TECHNISCHER FACHWIRT. Sensoren. Steuern. Regeln. Aktoren. Erstellt von: Axel Bauer. Aktiv/passiv. Kraft Druck Temperatur Drehzahl.

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1 STEUERUNGSTECHNIK TECHNISCHER FACHWIRT E Eingabe Aktiv/passiv Sensoren Kraft Druck Temperatur Drehzahl Steuern Regeln Ablaufsteuerung PID- Regler Unstetige Regler V Verarbeitung & Verknüpfungs steuerung >1 Stetige Regler pneumatisch hydraulisch Elektrisch mechanisch A Ausgabe Aktoren M Erstellt von: Axel Bauer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Steuerungstechniken und deren Energieform Mechanische Steuerungen Kurvenscheibe Nachformsteuerung Elektronische Kurvenscheiben Druckluft (Pneumatik) Drucklufterzeuger und aufbereitung Bauglieder zur Nutzung und Steuerung von Energie Aktorik (Antriebsglieder) Prozessorik Ventile Hydraulik Eigenschaften von Hydraulikölen: Druckerzeugung Umlaufverluste in hydraulischen Anlagen Hinweise zu Druckluft und Hydraulik Hinweise zur Schaltplanerstellung Logikfunktionen Wechselventil (ODER-Funktion) Zweidruckventil (UND-Funktion) Gerätetechnische Realisierung der NICHT-Funktion Elektrische Steuerungen Erzeugung elektrischer Energie Bauglieder zur Nutzung elektrischer Energie Aktorik Elektromotoren Andere Nutzungsmöglichkeiten Prozessorik Bildzeichen in Stromlaufplänen Elektronische Steuerung Elektropneumatische Steuerung Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Aufbau einer SPS am Beispiel einer Simatic S7-300 von Siemens Wie steuert die SPS den Prozeß? Woher bekommt die SPS Information über Prozesszustände? Wo Liegt der Unterschied zwischen Öffnern und Schliessern? Programmiersprachen Speicherprogrammierbarer Steuerungen Funktionsbausteinsprache (FBS): Anweisungsliste (AWL) Kontaktplan (KOP) AB_070813_skript_STE.doc Seite 2 von 124

3 1 Einführung Wie sehen logische Verknüpfungen im SPS- Program aus? Beispiel einer UND- Verknüpfung: Beispiel einer ODER- Verknüpfung: Beispiel einer Negation Unterscheidung der Steuerungen Programmumsetzung Interne Verarbeitung Verknüpfungssteuerung Ablaufsteuerung Steuerungstechniken Funktionsgleichungen Funktionstabelle Logische Grundfunktionen Die UND-Verknüpfung (AND) Die ODER-Verknüpfung (OR) Die NICHT-Verknüpfung (NOT) UND-NICHT Verknüpfung (NAND) ODER-NICHT- Verknüpfung (NOR) Speicherglieder Einschaltverzögerung Steuerungspläne Funktionsplan Symbole Funktionsdiagramm Symbole Steuern und Regeln Überblick Gegenüberstellung Steuern und Regeln Blockschaltbilder Steuern Wichtige Begriffe Regeln Wichtige Begriffe Stetige und Unstetige Regler Der Zweipunktregler Stör- und Führungsverhalten eines Reglers Störverhalten Fürungsverhalten Stetige Regler Das P-Glied Der P-Regler Das I- Glied Der I-Regler AB_070813_skript_STE.doc Seite 3 von 124

4 1 Einführung Der PI-Regler Das D- Glied Der PID-Regler Sensoren und deren physikalische Messgrößen Aufgabenstellung Umwandlungsarten physikalischer Größen in elektrische Signale Widerstandsmeßfühler Induktive Meßfühler Kapazitive Meßfühler Arten der Ausgangssignale Sensoren Temperatursensoren Widerstandthermometer Strahlungspyrometer Thermoelemente Druck-,Kraftsensoren DMS Druckmessung mit Dehnungsmessstreifen Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen Kapazitive Kraftmessung Piezoelektrische Aufnehmer Drehzahlaufnehmer Näherungsschalter Induktive Näherungsschalter Kapazitive Näherungsschalter Magnetische Näherungsschalter Optoelektronische Näherungsschalter Akustische Sensoren (Ultraschallsensoren) Anwendungsgebiete von Sensoren Temperaturregelung Härteofen Füllstandsregelung Druck- und Durchflußregelung Bildverzeichnis Quellennachweis AB_070813_skript_STE.doc Seite 4 von 124

5 1 Einführung 1 Einführung Die Steuerungstechnik gewinnt an immer größerer Bedeutung in der Industrie und im Alltag. Die industriellen Produktionsanlagen werden komplexer, was hohe Anforderungen an die Steuerungstechnik zur Folge hat. In diesem Skript sollen die Grundlagen der Steuerungstechnik vermittelt werden. AB_070813_skript_STE.doc Seite 5 von 124

6 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Steuerungen lassen sich nach der Energieform folgendermassen unterteilen: Mechanische Steuerungen Pneumatische Steuerungen Hydraulische Steuerungen Elektrische Steuerungen Elektronische Steuerungen Speicherprogrammierbare Steuerungen AB_070813_skript_STE.doc Seite 6 von 124

7 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 2.1 Mechanische Steuerungen Mechanische Steuerungen bestehen aus folgenden Elementen: Kurvenscheiben Getriebe Hebel Kupplungen Andere mechanische Elemente Antriebsenergie Getriebe Kupplung Signalabgabe: mechanisch pneumatisch hydraulisch elektrisch gestuft stufenlos Bewegung drehend aussetzend geradlinig Beispiele mechanischer Steuerungen: Bild 1 Grundprinzip mechanischer Steuerungen Nockenwelle (Taktsteuerung vonverbrennungsmotoren) Kurvenscheiben (siehe Bild 2) (Steuerung vonvorschüben an Werkzeugschlitten) Kopierschablone, Nachformsteuerung (Steuerung von Drehwerkzeugen) AB_070813_skript_STE.doc Seite 7 von 124

8 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bild 2 Beispiel Kurvescheibe Bild 3 Beispiel Kurventrommel Bei mechanischen Steuerungen wird das Programm mechanisch gespeichert. Vorteile einer mechanischen Steuerung: sie arbeiten genau, wirkt direkt, hohe Lebensdauer Nachteile einer mechanischen Steuerung: hohe Herstellungskosten AB_070813_skript_STE.doc Seite 8 von 124

9 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Kurvenscheibe Mit einer Kurvenscheibe werden ungleichförmige Bewegungsabläufe rein mechanisch gesteuert. Als Kurvengetriebe bezeichnet man die funktionale Einheit aus Kurvescheibe und Hebel. Die Kurvenscheibe besteht meist aus einer ebenen Scheibe mit ungleichförmigem Rand und wird in eine gleichmäßige Drehung versetzt. Über einen federbelasteten Hebel wird die aus der Drehung der Scheibe resultierende Bewegung von ihrem Rand abgegriffen und zur Steuerung technischer Abläufe wie beispielsweise Schaltvorgängen verwendet. Der Programmwechsel ist mit dem Wechsel der Kurvenscheiben verbunden und somit sehr aufwendig. Die Fertigungskosten der Kurvenscheiben sind sehr hoch. Deshalb eignen sich kurvengesteuerte Automaten nur für grosse Stückzahlen. Anwendung findet die Kurvenscheibe im Werkzeugmaschinen- und Textilmaschinenbau und in abgewandelter Form als Nocken auf der Nockenwelle im Verbrennungsmotor Nachformsteuerung Unter Nachformen (Kopieren) versteht man ein Arbeitsverfahren, bei dem die Werkzeugbewegung von einer Leitkurve oder fläche so gesteuert wird, dass das Profil des Musters auf das Werkstück übertragen wird. Das Nachformen wird für die Fertigung schwierig geformter Werkstücke eingesetzt. Die Geometrie- u. Geschwindigkeitsinformationen sind in einer Schablone (Leitkurve) enthalten, die somit den Programmträger für das Bearbeitungsprogramm der Nachformsteuerung darstellt. Soll ein anderes Werkstück produziert werden, so wird das Bearbeitungsprogramm, also die Schablone, ausgetauscht Mit Hilfe eines mechanischen Übertragungsmechanismus wird diese Information auf das Werkzeug übertragen. Einen wichtigen Einsatzfall von Nachformsteuerungen findet man auf dem Gebiet der kurvengesteuerten Drehautomaten. Kurvenscheiben dienen als Programmspeicher für die Geometrie- und Geschwindigkeitsinformation Elektronische Kurvenscheiben Immer wenn komplexe Bewegungsabläufe in zyklisch laufenden Maschinen aufeinander abgestimmt werden müssen, wurden bisher mechanische Kurvenscheiben eingesetzt. Der synchrone Lauf aller Kurvenscheiben wurde dabei über eine zentral angetriebene Welle, die so genannte Königswelle, sichergestellt. Über die Drehzahl dieser Königswelle konnte die Produktionsgeschwindigkeit der Maschine eingestellt werden. Diese mechanische Lösung bietet jedoch wenig Freiheitsgrade und wird den Anforderungen moderner Produktions- und Verarbeitungsanlagen nicht mehr gerecht. Deshalb werden im Anlagen- und Maschinenbau immer mehr mechanische Kurvenscheiben durch elektronisch geregelte Antriebe, die so genannten elektronischen Kurvenscheiben, ersetzt. AB_070813_skript_STE.doc Seite 9 von 124

10 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 2.2 Druckluft (Pneumatik) Druckluft ist verdichtete atmosphärische Luft. Sie besteht aus etwa 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und 1% Edelgasen. Druckluft wird zur Automatisierung im Sondermaschinenbau, in der Montagetechnik, in der Handhabungstechnik, in der Verpackungstechnik und in vielen anderen Bereichen eingesetzt. [5] Drucklufterzeuger und aufbereitung Zur Drucklufterzeugung werden Verdichter benötigt. Es wird nach zwei Verdichterbauarten unterschieden: 1) Verdrängungsprinzip: Die Verdichtung wird dadurch erreicht, dass die Luft in einem Raum eingeschlossen wird und dann der Raum verkleinert wird (z.b. Hubkolben-, Drehkolbenverdichter). 2) Strömungsprinzip: Luft wird auf einer Seite angesaugt und durch Massenbeschleunigung zusammen- gepresst z.b. Turbine). Bild 4 Verdichter AB_070813_skript_STE.doc Seite 10 von 124

11 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bild 5 Übersicht Verdichterarten Der am meisten eingesetzte Verdrängungsverdichter mit oszillierendem Verdrängungselement ist der Hubkolbenverdichter. Im Aufbau gleicht dieser einem Verbrennungsmotor. Bild 6 Hubkolbenverdichter und Hubkolbenverdichter in V-Anordnung (zweistufig) Zur Erzeugung größerer Drücke können einzelne Verdichterstufen hintereinander geschaltet werden. AB_070813_skript_STE.doc Seite 11 von 124

12 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Ein weiterer Verdichter mit oszillierendem Verdrängungselement ist der Membranverdichter. Bild 7 Membranverdichter Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist nach der Bauart, der Kompressionsdruck und der Volumenstrom (Druckliefermenge). Unabhängig von Bauart oder anderen Unterscheidungsmerkmalen ist den Verdichtern jeweils das gleiche Sinnbild zugeordnet: Bild 8 Sinnbild Verdichter Beim Verdichten kann die Temperatur der Luft bis auf ca. 400 C ansteigen. Da mit solch hoch erwärmter Luft schlecht gearbeitet werden kann, muss sie auf unter 50 C abgekühlt werden. Dies geschieht in Luft- oder Wasserkühlern, welche dem Verdichter direkt nachgeschaltet sind. Beim Abkühlen wird Wasser und Öl ausgeschieden, das während der Verdichtung als Bestandteil der Luft bzw. aus dem Schmieröl des Verdichters aufgenommen wurde. Das Sinnbild für einen Luftkühler sieht folgendermaßen aus: Bild 9 Sinnbild Luftkühler AB_070813_skript_STE.doc Seite 12 von 124

13 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Zum Vollständigen Entzug der Feuchtigkeit werden in Druckerzeugungsanlagen Trockner eingesetzt. Sinnbild eines Trockners : Bild 10 Sinnbild Trockner Zur Aufbereitungseinheit einer Druckluftanlage gehören auch die sogenannten Druckkessel, welche zur Speicherung der Druckluft dienen. Beim Betreiben solcher Druckbehälter müssen besondere Vorschriften beachtet werden. Unverzichtbare Anbauteile sind weiterhin Manometer, Ablasshahn für Kondensat, Absperrhahn und Temperaturanzeige. Aus Sicherheitsgründen muss ein Überdruckventil und ein Prüfflansch angebracht sein. Bild 11 Druckluftkessel Auch für einen Druckbehälter gibt es ein genormtes Symbol: Bild 12 Symbol Druckbehälter Die Reinigung der Druckluft erfolgt mittels Filtern. Dabei werden alle Fremdbestandteile der Luft, die größer als 60 µm (Mümeter) sind, zurückgehalten. AB_070813_skript_STE.doc Seite 13 von 124

14 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Verdichterstation: Bild 13 Verdichterstation Für die Aufbereitung an der Verbraucherstelle werden Wartungseinheiten montiert. Sie bestehen aus: Filter Druckregler mit Manometer und Druckluftöler Für jedes dieser einzelnen Bauteile gibt es ein eigenes Symbol. In der Regel wird jedoch das vereinfachte Symbol angewendet. AB_070813_skript_STE.doc Seite 14 von 124

15 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bild 14 Wartungseinheit Bauglieder zur Nutzung und Steuerung von Energie Sind technische Problemstellungen steuerungsmäßig in Funktionsplänen, Zustandsdiagrammen oder Logikplänen beschrieben, können daraus die benötigten Bauelemente bestimmt werden. Die notwendige Gerätetechnik wird dabei nach folgenden Gesichtspunkten festgelegt, z.b. nach: Der zulässigen Baugröße der Elemente Der erforderlichen Schaltgenauigkeit Dem Kraft- bzw. Leistungsbedarf Den Umweltanforderungen und Schutzbestimmungen Der zur Verfügung stehenden Energie Die Bauelemente von Steuerungen lassen sich in drei große Gruppen unterteilen: Aktorik (Antriebsglieder) Prozessorik (Übertragungsglieder, Stellglieder) Sensorik (Signalglieder) AB_070813_skript_STE.doc Seite 15 von 124

16 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Aktorik (Antriebsglieder) Sie dienen zur Umformung der pneumatischen Energie in mechanische Energie. Die pneumatische Energie wird mit Druckluftzylindern in geradlinig hin- und hergehende Bewegung und mit Druckluftmotoren in drehende Bewegung umgewandelt. Druckluftzylinder geradlinige Bewegung Druckluftmotoren drehende Bewegung Schaltzeichen nach DIN ISO 1219 Einfachwirkende Zylinder mit Federrückstellung ohne Federrückstellung Einfachwirkende Zylinder verrichten Arbeit nur in einer Richtung. Doppelt wirkende Zylinder ohne Endlagerdämpfung mit Endlagerdämpfung Doppelt wirkende Zylinder verrichten Arbeit in beide Richtungen. AB_070813_skript_STE.doc Seite 16 von 124

