Das Transfersystem MoMecS (Modulares Mechatronisches System) ist aus vielen unterschiedlichen Anlagenteilen und Komponenten aufgebaut.

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1 MoMEL e-learning system L. Wenzl Grundlagen technischer Systeme Das Transfersystem MoMecS (Modulares Mechatronisches System) ist aus vielen unterschiedlichen Anlagenteilen und Komponenten aufgebaut. Diese Anlagenteile werden korrekt als Einrichtungen bezeichnet: - Profile mit Gurtführung und Gurtumlenkung - mechanische Grundkonstruktion aus Profilschienen - Elektromotor mit Getriebeeinheit - Bedienpult mit Leuchttastern und Not-Aus-Schlagtaster - Elektroplatte mit Klemmleiste, Schützen und Motorschutzschalter Daneben sind an dem abgebildeten Transfersystem noch diverse Sensoren angebracht: - eine Reflexlichtschranke - induktive Näherungsinitiatoren Bild: Modulares Mechatronisches System MoMecS Auch die einzelnen Einrichtungen sind häufig aus einer großen Zahl Gruppen und Elementen (=Einzelteilen) aufgebaut. (s. Bild unten) So besteht beispielsweise die mechanische Grundkonstruktion neben den Profilschienen aus zahlreichen Verbindungselementen. Das Winkelgetriebe zwischen Elektromotor und Gurtförderung ist von außen überhaupt nicht einsehbar, seine Funktion und sein Aufbau können nur mit entsprechenden Vorkenntnissen erklärt werden. Alle Einrichtungen, Gruppen und Elemente erfüllen bestimmte Aufgaben. Erst das geordnete Zusammenwirken aller Anlagenteile bewirkt die gewünschte Funktion. System Einrichtung Gruppe Element Gesamtheit der selbstständig verwend- nicht mehr selbstständig kleinste, unteilbare Einrichtungen zur bare Einheit innerhalb verwendbare Einheit Einheit in einer Gruppe Auftragserfüllung eines Systems z.b. Motor innerhalb der Einrichtung z. B. Schraube

2 MoMEL e-learning system L. Wenzl Untergliederung eines Systems am Beispiel einer elektrischen Bohrmaschine: Bohrmaschine System Elektrische Energie Mechan. Energie Schalterposition Drehzahl Einrichtungen des Systems Handbohrmaschine Schalter Motor Gehäuse Gruppen der Einrichtung Motor Rotor Stator Elemente aus der Gruppe Rotor Kollektor Lager Facharbeiter(innen) sollen aufgrund ihrer Ausbildung - an Anlagen und Geräten folgende Arbeiten durchführen können: planmäßige Montage-, Erweiterungs- und Änderungsarbeiten sachgemäße Bedienung und Wartung systematische Suche und Beseitigung von Fehlern und Störstellen Zur Erfüllung dieser Aufgaben ist ein entsprechendes Verständnis für den Aufbau und die Wirkungsweise der jeweiligen Anlage erforderlich. Mit Mitteln der Systemtechnik ist es möglich, umfangreiche Anlagen in überschaubare Teile (=Teilsysteme) zu zergliedern und nur die jeweils interessierende Funktion zu betrachten (z. B. Antrieb des Transfersystems mittels Elektromotor)

3 MoMEL e-learning system L. Wenzl Systemtechnische Grundlagen Begriffsdefinition System Die Systemtechnik ist eine Betrachtungsweise, mit deren Hilfe sich komplizierte technische Zusammenhänge vereinfacht darstellen lassen. Anlagen, Maschinen und Geräte werden hierbei als Systeme bezeichnet. Symbolisch werden diese Systeme meist mit einem Kasten gekennzeichnet. Zugeführte bzw. abgegebene Größen werden durch Pfeile dargestellt. Größe x System Größe y Technische Systeme sind Anordnungen von Anlagenteilen, die durch ihr Zusammenwirken eine vorgegebene Funktion ausführen. Anwendungsbeispiel Elektromotor: System Elektrische Energie Elektromotor M 3~ Mechanische Energie Technische Systeme können in ihrem Aufbau und in ihrer Funktion sehr unterschiedlich beschaffen sein. Nachfolgende Beispiele verdeutlichen dies: System System System System Kühlschrank Elektromotor Mobiltelefon Personalcomputer System MoMecS (Transfersystem) Bild: Beispiele technischer Systeme

