Elektrische Automatisierungssteuerung: Begriffe für industrielle Steuerung, Instrumentierung und Messung
Elektrische Automatisierungssteuerung: Begriffe für industrielle Steuerung, Instrumentierung und Messung
Industrielle Steuerung
Geschlossene Regelung
Die Regelung mit geschlossenem Regelkreis ist ein grundlegendes Konzept der Regelungstheorie und unterscheidet sich von der Regelung mit offenem Regelkreis dadurch, dass der geregelte Ausgang zurück zum Eingang geleitet wird, um die Regelung zu beeinflussen. Dieser Rückkopplungsmechanismus ermöglicht die Rückkehr des Ausgangs zum Eingang über eine „Seitenkette“, sodass der Eingang die Kontrolle über den Ausgang ausüben kann. Der Hauptzweck der Regelung im geschlossenen Regelkreis besteht darin, eine rückkopplungsbasierte Regelung zu erreichen.
I/O-Punkte
I/O-Punkte sind ein in Steuerungssystemen häufig verwendeter Begriff und beziehen sich auf Eingabe-/Ausgabepunkte. Eingaben sind Messparameter von Instrumenten, die in das Steuersystem gelangen, während Ausgaben Steuerparameter sind, die vom System an Aktoren gesendet werden. Die Größe eines Steuerungssystems wird häufig durch die maximale Anzahl der E/A-Punkte definiert, die es aufnehmen kann.
Analoge und Schaltgrößen
In Steuerungssystemen können Parameter analoge oder schaltende Größen sein. Analoge Größen sind kontinuierlich variierende Werte innerhalb eines bestimmten Bereichs, beispielsweise Temperatur oder Druck. Schaltgrößen haben jedoch nur zwei Zustände, etwa die Ein-/Aus-Zustände eines Schalters oder Relais.
Regelkreis
Bei der analogen Steuerung passt ein Controller einen Ausgang basierend auf einem Eingang mithilfe spezifischer Regeln und Algorithmen an und bildet so einen Regelkreis. Regelkreise können offener oder geschlossener Regelkreis sein. Die Regelung mit geschlossenem Regelkreis oder Rückkopplungsregelung ist die gebräuchlichste Art, bei der der Ausgang zum Vergleich mit dem Sollwert an den Eingang zurückgekoppelt wird.
Zwei-Positionen-Steuerung
Die einfachste Form der Feedback-Steuerung, auch Schaltersteuerung genannt. Er löst ein Schaltsignal aus, wenn der Messwert ein Maximum oder Minimum erreicht. Obwohl der Messwert analog sein kann, ist der Steuerausgang digital. Diese Methode wird häufig in industriellen Temperaturreglern und Niveauschaltern verwendet.
Proportionale Steuerung
Der Ausgang des Reglers ist proportional zur Abweichung zwischen Messwert und Sollwert bzw. Referenzpunkt. Die Proportionalsteuerung sorgt für eine gleichmäßigere Regelung als die Zweipositionssteuerung und eliminiert die mit der Zweipositionssteuerung verbundenen Schwingungsprobleme.
Integrale Kontrolle
Bei der Integralregelung hängt die Änderung der Regelgröße von der Zeit ab, die benötigt wird, bis der Ausgang des Regelsystems wirksam wird. Der Ausgang des Aktors erreicht nach und nach den eingestellten Wert. Diese Steuermethode wird üblicherweise in Temperaturkontrollsystemen verwendet.
Derivative Kontrolle
Die Differentialregelung wird typischerweise in Kombination mit der Proportional- und Integralregelung verwendet. Dadurch kann das Steuerungssystem schneller auf Abweichungen reagieren und so träge Systemreaktionen verhindern. Zusammen mit der Proportional- und Integralregelung trägt es dazu bei, dass die Regelgröße schneller und ohne Schwingungen einen stabilen Zustand erreicht.
PID-Steuerung
Abhängig von den spezifischen Anforderungen des Steuerungssystems können die Steuerungsmethoden P-Regelung (Proportional), PI-Regelung (Proportional-Integral), PD-Regelung (Proportional-Derivativ) oder PID-Regelung (Proportional-Integral-Derivativ) sein. Die PID-Regelung ist die gebräuchlichste Regelungsart in Regelungssystemen.
