Regler mit zwei Ist- und Sollwerten und einem Stellglied

[Marco09]

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Hallo zusammen,
ich bitte um Hilfe bzw. Ideen bei der Umsetzung einer Regelaufgabe mit einer S7 1200. Ich habe irgendwie einen Knoten im Kopf.
Eine Gärtnerei hat mich beauftragt, eine bestehende Gewächshausanlage zu optimieren.
Bisherige Funktion:
1. PI-Regler: Ein regelbarer Lüfter (0-100%) beeinflusst durch den Luftstrom die Temperatur auf einen fixen Sollwert innerhalb eines Toleranzbereiches.
2. Zweipunktregler mit Hysterese: Ist die Solltemperatur erreicht, wird die Luftfeuchtigkeit mit Hilfe eines Luftentfeuchters und eines Luftbefeuchters nachgeregelt, um einen VPD-Wert (Verhältnis zwischen Temperatur und Luftfeuchtigkeit) innerhalb eines Toleranzbereichs zu erreichen.

Die Gärtnerei bemängelt, dass die Lösung zu Energieaufwändig sei, da Luftbefeuchter und Luftentfeuchter zu oft zum Einsatz kommen.

Der VPD-Wert errechnet sich aus dem Verhältnis von Temperatur und Luftfeuchtigkeit: Eine höhere Temperatur bzw. eine niedrigere Luftfeuchtigkeit bedeutet einen höheren VPD-Wert.

Da die Temperatur eine Toleranz von 5°C hat und der Lüfter auch die Luftfeuchtigkeit senkt, soll ich zuerst den Toleranzbereich der Temperatur Ausschöpfen, bevor ich die Luftfeuchtigkeit aktiv beeinflusse. Ich habe keine Idee, wie ich den bestehenden PI-Regler von mehreren Faktoren abhängig machen soll. Dazu kommt noch, dass eine Erhöhung des Luftstroms die Temperatur senkt (VPD-) und auch die Luftfeuchtigkeit senkt (VPD+).

Hat jemand eine Idee, wie ich einen komplexen oder mehrere verknüpfte Regler entsprechend aufsetzen und priorisieren soll bzw. was ich der Gärtnerei alternativ anbieten kann.

Schon mal vielen Dank!
Marco

 

[Heinileini]

Eine Gärtnerei hat mich beauftragt, eine bestehende Gewächshausanlage zu optimieren.
Bisherige Funktion:
1. PI-Regler: Ein regelbarer Lüfter (0-100%) beeinflusst durch den Luftstrom die Temperatur auf einen fixen Sollwert innerhalb eines Toleranzbereiches.

Was macht der LuftQuirl genau?
Sorgt er nur für LuftBewegung im Gewächshaus oder pustet er AussenLuft ins Gewächshaus oder Luft aus dem Gewächshaus nach draussen?
Hast Du nur einen Sensor für die Tempertur im Gewächshaus oder zusätzlich einen für die AussenTemperatur?
Hast Du auch einen FeuchtigkeitsSensor für die AussenLuft?

Kann der Lüfter überhaupt die tatsächliche Temperatur beeinflussen oder nur die "gefühlte"?

Kann es sein, dass die beabsichtigte Regelung nur unter bestimmten Bedingungen (SonnenEinstrahlung, Belüftung des Gewächshauses, ...) so wie beschrieben funktioniert und unter anderen Bedingungen die Wirkugen der Regelung ganz andere wären?
Evtl. mit Umkehr des RegelSinns?

2. Zweipunktregler mit Hysterese: Ist die Solltemperatur erreicht, wird die Luftfeuchtigkeit mit Hilfe eines Luftentfeuchters und eines Luftbefeuchters nachgeregelt, um einen VPD-Wert (Verhältnis zwischen Temperatur und Luftfeuchtigkeit) innerhalb eines Toleranzbereichs zu erreichen.

Welcher Art soll denn die Auswirkung des Lüfters auf die Luftfeuchtigkeit sein?
Das Stichwort 'Hysterese' ist aber gar nicht sooo übel!

Die Gärtnerei bemängelt, dass die Lösung zu Energieaufwändig sei, da Luftbefeuchter und Luftentfeuchter zu oft zum Einsatz kommen.

Schlimmstenfalls werden Luftbefeuchtung und Luftentfeuchtung sogar gleichzeitig aktiviert?
Oder ein Überschwingen der einen Funktion macht immer wieder ein Gegenlenken der umgekehrten Funktion erforderlich?

