Grundlagen der Gebäudeautomation PDF

Grundlagen der Gebäudeautomation Einbruchserkennung, Energieflussvisualisierung, Fernwirken, Hausnotruf, Health Care Kommunikation, Konstantlichtregelung, Lichtszenarien, Störungsmeldungen, Melden und Anzeigen von individuellen Textnachrichten. VDI 3812 betrachtet dabei auch den Nutzen de...

Grundlagen der Gebäudeautomation Einbruchserkennung, Energieflussvisualisierung, Fernwirken, Hausnotruf, Health Care Kommunikation, Konstantlichtregelung, Lichtszenarien, Störungsmeldungen, Melden und Anzeigen von individuellen Textnachrichten. VDI 3812 betrachtet dabei auch den Nutzen der Assistenzfunktionen und ordnet diese dann den folgenden Hauptnutzen zu: Energie- und Wassereinsparung, Sicherheit, Komfort, technische Barrierefreiheit, individuelle Zielsetzungen im Projekt. So kann bei Bedarf für die Schnittstelle Maschine/Mensch eine Gewerke übergreifende Visua- lisierung und Steuerung im Wohnbereich eingesetzt werden. 1.7 Steuerung und Regelung Wir unterscheiden zwischen Regelung und Steuerung. Beide Formen der Automation werden in täglichen Prozessen angewandt. Vor Planung der Automation eines Prozesses sollten die Abläufe und die eventuellen Rückführungen im Prozess analysiert und festgelegt werden. DIN IEC 60050-351 ist das International Electrotechnical Vocabulary (IEV) – Control technology. 1.7.1 Steuerung Als Steuerung bezeichnet man nach DIN IEC/ISO 60050-351 ein System, bei dem eine oder mehrere veränderliche Größen als Eingangsgrößen andere veränderliche Größen als Ausgangs- größen in Bezug auf die Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten des Systems beeinflussen. Das Kennzeichen einer Steuerung ist der offene Wirkungsweg. Bei einer Steuerung kann auch ein geschlossener Wirkungsweg vorhanden sein. Dann wirken die durch Eingangsgrößen beeinfluss- ten Ausgangsgrößen nicht ständig und nicht wieder über die Eingangsgrößen auf sich selbst. Bei einer Steuerung verändert eine Stellgröße unmittelbar das Stellglied und damit auch den Istwert der physikalischen Größe. Dabei erfolgt keine Rückmeldung von der Steuergröße zum Abgleich der auftretenden Störungen. Somit kann sich der Istwert durch äußere Einflüsse ändern. 21 Systeme der Gebäudeautomation x i +1 ui f Speicher xi vi g ui Vektor der Eingangsgröße(n) zum Zeitpunkt ti vi Vektor der Ausgangssgröße(n) zum Zeitpunkt ti xi ; xi +1 Vektor der Zustandssgröße(n) zum Zeitpunkt ti bzw. ti +1 f Überführungsfunktion g Ausgabefunktion Abb. 16: Wirkungsplan eines Automaten gemäß DIN IEC 60050-351 1.7.2 Regelung Sollte die Erfassung äußerer Einflüsse zwingend erforderlich sein, wählt man für die Automation des Prozesses eine Regelung aus. Die Regelung ist nach DIN IEC 60050-351 ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine veränderliche Größe (diese ist die Regelgröße x) erfasst und mit einer an- deren variablen Größe, der Führungsgröße, verglichen wird. Nach dem Vergleich der Regelgröße und der Führungsgröße wird durch die Regelung die Regelgröße im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst. Das Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wir- kungsablauf. Innerhalb des geschlossenen Wirkungskreislaufes beeinflusst sich die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises im fortlaufenden Prozess selbst. A z D w e y x E G B r F A Störgrößenaufschaltung w Führungsgröße B Regelstrecke mit Stellglied r Rückführgröße C Führungsgrößenaufschaltung e Regeldifferenz D Vergleichsglied y Stellgröße E Regelglied x Regelgröße F Messglied z Störgröße G Steller Abb. 17: Wirkungsplan einer Regelung gemäß DIN IEC 60050-351 mit Störgrößenaufschaltung 22  Grundlagen der Gebäudeautomation C z D w e y x E G B r F A Störgrößenaufschaltung w Führungsgröße B Regelstrecke mit Stellglied r Rückführgröße C Führungsgrößenaufschaltung e Regeldifferenz D Vergleichsglied y Stellgröße E Regelglied x Regelgröße F Messglied z Störgröße G Steller Abb. 18: Wirkungsplan einer Regelung gemäß DIN IEC 60050-351 mit Führungsgrößenaufschaltung 1.7.3 Regelungssystem und Kenngrößen 1.7.3.1 Grundlagen Der in sich geschlossene Wirkungsablauf eines Reglers findet in einem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis, statt. Bei der Regelung wird die Regelgröße (Istwert) fortlaufend