha t abe r gezeigt , das s nebe n de r eigent - lichen Regelaufgab e weiter e Problèm e be i de r Prozessregelun g z u lôse n sind , nâmlich da s Zusammenfasse n bzw . da s Berechne n vo n Regelgrosse n ode r Sollwerten , ferner logisch e Entscheidunge n iibe r di e Auswah l vo n Regel - un d Stellsignalen , drittens Grenzsignalgab e be i Uber - ode r Unterschreite n vo n bestimmte n vorge - gebenen Werte n de r Regel- , Soli - ode r Stellgrosse .

Wie bereit s erwahnt , beschrânk t ma n sic h heut e be i de r Ausfiihrun g vo n Regelanlagen nich t meh r au f Fiihler , Umformer , Régle r un d Stellglieder , vielmeh r ist ein e gross e Anzah l vo n zusatzliche n Elemente n erforderlich . Dabe i handel t e s sic h durchaus nich t imme r u m gross e Rechen - un d Datenverarbeitungsanlagen , sonder n oft sin d e s gerad e kleine , billig e Bausteine , di e ein e Regelanlag e vervollkommne n konnen.

Als Beispie l dafii r se i ei n Ausschnit t au s de m Regelschem a eine r Gasspaltanlag e gezeigt (Bil d 2 ) . Hie r sol i Erdga s mi t hohe m Heizwer t i n normale s Stadtga s

Einsatzprodukt \0ampf

«=> 1 Erdgas

Unterfeuerung ] Luit Erdgas

: É -,

Verzogerer

— E h - -

•Hr±

-Ehf 11

\Reaktor

Addierer [t\ Begrenzer

^

ˆ´~| Begrenzer

—— Umkehrer

Stadtgas

S y m b o l e :

R Ø g l e r 0—- U m f o r m e r R e c h e n e l e m e n t -hS Stellgera t

Bild 2. A u s s c h n i t t au s d e m R e g e l s c h e m a eine r G a s s p a l t a n l a g e .

gespalten werden. Ohne nâher in die Details dieses Verfahrens eingehen zu wollen, sei darauf hingewiesen, dass als Einsatzprodukt fur diesen Reaktionsprozess Dampf

und Erdgas und ausserdem eine Heizung mit Erdgas und Luft erforderlich ist.

Zur Automatisierung der Anlage werden in Abhângigkeit des Stadtgasdruckes •—

der ein Mass fur die Belastung der Gesamtanlage ist — das Einsatzprodukt und die Unterfeuerung automatisch gesteuert. Zwischen den Einsatzprodukten Dampf und

Erdgas ist eine normale Verhàltnisregelung eingeschaltet, ebenso fiir das Verhaltnis Luft/Erdgas bei der Unterfeuerung. Die Verhàltnisregelung, die sicher als bekannt vorausgesetzt werden darf, erfordert nâmlich einen Multiplizierer, der es erlaubt, das Verhaltnis zwischen den jeweiligen Komponenten entweder von Hand oder von einer weiteren Fiihrungsgrosse, z.B. bei der Unterfeuerung durch den Sauerstoffge- halt der Abgase, einstellen zu konnen.

Die Unterfeuerung wird zusâtzlich von der Temperatur im Reaktor geregelt. Es wirken demnach auf die Unterfeuerung zwei Fiihrungsgrossen, der Belastungsdruck und die Temperatur im Reaktor. Beide Grossen werden mit einem Addierer (Ει + Ε) -— Κ) zusammengefiihrt. Um zu verhindern, dass das Gasventil bzw. das Luftventil vollstândig geschlossen wird, werden in die Steuerleitungen der Ventile Minimalbegrenzer eingebaut, die ein volliges Schliessen der Ventile verhindern und dadurch ein Verloschen der Flamme vermeiden (es sei hier angemerkt, dass ein Verloschen der Flamme und wiedereinsetzender Gasstrom Explosionen zur Folge haben konnen).

Als weiteres zusàtzliches Element erkennen wir im oberen Teil des Bildes einen Verzogerer, der die Aufgabe hat, bei einer plotzlichen Lasterhohung das Einsatz­

produkt zu verzogern; denn die Unterfeuerung, die normalerweise eine stârkere Verzogerung hat als das Einsatzprodukt, muss friiher hochgefahren werden, da zum Ablauf der Reaktion eine bestimmte Temperatur im Reaktor erforderlich ist.

Andererseits darf aber bei einer plotzlichen Lastabsenkung die Unterfeuerung nicht zu friih weggenommen werden. Aus diesem Grunde verwendet man hier einen sogenannten asymmetrischen Verzogerer, der nur bei steigendem Eingangssignal eine Verzogerung des Signales mit einstellbarer Zeitkonstante bewirkt, ein fallendes Signal aber verzogerungsfrei iibertragt.

Das angefiihrte Beispiel soli zeigen, dass bei einer an sich gar nicht so kompli- zierten Regelaufgabe doch zur Verkniipfung der Signale zusàtzliche Elemente notwendig sind, die normalerweise bei der theoretischen Betrachtung eines Regel- kreises nicht beriicksichtigt werden. Es ist an sich nicht iiblich, diese einfachen Elemente, sofern sie nur als Einzelgerâte auftreten, schon als Rechner zu bezeichnen.

Vielfach werden jedoch heute mehrere dieser Elemente zu sogenannten Einzweck- rechnern verbunden, die meist als Analogrechner arbeiten, daher sei im nâchsten Abschnitt ein Uberblick iiber die Einsatzmoglichkeiten von Rechnern im Zuge von Messketten und Regelkreisen gegeben.

