Steuerungstechnik

Steuerungstechnik ist die Technik von Einrichtungen, die nach einem vorgegebenen Plan technologische Prozesse beeinflussen. Wenn deren Zweck durch Steuerung selbsttätig erfüllt wird, handelt es sich um Automatisierung.

Das folgende Schema zeigt die wesentlichen Komponenten von steuerungstechnischen Einrichtungen und ihren Informationsfluss:

          _____________        _____        ______
         |\            |      |\    |      |      |
         |  \ Sensoren | >>>> |  \  | >>>> |      |
         |    \ _______|      |____\|      |      |
         |     |                           |      |
     Technologischer          Inform.    Informationsverarbeitung
     Prozess                  Wandler    (Steuergerät)
         |     | ______        _____       |      |
         |    /        |      |    /|      |      |
         |  / Aktoren  | <<<< |  /  | <<<< |      |
         |/____________|      |/____|      |______|

Inhaltsverzeichnis

1 Gesteuerte Prozesse
- 1.1 Es gibt vier Grundarten von Steuerungen:
- 1.2 Realisierungsformen von Steuerungen:
2 Aktoren, Sensoren und Informationswandler
3 Abgrenzung zwischen Steuerung und Regelung
4 Steuerungstechnische Informationsverarbeitung
- 4.1 Verknüpfungssteuerungen
- 4.2 Steuerungen mit Computern
5 Siehe auch
6 Weblinks

Gesteuerte Prozesse

Der generelle Zweck technologischer Prozesse ist das Umformen und Transportieren von Material, Energie und Information, wozu über geeignete technische Einrichtungen Energie eingesetzt und gewandelt wird. Steuerungstechnische Einrichtungen, auch Steuerungen genannt, beeinflussen die eingesetzte Energie mit Hilfe von Informationen, die sie im Sinne des Prozessziels verarbeitet haben.

Beispiele für gesteuerte technologische Prozesse:

Beim technologischen Prozess des maschinellen Wäschewaschens werden prozesstechnische Einrichtungen wie Heizung, Wasserzufluss und Elektromotor von einer Steuerung durch Verarbeitung von Informationen beispielsweise über Wasserstand, Zeit und Temperatur so in Gang gesetzt und angehalten, dass saubere vorgetrocknete Wäsche entsteht.

Der technologische Prozess einer Ampelanlage für Fußgänger hat zum Ziel, über farbiges Licht sich querenden Fußgängern und Fahrzeugen Passageinformationen für kollisionsfreien Verkehr zu geben. Die freie Passage für Fußgänger und die gesperrte für Fahrzeuge ist die zeitlich befristete Ausnahme, die von Fußgängern bedarfsweise bei der Steuerung angefordert wird.

Es gibt vier Grundarten von Steuerungen:

Sequenzielle Steuerungen(Logiksteuerung):Ablauf nach logischen Entscheidungen

                       z.B: wenn dieser Zustand auftritt, wird dieser Zustand ausgegeben

Zeitprogramm Steuerung: Ablauf der Ereignisse in einem gewissen Zeitschema

                       z.B.: Verkehrsampel

Wegprogramm Steuerung: Ablauf der Ereignisse nach einem gewissen Wegschema

                       z.B.: CNC-Fräsen-/Drehprogramm

Proportional Steuerung: Diese Steuerung bedeutet, dass der Eingang und Ausgang beliebieg viele Zwischenwerte in einem bestimmten Bereich annehmen darf. Eingang und Ausgang müssen aber nicht zwingend mathematisch proportional sein. Jedenfalls gilt zu jedem Eingangswert gehört genau ein zugehöriger ausgangswert.

                       z.B.: ein Ventil öffnet erst, wenn ein gewisser Druck anliegt, oder unterschritten wird

Realisierungsformen von Steuerungen:

mechanische Steuerung: z.B.: Lenkgetriebe, Zylinderschlüssel

elektrische Steuerung: z.B.: Kontakte + Relais

pneumatische/hydraulische Steuerungen

elektronische Steuerungen: z.B.:Logikschaltung

SPS (Speicher Programmierbare Steuerung): z.B.: Microcontroller (letztere werden eher zur kontinuierlichen Regelung eingesetzt)

Aktoren, Sensoren und Informationswandler

Die Bindeglieder zwischen steuerungstechnischen und prozesstechnischen Einrichtungen sind Sensoren und Aktoren (auch Aktuatoren genannt). Sensoren wandeln Prozesszustände in Informationen um und sind dadurch Informationsquellen. Dagegen sind Aktoren Informationssenken. Sie wandeln informationstragende Energie in Prozessenergie um. (In dieser Betrachtungsweise wird der Informationscharakter der eingesetzten Energie betont, um den Aktor als funktionales Gegenstück zum Sensor erscheinen zu lassen.)