Ich habe keine Idee, wie ich den bestehenden PI-Regler von mehreren Faktoren abhängig machen soll.

Nach Deiner Beschreibung bin ich auch ratlos.
Hat die Regelung in der beschriebenen Weise mit den beschriebenen Mitteln denn überhaupt schon mal wunschgemäss funktioniert und soll jetzt lediglich erneuert werden?
Oder muss sie überarbeitet werden, weil sie noch nie wunschgemäss gearbeitet hat bzw. arbeiten konnte?

Dazu kommt noch, dass eine Erhöhung des Luftstroms die Temperatur senkt (VPD-) und auch die Luftfeuchtigkeit senkt (VPD+).

Hat sich die Gärtnerei einen kleinen AprilScherz erlaubt?
Hat Dir die Gärtnerei Formeln überlassen, die erahnen lassen, wie das alles funktionieren soll?

Hat jemand eine Idee, wie ich einen komplexen oder mehrere verknüpfte Regler entsprechend aufsetzen und priorisieren soll ...

Zum Thema Priorisierung sagt die Aufgabenstellung:

Da die Temperatur eine Toleranz von 5°C hat und der Lüfter auch die Luftfeuchtigkeit senkt, soll ich zuerst den Toleranzbereich der Temperatur Ausschöpfen, bevor ich die Luftfeuchtigkeit aktiv beeinflusse.

Toleranz von 5 °C ist gleichbedeutend mit Toleranz von ±2,5 °C?

PS:
Was verschweigt Dir die Gärtnerei? Ist da noch etwas, was wir wissen müssten? Ist das evtl. so selbstverständlich, dass man glaubt, es nicht erwähnen zu müssen?

 

[Marco09]

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Vielen Dank für deine Antwort und die damit verbundene Zeit. Entschuldigung, ich habe tatsächlich versehentlich ein paar Infos unterschlagen:
Der Lüfter saugt aufgeheizte Luft aus dem Gewächshaus ab, so dass ein Unterdruck entsteht, wodurch kühle Luft durch einen Filter in das Gewächshaus gesogen wird.
Die Außentemperatur ist immer niedriger als die Innentemperatur und die Außenluft ist immer trockener als die Innenluft. Umso höher, die Drehzahl des Lüfters, desto stärker die Kühlung, die der Aufheizung durch die Sonne entgegenwirkt.
Mir stehen aber auch Istwerte der Luftfeuchtigkeit und Temperatur außerhalb des Gewächshauses zur Verfügung.
Genau, die Toleranz von 5°C bedeutet Sollwert +/-2,5°. Die Temperatur soll aber nicht wie bei einem Zweipunktregler permanent zwischen oberem und unterem Grenzwert springen, sondern sich einigermaßen stabil Einregeln und sich nur innerhalb der Toleranz bewegen, um den VPD im Toleranzbereich zu halten.
Ich habe keine Formel für den VPD, aber bekomme alle Werte extern über ProfiNet von der Gewächshaussensorik. Ich habe im Internet Tabellen gefunden, wie sich der VPD aus Temperatur und Luftfeuchtigkeit ergibt, wobei diese Tabellen meistens von irgendwelchen Kiffer-Seiten für Cannabis-Anbau stammen, also sind die in den Tabellen angegebenen Grenzwerte zu ignorieren. Die Gärtnerei kultiviert Pflanzen für Biokosmetik und arbeitet mit einer Rezeptverwaltung, die je nach Pflanze andere VPD- und Temperatur-Sollwerte hat. Die Toleranz von +/- 2,5°C ist Anlagenspezifikation und kann je nach Pflanze bzw. Rezept auch größer sein.

Bisher wurde im Prinzip mit dem geregelten Lüfter auf eine feste Temperatur geregelt und der VPD dann mit Luftbe- und entfeuchter eingeregelt.
Das hat an sich technisch auch wunderbar funktioniert. Es kam auch nicht vor, Luftbe- und und Entfeuchtung gleichzeitig liefen und das Labor war auch zufrieden.
In der Gärtnerei ist man aber der Meinung, dass man den energieaufwändigen Einsatz von Luftbe- und entfeuchter durch Korrektur der Lüfterregelung innerhalb der Temperaturtoleranz herauszögern könne.