4 MoMEL e-learning system L. Wenzl Ein technisches System hat jedoch immer folgende Eigenschaften: es ist nach außen hin abgegrenzt (Systemgrenzen) es verfügt über Eingangs- und Ausgangsgrößen es führt eine Funktion aus, die Ein- und Ausgangsgrößen verknüpft es hat eine Hauptfunktion, die übergeordnet ist Festlegung der Systemgrenzen Technische Systeme stehen häufig mit anderen Systemen bzw. mit der Umwelt in Verbindung. Das Zusammenwirken der einzelnen Anlagenteile ist oftmals schwer zu durchschauen, weshalb komplizierte Anlagen oft in mehrere Teilsysteme gegliedert werden. Um eine planvolle Inbetriebnahme oder Reparatur zu ermöglichen, müssen die sog. Systemgrenzen erkannt bzw. festgelegt werden. Im folgenden Beispiel besteht eine Fördereinrichtung aus mehreren aufeinanderfolgenden Transferbändern. Bei Inbetriebnahmen bzw. Reparaturen ist zuerst die fehlerfreie Funktion jedes einzelnen Teilsystems sicherzustellen. Erst wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann auch ein fehlerfreies Zusammenwirken der Teilsysteme gelingen. M 3~ M 3~ M 3~ Systemgrenze Die Systemgrenze trennt ein betrachtetes System von seiner Umgebung bzw. Umwelt Damit ein Teilsystem mit weiteren, anderen Systemen zusammenarbeiten kann, muss es mittels Schnittstellen an die zugehörigen Partner angekoppelt werden. Mittels entsprechender Normung wird diese Zusammenkopplung von Teilsystemen wesentlich erleichtert (z. B. genormte Schraubverbindungen, Datenschnittstellen, Druckluftanschlüsse )

5 MoMEL e-learning system L. Wenzl Eingangs- und Ausgangsgrößen von Systemen An den Systemgrenzen erfolgt ein Austausch mit anderen Systemen bzw. mit der Umwelt. Deshalb stellen die Systemgrenzen Schnittstellen dar, die häufig gewissen Vorgaben entsprechen müssen. Die Beschaffenheit dieser Schnittstellen kann sehr unterschiedlich sein: - mechanische Schnittstellen (Maße, Toleranz, Kupplungen, Befestigungen...) - elektrische Schnittstellen (Spannungspegel, Potential, Verbindungstechnik...) - pneumatische und hydraulische Schnittstellen (Druck, Anschluss...) - Datenschnittstellen (Übertragungsprotokoll, Übertragungsmedium, Anschluss...) Prinzipiell lassen sich die Signale an den Systemgrenzen in drei Klassen unterteilen: Energie (z. B. elektrische Energie, Druckenergie, Drehmoment) Stoff (z. B. Druckluft, Treibstoff, Rohstoffe) Information (z. B. Schaltsignale, Anzeigewerte, Messergebnisse) Eingangsgröße Hauptfunktion Ausgangsgröße Energieumsetzung Energie Elektr. Energie Stoff Umgebungsluft System Druckluftkompressor Energie Druckenergie Stoff Druckluft Information Schaltsignale Information Druckanzeige Beispiel: Eingangs- und Ausgangssignale an einem Druckluftkompressor Häufig treten die Fehler in mechatronischen Systemen an den Schnittstellen zwischen einzelnen Teilsystemen auf: - mechanische Staus, Abnutzung, Reibung, Bruch, Lockerung - leckende Hydraulik- und Pneumatikverbindungen - Wackelkontakte, Übergangswiderstände, Erdschlüsse - Datenübertragungsfehler, Datenverlust -...

6 MoMEL e-learning system L. Wenzl Andererseits bieten Schnittstellen an den Systemgrenzen auch die Möglichkeit, Teilsysteme auf ihre korrekte Funktion hin zu überprüfen: - mechanische Deformierungen, Abnutzung, Schlupf, Drehzahl... - Eingangs- bzw. Ausgangsdruck der Pneumatik bzw. Hydraulik - Eingangs- bzw. Ausgangsspannung der elektrischen Energie - Aufzeichnung der eingehenden bzw. gesendeten Daten - Messung von Schaltsignale an Initiatoren, Gebern Hauptfunktionen technischer Systeme Technische Systeme werden nach ihrer Hauptfunktion in drei Klassen eingeteilt. Technische Systeme Energieumsatz Stoffumsatz Informationsumsatz Hauptfunktion Umsetzungsart Umwandeln Umformen Transport Speichern Energieumsetzung Stoffumsetzung Informationsumsetzung Ändern der Energieart z. B. Elektromotor Ändern der Größe einer Energieart z. B. Transformator Übertragen der Energie zu anderem Ort z. B. Leitungen Speichern der Energie z. B. Akkumulator, Kondensator Ändern der Stoffzusammensetzung z. B. Härteofen Ändern der äußeren Form eines Stoffes z. B. Presse Fördern eines Stoffes zu einem anderen Ort z. B. Förderband, Aufzug Lagern von Stoff z. B. Flüssigtank, Silo Umwandeln von Informationen z. B. Mikroprozessor Verändern des Trägers der Information z. B. Modem Übertragen von Informationen zu anderem Ort z. B. Bussysteme Festhalten von Informationen z. B. CD, Diskette Tabelle: Arten der Umsetzung in technischen Systemen

