Steuerungstechnik umfasst alle Techniken, mit Hilfe derer es möglich ist, Prozesse zu beeinflussen. In der Steuerungstechnik beschäftigen wir uns mit den Abläufen von
Unter einem Technischen Prozess
verstehen wir den Transport von
→ Materie
→ Information und/oder
→ Energie
Technischen Prozessen.
Eine normgemäße Erklärung lautet unter Anderem:
Eine Steuerung verarbeitet Eingangssignale xe nach programmierten Gesetzmäßigkeiten und gibt das Ergebnis als Ausgangssignale xa wieder aus.
Daraus kann der folgende mathematische Ausdruck gebastelt werden.
Was dann kurz heißt: Die Ausgangsgrößen sind eine
Die Ausgangsgrößen hängen via Programm von den Eingangsgrößen ab.
Funktion.der Eingangsgrößen.
Ein Energie- oder Massenströme technischer Prozess muss gesteuert werden. Es werden also Signale aus dem Prozeß zu gegebener Zeit ausgewertet und Vorgänge im Prozeß eingeleitet.
Ein automatischer Arbeitsablauf erfordert, dass physikalische Größen gemessen und eventuell konstant gehalten werden. Die Abläufe während des Prozesses werden gesteuert. Daraus ergeben sich für ein Steuerungssystem folgende Aufgaben:
Die Erzeugung, Verarbeitung und Umsetzung von Signalen ist Aufgabe einer Steuerung.
Nach der Art der Signalverarbeitung unterscheiden wir:
Wir unterscheiden folgende Signalformen:
Analoges Signal | Digitales Signal |
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Analog ist ein Signal (eine Information), wenn es innerhalb eines Wertebereichs jeden beliebigen Wert annehmen kann.
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Digital ist ein Signal, wenn das |
Diskretes Signal | Binäres Signal |
Diskret ist ein Signal, wenn wenn |
Ein Binärsignal ist ein einparametriges digitales Signal mit nur zwei Wertebereichen eines Es handelt sich also um ein Signal mit zwei Informationen, z.B. [ Ein|Aus ] , [ Ja|Nein ], [ 0|1 ] oder [ High|Low ] |
![]() Signalhub (rote Linie) zwischen den Zuständen: "logisch 0" und "logisch 1". |
Informationen werden in Form von elektrischen Signalen in der Prozessorik verarbeitet. Wir betrachten im Bild die Signalspannung US. Sie ist als rote Linie gezeichnet. Die Spannung im Bereich von 0,5*US bis US wird als logische 1 bezeichnet. Ist die Spannung dagegen praktisch Null ("GND" Ground = Masse), bedeutet das eine logische 0. |
auf welche Weise mehr Information in aus zwei Werten bestehend binärer Form verarbeitet werden können, zeigt der Abschnitt 6 "Codierung von Information".
Eine Steuerung wird als Signalkette beschrieben.
In einer Steuerung wird ein Signal ... | ||
eingegeben, | verarbeitet und | wieder ausgegeben. |
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Signalgeber (Sensoren) | Logik (Prozess) | Steller (Aktoren) |
Dementsrechend gibt es in der Steuerungstechnik drei Technik-Felder | ||
Sensorik | Prozessorik | Aktorik |
Für die Energieversorgung einer Steuerung (Signalkette) ergibt sich folgendes Bild:
Taster, Schalter und elektronische Sensoren liefern Binäre Eingangssignale.
Fühler, Dehnungsmessstreifen oder optoelektronische Sensoren liefern Analoge Eingangssignale.
Wichtig ist die Möglichkeit, technisch unterschiedlich arbeitende Signalgeber durch entsprechende Maßnahmen auf die Steuerung anzupassen ( = Signalanpassung). Beispiele dafür sind:
In der Prozessorik werden die eingehenden Signale
Ein Programm ist ein geplanter Weg, Ausgangsignale aus den verschiedenen Eingangszuständen zu gewinnen.
Dies kann SPSsoft- oder VPShardewaremäßig erfolgen.Die Ausgabe der Signale muss wieder dem Arbeitsmedium der Steuerung angepasst werden. Die Signale oder Daten können folgendermßen ausgeben werden
Das Herz einer SPS ist die CPU (Central Prozessing Unit oder Zentraleinheit). Sie birgt
Die Ein- und Ausgabeebene ist je nach Anforderung und Hersteller verschieden ausgeführt. Z.B.:
Grundsätzlich können, je nach Anwendungsfall, alle modernen Speichermedien verwendet werden. Im Wesentlichen werden aber
![]() |
Während eine VPS die Verknüpfung der Signale parallel bearbeitet, liest eine SPS die Anweisungen zur Bearbeitung zeilenweise (=seriell) aus dem Programmspeicher aus. Für das serielle Abarbeiten benötigt der Prozessor Zeit (Die Zykluszeit ist jene Zeit, die für den einmaligen Durchlauf des Programmspeichers benötigt wird.) Um keinen Eingang zu "vergessen", wird das Prozessabbild der Eingänge (PAE) vom Mikroprozessor verarbeitet. Das Prozessabbild der Ausgänge (PAA) wird an die Peripherie der SPS, also an die Klemmen der SPS parallel ausgegeben. |
Sie sind in der IEC 61131-3 definiert.
Ressource | Die SPS mit der CPU, in der das Anwenderprogramm läuft
Eine Resource besteht aus einer oder mehrerer Programm-Organisations-Einheiten |
POE | Man unterscheidet zwei Typen:
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Eine POE besteht immer aus einem Deklarations- und einem Programmteil.
Deklaration einer Variablen | Sie wird vom System selbständig verwaltet und muss nicht vom Programmierer addressiert werden.
