Regelpneumatik Arbeitsbuch TP 111

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1 Regelpneumatik Arbeitsbuch TP 111 Festo Didactic de

2 Bestimmungsgemäße Verwendung Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und / oder die Ausbildenden hat / haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten. Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des Ausbildungsunternehmens und / oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch / Einsatz der Anlage außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht. Bestell-Nr.: Benennung: ARBB.REGELP. GS Bezeichnung: D.S111-C-SIBU-D Stand: Layout: , OCKER Ingenieurbüro Grafik: OCKER Ingenieurbüro Autoren: J. Gerhartz, D. Scholz Copyright by Festo Didactic GmbH & Co., D Denkendorf 2001 Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen. Teile dieser Unterlagen dürfen vom berechtigten Verwender ausschließlich für Unterrichtszwecke vervielfältigt werden. TP111 Festo Didactic

3 3 Vorwort Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung der Trainingspakete: Grundlagenpakete vermitteln technologieübergreifendes Basiswissen. Technologiepakete greifen die wichtigen Themen Steuerungs- und Regelungstechnik auf. Funktionspakete erklären die Grundfunktionen automatisierter Systeme. Anwendungspakete ermöglichen eine an der betrieblichen Realität ausgerichtete Aus- und Weiterbildung. Die Technologiepakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik, Elektropneumatik, Speicherprogrammierbare Steuerungen, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Regelpneumatik und -hydraulik. Aufnahmerahmen Bild 1: Pneumatik 2000 z.b. fahrbarer Laborwagen Profilplatte U = 230 V~ p = 6 MPa Ordnungsmittel

4 4 Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen Pakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Aktuatoren möglich. Alle Lernpakete besitzen eine identische Struktur: Hardware Teachware Software Seminare Die Hardware setzt sich aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und Anlagen zusammen. Die didaktisch-methodische Aufbereitung der Teachware ist auf die Trainings-Hardware abgestimmt. Die Teachware umfasst: Lehrbücher (mit Übungen und Beispielen) Arbeitsbücher (mit praktischen Aufgaben, ergänzenden Hinweisen, Lösungen und Datenblättern) Transparentfolien und Videos (zur lebendigen Unterrichtsgestaltung) Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet. Aus dem Bereich Software werden Computer-Lernprogramme und Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen bereitgestellt. Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Technologiepakete rundet das Angebot in Aus- und Weiterbildung ab.

5 5 Inhaltsverzeichnis Das Technologiepaket TP111 Regelpneumatik 11 Zuordnung von Geräten und Aufgaben 12 Konzeption des Arbeitsbuches 13 Gerätesatz TP Sicherheitshinweise 16 Symbole des Gerätesatzes 17 Teil A Kurs I. Der unstetige Druckregelkreis Aufgabe 1: Wartung eines Manometers Kennlinie eines analogen Drucksensors A-3 Aufgabe 2: Punktschweißgerät Funktionsweise eines Komparators A-13 Aufgabe 3: Verpackungsmaschine Übergangsfunktionen von Regelstrecken A-23 Aufgabe 4: Speicher-Ladeschaltung, Inbetriebnahme eines Zwei-Punkt-Reglers mit Schaltdifferenz A-33 Aufgabe 5: Reifen-Prüfstand Inbetriebnahme eines Drei-Punkt-Reglers A-45 II. Der stetige Druckregelkreis Aufgabe 6: Pneumatische Presse Funktionsweise eines Proportionalventils A-53 Aufgabe 7: Qualitätskontrolle Funktionsweise eines PID-Reglers A-63 Aufgabe 8: Prallplatten-Strömungswächter Übergangsfunktion eines P-Reglers A-73 Aufgabe 9: Rohrpostanlage Regelsinn und Inbetriebnahme eines P-Regelkreises A-87 Aufgabe 10: Spannvorrichtung Regelgüte und Stabilitätsgrenze eines P-Regelkreises A-95