DER U N T E R S C H I E D Z W I S C H E N Z E N T R A L E N R E C H N E R N U N D B E T R I E B S R E C H N E R N

Bevor man sich iiber den Einsatz von Rechnern in Verbindung mit Regelkreisen nâher befasst, muss man die zwei grundsâtzlichen Einsatzmoglichkeiten von Rech­

nern kennen, namlich einmal den sogenannten zentralen Rechner ohne unmittelbare Zusammenschaltung mit Messgeràten und Régler η (in der amerikanischen Literatur wird dieser Rechner als "off-line" Rechner bezeichnet) und den sogenannten Betriebsrechner, der unmittelbar signalmàssig an Mess- und Regelgeràte gekoppelt wird und im Zuge einer Messkette oder eines Regelkreises liegen kann.

Zunâchst sei in Bild 3 der prinzipielle Einsatz eines zentralen Rechners schema-

Rohstoffe Energie

Me/J-

umformer

PROZESS

Bedienungsmann

Zentraler Rechner

Bild 3. A n s c h l u s s eine s z e n t r a l e n R e c h n e r s ( e i n B e d i e n u n g s m a n n u b e r n i m m t d i e M e s s w e r t e v o n M e s s u m f o r m e r n , gib t s i e i n d e n R e c h n e r u n d stell t a u f g r u n d de r Ergebniss e di e S o l l w e r t e de r R Ø g › ler n a c h ) .

tisch dargestellt. Die Daten des Prozesses werden beispielsweise von einem Bedienungsmann an den Messgeràten abgelesen und in den Rechner zur Verarbeitung eingegeben. Aufgrund der Ergebnisse des Rechners verstellt dann der Bedienungsmann die Sollwerte der Régler. Diese Schaltung ist besonders fur Betriebe von Intéresse, die bereits iiber einen Digitalrechner fur konventionelle Zwecke verfugen und diesen zusâtzlich fur Prozessteuerung beniitzen wollen. Andererseits bietet diese Schaltung auch fur kleine und mittlere Betriebe den Vorteil, dass die abgelesenen Messwerte als Daten einem Rechenzentrum iibermittelt werden kônnen und dass sich die von dort erhaltenen Ergebnisse fur die Einstellung der Regler- sollwerte im Prozess verwenden lassen.

Hierdurch entfàllt die Anschaffung eines eigenen Rechners, so dass der Einsatz eines Zentralrechners wirtschaftlich gestaltet werden kann. So ist beispielsweise von einem grôsseren Raffinerie-Unternehmen bekannt, dass es seine Daten iiber Fernschreiber einer zentralen Rechenstelle des eigenen Unternehmens iibermittelt,

von dort die Ergebnisse auf dem gleichen Wege zuriickerhalt und danach von Hand in den Prozess eingreifen lâsst.

EUR diese zentralen Rechner werden hauptsâchlich Digitalrechner eingesetzt. Die Behandlung und der Einsatz von Digitalrechnern soli jedoch bei dem vorliegenden Thema bewusst ausgeklammert werden, vielmehr wollen wir uns auf den Einsatz von Einzweckanalogrechnern beschrânken. Hauptanwendungsgebiet fur diese Art sind die schon erwâhnten Betriebsrechner, die unmittelbar in eine Messkette oder in einen Regelkreis eingeschaltet werden. Diese Schaltung wird in der amerikanischen Literatur auch als "on-line" bezeichnet, also wortlich iibersetzt "in der Linie".

Rechner in dieser Schaltung sind meistens Einzweckrechner, die fur eine bestimmte Aufgabe baukastenmassig nach dem Prinzip "fur jede Funktion einen Baustein"

zusammengesetzt werden. Diese werden auch als Betriebsrechner bezeichnet, da sie unmittelbar und stàndig in Betrieb sind. Allerdings darf diese Feststellung nicht zu der Auffassung fiihren, dass der Einsatz eines eigenen Betriebsrechners wesentlich aufwendiger sein muss als die Verwendung eines zentralen Rechners. Die nach- folgenden Beispiele zeigen, dass sich derartige Betriebsrechner bereits aus wenigen Bauelementen fur eine besondere Aufgabe zusammenstellen und dass sich durchaus preiswerte Rechenschaltungen aufbauen lassen. Im Gegensatz zu einem zentralen Rechner, der in seinen Anwendungsmoglichkeiten sehr vielseitig sein muss und dessen Anschaffung von vornherein aufwendiger wird, lâsst sich ein Betriebsrechner fur die ausschliessliche Verwendung im Rahmen einer besonderen Aufgabe wesent­

lich leichter und dadurch auch billiger zusammenstellen. Der Einsatz von Betriebs- rechnern kann auf verschiedene Weise erfolgen. Wir konnen folgende Fâlle unter- scheiden:

(a) Rechner im Zuge einer Messkette.

(b) Rechner im Zuge eines Regelkreises.

(c) Rechner zur Sollwertfiihrung konventioneller Régler.

Rohstoffe

Energie

PROZESS

MeO- um forme r

Produkte Riickstande

Bild 4. R e c h n e r i m Z u g e eine r M e s s k e t t e ( d e r R e c h n e r b i l d e t au s m e h r e r e n M e s s g r s s e n ein e re - p r s e n t a t i v e M e s s g r s s e ) .

