Industrie-Lexikon

Steuerungstechnik

Die Steuerungstechnik umfasst den Entwurf und die Realisierung von Steuerungen, das hei├čt, die gerichtete Beeinflussung des Verhaltens technischer Systeme (Ger├Ąte, Apparate, Maschinen, Anlagen und biologische Systeme). Sie ist, wie die Regelungstechnik, ein Teilgebiet der Automatisierungstechnik. Steuerungen werden unterteilt in bin├Ąre, analoge und digitale Steuerungen.

In Bin├Ąr-Steuerungen sind die Ein- und die Ausgangsgr├Â├čen der Steuereinrichtungen bin├Ąr. Die Beeinflussung des zu steuernden Systems (Steuerstrecke) erfolgt ├╝ber die bin├Ąren Ausgangsgr├Â├čen der Steuerung mittels der Aktoren. Beispiele f├╝r Aktoren sind eine Leuchte, ein Ventil oder ein Motor. Die bin├Ąren Eingangsgr├Â├čen der Steuerung sind Bediensignale vom Menschen und R├╝ckmeldesignale 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├Ąr-Steuerungen zwischen Verkn├╝pfungs- und Ablaufsteuerungen. Bei Ablaufsteuerungen werden relevante Werte der Steuergr├Â├čen an den Eingang der Steuerung mittels Sensoren r├╝ckgemeldet. Wenn dagegen R├╝ckmeldungen fehlen, spricht man von Verkn├╝pfungssteuerungen, deren Arbeitsweise bin├Ąr oder mehrwertig ist.

Kennzeichen der Informationsverarbeitung in komplexen bin├Ąren Steuerungen sind im Steuerprogramm enthaltene logische Verkn├╝pfungen zwischen den Eingangssignalen (einschlie├člich der r├╝ckgemeldeten Signale von den Sensoren). Die Beschreibung und Berechnung bin├Ąrer Steuerungen kann daher durch Mittel der bin├Ąren Mathematik erfolgen.

In analogen Steuerungen sind die Ein- und Ausgangsgr├Â├čen der Steuereinrichtung Analogsignale; diese Steuerungen besitzen keine R├╝ckkopplungen. Beispiel einer analogen Steuerung ist die stetige Ver├Ąnderung einer Hebelstellung beim Drehen einer Kurvenscheibe, an der der Hebel anliegt. Analoge Steuerungen k├Ânnen 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├Ąr oder digital, wobei die Ablaufsteuerungen bei weitem ├╝berwiegen (mehrere Steuergr├Â├čen werden nacheinander beeinflusst). Sie haben mehrere oder sogar viele Ein- und Ausg├Ąnge. Au├čer dem Startsignal sowie weiteren Bediensignalen stammen die Eingangssignale nicht vom Bediener, sondern aus der Steuerstrecke, und sind mit Sensoren erfasste und r├╝ckgemeldete (feedback) Zust├Ąnde der Steuergr├Â├čen. Der jeweilige Folgeschritt im Ablauf wird immer erst dann ausgef├╝hrt, 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├Ârungen stattfindende technische "Selbstkorrektur" der Regelgr├Â├če. Steuerungen, die zus├Ątzlich gegen St├Ârungen ausgelegt sind, bewirken bei gef├Ąhrlichen Werten der Steuergr├Â├čen, dass der zu steuernde Prozess in einen sicheren Zustand ├╝berf├╝hrt oder abgeschaltet wird.

Zur Bew├Ąltigung der Komplexit├Ąt moderner Steuerungen gibt es f├╝r deren Entwurf spezielle methodische Hilfen in Form verschiedener theoretischer Modelle sowie entsprechender computergest├╝tzter Werkzeuge. Solche Werkzeuge (Tools) werden auch f├╝r 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├╝hlen, die insbesondere durch h├Âlzerne Lochkarten-Steuerungen und sp├Ąter durch Steuerungen mit umlaufenden B├Ąndern zu Webmaschinen weiterentwickelt wurden.

Stufe 2:
Beginn 1870 mit dem ersten Einsatz von Flie├čb├Ąndern in den USA (Schlachth├Âfe von Cincinnati) unter Nutzung elektrischer Antriebe, die durch entsprechende Sch├╝tz- 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 ├ťbergang von der dritten zur vierten Stufe wird seit 2013 mit der Hannover Messe j├Ąhrlich anwachsend einer breiten ├ľffentlichkeit zug├Ąnglich gemacht.