6 6 Aufgabe 11: Aufgabe 12: Aufgabe 13: Aufgabe 14: Aufgabe 15: Aufgabe 16: Druckluftschrauber Übergangsfunktion eines I- und PI-Reglers A-105 Spritzgussmaschine Empirisches Parametrieren eines PI-Reglers A-123 Montage von Lagerschalen Übergangsfunktionen von D-, PD- und PID-Reglern A-131 Biegeeinrichtung Empirisches Parametrieren eines PID-Reglers A-147 Papiermaschine Einflüsse von Störgrößen A-155 Prüfmaschine Parametrieren nach Ziegler-Nichols A-165 III. Der Lageregelkreis Aufgabe 17: Aufgabe 18: Aufgabe 19: Aufgabe 20: Aufgabe 21: Stanzmaschine Übergangsfunktion einer Regelstrecke ohne Ausgleich Funktionsweise eines Linearpotentiometers A-177 Sortiervorrichtung Aufbau eines Zustands-Reglers A-187 Entgratung eines Motorblockes Parametrieren eines Zustands-Reglers A-197 Torten-Transport Schleppfehler und Kreisverstärkung A-209 Palettierstation Einfluss der Massenlast und der Schlauchvolumina A-221

7 7 Teil B Grundlagen Kapitel 1 Grundlagen B Signal B Blockschaltbild B Signalflussplan B Testsignale B Steuerung und Regelung B Begriffe der Regelungstechnik B Stabilität und Instabilität B Stationäres und dynamisches Verhalten B Führungs- und Störverhalten B Festwert-, Folge- und Zeitplanregelung B Differenzierung eines Signals B Integration eines Signals B-39 Kapitel 2 Pneumatische Regelstrecken B Regelstrecken mit und ohne Ausgleich B Verzögerungsarme pneumatische Regelstrecken B Pneumatische Regelstrecken erster Ordnung B Pneumatische Regelstrecken zweiter Ordnung B Pneumatische Regelstrecken dritter Ordnung B Regelstrecken mit Totzeit B Einteilung von Regelstrecken nach ihrem Sprungantwortverhalten B Arbeitspunkt und Streckenverstärkung B-54

8 8 Kapitel 3 Reglerstrukturen B Zweipunktregler B Dreipunktregler B Mehrpunktregler B Blockschaltbilder für unstetige Regler B P-Regler B I-Regler B D-Regler B PI-, PD-, PID-Regler B Blockschaltbilder für stetige Standardregler B Zustandsregler B Auswahl der Reglerstruktur B Störverhalten und Regelfaktor B-91 Kapitel 4 Technische Realisierung von Reglern B Aufbau von Regelkreisen B Pneumatische und elektrische Regler B Analoge und digitale Regler B Reglerauswahl B-110 Kapitel 5 Wegeventile B Aufgaben eines Wegeventils B Ventilbauformen B Funktionsweise eines stetigen 5/3-Wegeventils B Bezeichnungen und Schaltzeichen für stetige Wegeventile B Stationäre Kennlinien von stetigen Wegeventilen B Dynamisches Verhalten von stetigen Wegeventilen B Auswahlkriterien für Wegeventile B-137

9 9 Kapitel 6 Druck-Regelventile B Aufgaben eines Druck-Regelventils B Bauformen von Druck-Regelventilen B Mechanisches Druck-Regelventil B Elektrisch betätigtes Druck-Regelventil mit mechanischem Abgleich B Elektrisch betätigtes Druck-Regelventil mit elektrischem Abgleich B Druckregelung mit einem Wegeventil B Auswahlkriterien für Druck-Regelventile B-151 Kapitel 7 Messsysteme B Aufgabe eines Messsystems B Messsystembauformen und -schnittstellen B Auswahlkriterien für Messsysteme B-158 Kapitel 8 Aufbau, Inbetriebnahme und Fehlersuche B Regelkreise in der Automatisierungstechnik B Projektierung B Aufbau B Inbetriebnahme B Reglereinstellung B Fehlersuche B-176

10 10 Teil C Lösungen Lösung 1: Wartung eines Manometers C-3 Lösung 2: Punktschweißgerät C-5 Lösung 3: Verpackungsmaschine C-9 Lösung 4: Speicherladeschaltung C-11 Lösung 5: Reifenprüfstand C-13 Lösung 6: Pneumatische Presse C-15 Lösung 7: Qualitätskontrolle C-17 Lösung 8: Prallplatten-Strömungswächter C-19 Lösung 9: Rohrpostanlage C-21 Lösung 10: Spannvorrichtung C-23 Lösung 11: Druckluftschrauber C-25 Lösung 12: Spritzgussmaschine C-29 Lösung 13: Montage von Lagerschalen C-31 Lösung 14: Biegeeinrichtung C-35 Lösung 15: Papiermaschine C-39 Lösung 16: Prüfmaschine C-43 Lösung 17: Stanzmaschine C-47 Lösung 18: Sortiervorrichtung C-49 Lösung 19: Entgratung eines Motorblocks C-51 Lösung 20: Tortenfabrikation C-55 Lösung 21: Palettierstation C-59 Teil D Anhang Richtlinien und Normen D-2 Literaturliste D-4 Index D-5 Datenblätter D-13 ff.

