Grundlagen der Steuerungstechnik: Signale, Speicher und USV

Grundlagen der Steuerungstechnik

1.1.3. Steuerungssysteme (Control Systems)

Die automatische Prozesssteuerung bietet zwei grundlegende Möglichkeiten zur Durchführung: Open-Loop (Offene Schleife) und Closed-Loop (Geschlossene Schleife).

• A) Open-Loop-Regelung (Steuerung)

  Der Open-Loop-Regler führt die Produktion gemäß den Eingabeanweisungen aus, unabhängig von Änderungen am Ausgang. Die Steuersignale sind unabhängig von der Ausgabe. Das System erkennt nicht, ob ein Auftrag ordnungsgemäß ausgeführt wurde, und kann externe Störungen, die auf das System einwirken, nicht korrigieren.

• B) Closed-Loop-Regelung (Regelung)

  Bei der Closed-Loop-Regelung sind die Steuersignale im System eine Funktion der Eingabevorgaben (Sollwerte) und der aktuellen Ausgangsentwicklungen. Das System sammelt Informationen vom Ausgang, vergleicht diese mit den Eingabevorgaben und generiert Steuersignale, um den Systemzustand zu korrigieren. Dadurch kann die Regelung externe Störungen korrigieren.

1.1.4. Signaltypen

Je nach Art der Verarbeitung werden Signale in digitale und analoge Signale unterteilt:

• a) Digitale Signale

  Digitale Signale können nur diskrete Werte (z. B. 0 und 1) annehmen. Im Allgemeinen (abhängig von der verwendeten Technologie) entspricht 0 Null Volt und 1 fünf Volt (bei positiver Logik).

• b) Analoge Signale

  Analoge Signale sind kontinuierliche Signale, die jeden beliebigen Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs annehmen können.

1.1.5. Signalwandler (Konverter)

In automatisierten Anlagen finden sich sowohl analoge als auch digitale Signale. Da Systeme Informationen meist in digitaler Form verarbeiten, besteht die Notwendigkeit für Analog-Digital-Wandler (A/D).

Nach der Verarbeitung können Befehle in analogem Format an das System gesendet werden, wofür Digital-Analog-Wandler (D/A) benötigt werden. Diese Wandler sind in verschiedenen Auflösungen erhältlich (z. B. 8, 12, 16 Bit).

1.1.6. Sensoren und Aktoren

Sensoren sind Elemente, die eine physikalische Größe in eine andere umwandeln, die leichter von unserem Steuerungssystem gemessen werden kann, in der Regel in eine elektrische Größe (Strom oder Spannung). Ein einfacher Sensor ist beispielsweise ein Taster.

Ebenso muss das Steuerungssystem nach außen agieren, um den aktuellen Systemzustand zu ändern (z. B. ein Licht einschalten, eine Tür öffnen). Diese Maßnahmen werden durch Aktoren (Stellglieder) und Wandler durchgeführt, die für die Umwandlung der Ausgangssignale verantwortlich sind.

1.1.7. Speicher (Memories)

Speicherstruktur und Kapazität

Steuerungssysteme benötigen Komponenten, die sowohl Programmanweisungen für die Steuerung als auch temporäre Daten über den aktuellen Status der Anlage speichern können. Diese Funktion wird durch den Speicher erfüllt.

Speicher sind in Blöcken mit einheitlicher Länge der gespeicherten Informationen organisiert. Die grundlegende Informationseinheit ist das Bit. Bits werden zu größeren Informationseinheiten gruppiert, typischerweise 8 Bit (Byte) oder 16 Bit (Wort).

Um auf ein Speicherwort zuzugreifen (lesen oder schreiben), wird eine Adresse benötigt, welche die Position des gewünschten Speicherworts angibt. Um alle Speicherplätze adressieren zu können, ist eine Reihe von $m$ Adressleitungen erforderlich. Im Allgemeinen können mit $m$ Adressleitungen $2^m$ Speicherplätze adressiert werden.

Der Speicher benötigt außerdem eine Datenleitung, deren Breite ($n$) von der Anzahl der Bits pro Position abhängt. Für die ordnungsgemäße Funktion sind zudem Steuerleitungen notwendig, die Schreib- oder Lesevorgänge ermöglichen.

Die Speicherkapazität ($N$) wird durch die Anzahl der speicherbaren Wörter bestimmt. Wenn ein Speicher $2^m$ Speicherzellen mit jeweils $n$ Bit hat, beträgt die Gesamtkapazität:

$$N = n \cdot 2^m \text{ Bits}$$

Speichertypen nach Zugriffsmethode

Speicher können nach der Art des Datenzugriffs eingeteilt werden (z. B. sequenzieller Zugriff oder Direktzugriff/Random Access Memory). Die gängigsten Typen sind:

1. ROM (Read Only Memory)

   Nur-Lese-Speicher. Kann nur einmal beschrieben werden (oder ist fest programmiert). ROM ist nicht-flüchtig (die Information bleibt ohne Strom erhalten).

2. RAM (Random Access Memory)

   Direktzugriffsspeicher. Daten können beliebig oft gespeichert und gelesen werden. Wird für temporäre Anwendungsdaten verwendet. RAM ist flüchtig (die Information geht verloren, wenn der Speicher nicht mit Strom versorgt wird).

3. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)

   Löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher. Ähnlich wie ROM, erlaubt jedoch das Löschen (z. B. mittels UV-Licht) und erneute Beschreiben des Speichers.

1.1.8. Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Probleme in der Stromversorgung können den Verlust von Informationen in Systemen verursachen, die programmierbare Speicher zur Speicherung des Steuerprogramms und temporärer Anwendungsdaten verwenden.

Die USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) ist ein Gerät, dessen Hauptfunktion die Bereitstellung von Notstrom beim Ausfall der elektrischen Energieversorgung ist.

USV-Geräte sollten nicht mit autonomen Stromversorgungsgeräten (wie Generatoren) verwechselt werden, da ihre Speicherkapazität (Batterielaufzeit) begrenzt ist und sie lediglich eine Überbrückung bis zur Wiederherstellung der Hauptversorgung oder zum sicheren Herunterfahren des Systems ermöglichen.