Die von Sensoren abgegebenen Informationen werden so gewandelt, dass sie sich für den jweiligen Übertragungsabschnitt eignen und vom informationsverarbeitenden Gerät (Steuergerät) akzeptiert werden. Das gleiche gilt sinngemäß für Informationen, die vom Steuergerät ausgegeben und zu einem Aktor übertragen werden.

Prozesszustände sind zweiwertig (binär), wenn sie sich durch eine Aussage, wie Gegenstand vorhanden/nicht vorhanden, angeben lassen. Dagegen sind sie kontinuierlich, wenn sie durch eine reelle Zahl abgebildet werden können, z. B. Temperatur = 65,5 °C. Binäre Prozesszustände werden von Sensoren in binäre Informationen verwandelt. Ein kontinuierlicher Prozesszustand wird vom Sensor in eine analoge Information umgesetzt. Wenn das Steuergerät den Zahlenwert der analogen Information benötigt, ist eine Analog/Digitalwandlung erforderlich. Das umgekehrte gilt für Aktoren.

Beispiele für Aktoren und Sensoren:

Dem Aktor Elektromotor am Förderband einer Ladenkasse wird ein Signal zugeführt, das so verstärkt ist, dass es den Motor treiben kann. (Das bedeutet: die Antriebsenergie trägt die Information, die das Steuergerät ausgibt, während die mechanische Energie, die der Motor erzeugt, dem Prozesszweck dient und als Informationsträger keine Bedeutung hat. Das weist den Elektromotor als Informationssenke aus.) Damit das Steuergerät entscheiden kann, ob der Elektromotor ein- oder auszuschalten ist, braucht es die Information eines Sensors über die Anwesenheit von Waren im Griffbereich des Kassenpersonals, beispielsweise einer Lichtschranke.

Der Aktor Glühlampe einer Außenleuchte erhält das Signal zum Leuchten in Form ausreichend starker elektrischer Energie. Es wird von der Steuerung aus den Informationen gewonnen und verstärkt, die ein Sensor für die Tageslichtstärke und ein Sensor für die Bewegung einer Wärmequelle liefern.

Das Steuergerät eines Automotors beeinflusst kontinuierlich die Kraftstoffzufuhr und den Zündzeitpunkt über analoge Aktoren. Es erhält analoge Informationen über Sensoren für die Gaspedalstellung, die Motortemperatur und die Drehzahl, um den Motor unter verschiedensten äußeren Umständen optimal zu betreiben.

Abgrenzung zwischen Steuerung und Regelung

Steuerung ist von Regelung zu unterscheiden.

Eine Steuerung berücksichtigt nicht den Zustand der zu steuernden Größe. Eine Veränderung dieser Größe aufgrund einer Störung wird nicht berücksichtigt. Aufgrund der nicht vorhandenen Rückführung der IST-Größe wird in der Technik von einem "offenen Regelkreis" gesprochen

Beispiel: Ein Gleichstrommotor wird mit einem Vorwiderstand so eingestellt, dass er im Leerlauf 1000 U/min läuft. Tritt eine Last auf, sinkt die Drehzahl. Der Elektromotor ist in diesem Fall gesteuert.

Wenn die Aufgabe besteht, einen bestimmten Wert einer physikalischen Größe wie Druck oder Temperatur herzustellen, wird jedoch in vielen Fällen ein Istwert entstehen, der vom Sollwert abweicht, weil Störungen einen Einfluss ausüben.

Dazu erfolgt eine Regelung: Der ISTwert (z.B. eine physikalische Größe) wird mit einem Sensor erfasst . Der Regler erkennt die Abweichung des Istwerts vom Sollwert und wirkt so auf einen Aktor ein, dass die Störeinflüsse ausgeglichen werden. Die Wirkung des Aktors über die physikalische Größe und den Sensor auf das Regelgerät ist eine Rückkopplung. Solche Anordnungen gehören zum technischen Wissensgebiet der Regelungstechnik. Das Kennzeichen geregelter Prozesse ist die geschlossene Wirkungskette, der geschlossene Regelkreis.

Beispiel: Der im Beispiel zur "Steuerung" verwendete Gleichstrommotor wird zusätzlich mit einen Drehzahl-Sensor und einem Stromrichter ausgestattet, die bei Drehzahlabfall den in den Motor fließenden Strom erhöhen und bei Drehzahlüberschreitung reduzieren.

