1.1. Grundlagen der Automatisierungstechnik - Messen Steuern Regeln history menue Letztmalig dran rumgefummelt: 09.09.19 17:33:46

Elektrische Steuer- und Regeleinrichtungen lassen sich der Informationselektrik zuordnen. Sie dienet der Gewinnung, Übertragung, Verarbeitung und Nutzung nicht willkürlich änderbarer Signale Damit grenzen sie sich gegenüber der Nachrichtentechnik ab, die sich mit willkürlich änderbare Signalen befasst. Eine enge Bindung ergibt sich zu elektrischen Meßtechnik und zur elektrischen Rechentechnik in dem Maß, wie Analogrechner und Digitalrechner in die Informationsverarbeitung ein bezogen werden.
Bausteine, Geräte und Einrichtungen der elektrischen Steuerungs- und Regelungstechnik wirken auf vielfältige Weise mit Geräten und Maschinen der Leistungselektrik zusammen. Dabei ist es ihr( Aufgabe, diese nach vorgegebenen Parametern bzw. Algorithmen zu steuern, zu regeln und zu über. wachen. Sie dienen damit der Mechanisierung um Automatisierung technologischer Prozesse, indem der Bedienende zeitweise oder ganz von körperlich schweren, gefährlichen oder monotonen Steuer- und Kontrollaufgaben befreit wird und sich einer höherwertigen Betätigung, z. B. der Optimierung dieses Prozesse, widmen kann. Dieses Gebiet der Steuerung, Regelung und Überwachung industrieller Prozesse wird auch als Automatisierungstechnik bezeichnet.
1. Begriffswelt der Automatisierungstechnik
2. Steuerstrecke
3. Regelkreis
4. Elektronisches Messen - Signalverarbeitung - Sensorik & Aktorik
5. Automatentheorie
6. Messen, Steuern & Regeln mit Mikrocontrollern
7. Verwandte Themen

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inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-)

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Linksammlung zur Automatisierugstechnik
Beispiele für Steuerketten und Regelkreise

Steuerung einer Elektroheizung

Regelung einer Elektroheizung

Die bisherigen Betrachtungen sollen anhand von Beispielen verdeutlicht werden. So wird oft die Aufgabe gestellt, die Temperatur in einem elektrisch beheizten Raum möglichst konstant zu halten. Dafür kann sowohl eine Steuerung als auch eine Regelung eingesetzt werden.
Zunächst wird der Fall der Steuerung betrachtet (Bild 12.4). Der Heizkörper wird über ein Stellglied, z. B. den Stufenschalter eines Stelltransformators, in Stufen geschaltet. Nun ist eine geeignete Eingangsgröße für die Steuerung zu wählen. Im vorliegenden Fall weiß man, dass die Außentemperatur den wesentlichsten Einfluss auf die Temperatur im Raum ausübt. Es wird daher ein Meßfühler für die Außentemperatur angebracht und der Meßwert der Steuereinrichtung zugeführt. Diese verarbeitet ihn so, dass die Heizleistung mit sinkender Außentemperatur erhöht wird und umgekehrt. Bei richtiger Zuordnung der Heizleistung zur Außentemperatur - diese Zuordnung kann durch Berechnungen oder Versuchsreihen ermittelt werden - wird die Raumtemperatur durch den beschriebenen Steuervorgang annähernd konstant gehalten. Eine Störgröße, die Außentemperatur, wird bei dieser Steuerung, der Führungssteuerung, als Führungsgröße benutzt. Andere Störgrößen sind nicht berücksichtigt und können das Ergebnis noch verfälschen.
mittlerer Temperatur, wird ein Temperaturfühler angebracht, der die dort herrschende Raumtemperatur, den Istwert der Regelgröße x, erfasst. Über einen Vergleich mit dem vorgegebenen Wert der Raumtemperatur, der Führungsgröße w, wird die Regelabweichung xW gebildet, und die Regeleinrichtung greift in die Energiezufuhr zum Heizkörper so ein, dass die Raumtemperatur dem Sollwert möglichst nahe kommt. Überschreitet sie diesen Wert, so wird die Heizung selbsttätig in der Leistung verringert oder abgeschaltet. Sinkt sie darunter, so wird die Heizleistung erhöht, nach Bedarf bis zur maximalen Leistung. Nach anfänglichem Einpendeln auf den gewünschten Wert kann eine etwa konstante Raumtemperatur erreicht und gehalten werden. Dabei berücksichtigt die Regeleinrichtung nahezu alle Störeinflüsse.

