FAQ zur Antriebstechnik

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1 FAQ zur Antriebstechnik Verwendung der PI-Regelung an MM420 und MM440 MICROMASTER 420 MICROMASTER 440

2 Gewährleistung, Haftung und Support Für die in diesem Dokument enthaltenen Informationen übernehmen wir keine Gewähr. Unsere Haftung, gleich aus welchem Rechtsgrund, für durch die Verwendung der in diesem Beispiel beschriebenen Anwendungen, Hinweise, Programme, Projektierungs- und Leistungsdaten usw. verursachte Schäden ist ausgeschlossen, soweit nicht z.b. nach dem Produkthaftungsgesetz in Fällen des Vorsatzes, der groben Fahrlässigkeit, wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, wegen einer Übernahme der Garantie für die Beschaffenheit einer Sache, wegen des arglistigen Verschweigens eines Mangels oder wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten zwingend gehaftet wird. Der Schadensersatz wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit vorliegt oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit zwingend gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zu Ihrem Nachteil ist hiermit nicht verbunden. Copyright 2007 Siemens A&D. Weitergabe oder Vervielfältigung dieser Beispiele oder Auszüge daraus sind nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich von Siemens A&D zugestanden. Bei Anregungen zu diesem Beitrag wenden Sie sich bitte über folgende E- Mail-Adresse an uns: Version 1.1 Ausgabe Januar /16

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 3 Beispielbeschreibung Was ist unter PI-Regelung zu verstehen? Implementierung der PI-Regelung am MM Einrichtung des PI-Reglers... 5 Zugriff auf die PI-Parameter... 5 Aktivieren der PI-Regelung... 5 PI-Rückführungssignal... 5 PI-Sollwert... 6 PI-Sollwert-Rampenzeiten... 7 PI-Regler: Proportional-Integral-Terms... 7 Optimierungsmethode nach Ziegler-Nichols... 9 PI-Ausgangsgrenzwerte Weitere Features Implementierung am MM Analogeingänge PID-Autoeinstellung (Automatische Optimierung) Differential (D)-Term Verwendung des PID-Ausgangs zur Feineinstellung des Frequenz- Sollwerts Anhang Literaturhinweise Literaturangaben Internet-Link-Angaben Historie Dieser Beitrag stammt aus dem Internet der Siemens AG, Automation and Drives, Service & Support. Durch den folgenden Link gelangen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments. Version 1.1 Ausgabe Januar /16

4 Beispielbeschreibung Dieses Beispiel wurde erstellt, um dem Anwender grundlegenden Informationen über die im MICROMASTER 4 (MM4) implementierten PI/PID-Regler zu geben. Es wird dargestelltt, wie der PI/PID-Regler eingerichtet werden kann. Es werden die folgenden Kernpunkte behandelt: Implementierung am MICROMASTER 420 Implementierung am MICROMASTER Was ist unter PI-Regelung zu verstehen? Die PI-Regelung (Regelung mit Rückführung) wird in industriellen Anwendungen häufig zur Regelung einer Vielzahl von Prozessen eingesetzt. Die Regeltechnik ist ein umfangreiches Themengebiet, aber eine einfache PI-Regelung verwendet ein Rückführungssignal aus dem Prozess (zum Beispiel Temperatur, Druck, Drehzahl), einen erwünschten Wert oder Sollwert (häufig manuell eingestellt) und ein Steuersystem, das die beiden vergleicht und ein Fehlersignal ableitet. Das Fehlersignal wird dann verarbeitet und zur Steuerung (in diesem Fall) von Umrichter und Motor verwendet, um die Regeldifferenz zu verringern. Die Fehlersignalverarbeitung kann aufgrund von Verzögerungen im System sehr komplex sein. Normalerweise wird das Fehlersignal mit einem Proportional-Integral (PI)-Regler verarbeitet, dessen Parameter im Hinblick auf eine optimale Leistung und Stabilität des Systems angepasst werden können. Ist das System erst einmal eingerichtet und stabil, lässt sich eine sehr effiziente und genaue Regelung erzielen. Version 1.1 Ausgabe Januar /16

