Berthold Heinrich (Hrsg.) Kaspers/KOfner Messen - Steuern - Regeln

Berthold Heinrich (Hrsg.) Kaspers/KOfner Messen - Steuern - Regeln

Grundlagen Maschinenbau Lehrsystem Technische Mechanik mit Lehrbuch, Aufgabensammlung, Losungsbuch sowie Formeln und Tabellen von A. Bage und W. Schlemmer Handbuch Maschinenbau herausgegeben von A. Bage Elektrotechnik fur Maschinenbauer von R. Busch Technische Berichte von H. Hering und L. Hering Englisch fur Maschinenbauer von A. Jayendran Excel+VBA fur Maschinenbauer von H. Nahrstedt Lehrwerk RoloffjMatek Maschinenelemente von H. Wittel, D. Muhs, D. Jannasch und J. VoBiek Praktische Regelungstechnik von W. Schneider Werkstoffkunde von W. WeiBbach www.viewegteubner.de --'

Berthold Heinrich (Hrsg.) Bernhard Berling I Werner Thrun I Wolfgang Vogt Kaspers/KOfner Messen - Steuern - Regeln Elemente der Automatisierungstechnik 8., Gberarbeitete und erganzte Auflage Mit 347 Abbildungen STUDIUM II VI EWEG+ TEUBNER

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet Gber <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. Bis zur 4. Auflage erschien das Buch unter dem Titel "Messen - Steuer - Regeln". In der 5. Auflage erschien das Buch unter dem Titel "Steuern - Regeln - Automatisieren", aile Auflagen im gleichen Verlag. 1. Auflage 1977 2., durchgesehene Auflage 1980 3., neu bearbeitete und erweiterte Auflage 1984 4., vollstandig Gberarbeitete und erweiterte Auflage 1994 5., verbesserte Auflage 1996 6., neu bearbeitete Auflage 2002 7., verbesserte Auflage 2003 8., Gberarbeitete und erganzte Auflage 2005 korrigierter Nachdruck 2009 Aile Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner I GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Thomas Zipsner I Imke Zander Vieweg+ Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschgtzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfiiltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen U5W. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,. dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dgrften. Umschlaggestaltung: KGnkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum, Wiesbaden Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN-13:978-3-8348-0006-0 e-isbn- 1 3:978-3-322-82033-4 DOl: 10.1007/978-3-322-82033-4

v Vorwort Ais didaktisches Konzept wird ein konkretes flexibles Montagesystem (FMS) als Lerntrager benutzt, anhand dessen Aspekte des Messens, des Steuerns und Regelns sowie des Automatisierens vorgestellt werden. In bewaiuter Weise wurde auf den Einsatz hoherer Mathematik verzichtet, da sie fur den Adressatenkreis nicht immer zur VerfUgung steht. Abstrakte Zusammenhange werden mit relativ einfachen Mitteln allgemeinverstandlich dargestellt. 1m Kapitel tiber die EinfUhrung in die Automatisierungstechnik werden die technisch-wirtschaftlichen Grundlagen dieses Fachgebietes vorgestellt. Aus einer konkreten Problemstellung werden erste Losungsansatze erarbeitet und ein Konzept fur das zu realisierenden FMS vorgegeben. Damit haben auch die anderen Kapitel Zielpunkte. In der Messtechnik werden neben der Vorstellung der Messmittel fur verschiedene physikalische GroBen die Besonderheiten in der Automatisierungstechnik behandelt. Dieses Kapitellegt viel Wert auf die Praxis, da nur yom Anwender aus der Vielzahl der auf dem Markt angebotenen Losungen und unter den verschiedenen Randbedingungen vor Ort, das ftir die Problemli:isung in der Realitat geeignete Gerat gewahlt werden kann. Die Steuerungstechnik behandelt sowohl die Verkntipfungs- als auch die Ablaufsteuerung und die Steuerung mittels SPS. Die Beispiele werden durchgangig an der Simatic S7 von Siemens mit der Programmiersoftware STEP 7 realisiert, da sich diese Kombination zur Zeit als Standard zeigt. Die Darstellung ist aber so allgemein gehalten, dass eine Codierung in einer anderen Software moglich ist. In dies em Kapitel werden viele Beispiele programmiert, die dann auch in die Lernanlage integriert werden konnen. 1m Kapitel Regelungstechnik werden Regelkreis und Regelkreisglieder analysiert und Moglichkeiten zur Beschreibung ihres Verhaltens vorgestellt. Damit lassen sich dann Aussagen tiber das Verhalten beim Zusammenwirken und Einstellregeln herleiten. Abgeschlossen wird dieser Teil mit einem Beispiel zur Regelung mit einer SPS. Viele ausfuhrlich geli:iste Lehrbeispiele und Fragen zur Selbstkontrolle tragen zum besseren Verstandnis bei. Wer mit den Komplexen Zahlen nicht so vertraut ist, kann die Herleitungen tiberlesen und nur die Ergebnisse nutzen. In der vorliegenden 8. Auflage wird die Regelungstechnik durch ein Kapitel tiber Fuzzy Control erganzt. Dadurch wird der sich seit einiger Zeit durchsetzende neune Denkweise in der Regelungstechnik Rechnung getragen. An einem Beispiel zur Bremskraftsteuerung an einem Kfz werden die Ideen und Begriffe der Fuzzy-Regelung erlautert. Das Beispiel wurde auch mit der Simulationssoftware fuzzytech, deren Demoversion sich der Leser aus dem Internet laden kann, realisiert. Weiterhin sind ab dieser Auflage auf haufigen Wunsch die U:isungen der Selbstkontrollaufgaben im Internet unter www.vieweg.de. dann auf "Service fur Privatkunden" ~ Bereich Technik zu finden. Das Kapitel Automatisierungstechnik greift die Problemstellung der Lernanlage auf und vereint in der Darstellung der Informationsverarbeitung, der Handhabungs- und Transporttechnik die Ergebnisse der vorherigen Buchteile zu Losungsvorschlagen. Auch hier wird die Programmierung an der Simatic S7 mit der Software STEP 7 durchgefuhlt. Die Benutzung der englischen Fachsprache wird fur moderne Technologien immer wichtiger. Wir haben in dieser 8. Auflage versucht, dem Leser dafur Hilfestellungen zu geben. Einmal

