Energie ist ein immer teurer werdendes Gut. Wie für

jedermann bemerkbar sind die Stromkosten in den letzten Jah-ren überdurchschnittlich ange-stiegen. Neben dem privaten Be-reich macht sich dies besonders bei Betreibern von Anlagen in der kunststoffverarbeitenden In-dustrie bemerkbar. Zur Bearbei-tung des Kunststoffs werden dort vielfach elektrische Heizungen eingesetzt. Die installierte Heiz-leistung wird seitens der Verfah-renstechnik zumeist großzügig ausgelegt, um sowohl kürzest mögliche Aufheizzeiten zu errei-chen und im Produktionsbetrieb bei bestimmten Arbeitspunkten reagieren zu können. Dies hat aber zur Konsequenz, dass bei gleichzeitigem Einschalten aller Heizungen die mit dem Energie-lieferanten festgelegte Spitzen-last überschritten wird und mit teuren Spitzenlastzuschlägen zu Buche schlagen.

Exakt hierfür entwickelte PSG Plastic Service GmbH Smart

Power Limitation, ein innovatives Konzept zur Ansteuerung von Heizungen. Das Verfahren stellt sicher, dass zu jedem Zeitpunkt die Summe der eingeschalteten Leistung aller Heizungen eine festgelegte Leistungsbegren-zung nicht überschreitet. Somit stellt der Algorithmus für den An-wender eine äußerst intelligente Möglichkeit für den kontrollierten Verbrauch von geschalteten Leistungen dar und ist für jeden interessant, der seine Kosten bei Nutzung elektrischer Heizungen unter Kontrolle haben möchte. Zudem bietet Smart Power Limitation Kosteneinsparungs-potenziale bei der Installation, wie beispielsweiser Einsatz nächstkleinerer Komponenten im Schaltschrank oder gerin-gerer Kabelquerschnitte für die Einspeisung.

Innovative Stellsignalgenerierung mit Leistungsbegrenzung in Multi-zonen-Temperaturregelsystemen

ySPL1yr1 P1

Smart PowerLimitation

SPL

P2 Pn

ySPL2yr2

ySPLnyrn

PLimit

SMART POWER LIMITATION

�

Die Temperaturregelung von elektrischen Hei-zelementen wird heute durch volladaptive, elektronische Temperaturregler übernommen. Entsprechend dem Anwendungsfall werden entweder Ein- oder Mehrkanalgeräte einge-setzt Einsatz. Ein Standard-Temperaturre-gelkreis lässt sich sehr leicht anschaulich mit den in der Praxis am häufigsten verwendeten Komponenten erläutern.

Die Eingabe der Führungsgröße w (Soll-wert) erfolgt beispielsweise über eine Be-dieneinheit (z.B. Folientastatur) oder über eine Datenschnittstelle.

Das Messglied FM (Temperaturfühler) nimmt von der Regelstrecke die Regelgröße x (Temperatur) als Eingangsgröße auf und verarbeitet sie zur Rückführgröße r weiter. Aus der Differenz der Führungsgröße w und der Rückführgröße r entsteht die Regeldif-ferenz e.

Die Regeldifferenz e wird im Regelglied zur Hilfsstellgröße yr verarbeitet. Die Größe ist ein auf den Wertebereich von -100 bis 100 skalierter Wert. Zur Ansteuerung des Stell-

●

●

●

glieds muss dieser in ein dem Stellglied zu-führ baren Signal umgesetzt werden. Dies geschieht durch ein Stellsignalerzeugungs-glied wie beispielsweise einen Pulsweiten-modulator oder ein Phasenanschnittglied.

Das Stellglied verarbeitet die Hilfsstellgrö-ße yR zur Stellgröße y und beeinflusst damit die Regelstrecke. Typischerweise werden bei Pulsweitenmodulation Solid State Re-lais als Stellglieder zur Ansteuerung von Heizungen eingesetzt.

