Stellen Sie sich eine Heizungsregelung vor, die ohne Temperatursensor arbeitet. Sie heizt — aber ob sie zu viel, zu wenig oder genau richtig heizt, weiß sie nicht. Das Ergebnis ist kein geregelter Prozess, sondern ein gesteuertes Raten. Dieses einfache Beispiel beschreibt das grundlegende Problem: Für geregelte und datenbasierte Prozessautomatisierung ist zuverlässige Messtechnik eine Grundvoraussetzung. Einfache Steuerungen können ohne klassische Sensorik auskommen, aber sobald Prozessergebnisse präzise eingehalten oder Daten ausgewertet werden sollen, führt kein Weg an zuverlässiger Messtechnik vorbei.
Messtechnik ist die Informationsquelle jeder automatisierten Anlage. Sensoren erfassen, was in einem Prozess tatsächlich passiert. Sie liefern die Istwerte, die Steuerungen und Regler benötigen, um Entscheidungen zu treffen. Ohne diese Istwerte arbeitet eine SPS blind. Sie kann Befehle ausgeben, aber nicht überprüfen, ob diese Befehle die gewünschte Wirkung erzielt haben.
Für Betriebe in Gewerbe und Industrie bedeutet das: Die Qualität der Messtechnik hat großen Einfluss auf die Gesamtqualität der Automatisierung. Sie wirkt dabei immer zusammen mit Software, Aktoren, Netzwerken und der gewählten Regelstrategie. Ungenaue Sensoren liefern ungenaue Istwerte. Ungenaue Istwerte führen zu fehlerhafter Steuerung. Fehlerhafte Steuerung verursacht Ausschuss, Energieverluste und im schlimmsten Fall Anlagenschäden.
In diesem Artikel erfahren Sie, wie Messtechnik und Prozessautomatisierung zusammenhängen, welche Rolle Sensoren in der MSR-Technik spielen, wie Steuerung und Regelung auf Messwerte aufbauen, wie Prozessleitsysteme und SCADA Messtechnik in übergeordnete Systeme einbinden und wie Messtechnik zur Datenbasis für Industrie-4.0-Anwendungen wird.
Messtechnik als Fundament der MSR-Technik
MSR-Technik steht für Messen, Steuern und Regeln. Diese drei Begriffe beschreiben keine gleichwertigen Paralleldisziplinen, sondern eine Abhängigkeitskette: Steuern und Regeln setzen Messen voraus.
Was MSR-Technik bedeutet: Messen, Steuern, Regeln
Messen bezeichnet die Erfassung physikalischer Größen wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand oder Strom und deren Umwandlung in ein verwertbares Signal. Steuern bezeichnet die Beeinflussung eines Prozesses nach einem vorgegebenen Ablauf, ohne dass das Ergebnis auf die Steuerung zurückwirkt. Regeln bezeichnet die kontinuierliche Anpassung einer Stellgröße auf Basis des Vergleichs zwischen Istwert und Sollwert, wobei das Ergebnis der Aktion immer auf das System zurückwirkt.
In der industriellen Praxis sind alle drei Disziplinen eng verzahnt. Dieselbe Anlage kann für einzelne Funktionen gesteuert und für andere Funktionen geregelt werden. Die Messtechnik liefert in beiden Fällen die Daten, ohne die weder Steuerung noch Regelung funktioniert.
Warum ohne Messen weder Steuern noch Regeln möglich ist
Eine Steuerung ohne Rückmeldung kann einen vorgegebenen Ablauf ausführen. Sie kann aber nicht erkennen, ob dieser Ablauf unter den tatsächlichen Prozessbedingungen das gewünschte Ergebnis erzielt. Ein Förderband, das nach einer festgelegten Zeit stoppt, ohne zu prüfen, ob das Produkt tatsächlich am Zielort angekommen ist, ist gesteuert. Eine Regelung, die die tatsächliche Position des Produkts misst und den Antrieb entsprechend anpasst, ist geregelt. Der Unterschied liegt in der Messtechnik.
Der Regelkreis als Grundmodell der Prozessautomatisierung
Der Regelkreis beschreibt das Grundmodell jeder geregelten Prozessautomatisierung. Ein Sensor misst den Istwert der Regelgröße. Ein Regler vergleicht den Istwert mit dem Sollwert und berechnet die Regelabweichung. Auf Basis dieser Abweichung berechnet der Regler eine Stellgröße. Ein Aktor setzt die Stellgröße in eine physikalische Aktion um. Das Ergebnis dieser Aktion verändert den Prozess und damit den Istwert, der erneut gemessen wird. Dieser Kreislauf läuft kontinuierlich.
