Regel-Objekte (ab V3.0.0.0)¶

Die Objekte innerhalb der Rubrik "Regel-Objekt" simulieren verschiedene einfache Regelglieder. Durch geeignete Verschaltung können so auch umfangreichere Regelstrecken simuliert werden.

Die Objekte können ebenfalls dazu verwendet werden, das Verhalten der in PLC-Lab umgesetzten Simulationen realitätsnaher zu gestalten. So kann beispielsweise das PT1-Glied für die Simulation eines Ventils oder eines thermischen Vorgangs verwendet werden. Die Verschaltung der einzelnen Objekte kann man über deren Eingänge und Ausgänge realisieren, indem beispielsweise der Ausgangsoperand des ersten Regel-Objekts für den Eingang des zweiten Regel-Objekts verwendet wird.

Folgende Regel-Objekte stehen dabei zur Verfügung:

PT1-Objekt
PT1-Asymmetrisch-Objekt
PT2-Aperiodisch-Objekt
PT2-Oszillierend-Objekt
PT3-Objekt
PDT1-Objekt
I-Objekt
IT1-Objekt
Totzeit-Objekt
DT1-Objekt

PT1-Objekt¶

Bei dem PT1-Objekt handelt es sich um ein proportionales Übertragungsglied mit einer Verzögerung erster Ordnung. Ein PT1-Element wird beispielsweise zur Simulation eines Temperaturverlaufs verwendet. Oder aber zur Simulation eines Ventils.

Sprungantwort des PT1-Objekts¶

Nachfolgend ist die Sprungantwort des PT1-Objekts zu sehen:

PT1-Asym-Objekt¶

Bei dem PT1-Asym-Objekt handelt es sich um ein proportionales Übertragungsglied mit einer Verzögerung erster Ordnung, welches eine PT1-Strecke mit unterschiedlichem Zeitverhalten bei positiver und negativer Anregung unterstützt. Es handelt sich also um eine unsymmetrische PT1-Strecke. Im Gegensatz zum PT1-Objekt besteht die Übertragungsfunktion des PT1-Asym-Objekts aus zwei verschiedenen PT1-Elementen für die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Istwertes. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn bei einem thermischen Vorgang das Aufheizen und Abkühlen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten versehen werden sollen.

Sprungantwort des PT1-Asym-Objekts¶

Nachfolgend ist die Sprungantwort des PT1-Asym-Objekts zu sehen:

PT2-Aperiodisch-Objekt¶

Mit Hilfe des PT2-Aperiodisch-Objekt kann eine PT2-Strecke mit einem Dämpfungsfaktor >1 realisiert werden. Dies bedeutet, die Strecke befindet sich im aperiodischen Fall, in dem kein Überschwingen auftritt. Anwendungsmöglichkeiten für aperiodische PT2-Glieder können mechanische Systeme sein, die eine gedämpfte Bewegung ohne Schwingung aufweisen. Dies könnte beispielsweise bei der Simulation von stark gedämpften Stoßdämpfern oder bestimmten Arten von Dämpfungssystemen der Fall sein.

Sprungantwort des PT2-Aperiodisch-Objekts¶

PT2-Oszillierendes-Objekt¶

Mit Hilfe des PT2-Oszillierendes-Objekt kann eine PT2-Strecke mit einem Dämpfungsfaktor <1 realisiert werden. Dies bedeutet, die Strecke befindet sich im periodischen Fall, in dem ein Überschwingen auftritt. Ein periodisches PT2-Glied kann zur Simulation mechanischer Systeme verwendet werden, die eine Hub- oder Drehbewegung ausführen und schwingfähig sind. Beispiele für solche Systeme könnten sein:

Feder-Masse-Systeme mit geringer Dämpfung
Schwingungsfähige Pendel
Bestimmte Arten von Stoßdämpfern
Mechanische Resonatoren

Sprungantwort des PT2-Oszillierend-Objekts¶

PT3-Objekt¶

Beim PT3-Objekt handelt es sich um ein Verzögerungsglied 3. Ordnung. Es besteht intern aus der seriellen Verschaltung von drei PT1-Objekten. Ein PT3-Glied kann zur Simulation verschiedener Systeme verwendet werden, insbesondere solcher mit mehreren Speicherelementen oder komplexeren Verzögerungsverhalten. Einige Anwendungsmöglichkeiten sind:

Temperaturstrecken mit mehreren Speicherelementen: Ein PT3-Glied eignet sich hervorragend zur Simulation von Temperaturstrecken, bei denen mehrere thermische Massen beteiligt sind, was zu einer komplexeren Verzögerungsdynamik führt.
Mechanische Systeme mit mehreren gekoppelten Massen: Das PT3-Glied kann verwendet werden, um Systeme zu modellieren, bei denen mehrere Massen durch Federn und Dämpfer miteinander verbunden sind.
Komplexe Prozesse in der chemischen Industrie: In der Verfahrenstechnik können PT3-Glieder eingesetzt werden, um Prozesse mit mehreren hintereinandergeschalteten Reaktoren oder Mischbehältern zu simulieren.
Hydraulische oder pneumatische Systeme: Komplexe Flüssigkeits- oder Gasströme durch mehrere Behälter oder Leitungen können mit einem PT3-Glied modelliert werden.

