2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Arbeitskreis der Professoren für Regelungstechnik in der Versorgungstechnik (Hrsg.) Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik 5., neu bearbeitete und erweiterte Auflage C. F. Müller Verlag, Heidelberg
1 Einführung in die Regelungs- und Steuerungstechnik 1 1.1 Begriffe und Benennungen 2 1.1.1 Regelung 2 1.1.2 Wirkungsplan eines Regelkreises 6 1.1.3 Regelkreise 7 1.1.4 Steuerung 8 1.2 Weitere Beispiele für Regelkreise 9 1.3 Folgeregelung 13 2 Beharrungs- und Zeitverhalten von Regelkreisgliedern 17 2.1 Einfuhrung 18 2.2 Beharrungsverhalten (statisches Verhalten) von Regelkreisgliedern 21 2.3 Zeitverhalten (dynamisches Verhalten) von Regelkreisgliedern 26 2.3.1 Proportionalglied, P-Glied, P-Verhalten 29 2.3.2 Verzögerungsglied 1. Ordnung, P-Ti-Glied,P-Ti-Verhalten 31 2.3.3 Integrierendes Verhalten, I-Verhalten, I-Glied 39 2.3.4 Differenzierendes Verhalten, D-Verhalten, D-Glied 45 2.3.5 D-Glied mit Verzögerung 1. Ordnung, D-Ti-Glied, D-Ti-Verhalten 46 2.3.6 Totzeitglied, T r Glied, Totzeitverhalten 49 3 Regelstrecken 53 3.1 Abgrenzung der Regelstrecke 54 3.2 Kennwerte von Regelstrecken 56 3.2.1 Übertragungsverhalten von Regelstrecken 56 3.2.2 Bestimmung der Zeitkennwerte von Regelstrecken 58 3.2.3 Bestimmung des Übertragungsbeiwertes von Regelstrecken 61 3.3 Regelstrecken mit Ausgleich 63 3.3.1 Kennlinie und Übertragungsbeiwert 63 3.3.2 Linearisierung der Regelstreckenkennlinie 66 3.3.3 Einfluss von Störungen auf P-Regelstrecken 69 3.4 Regelstrecken ohne Ausgleich 75 3.5 Dynamisches Verhalten von Regelstrecken 78 3.5.1 Physikalische Ursachen und Klassifikationsschema 78 3.5.2 P-Strecken 0. Ordnung (P-T 0 -Strecken) 80 3.5.3 P-Strecken mit Totzeit (P-Tt-Strecken) 81 3.5.4 P-Strecken 1. Ordnung (P-Ti-Strecken) 83 3.5.5 P-Strecken 1. Ordnung mit Totzeit (P-T r T t -Strecken) 84 3.5.6 P-Strecken höherer Ordnung (P-T -Strecken) 85 3.6 Schwierigkeitsgrad und Regelbarkeit von Regelstrecken 86
VIII Inhaltsverzeichnis 4 Regeleinrichtungen 4.1 Eigenschaften der Regler 4.1.1 Proportionalregler, P-Regler 4.1.2 Integral-Regler, I-Regler 4.1.3 Proportional-Differential-Regler, PD-Regler 4.1.4 Proportional-Integral-Regler, PI-Regler 4.1.5 PID-Regler 4.1.6 Reales Verhalten der Regler 4.2 Auswahl von Regelgeräten 4.3 Stetig arbeitende Regelgeräte 4.3.1 Elektronische Regler 4.3.2 Pneumati sehe Regl er 4.3.3 Regler ohne Hilfsenergie 4.3.3.1 Temperaturregler 4.3.3.2 Druckregler 4.3.3.3 Differenzdruckregler und Überströmventile 4.4 Zweipunktregler 4.4.1 Zweipunktregler ohne Rückführung 4.4.2 Zweipunktregler mit Rückführung 4.5 Stetig-ähnliche Regler 4.6 Stellantriebe 4.6.1 Elektromotorische Stellantriebe 4.6.2 Elektrothermische Stellantriebe 4.6.3 Elektromagnetische Stellantriebe 4.6.4 Pneumatische Stellantriebe 4.6.5 Stellantriebe mit Positionsregelung 5 Stellglieder 5.1 Stellventile und ihre Auslegung 5.1.1 Einführung 5.1.2 