11 11 Das Technologiepaket TP111 Regelpneumatik Das vorliegende Technologiepaket TP111 Regelpneumatik ist Bestandteil des Lernsystems Automatisierungstechnik der Festo Didactic GmbH & Co. Die Lernziele des TP111 liegen im Erlernen der analogen Regelungstechnik. Mit elektrischen Steuer- und Regelelementen werden pneumatische Aktoren angesteuert. Zur Bearbeitung des Technologiepaketes TP111 sind Grundkenntnisse in der Elektropneumatik und in der Messtechnik empfehlenswert. Der Gerätesatz ist so konzipiert, dass der Umfang der Komponenten mit aufsteigender Reihenfolge der Aufgaben zunimmt. Auf diese Weise ist mit einer kleinen Geräteanzahl ein Einstieg in die Regelungstechnik möglich. Diese kann bei Bedarf erweitert werden. Die Aufgaben des TP111 beschäftigen sich mit drei Schwerpunktthemen: Unstetige Druckregelung (Aufgaben 1 5) Stetige Druckregelung (Aufgaben 6 16) Lageregelung (Aufgaben 17 21) Die Zuordnung zwischen Geräten und Aufgaben kann der nachfolgenden Geräte-Aufgaben-Matrix entnommen werden.

12 12 Zuordnung von Geräten und Aufgaben Aufgaben Benennung Einschaltventil mit Filterregelventil Verteilerblock KU-Schlauch 10 m Signaleingabe Analog-Drucksensor Komparatorkarte Druckluftspeicher Drosselrückschlagventil Manometer /2-Wegeventil mit Drucktaster 1 2 Steckverteiler /2-Wege-Magnetventil /3-Wege-Magnetventil 1 Anschlusselemente /3-Wege-Proportionalventil PID-Reglerkarte Linearantrieb Montagesatz Potentiometer Gewicht 50 N 1 Linearpotentiometer Zustands-Reglerkarte Lineal Kabelsatz Digitalmultimeter Netzgerät Sollwertkarte (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) Funktionsgenerator (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) Speicher-Oszilloskop Kabel BNC-4 mm Adapterplatte 1

13 13 Konzeption des Arbeitsbuches Das Arbeitsbuch gliedert sich wie folgt: Teil A Kurs Teil B Grundlagen Teil C Lösungen Teil D Anhang Im Teil A, Kurs, wird anhand von aufeinander aufbauenden Übungsaufgaben der Aufbau und die Inbetriebnahme von analogen Regelkreisen erlernt. Zu Anfang einer jeden Aufgabe wird das zur Bearbeitung notwendige Fachwissen vermittelt. Die Ausführungen sind auf das Notwendige beschränkt. Weitergehende Kenntnisse können im Teil B erworben werden. Im Teil C, Lösungen, sind die Ergebnisse der Übungsaufgaben dargestellt und mit kurzen Erläuterungen versehen. Der Teil B, Grundlagen, erhält allgemeingültiges Fachwissen ergänzend zu den Lerninhalten der Übungsaufgaben in Teil A. Es werden die theoretischen Zusammenhänge hergestellt und notwendige Fachbegriffe anhand von Beispielen anschaulich erklärt. Der Teil D, Anhang, dient als Nachschlagewerk. Er enthält Datenblätter, Literaturhinweise und ein Stichwortverzeichnis. Die Struktur des Buches ist so angelegt, dass der fachliche Inhalt sowohl durch praktisches Üben, z.b. in Seminaren, als auch durch reines Selbststudium erlernt werden kann.