Verzögerungskontrolle
* Die Verzögerungssteuerung wird häufig in Schaltsteuerungsanwendungen verwendet und führt zu einer Zeitverzögerung zwischen einer Schalterzustandsänderung und der Ausgangsaktion des Controllers. Beispielsweise erfordern Näherungsschalter in Produktionslinien nach der Positionierung eines Werkstücks häufig eine Verzögerung von mehreren Sekunden, bevor die nächste Walze ihren Betrieb aufnimmt.
Verriegelungssteuerung
* Die Verriegelungssteuerung wird häufig in Schaltsteuerungsszenarien eingesetzt und stellt Beziehungen zwischen Schaltern her. Beispielsweise kann Schalter C nur aktiviert werden, wenn Schalter A und B beide geöffnet sind, oder Schalter C muss öffnen, wenn Schalter A öffnet. Eine Verriegelungssteuerung kommt in sicherheitskritischen Anwendungen häufig vor, beispielsweise beim Entlüftungsventil in einem Reaktor, das sich sofort öffnen muss, wenn der Druck ein bestimmtes Niveau erreicht.
Elektrische Steuerung
* Bezieht sich auf Steuerungssysteme, bei denen die Ausgabe durch elektrische Größen oder elektronische Signale erfolgt und auf elektrisch angetriebene Komponenten wie Relais, Magnetventile und Servotreiber abzielt. Die meisten automatischen Steuerungssysteme enthalten elektrische Steuerelemente.
Hydraulische Steuerung
* Hydraulische Steuerungssysteme werden im Maschinen- und Anlagenbetrieb eingesetzt, insbesondere bei Anwendungen zur kontinuierlichen Geschwindigkeitsregelung. Die hydraulische Steuerung wird häufig mit der elektrischen Servosteuerung kombiniert, um hocheffiziente und präzise elektrohydraulische Aktuatoren zu bilden.
Pneumatische Steuerung
* Pneumatische Steuerungssysteme werden in verschiedenen Szenarien eingesetzt. Sie nutzen Druckluft als Energiequelle zur Signalübertragung oder Betätigung. Aufgrund seiner Verfügbarkeit, Sauberkeit, Sicherheit und einfachen Steuerungsfunktion wird Druckluft häufig in Fabriken eingesetzt, sodass pneumatische Werkzeuge in vielen Produktionslinien weit verbreitet sind.
Interpolation
* Interpolation ist der Prozess, bei dem ein CNC-System einer Werkzeugmaschine den Werkzeugweg mithilfe einer bestimmten Methode bestimmt. Dabei werden Zwischenpunkte zwischen bekannten Datenpunkten auf einer Kurve berechnet, was auch als „Datenpunktverdichtung“ bezeichnet wird. Das CNC-System generiert die erforderliche Konturtrajektorie, indem es die Daten zwischen den Start- und Endpunkten eines Programmabschnitts verdichtet.
Positions-, Geschwindigkeits- und Stromschleifen
* Das Konzept der Schleifen beinhaltet die Nutzung von Feedback zur Verbesserung der Stabilität und Leistung von Anwendungssystemen.
* Die Stromschleifensteuerung zielt darauf ab, die Spannung zu regulieren, indem sie die Stromsignalübertragung nutzt, um Verluste, Spannungsabfälle und Rauschen während der Spannungsübertragung zu kompensieren.
* Der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Position basiert auf der Formel: Entfernung = Geschwindigkeit × Zeit. Die kontinuierliche Änderung der Geschwindigkeit über ein Zeitintervall führt zum Integral der Geschwindigkeit über dieses Intervall, das der zurückgelegten Strecke (Position) entspricht.
* Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Strom ist definiert durch: Geschwindigkeit = Beschleunigung × Zeit. Die Beschleunigung hängt vom angelegten Strom ab und das Integral der Beschleunigung über ein Zeitintervall ergibt die Momentangeschwindigkeit.