Bauformen von Stellventilen 5.1.3 Kenngrößen und Kennlinien von Stellventilen 5.1.4 Grundlagen für die Berechnung hydraulischer Schaltungen 5.1.5 Hydraulische Grundschaltungen 5.1.6 Auslegung von Stellventilen 5.1.6.1 Auslegung für den Nennbetrieb - der einfachste Fall 5.1.6.2 Auslegung unter Berücksichtigung der Grundform der Ventilkennlinie sowie der Ventilautorität 5.1.6.3 Dreiwegeventile 5.1.7 Stellantriebe 5.2 Weitere Stellglieder 5.2.1 Pumpen 5.2.2 Ventilatoren 6 Der geschlossene Regelkreis 6.1 Der geschlossene Regelkreis als schwingungsfähiges System
IX 6.1.1 Frequenzgang 219 6.1.2 Schwingungen in einem Regelkreis 233 6.1.3 Stabilitätskriterien 235 6.1.3.1 Stabilitätskriterium von Nyquist 236 6.1.3.2 Stabilitätsreserve 236 6.1.4 Berechnung der Parameter eines Regelkreises 238 6.1.5 Grundsätzlich stabile oder instabile Regelkreise 239 6.1.6 jbode-diagramm 243 6.1.7 Stabilitätskurve 248 6.2 Der geschlossene Regelkreis als statisches System 254 6.2.1 Regelkreis mit linearen Regelstreckenkennlinien 254 6.2.2 Regelkreis mit nichtlinearen Regelstreckenkennlinien 258 6.2.3 Stabilisierung durch Verkleinern des Regelbereiches 260 6.3 Der geschlossene Regelkreis als dynamisches System 263 7 Einstellregeln 265 7.1 Einführung 265 7.2 Gütemaße 267 7.3 Einstellregeln 268 7.3.1 Beispiel-Regelkreis 268 7.3.2 Einstellregeln nach Ziegler und Nichols 269 7.3.3 Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick 272 7.3.4 Auswirkungen der Reglerparameter beim PID-Regler 276 8 Erweiterte Regelkreisschaltungen 279 8.1 Störgrößenaufschaltung 279 8.2 Kaskadenregelung 281 9 Grundlagen der elektrischen Steuerungstechnik 285 9.1 Schalt-, Melde- und Stellgeräte 290 9.1.1 Schaltglieder 290 9.1.2 Daten und Einteilungen von Schaltgeräten 292 9.1.3 Handschalter 294 9.1.4 Grenzschalter 297 9.1.4.1 Endschalter 297 9.1.4.2 Temperaturwächter und Temperaturbegrenzer 298 9.1.4.3 Bimetallüberstromrelais 299 9.1.4.4 Strömungswächter 301 9.1.4.5 Druck-und Differenzdruckwächter 302 9.1.4.6 Niveauwächter 302 9.1.5 Sicherungen und Schutzschalter 304 9.1.5.1 Schmelzsicherungen 304 9.1.5.2 Leitungsschutzschalter 305 9.1.5.3 Leistungsschalter 307 9.1.5.4 Motorschutzschalter 307 9.1.5.5 Fehlerstromschutzschalter 308
9.1.6 Relais und Schütz 308 9.1.7 Remanenzschütz und verklinktes Hilfsschütz 311 9.1.8 Relais mit Zeitfunktionen und Programmgeber 311 9.1.8.1 Zeitrelais 311 9.1.8.2 Wischrelais 313 9.1.8.3 Programmgeber 313 9.1.9 Meldegeräte 314 9.1.10 Magnetantriebe und Stellmotoren 314 9.2 Schaltungsunterlagen 317 9.2.1 Übersichtsschaltplan 317 9.2.2 Stromlaufplan 318 9.2.3 Verdrahtungsplan 318 9.2.4 Regeln für die Erstellung von Stromlaufplänen in aufgelöster Form 320 9.2.4.1 Struktur 320 9.2.4.2 Zeichenregeln 320 9.2.4.3 Methodik beim Entwurf von Stromlaufplänen 321 9.2.4.4 Kennzeichnungen in Stromlaufplänen 322 9.2.5 Vorschriften und Empfehlungen 325 9.2.6 Rechnerunterstützte Erstellung von