7 MoMEL e-learning system L. Wenzl Erläuterung der Hauptfunktion Stoffumsatz Maschinen, die Stoffe transportieren zählen zu den Stoff umsetzenden Systemen. Derartige Systeme verändern zwar die Stoffe (Grundstoffe, Halbzeuge, Fertigprodukte) nicht in Ihrer äußeren Form bzw. in ihrer Zusammensetzung. Sie können jedoch die Lage bzw. den Aufbewahrungsort dieser Stoffe ändern. In flexiblen Fertigungssystemen erfolgt der Stofffluss durch: - Transport (Förderbänder, Förderschnecken, Pumpen, Gebläse ) - Lagern (Hochregallager, Magazine, Silos, Tanks ) - Handhaben (Roboter, Greifersysteme ) Transportieren und Handhaben an einer Umsetzeinheit (bestehend aus Transportband und 3-achsiger, pneumatischer Linearfördereinheit)

8 MoMEL e-learning system L. Wenzl Steuerungstechnische Grundlagen Merkmale einer Steuerung Unter Steuern versteht man in der Technik den Einsatz von Hilfseinrichtungen, die einen Prozess relativ selbständig nach einem vorgegebenen Programm ablaufen lassen. Meist haben Steuerungen die Aufgabe, in einem System Energie- oder Materialflüsse zu leiten. Beispiele: - Transportsteuerungen in automatischen Lagern - Steuerung von Werkzeugmaschinen - Steuerung von Anlagen der Getränke-/Lebensmittelindustrie - Steuerung von Wasch-/Geschirrspülmaschinen, Waschanlagen -... Bei Steuerungsvorgängen findet jedoch im Gegensatz zu Regelungsprozessen keine Rückkopplung der Ausgangsgröße (Steuergröße) statt. Deshalb ist auch kein Soll-Ist-Vergleich möglich. Der Wirkungsweg in der sog. Steuerkette ist nicht geschlossen. Störgrößen z Steuereinrichtung Steuerstrecke mit Stellglied Führungs- Stellgröße y Steuergröße w größe Offener Wirkungsablauf = Steuerkette Bild: Steuerkette mit offenem Wirkungsablauf Steuern ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen aufgabengemäß beeinflussen. Typisch für eine Steuerung ist der offene Wirkungsablauf. (nach DIN 19226)

9 MoMEL e-learning system L. Wenzl Eine oder mehrere Eingangsgrößen wirken über eine Steuereinrichtung auf die Strecke. Eine Rückführung oder Rückmeldung des Ausgangssignals x auf den Eingang findet nicht statt. Kennzeichen für die Steuerung ist der offene Wirkungsweg über die Übertragungsglieder oder die Steuerkette. Greifen an der Steuerstrecke Störgrößen z an, so bewirken diese eine Abweichung der Steuergröße x vom beabsichtigten Sollwert w. Da diese Abweichung wegen der fehlenden Istwerterfassung nicht erkannt wird, kann auch kein Ausgleich der Störung erfolgen. Im System liegt eine Sollwertabweichung vor, die evtl. Bedienereingriffe notwendig macht. Vorteile von Steuerketten: Ausgangsgröße (Steuergröße) wird nicht gemessen, Verringerung des Schaltungsaufwandes Offene Wirkungsabläufe sind einfacher zu durchschauen als geschlossene Kreisläufe einfachere Fehlersuche und Störungsbeseitigung Bei Auftreten von Störgrößen z kann ohne Zeitverzögerung in den Ablauf eingegriffen werden. Dies ist bei Regelungen (s. u.) nicht ohne weiteres möglich bzw. erlaubt Nachteile von Steuerketten: Der Prozess muss bekannt sein, bevor in das Verhalten des Steuerungsablaufes Eingegriffen werden kann Treten Störgrößen auf, so müssen diese gemessen werden. Nur so kann der Bediener angemessen auf diese reagieren Es gibt keine Rückmeldung, ob durch einen Steuereingriff die gewünschte Änderung der Steuergröße erreicht wurde

