Inhalt. Teil A Aufgaben

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1 Inhalt Teil A Aufgaben Station Mischen Aufgabe 2.1: Analyse und Sichtung der Anlage Aufgabe 2.1.1: Bezeichnung der Prozesskomponenten A-5 Aufgabe 2.1.2: RI-Fließbild vervollständigen A-7 Aufgabe 2.1.3: Pneumatischen Schaltplan vervollständigen A-9 Aufgabe 2.1.4: Ermitteln der technischen Daten der Anlage A-11 Aufgabe 2.1.5: Erstellen der Zuordnungsliste A-13 Aufgabe 2.2: Messen und Steuern Aufgabe 2.2.1: Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe A-17 Aufgabe 2.2.2: Logische Verknüpfung A-25 Aufgabe 2.2.3: Arbeitsbereich und Arbeitspunkt einer Regelstrecke A-35 Aufgabe 2.2.4: Identifizierung der Regelstrecke A-39 Aufgabe 2.2.5: Mischen nach Menge A-43 Aufgabe 2.3: Regeln Aufgabe 2.3.1: Zweipunkt Regler A-47 Aufgabe 2.3.2: Regeln mit stetigen Reglern (P, I, PI) A-49 Aufgabe 2.3.3: Manuelles einstellen der Regelparameter A-55 Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-1

2 Inhalt A-2 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

3 Station : Mischen Lernziele Information Projektauftrag Sie kennen den Aufbau und die Funktionsweise der Station Mischen. Sie können Fließbilder lesen und ergänzen. Sie können pneumatische Schaltpläne lesen und ergänzen. Sie kennen den Aufbau und die Funktionsweise der Pumpe. Sie kennen den Aufbau und die Funktionsweise des Durchflusssensors. Sie kennen den Aufbau und die Funktionsweise des Prozessventils Sie kennen den Aufbau und die Funktionsweise des Grenztasters. Sie können die Belegung der Sensoren und Aktoren der Station ermitteln und in einer Zuordnungsliste darstellen. Sie können Kennlinien aufnehmen und analysieren. Sie können ein logisches Verknüpfungsprogramm erstellen. Sie können den Arbeitsbereich und den Arbeitspunkt einer Regelstrecke ermitteln. Sie können einen 2-Punkt Regler konfigurieren und das Regelverhalten beurteilen. Sie können stetige Regler (P, PI, PID) konfigurieren und das Regelverhalten beurteilen. Sie können stetige Regler (P, PI, PID) nach einer manuellen Einstell-Methode parametrieren. Die Station Mischen wird zum Teilautomatisieren eines Produktionsprozesses in ihrem Unternehmen eingesetzt. Um die Station später in Betrieb zu nehmen, machen Sie sich mit der Funktion der Station und den wichtigsten Prozesskomponenten vertraut. Zur Analyse der Station kann die Simulationsbox, digital/analog; EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS mit Touchpanel verwenden werden. Informationen zu der Station und den Prozesskomponenten können Sie dem Stationshandbuch, Betriebsanleitungen und Datenblätter entnehmen. 1. Beantworten Sie die Fragen bzw. lösen Sie die Aufgaben zu den Grundlagen der angeführten Lerninhalte. 2. Analysieren und ergänzen Sie die Schaltpläne. 3. Erstellen Sie eine Zuordnungsliste. 4. Ermitteln Sie die Kennlinien der Komponenten und beurteilen Sie daraufhin die Komponenten. 5. Erstellen Sie ein Logikprogramm. 6. Überprüfen Sie den Schaltungsablauf. 7. Ermitteln Sie den Arbeitspunkt der Regelstrecke. 8. Stellen Sie unstetige und stetige Regler ein und beurteilen Sie deren Verhaltensweise. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-3

4 A-4 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

5 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Bezeichnung der Prozesskomponenten Blatt 1 von 2 Information Planung Durchführung Die Station Mischen besteht aus 3 kleinen Vorratsbehältern und einem Mischbehälter. Mit einer Pumpe und 3 Prozessventilen wird das Medium aus den Vorratsbehältern in den Mischbehälter gepumpt. Während des Pumpens wird mit einem Durchflusssensor der aktuelle Volumenstrom gemessen. Mit einer zweiten Pumpe wird die Flüssigkeit zur nächsten Station oder wieder zurück in die Vorratsbehälter gepumpt. Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Die Bezeichnungen der Komponenten sind im elektrischen Schaltplan, sowie im RI-Fließbild der Station zu finden. Ermitteln und ergänzen Sie die Bezeichnungen der Prozesskomponenten im Anlagenfoto! Bezeichnung der Prozesskomponenten Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-5

6 Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Bezeichnung der Prozesskomponenten Blatt 2 von 2 Bezeichnung der Prozesskomponenten Nr. Bezeichnung Bedeutung bzw. Funktion 1 2/2-Wege Kugelhahn 2 B201 3 Näherungssensor Tank B201 oben 4 Durchflusssensor 5 P201 Auswertung Für den Näherungssensor finden Sie im elektrischen Schaltplan bzw. RI-Fließbild für die Station Mischen zwei unterschiedliche Beschriftungen. Erläutern Sie den Unterschied. Verständnisfragen A-6 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

7 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage RI-Fließbild erstellen Blatt 1 von 2 Information Das RI-Fließbild ist eine technische Zeichnung der Verfahrenstechnik. Es stellt in schematisierter Form Verfahrensabschnitte dar. Das RI-Fließbild gibt den geometrischen Verlauf der Rohrleitung wieder. Außerdem werden die Steuer- und Regelungskomponenten nach DIN dargestellt. Messgrößen werden als EMSR- Stellen laut Norm DIN beschrieben. Planung Durchführung Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Die Bezeichnungen und Symbole der Komponenten finden Sie im Teil B- Grundlagen der Teachware. Sammeln Sie Informationen über die richtige Bezeichnung und Symbole und Ergänzen Sie das RI-Fließbild für die Station Mischen! RI-Fließbild Die Bezeichnung der Komponenten im RI-Fließbild ermöglicht ein Interpretieren der Funktion der Prozesskomponenten. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-7

8 Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage RI-Fließbild erstellen Blatt 2 von 2 Beschreiben Sie Bedeutung bzw. Funktion nachstehender Bezeichnungen! Funktionsbeschreibung der Komponenten Bezeichnung FI Bedeutung bzw. Funktion Durchflusssensor LS- LA+ Analoge Pumpe V Auswertung Was ist der Unterschied zwischen FI und FIC? Was ist der Unterschied zwischen LA+ und LS+? Verständnisfragen A-8 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

9 MPS PA Station Mischen Aufgabe2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Pneumatischen Schaltplan vervollständigen Blatt 1 von 2 Information Planung Durchführung Als Unterscheidungsmerkmal für die Zuordnung von pneumatischen Bauteile zur jeweiligen Elementengruppe, gilt die Anordnung in einem pneumatischen Plan. Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Die Schaltpläne, Bezeichnungen und Symbole der Komponenten finden Sie im Teil B- Grundlagen, Teil D- Anhang der Teachware und FluidSim Pneumatik. Sammeln Sie Informationen über die richtige Bezeichnung und Symbole der pneumatischen Komponenten und Ergänzen Sie den pneumatischen Schaltplan für die Station Mischen! Pneumatischer Schaltplan Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-9

10 Aufgabe2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Pneumatischen Schaltplan vervollständigen Blatt 2 von 2 Beschreiben Sie Bedeutung bzw. Funktion nachstehender Bezeichnungen! Funktionsbeschreibung der pneumatischen Komponenten Symbol Bedeutung bzw. Funktion 5/2-Wegeventil Auswertung Was bedeutet die Bezeichnung 5/2-Wegeventil? Welche Funktion hat eine Abluftdrossel? Verständnisfragen A-10 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

11 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Ermitteln der technischen Daten der Anlage Blatt 1 von 2 Information In der MPS PA Station Mischen werden verschiedene Prozesskomponenten verwendet. Die technischen Daten sind für die Funktion der Komponente in der Station von großer Bedeutung. Planung Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Datenblätter und Schaltpläne der Prozesskomponenten finden Sie im Teil D-Anhang der Teachware. Durchführung Sichten Sie die Unterlagen und ergänzen Sie die Tabelle. Komponente Bezeichnung im Fließbild Aufgabe Eigenschaften Pumpe P201 Spannung [V] elektrische. Leistung [W] max. Durchsatz [l/min] Durchflusssensor Messwandler Messprinzip: Rotor gibt Impulse, diese werden in ein Spannungssignal gewandelt Messbereich [l/min] Sensorsignal [Hz] Eingang: F/U Rechteck Frequenzgenerator Prozessventil Pneum. mindest Druck [bar] max. Stromstärke [ma] Grenztaster oben Füllmenge bis Kontakt [l] Typ (Schließer/Öffner) Grenztaster unten Füllmenge bis Kontakt [l] Typ (Schließer/Öffner) Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-11

12 Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Ermitteln der technischen Daten der Anlage Blatt 2 von 2 Auswertung Welche Frequenz liefert der Durchflusssensor für eine Durchflussmenge von 2l/min? Rechnerische Lösung erforderlich! Verständnisfragen A-12 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

13 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Erstellen der Zuordnungsliste Blatt 1 von 3 Information Um die Funktion der MPS PA Station Mischen zu analysieren wird die Station mit Hilfe der Simulationsbox, digital/analog; EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS mit Touchpanel gesteuert. Dies ermöglicht die Zuordnung der Aus- und Eingangssignale. Die Zuordnungsliste ist Basis für die Programmierung eines Prozessablaufs der Station. Planung Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Datenblätter und Schaltpläne der Prozesskomponenten finden Sie im Teil D-Anhang der Teachware. Durchführung Füllen Sie die Vorratsbehälter ca. 2l voll! Schließen Sie die Simulationsbox, digital/analog; EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder die SPS mit Touchpanel an das E/A-Terminal und das Analogterminal der Station an. Bedienen Sie die Pumpen und Ventile und beobachten Sie die Anlage und die Zustände der LEDs am E/A-Terminal der Anlage! Vervollständigen Sie die Zuordnungslisten! Zuordnungsliste digitale Eingänge Symbol Adresse EasyPort / Simbox Adresse SPS Beschreibung Kontrolle DI 0 2B2 DI 1 Vorratstank B201 oben DI 2 DI 3 DI 4 DI 5 DI 6 DI 7 Zuordnungsliste analoge Eingänge Symbol Adresse EasyPort / Simubox Adresse SPS Beschreibung Kontrolle 2PV1 AI0 Istwert X (Durchfluss) Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-13

14 Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Erstellen der Zuordnungsliste Blatt 2 von 3 Zuordnungsliste digitale Ausgänge Symbol Adresse EasyPort / Simubox Adresse SPS Beschreibung Kontrolle 2M1 DO 0 Pumpe P201 Mischpumpe ein DO 1 DO 2 DO 3 DO 4 DO 5 DO 6 DO 7 Zuordnungsliste analoge Ausgänge Symbol Adresse EasyPort / Simubox Adresse SPS Beschreibung Kontrolle 2CO1 AO 0 Stellgröße Y, (Pumpe P201) AO 1 Kontrolle Kontrollieren Sie alle Ein- und Ausgänge und tragen Sie das Ergebnis in die Tabelle ein. Vergleichen Sie das Eingangs/Ausgangssignal mit den Statusanzeigen an der Simulationsbox, digital/analog; EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS mit Touchpanel. A-14 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

15 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.1: Station Mischen Analyse und Sichtung der Anlage Erstellen der Zuordnungsliste Blatt 3 von 3 Auswertung Was ist in der Station Mischen zu beachten, wenn das analoge Stellglied digital gesteuert werden soll? Verständnisfragen Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-15

17 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe Blatt 1 von 7 Information: Planung Durchführung Um das Verhalten des Systems Rohrleitung-Pumpe zu ermitteln, ist es notwendig den optimalen Messbereich des Durchflusssensors und den Arbeitsbereich der Pumpe zu kennen. Dieses Verhalten ändert sich, je nach dem aus welchem Behälter in den Mischbehälter gepumpt wird. Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Datenblätter und Schaltpläne der Prozesskomponenten finden Sie im Teil D-Anhang der Teachware. Schließen Sie die Station über Simulationsbox, digital/analog; EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS mit Touchpanel an PC an. Ermitteln Sie die Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe. Eine Spannung wird der Pumpe zugewiesen. Mit der Spannung wird die Drehzahl des Motors der Pumpe angesteuert. Das Kreiselrad der Pumpe erzeugt einen Durchfluss in Rohrleitungssystem. Der Durchflusssensor gibt den Volumenstrom als Frequenzsignal aus. Das Frequenzsignal wird vom Messwandler in eine Spannung von 0 10 Volt gewandelt. Die Spannung wird gemessen und eine Wertetabelle erstellt. Mit den Messwerten lässt sich in einem Diagramm die Kennlinie darstellen. Führen Sie folgende Messreihen durch: Umpumpen aus Behälter 1, 1. Öffnen Sie das Auslassventil des ersten Vorratsbehälter. 2. Geben Sie eine Spannung auf die Pumpe. 3. Aktivieren Sie die Pumpe. 4. Messen Sie das Spannungssignal und füllen Sie die Wertetabellen aus, rechnen Sie die Messwerte des Sensors in die Einheit l/min. um. 5. Stellen Sie die Kennlinie dar. 6. Wiederholen Sie den Versuch für den zweiten bzw. dritten Vorratsbehälter und zum Schluss für alle drei Vorratsbehältern. 7. Zeichnen Sie die Kennlinien der 4 Messreihen in unterschiedlichen Farben in das vorgegebene Diagramm. Achtung: Hinweis: Mit der 2. Pumpe Wasser wieder zurückpumpen, so dass ein Kreislauf entsteht! Beim Arbeiten mit EasyPort, digital/analog und FluidLab -PA: Für den direkten Vergleich zwischen den Strecken können bis zu drei Kennlinien übereinander gezeichnet werden. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-17

