Steuerungstechnik: Grundlagen von Steuerung, Sensorik und Halbleiterbauelementen

Steuerung: Grundlagen der Steuerung und Automatisierung

Die Steuerung bewirkt das Einschalten oder Ausschalten eines Prozesses. Beispielsweise wird mit einem Schalter die Wasserzufuhr auf eine bestimmte Temperatur geregelt. Der Programmierer legt fest, wie das System auf die Erkennung eines Rauchmelders bei einem Brand reagiert, und aktiviert die Sensoren im Gebäude sowie den Wasserstand im Tank.

Alle Prozesse werden mit Hilfe von Eingangssignalen gesteuert. Die Steuersignale werden über elektrische Elemente zur Steuerung übertragen, etwa über einen Schalter.

Prozesssteuerung

1. Einschalten der Heizung oder Druck des Wassers durch die Membran des Heizgeräts
2. Erwärmen des Wassers durch Elektrizität
3. Programmierer steuert die Kleidung, z. B. durch elektrische Sensoren
4. Erkennen eines Brandes durch Wasserströmung und Schwimmerventile
5. Befüllen des Tanks

Die Prozesssteuerung wird über Eingangssteuerungen ausgegeben.

Aufbau eines Steuerungssystems

Eingang → Taster → Schaltkreis → Motor → Prozess → Ausgang (Sensor zum Schaltkreis). Alle Elemente der Steuerung sind dafür zuständig, die Eingangssignale zu verändern. Erst danach wird der Prozess bestimmt.

Steuerung ohne Rückführung

Eingang → Steuerungssystem → Verarbeitung → Ausgabe. Die Ausgabe wirkt nicht auf den Eingang zurück. Das Eingangssignal bestimmt direkt die Handlungen, die das Steuerungssystem entsprechend seiner Logik ausführt.

Steuerung mit Rückführung (geschlossener Regelkreis)

Eingang → Steuerungssystem → Verarbeitung → Ausgabe. Der Sensor der Ausgabe (z. B. der Sensor der Stromversorgung) gibt Rückmeldung an das System, sodass die Ausgabe die Steuerung beeinflusst.

Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe

Eingabe, Verarbeitung (Prozessor) und Ausgabe (Aktor) bilden die Grundstruktur einer Steuerung.

• Eingabeelemente: Schalter, Drucktaster, Ventile (pneumatisch und hydraulisch), Tastatur
• Sensoren: Positions-, Temperatur-, Drucksensoren, Lichtschranken, Näherungs- und Präsenzsensoren
• Verarbeitung: Relais, Transistoren, Programmierbare Steuerungen, Mikroprozessoren, Verteiler
• Aktoren: Pumpen, Klingeln, LEDs, Elektromotoren, pneumatische Zylinder

Bauelemente der Elektrotechnik

Relais

Ein Relais ist ein elektromagnetisches Bauelement, das zum Öffnen und Schließen elektrischer Leitungen dient. Es besteht aus einer Spule und Kontakten.

Elektrischer Widerstand

Widerstände sind Bauteile in elektronischen Schaltkreisen, die den Stromfluss begrenzen. Sie werden häufig aus Graphit gefertigt und mit einer Farbschicht überzogen.

Halbleiter

Halbleiter sind Materialien, deren elektrisches Verhalten zwischen dem von Leitern und Isolatoren liegt. Ohne äußere Spannung fließt kein elektrischer Strom. Erst durch das Anlegen einer externen Spannung werden Ladungsträger in Bewegung gesetzt.

Diode

Eine Diode entsteht durch die Verbindung zweier Halbleiter, eines P-dotierten Bereichs (Anode) und eines N-dotierten Bereichs (Kathode). Wird eine Spannungsquelle an die Halbleiter angeschlossen, ist die Diode entweder in Durchlassrichtung (direkt) oder in Sperrrichtung (umgekehrt) gepolt.

LED

Eine LED (Leuchtdiode) sendet bei Stromfluss Licht aus.