Volker von der Heide, Franz-Josef Hölken

Steuerungstechnik für Metallberufe

LernfeldSteuerungstechnische Systeme

Arbeitsbuch

12. Auflage

Bestellnummer 5108

www.bildungsverlag1.de

Bildungsverlag EINS GmbHHansestraße 115, 51149 Köln

ISBN 978-3-427-51087-1

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Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Produkt?Dann senden Sie eine E-Mail an 5108_012@bv-1.deAutoren und Verlag freuen sich auf Ihre Rückmeldung.

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Vorwort

Neue lernfeldstrukturierte Rahmenlehrpläne für die neugeordneten Metallberufe in der Industrie und im Handwerk erforderten eine Überarbeitung der Fachbücher. Im Vorwort der Rahmenlehrpläne werden die didaktischen Grundsätze erläutert: „Die Zielsetzung der Berufsausbildung erfordert es, den Unterricht an einer auf die Aufgaben der Berufsschule zugeschnittenen Pädagogik auszurichten, die die Hand-lungsorientierung betont und junge Menschen zu selbstständigem Planen, Durch-führen und Beurteilen von Arbeitsaufgaben im Rahmen der Berufstätigkeit befä-higt.“

Deshalb stehen praxisnahe Probleme im Mittelpunkt der einzelnen Lernsituationen. Sie sind für den Unterricht didaktisch aufbereitet sowie mit Lösungshinweisen und Erklärungen versehen. Sie können in Einzel-, Partner- oder Gruppenarbeit gelöst werden. Hilfestellungen für die Lösung geben Tabellen- und Fachbücher sowie Herstellerinformationen.

In Lernsituationen kann meist nur ein kleiner Ausschnitt der Arbeitsaufgabe eines Steuerungsfachmanns vermittelt werden. Daher ist es empfehlenswert, mehrere Situationen zu einem Lernfeld zusammenzufassen. Dazu dient die neue Gesamt-aufgabe, die den Rahmen der Steuerungstechnik überschreitet, dafür aber die Fachgebiete Pneumatik und Elektropneumatik verbindet.

Die Arbeitsblätter für die Lernsituationen sind systemunabhängig aufgebaut.

Die Normen innerhalb der Steuerungstechnik werden ständig ergänzt und geän-dert. Die grafi sche Beschreibungssprache zur Darstellung des Ablaufteils einer Steu-erung wird in der seit April 2005 verbindlichen Norm GRAFCET DIN EN 60848, Spezifi kationssprache für Funktionspläne der Ablaufsteuerung, neu beschrieben. Die daraus folgenden Änderungen wurden berücksichtigt.

In den pneumatischen Schaltplänen wurde zur Darstellung und Bezeichnung der Schaltelemente die DIN ISO 1219 Teil 1 und Teil 2 verwandt. Für die grafi sche Dar-stellung der elektrischen Symbolelemente in Schaltplänen diente die DIN EN 60617. Die Klassifi zierung von Objekten nach Zweck oder Aufgabe und die Zuordnung der Kennbuchstaben geschah nach DIN EN 61346-2.

Auf die produktbezogene Einzelebenen-Referenzkennzeichnung eines Objekts (hier Minuszeichen) nach DIN EN 61346-1 und DIN 6779-1 wurde verzichtet, da alle Bauteile in den abgebildeten Plänen dem Kennzeichnungsblock „Betriebsmittel“, der kleinsten Betrachtungseinheit, zugeordnet werden können.

Autoren und Verlag freuen sich auch weiterhin über Anregungen, Verbesserungs-vorschläge und Kritik.

Kamen, im Frühjahr 2013

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Inhaltsverzeichnis

Themen Übungs-Nr. Seite

Normen 6

Pneumatik P 1–P 19 7–48

Energiewandlung, DruckEinfach wirkender Zylinder, 3/2-Wegeventil (Spanneinheit)Aufbereitung der Druckluft, KolbenkräfteDoppelt wirkender Zylinder, 5/2-Wegeventil mit Federrückstellung(Ständersägemaschine)Arbeit, AufgabenLuftverbrauch, AufgabenDoppelt wirkender Zylinder, Weg-Schritt-Diagramm (Schachtmagazin)Nomogramme, ZylinderkenngrößenGeschwindigkeitsbeeinfl ussung (Rollenrutsche)Schaltungsaufbau UND-Verknüpfung, Zweidruckventil (Biegepresse)Schaltungsaufbau ODER-Verknüpfung, Wechselventil (Werktor)Zeitverzögerungsventil (Prägestempel)Zweihand-Sicherheits-Steuerung (Abkantpresse)Signalspeicherung (Kniehebelspanneinrichtung)Ablaufsteuerung, Weg-Schritt-Diagramm (Sortieranlage)Ablaufsteuerung, Betriebsartenwahl (Handhabungsgerät)Ablaufsteuerung, Zustandsdiagramm (Etikettiermaschine)Signalabschaltung über Rollenhebel (Biegewerkzeug)ÜbungsaufgabenGesamtaufgabe: Nieteinrichtung

P 1P 2P 3

P 4P 5P 5P 6P 7P 8P 9P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17P 18P 19

81012

1416171820222426283032343638404243

Hydraulik HY 1–HY 11 49–70

Hydraulische Grundlagen, Gesetz von PascalDruckbegrenzungsventil (Spanneinheit)Hydraulische PresseHydraulikpumpenPumpenkennlinie (Räummaschine)HydraulikzylinderDifferenzialschaltung (Schließeinheit)HydraulikventileDrosselventil oder Stromregelventil (Lastenaufzug)Eilgang-Vorschub-Schaltung (Abkantpresse)Aufgaben

