Jeder Ablauf einer Handlung, jede Reaktion auf einen Impuls, jeder automatisierte Ablauf in der Natur oder Industrie läuft nach einem klar definiertbaren und bewertbaren Schema ab.
Diese Aufzeichnung einer Handlungsfolge nennt sich Ablaufdiagramm oder Chart. In diesem Diagramm sind die Wege der einzelnen Aktionen und ihre Einflussgrößen eingezeichnet, jeder Aktion folgt eine Reaktion in einer festen oder variablen Reihenfolge, die jedoch stets nachvollziehbar und wiederholbar ist.
Diese Diagramme werden in der Mess und Regeltechnik Steuerkreis, Regelkreis oder Messkreis genannt. Diese drei Typen haben eine unterschiedliche Aufgabe und unterscheiden sich hauptsächlich in der Art der Einflüsse auf und von Größen
Steuern nennt man einen Vorgang, in dem ein Ablauf von Vorgängen stets nach einem festen Programm abläuft, ohne dass eine Einflussgröße einen Effekt hat.
Entscheidend ist hierbei das Verhalten als offene Wirkungsstrecke, d.h. ein Ablesen der Steuergröße (also des gewünschten Zustandes) hat keinen Einfluss auf die Steuerkette als solche, es geschieht keine Rückkopplung / Rückführung der Steuergröße an das Stellglied.
Ups, erklären wir erst mal anhand eines einfachen Stromkreises mit Glühlampe diese Begriffe:
Warum drückt man so einfache Dinge so kompliziert aus? Der Grund hierfür ist weniger bei den Wissenschaftlern und Technikern zu suchen, die damit ihr Geld verdienen, sondern in dem Bestreben, auch kompliziertere Zusammenhänge in ein Schaubild zu fassen - wobei die einzelnen Faktoren austauschbar sein sollen. So ist es letzlich egal, ob eine Kaffemaschine, ein Kühlschrank, ein Computer oder eine Waschmaschine dargestellt wird.
Steuerkreise sind offene Wirkungsketten, wie wir bereits sagten. Diese werden nochmals unterteilt in Zeitplangesteuerte und Ablaufplangesteuerte Prozesse.
Zeitplangesteuert nennt man Steuerprozesse, die nach einem bestimmten Zeitplan fortlaufend abgewickelt werden, z.B. Ampelintervallschaltungen, Waschmaschinen - Zeitschaltuhren sind dabei meist das Steuerglied
Ablaufplangesteuert nennt man Prozesse, bei denen der Ablauf unabhängig von der Zeit der Einzelprozeduren immer hintereinander abläuft, z.B.: Kaffemaschine, Treppenhausautomat (der schaltet immer nach dem Einschaltimpuls nach einer Zeit ab - egal wie oft der Taster betätigt wird), Ein-Aus-Schaltkreise im allgemeinen, Wind- oder Wassermühlen, Kniereflex (der mit dem Hämmerschen), etc...
Allgemeine Darstellung:
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Steuergerät |
Stellglied |
Stellgröße |
Steuerstrecke |
Beim Regelkreis kam eine Rückmeldung durch Messung des Steuergröße an das Steuergerät hinzu, also eine Rückführung oder Rückkopplung.
Dies nennt man auch einen SOLL-/ISTWERT VERGLEICH
Das Steuergerät als starrer Befehlsgeber hat in diesem Umfeld nichts mehr zu suchen - es wird durch einen Regler ersetzt, der den Prozess aktiv steuert und damit regelt.
Bedienen wir uns wieder des Beispiels mit unserem Lichtschalter, nur soll diesmal eine gleichbleibende Helligkeit unabhängig vom einfallenden Tageslicht bei Tag und Nacht erreicht werden. Diesmal bauen wir statt eines Schalters einen Dimmer ein, der den Stromfluss begrenzen kann, statt eines Auges bedienen wir uns eines Photosensors, der Lichtstärke in eine elektrische Größe wandelt. Die nötige Sollgröße (gleichbleibendes Licht) gleichen wir der Einfachheit halber dem Tageslicht bei sonnigem Wetter an.
Die
Lampe erzeugt wieder Licht, wenn der Dimmer vom Regler angesteuert
wird, somit ist das Licht die Regelgröße.