17 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Zylinder mit durchgehender Kolbenstange Mehrstellungszylinder Tandemzylinder AB_070813_skript_STE.doc Seite 17 von 124

18 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Druckluftmotoren Zwei Drehrichtungen eine Drehrichtung Schwenkmotor Vorteile der Druckluftmotoren gegenüber Elektromotoren: explosionssicher ohne Schaden überlastbar leichter dauernde Kühlung einfache Richtungsumkehr AB_070813_skript_STE.doc Seite 18 von 124

19 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Prozessorik Die Prozessorik umfasst den Teil des Steuerungssystems, das die Signale der Sensorik entsprechend einer Verarbeitungsvorschrift (dem Programm) verarbeitet und entsprechende Stellsignale an die Aktorik sendet Ventile Bauelemente, mit denen Beginn, Richtung, Druck, Menge und Ende des Durchflusses von Druckluft bestimmt werden können, nennt man Ventile. Diese werden unterschieden in: Wegeventile, beeinflußt den Weg den Druckluft oder Öl geht. Sperrventile Rückschlag-, Wechsel-, Zweidruckventil Druckventile Druckbegrenzungsventil, Druckschalter Stromventile Drosselventil AB_070813_skript_STE.doc Seite 19 von 124

20 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Darstellung von Ventilen: Zur Ventildarstellung in Schaltplänen werden Schaltzeichen benutzt. Diese Schaltzeichen sagen nichts über den konstruktiven Aufbau aus, sondern zeigen nur die Funktion des Ventils. Schaltstellungen der Ventile werden als Quadrate dargestellt Die Anzahl der aneinanderliegenden Quadrate sagt aus, wie viel Schaltstellungen das Ventil besitzt Die Funktion und Wirkungsweise wird im Innern der Felder (Quadrate) eingezeichnet. Linien geben die Leistungen an. Pfeile zeigen die Durchflussrichtung. Absperrungen werden innerhalb der Felder in Querstrichen gekennzeichnet. Die Verbindung von Leitungen wird durch einen Punkt dargestellt. Die Anschlüsse (Zu- und Abflüsse) werden an das Feld der Ruhestellung bzw. Ausgangsstellung herangezogen. Man erreicht die andere Position durch Verschieben der Quadrate, bis sich die Leitungen mit de Anschlüssen überdecken. AB_070813_skript_STE.doc Seite 20 von 124

21 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Die Schaltstellungen können mit kleinen Buchstaben a, b, c,... und 0 gekennzeichnet werden. Ventil mit 3 Schaltstellungen, Mittelstellung = Ruhestellung Entlüftungsleitungen ohne Rohranschluss (ungefasste Abluft) Dreieck am Schaltzeichen. Entlüftungsleitungen mit Rohranschluss (gefasste Abluft) Dreieck nicht direkt am Schaltzeichen. Am Entlüftungsausgang kann bei den meisten Wegeventilen ein Schalldämpfer eingeschaltet werden. Dieser hat die Aufgabe, die Strömungsgeschwindigkeit und damit den Geräuschpegel der ins Freie Strömenden Luft zu mindern. Symbol: Als Ruhestellung bei Ventilen mit vorhandener Rückstellung, z.b. Feder die Schaltstellung bezeichnet, die von den beweglichen Teilen des Ventils eingenommen wird, wenn das Ventil nicht angeschlossen ist. Ausgangsstellung wird die Schaltstellung genannt, die die beweglichen Teile des Ventils nach Einbau desselben in eine Anlage und Einschalten des Netzdrucks sowie gegebenenfalls der elektrischen Spannung einnehmen und mit der das vorgesehene Schaltprogramm beginnt. Die Bezeichnung eines Ventils ist abhängig von der Anzahl der gesteuerten Anschlüsse und der Anzahl der Schaltstellungen. Die erste Zahl bei der Bezeichnung gibt die Anzahl der Wege an, gemeint sind die gesteuerten Anschlüsse. Die zweite Zahl gibt die Anzahl der Schaltstellungen des Ventils an. AB_070813_skript_STE.doc Seite 21 von 124

22 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Beispiel: 3/2- Wegeventil: 3 gesteuerte Anschlüsse, 2 Schaltstellungen (2 Quadrate) 4/3-Wegeventil: 4 gesteuerte Anschlüsse, 3 Schaltstellungen (3 Quadrate) Zusammenfassung der gebräuchlichsten Wegeventile: Bezeichnung Ruhestellung Schaltzeichen 2/2- Wegeventil geschlossen 2/2- Wegeventil geöffnet 3/2-Wegeventil geschlossen 3/2-Wegeventil geöffnet 3/3-Wegeventil geschlossen 4/2- Wegeventil 1 Leitung belüftet 1 Leitung entlüftet 4/3-Wegeventil Mittelstellung geschlossen 4/3-Wegeventil A und B entlüftet Einrichtstellung 5/2-Wegeventil 2 Entlüftungen AB_070813_skript_STE.doc Seite 22 von 124

23 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Kurzbezeichnungen von Anschlüssen durch Ziffern: 1 Druckluftanschluss 2,4 Arbeitsanschlüsse 3,5 Entlüftungen 12,14 Steueranschlüsse 10 Steueranschluss der das Ausgangssignal löscht Kurzbezeichnung von Anschlüssen durch Buchstaben, wie sie noch häufig in der Praxis angetroffen wird: A, B, C Arbeitsanschlüsse P Druckluftanschluss R, S, T Abfluss, Entlüftungen L Leckanschluss X, Y, Z Steueranschlüsse Normgerechte Anschlussbezeichnung eines 5/2-Wegeventils Sinnbilder der Betätigungselemente Muskelkraftbetätigung allgemein durch Knopf durch Hebel durch Pedal AB_070813_skript_STE.doc Seite 23 von 124

24 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Mechanische Betätigung durch Taster durch Feder durch Tastrolle durch Tastrolle mit Leerrücklauf Druckbetätigung durch Druckbeaufschlagung durch Druckentlastung Durch Druckbeaufschlagung der Hauptsteuerventils über das Vorsteuerventil Durch Druckentlastung des Hauptsteuerventils über das Vorsteuerventil AB_070813_skript_STE.doc Seite 24 von 124

25 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Elektrische Betätigung durch Elektromagnet mit einer wirksamen Wicklung mit zwei gleichsinnig wirkenden Wicklungen mit zwei gegenseitig wirkenden Wicklungen Kombinierte Betätigung durch Elektromagnet und Vorsteuerventil durch Elektromagnet oder Vorsteuerventil Spricht man von einem vorgesteuerten Ventil, so bedeutet dies, dass die Betätigung ein im Ventil eingebautes Ventil schaltet und dadurch das eigentliche durch die Luft des P-Anschlusses pneumatisch umgeschaltet wird. Vorgesteuerte Ventile benutzt man bei großen Leitungsdurchmessern. Anwendungsbeispiele Beispiel 1: 3/2-Wegeventil, betätigt durch einen Knopf, Rückstellung erfolgt durch Feder Beispiel 2: 4/2-Wegeventil, betätigt durch direkte Druckbeaufschlagung, Rückstellung erfolgt durch Feder. AB_070813_skript_STE.doc Seite 25 von 124

26 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Nach ihrer Bauform unterscheidet man Wegeventile in: -Sitzventile -Schieberventile Sitzventile Die Anschlüsse an diesen Ventilen werden durch Kugeln oder Teller geöffnet und geschlossen. Es tritt keinerlei Leckluft auf, da die Öffnungen völlig geschlossen werden. 2/2-Wegeventil 3/2-Wegeventil AB_070813_skript_STE.doc Seite 26 von 124

27 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Schieberventile Die einzelnen Anschlüsse bei Schieberventilen werden durch Kolbenschieber miteinander verbunden oder abgesperrt. Bild 15 5/2-Wegeventil (Längsschieberprinzip) AB_070813_skript_STE.doc Seite 27 von 124

28 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 2.3 Hydraulik Unter Hydraulik versteht man alle Antriebs-, Steuer- und Regelungsbauteile einer Maschine, mit denen durch den Druck in der Flüssigkeit Kräfte erzeugt und übertragen werden. Man verwendet die Hydraulik vor allem im Schwermaschinenbau, wie im Pressenbau oder an Kran- und Baufahrzeugen. Ein weiterer Einsatzbereich der Hydraulik ist der Werkzeugmaschinenbau, wo man hydraulische Bauteile zum Spannen von Werkzeugen oder Werkstücken und für Transportbewegungen verwendet. Auch Vorschubbewegungen, die mit Hilfe elektronischer Einrichtungen hohe Positioner- und Geschwindigkeitsgenauigkeit erreichen, werden hydraulisch gesteuert. [5] Hydrauliköle sind in der Regel Mineralöle. Für besondere Aufgaben werden heute jedoch auch schon synthetische Öle eingesetzt (z.b. aus umwelttechnischen Gründen). Die Hauptaufgabe des Hydrauliköls ist es, Energie zu übertragen. Daneben müssen aber noch weitere Aufgaben erfüllt werden: Schmierung aller Teile Verhinderung von Korrosion der bewegten Innenteile Abführung von Schmutz und Abrieb Wärmeabführung Eigenschaften von Hydraulikölen: Meist werden in der Hydraulik Mineralöle eingesetzt, deren Eigenschaften abgestimmt werden können z.b.: Viskosität. Die wichtigste Eigenschaft eines Hydrauliköls ist seine Zähflüssigkeit (Viskosität). Die Viskosität ist ein Maß für die innere Reibung des Öls. Von ihr hängt der Wirkungsgrad der Hydraulikanlage entscheidend ab. Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität ab. o Bei zu dickflüssigem Öl (hohe Viskosität) nehmen Reibungs und Strömungsverluste zu. o Βei zu dünnflüssigem Öl (niedrige Viskosität) nehmen die Schlupf und Leckverluste zu, die Schmierfilmstärke nimmt ab und der Verschleiß steigt. Viskositätsindex (VI): Kennwert für das Viskositäts-Temperaturverhalten. Je höher der VI einer Hydraulikflüssigkeit ist, desto weniger verändert sich die Viskosität bei wechselnder Temperatur. Kompressibilität: Veränderung des Ölvolumens bei Steigendem Druck. AB_070813_skript_STE.doc Seite 28 von 124

29 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Druckerzeugung Die Druckerzeugung erfolgt mittels Hydraulikpumpen. Diese arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip. Nach dem Fördervolumen unterscheidet man Konstantpumpen, Verstellpumpen und Regelpumpen. Bild 16 Unterscheidung der Hydraulikpumpen nach Fördervolumen Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist das Prinzip der Verdrängung: Hydraulikpumpen: Zellenpumpen Kolbenpumpen Zahnradpumpe Axialkolbenpumpe Flügelzellenpumpe Radialkolbenpumpe Schraubenspindelpumpe Zahnradpumpe: Funktionsbeschreibung, Schnitt: Bild 17 Schnitt: Zahnradpumpe Hydropumpen sind selbstansaugende Zahnradpumpen mit Außenverzahnung. Ihre Aufgabe ist es, einen konstanten Volumenstrom zu erzeugen und diesem gleich- zeitig nach Bedarf die erforderlichen Kräfte zu erteilen. AB_070813_skript_STE.doc Seite 29 von 124

30 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Sie bestehen im wesentlichen aus Gehäuse (1), Befestigungsflansch (2), Antriebswelle (3), zwei Lagerblöcken (4), Lagerbuchse (5) und Scheiben (6) für hydrostatischen Spielausgleich. Die bei der Drehbewegung auseinander laufenden Zähne lassen die Zahnkammern frei werden. Der dadurch entstehende Unterdruck sowie der atmosphärische Druck auf dem Flüssigkeitsspiegel im Behälter bewirken, dass der Pumpe aus dem Behälter Flüssigkeit zuläuft. Diese Flüssigkeit füllt die Zahnkammern und wird in Pfeilrichtung (Schnittzeichnung) von der Saug- und Druckseite befördert. Hier greifen die Zähne wieder ineinander, verdrängen die Flüssigkeit aus den Zahnkammern und verhindern ein Rückströmen zum Saugramm. Um einen harten und stoßweisen Lauf der Pumpe zu vermeiden sind seitlich Entlastungsnuten in den Lagerblöcken (4) angeordnet. Damit wird die sogenannte Quetschflüssigkeit in den Druckraum geleitet. Bild 18 Symbole Zahnradpumpe AB_070813_skript_STE.doc Seite 30 von 124

31 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Flügelzellenpumpe: Funktionsbeschreibung, Schnitt: Bild 19 Verstellbare Flügelzellenpumpe Hydropumpen sind Zellenpumpen in Drehflügelbauart mit Einfachflügeln und verstellbarem Fördervolumen. Die Flügelzellenpumpen bestehen im wesentlichen aus Gehäuse(1), Rotor (2) mit den Einfachflügeln (3), Stator (4), Druckregler (5), Stellschraube (6) und dem Ventil zur automatischen Entlüftung (7). Sie haben die Aufgabe, einen Flüssigkeitsstrom zu erzeugen und diesem die erforderlichen Kräfte zu erteilen. Saug- und Fördervorgang: Die für den Transport der Flüssigkeit erforderlichen Zellen (8) werden von jeweils 2 Flügeln(3), dem Rotor (2), dem Stator (4) und den Steuerscheiben (9) gebildet. Die Zellen (8) werden durch Drehung des Rotors (2) vom Saugkanal her zunehmend größer und füllen sich dabei mit Flüssigkeit. Bei Erreichen des größten Volumens sind die Zellen (8) von der Saugseite getrennt. Mit weiterer Drehung des Rotors (2) erhalten sie Verbindungen zur Druckseite, verengen sich und drücken die Flüssigkeit über den Druckkanal P in das System. Zur Begrenzung des maximalen Volumenstroms ist die Pumpe mit einer Stellschraube (6) ausgerüstet. Druckregelung: Der Statorring (4) ist kreisförmig und wird durch die Feder (10) in seiner exzen- trischen Ausgangslage gehalten. Der im System maximal erforderliche Betriebsdruck wird an der Feder (10) eingestellt. Der sich durch einen Arbeitswiderstand auf bauende Druck wirkt an der Druckseite auf die Innenlauffläche des Stators gegen die Kraft der Feder (10). AB_070813_skript_STE.doc Seite 31 von 124