* Im Drehmomentsteuerungsmodus dreht sich der Servomotor mit einem eingestellten Drehmoment, indem ein konstanter Ausgang aus der Stromschleife aufrechterhalten wird. Wenn das externe Lastdrehmoment dem eingestellten Ausgangsdrehmoment des Motors entspricht oder dieses überschreitet, bleibt das Ausgangsdrehmoment des Motors konstant und der Motor folgt der Lastbewegung. Wenn umgekehrt das externe Lastdrehmoment geringer ist als das eingestellte Ausgangsdrehmoment des Motors, beschleunigt der Motor weiter, bis er die maximal zulässige Drehzahl des Motors oder Antriebs erreicht. An diesem Punkt wird ein Alarm ausgelöst und der Motor stoppt.
* Im Geschwindigkeitsmodus wird die Motorgeschwindigkeit eingestellt und die Geschwindigkeitsrückmeldung vom Encoder des Motors bildet ein Regelsystem mit geschlossenem Regelkreis. Der Zweck besteht darin, sicherzustellen, dass die tatsächliche Geschwindigkeit des Servomotors mit der eingestellten Geschwindigkeit übereinstimmt.
* Der Steuerausgang des Geschwindigkeitsregelkreises dient als Drehmomentsollwert für den Drehmomentmodus-Stromregelkreis. Im Positionsregelungsmodus werden der vom Host-Computer bereitgestellte Positionssollwert und das Positionsrückmeldungssignal vom Encoder des Motors oder die direkte Positionsmessrückmeldung von der Ausrüstung verglichen, um eine Positionsschleife zu bilden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Servomotor die eingestellte Position anfährt. Der Ausgang des Positionsregelkreises wird als Geschwindigkeitsregelkreissollwert in den Geschwindigkeitsregelkreis eingespeist. Daher nutzt der Drehmomentsteuerungsmodus den Stromregelkreis als grundlegendste Ebene. Der Geschwindigkeitsregelkreis baut auf dem Stromregelkreis auf, und der Positionsregelkreis baut sowohl auf dem Geschwindigkeits- als auch dem Stromregelkreis auf.
Instrumentierungs- und Messbegriffe
Reichweite
Ein kontinuierliches Intervall einer durch Ober- und Untergrenzen definierten Menge.
Messbereich
Der Bereich der Messwerte, für den das Instrument die angegebene Genauigkeit erreichen kann.
Untergrenze des Messbereichs: Der minimale Messwert, bei dem das Gerät die angegebene Genauigkeit erreichen kann.
Obergrenze des Messbereichs: Der maximale Messwert, bei dem das Gerät die angegebene Genauigkeit erreichen kann.
Spanne
Der algebraische Unterschied zwischen der oberen und unteren Grenze eines Bereichs. Wenn der Bereich beispielsweise von -20 °C bis 100 °C reicht, beträgt die Spanne 120 °C.
Leistungsmerkmal
Parameter, die die Funktion und Leistungsfähigkeit eines Instruments und deren quantitative Ausdrücke definieren.
Referenzleistungsmerkmal: Das unter Referenzbetriebsbedingungen erreichte Leistungsmerkmal.
Lineare Skala
Eine Skala, bei der der Abstand zwischen den Skalenteilungen und den entsprechenden Messwerten in einem konstanten proportionalen Verhältnis zueinander steht.
Nichtlineare Skala
Eine Skala, bei der der Abstand zwischen den Skalenteilungen und den entsprechenden Messwerten in einem nicht konstanten proportionalen Verhältnis steht.
Unterdrückt – Nullskala
Eine Skala, deren Skalenbereich nicht den Skalenwert umfasst, der dem Nullwert der gemessenen Größe entspricht.
Erweiterter Maßstab
Eine Skala, bei der ein unverhältnismäßig großer Teil der Skalenlänge von einem erweiterten Abschnitt der Skala eingenommen wird.
Maßstab
Ein Satz geordneter Skalenmarkierungen und zugehöriger Zahlen, die Teil eines Anzeigegeräts sind.
Skalenbereich
* Der durch die Anfangs- und Endwerte der Skala definierte Bereich.
Skalenmarkierung
* Eine Markierung auf dem Anzeigegerät, die einem oder mehreren bestimmten Messwerten entspricht.
Nullskalenmarkierung
* Der Skalenstrich oder Strich auf der Skala entspricht dem Nullwert der gemessenen Größe.
Skaleneinteilung
* Der Teil der Skala zwischen zwei benachbarten Skalenmarkierungen.
