Vorlehsung

Steuerungstechnik
Inhaltsverzeichnis der
Steuerungstechnik
1. Steuern, Regeln, Leiten
1.1 Steuerung
1.1.1 Analoge,binäre und digitale
Steuerung
1.1.2 Verknüpfung und Ablaufsteuerung
1.1.3 VPS und SPS Steuerung
1.2 Regelung
1.3 Leiten
2.Grundkentnisse der
Steuerungstechnik
2.1 Mechanische Steuerung
2.2 Elektrische Steuerung
2.3 Pneumatische Steuerung
2.4 Hidraulische Steuerung
3.Grundlagen aus der
Hydrostatik und Hydrodinamik
3.1 Gesetz von Pascal
3.2 Kraftübersetzung
3.3 Druckübersetzung
3.4 Durchflussgesetz
3.5 Volumenstrom/ Zylinder
3.6 Volumenstrom/ Hydraulikpumpe
3.7 Hydraulische Leistung
4.Energieträger im hydraulischen
System
4.1 Ölbehälter
4.2 Hydraulikflüssigkeit
4.2.1 Aufgaben der Druckflüssigkeiten
4.2.2 Eigenschaften der Druckflüssigkeiten.
4.2.3 Arten von Druckflüssigkeiten.
4.2.4 Additivierung
4.2.5 Die Viskosität
4.2.6 Standardbetrieb von Druckfüssigkeiten
4.2.7 Verschmutzungen in Druckflüssigkeit
4.3 Dichtungen
4.3.1 Wichtige Anforderungen
4.3,2 S tatische Dichtung
4.3.3 Dynamische Dichtung
4.3.4 Werkstoff
4.3.5 Bauformen
von Kolbendichtungen
5. Pumpen, Motoren
5.1 Zahnrad und Flügelzellenpumpe
5.2 Radial und Axialkolbenpumpe
5.3 Arbeitszylinder
6. Bauelemente der Hydraulik
6.1 Wege,Druck und Stromventile
6.2 Proportional und Servoventil
7. Grundschaltungen der Hydraulik
7.1 Paralell und Reihenschaltungen
7.2 Offener und geschlossener
Kreislauf
7.3 Primer, sekundär und kombinierte Verstellung
8.Grundlagen der Pneumatik
8.1 Eigenschaften der Pneumatik
8.2 Aufbau einer Pneumatikanlage
8.3 Drucklufterzeuger und Aufbereitung
9. Grundelemente der Pneumatik
9.1 Darstellung der Ventile
9.2 3/2 und 4/2 Wegeventile
9.3 Druck, Strom und Sperrventile
10. Grundschaltungen der Pneumatik
10.1 Weg und Zeitplansteuerung
10.2 Taktstufensteuerung
11.Speicherprogrammierbare .
Steuerung
11.1 Aufbau und Funktionsweise
11.2 Programmiersprachen
11.3 Beispiel einer Ablaufsteuerung
12. Literatur
1. Steuern,Regeln,Leiten
Damit Maschinen und Anlagen selbsttätig ,also automatisch,arbeiten
können , werden sie mit :
SteuerungsRegelungs- und
Leittechniken ausgerüstet.
1.1 Steuerung
Das Steuern ist ein Vorgang,bei dem eine
Anlage oder ein Gerät durch Steuersignal
beeinflusst wird.Kennzeichend für das Steuern
ist der offene Wirkungsweg der Signale.
( DIN 19237 und IEC 1131).
Im Wirkungsplan wird das Zusammenwirken
der einzelnen Steuerungsbaugruppen mit
Blocksymbolen und Wirkungslinien dargestellt.
Die Wirkungrichtung kennzeichnet man
mit Pfeilen.
1.1.1 Analoge,binäre und
digitale Steuerung
Bei analogen Steuerungen
steuert man mit überwiegend
mit stetig wirkenden Signalen,
die ein analoges Abbild der
Steuergrösse sind .
.
Bei binären Steuerungen steuert
man mit zweiwertigen Signalen.
Binäre Signale werden durch
zwei verschiedene Werte oder
Zustände dargestellt.
Beispiel: EIN - AUS