32 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bild 20 Symbol Flügelzellenpumpe Ist der, der eingestellten Federkraft entsprechende Druck erreicht, wird der Statorring (4) aus seiner Exzentrizität in Richtung Nulllage verschoben. Der Volumenstrom stellt sich auf den Wert ein, der gerade entnommen wird. Ist der an der Feder (10) eingestellte Höchstdruck erreicht, so regelt die Pumpe den Volumenstrom auf nahezu Null. Der Betriebsdruck wird aufrecht erhalten und nur das Lecköl ersetzt. Durch dieses Verhalten werden Verlustleistung und Erwärmung der Flüssigkeit gering gehalten. Das Hydro-Antriebsaggregat: Da im Gegensatz zur Pneumatik bei der Hydraulik keine zentrale Energieversorgung aufgebaut wird, braucht jede hydraulische Anlage ihr eigenes Antriebsaggregat. In ihm sind alle zur Druckerzeugung notwendigen Bauteile integriert. Bild 21 Hydro-Antriebsaggregat AB_070813_skript_STE.doc Seite 32 von 124

33 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Das Antriebsaggregat (Bild 21), das als Baugruppe geliefert wird, besteht im wesentlichen aus folgenden Einzelgeräten: Dem Ölbehälter(1), der einen gewissen Vorrat an Druckflüssigkeit aufzu- nehmen und Einfluss auf deren Zustand hat. Der Hydropumpe (2), im vorliegendem Beispiel eine Pumpe mit konstantem Fördervolumen, angetrieben über einen Elektromotor, der die Druck- flüssigkeit aus dem Ölbehälter ansaugt und über entsprechende Ventile zum Verbraucher fördert. Dem Druckbegrenzungsventil (3), mit dem der Systemdruck nach oben begrenzt wird. Damit werden die Geräte und Leitungen von Überlastung geschützt. Dem Rückschlagventil(4), das bei Ausfall des Antriebsmotors verhindert, dass durch äußere Kräfte auf die Kolbenstange Druckflüssigkeit zurückströmt. Dem Filter (6), der die Druckflüssigkeit von Festkörpern bis zu einer bestimmten Kerngröße reinigt. Der Filter kann verschieden geschaltet sein; im vorliegenden Beispiel ist er im Rücklauf eingebaut. Das über eine Feder vorgespannte Rückschlagventil (5) dient der Umgehung des Filters, wenn er verstopft ist. Dem Manometer (8), an dem die Höhe des tatsächlichen Systemdrucks abgelesen werden kann. Das Blendenventil (7) schützt das Manometer von Druckspitzen und Schwingungen in der Druckflüssigkeit. Statt des Blendenventils sind auch Festdrosselventile oder Wegventile zum Schutz eingebaut Umlaufverluste in hydraulischen Anlagen Die Betriebsbereitschaft hydraulischer Anlagen erfordert meist, daß die Pumpe auch dann weiterläuft, wenn ihr Volumenstrom gerade nicht benötigt wird, z.b. in der Beschickungsphase eines Arbeitsspiels. Dann wird die Pumpe auf Umlauf geschaltet, d.h. der Volumenstrom wird auf möglichst kurzem Weg mit möglichst geringem Druckverlust in den Behälter zurückgeführt. Man benutzt dazu entweder die Mittelstellung eines Wegeventils (Bild 22 a) oder ein gesondertes Umlaufventil (Bild 22 b). Bild 22 Vermeidung von Umlaufverlusten AB_070813_skript_STE.doc Seite 33 von 124

34 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 2.4 Hinweise zu Druckluft und Hydraulik Druckluft (Pneumatik) und Hydraulik unterscheiden sich im wesentlichen durch das medium mit dem gearbeitet wird. Bei Pneumatik sind es Gase (meist Luft) und bei Hydraulik sind es Flüssigkeiten (meist Hydrauliköl). Im folgenden werden die Eigenschaften von Pneumatik und Hydraulik gegenübergestellt- Vor- und Nachteile der Pneumatik [5]: Vorteile: Hohe Geschwindigkeiten der Aktoren sind wegen des geringen spezifischen Gewichts und der geringen Zähigkeit der Luft möglich. Geradlinige Bewegungen lassen sich auf einfache Weise mit leichten, platzsparenden Zylindern verwirklichen. Druckluft-Aktoren besitzen beim Anfahren die volle Betriebskraft, bzw. das volle Drehmoment und können ohne Schaden überlastet werden. Druckluft kann in explosionsgefährdeten Anlagen eingesetzt werden. Nachteile: Druckluft ist kompressibel. Aus Sicherheitsgründen wird deshalb der Betriebsdruck auf 6 bis 10 Bar begrenzt. Zylinder können nur auf Endlagen genau gesteuert werden. Für Vorschubbewegungen müssen pneumatische Zylinder hydraulisch gedämpft werden. Zylindergeschwindigkeiten sind lastabhängig. Expandierende, ausströmende Luft erzeugt Lärm. Pneumatische Energie ist teuer. Vor- und Nachteile der Hydraulik [5]: Vorteile: Platz- und gewichtssparende Bauteile, die große Kräfte übertragen können, Schnell, feinfühlig und stufenlos verstellbare Zylinder- und Motorgeschwindigkeiten, einfache Überlastsicherung durch Druckbegrenzung. Nachteile: die Temperaturabhängigkeit der Hydrauliköle, die Leckölverluste die Strömungsverluste, die in Wärme umgesetzt werden und die Anlage aufheizen, die Schwingungsneigung und Geräuschentwicklung AB_070813_skript_STE.doc Seite 34 von 124

35 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Hinweise zur Schaltplanerstellung Aufteilung des Schaltplans Die Steuerung wird in einzelne nacheinanderliegende Steuerketten unterteilt. Die Steuerketten werden von links nach rechts, entsprechend der Reihenfolge des Funktionsablaufs, dargestellt. Anordnung der Bauglieder Bauglieder einer Steuerstrecke werden von unten nach oben, in Richtung des Energieflusses, dargestellt. Antriebsglieder Stellglieder 1V1 Steuerglieder 1V2 1V3 Signalglieder 1S1 1S3 1S2 1S4 Versorgungsglieder Bild 23 Anordnung der Bauglieder in einem Pneumatikplan Sie werden in ihrer Ruhestellung und die gesamte Steuerung in ihrer Ausgangsstellung gezeichnet. Gleichartige Bauglieder einer Steuerstrecke werden in gleicher Höhe dargestellt. AB_070813_skript_STE.doc Seite 35 von 124

36 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bauglieder einer Steuerstrecke Antriebsglieder Stellglieder Steuerglieder Signalglieder Sensoren Versorgungsglieder Zylinder, Motoren Ventile zur Steuerung der Antriebsglieder Ventile zur Signalverknüpfung Bauglieder zur Auslösung eines Befehls Bauglieder zur Meldung eines zurückgelegten Weges oder Zustands Aufbereitungseinheit, Hauptventil Bezeichnung der Bauglieder Bauglieder werden mit der Nummer der Steuerkette, einem Buchstaben für das jeweilige Bauteil und einer Zählnummer gekennzeichnet. Bauglieder: Kennzeichnung: Antriebsglieder Stellglieder Steuerglieder Signalglieder Sensoren Bezeichnung der Einbaustellen 1A1, 1A2, 2A1 usw. 1V1, 1V2, 2V1 usw. 1V1, 1V2, 1V3 usw. 1S1, 1S2, 1S3 usw. 1B1, 1B2, 2B1 usw. Bei Betätigung von Signalgliedern über den Steuernocken einer Kolbenstange wird die Einbaustelle durch einen Markierungsstrich und die Gerätekennzeichnung gekennzeichnet. AB_070813_skript_STE.doc Seite 36 von 124

37 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Leitungen und Druckquellen Leitungen sind geradlinig und möglichst Kreuzungsfrei zu zeichnen. Sie werden direkt an die Schaltzeichen der Bauglieder herangezogen. Die gleiche Druckquelle kann, um Platz zu sparen, mehrmals eingezeichnet werden. AB_070813_skript_STE.doc Seite 37 von 124

38 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Logikfunktionen Wechselventil (ODER-Funktion) Wechselventile verfügen über drei Anschlüsse. Sie können von zwei Seiten mit Druckluft beaufschlagt werden, die dann entsprechend an den Ausgang gegeben wird. Liegen beide Eingangssignale gleichzeitig an, so setzt sich das stärkere Signal durch Zweidruckventil (UND-Funktion) Es besitzt drei Anschlüsse, wovon zwei mit Druckluft beaufschlagt werden können, die dann entsprechend an den Ausgang gegeben wird. Um ein Ausgangssignal zu erhalten, ist es notwendig, dass beide Eingangssignale gleichzeitig anstehen. Gerätetechnische Realisierung der UND-Funktion AB_070813_skript_STE.doc Seite 38 von 124

39 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 1. Möglichkeit UND-Funktion durch Reihenschaltung Vorteile: Nachteile: geringster Geräteaufwand, dadurch weniger Fehlerquellen, preiswerte Lösung Mehr Leistungsbedarf, das Signal von Ventil 1S2 kann in anderen Signalverknüpfungen nicht mitverwendet werden, da es nur im Zusammenhang mit Ventil 1S1 Energie hat. 2. Möglichkeit Vorteile: Nachteile: Die Signale von den Ventilen 1S1 und 1S2 können in anderen Signalverknüpfungen mitverwendet werden. Beide Signalleitungen können auf dem kürzesten Weg zum Zweidruckventil geführt werden. Der Geräteaufwand ist größer. Energiemäßig erscheint am Ausgang immer das schwächere Signal. AB_070813_skript_STE.doc Seite 39 von 124

40 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 3. Möglichkeit UND-Funktion mit druckbeaufschlagtem 3/2-Wegeventil in Sperr-Ruhestellung. Vorteile: Nachteile: Alle Vorteile der 2. Möglichkeit. Zusätzlich besteht hier die Möglichkeit, das schwache Signal am Anschluss 12 und das Starke Signal am Anschluss 1 von Ventil 1V1 anzuschließen. Damit ist gewährleistet, dass das starke Signal am Ausgang 2 erscheint (Verstärkungseffekt). Höherer Geräteaufwand Gerätetechnische Realisierung der NICHT-Funktion Soll ein Vorgang ausgelöst werden, wenn am Eingang der Steuerung ein 0-Signal anliegt, so benötigt man ein Ventil, das aus einem 0-Signal am Eingang ein 1-Signal am Ausgang erzeugt. In der Pneumatik verwendet man hierfür ein 3/2-Wegeventil mit Durchfluss- Ruhestellung AB_070813_skript_STE.doc Seite 40 von 124

41 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 2.5 Elektrische Steuerungen Die elektrische Energie ist heute die wichtigste Energieform. Die Elektrizitätsversorgung wird über Energieversorgungsunternehmen (EVU) sichergestellt Erzeugung elektrischer Energie Kraftwerke erzeugen zentral elektrische Energie, die dann durch das Verbundnetz verteilt wird. Über große Entfernungen wird die Energie durch Hochspannungsleitungen übertragen, um dann auf niedrigere Spannungsniveaus tranformiert zu werden und schließlich beim Verbraucher anzukommen Bauglieder zur Nutzung elektrischer Energie Die Nutzungsmöglichkeiten elektrischer Energie sind sehr vielfältig. Wobei Elektromotoren in industriellen Anlagen eine große Bedeutung haben Aktorik Elektromotoren Elektromotoren erfüllen folgende Anforderungen: geräuscharm umweltfreundlich kompakte Bauweise einfache Bedienung kostengünstig wartungsfrei großes Leistungsspektrum großes Drehzahlspektrum In Schaltplänen werden Motoren fogendermaßen dargestellt M Bild 24 Symbol Elektromotor AB_070813_skript_STE.doc Seite 41 von 124

42 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Andere Nutzungsmöglichkeiten Elektrische Antriebselemente können heute Aufgaben erfüllen, die lange Zeit nur durch pneumatische Antriebselemente gelöst wurden. Beispiel: Elektrische Linearantriebe Prozessorik Die Logik verbindungsprogrammierter elektrischer Steuerungen wird in Stromlaufplänen abgebildet. Der Stromlaufplan wird immer im spannungslosen Zustand der Anlage dargestellt. Der Energiefluß wird beim Stromlaufplan von oben (+) nach unten (-) dargestellt. L+ S1 (Anlage ein) K1 S2 (Anlage aus) M K Bildzeichen in Stromlaufplänen Bild 25 Beispiel Stromlaufplan (Selbsthaltung) Kontakte sind das Gegenstück zu Ventilen. Ist der Kontakt geschlossen, fließt Strom andernfalls nicht. Bezeichnung Schließer: Verbindung im betätigten Zustand. Öffner: Verbindung im unbetätigten Zustand. Wechsler: Wechsel der Verbindung bei Betätigung Bildzeichen Tabelle 1 Bildzeichen Kontakte AB_070813_skript_STE.doc Seite 42 von 124

43 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Betätigungsarten: Bezeichnung von Hand, allgemein. durch drücken durch ziehen durch Rolle Tabelle 2 Betätigunsart von Kontakten Die gestrichelten Linien stellen Wirklinien (mechanische Verbindungen dar). Über diese Linien fließt kein Strom! Schaltverhalten Bezeichnung Raste verhindert selbsttätige Rückehr. Verzögernde Wirkung bei Bewegung nach rechts Verzögernde Wirkung bei Bewegung nach links Kennzeichen für Darstellung im Betätigten Zustand Bildzeichen Bildzeichen AB_070813_skript_STE.doc Seite 43 von 124

44 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Relais und Schütze Bezeichnung Relaisspule allgemein Bildzeichen Ansprechverzögerung Rückfallverzögerung Mit Ansprech- und Rückfallverzögerung Mit zwei getrennten Wicklungen 2.6 Elektronische Steuerung Elektronische Steuerungen bestehen aus Halbleiterbauelementen wie z.b. Transistoren, Thyristoren und Dioden. Elektronische Steuerungen zeichenen sich durch folgende Merkmale aus: Kontaktloses, verschleisfreies Schalten Hohe Schaltgeschwindigkeit Kleine Abmessungen der Schaltelemente AB_070813_skript_STE.doc Seite 44 von 124

45 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bild 26 Transistoren 2.7 Elektropneumatische Steuerung Bei elektropneumatischen Steuerungen werden die Signale durch elektrische Schalter und Sensoren in die Steuerung eingegeben, die Arbeitsschritte von pneumatischen Bauelementen durchgeführt. [1]. Y1 Bild 27 Elektropneumatische Schaltung Verbindungsprogrammiert Frage: in welchem Zustand (Betätigt, nicht Betätigt) der Schalter S1 und S2 fährt der Zylinder 1A1 aus? AB_070813_skript_STE.doc Seite 45 von 124

46 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bild 28 Elektropneumatische Schaltung Speicherprogrammierte Steuerung 2.8 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Speicherprogrammierbare Steuerungen sind heute sehr verbreitet. Bei größeren Anlagen werden mehrere SPS en eingesetzt, die über Bussysteme verbunden sein können. Zum Bedienen und Beobachten (BuB) werden Visualisierungssysteme eingesetzt. So lässt sich die Anlage besser Bedienen und Störungen können schneller diagnostiziert werden. Die Eingangs und Ausgangssignale werden an Busknoten verdrahtet und über einen Feldbus an die SPS übermittelt. Dadurch verringert sich der Verdrahtungsaufwand beträchtlich. AB_070813_skript_STE.doc Seite 46 von 124