Schaltungsunterlagen 328 9.3 Allgemeine Grundschaltungen 329 9.3.1 Logische UND-und ODER-Schaltungen 329 9.3.2 Dauer- und Impulsbefehlsgabe 329 9.3.3 Selbsthalteschaltlungen 330 9.3.4 Befehlsgabe von mehreren Stellen 331 9.3.5 Folgeschaltungen 331 9.3.6 Signalvervielfachung 332 9.3.7 Verriegelungsschaltungen 332 9.3.7.1 Verriegelung über Tasterkontakte 333 9.3.7.2 Verriegelung über Schützkontakte 333 9.3.8 Einfache Meldeschaltungen für Betriebs- und Störungsanzeigen 334 9.3.8.1 Optische Anzeige von Betriebszuständen 334 9.3.8.2 Störungsspeicherung und Quittierung 335 9.3.8.3 Lampenprüfung 336 9.3.8.4 Akustische Sammelstörmeldung 336 9.3.9 Hand-Automatik-Umschaltung 337 9.4 Steuerschaltungen für Drehstrommotoren 338 9.4.1 Motorschutz 338 9.4.2 Drehrichtungsumsteuerung eines Drehstrommotors 341 9.4.3 Drehzahlumschaltungen bei Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren 342 9.4.3.1 Motor mit zwei getrennten Wicklungen 342 9.4.3.2 Motor mit umschaltbarer Wicklung nach Dahlander 344 9.4.3.3 Motoren mit drei und mehr Drehzahlen 345 9.4.4 Automatische Anlassschaltungen für Drehstrom-Asynchronmotoren 345 9.4.4.1 Stern-Dreieck-Umschaltung 346 9.4.4.2 Ständeranlasser mit Widerständen 347 9.4.4.3 Anlasstransformator 348 9.4.4.4 Elektronische Sanftanlaufgeräte 349 9.4.4.5 Anlassen von Schleifringläufermotoren 349 9.5 Spezielle Schaltungsbeispiele aus der Versorgungstechnik 351
XI 9.5.1 Steuerschaltungen für die Raumlufttechnik 351 9.5.1.1 Frostschutz 351 9.5.1.2 Ventilatorkeilriemen-und Strömungsüberwachung 352 9.5.1.3 Steuerung einer Klimaanlage 353 9.5.2 Steuerschaltungen für die Heizungstechnik 355 9.5.2.1 Steuergerät für einen Ölzerstäubungsbrenner 355 9.5.2.2 Doppelpumpensteuerung 359 9.5.3 Steuerschaltungen für die Wassertechnik 360 9.5.3.1 Steuerschaltung für zwei Brunnenpumpen 360 9.5.3.2 Druckerhöhungsanlage 361 9.5.4 Steuerschaltungen für die Kältetechnik 366 9.5.4.1 Sicherheitskette und Absaugsteuerung (pump out) 366 9.5.4.2 Betriebswechselschaltung für zwei Verdichter 368 9.5.5 Energiemanagement 369 9.6 Schaltschrank 371 9.6.1 Gehäuse 371 9.6.2 Geräteanordnung 373 9.6.3 Verdrahtung 375 9.6.4 Schutzmaßnahmen 378 9.6.4.1 Erdung 378 9.6.4.2 Überspannungsschutz 378 9.6.4.3 Explosionsschutz 378 10 Anwendungen 381 10.1 Regelung von Heizungsanlagen 381 10.1.1 Regelung von Wärmeerzeugern 388 10.1.1.1 Rücklauftemperaturregelung 388 10.1.1.2 Regelung von Mehrkesselanlagen 392 10.1.2 Regelung der Wärmeverteilung 397 10.1.2.1 Hydraulische Gnindschaltungen 397 10.1.2.2 Differenzdruckregelung mit einer Verteilnetzpumpe 401 10.1.2.3 Hinweise zu Stellgliedern 408 10.1.2.4 Hinweise zu elektronisch geregelten Pumpen 410 10.1.3 Einzelraumregelung mit Thermostatventilen 413 10.1.3.1 Thermostatventil und Heizungsanlagen-Verordnung 414 10.1.3.2 Thermostatventil als stetiger Regler 415 10.1.3.3 Auslegung von thermostatischen Heizkörperventilen 423 10.1.3.4 Auslegungsbeispiel 432 10.1.3.5 