Steuerungstechnik umfasst den Entwurf und die Realisierung von Steuerungen, das heißt, die gerichtete Beeinflussung des Verhaltens technischer Systeme (Geräte, Apparate, Maschinen, Anlagen und biologische Systeme). Sie ist, wie die Regelungstechnik, ein Teilgebiet der Automatisierungstechnik. Steuerungen werden unterteilt in binäre, analoge und digitale Steuerungen.
In Binär-Steuerungen sind die Ein- und die Ausgangsgrößen der Steuereinrichtungen binär. Die Beeinflussung des zu steuernden Systems (Steuerstrecke) erfolgt über die binären Ausgangsgrößen der Steuerung mittels der Aktoren. Beispiele für Aktoren sind eine Leuchte, ein Ventil oder ein Motor. Die binären Eingangsgrößen der Steuerung sind Bediensignale vom Menschen und Rückmeldesignale von Sensoren aus der Steuerstrecke, zum Beispiel die Schalterstellung (Ein/Aus), die Ventilstellung (Offen/Geschlossen) oder der Bewegungszustand des Motors (Drehend/Stehend). Gesteuert werden zum Beispiel eine Beleuchtung, ein Wasserfluss oder die Bewegung eines Fahrzeug-Antriebs.
Man unterscheidet bei Binär-Steuerungen zwischen Verknüpfungs- und Ablaufsteuerungen. Bei Ablaufsteuerungen werden relevante Werte der Steuergrößen an den Eingang der Steuerung mittels Sensoren rückgemeldet. Wenn dagegen Rückmeldungen fehlen, spricht man von Verknüpfungssteuerungen, deren Arbeitsweise binär oder mehrwertig ist.
Kennzeichen der Informationsverarbeitung in komplexen binären Steuerungen sind im Steuerprogramm enthaltene logische Verknüpfungen zwischen den Eingangssignalen (einschließlich der rückgemeldeten Signale von den Sensoren). Die Beschreibung und Berechnung binärer Steuerungen kann daher durch Mittel der binären Mathematik erfolgen.
In analogen Steuerungen sind die Ein- und Ausgangsgrößen der Steuereinrichtung Analogsignale; diese Steuerungen besitzen keine Rückkopplungen. Beispiel einer analogen Steuerung ist die stetige Veränderung einer Hebelstellung beim Drehen einer Kurvenscheibe, an der der Hebel anliegt. Analoge Steuerungen können als Regelungen durch Differentialgleichungen beschrieben werden.
Eine Steuerung wird digitale Steuerung genannt, wenn in ihr Digitalsignale verarbeitet werden. Digitale Signale sind Mehrbitsignale, deren Einzelbits Bestandteile einer codierten Informationsdarstellung sind. Zur Verarbeitung digitaler Signale sind Steuerungsbefehle mit Byte- bzw. Wortoperanden, sogenannte Wortanweisungen, erforderlich.G. Wellenreuther, D. Zastrow: Steuerungstechnik mit SPS. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1995.
Heute sind die meisten Steuerungen binär oder digital, wobei die Ablaufsteuerungen bei weitem überwiegen (mehrere Steuergrößen werden nacheinander beeinflusst). Sie haben mehrere oder sogar viele Ein- und Ausgänge. Außer dem Startsignal sowie weiteren Bediensignalen stammen die Eingangssignale nicht vom Bediener, sondern aus der Steuerstrecke, und sind mit Sensoren erfasste und rückgemeldete (Feedback) Zustände der Steuergrößen. Der jeweilige Folgeschritt im Ablauf wird immer erst dann ausgeführt, wenn der vorhergehende Schritt abgeschlossen ist. Somit liegen aufeinander folgende geschlossene Teil-Steuerkreise vor, die aber nicht mit dem nicht unterteilten geschlossenen Regelkreis zu verwechseln sind. Dessen Zweck ist eine bei Störungen stattfindende technische "Selbstkorrektur" der Regelgröße. Steuerungen, die zusätzlich gegen Störungen ausgelegt sind, bewirken bei gefährlichen Werten der Steuergrößen, dass der zu steuernde Prozess in einen sicheren Zustand überführt oder abgeschaltet wird.H.-J. Zander: Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3.