●

Durch Veränderung der Stellgröße y ändert sich die Regelgröße x. Die Rückführung der Regelgröße über das Messglied schließt den Regelkreis.

An jeder Stelle des Regelkreises können Störungen z‘ eingreifen. In unserem Bild verändert die Störgröße z ausschließlich die Regelgröße x. Es kann aber durchaus sein, dass weitere Störeinflüsse den Regelkreis beeinflussen. Der Übersicht wegen wird weiterhin auf die Darstellung von Störungen verzichtet.

●

●

Regelglied

RegelmodulStellglied

Messglied

RegelstreckeStellsignal-modulator

FST

FM

FS

Störungs-übertragungs-

glied

FZ

FR

w

r

e yyRyr x

zz'

Auch in Mehrkanalreglern arbeiten die Stell-signalerzeugungsglieder SSE wie bei Einka-nalreglern für jede Zone völlig autark.

Durch die Unabhängigkeit aller Regelkreise können zeitgleich alle Stellglieder FST einge-schaltet sein obwohl dies aufgrund der Stell-grade nicht unbedingt notwendig wäre. Exakt dies war der Ansatzpunkt für die Entwicklung von Smart Power Limitation.

Methoden zur Erzeugung von Stellsig-nalenZentraler Punkt bei der Entwicklung von Smart Power Limitation ist das Stellsig-nalerzeugungsglied. Der Wertebereich des Eingangssignals ist numerisch und liegt bei Temperaturregelkreisen, in den ausschließlich Heizungen zum Einsatz kommen, zwischen 0% und 100%. 0% bedeutet, dass die Heizung der Regelzone nicht eingeschaltet ist, 100% bedeutet, dass die Heizung der Regelzone dau-erhaft eingeschaltet ist.

Es gibt verschiedene Arten der Stellsignaler-zeugung. Eine davon ist der Phasenanschnitt-betrieb. Dabei wird der Stromfluss meist durch einen Triac gesteuert. Nach dem Nulldurch-gang der Wechselspannung (und des Stromes) leitet der Triac den Strom so lange nicht, bis er einen Zündimpuls erhält; ab diesem Zeit-

FR1 FST1 FS1

FR2 FST2 FS2

FRn FSTnSSEnRn

SSE2R2

SSE1R1

FSn

FMn

FM2

FM1

w1 x1

x2

xn

y1

y2

yn

w2

wn

e1

e2

en

yr1

yr2

yrn

yr1

yr2

yrn

punkt („dieser Phase“) wird der Verbraucher bis zum nächsten Nulldurchgang mit Energie versorgt. Je später der Triac gezündet wird, desto geringer ist die (über eine Periode der Wechselspannung gemittelte) Leistung. Auch aus Gründen der Netzrückwirkungen wird die Phasenanschnittbetrieb nur anwendungsbezo-gen eingesetzt.

Deutlich kostengünstiger und einfacher zu handhaben sind die Stellglieder mit Zwei-punkts-Schaltcharakteristik (aus/ein). Dazu zählen kompakte und leistungsstarke Solid State Relais. Sie sind zumeist Nulldurchgang-schaltend. Entsprechend der Ansteuerung ist der mit dem SSR geschaltete Verbraucher (z.B. Heizung) entweder gar nicht oder kom-plett eingeschaltet. Die minimale Pulsbreite des Stellsignals wird durch die Netzfrequenz festgelegt. Kleinste Schaltdauer sei eine Voll-welle. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz be-trägt die geringste Einschaltdauer also 20 ms.

Die Generierung des Stellgrößenmusters er-folgt mittels Pulsweitenmodulation. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten der Umset-zung.

