Elektrohydraulik Grundstufe Lehrbuch TP 601

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1 Elektrohydraulik Grundstufe Lehrbuch TP 601 Festo Didactic DE

2 Bestell-Nr.: Stand: 03/2006 Autoren: C. Löffler, D. Merkle, G. Prede, K. Rupp, D. Scholz Grafik: Doris Schwarzenberger Layout: , Beatrice Huber Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 2006, Deutschland Internet: Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen.

3 Inhalt Vorwort 5 1. Einleitung Anwendungsgebiete der Elektrohydraulik Grundbegriffe der Steuerungstechnik Hydraulische und elektrohydraulische Steuerungen Vorteile elektrohydraulischer Steuerungen Grundlagen der Elektrotechnik Gleichstrom und Wechselstrom Ohmsches Gesetz Funktionsweise eines Elektromagneten Funktionsweise eines elektrischen Kondensators Funktionsweise einer Diode Messungen im elektrischen Stromkreis Bauelemente und Baugruppen des elektrischen Signalsteuerteils Netzteil Tastschalter und Stellschalter Sensoren zur Weg- und Druckerfassung Relais und Schütze Speicherprogrammierbare Steuerung Gesamtaufbau des Signalsteuerteils Elektrisch betätigte Wegeventile Aufgaben Aufbau und Funktionsweise Bauarten und hydraulische Leistungsdaten Leistungsdaten von Magnetspulen Elektrischer Anschluss von Magnetspulen Entwicklung einer elektrohydraulischen Steuerung Vorgehensweise bei der Entwicklung der Steuerung Vorgehensweise bei der Projektierung der Steuerung Anwendungsbeispiel: Projektierung einer Sägemaschine Vorgehensweise bei der Realisierung der Steuerung 121 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601 3

4 Inhalt 6. Dokumentation einer elektrohydraulischen Steuerung Funktionsdiagramm Ablauftabelle GRAFCET Hydraulischer Schaltplan Elektrischer Schaltplan Klemmenanschlussplan Sicherheitsmaßnahmen bei elektrohydraulischen Steuerungen Gefahren und Schutzmaßnahmen Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen Schutzmaßnahmen gegen Unfälle durch elektrischen Strom Bedienfeld und Meldeeinrichtungen Schutz elektrischer Betriebsmittel gegen Umwelteinflüsse Sicherheitsgrundsätze für elektrohydraulische Anlagen Relaissteuerungen Anwendungen von Relaissteuerungen in der Elektrohydraulik Direkte und indirekte Ansteuerung Logische Verknüpfungen Signalspeicherung Verzögerung Ablaufsteuerung mit Signalspeicherung durch Magnetimpulsventile Schaltung zur Auswertung der Bedienelemente Ablaufsteuerung für eine Sägemaschine 238 Stichwortverzeichnis 265 Normen Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601

5 Vorwort Die Elektrohydraulik wird in vielen Bereichen der industriellen Automatisierungstechnik erfolgreich eingesetzt. So werden zum Beispiel Holzbearbeitungsmaschinen, Werkzeugmaschinen, verfahrenstechnische Anlagen, Pressen, kunststoffverarbeitende Maschinen oder Förderanlagen weltweit mit elektrohydraulischen Steuerungen betrieben. Aber auch in der Mobilhydraulik, dazu gehören zum Beispiel landwirtschaftliche Fahrzeuge, Straßenbaufahrzeuge oder Kommunalfahrzeuge, finden elektrohydraulische Steuerungen in vielfältiger Weise Anwendung. Der Wandel in den Anforderungen und die technischen Entwicklungen haben das Aussehen der Steuerungen deutlich verändert. Im Signalsteuerteil ist das Relais in vielen Anwendungsbereichen zunehmend durch speicherprogrammierbare Steuerungen ersetzt worden, um der gestiegenen Anforderung nach Flexibilität gerecht zu werden. Moderne elektrohydraulische Steuerungen weisen auch im Leistungsteil den Ansprüchen der industriellen Praxis angepasste neue Konzepte auf. Als Beispiele seien hier nur die Schlagworte Steuerblöcke, Busvernetzung und Proportionalhydraulik genannt. Das enge Zusammenwirken der Fluidtechnik mit Mikroelektronik, Sensorik und Informationstechnik führt zu zahlreichen Innovationen auf dem Gebiet ölhydraulischer Antriebe und Steuerungen. Diese Innovationen eröffnen der Elektrohydraulik neue Anwendungsfelder mit anspruchsvolleren Aufgaben in der Prozessführung. Zur Einführung in das Thema erläutert das vorliegende Lehrbuch zuerst den Aufbau und die Funktionsweise der Komponenten, die beim Aufbau einer elektrohydraulischen Steuerung verwendet werden. In den folgenden Kapiteln wird die Vorgehensweise bei der Projektierung und Realisierung elektrohydraulischer Steuerungen anhand vollständig ausgearbeiteter Beispiele beschrieben. Jede Leserin und jeder Leser dieses Buches sind eingeladen, durch Tipps, Kritik und Anregungen zur Verbesserung des Buches beizutragen. März 2006 Die Verfasser Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601 5