Beispiele für elektrische Steuerungen

  • bei elektrischen Maschinen sind Drehzahl und Leistung zu steuern, häufig werden spezielle Ablaufsteuerungen benutzt
  • Steuerung von Punktschweißmaschinen
  • die Steuerung elektrischer Antriebe
  • die Steuerung von Schaltanlagen

In jedem Fall liegen offene Wirkungsketten vor, sie führen von Eingabegliedern über Glieder der Informationsverarbeitung zu Ausgabegliedern. Eine klare Abgrenzung gegenüber der Regelung ist fast stets vorhanden.

Beispiele für Regelungen

  • die Regelung der Sekundärspannung von Transformatoren
  • die Regelung der Drehzahl und des Drehmomentes elektrischer Maschinen (
  • die Regelung von Energieversorgungsnetzen Ladegeräten und Elektrowärmegeräten sowie Kältemaschinen

In allen Fällen liegen geschlossene Wirkungsabläufe vor. Dazu ist es bei elektrischen Regelungen notwendig, die Regelgröße durch ein elektrisches Signal darzustellen (abzubilden). Enthält die zu regelnde Anlage nur Zeigermeßwerke, so können diese mit geeigneten Zusatzeinrichtungen (Zeigerabgriffen) ausgestattet werden.


1. Begriffe der Automatisierungstechnik history menue scroll up

Charakteristisch für eine Steuerung ist der - im Gegensatz zur Regelung - nicht geschlossene Wirkungsweg. Bei einer Handsteuerung übernimmt der Mensch ständig die Aufgabe eines Gliedes im Wirkungsweg. dem Begriff Steuerung sind meist selbsttätige Steuerungen - bei denen alle Vorgänge durch Geräte ausgeführt werden - gemeint. Eine Führungssteuerung liegt vor, wenn das Stellglied nach einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit in Abhängigkeit von einer gemessenen Führungsgröße betätigt wird. Eine andere Art der Steuerung ist die Programmsteuerung. Diese kann eine Zeitplan Steuerung oder eine Ablaufsteuerung sein. Beiden gemeinsam ist ein festliegendes (gespeichertes) Programm. Der Zeitplangeber, z. B. eine Schaltuhr, muss durch ein Auslösesignal gestartet werden. Bei der Ablaufsteuerung hängt der Verlauf der gesteuerten Größe von anderen Größen der Steuerung entsprechend dem gespeicherten Programm ab.
Die Steuerung über größere Entfernungen (Umspann Station, unbemannte Stationen, Satelliten usw.) ist ein besonderes Gebiet der Steuerungstechnik. Solche Steuerungen sind meist mit Überwachungseinrichtungen, wie Fernmeßeinrichtungen und Grenzwertmeldern, gekoppelt.
Wirkungsglieder

Betrachtet man die Struktur von Steuerungen und Regelungen nur hinsichtlich ihres Informationsflusses und sieht von der Art der Versorgungsenergie, der konstruktiven Gestaltung und der gerätemäßigen Zusammenfassung ab, so erhält man eine allgemeine wirkungsmäßige Darstellung in Form von Signalflussbildern, unabhängig davon, aus welchen Baugruppen oder Geräten die betreffende Einrichtung aufgebaut ist. Signalflussbilder sind Zusammenschaltungen von Wirkungsgliedern (Gliedern) in Reihen-, Parallel- oder Kreisstruktur. Alle . anderen Strukturen lassen sich auf diese 3 Grundtypen zurückführen. Signale können im Signalflussbild ohne Änderung ihrer Parameter verzweigt oder in Additionsstellen zusammengeführt werden.
An den Gliedern erscheinen definierte Eingangsund Ausgangssignale. Das Ausgangssignal eines Gliedes ist gleich dem Eingangssignal des nach geschalteten Gliedes. Diese Darstellung wurde im Bild 12.3 zugrunde gelegt. Ein Glied lässt sich durch eine exakte mathematische Funktion beschreiben. Es wird als rückwirkungsfrei angenommen, d. h., äußere Einwirkungen auf sein Ausgangssignal, z. B. durch Laständerung, verändern das Eingangssignal nicht. Die Zuführung der Speisespannung (oder einer anderen Versorgungsenergie) wird bei dieser symbolischen Darstellung nicht angegeben.
Weiterhin wird zwischen linearen und nichtlinearen Gliedern unterschieden. Lineare Glieder zeichnen sich dadurch aus, dass für sie das Überlagerungsgesetz gilt, d. h., ein k-faches Eingangssignal bewirkt auch ein k-faches Ausgangssignal. Sie sind durch lineare Differentialgleichungen beschreibbar. Gerätetechnisch kann das Wirkungsglied durch eine Schaltung, einen Baustein oder ein Gerät verwirklicht werden. Umgekehrt kann ein Gerät die Funktion mehrerer Glieder ausüben.