47 2 Steuerungstechniken und deren Energieform BuB Ethernet CPU SPS Feldbus (z.b. Profibus) Busknoten Busknoten Busknoten Busknoten Busknoten Sensoren und Aktoren Bild 29 Übersicht SPS In der SPS werden die Eingangssignale verarbeitet und dem Programm entsprechend Ausgänge zugewiesen. Zum Speichern eines Zustands werden Merker verwendet. Ein Merker kann als Information 1 oder 0 enthalten. Das Programm der SPS wird zyklisch abgearbeitet. Zu Beginn des Zyklus (ca. 100ms) werden die Eingangssignale eingelesen (Prozessabbild der Eingänge). Dann wird das Programm abgearbeitet und am Ende die Ausgangssignale augegeben (Prozessabbild der Ausgänge). Eine SPS kann auch Regelungsaufgaben übernehmen. Die Regelalgorithmen werden digital abgebildet. AB_070813_skript_STE.doc Seite 47 von 124

48 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Einlesen der Eingänge (Prozessabbild der Eingänge: PAE) Zyklische Bearbeitung Anwenderprogramm - Regeln - Ablaufsteuerungen - Verküpfungssteuerung Ausgeben der Ausgänge (Prozessabbild der Ausgänge: PAA) Bild 30 SPS Zyklus AB_070813_skript_STE.doc Seite 48 von 124

49 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bild 31 Programmbearbeitung SPS [4] AB_070813_skript_STE.doc Seite 49 von 124

50 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Aufbau einer SPS am Beispiel einer Simatic S7-300 von Siemens Die SIMATIC S7-300 ist ein modulares Automatisierungssystem und bietet das folgende Baugruppenspektrum: Zentralbaugruppen (CPUs) mit unterschiedlicher Leistung, teilweise mit integrierten Ein- /Ausgängen (z.b. CPU312IFM/CPU314IFM) oder integrierter PROFIBUS- Schnittstelle (z.b. CPU315-2DP) Stromversorgungsbaugruppen PS mit 2A, 5A oder 10A Erweiterungsbaugruppen IM für mehrzeiligen Aufbau der SIMATIC S7-300 Signalbaugruppen SM für digitale und analoge Ein- und Ausgänge Funktionsbaugruppen FM für spezielle Funktionen (z.b. Schrittmotoransteuerung) Kommunikationsprozessoren CP für Netzanbindung Wie steuert die SPS den Prozeß? Die SPS steuert den Prozess, indem sogenannte Aktoren von den als Ausgängen bezeichneten Anschlüssen der SPS mit einer Steuerspannung von z.b. 24V beschaltet werden. Dadurch können Motoren ein- und ausgeschaltet, Ventile aus- und eingefahren oder Lampen ein- und ausgeschaltet werden. [4] AB_070813_skript_STE.doc Seite 50 von 124

51 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Bild 32 Schalten von Ausgängen durch die SPS [4] Woher bekommt die SPS Information über Prozesszustände? Informationen über den Prozess erhält die SPS von den sogenannten Signalgebern, die auf die Eingänge der SPS verdrahtet sind. Diese Signalgeber können z.b. Sensoren sein, die erkennen ob ein Werkstück an einer bestimmten Position liegt oder auch einfache Schalter oder Taster, die offen oder geschlossen sein können. Dabei wird noch zwischen Öffnern, die unbetätigt geschlossen, und Schließern, die unbetätigt offen sind, unterschieden. [4] Bild 33 Einlesen von Eingängen durch die SPS [4] Wo Liegt der Unterschied zwischen Öffnern und Schliessern? Der hier gezeigte Schalter ist ein Schließer, d.h. er ist genau dann geschlossen wenn er betätigt ist. [4] Bild 34 Funktion eines Schliessers [4] AB_070813_skript_STE.doc Seite 51 von 124

52 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Der hier gezeigte Schalter ist ein Öffner, d.h. er ist genau dann geschlossen wenn er nicht betätigt ist. Bild 35 Funktion eines Öffners [4] Programmiersprachen Speicherprogrammierbarer Steuerungen Funktionsbausteinsprache (FBS): Mit der Funktionsbausteinsprache lassen sich binäre Verknüpfungen wie in einem Logikplan bzw. Schaltnetzwerk darstellen. E1 E2 E3 E4 E5 E6 1 A1 Bild 36 ODER-Verknüpfung in FBS E1 E2 E3 E4 E5 E6 & A1 Bild 37 UND-Verknüpfung in FBS AB_070813_skript_STE.doc Seite 52 von 124

53 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Anweisungsliste (AWL) In AWL werden binäre Verknüpfungen folgendermaßen beschrieben: Zuerst die Verknüpfungsart z.b: U für UND O für ODER Dann das Signal z.b.: E1 FBS AWL E1 E2 E3 E4 & & 1 A1 U U O U U =A1 E1 E2 E3 E4 Bild 38 Gegenüberstellung FBS, AWL Kontaktplan (KOP) Im Kontaktplan werden die binären Verknüpfungen ähnlich wie in einem elektrischen Schaltplan dargestellt. Schließer (führt das Signal E1 1 entspricht das einer Verbindung) werden folgendermaßen dargestellt: E1 Bild 39 Schliesser in KOP AB_070813_skript_STE.doc Seite 53 von 124

54 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Öffner (führt das Signal E1 0 entspricht das einer Verbindung) werden folgendermaßen dargestellt: E1 Bild 40 Öffner in KOP Eine UND- Verknüpfung zwischen E1 und E2 sieht folgendermaßen aus: E1 E2 A1 Bild 41 UND-Verknüpfung in KOP Eine ODER- Verknüpfung zwischen E1 und E2 sieht folgendermaßen aus: E1 A1 E2 Bild 42 ODER-Verknüpfung in KOP AB_070813_skript_STE.doc Seite 54 von 124

55 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Wie sehen logische Verknüpfungen im SPS- Program aus? Logische Verknüpfungen werden dazu verwendet um Bedingungen für das Schalten eines Ausgangs festlegen zu können. Der Anschaulichkeit halber wollen wir uns hier auf FBS beschränken. Es gibt eine Vielzahl verschiedener logischer Verknüpfungen die in SPS- Programmen zur Anwendung kommen können. UND- sowie ODER- Verknüpfung und die NEGATION eines Eingangs werden jedoch am häufigsten verwendet und sollen deshalb hier kurz anhand von Beispielen erläutert werden. [4] Beispiel einer UND- Verknüpfung: Eine Lampe soll leuchten, wenn gleichzeitig zwei Schalter als Schließer betätigt sind. Erläuterung: Bild 43 Schaltplan UND-Verknüpfung [4] Die Lampe leuchtet genau dann, wenn beide Schalter betätigt sind. Wenn also die Schalter S1 und S2 betätigt sind leuchtet die Lampe H1. Beschaltung der SPS: Um diese Logik in einem SPS- Programm umzusetzen, müssen natürlich beide Schalter an Eingängen der SPS angeschlossen werden. Hier ist S1 an den Eingang E 0.0 und S2 an den Eingang E 0.1 verdrahtet. Außerdem muss die Lampe H1an einem Ausgang z.b. A 4.0 angeschlossen sein. Bild 44 Beschaltung SPS: UND-Verknüpfung [4] AB_070813_skript_STE.doc Seite 55 von 124

56 2 Steuerungstechniken und deren Energieform In Funktionsbausteinsprache FBS wird die UND- Verknüpfung durch bildliche Darstellung programmiert und sieht folgendermaßen aus: Bild 45 UND-Verknüpfung in FBS [4] AB_070813_skript_STE.doc Seite 56 von 124

57 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Beispiel einer ODER- Verknüpfung: Eine Lampe soll leuchten, wenn einer oder beide von zwei Schaltern als Schließer betätigt sind. Erläuterung: Bild 46 Schaltplan ODER-Verknüpfung [4] Die Lampe leuchtet genau dann, wenn einer oder beide Schalter betätigt sind. Wenn also der Schalter S1 oder S2 betätigt wird leuchtet die Lampe H1. Beschaltung der SPS: Um diese Logik in einem SPS- Programm umzusetzen, müssen natürlich beide Schalter an Eingängen der SPS angeschlossen werden. Hier ist S1 an den Eingang E 0.0 und S2 an den Eingang E 0.1 verdrahtet. Außerdem muss die Lampe H1an einem Ausgang z.b. A 4.0 angeschlossen sein. Bild 47 Beschaltung SPS: ODER-Verknüpfung [4] AB_070813_skript_STE.doc Seite 57 von 124

58 2 Steuerungstechniken und deren Energieform ODER- Verknüpfung im FUP: Im Funktionsplan FUP wird die ODER- Verknüpfung durch bildliche Darstellung programmiert und sieht folgendermaßen aus: Bild 48 ODER-Verknüpfung in FBS [4] Beispiel einer Negation In logischen Verknüpfungen wird es öfters benötigt abzufragen ob ein Schließer NICHT betätigt oder ob ein Öffner betätigt wurde und somit keine Spannung an dem entsprechenden Eingang anliegt. Dies geschieht durch Programmierung einer Negation am Eingang der UND- bzw. ODERVerknüpfung. Im Funktionsplan FUP wird die Negation eines Eingangs an einer UND- Verknüpfung durch die folgende bildliche Darstellung programmiert: Bild 49 Negation in FBS [4] Der Ausgang A 4.0 hat hier also genau dann Spannung anliegen, wenn E 0.0 nicht beschaltet und E 0.1 beschaltet ist. [4] AB_070813_skript_STE.doc Seite 58 von 124

59 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 2.9 Unterscheidung der Steuerungen Steuerungen einteilen nach: der verwendeten Energieform (siehe Kapitel 2.1 bis Kapitel 2.7) o Druckluft o Hydraulik o Elektrisch Programmumsetzung (siehe unten) o VPS (Verbindungsprogrammierbare Steuerungen) o SPS (Speicherprogrammierbare Steuerungen) Interne Verarbeitung o Verknüpfungssteuerung o Ablaufsteuerung AB_070813_skript_STE.doc Seite 59 von 124

60 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Programmumsetzung Die Realisierung eines Steuerprogramms kann auf unterschiedliche art und weise erfolgen. Das heißt die Signalverarbeitung kann in einer bestimmten Software erfolgen oder durch die Verbindung von Drähten (elektrische Schaltung), Schläuchen (pneumatische, hydraulische Schaltung) erfolgen. Speicherprogrammierten Steuerungen werden sehr oft eingesetzt, weil ein Umprogrammieren leichter fällt als bei Verbindungsprogrammierten Steuerungen. Das macht die Anlage flexibler. Außerdem bieten SPS en bessere Möglichkeiten zum Bedienen und Beobachten. Das heißt im Fehlerfall ist eine Diagnose leichter und damit sind die Ausfallzeiten geringer. Verbindungprogrammierbare Steuerungen (VPS) Siehe Kapitel 2.1 bis 2.7 Im Bild 50 sieht man eine Verbindungsprogrammierte pneumatische Steuerung. Durch Verändern der Verbindungen (umstecken der Schläuche) kann die Funktion der Steuerung beeinflußt (umprogrammiert) werden Bild 50 Beispiel: Verbindungsprogrammierte Steuerung (pneumatisch) So wie bei den pneumatischen Schaltungen lässt sich bei elektrische Schaltungen die Funktion auch durch Verändern der Verbindungen (umverdrahten) beeinflussen (umprogrammieren). AB_070813_skript_STE.doc Seite 60 von 124

61 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Speicherprogrammierbare Steuerungen (siehe Kapitel 2.8) +24V S1 S2 K1 K1 0V Bild 51 Beispiel: Verbindungsprogrammierte Steuerung (elektrisch) Interne Verarbeitung In der Steuerungstechnik unterscheidet man: Verknüpfungssteuerung und Ablaufsteuerung AB_070813_skript_STE.doc Seite 61 von 124

62 2 Steuerungstechniken und deren Energieform Verknüpfungssteuerung Bei der Verknüpfungssteuerung ist eine eindeutige Zuordnung von Eingangssignalen zu Ausgangssignalen möglich, da eine direkte Verknüpfung ohne speichernde Elemente erfolgt. Definition: Die Verknüpfungssteuerung ordnet den Zuständen der Eingangssignale durch Boolesche Verknüpfungen definierte Zustände der Ausgangssignale zu. [3] Eingänge Boolsche Verknüpfung Ausgänge E1 & E2 E3 & 1 E4 A1 Bild 52 Verknüpfung in Funkltionsbausteinsprache Beispiel: Ansteuerung einer Pumpe in Abhängigkeit zweier Schwellwertschalter. Einschalten eines Lüfter bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur. Schalten eines Motors in Handbetrieb Ablaufsteuerung Bei einer Ablaufsteuerung ist eine eindeutige Zuordnung von Eingangssignalen zu Ausgangssignalen nicht möglich, da die Ausgangssignale von inneren Zuständen (z.b. Schrittmerkern, Vorzustände der Eingänge) abhängig sind. Definition: Eine Ablaufsteuerung ist eine Steuerung mit zwangsläufig schrittweisem Ablauf, bei der der Übergang von einem Schritt auf den folgenden abhängig von Übergangsbedingungen erfolgt. [3] AB_070813_skript_STE.doc Seite 62 von 124

63 2 Steuerungstechniken und deren Energieform 1 Ruhezustand Hauptventil betätigt &Starttaster betätigt &1S2 (Zylinder 1A1 in Grundstellung) &2S1 (Zylinder 2A1 in Grundstellung) 2 S Zylinder 1A1 ausfahren 1R 2.1R 1S3 (Zylinder 1A1 ist ausgefahren 3 S Zylinder 2A1 ausfahren 1R 3.1R 2S2 (Zylinder 2A1 ist ausgefahren 4 S Zylinder 1A1 einfahren 1R 4.1R 1S2 (Zylinder 1A1 ist eingefahren 5 S Zylinder 2A1 einfahren 1R 5.1R 2S1 (Zylinder 2A1 ist eingefahren Bild 53 Funktionsplan einer Ablaufsteuerung Beispiel: Abnahme eines Teils von einem Montagerundtisch mittels einem Horizontalzylinder, eines Vertikalzylinders und einem Sauggreifer AB_070813_skript_STE.doc Seite 63 von 124

64 3 Steuerungstechniken 3 Steuerungstechniken In diesem Kapitel wird logische Grundfunktionen und die Darstsellung in Steuerungsplänen eingegangen werden. 3.1 Funktionsgleichungen In Funktionsgleichungen werden logische Zusammenhänge beschrieben. UND (AND) Verknüpfung: E1 E2 & A E1 E2 A Bild 54 Funktionsgleichung UND ( ) ODER (OR) Verknüpfung: E1 E2 1 A E1 E2 A Bild 55 Funktionsgleichung ODER ( ) NICHT (NOT) Verknüpfung: Die Negierung eines Signales wird durch einen Strich über diesem dargestellt E 1 A E A Bild 56 Funktionsgleichung NICHT(-) AB_070813_skript_STE.doc Seite 64 von 124

