Sensoren, Aktoren und Automatik in der Praxis

Hinter jedem automatischen System — von einem einfachen Thermostat bis zu einem Roboterarm in einer Fabrik — liegt dieselbe grundlegende Kette: Etwas misst einen Zustand in der Umgebung, etwas deutet die Messung und entscheidet, was geschehen soll, und etwas führt diese Entscheidung physisch aus. Die drei Glieder heißen Sensor, Steuerung und Aktor, und ihr Zusammenspiel zu verstehen, ist der Kern des Fachs Steuerung und Automatik.

Ein Sensor wandelt eine physikalische Größe — Temperatur, Licht, Druck, Abstand, Bewegung — in ein elektrisches Signal um, mit dem die Steuerung weiterarbeiten kann. Manche Sensoren liefern ein analoges Signal, das gleitend dem Messwert folgt, während andere ein rein digitales Signal liefern — vorhanden oder nicht, über oder unter einer Grenze. Die Wahl des Sensortyps hängt davon ab, was gemessen werden soll, wie genau es gemessen werden soll und in welcher Umgebung der Sensor sitzen soll.

Ein Sensorsignal ist selten direkt aus der Box heraus einsatzbereit. Es muss oft verstärkt werden, weil es schwach ist, gefiltert werden, um Rauschen zu entfernen, und — wenn die Steuerung digital ist — über einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) von analog nach digital umgesetzt werden. Diese Signalaufbereitung ist eine klassische Elektronikaufgabe: Ein schlecht aufbereitetes Signal ergibt eine Steuerung, die falsch reagiert, egal wie gut der Sensor an sich ist.

Die Steuerung kann ein einfacher elektronischer Schaltkreis, ein Mikrocontroller oder eine industrielle SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) sein, je nach Komplexität der Aufgabe. Gemeinsam ist ihnen, dass sie die Sensorsignale lesen, mit einem gewünschten Zustand vergleichen und berechnen, was geschehen soll. Eine einfache Steuerung schaltet bei einem Grenzwert nur ein oder aus; eine anspruchsvollere Steuerung — zum Beispiel ein PID-Regler — passt laufend und schrittweise an, um den gewünschten Punkt zu treffen, ohne überzureagieren.

Der Aktor ist der Teil, der die Entscheidung der Steuerung in eine physische Handlung umsetzt: ein Motor, der sich dreht, ein Relais, das Strom zuschaltet, ein Ventil, das öffnet, oder ein Solenoid, das ein mechanisches Teil bewegt. Aktoren brauchen oft weitaus mehr Strom als die Elektronik, die sie steuert, und deshalb sitzt fast immer ein Zwischenglied dazwischen — ein Relais oder ein Leistungstransistor —, das ein schwaches Steuersignal einen weitaus stärkeren Strom zu- oder abschalten lässt.

• 01Elektromotor — dreht, fährt oder pumpt
• 02Relais — lässt ein kleines Signal einen größeren Stromkreis schalten
• 03Magnetspule — bewegt ein mechanisches Teil linear, oft um zu öffnen oder zu schließen
• 04Ventil — steuert den Durchfluss von Luft, Wasser oder anderen Flüssigkeiten
• 05Leuchtdiode/Lampe — visuelle Rückmeldung, oft Teil des Systems selbst

Was ein System wirklich 'automatisch' macht statt nur ferngesteuert, ist die Rückkopplung: der Sensor misst das Ergebnis der Handlung des Aktors, und die Steuerung regelt laufend anhand der neuen Messung nach. Ein Thermostat, der die Heizung bei der richtigen Temperatur abschaltet und wieder einschaltet, wenn die Temperatur fällt, ist das einfachste Beispiel für einen solchen geschlossenen Regelkreis — und das Prinzip findet sich in allem wieder, von der Klimaanlage über die Robotersteuerung bis zur Produktionsanlage.

“Ein automatisches System ist nicht klüger als der Regelkreis, in dem es misst und handelt — je besser Sensor und Aktor zusammenspielen, desto zuverlässiger wird das Ergebnis.”

— Fachliche Betrachtung zur Automatisierungstechnik