Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik

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Das Buch hilft Studierenden des Fachgebiets Versorgungstechnik dabei, sich regelungs- und steuerungstechnische Grundlagen anzueignen. In der Praxis der für Planung, Ausführung und Betrieb verantwortlichen Ingenieure gibt es wichtige Hinweise zu den anlagen- und regelungstechnischen Zusammenhängen für den Entwurf, die Inbetriebnahme und den Betrieb versorgungstechnischer Anlagen. Ziel ist es, Energieeinsparung und Komfortbedürfnisse optimal aufeinander abzustimmen, um den bestmöglichen Betriebsablauf bei geringstem Energieverbrauch zu erreichen. Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik Vorwort zur 8. Auflage Beiträge und Autoren Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Regelungs- und Steuerungstechnik 1.1 Begriffe und Benennungen 1.1.1 Regelung 1.1.2 Regelstrecke 1.1.3 Regeleinrichtung 1.1.4 Regelkreis 1.1.5 Steuerung 1.1.6 Folgeregelung 1.2 Wirkungspläne 1.3 Weitere Beispiele für Regelkreise 1.4 Literatur 2 Beharrungs- und Zeitverhalten von Regelkreisgliedern 2.1 Einführung 2.2 Beharrungsverhalten (statisches Verhalten) von Regelkreisgliedern 2.3 Zeitverhalten (dynamisches Verhalten) von Regelkreisgliedern 2.3.1 Proportionalglied, P-Glied, P-Verhalten 2.3.2 Verzögerungsglied 1. Ordnung, PT1-Glied, PT1-Verhalten 2.3.3 Integrierendes Verhalten, I-Verhalten, I-Glied 2.3.4 Differenzierendes Verhalten, D-Verhalten, D-Glied 2.3.5 D-Glied mit Verzögerung 1. Ordnung, DT1-Glied, DT1-Verhalten 2.3.6 Totzeitglied, Tt-Glied, Totzeitverhalten 3 Regelstrecken 3.1 Abgrenzung der Regelstrecke 3.2 Kennwerte von Regelstrecken 3.2.1 Übertragungsverhalten von Regelstrecken 3.2.2 Bestimmung der Zeitkennwerte von Regelstrecken 3.2.3 Bestimmung des Übertragungsbeiwertes von Regelstrecken 3.3 Regelstrecken mit Ausgleich 3.3.1 Kennlinie und Übertragungsbeiwert 3.3.2 Linearisierung der Regelstreckenkennlinie 3.3.3 Einfluss von Störungen auf P-Regelstrecken 3.4 Regelstrecken ohne Ausgleich 3.5 Dynamisches Verhalten von Regelstrecken 3.5.1 Physikalische Ursachen und Klassifikationsschema 3.5.2 P-Strecken 0. Ordnung (PT0-Strecken) 3.5.3 P-Strecken mit Totzeit (PTt-Strecken) 3.5.4 P-Strecken 1. Ordnung (PT1-Strecken) 3.5.5 P-Strecken 1. Ordnung mit Totzeit (PT1Tt-Strecken) 3.5.6 P-Strecken höherer Ordnung (PTn-Strecken) 3.6 Schwierigkeitsgrad und Regelbarkeit von Regelstrecken 3.7 Literatur 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 Pneumatische Regler 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 Thermoantrieb, thermoelektrischer Stellantrieb 4.6.3 Elektromagnetische Stellantriebe 4.6.4 Pneumatische Stellantriebe 4.6.5 Stellantriebe mit Positionsregelung 4.7 Literatur 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 Literatur 5.2 Geregelte Strahlpumpen 5.2.1 Aufbau, Wirkungsprinzip 5.2.2 Hydraulische Schaltung, Massen- und Energiebilanz der Strahlpumpe 5.2.3 Regelungsprinzip 5.2.4 Vergleich von Mengen-, Mischungs- und Strahlpumpenregelung 5.2.5 Einsatzfälle 5.2.5.1 Verteilnetze mit parallelen Mischkreisen 5.2.5.2 Große Verteilnetze mit Drosselventilen und Mengenregelung 5.2.6 Modell der geregelten Strahlpumpe 5.2.7 Dimensionierung und erforderliche Primärdruckdifferenz 5.2.8 Kennlinienfeld der Strahlpumpe und Netzkennlinien 5.2.9 Regelverhalten der Strahlpumpe bei konstanter Netzkennlinie 5.2.10 Mischtemperaturregelung mit Strahlpumpe bei mengengeregelten Verbraucherkreisen 5.2.11 Regelverhalten der Strahlpumpe bei ansteigendem Primärdruck 5.2.12 Schlussfolgerungen für Planung