Regelung Heizung 9 kW Heißmangel

Dieses Thema im Forum "Steuerungs- und Regelungstechnik, SPS" wurde erstellt von bennisg, 31 Dez. 2017.

  1. Hallo TechnikerInnen,
    folgende regelungtechnische Aufgabe möchte ich umsetzen:
    Ich betreibe und benutze eine Heißmangel, auf der Tischdecken und ähnliches gebügelt werden. Die Mangel ist gute alte Technik aus den 60er-Jahren, äußerst robust aufgebaut und läuft sehr zuverlässig. Beheizt ist die Mangel elektrisch mit drei Heizkörpern ca. 3kW, 230V, im Stern verschaltet, soweit ganz easy.
    Geregelt wird die Temperatur über einen einfachen Thermostat. Der originale Thermostat (mechanisch) war ausgefallen, ich habe ihn durch einen elektronischen -aber immer noch zweipunkt- ersetzt. Das Ergebnis der Regelung ist denkbar ungenau und schwankt stark um den Sollwert. Sollwert ist übrigens rund 130°C.

    Es kommt nicht so sehr darauf an, dass der Sollwert exakt erreicht wird. Es geht vielmehr darum, dass ich STARKE SCHWANKUNGEN VERMEIDEN möchte. Konkret: Sind im Leerlauf 130°C eingestellt, die Regelstrecke hat schon ordentlich übersteuert (ist bei locker 138°C, Thermostat ist schon lange aus) und ich lege nun eine feuchte (=kalte) Tischdecke ein, dann reißt das die Temperatur rasant runter. Ich sehe, wie es von 138°C steil Richtung 132°C geht und weiß: Jetzt müsste man schon heizen! Aber der Thermostat setzt halt erst bei 129°C ein. Danach rauscht die Temperatur weiter runter.
    Alles in allem: Bekannte Problematik von Zweipunktreglern.

    Mein Lösungsansatz:
    Ich behaupte, ich brauche einen Regler mit ausgeprägtem D-Verhalten, denn der würde den Abfall der Temperatur frühzeitig "bemerken".

    Nun möchte ich einen PID-Regler kaufen und einbauen. Die Geschichte soll preisgünstig sein (gerne unter 100€). Wenn ich mich so auf Ebay umschaue, dann habe ich das Gefühl, das geht auch.

    Auf Anhieb finde ich so etwas hier:
    https://www.ebay.de/itm/ITC-100VH-P...502644?hash=item4b0beb13f4:g:lUQAAOSwx2dYJBqB

    Oder auch ganz billig aus China mit Wartezeit:
    http://www.ebay.de/itm/REX-100-PID-...738870?hash=item3d403ce9b6:g:ubYAAOSwbw1aK7Ru

    Mir ist klar, dass ich eine 3-Phasige Variante benötige, meiner Meinung nach könnte man hier drei SSR parallel schalten. An der Stelle: Die drei Heizungen in Sequenzen zu schalten, wäre natürlich auch denkbar, allerdings nicht ganz so elegant, weil diese natürlich auch räumlich über die Bügelfläche verteilt sind und die Bügelfläche gleichmäßig heiß sein soll (und nicht nur rechnerisch im Durchschnitt).

    Meine Fragen:
    1) Sehe ich das richtig, dass ich für das oben beschriebene Verhalten einen Regler mit ausgeprägter D-Charakteristik benötige, also mindestens einen PD-Regler kaufen muss?
    2) Sind die Verlinkten Teile prinzipiell brauchbar und hat jemand Erfahrung mit dem "billigen Zeug"? Mir ist klar, dass das nicht Siemens ist....
    2a) Was sonst käme für diesen Fall an Hardware in Frage und wo kann man die beziehen?
    3) Diese verlinkten Regler, was geben die am Ausgang aus? Schalten die meine Heizung rhythmisch in kurzen Abständen an und aus, so im Sekunden-Rhythmus? Gibt es auch Varianten, die Meine Heizung "dimmen"?
    4) Mir hat ein Regelungstechniker gesagt, mein Problem würde sich auch mit einem PI-Regler lösen lassen, mit einem D-Anteil würde "man" da in der Praxis eigentlich nichts machen. Das klingt mir aber nicht so schlüssig.