erfasst und mit der Führungsgröße (Sollwert) verglichen. Wenn eine Regeldifferenz (Regeldifferenz = Sollwert - Istwert) auftritt, beeinflusst der Regler die Regelstrecke, um den Istwert dem Sollwert anzu- gleichen. Auch wenn die Regeldifferenz null ist, wird durch Störgrößen die Regelgröße immer wieder verändert und der Regler muss nachregeln. Sollte das Nachregeln keinen Erfolg haben und eine Gleichheit von Ist- und Sollwert ist nicht erreichbar, ist eine bleibende Regelabweichung des Reglers vorhanden (umgangssprachlich spricht man vom „Schwingen des Regelkreises“, wenn die Regelgröße immer um den Sollwert „schwingt“). Am Beispiel einer Wasserstandsregelung (Abbildung 19) wird der Regelkreis erläutert werden. Die Regelstrecke ist der Wasserbehälter und die Regelgröße ist der Füllstand des Wassers. Wenn sich die Istwerte der Regelgröße (Füllstand) und Stellgröße (Schieberstellung) und die Störgrößen (Wasserdruckänderungen im Zulauf des Behälters und Änderung der Abflussmenge) nicht verändern, befindet sich der Regelkreis im Beharrungszustand. Der Regler muss keine Änderungen durch den Einfluss von Störgrößen ausgleichen. Sollte jedoch eine Störgröße wirk- sam werden, z. B. der Druckabfall des Wassers in der Zuleitung bewirkt, dass die zufließende Wassermenge kleiner als die abfließende Wassermenge ist, sinkt der Füllstand des Wassers 23 Systeme der Gebäudeautomation im Behälter. Durch den sinkenden Füllstand öffnet der Schwimmer über einen Hebel das Stell- glied (Eingangsventil), um die zufließende Wassermenge zu erhöhen. Der Füllstand steigt wie- der und die Regeleinrichtung der Wasserstandsregelung verringert den Zufluss, bis die zu- und abfließenden Wassermengen im Gleichgewicht sind und der Sollwert des Wasserstandes er- reicht ist. Die Regelstrecke, die Messstelle der physikalischen Größe und die Regeleinrich- tung, die aus Regler und Stellglied besteht, sind die wichtigsten Bestandteile des Regelkrei- ses. Regeleinrichtung 0 w y xi Wirkungsrichtung Druck z1 x z2 Regelstrecke w: Führungsgröße y: Stellgröße x i: tatsächlicher Wert der Regelgröße im betrachteten Zeitpunkt z1: Störgröße 1 (z.B. Druckänderung) x: Regelgröße z2: Störgröße 2 (z.B. Entnahme) Abb. 19: Beispiel Wasserstandsregelung 24  Grundlagen der Gebäudeautomation z A C D c m y J w e E G H* B x K q r F A Regelungssystem K Bildung der Aufgabengröße B Regelstrecke c Zielgröße C Regeleinrichtung w Führungsgröße D Vergleichsglied e Regeldi erenz E Regelglied m Reglerausgangsgröße F Messglied y Stellgröße G Steller z Störgröße H* Stellglied x Regelgröße I Stelleinrichtung q Aufgabengröße J Führungsgrößenbildner r Rückführgröße *Das Stellglied H ist nach De n ti n (DIN IEC 60050-351) ein Bestandteil der Regelstrecke B. Anmerkung: Der Regler gemäß DIN IEC 60050-351 besteht aus dem Regelglied E und dem Vergleichsglied D. Abb. 20: Wirkungsplan nach DIN IEC 60050-351 1.7.3.2 Kenngrößen Die nachfolgend beschriebenen Kenngrößen der Regelung auf der Grundlage DIN IEC 60050- 351 sind als Legende in Abbildung 20 aufgeführt. Führungsgröße w Die Führungsgröße w wird aus der Zielgröße abgeleitet und legt den Sollwert der Regelgröße als Eingangsgröße eines Vergleichsgliedes einer Regeleinrichtung fest (siehe Abbildung 18). Sie wird der Regeleinrichtung von außen zugeführt, jedoch von der Regelung nicht beeinflusst und soll der Regelgröße in einer vorgegebenen Abhängigkeit folgen. Führungsbereich wh Der Führungsbereich wh ist der Wertebereich, in dem sich die Führungsgröße w verändern kann. Regeleinrichtung Die Regeleinrichtung ist die Summe der Funktionseinheiten, welche die Bestimmung haben, die Regelstrecke entsprechend der Steuerungs- oder Regelungsaufgabe zu beeinflussen (siehe Abbildung 20). 