und Inbetriebnahme 5.2.13 Literatur 5.3 Pumpen und Ventilatoren als Stellgeräte 5.3.1 Pumpen- und Ventilatorantriebe 5.3.2 Drehzahlverstellung von Pumpen- und Ventilatorantrieben 5.3.3 Kennlinienfelder und hydraulische Leistung 5.3.4 Steuerung und Regelung von Pumpen und Ventilatoren 5.3.5 Regelung von Pumpen/Ventilatoren in Netzen mit Drosselorganen 6 Der geschlossene Regelkreis 6.1 Der geschlossene Regelkreis als schwingungsfähiges System 6.1.1 Frequenzgang 6.1.2 Schwingungen in einem Regelkreis 6.1.3 Stabilitätskriterien 6.1.3.1 Stabilitätskriterium von Nyquist 6.1.3.2 Stabilitätsreserve 6.1.4 Berechnung der Parameter eines Regelkreises 6.1.5 Grundsätzlich stabile oder instabile Regelkreise 6.1.6 Bode-Diagramm 6.1.7 Stabilitätskurve 6.2 Der geschlossene Regelkreis als statisches System 6.2.1 Regelkreis mit linearen Regelstreckenkennlinien 6.2.2 Regelkreis mit nichtlinearen Regelstreckenkennlinien 6.2.3 Stabilisierung durch Verkleinern des Regelbereiches 6.3 Der geschlossene Regelkreis als dynamisches System 7 Einstellregeln 7.1 Einführung 7.2 Gütemaße 7.3 Einstellregeln 7.3.1 Beispielregelkreis 7.3.2 Einstellregeln nach Ziegler und Nichols 7.3.3 Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick 7.3.4 Auswirkungen der Reglerparameter beim PID-Regler 7.4 Literatur 8 Erweiterte Regelkreisschaltungen 8.1 Störgrößenaufschaltung 8.2 Kaskadenregelung 8.3 Literatur 9 Grundlagen der elektrischen Steuerungstechnik 9.1 Schalt-, Melde- und Stellgeräte 9.1.1 Schaltglieder 9.1.2 Daten und Einteilungen von Schaltgeräten 9.1.3 Handschalter 9.1.4 Grenzschalter 9.1.4.1 Endschalter 9.1.4.2 Temperaturwächter und Temperaturbegrenzer 9.1.4.3 Bimetallüberstromrelais 9.1.4.4 Strömungswächter 9.1.4.5 Druck- und Differenzdruckwächter 9.1.4.6 Niveauwächter 9.1.5 Sicherungen und Schutzschalter 9.1.5.1 Schmelzsicherungen 9.1.5.2 Leitungsschutzschalter 9.1.5.3 Leistungsschalter 9.1.5.4 Motorschutzschalter 9.1.5.5 Fehlerstromschutzschalter (RCD) 9.1.6 Relais und Schütz 9.1.7 Remanenzschütz und verklinktes Hilfsschütz 9.1.8 Relais mit Zeitfunktionen und Programmgeber 9.1.8.1 Zeitrelais 9.1.8.2 Wischrelais 9.1.8.3 Programmgeber 9.1.9 Meldegeräte 9.1.10 Magnetantriebe und Stellmotoren 9.2 Schaltungsunterlagen 9.2.1 Übersichtsschaltplan 9.2.2 Stromlaufplan 9.2.3 Verdrahtungsplan 9.2.4 Regeln für die Erstellung von Stromlaufplänen in aufgelöster Form 9.2.4.1 Struktur 9.2.4.2 Zeichenregeln 9.2.4.3 Methodik beim Entwurf von Stromlaufplänen 9.2.4.4 Kennzeichnungen in Stromlaufplänen 9.2.5 Vorschriften und Empfehlungen 9.2.6 Rechnerunterstützte Erstellung von Schaltungsunterlagen 9.3 Allgemeine Grundschaltungen 9.3.1 Logische UND- und ODER-Schaltungen 9.3.2 Dauer- und Impulsbefehlsgabe 9.3.3 Selbsthalteschaltungen 9.3.4 Befehlsgabe von mehreren Stellen 9.3.5 Folgeschaltungen 9.3.6 Signalvervielfachung 9.3.7 Verriegelungsschaltungen 9.3.7.1 Verriegelung über Tasterkontakte 9.3.7.2 Verriegelung über Schützkontakte 9.3.8 Einfache Meldeschaltungen für Betriebs- und Störungsanzeigen 9.3.8.1 Optische Anzeige von Betriebszuständen 9.3.8.2 Störungsspeicherung und Quittierung 9.3.8.3 Lampenprüfung 9.3.8.4 Akustische Sammelstörmeldung 9.3.9 Hand-Automatik-Umschaltung 9.4 Steuerschaltungen für Drehstrommotoren 9.4.1 Motorschutz 9.4.2 Drehrichtungsumsteuerung eines Drehstrommotors 9.4.3 Drehzahlumschaltungen bei Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren 9.4.3.1 Motor mit zwei getrennten Wicklungen 9.4.3.2 Motor mit umschaltbarer Wicklung nach Dahlander 9.4.3.3 Motoren mit drei und mehr Drehzahlen 9.4.4 Automatische Anlassschaltungen