Sprungantwort des PT3-Objekts¶

PDT1-Objekt¶

Ein PDT1-Objekt erlaubt die Realisierung des Verhaltens eines allgemeinen rationalen Elements erster Ordnung. Ein PDT1-Glied kann somit zur Simulation verschiedener Systeme verwendet werden, die eine Kombination aus proportionalem, differenzierendem und verzögerndem Verhalten aufweisen. Typische Anwendungen sind:

Regelstrecken mit Vorhalt: Das PDT1-Glied eignet sich zur Modellierung von Systemen, die eine schnelle Anfangsreaktion zeigen, gefolgt von einer verzögerten Annäherung an den Endwert.
Mechanische Systeme mit Dämpfung und Elastizität: Beispielsweise kann ein Feder-Masse-Dämpfer-System mit einem PDT1-Glied approximiert werden, wobei die Feder das differenzierende, die Masse das verzögernde und der Dämpfer das proportionale Verhalten repräsentiert.
Temperaturregelungen mit Vorsteuerung: In Prozessen, bei denen eine schnelle Anfangsreaktion auf Temperaturänderungen erforderlich ist, kann ein PDT1-Glied zur Modellierung der Regelstrecke verwendet werden.
Servomotoren mit Positionsrückmeldung: Die Dynamik eines Servomotors, der sowohl auf die Position als auch auf die Geschwindigkeit reagiert, kann oft durch ein PDT1-Glied angenähert werden.
Chemische Reaktoren mit Vorsteuerung: In der Verfahrenstechnik können PDT1-Glieder zur Modellierung von Reaktoren verwendet werden, bei denen eine schnelle Anfangsreaktion auf Änderungen der Eingangsgrößen erfolgt, gefolgt von einer langsameren Anpassung.

Sprungantwort des PDT1-Objekts¶

I-Objekt¶

Das I-Objekt kommt zum Einsatz, wenn man eine einfache integrierende Strecke simulieren möchte. Typischerweise ist dies bei einer Füllstandsstrecke mit einem Behälter der Fall. Ein I-Objekt wird somit verwendet bei:

Füllstandsregelung: Simulation des Füllstands in einem Behälter, bei dem die Zuflussrate die Änderungsgeschwindigkeit des Füllstands bestimmt.
Geschwindigkeitsregelung: Modellierung der Geschwindigkeit eines Objekts, bei der die Beschleunigung als Eingangsgröße dient.
Positionsregelung: Simulation der Position eines Objekts, wobei die Geschwindigkeit als Eingangsgröße fungiert.

Sprungantwort des I-Objekts¶

IT1-Objekt¶

Mit dem IT1-Objekt realisiert man einen verzögerten Integrator. Mit diesem Übertragungsglied können verschiedene Systeme und Prozesse simuliert werden, die sowohl integrierendes als auch verzögerndes Verhalten aufweisen.

Füllstandsregelung mit Verzögerung: Simulation eines Tanks, bei dem der Zufluss den Füllstand beeinflusst, aber eine Verzögerung durch die Rohrleitungen auftritt.
Temperaturregelung in thermischen Systemen: Modellierung von Heiz- oder Kühlprozessen, bei denen die Temperaturänderung sowohl integrierend als auch verzögert erfolgt.
Chemische Reaktoren: Simulation von Reaktoren, bei denen die Konzentration eines Stoffes sowohl durch Zufuhr (Integration) als auch durch Verzögerungseffekte beeinflusst wird.
Druckregelung in pneumatischen Systemen: Modellierung von Druckänderungen in Behältern oder Leitungen mit Verzögerungseffekten.
Positionsregelung mit Trägheit: Simulation von Positionierungssystemen, bei denen die Geschwindigkeit integriert wird, aber eine Verzögerung durch Massenträgheit auftritt.
Fahrzeugdynamik: Modellierung der Geschwindigkeitsänderung eines Fahrzeugs unter Berücksichtigung von Beschleunigung (Integration) und Verzögerungseffekten durch Luftwiderstand.