Zur Bewältigung der Komplexität moderner Steuerungen gibt es für deren Entwurf spezielle methodische Hilfen in Form verschiedener theoretischer Modelle sowie entsprechender computergestützter Werkzeuge. Solche Werkzeuge (Tools) werden auch für Simulation, Planung, Projektierung, Programmierung und Service (Fehlerdiagnose, Wartung und Instandsetzung) verwendet.
Geschichte der Steuerungstechnik
mini|hochkant|Lochbandsteuerung an einer historischen Jacquard-Webmaschine
Historische Wurzeln
Historische Beispiele Der griechische Erfinder Heron von Alexandria (ca. 20–62 n. Chr.) beschreibt in seinem Werk „Automata“ eine Türsteuerung, bei der sich durch Entzünden eines Feuers die Tempeltür öffnet (stetige Steuerung), auch automatische Theater, die gesteuert durch sich abwickelnde Seile verschiedene Bewegungen ausführen konnten. Er entwarf auch einen Weihwasserautomaten, der nach Einwurf einer Münze eine kleine Menge geweihtes Wasser ausgab. Diese Ideen sind aber im Laufe der Zeit in Vergessenheit geraten und nicht weiterentwickelt worden. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts wurden Spieldosen durch Stiftwalzen gesteuert. Mitte des 18. Jahrhunderts wurden Webmaschinen von hölzernen Lochkarten gesteuert, die 1805 von Joseph-Marie Jacquard durch ein umlaufendes Lochband wesentlich verbessert wurden.
Zeittabelle für Bauelemente und Geräte der Steuerungstechnik 1835 erfindet Joseph Henry das elektromechanische Relais. 1947 wird der Transistor in den USA erfunden. 1954 wird die erste Numerische Steuerung mit Elektronen-Röhren produziert. 1958 kommt das elektronische Bausteinsystem SIMATIC der Fa. Siemens für binäre Steuerungen auf den Markt, das aus diskreten Bauelementen wie Dioden, Transistoren und Widerständen aufgebaut ist. 1969 Richard E. Morley erfindet die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) beim US-amerikanischen Unternehmen Modicon (Typ Modicon 084). Parallel hierzu entwickelte der aus Österreich stammende Odo J. Struger beim US-Unternehmen Allen-Bradley eine entsprechende SPS. 1970er: Die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verdrängt individuell gebaute elektronische, pneumatische und Relais-Steuerungen. 1971 wird der Mikroprozessor in den USA erfunden. Er dringt seit 1975 zunehmend auch in die SPS-Technologie ein und erweitert deren Leistungsfähigkeit und Flexibilität anhaltend bis in die Gegenwart.
Steuerungstechnik und industrielle Entwicklung
Die bedeutende Rolle der Steuerungstechnik in der industriellen Entwicklung wird auch im Zukunftsprojekt Industrie 4.0 der Deutschen Bundesregierung und Industrie deutlich, wobei vier Stufen der Industriellen Revolution unterschieden werden:
Stufe 1Beginn 1784 mit dem Einsatz von mechanischen Webstühlen, die insbesondere durch hölzerne Lochkarten-Steuerungen und später durch Steuerungen mit umlaufenden Bändern zu Webmaschinen weiterentwickelt wurden. Stufe 2Beginn 1870 mit dem ersten Einsatz von Fließbändern in den USA (Schlachthöfe von Cincinnati) unter Nutzung elektrischer Antriebe, die durch entsprechende Schütz- und Relais-Steuerungen geschaltet wurden. Stufe 3Beginn 1969 mit den ersten Speicherprogrammierbaren Steuerungen des US-amerikanischen Unternehmens Modicon (Typ Modicon 084, Erfinder: Richard E. Morley), die einen Durchbruch bei der Industrieelektronik und Informationstechnik zur massenweisen Steuerung und Automatisierung der Produktion markieren.
Stufe 4: Industrie 4.0Beginn 2012 mit Entwicklung und Einsatz sogenannter Cyber-Physischer Systeme (CPS) mit globaler Vernetzung zur global optimierten Steuerung der international organisierten Produktion (Internet der Dinge). Dieser schrittweise Übergang von der dritten zur vierten Stufe wird seit 2013 mit der Hannover Messe jährlich anwachsend einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht.
Geschichte der Normung steuerungstechnischer Begriffe
Die Theorie der Steuerungstechnik blieb bis heute hinter der der Regelungstechnik zurück, was sich unter anderem auch in der mangelhaften Normung beziehungsweise Definition einschlägiger Begriffe niedergeschlagen hat.