10 MoMEL e-learning system L. Wenzl Anwendungsbeispiel: Steuerung eines Kreissägen-Motors Energiefluss z = Störgröße(n) Aufgabengröße (Steuergröße) Stellglied Steuerstrecke x Steuereinrichtung y = Stellgröße w = Führungsgröße Schalter= Steuereinrichtung Laststrom -K1 Schütz = Stellglied -K1 M 3~ Motor = Steuerstrecke Beschreibung: Die obige Steuerung des Elektromotors ist in diesem Fall relativ einfach, da es nur die beiden Zustände EIN/AUS gibt. Selbstverständlich gilt das obige Blockschaltbild auch für aufwändigere Steuerungsaufgaben (z. B. Wendeschütz, Stern-Dreieck-Schaltung, Frequenzumrichter..) Mittels der Steuereinrichtung (hier Schalter) wird der Sollwert (EIN/ max. Drehzahl und Drehmoment) gegeben. Der Steuerstrom (=Stellgröße) bewirkt ein Schließen des Motorschütz (=Stellglied). Dies hat ein Einschalten des Laststromes zur Folge, was die Drehzahl (=Steuergröße) auf von Stillstand auf die Nenndrehzahl anhebt, die Kreissäge kann benutzt werden.

11 MoMEL e-learning system L. Wenzl Unterscheidungsmerkmale von Steuerungen Steuerungen können sich in ihrer technischen Ausführung in vielfältiger Weise unterscheiden. - nach der Form der Hilfsenergie - nach dem Programmablauf - nach der Art der technischen Realisierung (kontaktlos, kontaktbehaftet) - nach der Signalform (analog, binär, digital) a) Unterscheidung nach der verwendeten Hilfsenergie Als gröbstes Unterscheidungsmerkmal kann die Form der Hilfsenergie dienen: - Mechanische Steuerungen - Pneumatische Steuerungen - Hydraulische Steuerungen - Elektrische/ elektronische Steuerungen Ausführungsformen von Steuerungen Unterschieden nach der Form der Hilfsenergie Mechanische Steuerung Pneumatische Steuerung Hydraulische Steuerung Elektrische, elektronsiche Steuerung - Getriebe - Stoppeinrichtungen - Pressvorgänge - Schützsteuerung - Kupplungen - Umsetzer - Hubeinrichtungen - SPS-Steuerung - Pendel-Uhr - explosinsgefährdete Bereiche Vergleich der Eigenschaften der drei häufigsten Steuerungs-Hilfsenergien: Medium: Elektrischer Strom Pneumatik Hydraulik Speicherfähigkeit nur mit hohen Verlusten sehr gut mit geringen Verlusten Transportfähigkeit sehr weite Entfernungen möglich weite Entfernungen möglich nur kurze Entfernungen möglich Erzielbare Geschwindigkeit sehr schnell 0,1-10 m/s sehr schnell bis 1,5 m/s schnell bis 0,5 m/s Stoffeigenschaften saubere Energieform, universell umwandelbar und einsetzbar auch in explosionsgefährd. Bereichen möglich, nur geringe Kräfte möglich, da kompressibel gute Materialverträglichkeit, wegen geringer Kompression hohe Krartübertragung

12 MoMEL e-learning system L. Wenzl Anwendungsbeispiel: Mechanische Steuerung der Absturzsicherung (Fangvorrichtung) in Aufzugsanlagen Aufzugsanlagen müssen nach Sicherheitsvorgaben so konstruiert sein, dass ein Absturz der Kabine ausgeschlossen ist. Dabei muss von den ungünstigsten Bedingungen ausgegangen werden: Ausfall der Versorgungsspannung Riss sämtlicher Drahtseile (bei Seilaufzügen) Platzen der Hydraulikleitung (in hydraulischen Aufzügen) Die sog. Fangvorrichtung funktioniert aus diesen Gründen auch weiterhin einzig nach mechanischen Prinzipien: Es handelt sich um eine mechanische Steuerung, deren Auslösung durch einen mechanischen Fliehkraft-Betätiger (=Sensor) erfolgt. Als Aktoren dienen Fangkeile (=Bremsbacken), die sich - auf Grund der Schwerkraftselbsthemmend zwischen Aufzugskabine und Führungsschienen klemmen. 2 n > 3 4 Funktionsweise: Die Fahrgastkabine (1) würde abstürzen, wenn sämtliche Tragseile (2) reißen. Da diese redundant (=mehrfach) mit entsprechenden Sicherheitszuschlägen vorhanden sind, ist dies sehr unwahrscheinlich In diesem Fall würde das Reglerseil (3) eine höhere Geschwindigkeit als üblich erfahren. Der mechanische Fliehkraft- Betätiger (4) würde auslösen und eine Sperrklinke in die obere Umlenkrolle einfahren. Das Reglerseil (3) bleibt stehen, was an der Aufzugskabine die sog. Fangvorrichtung aktiviert: Zwischen Aufzugskabine (1) und Führungssschienen (5) werden Fangkeile(6) eingeschoben, welche die abstürzende Kabine nicht schlagartig sondern mit einer gewissen Verzögerung stoppen, damit die Fahrgäste keine Wirbelverletzungen erleiden. Der TÜV überprüft im Abstand von zwei Jahren das Auslösen der Fangvorrichtung bei voll beladenem Aufzug (Nennlast). Man kann nach der Überprüfung an den Fangschienen ca cm lange Kratzspuren feststellen, die das Ansprechen der Fangvorrichtung belegen.