Damit der Istwert mit der geforderten Genauigkeit und Charakteristik dem Sollwert folgt, muss das Regelgerät die angemessene Regelantwort geben, die maßgeblich auch von der Trägheit beeinflusst wird, mit der der Istwert auf den Aktor reagiert (Zeitverhalten der Regelstrecke). Manchmal genügt es, wenn grobe Istwertschwankungen im zeitlichen Mittel dem Sollwert entsprechen. In anderen Fällen ist höchste Regelgüte gefordert.

Technisch verwandt sind Regelungen mit Steuerungen auch, weil sie wie diese mit Hilfe von Aktoren, Sensoren, Wandlern und informationsverarbeitenden Geräten auf technologische Prozesse einwirken. Auch sind Regelungen gerätetechnisch oft in Steuerungen eingebettet. Der große Unterschied besteht in der speziellen Aufgabenstellung, deren Lösung eine Rückkopplung verlangt, was zu einer völlig anderen Informationsverarbeitung führt.

In der deutschen Umgangssprache werden Regelung und Steuerung häufig nicht genau unterschieden. In der englischen Literatur wird sowohl für Regelung als auch für Steuerung das Wort "control" verwendet. Bei Übersetzungen wird dieses Wort oft mit "Steuerung" übersetzt. Im Englischen wird die genaue Bedeutung jedoch nur dann ersichtlich, wenn ausdrücklich von einer "open loop control" (Steuerung) oder "closed loop control" (Regelung) gesprochen wird, sonst ist die Kenntnis des Kontextes für die richtige Übersetzung als "Steuerung" oder "Regelung" erforderlich.

Steuerungstechnische Informationsverarbeitung

In steuerungstechnischen Einrichtungen werden Informationen übertragen und verarbeitet. Überwiegend ist der Informationsträger elektrische Spannung, seltener hydraulischer oder pneumatischer Druck.

Die Information über einen binären Prozesszustand kann wahr sein oder falsch. Eine wahre Information wird mit 1 und eine falsche mit 0 bezeichnet, z. B. Taste gedrückt = 0 bedeutet: Taste ist nicht gedrückt, die Information ist also falsch. Die beiden Wahrheitswerte 0 und 1 von binären Informationen werden durch definierte Zustände eines Informationsträgers abgebildet, z. B. 0 entspricht 0 V, 1 entspricht 24 V. Ein Wahrheitswert wird vereinfacht auch als Zustand (des Informationsträgers) bezeichnet.

Analoge Informationen aus kontinuierlichen Prozesszuständen werden zur Regelung, zur Anzeige oder zur Überprüfung von Grenzwerten benötigt. Eine Grenzwertprüfung von physikalischen Größen führt zu der binären Information: Grenzwert erreicht/nicht erreicht.

Verknüpfungssteuerungen

Steuern durch Verknüpfen bedeutet, dass jeder möglichen Kombination der von Sensoren gelieferten Wahrheitswerte (Eingänge) der Wahrheitswert eines Aktors (Ausgang) entsprechend dem Steuerungszweck zugeordnet wird. Dargestellt werden diese Zuordnungen in einer Verknüpfungstabelle. Nach einer möglichen Vereinfachung kann das Ergebnis direkt zur Konstruktion des Steuergerätes dienen.

Dieses Vorgehen soll anhand des folgenden Beispiels näher betrachtet werden:

Ein Patient kann durch Drücken einer Ruftaste über eine Leuchtanzeige die Krankenschwester rufen. Anders als bei einer Türglocke muss der Tastendruck zu einer dauerhaften Meldung führen, um auch dann noch bemerkt zu werden, wenn die Ruftaste nicht mehr gedrückt ist. Die Leuchtanzeige wird von der Krankenschwester mit einer Rückstelltaste gelöscht.

Die Problemstellung des Beispiels verlangt Speicherverhalten, so dass in der verknüpfungstabelle neben den Sensoren (E1 und E2) auch der Aktorzustand selbst als Eingang hinzugefügt werden muss (E3). Dadurch erhält die Tabelle 2³ = 8 Zeilen.

