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 Bin√§r-Steuerungen sind die Ein- und die Ausgangsgr√∂√üen der Steuereinrichtungen bin√§r. Die Beeinflussung des zu steuernden Systems (Steuerstrecke) erfolgt √ľber die bin√§ren Ausgangsgr√∂√üen der Steuerung mittels der Aktoren. Beispiele f√ľr Aktoren sind eine Leuchte, ein Ventil oder ein Motor. Die bin√§ren Eingangsgr√∂√üen der Steuerung sind Bediensignale vom Menschen und R√ľckmeldesignale 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 Bin√§r-Steuerungen zwischen Verkn√ľpfungs- und Ablaufsteuerungen. Bei Ablaufsteuerungen werden relevante Werte der Steuergr√∂√üen an den Eingang der Steuerung mittels Sensoren r√ľckgemeldet. Wenn dagegen R√ľckmeldungen fehlen, spricht man von Verkn√ľpfungssteuerungen, deren Arbeitsweise bin√§r oder mehrwertig ist.

Kennzeichen der Informationsverarbeitung in komplexen bin√§ren Steuerungen sind im Steuerprogramm enthaltene logische Verkn√ľpfungen zwischen den Eingangssignalen (einschlie√ülich der r√ľckgemeldeten Signale von den Sensoren). Die Beschreibung und Berechnung bin√§rer Steuerungen kann daher durch Mittel der bin√§ren Mathematik erfolgen.

In analogen Steuerungen sind die Ein- und Ausgangsgr√∂√üen der Steuereinrichtung Analogsignale; diese Steuerungen besitzen keine R√ľckkopplungen. Beispiel einer analogen Steuerung ist die stetige Ver√§nderung einer Hebelstellung beim Drehen einer Kurvenscheibe, an der der Hebel anliegt. Analoge Steuerungen k√∂nnen 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 bin√§r oder digital, wobei die Ablaufsteuerungen bei weitem √ľberwiegen (mehrere Steuergr√∂√üen werden nacheinander beeinflusst). Sie haben mehrere oder sogar viele Ein- und Ausg√§nge. Au√üer dem Startsignal sowie weiteren Bediensignalen stammen die Eingangssignale nicht vom Bediener, sondern aus der Steuerstrecke, und sind mit Sensoren erfasste und r√ľckgemeldete (feedback) Zust√§nde der Steuergr√∂√üen. Der jeweilige Folgeschritt im Ablauf wird immer erst dann ausgef√ľhrt, 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 St√∂rungen stattfindende technische "Selbstkorrektur" der Regelgr√∂√üe. Steuerungen, die zus√§tzlich gegen St√∂rungen ausgelegt sind, bewirken bei gef√§hrlichen Werten der Steuergr√∂√üen, dass der zu steuernde Prozess in einen sicheren Zustand √ľberf√ľhrt oder abgeschaltet wird.

Zur Bew√§ltigung der Komplexit√§t moderner Steuerungen gibt es f√ľr deren Entwurf spezielle methodische Hilfen in Form verschiedener theoretischer Modelle sowie entsprechender computergest√ľtzter Werkzeuge. Solche Werkzeuge (Tools) werden auch f√ľr 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 Webst√ľhlen, die insbesondere durch h√∂lzerne Lochkarten-Steuerungen und sp√§ter durch Steuerungen mit umlaufenden B√§ndern zu Webmaschinen weiterentwickelt wurden.

Stufe 2:
Beginn 1870 mit dem ersten Einsatz von Flie√üb√§ndern in den USA (Schlachth√∂fe von Cincinnati) unter Nutzung elektrischer Antriebe, die durch entsprechende Sch√ľtz- 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 √úbergang von der dritten zur vierten Stufe wird seit 2013 mit der Hannover Messe j√§hrlich anwachsend einer breiten √Ėffentlichkeit zug√§nglich 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.

F√ľr die Steuerungstechnik ist wesentlich, dass zwischen Verkn√ľpfungssteuerungen und Ablaufsteuerungen unterschieden wird.