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7 1.1 Anwendungsgebiete der Elektrohydraulik Die Hydraulik befasst sich mit den Anwendungen von Druckflüssigkeiten. Am häufigsten werden Druckflüssigkeiten eingesetzt, um mechanische Arbeit zu verrichten. Mechanische Arbeit ist nötig, um Bewegungen auszuführen und Kräfte zu erzeugen. Hydraulische Antriebe haben die Aufgabe, die in der Druckflüssigkeit gespeicherte Energie in Bewegungsenergie umzuwandeln. Als hydraulische Antriebe finden Verwendung: Zylinder (Linearantriebe) zur Erzeugung von geradlinigen Bewegungen, Motoren und Schwenkantriebe (Rotationsantriebe) zur Erzeugung von Drehbewegungen. Hydraulischer Linearzylinder (Storz Hydrauliksysteme GmbH) und hydraulischer Motor (Sauer-Danfoss GmbH & Co) Hydraulische Systeme werden eingesetzt, wenn eine hohe Leistungsdichte, eine gute Wärmeabfuhr, gleichmäßige Bewegungen, eine hohe Schaltdynamik oder sehr große Kräfte gefordert sind. Anwendungen der Elektrohydraulik finden sich sowohl in der Stationär- als auch in der Mobilhydraulik. Kennzeichnend für die Elektrohydraulik ist: Das Aufnehmen, Verarbeiten und Ausgeben von Signalen geschieht elektrisch. Auch die Ventile als Schnittstelle zum Leistungsteil werden elektrisch betätigt. Wichtige Branchen für die Elektrohydraulik sind: der Maschinenbau, dort werden elektrohydraulische Systeme zum Beispiel für den Vorschub von Werkzeugmaschinen, zur Krafterzeugung bei Pressen oder in Spritzgießmaschinen zur Kunststoffbearbeitung eingesetzt, der Kraftfahrzeugbau, hier werden elektrohydraulische Systeme bevorzugt für den Antrieb von Baumaschinen oder auch zur Steuerung der Lenkung von landwirtschaftlichen Maschinen eingesetzt, der Stahl- und Kraftwerksbau, hier werden elektrohydraulische Systeme für die Theatertechnik, für Hebebühnen, zur Steuerung von Schleusen, Wehranlagen und beweglichen Brücken eingesetzt, Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601 7

8 der Flugzeugbau, hier wird zum Beispiel die Betätigung der Landeklappen und des Seitenruders elektrohydraulisch realisiert, der Schiffbau, hier werden zum Beispiel das Ruder oder Bordkrane elektrohydraulisch gesteuert. Anwendungsbeispiel Bei modernen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen werden Werkzeuge und Werkstücke hydraulisch gespannt. Vorschübe und Spindelantriebe können ebenfalls hydraulisch ausgeführt sein. Rundtaktmaschine 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601

9 1.2 Grundbegriffe der Steuerungstechnik Hydraulische Antriebe können nur dann nutzbringend eingesetzt werden, wenn sie ihre Bewegungen genau zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Reihenfolge ausführen. Diese Aufgaben der Bewegungskoordination werden von einer Steuerung übernommen. Die Steuerungstechnik beschäftigt sich damit, wie man Steuerungen konzipiert und aufbaut. Nachfolgend werden Grundbegriffe der Steuerungstechnik erläutert. Steuerung Die DIN 19226, Teil 1 definiert den Begriff Steuern wie folgt: Das Steuern, die Steuerung ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzesmäßigkeiten beeinflussen. Kennzeichen für die Steuerung ist der offene Wirkungsablauf. Der Begriff Steuerung wird vielfach nicht nur für den Vorgang des Steuerns, sondern auch für die Gesamtanlage verwendet. Anwendungsbeispiel In einer Vorrichtung werden Hilfsbohrungen an Anschlussplatten von Ventilen mit Dichtstopfen verschlossen. Der Schließvorgang wird durch Betätigen eines Handtasters am Montageplatz ausgelöst. Nach Loslassen des Tasters fährt die Kolbenstange in die hintere Endlage zurück. Bei dieser Steuerung bildet die Stellung des Bedientasters (betätigt/nicht betätigt) die Eingangsgröße, die Position des Pressenzylinders die Ausgangsgröße. Der Wirkungsweg ist offen, da die Ausgangsgröße (Position des Zylinders) keinen Einfluss auf die Eingangsgröße (Stellung des Tasters) hat. Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601 9