Im einfachsten Fall wird das Stellglied bei einem festen Zeitraster TA einmal ein- und aus-geschaltet. Um eine 1%ige Stellgradauflösung umzusetzen beträgt die Zykluszeit bei einer Netzfrequenz von 50 Hz 2 Sekunden (TA 100 x 20ms). In Spalte A der Abbildung 3 ist darge-stellt, wie dies bei drei unterschiedlichen Stell-graden aussieht. Der Stellwert wird über das Puls-/Pausenverhältnis ausgegeben, die resul-tierende demodulierte technische Größe ent-spricht der Fläche unter der modulierten Stell-größe. Dieses Verhalten liefert bei „schnellen“ Regelzonen, wie beispielsweise Heißkanaldü-sen oder Heißluft-Applikationen mit kurzen Anstiegszeiten, nicht die gewünschte Regel-güte.

Abb. 1 :: Regelkreis

Abb. � :: Mehrkanalregelkreis

�

Eine Alternative dazu ist in Spalte B von Ab-bildung 3 angedeutet. Bei kontaktlos schal-tenden Solid State Relais kann das Stellsignal vom Stellsignalerzeugungsglied mit Pulsen der Breite einer Vollwelle der Netzspannung ausgegeben werden. Die Ansteuerung des Stellglieds erfolgt verteilt über den gesamten Zyklus TA. Natürlich entspricht auch hier die demodulierte Größe der Fläche unter der mo-dulierten Stellgröße.

t

t

t

yR = 10%

yR = 50%

yR = 80%

t

t

t

TA,n TA,n+1

TA,n TA,n+1

TA,n TA,n+1

TA,n TA,n+1

TA,n TA,n+1

TA,n TA,n+1

A B

Ziele setzenEines der Hauptziele bei der Entwick-lung von Smart Power Limitation von PSG Plastic Service GmbH war die Austauschbarkeit zu konventionellen Stellimpulserzeugungsgliedern ohne zusätzlichen Mehraufwand. Ergän-zend zur Temperatur als Messgröße muss lediglich bei jeder Regelzone die Leistung des angeschlossenen Verbrauchers bekannt sein. Diese wird entweder per Hand vorgege-ben oder kann indirekt durch die vorhandene Heizstromüberwachung ermittelt werden. Unter der Annahme einer konstanten Netzspannung wird aus dem gemessenen Heizstrom die Leistung berechnet.

Damit wurden die Ziele für die Ent-wicklung von Smart Power Limitati-on formuliert.

Leistungsbegrenzung

Smart Power Limitation soll Stellimpulse der-art erzeugen, dass die Summe der geschalteten Leistungen aller angeschlossenen Verbraucher zu jedem Zeitpunkt kleiner als vorwählbarer Maximalwert ist. Damit

sollen Spitzenlastabnahmen und die damit entstehenden Kosten vermieden werden.

sollen Kostenreduzierung durch Materi-aleinsparungen (nächstkleinere Komponen-ten, geringere Leitungsquerschnitte) mög-lich werden.

Kompakter Algorithmus

Der Codeumfang soll so gering wie möglich sein, damit Smart Power Limitation auch in Systemen mit kleineren CPUs, wie beispiels-weise direkt in I/O-Modulen mit schaltenden Ausgängen, eingesetzt werden kann.

●

●

Geringe Rechenzeit

Die Generierung der Stellimpulse durch das Smart Power Limitation-Stellglied muss ohne Verzögerung, also in Echtzeit, passieren.

Skalierbarkeit

Smart Power Limitation soll in Geräten mit beliebiger Kanalzahl funktionieren.

Rückkopplung in Regelagorithmus

Für den Einsatz in Temperaturregelkreisen soll ein der Einfluss von Smart Power Limitation auf den Regelkreis in das Regelglied rückge-koppelt werden und ein Algorithmus zur An-passung der Regelparameter sich an die stän-dig ändernden Situationen entwickelt werden.

Ausloten des Grenzbetriebs

Zuletzt musste ermittelt werden, welche Re-geln für die Einsatzgrenzen von Smart Power Limitation existieren.

Randbedingungen festlegenVor der Entwicklung selbst wurden umfang-reiche Voruntersuchungen durchgeführt. Ein-fach verständliche Bedingungen beschreiben die Funktionsweise von Smart Power Limita-tion.