In Verkn√ľpfungssteuerungen wirken die bin√§ren Stellsignale (Ausg√§nge), deren Werte durch logische Verkn√ľpfung der bin√§ren Eingangssignale einer Steuereinrichtung erzeugt werden, auf bin√§re Steuergr√∂√üen einer nachgeordneten Einrichtung (Steuerstrecke).  Einfache Verkn√ľpfungssteuerungen sind z. B. Wechselschaltungen oder Kreuzschaltungen, mit denen nachgeordnete Lampen angesteuert werden. Eine R√ľckmeldung von der Steuerstrecke zur Steuereinrichtung √ľber eine ausgef√ľhrte Schalthandlung existiert bei Verkn√ľpfungssteuerungen nicht. Sie weisen als Struktur ihres Signalflusses (Informationsflusses) also eine offene Kette auf und werden deshalb auch als offene Steuerungen bezeichnet.

Dar√ľber hinaus existieren noch offene Steuerungen, in denen keine Sensorsignale einbezogen werden und die nur einen Zeitplan (Zeitprogramm, z. B. einfache Ampelsteuerungen) oder Wegplan (Wegprogramm) √ľber ihre Ausg√§nge und die nachgeschalteten Aktoren abarbeiten.

Bei Ablaufsteuerungen wirken die bin√§ren Stellsignale im Sinne von Sprungfunktionen √ľber Aktoren (Aktuatoren) auf analoge Steuergr√∂√üen der Steuerstrecke, wodurch die Funktionswerte dieser Gr√∂√üen ver√§ndert werden.   So wird z. B. beim F√ľllen eines Mischbeh√§lters der F√ľllstand erh√∂ht. Wenn w√§hrend dieser Operation ein gew√ľnschter F√ľllstand erreicht ist, wird dies √ľber ein bin√§res Messsignal an die Steuereinrichtung r√ľckgemeldet. Daraufhin werden durch logische Verkn√ľpfung in Verbindung mit dem Steuerprogramm neue Stellsignale gebildet, die √ľber andere Aktoren erneut das Steuerungsobjekt beeinflussen. Dabei wird einerseits die laufende Operation beendet, andererseits werden weitere Operationen ausgel√∂st. Ablaufsteuerungen weisen damit eine geschlossene Kreisstruktur ihres Signalflusses (Informationsflusses) auf und werden deshalb auch als geschlossene Steuerungen bezeichnet. Sie stellen den √ľberwiegenden Anteil aller Steuerungen in den Anwendungen dar.

Anwendung der Steuerungstechnik
Die Speicherprogrammierbare Steuereinrichtung (SPS) - auch kurz Speicherprogrammierbare Steuerung genannt – bildet eine zeitgem√§√üe Basis f√ľr vielf√§ltige Anwendungen der Steuerungstechnik. Die SPS ist im Prinzip ein Mikrocontroller (CPU-Baugruppe) mit entsprechenden Speichern f√ľr das Steuerungsprogramm und die Steuerungsparameter sowie mit zugeh√∂rigen Eing√§ngen f√ľr Sensorsignale und Ausg√§ngen f√ľr Aktorsignale, erg√§nzt durch Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Bedienung sowie Schnittstellen zur industriellen Kommunikation f√ľr die Programmierung und Vernetzung in Anlagen.

Die SPS ist heute die in der Praxis am meisten verwendete Steuerungseinrichtung. Sie wird dar√ľber 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 ausf√ľhren kann.

Weiterhin koordiniert die SPS auch h√§ufig unterlagerte Regler zur Stabilisierung von Teilprozessen innerhalb eines Gesamtprozesses, dessen √ľbergeordneter Ablauf von der SPS gesteuert, √ľberwacht und gesichert wird. Dar√ľber hinaus wird die SPS auch zur Verarbeitung und Auswertung von Messwerten benutzt (Data-Logger), da sie sowohl √ľber analoge als auch √ľber bin√§re Eing√§nge verf√ľgt.

Die SPS bildet daher zugleich auch die Basis f√ľr eine zeitgem√§√üe Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik f√ľr die Automation in der Volkswirtschaft. Somit hat sich die SPS wegen ihres universellen Charakters zu einem Massenprodukt entwickelt, das weltweit in Millionenst√ľckzahlen hergestellt wird. Sie erm√∂glicht daher eine Massenanwendung der Automation, verbunden mit deren Breitenanwendung in allen Bereichen der Volkswirtschaft.

‚ĖļMehr Informationen finden Sie hier.

Quelle: Wikipedia

 

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