Li i

Rechner

Anzeiger, Schreiber Ζ ah 1er, Drucker

Der Einsatz von Rechnern im Zuge einer Messkette dient vor allem dazu, eine Datenreduzierung vorzunehmen und aus einer Vielzahl von Messwerten eine Kenngrosse fur den ablaufenden Prozess zu berechnen wie beispielsweise eine Materialbilanz aufzustellen, samtliche Durchfliisse zu messen oder den Wirkungs- grad der betreffenden Anlage zu ermitteln. Es handelt sich also dabei um Kenn- grôssen, die nicht unmittelbar mit einem Messgerat gemessen werden konnen. Bild 4 zeigt die schematische Darstellung eines Rechners im Zuge einer Messkette. Uber Messumformer werden die aus dem Prozess gewonnenen Messgrossen als einheitliche Signale dem Rechner zugefiihrt, der nun wiederum ein Ausgangssignal bildet, an das Anzeiger, Schreiber, Zâhler oder Drucker angeschlossen werden konnen. Als Beispiel fur eine derartige Schaltung sei ein Wirkungsgradrechner in einem Dampf- erzeuger angefiihrt, Bild 5. Bekanntlich ergibt sich ja der Wirkungsgrad eines

Dampferzeugers aus dem Verhaltnis zwischen abgegebener und zugefiihrter Energie.

Ein Mass fiir die abgegebene Energie ist dabei die Dampfmenge und die Dampf-

Oampf

Speisewasser

Bild 5. W i r k u n g s g r a d r e c h n e r a n e i n e m D a m p f e r z e u g e r al s B e i s p i e l fu r e i n e n R e c h n e r i m Z u g e eine r M e s s k e t t e .

temperaturerhohung gegeniiber der Temperatur der entsprechend zugefiihrten Speisewassermenge, wobei die zugefiihrte Energie als die Olmenge zur Heizung mit vorgegebenem Heizwert betrachtet werden kann. Es gilt somit fur die Berechnung des Wirkungsgrades folgende Gleichung:

es bedeuten:

η, Wirkungsgrad

Ti, Heissdampftemperatur als Austrittstemperatur des Dampfes Τ2, Speisewassertemperatur als Eintrittstemperatur des Speisewassers Ki, Proportionalitâtsfaktor

Kz, Proportionalitâtsfaktor Q], normierter Dampfdurchfluss N m

3 / h Q2, Durchfluss des zugefiihrten Heizoles Hin Heizwert des Oies

Da sich iiberhitzter Dampf âhnlich wie ein idéales Gas verhâlt, ist der Dampf­

durchfluss vom Druck and der Temperatur des Dampfes abhângig. Fur eine genaue Wirkungsgradberechnung ist somit ein Durchflusskorrekturrechner zu verwenden, der folgende Gleichung lost:

Q t, Dampfdurchfluss

Δ ρ } Differenzdruck an der Messblende in der Dampfsammelleitung Pi, Dampf druck

PQi Bezugswert des Dampfdrucks Ti, Dampftemperatur

T0, Bezugswert der Dampftemperatur.

Da schnellverlaufende Heizwertschwankungen des Heizoles nicht zu erwarten sind wird der Heizwert Hw durch Einstellung eines Potentiometers fest vorgegeben.

Durch Einsatz eines derartigen Wirkungsgradrechners lâss t sic h nich t nu r di e augenblickliche Fahrweis e de s Dampferzeuger s priifen , sonder n e s besteh t auc h di e Moglichkeit, ùbe r eine n lângere n Zeitrau m gesehen , di e fu r ein e Bilanzierun g notwendigen Wert e z u erhalten .

Fur di e Durchfùhrun g derartige r verhâltnismâssi g einfache r Rechenoperatione n werden Einzweck-Analogrechne r au s verschiedene n Bauelemente n zusammengesetzt , so das s de r Aufwan d niedri g gehalte n werde n kann .

Der Einsat z vo n Rechner n i m Zug e vo n Regelkreise n dien t fas t stet s dazu , au s

(Κΐ'Τι — Κ2·Τ2^{) Q}

Q2 · Hw

Mstoffe

Energie

PROZESS

Men- urn former

Li

Rechner

Régler

t

Produkte Ruckstënde

Bild 6. E i n s a t z eine s R e c h n e r s i m Z u g e eine s R e g e l k r e i s e s . ( a u s m e h r e r e n M e s s w e r t e n w i r d ein e R e g e l g r o s s e e r r e c h n e t ) .

mehreren Messgrôssen eine abgeleitete Regelgrosse zu bilden, die sich durch eine einfache Messung nicht herleiten lâsst. In Bild 6 ist das Prinzipschaltbild eines derartigen Einsatzes dargestellt. Anwendungsbeispiel dafiir ist die Regelung des inneren Ruckflusses einer Destillationskolonne. Da jedoch der innere Riickfluss nicht durch ein iibliches Messglied, z.B. eine Messblende, erfasst werden kann, bedient man sich eines Rechners, der aus mehreren messbaren Grossen den inneren Riickfluss berechnet und dem Régler eine abgeleitete Grosse zuleitet. Die Rechen- vorschrift lautet (Bild 7):

x = Q{l +K(T* — Ti) es bedeuten:

x} abgeleitete Regelgrosse, die dem inneren Riickfluss entspricht Qf âusserer Riickfluss

Ti, Eintrittstemperatur des Ruckflusses T2, Austrittstemperatur des Kopfproduktes K. Konstante

Bild 7 zeigt die Losung dieser Aufgabe, wobei die Symbole fur ein elektro-

Bild 7. R e g e l u n g d e s i n n e r e n R u c k f l u s s e s a n eine r D e s t i l l a › t i o n s k o l o n n e al s B e i s p i e l fu r d e n E i n s a t z v o n R e c h n e r n i m Z u g e eine s R e g e l k r e i s e s .

