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Temperaturregelung mit PI-Regler

(Mit Frequenzumrichter Movitrac)

Die heute angebotenen Frequenzumrichter stellen in den meisten Fällen viele zusätzliche Funktionen, Betriebsarten, Applikationsmodule etc. zur Verfügung, die es ermöglichen, die externe Ansteuerung zu reduzieren oder ganz auf sie zu verzichten. In dem Versuch kommt der Frequenzumrichter Movitrac der Firma SEW zum Einsatz. Der Umrichter verfügt über einen integrierten PI-Regler, den wir für Temperaturregelung nutzen werden.
In einem Versuchstunnel positionieren wir einen Temperatursensor, der die dort aktuell herrschende Temperatur messen soll. Unter dem Sensor wird eine Heizfolie angebracht, die für die Erwärmung der Luft in dem Tunnel zuständig ist. Am Ausgang des Tunnels befindet sich ein Lüfter, der durch Luftabzug für entsprechende Kühlung sorgen soll. Der selbst gebastelte Lüfter besteht aus einem Propeller und einem 3 Phasen Motor, der von dem Movitrac-Umrichter angetrieben wird.
Die Aufgabe des PI-Reglers besteht darin, bei permanent eingeschalteter Heizung die Drehzahl des Motors und damit die Kühlung so einzustellen, dass in dem Versuchstunnel eine konstante, von uns vorgegebene Temperatur erreicht und gehalten wird. Die Versuchsanordnung sieht wie folgt aus:

Versuchsanordnung

Sollwert

Der PI-Regler (Bei einem PI-Regler handelt es sich um einen PID-Regler ohne Differenzialanteil) benötigt natürlich einen Sollwert. Dazu ist es notwendig, einige Messungen in unserem Versuchstunnel durchzuführen. Ohne Kühlung und bei eingeschalteter Heizung erwärmt sich die Luft im Tunnel bei Zimmertemperatur (20°C) beginnend bis auf nahezu 45°C. Bei eingeschalteter Heizung und laufendem Lüfter fällt die Temperatur bis auf 23°C. Der Sollwert, damit das Experiment durchführbar ist, muss demnach im Bereich 23°C bis 45°C liegen. Für den Versuch legen wir einen Sollwert von 30°C fest.

Thermometer

Bei dem Thermometer handelt es sich um eine selbst gebaute Messeinrichtung, die mehrere Aufgaben erfüllt. Zunächst wird die Temperatur gemessen und angezeigt. Bei dem Fühler handelt es sich um einen 10kOhm NTC. Darüber hinaus werden die Messdaten auf einer SD-Karte gespeichert. Dank dessen können wir zu späterem Zeitpunkt die Ergebnisse grafisch darstellen. Zusätzlich verfügt der Thermometer über einen analogen Ausgang. Das Signal wird als Feedback für den PI-Regler verwendet. Die gesamte Messeinrichtung basiert auf dem Mikrocontroller Arduino Uno. Die weiterführenden Links zu dem Thema Thermometer:

NTC-Temperaturfühler 10 kOhm

Heizung

Mit der Heizfolie wird die Temperatur in dem Versuchstunnel angehoben. Die Heizfolie arbeitet mit 12V und hat eine Leistung von 12 Watt.

Motor mit Propeller

Als Kühler fungiert in der Schaltung ein 3 Phasen Motor mit einem Propeller, der an der Welle des Motors angebracht ist. Je nachdem, was der PI-Regler anordnet, dreht sich der Motor mit einer anderen Geschwindigkeit und kühlt die Luft in unserem Versuchstunnel. Der Propeller stammt aus einem defekten Lüfter eines Frequenzumrichters.

Spannungsregler

Der Spannungsregler regelt die Eingangsspannung von 15V auf 12 V herunter. Das ist die nominale Spannung der Heizfolie.

Frequenzumrichter

Bei dem Frequenzumrichter handelt es sich um ein Produkt der Firma SEW. Der Movitrac mit Bestellungsnummer MC07B0004-2B1-4-00 hat 0,37 KW und wird mit 230 V eingespeist.

Parameter

Damit der Umrichter seine Aufgabe erfolgreich bewältigen kann, muss er passend parametriert werden. Die Parametrierung kann auf mehreren Wegen erfolgen. Manuelle Eingabe der Parameter ist ebenfalls möglich. Hier verwenden wir die SEW-Software Movitools MotionStudio, die eine gute Übersicht über alle Parameter und Einstellungen bittet. Die für uns relevanten Parameter sind:
P802 – Falls es sich um einen gebrauchten Umrichter handelt, ist es meistens ratsam, das Gerät auf Werkseinstellungen zurückzusetzen. Das kann mit dem Parameter P802 erfolgen.

Mit dem Parameter P250 wird der PI-Regler aktiviert. Je nachdem, wie der Istwert ausgewertet werden soll, wird der Regler mit „Normal“ oder „Invertiert“ zugeschaltet.
Zwei weitere Parameter, P251 und P252, bestimmen die Funktionalität des Reglers. Das Einstellen der beiden Parameter kann zu einer wahren Herausforderung werden. Sie wurden in diesem Fall nach mehreren Testversuchen ermittelt.

Mit dem Parameter P163 wird der Sollwert voreingestellt. Die prozentuale Eingabe bezieht sich auf 10V, die am analogen Eingang des Umrichters ankommen können. Die Eingabe 28 bedeutet, dass der Sollwert bei 2,8 V liegt. Das ist nämlich die Spannung, die der Thermometer bei einer Temperatur von 30°C an seinen analogen Ausgang liefert. Der analoge Ausgang des Thermometers wird in dem Versuch mit dem analogen Eingang des Umrichters verbunden. Auf diesem Weg erhält der PI-Regler Informationen über die aktuelle Temperaturlage.

Der Parameter P100 wird auf „Unipolar/Festsollwert“ eingestellt. Da wir hier die Steuerung des Umrichters über die Klemmen realisieren, wird der Parameter P101 entsprechend auf „Klemmen“ eingestellt.

Die Belegung der Binäreingänge bleibt bezogen auf Werkseinstellungen unverändert. Hier müssen wir nur wissen, dass der PI-Regler den Sollwert erst dann übernimmt, wenn der Eingang DI04 (P603) auf HIGH steht.

Schaltplan

Schaltplan

Testschaltung

Auf dem Bild sehen wir in der Mitte den Versuchstunnel. Dort ist im unteren Bereich die Heizung angebracht. In der Mitte befindet sich der Temperaturfühler, der an den Thermometer angeschlossen ist. Auf der linken Seite stehen der Motor und Frequenzumrichter. Sobald der Motor anläuft, wird die Luft in dem Versuchstunnel abgekühlt. Die Luft strömt dann von rechts nach links. Der in dem Frequenzumrichter integrierte PI-Regler bestimmt, wie stark gekühlt wird, damit sich im Tunnel die gewünschte Solltemperatur einstellt.

Ergebnisse

Die grafische Darstellung der gesammelten Daten auf der SD-Karte zeigt, wie der PI-Regler in dem Versuch seine Aufgabe erfüllt hat. Die ursprüngliche Abweichung von der Soll-Temperatur wurde erfolgreich ausgeregelt und anschließend die Temperatur auf konstantem Niveau gehalten.

Kurzvideo

Kurzvideo

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