Auslegung mit Haustechnik-Software 444 10.1.3.6 Vergleich zwischen Hand-und automatisierter Auslegung 450 10.1.3.7 Graphische Ausgabe des Strangschemas 453 10.1.3.8 Auslegung von thermostatischen Heizkörperventilen nach VDI2073 454 10.1.4 Regelung von Fußbodenheizungen 455 10.1.4.1 Aufgabe und Wärmeleistung einer Fußbodenheizung 455 10.1.4.2 Regelung der Wärmeleistung einer Fußbodenheizung 457 10.1.4.3 Aufbau und Wirkungsweise von Einzelraumregelungen bei Fußbodenheizungen 459 10.1.5 Regelung von Fernheizungen 460
XII Inhaltsverzeichnis 10.1.5.1 Aufgabe und Aufbau von Fernheizungsanschlüssen 460 10.1.5.2 Druckverteilung in einer Heißwasser-Fernleitung 464 10.1.5.3 Dimensionierung einer geregelten Wasserstrahlpumpe 468 10.2 Regelung von Raumlufttechnischen Anlagen (RLT) 472 10.2.1 Regelung von Lüftungsanlagen 474 10.2.1.1 Zulufttemperaturregelung 476 10.2.1.2 Kaskadenregelung 478 10.2.1.3 Lüftungsanlagen im WS-Betrieb 479 10.2.1.4 Lüftungsanlagen mit Umluftbeimischung 481 10.2.2 Regelung von Klimaanlagen 482 10.2.2.1 Klimaanlage mit Luftwäscher 483 10.2.2.2 Klimaanlage mit Dampfbefeuchtung 489 10.2.3 Einzelraumregelung 492 10.3 Regelung in der Gasversorgung 498 10.3.1 Aufbau einer Gasdruckregelstrecke 498 10.3.2 Druckbereiche und Auswahlkriterien für Gasdruckregler 498 10.3.3 Gasdruckregelstrecken für verschiedene Druckbereiche 502 10.3.3.1 Gasdruckregelstrecken für Niederdrucknetze 502 10.3.3.2 Gasdruckregelstrecken für Mitteldrucknetze 503 10.3.4 Geräte für Gasdruckregelstrecken 505 10.3.4.1 Gasdruckregler 505 10.3.4.2 Sicherheitsabsperrventile 506 10.3.4.3 Sicherheitsabblaseventile 507 10.3.4.4 Gas-Magnetventile 508 10.3.4.5 Dichtheitskontrolle von Gas-Magnetventilen 508 10.4 Regelung in der solaren Wärmeversorgung 510 10.4.1 Einleitung 510 10.4.2 Regelungstechnische Einrichtungen 510 10.4.3 Einfache solare Systeme zur Brauchwassererwärmung 514 10.4.4 Solare Systeme zur Brauchwassererwärmung und Gebäudeheizung 515 10.5 Regelung von Wärmepumpenanlagen 517 10.5.1 Ein- und Ausschaltverfahren 517 10.5.2 Leistungsregelung bei Mehrzylinderverdichtern 519 10.5.3 Aufteilung der Leistung auf mehrere Verdichter 519 10.5.4 Drehzahlgeregelte Kolbenverdichter 520 10.5.5 Verdampferregelung 521 10.5.6 Sicherheitseinrichtungen 521 10.5.7 Beispielhafte Ausführung einer Wärmepumpenregelung 522 10.5.8 Monovalente Wärmepumpenheizanlage mit Fußbodenheizung 523 10.5.9 Kleinstwärmepumpen zur Warmwasserbereitung und Zulufterwärmung in Niedrigenergiehäusern 526 10.6 Regelung von Kälteanlagen 528 10.6.1 Verfahren zur Kälteerzeugung 528 10.6.2 Kreisprozess der Kompressionskältemaschine 528 10.6.3 Regelung der Kühlleistung 529 10.6.3.1 Regelung der Kälteleistung mit dem druckgeregelten Expansionsventil 530 10.6.3.2 Regelung der Kälteleistung mit dem thermostatischen Expansionsventil 531 10.6.3.3 Regelung der Kälteleistung mit elektronischen Expansionsventilen 532 Stichwortverzeichnis 535