Steuerungstechnik

Maicon und die Steuerungstechnik

Nachdem die Maicon Steuerungstechnik GmbH 1987 gegründet wurde, konnten wir aufgrund der schnellen Entwicklung in diesem Bereich unsere Aufgabenbereiche zügig erweitern und sozusagen in die Breite diversifizieren. Die Entwicklung und Fertigung von Elektronik-Bauteilen und ganzen Baugruppen wurde ergänzt durch den Bereich der mechanischen Fertigung und der CAD Konstruktion, die dann den Weg in die 3D CAD Konstruktion nahm.

Doch natürlich beruhen all diese Arbeiten bei der Maicon GmbH prinzipiell auf der Steuerungstechnik und den Grundlagen. Wir erledigen bei Maicon dazu den Schaltschrankbau und fertigen die Platinen. Wir entwickeln die Geräte und Gehäuse für die Prototypen, die in Ihrer Entwicklungsabteilung entstanden sind. Wenn es passt, übernehmen wir dann auch die Serie. In diesem Blogbeitrag wollen wir stark verkürzt auf die Prinzipien der Steuerungstechnik eingehen und ihre Wirkungsweise anhand eines einfachen Beispiels erläutern.

Steuerungstechnik generell

Wie die Regelungstechnik ist die Steuerungstechnik ein Baustein der Automatisierungstechnik generell. Während in der Regelungstechnik als Regelprinzip die negative Rückführung der gemessenen Regelgröße zum Soll-Istwert-Vergleich herangezogen wird, erfolgt in der Steuerungstechnik die Steuerung der Ausgangsgrößen über Bedien- oder Rückmeldesignale mittels der sogenannten Aktoren.

Diese Aktoren werden z.B. durch die zu bedienenden Geräte gebildet. Eingangs- und Ausgangsgrößen können analog, binär oder digital erfasst oder abgegeben werden, wobei heute die binären und digitalen Ablaufsteuerungen überwiegen. In der Ablaufsteuerung werden Rückmeldungen aus Sensoren oder Schalterstellungen auf der Steuerstrecke empfangen, ausgewertet und bei Relevanz für die Steuerung zu neuen Ausgangsgrößen umgesetzt. Bei der Verknüpfungssteuerung gehen dagegen keine Rückmeldungen aus der Steuerstrecke ein.

Binäre Ablaufsteuerung

Die binäre Ablaufsteuerung basiert auf z.B. an/aus Signalen, die bei komplexeren Steuerungen durch logische Verknüpfungen ausgewertet werden. Dabei werden die nächsten Schritte im Ablauf immer erst dann ausgeführt, wenn die logisch vorhergehenden abgeschlossen sind. Digitale Steuerungen wie Ablaufsteuerungen arbeiten dagegen mit digitalen Mehrbit-Signalen, die komplexere Informationscodes darstellen und abbilden können.

Zu ihrer Verarbeitung bedarf es Operanden. In der analogen Steuerung werden die Eingangs- und Ausgangsgrößen durch analoge Signale gebildet, hier gibt es keine Rückkopplungs-Signale. Solche analogen Signale können aber durchaus in der binären Steuerung eingesetzt werden, wenn z.B. Messgrößen wie Temperaturen herangezogen werden.

Steuerungstechnik seit 2.000 Jahren

Die komplexe Funktionsweise der meisten technischen Anlagen, Maschinen oder Geräte machen heute die Steuerungstechnik zu einem der wesentlichen Bestandteile jeglicher Anwendungen. Von den ersten Versuchen einer teilautomatischen Steuerung zur Zeitenwende über die komplexen Spieluhren und mechanischen Webstühle zu Beginn der Industrialisierung bis zum Einsatz z.B. moderner Waschmaschinen in nahezu jedem Haushalt liegen 2.000 Jahre nahezu unermüdlicher Forschung in der Steuerungs- und Regeltechnik.

Dabei hat sich die Geschwindigkeit der Entwicklung durch die Erfindung von Transistor, speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS) und Mikroprozessor in den letzten 60 Jahren stark beschleunigt.

Steuerungstechnik in einer Waschmaschine

Die Steuerungstechnik in Form einer per SPS programmierten Ablaufsteuerung lässt sich beispielhaft vielleicht am besten an der oben erwähnten Waschmaschine verdeutlichen. Die Steuerung empfängt Eingangssignale und verarbeitet diese zu entsprechenden Ausgangssignalen. Diese erreichen den Aktor, der daraufhin den entsprechenden Prozess startet. Als Aktoren dürfen wir uns hier z.B. den Motor oder die Heizung der Waschmaschine vorstellen.

Die Eingangssignale bei einer Waschmaschine sind dabei vielfältiger Natur. Man denke nur an das Gewicht der eingegebenen Wäsche, den Füllstand des Wassers in der Trommel und später die Temperatur des Wassers. Dazu muss ein Zeitgeber arbeiten, der nach Erreichen bestimmter Zeiträume Schaltungen vornimmt. Die Steuerung der Geschwindigkeit, mit der sich die Trommel dreht ist ebenso entscheidend wie der Zulauf des Wassers und die Pumpe, die den Ablauf des Wassers nach dem Spülgang ermöglicht.

Der Ablauf einer Wäsche als ereignisdiskreter Prozess

Alle diese “Tätigkeiten” der Waschmaschine vollziehen sich in Abhängigkeit voneinander. Das heißt der Start eines Programmteils erfolgt erst, wenn ein anderer Programmteil gestartet oder abgeschlossen wurde. Das Ausgangssignal eines Sensors, das den nächsten Programmschritt ermöglicht, ist an eine sogenannte Übergangsbedingung gebunden.

Diese Übergangsbedingung ist dann gegeben, wenn der im Programm festgelegte Schwellwert einer Steuergröße erreicht wurde. Sobald der erreichte Schwellwert dieses Ereignis meldet, wird das Stellsignal, das den vorigen Programmschritt per “1” gestartet hatte, wieder auf “0” gesetzt. Damit ist auch das binäre Prinzip verdeutlicht, das mit solchen diskreten Werten arbeitet. Der ganze Prozess wird in der Theorie der Steuerungstechnik als “Ereignisdiskreter Prozess” bezeichnet.

Vorteile/Nachteile von Steuerungstechnik und Regelungstechnik

Aus dieser Beschreibung lassen sich die Vorteile und die Nachteile der Steuerungstechnik gegenüber der Regelungstechnik in der Automatisierungstechnik ableiten. Im allgemeinen sind die Abläufe der Steuerung leichter zu überschauen und bei Störungen kann manuell eingegriffen werden, beispielsweise durch die Betätigung eines Schalters. Andererseits sind diese Störungen nur dann beeinflussbar, wenn ihre Eigenart bekannt und messbar ist.

In der Regelungstechnik dagegen wird die Steuergröße nicht binär über z.B. an/aus, sondern über Regeln als variable Regelgröße ermittelt, die unabhängig von der Art der Störung auf einem geplanten Wert gehalten werden kann. Dafür ist der Einsatz der Regelungstechnik mit ihren Regeln deutlich aufwendiger und damit wesentlich teurer in der Herstellung als bei Anlagen oder Maschinen mit Steuerungen.