Rohstofte

PP.OZESS

Energie Ι _

umifrmer |/]

I I I ; 8. Einsat z eine s R e c h n e r s

zu r S o l l w e r t f u h r u n g k o n v e n t i o - nelle r R Ø g l e r .

_L_L

J Régler f

y

Rechner

T Z Z Z j L -

Produkte c = î >

Riickstande

pneumatisches Regel - un d Rechensyste m verwende t wurden . E s is t nich t beabsich - tigt, i m Rahme n diese s kurze n Uberblicke s i n weiter e Detail s diese r Schaltun g einzugehen, jedoc h zeig t schon ei n fliichtige r Blick , das s derartig e Rechenoperatio - nen mi t verhâltnismàssi g einfache n un d preiswerte n Gerâte n ausgefùhr t werde n konnen.

Eine weiter e Einsatzmoglichkei t vo n Rechner n biete t di e Sollwertfuhrun g kon - ventioneller Régler . Be i diese r Anwendungsar t kan n ma n zwe i Grundarte n unter - scheiden:

(a) di e Sollwertfuhrun g (b) di e Soliwertoptimierung .

Bild 8 zeig t di e Grundschaltun g fu r de n Fal l (a) . Hie r wir d au s mehrere n Messgrossen ei n Sollwer t errechne t un d diese r Sollwer t eine m ùbliche n Régle r aufgegeben. E s handel t sic h dabe i u m ein e Ar t Folgeregelung . Dies e Schaltun g wir d vornehmlich mi t einfache n Analogrechenbausteine n durchgefiihr t un d unterscheide t sich i m Prinzi p nich t vo n de m Einsat z vo n Rechner n i m Zug e eine r Messkett e ode r eines Regelkreises . De r Unterschie d is t lediglich , das s jetz t de r errechnet e Wer t au f den Sollwer t un d nich t au f de n Istwer t gegebe n wird . Ein e Riickmeldung , das s de r berechnete Sollwer t tatsâchlic h de r giinstigst e fu r de n vorliegende n Prozes s ist , is t nicht vorhanden . I n Bil d 9 is t ei n Beispie l fu r dies e Schaltun g dargestell t un d zwa r handelt e s sic h dabe i u m ein e Rechen - un d Regelaufgab e be i de r Acetylenkonvertie - rung. Hie r wir d de r Sollwer t fu r de n Durchflussregle r au s de m Acetylengehal t un d aus de r Acetylenmeng e sowi e au s de m Wasserstoffgehal t berechne t un d de m Régle r vorgegeben.

Der Fal l (b ) ha t zu m Ziel , eine n Sollwer t z u berechnen , de r tatsâchlic h de n Optimalfall, beispielsweis e fu r Absatz - un d Marktlage , darstellt . Ein e solch e Aufgab e lâsst sic h jetz t nich t meh r mi t einfache n Mittel n losen . Auc h wir d sic h jetz t dabe i der Eingrif f de s Rechner s nich t au f de n Sollwer t eine s Regler s beschrànken , sonder n es miisse n di e Sollwert e zahlreiche r Régler , di e zu r Prozessregelun g eingesetz t sind , laufend verstell t werden .

Wâhrend di e bishe r behandelte n Schaltunge n sic h hâufi g durc h einfach e Analogrechenbausteine ausfiihre n liessen , sin d di e Optimierungsschaltunge n di e

acetylenhaltiges JSthylen

\C2^H2

0

I

wasserstoffreiches Basgemisch

Acetylen- Konvertierung

I » ,

—

L

Xthylen

Bild 9. E i n s a t z eine s R e c h n e r s zu r S o l l w e r t f u h r u n g be i de r A c e t y l e n - K o n v e r t i e r u n g ein B e i s p i e l fu r d e n E i n s a t z eine s R e c h n e r s zu r S o l l w e r t f u h r u n g eine s

k o n v e n t i o n e l l e n R e g l e r s .

Hauptdomàne des Digitalrechners. Hier ist der Digitalrechner besonders angebracht, weil er eine Speichermôglichkeit fur eine grosse Anzahl von Signalen besitzt und die Genauigkeit je nach Aufwand nahezu beliebig hoch gewâhlt werden kann.

Nach amerikanischen Berechnungen rentieren sich solche Digitalrechner zur Sollwertoptimierung jedoch nur fur Anlagen mit einem Investitionswert von ungefàhr 240 Millionen DM. Deshalb wird es in Zukunft so sein, dass die Klein- rechner, liber deren Anwendung in diesem Abschnitt mehrere Beispiele angefuhrt wurden, eine weite Verbreitung finden werden, wàhrend sich die Grossrechenanlagen zur Optimierung auf sehr grosse Anlagen oder fur Anlagen, die nicht einer Rentabilitâtsrechnung unterliegen, wie z.B. militàrische Objekte, beschrânken werden.

E I N I G E G E R À T E T E C H N I S C H E A U S F U H R U N G E N

Nach dem Uberblick liber die Aufgabenstellungen und Anwendungsmoglichkeiten fur Rechenelemente in Regelkreisen sollen nun einige Ausflihrungsbeispiele der Geràtetechnik gebracht werden. Dabei ist es selbstverstândlich nicht moglich, allé Ausflihrungsformen, die z.Zt. auf dem internationalen Markt angeboten werden, zu behandeln. Vielmehr sei hier versucht, zumindest fur jede Kategorie ein reprâsenta- tives Gérât vorzustellen.

