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Grundlagen der Steuerungs- und Regelungstechnik

01. Was versteht man nach DIN IEC 60050-351 (alt: DIN 19226) unter Steuern?

Nach DIN IEC 60050-351 ist Steuern ein Vorgang in einem System, bei dem bestimmte Größen (Eingangsgrößen) andere Größen (Ausgangsgrößen) beeinflussen. Kennzeichnend für das Steuern ist der offene Wirkungsablauf der Signale: Sie können nicht selbsttätig eingreifen, um Störungen auszugleichen.

02. Welche Steuerungsarten gibt es?


>> 1.6.6

Grundsätzlich wird unterschieden zwischen Handsteuerung und automatischer Steuerung.

HandsteuerungHier ist der Mensch notwendiges Element der Steuerkette. Aufgrund bestimmter Vorgaben betätigt er Stellglieder und löst damit Steuerungsvorgänge aus.

Die automatische Steuerung lässt sich unterteilen in:

HaltegliedsteuerungDas Eingangssignal wird gespeichert bis zum Eintritt eines neuen Signals, z. B. Relaissteuerung für Motoren mit umschaltbarer Drehrichtung.
FührungssteuerungAusgangsgrößen sind Eingangsgrößen fest zugeordnet, jedoch abhängig von Störgrößen, z. B. Steuerung der Beleuchtung über einen Dimmer.
ProgrammsteuerungZeitplansteuerung:
Die Führungsgröße wird zeitabhängig durch einen Programmspeicher beeinflusst, z. B. das Einschalten einer Beleuchtungsanlage zu einer festgelegten Zeit.
Wegplansteuerung:
Die Führungsgröße wird wegabhängig beeinflusst, z. B. die Drehzahl bei Fräsmaschinen.
Bei Ablaufsteuerungen
erfolgen die Einzelprozesse zwangsläufig schrittweise. Ein definierter Gesamtprozess wird in Teilschritte zerlegt und logisch strukturiert. Die Durchführung eines Teilschrittes ist von Weiterschaltbedingungen (Transitionen) abhängig. Diese sind entweder zeitabhängig oder prozessabhängig, z. B. die Steuerung einer Waschmaschine.
Bei der speicherprogrammierten Steuerung
ist das Steuerungsprogramm in einem Programmspeicher hinterlegt.
InformationssteuerungSteuerungsabhängige Informationen werden von einem Prozessor weiterverarbeitet. Am Ende der Informationskette ist das Stellglied, das bei Ansprechen direkt die Steuerstrecke (z. B. Motor) beeinflusst.

03. Wie unterscheidet sich die Steuerung von der Regelung hinsichtlich ihres Wirkungsablaufs?

Nach DIN IEC 60050-351 unterscheidet man zwei grundsätzliche Wirkungsabläufe:

  • Steuerung → offener Wirkungsablauf:

    Die Steuerung hat einen offenen Wirkungsablauf, d. h. es existiert keine Rückmeldung. Man bezeichnet diesen Wirkungsablauf als Steuerkette.

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  • Regelung → geschlossener Wirkungsablauf:

    Die Regelung hat einen geschlossenen Wirkungsablauf, d. h. zwischen System 1 und System 2 findet eine Rückmeldung statt. Man bezeichnet diesen Wirkungsablauf als Regelkreis.

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    Vgl. z. B. den Regelkreis in der Qualitätsplanung unter 9.1.1.

04. Wie unterscheiden sich die verschiedenen Steuerungstechniken in ihrer Wirkungsweise und welche Anwendungsgebiete sind vorherrschend?