13 MoMEL e-learning system L. Wenzl b) Unterscheidung nach der Art der Programmbearbeitung Weiterhin kann man unterscheiden, ob eine Steuerung ein vorgegebenes Programm strikt abarbeitet, oder ob sie flexibel auf Ereignisse reagieren kann. Programmablauf Ablaufsteuerung ereignisgesteuert Autowaschanlage Geschirrspüler NC-Fertigunsgsprozesse Ablaufsteuerungen arbeiten nach einem zwangsläufig schrittweisen Ablauf. Der Fortschritt innerhalb des Steuerungsprozesses kann zeitgesteuert -ereignisabhängig (z. B. Temperatur) oder -zeitabhängig (z. B. Aufwärmzeit) sein Ablaufsteuerungen werden zumeist anhand sog. Zustandsdiagramme dokumentiert. Programmes bewertet. Anahd der Ergebnisse erfolgt eine Ansteuerung der Ausgabesignale (Aktoren) Verknüpfungssteuerung flexible Fertigungssysteme Lager- und Transportsysteme Aufzugsanlagen Verknüpfungssteuerungen verknüpfen die Eingabesignale und ordnen das Ergebnisse den programmäßig zugeordneten Ausgabesignalen zu. Bei den Verknüpfungssteuerungen werden die Eingangssignal anhand des Hierzu werden in erster Linie - Logische Verknüpfungsfunktionen (UND, ODER, NICHT, NAND, NOR..) - Zeitfunkttionen (TIMER) - Zählfunktionen (COUNTER) - Speicherfunktionen (MERKER) verwendet. Die Programmierung kann anhand sog. Schrittketten erfolgen. Hierbei wird ein Schritt nach dem anderen ausgeführt. Der Übergang zum jeweils nächsten Schritt erfolgt erst, wenn die sog. Transitionen (Weiterschaltbedingungen) erfüllt sind. Die Programmierung kann dabei zumweist in - alphanumerischem Code (z. B. Anweisungliste AWL, Assembler..) oder - graphisch ( z. B. Funktionsplan FUP, Kontaktplan KOP) erfolgen

14 MoMEL e-learning system L. Wenzl c) Unterscheidung nach der technischen Realisierung Am Beispiel elektrischer Steuerungen sollen Unterscheidungsmerkmale zwischen fest verdrahteten Steuerungen (VPS) und programmierbaren Steuerungen (SPS) aufgezeigt werden. Elektrische Steuerungen lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: Elektrische Steuerungen Verbindungsprogrammiert (VPS) - Schütz-/Relaissteuerungen -fest verdrahtete Schaltungen (z. B. Wire-wrap, Termipoint) - kontaktlose Steuerungen (z. B. logische Gatter auf elektronischen Baugruppen) Speicherprogrammiert (SPS) - Mikroprozessor-gesteuert - Programmspeicherung in ROM, RAM, EPROM, EEPROM - genormte Schnittstellen und Spannungspegel bei Anbindung der Peripherie d) Unterscheidung nach der Signalform Steuerungen kommunizieren mit der Peripherie (=Umgebung) mittels Signalaustausch. Die physikalische Beschaffenheit (elektrisch, pneumatisch, hydraulisch) hängt von der verwendeten Hilfsenergie ab. Die Art der Hilfsenergie ist allerdings nicht das einzige Kriterium für die Beschaffenheit der Signale. Auch die Form in der die Signale aufbereitet werden ist wichtig, damit die einzelnen Steuerungskomponenten (Sensoren, Automatisierungsgerät, Aktoren) die gleiche Sprache sprechen. Vor allem die elektrischen Signale bieten eine große Anzahl genormter Signalformen, die durch Signalpegel (physikalisch z. B. Spannungshöhe) und Protokolle (datentechnischer, zeitlicher ÜBertragungsablauf) festgelegt sind.