 

[Holzmichl]

Tipp:
Stell die Regelung um auf Soll- und Istwert in Absolute Luftfeuchte. Dann kannst Du dir aus der Vorgabe Temperatur und Feuchte einen Sollpunkt ermitteln und den Istwert auch auf Basis der aktuellen Werte.

Zur Absoluten Feuchte findet man Formeln im Netz.

 

[ducati]

Die Außentemperatur ist immer niedriger als die Innentemperatur und die Außenluft ist immer trockener als die Innenluft.

In der Gärtnerei ist man aber der Meinung, dass man den energieaufwändigen Einsatz von Luftbe- und entfeuchter durch Korrektur der Lüfterregelung innerhalb der Temperaturtoleranz herauszögern könne.

Naja, wozu dann einen Entfeuchter??? Innerhalb der Temperaturtoleranz bedeutet bei Dir ja immer an der oberen Grenze, also Raumsollwert+Toleranz... Wenn Du wirklich abundzu entfeuchten musst, dann natürlich Entfeuchten an der oberen Feuchtetoleranzgrenze und Befeuchten an der unteren Feuchtetoleranzgrenze

Gibt es noch ne aktive Heizung im Gewächshaus?

Vermutlich hat der Gärtner von irgendjemandem da nen Floh ins Ohr gesetzt bekommen, Stichwort Hx-Diagramm, Lüfterregelung als Vollklimaanlage, Enthalpie...

https://www.sps-forum.de/threads/energiesparen-möglichkeiten-und-erfahrungsaustausch.108208/page-4#post-918714

Industrie Klimanalagen

Bei allen Anlagen bei denen viel Feuchte im Spiel ist, lohnt sich die Enthalpiebetrachtung der feuchten, trocken Luft und den Zielmischungsverhältnissen. Wenn man die Luftdaten sauber vorberechnet, kann man oft mit kontrollierter Aussenluftbeimischung energetisch bessere Prozesse erhalten.

 

[Marco09]

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Naja, wozu dann einen Entfeuchter??? Innerhalb der Temperaturtoleranz bedeutet bei Dir ja immer an der oberen Grenze, also Raumsollwert+Toleranz... Wenn Du wirklich abundzu entfeuchten musst, dann natürlich Entfeuchten an der oberen Feuchtetoleranzgrenze und Befeuchten an der unteren Feuchtetoleranzgrenze

Wenn die Luftfeuchte zu hoch, aber die Temperatur bereits am unteren Limit ist, kann ich mit der Drehzahl nicht mehr hoch und da kommt dann der Entfeuchter ins Spiel.
Be- und Entfeuchtung finden natürlich an den jeweiligen Toleranzgrenzen statt.

Gibt es noch ne aktive Heizung im Gewächshaus?

Gibt es, aber nur nachts und nicht unter meiner Kontrolle. Außerhalb der Beleuchtungszeiten entfällt die VPD-Regelung jedoch. Hier muss ich nur die Luftfeuchte regeln und da bedarf es keiner Anpassung.

Vermutlich hat der Gärtner von irgendjemandem da nen Floh ins Ohr gesetzt bekommen, Stichwort Hx-Diagramm, Lüfterregelung als Vollklimaanlage, Enthalpie...

https://www.sps-forum.de/threads/energiesparen-möglichkeiten-und-erfahrungsaustausch.108208/page-4#post-918714

Sowas in der Richtung befürchte ich auch.

 

[Marco09]

Tipp:
Stell die Regelung um auf Soll- und Istwert in Absolute Luftfeuchte. Dann kannst Du dir aus der Vorgabe Temperatur und Feuchte einen Sollpunkt ermitteln und den Istwert auch auf Basis der aktuellen Werte.

Zur Absoluten Feuchte findet man Formeln im Netz.

Das klingt durchaus sinnvoll, jedoch komme ich trotzdem nicht daran vorbei, die Berechnung des VPD nachvollziehen zu müssen.