Wir hatten in den vorher gezeigten Beispielen gesehen, dass eine Vielzahl von algebraischen Funktionen wie Multiplizieren, Dividieren, Quadrieten, Addieren und Subtrahieren auftreten. Ein Gérât, das diese Aufgaben ausflihren kann, ist in Bild 10

A E,

E

\

E

. l

G ru ndgle'i chu η g A —

E

i ·

E

: i Ε, = const. Multïplizïeren A

E

i

E

3 — const. Dividieren

A ₌

E

r

E

l E

,

=

E

l

— const.

Quadrieren

A

E

A = A Radizieren

Bild 10. E l e k t r i s c h e r K o m p e n s a - t i o n s - M u l t i p l i z i e r e r n a c h d e m D r c h m o m e n t : n v e r g l e i c h s - P r i n z i p .

gezeigt. E s handel t sic h u m eine n sogenannte n Kompensations-Multiplizierer , de r da s Prinzip beniitzt , das s be i eine m Drehspulmesswcr k da s resultierend e Drehmomen t proportional de m Produk t de r Strom e durc h Messwicklun g un d Erregerwicklun g ist . Die Drehmomentenkompensatio n erfolg t ùbe r ei n star r gekoppelte s zweite s Dreh - spulmesswerk, da s vo n de m Ausgangsstro m durchflosse n wird . U m di e Wirkungs - weise besse r verstehe n z u konnen , se i i n Bil d 1 1 de r Verstârke r etwa s ausfùhrliche r dargestellt.

Bild 11. K o m p e n s a t i o n s - M u l t i p l i › ziere r m i t A b t a s t v e r s t r k e r .

An der die Drehspulmesswerke verbindenden Welle ist eine Fahne angebracht, die zwischen die Kopplungsspulen eines Transistor-Oszillators mehr oder weniger eintaucht und dadurch die Amplitude der hochfrequenten Oszillatorspannung beeinflusst. Diese wird iiber eine zweite Spule ausgekoppelt, gleichgerichtet und verstârkt. Der Ausgangsstrom des Verstârkers wird iiber das Messwerk der zweiten Drehspule riickgekoppelt und so das Drehmoment des ersten Drehspulmesswerkes kompensiert. Die Bewegungen, die dabei auftreten, sind deshalb âusserst gering.

Neben diesen sogenannten Kompensations-Multiplizierern, die sich vor allem durch Preiswiirdigkeit auszeichnen, sind die von den Analogrechnern her bekannten Parabelmultiplizierer iiblich. Der Vorteil des hier gezeigten Kompensations-Multi- plizierers ist einmal seine universelle Verwendbarkeit fur die verschiedensten Rechenoperationen und ausserdem, dass sich sofort eingepràgte Gleichstrome, wie sie in Prozessregelsystemen iiblich sind, am Eingang und Ausgang verwenden lassen.

Das gezeigte System ist beispielsweise fur 0 . . . 10 bzw. 0 . . . 20 mA eingeprâgten Gleichstrom ausgelegt. Der Vorteil liegt auf der Hand, denn es lassen sich jetzt mehrere derartige Geràte bei komplizierten Funktionen hintereinander schalten, ohne dass ein Abgleich erforderlich ware. Der Kompensations-Multiplizierer lâsst sich auch gleichzeitig zur Addition und Subtraktion von Stromen benutzen, wenn man das erste Drehspulmesswerk mit zwei Wicklungen versieht, wobei man dann je nach Polung addieren oder subtrahieren kann. Ein reiner Addierer entsteht dann, wenn beide Drehspulmesswerke permanent, also konstant erregt werden. (Bild 12 a) Das Kompensationssystem ist nach wie vor erforderlich, um wieder auf den einge­

prâgten Gleichstrom am Ausgang zu kommen, der nach wie vor im selben Bereich sein soli. Es sollen beispielsweise zwei Strome 0 . . . 10 mA addiert werden, d.h. es soli am Ausgang ebenfalls wieder der Messbereichsendwert 0 . . . 10 m A erscheinen u. zwar als eingeprâgten Gleichstrom.

Zu diesem universellen Rechengerât, das hier nach seiner Grundoperation als Kompensations-Multiplizierer bezeichnet wurde, stehen noch zahlreiche Eingangs- schaltungen zur Verfiigung, die es auch gestatten, Messgrossen, die nicht als eingeprâgter Gleichstrom vorliegen, in dem Rechenmesswerk zu verarbeiten. Es sei auch darauf hingewiesen, dass Grossen, die in Form von Widerstandsânderungen vorliegen, z.B. Temperaturen, gemessen mit Widerstandsthermometern oder psysi- kalische Grossen, iibertragen durch Widerstandsferngeber, eine Vereinfachung der Rechenschaltung erlauben, da ja bekanntlich ein Potentiometer ebenfalls schon als Multiplizierer eingesetzt werden kann. Dazu als Beispiel Bild 12 b.

Das pneumatische Gegenstiick zu dem elektrischen Kompensationsmultiplizierer ist das sogenannte Sortebergrelais, das ebenfalls nach dem Prinzip der Drehmomen- ten-Kompensation arbeitet (Bild 13). Anstelle der elektrischen Eingangsgrôssen werden hier pneumatische Eingangsgrôssen verwendet, die iiber Bâlge in Krâfte umgeformt werden. Die Kompensation erfolgt iiber die Verstellung des Drehpunktes mittels eines fiinften Balges und iiber Balg A. Die beiden gezeigten Hebel sind jeder fur sich drehbar und steuern je eine Diise aus. Im Gleichgewichtszustand gilt dann die in der obersten Zeile (Bild 13) gezeigte Grundgleichung. Je nachdem wie

Ver starker A — Κ · Ε

Addierer

oder A Subtrahierer

Element F un kt ion Prinzipbild

Bild 12 a. B e i k o n s t a n t e r Erre - g u n g k a n n de r K o m p e n s a t i o n s - M u l t i p l i z i e r e r a u c h al s A d d i e r e r ode r Subtrahiere r v e r w e n d e t w e r › d e n .