Skalenteilungswert
* Die Differenz zwischen den Messwerten, die zwei benachbarten Skalenstrichen entsprechen.
Skalenteilungsabstand
* Der Abstand zwischen den Mittellinien zweier benachbarter Skalenmarkierungen entlang der Skalenlänge.
Skalenlänge
* Die Länge des Liniensegments, entweder real oder imaginär, das durch die Mittelpunkte aller kürzesten Skalenmarkierungen zwischen den Anfangs- und Endskalenmarkierungen verläuft.
Skalierungsstartwert
* Der gemessene Wert entspricht der Startmarkierung der Skala.
Skalenendwert
* Der gemessene Wert entspricht der Skalenendmarkierung.
Skalennummerierung
* Der Zahlensatz auf der Skala, der den durch die Skalenmarkierungen definierten Messwerten entspricht oder die Reihenfolge der Skalenmarkierungen angibt.
Nullpunkt eines Messgerätes
* Die direkte Anzeige eines Messgerätes, wenn die gesamte für seinen Betrieb erforderliche Hilfsenergie zugeführt wird und der Messwert Null ist.
* In Fällen, in denen das Messgerät Hilfsenergie verwendet, wird dieser Begriff üblicherweise als „elektrischer Nullpunkt“ bezeichnet.
* Wenn das Gerät aufgrund fehlender Hilfsenergie nicht in Betrieb ist, wird häufig der Begriff „mechanischer Nullpunkt“ verwendet.
Instrumentenkonstante
* Ein Koeffizient, mit dem die direkte Anzeige eines Messgeräts multipliziert werden muss, um den Messwert zu erhalten.
Charakteristische Kurve
* Eine Kurve, die die funktionale Beziehung zwischen dem stationären Ausgangswert eines Instruments und einer Eingangsgröße zeigt, wobei alle anderen Eingangsgrößen auf festgelegten konstanten Werten gehalten werden.
Vorgegebene Kennlinie
* Die Kurve zeigt die funktionale Beziehung zwischen dem stationären Ausgangswert eines Instruments und einer Eingangsgröße unter bestimmten Bedingungen.
Anpassung
* Vorgänge, die durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sich das Instrument in einem normalen Betriebszustand befindet, und um Abweichungen für den ordnungsgemäßen Gebrauch zu beseitigen.
* **Benutzeranpassung**: Vom Benutzer zulässige Anpassungen.
Kalibrierung
* Der Vorgang, unter bestimmten Bedingungen die Beziehung zwischen den von einem Messgerät oder System angezeigten Werten und den entsprechenden bekannten Werten der gemessenen Größe herzustellen.
Kalibrierungskurve
* Eine Kurve, die die Beziehung zwischen der gemessenen Größe und dem tatsächlichen Messwert des Instruments unter bestimmten Bedingungen zeigt.
Kalibrierungszyklus
* Die Kombination aus der Aufwärtskalibrierungskurve und der Abwärtskalibrierungskurve zwischen den Kalibrierbereichsgrenzen eines Instruments.
Kalibrierungstabelle
* Eine tabellarische Darstellung der Kalibrierungskurve.
Rückverfolgbarkeit
* Die Eigenschaft eines Messergebnisses, durch eine lückenlose Vergleichskette auf entsprechende Normen (meist internationale oder nationale Normen) bezogen werden zu können.
Empfindlichkeit
* Der Quotient aus der Änderung des Geräteausgangs und der entsprechenden Änderung der Eingangsgröße.
Genauigkeit
* Der Grad der Übereinstimmung zwischen der Anzeige des Instruments und dem wahren Wert der gemessenen Größe.
Genauigkeitsklasse
* Die Klassifizierung von Instrumenten nach ihrer Genauigkeit.
Fehlergrenzen
* Der maximal zulässige Fehler eines Instruments gemäß Standards oder technischen Spezifikationen.
Grundlegender Fehler
* Der Fehler eines Instruments unter Referenzbedingungen.
Konformität
* Der Grad der Übereinstimmung zwischen der Standardkurve und der angegebenen charakteristischen Kurve (z. B. einer geraden Linie, einer logarithmischen Kurve, einer Parabelkurve usw.).