Mechanische Steuerung
WirkungsweiseSteuerung von Arbeitsabläufen z. B. über Kurvenscheiben und Nocken
Merkmalezuverlässig, meist einfache Technik
AnwendungSerienherstellung, Steuerung der Ventile im Pkw über die Nockenwelle
Pneumatische Steuerung
Wirkungsweiseüber Ventile gesteuert; hier dient verdichtete Luft als Arbeitsmittel für translatorische (geradlinige) und rotatorische (drehende) Bewegungen.
MerkmaleHohe Bewegungsgeschwindigkeiten sind bei (allerdings) kleinen Kräften möglich. Die Bewegungsgeschwindigkeit ist lastabhängig; Änderungen durch Betriebspersonal möglich (Umbau von Ventilständen).
AnwendungFertigungslinien, Bewegen von Teilen mit geringer Masse, Schutzeinrichtungen, Spannvorrichtungen.
Hydraulische Steuerung
WirkungsweiseÜber Ventile gesteuert; hier dient unter Druck gesetztes Öl als Arbeitsmittel für translatorische und rotatorische Bewegungen.
MerkmaleHohe Bewegungsgeschwindigkeiten und sehr hohe Kräfte sind möglich; Änderungen durch Betriebspersonal möglich (Umbau von Ventilständen); schnelle, feinfühlige, stufenlos verstellbare Bewegungen; überlastsicher.
Anwendung(Schwer-)Maschinenbau, Bewegen von Maschinen- und Bauteilen mit großer Masse, Pressenbaum, Mobiltechnik.
Elektrische Steuerung
WirkungsweiseDurch Schalter, Taster, Relais und Schütze werden Elektromotoren, Elektromagnete, aber auch Elektroheizungen u. Ä. angesteuert.
MerkmaleGünstig: kein Aufwand für Hydraulik- bzw. Druckluftaggregate, Speicher usw. Durch Betriebspersonal änderbar/erweiterbar.
Anwendungeinfache Einzelsteuerungen (z. B. Hallenkräne), vor Einführung der SPS auch für komplexere Aufgaben eingesetzt.
Elektronische Steuerung
WirkungsweiseDie Schaltverbindungen und Abläufe werden elektronisch abgebildet (fest gespeichert oder programmierbar: SPS).
MerkmaleEinzelgerät (Kleinsteuerung) oder modular aufgebaut (Zentraleinheit und Ein-/Ausgabebaugruppen); Änderungen erfordern spezielle Kenntnisse (SPS-Programmierung).
AnwendungStand der Technik für nahezu alle Anwendungen aufgrund der Flexibilität, Vernetzungsmöglichkeit und Wirtschaftlichkeit.
Elektropneumatische und elektrohydrauliche Steuerung
Häufig werden elektronische Steuerungen mit pneumatischen oder hydraulischen Systemen kombiniert. Dabei werden die Logik und die Abläufe in der elektronischen Steuerung (SPS) abgebildet und mit den Ausgangssignalen Ventile der Hydraulik oder Pneumatik angesteuert.

05. Was versteht man nach DIN IEC 60050-351 unter Regeln?

Beim Regeln wird die zu regelnde Größe ständig erfasst, mit den vorgegebenen Größen verglichen und selbsttätig so beeinflusst, dass sie sich der gewünschten Größe (Führungsgröße) angleicht. Abweichungen entstehen nur durch Störgrößen oder einer Änderung der Führungsgrößen. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in einem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis, statt.

Schema des Regelkreises:

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06. Was sind die Merkmale des Regelns?

Merkmale des Regelns:

  • fortlaufende Erfassung der zu regelnden Größe, (= Ist-Wert)

  • Vergleich mit der Führungsgröße, (= Ist-Soll-Vergleich)

  • Angleichen an die Führungsgröße, (Regelabweichung ausgleichen)

  • geschlossener Wirkungsablauf (Regelkreis).

07. Welche Struktur, Elemente und Größen hat der Regelkreis?

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Größen:

xRegelgröße
xAAufgabengröße
rRückführgröße
wFührungsgröße
eRegeldifferenz
yRReglerausgangsgröße
yStellgröße
zStörgröße
WhFührungsbereich
XhRegelbereich
XAhAufgabenbereich
YhStellbereich
ZhStörbereich

08. Welche Regelungsarten werden unterschieden?

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  • Handregelung:

    Mindestens ein Glied des Regelkreises wird vom Menschen gesteuert, z. B. Einstellen der Wassertemperatur am Wasserhahn.

  • Festwertregelung:

    Aufgabe der Festwertregelung ist es, eine Größe (z. B. die Temperatur) konstant zu halten.

    Störungen als Abweichung des Istwertes vom Sollwert werden immer wieder ausgeglichen.

    Beispiel

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    Beispiele einer Festwertregelung:

    • Ein Härteofen soll die Temperatur auf einem gleich bleibenden Niveau halten.

    • In einer Laserschneidanlage wird mithilfe eines Sensors das Werkzeug auf einen gleichbleibenden Abstand zum Werkstück gehalten.

  • Aufgabe der Folgeregelung

    ist es, die Regelgröße einem vorgegebenen Führungsgrößenverlauf folgen zu lassen.

    Beispiel

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    Beispiel einer Folgeregelung ist die Positionsregelung des Maschinenschlittens einer Werkzeugmaschine mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der aktuellen Position, oder der Abstandstempomat eines Pkw, welcher den Abstand zum vorausfahrenden Pkw immer konstant hält.