65 3 Steuerungstechniken 3.2 Funktionstabelle In der Funktionstabelle werden links alle Kombinationen der Eingänge dargestellt und rechts die Wirkung auf die Ausgänge. E1 E2 A Bild 57 Beispiel Funktionstabelle Die möglichen Kombinationen der Eingänge kann man wie folgt errechnen (für jede Kombination muß eine Zeile in der Tabelle vorgesehen werden): Anzahl der Eingänge 2 Bei 2 Eingängen hätte man 2 2 = 4 Möglichkeiten. 3.3 Logische Grundfunktionen Binäre Eingangssignale (siehe 5.3) werden in einer Steuerung durch eine Kombination von UND bzw. ODER verknüpft und das Ergebnis einem Ausgang zugewiesen Die UND-Verknüpfung (AND) Eine UND-Verknüpfung (englisch AND) liefert nur dann am Ausgang ein 1 Signal, wenn alle Eingänge 1 -Signal führen. E1 E2 A1 E E2 & A Bild 58 UND-Verknüpfung mit 2 Eingängen E1 E2 E3 E4 E5 E6 & A Bild 59 UND-Verknüpfung mit mehrerem Eingängen AB_070813_skript_STE.doc Seite 65 von 124

66 3 Steuerungstechniken Realisierung einer Und-Verknüpfung elektrisch und pneumatisch L+ E1 A E2 E1 E2 M A Bild 60 UND Verknüpfung elektrisch und pneumatisch AB_070813_skript_STE.doc Seite 66 von 124

67 3 Steuerungstechniken Die ODER-Verknüpfung (OR) Eine ODER-Verknüpfung (englisch OR) liefert dann am Ausgang ein 1 Signal, wenn mindestens einer der Eingänge 1 -Signal führt. E1 E2 A1 E E2 1 A Bild 61 ODER-Verknüpfung mit 2 Eingängen E1 E2 E3 E4 E5 E6 1 A1 Bild 62 ODER-Verknüpfung mit mehrerem Eingängen Realisierung einer ODER-Verknüpfung elektrisch und pneumatisch L+ A E1 E2 E1 E2 M A Bild 63 OR- Verknüpfung elektrisch und pneumatisch AB_070813_skript_STE.doc Seite 67 von 124

68 3 Steuerungstechniken Die NICHT-Verknüpfung (NOT) Eine NICHT-Verknüpfung (englisch NOT) liefert dann am Ausgang ein 1 Signal, wenn der Eingang 0 -Signal führt und 0 Signal, wenn der Eingang 1 führt. Sie kehrt das Signal ins Gegenteil. E A 0 1 E 1 A 1 0 Bild 64 NOT-Verknüpfung Realisierung einer NOT-Verknüpfung elektrisch und pneumatisch L+ E A E M A Bild 65 NOT Verknüpfung elektrisch und pneumatisch AB_070813_skript_STE.doc Seite 68 von 124

69 3 Steuerungstechniken UND-NICHT Verknüpfung (NAND) Eine UND-NICHT Verknüpfung (englisch NAND) besteht aus einer UND-Verknüpfung deren Ausgang negiert wird. E1 E2 & A E1 E2 A Bild 66 NAND-Verknüpfung mit 2 Eingängen E1 E2 E3 E4 E5 E6 & A Bild 67 NAND-Verknüpfung mit mehrerem Eingängen Realisierung einer NAND-Verknüpfung elektrisch und pneumatisch L+ E1 A E2 M A E1 E2 Bild 68 NAND- Verknüpfung elektrisch und pneumatisch AB_070813_skript_STE.doc Seite 69 von 124

70 3 Steuerungstechniken ODER-NICHT- Verknüpfung (NOR) Eine ODER-NICHT Verknüpfung (englisch NOR) besteht aus einer ODER-Verknüpfung deren Ausgang negiert wird. E1 E2 1 A E1 E2 A Bild 69 NOR-Verknüpfung mit 2 Eingängen E1 E2 E3 E3 E4 E5 1 A1 Bild 70 NOR-Verknüpfung mit mehrerem Eingängen Realisierung einer NOR-Verknüpfung elektrisch und pneumatisch L+ A E1 E2 M A E1 E2 Bild 71 NOR- Verknüpfung elektrisch und pneumatisch AB_070813_skript_STE.doc Seite 70 von 124

71 3 Steuerungstechniken Speicherglieder Speicherglieder behalten ihren Zustand bis dieser durch ein Eingangssignal verändert wird. RS-Kippstufe E1 E2 A1 A2 E1 S A1 0 0 Keine Änderung Keine Änderung E2 R A Unbestimmt unbestimmt Bild 72 RS FlipFlop Realisierung eines RS-Filpflop elektrisch und pneumatisch L+ E1 K1 K1 E2 K2 K2 A1 A2 K2 K1 E1 E2 K1 A1 K2 A2 M Bild 73 RS-Flipflop elektrisch und pneumatisch Einschaltverzögerung Eine Einschaltverzögung wird folgendermaßen dargestellt: T1 E1 t 0 A1 Bild 74 Einschaltverzögerung Signalablauf: E1 A1 t Bild 75 Signalablauf Einschaltverzögerung AB_070813_skript_STE.doc Seite 71 von 124

72 3 Steuerungstechniken 3.4 Steuerungspläne In Steuerungsplänen werden die Steuerungsaufgaben graphisch dargestellt. Die Steuerungspläne dienen als gemeinsame Sprache um allen an einem Projekt beteiligten die Abläufe verständlich zu machen, bzw. als Vorlage für die Programmerstellung Funktionsplan Funktionspläne sind unabhängig von der Realisierungart (z.b. pneumatische oder Elektrische Steuerung) Symbole Folgende Symbole werden in Funktionsplänen verwendet Schritte Bezeichnung Symbol Schritt allgemein Anfangsschritt Gesetzter Schritt Wirkverbindungen Bezeichnung Ablauf von oben nach unten Symbol Ablauf von unten nach oben AB_070813_skript_STE.doc Seite 72 von 124

73 3 Steuerungstechniken Befehle und Aktionen Laufende Befehlsnummer, Rückmeldung: Rückmeldung Beschreibung A Befehl ausgeben R Befehlswirkung ist erreicht X Störungsmeldung Befehlsrückwirkung ist nicht erreicht a b c Befehlsart/Aktion: Aktion Beschreibung S gespeichert D verzögert L zeitbegrenzt P pulsförmig C bedingt F Freigabebedingt N Nicht gespeichert, nicht bedingt Befehlsbeschreibung Bild 76 Befehle und Aktionen Übergangsbedingungen & E1 E2 Wenn die Übergangsbedingung erfüllt ist (E1 UND E2 führen 1 -Signal), und der vorrangehende Schritt ist gesetzt, wird der folgende Schritt gesetzt. Eigenschaften Funktionspläne: Übersichtliche grafische Darstellung von Abläufen und Bedingungen Ein Funktionsplan kann eine optimale Programmiervorlage sein, unabhängig auf welchem System oder mit welcher Programmiersprache der Ablauf programmiert werden soll. Funktionspläne können sehr viel komplexer als Funktionsdiagramme sein AB_070813_skript_STE.doc Seite 73 von 124

74 3 Steuerungstechniken Funktionsdiagramm Definition: In Funktionsdiagrammen werden die Zustände und Zustandsänderungen von Arbeitsmaschinen und Fertigungsanlagen grafisch dargestellt [1]. Zustandsdiagramme stellen die Funktionsfolgen Tabellarisch dar. Die Spalten werden mit der Zeit oder der Schrittnummer beschriftet, in den Zeilen wird der Zustand der Bauglieder dargestellt. Beispiel: 1A1 1S1 1S2 1V1 1S1 1S2 0V1 0Z1 Bild 77 Pneumatikschaltplan AB_070813_skript_STE.doc Seite 74 von 124

75 3 Steuerungstechniken Benennung Nr. Lage/Zusatand Pneumatikventil 0V1 a b 1S1 5/2 Wegeventil 1V1 a b Zylinder 1A S2 1S1 1S2 Bild 78 Funktionsdiagramm Symbole Folgende Symbole werden in Zustandsdiagrammen (Funktionsdiagrammen) verwendet Funktionslinien Bezeichnung Ruhe- oder Ausgangsstellung der Bauglieder Für alle von Ruhe oder Ausgangsstellung abweichende Zustände Bildzeichen AB_070813_skript_STE.doc Seite 75 von 124

76 3 Steuerungstechniken Signalglieder Muskelbetätigt Bezeichnung Ein Aus Ein/Aus Tippen Automatik Ein Signalglieder mechanisch betätigt Bezeichnung Grenztaster in Endlage betätigt Signalglieder pneumatisch bzw. hydraulisch betätigt Bezeichnung Druckschalter mit Einstellwert Bildzeichen Bildzeichen Bildzeichen p 6 bar Zeitglied mit Einstellwert t 2 s AB_070813_skript_STE.doc Seite 76 von 124

77 3 Steuerungstechniken Signallinie Bezeichnung Signallinie: Begin: Signalausgang Ende: wo Änderung des Zustands eingeleitet wird Signalverzweigung Bildzeichen Und-Bedingung Oder-Bedingung Eigenschaften Funktionsdiagramme: Bei Maschinenbauern bekannt Zeigen deutlich den zeitlichen Verlauf Zeigen Unterschied zwischen Bewegung und Schaltung Einsatz ist nur sinnvoll bei begrenzter komplexität der Steuerungsaufgabe AB_070813_skript_STE.doc Seite 77 von 124

78 4 Steuern und Regeln 4.1 Überblick In technischen Systemen steht man oft vor der Aufgabe eine bestimmte Ausgangsgröße Xa (Temperatur, Niveau usw.) auf einen bestimmten Wert (Führungsgröße w) zu halten oder zu bringen. Diese Ausgangsgröße lässt sich durch Änderung des Massestroms bzw. Energieflusses verändern (Brennstoffzufuhr, Produktzufuhr). Die Größe, die zur Änderung des Massestroms bzw. Energieflusses führt, wird Stellgröße Y genannt. Leider kann man nur selten einem bestimmten Wert der Stellgröße Y einen bestimmten Wert der Ausgangsgröße Xa fest zuordnen. Äußere Einflüsse führen oft dazu, das bei festem Wert der Stellgröße Y die Ausgangsgröße Xa schwankt. Diese Einflüsse werden Störgröße Z genannt. Beispiele: Die Geschwindigkeit eines Autos (Xa) wird durch die Öffnungszeit der Einspritzdüsen (Y) beeinflusst. Störgröße (Z): Gegenwind, Änderung des Luftwiderstands durch öffnen des Fensters. Die Raumtemperatur (Xa) wird durch die Stellung des Heißwasser-Zulaufventils (Y) am Heizkörper beeinflusst. Störgröße (Z): Das Fenster wird geöffnet, die Rohre verkalken. Das Niveau eines Vorratstanks (Xa) wird durch die Stellung des Zulaufventils (Y) beeinflusst. Störgröße (Z): schwankender Ablauf, schwankender Druck im Zulauf. Die Geschwindigkeit eines Fertigungsbandes (Xa) wird durch die Ansteuerung eines Thyristorsatzes (Y) beeinflusst. Störgröße (Z): Verschmutzung und damit größerer mechanischer Widerstand am Band. Das System welches mit der Stellgröße beeinflusst werden soll heißt Strecke. Das Ziel des Steuerns sowie des Regelns ist es, eine Strecke durch eine Stellgröße Y zu beeinflussen. Störgröße Z Stellgröße Y Dynamisches System: Strecke mit Stellglied Ausgangsgröße Xa Bild 79: Blockschaltbild einer Strecke AB_070813_skript_STE.doc Seite 78 von 124

79 4 Steuern und Regeln Die Stellgröße Y wirkt direkt auf das Stellglied und beeinflusst dadurch den Masse und/oder den Energiefluss. Beispiele: Durch Verändern der Gaszufuhr zu einem Brenner verändert sich die Wärmeleistung (Energiefluss) Durch Veränderung der Zudosierung von Salzsäure in einer Wasseraufbereitung ändert sich der PH-Wert der Reinigungsflüssigkeit. Die Störgrößen machen oft ein Anpassen der Stellgröße erforderlich. Beispiel: Die Geschwindigkeit eines Autos nimmt wegen Gegenwind ab => mehr Gas geben! Die Geschwindigkeit eines Autos nimmt wegen Gefälle zu => Gas weg! Gegenüberstellung Steuern und Regeln Beim Regeln werden stets Sollwert (Wert der Führungsgröße w) und Istwert (Wert der Ausgangsgröße Xa) verglichen und über einen Regelalgorithmus ständig ein neuer Stellwert (Wert der Stellgröße Y) errechnet mit dem die Ausgangsgröße Xa wieder beeinflusst wird Beim Steuern geschieht diese Anpassung nicht automatisch. Blockschaltbilder: z w Steuereinrichung y Strecke (mit Stellglied) x Bild 80 Blockschaltbild Steuern Regeleinrichtung z w Regelglied Steller y Stellglied x - Regler Strecke Vergleichsglied r Messeinrichtung, Messumformer Bild 81 Blockschaltbild Regler AB_070813_skript_STE.doc Seite 79 von 124

80 4 Steuern und Regeln Steuern ist sinnvoll, wenn: die Auswirkungen einer Störgrößenänderung vernachlässigbar klein sind oder toleriert werden können, nur eine Störgröße auftritt, die nach Art und Verlauf bekannt ist, Störgrößenänderungen selten sind, Regeln ist angebracht, wenn: verschiedene Störgrößen auftreten können, die Störgrößen nach Art und Größe unterschiedlich sind. die zu beeinflussende Größe (Regelgröße) sehr genau an den Sollwert angeglichen werden soll. Kennzeichen von Steuern: offener Wirkungsweg Kennzeichen von Regeln: geschlossener Wirkungsweg AB_070813_skript_STE.doc Seite 80 von 124

81 4 Steuern und Regeln 4.2 Blockschaltbilder Mit Blockschaltbildern lassen sich technische Systeme bzw. Anlagen darstellen und analysieren. Dabei wird zu jedem kleinen Untersystem (z.b. Lüfter, Ventil, Wärmetauscher, Heizregister) ein Modell gesucht, so dass sich ein detailliertes Blockschaltbild der Anlage ergibt. Ein Blockschaltbild beschreibt in einer Symbolsprache den dynamischen Zusammenhang innerhalb eines Systems (Regelsystems). In dem Block wird die wirkungsmäßige Abhängigkeit der Ausgangs- zu der Eingangsgröße dargestellt. Beispiel: Blockschaltbild einer Strecke mit Wärmeübergang (Verzögerungsglied höherer Ordnung Bild 82 Blocksymbol eines Verzögerungsgliedes höherer Ordnung Ein Blockschaltbild besteht aus folgenden Symbolen: Element Symbol Wirkungslinie (Größen) Block (Funktion, Operator) Addition u1 u1+- u2=v u2 v Verzweigung u u u Tabelle 3 : Symbole Blockschaltbild Je nach Anordnung der Blöcke im Blockschaltbild spricht man von Reihen, Parallel und Kreisstruktur: AB_070813_skript_STE.doc Seite 81 von 124

