Werner Thrun Michael Stern Steuerungstechnik im Maschinenbau
Werner Thrun Michael Stem Steuerungstechnik im Maschinenbau Mit 181 Bildem und 32 Tabellen II Vleweg
ISBN-\3: 978-3-528-04971-3 DOl: 10.1007/978-3-322-89853-1 e-isbn-13: 978-3-322-89853-1 Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1997 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschlielllich aller seinerteile ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung aullerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuliissig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfliltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden Technische Redaktion und Layout: Hartmut Kuhn von Burgsdorff Gedruckt auf siiurefreiem Papier
v Vorwort Die Lerninhalte der Steuerungstechnik sind Bestandteil der beruflichen Erstausbildung, der Weiterbildung und des Studiums in den gewerblich-technischen Berufen. Fur den Lernenden des Maschinenbaus ergeben sich folgende Fragen zur Steuerungstechnik: - Was ist Steuerungstechnik? - Welche technischen Gerate gibt es zur Realisierung von Steuerungsaufgaben und wie funktionieren diese? - Welche funktionalen Zusammenhange bestehen zwischen den Ein- und AusgangsgrtiBen von Steuerungen und wie ktinnen diese beschrieben werden? - Wie kann die Ltisung des Steuerungsproblems dargestellt und realisiert werden? Da nicht von vornherein zu entscheiden ist, wie Bewegungen im automatisierten FertigungsprozeB optimal zu realisieren sind, werden zunachst verschiedene geratetechnische Komponenten fur Steuerungen dargestellt. Ihre Beschreibung erfolgt entsprechend ihrer Funktion in der Steuerkette. Zur Darstellung der logischen Verknupfungen zwischen den Eingangssignalen der Steuereinrichtung und den Ausgangssignalen dient die Boolesche Algebra. Die Anwendung ihrer Axiome und Rechenregeln ergibt die Mtiglichkeit, jene Verknupfungsgleichung zu finden, die den geringsten Gerateaufwand erfordert. Grafisch ktinnen Boolesche Verknupfungen durch das Karnaugh-Veitch-Diagramm dargestellt und minimiert werden. In zahlreichen verbindungs- und speicherprogrammierbaren Verknupfungs- und Ablaufsteuerungen wird die Anwendung der theoretischen und geratetechnischen Grundlagen unter Berucksichtigung sicherheitstechnischer Aspekte vorgestellt. Programmierung und Anwendung universeller Funktionsbausteine (SPS) vervollstandigen die Beispiele. Die Verarbeitung analoger Signale in digitalen Steuerungen zeigt die SPS als digitalen Abtastregler in Verbindung mit entsprechenden Softwarepaketen. Aufgrund der ausfuhrlich kommentierten Schaltplane und Anwenderprogramme kann das Buch sowohl zur Unterrichtsbegleitung als auch fur das Selbststudium genutzt werden. Fur fachliche Anregungen sind wir den interessierten Lesern dankbar. Stahnsdorf, im April 1997 Werner Thrun Michael Stern
VI Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 GrundbegritTe der Steuerungstechnik... 1.1 Einleitung... 1.2 Steuerungsvorgang... 2 1.3 Unterscheidungsmerkmale fiir Steuerungen... 5 1.3.1 Informationsdarstellung... 5 1.3.2 Signalverarbeitung... 6 1.3.3 Ablaufsteuerungen... 6 1.3.4 Programmverwirklichung... 6 2 Technische Ausfiihrung von Komponenten der Steuerungstechnik... 8 2.1 Signaleingabe...... 8 2.1.1 Signalarten......... 8 2.1.2 Bauarten von Signalgebern......... 10 2.1.2.1 Pneumatische Signalgeber............ 10 2.1.2.2 Elektromechanische Signalgeber............ 11 2.1.2.3 Sensoren... 12 2.2 Signalverarbeitung... 13 2.2.1 Signalverarbeitung mit pneumatischen und elektrischen Bauelementen... 13 2.2.1.1 Logische Grundverkniipfungen... 13 2.2.1.2 Signalspeicherung... 18 2.2.1.3 Signalverzogerung... 22 2.2.2 Signalverarbeitung mit speicherprogrammierbaren Steuerungen... 25 2.2.2.1 Logische Grundverkniipfungen... 27 2.2.2.2 Die Speicherfunktion... 31 2.2.2.3 Zeitfunktionen............... 35 2.2.2.4 Zahler, Vergleicher und Flankenbausteine... 37 2.3 Signalausgabe...... 39 2.3.1 Wegeventile als Stellelemente... 39 2.3.2 Elektrische Stellelemente... 40 2.4 Antriebselemente... 40 2.5 Bauelemente der Hydraulik... 43 2.5.1 Elemente zur Energiesteuerung... 44 2.5.2 Elemente zur Energieumwandlung... 47 2.6 Energieversorgung bei pneumatischen und hydraulischen Anlagen... 48 2.6.1 Physikalische Eigenschaften der Luft...... 48 2.6.2 Physikalische Grundlagen der Hydraulik... 50
Inhaltsverzeichnis VII 3 Beschreibung von Steuerungsaufgaben...... 53 3.1 Grundlagen der Schaltalgebra... 53 3.1.1 Rechenregeln fur die Grundverkniipfungen... 53 3.1.1.1 Die UND-Verkniipfung... 53 3.1.1.2 Die ODER-Verkniipfung... 55 3.1.1.3 Die Negation... 56 3.1.2 Regeln fur gemischte Schaitungen... 57 3.1.2.1 Das Distributivgesetz... 57 3.1.2.2 DasAbsorptions-Gesetz... 58 3.1.2.3 Die Gesetze von de Morgan... 58 3.2 Das Karnaugh-Veitch-Diagramm... 61 3.2.1 Allgemeines... 61 3.2.2 Die Darstellung der Grundverkniipfungen im KV -Diagramm... 62 3.2.3 Darstellung wichtiger Regeln der Schaltalgebra im KV-Diagramm... 63 3.3 Vereinfachung von Verkniipfungsfunktionen... 64 3.3.1 Ermittlung von Verkniipfungsfunktionen aus Schalttabellen... 64 3.3.1.1 Die disjunktive Normalform der Verkniipfungsfunktion... 64 3.3.1.2 Die konjunktive Normalform der Verkniipfungsfunktion... 65 3.3.2 Minimierung von Verkniipfungsfunktionen mit Hilfe der Schaitalgebra und des KV-Diagramms... 66 3.4 Grafische Darstellung von Steuerungsaufgaben... 72 3.4.1 Schaltplane... 72 3.4.1.1 Schaltplane fur fluidtechnische Steuerungen..... 72 3.4.1.2 Elektrische Schaltplane... 73 3.4.2 Der Funktionsplan... 75 3.4.2.1 Schritte und Befehle... 76 3.4.2.2 Ubergange und Wirkverbindungen... 77 4 Verkniipfungssteuerungen... 80 4.1 Steuerung geradliniger Bewegungen... 80 4.1.1 Verkniipfungssteuerungen ohne Speicherverhalten... 80 4.1.1.1 Pneumatische und hydraulische Grundsteuerungen... 82 4.1.1.2 Elektrische Steuerung pneumatischer und hydraulischer Arbeitselemente...... 86 4.1.2 Verkniipfungssteuerungen mit Speicherverhalten... 89 4.1.2.1 Pneumatische Grundsteuerungen mit Speicherverhaiten... 91 4.1.2.2 Elektrische Steuerungen mit Speicherverhalten... 93 4.1.2.3 Steuerung geradliniger Bewegungen mit speicherprogrammierbaren Steuerungen... 99 4.1.3 Zeitelemente in Verkniipfungssteuerungen... 104 4.2 Steuerung von Drehbewegungen... 110 4.2.1 Hydromotor...... 110 4.2.1.1 Elektrische Steuerung eines Hydromotors... 110 4.2.1.2 Steuerung des Hydromotors mit einer SPS... 116
VIII Inhaltsverzeichnis 4.2.2 Drehstrornmotor... 121 4.2.2.1 Drehrichtungssteuerung......... 122 4.2.2.2 AnlaBsteuerung mit Stern-Dreieck-Schaltung... 128 4.2.2.3 SPS-Steuerprogramm fur einen Drehstromantrieb... 138 5 Ablaufsteuerungen... 149 5.1 Einfache prozebabhangige Ablaufsteuerungen... 149 5.1.1 Entwicklung einer pneumatischen Ablaufsteuerung... 151 5.1.2 Entwicklung einer elektropneumatischen Ablaufsteuerung... 154 5.1.3 Realisierung der Ablaufkette mit einer SPS... 159 5.2 Verriegelungen in Ablaufsteuerungen... 163 5.2.1 Signalverriegelung durch Impulsspeicher in einer pneumatischen Ablaufsteuerung......... 163 5.2.2 Signalverriegelung in einer elektropneumatischen Ablaufsteuerung... 167 5.2.3 Signalverriegelung im SPS-Programm... 169 5.3 Sicherheitsanforderungen fur Steuerungen... 174 5.3.1 Allgemeine Anmerkungen zur Sicherheit von Steuerungen... 174 5.3.2 Gefahrenabschaltung in Ablaufsteuerungen... 176 5.4 Standardisierung von Ablaufsteuerungen... 182 5.4.1 Der Betriebsartenteil als Funktionsbaustein... 182 5.4.2 Meldungen... 189 5.4.3 Die Ablaufkette... 193 5.4.4 Die Befehlsausgabe... 196 5.4.5 Das Anwenderprograrnm... 196 5.5 Zahler in Ablaufsteuerungen... 208 5.5.1 Steuerung der Taktvorschubeinheit fur eine Presse... 208 5.5.2 Das Anwenderprograrnm... 218 5.5.3 Zykluszeit der SPS... 225 6 Analoge Signale in digitalen Steuerungen... 230 6.1 Allgemeines... 230 6.2 Verarbeitung analoger Drucksignale... 232 6.3 Auswertung analoger MeBsignale..................... 238 6.4 Analoge Temperatursignale... 248 6.4.1 Anwendung des Funktionsbausteins FB 310......... 249 6.4.2 Analyse des Funktionsbausteins FB 310......... 252 Normen und Literatur..................... 256 Lexikon der Fachbegriffe... 257 Operationen, Operanden und Systemvariable der Modicon A 120... 261 Sachwortverzeichnis... 263