25 Systeme der Gebäudeautomation Regelkreis In einem Regelkreis sind alle Übertragungsglieder im geschlossenen Wirkungsablauf einer Regelung angeordnet. Regelstrecke Die Regelstrecke, auch oft nur Strecke genannt, ist die Funktionseinheit, die in Abhängigkeit von der Steuerungs- oder Regelungsaufgabe beeinflusst wird. Regelgröße x Auf die Regelgröße x, die die Ausgangsgröße der Regelstrecke ist, wirken eine oder mehrere Stellgrößen. Die Regelgröße x bezeichnet die Größe, die geregelt werden soll. So können Re- gelgrößen die Temperatur, der Druck, der Wasserstand, die Drehzahl usw. sein. Regelbereich Xh Der Wertebereich, in dem sich die Regelgröße unter vorgegebenen Bedingungen des Betriebes verändern kann, wird als Regelbereich des Reglers bezeichnet und ist mit dem Messbereich des Reglers bzw. des Messfühlers gleichzusetzen. Istwert Der Wert einer veränderbaren Größe zu einem gegebenen Zeitpunkt wird als Istwert bezeichnet. Sollwert xs Der jeweilige Wert einer variablen Regelgröße, der zu einem gegebenen Zeitpunkt und unter festgelegten Bedingungen gewünscht wird sowie ein fest eingestellter Wert einer Regelgröße, wird als Sollwert xs bezeichnet. Ist der Wert der Regelgröße auf einen festen Wert eingestellt, wird die Regelung als Festwertregelung bezeichnet. Regeldifferenz e Die Regeldifferenz ist die Differenz zwischen Führungsgröße und Rückführgröße (siehe Abbildung 20). Sie wird mit e = w - r berechnet. Die Rückführgröße ist die Größe, die die Regelgröße abbildet. Rückführgröße r Als Rückführgröße bezeichnet man die variable Größe, die zum Vergleichsglied zurückgeführt wird und die Regelgröße abbildet. Stellgröße y Die Ausgangsgröße der Regeleinrichtung ist die Stellgröße y. Sie ist auch eine Eingangsgröße der Regelstrecke. Stellbereich Als Stellbereich bezeichnet man den Wertebereich, in welchem sich die Stellgröße verändern kann. Die größtmögliche Änderung des Reglerausgangssignals, der größte Ventilhub usw. wird als yh bezeichnet. 26  Grundlagen der Gebäudeautomation Stellglied im Regelkreis Die am Eingang der Regelstrecke angeordnete Funktionseinheit, die durch die Stellgröße y be- einflusst wird und den Massenstrom oder Energiefluss ändert, wird als Stellglied im Regelkreis bezeichnet (siehe Abbildung 20). Störgröße z Die unerwünschte, vom Prozess unabhängige und meist unvorhersehbare Eingangsgröße, die von außen auf das System wirkt, wird als Störgröße z bezeichnet (siehe Abbildung 20). Siehe hierzu auch Störbereich. Störbereich Zh Als Störbereich wird der Wertebereich bezeichnet, in dem sich die Störgröße verändern darf, ohne dass sich die Veränderung der Störgröße auf das Funktionieren des Regelungssystems auswirkt. Alle technischen Anlagen können nur für bestimmte Bereiche von Störgrößen ausgelegt werden. Daher wird ein Störbereich Zh festgelegt. In diesem Bereich darf sich die Störgröße verändern, ohne dass bei der Regelgröße Abweichungen über die vereinbarten Toleranzen auftreten. 1.7.4 Regelstrecken 1.7.4.1 Grundlagen Regelstrecken stellen den zu beeinflussenden Anlagenbereich dar. Es wird zwischen Regelstre- cken mit Ausgleich und Regelstrecken ohne Ausgleich unterschieden. Um einen Prozess optimal zu regeln, sind Kenntnisse über die Regelstrecke eine wichtige Voraussetzung. Die Frage, wie ein Regler bei Abweichungen der Regelgröße vom Sollwert (Regeldifferenz e) reagieren soll (schnell, langsam, stark, schwach) hängt von den regelungstechnischen Eigenschaften der Regelstrecke ab. Daher betrachtet man das statische und dynamische/zeitabhängige Verhalten der einzelnen Glieder des Regelkreises. Die Kennwerte von Regelstrecken müssen betrachtet werden, um Regelstrecke und Regeleinrichtung richtig aufeinander abstimmen zu können. Die Einstellungen am Regler sind die Grundlage für die Abstimmung zwischen Regelstrecke und Regeleinrichtung. Die am Regler einzustellenden Werte werden aus dem Beharrungsverhalten und dem Zeitverhalten der Regelstrecke ermittelt. 1.7.4.2 Statisches Verhalten von Regelstrecken Die statische Kennlinie eines Regelstreckenteils erhält man, wenn der Zusammenhang zwi- schen Ein- und Ausgangsgröße für mehrere Zwischenwerte im Beharrungszustand aufnimmt. Die statische Kennlinie beschreibt das statische Verhalten des jeweiligen Teils (Gliedes) der Regelstrecke. Betrachtet man die statische Kennlinie von Wärmetauschern so ist die Kennlinie nicht linear und stark gekrümmt. Die Wärmemenge bei unterschiedlichen Betriebspunkten für die Durchflussmenge ist nicht stetig, sondern unterschiedlich. Zu Beginn der Änderung der Durchflussmenge erfolgt eine große Änderung der Wärmemenge, am Ende der Kennlinie erfolgt nur noch eine geringe Änderung der Wärmemenge. Damit eine lineare Regelung erfolgen kann, sind die Kennlinien der jeweiligen Glieder zu betrachten. 27