Aufgabe der Steuerungstechnik
Die Aufgabe der Steuerungstechnik besteht darin, bestimmte Abl├Ąufe in einem Steuerungs-Objekt (gesteuerter Prozess; Steuerstrecke) zu erzwingen. Die in der Technik dominierende bin├Ąre Steuerungstechnik baut auf bin├Ąren Messsignalen auf (ggf. erzeugt durch Schwellwertschalter). Im Ergebnis einer logischen Informationsverarbeitung (UND, ODER, NICHT, Speicher, Z├Ąhler, Zeitglieder u. a.) der bin├Ąren Messsignale innerhalb eines Steuerprogramms werden die entsprechenden Stellglieder (sogenannte Aktoren oder Aktuatoren) zur Beeinflussung von Prozessgr├Â├čen bin├Ąr angesteuert.

F├╝r die Steuerungstechnik ist wesentlich, dass zwischen Verkn├╝pfungssteuerungen und Ablaufsteuerungen unterschieden wird.

In Verkn├╝pfungssteuerungen wirken die bin├Ąren Stellsignale (Ausg├Ąnge), deren Werte durch logische Verkn├╝pfung der bin├Ąren Eingangssignale einer Steuereinrichtung erzeugt werden, auf bin├Ąre Steuergr├Â├čen einer nachgeordneten Einrichtung (Steuerstrecke).  Einfache Verkn├╝pfungssteuerungen sind z. B. Wechselschaltungen oder Kreuzschaltungen, mit denen nachgeordnete Lampen angesteuert werden. Eine R├╝ckmeldung von der Steuerstrecke zur Steuereinrichtung ├╝ber eine ausgef├╝hrte Schalthandlung existiert bei Verkn├╝pfungssteuerungen nicht. Sie weisen als Struktur ihres Signalflusses (Informationsflusses) also eine offene Kette auf und werden deshalb auch als offene Steuerungen bezeichnet.

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

Bei Ablaufsteuerungen wirken die bin├Ąren Stellsignale im Sinne von Sprungfunktionen ├╝ber Aktoren (Aktuatoren) auf analoge Steuergr├Â├čen der Steuerstrecke, wodurch die Funktionswerte dieser Gr├Â├čen ver├Ąndert werden.   So wird z. B. beim F├╝llen eines Mischbeh├Ąlters der F├╝llstand erh├Âht. Wenn w├Ąhrend dieser Operation ein gew├╝nschter F├╝llstand erreicht ist, wird dies ├╝ber ein bin├Ąres Messsignal an die Steuereinrichtung r├╝ckgemeldet. Daraufhin werden durch logische Verkn├╝pfung in Verbindung mit dem Steuerprogramm neue Stellsignale gebildet, die ├╝ber andere Aktoren erneut das Steuerungsobjekt beeinflussen. Dabei wird einerseits die laufende Operation beendet, andererseits werden weitere Operationen ausgel├Âst. Ablaufsteuerungen weisen damit eine geschlossene Kreisstruktur ihres Signalflusses (Informationsflusses) auf und werden deshalb auch als geschlossene Steuerungen bezeichnet. Sie stellen den ├╝berwiegenden Anteil aller Steuerungen in den Anwendungen dar.

Anwendung der Steuerungstechnik
Die Speicherprogrammierbare Steuereinrichtung (SPS) - auch kurz Speicherprogrammierbare Steuerung genannt – bildet eine zeitgem├Ą├če Basis f├╝r vielf├Ąltige Anwendungen der Steuerungstechnik. Die SPS ist im Prinzip ein Mikrocontroller (CPU-Baugruppe) mit entsprechenden Speichern f├╝r das Steuerungsprogramm und die Steuerungsparameter sowie mit zugeh├Ârigen Eing├Ąngen f├╝r Sensorsignale und Ausg├Ąngen f├╝r Aktorsignale, erg├Ąnzt durch Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Bedienung sowie Schnittstellen zur industriellen Kommunikation f├╝r die Programmierung und Vernetzung in Anlagen.

Die SPS ist heute die in der Praxis am meisten verwendete Steuerungseinrichtung. Sie wird dar├╝ber 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├╝hren kann.

Weiterhin koordiniert die SPS auch h├Ąufig unterlagerte Regler zur Stabilisierung von Teilprozessen innerhalb eines Gesamtprozesses, dessen ├╝bergeordneter Ablauf von der SPS gesteuert, ├╝berwacht und gesichert wird. Dar├╝ber hinaus wird die SPS auch zur Verarbeitung und Auswertung von Messwerten benutzt (Data-Logger), da sie sowohl ├╝ber analoge als auch ├╝ber bin├Ąre Eing├Ąnge verf├╝gt.

Die SPS bildet daher zugleich auch die Basis f├╝r eine zeitgem├Ą├če Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik f├╝r die Automation in der Volkswirtschaft. Somit hat sich die SPS wegen ihres universellen Charakters zu einem Massenprodukt entwickelt, das weltweit in Millionenst├╝ckzahlen hergestellt wird. Sie erm├Âglicht daher eine Massenanwendung der Automation, verbunden mit deren Breitenanwendung in allen Bereichen der Volkswirtschaft.

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Quelle: Wikipedia

 

 

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