Vorwort VI findet man unter jeder nummerierten Uberschrift die englische Ubersetzung. Dies ist fur Leser gedacht, die in englischsprachiger Literatur weiter recherchieren wollen. Fur Leser, die z. B. aus einem Firmenkatalog oder aus dem Internet einen englischen Begriff aus dem Bereich der Automatisierungstechnik gefunden haben, ist ein Glossar aufgenommen, in dem zu wichtigen englischsprachigen Begriffen eine deutsche Ubersetzung gegeben wird. Da der Sprachgebrauch in beiden Sprachen oft unterschiedlich ist, wurden dort, wo es uns sinnvoll erschien, auch Doppelnennungen aufgenommen. Die Idee war dabei, dass der Leser die deutsche Ubersetzung im Glossar nachschhigt. Zu vielen Begriffen findet er dann im Sachwortverzeichnis einen Verweis auf die Fundstelle im Buch. Fur die Bearbeitung des englischen Glossars danken wir Frau Imke Zander M.A., Wiesbaden und Herm Professor Dr. Ariacutty Jayendran, Witten. Besonders bedanken mochte ich mit bei den Mitarbeitern des Vieweg-Verlags, Herrn Schmitt, Herrn Kuhn von Burgsdorff und Herm Zipsner fur die immer engagierte Hilfe. In der 8. Auflage wurden auch auf der inneren Umschlagsseite die verwendeten Formelzeichen aufgenommen. Wir erhoffen uns dadurch eine bessere Lesbarkeit. Heme, Oktober 2005 Berthold Heinrich

VII Inhaltsverzeichnis 1 Einfiihrung in die Automatisierungstechnik... 1 1.1 Technischlwirtschaftliche Grundlagen... 1 1.2 Grundkonzepte moderner Automatisierungstechnik... 4 1.3 Grundlagen der Leittechnik... 9 1.4 Von der Aufgabe zur Lasung, konzipieren eines FMS... 17 1.5 Die Lernanlage... 22 2 Messtechnik...... 24 2.1 Einleitung... 24 2.2 Messen physikalischer GraBen.... 24 2.2.1 Grundlagen der Messtechnik... 25 2.3 Temperaturmessung... 27 2.3.1 Grundlagen... 27 2.3.2 Temperaturmessung mittels Widerstandsthermometer... 27 2.3.3 Einbaugrundsiitze fur Widerstandsthermometer... 29 2.3.4 Temperaturmessung mittels Thermoelemente... 29 2.3.5 Auswahlkriterien fur Widerstandsthermometer und Thermoelemente... 32 2.4 Kraftmessung... 33 2.4.1 Grundlagen der Dehnungsmessstreifen... 33 2.4.2 Aufbau und Anbringung von Dehnungsmessstreifen... 33 2.4.3 Schaltung von Dehnungsmessstreifen... 34 2.4.4 Kraftaufnehmer... 35 2.5 Niiherungsschalter... 36 2.5.1 Grundlagen... 36 2.5.2 Induktive Niiherungsschalter... 36 2.5.3 Kapazitive Niiherungsschalter... 38 2.5.4 Einbaugrundsiitze... 40 2.5.5 Niiherungsschalter in der Lernanlage... 42 2.6 Optische Sensoren... 43 2.6.1 Grundlagen... 43 2.6.2 Lichtschrankentypen... 47 2.6.3 Geriiteauswahl und Montage... 56 2.7 Ultraschallsensoren... 57 2.7.1 Grundlagen...:... 57 2.7.2 Unterscheidungsmerkmale und Funktionsarten von Ultraschallsensoren... 61 2.7.3 Montage und Betrieb... 68 2.8 Drehgeber... 70 2.8.1 Grundlagen... 70 2.8.2 Inkrementale Drehgeber... 70 2.8.3 Hohlwellendrehgeber... 71 2.8.4 Montage und Betrieb... 72 2.8.5 Absolute Drehgeber... 73 2.8.6 Einsatz von Drehgebern... 75