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Deklaration einer Variablen mit physikalischer Adresse | Sie wird vom Programmierer für die Kommunikation mit der Peripherie vorgesehen.
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Programmteil aus Anweisungen mit den zuvor erstellten Deklarationen |
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Maschinen können mit Dualzahlen rechnen. Dazu benötigt man Schaltungen, die wir bereits in den Relaisschaltungen kennengelernt haben. Alle Schaltungen folgen den Gesetzen des elektrischen Stromkreises. In der Digitaltechnik wird die Symbolik ( = Darstellungweise) weiter vereinfacht.
Die Schaltung liefert eine Ausgangsspannung (für eine Relaisspule ...), wenn der Schalter S1
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Der Kontaktplan (KOP) zeigt den Strompfad der angesteuerten Relaisspule: | Der Funktionsplan (FUP) ist eigentlich rein symbolisch, allerdings gibt es tatsächlich Bauelemente, die diese Funktion beherrschen: | Die Boole'sche Algebra ist bewußt an die mathematische Schreibweise angenähert. Es gibt in der Logik ebenfalls "Vorrangregeln". So entspricht der bekannten Rechenregel: Punkt vor Strich die Regel Und vor Oder: |
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Die Darstellung der Wahrheitstabelle zeigt den logischen Signalzustand des Ausgangs (letzte Spalte) in Folge der Eingangszustände (ersten zwei Spalten): |
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Die Schaltung liefert jetzt eine Ausgangsspannung, wenn der Schalter S1
KOP: | FUP: | Boole'sche Algebra: | ||||||||||||||||||
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Die Schaltung liefert dann eine Ausgangsspannung, wenn der Schalter S1
KOP: | FUP: | Boolesche Algebra: | |||||||||
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Die Wechselschaltung besteht in der Sprache der Steuerungstechniker aus zwei Umschaltern ( = Wechselschalter) in Serie. Der Stromlaufplan führt die Funktion (hoffentlich) deutlich vor Augen:
Die Logik kennt nur Öffner- und Schließer-Kontakte, die den Wechselschalter aber problemlos ersetzen können:
Nun kann nach allen "Regeln der Kunst" ( = Digitaltechnik) der Funktionsplan die boole'sche Algebra und die Wahrheitstabelle aufgestellt werden:
FUP: | Boole'sche Algebra: | |||||||||||||||||||
![]() |
Der Ausgang wird über zwei Bedingungen geschaltet:
Sie können mit einem logischen OR zusammengefasst werden: ![]() |
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Die Wahrheitstabelle liefert ein interessantes Ergebnis. Der Ausgang führt dann eine Spannung, wenn sich die beiden Eingänge S1 und S2 unterscheiden. Ihr Status ( = Wert) entspricht sich nicht, deshalb spricht man von einer
Wie unterscheidet sich die Kreuzschaltung von der Wechselschaltung oben? Es kommen beliebig viele Schalter dazu, wobei jeder die Möglichkeit der Auschaltung (oder Einschaltung) der Lampe H1 erhöht. Aber wie? Sehen wir doch die Schalter als Stellen wir die Wahrheitstabelle (rechts) so zusammen, dass sich immer ein bit ändert (das entspricht immer einem Schaltschritt), dann wird genau das abwechselnde Ein- und Ausschalten abgebildet: |
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Für alle Zeilen in der Wahrheitstabelle, in denen H1 = 1 gilt, was jene Schalterstellung ist, bei der die Lampe leuchtet, ergibt sich der folgende boolesche Ausdruck:
Die Übersicht in der obigen Tabelle ist allerdings nicht gerade groß. Besser wäre es, dual richtig zu zählen und dann alle Möglichkeiten für den Ausgang zu prüfen. Die folgende Tabelle zeigt die richtige duale Zählweise anhand eines wichtigen Codes.
Der Binary Coded Decimal - Code arbeitet mit 4 bit und ist ein Musterbeispiel der dualen Ordnung. Die vier Bits (8 - 4 - 2 - 1) werden als Half-Byte bezeichnet. Demnach besitzt ein Byte also acht Bit Breite. Mit vier Bits können insgesamt 16 Informationen ( = Hexadezimal- kurz Jedes weitere Bit verdoppelt den Informationsgehalt (1 - 2 - 4 - 8 - 16 - 32 - 64 - 128 - 256 ... sind alles Zweierpotenzen!). |
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Ausgangspunkt sind die Zahlensysteme. Wir verarbeiten gewöhnlich Informationen im
Stelle | Wertigkeit | Zehnerpotenz | ergibt |
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Hunderter | 2 | . 102 = | 200 |
Zehner | 4 | . 101 = | 40 |
Einer | 7 | . 100 = | 7 |
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Das ergibt die Summe von 247 |
Die Hauptrolle neben den Zahlenzeichen spielen die Stellen, also die
Maschinen arbeiten mit Informationen im
bit | Wertigkeit | Zehnerpotenz | ergibt |
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64-er | 1 | . 26 = | 64 |
32-er | 0 | . 25 = | 0 |
16-er | 1 | . 24 = | 16 |
8-er | 1 | . 23 = | 8 |
4-er | 0 | . 22 = | 0 |
2-er | 0 | . 21 = | 0 |
1-er | 1 | . 20 = | 1 |
_______________________________________________________ | |||
Das ergibt die Summe von dezimal 89 |
Die für uns gängige Zahl "89" muss in einer Maschine durch sieben einzelne Datenleitungen dargestellt werden. Jede Leitung stellt dabei ein bit dar. Wird mit jeder Leitung eine Lampe angesteuert, kann man ein Leuchtenmuster betrachten, das ein genaues Abbild der Dualzahl zeigt.
Dieses Muster, also die bit-Folge
Wer will, kann hier mal Zahlensysteme ausprobieren:
American Standard Code of Information Interchange: