Industrie-Lexikon

Steuerungstechnik

Die Steuerungstechnik umfasst den Entwurf und die Realisierung von Steuerungen, das heißt, die gerichtete Beeinflussung des Verhaltens technischer Systeme (Geräte, Apparate, Maschinen, Anlagen und biologische Systeme). Sie ist, wie die Regelungstechnik, ein Teilgebiet der Automatisierungstechnik. Steuerungen werden unterteilt in binäre, analoge und digitale Steuerungen.

In Binär-Steuerungen sind die Ein- und die Ausgangsgrößen der Steuereinrichtungen binär. Die Beeinflussung des zu steuernden Systems (Steuerstrecke) erfolgt über die binären Ausgangsgrößen der Steuerung mittels der Aktoren. Beispiele für Aktoren sind eine Leuchte, ein Ventil oder ein Motor. Die binären Eingangsgrößen der Steuerung sind Bediensignale vom Menschen und Rückmeldesignale von Sensoren aus der Steuerstrecke, zum Beispiel die Schalterstellung (Ein/Aus), die Ventilstellung (Offen/Geschlossen) oder der Bewegungszustand des Motors (Drehend/Stehend). Gesteuert werden zum Beispiel eine Beleuchtung, ein Wasserfluss oder die Bewegung eines Fahrzeug-Antriebs.

Man unterscheidet bei Binär-Steuerungen zwischen Verknüpfungs- und Ablaufsteuerungen. Bei Ablaufsteuerungen werden relevante Werte der Steuergrößen an den Eingang der Steuerung mittels Sensoren rückgemeldet. Wenn dagegen Rückmeldungen fehlen, spricht man von Verknüpfungssteuerungen, deren Arbeitsweise binär oder mehrwertig ist.

Kennzeichen der Informationsverarbeitung in komplexen binären Steuerungen sind im Steuerprogramm enthaltene logische Verknüpfungen zwischen den Eingangssignalen (einschließlich der rückgemeldeten Signale von den Sensoren). Die Beschreibung und Berechnung binärer Steuerungen kann daher durch Mittel der binären Mathematik erfolgen.

In analogen Steuerungen sind die Ein- und Ausgangsgrößen der Steuereinrichtung Analogsignale; diese Steuerungen besitzen keine Rückkopplungen. Beispiel einer analogen Steuerung ist die stetige Veränderung einer Hebelstellung beim Drehen einer Kurvenscheibe, an der der Hebel anliegt. Analoge Steuerungen können als Regelungen durch Differentialgleichungen beschrieben werden.

Eine Steuerung wird digitale Steuerung genannt, wenn in ihr Digitalsignale verarbeitet werden. Digitale Signale sind Mehrbitsignale, deren Einzelbits Bestandteile einer codierten Informationsdarstellung sind. Zur Verarbeitung digitaler Signale sind Steuerungsbefehle mit Byte- bzw. Wortoperanden, sogenannte Wortanweisungen, erforderlich.

Heute sind die meisten Steuerungen binär oder digital, wobei die Ablaufsteuerungen bei weitem überwiegen (mehrere Steuergrößen werden nacheinander beeinflusst). Sie haben mehrere oder sogar viele Ein- und Ausgänge. Außer dem Startsignal sowie weiteren Bediensignalen stammen die Eingangssignale nicht vom Bediener, sondern aus der Steuerstrecke, und sind mit Sensoren erfasste und rückgemeldete (feedback) Zustände der Steuergrößen. Der jeweilige Folgeschritt im Ablauf wird immer erst dann ausgeführt, wenn der vorhergehende Schritt abgeschlossen ist. Somit liegen aufeinander folgende geschlossene Teil-Steuerkreise vor, die aber nicht mit dem nicht unterteilten geschlossenen Regelkreis zu verwechseln sind. Dessen Zweck ist eine bei Störungen stattfindende technische "Selbstkorrektur" der Regelgröße. Steuerungen, die zusätzlich gegen Störungen ausgelegt sind, bewirken bei gefährlichen Werten der Steuergrößen, dass der zu steuernde Prozess in einen sicheren Zustand überführt oder abgeschaltet wird.

Zur Bewältigung der Komplexität moderner Steuerungen gibt es für deren Entwurf spezielle methodische Hilfen in Form verschiedener theoretischer Modelle sowie entsprechender computergestützter Werkzeuge. Solche Werkzeuge (Tools) werden auch für Simulation, Planung, Projektierung, Programmierung und Service (Fehlerdiagnose, Wartung und Instandsetzung) verwendet.

Steuerungstechnik und industrielle Entwicklung
Die bedeutende Rolle der Steuerungstechnik in der industriellen Entwicklung wird auch im Zukunftsprojekt Industrie 4.0 der Deutschen Bundesregierung und Industrie deutlich, wobei vier Stufen der Industriellen Revolution unterschieden werden:

Stufe 1:
Beginn 1784 mit dem Einsatz von mechanischen Webstühlen, die insbesondere durch hölzerne Lochkarten-Steuerungen und später durch Steuerungen mit umlaufenden Bändern zu Webmaschinen weiterentwickelt wurden.

Stufe 2:
Beginn 1870 mit dem ersten Einsatz von Fließbändern in den USA (Schlachthöfe von Cincinnati) unter Nutzung elektrischer Antriebe, die durch entsprechende Schütz- und Relais-Steuerungen geschaltet wurden.

Stufe 3:
Beginn 1969 mit den ersten Speicherprogrammierbaren Steuerungen des US-amerikanischen Unternehmens Modicon (Typ Modicon 084, Erfinder: Richard E. Morley), die einen Durchbruch bei der Industrieelektronik und Informationstechnik zur massenweisen Steuerung und Automatisierung der Produktion markieren.

