Steuerungstechnik: Grundlagen, Typen und Anwendungen

Einführung in die Steuerungstechnik

Die Steuerungstechnik umfasst alle Verfahren und Systeme, die zur Automatisierung von Maschinen, Apparaten und Fertigungsprozessen dienen. Ein Steuerungssystem besteht aus einer Reihe von Komponenten, die koordiniert auf einen Prozess einwirken, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Dies kann durch direkte oder indirekte Manipulation der relevanten Größen erfolgen. Eine automatische Steuerung besteht aus technischen Elementen, die es ermöglichen, dass eine Maschine oder ein Prozess ihre Aufgaben mit minimaler menschlicher Intervention ausführt. Menschliche Eingriffe beschränken sich auf die Eingabe von Befehlen und die Überwachung des Betriebs.

Beispiel: Der Betrieb einer zeitgesteuerten Beleuchtung. Das Ziel der Automatisierung ist es, den Vorgang des Ein- und Ausschaltens des Lichts zu ersetzen.

Technologien in der Steuerungstechnik

Die Steuerungstechnik kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden:

• Kabelgebundene Technologie: Diese Technologie verwendet pneumatische, hydraulische, elektrische oder elektronische Geräte, die physisch miteinander verbunden sind. Sie ist in der Industrie weit verbreitet.
  • Nachteile:
    • Unflexibel bei zukünftigen Änderungen
    • Hoher Platzbedarf
    • Nicht für komplexe Steuerungsaufgaben geeignet
    • Schwierige Fehlerbehebung
    • Geringe Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Anforderungen
• Programmierbare Technologie: Diese Technologie bietet viele Vorteile gegenüber der kabelgebundenen Technologie.
  • Vorteile:
    • Hohe Anpassungsfähigkeit
    • Steuerung verschiedener Funktionen ohne Änderung der physischen Konfiguration, nur durch Anpassung des Steuerungsprogramms

Arten von Steuerungssystemen

• Analoge Systeme: Diese Systeme arbeiten mit kontinuierlichen Signalen innerhalb einer bestimmten Bandbreite. Physikalische Größen des Prozesses (Temperatur, Druck, Geschwindigkeit) werden oft durch eine Spannung oder einen Strom proportional zu ihrem Wert dargestellt (z.B. 0-10V).
• Digitale Systeme: Diese Systeme arbeiten mit binären Signalen (0-1), die nur zwei Zustände darstellen können (offen/geschlossen). Sie werden oft für logische Variablen verwendet.
• Hybride Analog-Digitale Systeme: Moderne Steuerungssysteme mit einem gewissen Grad an Komplexität verwenden sowohl analoge als auch digitale Signalverarbeitung. Es besteht ein Trend zur vollständig digitalen Steuerung, da diese eine hohe Rechen- und Verarbeitungskapazität bietet.

Open-Loop- und Closed-Loop-Steuerungen

• Open-Loop-Steuerungen (Steuerungen): Nach der Aktivierung läuft der Prozess für eine vordefinierte Zeit ab, unabhängig vom erreichten Ergebnis. Die Steuerung überwacht den Ausgang des Prozesses nicht.
  • Beispiel: Eine zeitgesteuerte Beleuchtung. Der Timer schaltet das Licht nach einer bestimmten Zeit aus, unabhängig davon, ob sich jemand im Raum befindet.
• Closed-Loop-Steuerungen (Regelungen): Das Ergebnis des Prozesses wird kontinuierlich analysiert und mit einem Sollwert verglichen. Durch die Rückkopplung wird die automatische Reaktion angepasst, um den Sollwert zu erreichen.
  • Beispiel: Ein Thermostat oder eine zeitgesteuerte Beleuchtung mit Anwesenheitserkennung. Das System erhält Informationen über die Anwesenheit von Personen und hält die Beleuchtung eingeschaltet, solange sich jemand im Raum befindet.

Die Übertragungsfunktion ist ein mathematischer Ausdruck, der in einem Blockdiagramm die Ausgangsgröße mit der Eingangsgröße in Beziehung setzt.

Komponenten eines Steuerungssystems

• Eingabegeräte:
  • Binäre Elemente: (Ein/Aus, Ja/Nein), z.B. Schalter, Taster
  • Numerische Elemente: Eingabe von Zahlen, z.B. Tastatur
• Eingabegeräte für Informationen (Sensoren): Sensoren messen die Ausgangsdaten und übermitteln sie an die Steuerung. Basierend auf diesen Informationen steuert die Steuerung die Aktoren.
• Steuerung: Ein System zur Informationsverarbeitung, das die Art und Weise bestimmt, in der das System arbeitet.
• Ausgabegeräte für Informationen: Zur Kommunikation mit dem Bediener, z.B. Summer, Sirene.
• Aktoren und Voraktoren: Verantwortlich für den Betrieb des Prozesses, z.B. Motoren, Zylinder, Schalter, Drehzahlregler.

Reglertypen

Der Regler ist dafür verantwortlich, das Korrektursignal zu erzeugen, um den Sollwert zu erreichen und Abweichungen zu vermeiden. Er nimmt die notwendigen Anpassungen an der Maschine vor.