   
 

Wirkungsglieder von Automaten


2. Steuerstrecke history menue scroll up

Das Steuern (die Steuerung) ist ein Vorgang in einem abgegrenzten technischen System, bei dem aufgrund einer gewünschten Gesetzmäßigkeit bestimmte Eingangsgrößen auf eine oder mehrere Ausgangsgrößen zielgerichtet einwirken. Dabei liegt allgemein eine kettenförmige Anordnung der Wirkungsglieder vor. unten zeigt eine solche Steuerkette. Die Glieder der Steuerkette sind in Reihe geschaltet (Reihenstruktur); die Glieder des Steuerstranges wirken über den Stellantrieb auf das Stellglied. Dort erfolgt die Einwirkung auf das gesteuerte Objekt. Die Eingabeglieder von Steuerungen sind in Abhängigkeit vom Typ der Steuerung und von der Aufgabenstellung unterschiedlich; bei Führungssteuerungen und bestimmten Ablaufsteuerungen sind es Meßeinrichtungen.
das ist eine Ablaufsteuerung ... ... und hierbei sprechen wir von einer Führungssteuerung

Tempeltüröffner nach Heron von Alexandria

... die atmosphärische Dampfmaschine von Newcomen

Blockschaltbild der Steuerung - Grobschema

Blockschaltbild der Steuerung - Feinschema

Prinzipdarstellung

detailliertes Blockschaltbild einer Steuerkette

Die Straßenbeleuchtung kann mit einer Schaltuhr zu bestimmten Zeiten ein- und ausgeschaltet werden. Dem jahreszeitlichen Gang der Tag- und Nachtlänge konnte man durch besondere Schaltuhren begegnen, deren Schaltprogramm sich im Laufe des Jahres verändert.

Andere Einflussgrößen, wie z. B. die Bewölkungsdichte, können mit einer Zeitplansteuerung grundsätzlich nicht erfasst werden. Dieser Nachteil der Zeitplansteuerung fällt bei anderen Anwendungen, wie der Steuerung von Waschmaschinen, elektrolytischen Bädern, Reklamebeleuchtung, des Einkochens von Konserven u. ä., nicht so sehr ins Gewicht.
Der Anteil der Steuerungstechnik ist bei der Eisenbahn besonders groß. Ein Beispiel, wie die Steuerungstechnik zur Erhöhung der Sicherheit und Befreiung des Menschen von monotoner Tätigkeit beitragen kann, sind die automatischen Halbschranken. Untersuchungen ergaben, dass Schrankenwärter durchschnittlich nach 1000 Handlungen eine Fehlhandlung begehen. Die automatische Anlage lässt dagegen erst nach 10 Millionen Schaltungen einen Fehler erwarten! Ihre Wirkungsweise ist folgende: Etwa 1 km vor der Schranke schaltet der herannahende Zug durch Verbiegen der Schienen einen Kontakt. Daraufhin leuchtet an der Schranke ein rotes Warnlicht auf, und nach etwa 8 s (Zeitrelais) werden die Halbschranken geschlossen. Die Öffnung der Schranken erfolgt auf ähnliche Weise.

Führungssteuerung

Führungssteuerung

Die Zeitplansteuerung der Straßenbeleuchtung hat den Nachteil, dass große Energiemengen durch zu frühes Einschalten und zu spätes Ausschalten verlorengehen, während im umgekehrten Fall die Unfallgefahr steigt. Diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn die Tageshelligkeit den Schaltzustand der Straßenbeleuchtung steuert. Man erhält dann eine Führungssteuerung. Bild 8.103. zeigt das Prinzip eines Dämmerungsschalters. Führungsgröße ist die Helligkeit.
Die Helligkeit wird mit einer Fotozelle erfasst. Bei Eintritt der Dämmerung schaltet das nachfolgende Zweipunktglied (hier ein sogenannter Schmitt-Trigger) über Relais und Schütz die Lampen ein. Durch Verstellen eines Widerstandes lässt sich der Schaltpunkt einstellen. (Die Lampen der Straßenbeleuchtung dürfen nicht auf die Fotozelle scheinen, weil sonst dauernd ein- und ausgeschaltet _würde; ein gutes Beispiel dafür, dass durch eine Rückführung Schwingungen entstehen können.)
Eine analoge Helligkeitssteuerung kann für die Beleuchtung von Tunneln, die von Kraftfahrzeugen befahren werden, Verwendung finden. Passt man nämlich mit der in Bild 8.104. angegebenen Steuerkette die Beleuchtungsverhältnisse im Tunnel der Tageshelligkeit an, so besteht bei Ein- und Ausfahrt eine geringere Blendung, und die Unfallgefahr sinkt.

