Steuer- und Regeltechnik (Grundbegriffe)

Automatisierung

Mit dem Begriff Steuerungstechnik meinen wir alle Techniken, mit Hilfe derer es möglich ist, Prozesse zu beeinflussen. Wir befassen uns also mit Techniken, die es uns erlauben Technische Prozesse zu steuern.

Was ist ein Prozess?

Ein (Technischer) Prozess ist ein Vorgang zur Umformung und/oder zum Transport von Material, Energie und/oder Informationen.

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Welche Prozessklassen gibt es?

Wie wir schon wissen, ist die Technologie, die zur Steuerung von Prozessen eingesetzt wird, als Ersatz für die menschliche Arbeitskraft und vornehmlich zu Entlastung des Menschen und damit zur Wertsteigerung der Human Resources gedacht.

So liegt der Schwerpunkt der Automatisierung im Produktionsbereich. Darin unterscheiden wir hauptsächlich in vier Prozessklassen:

  1. Verfahrensprozesse (Werkstoff- oder Energieerzeugung aus Rohstoffen)
  2. Fertigungsprozesse (Formgebung von Werkstücken aus Werstoffen)
  3. Verteilungsprozesse (Rohstoffe, Güter oder Produkte, Energie oder Informationen werden entsprechenden Abnehmern wie Fertigungsautomaten, Lager- oder Informationsverarbeitungssystemen zugewiesen)
  4. Mess- und Prüfprozesse (Qualitätsprüfung im Rahmen von Verfahrens- und Fertigungsprozessen)

Was kann ein Steuersystem?

Ein automatischer Arbeitsablauf eines Technischen Prozesses erfordert, dass bestimmte physikalische Größen gemessen und eventuell konstant gehalten werden. Die Abläufe während des Prozesses werden gesteuert. Daraus ergeben sich für ein Steuerungssystem folgende Aufgaben:

  1. Erfassung von Prozesszuständen
  2. Verarbeitung der Prozesszustandsdaten
  3. Beeinflussung des Prozesses aufgrund der Verarbeitungsergebnisse

Komponenten des Steuersystems

  1. Die Erfassung erfolgt durch Sensoren (Signalgeber).
  2. Die Verarbeitung der Signale erfolgt im Prozessor (Steuerung).
  3. Die Beeinflussung des Prozesses erfolgt durch Aktoren (Stellglieder).

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Unter dem Prozessor ist nicht ausschließlich ein Computer gemeint. Hier finden lediglich die logischen Verarbeitungsprozesse statt, und das kann in verschiedenen Techniken bewerkstelligt werden.

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Steuerungstechnik

Zweck einer Steuerung

Eine Steuerung beeinflusst einen Prozess (oder eine Steuerstrecke).

Prinzip einer Steuerung

Die auf die Steuereinrichtung einwirkenden Eingangsgrößen xe werden im System verknüpft und als Ausgangsgrößen xa ausgegeben.

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Unter einer Steuerung wird in der Praxis oft das Automatisierungsgerät verstanden. Dieses arbeitet nach dem (dtsch.) EVA-Prinzip.

Siganlkette (17K)

Schema einer Steuerung (Normenauszug)

Allgemein wird eine automatisierte oder gesteuerte Anlage über die Ausgangsgrößen der Steuerung bzw. sogenannte Stellglieder, die in den zu steuernden Energiefluss oder Massenstrom (den technischen Prozess) eingreifen, beeinflusst.

Für die Darstellung der eigentlichen Steuerung in Verbindung mit der zu steuernden Anlage gilt folgendes Prinzipschema.

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Beispiel: Druckluftsteuerung

Der Druck eines Kompressors wird über die Ansaugmenge gesteuert. Dabei ist das Öffnen und Schließen des Schiebers der Steuervorgang. Der Schieber, dessen Stellung sich auf die Ansaugmenge auswirkt, ist das Stellglied. Die Öffnung, die der Schieber freigibt, ist die Stellgröße. Das Handrad, durch das der Schieber betätigt wird, ist die Steuereinrichtung.

