Der PID-Regler ist der am weitesten verbreitete Regelalgorithmus der Automatisierungstechnik. Ob Temperatur im Reaktor oder Füllstand im Behälter: In nahezu jeder verfahrenstechnischen Anlage arbeiten PID-Regler. Sie sauber einstellen zu können, gehört zum Handwerk.
Was ein PID-Regler tut
Der Regler bildet fortlaufend die Regelabweichung, also die Differenz zwischen Sollwert und gemessenem Istwert, und berechnet daraus die Stellgröße aus drei Anteilen.
Proportionalanteil (P): Die Korrektur ist proportional zur aktuellen Abweichung. Je größer die Abweichung, desto kräftiger die Reaktion. Der Verstärkungsfaktor Kp bestimmt, wie energisch der Regler eingreift. Ein reiner P-Regler behält allerdings immer eine bleibende Regelabweichung.
Integralanteil (I): Die Korrektur richtet sich nach der über die Zeit aufsummierten Abweichung. Damit verschwindet die bleibende Regelabweichung, die der P-Anteil nicht beseitigen kann. Die Nachstellzeit Ti bestimmt, wie schnell das geschieht.
Differentialanteil (D): Die Korrektur richtet sich nach der Änderungsgeschwindigkeit der Abweichung. Der D-Anteil wirkt vorausschauend und bremst die Stellgröße ab, wenn sich der Istwert dem Sollwert nähert. Die Vorhaltezeit Td bestimmt, wie stark.
Die Reglergleichung
In der Parallelform lautet sie:
Stellgröße = Kp x (Abweichung + (1/Ti) x Integral der Abweichung + Td x Ableitung der Abweichung)
In der SPS steckt das in einem Funktionsbaustein mit einstellbaren Parametern für Verstärkung, Nachstellzeit, Vorhaltezeit und Stellgrößenbegrenzung.
Von Hand einstellen
Das ist im Feld nach wie vor die übliche Vorgehensweise:
- Mit reinem P-Anteil beginnen (Ti auf Maximum, Td auf null)
- Kp erhöhen, bis der Regelkreis dauerhaft schwingt
- Kp auf etwa die Hälfte dieses Werts zurücknehmen
- Ti schrittweise verkleinern, bis die bleibende Abweichung verschwindet
- Bei zu trägem Verhalten einen kleinen D-Anteil ergänzen
Nach Ziegler und Nichols lässt sich das systematischer angehen:
- Kritische Verstärkung Ku und Schwingungsdauer Pu ermitteln
- Startwerte aus den bekannten Tabellen berechnen
- Von dort aus anhand des tatsächlichen Streckenverhaltens nachjustieren
Die Tabellenwerte sind ein Ausgangspunkt, kein Ergebnis. Jede Strecke verhält sich anders.
Wo PID-Regler eingesetzt werden
- Temperaturregelung: Öfen, Wärmetauscher, Trockner, Klimatechnik
- Füllstandsregelung: Behälter und Silos in Wasserwirtschaft und Chemie
- Druckregelung: Kompressoren, Kessel, Rohrleitungssysteme
- Durchflussregelung: Pumpen und Regelventile
- Drehzahlregelung: Antriebe, bei denen Lastschwankungen ausgeregelt werden müssen
PID im TIA Portal
Siemens liefert für S7-1200 und S7-1500 den Baustein PID_Compact. Er bringt eine Selbstoptimierung mit, die brauchbare Parameter selbst ermittelt und bei der Inbetriebnahme viel Zeit spart.
Wichtige Eigenschaften:
- Erstoptimierung zur Bestimmung der Startparameter
- Nachoptimierung im laufenden Betrieb
- Anti-Windup, damit der I-Anteil nicht überläuft
- Umschaltung Hand/Automatik ohne Sprung in der Stellgröße
Regelungstechnik bei ED WARTENS Deutschland
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