10 Montagevorrichtung zum Verschließen von Hilfsbohrungen Steuerungen müssen Informationen (z. B. Taster betätigt bzw. nicht betätigt) auswerten und weiterverarbeiten. Die Information wird deshalb durch Signale dargestellt. Ein Signal ist eine physikalische Größe, z. B.: der Druck an einer bestimmten Stelle einer hydraulischen Anlage die Spannung an einer bestimmten Stelle einer elektrischen Schaltung 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601

11 Druck 7 MPa Zeit Signal und Information: Signal/physikalische Größe Zeigerstellung Zeit Signal und Information: Information, analog Anzeige Druck MPa Zeit Signal und Information: Information, digital Festo Didactic GmbH & Co. KG TP

12 Druck Versorgungsdruck ja 1 nein 0 Zeit Signal und Information: Information, binär Ein Signal ist die Darstellung von Informationen. Die Darstellung erfolgt durch den Wert oder den Werteverlauf einer physikalischen Größe. Die unterschiedlichen Signalarten sind in DIN 19226, Teil 5 beschrieben. Analoges Signal Ein analoges Signal ist ein Signal, bei dem einem kontinuierlichen Werteverlauf des Informationsparameters Punkt für Punkt unterschiedliche Information zugeordnet ist. Anwendungsbeispiel Bei einem Manometer ist jedem Wert des Druckes (= Informationsparameter) eine bestimmte Anzeige (= Information) zugeordnet. Steigt oder fällt das Signal, ändert sich die Information kontinuierlich. Digitales Signal Ein digitales Signal ist ein Signal mit einer endlichen Zahl von Wertebereichen des Informationsparameters. Jedem Wertebereich ist eine bestimmte Information zugeordnet. Anwendungsbeispiel Eine Druckmesseinrichtung mit Digitalanzeige zeigt den Druck in Schritten von 1 MPa an. Bei einem Druckbereich von 7 MPa ergeben sich 8 mögliche Anzeigewerte (0 7 MPa), d. h. 8 mögliche Wertebereiche des Informationsparameters. Steigt oder fällt das Signal, ändert sich die Information stufenförmig. Binäres Signal Ein binäres Signal ist ein digitales Signal mit nur zwei Wertebereichen des Informationsparameters, die meist als 0 und 1 bezeichnet werden. Anwendungsbeispiel Mit einer Kontrollleuchte wird angezeigt, ob eine hydraulische Anlage ordnungsgemäß mit Druckflüssigkeit versorgt wird. Liegt der Versorgungsdruck (= Signal) unter 5 MPa, so ist die Kontrollleuchte ausgeschaltet (Schaltzustand 0). Liegt der Druck über 5 MPa, ist die Kontrollleuchte eingeschaltet (Schaltzustand 1). 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601

13 Einteilung von Steuerungen nach Art der Informationsdarstellung Steuerungen lassen sich nach Art der Informationsdarstellung in analoge, digitale und binäre Steuerungen einteilen. Steuerungen Binäre Steuerungen Analoge Steuerungen Digitale Steuerungen Einteilung von Steuerungen nach Art der Informationsdarstellung Verknüpfungssteuerung Bei einer Verknüpfungssteuerung werden die Ausgangssignale gebildet, indem die Eingangssignale durch logische Funktionen verknüpft werden. Anwendungsbeispiel Die Montagevorrichtung für Anschlussplatten wird erweitert, so dass sie von zwei Stellen aus bedient werden kann. Die beiden Eingangssignale werden verknüpft. Die Kolbenstange fährt aus, wenn entweder nur Taster 1 oder nur Taster 2 oder beide Taster betätigt werden. Ablaufsteuerung Eine Ablaufsteuerung zeichnet sich durch einen zwangsweise schrittweisen Ablauf aus. Der Übergang zum nächsten Schritt erfolgt abhängig von Übergangsbedingungen. Anwendungsbeispiel Bei einer Bohrvorrichtung wird im ersten Schritt das Werkstück gespannt. Sobald die Kolbenstange des Spannzylinders die vordere Endlage erreicht, ist dieser Schritt beendet. Als zweiter Schritt folgt das Ausfahren des Bohrers. Nach Beendigung dieses Vorgangs (Kolbenstange des Vorschubzylinders im vorderen Anschlag) wird der dritte Schritt ausgelöst, usw. Festo Didactic GmbH & Co. KG TP