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Die unterschiedliche Belastung des Druckluftnetzes durch die Verbraucher, wirkt als Störgröße z auf die Steuerung ein. Dies gilt auch für Drehzahlschwankungen bzw. Änderungen des Wirkungsgrades, die durch den Verdichter entstehen.

Schematische Darstellung

Man spricht bei einer Steuerung von einer Signalkette oder einem offenen Wirkungsablauf.

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Die Signale des Stellers laufen von der Signaleingabe über die Signalverarbeitung direkt zur Signalausgabe. Im Fall unserer Druckluftsteuerung wäre das Eingangssignal die Öffnung des Ansaugstutzens des Kompressors. Diese Öffnung kann beliebig groß sein das hieße sie gäbe ein Analoges Signal an die Steuerung weiter. Damit wäre auch der gelieferte Druck entsprechend dem Stellersignal beliebig groß, also ist das Ausgangssignal wieder dementsprechend ein analoges.

Durch den offenen Wirkungsablauf einer Steuerung ist es nicht möglich, Störgrößen wie oben beschrieben auszugleichen.

Den Ausgleich diverser Störungen übernimmt ein Regler.

Regelungstechnik

Die Regelung hat die Aufgabe, trotz störender Einflüsse einer Störgröße zden Wert der Regelgröße x an den durch die Führungsgröße w vorgegebenen Wert mittels einer Stellgröße y anzugleichen.

Die Beeinflussung der Regelstrecke erfolgt also kurz gesagt durch den Vergleich der = die zu regelnde Größe xAusgangsgröße der Regelstrecke mit einer vorgegebenen = die Führungsgröße wSollwert.

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Hier ist deutlich der geschlossene Wirkungsablauf zu erkennen, im Gegensatz zum offenen Wirkungsablauf der Steuerung. Man spricht in diesem Fall von einem Regelkreis.

Vergleich Steuerung mit Regelung

Links die Steuerung mit dem offenen und rechts die Regelung mit dem geschlossenen Wirkungsablauf. Man beachte die Signalrückführung mit dem umgekehrten Vorzeichen! Der beschriebene Vergleich ist mathematisch betrachtet also eine Summe mit negativen Vorzeichen

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Beispiel Druckregelung

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Macht der Balg auf, so bewirkt der Hebel ein schließen des Einströmventils. Hier wird die negative Signalrückführung deutlich.

Beispiel Temperaturregelung

Temperaturregelung mit Thermostat

Temperatur-Regelung (38K)

Arten von Thermostaten

Bimetall

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Zwei Metalle mit unterschiedlichem Längenausdehnungskoeffizienten, die zusammengelötet oder-genietet sind. Dadurch wird ein verbiegen erzwungen. Der verbogene Bimetallstreifen betätigt dann einen Schaltkontakt.

Kapillarrohr

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Eine mit einer Messflüssigkeit gefüllte Patrone ist über eine Kapillare mit einer Dose verbunden, deren Abschluss eine Membrane bildet. Durch das Erhitzen der Messflüssigkeit beginnt sich diese auzudehnen und die Membrane wird gewölbt. Die Membrane betätigt dann einen Schaltkontakt.

Invarstab

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In einem Metallgehäuse das einen großen Längenausdehnungskoeffizienten hat befindet sich ein Stab, der seine Länge bei Erwärmung kaum ausdehnt. Dadurch beginnt der einseitig eingespannte Stab an einem Schaltkontakt zu ziehen, was zum Öffnen eines angeschlossenen Sicherheitskreises führt. Invarstäbe finden sich in vielen elektrisch beheizten Systemen als Übertemperaturschutz wieder.

Elektronisch

elektronThermostat (21K)
Die technisch aufwendigste aber auch genaueste Art, temperaturabhängig zu steuern oder eine Temperatur zu regeln ist über elektronische Messverfahren zu erreichen. Siehe dazu auch das Kapitel Temperaturmessung.

Geschlossener Wirkungsablauf einer Regelung

Aus der Elektronik entlehnt ist folgende Darstellung einer Regelung. Gut sichtbar wird die Vergleichsstelle zwischen der Führungsgröße und der Regelgröße. In der Elektronik wird aus dem Knoten- oder Summenpunkt ein Summen- oder Operationsverstärker.(Analogwertsummierer)

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