14 14 Gerätesatz TP111 Bestell-Nr.: Allgemein Gerätesatz TP /200, Bestell-Nr.: Benennung Bestell-Nr. Menge Signaleingabe, elektrisch Steckverteiler Kunststoffschlauch, 10 m, silbermetallic, 4 x 0, Kunststoffschlauch, 5 m, silbermetallic, 6 x 1, /2-Wegeventil mit Drucktaster Druckmessgerät Drosselrückschlagventil Einschaltventil mit Filterregelventil Verteilerblock Anschlusselemente /2-Wege-Magnetventil, in Ruhestellung gesperrt Druckregelung Gerätesatz TP111 Druck, Bestell-Nr.: Benennung Bestell-Nr. Menge Komparatorkarte PID-Reglerkarte /3-Wege-Magnetventil, in Ruhestellung gesperrt Druckluftspeicher Analog-Drucksensor /3-Wege-Proportionalventil

15 15 Gerätesatz TP111 Position, Bestell-Nr.: Lageregelung Benennung Bestell-Nr. Menge Lineal Gewicht Adapterplatte (Gewicht) Linearantrieb Zustands-Reglerkarte Linearpotentiometer Montagesatz Potentiometer Kabel für Linearpotentiometer Stoßdämpfer Benennung Bestell-Nr. Menge Teachware Arbeitsbuch deutsch Arbeitsbuch englisch Benennung Bestell-Nr. Menge Zubehör Kabelsatz Digitalmultimeter Sollwertkarte Netzgerät Oszilloskop Funktionsgenerator Kabel-BNC-4 mm Steckadapter

16 16 Sicherheitshinweise Im Interesse Ihrer eigenen Sicherheit beachten Sie folgende Hinweise: Montieren Sie alle Elemente fest auf der Platte. Schalten Sie zur Inbetriebnahme von Regelkreisen immer zuerst den Strom und dann die Druckluftversorgung ein. Beim Abschalten der Anlage ist in umgekehrter Reihenfolge zu verfahren. Schalten Sie die Druckluft erst ein, wenn Sie alle Schlauchverbindungen hergestellt und gesichert haben. Seien Sie beim Einschalten der Druckluft besonders vorsichtig. Zylinder können selbsttätig aus- oder einfahren. Nehmen Sie sofort den Druck weg, wenn Schläuche abspringen. Sie vermeiden dadurch Unfälle. Entkuppeln Sie Schläuche nie unter Druck. Überschreiten Sie nicht den zulässigen Arbeitsdruck von 8 bar. Für die Durchführung des Kurses werden maximal 6 bar benötigt. Beachten Sie auch die allgemeinen Sicherheitsbestimmungen, nach DIN und VDE 100. Verwenden Sie nur Kleinspannungen, maximal 24 Volt DC. Prüfen Sie vor der Inbetriebnahme der Regelkreise neben den pneumatischen Leitungen auch die elektrischen Kabel und Anschlüsse. Beachten Sie, dass im Verschiebeschlitten starke Magnete eingebaut sind. Bringen Sie deshalb keine Disketten oder andere magnetfeldempfindliche Objekte in die Nähe dieser Magnete. Beachten Sie die Datenblätter der einzelnen Elemente, insbesondere auch alle Hinweise zur Sicherheit.

17 17 Symbole des Gerätesatzes Verdichter mit konstantem Verdrängungsvolumen Druckquelle Symbole des Gerätesatzes Speicher, Luftbehälter Druckregelventil Drossel-Rückschlagventil mit verstellbarer Drosselung Filter: Abscheiden und Filtrieren der Schmutzteilchen Wasserabscheider mit Handbetätigung Wasserabscheider, automatisch Öler: geringe Ölmengen werden dem Luftstrom beigemischt Wartungseinheit bestehend aus Druckluftfilter, Druckregelventil, Manometer und Drucköler Wartungseinheit vereinfachte Darstellung mit Druckluftöler Wartungseinheit vereinfachte Darstellung ohne Druckluftöler

18 18 Symbole des Gerätesatzes Doppeltwirkender Zylinder mit einseitiger Kolbenstange Doppeltwirkender Zylinder mit durchgehender Kolbenstange Doppeltwirkender Zylinder ohne Kolbenstange Masse Manometer Absperrventil Muskelkraftbetätigung allgemein Auslassöffnung mit Gewinde für einen Anschluss Verschluss 3/2-Wegeventil in erster Schaltstellung Zulauf gesperrt 3/3-Wegeventil mit Sperr-Nullstellung 3/3-Stetigventil mit einer Durchflussleitung 5/2-Wegeventil mit zwei Durchflussleitungen 5/2-Stetigventil mit zwei Durchflussleitungen 5/3-Wegeventil mit Sperr-Nullstellung 5/3-Stetigventil mit zwei Arbeitsanschlüssen

