Walter Kaspers Hans-Jiirgen Kiifner Berthold Heinrich Wolfgang Vogt Steuem - Regeln - Automatisieren AAuuss ddeemm PPrrooggrraammmm ______________________ ___.. Grundgebiete des Maschinenbaus Steuern - Regeln - Automatisieren von W. Kaspers, H.-J. Küfner, B. Heinrich und W. Vogt Fertigungsmeßtechnik vonE. Lemke Elektrische Meßtechnik von K. Bergmann Angewandte Elektrische Meßtechnik von A. und F. Haug Steuerungstechnik Hydraulische Steuerungen von E. Kauffmann Pneumatische Steuerungen von G. Kriechbaum Speicherprogrammierte Steuerungen von G. Wellenreuther und D. Zastrow Elektrohydraulische und Elektropneumatische Steuerungen von E. Kauffmann, E. Herion und H. Locher Regelungstechnik für Maschinenbauer von W. Schneider SVpriingeer Fwaecghm--ed-ie-n---------------_-_-_-__-_-- ~---' Wiesbaden GmbH Walter Kaspers Hans-Ji .irgen Ki.ifner Berthold Heinrich Wolfgang Vogt Steuem- Regeln Automatisieren Lehr- und Arbeitsbuch 4., vollsUindig iiberarbeitete und erweiterte Auflage Mit fiber 800 Bildern Spt'inge•· Fachmedien \Viesbaden GmbH Approbiert für den Unterrichtsgebrauch an Höheren technischen und gewerblichen Lehranstalten in der Republik Österreich unter Aktenzeichen ZI.25.396/1-14aI78 1. Auflage 1977 2., durchgesehene Auflage 1980 zwei Nachdrucke 3., neubearbeitete und erweiterte Auflage 1984 fünf Nachdrucke 4., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 1994 Alle Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 1994 Ursprünglich erschienenb ei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellscahft mbH, Braunschweig / Wiesbaden, 1994 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf deshalb der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden Satz: Vieweg, Braunschweig und Konrad Triltsch, Würzburg ISBN 978-3-528-34062-9 ISBN 978-3-322-86268-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-86268-6 v Vorwort Die Steuerungs-und Regelungstechnik nimmt in der Betrachtung von Automatisierungs und Optimierungsbestrebungen eine Schliisselposition ein. Sie ist eine iibergreifende Disziplin fur die technischen Fachgebiete: Verfahrenstechnik, Stromungs-und Kolbenmaschinen u.a. Es ist heute unumganglich, den Techniker auch den versierten Facharbeiter mit Prinzipien, Denkmodellen und Anwendungsmoglichkeiten der MSR-Technik vertraut zu machen. Da fur diesen breiten Anwenderkreis die Methoden der hoheren Mathematik sehr oft nicht zur Verfiigung stehen, ist eine allgemeinverstandliche Darstellung unverzichtbar. In dem vorliegenden Buch wird der Versuch gewagt, abstrakte Zusammenhange mit relativ einfachen Mitteln zu interpretieren. Im Abschnitt MeBtechnik wurde bewuBt auf die Behandlung der Themenbereiche LangenmeB- und Priiftechnik verzichtet, da in allen technischen Bildungsgangen diese Bereiche anderen Fachem zugeordnet sind. Im Abschnitt Steuerungstechnik werden die iiblichen IEC-Symbole verwendet. Zusatzlich zur bisherigen Steuerungstechnik ist das Kapitel ,Speicherprogrammierbare Steuerung" eingefugt worden. Der Abschnitt Regelungstechnik wurde vollig neu iiberarbeitet und strukturiert. Neu aufgenommen wurde die Beschreibung mittels Komplexer Zahlen, Ortskurven, Bode Diagramm und PID-Algorithmus. Zusammenfassungen und durchgerechnete Beispiele zu den einzelnen Abschnitten wurden erganzt. Neu ist das Kapitel Automatisierungstechnik. MeB-, Steuerungs- und Regelungstechnik sind integrative Bestandteile der Automatisierungstechnik. Die Schwerpunkte sind ProzeBleittechnik, Produktionsleittechnik und Informationstechnik. Wuppertal, August 1994 Walter Kaspers Hans-Jurgen Kufner Berthold Heinrich Wolfgang Vogt VI Inhaltsverzeichnis 1 Me8technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Grundbegriffe der MeBtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Der MeBvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Einmalige Messung, MeBreihe oder Dauermessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.3 MeBgroBen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.4 Die Anzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.5 Anzeigebereich und MeBbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.6 MeBfehler-Fehlerursachen und Fehlerbeurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Temperaturmessung in der Verfahrenstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.1 Temperaturmessung mit dem Widerstandsthermometer... ......... . . . . 