5 2 Implementierung der PI-Regelung am MM420 Im MM420 ist ein PI-Regler integriert, welcher vom Benutzer aktiviert werden kann, so dass eine Regelung mit Rückführung genutzt wird. Wurde der PI-Regler aktiviert (P2200), generiert er intern die Motorfrequenz, die notwendig ist, um die Differenz (den Fehler) zwischen dem PI-Sollwert und der PI-Rückführung zu minimieren. Das geschieht durch kontinuierliches Vergleichen des Rückführungssignals mit dem Sollwert. Der PI-Regler bestimmt die erforderliche Motorfrequenz. Der normale Frequenz-Sollwert (P1000) und die Rampenzeiten (P1120 & P1121) werden automatisch deaktiviert, jedoch bleiben die Einstellungen für die minimale und maximale Ausgangsfrequenz (P1080 und P1082) aktiv. 2.1 Einrichtung des PI-Reglers Zugriff auf die PI-Parameter Die PI-Parameter liegen im Bereich zwischen P2200 und P2294. Bei den meisten Anwendungen sind die Level 2 Parameter ausreichend für die Einrichtung des PI-Reglers. Um nur auf die Parameter des PI-Reglers zuzugreifen, können Sie den Parameterfilter wie folgt verwenden: P0003 = 2 P0004 = 22 Aktivieren der PI-Regelung Die PI-Regelung wird mit Parameter P2200 aktiviert. Damit der PI-Regler ständig aktiviert bleibt, sollte dieser auf 1 eingestellt werden. Es ist auch möglich, zur Aktivierung des PI-Reglers einen digitalen Eingang (oder andere BiCo-Funktionen) zu verwenden. Der PI-Regler kann zum Beispiel unter Verwendung von DIN 2 mit der Einstellung P0702 = 99 und P2200 = aktiviert werden. In dem Fall kann der Benutzer zwischen Frequenzregelung und PI-Regelung umschalten, wenn der Umrichter nicht läuft. PI-Rückführungssignal Die PI-Regelung erfordert ein Rückführungssignal aus dem Prozess, um das Systemverhalten überwachen zu können. In den meisten Anwendungen wird dafür ein Analog-Messfühler verwendet. Version 1.1 Ausgabe Januar /16