82 4 Steuern und Regeln Bild 83: Reihenstruktur Die Reihenstruktur ist typisch für eine Steuerung, da der Wirkungsweg nicht geschlossen ist. Bild 84 Parallelstruktur Bild 85 Kreisstruktur Die Kreisstruktur ist typisch für eine Regelung, weil der Wirkungsweg geschlossen ist. AB_070813_skript_STE.doc Seite 82 von 124

83 4 Steuern und Regeln 4.3 Steuern Der englische Begriff für Steuern ist Open loop control, das Kennzeichen des Steuerns ist also der offene Wirkungsweg. Definition: Das Steuern ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflusst. Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungsweg [3] Beim Steuern wird über einen Algorithmus ein vorhandener Systemzustand gezielt in einen anderen übergeführt ohne das das sich einstellende Ergebnis überprüft wird. Kennzeichen des Steuerns: schnell, keine Stabilitätsprobleme. Beispiel: Durchflußsteuerung Bild 86 Handsteuerung eines Durchflusses Die durch eine Rohrleitung fließende Menge eines Stoffs in einer bestimmten Zeiteinheit soll verändert werden können. Der augenblickliche Durchfluss kann an einem Messgerät abgelesen werden. Stellt man nun einen bestimmten Durchfluss mit dem Ventil (Stellglied) ein und überlässt das System sich selbst, so wird der Durchfluss sich aufgrund von Störungen (z.b. Druckschwankungen, wechselnde Entnahmen) möglicherweise ändern, ohne das dies bemerkt wird. In diesem Beispiel ist der momentane Durchfluss der Istwert. Ein gewünschter Wert für diese Größe wird als Sollwert bezeichnet. Wenn Istwert und Sollwert voneinander abweichen, wird dies vom System nicht selbstständig korrigiert. Man spricht von einem offenen Wirkungsablauf. Störungen, die den Istwert beeinflussen, können nicht eliminiert werden. Bild 87 zeigt schematisch den offenen Wirkungsablauf (Steuerkette). AB_070813_skript_STE.doc Seite 83 von 124

84 4 Steuern und Regeln Bild 87 Anlagenschema der Durchflußsteuerung Im Bild 88 sieht man das Blockschaltbild der Durchflusssteuerung: z w Steuereinrichung y Strecke (mit Stellglied) x Bild 88 Blockschaltbild der Durchflußsteuerung Aufgabe: Helligkeitssteuerung Die Helligkeit in einem Raum wird über einen Dimmer gesteuert nennen sie die Führungsgröße w, Ausgangsgröße x und eine mögliche Störgröße. AB_070813_skript_STE.doc Seite 84 von 124

85 4 Steuern und Regeln Wichtige Begriffe Begriff Erklärung Beispiel Steuerstrecke derjenige Teil des Wirkungsweges, welcher den aufgabengemäß zu beeinflussenden Bereich der Anlage darstellt. Steuereinrichtung derjenige Teil des Wirkungsweges, welcher die aufgabengemäße Beeinflussung der Strecke über das Stellglied bewirkt. (Handsteuerung) Stellglied Stellgröße Störgröße Steuerkette Ist das am Eingang einer Regelstrecke liegende Element, das unmittelbar in den zu beeinflussenden Strom von Masse und / oder Energie eingreift Ist die Ausgangsgröße der Steuer- oder Regeleinrichtung und zugleich Eingangsgröße der Strecke. Die Stellgröße ist diejenige Größe, die über die Strecke gezielt auf die Ausgangsgröße (Regelgröße) einwirkt ist die von außen wirkende Größe, die die beabsichtigte Beeinflussung in einer Steuerung beeinträchtigt Ist eine Anordnung von Systemen, die in Reihenstruktur aufeinander einwirken (z.b. Reihenschaltung von Steuergerät, Stellglied und Steuerstrecke) Stellung des Handrades Druckschwankungen in der Zuleitung Tabelle 4 Wichtige Begriffe [3] Die Beispiele in der 3. Spalte von Tabelle 4 beziehen sich auf Bild 86. AB_070813_skript_STE.doc Seite 85 von 124

86 4 Steuern und Regeln 4.4 Regeln Der englische Begriff für das Regeln ist Closed loop control, das Kennzeichen des Regelns ist also der geschlossene Wirkungsweg. Definition: Das Regeln ist ein Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf. [3] Beim Regeln werden stets Soll- und Istwert verglichen und über einen Regelalgorithmus ständig ein neuer Stellwert errechnet mit dem die Regelgröße wieder beeinflusst wird. Regeln: genauer als Steuern, berücksichtigt Störungen, aber Stabillitätsprobleme. Beispiel: Handregelung Bild 89 Handregelung eines Durchflusses In diesem Beispiel fungiert der Mensch als Regler. Er beobachtet ständig den Messwert des Durchflusses und verändert die Stellung des Stellglieds. Dadurch werden Störungen, wie z.b. wechselnder Druck in der Zuleitung ausgeglichen. Übernimmt der Mensch die Aktivitäten Messen, Vergleichen und Verstellen, so handelt es sich um eine Handregelung. Werden sie von einer technischen Einrichtung übernommen, spricht man von einer selbsttätigen Regelung. AB_070813_skript_STE.doc Seite 86 von 124

87 4 Steuern und Regeln Bild 90 Anlagenschema der Durchflußregelung Im Bild 90 sieht man die Wirkung des Istwertes auf die Stellgröße. Der Istwert wird im Regler mit dem Sollwert verglichen und daraus eine Stellgröße ermittelt. Regeleinrichtung z w Regelglied Steller y Stellglied x - Regler Strecke Vergleichsglied r Messeinrichtung, Messumformer Bild 91 Blockschaltbild der Durchflußregelung AB_070813_skript_STE.doc Seite 87 von 124

88 4 Steuern und Regeln Wichtige Begriffe Begriff Erklärung Beispiel Regelstrecke Steuereinrichtung Siehe Steuerstrecke Siehe Steuereinrichtung Stellgröße y Siehe Störgröße Siehe Stellglied Siehe Stellantrieb Regelgröße x Rückführgröße r Ist ein Gerät, das ein Stellglied antreibt Ist diejenige Größe, die in einem Regelkreis auf einen bestimmten Wert gebracht auf einem bestimmten Wert gehalten oder in vorgegebener Weise verändert werden soll. Ihr Momentanwert heißt Istwert. Ist eine aus der Messung der Regelgröße hervorgegangene Größe, die zum Vergleichsglied zurückgeführt wird. Der Durchfluß Durchfluß, der erreicht werden soll Führungsgröße w Regeldifferenz e (wird vom Vergleichsglied gebildet) Ist die Größe, an die der Istwert möglichst gut herangebracht werden soll. Ist der Wert der Führungsgröße konstant, so nennt man sie Sollwert. Differenz zwischen w und r e=w-r Durchfluß, der erreicht werden soll Unterschied zwischen Istwert des Durchflusses r und Führungsgröße w (Sollwert). Regeleinrichtung dazu zählt man alle Geräte bzw. Übertragungsglieder, die man gezielt zwischen Messfühler und Stellglied zur Beeinflussung der Regelgröße einsetzt Bild 92 Wichtige Begriffe [3] AB_070813_skript_STE.doc Seite 88 von 124

89 4 Steuern und Regeln Stetige und Unstetige Regler Die Unterscheidung in stetige und unstetige Regler richtet sich nach den Werten, die die Stellgröße Y annehmen kann. Stetige Regler die Stellgröße kann jeden Wert zwischen konstruktiv bedingten Endwerten annehmen. Vorteile: - keine Schwankungen der Regelgröße durch Schaltstöße Nachteile: - Aufwendige und teure Stellglieder. Stellgröße y Zeit Bild 93 Stellgröße eines stetigen Reglers Unstetige Regler die Stellgröße kann nur bestimmte feste Werte annehmen. Ein unstetiger Regler mit nur 2 Ausgangssignalen kann z.b. ein- und ausschalten. Bei einer Temperaturregelung kann ein solcher Regler entweder die gesamte Heizung einschalten oder total abschalten. Zwischenwerte kann er nicht einstellen. Vorteile: - Einfache Regler - Einfache und günstige Stellglieder (Schütze, Magnetventile) Nachteile: - Schwankungen der Regelgröße. Stellgröße y Zeit Bild 94 Stellgröße eines unstetigen Reglers Unstetige Regler werden oft bei Regelstrecken eingesetzt, die Träge genug sind, das sich die Schaltstöße des Stellglieds nur abgeschwächt auf die Regelgröße auswirken. AB_070813_skript_STE.doc Seite 89 von 124

90 4 Steuern und Regeln Der Zweipunktregler Beim Zweipunktregler Handelt es sich um einen unstetigen Regler. Die in der Hausgeräte- und Heiztechnik dominierenden Zweipunktregler (Bügeleisen, Kühlschrank) weisen nur zwei Werte der Stellgröße, Ein- und aus, auf. Kennzeichnend für ein derartiges Stellverhalten sind die Stellglieder: Kontaktschalter und Magnetventil. Unter den Sammelbegriff Kontaktschalter fallen hier Grenzsignalgeber, Relais und Schaltschütze. Sie alle haben eine Gemeinsamkeit, sie operieren nicht mit Zwischenstellungen. Zweipunktregler sind billig und anspruchslos. Nachteilig ist der stoßartige Betrieb mit dem sprunghaften Einschalten der vollen Höhe der Stellenenergie sowie das unvermeidbare Schwanken des Istwerts um den Sollwert. Zwischen Einschalt- und Ausschaltpunkt pendelt die Regelgröße ständig in einer begrenzten Intervallhöhe, die wir als Schwankungsbreite oder auch als Schwingspanne bezeichnen. Sie ist das kennzeichnende Merkmal der Unstetigkeit. Bild 95 Kennlinie des Zweipunktreglers AB_070813_skript_STE.doc Seite 90 von 124

91 4 Steuern und Regeln Stör- und Führungsverhalten eines Reglers Ein Regelkreis hat die Aufgabe einerseits auf Änderungen in der Führungsgröße zu reagieren andererseits aber auch auf Störgrößen zu reagieren und diese auszuregeln Störverhalten Definition Störverhalten: Das Störverhalten des Regelkreises ist das Verhalten der Regelgröße unter dem Einfluß von Störgrößen. [3] Das Störverhalten eines Regelkreises ist dann wichtig, wenn sich der Sollwert relativ zu der Störgröße wenig oder gar nicht ändert. Dann wird der Regler auf das Störverhalten hin optimiert Fürungsverhalten Definition Führungverhalten: Das Führungsverhalten des Regelkreises ist das Verhalten der Regelgröße unter dem Einfluß von Führungsgrößen. [3] Das Führungsverhalten eines Regelkreises ist dann wichtig, wenn wie z.b. bei chemischen Reaktionen der Sollwert der Regelgröße ständig verändert wird. Z.B. sollte die Temperatur eines chemischen Gemisches ein bestimmtes Profil durchlaufen, um eine optimale Reaktion der beteiligten Stoffe zu erreichen. Die Einstellungen am Regler entscheiden darüber ob der Sollwert langsam aber ohne Überschwingen oder schnell und mit Überschwingen erreicht wird. Was im Einzelfall erwünscht ist, hängt von der Aufgabenstellung ab Stetige Regler Wenn bei einem stetigen Regler eine Differenz zwischen Führungsgröße w und Regelgröße x auftritt, so wird die Stellgröße y vom Regler stetig (kontinuierlich) beeinflusst. Dabei nimmt die Stellgröße beliebige Werte zwischen 0% und 100% des Stellbereiches an. Die zeitliche Beeinflussung des Stellwertes wird bestimmt vom P-(Proprotional-) Verhalten I-(Integral-) Verhalten und D-(Differenzial-) Verhalten des stetigen Reglers. Es müssen aber nicht alle Anteile (P, I und D) realisiert sein. So hat z.b. ein PI-Regler keinen D-Anteil. In der Praxis werden hauptsächlich P, PI und PID Regler verwendet Das P-Glied Das P-Glied verstärkt das Eingangssignal xe um den Faktor Kp: AB_070813_skript_STE.doc Seite 91 von 124

92 4 Steuern und Regeln xa=kp*xe Kp xe xa Bild 96 Blockschaltbild Proprotionalglied Wie das Blocksymbol des P-Gliedes schon zeigt, sieht die Sprungantwort folgendermaßen aus: Xe Kp Xa t t Bild 97 Sprungantwort P-Glied Der P-Regler Verwendet man ein Proportionalglied in einem Regler, so erhält man einen Proportionalregler. Kp w e + y Strecke x x - Bild 98 Blockschaltbild eines P-Reglers Beim reinen P-Regler besteht zwischen der Regeldifferenz e und dem Stellwert y ein Proprtionaler Zusammenhang. Eine Veränderung der Regeldifferenz e hat sofort Auswirkung auf den Stellwert. Wenn die Regelgröße gleich der Führungsgröße ist (e=0), wird die Stellgröße gleich 0. Vorteile P-Regler: oft einfacher Aufbau schnelles Eingreifen Nachteile P-Regler: bleibende Regeldifferenz AB_070813_skript_STE.doc Seite 92 von 124

93 4 Steuern und Regeln Beispiel: y w x Bild 99 Beispiel P-Regler Das I- Glied Das I-Glied integriert das Eingangssignal xe über die Zeit. Das heißt, ein konstanter positiver Wert am Eingang führt zu einem positiven Ansteigen des Ausgangssignals. Ein konstanter negativer Wert am Eingang führt zu einem negativen Ansteigen des Ausgangssignals. Die Verstärkung Ki des I-Gliedes bestimmt die stärke des Anstiegs. Ki xe xa Bild 100 Blockschaltbild des Integriergliedes Wie das Blocksymbol des I-Gliedes schon zeigt, sieht die Sprungantwort folgendermaßen aus: Xe Ki Xa t t Bild 101 Srungantwort I-Glied Der I-Regler Verwendet man ein Integrierglied in einem Regler, so erhält man einen I-Regler. AB_070813_skript_STE.doc Seite 93 von 124

94 4 Steuern und Regeln Ki w e + y Strecke x x - Bild 102 Blockschaltbild eines I-Reglers Der Hauptnachteil des I-Reglers ist die langsame Ausregelung d.h. es dauert lange, bis eine Störung ausgeregelt ist Vorteile I-Regler: keine bleibende Regelabweichung Nachteile I-Regler: langsame Ausregelung komplizierter Aufbau Beispiel: M y x w Der PI-Regler Bild 103 Beispiel I-Regler Der PI-Regler vereinigt die Vorteile des P-Reglers (schnelles Eingreifen) mit den Vorteilen des I-Reglers durch Addition der beiden Verhalten. AB_070813_skript_STE.doc Seite 94 von 124