V ereiniachter el. Multiplizierer A = Ε, · E>, > K

Ef ^Strom

E.y Wider stand jerngeber

Element

E1 ^Strom

E0 Wider stands- thermometer

Eingànge Prinzipbild

-S—·

-Ê—·

A

Bild 12 b. V e r e i n f a c h t e r M u l t i › pliziere r m i t v e r n d e r l i c h e m W i - d e r s t r a n d al s E2^.

A E,

Grundgleichung A E:] = const. Multiplizieren A Ei

E3 — const. Dividieren

A = Et^{* Ei = E}2 Quadrieren

— const.

A ^E3 ^{= A} Radizieren

Bild 13. P n e u m a t i s c h e r K o m p e n s a t i o n s - M u l t i p l i z i e r e r ( S o r t e b e r g R e l a i s ) .

die Bâlge beaufschlagt bzw. durch Federn ersetzt werden, kann man multiplizieren, dividieren, quadrieren und radizieren.

Die pneumatische Addition, Subtraktion oder Umkehrung kann durch eine Baureihe von sogenannten pneumatischen Rechenrelais verwirklicht werden, Bild 14. Das Grundprinzip dieser Elemente ist der Kraftvergleich mittels Membranen.

Das Grundelement, das bei alien anderen Elementen verwendet wird, ist der Leistungsverstârker mit einer Druckiibersetzung 1:1. Dieses Gérât hat im wesent- lichen die Aufgabe, das Luftlieferungsvermogen zu erhohen. Wenn man zu diesem Grundverstârker einen weiteren Aufsatz beifiigt, erhâlt man einen Addierer oder einen Subtrahierer. Auch eine Mittelwertbildung

Ver starker

Addierer

Subtrahierer

Mittelwertbilder

U mkehrer

Bild 14. B a u r e i h e p n e u m a t i s c h e r E l e m e n t e fu r a l g e b r a i s c h e F u n k - Element Funktion Prinzipbild t i o n e n .

Ei

+

A =

1

2

kann mit diesen Elementen vorgenommen werden; der Mittelwert wird dadurch erreicht, das der doppelte Ausgangsdruck aufgebracht werden muss, um die beiden

Eingangsdrùcke z u kompensieren . Ma n erhâl t dadurc h 2 A = Ei + E% ode r umge - formt da s gewiinscht e arithmetisch e Mitte l A = (Et -f - E2)/2. Auc h eine n Umkehre r kann ma n au s diese n Elemente n leich t herstellen ; e r ha t di e Aufgabe , ein e steigend e statische Kennlini e i n ein e fallend e statisch e Kennlini e umzukehren , wobe i da s Luftlieferungsvermogen durc h de n eingebaute n Verstârker , de r i m untere n Tei l angeordnet ist , erhôh t wird .

In Bil d 1 5 sin d Rechengliede r fu r Zeitfunktione n gezeigt ; ma n verwende t hie r âhnliche Baustein e wi e fu r di e Element e mi t algebraische n Funktionen . Fu r de n i m Bild 1 5 gezeigte n asymmetrische n Verzogere r wurd e bereit s eingang s ei n Anwen - dungsbeispiel fu r ein e Gasspaltanlag e gebracht . De r Differenziere r form t eine n

— t Eingangssprung i n ein e Nadelspitz e entsprechen d de r Gleichun g A = Κ · Ε ' eT

symmetr.

Verzogerer

a symmetr.

Verzogerer

Differenzierer

Bild 15. B a u r e i h e p n e u m a t i s c h e r

E l e m e n t e fu r Z e i t f u n k t i o n e n . Element Vunktionsbild Prinzipbild

um. Die Zeitkonstante T ist einstellbar. Dieses Rechenelement wird hauptsâchlic h zur sogenannte n Tendenzaufschaltun g ode r voriibergehende n Storgrossenaufschal - tung i m Regelkrei s benutzt .

In Bil d 1 6 sin d Begrenze r un d Auswâhle r gezeigt. Auc h fu r Begrenze r wurd e bereits i n Bil d 2 ei n typische s Anwendungsbeispie l angefiihrt , hie r is t nu n di e gerâtetechnische Ausfiihrung . De r Auswâhle r fu r Minimal - ode r Maximaldruc k ha t die Aufgabe , vo n zwe i vorhandene n Drùcke n jeweil s de n grossere n bzw . de n

Bild 16. B a u r e i h e p n e u m a t i s c h e r E l e m e n t e als B e g r e n z e r u n d A u s ­ w â h l e r .

Begrenzer

max. Auswâhler [ (Komparator) 2

bzw.

,,ΟΌΕΚ' -Glied

A

mm. Auswâhler [ (Komparator) 2

bzw.

,,ODER"-GUed

A

Element Funktionsbild

p i p i t -

Prinzipbild

kleineren auszuwàhlen. Diese Auswâhler werden in der Analogrechentechnik auch als Komporatoren bezeichnet. Die Auswâhler stellen schon den Ubergang zu den Logikelementen dar, denn ein Auswâhler ist, wenn man auf die Amplituden keinen Wert mehr legt, ein logisches ODER"-Glied.

Bild 17. P n e u m a t i s c h e s E l e m e n t fur die l o g i s c h e V e r k n u p f u n g "2 a u s 3 " .

ε. ε. ε3 ^A

0 0 Ù 0

0 0 L 0

0 L 0 0

0 L L L

L 0 0 0

L 0 L L

L L 0 L

L L L L

Bild 17 zeigt, dass man in àhnlicher Technik logische Verkniipfungen aufbauen kann z.B. bekannte logische Verkniipfungen "2 aus 3"; d.h. also, dass von drei Eingangssignalen mindestens zvei vorhanden sein miissen, ehe ein Ausgangssignal erscheint. Dieses Beispiel erlaubt an dieser Stelle einen schonen Vergleich zwischen der sogenannten pneumatischen Relaistechnik und der pneumatischen Binàrtechnik.

Es gehort an sich nicht zu dem Thema dieses Beitrages, die Logikschaltungen zu behandeln, trotzdem sei zum Vergleich im Bild 18 ein pneumatisches Binârelement,

T ¹ ^

Symbol

Bild 18. P n e u m a t i s c h e s B i n r e l e › m e n t m i t " N I C H T ’ - F u n k t i o n n a c h T p f e r .

ein sogenanntes "NICHT'-Glied nach Topfer, gezeigt [8]. Wie aus dem Aufbau ersichtlich ist, handelt es sich dabei um ein àusserst einfaches und sicher auch preiswertes Gérât. Auch mit einem solchen "NICHT''-Glied kann man die "2 aus

F, ε, ^A

0 0 0 ΰ 0 0 L 0 0 L 0 ⁰

0 L L L L 0 ΰ 0 I ΰ L L L L L

L 0 L L

I

Bild 19. A u f b a u de r l o g i s c h e n S c h a l t u n g

"2 au s 3 " m i t B i n r e l e m e n t e n .

3"-Schaltung zusammenstellen. Wie aus dem Bild 19 zu ersehen, sind dazu insgesamt neun derartiger "NICHT'-Glieder erforderlich. Allerdings ist eben ein Binârelement, wie schon erwâhnt, relativ preisgiinstig.

Eine weitere Gruppe von Elementen, die zur Ergânzung von Regelsystemen notwendig sind, sind die sogenannten Grenzsignalrelais. Grenzsignalrelais lassen

sich nicht zu den logischen Elementen eingliedern sondern bilden eine Gruppe fur sich. Wie der Name schon sagt, wird bei einem einstellbaren Grenzwert ein Signal gegeben bzw. ein Umschalter betàtigt. Die Wirkungsweise ist bereits von den Kontaktmanometern oder elektrischen Grenzsignaleinrichtungen her bekannt. Hier sei daher ein pneumatisches Gérât ohne Anzeige gezeigt (Bild 20), das fur die

Grenzsignal- Dreiivegrelais

Bild 20. P n e u m a t i s c h e s

G r e n z s i g n a l - D r e i w e g e r e l a i s . Element Funktionsbild Prinzipbild

verschiedensten Aufgaben, insbesondere fur Uberwachungsaufgaben, aber auch zur Zweipunktregelung, eingesetzt werden kann. Da sehr hâufig die Grenzsignale elek- trisch angezeigt werden sollen, beispielsweise durch Lampen, ist es auch moglich, das Grenzsignalrelais mit einem elektrischen Ausgang zu versehen.

Das in Bild 20 gezeigte pneumatische Grenzsignal-Dreiwegrelais findet ausser den bereits genannten Anwendungen eine sehr intéressante Anwendung in der sogenannten Strukturumschaltung eines pneumatischen Einheitsreglers. Diese Aufgabe tritt beim automatischen Anfahren auf, wobei wâhrend des Anfahrens der Régler ein P-oder PD-Verhalten haben soil und nach Beendigung des Anfahr- prozesses wâhrend des eigentlichen Prozessverlaufes ein PI- oder PID-Verhalten.

Die Umschaltung kann automatisch mit einem derartigen Relais geschehen. Es est hier nicht moglich, im Rahmen dieses kurzen Beitrages auf diesen Umstand nâher einzugehen, es ist dariiber auch bereits ausfuhrlich geschrieben worden [5].

Z U S A M M E N F A S S U N G

Die vorliegende Betrachtung soil zeigen, dass es heute nicht mehr geniigt, ein Regelsystem nur aus konventionellen Gerâten zusammenzusetzen, sondern dass eine Vielzahl von Zusatzelementen erforderlich sind, die auch Rechenaufgaben erfiillen konnen. Durch geschickte Kombination von Rechenelementen entstehen die soge­

nannten Einzweckanalogrechner, die im Zuge einer Messkette und eines Regelkreises

eingesetzt werden konnen. Durch ihre besondere Preiswiirdigkeit und durch die Flexibilitât ihrer Anordnung haben sich diese Gerâte sehr schnell eingefuhrt, da sie zum Teil recht erhebliche Verbesserungen eines Prozesses bringen bzw. unter Umstanden verschiedene verfahrenstechnische Apparaturen einsparen helfen. So konnte z.B. in einem grossen deutschen Chemiewerk eine Trennkolonne eingespart werden, als ein derartiger Kleinrechner eingesetzt wurde.

In der gerâtetechnischen Betrachtung musste vonvornherein eine sehr strenge Auswahl getroffen werden, da das Angebot auf dem internationalen Markt sehr vielseitig ist. Es wurde zunàchst ein elektrischer Kleinrechner vorgestellt, der nach dem Prinzip eines Kompensations-Multiplizierers arbeitet, aber je nach der Schaltung auch als Addierer, Radizierer, Quadrierer und Dividierer eingesetzt werden kann.