19 19 Längenmesssystem Regler allgemein Symbole des Gerätesatzes Umformer, Wandler allgemein Einsteller allgemein Druckmesser allgemein Begrenzer elektrisch Drucksensor elektrisch Drucksensor pneumatisch Verstärker allgemein Operationsverstärker allgemein Elektrische Betätigung durch Elektro-Magnet mit einer Wicklung Elektrische Betätigung durch Elektro-Magnet mit zwei gegensinnigen Wicklungen, stufenlos einstellbar Mechanische Betätigung durch Feder Vorsteuerventil

20 20 Symbole des Gerätesatzes Schalter mit Raststellung Arbeitsleitung Leitung zur Energieübertragung Leitungsverbindung: feste Verbindung Verknüpfung Summenpunkt Elektrische Leitung Leitung zur elektrischen Energieübertragung Oszilloskop Optische Anzeige Leuchtmelder Voltmeter Spannungsmesser Übertragungsglied mit Proportional-Zeitverhalten Übertragungsglied mit PT1-Zeitverhalten Übertragungsglied mit Integral-Zeitverhalten Übertragungsglied mit Differential-Zeitverhalten

21 21 Übertragungsglied mit Zwei-Punkt-Verhalten Übertragungsglied mit Hysterese, Schaltdifferenz Symbole des Gerätesatzes Komparator Übertragungsglied mit Drei-Punkt-Verhalten Übertragungsglied mit Drei-Punkt-Verhalten und zwei Schaltdifferenzen Übertragungsglied mit PD-Zeitverhalten Übertragungsglied mit PI-Zeitverhalten Übertragungsglied mit PID-Zeitverhalten Spannungsgenerator konstante Spannung Spannungsgenerator Rechteckspannung Spannungsgenerator Sinusspannung Spannungsgenerator Dreieckspannung

22 22

23 A-1 Teil A Kurs I. Der unstetige Druckregelkreis Aufgabe 1: Wartung eines Manometers Kennlinie eines analogen Drucksensors A-3 Aufgabe 2: Punktschweißgerät Funktionsweise eines Komparators A-13 Aufgabe 3: Verpackungsmaschine Übergangsfunktionen von Regelstrecken A-23 Aufgabe 4: Speicher-Ladeschaltung, Inbetriebnahme eines Zwei-Punkt-Reglers mit Schaltdifferenz A-33 Aufgabe 5: Reifen-Prüfstand Inbetriebnahme eines Drei-Punkt-Reglers A-45 II. Der stetige Druckregelkreis Aufgabe 6: Pneumatische Presse Funktionsweise eines Proportionalventils A-53 Aufgabe 7: Qualitätskontrolle Funktionsweise eines PID-Reglers A-63 Aufgabe 8: Prallplatten-Strömungswächter Übergangsfunktion eines P-Reglers A-73 Aufgabe 9: Rohrpostanlage Regelsinn und Inbetriebnahme eines P-Regelkreises A-87 Aufgabe 10: Spannvorrichtung Regelgüte und Stabilitätsgrenze eines P-Regelkreises A-95 TP111 Festo Didactic

24 A-2 Aufgabe 11: Aufgabe 12: Aufgabe 13: Aufgabe 14: Aufgabe 15: Aufgabe 16: Druckluftschrauber Übergangsfunktion eines I- und PI-Reglers A-105 Spritzgussmaschine Empirisches Parametrieren eines PI-Reglers A-123 Montage von Lagerschalen Übergangsfunktionen von D-, PD- und PID-Reglern A-131 Biegeeinrichtung Empirisches Parametrieren eines PID-Reglers A-147 Papiermaschine Einflüsse von Störgrößen A-155 Prüfmaschine Parametrieren nach Ziegler-Nichols A-165 III. Der Lageregelkreis Aufgabe 17: Aufgabe 18: Aufgabe 19: Aufgabe 20: Aufgabe 21: Stanzmaschine Übergangsfunktion einer Regelstrecke ohne Ausgleich Funktionsweise eines Linearpotentiometers A-177 Sortiervorrichtung Aufbau eines Zustands-Reglers A-187 Entgratung eines Motorblockes Parametrieren eines Zustands-Reglers A-197 Torten-Transport Schleppfehler und Kreisverstärkung A-209 Palettierstation Einfluss der Massenlast und der Schlauchvolumina A-221 TP111 Festo Didactic