15 MoMEL e-learning system L. Wenzl Grundsätzlich gilt, dass Steuersignale in drei verschiedenen Formen vorliegen können: analog binär digital x y z Erklärung Es ist jeder beliebige Zwischenwert innerhalb des vorgegebenen Bereiches möglich Beispiele t t t Analogsignal Binärsignal Digitalsignal Nur ZWEI Zustände möglich: EIN-AUS, Größe vorhanden bzw. nicht vorhanden Manometer-Druckanzeige, analoges Amperemeter, Widerstands-Fühler Leuchtmelder, Taster Schütz, Lichtschranke Induktiver Initiator Kapazitiver Sensor In der Sensorik sind häufig alle drei Signalformen anzutreffen: - Analogsignale (0-10V, 0-20 ma) bei Temperaturfühlern, Füllstands- und Druckmeldern usw. Nur best. Zwischenwerte innerhalb des vorgeg. Bereiches. Darstellung in digital codierter Form Digitale Spannungsanzeige, alle Sensoren mit digitalem Ausgang (Daten-Schnittstelle) - Binärsignale (meist 0V - 24 V DC) bei fast allen geläufigen induktiven, kapazitiven und optischen Sensoren (Bero, Lichtschranken, Lichttaster) sowie: Taster-Signale und Meldeleuchten - Digitalsignale bei allen Sensoren, die über Schnittstellen (z. B. RS 232 = Serielle Datenschnittstelle) verfügen. Diese Sensoren können wesentlich detaillierte Informationen an die Steuerungsgeräte übermitteln, als dies mit binären Sensoren möglich ist. Diese Signalform wird häufig als Fuzzy-Logic (=unscharfe Logik) bezeichnet, da sie über das binäre 0/1-Verhalten hinausgeht, indem mehrere mögliche Anzeigestufen ermöglicht werden. Im Gegensatz zur Analogtechnik existieren jedoch Genau definierte Signalstufen, es sind nicht beliebig viele Werte möglich. So kann beispielsweise ein digitaler Füllstandssensor eine rel. genaue Angabe über den Befüllgrad eines Behälters geben. Ultraschall-Initiatoren können den angeschlossenen Steuerungssystemen in codierter Form Angaben über die Entfernung von erfassten Objekten machen usw. Auch bei den Aktoren (Stellgliedern) nehmen -neben den binär angesteuerten Aktoren (Schütz, Ventil) - auch Stellglieder mit analogen und digitalen Signal-Schnittstellen immer mehr zu. Als Beispiel seien hier Frequenzumrichter zur sanften Drehzahlsteuerung von Drehstrommotoren genannt. Bei ihnen ist es häufig möglich, die Drehzahl mittels Analogsignal (0-10 V DC) oder mittel Digitalsignal (genormte Bus-Schnittstellen z. B. PROFI-Bus) zu verändern.

16 MoMEL e-learning system L. Wenzl Kombination verschiedener Steuerungstechniken am Beispiel der elektropneumatischen Steuerung In den meisten Fällen enthalten industrielle Steuerungen mehrer Hilfsenergien (Elektro, Pneumatik bzw. Hydraulik). Diese wirken zusammen und ermöglichen so eine Optimierung der Anlagensteuerung. Die elektropneumatische Steuerung vereinigt die Vorteile der beiden Hilfsenergien: Elektropneumatische Steuerung Steuerteil: Signale in elektrischer bzw. elektronischer Form Arbeitsteil: Signale in pneumatischer Form Eingabeglieder Verarbeitung Ausgabeglieder Antriebsglieder Schalter PC Magnetventile mit Pneumatikzylinder Initiatoren SPS elektromagnetischer sonstige pneumat. Tastatur, Display VPS Betätigung Antriebe Der Steuerteil besteht aus elektrischen bzw. elektronischen Gebern (Taster, Sensoren.. ) und einer elektronischen Steuerung (PC, SPS, Mikroprozessor). Die Vorteile hierbei sind: - geringer Platzbedarf - schnelle Signalverarbeitung - rasche Umprogrammierung ohne Umbau-Aufwand - geringer Energiebedarf Der Arbeitsteil enthält Ausgabeglieder (Magnetventile) und Antriebsglieder (Pneumatikzylinder) in pneumatischer Bauweise. Die Vorteile der Pneumatik sind hierbei: - große Kraftübertragung bei geringer Bauform - schnelle Reaktionszeit - kostengünstige, wartungsarme Antriebe