SCHWARZ- WEISS
STROMLEITEND UND
STROMNICHTLEITEND ODER
EINFACH DURCH : 0 UND 1.
Bei digitalen Steuerungen steuert
man mit Zahlen.Die wichtigsten
Bauelemente:-Codierer,
-Mikroprozessorren,
-Mikrocomputer,
-Digitale Speicher,
-Digitale Speichersysteme und Netze.
1.1.2 Verknüpfungssteuerung und
Ablaufsteuerung
Bei Verknüpfungssteuerung entsteht die
Steuergrösse durch Verknüpfung
( Kombination) mehrerer Signale
Bei Ablaufsteuerung werden die
Steuerungsvorgänge schrittweise
ausgelöst.Das Weiterschalten
von einem Schritt zum nächsten
erfolgt entweder :
-zeitabhängig
-prozessabhängig
1.1.3 Verbindungsprogrammierte
und speicherprogrammierte
Steuerungen.
Bei (VPS)bestimmen die leitverbindungen die Verdrahtung ,
den Programmablauf.
(SPS) enthalten einen elektrischen
Programmspeicher ,der freiprogrammiert werden kann.
1.2 Regelung
Die Regelung ist ein Vorgang
bei dem die zu regelnde
Grösse (Regelgrösse) fortlaufend erfasst und so beeinfusst wird, das sie sich der
gewünschten Grösse
(Führungsgrösse ) angleicht.
a: Festwertregelung:
b: Folgeregelung
1.3 Leiten
Das Leiten ist die Gesamtheit
aller Massnahmen,die be –
wirken, dass der gewünschte
Prozessverlauf erreicht wird.
Dabei ist meist auch Mitwirkung des Menschen
vorgesehen.
2.Grundkentnisse der
Steuerungstechnik
2.1 Mechanische Steuerung:
Mechanische Steuerungen
bestehen aus Getriebe, Kurvenscheiben, Hebeln, Kupplungen
und anderen mechanischen
Bauteilen.
2.2 Elektrische Steuerungen:
Geschiet das Steuern durch Schalten
elektrischer Kontakte , spricht man
von Kontaktsteuerungen
sonst von kontaktlosen Steuerungen
oder elektronischen Steuerungen.
Nach Art der Schaltbetätigung unterscheidet man Tastschalter,Stellschalter und Schloβschalter
Elektrische Steuerung
2.3 Pneumatische Steuerung
Besteht aus Steuerteil und
Energieteil.
Steuerteil:werden Signale aufgenommen und verarbeitet.
Energieteil:mit Stellglieder (Ventile)
Antriebsglieder( Zylinder,Motoren)
gesteuert und Kräfte erzeugt.
Pneumatische Steuerung
2.4 Hydraulische Steuerung
Unter Hydraulik versteht man alle
Antriebs,- Steuer – und Regel
Bauteile einer Maschine, mit denen
duch Druck in einer Flüssigkeit
Kräfte erzeugt und übertragen
wird.
Hydraulische Steuerung
3. Grundlagen aus der
Hydrostatik und
Hydrodynamik
3.1
Gesetz von Pascal
Wirkt eine Kraft F über einer Fläche
A auf eine eingeschlossene
Flüssigkeit, so entsteht ein Druck p,
der sich über die gesamte Flüssigkeit
gleichmässig ausbreitet.
3.2
Kraftübersetzung
F1
F2
s2
s1
A1
A2
p2
p1
F1
F2
=
A1
A2
p1 = p 2
F1
A1
s2
=
=
F2
A2
s1
F1  A 2 = F2  A1
3.3
Druckübersetzung
A2
p1
F1
F2
p2
s2
A1
p1  A1 = p2  A 2
s1
F1 = F2
p1
A2
=
p2
A1
3.4
A1
Durchflussgesetz
A3
A2
Q1
Q2
v 2 s2
v 1 s1
V=A  s
V
Q=
t
Q3
v 3 s3
A s
Q=
t
Kontinuitätsgleichung:
A1  v1 = A2  v2 = A3  v3
Q1 = Q2 = Q3
Q=A  v
s
v=
t
3.5
Volumenstrom / Zylinder
v
A
Q
Q=A  v
A
B
b
a
P
T
3

