Die automatisierte Prozesssteuerung ist ein integraler Bestandteil der modernen Industrie. So ermöglicht die Automatisierung den Herstellern integrierter Schaltkreise, sowohl Fehler während des Herstellungsprozesses zu minimieren als auch die Produktionseffizienz zu verbessern und damit die Qualität der Endprodukte zu erhöhen.
Steuerungstheorie und industrielle Automatisierung
Um eine automatisierte Prozesssteuerung zu erreichen, müssen industrielle Prozesse präzise, vorhersehbar und wiederholbar ablaufen. In der Praxis erfordert dies einen Regler, der eine Prozessvariable überwacht und sie mit einem Sollwert oder Referenzwert vergleicht.
Die Differenz zwischen dem Wert der Prozessvariablen und dem Sollwert (d. h. dem Idealzustand der Prozessvariablen) wird als Fehlersignal definiert. Dieses sendet eine Rückmeldung an den Regler, damit dieser eine Maßnahme ergreift, um den Prozesswert wieder auf den idealen Sollwert zu bringen.
Grundsätzlich ist die Steuerungs- und Automatisierungstechnik (oder C&E) ein Teilgebiet der Elektrotechnik, das sich mit dem Entwurf, der Entwicklung und dem Gesamtbetrieb von Hardware- und Softwareelementen für die industrielle Prozesssteuerung beschäftigt.
Was sind Kontrollsysteme?
Ein Kontrollsystem ist ein Netzwerk von elektrischen und/oder elektromechanischen Geräten, die dazu dienen, das Verhalten dynamischer Prozesssysteme über Regelkreise zu steuern. Es gibt zwei Haupttypen von Steuerungen: Steuerungen und Regelkreise.
Bei einer Steuerung ist die korrekte Wirkung des Reglers nicht vom Wert der Prozessvariablen abhängig. Eine Zeitschaltuhr, die zum Ein- oder Ausschalten eines Heizelements verwendet wird, ist beispielsweise ein offener Regelkreis, da die Zeitschaltuhr das Gerät unabhängig von seiner Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt auf aus schaltet.
Im Gegensatz dazu ist bei einem geschlossenen Regelkreis das Verhalten des Reglers von den Rückkopplungssignalen des Prozesses abhängig.
Regelkreistypen
Zu den wichtigsten Regelkreistypen, die in der Industrie eingesetzt werden, gehören Überwachungs- und Datenerfassungssysteme (SCADA), industrielle Kontrollsysteme (ICS) oder verteilte Kontrollsysteme (DCS).
In den nächsten drei Abschnitten wird mehr über Regelkreise berichtet.
Überwachungssteuerung und Datenerfassung
SCADA bezieht sich auf Computeranwendungen für die Fernsteuerung von Prozessen. Obwohl SCADA-Systeme mit proprietärer Software arbeiten, können sie auch Hardwarekomponenten enthalten. Die Hardwarekomponente sammelt Informationen über einen bestimmten Prozess und überträgt sie an einen Computer, auf dem die betreffende SCADA-Software läuft.
Ein solches Programm protokolliert alle Ereignisse in einer lokalen Speicherdatei und überwacht das System kontinuierlich. Wenn ein anormaler Zustand auftritt, wird der Ingenieur im Kontrollraum benachrichtigt (siehe Beispiel oben), damit er das Problem manuell beheben kann.
Industrielles Kontrollsystem
Ein ICS ist die Integration von Hardware- und Software-Geräten über verdrahtete oder drahtlose Netzwerke zur Steuerung kritischer industrieller Prozesse. Zu den wichtigsten Anwendungen für ICS gehören die Energieversorgung, die Herstellung elektronischer Komponenten und das industrielle IoT. Die meisten ICS verwenden proprietäre Steuerungssoftware mit integrierten Netzwerksicherheitsprotokollen.
Verteilte Kontrollsysteme
DCS sind computergestützte Steuerungssysteme für Anlagen oder große Einrichtungen: Sie bestehen aus mehreren Regelkreisen mit verteilten, dedizierten Steuerungen (anstelle eines zentralen Steuerungssystems).
DCS werden in industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. in Öl- und Gasraffinerien, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC), Lebensmittelverarbeitungsanlagen, Kläranlagen und anderen. Wie SCADA-Systeme bestehen verteilte Steuerungssysteme sowohl aus Software- als auch aus Hardwarekomponenten.
Kontrolleinrichtungen
Je nach Anwendung werden viele Arten von Geräten für die Prozesskontrolle und Zutrittskontrolle eingesetzt. Sechs Beispiele für solche Geräte werden in den folgenden fünf Abschnitten behandelt:
Speicherprogrammierbare Steuerungen
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind tragbare und robuste Industriecomputer, die für die Ausführung einer bestimmten Aufgabe programmiert sind. Sie bestehen aus einer CPU, Eingangs- und Ausgangsbaugruppen, Computersoftware, Stromversorgung und einer Rack-Baugruppe.
Proportional-integral-Ableitungsregler
PID-Technologien sind industrielle Regelgeräte, deren Regler Proportional-, Integral- und Derivativsteuerungen verwenden, um eine Prozessvariable auf den gewünschten Sollwert einzustellen.
PIDs werden zur Regelung von Variablen wie Temperatur, Durchfluss und Druck in geschlossenen Kreisläufen eingesetzt (z. B. in Automobilmontagewerken und Kläranlagen).
Industrielle Sensoren
Industrielle Sensoren sind Geräte, die physikalische Reize wie Licht, Wärme, Bewegung oder mechanischen Druck erkennen und entsprechend reagieren (z. B. durch Anzeige eines Wertes auf einem LCD-Bildschirm, Betätigung eines Schalters usw.).
Steuersysteme nutzen eine Vielzahl von Sensoren, um industrielle Prozesse zu regeln, indem sie mit Steuergeräten verbunden werden. So kann beispielsweise ein Temperatursensor eine abnormale Prozesstemperatur erkennen und ein Relais betätigen, um eine ansonsten möglicherweise überhitzte Maschine abzuschalten.