Bedingung 1

Damit Smart Power Limitation wirken kann, sollte die Summe der Leistungen aller Ver-braucher größer als ein einstellbarer Leis-tungsgrenzwert PLimit sein.

Ist dies nicht der Fall so ist keine Begrenzung vorhanden. Alle Verbraucher können gleich-zeitig eingeschaltet sein ohne das Limit zu überschreiten.

Bedingung 2

Die Leistungsbegrenzung sollte größer als die Leistung des größten Verbrauchers sein.

Damit ist gewährleistet, dass jeder Verbrau-cher eingeschaltet wird.

Bedingung 3

Eine wichtige Bedingung lässt sich aus der ge-wichteten Momentanleistung Pakt ableiten.

Mit ihr kann zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden, ob die Stellgradvorgabe durch das Smart Power Limitation begrenzt wird oder nicht. Als gewichtete Momentanleistung Pakt versteht man die Summe der mit den Stellgra-den gewichteten Leistungswerten.

Hieraus lässt sich ableiten, ob die resultie-renden Stellgrößen ySPL von den vorgegebenen Stellgrößen yr abweichen. Die Bedingung lau-tet

Ist die Bedingung erfüllt, so gilt für alle Ka-näle.

●

ySLP = yr

Die Stellimpulse werden „ohne Verlust“ ausgegeben. Aufgrund der Leistungsbe-grenzung können jedoch Impulse zeitlich verschoben werden.

Ist die Bedingung nicht erfüllt, so werden von Smart Power Limitation Stellimpulse sowohl verschoben als auch gezielt wegge-lassen. Der resultierende Stellgrad ySPL ist mindestens bei einem Kanal geringer als der vom Regelglied vorgegebene Stellgrad yr:

ySLP < yr

Die Stellgröße ySPL wird nachfolgend auch als effektiver Stellgrad bezeichnet.

●

Abb. � :: Varianten zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Stellsignals

SMART POWER LIMITATION

�

Lösung erarbeitenWie eingangs angedeutet wurden alle Vorga-ben bei der Entwicklung von Smart Power Limitation umgesetzt. Mit Smart Power Limi-tation wurde ein sehr kompakter und schnel-ler, rekursiv arbeitender Algorithmus zur Er-zeugung von Stellsignalen entwickelt, bei dem eine Leistungsbegrenzung für die geschalteten Ausgänge definiert werden kann. Das paten-tierte Verfahren kann ohne größeren Aufwand in bestehenden Multizonen-Regelsysteme oder I/O-Module integriert werden.

Durch die Skalierbarkeit sind der Kanalzahl keine Grenzen gesetzt, sie wird lediglich von der Leistungsfähigkeit des eingesetzten Mi-krocontrollersystems begrenzt.

yR1

yR2

yRn

yr1 Stellsignal-erzeuger

1

Stellsignal-erzeuger

2

Stellsignal-erzeuger

n

yr2

yrn

ySPL1yr1 P1

Smart PowerLimitation

SPL

P2 Pn

ySPL2yr2

ySPLnyrn

PLimit

Beispiele der Funktionsweise von Smart Power LimitationDie Funktionsweise von Smart Power Limitation lässt sich am anschaulichsten anhand von Beispielen demonstrieren. Der Übersicht wegen wird in allen drei nachfolgenden Beispielen von 3 Kanälen mit einer Leistungsaufnahme von je 10 kW ausgegangen. Die Eingangsgrößen yr seien über den dargestellten Zeitraum konstant.

In jedem Beispiel werden 2 Kurven dargestellt. Kurve B zeigt die von Smart Power Limitation generierten Stellimpulse, Kurve C kennzeichnet die geschaltete Gesamtleitung. Aufschluss darüber, ob die resultierende Stellgrade ySPL durch Smart Power Limitation reduziert werden, gibt die Information unter dem Punkt D.

