Komplementäre Split-Range-Steuerung (CSRC): Präzise Prozessgrößensteuerung mit zwei Stellgliedern entwickeln

Was ist Komplementäre Split-Range-Regelung und warum wird sie verwendet?

Die komplementäre Split-Range-Regelung ist eine Steuerungsstrategie, bei der zwei Aktuatoren eingesetzt werden, die in entgegengesetzte Richtungen arbeiten, um eine einzelne Prozessvariable mit hoher Präzision zu regeln. Die herkömmliche Einzelventilsteuerung kann keine feine Auflösung erreichen, wenn verschiedene Medienströme in präzisen Verhältnissen gemischt werden müssen. CSRC löst dieses Problem, indem jedem Aktuator eine komplementäre Rolle zugewiesen wird: Wenn ein Ventil öffnet, schließt das andere im gleichen Maße.

Dieser Ansatz findet Anwendung in Wärmetauschern, Mischsystemen, Reaktortemperaturregelungen und Gasaufbereitungseinheiten. Der Foxboro FCP270 Field Control Processor und die Allen-Bradley ControlLogix SPS bieten beide native Funktionsblöcke, die die Split-Range-Ausgangslogik direkt im Controller implementieren.

Betrachten wir zunächst, warum ein einzelnes Ventil in diesen Anwendungen versagt. Ein Ventil, das für den maximalen Durchfluss ausgelegt ist, arbeitet im Normalbetrieb bei sehr niedrigen Öffnungsgraden. Bei 5 % bis 10 % Öffnung werden die Durchflusskennlinien nichtlinear und die Hysterese des Stellantriebs verursacht Grenzzyklen. Die Regelqualität verschlechtert sich in diesem niedrigen Öffnungsbereich erheblich.

Wie CSRC funktioniert: Die inverse Beziehung zwischen zwei Aktuatoren

In einem CSRC-System erzeugt der PID-Regler ein einzelnes Ausgangssignal – 4 bis 20 mA oder 0 bis 100 % in digitalen Systemen. Dieses Signal wird gleichzeitig an beide Regelventile geleitet. Jedes Ventil reagiert jedoch auf einen unterschiedlichen Bereich des Ausgangssignals, und ihre Reaktionen sind invers.

Betrachten wir ein Temperaturregelsystem für einen Tank mit Warm- und Kaltwasserströmen. Das Allen-Bradley 1756-OF8 8-Kanal Analogausgangsmodul liefert die komplementären Signale an beide Ventilstellantriebe:

• Schritt 1: Das Kaltwasserventil fährt von vollständig geöffnet bei 0 % Reglerausgang bis vollständig geschlossen bei 100 % Ausgang. Es lässt maximal Kaltwasser durch, wenn die Prozesstemperatur zu hoch ist.
• Schritt 2: Das Warmwasserventil erhält ein inverses Signal – vollständig geschlossen bei 0 % Ausgang und vollständig geöffnet bei 100 % Ausgang. Es lässt maximal Warmwasser durch, wenn die Temperatur zu niedrig ist.
• Schritt 3: Bei 50 % Reglerausgang sind beide Ventile zu 50 % geöffnet. Gleiche Anteile von Warm- und Kaltwasser strömen in den Tank, und der Sollwert wird durch kontinuierliche Anpassung um diesen Mittelpunkt gehalten.
• Schritt 4: Wenn sich der Reglerausgang ändert, passen sich beide Ventile gleichzeitig und entgegengesetzt an. Die Gesamtflussrate bleibt relativ stabil, während sich das Verhältnis von Warm- zu Kaltwasser verschiebt. Dies gewährleistet eine präzise Temperaturregelung ohne die Durchflussstörungen, die Einzelventilsysteme verursachen.

PID-Konfiguration in Allen-Bradley ControlLogix und Foxboro I/A

Die Implementierung von CSRC in Allen-Bradley ControlLogix verwendet mathematische Funktionsblöcke, um aus dem PID CV-Wert zwei komplementäre Ausgangssignale zu erzeugen. Der Befehl für das Warmwasserventil entspricht direkt dem CV: HV_CMD = CV%. Der Befehl für das Kaltventil ist das Komplement: CV_CMD = 100 % – CV%. Beide Signale werden über das Allen-Bradley 1756-OF8I isoliertes Analogausgangsmodul an unabhängige Ventilstellantriebe geleitet.

Außerdem verhindert ein Totband um den Mittelpunkt – typischerweise im Bereich von 45 % bis 55 % Ausgang – dass beide Ventile gleichzeitig am Sollwert jagen. Innerhalb dieses Totbands werden kleine Reglerausgangsänderungen absorbiert, ohne dass sich eines der Ventile bewegt. Dies reduziert den Verschleiß der Stellantriebe während stabiler Betriebsphasen erheblich.

Die Foxboro I/A Serie implementiert CSRC über den nativen SPLT (Split Range) Funktionsblock innerhalb der Foxboro I/A Series FCM10E Fieldbus-Kommunikationsmodul-Architektur. Er akzeptiert einen einzelnen Eingang und erzeugt zwei komplementäre Ausgänge mit konfigurierbaren Splitpunkten, Totbändern und Ventilkennlinien. Der Foxboro SPLT-Block unterstützt auch asymmetrische Aufteilungen – zum Beispiel 0 % bis 40 % Ausgang für das Kaltventil und 60 % bis 100 % für das Warmventil, mit einem Totband von 40 % bis 60 %.