9 1.2.1.1 Aufbau der Widerstands-TemperaturmeBeinrichtung . . . . . . . . . . 11 1.2.1.2 Die Auswahl des Schutzrohrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1. 1.2.1.3 Die Halbwertszeit-ein MaB fiir die Reaktionsgeschwindigkeit.. 12 1.2.1.4 Einbaugrundsatze fiir Widerstandsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2 Temperaturmessung mit Thermoelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 4. . . . . . 1.2.2.1 Hohe Standzeit oder schnelles Ansprechen . . . . . . . . . . . . . . . 1. 7. . . 1.2.2.2 Grundschaltungen des Thermoelements. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 8. . . 1.2.2.3 Typische Anwendungsbeispiele der Thermoelemente . . . . . . . . .1 8. 1.2.2.4 Thermoelemente ftir Spezialaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 .9 . . . . 1.2.2.5 Auswahlkriterien ftir Thermoelemente und Widerstandsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 0 1.2.2.6 Die Zeitkonstante-ein zweites MaB fiir den Zeitablauf cines MeBvorganges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 . . . . . . . . . 1.2.3 Der Fli.issigkeits-Ausdehungsfiihler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 3. . . . . . . . . 1.2.4 Thermo-Bi-Metalle und Invarstab als Temperaturfi.ihler...... . . . . . . . . . . 24 1.3 Kraftmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. . . . . . . . . . . .2 5. . . 1.3.1 DehnungsmeBstreifen.............................................. 25 1.3.1.1 Wirkungsweise................. ........................... 25 1.3.1.2 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 . . . . . . . . . 1.3.1.3 Verschiedene Formen von DehnungsmeBstreifen.............. 26 1.3.1.4 Temperaturkompensation durch Bri.ickenschaltung . . . . . . . . . . . . 26 1.3.1.5 Vollbri.ickenschaltung mit 4 DMS und Verstarker.... . . . . . . . . . 27. 1.3.1.6 Anwendungsbeispiele von DehnungsmeBstreifen . . . . . . . . . . . .2 7. . 1.3.2 Messungen mit KraftmeBdosen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .0 . . . . . . 1.4 Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .1 . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Analoge Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 1. . . . . . . . . . . 1.4.1.1 Stroboskopische Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31. . . . . . 1.4.1.2 Drehzahlmessung mit Tachogenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .2 . . . 1.4.1.3 Drehzahlmessung mit Hilfe von Impulszahlung. . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.4.2 Digitale Drehzahlmessung (Frequenzmessung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 . . . . . 1.4.2.1 Digitale Kurzzcitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 . . . . 1.4.2.2 Digitale Frequenz und Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 . . . . 1.5 MeBwertgeber fi.ir weitere nichtelektrische MeBgroBen . . . . . . . . . . . . . . . . . 36. . . . . 1.5.1 MeBwertgebcr fi.ir die RegelgroBe Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .7 Inhaltsverzeichnis VII 1.5.2 MeBwertgeber fiir DurchfluB (Wirkdruckverfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .8 . 1.5.3 MeBwertgeber fiir DurchfluB nach dem induktiven MeBverfahren . . . . . . . 39 1.5.4 Schwebekorper als MeBwertgeber fiir DurchfluB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 .0 1.5.5 MeBwertgeber fiir die RegelgroBe Niveau und Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5.6 MeBwertgeber fiir die RegelgroBe Durchhang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.5.7 MeBwertgeber zur Erfassung des pH-Wertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 .2 . . . . . 1.6 Registrierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 .3 . . . . . . . . . . . 1.6.1 Die analoge Registrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.6.2 Beurteilung und Auswertung des Registrierstreifens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.6.3 Bauteile der Analog-Registriergeriite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. 6. . . . . 1.6.4 Punktschreiber, Linienschreiber und Lichtschreiber im Vergleich........ 47 1.6.5 Schreibeinrichtung und MeBgerat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 1.6.6 Auflosungsvermogen und MeBwertgenauigkeit beim Analogschreiber. . . . 49 1.6.7 Die Digital-Registrierung........................................... 50 2 Steuerungstechnik ................................. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. 