Zeile	Ruftaste gedrückt	Rückstelltaste gedrückt	Meldung ein	--	Meldung ein
_	E1	E2	E3	--	A1
1	1	1	1	--	1
2	1	1	0	--	1
3	1	0	1	--	1
4	1	0	0	--	1
5	0	1	1	--	0
6	0	1	0	--	0
7	0	0	1	--	1
8	0	0	0	--	0

Aus den Zeilen 1 bis 4 ist zu erkennen, dass bei gedrückter Ruftaste (E1 = 1) immer die Anzeige leuchtet (A1 = 1), die beiden Eingänge E2 und E3 also keine Rolle spielen. Die Zeilen 5 und 6 zeigen, dass die Rückstellung (A1 = 0) von Eingang E3 unabhängig ist. In den Zeilen 7 und 8 steckt das Speicherverhalten der Steuerung: Die Leuchtanzeige behält ihren (alten) Zustand bei (A1 = E3), wenn beide Taster über eine der Zeilen 3, 4, 5, 6 in den Zustand 0 kommen.

Daraus ergibt sich: Die Leuchtanzeige leuchtet nur, wenn die Ruftaste gedrückt ist, oder wenn die Rückstelltaste nicht gedrückt ist und die Leuchtanzeige leuchtet. (Diese intuitiv gefundene Vereinfachung hätte auch durch mathematische Verfahren ermittelt werden können.)

Üblich sind die folgenden Darstellungen dieser Aussage:

Ausdruck der Bool'schen Algebra (Schaltalgebra):

(v für ODER, & für UND, hier ausnahmsweise ' ' für NICHT)

A1 = E1 v ( 'E2' & E3)

Logikplan:

( >=1 für ODER, & für UND, O für NICHT)

              ____________________________
             |     ______                 |
          E3 |____|      |       ______   |
                  |  &   |______|      |  |
          E2-----O|      |      |      |  |
                  |______|      | >=1  |__|____A1
                                |      |
          E1____________________|      |
                                |______|

Kontaktplan:

( Parallelschaltung für ODER, Reihenschaltung für UND, Öffner für NICHT)

        _________________________
           |        |__
             /---E1   /---E2
            /        /
           |        | 
           |        |   
           |         /---- E3
           |        /     |
           |________|     |
                  __|__   |
                 |_____|--------A1
                    |
        ____________|____________

Während der Logikplan an eine Schaltung aus elektronischen Schaltgliedern angelehnt ist, unterstützt der Kontaktplan den Aufbau der Steuerung mit Hilfe von Relais.

Bei gesteigerter Komplexität gegenüber dem Beispiel und insbesondere bei Rückführung von Ausgängen auf Eingänge, spricht man von endlichen Automaten, die in einem eigenen Wissensgebiet, nämlich der Theorie der endlichen Automaten, behandelt werden.

Dagegen sind die einfachsten Tabellen die der Grundverknüpfungen, mit denen, wie im Beispiel gezeigt, komplexere Tabellen beschrieben werden können. Die untenstehende Tabelle hat 2 Eingänge und daher 4 Zeilen. Es sind mit den Ausgängen A1 bis A3 die 3 wichtigsten Verknüpfungen dargestellt. Eine Tabelle mit 2 Eingängen kann maximal 16 Ausgänge und damit 16 mögliche Verknüpfungen haben, wovon 8 die Negationen der anderen sind.

(Tabellen mit mehreren Ausgängen sind eine verkürzte Darstellung von entsprechend vielen Tabellen mit nur einem Ausgang. )

_	_	--	UND	ODER	EXCL-ODER
_	_	--	AND	OR	XOR
E1	E2	--	A1	A2	A3
0	0	--	0	0	0
0	1	--	0	1	1
1	0	--	0	1	1
1	1	--	1	1	0

Die logische Aussage der UND- bzw. ODER-Verknüpfung ist auch auf mehr als zwei Eingänge anwendbar, z. B. "Wenn E1 UND E2 UND E3 usw. = 1, folgt A1 = 1".

Die Tabelle mit einem Eingang kann nur eine sinnvolle Verknüpfung haben, die Negation.

Für die Grundverknüpfungen gibt es genormte Symbole, wobei sich die US-amerikanischen von denen nach DIN unterscheiden.

UND	ODER	EXCL-ODER	NICHT
Logikgatter "and"	Logikgatter "or"	Logikgatter "xor"	Logikgatter "not"
Logikgatter "and us"	Logikgatter "or us"	Logikgatter "xor us"	Logikgatter "not us"

Viele Entwickler gehen bei einfachen Steuerungen nicht den Weg über Verknüpfungstabellen, sondern erstellen Pläne mit Verknüpfungssymbolen und nehmen evtl. Redundanzen in Kauf.

Steuerungen mit Computern

Computer sind universelle Geräte der Informationsverarbeitung, die sich hervorragend als Steuergerät eignen. Man findet sie je nach Aufgabe als Controller, als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder als Industrie-PC (IPC). Während der SPS-Programmierer Logik- und Kontaktpläne oder auch spezifische Anweisungen eingeben kann, werden Controller und IPC mit üblichen Programmiersprachen programmiert. IPCs können mit geringstem Aufwand umfangreiche Zusatzfunktionen wie Visualisierungen, Protokollierungen und Statistiken bereitstellen.