    Weils mit Bildern schöner ist, hier noch was zum Gucken. Hier die Steuerung, links der "neue" Zweipunktregler. Inder Mitte das Dicke Ding ist ein Countdowntimer, weil die Mangel nach Benutzung etwa eine Stunde abkühlen, also nachlaufen muss.

    [​IMG]

    Hier nochmal das ganze Teil. Ist ca. 1,60m breit:
    [​IMG]

    [​IMG]

    Noch mal eben zu mir: Ich habe Maschinenbau studiert und bin mit der Regelungstechnik vertraut. Allerdings nur auf dem Papier und da wars auch nur ne drei mit Ach und Krach....

    So, vielen dank schonmal für Eure Antworten und Hilfe! Guten Rutsch!
     

    Anhänge:

  2. Hallo Bennisg,

    wie du den Fall mit der Tischdecke beschrieben hast, verlangt dies nach einer Schnellen "Antwort" deines Regelsystems.
    Dazu verwendet man den Proportionalregler (P-Regler) dieser reagiert fast Blitzschnell aber er ist nicht ganz genau.
    Um die Restabweichung vom P-Wert zum Sollwert zu erreichen wird das Integral gebildet und die verbleibende Regeldifferenz vermindert sich mit der Zeit auf ein Minimum. Das erledigt der Integralregler. (I-Regler) Wenn dein System "Vorgreifen" soll, so benötigst du den Differentialregler (D-Regler) Dieser "blickt" in die Vergangenheit. Er erkennt Ereignisse (Das einlegen einer Tischdecke z.B.) und stellt so die Werte Nach, um bei der nächsten Tischdecke schon mit einem Temperaturabfall zu rechnen. Das System beginnt also schon mit dem Heizen bevor die Tischdecke die Walze kühlt.

    Ich hoffe dir damit schonmal in Puncto Theorie helfen zu können.

    Zu den Produkten sei gemerkt: Wo sind die jetztigen Fühler verbaut? Kannst du diese ausbauen? Der Typ muss mit der neuen Regelung kompatibel sein. Übel wird die Sache wenn die Fühler im Heizelement sitzen.

    Sonnige Grüße,
    TechnikonFire
     
  3. Hi bennisg,

    Ich versuche mal die Gedanken gemäß "Techniker Ausbildung" konform zu ordnen :)

    Regelstrecke: Deine Heizelemente sind Stellglied einer P-T2 Strecke (Also mit Ausgleich).

    Stellglied: Die Heizelemente sind zunächst unstetig, also nur Ein- und Auszuschalten. Sofern jedoch der Sternpunkt mit dem Neutralleiter verbunden ist, könntest du eine Abstufung - und damit eine genauere Regelung mit weniger Über/unterschwingen durch getrennte Ansteuerung schaffen (0%,33%,66%,100% Leistung). Diese Möglichkeit besteht nur bei stetigen PID Reglern.

    Reglertyp
    Zweipunkt:
    mit einem unsteten Zweipunktregler ist ein Über - bzw. Unterschwingen grundsätzlich nicht zu vermeiden. Dafür ist die Regelung jedoch schnell. Sozusagen unverzüglich…
    Dein Regler hat auch eine Hysterese, also oberen und unteren Einschaltpunkt. Die Differenz der Beiden, also die Schalthysterese, könntest du verkleinern (bis hin zu einem Schaltpunkt am Sollwert) und somit auch die Höhe des Überschwingens minimieren. Das erhöht jedoch die Schalthäufigkeit und belastet die Schütze /SSR.
    Liegt die Schalthäufigkeit jedoch im Rahmen der Herstellerangaben des Schützes für die Gebrauchskategorie, so ist das die einfachste Lösung deines Problems.
    Demnach ausprobieren, Schalthäufigkeit bestimmen und Herstellerunterlagen konsultieren.
    Es bleibt jedoch immer eine bleibende Regelabweichung im Mittel bestehen, sofern nicht zufällig 260°C der Maximalwert ist, gegen die deine Heizung strebt (Lastreserve Ü_L=100% mit W=130°C). Dagegen kannst du mit ZPR gar nichts machen.