Beispiel 1 – Ohne Leistungsbegrenzung

Beispiel 1 zeigt die die konventionelle Stellimpulsausgabe. Die Leistungsbe-grenzung PLimit ist immer größer als die Summe der Einzelleistungen, unab-hängig von den Stellgraden unterliegt die eingeschaltete Gesamtleistung zu jedem Zeitpunkt einer ohne Begren-zung. Smart Power Limitation ist nicht aktiv, der resultierende Stellgrad ist im-mer identisch zur Stellgradvorgabe.

Beispiel 2 – Mit Leistungsbegrenzung ohne Stell-gradreduzierung

Die Ausgangssituation in Beispiel 2 ist iden-tisch zu der in Beispiel 1. Nur dass nun hier eine Leistungsbegrenzung von PLimit = 20 kW festgelegt wurde. Der Wert der Leistungsbe-grenzung ist geringer als die Summe der Leis-tungen der drei Verbraucher, es können immer nur 2 Kanäle eingeschaltet sein. Deshalb kön-nen die Stellimpulse nicht mehr unkontrolliert platziert werden. Smart Power Limitation wird aktiv und platziert die Stellimpulse so, dass die vorgegebene Leistungsbegrenzung nie über-schritten wird.

Unter Berücksichtigung der gewichteten Mo-mentanleistung aus Bedingung 3 kann geprüft werden, ob die resultierende Stellgröße iden-tisch der Stellgrößenvorgabe ist. Bei Annahme der Stellgrößen für die drei Kanäle von y1 = 10%, y2 = 100% und y3 = 50% liegt die ge-wichtete Momentanleistung Pakt unterhalb der Leistungsbegrenzung 20 kW:

Pakt = (10% + 100% + 50%) x 10kW = 16kW

Abb. � :: Stellsignalerzeugung ohne SPL Abb. 5 :: Übertragungsglied Smart Power Limitation

Abb. 6 :: Signalausgabe ohne Leis-tungsbegrenzung

Kanal 1

Kanal 2

Kanal 3

aus

aus

aus

ein

ein

ein

10

20

30P[kW]

yres[%]

yr[%]

ySPL

A

B

C

D

t

t

yres1=10% = yr1 yres2=100% = yr2 yres3=50% = yr3

yr1=10% yr2=100% yr3=50%

Plimit

5

Smart Power Limitation ist aktiv und rangiert die Stellimpulse so, dass die Leistungsbegren-zung nicht überschritten wird. Die resultie-renden Stellgrößen aller Kanäle sind identisch zur Stellgrößenvorgabe.

Ein typischer Betriebszustand in der Praxis sind Temperaturregelzonen im ausgeregelten Zustand. Um die Temperaturen auf den Soll-werten zu halten ist zumeist nur ein geringer Stellgrad erforderlich. Damit bleibt i.a. die gewichtete Momentanleistung Pakt immer un-terhalb der Leistungsbegrenzung PLimit. In die-sem Zustand rangiert Smart Power Limitation lediglich Stellimpulse um.

Beispiel 3 – Mit Leistungsbegrenzung und Stell-gradreduzierung

Wie in Beispiel 2 beträgt in Beispiel 3 die Leis-tungsbegrenzung PLimit = 20 KW. Bei konstant angenommenen Stellgrößen von y1 = 80%, y2 = 70% und y3 = 60% liegt die gewichtete Ge-samtleistung

Pakt = (80% + 70% + 10%) x 10kW = 21kW

jedoch oberhalb der festgelegten Leistungsbe-grenzung.

Deshalb ist auch in diesem Betriebszustand Smart Power Limitation aktiv. Neben dem Rangieren der Stellimpulse werden jedoch jetzt Impulse weggelassen, um das Leistungs-maximum zu keinem Zeitpunkt zu überschrei-ten. Die resultierenden Stellgrößen sind klei-ner als die Stellgrößenvorgabe.