Die Qualität dieses Kreislaufs hängt an jedem Glied der Kette. Ein ungenauer Sensor liefert einen falschen Istwert. Ein falscher Istwert führt zu einer falschen Regelabweichung. Eine falsche Regelabweichung erzeugt eine falsche Stellgröße. Das Ergebnis ist ein Prozess, der nicht das tut, was er soll.
Sensoren als Schnittstelle zwischen Prozess und Steuerung
Sensoren sind die Sinnesorgane einer automatisierten Anlage. Sie übersetzen physikalische Zustände in elektrische Signale und machen damit das, was in einem Prozess tatsächlich passiert, für die Steuerungstechnik lesbar.
Welche physikalischen Größen Sensoren erfassen
Für die Prozessautomatisierung relevante Sensoren erfassen Temperatur über Widerstandsthermometer wie Pt100 oder Thermoelemente, Druck über piezoresistive oder kapazitive Drucksensoren, Durchfluss über magnetisch-induktive oder Ultraschall-Durchflussmessgeräte, Füllstand über Ultraschall-, Radar- oder hydrostatische Sensoren sowie Strom, Spannung und elektrische Leistung über Messwandler und Stromzangen. Jede dieser Messgrößen hat spezifische Anforderungen an Sensor, Messprinzip und Einbausituation.
Die Auswahl des richtigen Sensors für eine Messaufgabe ist keine triviale Entscheidung. Messbereich, Genauigkeit, Prozesstemperatur, Prozessdruck, Mediumkompatibilität und Umgebungsbedingungen müssen gemeinsam berücksichtigt werden. Ein Sensor, der für eine Messaufgabe grundsätzlich geeignet ist, kann unter spezifischen Prozessbedingungen versagen oder unzulässig stark driften.
Wie Sensorsignale in die SPS gelangen
Die meisten industriellen Sensoren geben ihr Signal als standardisiertes 4-20mA-Stromsignal oder als digitales Bussignal aus. Analoge Signale werden über Analogeingangsbaugruppen der SPS eingelesen und auf physikalische Einheiten skaliert. Digitale Sensoren kommunizieren direkt über Feldbusanbindungen wie PROFIBUS, IO-Link oder PROFINET und liefern neben dem Messwert häufig auch Diagnoseinformationen wie Sensorstatus oder Kalibrierinformationen.
Die korrekte Parametrierung der SPS-Eingangsbaugruppe ist dabei genauso wichtig wie die Sensorauswahl selbst. Eine falsch skalierte Eingangsbaugruppe liefert systematisch falsche Prozesswerte, auch wenn der Sensor korrekt misst.
Anforderungen an Sensoren in industriellen Umgebungen
Industrielle Sensoren müssen mehr leisten als nur präzise messen. Sie müssen mechanische Erschütterungen, elektromagnetische Störfelder, Temperaturschwankungen, aggressive Medien und Feuchtigkeit dauerhaft tolerieren. Die Schutzklasse nach IP-Standard definiert den Schutz gegen Staub und Wasser. In explosionsgefährdeten Bereichen müssen alle eingesetzten Geräte und Komponenten für den jeweiligen Ex-Bereich geeignet und zugelassen sein. Welche konkreten Anforderungen gelten, hängt von der Zonenklassifikation und der Gerätekategorie ab. Für hygienisch anspruchsvolle Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie gelten zusätzlich spezifische Materialanforderungen an alle medienberührenden Teile.
Von der Messung zur Automatisierung: Steuerung und Regelung
Messtechnik liefert Daten. Was aus diesen Daten wird, entscheiden Steuerung und Regelung. Beide Konzepte bauen auf Messwerten auf, verfolgen aber unterschiedliche Ansätze zur Prozessführung.
Steuerung ohne Rückkopplung
Eine Steuerung führt vorgegebene Abläufe aus, ohne das Ergebnis ihrer Aktionen zu messen und zu berücksichtigen. Sie ist eine offene Wirkungskette. Ein Förderband, das für eine festgelegte Zeit läuft und dann stoppt, ist gesteuert. Die Steuerung gibt den Befehl, überprüft aber nicht, ob das Ergebnis dem Ziel entspricht.