Die asymmetrische Konfiguration ist nützlich, wenn die beiden Medienströme unterschiedliche Durchflusskapazitäten haben. Die Abstimmung der Splitpunkte zur Anpassung an die Prozessverstärkung auf jeder Seite verbessert die Regelkreisstabilität und reduziert Überschwinger nach Sollwertänderungen.

Ventilgrößenbestimmung, Auswahl und Ausfallsicherheitskonfiguration

Die Ventilgrößenbestimmung für CSRC unterscheidet sich von Einzelventilanwendungen. Jedes Ventil bewältigt den gesamten Auslegungsdurchfluss bei 100 % Öffnung, aber der normale Betriebsbereich konzentriert sich auf 30 % bis 70 % Öffnung. Überdimensionierte Ventile verursachen Regelprobleme bei niedrigen Öffnungen. Unterdimensionierte Ventile erreichen ihre Durchflussgrenze, bevor der Regler 100 % Ausgang erreicht. Ventile mit gleichprozentiger Kennlinie sind die Standardwahl – diese Kennlinie bietet eine konstante Regelverstärkung im mittleren Betriebsbereich.

Darüber hinaus müssen beide Ventile eines CSRC-Paares mit passenden Stellantrieben mit gleicher Genauigkeit und Hysterese-Spezifikation ausgestattet sein. Nicht passende Stellantriebe erzeugen asymmetrische Regelung – der Regelkreis arbeitet in eine Richtung gut, oszilliert aber in die andere. Bei der Reaktortemperaturregelung ist die bevorzugte Ausfallsicherheit, das Kühlventil bei Ausfall von Instrumentenluft oder Strom vollständig zu öffnen und das Heizventil vollständig zu schließen. Dies führt den Prozess in einen sicheren Kaltzustand.

Inbetriebnahme und Abstimmung eines CSRC-Regelkreises

• Schritt 1: Fahren Sie jedes Ventil vollständig auf und zu. Überprüfen Sie, ob die Ist-Position innerhalb von ±2 % bei Kugelventilen oder ±1 % bei Hochleistungs-Schmetterlingsventilen der Sollposition entspricht.
• Schritt 2: Wenden Sie die Komplementfunktion im manuellen Modus bei 25 %, 50 % und 75 % Ausgang an. Überprüfen Sie, ob Ventil A diese Werte öffnet und Ventil B entsprechend 75 %, 50 % und 25 % öffnet.
• Schritt 3: Aktivieren Sie die automatische Regelung mit konservativer Anfangsabstimmung – Proportionalverstärkung von 0,5 und Integrationszeit von 60 Sekunden. Beobachten Sie die Regelkreisreaktion auf eine kleine Sollwertänderung von 2 % bis 5 % des Bereichs.
• Schritt 4: Erhöhen Sie die Proportionalverstärkung schrittweise, bis der Regelkreis eine Viertel-Abklingantwort zeigt. Verringern Sie die Integrationszeit, bis der Offset innerhalb von drei bis fünf Regelkreiszyklen verschwindet.
• Schritt 5: Testen Sie die Reaktion auf eine große Sollwertänderung von 20 % des Bereichs. Vergewissern Sie sich, dass der Split-Range-Übergang am Mittelpunkt keinen Stoß oder Oszillation verursacht – dieser Übergang ist die häufigste Ursache für Instabilität im CSRC-Regelkreis.

Achten Sie daher besonders auf das Verhalten des PID-Ausgangs beim Überschreiten des 50 %-Splitpunkts. Jede Unstetigkeit an dieser Stelle weist auf eine Diskrepanz zwischen der Split-Range-Konfiguration und den tatsächlichen Ventilkennlinien hin, die vor der Freigabe des Regelkreises für den automatischen Betrieb korrigiert werden muss.

Fazit und Handlungsempfehlung

Die komplementäre Split-Range-Regelung ist eine leistungsstarke Technik, um präzise und stabile Regelung von Temperatur und Zusammensetzung zu erreichen, wenn ein einzelnes Ventil die erforderliche Leistung nicht erbringen kann. Die inverse Beziehung der Aktuatoren hält beide Ventile in ihrem genauen mittleren Betriebsbereich und sorgt für einen stabilen Gesamtfluss. Foxboro I/A Series und Allen-Bradley ControlLogix bieten bewährte native Implementierungen, die Konfiguration und Inbetriebnahme vereinfachen. Ingenieure, die CSRC implementieren, sollten sich auf passende Ventilgrößen, identische Stellantriebsspezifikationen, symmetrische Splitpunktkonfiguration und sorgfältige Abstimmung durch den Mittelpunktübergang konzentrieren, um eine zuverlässige Regelkreisleistung zu gewährleisten.

Autor: Wang Jiaqiang ist ein Ingenieur für industrielle Automatisierung mit über 10 Jahren Erfahrung in SPS-, DCS- und Steuerungssystemen.