    stetige Regelung:
    Die Regelprodukte, auch Kompaktregler, haben alle PID Verhalten. Durch Einstellen der Parameter kannst du jedoch daraus gern einen P, PI oder PD Regler machen. Was du für einen Regler nimmst hängt erstmal nur von deinen Sensoren (Temp. Fühler) ab, denn dessen Messwert muss der Regeler verarbeiten können. Es gibt z.b. aktive Sensoren mit 0-10V, 4-20mA oder passive PT-100, Ni-1000 usw…
    Um die Anbindung an das/die Stellglieder kümmern wir uns später und geht immer irgendwie…

    Grundsätzlich ist das bestimmen der Regelparameter für P,I und D mit dem Verfahren nach CHR möglich, setzt jedoch das Ausmessen der Sprungantwort der Strecke voraus. Das könntest du tun (Aufnehmen der Kurve für den Temperaturverlauf bei eingeschaltenen Stellgleid/Heizung bis zum Verharrungswert) oder auch lassen und einfach ausprobieren, bis die Parameter soweit ausreichend gut sind. In der Praxis reicht das zumeist aus. Einen Fokus auf den D-Anteil kannst du so erst einmal nicht ableiten, CHR gäbe dir die korrekten Werte in P,I und D Anteil ohne Ratespiel und Interpretation.

    Anbinden des Stellgliedes an PID:

    A) Am günstigsten ist hier die Pulsweitenmodulation (PWM), welche deinen analogen Wert für das Stellglied (z.b. 0-1023) in eine gleichprozentige Sequenz aus Ein- und Ausschaltzeit übersetzt. Das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschalten ergibt im Mittel ein Stellsignal, welches die gewünschte Wirkung entfaltet. Die Gesamtdauer eines Zyklus lässt sich einstellen (z.b. 60s), um das Stellgleid, also die Schütze von der Schalthäufigkeit nicht zu überfordern. Kleinere Werte für den Zyklus ergeben eine bessere Regelung, aber achte auf die Schalthäufigkeit des Schützes nach Hersteller.
    Diese Funktion muss der Regler bereits integriert haben (PWM) und stellt dir einen Digitalausgang (besser Relaisausgang) zur Verfügung, den du mit dem Schütz verbindest.

    B) Völlig übertrieben, aber grundsätzlich dollste Variante wäre das Schütz durch einen Thyristorsteller zu ersetzen, der mit dem analogen Stellsignal (z.b. 0-10V) des Reglers tatsächlich die Leistung der Heizelemente stufenlos nachstellt. Teuer!!!!

    C) Durch Auftrennen der drei Heizelemente (Neutralleiter nötig) und beschaltung dieser mit 3 getrennten Schützen/SSR lässt sich der Analoge Ausgang (0-10V) eines PID Reglers gut durch 3 Schwellwertschalter (1TE auf Hutschiene) in Schaltstufen übersetzen. Es gibt natürlich auch Kompaktregler, die das schon können, aber diese sind i.d.R. zu spezialisiert, z.b. auf eine Kesselfolgeschaltung von Heizungen.
    Hier ist dann auch ausprobieren nötig, ob nicht auch 2 Heizelemente immer die Grundlast stellen können und nicht abgeschalten werden müssen usw.. Auf was dein Stellsignal also genau wirken soll (alle 3 Heizelemente, nur 2 oder gar 1 per Schwellwertschalter) und wie du den Schwellwert einstellt, kannst du dann in Ruhe ausprobieren und die Regelgüte zur Perfektion treiben.
     