18 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe Blatt 2 von 7 Wertetabelle Behälter 1 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Spannung an Pumpensteuerung in V Signal Durchflusssensor in V Durchfluss in l/min. 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 Spannung an Pumpensteuerung in V Signal Durchflusssensor in V Durchfluss in l/min. Wasser wird nur aus Behälter 1 gepumpt. A-18 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

19 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe Blatt 3 von 7 Wertetabelle Behälter 2 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Spannung an Pumpensteuerung in V Signal Durchflusssensor in V Durchfluss in l/min. 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 Spannung an Pumpensteuerung in V Signal Durchflusssensor in V Durchfluss in l/min. Wasser wird nur aus Behälter 2 gepumpt. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-19

20 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe Blatt 4 von 7 Wertetabelle Behälter 3 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Spannung an Pumpensteuerung in V Signal Durchflusssensor in V Durchfluss in l/min. 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 Spannung an Pumpensteuerung in V Signal Durchflusssensor in V Durchfluss in l/min. Wasser wird nur aus Behälter 3 gepumpt. A-20 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

21 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe Blatt 5 von 7 Wertetabelle Behälter 1-3 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Spannung an Pumpensteuerung in V Signal Durchflusssensor in V Durchfluss in l/min. 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 Spannung an Pumpensteuerung in V Signal Durchflusssensor in V Durchfluss in l/min. Wasser wird aus allen Behältern gleichzeitig gepumpt. Alle Behälter sind vor dem Start gleich gefüllt. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-21

22 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe Blatt 6 von 7 Kennlinien des Systems Rohrleitung Pumpe L/min V A-22 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

23 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Kennlinie des Systems Rohrleitung-Pumpe Blatt 7 von 7 Auswertung Vergleichen Sie die Kennlinien und diskutieren Sie mögliche Ursachen die zu den unterschiedlichen Kennlinien führen! Begründen Sie das Verhalten des Systems bei niedrigen Spannungen! Verständnisfragen Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-23

25 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 1 von 9 Information Planung Zum sicheren Betrieb der Station Mischen müssen bestimmte Wasserstände gegeben sein, bevor Wasser aus den Vorratsbehältern in den Mischbehälter umgepumpt wird. Damit wird ein Trockenlaufen der Pumpen verhindert. Beim Trockenlaufen können Pumpen beschädigt werden und Luft in das Rohrleitungssystem gelangen. Luft im Rohrleitungssystem stört den korrekten Ablauf einer Anlage. Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Datenblätter der Prozesskomponenten, RI-Fließbild und Schaltpläne finden Sie im Teil D-Anhang der Teachware. Realisieren Sie die Lösung mit Hilfe von EasyPort digital/analog mit FluidSim Pneumatik oder SPS mit Simulationsbox, digital/analog. Ermitteln Sie die Bedingungen die zum Setzen bzw. Rücksetzen der Aktoren notwendig sind. Vervollständigen Sie dazu die Tabellen. Vervollständigen Sie den Logikplan. Durchführung Hinweis Erstellen Sie ein Testprogramm, um die Funktion der Station zu testen. Das Programm soll das Umpumpen von Wasser aus den unterschiedlichen Behältern ermöglichen. Das Abpumpen soll mit jeweils einem Taster für jeden Behälter realisiert werden, solange der Taster betätigt wird und sich genügend Wasser im entsprechenden Behälter befindet. Taster S1, Wasser pumpen aus Behälter B201 in Behälter B204 Taster S2, Wasser pumpen aus Behälter B202 in Behälter B204 Taster S3, Wasser pumpen aus Behälter B203 in Behälter B204 Taster S4, Wasser pumpen aus Behälter B204 zurück in Behälter B201 oder B202 oder B203. Beim Arbeiten mit EasyPort, digital/analog und FluidSIM : Erstellen Sie das Logikprogramm in FluidSIM und testen Sie die korrekte Funktion. Beim Arbeiten mit SPS: Erstellen Sie das Logikprogramm mit der Programmiersoftware Ihrer SPS, laden Sie das Programm in die SPS und testen Sie Ihr Logikprogramm. Schließen Sie an den freien Stecker des SPS-Bordes die Simulationsbox, digital/analog an und nützen Sie diese für die Taster. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-25

26 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 2 von 9 Setzbedingung für Ventil V201 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S1 - & Taster (wird bei Verwendung von FluidSIM im FluidSIM Schaltplan realisiert). LS202 2B3 DI 2 & Sensor (Füllstand unten an Tank B201) Rücksetzbedingung für Ventil V201 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S1-1 LS202 2B3 DI 2 1 Nicht Taster (wird bei Verwendung von FluidSIM im FluidSIM Schaltplan realisiert). Nicht Sensor (Füllstand unten an Tank B201) A-26 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

27 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 3 von 9 Setzbedingung für Ventil V202 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S2 - Taster (wird bei Verwendung von FluidSIM im FluidSIM Schaltplan realisiert). LS203 Rücksetzbedingung für Ventil V202 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S1 - Nicht Taster (wird bei Verwendung von FluidSIM im FluidSIM Schaltplan realisiert). Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-27

28 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 4 von 9 Setzbedingung für Ventil V203 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S3 - Taster (wird bei Verwendung von FluidSIM im FluidSIM Schaltplan realisiert). LS204 Rücksetzbedingung für Ventil V203 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S3 - Taster (wird bei Verwendung von FluidSIM im FluidSIM Schaltplan realisiert). LS204 Setzbedingung für Pumpe P201 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S1-1 Taster - S2-1 Taster - S3-1 Taster Rücksetzbedingung für Pumpe P201 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S1 - & Nicht Taster - S2 - & Nicht Taster - S3 - & Nicht Taster A-28 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

29 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 5 von 9 Setzbedingung für Pumpe P202 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S4 - & Taster LS 206 & Rücksetzbedingung für Pumpe P202 Symbol RI Fließbild Symbol el. Schaltplan Adresse Verknüpfung Bemerkung - S4-1 Nicht Taster LS Hinweis Handventile entsprechend betätigen, damit Wasser in den gewünschten Behälter (B201, B202 oder B203) gepumpt wird. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-29

30 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 6 von 9 Logikplan Mischventil V201 ein Netzwerk 1 Mischventil V202 ein Netzwerk 2 A-30 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

31 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 7 von 9 Mischventil V203 ein Netzwerk 3 Pumpe P201 Mischpumpe ein Netzwerk 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-31

32 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 8 von 9 Pumpe P201 Mischpumpe ein Netzwerk 5 A-32 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

33 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Logische Verknüpfung Blatt 9 von 9 Auswertung Warum ist Luft im Rohrleitungssystem zu vermeiden? Verständnisfragen Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-33

35 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen uns Steuern Ermittlung des Arbeitsbereichs und Arbeitspunktes einer Regelstrecke Blatt 1 von 3 Information Hinweis: Der Förderstrom der Mischpumpe zum Mischbehälter muss konstant sein, damit ein gutes Mischergebnis erzielt wird. Der veränderbare Sollwert des Reglers sollte so gewählt werden (Arbeitspunkt), so dass die Regelgröße der Regelstrecke den gewünschten Wert erreicht. Um den Arbeitspunkt zu ermitteln wird zuerst der minimal mögliche Wert der Regelgröße (hier: kleinstmöglicher Durchfluss) und dann der maximal mögliche Wert der Regelgröße (hier: größtmöglicher Durchfluss) erfasst. Signalanpassung des Sensorsignals. Der Durchflusssensor liefert mit dem nachgeschalteten F/U-Messwandler ein Spannungssignal. Dieses lässt sich mit Hilfe der Datenblätter in die Einheit l/min umrechnen. Dieser Umrechnung liegt die Gleichung einer Geraden zu Grunde: L/min 0,9 Bb X } Y Y X Aa Diagramm Geraderadengleichung 0 10 V Y = a x + b wobei a = Faktor; b = Offset; x = Spannung des Sensors und y = Durchfluss in [l/min]. Planung Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Datenblätter der Prozesskomponenten und Schaltpläne finden Sie im Teil D-Anhang der Teachware. Realisieren Sie die Lösung mit Hilfe von Simulationsbox, digital/analog; EasyPort digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS mit Touchpanel. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-35

36 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen uns Steuern Ermittlung des Arbeitsbereichs und Arbeitspunktes einer Regelstrecke Blatt 2 von 3 Durchführung Führen Sie folgende Messreihen durch: 1. Füllen Sie alle Vorratsbehälter B201, B202 und B Ermitteln Sie den minimal möglichen Durchfluss der Regelstrecke, in dem Sie die Stellgröße der Pumpe P201 langsam erhöhen bis ein Signal vom Durchflusssensor erzeugt wird. 3. Ermitteln Sie den maximal möglichen Durchfluss der Regelstrecke, in dem Sie die Stellgröße der Pumpe P201 weiter erhöhen, bis das Signal des Sensors einen Maximalwert erreicht hat. 4. Tragen Sie die Messwerte in die Tabelle ein und ermitteln Sie den Mittelwert (Arbeitspunkt) des Sensors. 5. Stellen Sie die Pumpenspannung ein, so dass der Mittelwert des Durchflusses erreicht wird. 6. Tragen Sie die Spannung in die Tabelle ein. Hinweis Beim Arbeiten mit EasyPort, digital/analog und FluidLab -PA: kann die Stellgröße der Pumpe P201 durch eine Zeitrampe die Werte 0 bis 100 % annehmen. Die Kennlinie des Durchflusssensors wird auf einem Diagramm aufgezeichnet. Kleinstmöglicher und größtmöglicher Durchfluss können direkt abgelesen werden. Ermittlung des Arbeitspunktes der Durchflussregelstrecke Durchflusssensor Arbeitsbereich Pumpe Schwebekörperdurchflussmesser Ausgangs- Stellgröße Pumpe P201 [V] Durchfluss [l/min.] signal Messwandler [V] Anzeigewert [l/h] Minimaler Messwert Arbeitspunkt Maximaler Messwert A-36 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

37 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen uns Steuern Ermittlung des Arbeitsbereichs und Arbeitspunktes einer Regelstrecke Blatt 3 von 3 Auswertung Benennen Sie Anlagengegebenheiten, die Einfluss auf den Arbeitsbereich der Pumpe und Messbereich des Sensors haben könnten! Verständnisfragen Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-37

39 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Identifizierung der Regelstrecke Blatt 1 von 4 Information Planen Durchführung Das Zeitverhalten einer Regelstrecke muss für eine optimale Reglerauswahl bekannt sein. Daraus können Aussagen über die Dynamik der Regelstrecke abgeleitet werden und die Einstellung des Reglers definiert werden. Die Bestimmung des Zeitverhaltens einer Regelstrecke erfolgt durch die Aufnahme einer Sprungantwort der Strecke. Bei Strecken mit Verzögerung, z.b. bei einem Energiespeicher wird durch anlegen einer Tangente bzw. Wendetangente ( bei mehreren Verzögerungen) die Zeitkonstante der Strecke bestimmt. Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Hinweise zur Ermittlungsmethoden finden Sie im Teil B-Grundlagen der Teachware. Realisieren Sie die Lösung mit Hilfe von Simulationsbox, digital/analog; EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA. Führen Sie folgende Messreihen durch: 1. Ermitteln Sie die Sprungantwort der Regelstrecke am Arbeitspunkt, in dem Sie die Pumpenspannung im Mittelwert des Durchflusses ermitteln. Geben Sie die Pumpenspannung auf das Stellglied der Regelstrecke. 2. Identifizieren Sie die Ordnungszahl der Regelstrecke durch Vergleichen mit dem unteren Schaubild. Handelt es sich um eine Strecke 1.Ordnung oder höherer Ordnung? Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-39

40 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Identifizierung der Regelstrecke Blatt 2 von 4 Für Strecken 1.Ordnung: 3. Ermitteln Sie grafisch die Zeitkonstante der Regelstrecke. 4. Legen Sie eine (Ursprungs-) Tangente an die Kurve. 5. Zeichnen Sie den maximal Wert ein als waagerechte Linie beim Maximum des Istwerts. 6. Zeichnen Sie das Lot ein als vertikale Linie (90 zu maximal Wer) am Schnittpunkt von maximal Wert und Tangente. 7. Zeichnen Sie eine Waagerechte beim Schnittpunkt von Kurve und Lot. Der Istwert der Kurve an dieser Stelle müsste bei 63% des maximal Werts liegen. 8. Ermitteln Sie die Zeitdauer auf der Zeitskala, die das System für das Erreichen von 63% benötigt. Dies ist die Zeitkonstante. 9. Ermitteln Sie die Steigung der Tangente. Dies ist die Streckenverstärkung Ks. h(t) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 Tangente 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Strecke 1.Ordnung t A-40 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

41 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Identifizierung der Regelstrecke Blatt 3 von 4 Für Strecken höherer Ordnung: 3. Legen Sie eine Wendetangente an die Kurve. 4. Zeichnen Sie den maximal Wert ein als waagerechte Linie beim Maximum des Istwerts. 5. Zeichnen Sie das Lot ein als vertikale Linie (90 zu maximal Wert) am Schnittpunkt von x-achse und Tangente. Der Abstand zwischen der y-achse und dieser Geraden ist die Verzugszeit (Tu). 6. Zeichnen Sie das Lot ein als vertikale Linie (90 zu maximal Wert) am Schnittpunkt von maximal Wert und Tangente. Der Abstand zwischen tu und dieser Geraden ist die Ausgleichszeit (Tg). 7. Ermitteln Sie die Steigung der Tangente. Dies ist die Streckenverstärkung Ks. h(t) 1 0,9 0,8 0,7 Tangente 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Strecke höherer Ordnung t Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-41

42 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Identifizierung der Regelstrecke Blatt 4 von 4 Auswertung Welcher Wert wurde für die Streckenverstärkung Ks ermittelt? Um was für ein System handelt es sich, bzw. wievielter Ordnung? Welche Zeitkonstante(n) ergibt/ergeben sich? Was sind die Gründe für das Verhalten des Systems? Verständnisfragen A-42 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