Grundlegende Regelungsarten:

• Proportional (P): Das Steuersignal ist proportional zur Regeldifferenz. Je größer die Abweichung, desto größer das Steuersignal. Die Wirkung ist sofort und stark, kann aber zu bleibenden Abweichungen führen.
• Integral (I): Das Steuersignal ändert sich mit einer Geschwindigkeit, die proportional zur Größe der Abweichung ist. Bei einer großen Abweichung ändert sich das Signal schnell, um die Abweichung zu korrigieren. Die Wirkung ist langsam und schrittweise, wirkt aber so lange, bis die Abweichung beseitigt ist. Bei plötzlichen Abweichungen ist die Wirkung schwach. Kann zu Instabilität führen. Wird in der Praxis meist in Kombination mit P oder PD verwendet.
• Differential (D): Erzeugt ein Signal, das proportional zur Änderungsgeschwindigkeit der Abweichung ist. Bei einer gleichmäßigen Änderung der Abweichung ist das Ausgangssignal konstant. Korrigiert keine konstanten Abweichungen, sondern wirkt präventiv gegen mögliche Fehler. Erzeugt einen Vorhalteeffekt und sorgt für eine schnellere Dynamik. Wird oft in Kombination mit P oder I verwendet.
• PID: Das Verhalten eines PID-Reglers ist die Überlagerung der drei Aktionen (P, I und D). Die Proportionalwirkung beeinflusst die gesamte Reaktion. Ziel dieser Regelungsart ist es, die Vorteile der drei Aktionen zu kombinieren und die Nachteile zu minimieren.
• Zweipunktregelung: Der Ausgang des Reglers hat nur zwei Zustände: Ein oder Aus (maximale oder minimale Leistung).

Transducer (Messumformer)

Transducer wandeln eine physikalische Größe in eine andere physikalische Größe um, in der Regel ein elektrisches Signal. Sie bestehen aus folgenden Komponenten:

• Sensor oder Sensorelement: Wandelt die Variation einer physikalischen Größe in die Variation einer elektrischen oder magnetischen Größe um.
• Signalverarbeitungsblock: Filtert, verstärkt und bereitet das Signal für die nächste Stufe auf.
• Ausgangsstufe: Enthält Verstärker, Relais, Codewandler usw., um das Signal an die Bedürfnisse der externen Last anzupassen, in der Regel ein Aktor oder ein Komparator.

Klassifizierung von Transducern:

• Aktiv oder passiv: Je nachdem, ob sie das Signal direkt erzeugen oder eine externe Stromversorgung benötigen.
• Analog, digital oder Zweipunkt: Je nach Art der gemessenen Größe.
• Nach der zu erfassenden physikalischen Größe:
  • Position: Endschalter, Näherungsschalter (optisch, magnetisch)
  • Lineare Verschiebung: Laser, Ultraschall
  • Lineare oder Winkelgeschwindigkeit: Tachogenerator
  • Temperatur: Thermostat, PTC, NTC
  • Druck: Druckschalter, piezoelektrisch

Komparator (Fehlerdetektor)

Der Komparator vergleicht den Referenzwert mit dem gemessenen Wert der Ausgangsgröße, der vom Rückkopplungsgeber geliefert wird. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist der Bedienfehler oder die Abweichung vom erwarteten Wert.

SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung)

Eine SPS ist eine elektronische Maschine, die für die Echtzeit-Automatisierung in industriellen Umgebungen entwickelt wurde. Sie eignet sich sowohl für kombinatorische als auch für sequentielle Logik. SPSen finden aufgrund ihrer Eigenschaften breite Anwendung in der Industrie:

• Geringe Größe
• Einfache Montage
• Speicherung und einfache Änderung von Programmen

Vorteile von SPSen:

• Änderungen ohne Neuverdrahtung möglich
• Geringerer Platzbedarf
• Geringere Installationskosten
• Kürzere Projektentwicklungszyklen
• Steuerung verschiedener Maschinen mit einer einzigen SPS
• Kürzere Inbetriebnahmezeiten
• Geringere Wartungskosten
• Wiederverwendbarkeit der SPS

Nachteile von SPSen:

• Spezialisiertes Personal für Wartung erforderlich
• Höhere Anschaffungskosten im Vergleich zu anderen technologischen Optionen

Struktur einer SPS:

Eine SPS besteht aus einer Hardware, die unabhängig von der spezifischen Steuerungsaufgabe ist, und einer Software, die die auszuführenden Steuerungsaktionen festlegt. Die Eingangs- und Ausgangssignale werden direkt an die Anschlussklemmen der SPS angeschlossen. Eine SPS besteht aus drei Hauptteilen:

• Zentraleinheit (CPU)
• Speicher
• Ein- und Ausgangselemente

GRAFCET

GRAFCET (Graphischer Funktionsplan für Ablaufsteuerungen) ist eine grafische Darstellungssprache, die nach der internationalen Norm IEC 848 genormt ist. Sie stellt die Abfolge von Schritten innerhalb eines Produktionszyklus dar, die durch Übergänge oder Bedingungen voneinander getrennt sind.