  4. Hallo,
    erstmal vielen Dank für eure Antworten!
    Vorweg: Schon bevor die erste Antwort von technikonfire kam, hatte ich mir (weil ich so ungeduldig bin) schon einen PID Regler gekauft. Auf einige eurer Anregungen will ich aber dennoch später mal eingehen.

    Zunächst folgenden Regler habe ich mir gekauft:
    https://www.ebay.de/itm/ITC-100VH-P...e=STRK:MEBIDX:IT&_trksid=p2057872.m2749.l2649

    In meinem Fall steuert der Regler nicht nur ein sonder parallel drei SSR an. Durch schnelles Takten wird die Heizleistung den Erfordernissen angepasst. Soweit funktioniert das ganz gut.

    Der Regler hat einen Selbstlernmechanismuss. Lässt man dieses kleine "Programm" ablaufen, so regelt der Regler fünf mal um den Sollwert herum und ermittelt sich selber dadurch, was er an Einstellungen braucht und stellt ein.

    Diese Parameter sind mir aber noch etwas schleierhaft. Normalerweise sollte es ja beim PID-Regler einne P-Anteil, einen I-Anteil und einen D-Anteil geben. Es gibt auch drei Parameter, diese haben aber seltsame Namen.

    Im Regler gibt es folgende Parameter, welche einzustellen sind:
    M50 - Integral Time
    P - differential
    t - Hysteresis Time

    Wen es interessiert, siehe hier, Bedienungsanleitung in der Tabelle auf S.4:
    https://www.google.de/url?sa=t&rct=...;attach=2164&usg=AOvVaw34rgjUx6Ri0MdjW-wrJoQ8

    Warum ist P der Differentialanteil? M50 und t hab ich im Leben noch nicht gehört. Komisch. Einen P-Anteil finde ich gar nicht.

    Nun ja, ich habe den Regler einfach im Selbstlernprogramm laufen lassen. Das Ergebnis der Regelung ist ganz schön. In jedem Fall ist es besser als das, was zuvor mein Zweipunktregler erzeugt hat.
    Dennnoch würde ich gerne wissen, was die Parameter bedeuten, auch damit ich -wissentlich- daran rumdrehen kann.

    Zur Frage, wo der Fühler angebaut ist: Etwas ungünstig sitzt der. Eben nicht genau auf der Bügelfläche (deren Temperatur geregelt werden soll) sondern an einem kleinen Metallwinkel auf der Rückseite der Bügelfläche. Der Fühler ist also näher an der Heizung als an der Bügelfläche, was denkbar ungünstig ist.

    Zu Jaja83s Vorschlag:
    Ja, man kann die Drei Heizkörper einzeln betreiben, der Sternpunkt lässt sich auftrennen (auch damit man das alte Schätzchen an einem 230V-Drehstromnetz in Dreieckschaltung, was es ja pratktisch nicht mehr gibt, betreiben kann) . Allerdings: Die drei Heizkörper verteilen sich natürlich räumlich über die gesamte Bügelfläche. Diese ist ca. 60 cm lang. Wenn ich jetzt nur ein Ende beheize, dann gibt es über die Länge der Bügelfläche sicherlich ein ordentliches Temperaturgefälle. Ich hatte auch schon Ideen wie, die Heizkörper in Reihe zu verschalten, aber sinnvoll oder praktikabel erscheint mir das alles nicht so wirklich.

    Jetzt würde ich gerne versuche, ob sich mein jetzt verbauter PID-Regler von Inkbird noch etwas verfeinern lässt in Sachen Einstellungen.
    Meine Bitte oder Frage an euch: Kann mir jemand erklären, was das für komische Einstellparameter sind???
    Wenn ich nicht weiterkomme, möchte ich andere Lösungen testen, ich bin aber zuversichtlich, dass hier nur noch Feinheiten einzustellen sind.
    Königsklasse wäre ansonsten der stetige Regler mit Thyristorsteller.:thumbsup:
     

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