6 Der MM420 besitzt einen Analogeingang, Klemmen-Pins 3 & 4, und das Rückführungssignal kann an diesen Eingang angeschlossen werden. Anschließend muss die Quelle des PI-Rückführungssignals definiert werden. Das geschieht unter Verwendung von P2264 = 755 (source of PI feedback = analogue input 1). Falls erforderlich, kann der Analogeingang mit den Parametern P0757 P0760 skaliert werden. Wird eine andere Quelle des Rückführungssignals verwendet (z. B. USS), muss P2264 entsprechend eingestellt werden. Der Wert des Rückführungssignals kann über Parameter r2266 angezeigt werden. Jetzt muss auch das Verhältnis zwischen dem Messfühlersignal und der Art und Weise der Motorfrequenzänderung durch den PI-Regler definiert werden. Dies erfolgt mit P2271 (PI transducer type). Für diesen Parameter gibt es 2 mögliche Einstellungen, 0 und 1. Der Unterschied zwischen diesen Einstellungen besteht darin, ob der PI-Regler die Ausgangsfrequenz als Antwort auf ein positives Fehlersignal (d. h. das Rückführungssignal ist kleiner als der Sollwert) erhöht oder vermindert. Die Parameterbeschreibung für P2271 führt detailliert aus, wie Sie die für Ihre Anwendung richtige Einstellung ermitteln können. PI-Sollwert Der PI-Regler steuert die Umrichterfrequenz, indem er das tatsächliche Systemverhalten (über das Rückführungssignal) mit dem gewünschten Systemverhalten vergleicht. Das gewünschte Systemverhalten wird mit einem Sollwert definiert. Der Benutzer wählt die Quelle des Sollwerts mit Parameter P2253. Der MM420 besitzt nur einen Analogeingang, der meistens für das Rückführungssignal genutzt wird, weshalb in der Regel ein digitaler Sollwert verwendet wird. Dafür gibt es zwei Methoden, entweder wird der feste PI-Sollwert oder der Tastatur-Sollwert (motorisiertes Potentiometer) verwendet. Bitte beachten Sie, dass die Werte in % und nicht in Hz angegeben werden. Die Lauffrequenz des Umrichters wird durch die Differenz zwischen Sollwert und Rückführungssignalen und durch Wirkweise des PI-Reglers bestimmt. a. P2253 = 2224 feststehender PI-Sollwert. Diese Methode gestattet dem Benutzer, mit den Parametern P2201 bis P2207 bis zu 7 Sollwerte zu definieren und unter Nutzung von Binärsignalen unter diesen zu wählen, meistens über die digitalen Eingänge. Die verschiedenen Auswahlmethoden werden in der Parameterliste unter P2201 beschrieben. b. P2253 = 2250 Tastatur-Sollwert (motorisiertes Potentiometer). Bei dieser Methode kann der Benutzer in P2240 einen feststehenden Sollwert einstellen. Der Sollwert kann mit den Pfeiltasten am BOP oder Version 1.1 Ausgabe Januar /16

7 häufiger über die digitalen Eingänge (z.b. P0702 = 13 increase und P0703 = 14 decrease ) erhöht oder vermindert werden. PI-Sollwert-Rampenzeiten Wenn die PI-Regelung mit P2200 aktiviert ist, werden die normalen an- und absteigenden Frequenz-Rampenzeiten (P1120 und P1121) umgangen. Der PI-Sollwert hat seine eigenen Rampenzeiten, P2257 und P2258, die rampenförmige Änderungen des PI-Sollwerts gestatten. Die Anstiegszeit P2257 ist aktiv, wenn der PI-Sollwert geändert oder wenn ein RUN-Befehl ausgegeben wird. Die Abstiegszeit P2258 wirkt sich nur auf PI- Sollwertänderungen aus. Die nach dem Befehl OFF1 und OFF3 angewendeten absteigenden Rampenzeiten werden in P1121 bzw. P1135 eingestellt. PI-Regler: Proportional-Integral-Terms Der Benutzer kann die Leistung des PI-Reglers entsprechend der Prozessanforderungen mit den P- und I-Terms P2280 und P2285 abstimmen. Das optimale Ansprechverhalten richtet sich nach den Prozessanforderungen von einer schnellen Wiederherstellung mit Überschwingung bis zu einer gedämpften Reaktion. Durch Änderung der P- und I-Parameter lassen sich unterschiedliche Arten des Ansprechens erzielen. Beispiel: Die folgenden Abbildungen verdeutlichen, wie sich die unterschiedlichen Reaktionen auf einen 5% PI-Sollwertschritt in einem Druckregelsystem ändern. Die Kurven zeigen das PI-Rückführungssignal mit 1V = 10 %. Die unterschiedlichen Reaktionen werden durch Variieren der Einstellungen von P2280 und P2285 erzielt. Version 1.1 Ausgabe Januar /16

8 Abbildung 2-1 Schnellreaktion mit Überschwingung: P2280 = 0,30; P2285 = 0,03 s Abbildung 2-2 Schnellreaktion mit Überschwingung, aber Instabilität: P2280 = 0,55; P2285 = 0,03 s Version 1.1 Ausgabe Januar /16

