Industrie Lexikon

Steuerungstechnik

Steuerungstechnik ist die Technik von Einrichtungen, die nach einem vorge-gebenen Plan technologische Prozesse beeinflussen. Wenn deren Zweck durch Steuerung selbsttätig erfüllt wird, handelt es sich um Automatisierung.

Gesteuerte Prozesse
Der generelle Zweck technologischer Prozesse ist das Umformen und Transportieren von Material, Energie und Information, wozu über geeignete technische Einrichtungen Energie eingesetzt und gewandelt wird. Steuerungstechnische Einrichtungen, auch Steuerungen genannt, beeinflussen die Wandler mit Hilfe von Informationen, die sie im Sinne des Prozessziels verarbeitet haben.

Beispiele:
Einrichtungen wie Heizung, Wasserzufluss und Elektromotor von einer Steuerung durch Verarbeitung von Informationen beispielsweise über Zeit, Wasserstand und Temperatur so in Gang gesetzt und angehalten, dass saubere vorgetrocknete Wäsche entsteht, wobei auch diverse Regelkreise der Gesamtsteuerung untergeordnet sind, in denen es eine Rückkopplung über den derzeitigen Zustand gibt. Der Prozess beginnt dabei mit dem Zustand Wasser einlassen, gibt der Wasserstandsmelder das Signal das genügend Wasser eingelassen ist, ändert sich der Zustand der Waschmaschinen in den Zustand Heizen und Trommel drehen. Diese Signalrückgabe gehört in den Bereich der Steuerungstechnik wohin gegen das Halten der Wassertemperatur auf dem eingestellten Wert eine Regelungsaufgabe darstellt. Beim Beispiel der Waschmaschine setzt sich das Zusammenwirken von Maschinenzuständen in den Aktoren auf den Prozess einwirken und den über Sensoren ausgelösten Zustandsänderungen solange fort bis das gewünschte Prozeßziel erreicht ist.

Der technologische Prozess einer Ampelanlage für Fußgänger hat zum Ziel, über farbiges Licht sich querenden Fußgängern und Fahrzeugen Passageinformationen für kollisionsfreien Verkehr zu geben. Die freie Passage für Fußgänger und die gesperrte für Fahrzeuge ist die zeitlich befristete Ausnahme, die von Fußgängern bedarfsweise bei der Steuerung angefordert wird.

Aktoren und Sensoren
Die Bindeglieder zwischen steuerungstechnischen und prozesstechnischen Ein- richtungen sind Sensoren und Aktoren (auch Aktuatoren genannt). Sensoren wandeln Prozesszustände in Informationen um und sind dadurch Informationsquellen. Dagegen sind Aktoren Informationssenken. Sie wandeln informationstragende Energie in Prozessenergie um. (In dieser Betrachtungsweise wird der Informations-charakter der eingesetzten Energie betont, um den Aktor als funktionales Gegenstück zum Sensor erscheinen zu lassen.)

Die von Sensoren abgegebenen Informationen werden so oft gewandelt bis sie die Darstellungsform haben, die vom informationsverarbeitenden Gerät (Steuergerät) akzeptiert wird. Ebenso wird eine vom Steuergerät ausgegebene Information gewandelt bis sie die Form hat, die ein Aktor akzeptiert.

Prozesszustände sind zweiwertig (binär), wenn sie sich durch eine Aussage, wie Gegenstand vorhanden/nicht vorhanden, angeben lassen. Dagegen sind sie kontinuierlich, wenn sie durch eine reelle Zahl abgebildet werden können, z.B. Temperatur = 65,5°C. Binäre Prozesszustände werden von Sensoren in binäre Informationen verwandelt. Ein kontinuierlicher Prozesszustand wird vom Sensor in eine analoge Information umgesetzt. Wenn das Steuergerät den Zahlenwert der analogen Information benötigt, ist eine Analog/Digitalwandlung erforderlich. Das umgekehrte gilt für Aktoren.