Ein für diese Situation typischer Betriebszu-stand in der Praxis ist die Ausheizphase oder ein Arbeitspunktwechsel beispielsweise bei Sollwerterhöhungen. Diese Betriebszustände haben hohe Stellgrade zur Folge, wodurch die gewichtete Momentanleistung Pakt die Leis-tungsbegrenzung PLimit überschreitet. In die-sem Betriebsfall rangiert Smart Power Limi-tation Stellimpulse um und reduziert die Zahl der auszugebenden Impulse. Dadurch ist der effektive Stellgrad geringer als die Stellgrad-vorgabe.

Abb. 7 :: Signalausgabe mit Leistungsbe-grenzung

Abb. 8 :: Signalausgabe mit Leistungsbe-grenzung und Stellgradreduzierung

Kanal 1

Kanal 2

Kanal 3

aus

aus

aus

ein

ein

ein

10

20

30P[kW]

yres[%]

yr[%]

ySPL

A

B

C

D

t

t

yres1=10% = yr1 yres2=100% = yr2 yres3=50% = yr3

yr1=10% yr2=100% yr3=50%

Plimit

Kanal 1

Kanal 2

Kanal 3

aus

aus

aus

ein

ein

ein

10

20

30P[kW]

yres[%]

yr[%]

ySPL

A

B

C

D

t

t

yres1=60% < yr1 yres2=60% < yr2 yres3=60% = yr3

yr1=80% yr2=70% yr3=60%

Plimit

SMART POWER LIMITATION

6

Integration von Smart Power Limitation in den Temperatur-RegelkreisBei der Entwicklung des Smart Power Limitation Gliedes wurden stets konstante Bedingungen angenommen. Dies ist natürlich in einem Regelkreis nicht der Fall. Hier wird die Eingangsgrö-

ße des Stellsignalerzeugungsgliedes permanent an die Bedingungen im Regelkreis angepasst. Daher muss-te der Einfluss von Smart Power Limitation auf die Regelgüte, d.h. die Rückwirkung des effektiven Stellgrades auf das Regelverhalten, überprüft werden. Hieraus konnten Adaptionsalgorithmen zur Anpas-sung der Regelparameter abgeleitet werden.

Es wurden Regelversuche mit verschiedensten Regelstecken durchgeführt. Die Vorgehens-weise und die Ergebnisse soll exemplarisch für 4 Regelzonen eines Extruders aufgezeigt werden.

Die Heizungen aller Regelzonen sind 3-phasig und haben einen Nennstrom von ca. 13,5 A. Somit beträgt der Strom pro Phase ca. 4,5 A. Die Ansteuerung der Regelzonen erfolgt über nulldurchgangschaltende Solid-State-Relais. Anstatt der Leistung werden stellvertretend die Heizströme erfasst.

Berechnung der Regelparameter beim Aufheizen

Zuerst wurde das Verhalten der Regelzonen beim Aufheizen untersucht. Beim Aufheizen werden die Regelzonen von Raumtemperatur auf definierte Temperatursollwerte aufgeheizt. Während des Aufheizens wird die Charakte-ristik der Regelstrecke analysiert und dabei die Regelparameter in einer Identifikationsphase berechnet. Zu Beginn des Aufheizens sind die Regelkreise ist der Regelkreis offen, die Re-gelzonen werden mit definierten Stellsignalen angeregt. Zu Ende der Identifikationsphase wird der Regelkreis geschlossen und auf den Sollwert geregelt.

Die Versuche wurden mit Smart Power Li-mitation mit verschiedenen Leistungsbegren-zungen durchgeführt. Gerade bei der Berech-nung der Regelparameter in der Aufheizphase sollten sich die reduzierten effektiven Stell-grade bemerkbar machen.

