James Watt, der Fly Ball Govenor und die Anfänge der Prozessregelkreise
Haben Sie jemals jemanden den Ausdruck „balls out” verwenden hören? Sie wissen schon, wenn man sich maximal anstrengt oder alles gibt.
Wie ein Basketballtrainer, der seinem Team in der Halbzeitpause seine Strategie erklärt: In der zweiten Halbzeit geben wir in der Verteidigung alles.
Oder ein Student, der die ganze Nacht durchlernt, um sich auf eine Zwischenprüfung vorzubereiten: Ich werde von jetzt an bis zur Prüfung morgen alles geben.
Aber haben Sie sich jemals gefragt, woher dieser Ausdruck stammt? Nun, die Wahrheit ist, dass er wahrscheinlich nicht das bedeutet, was Sie denken.
Großer Scott: James Watt (30. Januar 1736 – 25. August 1819)
Um die wahren Ursprünge des Begriffs zu verstehen, müssen wir bis ins späte 18. Jahrhundert zurückgehen, als der schottische Erfinder und Maschinenbauingenieur James Watt nach einer Möglichkeit suchte, die Geschwindigkeit einer Dampfmaschine automatisch zu regulieren.
Zu diesem Zeitpunkt hatte Watt bereits einen unglaublichen Einfluss auf die Entwicklung der Dampfmaschine genommen. Die Watt-Maschine, eine von Watts vielen Erfindungen und eine Verbesserung der frühen Newcomen-Maschine, trug dazu bei, die Welt zu verändern, indem sie die industrielle Revolution einläutete und die Modernisierung des Alltagslebens in Gang setzte.
Der Fliegballregler und die Anfänge der Automatisierung
Aber Watts Beiträge endeten damit nicht.
In den 1780er Jahren stellte er fest, dass Maschinenbediener vor einer besonderen Herausforderung standen: Maschinen, die in Mühlen und Bergwerken eingesetzt wurden, mussten unabhängig von ihrer Belastung mit konstanter Geschwindigkeit laufen. Dies war eine Herausforderung, da eine Erhöhung oder Verringerung der Belastung einer Dampfmaschine Auswirkungen auf ihre Drehzahl hatte.
Allgemein gesagt steigt die Drehzahl einer Maschine, wenn die Belastung sinkt, und sinkt, wenn die Belastung steigt. Wenn Sie beispielsweise eine Pumpe haben, die Wasser aus einem Bergwerk fördert, würde die Drehzahl der Maschine steigen, wenn die Wassermenge zunimmt oder abnimmt. Um dies auszugleichen, müsste der Maschinenführer das Dampfventil manuell öffnen oder schließen.
Im Jahr 1788 begann Watt nach Möglichkeiten zu suchen, diesen Prozess zu automatisieren. Schließlich stieß er auf einen Mechanismus, der als „Fliehkugel” (oder Fliehkraftregler) bekannt war und seit fast einem Jahrhundert in Windmühlen verwendet wurde, um den Abstand und den Druck zwischen den Mühlsteinen zu regulieren. Watt sah darin die perfekte Lösung und begann, das Gerät für die Steuerung der Drehzahl seiner Dampfmaschine anzupassen.
So brachte Watt den Ball ins Rollen (oder besser gesagt ins Drehen):
Der Fliehkraftregler besteht aus zwei gewichteten Kugeln, die über schwenkbare Arme an einer Spindel befestigt sind. Die Abtriebswelle von Watts Dampfmaschine treibt die Spindel des Fliehkraftreglers an: Wenn sich die Maschine schneller dreht, bewirkt die Zentrifugalkraft, dass sich die Kugeln drehen und nach außen heben; wenn die Maschine langsamer wird, verlangsamt sich die Drehung und die Kugeln fallen nach unten. Die Schwenkarme sind mit einem Hebel verbunden, der die Drosselklappe betätigt, die bei Aktivierung die in den Zylinder der Maschine gelangende Dampfmenge erhöht oder verringert und so die Drehzahl der Maschine automatisch reguliert.
Wenn eine Dampfmaschine also mit voller Drehzahl läuft, sind die Kugeln „draußen“ – daher die Bedeutung des Begriffs „balls out“ (Kugeln raus).
Aber dieser falsch verwendete Begriff ist nicht das Einzige, wofür Watts Adaption des Fliehkraftreglers bekannt ist. Watts Absicht ist auch ein frühes Beispiel für ein geschlossenes Regelkreissystem, ähnlich wie ein modernes geschlossenes Regelkreissystem, wie wir es heute in der Fertigung sehen können.
Wenn wir beispielsweise die Temperatur eines Mediums in einem Prozess regeln wollen, würden wir einen Sensor zur Temperaturmessung und einen Regler zur Ermittlung der Abweichung zwischen dem Sensorwert und dem Sollwert des Reglers verwenden. Der Regler aktiviert dann einen Aktuator – in diesem Fall eine Heizung, um die Temperatur zu erhöhen, oder einen Wärmetauscher, um sie zu senken.
Vergleichen Sie dies mit dem Fliehkraftregler von Watt, bei dem die Spindel die Drehzahl des Motors erfasst, die Fliehkörper auf die erhöhte Drehzahl reagieren und wie ein Regler die Drosselklappe betätigen, die in diesem Fall der Aktuator ist, der die zu den Zylindern geleitete Dampfmenge reduziert und so die Drehzahl des Motors wieder in einen sicheren Messbereich bringt.
Watts Verbesserung der Dampfmaschine trug dazu bei, das nächste Jahrhundert der Innovation voranzutreiben, und lieferte zukünftigen Ingenieuren ein frühes Beispiel für ein effektives geschlossenes Regelkreissystem.
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