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1 Inhalt 1 Sensoren in der Mechatronik Auswahl und Entwicklung Spezifikationen Wirkungsweise von Sensoren Messunsicherheit und Prüfmittel Zuverlässigkeit von Sensoren Mechanische Schaltsensoren Binäre Eingangsbaugruppe für SPS Risikoabschätzung bei Eingabeschaltern TouchScreen-Monitore Pad-Tastaturen Folientastaturen Tastaturen für SPS-Anlagen Tastaturen in Gummischaltmatten Sensoren zum Erfassen mechanischer Größen Potentiometrische Weg- und Winkelsensorik Kontaktloses Potentiometer Dehnungsmessstreifen Messen einer mechanischen Biegung Messung der Torsionsmomente Messen von Temperaturen NTC-Widerstände oder Heißleiter PTC-Widerstände oder Kaltleiter Lasergetrimmte Temperatursensoren Thermoelemente Widerstandsthermometer mit Pt100 bzw. Ni Anschluss eines Widerstandsthermometers Optoelektronische Abtastsysteme Einwegsysteme Reflexionslichtschranken Reflexionslichttaster Näherungssensoren Induktive Näherungsschalter Kapazitiver Näherungsschalter Ultraschall-Sensoren Radar-Sensoren

2 2 Steuerungen mit SPS-Anlagen Hard- und Software einer S5-SPS Arbeitsweise einer SPS Zentraleinheit mit ihren Speichereinheiten Binäre Eingangsbaugruppen Binäre Ausgangsbaugruppen Programmiersprache STEP Programmierung nach Kontaktplan Programmierung nach Funktionsplan Programmierung nach Anweisungsliste Programmentwicklung mit der S Funktionen des Buchhalters Programmieren mit dem KOP-Editor Programmierung mit dem FUP-Editor Programmierung mit dem AWL-Editor UND-Verknüpfung in SPS-Technik ODER-Verknüpfung in SPS-Technik UND-vor-ODER-Verknüpfung ODER-vor-UND-Verknüpfung Berücksichtigung der Geber/Sensoren Speicherfunktionen RS-Flipflop Speicherndes Verhalten durch Selbsthaltung Arbeitsweise des Merkers Merker mit speicherndem Verhalten Flankenauswertung Zeitfunktionen Vorgabe der Zeitdauer Starten einer Zeit als Impuls Starten einer Zeit als verlängerter Impuls Starten einer Zeit als Einschaltverzögerung Starten einer Zeit als speichernde Einschaltverzögerung Starten einer Zeit als Ausschaltverzögerung Zählerfunktionen Grundfunktionen des Zählers Beispiel für einen Vorwahlzähler Zählerfunktion zur Überwachung Regelungstechnik Grundlagen der Regelungstechnik

3 3.1.1 Aufbau einer Regelung Signalflussplan und Blockschaltbild Darstellung von Übertragungsgliedern Darstellung von Regelstrecken Sprungantwort oder Übergangsfunktion Simulation von Regelstrecken (Übertragungsglieder) Proportionales Übertragungsglied Übertragungsglied mit Verzögerung 1. Ordnung Übertragungsglied mit Verzögerung 2. Ordnung Integral wirkendes Übertragungsglied Differenzierend wirkendes Übertragungsglied Differenzierendes Übertragungsglied mit Verzögerung 1. Ordnung Differenzierendes und proportionales Übertragungsglied mit Verzögerung 1. Ordnung Tt-Übertragungsglied Untersuchung von Reglertypen P-Regler I-Regler D-Regler PI-Regler PD-Regler PID-Regler Aufbau und Wirkungsweise unstetiger Reglertypen Zweipunktregler Zweipunktregler in einer Strecke 1. Ordnung Leistungssteuerung mit einem Zweipunktregler Zweipunktregler in einer Strecke höherer Ordnung Dreipunktregler Regeltechnisches Praktikum Untersuchung einer Füllstandsregelung Untersuchung einer Temperaturregelung Untersuchung einer Rührkesselkaskade Untersuchung einer vollautomatischen Ablaufsteuerung Elektromotoren, Antriebstechnik und Maschinenrichtlinien Grundlagen, Eigenschaften und Projektierung Wirkungsweise des Asynchronmotors Schlupf, Moment und Drehzahl Sicherheitsaspekte für Motorantriebe

4 4.1.4 Ermittlung des Sicherheitsniveaus Verriegelungseinrichtungen mit und ohne Zuhaltung Not-Aus-Einrichtungen Sicherheitsschalter mit erhöhtem Anspruch Schalter mit Sicherheitsverriegelung Aktive und passive Sicherheitsmerkmale Elektrische Sicherheit Ansteuerung für Drehstrommotoren Drehstromantriebe mit einer oder mehreren festen Drehzahlen Dimensionierung aus Lastmoment, Schwungmasse und Schalthäufigkeit Sanftanlauf und Sanftumschaltung Steuerungen für Drehstrommotoren Befehlsgeräte für Motorsteuerungen Selbsthalteschaltung Schutzschaltung mit Redundanz Motordaten Praktische Antriebsauslegung Getriebebauarten Riemenantriebe Spindelantrieb Antriebsauslegung für Transportband Antriebsauslegung für Aufzugsbetrieb Mechanische Verstellgetriebe Auswahl für ein Verstellgetriebe Auswahl für ein Untersetzungsgetriebe Wirkungsgrad und Verluste Magnetfeld Ersatzschaltbild für Asynchronmotoren Bremsmotoren Regelung von Antriebssystemen Definition der Servotechnik Vergleichskriterien für Antriebssysteme Drehzahländerungen Schlupfsteuerung Verlustfreie Steuerung durch Frequenzänderung Belastungscharakteristik Synchronmotor Reluktanzmotor Motorauswahl mit CD-ROM

5 4.5.1 Antriebsauslegung für Zahnradantrieb Antriebsauslegung für Riemenantrieb Antriebsauslegung für Spindelantrieb Antriebsauslegung für Transportband Auslegung eines Aufzugsantriebs Benutzerdefinitionen für Maschinenelemente Beanspruchung und Festigkeit Achsen und Wellen Lager und Führungen Kupplungen Dichtungen Benutzerdefinitionen Hinweise zu den CD-ROM Zur CD-ROM Zur CD-ROM Stichwortverzeichnis

6 3 Regelungstechnik Der Begriff der Regelungstechnik kennzeichnet einen Vorgang, der weit über den Bereich der Technik (Elektrotechnik, Elektronik, Mechanik, Maschinenbau, Hydraulik, Pneumatik, Fertigungstechnik, Luftfahrt, Medizin usw.) hinausgeht und in der Mechatronik ein wichtiges Bindeglied darstellt. Überall dort, wo ein Prozess automatisch und ständig abläuft, findet man die unterschiedlichsten Regelstrecken, für die geeignete Reglertypen vorhanden sind. Die Elemente für die Mechatronik und Automatisierung sind diverse Steuerungs- und Regelungseinrichtungen aus den einzelnen Fachdisziplinen. Ein Steuerungsvorgang unterscheidet sich prinzipiell von einem Regelungsvorgang durch seinen Wirkungsablauf. Die wesentliche Aufgabe einer Regelung besteht darin, bestimmte Größen wie Drehzahl, Temperatur, Spannung, Druck, Strom, Helligkeit usw. auf den vorgeschriebenen Wert zu bringen und diesen entgegen allen Störeinflüssen konstant zu halten. Diese Aufgabe erscheint auf den ersten Blick recht einfach, enthält aber zahlreiche unterschiedliche Probleme, derer man sich meistens nicht bewusst ist. Bei der Lösung einer Regelungsaufgabe kommt es in erster Linie nicht auf die Kenntnis der komplizierten und recht ungenauen Rechenverfahren oder das Auswendiglernen einer der vielen Näherungsgleichungen an, sondern auf den Zusammenhang der internen und externen Einflüsse, die auf einen Regelkreis einwirken. Die zu regelnde Anlage, die Regelstrecke und der Regler bilden zusammen einen geschlossenen Regelkreis. Für alle Regelkreise gelten wie für die Regelungstechnik immer die gleichen Gesetzmäßigkeiten. Mit PC-Simulation lassen sich Regelkreise erheblich günstiger optimieren, da die einzelnen Parameter sehr schnell eingestellt werden können. 3.1 Grundlagen der Regelungstechnik Die physikalischen Einheiten in der Regelungstechnik sind in der Praxis recht unterschiedlich: Für Regelgröße, Störgröße und Regeldifferenz verwendet man meistens die gleiche physikalische Einheit wie Celsius, Kelvin, bar, Volt, Ampere, Positionierung, Durchfluss, Umdrehungen/Minute, Füllhöhe in Metern usw. Die Stellgröße kann proportional zu einem Heizstrom in Ampere oder einem Gasstrom in m 3 /min sein, vielfach ist es auch ein Druck, der in bar angegeben wird. Der Stellbereich entspricht der maximalen Stellgröße und hat demzufolge ebenfalls die gleiche Einheit. Mit dem Begriff der Regelung ist der Begriff der Steuerung verknüpft. Regeln und Steuern werden vielfach nicht genau auseinandergehalten. In DIN ist die Steuerung wie folgt definiert: 149