Die Ergebnisse der Versuche überraschten. Denn die Aufheizdauer verhält sich nicht di-rekt antiproportional zur Leistungsbegren-zung. Eine Leistungsbegrenzung auf 50% der Summe der Leistungswerte aller ange-schlossenen Heizungen hatte bei weitem keine Verdopplung der Aufheizdauer zur Folge, bei

-100

0

100

0

20

40

60

80

100

120

140

Sollwert

OhneLeistungsbegrenzung

LeistungsbegrenzungPLimit = 50%

LeistungsbegrenzungPLimit = 25%

Stellgrad ohneLeistungsbegrenzung

Stellgrad mit Leistungs-begrenzung P

Limit = 50%

Stellgrad mit Leistungs-begrenzung P

Limit = 25%

Stellgrad[%]

Temperatur[°C]

t

einer Leistungsbegrenzung auf 25% benötigte die Zone nicht annähernd die vierfache Zeit. Alle Zonen zeigen einen identischen Verlauf. In der Trendgrafik wird stellvertretend nur eine Zone dargestellt. Beim Stellgradverlauf handelt es sich um den vom Regler berech-

neten Stellgrad yr.Beim Aufheizen ohne eine Leistungsbegrenzung beträgt die Aufheizdau-er ca. 20 Minuten, bei einer Leistungsbegren-zung auf 50% ungefähr 30 Minuten und bei einer Leistungsbegrenzung auf 25% ungefähr 60 Minuten.

Für die automatische Berechnung der Regelpa-rameter wurden ausführliche Untersuchungen durchgeführt. Sie ergaben u.a., dass der maxi-male Temperaturanstieg vmax und der effektive Stellgrad Pakt in definiertem Verhältnis zuein-ander stehen. Mit dieser Erkenntnis konnten Gleichungen für die automatische Berechnung der Regelparameter definiert werden. Somit ist das vollautomatische Autotuning der Re-gelparameter (Identifikation) mit Smart Power Limitation gewährleistet.

In Abbildung 10 ist der Aufbau des Regel-kreises mit Smart Power Limitation exemp-larisch für eine Regelzone dargestellt. Die Regelgüte, so beispielsweise das Betragsmi-nimum, wird durch Smart Power Limitation nicht beeinflusst.

ySPL1 y1 x1yr1 P1

Smart PowerLimitation

SPL

FR1e1w1 FST1 FS1

FM1

P2 Pn

ySPL2yr2

ySPLnyrn

Pmax

Regelparameter-korrekturglied

Abb. 9 :: Aufheizvorgang einer Regelzone mit verschiedenen Leistungsbegrenzungen

Abb. 10 :: Übersicht Regelkreis mit Smart Power Limitation

7

Verhalten bei Sollwertwechseln

Zur Überprüfung des Einflusses der Leistungsbegrenzung auf die Regelgüte und Ausregeldauer sowie die Wirkung der automatisch berechneten Regelpa-rameter wurden Sollwertwechsel mit verschiedenen Leistungsbegrenzungen durchgeführt. Dabei wurden die Soll-werte aller 4 Zonen gleichzeitig geän-dert, da dies bezogen auf die Leistungs-aufnahme der ungünstigste Fall ist. Da sich auch hier alle Zonen identisch ver-halten wird stellvertretend nur eine Re-gelzone dargestellt.

Ohne Leistungsbegrenzung dauert ein Sollwertwechsel 5 Minuten, bei einer Leistungsbegrenzung auf 50% ungefähr 9 Minuten und bei einer Leistungsbe-grenzung auf 25% ungefähr 12 Minu-ten. Auch bei den Sollwertwechseln wird die Regelgüte durch die Leistungs-begrenzung nicht negativ beeinflusst.

-100

0

100

120

125

130

135

140

145

Sollwert

OhneLeistungsbegrenzung

LeistungsbegrenzungPLimit = 50%

LeistungsbegrenzungPLimit = 25%

Stellgrad ohneLeistungsbegrenzung

Stellgrad mit Leistungs-begrenzung P

Limit = 50%

Stellgrad mit Leistungs-begrenzung P

Limit = 25%

Stellgrad[%]

Temperatur[°C]

t

-100

0

100

110

115

120

125

130

135

Sollwert

OhneLeistungsbegrenzung

LeistungsbegrenzungPLimit = 50%

LeistungsbegrenzungPLimit = 25%

Stellgrad ohneLeistungsbegrenzung

Stellgrad mit Leistungs-begrenzung P

Limit = 50%

Stellgrad mit Leistungs-begrenzung P

Limit = 25%

Stellgrad[%]