3. . . . . 2.1 Grundbegriffe der Steuerungstechnik...................................... 53 2.1.1 Einfiihrung in die Steuerungstechnik................................. 53 2.1.2 Steuerungsarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. 5. . . . . . . . . . . . . 2.1.2.1 Ftihrungssteucrung und Haltegliedsteuerung.................. 56 2.1.2.2 Programmsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56. . . . . . . . . . 2.1.2.3 Gegentiberstellung von Steuerungsarten...................... 58 2.1.3 Graphische Darstellung von Steuerungsabliiufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.1.3.1 Bewegungsdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. 9. . 2.1.3.2 Funktionsdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. .. .. . . . 61 2.2 Grundelemente logischer Schaltungen (Funktionen)............... . . . . . . . . . .6 3 2.2.1 NICHT (Negation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. 4. . . . . . . . . . . . . 2.2.2 UNO-NAND ...................................................· . . 64 2.2.3 ODER-NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. 7. . . . . 2.2.4 Exklusiv-ODER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70. . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 NOR und NAND-universclle Logikbausteine........................ 73 2.2.6 Lehrbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 .5 2.3 Schaltalgcbra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. 8. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Grundregeln der Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.3.1.1 Universionsgesetze (de Morgansche Regeln).............. .... 79 2.3.1.2 Distributivcs Gcsetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. .. .. . . . 80 2.3.2 Karnaugh-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 .5 . . . . . . 2.3.2.1 Karnaugh-Diagramm fi.ir zwei Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. 6. . . . 2.3.2.2 Karnaugh-Diagramm fi.ir drei Variable.............. . . . . . . . . . 87 2.3.2.3 Karnaugh-Diagramm ftir vier Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. 9. . . . . 2.3.2.4 Karnaugh-Diagramm fi.ir ftinf Variable....................... 94 2.3.3 Der Speicher als Element der Schaltalgebra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 00 . . 2.3.3.1 Statische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 1. 01 2.3.3.2 Speicherelement aus NOR-Elementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 0. 2. . . 2.3.4 Zahlspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104. . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.1 Logikplan von Zahlspeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.0 5. . . . . . . . 2.3.4.2 Aufbau cines Dualzahlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 0. 6 . . . . . . . 2.3.4.3 Umsetzung des Dualzahlers in das Dezimalsystem . . . . . . . . . . . . . 108 2.4 Technische Ausftihrung von digitalen Steuerelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 .1 .1 . 2.4.1 Elektromechanische Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. . . . . . . . . . . 1 2.4.1.1 Elektromechanische NICHT-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1. 3. . . . . . 2.4.1.2 Elektromechanischc ODER-NOR-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . .1 13 . . . . VIII lnhaltsverzeichnis 2.4.1.3 Elektromechanische UND-NAND-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 2.4.1.4 Elektromechanische Exklusiv-ODER-Element (Antivalenz-Aquivalenz). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 1. 4 . . . . . . 2.4.1.5 Elektromechanische Speicher (Flip-Flop)..................... 115 2.4.1.6 Elektromagnetische Zeitschalter (Zeitrelais).................. 115 2.4.1.7 Elektromagnetische Verzogerungsschaltung . . . . . . . . . . . . . . .1 .1 .6 . 2.4.1.8 Elektromagnetische Impulswandler (Monoflop) . . . . . . . . . . . . . . . 117 2.4.1.9 Impulserzeuger ( astabiler Kippstufe) . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 .1 .7 . . . . 2.4.2 Elektronische Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 . . . . . . . . . 2.4.2.1 Der Transistor als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8 . . . . . . . . 2.4.2.2 Elektronische NICHT-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.0 . . . . . . . . 