Die Mess-, Steuerungs- und Regelungs-Technik (MSR)

Die Instrumentierungstechnik umfasst alle Instrumente zur Steuerung und Messung von Prozessen sowohl in der Industrie als auch im zivilen Bereich. Dieser Bereich des Ingenieurwesens ist vor allem in Industrien mit einem hohen Automatisierungsgrad vertreten, die qualifizierte Fachleute für die Anwendung und Entwicklung von Lösungen zur Steigerung der Effizienz der Produktion benötigen. Wie dieser Artikel zeigen wird, halten die Anwendungen jedoch auch immer mehr Einzug in unser tägliches Leben.

Der Begriff MSR-Technik bezieht sich auf die Gesamtheit der Geräte und Systeme, die zur Messung, Überwachung, Steuerung und Regelung industrieller Prozesse eingesetzt werden. Diese Instrumente sind von grundlegender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die automatisierten Prozesse innerhalb der gewünschten Parameter ablaufen, die Effizienz maximiert und die Risiken minimiert werden. Die Instrumentierung reicht von einfachen Sensoren bis hin zu komplexen Kontrollsystemen, die ganze Abläufe automatisieren.

Je nach den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Branche kann die Instrumentierung zur Kontrolle einer Vielzahl von Variablen wie Temperatur, Druck, Durchfluss und Füllstand eingesetzt werden. Die Genauigkeit dieser Instrumente ist von entscheidender Bedeutung, da kleine Fehler zu großen Prozessabweichungen und damit zu erheblichen Verlusten führen können.

Neben der Messung und Kontrolle umfasst die Instrumentierung auch die Analyse der gesammelten Daten zur Verbesserung der industriellen Prozesse. Dies beinhaltet den Einsatz von Software und Analysetools, die bei der Entscheidungsfindung und der kontinuierlichen Optimierung der Abläufe helfen.

Die Messtechnik in der MSR-Technik

Zu den Hauptkomponenten der industriellen Messtechnik gehören Sensoren, Messwandler, Aktoren und Steuersysteme. Sensoren sind Geräte, die Änderungen der physikalischen Bedingungen, wie Temperatur und Druck, erkennen und diese Änderungen in elektrische Signale umwandeln. Messwandler werden verwendet, um eine Energieart in eine andere umzuwandeln, so dass Steuersysteme die Signale leichter lesen können.

Aktoren sind Komponenten, die auf der Grundlage von Befehlen von Steuerungssystemen physikalische Aktionen ausführen, wie das Öffnen oder Schließen von Ventilen und das Starten oder Stoppen von Motoren. Sie sind für die Ausführung automatisierter Aufgaben in industriellen Prozessen unerlässlich.

Steuersysteme wiederum sind das Gehirn der industriellen Messtechnik. Sie empfangen Daten von Sensoren, verarbeiten diese Informationen und geben Befehle an Aktoren aus. Diese Systeme können einfache, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder komplexere verteilte Steuerungssysteme (DCS) sein.

Die Steuerungs- und Regelungstechnik in der MSR-Technik

Steuersysteme koordinieren den Betrieb der verschiedenen Komponenten des Systems. Es gibt verschiedene Arten von Steuerungssystemen, wie z. B. die bereits erwähnten SPS und DCS. Diese Systeme variieren in ihrer Komplexität und Kapazität und werden je nach den spezifischen Anforderungen der einzelnen industriellen Prozesse ausgewählt.

In moderne Kontrollsysteme sind häufig Informationstechnologien integriert, die eine bessere Regelung durch ständige Datenerfassung, Analyse und Fernsteuerung ermöglichen. Dies erleichtert die Überwachung und Anpassung industrieller Prozesse auf effizientere Weise und in Echtzeit.

Die Integration von Steuersystemen mit fortschrittlichen Technologien wie dem Internet der Dinge (IoT) und künstlicher Intelligenz (KI) verändert die industrielle Instrumentierung. Diese Technologien ermöglichen eine noch stärkere Automatisierung und bieten darüber hinaus durch fortschrittliche Datenanalyse tiefere Einblicke in industrielle Prozesse.

Die MSR-Technik wird überall dort eingesetzt, wo automatisierte Prozesse mit Hilfe von Maschinen oder elektrischen Geräten stattfinden. In der Industrie findet man sie von der Fabrikhalle bis zur Geschäftsführungsebene. Bürogebäude, aber zunehmend auch Privathäuser, nutzen die Technologie zur Optimierung des Energie- und Wasserverbrauchs sowie für intelligente Schutzmaßnahmen. Der moderne Straßenverkehr in Großstädten wäre ohne eine gewisse Automatisierung zur Steuerung des Verkehrsflusses und zur Freihaltung von Fahrspuren, z. B. für Rettungsdienste, nicht mehr denkbar. Auch Krankenhäuser, in denen Effizienz oberstes Gebot ist, um Patienten in kürzester Zeit zu versorgen, setzen zunehmend auf Automatisierung, um den Prozess zu beschleunigen.

Die MSR-Technik in der Automobilindustrie

In modernen Autofabriken wird das Schweißen von Fahrzeugen hauptsächlich von Robotern ausgeführt. Diese Roboter arbeiten jedoch nicht isoliert, sondern sind in einen breiteren automatisierten Prozess integriert, der alles umfasst, vom Rohstoffeinkauf bis zum Finanzwesen, von der Personalabteilung bis zum Vertrieb. Die in jedem Bereich gesammelten Daten können gemeinsam genutzt werden, um die Nachfrage vorherzusagen, Prozesse zu optimieren usw. Die Technologie, die die Automobilindustrie revolutioniert hat, ist als Internet der Dinge bekannt. Sie ermöglicht die Steuerung von Maschinen über Computer und die Überwachung des Tempos der Produktionslinie. Darüber hinaus hilft das Internet der Dinge den Unternehmen, ihre Prozesse durch Datenanalyse zunehmend zu verbessern. Mit den in der Cloud verfügbaren Informationen ist es möglich, mögliche Fehler und positive Punkte zu analysieren, um die Kundenzufriedenheit sicherzustellen. Zunehmend kommen auch automatisierte Tests zum Einsatz, die zu einem Eckpfeiler der modernen Automobilindustrie geworden sind, da sie Kosten und Fehlerquoten senken und gleichzeitig die Sicherheitsmerkmale erhöhen.

Diese Technologie ist jedoch nicht mehr nur auf den Produktionsprozess beschränkt. Autos selbst verlassen sich zunehmend auf Sensoren, GPS und verschiedene Software zur Unterstützung des Fahrers. Das ultimative Beispiel für den Einsatz sind derzeit selbstfahrende Autos, die sich auf enorme Datenmengen stützen, die von zahlreichen Geräten sowohl in den Autos als auch in der weiteren Straßeninfrastruktur bereitgestellt werden. Ein Trend, der sich in den kommenden Jahren sicherlich noch verstärken wird.

Die MSR-Technik im Überspannungsschutz

Überspannungsschutzgeräte sind speziell dafür ausgelegt, zerstörerische elektrische Überspannungen in elektrischen Systemen zu erkennen und abzuleiten. Sie überwachen die Netzspannung und leiten, wenn sie einen plötzlichen Spannungsanstieg feststellen, den Überspannungsstrom zur Erde ab, um die angeschlossenen Geräte zu schützen. Neben dem Schutz von Geräten spielen sie auch eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Integrität komplexerer elektrischer Systeme, wie z. B. Schalttafeln und Industrieanlagen, und tragen dazu bei, Ausfälle und Betriebsunterbrechungen zu vermeiden.

Überspannungsschutzgeräte sind in Schalttafeln, Steckdosen und empfindlichen Geräten zu finden. Sie spielen eine entscheidende Rolle beim Schutz vor Überspannungen, die durch verschiedene Quellen wie Blitzschlag, Lastwechsel und andere Quellen verursacht werden. Da sie nur eine begrenzte Lebensdauer haben und mit der Zeit ausfallen, insbesondere wenn sie mehreren Überspannungen ausgesetzt sind, müssen sie regelmäßig ersetzt werden, um einen dauerhaften Schutz zu gewährleisten.

Die MSR-Technik in der Gebäudeautomation

Die Gebäudeautomation ermöglicht die Ausführung von Routinen und anderen Aufgaben, die in zwei große Gruppen unterteilt werden können. Untersysteme für die Überwachung und Regelung von Versorgungseinrichtungen steuern elektrische, kältetechnische und heizungstechnische Anlagen, hydraulische Anlagen, Gasanlagen und vertikale Transportsysteme wie Aufzüge. Die Sicherheitssubsysteme kontrollieren den Brandschutz, den Einbruchschutz und koordinieren die visuelle Überwachung mit der automatischen CCTV-Überwachung. Die Systeme ermöglichen auch ein Zugangskontrolle-Protokoll (z. B. Erkennung von Fahrzeugkennzeichen, Erkennung von autorisiertem Personal durch biometrische Daten).

Die Geräte sind so integriert, dass verschiedene Systeme optimal zusammenarbeiten können. Die Integration des Gebäudeautomationssystems mit dem Brandmelde- und Alarmsystem ermöglicht beispielsweise, dass bei einem Brand die Treppenhauslüftungssysteme automatisch aktiviert und die Klimaanlagen ausgeschaltet werden.

Besonders in größeren Gebäuden ist die Kontrolle und Überwachung des Wasser- und Energieverbrauchs von entscheidender Bedeutung, um die Kosten niedrig zu halten. Die MSR-Technik steuert und integriert Pumpen, Filter, Beleuchtungssteuerung und andere Versorgungssensoren. Zunehmend umfasst die Technologie auch Ladesysteme für Elektrofahrzeuge und Solaranlagen.

Sensoren

Sensoren messen physikalische Größen wie Temperatur, Druck oder Durchfluss und liefern diese Daten zur genauen Überwachung und Steuerung. Der Einsatzbereich dieser Sensoren ist vielseitig:

Temperatursensoren – Diese messen die Temperaturen, indem dabei Spannung erzeugt wird, die mit dem Temperaturunterschied zwischen zwei Metallen verbunden wird. Schon geringste Temperaturabweichungen können somit rechtzeitig erkannt werden, z. B. zum Schutz vor Überhitzung.

Drucksensoren – Diese Sensoren messen den Druck, basierend auf der Verformung eines Materials, das seinen elektrischen Widerstand verändert. Damit kann z. B. ein Überdruck in einer MSR-Anlage rechtzeitig erkannt werden.

Durchflusssensoren – Hierbei werden die Durchflusssensoren gemessen, indem die Druckunterschiede über eine Verengung erfasst werden.

Füllstandssensoren – Hier kann z. B. ein schwimmendes Objekt eingesetzt werden, ein sogenannter Schwimmschalter, um einen Flüssigkeitsstand zu ermitteln. Weicht dieser durch Absenkungen o. ä. ab, wird dieser Missstand rechtzeitig erkannt.

Bewegungs- und Positionssensoren – Diese Arten von Sensoren messen die Beschleunigungskräfte, um Bewegungen oder Vibrationen zu erkennen. Dies ermöglicht präzise Positionserkennungen und etwaige Abweichungen von festgelegten Normen.

Aktoren

Aktoren oder auch Aktuatoren sind wichtige Komponenten in MSR-Anlagen. Sie sind für die Umwandlung von Steuersignalen in physikalischen Prozessen verantwortlich und werden eingesetzt, um gewünschte Zustände und Ergebnisse aufrechtzuerhalten. Wichtige Aktoren sind dabei die Folgenden:

• Elektrische Aktoren – Diese Modelle sind elektromagnetische Geräte, mit denen elektrische Energie in lineare Bewegungen umgewandelt wird. Sie finden sich oft in Ventilen und Schließmechanismen.
• Hydraulische Aktoren – Sie verwenden eine unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit, mit der lineare oder Drehbewegungen erzeugt werden. Diese kommen aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeiten vor allem in schweren Maschinen wie Baumaschinen oder Industriepressen zum Einsatz.
• Pneumatische Aktuatoren – Bei dieser Ausführung wird Druckluft eingesetzt, um lineare oder rotierende Bewegungen zu erzeugen. Diese Modelle sind beliebt wegen ihrer einfachen Struktur und Geschwindigkeit und finden sich in Automatisierungssystemen oder in der Verpackungsbranche.
• Thermische und magnetische Aktoren – Diese Aktoren reagieren auf Temperaturänderungen in den unterschiedlichsten Materialien und werden z. B. in medizinischen Geräten und Mikrosystemen eingesetzt.

DDC-Controller

Controller (DDC). Diese Steuerungssysteme sind Geräte auf Mikroprozessorbasis, die vor allem im Gebäudemanagement und der industriellen Automatisierung zum Einsatz kommen. DDC-Controller steuern vor allem Gebäudesysteme wie die Heizungsregelung oder Beleuchtungskreisläufe. Ihre Vorteile sind die Folgenden:

• Digitale Steuerung – Im Gegensatz zu analogen Controllern werden dabei digitale Signale genutzt, um eine präzisere Steuerung und Überwachung zu ermöglichen.
• Flexible Programmierbarkeit – DDC-Controller können für eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen programmiert werden. Damit können sie komplexe und anspruchsvolle Steuerungsprozesse ausführen.
• Integration mit Sensoren und Aktoren – Diese digitalen Controller erfassen die Daten von verschiedenen Sensoren (z. B. Temperatur, Dichte, Luftfeuchtigkeit oder Druck) und senden die Steuersignale an die Aktoren (z. B. Ventile, Dämpfer oder Motoren) weiter. Diese nahtlose Integration garantiert ein koordiniertes und effizientes Steuerungssystem.
• Hohe Präzision und Genauigkeit – DDC-Controller bieten eine hohe Präzision und Genauigkeit bei der Einhaltung von Sollwerten und festgelegten Systemparametern. Dadurch wird eine bessere Datengenauigkeit erreicht, die fundiertere Entscheidungen und Steuerungen ermöglicht.

Die industrielle Automatisierung als Strategie kann sowohl zur ökologischen als auch zur sozialen Nachhaltigkeit beitragen. Ökologische Nachhaltigkeit ist die Fähigkeit, natürliche Ressourcen und Ökosysteme für künftige Generationen zu erhalten und die negativen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt zu vermeiden oder zu minimieren. Die Industrieautomatisierung kann zur ökologischen Nachhaltigkeit beitragen, indem sie die Energieeffizienz und die rationelle Ressourcennutzung verbessert und damit den Energie- und Rohstoffverbrauch drastisch reduziert. Eine integrierte Lösung trägt auch zur Reduzierung von Abfällen und Emissionen sowie zur Einführung von Recycling- und Aufbereitungssystemen bei.

Soziale Nachhaltigkeit ist die Fähigkeit, Wohlstand, Gerechtigkeit und die Beteiligung der Menschen an Entscheidungen zu fördern. Die Industrieautomatisierung kann zur sozialen Nachhaltigkeit beitragen, indem sie die Arbeitsbedingungen etwa durch verbesserte Ergonomie, gezielte Berufsausbildung oder die Verringerung von Berufsrisiken verbessert.