Q = Volumenstrom dm
mi
n


A = Kolbenfläche dm3 

v = Ausfahrgeschwindigkeit dm
 min 
3.6
Volumenstrom / Hydraulikpumpe
*
Q=n  V
3

Q = Volumenstrom dm
min 


n = Drehzahl  1
 min 
Q
3


dm
V = Fördervolumen 
U 

*
A
B
b
a
P
n
*
V
T
P
mit Wirkungsgrad
*
T
Q=n  V  
 = Wirkungsgrad
Hydraulische Leistung I
3.7
P4 = Leistung Zylinder
P3 = Hydraulische Leistung
P1 = E-Motor Eingangsleistung
P1 = U  I
A
P
M
T
P2 = Pumpen Eingangsleistung
M n
P2 =
9550
p  Q
P3 =
600
P4 = F  v
Hydraulische Leistung II
Nutzleistung
Abgegebene Leistung
M
Antriebsleistung
Antriebsleistung Pumpe:
p  Q
PAn =
600  
Nutzleistung Hydromotor:
p  Q 
PNutz =
600
4.Energieträger im
hydraulischen
System
4.1 Ölbehälter:
4.2 Hydraulikflüssigkeit
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.2.6
4.2.7
4.3 Dichtungen
4.3.1 Wichtige Anforderungen:
- möglichst gute Dichtungen(Leckölverluste)
-möglichst geringe Reibungskräfte bei dynamischen
Dichtungen
-gute mechanische Dauerhaltbarkeit(Produktlebensdauer )
-gute Verträglichkeit mit gängigen Druckflüssigkeiten
( Funktionssicherheit)
-geringer Platzbedarf und Einbauaufwand
( Wirtschaftlichkeit )
-geringe Herstellerkosten (Wirtschaftlichkeit)
-thermische Beständlichkeit
4.3.2
4.3.3
4.3.4 Werkstoffe
- E l a s t o m e r e,
-Thermoplastische Elastomere,
-Thermoplaste
-G e w e b e w e r k s t o f f e
4.3.5
5. Pumpen und Motoren
Konstantpumpen
Aussenzahnradpumpe
Verstellpumpen
Schrägscheibenpumpe
Radialkolbenpumpe
Zahnringpumpe
Schrägachspumpe
Innenzahnradpumpe
Flügelzellenpumpe
5.1
Zahnradpumpe Buchsenpumpe III
Zahnradpumpe Buchsenpumpe IV
Innenzahnradpumpe I
Unausgeglichene Flügelzellenpumpe I
5.2 Radialkolbenpumpe
Axialkolbenpumpe
Schrägscheibenpumpe
Schrägachspumpe I
5.3 Arbeitszylinder
6. Bauelemente
der Hydraulik
6.1 Wege, Druck und Stomventile
Steuerungselemente
Wegeventile
Start, Richtung, Stop
direkt- / vorgesteuert
Druckventile
Kraft
direkt-/ indirektgesteuert
Stromventile
Geschwindigkeit
Wege-Sitzventil
Druckbegrenzungsventil
Drosselventil
Wegeschieberventile
Druckzuschaltventil
Druckabschaltventil
Stromregelventil
Rückschlagventile
Sperrventile
Druckreduzierventil
Wegeventile
 Leitungen verbinden
 Leitungen absperren
 Ölströme umleiten
Benennung Sinnbilder
4 / 3 Wegeventil
Anzahl Schaltstellungen
Anzahl Anschlüsse
Anschlussbezeichnungen
P
Druckanschluss
T
Tankanschluss
A, B Arbeitsanschlüsse
L
Leckölanschluss
N
Neutralumlauf
x, y Steueranschlüsse
Durchfluss Sinnbilder
Ventilbetätigung I
Manuelle allgemein
Handhebel mit Rastung
Tastrolle
Fusspedal
Ventilbetätigung II
Hydraulisch direkt
Pneumatisch direkt
Elektromagnetisch
Ventilbetätigung III
Federrückstellung
Federzentrierung
Elektro-hydraulisch vorgesteuert
Bezeichnung Schaltstellungen II
Regel:
 Ventil nicht betätigt
gezeichnet
Ausnahme:
 Ventil betätigt gezeichnet
bei Folgesteuerung
Sperrventile
 Sitzventile
 Kugel
 Kegel
Teller
 Absolut dicht
 Keine Leckagen
Schieberventile
 Schaltelement Schieber
 Leckagen
 Schieberspiel
Schaltüberdeckung
Positive
Negative
 Anschlüsse abgesperrt
 Anschlüsse verbunden
 kein Absinken der Last
 keine Schaltschläge
 Schaltschläge
 Absinken der Last
Durchflusswiderstand
Verschiedene