Sprungantwort des IT1-Objekts¶

Totzeit-Objekt¶

Das Totzeit-Objekt simuliert eine Totzeit. Es kann zur Simulation verschiedener Systeme und Prozesse verwendet werden, bei denen eine zeitliche Verzögerung zwischen Eingangssignal und Reaktion auftritt.

Transportprozesse: Simulation von Förderbändern oder Rohrleitungssystemen, bei denen Material oder Flüssigkeiten mit einer bestimmten Verzögerung ankommen.
Signalübertragung: Modellierung von Verzögerungen in Kommunikationssystemen oder Netzwerken.
Chemische Reaktoren: Simulation von Verzögerungen zwischen der Zugabe von Reagenzien und dem Beginn der Reaktion.
Prozesssteuerung: Modellierung von Verzögerungen in industriellen Prozessen, z.B. bei Temperatur-, Druck- oder Durchflussregelungen.

Ein Totzeit-Glied unterscheidet sich von einem Verzögerungsglied dadurch, dass es ein Eingangssignal um eine konstante Zeitspanne verzögert, bevor eine Reaktion erfolgt, während ein Verzögerungsglied das Signal dynamisch im Zeitverlauf verändert.

Sprungantwort des Totzeit-Objekts¶

DT1-Objekt¶

Das DT1-Glied (Differenzierglied mit Verzögerung 1. Ordnung) kommt bei Systemen und Prozessen zum Einsatz, die ein differenzierendes Verhalten mit einer Verzögerung aufweisen.

Sensorsysteme: Simulation von Beschleunigungssensoren oder Drucksensoren, die schnelle Änderungen erfassen, aber eine gewisse Trägheit aufweisen.
Regelungstechnik: Modellierung von Vorsteuerungen oder Störgrößenaufschaltungen in Regelkreisen.

Das DT1-Glied eignet sich besonders für Systeme, die schnell auf Änderungen reagieren sollen, aber aufgrund physikalischer Begrenzungen eine gewisse Trägheit aufweisen. Es kombiniert die Eigenschaften eines Differenzierglieds (schnelle Reaktion auf Änderungen) mit denen eines Verzögerungsglieds (Begrenzung der Reaktionsgeschwindigkeit).

Sprungantwort des DT1-Objekts¶

Beispiel mit PT1-Objekten¶

Nachfolgend ist das Anlagenbeispiel mit einem Flüssigkeitsbehälter zu sehen.

Der Behälter besitzt einen Zulauf und einen Ablauf, welche jeweils mit einem Ventil versehen sind. Das Verhalten der Ventile wird jeweils über ein PT1-Objekt simuliert. Dabei dient der Bitoperand von welchem das Ventil geschaltet wird, als Eingangswert des PT1-Objekts. Beim Ventil im Zulauf des Behälters ist dies der Operand mit der Bezeichnung "SignalSupplyValve".

Der Verstärkungsfaktor des PT1-Objekts wird auf den Wert 100 gesetzt, damit füllt der Zulauf den Behälter um max. 100 Inkremente. Am Ausgang des PT1-Objekts wird ein Wort-Operand mit der Bezeichnung "Supply" angegeben.

Nun zum PT1-Objekt, welches für den Ablauf des Behälters sorgt. Das Ventil des Ablaufs wird über den Bitoperanden "SignalDrainValve" beeinflusst, weshalb dieser Operand am Eingang des zweiten PT1-Objekts angegeben ist. Der Verstärkungsfaktor ist identisch mit dem Zulauf und wird somit ebenfalls mit der Konstanten 100 belegt. Der Abfluss entnimmt somit max. 100 Inkremente vom Füllstand des Behälters. Am Ausgang des PT1-Objekts für den Ablauf wird ein Wort-Operand mit der Bezeichnung "Drain" angegeben.

Am Flüssigkeitsobjekt werden die beiden Wortoperanden für den Zulauf ("Supply") und den Abfluss ("Drain") angegeben. Der aktuelle Füllstand ist in den Wortoperanden "FillLevel" zu schreiben.

Für die Visualisierung der Operandenwerte kommen Chart-Objekte zum Einsatz. Das Chart-Objekt befindet sich innerhalb der Rubrik "Anzeige-Objekte". In der nachfolgenden Darstellung ist die Simulation in Aktion zu sehen.

Fazit¶

Das Beispiel zeigt den Einsatz von PT1-Objekten zur Simulation von Ventilen. In der Realität bieten Ventil nach dem Befehl zum Öffnen nicht sofort den maximalen Öffnungsgrad. Dies wird mit Hilfe der PT1-Objekte simuliert.