Kooperationsprojekt mit Prof. Dr. Scheuring,
Institut für Automation & Industrial IT - FH Köln
Die optimale Einstellung von Temperatur- und Luftfeuchtereglern in Klimakammern, Nitrieröfen und anderen Geräten stellt ein beständiges Problem dar. An derartige Regelungen werden zunehmend strengere Anforderungen hinsichtlich Regelgüte und -qualität gestellt. Mithilfe der üblichen Einstellverfahren sind diese Regelungsarten zunehmend schwierig, langwierig und nur ungenau einzustellen.
Klimakammern beispielsweise müssen anhand von zwei, sich gegenseitig beeinflussenden Größen, geregelt werden: nach der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Es handelt sich um ein klassisches Mehrgrößensystem. Wirkt man auf die Regelgröße der Temperatur ein, so manipuliert man unbeabsichtigt die Regelgröße der Luftfeuchtigkeit nachteilig und umgekehrt.
Regelungen von Nitrieröfen hingegen müssen nach bestimmten Sollwertkurven für Temperatur, Druck und Gaskonzentration abgefahren werden. Hierbei sollten bestimmte Toleranzen eingehalten werden, der Istwert der jeweiligen Regelgröße darf also nur einen gewissen Prozentsatz vom aktuell vorgegebenen Sollwert abweichen. Eine Schwierigkeit besteht außerdem darin, dies auch für unterschiedliche Beladungen genau einzuhalten. Vor allem, da sich mit Größe und Zusammensetzung der Beladung des Ofens praktisch auch die Regelstrecke ändert und damit auch die optimalen Reglerparameter. In der Praxis werden bislang klassische PID-Regler verwendet, die einmalig, bei der Inbetriebnahme, nach den bekannten Einstellregeln für bestimmte Ofentypen und Beladungskonzentrationen parametriert werden. Weitere Einstellungen erfolgen manuell, womit vorhandenes Potenzial zur Optimierung nicht genutzt wird. Die Anzahl der möglichen Anwendungsszenarien sowie der Randbedingungen ist praktisch beliebig hoch, was die Entwicklung einer allgemein verwendbaren Lösung erschwert.
Durch die Forschung wurde in den letzten Jahren speziell in der Regelung von Klimakammern Fortschritte erzielt und vor allem in der Reduktion des Energieverbrauchs Erfolge errungen. Als einer dieser möglichen methodischen Ansätze zur Lösung des Problems sei hier beispielhaft die modellprädiktive Regelung erwähnt.
In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Stange Elektronik GmbH, welches in Gummersbach ansässig ist und u.a. Regelungssysteme für Nitrieröfen seiner Kunden entwickelt, wurde dieser Ansatz durch das GECO►C Team erforscht. Ziel war die Nutzung des vorhandenen Optimierungspotenzials.
Bei modellprädiktiven Regelungen wird anhand eines vorliegenden Streckenmodells der ideale Verlauf der Stellgröße mathematisch berechnet. Solche Systeme eignen sich unter anderem zur Regelung von Mehrgrößensystemen und Systemen mit auffälliger Totzeit. Eine hohe Qualität des vorliegenden Streckenmodells ist zur einwandfreien Funktion dieses Verfahrens von großer Bedeutung.
Auf Wunsch wurde hierbei nicht nur der aktuelle Sollwert berücksichtigt, sondern auch ganze zukünftige Sollwertverläufe in die Rechnung mit einbezogen, was bei der vorliegenden Problematik von Vorteil sein könnte.