Ablaufsteuerung

Zur Erläuterung einer automatischen Ablaufsteuerung sei das programmgemäße Füllen zweier Behälter herangezogen. Es möge folgende Aufgabe bestehen: Behälter Bl soll vorrangig über Ventil Vl gefüllt werden, Behälter B$ über Ventil V$ erst dann, wenn Behälter Bl gefüllt ist. Nach Füllung beider Behälter soll das Hauptzuflussventil Vs geschlossen werden. Die Fühler Fl und Fa geben bei vollen Behältern ein Signal (L) ab. Die Ventile öffnen, wenn das Signal (L) erscheint. Bild 8.105. zeigt schematisch, wie diese Aufgabe mit logischen Verknüpfungselementen gelöst werden kann.

man unterscheidet offene und geschlossene Steuer automatische Steuerungen

Steuerstrecke


3. Regelkreis history menue scroll up
Regeln ist der ständige Soll- Istwert-Vergleich und die Korrektur der Regelabweichung. Das Regeln (die Regelung) ist Steuern mit einer speziellen Rückführung, durch die die gesteuerte Größe fortlaufend mit der Führungsgröße verglichen und ihr durch einen Stellvorgang angeglichen wird. Damit ist die Regelung eine besondere Form der automatischen Steuerung in einem geschlossenen Wirkungsablauf, dem Regelkreis (Bild unten). Die gesteuerte Größe wird zur Regelgröße, und die Regeleinrichtung (der Regler) bildet aus der Regelabweichung x d. h. der Differenz aus Regelgröße x und Führungsgröße w, eine geeignete Stellgröße, die über die Stelleinrichtung als Streckenstellgröße es auf das geregelte Objekt einwirkt. Die Wirkung erfolgt so, dass die Regelabweichung verringert und nach Möglichkeit zu Null gemacht wird. Voraussetzung ist allerdings, dass die Regelgröße überhaupt der Messung zugänglich ist. Störgrößen z, die auf Glieder im Wirkungsweg einwirken, werden ausgeregelt, soweit dies der Stellbereich der Steileinrichtung zulässt. Durch das Zeitverhalten der Glieder im Regelkreis bedingt, können bei Regelungen Stabilitätsprobleme auftreten.
   

Regelkreis

Kurververlauf eines Regelkreises

Regelkreis

Ein- und Mehrpunktregelungen:


4. Elektronisches Messen - Signalverarbeitung: Sensorik & Aktorik history menue scroll up
Messen ist der Vergleich einer physikalischen Größe mit ihrer Einheit - also ist zu ermitteln, wie viele male haben wir die "Bezugseinheit" vorliegen. Die Angabe "drei Meter" besagt folglich, dass die Bezugsgröße Meter drei mal vorliegt. Das gilt auch für negative Gößen, denn - 3 Meter beschreibt mir, dass zu einem definierten Punkt auf einer Geraden (das muss nicht unbedingt 0 sein!) eben drei Meter fehlen!!!
Komplex ist die Sache mit den Meßwerten sowie der Information. Primär liegt auf einem Meßwert keine Information, dazu bedarf es einer Umcodierung. Der Druck in einem Behälter beschreibt primär lediglich einen Zustand. Nimmt man jedoch auf Basis von Erfahrung das Wissen dazu, dass ab einem bestimmten Druck der Behälter platzt, wird dann schon eine Information erfasst.

Kette der Meßwerterfassung

Sensorik Elektrissche Signalwandlung

Sensorik

Wandelbare Physikalische Größen
Messwerte sind eigentlich "Signale ..." ... die man auch technisch beschreiben kann ;-)

Signale

steuerungstechnische Signale


5. Automatentheorie history menue scroll up

 
 


6. Messen, Steuern & Regeln mit Mikrocontrollern history menue scroll up

 
 


7. Verwandte Themen history menue scroll up

Was ist alles mit dem Betriebssystem eines Microcomputers verwandt? Antwort: faktisch der gesamte Bereich der Digitalelektronik und sowieso die gesamte Technik der Software-Technologie der Vergangenheit, Gegenwart sowie zumindest der nächsten Zukunft.

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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost im April 2006

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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