Steuerungen sind einfach, schnell und zuverlässig für Prozesse geeignet, bei denen Störgrößen vernachlässigbar sind und das Ergebnis vorhersagbar ist. Wo Prozessbedingungen schwanken und das Ergebnis vom Soll abweichen kann, stößt die reine Steuerung an ihre Grenzen.
Regelung mit geschlossenem Regelkreis
Eine Regelung misst das Ergebnis ihrer Aktion kontinuierlich und passt die Stellgröße auf Basis der Abweichung zwischen Istwert und Sollwert an. Sie ist eine geschlossene Wirkungskette mit Rückkopplung. Eine Heizungsregelung, die die tatsächliche Raumtemperatur misst und die Heizleistung entsprechend anpasst, ist geregelt. Störgrößen wie Außentemperatur oder geöffnete Fenster werden automatisch kompensiert.
Regelungen sind überall dort erforderlich, wo Prozessergebnisse präzise eingehalten werden müssen und Störgrößen die Prozessbedingungen beeinflussen. Das ist in industriellen Prozessen die Regel, nicht die Ausnahme. Die Qualität der Regelung hängt direkt von der Qualität der Messtechnik ab: Wer einen falschen Istwert misst, regelt in die falsche Richtung.
PID-Regler als Standardlösung in der Prozessautomatisierung
Der PID-Regler ist die am häufigsten eingesetzte Reglerstruktur in der industriellen Prozessautomatisierung. Er berechnet die Stellgröße aus drei Anteilen: dem Proportionalanteil, der proportional zur aktuellen Regelabweichung ist, dem Integralanteil, der die bleibende Regelabweichung über die Zeit eliminiert, und dem Differentialanteil, der auf die Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung reagiert. Die richtige Parametrierung dieser drei Anteile auf die spezifische Regelstrecke ist entscheidend für ein stabiles und präzises Regelverhalten.
Messtechnik in Prozessleitsystemen und SCADA
Einzelne Sensoren und Regler überwachen einzelne Messpunkte. Prozessleitsysteme und SCADA-Systeme bündeln diese Informationen und schaffen einen übergeordneten Blick auf die gesamte Anlage.
Aufgabe von Prozessleitsystemen
Ein Prozessleitsystem, kurz PLS, übernimmt die zentrale Koordination und Überwachung komplexer Industrieanlagen. Es empfängt Messwerte von Sensoren und Feldgeräten, verarbeitet diese in Echtzeit, visualisiert den Anlagenzustand und ermöglicht dem Bedienpersonal die gezielte Einflussnahme auf den Prozess. In der Prozessindustrie, etwa in der Chemie, der Pharmaindustrie oder der Energieversorgung, sind Prozessleitsysteme die zentrale Schaltstelle zwischen Messtechnik und Prozessführung.
Die Qualität der Prozessführung im PLS hängt direkt von der Qualität der eingespeisten Messdaten ab. Fehlerhafte oder verzögerte Messwerte führen zu falschen Anzeigen, fehlerhaften Regelungseingriffe und im schlimmsten Fall zu Fehlentscheidungen des Bedienpersonals.
SCADA als zentrale Überwachungsebene
SCADA steht für Supervisory Control and Data Acquisition. Es bezeichnet eine Systemkategorie, die Messdaten aus verteilten Anlagenteilen zentral erfasst, visualisiert und archiviert. SCADA-Systeme werden eingesetzt, wenn Messpunkte räumlich weit verteilt sind, etwa bei Versorgungsnetzen, Pumpstationen oder weitläufigen Produktionsanlagen.
Ein SCADA-System empfängt Messwerte von Fernwirkeinheiten, die vor Ort Sensordaten erfassen und übertragen. Es visualisiert diese Daten in Echtzeit auf zentralen Bedienstationen, archiviert historische Messdaten für Trendanalysen und ermöglicht die Fernsteuerung von Aktoren. Für die Zuverlässigkeit eines SCADA-Systems ist die Verfügbarkeit und Genauigkeit der Messtechnik an den Feldgeräten die entscheidende Grundvoraussetzung.
Kommunikationsprotokolle: PROFIBUS, Modbus, OPC-UA
Die Verbindung zwischen Messtechnik, SPS und übergeordneten Leitsystemen erfolgt über industrielle Kommunikationsprotokolle.PROFIBUS ist in vielen bestehenden Industrieanlagen als Feldbusstandard etabliert und wird dort weiterhin zuverlässig betrieben. In neueren Anlagen setzen sich PROFINET und IO-Link zunehmend durch. Modbus TCP überträgt Messdaten über Standard-Ethernet-Infrastruktur und eignet sich besonders für die Einbindung in Energiemanagementsysteme. OPC-UA hat sich als plattformneutraler Kommunikationsstandard für die herstellerübergreifende Datenübertragung etabliert und wird zunehmend für Industrie-4.0-Anbindungen eingesetzt. In vielen bestehenden Anlagen bleiben PROFIBUS, PROFINET und Modbus weiterhin wichtige und bewährte Kommunikationslösungen.
Messtechnik als Datenbasis für Industrie 4.0
Messtechnik hat in der industriellen Automatisierung immer die Grundlage für Steuerung und Regelung geliefert. In der Industrie 4.0 kommt eine neue Dimension hinzu: Messdaten werden nicht mehr nur für den aktuellen Regeleingriff genutzt, sondern als historische Datenbasis für Analysen, Prognosen und selbstlernende Systeme.
Messtechnik und Predictive Maintenance
Zustandsorientierte Instandhaltung setzt voraus, dass der tatsächliche Zustand einer Maschine oder Anlage kontinuierlich gemessen wird. Vibrationssensoren an Lagern, Temperatursensoren an Wicklungen und Stromsensoren an Antrieben liefern die Messwerte, aus denen Algorithmen Muster erkennen, die auf beginnenden Verschleiß hindeuten.
Predictive Maintenance ist damit keine KI-Disziplin, die ohne Messtechnik funktioniert. Sie ist eine Analysemethode, die auf einer zuverlässigen und kontinuierlichen Messdatenbasis aufbaut. Wer schlechte Sensoren, zu lange Messintervalle oder fehlende Kalibrierung hat, bekommt aus seiner Predictive-Maintenance-Lösung keine belastbaren Ergebnisse, unabhängig davon, wie leistungsfähig die eingesetzte Software ist.
Energieeffizienz durch Messtechnik
Energieeffizienz beginnt mit Energiemessung. Wer nicht weiß, wo und wann wie viel Energie verbraucht wird, kann nicht gezielt einsparen. Energie- und Leistungsdatenlogger sowie Messumformer für Strom und Wirkleistung erfassen Verbrauchsprofile einzelner Maschinen, Produktionsbereiche oder Gebäudeabschnitte.
Diese Messdaten sind die Grundlage für Energieaudits nach DIN EN 16247, für das betriebliche Lastmanagement und für die Identifikation von Verbrauchsschwerpunkten. Konkrete Messanforderungen für Energiemanagementsysteme ergeben sich zudem aus ISO 50001 und VDI 4602. Betriebe, die ihren Energieverbrauch auf Basis gemessener Daten optimieren, treffen keine Annahmen. Sie treffen belegbare Entscheidungen.
IIoT und Cloud-Anbindung von Messsystemen
Das Industrial Internet of Things, kurz IIoT, vernetzt Sensoren und Messgeräte über standardisierte Protokolle mit Cloud-Plattformen. Messdaten stehen damit nicht mehr nur lokal in der SPS zur Verfügung, sondern können standortübergreifend analysiert, visualisiert und für automatisierte Entscheidungsprozesse genutzt werden.
Voraussetzung für eine sinnvolle IIoT-Anbindung ist eine zuverlässige und kalibrierte Messtechnik auf Feldebene. Daten, die in der Cloud analysiert werden, sind nur so gut wie die Sensoren, die sie erzeugen. Wer die Qualität seiner Messtechnik nicht sicherstellt, skaliert mit IIoT lediglich seine Messfehler.
Planung und Umsetzung mit einem Elektrofachbetrieb
Messtechnik und Prozessautomatisierung sind kein Selbstläufer. Wer Sensoren, Regler und Leitsysteme ohne durchdachte Planung zusammensetzt, erhält keine zuverlässige Automatisierungslösung, sondern eine Ansammlung von Geräten, die im besten Fall funktioniert.