9 Abbildung 2-3 Gedämpfte Reaktion: P2280 = 0,20; P2285 = 0,15 s Die Werte von P2280 und P2285 werden vom Verhältnis zwischen Motorfrequenz und PI-Regelungsmenge (z. B. Druck) bestimmt. Für die Optimierung eines Regelprozesses empfehlen wir die Verwendung eines Oszilloskops zur Überwachung des Rückführungssignals, womit das Systemverhalten sichtbar gemacht werden kann. Dafür kann der Analogausgang mit der Einstellung P0771 = 2266 verwendet werden. Am häufigsten werden kleine PI-Sollwert-Schrittänderungen (1-10%) ohne PI- Rampenzeiten (P2257 = P2258 = 0,0s) zur Beurteilung des Ansprechverhaltens des Systems verwendet. Wenn das gewünschte Ansprechprofil erzielt worden ist, können die betriebsbedingten Rampenzeiten eingestellt werden. Wenn Sie die Optimierung ohne ein Oszilloskop vornehmen, sollten Sie mit einem kleinen P-Term (z. B. P2280 = 0,20) beginnen und den I-Term justieren, bis eine stabile Betriebskonstante erzielt wurde. Dann sollten nach einer kleinen PI-Sollwertänderung die Parameter je nach Ansprechen des Systems justiert werden, wobei die Zahlentrends in den oben stehenden Abbildungen zu berücksichtigen sind. Generell lässt sich die stabilste Regelung durch die Verwendung von Proportions- und Integral-Terms erzielen. Wenn das System anfällig für plötzliche Störungen ist, empfehlen wir, den P-Term (P2280) nicht höher als 0,50 einzustellen. Optimierungsmethode nach Ziegler-Nichols Mit der Ziegler-Nichols-Methode lassen sich die Proportionalverstärkung und die Integralzeit berechnen, indem das Ansprechen des Systems auf eine Schrittänderung bei Regelung ohne Rückführung gemessen wird. Dazu wird der Umrichter auf Frequenzsteuerung eingestellt und das Rückführungssignal wird überwacht. Anhand der Rückführungsreaktion werden L und T bestimmt; L ist die Zeit, bevor das System zu reagieren Version 1.1 Ausgabe Januar /16

10 beginnt, und T ist die dominante Zeitkonstante. Letztere wird gemessen durch Schätzung, wann die Systemreaktion ihren stationären Wert erreicht hätte, wenn der maximale Anstieg gewährleistet wäre (im typischen Fall wird gemessen, bis die Systemreaktion 85% ihres Endwertes erreicht hat). Aus L, T und dem Verhältnis zwischen dem Frequenzschritt f (als % von Fmax) zur Änderung des Rückführungswerts x (%) können die P- und I- Terms für einen PI-geregelten Prozess wie folgt berechnet werden: P Verstärkung = (0,9)(T)( f) / (L)( x) I Zeit = 3L Beispiel: Der Umrichter ist auf Frequenzsteuerung geschaltet und ein Frequenzschritt von 5 Hz wird vorgegeben und das Rückführungssignal wird überwacht. Dafür werden die folgenden Parameter eingestellt: P2200 = 0 P1120 = 0,0 s P1121 = 0,0 s P1080 = 50,0 Hz Abbildung 2-4 Reaktion auf 5 Hz Schritt: L = 100 ms Version 1.1 Ausgabe Januar /16

11 Abbildung 2-5 Reaktion auf 5 Hz Schritt: T = 700 ms Frequenzschritt f = 5 Hz / 50 Hz = 10% Rückführungsschritt x = 0,64 V / 10 V = 6,4% P Verstärkung = (0,9)(T)( f) / (L)( x) = 9,84 = P2280 I Zeit = 3L = 0,30 s = P2285 Jetzt wird der PI-Regler aktiviert (P2200 = 1) Abbildung 2-6 Schrittreaktion unter PI-Regelung mit P2280 = 9,84 und P2285 = 0,30 Version 1.1 Ausgabe Januar /16