2.4.2.3 Elektronische ODER-NOR-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 120 2.4.2.4 Elektronische UND-NAND-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 .2 .1 . . . . . 2.4.2.5 Elektronischer Speicher (Flip-Flop) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. 1. . . . 2.4.2.6 Elektronischer Zahlspeicher (Untersetzer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.4.2.7 Elektronisches Zeitrelais (monostabiler Kippstufe) . . . . . . . . . . . . 123 2.4.2.8 Elektronischer Taktgeber (astabile Kippstufe) . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. 5 2.4.2.9 Integrierte Schaltungen (IC ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 26. . . . . . . . . 2.4.3 Statische Fluidik-Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. 7. . . . . . . . . . 2.4.3.1 Statisches UNO-Element. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 7. . . . . . . . . 2.4.3.2 Statisches ODER-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2.7 . . . . . . . . 2.4.3.3 Statisches NICHT-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2.8 . . . . . . . . 2.4.3.4 Statisches Speicherlement (Flip-Flop) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. 8. . . 2.4.3.5 Verzogerungsschalter (Zeitrelais) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. 9. . . . . . 2.4.3.6 Zeitschalter mit einstellbarer Verzogerung . . . . . . . . . . . . . . . 130. . . . 2.4.3.7 Impulsformer (monostabile Kippstufe) ....................... 130 2.4.3.8 lmpulsgenerator (astabile Kippstufe) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 1. . . . . . 2.4.4 Pneumatische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 3.1 . . . . . . . 2.4.4.1 Darstellung pneumatischer Elemente nach DIN 24300 . . . . . . . . . 132 2.4.4.2 Pneumatische NICHT-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. 3. . . . . . . . 2.4.4.3 Pneumatische ODER-NOR-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 . . . . . 2.4.4.4 Pneumatische UND-NAND-Stufe........................... 134 2.4.4.5 Pneumatische Speichcrschaltungen (Flip-Flop) . . . . . . . . . . . . 1. 3. 5. . 2.4.4.6 Pneumatische Zahlspeicher (Untersetzerstufe) . . . . . . . . . . . . 1. 3. 7 . . 2.4.4.7 Pneuamtischer Verzogerungsschalter (Zeitschalter)........ .... 138 2.4.4.8 Pneuamtischer Impulswandler (Mono flop). . . . . . . . . . . . . . . . 139. . . . 2.4.4.9 Pneumatischer Impulserzeuger (astabile Kippstufe)............ 140 2.4.4.10 Elektropneumatische Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1 . . . . . . 2.4.4.11 Gegentiberstellung der verschiedenen Fluidik-Steuerungssysteme 143 2.4.5 Sequentielle Steuerungen........................................... 144 2.4.6 Ablaufketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 8. . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.7 Kaskadcnschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 59 . . . . . . . . . . . . . 2.5 Periphere Gerate digitaler Steucrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 6.2 . . . . . . . . . 2.5.1 Elemente der Signaleingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 . . . . . . . . . 2.5.2 Elemente der Signalumformung..................................... 173 2.5.3 Pncumatische Signalanzeigegcrate................................... 178 2.5.4 Pneumatische Stell-und Arbcitsglieder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 . . . . . . . 2.6 Komplexc Schaltungen, Fallbcispiele und Losungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 7. 9. . . . . 2.6.1 Losungsschema fiir Steuerungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 7.9 . . . . . . . 2.6.2 Verteilung codierter Teile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 .8 .6 . . . . . . . . . . 2.6.3 Elektropneumatische Stcuerungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 .8 .8 . . . . . . . 2.6.4 Automatischer Ttiroffncr. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 8. 9. . . . . Inhaltsverzeichnis IX 2.6.5 Folgesteuerung mit Fluidics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 .9 .0 . . . 2.6.6 Hydraulisch gesteuerte Verteilerstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 9.1 . . . . . . . 2.6.7 Folgesteuerung (Profil-Press-Steuerung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 . . . . . . 2.6.8 Dreifachpresse.................................................... 197 2.6.9 Zweifach-Nietung (Firma Crouzet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.0 0. . . . . . . . . 