Was eine professionelle MSR-Planung umfasst
Eine professionelle MSR-Planung beginnt mit der Analyse der Prozessanforderungen. Welche Größen müssen gemessen werden? Welche Genauigkeitsanforderungen gelten? Welche Steuerungs- und Regelungsaufgaben sollen automatisiert werden? Auf dieser Basis werden Sensoren ausgewählt, Messketten dimensioniert, Kommunikationsprotokolle festgelegt und Regelkreise parametriert.
Das Planungsergebnis umfasst Messstellendatenblätter für jeden Messpunkt mit Sensor, Messbereich, Genauigkeit und Schnittstellenspezifikation, einen Stromlaufplan der gesamten MSR-Anlage sowie eine Parameterdokumentation für alle Regler und Grenzwertfunktionen. Diese Unterlagen sind nicht nur die Grundlage für die Installation, sondern auch für die spätere Wartung, Erweiterung und Prüfung der Anlage.
Modernisierung bestehender Messtechnik
Viele Betriebe betreiben Messtechnik, die technisch veraltet ist, nicht mehr kalibriert wird oder die Anforderungen einer modernisierten Automatisierungsanlage nicht mehr erfüllt. Die Modernisierung muss nicht den vollständigen Austausch aller Komponenten bedeuten. Häufig genügt die gezielte Erneuerung einzelner Messketten, die Umrüstung auf digitale Schnittstellen oder die Nachrüstung von IIoT-fähigen Messumformern, um eine bestehende Anlage auf einen aktuellen Stand zu bringen.
Entscheidend ist eine systematische Bestandsaufnahme der vorhandenen Messtechnik, aus der hervorgeht, welche Messpunkte den Anforderungen genügen und welche erneuert werden müssen.
VOELTEC als regionaler Partner in Dresden
VOELTEC plant und realisiert MSR-Lösungen für Gewerbe- und Industriebetriebe in Dresden und der Region. Von der Messstellenplanung über die normkonforme Installation bis zur Inbetriebnahme und Dokumentation übernehmen wir die Umsetzung vollständig.
Messtechnik entscheidet — lange bevor die Automatisierung sichtbar wird
Die sichtbaren Teile einer automatisierten Anlage sind Ventile, Motoren, Schaltschränke und Displays. Was dahinter steht und alles ermöglicht, ist unsichtbar: eine zuverlässige Messtechnik, die kontinuierlich die Daten liefert, auf denen jede Steuerung und jede Regelung aufbaut. Wer in die Automatisierung investiert, ohne in die Messtechnik zu investieren, baut auf einem unsicheren Fundament.
Das gilt für einfache Regelkreise in Gewerbegebäuden genauso wie für komplexe Prozessanlagen in der Industrie. Der Maßstab ändert sich, das Prinzip bleibt gleich: Messen kommt zuerst.
Die wichtigsten Erkenntnisse aus diesem Artikel auf einen Blick:
- MSR-Technik steht für Messen, Steuern und Regeln. Steuern und Regeln setzen Messen voraus. Ohne präzise Messtechnik ist keine zuverlässige Prozessautomatisierung möglich.
- Sensoren übersetzen physikalische Prozessgrößen in elektrische Signale. Die Sensorauswahl muss auf Messbereich, Prozessbedingungen und Umgebungsanforderungen abgestimmt sein.
- Steuerung und Regelung unterscheiden sich grundlegend. Regelung erfordert eine kontinuierliche Rückmeldung des Istwerts durch Messtechnik. Der PID-Regler ist die in der Prozessautomatisierung am häufigsten eingesetzte Reglerstruktur.
- Prozessleitsysteme und SCADA-Systeme bündeln Messdaten aus verteilten Anlagenteilen und schaffen einen zentralen Überblick über den Anlagenzustand.
- Predictive Maintenance und Energieeffizienzmaßnahmen bauen auf einer zuverlässigen Messdatenbasis auf. Schlechte Messtechnik liefert schlechte Ergebnisse, unabhängig von der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Analysesoftware.
- Eine professionelle MSR-Planung umfasst Messstellendatenblätter, Stromlaufpläne und Parameterdokumentation als Grundlage für Installation, Wartung und Prüfung.
Wenn Sie Messtechnik für Ihre Prozessautomatisierung in Dresden und der Region planen, modernisieren oder erweitern möchten, sprechen Sie mit VOELTEC. Wir begleiten Sie von der Messstellenplanung bis zur vollständigen Inbetriebnahme.
Nehmen Sie jetzt Kontakt auf: info@voeltec.de oder telefonisch unter +49 0351 21778647.