für Drehstrom-Asynchronmotoren 9.4.4.1 Stern-Dreieck-Umschaltung 9.4.4.2 Ständeranlasser mit Widerständen 9.4.4.3 Anlasstransformator 9.4.4.4 Elektronische Sanftanlaufgeräte 9.4.4.5 Anlassen von Schleifringläufermotoren 9.5 Spezielle Schaltungsbeispiele aus der Versorgungstechnik 9.5.1 Steuerschaltungen für die Raumlufttechnik 9.5.1.1 Frostschutz 9.5.1.2 Ventilatorkeilriemen- und Strömungsüberwachung 9.5.1.3 Steuerung einer Klimaanlage 9.5.2 Steuerschaltungen für die Heizungstechnik 9.5.2.1 Steuergerät für einen Ölzerstäubungsbrenner 9.5.2.2 Doppelpumpensteuerung 9.5.3 Steuerschaltungen für die Wassertechnik 9.5.3.1 Steuerschaltung für zwei Brunnenpumpen 9.5.3.2 Druckerhöhungsanlage 9.5.4 Steuerschaltungen für die Kältetechnik 9.5.4.1 Sicherheitskette und Absaugsteuerung (pump out) 9.5.4.2 Betriebswechselschaltung für zwei Verdichter 9.5.5 Energiemanagement 9.6 Schaltschrank 9.6.1 Gehäuse 9.6.2 Geräteanordnung 9.6.3 Verdrahtung 9.6.4 Schutzmaßnahmen 9.6.4.1 Erdung 9.6.4.2 Überspannungsschutz 9.6.4.3 Explosionsschutz 9.7 Literatur 10 Anwendungen: Regelung von Heizanlagen 10.1 Regelung von Wärmeerzeugern 10.1.1 Kesseltemperaturregelung 10.1.2 Vorlauftemperaturregelung, konstanter Volumenstrom 10.1.3 Rücklauftemperaturregelung, konstanter Volumenstrom 10.1.4 Mehrere Wärmeerzeuger, hydraulische Entkopplung 10.1.5 Pufferspeicher 10.2 Regelung der Wärmeverteilung 10.2.1 Regelung der Vorlauftemperatur 10.2.2 Regelung des Differenzdrucks 10.3 Einzelraumtemperatur-Regelung mit Thermostatventilen 10.3.1 Thermostatventil und Energieeinsparverordnung 10.3.2 Thermostatventil als stetiger Regler 10.3.3 Auslegung von thermostatischen Heizkörperventilen 10.3.4 Auslegungsbeispiel 10.3.5 Auslegung von thermostatischen Heizkörperventilen nach VDI 2073 10.4 Regelung von Fußbodenheizungen 10.4.1 Aufgabe und Wärmeleistung einer Fußbodenheizung 10.4.2 Regelung der Wärmeleistung einer Fußbodenheizung 10.4.3 Aufbau und Wirkungsweise von Einzelraumregelungen bei Fußbodenheizungen 10.5 Regelung von Fernheizungen 10.5.1 Aufgabe und Aufbau von Fernheizungsanschlüssen 10.5.2 Druckverteilung in einer Heißwasser-Fernleitung 10.6 Literatur 11 Anwendungen: Regelung von Raumlufttechnischen Anlagen (RLT) 11.1 Regelung von Lüftungsanlagen 11.1.1 Zulufttemperatur-Regelung 11.1.2 Kaskadenregelung 11.1.3 Lüftungsanlagen im VVS-Betrieb 11.1.4 Lüftungsanlagen mit Umluftbeimischung 11.2 Regelung von Klimaanlagen 11.2.1 Klimaanlage mit Luftwäscher 11.2.2 Klimaanlage mit Dampfbefeuchtung 11.3 Einzelraumregelung 11.4 Einzelraumregelung mit bedarfsangepasster Energiebereitstellung 11.5 Literatur 12 Anwendungen: Regelung in der solaren Wärmeversorgung 12.1 Einleitung 12.2 Regelungstechnische Einrichtungen 12.3 Einfache solare Systeme zur Brauchwassererwärmung 12.4 Solare Systeme zur Brauchwassererwärmung und Gebäudeheizung 12.5 Literatur 13 Anwendungen: Regelung von Kälteanlagen 13.1 Einleitung 13.2 Grundlagen und Systembetrachtung von Kälteanlagen aus regelungstechnischer Sicht 13.3 Typische Steuerungs- und Regelungsaufgaben bei Kälteanlagen 13.3.1 Kühlraum- bzw. Kühlstellenregelung 13.3.2 Abtausteuerung und -regelung 13.3.3 Verdampfer-Leistungsregelung 13.3.4 Verdichter-Leistungsregelung 13.3.5 Verflüssiger-Leistungsregelung 13.3.6 Weitere Steuer-, Überwachungs- und Sicherheitseinrichtungen 13.4 Von den Einzelregelungen zur Systemregelung einer Kälteanlage 13.5 Von der Kälteanlage zum kältetechnischen Gesamtsystem 13.6 Spezielle Anforderungen an die MSR-Technik und die Hydraulik in Kälteversorgungsnetzen 13.7 Literatur Stichwortverzeichnis