17 MoMEL e-learning system L. Wenzl Vergleich VPS SPS Bei Verbindungsprogrammierten Steuerungen (= VPS) ist die Steuerfunktion (Programm) durch die Art der Verdrahtung realisiert. Eine Änderung des Steuerablaufes führt deshalb fast immer zu einer Schaltungsänderung, was kosten- und zeitintensiv sein kann. Bei Speicherprogrammierbaren-Steuerungen (SPS) werden alle Geber (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) der Reihe nach an die Steuerung angeschlossen. Eine bestimmte Schaltungslogik ist hierbei nicht zu beachten. Die Zusammenschaltung zwischen Sensoren und Aktoren wird vom Programm realisiert. Deshalb ist bei Funktionsänderungen ein Hardwareeingriff in den meisten Fällen nicht erforderlich. An nachfolgendem Beispiel sieht man, dass Hilfskontakte nicht notwendig sind, da diese über das Programm realisiert werden können. Ebenso erübrigen sich - gegenüber konventionellen Steuerungen - separate Zeitrelais. SPS-Steuerungen enthalten nämlich bereits zahlreiche Timer-Funktionen, mittels derer sich zeitabhängige Steuerungsbefehle programmieren lassen, ohne dass dafür separate Hardware erforderlich würde. L+ L+ - S0 -S0 -S1 Digital Input Eingabe - S1 -K1 CPU + Speicher Verarbeitung Digital Output Ausgabe -K1 Motorschütz -K1 Motorschütz GND GND Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) Speicherprogrammierte Steuerung (SPS) Steuerungstyp VPS SPS Vorteile Nachteile robust, störunempfindlich, zuverlässig, weit verbreitet, geringe Hardwarekosten großer Platz- und Energiebedarf nur binäre Funktionen möglich z.t. langsame Signalverarbeitung hoher Verdrahtungsaufwand Steuerfunktionen fest verdrahtet aufwändige Umverdrahtung bei Programm-Änderungen mechanischer Verschleiß, Wartung geringer Platzbedarf, wartungsarm hohe Zuverlässigkeit, kein Verschleiß schneller Komponentenwechsel geringer Verdrahtungsaufwand einfache Änderung der Steuerfunktion mittels Software, Überwachung und Test mittels Visualisierung, Anbindung mittels Schnittstellen Hohe Hardwarekosten bei kleinen Anlagen, serieller Programmablauf

18 MoMEL e-learning system L. Wenzl Regelungstechnische Grundlagen Im Kapitel Steuerungstechnische Grundlagen haben Sie sich über die prinzipielle Funktion von Steuerungsvorgängen informiert. Die folgenden Teile des Kurses sollen Ihnen den Unterschied zwischen Steuern und Regeln verdeutlichen. Bei der Arbeit mit dem MoMecS werden Sie überwiegend mit Steuerungsvorgängen zu tun haben. Da es jedoch Teil Ihrer Ausbildung ist, auch regelungstechnische Vorgänge zu betreuen wird an dieser Stelle auf die Regelungstechnik eingegangen. Zudem sind in der heutigen Automatisierungstechnik Steuer- und Regelungsvorgänge eng miteinander gekoppelt, weshalb es wichtig ist, beide Prinzipien unterscheiden zu können Unterscheidung Steuerung - Regelung Wie Sie bereits wissen sollten, laufen Steuerungsvorgänge in einem offenen Wirkungsweg (Steuerkette) ab. Eine oder mehrere Eingangsgrößen wirken über eine Steuereinheit auf die Strecke. Eine Rückführung oder Rückmeldung des Ausgangssignals x a auf den Eingang x e findet nicht statt. x e1 x en.. Steuereinheit Strecke x a Bild: Steuerung; Steuerkette - offener Wirkungsweg z 1 z 2 z 3 Die Regelung unterscheidet sich von der Steuerung dadurch, dass der Regelungsvorgang in einem geschlossenen Kreis, dem sog. Regelkreis abläuft. Strecke Eine zu regelnde Größe x (Istwert) wird fortlaufend erfasst, mit der Führungsgröße w (Sollwert) verglichen und - falls erforderlich - so abgeändert, dass zwischen Sollwert und Istwert keine Abweichung existiert. x y Regler w Regelung; Regelkreis - geschlossener Wirkungsweg Bild:

19 MoMEL e-learning system L. Wenzl Anwendungsbeispiel 1: Klimaanlage im Auto Steuerung: Einfache Klimaanlagen werden mittels des Kalt-Warm- Stellers im Pkw eingestellt. Dadurch ergibt sich ein gewisser Kältestrom, der sich jedoch nicht an veränderte Bedingungen (z. B. Aussentemperatur steigt/fällt) anpasst. kalt Die Temperatur des Innenraumes muss durch Verändern des Kalt-Warm-Stellers an die Bedürfnisse der Fahrzeuginsassen angepasst werden. Hierbei erfüllt der Mensch den Regler, der die aktuelle Temperatur fühlt, diese mit seinem Wunsch-Sollwert vergleicht, und letztendlich den Kalt-Warm-Steller (= Stellglied) verändert. Eine konstante Temperatur, die über längere Zeit hinweg konstant bleibt, wird sich mit diesen ungeregelten Klimaanlagen in den seltensten Fällen erzielen lassen. Deshalb ist zumeist händisches Nachstellen erforderlich. Regelung: Höherwertige Fahrzeuge besitzen eine geregelte Klimaanlage ( Climatronic ). Hierbei wird vom Fahrer ein Sollwert vorgegeben (z. B. 21 o C) auf dem sich die Innentemperatur einstellen soll. Durch fortwährenden Soll-Ist-Vergleich wird entsprechend den Erfordernissen gekühlt (Sommer) bzw. geheizt (Winter). Die Temperatur der Fahrgastkabine (=Regelstrecke) wird so lange beeinflusst, bis die aktuelle Temperatur ( =Istwert) an den Vorgabewert (= Sollwert) angeglichen ist. Bei Veränderung der Bedingungen (Aussentemperatur, Verändern der Wunschtemperatur) reagiert die Regelung unmittelbar mit vermehrtem Kühlen bzw. Heizen. Somit werden derartige äußere Störungen (=Störgrößen z) eliminiert, d. h. in diesem Fall ausgeglichen. 21 o C warm + - Anwendungsbeispiel 2: Steuerung und Regelung von hydraulischen Aufzügen Personen und Lastenaufzüge werden meist über hydraulische Druckkolben gefahren Steuerung: Das Anfahren der einzelnen Stockwerke erfolgt anhand von Steuerungsvorgängen. Die Benutzer geben durch Tastendruck Fahrbefehle, die Haltebefehle werden durch Sensoren gegeben, sobald der Lift bestimmte Positionen erreicht hat. Regelung: Damit der Lift sanft anfährt und auch wieder ruckfrei hält, sorgt eine Regelung im Hydraulikkreis für den erforderlichen Druck im Kolben. Dieser wird durch die Beladung (Anzahl von Personen) bereits ohne sonstiges Zutun verändert. Die Regelung muss dafür sorgen, dass nun dieser Kolbendruck an die entsprechenden Erfordernisse angepasst wird.

20 MoMEL e-learning system L. Wenzl Funktionsprinzip des Regelkreislaufes Die einzelnen Bestandteile eines Regelkreises sind mit Fachbegriffen gekennzeichnet. Auch die Signale erhalten genormte Bezeichnungen, die das rasche Erfassen der Zusammenhänge in den sog. Blockschaltbildern ermöglichen. Derartige Blockschaltpläne werden auch als Wirkungspläne bezeichnet. Sie stellen die funktionalen Zusammenhänge anschaulich dar. Störgrößen z 1 z 2 z 3 Stellgröße y Regelstrecke mit Stellglied Regelgröße x Geschlossener Wirkungsablauf = Regelkreis Messumformer (Wandler) Regler Bild: Regelkreis in Blockdarstellung (Wirkungsplan) Rückführgröße r (=Istwert) w (=Sollwert) Führungsgröße Führungsgrößengeber Regeln ist ein Vorgang bei dem die zu regelnde Größe ständig gemessen und mit dem Sollwert (Führungsgröße) verglichen wird. Dieser Soll-Ist-Vergleich findet in einem geschlossenen Wirkungsablauf (Regelkreis) statt. Bei Abweichungen zwischen Soll- und Istwert erfolgt eine Angleichung der Regelgröße. Im Gegensatz zur Steuerung kann der Einfluss von Störgrößen verringert werden.

21 MoMEL e-learning system L. Wenzl Regelkreissignale: Regelgröße x: Größe der Regelstrecke, die geregelt werden soll. Beispiele von Regelgrößen sind: Temperatur, Druck, Drehzahl, Füllstand usw. Aufgabe der Regelung ist es, a) die Regelgröße auf einem konstanten Wert zu halten (z. B. Temperatur = 21 o C) oder b) die Regelgröße anhand einer vorgegebenen Sollwertkurve zu beeinflussen, siehe Folgeregelung. Anwendungsbeispiel Heizung: Die Zimmertemperatur soll durch entsprechendes Anpassen der Vorlauftemperatur auf einem konstanten Wert gehalten werden. In der Nacht wird jedoch die Führungsgröße verringert, was als Nachtabsenkung bezeichnet wird. Führungsgröße w: Veränderlicher Wert, der der Regelung von außen zugeführt wird. Sie stellt den Sollwert dar, auf den dir Regelgröße angeglichen werden soll. Die Führungsgröße kann a) ein fester Wert sein (s. Festwertregelung) b) ein variabler Wert sein (s. Folgeregelung und Zeitpunktregelung) Stellgröße y: Ausgangsgröße der Regeleinrichtung, die der Regelstrecke zugeführt wird. Stellgrößen können sein: Ausgangssignal eines Reglers, Ventilhub, Drehwinkel am Mischer, Massenund Volumenströme, usw. Stellbereich Y h : Größtmögliche Änderung der Stellgröße. Störgröße z: Von außen wirkende Größe, die die beabsichtigte Beeinflussung in der Regelung beeinträchtigt. Istwert x i : Momentaner Wert der Regelgröße Regelabweichung x w = x w: Abweichung von der Führungsgröße. Regeldifferenz x d = w - x: bzw. e = w - r Negative Regelabweichung; wird auch häufig als e bezeichnet.

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