14 Signalfluss in einer Steuerung Eine Steuerung lässt sich in die Funktionen Signaleingabe, Signalverarbeitung, Signalausgabe und Befehlsausführung unterteilen. Die gegenseitige Beeinflussung wird durch den Signalfluss dargestellt. Ausgehend von der Signaleingabe werden die Signale miteinander verknüpft (Signalverarbeitung). Zur Signaleingabe und zur Signalverarbeitung weisen die Signale nur eine niedrige Leistung auf. Beide Funktionen zählen zum Signalsteuerteil. Bei der Signalausgabe werden die Signale von einem niedrigen auf ein höheres Leistungsniveau verstärkt. Die Signalausgabe bildet die Schnittstelle zwischen Signalsteuerteil und Leistungsteil. Die Befehlsausführung erfolgt auf einem hohen Leistungsniveau, z.b. um große Massen zu bewegen (z. B. Schleusentor) oder um eine große Kraft auszuüben (z. B. Presse). Die Befehlsausführung zählt zum Leistungsteil einer Steuerung. Befehlsausführung Leistungsteil Signalausgabe Signalverarbeitung Signalsteuerteil Signaleingabe Signalfluss in einer Steuerung Die Bauelemente im Schaltplan einer rein hydraulischen Steuerung werden so angeordnet, dass der Signalfluss deutlich wird: zuunterst die Eingabeelemente (z. B. handbetätigte Ventile), darüber die Verknüpfungselemente (z. B. Wechselventile), dann die Signalausgabeelemente (Leistungsventile, z. B. 4/2-Wegeventile) und zuoberst die Elemente zur Befehlsausführung (z. B. Zylinder). 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601

15 1.3 Hydraulische und elektrohydraulische Steuerungen Hydraulische und elektrohydraulische Steuerungen weisen beide einen hydraulischen Leistungsteil auf. Der Signalsteuerteil ist hingegen unterschiedlich aufgebaut. Bei der hydraulischen Steuerung wird dieser Teil im wesentlichen vom Menschen übernommen. Seltener geschieht die Signalverarbeitung durch eine hydraulische Schaltung, die dann zum Beispiel Wechselventile enthält. Bei einer elektrohydraulischen Steuerung wird der Signalsteuerteil mit elektrischen Komponenten aufgebaut. Dazu gehören zum Beispiel elektrische Eingabetaster, Näherungsschalter, Druckschalter, Relais oder eine speicherprogrammierbare Steuerung. Die Wegeventile bilden bei beiden Steuerungsformen die Schnittstelle zwischen dem Signalsteuerteil und dem hydraulischen Leistungsteil. Befehlsausführung Arbeitselemente Zylinder Schwenkzylinder Hydromotoren optische Anzeigen hydraulischer Leistungsteil Signalausgabe Stellelemente Wegeventile Signalverarbeitung Signaleingabe Verarbeitungselemente Wegeventile Wechselventile Druckventile Eingabeelemente Wegeventile (mechanisch betätigt) Wegeventile (muskelkraftbetätigt) hydraulischer Signalsteuerteil Signalfluss hydraulische Bauelemente Signalfluss und Bauelemente einer hydraulischen Steuerung Festo Didactic GmbH & Co. KG TP

16 Befehlsausführung Arbeitselemente Zylinder Schwenkzylinder Hydromotoren optische Anzeigen hydraulischer Leistungsteil Signalausgabe Stellelemente elektromagnetisch betätigte Wegeventile Signalverarbeitung Signaleingabe Verarbeitungselemente Relais Schütze Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) Eingabeelemente Tastschalter Stellschalter Grenztaster Reedschalter induktive Näherungsschalter kapazitive Näherungsschalter Lichtschranke Druckschalter elektrischer Signalsteuerteil Signalfluss Elektrohydraulische Bauelemente Signalfluss und Bauelemente einer elektrohydraulischen Steuerung 16 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 601