 

[Marco09]

Meine Recherche hat ergeben, dass der VPD tatsächlich noch komplexer ist als ich dachte.
Es geht hier um eine Dampfdruckdifferenz, die dafür sorgen soll, dass die Pflanze nur eine definierte Menge an Wasser über die Luftfeuchtigkeit aufnehmen kann, damit sichergestellt ist, dass die Pflanze ihre Feuchtigkeit und damit zugedüngte Nährstoffe über die Erde aufnimmt, um den resultierenden Wirkstoffgehalt sicherzustellen. Scheinbar wird hier neben der Temperatur und der relativen Luftfeuchte noch die Temperatur der Pflanze selbst mit einbezogen, was in den Tabellen aus dem Internet nicht abgebildet wird. Das erklärt die zusätzlichen Infrarot-Thermometer an deren Messeinheit.
Ich komme zu dem Schluss, dass ich die Formel für den VPD brauche. Somit könnte ich einen fiktiven VPD mit der Pflanzentemperatur, der Außentemperatur und der Luftfeuchte außen bilden und wüsste dann, in welche Richtung der VPD innen je nach Lüftzerdrehzahl läuft. Dies könnte ich dann bis zum Erreichen der Temperaturtoleranz so betreiben und erst dann die aktive Be-/Entfeuchtung zuschalten. Jetzt hoffe ich nur, dass man mir die genaue Formel und die Pflanzentemperatur zur Verfügung stellen kann, oder noch besser den bereits berechneten fiktiven VPD-Wert.
Da habe ich mich mal wieder auf etwas eingelassen…

Vielen Dank euch allen für die Hilfe und die Ideen, ich halte euch auf dem Laufenden.

 

[Onkel Dagobert]

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Wenn die Luftfeuchte zu hoch, aber die Temperatur bereits am unteren Limit ist, kann ich mit der Drehzahl nicht mehr hoch und da kommt dann der Entfeuchter ins Spiel...

Du redest von der relativen Feuchte? In dem konkreten Fall hilft weniger zu kühlen bzw. mehr zu heizen, um die rel. Luftfeuchte zu senken. Das wäre weniger energieintensiv.

Generell würde ich wahrscheinlich mit den Feuchtereglern in erster Sequenz den Temperatursollwert bist an seine Grenzen verschieben, und erst dann in jeweils zweiter Sequenz mit dem Entfeuchter oder Befeuchter arbeiten.

Wie sieht denn so ein "Behaglichkeitsfenster" für z.Bsp. Cannabis aus?

 

[Marco09]

Du redest von der relativen Feuchte? In dem konkreten Fall hilft weniger zu kühlen bzw. mehr zu heizen, um die rel. Luftfeuchte zu senken. Das wäre weniger energieintensiv.

Ja, es geht um die relative Luftfeuchte.
Das Problem ist, dass ich mit dem Lüfter zugleich kühle, als auch die Luftfeuchtigkeit senke, während ich auf einen Wert regeln muss, der aus einem Verhältnis dieser beiden variablen erzeugt wird.

Generell würde ich wahrscheinlich mit den Feuchtereglern in erster Sequenz den Temperatursollwert bist an seine Grenzen verschieben, und erst dann in jeweils zweiter Sequenz mit dem Entfeuchter oder Befeuchter arbeiten.

Das ist soweit klar, jedoch ist es schwer einzuschätzen, in welcher Phase ich die Lüftung reduzieren oder erhöhen muss, weil er die RLF senkt (VPD steigt) und die Temperatur senkt (VPD sinkt). Je nach Ausgangssituation gilt es zu wissen, welcher Einfluss überwiegt.
Aber ich denke, dass es mit meiner Idee funktionieren sollte, falls ich die Formel bzw. den fiktiven alternativwert aus dem Messsystem zur Verfügung gestellt bekomme.

Wie sieht denn so ein "Behaglichkeitsfenster" für z.Bsp. Cannabis aus?

Der Behaglichkeitswert von Cannabis ist mir nicht bekannt, jedoch findet man sofort Tabellen, wenn man online nach VPD sucht, die auf Cannabis ausgelegt sind. Aber offenbar verhält sich die Situation bei meinem Kunden anders als bei Cannabis, da er mit drei Werten (+Pflanzentemperatur) rechnet.

 

[Onkel Dagobert]

Das Problem ist, dass ich mit dem Lüfter zugleich kühle, als auch die Luftfeuchtigkeit senke...

Aber wenn du mit der Temperatur ohnehin am unterem Limit bist, wäre in dem Fall Heizen nicht effizenter, bevor der Entfeuchter aktiv wird? Wie weit darf der Luftaustausch reduziert werden? Kann die nachströmende Außenluft direkt konditioniert werden?