Beispiele:
Dem Aktor Elektromotor am Förderband einer Ladenkasse wird ein Signal zugeführt, das so verstärkt ist, das es den Motor treiben kann. (Das bedeutet: die Antriebsenergie trägt die Information, die das Steuergerät ausgibt, während die mechanische Energie, die der Motor erzeugt, dem Prozesszweck dient und als Informationsträger keine Bedeutung hat.) Damit das Steuergerät entscheiden kann, ob der Elektomotor ein- oder auszuschalten ist, braucht es die Information eines Sensors über die Anwesenheit von Waren im Griffbereich des Kassenpersonals, beispielsweise einer Lichtschranke.
Der Aktor Glühlampe einer Außenleuchte erhält das Signal zum Leuchten in Form ausreichend starker elektrischer Energie. Es wird von der Steuerung aus den Informationen gewonnen und verstärkt, die ein Sensor für die Tageslichtstärke und ein Sensor für die Bewegung einer Wärmequelle liefern.
Das Steuergerät eines Automotors beeinflusst kontinuierlich die Kraftstoffzufuhr und den Zündzeitpunkt über analoge Aktoren. Es erhält analoge Informationen über Sensoren für die Gaspedalstellung, die Motortemperatur und die Drehzahl, um den Motor unter verschiedensten äußeren Umständen optimal zu betreiben.

Sonderfall Regelung
Wenn die Aufgabe besteht, einen bestimmten Wert einer physikalischen Größe wie Druck oder Temperatur herzustellen, wird in vielen Fällen ein Istwert entstehen, der vom Sollwert abweicht, weil störende Einflüsse am Werk sind.

Das Problem wird gelöst, indem die physikalische Größe mit einem Sensor erfasst wird. Das Steuergerät kann die Abweichung des Istwerts vom Sollwert erkennen und so auf den Aktor einwirken, dass die Störeinflüsse kompensiert werden. Die Wirkung des Aktors über die physikalische Größe und den Sensor auf das Steuergerät ist eine Rückkopplung. Solche Anordnungen gehören zum technischen Wissensgebiet der Regelungstechnik. Das Kennzeichen geregelter Prozesse ist die geschlossene Wirkungskette, der Regelkreis.

Damit der Istwert mit der geforderten Genauigkeit und Charakteristik dem Sollwert folgt, muss das Steuer- (Regel-)gerät die angemessene Regelantwort geben, die maßgeblich auch von der Trägheit beeinflusst wird, mit der der Istwert auf den Aktor reagiert (Zeitverhalten der Regelstrecke). Manchmal genügt es, wenn grobe Istwertschwankungen im zeitlichen Mittel dem Sollwert entsprechen. In anderen Fällen ist höchste Regelgüte gefordert.

Trotz ihrer großen technischen Bedeutung und ihrer anspruchsvollen mathema- tischen Behandlung sind Regelkreise eine Spezialität der Steuerungstechnik. Während Regelungen nur den einen Zweck erfüllen, unter Einsatz je eines Sensors und Aktors den Istwert einer physikalischen Größe zu regeln, lösen Steuerungen die unterschiedlichsten Aufgaben, wobei eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren zum Einsatz kommen können.

Beispiele:
Die konstante Geschwindigkeit eines Autos vermindert sich bei einfachem Festhalten des Gaspedals an einer Steigung, die eine Störgröße des Vorgangs ist. Die Steuergeräte moderner Fahrzeugmotoren können die notwendige Regelung nebenbei erledigen. Der Regelkreis für konstante Fahrgeschwindigkeit schließt sich auf Wunsch des Fahrers im Steuergerät, indem die Kraftstoffzufuhr dem Einfluss des zurückgehenden Gaspedals entzogen und dafür dem Einfluss von Motordrehzahlveränderungen unterworfen wird.
Von einem Labornetzgerät wird verlangt, dass es eine eingestellte Spannung trotz Belastungs- und Netzspannungsschwankungen konstant hält. Um die abgegebene Spannung zu erhöhen, vermindert ein Aktor einen internen Spannungsabfall im Laststromkreis und umgekehrt. Der Regelkreis entsteht dadurch, dass die vom Aktor erzeugte Spannung auf sich selbst einwirkt.