Unser Schalter wird hier also von einem Dimmer (Triac) ersetze, ist aber auch hier das Stellglied
Das Steuergerät wird hier durch ein Regelgerät ersetzt, dass die eingestellte Sollgröße (kleiner Kasten unten, Dunkelblau) mit der Istgröße, die vom Photosensor (Kreis) geliefert wird. Fällt nun Tageslicht ein, so meldet der Photosensor (Meldestelle) diesen Wert an das Regelgerät, welches die Soll- mit der Istgröße vergleicht und den Dimmer natürlich runterregelt, d.h. die Lampe (Regelstrecke) leuchtet schwach oder gar nicht - Die Lichtintensität nimmt bei Bewölkung plötzlich ab (Störgröße), der Photosensor meldet dies dem Regler, der den Dimmer daraufhin durchschaltet (Regelung). Der Strom (Stellgröße) fließt wieder durch die Lampe, bis der Photosensor einen Wert liefert, der größer als die Sollgröße ist - Folge: Der Dimmer wird wieder ein Stück zurückgefahren, bis sich beide Werte (Soll und Istwertvergleich) wieder auf gleicher Höhe befinden.
Typische Anwendungen für Regelkreise, die wegen ihrer Rückführung auch geschlossene Wirkungsketten heißen, finden wir in der Industrie in Fertigungstechik und Optimierungsprozessen, in der Qualitätssicherung und in der Umwelttechnik, z.B. bei der elektrostatischen Rauchgasentgiftung, die in sogenannten Elektrofiltern geschieht. Der Interessierte mag mal unter www.Rico-Werk.de nachschauen, dort gibt es schöne Beispiele für Regeltechnik.
Stillschweigend vorausgesetzt haben wir bisher den Begriff Messen. Dabei ist die Messtechnik ein sehr umfangreiches Gebiet, da bestimmte Größen so zu erfassen sind, dass eine weitere Verarbeitung der Werte überhaupt möglich ist. Meist geschieht dies auf elektronischem Weg, da die direkte mechanische Erfassung teils zu aufwendig, teils zu ungenau ist.
Hierbei werden physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Gewicht, Durchflussmenge und elektrische Spannung angezeigt und umgewandelt in erfassbare Größen, die vom angehängten Regel- oder Erfassungsgerät abhängt.
Diese Messgeräte können einmal zur Kontrolle in Steuerkreisen, zur Überwachung von Regelprozessen oder aber auch der aktiven Messwerterfassung zur Weiterverarbeitung im Regler dienen.
Weiterhin können Messgeräte gleichzeitig auch Regelfunktionen besitzen - z.B. Thermostate oder Überdruckventile in Gas, Wasser und Ölkreisläufen.
Wir sehen also, daß der Begriff Messgerät meist einen Verbund zwischen dem Messgerät (der Teil, der der Messgröße - also dem Medium- direkt ausgeliefert ist) und dem Messumformer, der diesen Messwert in eine erfassbare Größe übersetzt und anzeigt (Beispielsweise der Zeiger auf einer Skala)
Regler reagieren verschieden auf die Einflussgrößen. Es gibt Regler, die versuchen, sich langsam dem Sollwert zu nähern, Regler, die direkt auf eine Änderung reagieren und den Sollwert über oder unterschreiten, und Regler, die nur regulierend einwirken, um einen bestimmten Wert nicht zu erreichen (Begrenzer)
Diese Typen sind in Klassen eingeteilt:
P-Regler (Proportionalregler) reagieren sofort mit einer Veränderung des Stellgliedes auf eine Veränderung der Regelgröße. Er regelt auf einen neuen Betriebzustand ein, der vom Sollwert abweicht und der erhalten bleibt (bleibende Regelabweichung)
I-Regler (Integralregler) regelt stur auf den Sollwert - bei starken Schwankungen durch Störgrößen und permanent veränderlicher Regel- oder Stellgröße kann sich ein Schwingverhalten der Regelgröße ergeben (Einschwingverhalten)
D-Regler (Diferentialregler) wird als Regler allein nicht eingesetz, da er aufVeränderungen sehr schnell und extrem reagiert - als unterstützendes Glied mir anderen (P und I Reglern) eingesetz, um Regelgeschwindigkeit und Genauigkeit zu erhöhen
PI-Regler(Kombinationsregler) gut geeignet beispielsweise für Temperatur, Druck oder Mengenstandsregelung
Bauarten
elektronische Regler sind weit verbreitet und unkompliziert in der Wahl des Standortes, da elektrische Energie über lange Strecken schnell und verlustfrei transportiert werden kann und die Verarbeitung durch Computer schnell und kostengünstig erfolgt - Nachteil: in explosionsgefärdeten Bereichen ein Gefährdungspotential durch Funkenbildung, Ausfall bei Netzausfall
Pneumatische Regler sind explosinssicher, haben hohe Stellkräfte und können gut gewartet werden - allerdings unterliegen sie mechanischem Verschleiß und können keine weiten Abstände zu Stellgliedern überbrücken
Hydraulische Regler haben die gleichen positiven Eigenschaften, aber bergen die Gefahr eines Totalausfalls durch Leckbildung bei zu hohem Druck an Dichtungen (Materialermüdung) und können ebenfalls keine großen Abstände überbrücken.