2.6.10 Automatische Sage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 202 2.7 Aufbau von Speichergrammierbaren Steuerungen-Hardware................ 205 2.7.1 Aufgaben einer speicherprogrammierbaren Steuerung . . . . . . . . . . . . . . 2. 0. 5. 2.7.2 Arbeitsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung. . . . . . . . . . . . . . .2 06 2.7.3 Aufbau und Gerate einer speicherprogrammierbaren Steuerung. . . . . . . .2 .0 7 2.7.3.1 Eingabebaustein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 0.7 . . . . . . . . . . . 2.7.3.2 Programmspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . 20.7 2.7.3.3 Steuereinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. .. . . . . . . . . . 2. 0. 8. . 2.7.3.4 Ausgabebaustein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 2.7.3.5 Programmiergeriite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 .1 .2 . . . 2.7.3.6 Zusammenspiel von Arbeitsprogramm, Steuereinheit und Ein-und Ausgabebaustein. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 213 2.8 Programmicrung von speicherprogrammierbaren Steuerungen-Software . . . . . .2 14 2.8.1 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 .1 .4 . . . . . . . . . . . . . 2.8.2 Programmiersprachen einer SPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 . . . . . . . 2.8.3 Belegungsliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 .1 .5 2.8.4 Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. .. .. .. .. .. .. . 2. 1. 6. 2.8.5 Programmiersprachen fi.ir Verkntipfungssteuerungen. . . . . . . . . . . . . . . 21.7 . . . 2.8.5.1 Der Kontaktplan (KOP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 17. . . . . . . . . 2.8.5.2 Funktionsplan (FUP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 1. 9. . . . . . . . . 2.8.5.3 Anweisungsliste (AWL).................................... 220 2.8.6 Programmiersprachen fi.ir Ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21. . . . . . 2 2.8.6.1 Kontaktplan (KOP) fi.ir Ablaufsteuerungen. . . . . . . . . . . . . . .2 .2 .3 . . 2.8.6.2 Funktionsplan (FUP) fi.ir Ablaufsteuerungen....... ........... 224 2.8.6.3 Anweisungsliste (AWL) fi.ir Ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . 2. 2. 5 2.9 Arbeitsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 . . . . . . . . . . . . . . 2.9.1 Steuerungsaufgabe: Stempelpresse..................... . . . . . . . . . . . 2. 2. 7. 2.9.2 Steuerungsaufgabe: Stanzprcsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22. 8. . . . . . . . . . 2.9.3 Steucrungsaufgabe: Wendeschtitzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 2. 9. . . . . . 2.9.4 Steuerungsaufgabe: Transportband . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 31 2.9.5 Stcuerungsaufgabe: Priigewcrkzeug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.4 . . . . . . . . 3 Regelungstcchnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 .3 .7 . . . . . . . . . . . . . 3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 3.8 . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Grundbegriffe im Regelkreis............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 . . . . . . 2 3.1.1.1 Rcgelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 3.1.1.2 Regelstrecke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 0. . . . . . . . . . . . . 3.1.1.3 RcgelgroBc, McBort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 42 . . . . . . . . 3.1.1.4 StellgroBc, Stcllort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243. . . . . . . . . . . 3.1.1.5 FtihrungsgroBe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 4.4 . . . . . . . . . . . . 3.1.1.6 StorgroBcn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 4. 5. . . . . . . 3.1.1.7 Rcgclcinrichtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 . . . . . . . . . . 2 3.1.1.8 Abgrenzung zwischen Regclstrecke und Regeleinrichtung . . . . . 2. 50 3.1.2 Graphischc Darstellung von Regelkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. 1. . . . . . . 2 3.1.2.1 Wirkungsplan............................................. 251 3.1.2.2 Geriitctcchnischc Darstcllung.... ........................... 253 3.1.2.3 Darstcllung mit Bildzeichcn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25. 3. . . . . . . . X Inhaltsverzeichnis 3.1.2.4 Ubersicht: Funktionsteile cines Regelkreises . . . . . . . . . . . . . . . 2. 5. 5. 3.1.3 Beschreibung des Verhaltens von Regelkreisglieder.......... .......... 