Durch Hintereinanderschaltung derartiger Rechenelemente ist es môglich, auch komplizierte Rechenfunktionen analog zu losen. Im weiteren wurde ein pneuma­

tisches System vorgestellt. So darf abschliessend gesagt werden, dass es nicht immer nur die grossen Digitalrechner sind, die im Blickpunkt des Interesses stehen, sondern gerade die kleinen Einzweckrechner und Einzweckelemente, die durch flexiblen Zusammenschluss eine Vielzahl von Rechenmoglichkeiten ergeben und so die modernen Regelsysteme ergânzen.

Um eine Vorstellung von den bisher nur schematisch gezeigten Rechenelementen zu bekommen, seien in Bild 21 als Beispiel eine Reihe pneumatischer Rechenrelais gezeigt, die zur Zeit etwa 40 verschiedene Relais umfasst und sich aus insgesamt 25 Grundbausteinen aufbaut. Es handelt sich dabei um eine Schichtbauweise, bei der die einzelnen Bausteine mit durchweg quadratischem Querschnitt aufeinandergelegt und mit Spannbolzen zusammengehalten werden. Zwischen den Schichten befinden sich Membranen und, durch diese gesteuert, Steuerventile mit Federn. Bei den

Bild 21. B a u r e i h e p n e u m a t i s c h e r R e c h e n r e l a i s .

Membranen handel t e s sic h nicht , wi e sons t iiblich , ur n flach e Blech - ode r Gummi - membranen, sonder n u m einfach e ode r doppelt e Rollmembrane n au s gummierte m Gewebe mi t besondere r Gewebestruktur . Rollmembrane n habe n be i kleine n Hiibe n keinen Umsteuerfehle r un d sin d praktisc h hysteresefrei .

Sàmtliche Relai s arbeite n nac h de r Kraftvergleichsmethode . Di e Signaldriick e wirken au f Membranen , durc h welch e di e Driick e i n Krâft e entsprechende r Gross e umgesetzt werden . Diès e Krâft e werde n gege n di e Krâft e andere r Membrane n oder , falls e s sic h u m fest e Vergleichswert e handelt , gege n di e Krâft e vo n einstellbare n Federn wi e be i eine r Federwaag e ausgewogen .

Die resultierend e Kraf t betâtig t da s ebenfall s i n de r Achsenfluch t eingebaut e Steuerventil, da s de n Ausgangsdruc k mi t Hilf e de s Zuluftdruck s aussteuert . De r Ausgangsdruck wir d libe r di e Membran e au f da s Kraftvergleichssyste m zuriickge - fiihrt, wodurc h Schwankunge n i m Zuluftdruc k un d sonstig e Nichtlinearitâte n weitge - hend ausgegliche n werden . E s ergebe n sic h hierdurc h Fehlergrenzen , di e kleine r sind al s ± 1 % vo m Bereichsendwert .

L I T T E R A T U R

1. A u g e r , R N , H o w t o u s e t u r b u l e n c e a m p l i f i e r s for c o n t r o l l o g i c . Control Engineering ( 1 9 6 4 ) : Jun i 8, 8 9 .

2. B e r e n d s , Κ , E f i e n m o v a , ˚ , T a g a l u s k a j a , A A u n d T a l , A A , M o d u l a r c o n s t r u c t i o n i n p n e u m a t i c a u t o m a t i o n ( U b e r s e t z u n g au s d e m r u s s i s c h e n ) . Instrument Construction

( 1 9 6 3 ) : 1 1 , 3 8 .

3. H a r m s , G , E i n p n e u m a t i s c h e r K l e i n r e c h n e r u n d sein e A n w e n d u n g . Regelungstech- nische Praxis 2 ( I 9 6 0 ) 1 3 2 1 3 4 .

4. J e s c h k e , N , E i n i g e A n w e n d u n g e n p n e u m a t i s c h e r R e l a i s t e c h n i k . Regelungstechnik 10 ( 1 9 6 2 ) 4 1 0 4 1 2 .

5. K o w a l s k i , H u n d P i w i n g e r , F, U b e r d a s A n f a h r e n v e r f a h r e n s t e c h n i s c h e r R e g e l k r e i s e . Automatisierung ( 1 9 6 2 ) 1 1 1 8 .

6. R y a n , F M , Specia l p u r p o s e a n a l o g c o n t r o l c o m p u t e r s . Control Engineering ( 1 9 6 3 ) 1 0 3 1 1 .

7. Schink , H , S t u d i e ube r di e h e u t e g e g e b e n e n p r a k t i s c h e n E i n s a t z m g l i c h k e i t e n v o n P r o z e s s r e c h n e r n , i n s b e s o n d e r e i m H i n b l i c k au f K l e i n r e c h n e r . Regelungstechnik 12 ( 1 9 6 4 ) 2 0 2 2 0 9 . ( Z a h l r e i c h e w e i t e r e L i t e r a t u r s t e l l e n sin d d o r t a n g e g e b e n ) .

8. T p f e r , H , P n e u m a t i s c h e E l e m e n t e FUR di e S t e u e r u n g s t e c h n i k . Z. Me s sen, Steuern, Regeln ( 1 9 6 2 ) 2 7 9 2 8 2 .

9. Zeitler , H , P n e u m a t i s c h e F o l g e s t e u e r u n g e n . Die elektrische Ausrustung 6 ( 1 9 6 2 ) :5 , 1 4 3 1 5 3 . ( Z a h l r e i c h e w e i t e r e L i t e r a t u r s t e l l e n sin d d o r t a n g e g e b e n ) .