VIII Inhaltsverzeichnis 3 Steueruugstechnik.................. 77 3.1 EinfUhrung in die Steuerungstechnik... 78 3.1.1 Grundbegriffe der Steuerungstechnik... 78 3.1.2 Unterscheidungsmerkrnale fur Steuerungen... 81 3.1.3 Grafische Darstellung von SteuerungsabHiufen... 82 3.2 Signalverarbeitung in Steuerungen... 91 3.2.1 Signalarten... 91 3.2.2 Logische Grundverkniipfung binarer Signale... 93 3.2.3 Grundlagen der Schaltalgebra... 97 3.2.4 Das Kamaugh-Veitch-Diagrarnm... 106 3.2.5 Die Speicherfunktion... 109 3.2.6 Zeitelemente und Zahler in Steuerungen... 118 3.3 Verbindungsprograrnmierte Steuerungen... 127 3.3.1 Verkniipfungssteuerungen fur Linearbewegungen... 127 3.3.2 Ablaufsteuerung fur Linearbewegungen... 135 3.4 Speicherprograrnmierbare Steuerungen... 140 3.4.1 Das Automatisierungssystem... 140 3.4.2 Grundlagen der Programmierung nach lee 61131-3... 146 3.4.3 Verkniipfungssteuerung fur einen Drehstromantrieb... 155 3.4.4 Ablaufsteuerungen... 161 3.4.5 Verarbeitung analoger Signale... 188 3.4.6 Sicherheitsanforderungen an Steuerungen... 198 4 Regelungstechnik... 202 4.1 Grundlagen..................... 202 4.1.1 Grundbegriffe... 202 4.1.2 Grafische Darstellung von Regelkreisen mithilfe des Wirkungsplans... 208 4.1.3 Beschreibung des Verhaltens von Regelkreisgliedem... 211 4.2 Regelstrecken... 216 4.2.1 Einteilung der Strecken... 216 4.2.2 Regelstrecken mit Ausgleich (P-Strecken)... 218 4.2.3 Regelstrecken ohne Ausgleich (I-Strecken)... 220 4.2.4 Regelstrecken mit Verzogerung (P-Tn-Strecken)... 222 4.2.5 Regelstrecken mit Totzeit (TcStrecken)......... 225 4.3 RegIer... 228 4.3.1 Einteilung der RegIer... 228 4.3.2 Unstetige RegIer am Beispiel des Zweipunktreglers... 228 4.3.3 Stetige RegIer... 230 4.3.4 Quasistetige RegIer... 240 4.4 Zusammenwirken zwischen RegIer und Strecke... 242 4.4.1 Beurteilungskriterien... 242 4.4.2 Regelung mit stetigen Reglem............. 243 4.4.3 Regelung mit Zweipunktreglem... 249 4.4.4 Regelung mit einer SPS... 251 4.5 Fuzzy-Regelung... 253 4.5.1 Fuzzy-Mengen... 254 4.5.2 Fuzzifizierung... 256 4.5.3 Regelwerk und Inferenz... 257 4.5.4 Defuzzifizierung... 262

Inhaltsverzeichnis IX 5 Automatisierungstechnik......... 265 5.1 Infonnations- und Kommunikationstechnik... 265 5.1.1 Grundlagen der Infonnationstechnik... 267 5.1.2 Bussysteme und Netzwerke in der AT... 271 5.1.3 Komponenten zum Bedienen und Beobachten in der Leittechnik... 286 5.2 Handhabungstechnik... 290 5.2.1 Grundlagen... 290 5.2.2 Pick-and-place-Gerate... 291 5.2.3 Industrieroboter... 292 5.2.4 Roboterprogrammierung... 298 5.3 Werkstiicktrager-Transportsysteme... 308 Literatur... 312 Glossar..... 314 Sachwortverzeichnis... 328