259 3.1.3.1 Statisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 5. 9. . . . . . . . 3.1.3.2 Zeitverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 3.2 Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 3.2.1 Regelstrecken mit Ausgleich (P-Strecken) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 .7 .0 . . . 3.2.2 Regelstrecken ohne Ausgleich (/-Strecken) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 7. 3. . . . . . 3.2.3 Regelstrecken mit Verzogerung (PTn-Strecken) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 7. 6. . 3.2.4 Regelstrecken mit Totzeit (TcStrecken).............................. 283 3.2.5 Ubersicht: Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .2 8. 8. . . 3.3 Regier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 9. 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Unstetige Regier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. .. .. .. . . . . . . . 2. 91. . . 3.3.1.1 Zweipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 9. 1. . . . 3.3.1.2 Dreipunktregler........................................... 293 3.3.2 Stetige Regier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 9. 3. . . . . . 3.3.2.1 Regier mit P-Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.4 . . . . . . . . . 3.3.2.2 Regier mit/-Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 0. 2. . . . . . . . . 3.3.2.3 Regier mit D-Verhalten.................................... 307 3.3.2.4 Regier mit PI-Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .0 .8 . . . . . . . . 3.3.2.5 ReglermitP/D-Verhalten .................................. 312 3.3.2.6 Ubersicht: Regier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 3.3.3 Quasisteige Regier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .1 .6 . . . . . . . . 3.4 Zusammenwirken von Regier und Strecke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 320 3.4.1 Begriffe zur Beurteilung von Regelkreisen.................. . . . . . . . . . . 3 21 3.4.2 Regelung mit stetigen Reglern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 2. 2. . . . . . . 3.4.2.1 Mathematische Zusammenhange............................ 322 3.4.2.2 Kriterien fiir die Reglerauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 2. 5. . . . . . . 3.4.2.3 Ubersicht: Kombinationen von Reglern und Strecke . . . . . . . . . . . 328 3.4.2.4 Einstellregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 3.4.3 Regelung mit Zweipunktreglern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 3.4.4 Regelung mit einer SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 3. . . . . . . . . . . . 3.5 Anhang: Komplexe Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .4 .0 . . . . . . . . 4 Automatisierungstcchnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 4. 5. . . . . . . . . . . . . . 4.1 Automatisierung verfahrenstechnischer Prozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 . . . . . 4.1.1 ProzeBieittechnik/ProzeBieitsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 .4 .6 . . 4.2 Automatisierung fertigungstechnischer Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 0. . . . . . . 4.2.1 Produktionsleittechnik/Rechnerintegrierte Produktion (CIM) . . . . . . . . .3 .5 .0 4.2.2 Produktionsplanung und -steuerung (PPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 .2 . . . . . . 4.2.3 Betriebsdatenerfassung (BDE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 4. . . . . . . . . . 4.2.4 Rechnerunterstiitzte Konstruktion (CAD)............................ 355 4.2.5 Rechnerunterstiitzte Arbeitsplanung (CAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 62 4.2.6 Rechnerunterstiitzte Fertigung (CAM)............................... 366 4.2.7 Rechnerunterstiitzte Qualitatssicherung (CAQ, CAT). . . . . . . . . . . . . . 37. 5. . . 4.2.8 Kommunikationssystem in der rechnerintegrierten Produktion . . . . . . . . . . 378 4.2.9 Datenbanken in der rechnerintegrierten Produktion . . . . . . . . . . . . . . . 382. . . . 4.2.10 Expertensysteme in der rechnerintegrierten Produktion . . . . . . . . . . . . 3.8 4. . . Verzeichnis dcr Abkiirzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 6. . . . . . . . . . . . . . Litcraturverzcichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 7. . . . . . . . . . . . . . . . . Sachwortvcrzcichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. .. .. .. .. .. .. 388