Entwurf eines fehlertoleranten Reglersystems für ein auf Zentrifugalpumpen basierendes Füllstandregelsystem bei Sensorfehlern

Industriellen Wasserfluss in Betrieb halten

Moderne Fabriken, Kraftwerke und Wasseraufbereitungsanlagen verlassen sich alle auf Pumpen und Sensoren, um enorme Wassermengen zu bewegen und zu steuern. Fällt ein einzelner Sensor, der den Tankstand oder das Pumpenverhalten misst, plötzlich aus, können Produktion gestört, Anlagen beschädigt und Sicherheitsreserven verringert werden. Dieser Beitrag untersucht eine Möglichkeit, ein von einer Zentrifugalpumpe angetriebenes Wassertanksystem auch dann stabil zu betreiben, wenn ein wichtiger Sensor ausfällt, durch einen intelligenten Regelungsansatz, der fehlende Informationen „auffüllt“, anstatt den Prozess abzuschalten.

Warum Pumpensysteme eine Backup-Intelligenz brauchen

Zentrifugalpumpen sind Arbeitspferde der Industrie und fördern Flüssigkeiten durch Rohrleitungen in der Wasseraufbereitung, der chemischen Verarbeitung und vielen anderen Bereichen. Um einen Speichertank auf dem richtigen Füllstand zu halten, vergleicht ein Regler kontinuierlich den Sollwert mit dem tatsächlich vom Sensor gemeldeten Pegel und passt die Pumpendrehzahl an. In den meisten Anlagen übernimmt diese Aufgabe ein klassischer PID-Regler, der auf Abweichungen zwischen Sollwert und Sensorwert reagiert. Wenn jedoch der Füllstandssensor – oder ein Sensor, der Pumpendrehzahl oder Auslassdruck erfasst – ausfällt oder auf einem falschen Wert stehen bleibt, operiert der Regler praktisch blind. Das kann zu Überfüllung, Trockenlaufen des Tanks oder teuren Notabschaltungen führen.

Reserve-Signale als Sicherheitsnetz nutzen

Die Autoren schlagen ein „aktives fehlertolerantes“ Regelungsdesign vor, das Sensorsignale als Team statt als isolierte Zahlen behandelt. Ihr Modell konzentriert sich auf einen Wassertank, der von einer Zentrifugalpumpe gespeist wird, mit drei Sensoren: einem für den Tankstand, einem für die Pumpendrehzahl und einem für den Druck am Auslass. Unter normalen Bedingungen verwendet der PID-Regler den Füllstandswert zur Anpassung der Pumpendrehzahl, damit der Tank seine Zielhöhe hält. Gleichzeitig speisen alle drei Sensoren ihre Messwerte in ein separates Modul, dessen Aufgabe es ist, Fehler zu überwachen und bei Bedarf eine fehlende Messung aus den verbleibenden gesunden Signalen zu rekonstruieren.

Ein einfacher statistischer Ersatz für ausgefallene Sensoren

Um diese Backup-Fähigkeit aufzubauen, stützen sich die Forschenden auf die multiple lineare Regression – ein unkompliziertes statistisches Werkzeug statt eines schweren, komplexen Modells. Anhand von Simulationsdaten eines gesunden Systems lernen sie, wie die drei Messgrößen üblicherweise zueinander in Beziehung stehen. Beispielsweise leiten sie Formeln ab, die den Tankstand als gewichtete Kombination aus Pumpendrehzahl und Druck ausdrücken, sowie ähnliche Formeln, um Drehzahl oder Druck aus den anderen beiden Größen zu schätzen. Im Betrieb vergleicht eine Fehlererkennungseinheit fortlaufend jeden realen Sensorwert mit dem durch das Regressionsmodell vorhergesagten Wert. Überschreitet die Differenz, also das Residuum, eine Schwelle, markiert das System den betreffenden Sensor als fehlerhaft und ersetzt seinen Wert sofort durch die entsprechende Schätzung aus den beiden übrigen Sensoren.

Erprobung des fehlertoleranten Konzepts

Das Team setzt seinen Entwurf in MATLAB und Simulink um und verwendet ein bestehendes Modell, das einen Brunnen, eine Jet-Pumpe, eine Zentrifugalpumpe und einen Speichertank umfasst. Sie konzentrieren sich auf einen besonders harten, aber verbreiteten Ausfallmodus: einen Sensor, der plötzlich auf null „festhängt“, was einen vollständigen Informationsverlust darstellt. Wenn sie solche Fehler in den Füllstands-, Drehzahl- oder Drucksensoren ohne Schutz einschleusen, verschlechtert sich die Regelung des Tankpegels schnell oder würde zu einer Abschaltung führen. Mit aktiviertem fehlertoleranten Schema erfolgen Erkennung und Rekonfiguration in Millisekunden: Die Füllstandsschätzung ist in etwa 2 Millisekunden wiederhergestellt, und die Drehzahl- sowie Druckschätzungen stabilisieren sich in rund 40 Millisekunden. Die PID-Regelung hält den Tank nahezu ohne sichtbare Störung nahe dem Zielwert von 1,4 Metern, obwohl ein Sensor faktisch ausgefallen ist.

Was das für reale Anlagen bedeutet

Für Anlagenbetreiber ist die Kernbotschaft, dass eine relativ einfache statistische Ergänzung vorhandene Pumpenregelkreise deutlich robuster gegenüber Sensorfehlern machen kann. Anstatt kostspielige redundante Hardware hinzuzufügen, nutzt die Methode analytische Redundanz – Ersatzinformationen, die bereits in anderen Signalen vorhanden sind –, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Während die Studie annimmt, dass jeweils nur ein Sensor ausfällt und in Simulationen mit Wasser als Arbeitsfluid gezeigt wird, verdeutlicht sie, dass eine geringe Softwarekomplexität Abschaltungen verhindern, Störreaktionen glätten und eine praktische Basis für weitergehende Techniken bieten kann. Alltäglich ausgedrückt: Das System lernt typische Zusammenhänge zwischen seinen Messgrößen und kann, wenn ein Instrument ausfällt, die Pumpe weiterhin sicher steuern, indem es den verbleibenden Anzeigen vertraut.

Zitation: Irfan, M., Amin, A.A., Waseem, S. et al. Design of a fault-tolerant control system for a centrifugal pump-based level control system for sensor faults. Sci Rep 16, 14189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42361-x

Schlüsselwörter: fehlertolerante Regelung, Zentrifugalpumpen, Sensorfehler, industrielle Prozessregelung, Wasserstandregelung