95 4 Steuern und Regeln xe xa Bild 104 Blockschaltbild der PI-Regeleinrichtung Wie das Blocksymbol der PI-Regeleinrichtung zeigt, sieht die Sprungantwort folgendermaßen aus: Xe Xa t t Bild 105 Sprungantwort PI-Regeleinrichtung Kp w + e + + y Ki Strecke x x - Kd Das D- Glied Das Differenzierglied bildet das zeitliche Differenzial des Eingangssignals xe. Das heißt, es ermittelt die Änderung in Abhängigkeit von der Zeit. Desto größer die Änderung pro Zeiteinheit von Xe, desto größer ist die Ausgangsgröße Xa. Kd xe xa Bild 106 Blockschaltbild des Differenziergliedes AB_070813_skript_STE.doc Seite 95 von 124

96 4 Steuern und Regeln Wie das Blocksymbol des I-Gliedes schon zeigt, sieht die Sprungantwort folgendermaßen aus: Xe Ki Xa t t Die Sprungfunktion ändert sich nur im ersten Moment (Nadelimpuls), deswegen hat die Sprungantwort nur im ersten Moment einen Wert größer 0. Das D-Glied alleine funktioniert nicht als Regler. Deswegen wird es immer mit einem I und/oder einem P-Glied kombiniert Der PID-Regler Kp w + e + + y Ki Strecke x x - Kd + Bild 107 Blockschaltbild PID-Regler Bild 107 zeigt das Blockschaltbild eines PID-Reglers. Wie man sieht, wirkt die Regeldifferenz e gleichermaßen auf das P-, I-, und D-Glied. Die Ausgangssignale der 3 Glieder werden addiert und bilden die den Stellwert y. Mit den Parametern Kp, Ki und Kd lassen sich die Anteile beeinflussen. AB_070813_skript_STE.doc Seite 96 von 124

97 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen 5.1 Aufgabenstellung Sensoren haben die Aufgabe physikalische oder chemische Eigenschaften wie Temperatur Druck Drehzahl Kraft Helligkeit Beschleunigung usw. zu erfassen. Sensoren sind in ihrer Funktion vergleichbar mit den Sinnen des Menschen: Duft Nase, Rezeptor Elektro-chemische Reizleitung Verarbeitung Gehirn Bild 108 Die Nase als Sensor In automatisierten Prozessen spielen Sensoren als Signalgeber eine wichtige Rolle. Die von ihnen erfassten Zustände der Anlage werden meist in elektrische Signale gewandelt, verstärkt und über Feldbusse oder normierte Strom (4-20mA) oder Spannungssignale (0-10V) der Anlagensteuerung zur Verfügung gestellt. Eingangsgröße: mechanisch thermisch chemisch Sensitives Material: wandeln der Eingangsgröße in eine elektrische Größe. Elektrische Größe Elektronik Sensorsignal Bild 109 Allgemeine Struktur eines Sensors Sensoren sind also die Sinne einer Steuerung oder Regelung. Mit Ihnen erfasst sie den Istzustand der Anlage Definition Sensor: Ein Sensor ist das primäre Element in einer Messkette, das eine variable Eingangsgröße in ein geeignetes Messsignal umsetzt. AB_070813_skript_STE.doc Seite 97 von 124

98 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen 5.2 Umwandlungsarten physikalischer Größen in elektrische Signale Die heutigen Anlagensteuerungen könne meist nur elektrische Signale verarbeiten. Deshalb wird hier auf die Wandlung einiger wichtiger physikalischer Größe in eine elektrische Größe eingegangen. nichtelektrische Meßgröße Xe(t) Elementarsensor (Messwertaufnehmer) Signalaufbereitungselektronik elektrische Meßgröße Xa(t) Bild 110 Aufbau des Sensors Temperatur - Thermoelektrisch - Widerstand - halbleitend Kraft und Druck - Widerstand - peizoelektrisch - induktiv - kapazitiv Widerstandsmeßfühler Bei diesen Sensoren wird der elektrische Widerstand des Sensorelementes durch die zu messende Größe beeinflusst. Der Widerstand wird von der Auswerteelektronik erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der elektrische Widerstand kann wie folgt beeinflusst werden: Länge bzw. Querschnitt Verlängert man z.b. die Länge und Querschnitt eines Kupferdrahtes, so verändert sich auch sein Widerstand nach folgender Gesetzmäßigkeit: R = ρ * l A ρ l A Anwendung: Dehnungsmessstreifen = spezifischer Widerstand = Länge = Querschnittsfläche Bild 111 Ausführungsform von Dehnungsmeßstreifen Temperatur Verändert man die Temperatur eines Kupferdrahtes, so verändert sich auch sein Widerstand nach folgender Gesetzmäßigkeit: AB_070813_skript_STE.doc Seite 98 von 124

99 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen R 20 = Widerstand bei 20 C Rw = R 20 (1 + α 20 * ϑ) α 20 = Temperaturbeiwert in 1/K ϑ = Temperaturänderung in K Rw = Warmwiderstand Anwendung: Temperaturmessung mit einem Platinwiderstand (z.b.:pt100) Induktive Meßfühler Bei diesen Sensoren wirkt die zu messende Größe auf die Induktivität des Sensorelementes. Die Induktivität wird von der Auswerteelektronik erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Induktivität unterliegt folgender Gesetzmäßigkeit: L = µ 0 *µ r * A l N 2 L = Induktivität µ 0 = Absolute Permeabilität µ r = relative Permeabilität l = mittlere Feldlinienlänge A = Spulenquerschnitt N = Windungszahl Weg s Bild 112 Veränderung der Induktivität durch Veränderung der mittleren Feldlinienlänge Die Induktivität einer Spule vergrößert sich, wenn ein Gegenstand aus einem Material mit hoher relativer Permeabilität in die Nähe kommt. Bewegt sich dieser weg, so verkleinert sie sich wieder. Anwendung: induktive Näherungsschalter AB_070813_skript_STE.doc Seite 99 von 124

100 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Kapazitive Meßfühler Bei diesen Sensoren wirkt die zu messende Größe auf die Kapazität des Sensorelementes. Die Kapazität wird von der Auswerteelektronik erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Kapazität unterliegt folgender Gesetzmäßigkeit: C = ε 0 *ε r * A d C ε 0 ε r A d = Kapazität = elektrische Feldkonstante (Luft) = Dielektrizitätszahl = Fläche = Abstand d ε 0 * ε r C A Bild 113 Einflußgrößen der Kapazität Die Kapazität wird durch die Dielektrizitätszahl des Materials zwischen den Kondensatorflächen, der Größe der Flächen und dem Abstand der Flächen bestimmt. Bewegt sich ein Gegenstand mit hoher Dieelektrizitätszahl in den Bereich zwischen den Flächen, so vergrößert sich die Kapazität des Kondensators, bewegt er sich raus verkleinert sie sich wieder. Anwendung: kapazitiver Näherungsschalter, Feuchtesensor 5.3 Arten der Ausgangssignale Je nach Aufgabenstellung, muß ein Sensor eine Ja/Nein Information liefern (Binäres Signal z.b. Füllstand erreicht) oder es wird ein Signal innerhalb eines Bestimmten Messbereichs erwartet (Temperaturmessung in einem Ofen). AB_070813_skript_STE.doc Seite 100 von 124

101 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Man unterscheidet: Analoge Signale Analoge Signale könne innerhalb eines Messbereichs jeden beliebigen Wert annehmen. Beispiel: Ein Temperatursensor liefert für den Temperaturbereich von 10 C bis 50 C ein proportionales Signal von 0 bis 10 V. 0V entspricht 10 C, 10V entspricht 50 C Das Signal kann alle Werte zwischen 0 und 10V annehmen. Analoge Signale können von analogen Steuerungen direkt verarbeitet werden. Digitale Signale Digitalen Signalen können nur eine Begrenzte Anzahl von Werten innerhalb eines Messbereichs annehmen. Beispiel: Ein Temeratursensor liefert für den Temperaturbereich von 10 C bis 50 C ein digitales Signal von 0 bis 255 dezimal. Das Signal hat eine Breite von 8 Bit damit ist die Anzahl der Kombinationen auf 256 begrenzt. Das heißt es können Maximal 256 Werte abgebildet werden und keine Werte dazwischen. Binäre Signale ein binäres Signal kann nur zwei Zustände annehmen (Ja/Nein, 0/1, An/Aus). Es ist also ein Sonderfall des Digitalen Signals es steht nur ein Bit zur Verfügung um eine Information darzustellen. In SPS en werden oft Binäre Signale verarbeitet (Lichtschranken, Näherungsschalter usw. ) und Biäre Signale Ausgegeben (Motor Ein/Aus, Ventil Auf/Zu) 5.4 Sensoren Sensoren lassen sich in passive und aktive Sensoren unterteilen: Passive Sensoren, bauchen zur Erfassung der Messgröße eine Hilfsenergie. Beispiel: Temperaturmessung mit einem PT100 : Um den Widerstand zu erfassen, muß eine Spannung (Hilfsenergie) angelegt werden. Aus Spannung und Strom errechnet sich der Widerstand. Aktive Sensoren arbeiten ohne Hilfsenergie. Beispiel: Druckmessung mit einem Piezokristall. Durch elastische Verformung des Kristalls wird eine Spannung induziert. Die Höhe der Spannung ist proportional zu der Verformung und damit zu dem Druck. AB_070813_skript_STE.doc Seite 101 von 124

102 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Eine weitere Unterteilungsmöglichkeit ist: Taktile (berührende) Sensoren und berührungslose Sensoren: Berührend (taktile) Sensoren Das Grundprinzip aller taktilen Sensoren basiert auf der mechanischen Berührung des Sensors mit dem Messobjekt. Beispiele taktiler Sensoren: o handbetätigter Taster o handbetätigter Schalter o rollenbetätigter Taster o nockenbetätigter Taster Berührungslose Sensoren Diese Sensoren können das Messobjekt ohne Berührung erfassen. Beispiel berührungsloser Sensoren: o Induktiver Näherungsschalter o Lichtschranke o kapazitiver Näherungsschalter o Ultraschallsensor Temperatursensoren Eine Temperatur kann nach folgenden Prinzipien gemessen werden: Widerstandsthermometer, elektrischer Widerstände, die ihren Widerstandswert unter dem Einfluß der Temperatur ändert. Strahlungspyrometer, Erfassung der Temperatur eines Körpers berührungslos über die Wärmestrahlung Thermoelemente, zwei verschiedene Metalle die sich berühren bilden an der Grenzschicht eine thermoelektrische Spannung. Diese Sannung ist temperaturanhängig Widerstandthermometer Metalle vergrößern ihren elektrischen Widerstand mit zunehmender Temperatur. Wird dieser temperaturabhängige Widerstand in einen elektrischen Stromkreis eingebaut, so ist der fließende Strom vom Widerstand und damit von der Temperatur abhängig. Steigt die Temperatur, so nimmt der Widerstand zu, der elektrische Strom nimmt ab. Bei fallender Temperatur nimmt der Widerstand dagegen ab und der Strom zu. Mit einem angeschlossenen Strommessgerät kann dieses Verhalten beobachtet werden. AB_070813_skript_STE.doc Seite 102 von 124

103 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Bild 114 Widerstandsthermometer Strahlungspyrometer Messgeräte, mit denen man berührungslos die Temperatur über die Wärmestrahlung erfasst, nennt man Pyrometer. Mit Strahlungspyrometern erfasst man berührungslos über relativ weite Distanz (mehrere Meter) die Temperatur von Werkstücken, z. B. in der Schmiedeindustrie. Die Pyrometer erfassen über Thermoelemente die Strahlungstemperatur der Werkstücke. Die Wärmestrahlung wird hierfür mit einer Linse aus Silicium, Quarz oder Glas auf eine Thermokette gebündelt. Der Temperaturmessbereich reicht bei der Siliciumlinse von 0 C bis 900 C, bei der Quarzlinse von 400 C bis 1200 C und bei der Glaslinse von 600 C bis 2000 C. Bild 115 Strahlungspyrometer Thermoelemente Die Temperaturmessung mit Thermoelementen beruht auf dem Effekt, dass an der Verbindungsstelle zweier Leiter aus verschiedenen Werkstoffen (z.b. Kupfer und Konstantan) eine Temperaturspannung, die sogenannte Thermospannung, entsteht, wenn an der Kontaktstelle eine andere Temperatur herrscht als an den unverbundenen Enden der Leiter. AB_070813_skript_STE.doc Seite 103 von 124

104 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Bild 116 Thermoelement Bild 117 Thermospannungen Thermoelemente gibt es als Mantelthermoelemente, die mit einem korrosionsfesten dünnen Stahlmantel umgeben sind und dadurch unter schwierigsten Umweltbedingungen eingesetzt werden können. Da die Thermospannung sehr klein ist, wird die Temperatur über elektronische Messverstärker erfasst. Diese sind für die häufigsten Thermoelementpaare kalibriert und berücksichtigen in der Anzeige die geringfügig nichtlineare Kennlinie, die zwischen Thermospannung und Temperatur besteht. Bild 118 Mantelthermoelement AB_070813_skript_STE.doc Seite 104 von 124

105 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Druck-,Kraftsensoren Eine Druckmessung kann auf eine Kraftmessung zurückgeführt werden, indem die Kraft gemessen wird, die der Druck auf eine definierte Fläche ausübt. Folgende Verfahren werden unterschieden: DMS Dehnungsmessstreifen Kapazitive Geber Kapazitätsänderung durch Krafteinwirkung Piezoelektrische Aufnehmer Durch elastische Verformung des Kristalls wird eine Spannung induziert DMS Dehnungsmessungen an Bauteilen werden mit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Reckdrähten vorgenommen (Bild 119). Sie haben den Zweck das Bauteil bei ruhender (statischer) Belastung zu überprüfen oder den Einfluss bei wechselnder (dynamischer) Belastung zu erfassen. Die Längenänderungen (Dehnungen) sind dabei sehr gering, meist nur 0,1 10 µm. Die Wirkung der Dehnungsmessstreifen beruht auf der Widerstandserhöhung eines Drahtes, wenn dieser durch Dehnung verlängert und dabei gleichzeitig im Querschnitt verkleinert wird. Dehnungsmessstreifen werden heute meist nicht mehr mit Draht hergestellt, sondern als Folien-Dehnungsmessstreifen, wobei, wie bei der Herstellung gedruckter Schaltungen, ein metallisches Messgitter in einem galvanischen Verfahren auf eine Trägerfolie aufgetragen wird. Um kleine Baulängen von wenigen Millimetern zu erhalten, sind die Leitungswege mäanderförmig aufgebracht und zwar in Längsrichtung sehr dünn und in den Umkehrschleifen, also in Querrichtung, breit. Durch die Mäanderform erreicht man eine große wirksame Leiterlänge. Die Widerstandsänderung ist bei Dehnungen in Längsrichtung entsprechend hoch und bei etwaigen Querdehnungen sehr gering. AB_070813_skript_STE.doc Seite 105 von 124