25 A-3 Aufgabe 1 Regelpneumatik Wartung eines Manometers Sensoren nach deren Signalart unterscheiden können Aufbau und Funktionsweise des analogen Drucksensors erklären können Kennlinien von Sensoren erstellen und bewerten können Sachgebiet Titel Lernziel Der Sensor Fachwissen Ein Sensor erfasst eine Messgröße, wie z.b. Temperatur, Füllstand oder Drehmoment und wandelt diese in ein elektrisches oder mechanisches Signal um. Je nach Signalart werden die Sensoren in binäre, digitale und analoge Sensoren unterteilt. Binärer Sensor Ein binärer Sensor erzeugt ein Ausgangssignal, das zwei Schaltzustände annehmen kann (z.b. Ein/Aus oder 0 V/10 V). Digitaler Sensor Ein digitaler Sensor erzeugt ein Ausgangssignal, welches einer Zahl entspricht, die z.b. durch Addition mehrerer Impulse entsteht. Analoger Sensor Ein analoger Sensor erzeugt ein Ausgangssignal, welches einen kontinuierlichen Verlauf besitzt (z.b. der Zeigerausschlag eines Manometers) Sensoren werden gelegentlich auch als Signalaufnehmer, Signalwandler oder als Messsystem bzw. Messumformer bezeichnet. TP111 Festo Didactic

26 A-4 Aufgabe 1 Der analoge Drucksensor Der hier verwendete Drucksensor wandelt die Messgröße Druck in ein elektrisches Signal um. Der zulässige Eingangsdruck liegt zwischen 0 bar und 10 bar Überdruck. Der Sensor liefert zwei Ausgangsgrößen: eine Spannung zwischen 0 V und 10 V, einen Strom zwischen 0 ma und 20 ma. Die zulässige Versorgungsspannung beträgt 15 V bis 24 V. Bild A1.1: Anschlussbild, pneumatisches und elektrisches Symbol des analogen Drucksensors p 0 V Die Kennlinie Eine Kennlinie beschreibt grafisch den Zusammenhang zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsgröße. Kennlinien können von Bauteilen, Geräten und sogar von Anlagen erstellt werden. Sie werden zur Beurteilung und zum Vergleich herangezogen. Auch bei einem Drucksensor ergibt sich der Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgröße durch eine Kennlinie, aus der sich folgende Kenngrößen ablesen lassen: Eingangsbereich Der Eingangsbereich ist der Bereich zwischen dem kleinsten und größten erfassbaren Eingangswert (Emin, Emax). Der verwendete Drucksensor hat einen Eingangsbereich zwischen 0 bar und 10 bar. Ausgangsbereich Der Ausgangsbereich ist der Bereich zwischen dem kleinsten und größten Ausgangswert (Amin, Amax). Der verwendete Drucksensor hat zwei Ausgangsbereiche: 0 V bis 10 V und 0 ma bis 20 ma. TP111 Festo Didactic

27 A-5 Aufgabe 1 Linearer Bereich Der lineare Bereich ist der Teil der Kennlinie, der eine gleichbleibende Steigung aufweist, d. h.: Im linearen Bereich verläuft die Kennlinie als Gerade. Hysterese Bei der Messung mit zunehmender Eingangsgröße ergibt sich oft eine andere Kennlinie als bei der Messung mit abnehmender Eingangsgröße. Jedem Eingangswert sind also zwei Ausgangswerte zugeordnet. Die steigende und fallende Kennlinie bilden eine Hystereseschleife, deren maximale Aufweitung, dividiert durch den Eingangsbereich, die Hysterese ergibt. Die Hysterese H wird in Prozent angegeben und berechnet sich zu: max imale Aufweitung Hysterese 100 % Eingangsbereich Bild A1.2: Kennlinie eines Messsystems TP111 Festo Didactic