Temperatur[°C]

t

Smart Power Limitation in der Praxis

Die geringen Ansprüche an die Hardware macht es möglich, Smart Power Limitation auch in Einheiten mit leistungsschwächeren Mikrocontrollern einzusetzen. So ist beispiels-weise auch das I/O-Modul DIO 16 CI der flexotemp®-Reglerbaureihe in einer Variante DIO 16 CI SPL mit der Smart Power Limitati-on-Funktionalität erhältlich.

Das I/O-Modul besitzt bis zu 16 schaltende Ausgänge, über die die komplette Funktionali-tät von Smart Power Limitation-Funktionalität genutzt werden kann. Die Leistungsmessung erfolgt vollautomatisch indirekt über die in-tegrierten Messeingänge zur Erfassung der Heizströme.

Verhalten bei Störungen

Zur Überprüfung des Einflusses der Leis-tungsbegrenzung auf die Regelgüte wurden Störgrößen aufgeschaltet. Dabei wurden die beiden in der Mitte liegenden Zonen durch eine Luftkühlung gestört. Diese wurde im aus-geregelten Zustand zu 100% aufgeschaltet und das Ausregelverhalten aufgezeichnet.

Der Störeinfluss wird ohne Leistungsbegren-zung unverzüglich ausgeregelt. Auch bei ei-ner Leistungsbegrenzung auf 50% reicht der effektive Stellgrad aus, um die Störgröße aus-zuregeln.

Anders verhalten sich die Regelzonen bei ei-ner Leistungsbegrenzung auf 25%. Hier reicht die zugeführte Energie der Heizungen nicht mehr aus, um die durch die Störung abgeführte Energie auszuregeln.

Aus diesem Betriebszustand lässt sich auch sehr einfach eine Aussage über den Grenz-betrieb mit Smart Power Limitation ableiten. Laut Bedingung 3 in den definierten Randbe-dingungen für Smart Power Limitation liegt die gewichtete Gesamt-leistung aller Zonen im Arbeitspunkt oberhalb der vorgegebenen Leis-tungsbegrenzung. Somit erreichen einige Zonen nicht mehr die vorge-gebenen Sollwerte. Für diesen Betriebsfall muss Smart Power Limitation ausgeschaltet oder die Leistungsgrenze erhöht werden.

Abb. 11 :: Verhalten bei Sollwertwechseln einer Regelzone mit verschiedenen Leistungs-begrenzungen

Abb. 1� :: Störverhalten einer Regelzone mit verschiedenen Leistungsbegrenzungen

Abb. 13 :: Regelsystem flexotemp®

Bernhard Seelert studierte an der Uni-versität Kaiserslautern Elektrotechnik mit Schwerpunkt Automatisierungstech-nik. Heute gehört er bei PSG Plastic Ser-vice GmbH zum Geschäftsleitung-Team und zeichnet verantwortlich für die Neu- und Weiterentwicklung der Produkte im Geschäftsbereich Regel- & Steuerungs-technik.

Thomas Münch studierte an der Fach-hochschule Heilbronn Elektronik mit Schwerpunkt Regelungstechnik. Er leitet bei PSG Plastic Service GmbH den Bereich Softwareentwicklung. Zu seinen Aufgabenschwerpunkten zählen die Entwicklung von Regelalgorithmen sowie die Koordination von Software-projekten.

Recht herzlichen Dank all unserer kre-ativen Kunden und Partnern für die an-regenden Diskussionsrunden, ohne die Smart Power Limitation nicht entstanden wäre.

PSG Plastic Service GmbH | Pirnaer Straße 12-16 | 68309 Mannheim | Tel. +49 (0)621 7162 0 | Fax +49 (0)621 7162 162 | E-mail: info@psg-online.de

www.psg-online.de

Sm

art P

ower

Lim

itatio

n 02

/200

8