106 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Bild 119 Sensoren zur Dehnungsmessung Die Dehnungsmessstreifen werden auf das Messobjekt so aufgeklebt, dass die Messgitterlängsrichtung der Richtung entspricht, in welcher man Dehnungen bzw. mechanische Spannungen erfassen will. Zur gleichzeitigen Messung in mehreren Richtungen gibt es spezielle Dehnungsmessstreifen (Bild 2), z. B. mit Messgittern, welche unter 1200 zueinander oder unter 450 zur Streifenlängsrichtung ausgerichtet sind. Bild 120 Ausführungsform von Dehnungsmessstreifen Als Widerstandswerkstoff verwendet man meist Konstantan (60% Cu, 40% Ni) oder eine Chrom-Nickel-Legierung (80% Cr, 20% Ni). Das Messelement des Halbleiterdehnungsmessstreifens besteht aus einem etwa 15 mm dicken Siliciumstreifen, welcher aus einem Siliciumkristall herausgeschnitten ist. Die Nennwiderstände der Dehnungsmessstreifen sind 120 Ώ, 350 Ώ, 600 Ώ und 1000 Ώ. AB_070813_skript_STE.doc Seite 106 von 124

107 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Dehnungsmessstreifen müssen mit großer Sorgfalt auf das Messobjekt geklebt werden. Auf eine dünne Klebefuge ist zu achten, damit der Dehnungsmessstreifen die Dehnungen oder auch Stauchungen des Messobjekts in gleicher Weise mit ausführt. Als Kleber werden hartelastische Einkomponentenkleber oder Zweikomponenten-kleber verwendet. Einen mechanischen Schutz erhalten die Dehnungsmessstreifen nach dem Aufkleben durch Abdecken mit einem Kitt oder einer Metallkapsel Druckmessung mit Dehnungsmessstreifen Klebt man einen Dehnungsmessstreifen auf eine Membran und lässt auf diese Membran Druck einwirken, so wird er die Bewegungen der Membran mit ausführen. Je nachdem, ob der Dehnungsmessstreifen auf der einen oder der anderen Seite der Membran aufgeklebt ist, wird er in die Länge gezogen oder gestaucht. Bild 121 Druckmessung mit Dehnungsmessstreifen Durch die Längenänderung ändert sich der elektrische Widerstand. Dieser ist ein Maß für den Druck, der auf die Membran wirkt. Das Bild unten verdeutlicht die Längenänderung eines auf eine Membran aufgeklebten Dehnungsmessstreifens. Bild 122 Längenänderung DMS auf Membran AB_070813_skript_STE.doc Seite 107 von 124

108 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass eine Messsäule mit der zu messende Kraft beaufschlagt wird und sich dadurch verformt. Die Säule wird kürzer und in der Mitte dicker. Die an geeigneten Stellen angebrachten Dehnungsmessstreifen verformen sich ebenfalls, was (wie schon beschrieben) ausgewertet werden kann. Bild 123 Prinzip Kraftmeßdose Der Dehnungsmessstreifen lässt sich also überall dort effizient einsetzen, wo die zu messende physikalische Größe in eine mechanische Verformung umgewandelt werden kann. Bild 124 Kraftmeßdosen AB_070813_skript_STE.doc Seite 108 von 124

109 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Kapazitive Kraftmessung Bei der kapazitiven Kraftmessung wird die elastische Verformung eine Dielektrikums bei einer Krafteinwirkung ausgenutzt. Die Kapazität ändert sich aufgrund der Änderung des Plattenabstands (siehe 5.2.3). F εr F Bild 125 Änderung der Kapazität bei Krafteinwirkung AB_070813_skript_STE.doc Seite 109 von 124

110 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Piezoelektrische Aufnehmer Quarzkristalle und Blei-Zirkonat-Titankristalle erzeugen bei Krafteinwirkung auf ihre Oberfläche eine geringe elektrische Ladung. Die dabei entstehende elektrische Ladung ist proportional der wirksamen Kraft. Schichtet man mehrere Kristallplättchen aufeinander, erhält man eine Ladungsaddition und eine Sensorspannung. Mit Hilfe hochwertiger Verstärker, sogenannten Ladungsverstärkern, wird die Sensorspannung in ein belastbares und damit für Anzeigen verwendbares Sensorsignal umgewandelt Drehzahlaufnehmer Die Drehzahl einer Welle kann auf unterschiedliche weise erfasst werden: Induktiv die Zähne des Zahnrades Laufen an der Spule vorbei. Dadurch wird in der Spule eine Spannung induziert. Durch Zählen der Impulse pro Zeiteinheit kann man auf die Drehzahl schliessen (siehe Bild 126 Drehzahlmesssung mit Zahnrad) Fotosensitiv hier werden auch Impulse gezählt, die ein rotierndes Zahnrad oder eine rotierende Lochschscheibe an einer Lichtschranke auslösen. AB_070813_skript_STE.doc Seite 110 von 124

111 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Bild 126 Drehzahlmesssung mit Zahnrad Näherungsschalter Näherungsschalter ist ein Sammelbegriff für Sensoren, die auf Annäherung, d.h. ohne direkten Kontakt berührungsfrei reagieren. Näherungsschalter werden bei technischen Prozessen zur Positionserkennung von Werkstücken und Werkzeugen sowie als Auslöser von Sicherheitsmaßnahmen eingesetzt bzw. wenn ein direkter mechanischer Kontakt nicht möglich ist oder nicht erwünscht ist. Induktiver Näherungsschalter, reagieren auf metallische Gegenstände. Kapazitive Näherungsschalter, reagieren auf nicht leitende Werkstoffe. Magnetische Näherungsschalter (auch Reedschalter oder Reedkontaktgenannt), reagieren auf ein Magnetfeld. Optoelektronische Näherungsschalter (Lichtschranken) reagieren auf Lichtreflexion. Ultraschallsensoren reagieren auf Ultraschallreflexion Vorteile Näherungsschalter: Verschleiß und wartungsfreier Betrieb Robust wegen gekapseltem Aufbau Beispiele: Lichtschranken überwachen die Türen von Aufzügen. Solange der Lichtstrahl unterbrochen ist, kann sich die Tür nicht schließen An einem Hydraulik-oder Pneumatikzylinder erkennt ein magnetischer Näherungsschalter, wenn der Kolben die vordere oder hintere Endlage erreicht hat. AB_070813_skript_STE.doc Seite 111 von 124

112 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Induktive Näherungsschalter Induktive Sensoren (Initiatoren) besitzen keine mechanischen Schaltelemente. Induktive Näherungsschalter arbeiten kontaktlos. Daraus ergibt sich eine hohe Lebensdauer und kein mechanischer Verschleiß. Stromkreise werden über ein elektronisches Bauteil (Transistor) geschaltet, wenn sich dem Sensor ein elektrisch leitender Werkstoff nähert. Induktive Sensoren sind Signalglieder, die bevorzugt in Be- und Verarbeitungsmaschinen, Robotern, Produktionsstraßen und Fördereinrichtungen eingebaut werden.in CNC- Werkzeugmaschinen werden sie z.b. zur Überwachung der Reitstockpinolenposition eingesetzt. In induktiven Sensoren wird ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt, das über eine sogenannte aktive Fläche nach außen dringt. Wird in dieses Feld ein elektrisch leitender Werkstoff gebracht, so entsteht eine Induktionswirbelspannung. Diese entzieht dem Sensor Energie und führt zum Schalten des Transistors. Diesen Zustand nennt man 'bedämpft". Bild 127 Induktiver Näherungsschalter Die Eingangsgröße induktiver Näherungsschalter ist ein bedämpftes Magnetfeld. Die Ausgangsgröße ist eine bestimmte Spannung Die aktive Fläche liegt auf der Stirn- oder Seitenfläche der Sensoren. Das Magnetfeld der Sensoren tritt nicht nur senkrecht aus der aktiven Fläche aus. Es streut auch zur Seite. Werden induktive Sensoren nebeneinander eingebaut, muss dies berücksichtigt werden, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Induktive Sensoren werden für Wechselspannungen oder Gleichspannungsanschluss gebaut sowie in Zwei- bzw. Dreidrahttechnik. AB_070813_skript_STE.doc Seite 112 von 124

113 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Bei der Fehlersuche oder Austausch ist folgendes zu überprüfen bzw. zu beachten: korrekte Betriebsspannung richtige Polarität funktionsgerechter Einbau sicherer Schaltabstand richtiger Anschluss der Last Kapazitive Näherungsschalter Kapazitive Sensoren sind geeignet, Glas, Holz, Kunststoffe, Lebensmittel und auch flüssige Medien zu erfassen, ohne sie zu berühren. Eine Fläche des Sensors ist als Kondensatoroberfläche gebaut. Es ist die aktive Fläche des Sensors. Taucht ein nicht leitender Werkstoff in das elektrische Feld vor der aktiven Fläche ein, wird die elektrische Ladung des Kondensators verändert. Dies führt zum Umschalten des Ausgangstransistors im Sensor. Die Eingangsgröße eines kapazitiven Sensors ist eine geänderte Kondensatorladung. Die Ausgangsgröße ist eine bestimmte Spannung. Bild 128 Kapazitiver Näherungsschalter Starke Änderungen der Luftfeuchte verändern das Schaltverhalten. Um den Schaltabstand betriebssicher einstellen zu können, sind im Sensor Einstellpotentiometer eingebaut. Kapazitive Sensoren werden für Wechselspannung und Gleichspannung gebaut Magnetische Näherungsschalter Die Eingangs- und Ausgangsgrößen sind je nach Sensortyp unterschiedlich. Berührungslose Magnetschalter (Reed- Kontakt) bestehen aus zwei Bauteilen, dem Schalterteil, der den Schaltkontakt beinhaltet und einem Schaltmagneten. Nähert sich der Schaltmagnet dem Schalter ohne ihn zu berühren, so wird dessen mechanischer Schaltkontakt durch die Magnetkraft sprungartig geschlossen. Die Eingangsgröße berührungsloser Magnetschalter ist ein Magnetfeld. Die Ausgangsgröße ist eine bestimmte Spannung AB_070813_skript_STE.doc Seite 113 von 124

114 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Bild 129 Berührungsloser Magnetschalter Die Schaltelemente sind als Kontaktzungen in einem mit Schutzgas gefüllten Glaskörper eingeschmolzen. Der Luftspalt zwischen den Kontaktzungen beträgt etwa 0,2 bis 0,3 mm. Die erforderliche Magnetkraft zum Schließen oder auch Öffnen der Kontaktzungen braucht deshalb nur sehr gering zu sein. Weil die Kontakte in einem Glaskörper eingeschmolzen sind, kann Feuchtigkeit und Korrosion die Schaltsicherheit nicht beeinflussen. Neben den im Glasröhrchen eingeschmolzenen Kontaktzungen ist im Magnetschalter häufig ein kleiner Vorspannmagnet eingebaut. Dieser bewirkt mit dem Schaltmagneten zusammen das Öffnen, Schließen oder Wechseln der Schaltkontakte. AB_070813_skript_STE.doc Seite 114 von 124

115 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Bei der Fehlersuche oder beim Austausch von Magnetschaltern ist folgendes zu überprüfen bzw. darauf zu achten: richtiger Einbaustand des Magneten richtige Polarität bzw. Anfahrrichtung sicheres Öffnen bzw. Schließen der Schaltkontakte ausreichende Befestigung Optoelektronische Näherungsschalter Diese Signalgeber erfassen Gegenstände, indem ein ausgesandter Lichtstrahl unterbrochen bzw. reflektiert wird. Dieser unterbrochene bzw. reflektierte Lichtstrahl gelangt in ein lichtempfindliches Element (Fotodiode), wird elektrisch verstärkt und schaltet den Ausgang des Signalgebers. Fotoelektrische Signalgeber benötigen eine Betriebsspannung. Fotoelektrische Signalgeber bestehen aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger. Beide Bauteile können in einem Sensor eingebaut sein oder getrennte Bauteile bilden. Es entstehen dadurch unterschiedliche Bauformen, die man unterscheidet in: Einwegsysteme Reflektionssysteme mit Spiegel Reflektionssysteme Reflektionssysteme werden verwendet, wenn die Oberfläche der zu erfassenden Werkstücke einen Lichtstrahl aus dem Sender ausreichend gut reflektiert. Ist das Reflexionsvermögen ungenügend, müssen Reflexionssysteme mit Spiegel (Trippelreflektor) verwendet werden. AB_070813_skript_STE.doc Seite 115 von 124

116 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Ein Lichtstrahl aus dem Sender wird vom Spiegel reflektiert und vom Werkstück unterbrochen. Bei fotoelektrischen Einwegsystemen sind Lichtsender und -empfänger zwei Bauteile. Werden beide Bauteile gegenüberliegend in ein Gehäuse eingebaut, entstehen sogenannte Gabellichtschranken. Die Eingangsgröße fotoelektrischer Sensoren ist ein Lichtstrahl. Die Ausgangsgröße ist eine bestimmte Spannung Akustische Sensoren (Ultraschallsensoren) Ultraschallsensoren werden eingesetzt, wenn unabhängig von der Farbe, der Form und dem Material Werkstücke oder beliebige Objekte erfasst werden sollen, die Schallwellen reflektieren können. Anwendung finden sie z.b. bei der Abstandsüberwachung selbstfahrender Fahrzeuge, als Kollisionsschutz an Toren mit der Folge des automatischen Öffnens und Schließens oder bei der Füllstandsüberwachung an Behältern. Ultraschallsensoren senden Schaltimpulse im nicht hörbaren Bereich (z.b. 180 khz). Sie erfordern eine Betriebsspannung. Bild 130 Ultraschallsensor Die Eingangsgröße von Ultraschallsensoren ist ein Schallsignal. Die Ausgangsgröße eine bestimmte Spannung AB_070813_skript_STE.doc Seite 116 von 124

117 5 Sensoren und deren physikalische Messgrößen Abstandsmessung durch Laufzeitmessung Ultraschall-Abstandsensoren: Mit einem Ultraschall-Sende-/Empfangskopf, bestehend aus einem Piezokristall oder einer Stahlmembrane werden Ultraschallimpulspakete gesendet und das reflektierte Echo empfangen. Dabei wird stets das erste zurückkommende Echo ausgewertet. Befindet sich in der Schallkeule (Bild unten) ein Stab vor einer Wand, so erzeugt der Stab das erste Echo, die Wand das, danach eintreffende, zweite Echo. Mit einem solchen Sensor können Objekte in Entfernungen von etwa 6 cm bis etwa 30 m erfasst werden. Bei 30 m beträgt die Schallaufzeit fast 0,2 s für Hin- und Rücklauf (Schallgeschwindigkeit v ~ 330 m/s). Die Entfernungssignale stehen also nicht sofort zur Verfügung, sondern erst mit einiger Verzögerung. Die Ultraschallsensoren liefern je nach vorgewähltem Entfernungsbereich 4 bis 10 Messungen je Sekunde. Anwendung. Bild 131 Prinzip Ultraschallsensor Beispiele für eine Anwendung spezieller Ultraschallsensoren sind: Unwuchtmessungen Abtastung von Oberflächen oder Profilen Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung medizinische Untersuchungen AB_070813_skript_STE.doc Seite 117 von 124