43 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Mischen nach Menge Blatt 1 von 3 Information Es gibt drei Möglichkeiten die Mischmenge zu ermitteln: zeitgesteuert mit konstantem Zustrom zum Mischbehälter mengengesteuert durch Messen der Menge des Zustroms messen des Inhaltes im Mischbehälter ( kein Füllstandssensor vorhanden). Beim zeitgesteuerten Mischen wird der Durchfluss mit der Pumpe als Stellglied geregelt. Die geförderte Wassermenge bis der Soll- Durchfluss erreicht wird ist nicht konstant und verfälscht das Mischergebnis. Eine Verbesserung des Mischergebnisses wird mit einer Mengenmessung erreicht, indem zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Durchfluss erfasst und aufsummiert wird. Jedes geflossene Wassertröpfchen wird aufintegriert bis die gewünschte Menge erreicht wird. Planung Durchführung Hinweis Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Datenblätter der Prozesskomponenten und Schaltpläne finden Sie im Teil D-Anhang der Teachware. Realisieren Sie die Lösung mit Hilfe von Simulationsbox, digital/analog; EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS. Es soll mit Hilfe einer Software eine bestimmte Menge von den Vorratsbehältern nacheinander in den Mischbehälter gepumpt werden. Danach soll die umgepumpte Menge nachgeprüft werden. 1. Alle Vorratsbehälter B201, B202 und B203 füllen. 2. Skalierung am Vorratsbehältern ablesen und mit dem Mischsollwert nach dem Vorgang vergleichen. 3. Behälter und gewünschte Menge aus dem gewünschten Behälter wählen und Vorgang starten. Beim Arbeiten mit FluidLab -PA: Der aktuelle Durchflusswert wird aufsummiert und in einem Diagramm dargestellt. Beim Arbeiten mit SPS: Die Impulse des Durchflusssensors können direkt mit einem schnellen Zählereingang ausgelesen werden. Beachten Sie die max. Eingangsfrequenz Ihres SPS-Zählereingangs ( vgl. Datenblatt Durchflusssensor). Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-43

44 Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Mischen nach Menge Blatt 2 von 3 Ermittlung des Arbeitspunktes der Durchflussregelstrecke Nr. Gewünschte Menge [ml] Spannung an der Pumpe [Volt] Von Behälter Nr. Vorratsbehälter Wasserstand Wasserstand vorher nachher vorher Mischbehälter nachher A-44 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

45 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.2: Station Mischen Messen und Steuern Mischen nach Menge Blatt 3 von 3 Auswertung Warum kann das Umpumpen einer bestimmten Menge nicht zeitgesteuert sein? Warum ist das Verfahren Mischen nach Menge besser? Warum stimmt bei diesem Verfahren die Wassermenge trotzdem nicht exakt? Bei welcher Pumpenspannung sind die Messungenauigkeiten am geringsten? Verständnisfragen Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-45

47 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Zweipunktregler Blatt 1 von2 Information Planung Durchführung Ein Zweipunktregler ist ein unstetiger Regler mit zwei Ausgangszuständen, z.b. ist der Istwert unter dem Sollwert schaltet die Pumpe EIN und wenn der Istwert über dem Sollwert ist,schaltet sie wieder AUS. Damit das Stellglied nicht dauernd einund ausgeschaltet wird, sind eine Ober- und eine Unterschaltgrenze eingebaut, die eine Hysterese um den Sollwert bilden. Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Realisieren Sie die Lösung mit Hilfe von EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS. Folgende Schritte sind durchzuführen: 1. Vorratsbehälter B201 füllen. 2. Bei den Versuchen das Wasser aus Behälter B201 mit der Pumpe P201 über das Ventil V201 pumpen. 3. Tragen Sie die Werte in der Tabelle ein. Parameter Wert Sollwert (w) am Arbeitspunkt Obere Schaltgrenze Untere Schaltgrenze 4. Setzen Sie den Sollwert aus der Tabelle ein. Hinweis Beim Arbeiten mit EasyPort, digital/analog und FluidLab -PA ist der Sollwert w dimensionslos! Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-47

48 Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Zweipunktregler Blatt 2 von2 Auswertung Wie reagiert das System? Ist ein Zweipunktregler für diese Regelaufgabe geeignet? Beschreiben Sie das Regelverhalten. Verständnisfragen A-48 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

49 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Regeln mit stetigen Reglern (P, I, PI) Blatt 1 von 5 Information Ein stetiger Regler, hat im Vergleich zum Zweipunktregler ein kontinuierliches Signal als Stellgröße, dass in Abhängigkeit der Regelabweichung gebildet wird. Planung Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Wichtige Hinweise finden Sie im Teil B-Grundlagen der Teachware. Realisieren Sie die Lösung mit Hilfe von EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS mit Touchpanel. Durchführung Arbeiten Sie sich in die Wirkungsweise verschiedener stetiger Reglertypen ein. 1. Vorratsbehälter B201 füllen. 2. Bei den Versuchen das Wasser aus Behälter B201 mit der Pumpe P201 über das Ventil V201 pumpen. 3. Tragen Sie die Werte in der Tabelle ein. Parameter Wert dimensionslos Wert l/min Sollwert (w) am Arbeitspunkt 4. Setzen Sie den Sollwert aus der Tabelle ein und starten Sie die Regelung. 5. Testen Sie das Verhalten der Regelstrecke beim Einsatz unterschiedlicher stetiger Regler. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-49