28 A-6 Aufgabe 1 Problembeschreibung An einer pneumatischen Spannvorrichtung sind die regelmäßigen Wartungsarbeiten durchzuführen. Hierzu gehört unter anderem die Überprüfung des Manometers der Wartungseinheit. Bild A1.3: Lageplan Aufgabenstellung Im Rahmen der Wartung dieser Anlage ist die Anzeigegenauigkeit der Manometeranzeige zu überprüfen. Dazu sind folgende Schritte notwendig: 1. Festlegen der Messgrößen und Wahl des Messumformers 2. Aufbau der Messschaltung 3. Erstellen der Kennlinie des Manometers 4. Ermitteln der Hysterese TP111 Festo Didactic

29 A-7 Aufgabe Festlegen der Messgrößen und Wahl des Messumformers Durchführung Legen Sie die Ein- und Ausgangsgröße des Messumformers fest. Gehen Sie davon aus, dass der Ausgangsdruck der Wartungseinheit zu bestimmen ist und Ihnen zur Anzeige des Sensorausgangssignals ein Spannungsmessgerät zur Verfügung steht. Geben Sie auch die zugehörigen Einheiten der Messgrößen an. Wählen Sie einen Messumformer, welcher die von Ihnen festgelegte Ein- und Ausgangsgröße verarbeiten kann. 1.2 Aufbau der Messschaltung Beim Pneumatikschaltplan sind folgende Punkte zu berücksichtigen: Als Manometer der pneumatischen Spannvorrichtung dient eine Wartungseinheit mit integriertem Druckregelventil und Manometer. Über einen Schlauch wird ein Drucksensor direkt mit dem Druckluftausgang der Wartungseinheit verbunden. Bei der elektrischen Messschaltung ist folgendes zu beachten: Der Drucksensor wird mit 24 V versorgt. Ein Multimeter dient zur Anzeige der Sensorausgangsspannung. Die Buchsen der Signaleingabe dienen zur Aufnahme der Sensorstecker. Bauen Sie die Messschaltungen entsprechend der vorgegebenen Schaltpläne auf. 1.3 Erstellen der Kennlinie des Manometers Zur Erstellung der Manometer-Kennlinie ist die Ausgangsspannung des Drucksensors zu ermitteln und aufzuzeichnen. Beginnen Sie die Messungen bei 0 bar. Drehen Sie dann den Druck mit Hilfe des Handrades der Wartungseinheit langsam höher, bis der auf dem Arbeitsblatt vorgegebene Manometer-Druck erreicht ist. Achten Sie darauf, dass Sie den gewünschten Druckwert auf Anhieb treffen, damit durch Zurückdrehen des Handrades die Hysterese nicht verkleinert wird. Lesen Sie die Messwerte sorgfältig ab und notieren Sie die Werte in der Tabelle auf dem Arbeitsblatt. Machen Sie eine Messung mit steigendem und eine mit fallendem Druck. Übertragen Sie anschließend die Werte in das vorgegebene Diagramm. TP111 Festo Didactic

30 A-8 Aufgabe Ermitteln der Hysterese Ermitteln Sie die maximale Aufweitung zwischen den beiden Messkurven. Berechnen Sie die Hysterese mit Hilfe der Hysteresegleichung. TP111 Festo Didactic

31 A-9 Aufgabe 1 ARBEITSBLATT 1.1 Festlegen der Messgrößen und Wahl des Messumformers Messgrößen und Einheiten Eingangsgröße:... ( ) Ausgangsgröße:... ( ) Messumformer: Aufbau der Messschaltung Bild A1.4: Schaltplan, pneumatisch Bild A1.5: Schaltplan, elektrisch TP111 Festo Didactic

32 A-10 Aufgabe Erstellen der Kennlinie des Manometers Messen Sie die Ausgangsspannungen des Drucksensors für die verschiedenen Anzeigewerte des Manometers. Messung bei zunehmendem Druck Tabelle A1.1: Druckanzeige des Manometers [bar] Spannung des Drucksensors [V] Messung bei abnehmendem Druck Tabelle A1.2: Druckanzeige des Manometers [bar] Spannung des Drucksensors [V] Tragen Sie die gemessenen Werte in das vorbereitete Diagramm ein. Bild A1.6: Diagramm TP111 Festo Didactic

33 A-11 Aufgabe 1 ARBEITSBLATT 1.4 Ermitteln der Hysterese Wie groß ist die Hysterese des Manometers? max. Aufweitung H 100 % Eingangsbereich H 100%... % TP111 Festo Didactic

34 A-12 Aufgabe 1 TP111 Festo Didactic