Der Begriff „Steuersystem“ kann Verwirrung stiften. Eine schnelle Suche im Internet liefert viele Ergebnisse zu Proportional-Integral-Differenzial (PID)-Steuergeräten und anderen ähnlichen Geräten. Es macht Sinn, denn sie sind die am weitesten verbreiteten Steuergeräte in der Steuerungstheorie.  PID ist jedoch eine Methode zur Steuerung eines Systems, nicht das System selbst.

Was ist ein Steuersystem?

Ein Steuersystem ist eine Reihe mechanischer und/oder elektronischer Geräte, die andere Geräte oder Systeme mithilfe von Regelkreisen regulieren, verwalten und steuern. Diese Definition ergibt Sinn, wenn Sie wissen, was ein Regelkreis ist. Aber keine Sorge. Wir sind hier, um alles für Sie zu klären, also lassen Sie uns einen Regelkreis definieren.

Regelkreise

Ein Regelkreis besteht aus allen physischen Komponenten und Steuerungsfunktionen, die benötigt werden, um den Wert einer gemessenen Prozessvariable (PV) auf Ihren gewünschten Wert oder Sollwert (SP) einzustellen oder zu halten. Dazu braucht Ihr Regelkreis mindestens drei Grundelemente – einen Eingang, ein Steuergerät und einen Ausgang. Es gibt zwei Arten von Regelkreisen: offen und geschlossen.

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Offenes Steuersystem

Ein offenes Steuersystem ist die einfachste Variante und misst daher weder Variablen noch sendet sie die Ausgabewerte an das Steuergerät. Nehmen Sie zum Beispiel Ihren Toaster. Wenn Sie ein Stück Brot in den Toaster legen, legen Sie eine Zahl fest, Ihre Eingabe, die angibt, wie lange Sie Ihre Scheibe toasten möchten. Der Toast, Ihre Ausgabe, könnte je nach der Zahl, die Sie gewählt haben, kaum bis sehr knusprig herauskommen. Beachten Sie hier, dass kein Sensor die Farbe Ihres Brotes oder seine Knackigkeit misst, so dass Sie den Zustand Ihrer Scheibe nicht kennen, bis der Toaster fertig ist. Wenn Sie die Zahl zu hoch angesetzt haben, wird Ihr Toast anbrennen. Ein weiteres häufig vorkommendes offenes Steuersystem, das etwas komplexer ist als ein Toaster, ist Ihre Waschmaschine. Wenn Sie einen Waschmodus einstellen und die Maschine einschalten, berechnet sie die Laufzeit basierend auf dem Gewicht der Kleidung im Inneren. Es steuert auch eine Reihe von Geräten: den Motor, um die Trommel zu drehen, Pumpen oder Ventile, um Wasser oder Reinigungsmittel hinzuzufügen, usw. Es wird allerdings nicht gemessen, ob Ihre Kleidung gereinigt oder einfach nass gemacht wurde.

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Geschlossenes Regelsystem

Nun, da wir wissen, wie das offene Steuerungssystem funktioniert, lassen Sie uns zum geschlossenen Steuerungssystem übergehen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Systemen ist das Feedback. Im geschlossenen System haben Sie einen Sensor, der die Ausgabe ständig überwacht. Dieser Sensor speist Daten zurück an das Steuergerät. Mit diesen Daten vergleicht das Steuergerät die Ausgabe mit Ihrem Sollwert. Stimmen die Werte nicht überein, analysiert das Steuergerät diesen Fehler mithilfe einer der Steuerungsmethoden. Dann sendet es ein Signal an einen Aktuator, um Ihren Prozesswert zu ändern und ihn näher an Ihren Sollpunkt zu bringen. Wenn Sie Auto fahren, dann haben Sie dieses System schon verwendet. Stellen Sie sich vor, Sie wollen von Punkt A zum Punkt B fahren, und zwar so schnell wie das Gesetz es erlaubt. Es gibt eine Geschwindigkeitsbegrenzung von 60 Meilen pro Stunde auf Ihrer Route, deshalb sollte Sie das Tempo unter 60 halten. Hier überwachen Ihre Augen (der Sensor) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf dem Tachometer (die Ausgabe). Wenn Sie Ihren Sollpunkt nicht erreicht haben, wird Ihr Gehirn (das Steuergerät) Ihnen sagen, das Gaspedal (das letzte Steuerungselement) mit Ihrem Fuß (der Aktor) weiter nach unten zu drücken. Wenn Sie 60 erreichen, setzen Sie Ihren Fuß in eine bestimmte Position, um diese Geschwindigkeit zu halten. Es funktioniert alles wunderbar, wenn man nicht auf Störungen, wie etwa auf einen Hügel, trifft. Wenn Sie einen Hügel hinauffahren, wird Ihre Geschwindigkeit sinken, es sei denn, Sie ändern die Position Ihres Fußes. Sobald Ihre Geschwindigkeit abnimmt, analysiert Ihr Gehirn diesen Fehler und passt Ihren Fuß an. Wenn Sie jedoch den Hügel hinabfahren, ohne Ihren Fuß anzupassen, fahren Sie womöglich zu schnell, was auch ein Fehler ist. Dann überwachen Sie Ihre Geschwindigkeit erneut und passen sie wieder an. Dieser Prozess wiederholt sich jedes Mal, wenn Sie eine Störung in Ihrem System haben.

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Prozesssteuerungssystem:

Obwohl wir anfangs ein Steuerungssystem definiert hatten, sprachen wir über die Regelkreise und nicht über das System. In der Industrie sehen Sie meist geschlossene Steuerungssysteme, da die meisten Prozesse bei den gewünschten Werten bleiben müssen. Ein geschlossenes Regelsystem ist das ganze Paket aus Ausrüstung und Logik hinter dem Prozess, einschließlich der Software und Hardware, die benötigt werden, um alle Ihre Prozesswerte zu kontrollieren:

  • Feldinstrumente, um Ihre PVs zu überwachen und Daten an Ihr Steuergerät zu senden.
  • Ein Steuergerät, um alle Eingänge und Ausgänge Ihres Systems zu verbinden.
  • Programmierung und Codierung, um die Daten zu analysieren und zu speichern und anschließend Signale an die Endsteuerelemente zu senden.
  • Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), um Daten aus dem Feld in einer Weise zu zeigen, die die Menschen verstehen können.
  • Aktoren, Geräte, die eine Änderung Ihrer PV bewirken, wie Pumpen, Ventile und Wärmesysteme.
  • Feldkommunikation, die alle Arten von Kabeln und Protokollen enthält (die Standard-„Sprachen“, in denen das Steuergerät und Feldgeräte kommunizieren).

Schlussfolgerung

Wir finden Steuersysteme in Geräten, die so einfach sind wie ein Toaster, und in industriellen Prozessen so komplex wie eine Erdölraffinerie. Die Komplexität des Systems hängt von den Aufgaben ab, die Sie erledigt haben möchten. Für einfache tägliche Aufgaben reicht manchmal ein offenes Steuersystem aus. Für komplexere Überwachung und Automatisierung sollten Sie auf jeden Fall mit geschlossenen Regelsystemen arbeiten. Um mehr über Steuersysteme zu erfahren, setzen Sie sich mit unseren Ingenieuren in Verbindung.

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