Grundlagen der Automatisierung: Sensorik, Steuerung & Hydraulik

Grundlagen Automatisierungssysteme

Automatische Systeme haben alle eine ähnliche Struktur: einen Sensor, ein Steuergerät und einen Aktor (Stellglied).

Sensoren

Sensoren sind Elemente zur Erfassung von Informationen aus der Umwelt. Sie werden verwendet, um physikalische Größen wie Geschwindigkeit, Temperatur oder Position zu messen (z. B. ein Sensor zur Messung der Temperatur).

Steuergerät (Controller)

Ein Steuergerät (Controller) ist eine Schaltung, die basierend auf den Angaben des Sensors den Aktor aktiviert oder deaktiviert (z. B. den Kühler). Bei der automatischen Steuerung kann dies von einer einfachen elektrischen Schaltung bis hin zu einem PC reichen.

Aktor (Stellglied)

Der Aktor (oder Auslöser) ist das wesentliche Element zur Durchführung der Maßnahme, für die das automatisierte System bestimmt ist. In unserem Fall wäre dies der Heizkörper. Aktoren sind in der Regel Motoren, Lampen oder ähnliche Komponenten.

Kontrollsystem: Input und Output

Ein Kontrollsystem besteht aus einer Reihe von Elementen, die mit einer Maschine oder einem Prozess verbunden sind, um diesen zu automatisieren.

• Eingang (Input): Die vom System empfangenen Informationen (z. B. ein gemessener Temperaturwert).
• Ausgang (Output): Die vom System bereitgestellte Aktion basierend auf diesen Informationen (z. B. das Einschalten der Beleuchtung).

Regelungstypen

Steuerung (Open-Loop-System)

Das System ist aktiv, ohne den Zustand des Ausgangs zu berücksichtigen.

Regelung (Closed-Loop-System)

Der Ausgang wird mit dem Eingang verglichen, um mögliche Fehler aufgrund von Störungen des Systems zu korrigieren.

Spezifische Komponenten und Systeme

Positionssensorik

Beispiele für Positionssensoren:

• Mechanische Schalter
• Magnetische Näherungsschalter
• Optische Positionssensoren (LDR, Photodioden und Phototransistoren)
• Andere Positionssensoren (basierend auf magnetischen Eigenschaften)

Elektromagnetische Systeme

Systeme, die auf der Grundlage elektromagnetischer Betätigung (durch Bewegung von Teilen) funktionieren.

Endschalter (Limit Switch)

Endschalter können in automatischen Systemen als Steuerelemente verwendet werden, um andere Geräte ein- oder auszuschalten. Beispiel: Kontrolle des Füllstands eines Wasserbehälters.

Das Relais

Ein Relais besteht aus einer Spule und einem beweglichen Metallanker. Wenn elektrischer Strom durch die Spule fließt, verhält diese sich wie ein Elektromagnet und zieht den Anker an, was wiederum die Position der Kontakte ändert.

Programmierbare Steuerungssysteme

Diese Systeme nutzen Geräte, deren Logik in einem Programm gespeichert werden kann. Um den Vorgang zu ändern, ist es nicht notwendig, die Schaltung zu modifizieren, sondern lediglich die Anweisungen des Programms anzupassen.

PC-gesteuerte Steuerung

Über eine Controller-Karte kann der Computer mit dem zu steuernden Roboter kommunizieren. Mithilfe dieser Karte empfängt der Computer Daten von den Sensoren des Roboters und steuert im Gegenzug Motoren, Lampen oder andere Aktoren.

Roboter

Ein Roboter ist eine automatische Maschine, die in der Lage ist, Informationen aus ihrer Umgebung zu erfassen und darauf zu reagieren. Darüber hinaus kann er programmiert werden, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen.

Mikrocontroller

Mikrocontroller sind kleine Miniaturcomputer, die in einem integrierten Schaltkreis eingebettet sind.

Pneumatische und Hydraulische Systeme

Definition

Pneumatische Schaltungen nutzen Luft, während Hydraulik-Schaltungen Mineralöl verwenden.

Vorteile

Vorteile der Medien:

• Luft: Ist reichlich vorhanden, kann gespeichert werden und ist sauber.
• Öl (Hydraulikflüssigkeit): Ist korrosionsbeständig und besitzt gute Gleiteigenschaften.

Grundlegende Definitionen

Medium

Umfasst sowohl Flüssigkeiten als auch Gase. Medien haben keine eigene Form, sondern nehmen die Form des Behälters an, der sie enthält.

Mineralöl

Wird durch die Destillation von Erdöl und Kohle gewonnen.

Druck (P)

Die pro Fläche ausgeübte Kraft: P = F / A (Kraft pro Fläche). Der Druck wird in Pascal (Pa) berechnet.

Elemente von Pneumatik- und Hydraulikschaltungen

1. Energieversorger (Stromerzeuger): Liefert die notwendige Energie. (Elektrische Schaltung: Batterie; Pneumatische Schaltung: Kompressor; Hydraulische Schaltung: Hydraulikpumpe).
2. Übertragungselemente (Transport): Leiten das Medium zu den Bauelementen. (Elektrische Schaltung: Leitungen; Pneumatische/Hydraulische Schaltung: Rohre/Leitungen, durch die das Medium zirkuliert).
3. Aktoren (Stellglieder): Wandeln die empfangene Energie in eine andere Energieform um, um eine Aktion auszuführen. (Elektrische Schaltung: Lampe; Pneumatische/Hydraulische Schaltung: Zylinder).
4. Steuer- und Bedienelemente: Komponenten, die den Kreislauf öffnen oder schließen. (Elektrotechnik: Leistungsschalter; Pneumatische/Hydraulische Schaltung: Ventil, das den Fluss des Mediums ermöglicht oder verhindert).

Durchfluss (Q)

Der Durchfluss (Q) ist die Menge an Flüssigkeit, die pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt der Strecke fließt. Er wird in l/s gemessen:

Q = Flüssigkeitsvolumen / Zeit