Stufe 4: Industrie 4.0
Beginn 2012 mit Entwicklung und Einsatz sogenannter Cyber-Physikalischer Systeme (CPS) mit globaler Vernetzung zur global optimierten Steuerung der international organisierten Produktion (Internet der Dinge). Dieser schrittweise Übergang von der dritten zur vierten Stufe wird seit 2013 mit der Hannover Messe jährlich anwachsend einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Aufgabe der Steuerungstechnik
Die Aufgabe der Steuerungstechnik besteht darin, bestimmte Abläufe in einem Steuerungs-Objekt (gesteuerter Prozess; Steuerstrecke) zu erzwingen. Die in der Technik dominierende binäre Steuerungstechnik baut auf binären Messsignalen auf (ggf. erzeugt durch Schwellwertschalter). Im Ergebnis einer logischen Informationsverarbeitung (UND, ODER, NICHT, Speicher, Zähler, Zeitglieder u. a.) der binären Messsignale innerhalb eines Steuerprogramms werden die entsprechenden Stellglieder (sogenannte Aktoren oder Aktuatoren) zur Beeinflussung von Prozessgrößen binär angesteuert.

Für die Steuerungstechnik ist wesentlich, dass zwischen Verknüpfungssteuerungen und Ablaufsteuerungen unterschieden wird.

In Verknüpfungssteuerungen wirken die binären Stellsignale (Ausgänge), deren Werte durch logische Verknüpfung der binären Eingangssignale einer Steuereinrichtung erzeugt werden, auf binäre Steuergrößen einer nachgeordneten Einrichtung (Steuerstrecke).  Einfache Verknüpfungssteuerungen sind z. B. Wechselschaltungen oder Kreuzschaltungen, mit denen nachgeordnete Lampen angesteuert werden. Eine Rückmeldung von der Steuerstrecke zur Steuereinrichtung über eine ausgeführte Schalthandlung existiert bei Verknüpfungssteuerungen nicht. Sie weisen als Struktur ihres Signalflusses (Informationsflusses) also eine offene Kette auf und werden deshalb auch als offene Steuerungen bezeichnet.

Darüber hinaus existieren noch offene Steuerungen, in denen keine Sensorsignale einbezogen werden und die nur einen Zeitplan (Zeitprogramm, z. B. einfache Ampelsteuerungen) oder Wegplan (Wegprogramm) über ihre Ausgänge und die nachgeschalteten Aktoren abarbeiten.

Bei Ablaufsteuerungen wirken die binären Stellsignale im Sinne von Sprungfunktionen über Aktoren (Aktuatoren) auf analoge Steuergrößen der Steuerstrecke, wodurch die Funktionswerte dieser Größen verändert werden.   So wird z. B. beim Füllen eines Mischbehälters der Füllstand erhöht. Wenn während dieser Operation ein gewünschter Füllstand erreicht ist, wird dies über ein binäres Messsignal an die Steuereinrichtung rückgemeldet. Daraufhin werden durch logische Verknüpfung in Verbindung mit dem Steuerprogramm neue Stellsignale gebildet, die über andere Aktoren erneut das Steuerungsobjekt beeinflussen. Dabei wird einerseits die laufende Operation beendet, andererseits werden weitere Operationen ausgelöst. Ablaufsteuerungen weisen damit eine geschlossene Kreisstruktur ihres Signalflusses (Informationsflusses) auf und werden deshalb auch als geschlossene Steuerungen bezeichnet. Sie stellen den überwiegenden Anteil aller Steuerungen in den Anwendungen dar.

Anwendung der Steuerungstechnik
Die Speicherprogrammierbare Steuereinrichtung (SPS) - auch kurz Speicherprogrammierbare Steuerung genannt – bildet eine zeitgemäße Basis für vielfältige Anwendungen der Steuerungstechnik. Die SPS ist im Prinzip ein Mikrocontroller (CPU-Baugruppe) mit entsprechenden Speichern für das Steuerungsprogramm und die Steuerungsparameter sowie mit zugehörigen Eingängen für Sensorsignale und Ausgängen für Aktorsignale, ergänzt durch Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Bedienung sowie Schnittstellen zur industriellen Kommunikation für die Programmierung und Vernetzung in Anlagen.

Die SPS ist heute die in der Praxis am meisten verwendete Steuerungseinrichtung. Sie wird darüber hinaus auch als Regler eingesetzt, da die Arithmetik-Logik-Einheit (ALU) des internen Mikroprozessors bei der Informationsverarbeitung sowohl die logischen Steuerungsfunktionen als auch die arithmetischen Regelungsfunktionen ausführen kann.

Weiterhin koordiniert die SPS auch häufig unterlagerte Regler zur Stabilisierung von Teilprozessen innerhalb eines Gesamtprozesses, dessen übergeordneter Ablauf von der SPS gesteuert, überwacht und gesichert wird. Darüber hinaus wird die SPS auch zur Verarbeitung und Auswertung von Messwerten benutzt (Data-Logger), da sie sowohl über analoge als auch über binäre Eingänge verfügt.

Die SPS bildet daher zugleich auch die Basis für eine zeitgemäße Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik für die Automation in der Volkswirtschaft. Somit hat sich die SPS wegen ihres universellen Charakters zu einem Massenprodukt entwickelt, das weltweit in Millionenstückzahlen hergestellt wird. Sie ermöglicht daher eine Massenanwendung der Automation, verbunden mit deren Breitenanwendung in allen Bereichen der Volkswirtschaft.

Mehr Informationen finden Sie hier.

Quelle: Wikipedia

 

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