50 Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Regeln mit stetigen Reglern (P, I, PI) Blatt 2 von 5 Durchführung P-Regler Regeln Sie die Strecke mit Hilfe eines P-Reglers. Stellen Sie dafür die in der Tabelle vorgegebenen Verstärkungsfaktoren Kp nacheinander ein. Nehmen Sie für jeden Wert die Sprungantwort auf. Parameterliste Parameter Wert K P 2 K P 5 K P 10 K P 50 A-50 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

51 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Regeln mit stetigen Reglern (P, I, PI) Blatt 3 von 5 Durchführung I-Regler Regeln Sie die Strecke mit Hilfe eines I-Reglers zu regeln. Stellen Sie dafür die in der Tabelle vorgegebenen Verstärkungsfaktoren Tn nacheinander ein. Nehmen Sie für jeden Wert die Sprungantwort auf. Parameterliste Parameter Wert Tn 50 Tn 10 Tn 5 Tn 2 Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-51

52 Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Regeln mit stetigen Reglern (P, I, PI) Blatt 4 von 5 Durchführung PI-Regler Regeln Sie die Strecke mit Hilfe eines PI-Reglers. Stellen Sie dafür, die in der Tabelle vorgegebenen Verstärkungsfaktoren Kp und Tn, nacheinander ein. Nehmen Sie für jeden Wert die Sprungantwort auf. Parameterliste Parameter Wert Parameter Wert K P 2 T N 10 K P 2 T N 5 K P 5 T N 10 K P 5 T N 5 A-52 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx

53 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Regeln mit stetigen Reglern (P, I, PI) Blatt 5 von 5 Auswertung Wie reagiert das System bei Regelung mit P-Regler? Wie reagiert das System bei Regelung mit I-Regler? Wie reagiert das System bei Regelung mit PI-Regler? Für welches PI-Parameter-Paar ergibt sich die kleinste Überschwingweite und/oder die kleinste Ausregelzeit? Welcher Regler eignet sich für diese Strecke? Verständnisfragen Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-53

55 MPS PA Station Mischen Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Manuelles Einstellen der Reglerparameter ohne Kenntnis des Anlagenverhaltens Blatt 1 von 2 Information Planung Durchführung Die Durchflussregelungsstrecke der Station Mischen ist eine PT1 Strecke. Es ist von großer Bedeutung in kurzer Zeit die optimalen Reglerparameter für die zu regelnde Strecke zu finden. Im Laufe der Zeit wurden viele Methoden zur Dimensionierung der Reglerparameter entwickelt. Doch es hängt von der Regelungsstrecke ab, ob eine Methode für die Ermittlung bzw. Berechnung der Parameterwerte geeignet ist. Eine einfache Methode der Parametrierung ist die manuelle Einstellmethode. Die notwendigen Informationen finden Sie im Handbuch MPS PA Station Mischen. Wichtige Hinweise finden Sie im Teil B-Grundlagen der Teachware. Realisieren Sie die Lösung mit Hilfe von EasyPort, digital/analog mit FluidLab -PA oder SPS mit Touchpanel. Die Reglerparameter für eine optimale Regelung der Anlage sind in diesem Fall noch nicht bekannt. Um den Regelkreis auf jeden Fall stabil zu halten, sind folgende Einstellungen vorzunehmen: P-Anteil Proportionalbeiwert Kp = 0,1 I-Anteil Nachstellzeit Tn = 500s D-Anteil Vorhaltezeit Tv = 0 PI-Regler: 1. Gewünschten Sollwert einstellen und die Reglerabweichung zu Null machen. 2. Kp langsam vergrößern, bis der Regelkreis durch kleine Sollwertänderungen zum Schwingen neigt. 3. Kp geringfügig verkleinern, bis Schwingungen beseitigt sind. 4. Tn verringern, bis der Regelkreis wieder zum Schwingen neigt. 5. Tn geringfügig vergrößern, bis die Schwingungsneigung beseitigt ist. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXXXXX A-55

56 Aufgabe 2.3: Station Mischen Regeln Manuelles Einstellen der Reglerparameter ohne Kenntnis des Anlagenverhaltens Blatt 2 von 2 Auswertung Welcher Wert wurde für Kp ermittelt? Anhand von welchen Kriterien bewerten Sie Ihr Ergebnis? Verständnisfragen A-56 Festo Didactic GmbH & Co. KG xxxxxx