Die DIN-Normung hat über viele Jahre zwischen Regelung als geschlossener Kreis und Steuerung als offene Kette unterschieden. Da es in der digitalen Steuerungstechnik auch geschlossene Teil-Kreise gibt, wurde die Steuerung 1994 in der dritten, heute gültigen Ausgabe der DIN 19226 (Regelungs- und Steuerungstechnik, seit 2002 unverändert ersetzt durch DIN-IEC 60050-351) neu definiert: „Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken“. Wesentlich ist der Nebensatz … die durch Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken. Mit oder ein geschlossener Wirkungsweg ist lediglich gemeint, dass die Steuergröße auf Null und die für den folgenden Teilprozess auf Eins gesetzt werden kann.H.-J. Zander: Eine Methode zum prozessmodellbasierten Entwurf von Steueralgorithmen für parallele ereignisdiskrete Prozesse. In: Automatisierungstechnik. München. Jg. 55, H. 11, 2007, S. 580–593. DOI:10.1524/auto.2007.55.11.580. Die Gegenüberstellung offener oder geschlossener Wirkungsweg (Steuerung) zu geschlossener Kreis (Regelung) hat mehr zu Verunsicherung als zu Klärung beigetragen.
Normen für die Programmierung der Speicherprogrammierbaren Steuerungen
In der Steuerungsnorm DIN 19237 wurden bereits die verschiedenen Arten zur Programmverwirklichung durch verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierbare Steuerungen klassifiziert.
Die Norm DIN 19239: „Messen, Steuern, Regeln – Steuerungstechnik – Speicherprogrammierte Steuerungen – Programmierung“ wurde von der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik erstellt. Der erste Entwurf wurde 1981 veröffentlicht und 1983 durch eine freigegebene Version ersetzt. DIN 19239 definierte drei Programmiersprachen für Steuerungen:
Anweisungsliste (AWL), Kontaktplan (KOP), Funktionsplan (FUP).
Die DIN 19239 wurde im Jahre 1994 zurückgezogen und durch eine DIN auf Basis der gleichlautenden Europanorm DIN EN 61131-3 abgelöst. Hierin sind zusätzlich zu den genannten drei noch zwei weitere Programmiersprachen enthalten, also insgesamt fünf:
Ablaufsprache (SFC, Sequential Function Chart) Strukturierter Text (ST).
Die hieraus hervorgegangene internationale Norm IEC 61131-3 (auch IEC 1131 bzw. 61131) ist die einzige weltweit gültige Norm der Programmiersprachen für Speicherprogrammierbare Steuerungen.
Wesen binärer Steuerungen
Eine binäre Steuerung bzw. das binäre Steuern ist gemäß DIN 19226, 3. Ausgabe 1994, Teil 1 bzw. DIN IEC 60050, Teil 351 ein Vorgang in einem System, bestehend aus einer Steuereinrichtung und einer Steuerstrecke, bei dem eine oder mehrere Prozessgrößen in der Steuerstrecke, die als Steuergrößen bezeichnet werden, durch binäre Ausgangsgrößen der Steuereinrichtung (auch Stellsignale genannt) entsprechend einem vorgegebenen Steueralgorithmus (Steuerprogramm) beeinflusst werden.
Signale in binären Steuerungssystemen
Die Eingangs- und Ausgangsgrößen sind binäre Signale. Es handelt sich dabei um wertdiskrete Größen, deren Informationsparameter nur zwei Werte annehmen können, die mit 0 und 1 bezeichnet werden.
Signale in Steuerungssystemen
Bei den binären Eingangssignalen muss zwischen Bediensignalen, die über Bedieneinrichtungen wie Schalter oder Taster eingegeben werden, und binären Messsignalen unterschieden werden, die mittels Sensoren (wie Endlagen-Schalter oder Licht-Schranken) erfasst werden.
Aus den binären Eingangssignalen der Steuereinrichtung werden entsprechend dem Steueralgorithmus durch logische Verknüpfung als Ausgangssignale binäre Stellsignale gebildet, die über Aktoren (auch als Aktuatoren bezeichnet, z. B. Relais-Schalter, Schalt-Schütz, Magnet-Ventil oder Motor) auf das Steuerungsobjekt (technologischer Prozess, Steuerstrecke) einwirken und hierdurch Steuergrößen (Ausgänge des technologischen Prozesses) verändern.