Druchflusssinnbilder
Volumenstrom
Direktgesteuertes Wegeventil
Vorgesteuertes Wegeventil
DBV direktgesteuert
 Bei Sitzventile ohne Leckölanschluss
 Bei Schieberventile
 Externe Abführung
 Interne Abführung
Druckbegrenzungsventil
Funktionsdarstellung
Symboldarstellung
Druckbegrenzungsventil vorgesteuert I
 Durch Stopfen interne oder externe
Leckölabführung
Druckminderventil Schaltung
Druckminderventil direktgesteuert
 Ansteuerung Ausgangsdruck
 Unbetätigt offen
 Schieberventil mit Leckölanschluss
3-Wege-Druckminderventil I
3-Wege-Druckminderventil II
 Kombination Druckminderventil mit Druckbegrenzungsventil
 DBV höher eingestellt
 Bei äusserer Kraft auf
Verbraucher
Druckzuschaltventil eigengesteuert
 Vorgesteuert
 Umgehung mit
Rückschlagventil
 Eigengesteuert
Druckzuschaltventil fremdgesteuert
 Vorgesteuert
 Umgehung mit
Rückschlagventil
 Fremdgesteuert
Druckabschaltventil
 Abschaltung einer
Pumpe
 Verkürzung Leerwege
 Fremdgesteuert
Stromventile Strömungsgesetz
Δp=Q
2
Blende / Drossel
Blende
Drossel
Symbole
Drosselschaltung
v
p2
variabel
Variabler Druckabfall
ergibt einen variablen
Volumenstrom
Q
Drosselventil
p = variabel
A
B
b
a
P
T
QVerbraucher
p1
Stromteilungspunkt
P
(konstant)
Q Pumpe
T
QDBV
Wirkungsweise Stromregelventil II
3-Wege-Stromregelventil
Rückschlagventil I
Schaltungs-Varianten
Entsperrbares Rückschlagventil
Schaltung entsperrb. Rückschlagventil
6.2
Proportional-Wegeventil
Servoventil
7.
Grundschaltungen
der
Hydraulik
7.1 Parallelschaltung von
Verbraucher
Reihenschaltungen von
Verbraucher
7.2 Offener und geschlossener
Kreislauf
7.3 Primer,sekundär und
kombinierte Verstellung
8.Grundlagen der Pneumatik
8.1 Eigenschaften der Pneumatik:
- Überlastsicherung
- Zentrale Energieversorgung
- Hohe Lebenserwartung-geringe Wartung- Austauschbarkeit der Bauelemente
- Hohe Bewegungsbeschleunigungen möglich
- Leichte Strom- und Druckeinstellung
- Begrenzte Verarbeitungs- und Übertragungsgeschwindigkeit
8.2 Aufbau einer Pneumatikanlage:
8.3 Drucklufterzeugung und aufbereitung:
9. Grundelemente der
Pneumatik
9.1 Darstellung der Ventile
9.2 3/2 Wegeventile:
Stromventile:
Sperrventile:
9.3 Druckventile
10. Grundschaltungen
der
Pneumatik
10.1 Wegplansteuerung
10.2 Zeitplansteuerung
10.3 Druckplansteuerung
11. Speicherprogrammierbare
Steuerung
11.1 Aufbau und Funktionsweise
11.2 Programmiersprachen
11.3 Beispiel einer Ablaufsteuerung:
11.3.1 Augabe:
Auf einer Sondermaschine soll eine Nut in
eine Holzleiste gefräst werden.
Die Holzleiste wird mit einem Zylinder gespannt.
Die Bewegung des Maschinentisches steuert
eine hydropneumatische Vorschubseinheit.
In der vorderen Endstellung hält sich
die Vorschubseinheit 5 sec auf.
11.3.2 Technologischerplan:
Holzleiste
Spannzylinder( H11)
Maschinentisch
Vorschubseinheit(H10)
11.3.3 Arbeitszyklusdiagramm:
Zusammenhanstafel:
Eingänge:
Ausgänge:
Arbeitszyklus
11.3.4 Wirkungsplan
11.3.5 PLC programm ( OMRON CPM1)
12. Literatur:
[1] D.S.Aale: Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik. Europa
Verlag 2005/10 Auflage.
[2]Niest: Steuern und Regeln im Maschinenbau
Europa Verlag 1994/6 Auflage
[3]Matthies-Renius:Einführung in die Ölhydraulik
Vieweg+Teubner Verlag 2008