Beispiel einer vereinfachten Heizungssteuerung

Eine Heizungsanlage besteht aus je einem Heizkreis mit Umwälzpumpe für Raumheizung und Warmwasserspeicher sowie einem Kessel mit Ölbrenner.

Der Kessel hält seine Isttemperatur auf der vom jeweiligen Heizkreis vorgegebenen Solltemperatur, indem der Brenner eingeschaltet wird, wenn die Isttemperatur die Solltemperatur unterschreitet. Ausgeschaltet wird der Brenner, wenn die Isttemperatur 5 °C höher als der Sollwert ist (Zweipunkt-Regelung). Ein Heizkreis, der keine Temperatur benötigt, fordert vom Kessel 0 °C.

Unterhalb von 16 °C Außentemperatur läuft die Pumpe des Raumheizkreises und der Kessel muss im Mittel eine Temperatur liefern, die nach einer Heizkurve von der Außentemperatur abhängt. Die Pumpe schaltet ab, solange der Heizkreis für Warmwasser vom Kessel eine Temperatur > 0 °C fordert. Oberhalb von 17 °C Außentemperatur ist die Pumpe ebenfalls abgeschaltet (Heizung aus).

Der Betrieb des Heizkreises für Warmwasser hat Priorität. Er wird eingeleitet, wenn die Warmwasser-Isttemperatur die Solltemperatur unterschreitet, und beendet, wenn die Isttemperatur 5 °C über dem Sollwert liegt (Zweipunktregelung). Während der Warmwasserbereitung läuft die Pumpe, und vom Kessel wird die maximal mögliche Temperatur gefordert.

Die Problemstellung enthält drei Funktionszyklen, die nahezu voneinander unabhängig sind. Jeder der Zyklen wird durch ein endloses Programm realisiert. Die drei Programme laufen parallel, was durch das Multitasking von Betriebssystemen und Programmiersprachen unterstützt wird. Untereinander kommunizieren sie über die global sichtbaren Temperaturanforderungen T1 und T2 der beiden Heizkreise.

Die folgenden Struktogramme zeigen die Programmkonzeption:

Kessel
 ________________________________________________
|               Brenner aus               _______|
|                                                |
|                                         ___    |
|          Solltemp. = max (T1, T2)          |   |
|            Isttemp. < Solltemp. ?          |   |
|     ja      |            nein              |   |
| Brenner ein |  Isttemp. > Solltemp. + 5 ?  |   |
|             | nein |          ja           |   |
|             |      |      Brenner aus      |   |
|            Warte 10 s                   ___|   |
|                                  Wiederhole    |
|________________________________________________|

Heizkreis Raumheizung         Globale Variable T1
 ________________________________________________
|          Pumpe aus, T1 = 0              _______|
|                                                |
|                                         ___    |
|          Außentemp. > 17 °C ?              |   |
|    ja   |            nein                  |   |
|Pumpe aus|     Außentemp. < 16 °C?          |   |
| T1 = 0  | nein |           ja              |   |
|         |      |         T2 > 0 ?          |   |
|         |      |       nein      |    ja   |   |
|         |      |T1= f(Außentemp.)|Pumpe aus|   |
|         |      |   Pumpe ein     |         |   |
|            Warte 10 s                   ___|   |
|                                  Wiederhole    |
|________________________________________________|

Heizkreis Warmwasser         Globale Variable T2
 ________________________________________________
|          Pumpe aus, T2 = 0              _______|
|                                                |
|                                         ___    |
|          Isttemp. < Solltemp. ?            |   |
|    ja   |            nein                  |   |
|Pumpe ein|     Isttemp. > Solltemp + 5 ?    |   |
| T2 = Max| nein |           ja              |   |
|         |      |     Pumpe aus, T2 = 0     |   |
|            Warte 10 s                   ___|   |
|                                  Wiederhole    |
|________________________________________________|

Ebenso wie die meisten technologischen Prozesse sind ausgeführte Programme Abläufe. Abläufe benötigen Zeit. Nur Hard- und Software, die auch im ungünstigsten Fall synchron zum Prozess arbeiten kann, ist als Steuergerät geeignet und wird als echtzeitfähig bezeichnet. Im engeren Sinn bedeutet Echtzeit jedoch, dass Hard- und Software eines Rechners für diesen Zweck besonders ausgelegt sind. Rechner, die steuern, dürfen nie überlastet sein.