Grundlagen der Automatisierung und Regeltechnik

Die Regeltechnik umfasst alle Verfahren und Geräte, die automatisierte Maschinen und Prozesse ermöglichen. Sie ist ein Kernbereich der modernen Industrie und Technik.

Die Robotik hat die Ersetzung menschlicher Manipulationsfähigkeiten ermöglicht. Sie ist das Ergebnis der Integration verschiedener technischer Disziplinen wie Technische Mechanik, Elektrotechnik, Elektronik und Informatik.

Kontrollsysteme: Aufbau und Funktionsweisen

Kontrollsysteme setzen sich aus verschiedenen Elementen zusammen, die als Automatismen bezeichnet werden.

Steuerung: Ziel und Minimierung menschlicher Eingriffe

Das Hauptziel der Steuerung ist es, sicherzustellen, dass eine Maschine oder ein System mit minimalen menschlichen Eingriffen funktioniert.

Automatische und halbautomatische Steuerungssysteme

Systeme der automatischen Steuerung sollen gewährleisten, dass eine Maschine oder ein Prozess ihre Funktionen erfüllt und menschliche Eingriffe – sowohl physische als auch psychische – minimiert werden.

Es gibt jedoch auch Maschinen und Prozesse, bei denen menschliches Eingreifen in bestimmten Phasen oder für spezifische Aktionen notwendig ist. Diese werden als halbautomatische Systeme bezeichnet.

Grundlegende Komponenten von Steuerungssystemen

Die grundlegenden Komponenten von Steuerungssystemen umfassen Steuerungen (Controller), Aktoren (Stellglieder), Sensoren und Hilfsmittel für die Befehlsgebung und Überwachung.

Offene Regelkreise (Open Loop)

Bei offenen Regelkreisen wird das Ergebnis der Tätigkeit nicht mit dem Ausgang des Systems überwacht. Es handelt sich um einfache und preiswerte Systeme, die für die Ausführung einfacher Funktionen geeignet sind. Beispiele hierfür sind eine zeitgesteuerte Lichtintensität, Waschmaschinen oder Ampeln.

Geschlossene Regelkreise (Closed Loop/Feedback)

Bei geschlossenen Regelkreisen wird das Ergebnis oder der Ausgang überwacht und durch Rückwirkung auf den Prozess das gewünschte Ergebnis erzielt. Der Sollwert ist dabei der Referenzwert, den wir als Ergebnis der Wirkung des automatischen Systems erhalten möchten. Beispiele sind die programmierte Temperatur in Heiz- oder Klimaanlagen oder der Wasserstand in einer Zisterne.

Aufbau und Technologien automatisierter Systeme

Automatisierte Systeme werden aus physischen Elementen aufgebaut, die verschiedene Technologien nutzen können:

• Mechanik
• Pneumatik
• Hydraulik
• Elektrik
• Elektronik
• Mikroelektronik

Diese Technologien können unabhängig voneinander oder in Kombination wirken.

Hauptkomponenten eines Steuerungssystems im Detail

Ein Steuerungssystem besteht typischerweise aus drei Hauptteilen: Controller (Steuerung), Aktoren (Stellglieder) und Sensoren. Zusätzlich sind Hilfsmittel für die Interaktion mit dem Controller erforderlich.

Controller (Steuerungseinheit)

Der Controller ist die Einheit, die den Steuerungsprozess bestimmt und ausführt. Er enthält Elemente zur Aktivierung und Deaktivierung externer Geräte, zur Eingabe und Änderung von Anweisungen für die Aktoren, zur Erfassung von Daten von Sensoren sowie Elemente für die Berichterstattung und Logiksteuerung.

Aktor (Stellglied)

Der Aktor ist das letzte Element, das eine Aktion im Prozess ausführt. Ein Aktor kann Maßnahmen wie die Erhöhung der Temperatur, Änderungen in der Bewegung, Geschwindigkeitsänderungen oder Durchflussvariationen bewirken.

Sensoren

Sensoren sind Geräte, die Daten über den Zustand oder die Ausgangsvariablen des Prozesses erfassen und an die Steuerung übermitteln. Sensoren und ihre zugehörigen Schaltungen messen physikalische Größen, die in den Regelkreis (Feedback-Schleife) eingespeist werden. Empfindlichkeit und Genauigkeit sind für eine präzise Überwachung entscheidend.

Hilfsmittel (Auxiliary Devices)

Hilfsmittel sind Elemente für die Interaktion zwischen Bediener und Maschine. Sie sind erforderlich für die manuelle Dateneingabe an die Steuerung, um diese zu starten oder zu stoppen, ihre Sollwerte zu variieren oder die Steuerung manuell zu übernehmen.

Logiksysteme in der Automatisierung

Verdrahtete Logik (Hard-wired Logic)

Verdrahtete Logiksysteme sind für eine bestimmte Funktion entwickelt und fest verdrahtet.

Programmierbare Logik (SPS)

Programmierbare Logik bietet eine hohe Flexibilität, da die Betriebslogik in einem speicherprogrammierbaren Controller (SPS) oder einem eingebetteten Computerprogramm gespeichert ist. Sie kann ohne Änderung der physischen Schaltungsverbindungen angepasst werden.

Vorteile programmierbarer Logik

Die Vorteile programmierbarer Logiksysteme sind:

• Ein hohes Maß an Systemflexibilität
• Niedrigere Kosten und Wartungsaufwände
• Volumenreduzierung
• Erhöhte Sicherheit
• Reduzierung von Ausfällen

Peripheriegeräte: Ein- und Ausgaben

Ausgabegeräte (Output Devices)

Ausgabegeräte sind Aktoren, Anzeigegeräte oder Ausgabemedien für Daten, Ton und Licht.

Aktoren als Ausgabegeräte

Aktoren können verschiedene Technologien nutzen, darunter:

• Elektromotoren
• Elektromagnete
• Widerstandsheizungen
• Ventile und Hydraulikzylinder
• Andere Geräte, die von diesen betrieben werden

Anzeigegeräte und Daten-Viewer

Anzeigegeräte oder Daten-Viewer liefern Statusinformationen oder Prozessdaten des Automatisierungssystems, entweder als numerische Werte (analog oder digital) oder als optische und akustische Signale. Leuchtanzeigen können durch einen Farbcode und akustische Signale durch Frequenz und Lautstärke unterschieden werden.

Sie sind oft Teil von synoptischen Tafeln mit:

• Ziffernanzeigen
• Flüssigkristallanzeigen (LCD)
• Leuchtdioden (LED)
• Zeigerinstrumenten
• Farbbildschirmen und Monitoren

Akustische Indikatoren werden häufig für Alarme verwendet und reichen von kleinen Summern bis zu leistungsstarken Sirenen. In komplexeren Systemen können auch Sprachsynthesizer zum Einsatz kommen.

Eingabegeräte (Input Devices)

Eingabegeräte lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen:

Bedienelemente und Informationsgeber

Dazu gehören Elemente für die manuelle Eingabe und Steuerung, wie:

• Schalter
• Taster
• Tastaturen
• Potentiometer
• etc.

Sensoren und ihre Anwendungen

Sensoren sammeln Informationen von der Maschine oder einem Prozess. Sie wandeln eine physikalische Größe in eine andere um, die leicht in das Steuerungssystem integriert werden kann. Beispiele für Sensoren sind:

• Temperatursensoren
• Drucksensoren
• Näherungsschalter
• Präsenzmelder
• Grenzwertschalter
• Infrarotsensoren
• Wägezellen
• Visionsensoren
• Geschwindigkeitssensoren
• etc.