 

[Plan_B]

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Wenn die Luftfeuchte zu hoch, aber die Temperatur bereits am unteren Limit ist, kann ich mit der Drehzahl nicht mehr hoch

Und vermutlich würde bei einer Absenkung der Drehzahl die Temperatur steigen und die rel. Feuchte sinken oder zumindest nicht weiter steigen.
Das ganze klingt für mich weniger nach rechnen als nach probieren, vor allem, wenn die Bewässerung nicht im gleichen System gesteuert wird.

 

[Plan_B]

Wie Entfeuchtet ihr da eigentlich? Adsorption oder Kondensation?

 

[Plan_B]

Man könnte die Zuluft durch die Abluft Erhitzen (steuerbare Volumenströme über WT) und würde so das Beeinflussungspotential in Richtung Feuchte verschieben können ohne zus. Energieaufwand.
Ich vermute aber, du musst mit Nullinvest auskommen.

 

[Holzmichl]

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Das ganze klingt für mich weniger nach rechnen als nach probieren, vor allem, wenn die Bewässerung nicht im gleichen System gesteuert wird.

Arbeitet mit absoluter Feuchte und es gibt echte Werte ohne Probieren.
Warum?
Zu feucht (relativ) + gleichzeitig zu kalt => kann absolut zu trocken sein
Zu trocken (relativ) + zu warm => kann absolut zu feucht sein.

Perfekt geht es, wenn die absolute Feuchte der angesaugten Außenluft noch bekannt ist.

 

[Heinileini]

Wie Entfeuchtet ihr da eigentlich? Adsorption oder Kondensation?

Durch Rauspusten der feuchten Luft und Ansaugen der trockeneren AussenLuft laut Beitrag #3.
Die Luft wird also nicht entfeuchtet, sondern nur gegen trockenere (und kühlere) ausgetauscht.

 

[Plan_B]

@Holzmichl
Ja, so könnte es gehen
War wohl schon zu spät bei mir.

@Heinileini
Beitrag1, Funktionsbeschreibung nochmal lesen

 

[ducati]

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Aber wenn du mit der Temperatur ohnehin am unterem Limit bist, wäre in dem Fall Heizen nicht effizenter, bevor der Entfeuchter aktiv wird? Wie weit darf der Luftaustausch reduziert werden? Kann die nachströmende Außenluft direkt konditioniert werden?

Die Heizung hat er nicht unter seiner Kontrolle (aber vielleicht heizt die trotzdem selbstständig nach, wenn er mit dem Lüfter "zu viel kühlt")...
Wenn ichs richtig verstanden hab kann er "nur":
- Mit nem Lüfter und kalter Aussenluft Kühlen bzw. Entfeuchten
- Mit nem Befeuchter im Raum Befeuchten
- Mit nem Entfeuchter im Raum Entfeuchten

Vielleicht wären auch mal ein R&I-Schema und konkretere Infos interessant...

Vielleicht könnte es so gehn, aber vielleicht hab ichs noch nicht richtig verstanden:
Annahme, für die Pflanzen wichtig ist ja sicherlich die relative Feuchte.
Die abs. Feuchte ist im Raum immer höher als draussen (wegen Gewächshaus)...

Zuerst schaut man sich an, ob man jetzt be- oder entfeuchten will (rel. Feuchte im Raum). Beim Befeuchten wird der Lüfter an oberer Raumtemp.Grenze geregelt, Beim Entfeuchten an unterer Raumtemp.Grenze.
Der Befeuchter wird immer an unterer Raumfeuchtegrenze geregelt, der Entfeuchter immer an oberer Raumfeuchtegrenze...
Hört sich ja so an, dass Du das schon so machst?

Sicherlich Optimierungspotential im dynamischen Verhalten, dass es nicht hinundher pendelt, bei Sollwertänderungen wegen anderer Pflanzen, beim Bewässern...
Was gibts sonst noch? Fenster/Tore? Kopplung zur Heizung? WRG Einbau?...
Werden da auch abundzu Pflanzen angebaut, dies eher trocken mögen und obige Annahmen deshalb nicht stimmen?

 

[Onkel Dagobert]

Durch Rauspusten der feuchten Luft und Ansaugen der trockeneren AussenLuft laut Beitrag #3.
Die Luft wird also nicht entfeuchtet, sondern nur gegen trockenere (und kühlere) ausgetauscht.

In #1 ist von Befeuchter und Entfeuchter die Rede. Wobei man diese Geräte auch noch einmal spezifizieren müsste. Dampfbefeuchtung ist zum Beispiel isotherm, Sprühbefeuchtung adiabat.