7 Die Steuerung oder Regelung ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als die Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeit beeinflussen. Kennzeichen für eine Steuerung ist der offene Wirkungsablauf über das einzelne Übertragungsglied oder die Steuerkette Aufbau einer Regelung Den Begriff der Regelung definiert DIN so: Das Regeln (die Regelung) ist ein Vorgang, bei dem eine Größe, die zu regelnde Größe (Regelgröße), fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe (Führungsgröße) verglichen und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in einem geschlossenen Kreis (Regelkreis) statt. Im geschlossenen Kreis, also dem Regelkreis, ist deutlich der Wirkungsablauf zu erkennen. Der geschlossene Kreis von Bild 3.1 zeigt den Unterschied zu einer Steuerung. Bei der Regelung soll der Wert einer Größe, die Regelgröße (Ausgangsgröße) x, unabhängig von den Störgrößen z, deren Verlauf häufig nicht bekannt und nicht messbar ist, einen gewünschten Verlauf annehmen. Dabei soll die Regelgröße x zu allen Zeitpunkten möglichst gleich der Führungsgröße w sein. Zu diesem Zweck wird die Regeldifferenz gebildet; Regeldifferenz = Führungsgröße Regelgröße Die Regeldifferenz bewirkt über den Regler eine Stellgröße y, die auf die nachfolgende Regelstrecke einwirkt, wobei die Regelgröße der Führungsgröße nachgeführt wird. Bild 3.2 zeigt den Signalflussplan, der um die Vergleichsstelle erweitert wurde. Es ist hier sofort die Beziehung für die Regeldifferenz x d zu erkennen: x d = w x Störgröße z w y x Regler mit Vergleichsstelle am Eingang Strecke Bild 3.1 Signalflussplan einer Regelung 150

8 Regeleinrichtung z w Vergleichsstelle + x d Regler y Strecke x x Bild 3.2 Prinzip einer Regelung Die Hauptaufgabe einer Regelung besteht also darin, die Regeldifferenz auf null zu bringen. Aus diesen prinzipiellen Unterschieden ergeben sich einzelne Vor- und Nachteile zwischen einer Steuerung und einer Regelung. Vorteil einer Steuerung: Der Aufwand für eine Steuerung ist meistens sehr gering, und eine Messung ist nur erforderlich, wenn eine Störgröße erfasst und beseitigt werden soll. Bei einer Steuerung kann die Führungsgröße auch mit Hilfe eines Zeitprogrammgebers zeitabhängig erzeugt werden, oder sie kann prozessabhängig arbeiten. Bei Einsatz eines Programmzeitgebers spricht man von einer steuerprogrammierbaren Steuerung (SPS), bei einer prozessabhängigen Führungsgröße dagegen von einer Folgeregelung. Nachteil einer Steuerung: Die auftretenden Störungen werden nicht automatisch erfasst, d.h., es ist für jede Störgröße eine Messung erforderlich. Weiterhin müssen alle Faktoren der zu steuernden Strecke bekannt sein, um die Steuerung entsprechend nachzubilden. Vorteil einer Regelung: Die Störgrößen werden sofort erfasst und ausgeregelt. Der vorgegebene Wert wird genauer eingehalten, und je nach Regelkreis lassen sich unterschiedliche Regelwirkungen erreichen. Nachteil einer Regelung: Der Aufwand der benötigten elektrischen, elektronischen, mechanischen, hydraulischen und pneumatischen Systeme ist um ein Vielfaches höher, und es sind immer Messungen über Sensoren erforderlich. Im Regelkreis hat man folgende regeltechnische Größen: Regelgröße (Istwert) x: Sie ist die Größe in der Regelstrecke, die zum Zweck des Regelns erfasst und dem Regler zugeführt wird. Die Regelgröße soll durch den Regelvorgang konstant zur Führungsgröße sein, wie das Beispiel für die Raumtemperaturregelung zeigt. Führungsgröße (Sollwert) w: Es handelt sich um einen vorgegebenen Wert, auf dem die Regelgröße durch die Regelung gehalten werden soll. Der Sollwert ist eine von der Regelung nicht beeinflussbare Größe und wird von außen zugeführt. 151

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