12 PI-Ausgangsgrenzwerte Der PI-Regler generiert die Frequenz, mit der der Umrichter läuft. Sie wird als Prozentwert generiert, der über P2000 in Hz normalisiert wird. Mit den Parametern P2291 und P2292 kann der Benutzer den Ausgangsbereich des Reglers begrenzen. Während der Umrichter nur innerhalb des Frequenzbereichs läuft, der durch Fmin (P1080) und Fmax (P1082) definiert ist, kann die Ausgangsfrequenz mit Hilfe der PI- Ausgangsgrenzwerte weiter begrenzt werden. Wenn einer der Grenzwerte erreicht wurde, wird ein Bit 53.A oder 53.B gesetzt, das über P0731 an den Digitalausgang angeschlossen oder unter Verwendung von BiCo für interne Steuerungszwecke genutzt werden kann. Bitte beachten Sie, wenn Fmax (P1082) größer ist als der Wert in P2000, sollte P2000 oder P2291 justiert werden, damit Fmax erreicht werden kann. Weitere Features Durch Einstellen von P2292 auf einen negativen Wert ist der bipolare Betrieb des PI-Reglers möglich. Der Zugriff auf weitere Features, zum Beispiel eine PI-Sollwert- Feineinstellung, ist auf der Berechtigungsebene 3 (P0003 = 3) möglich. Diese Features werden in der Parameterliste beschrieben. Version 1.1 Ausgabe Januar /16

13 3 Implementierung am MM440 Grundsätzlich werden beim MM440 dieselben Parameter und Funktionsprinzipien verwendet wie beim MM20; daher sind die Parametrisierung und der Betrieb des MM420 und des MM440 weitestgehend kompatibel. Der MM440 weist eine Reihe zusätzlicher Features und Erweiterungen auf, die für zahlreiche Anwendungen nützlich sein können. 2 Analogeingänge Sie gestatten die Eingabe der Sollwerte und Messfühlersignale als Analogwerte. Die Analogeingänge können mit den Werten und für Eingang 1 bzw. 2 angeschlossen werden (lesen Sie bitte die oben stehenden Hinweise zum Anschluss von PI-Sollwert und Rückführung). Jeder Analogeingang kann mit den Parametern P0757 bis P0761, Indizes 0 und 1 vollständig kalibriert werden. PID-Autoeinstellung (Automatische Optimierung) Eine automatische Optimierung der PID-Steuerschleife kann am MM440 einfach durchgeführt werden. Das Verfahren ist wie folgt: 1. Wählen Sie mit P2253 und P2264 die PID-Sollwert- und Rückführungsquelle. 2. Optimieren Sie den Bereich des Rückführungssignals. Das heißt, es wird sichergestellt, dass der Bereich des Rückführungssignals mit dem Frequenzbereich vergleichbar ist. Wenn ein Messfühlersignal zum Beispiel 0V bei Mindestfrequenz und 1 V bei Höchstfrequenz ergibt, muss P0757 bis P0760 so geändert werden, dass sich ein Bereich ergibt, der eine bessere Auflösung für die automatische Optimierung gestattet (z. B. Einstellen von P0759 und P0760, sodass sich ein Rückführungswert von beispielsweise 60% für ein 1 V Signal ergibt). 3. Stellen Sie sicher, dass P2271, der Signalumformertyp, richtig eingestellt ist. 4. Stellen Sie P2200 = 1 ein, um die PID-Regelung zu aktivieren. 5. Stellen Sie P2350 entsprechend der erforderlichen Art des optimierten Verhaltens ein (Einzelheiten siehe Parameterliste). Ggf. stellen Sie Version 1.1 Ausgabe Januar /16

14 P2335 auf einen Wert ein, der größer ist als der vorgegebene 5,00% Wert, falls die System-Zeitkonstante sehr hoch ist (d. h. falls das System sehr langsam auf Frequenzänderungen reagiert). 6. Wenden Sie den RUN-Befehl an. Das System wird automatisch abgestimmt. Wenn das erfolgt ist, regelt der Umrichter auf den PI- Sollwert. Ein zweiter RUN-Befehl ist nicht notwendig. P2350 wird automatisch auf 0 zurückgesetzt. Wenn die automatische Abstimmung fehlschlägt, versucht der Umrichter für die in P2354 festgelegte Zeitdauer eine weitere automatische Abstimmung nach einem RUN- Befehl. Anmerkung: Viertel-gedämpfte Antwort Beim Einsatz der automatischen PID-Optimierung und der Auswahl des erforderlichen Abstimmungsverhaltens wird bei P2350 beschrieben, dass die Option 1 und 4 eine Viertel-gedämpfte Antwort liefert. Zur Klarstellung: dies bedeutet, dass der Überschwinger in einer Schwingungsperiode um den Faktor 4 (auf ein Viertel) verringert wird. Differential (D)-Term Der Differential (D)-Term wird in P2274 eingestellt. Der D-Term ist besonders nützlich in Anwendungen, bei denen der PI-Sollwert konstant ist und bei denen eine sehr schnelle Reaktion auf den Fehler erfolgen muss (z. B. ein Tänzerarm zur Zugspannungsregelung). Verwendung des PID-Ausgangs zur Feineinstellung des Frequenz-Sollwerts Falls P2200 = 0, läuft der Umrichter unter Frequenzsteuerung, aber der Ausgang des PID-Reglers kann mit der Einstellung P1075 = 2294 zur Feineinstellung des Frequenz-Sollwerts verwendet werden. Eine Skalierung ist dann mit P1076 möglich. Die Aktivierung/Deaktivierung erfolgt über P1074. Der Motorpoti-Sollwert (P2253 = 2250) kann in diesem Fall nicht verwendet werden. Der PID-Ausgang könnte auch an den Analogausgang angeschlossen werden. Zwar ist das beim MM420 ebenfalls möglich, jedoch bringen die Einschränkungen hinsichtlich der Auswahl von Sollwert und PI- Rückführung aufgrund dessen, dass nur ein Analogausgang vorhanden ist, Schwierigkeiten bei der praktischen Durchführung mit sich. Version 1.1 Ausgabe Januar /16

15 4 Literaturhinweise 4.1 Literaturangaben Anhang Diese Liste ist keinesfalls vollständig und spiegelt nur eine Auswahl an geeigneter Literatur wieder. Tabelle 4-1 Thema Titel /1/ MM440 Betriebsanleitung: MICROMASTER 440 0,12 kw kw /2/ MM420 Betriebsanleitung: MICROMASTER 420 0,12 kw - 11 kw /3/ MM440 Parameterliste: MICROMASTER 440 Software 2.1 /4/ MM440 Parameterliste: MICROMASTER 440 Software 2.0 /5/ MM420 Parameterliste: MICROMASTER 420 Software Internet-Link-Angaben Unter den angegebenen Links finden Sie hilfreiche Informationen zum Thema. Diese Liste ist keinesfalls vollständig und spiegelt nur eine Auswahl an geeigneter Literatur wieder. Tabelle 4-2 Thema Titel \1\ FAQ MM4: Wie der Signalwandler ausgewählt wird \2\ FAQ Wirkungsweise & Handhabung des PID-Reglers bei MICROMASTER 4 und SINAMICS G120 \3\ Applikation MM4: PID-Füllstandsregelung mit stoßfreier Betriebsartenumschaltung \4\ Version 1.1 Ausgabe Januar /16

16 4.3 Historie Tabelle 4-3 Historie Version Datum Änderung V1.0 Juli 2002 Erste Ausgabe V1.1 Januar 2007 Text überarbeitet Version 1.1 Ausgabe Januar /16