HY 1HY 2HY 3HY 4HY 5HY 6HY 7HY 8HY 9HY 10HY 11

5052545658606264666870

5

Inhaltsverzeichnis

Themen Übungs-Nr. Seite

Elektropneumatik EP 1–EP 18 71–108

Aufbau von Stromlaufplänen, Identität (Zuteilstation)Relaisaufbau, UND-Verknüpfung (Ausheber)Antriebsarten für Kontaktbetätigung, ODER-Verknüpfung (Querförderer I)Kombination der Grundverknüpfungen (Querförderer II)Elektrische SignalspeicherungLogikzustände (Spannvorrichtung)Anwendung zur Signalspeicherung (Vorschubeinheit)Impulsventil, Programmablaufplan (Ofentür)Relais mit Ansprechverzögerung (Klebevorrichtung)Relais mit Rückfallverzögerung (Verbindungstür)Gegenüberstellung mechanischer und elektrischer Signalspeicherung (Werktor)Grundlagen der SensorenAblaufsteuerung mit Reed-Schaltern (Belastungsprüfung)Ablaufsteuerung mit Näherungsschaltern (Zuführstation)Ablaufsteuerung mit Signalabschaltung (Prägestation)Ablaufsteuerung mit Betriebsartenwahl (Handhabungsgerät)ÜbungsaufgabenGesamtaufgabe: Nieteinrichtung

EP 1EP 2

EP 3EP 4EP 5EP 6EP 7EP 8EP 9EP 10

EP 11EP 12EP 13EP 14EP 15EP 16EP 17EP 18

7274

7678798082848688

90929698

100102104105

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) SPS 1–SPS 6 109–126

SPS-Programmiersprachen nach DIN EN 61131-3, GRAFCET-PlanIdentität, UND-Bedingung (Montagepresse)UND vor ODER, 5/2-Wegeventil mit Federrückstellung (Furnierpresse)5/2-Wegeventil mit mechanischer Signalspeicherung (Rundtisch)Setzen von Ausgängen (Rollengang)Aufbau einer Ablaufkette (Zuteilstation)

SPS 1SPS 2SPS 3SPS 4SPS 5SPS 6

110116118120122124

6

Normen

DIN 1304-1 Formelzeichen Teil 1: Allgemeine Formelzeichen

DIN 66001 InformationsverarbeitungTeil 1: Sinnbilder und ihre Anwendung

DIN EN 574 Sicherheit von MaschinenZweihandschaltungen – Funktionale Aspekte – Gestaltungsleitsätze

DIN EN 50013 Industrielle NiederspannungsschaltgeräteAnschlussbezeichnung und Kennzahlen für bestimmte Befehlsgeräte

DIN EN 60445 Grund- und Sicherheitsregeln für die Mensch-Maschine-SchnittstelleKennzeichnung der Anschlüsse elektrischer Betriebsmittel

DIN EN 60446 Grund- und Sicherheitsregeln für die Mensch-Maschine-SchnittstelleKennzeichnung von Leitern durch Farben oder alphanumerischen Zeichen

DIN EN 60529 Schutzarten durch Gehäuse (IP-Code)

DIN EN 60617-2-3-4-5-7-8

-12-13

Grafi sche Symbole für SchaltzeichenTeil 2: Symbolelemente, Kennzeichen und andere SchaltzeichenTeil 3: Schaltzeichen für Leiter und VerbinderTeil 4: Schaltzeichen für passive BauelementeTeil 5: Schaltzeichen für Halbleiter und ElektronenröhrenTeil 7: Schaltzeichen für Schalt- und SchutzeinrichtungenTeil 8: Schaltzeichen für Mess-, Melde- und SignaleinrichtungenTeil 12: Binäre ElementeTeil 13: Analoge Elemente

DIN EN 60848 GRAFCET, Spezifi kationssprache für Funktionspläne der Ablaufsteuerung

DIN EN 60947-5-2

NiederspannungsschaltgeräteTeil 5 – 2. Steuergeräte und Schaltelemente – Näherungsschalter

DIN EN 61082-1 Dokumente der ElektrotechnikTeil 1: Regeln

DIN EN 61131-3 Speicherprogrammierbare SteuerungenTeil 3: Programmiersprachen

DIN EN 81346-1-2

Strukturierungsprinzipien und ReferenzkennzeichnungTeil 1: Allgemeine RegelnTeil 2: Klassifi zierung von Objekten und Kennbuchstaben von Klassen

DIN 66000 InformationsverarbeitungMathematische Zeichen und Symbole der Schaltalgebra

DIN ISO 1219-1-2

Fluidtechnik, Grafi sche Symbole und SchaltpläneTeil 1: Grafi sche SymboleTeil 2: Schaltpläne

DIN EN ISO 4413

Fluidtechnik – Allgemeine Regeln und sicherheitstechnische Anforderungen an Hydraulikanlagen und deren Bauteile

DIN EN ISO 4414

Fluidtechnik – Allgemeine Regeln und sicherheitstechnische Anforderungen an Pneumatikanlagen und deren Bauteile

DIN EN ISO 17769

-1

Flüssigkeitspumpen und -installationTeil 1: Allgemeine Begriffe

DIN IEC 60050-351

Internationales Elektrotechnisches WörterbuchTeil 351: Leittechnik

Normenverzeichnis

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Pneumatik

Bildnachweis: IMI Norgren-Herion Fluidtronic, Fellbach

Filter mit Wasserabscheidermanueller Ablass

Druckregelventilmit manueller Einstellung

DruckmessgerätManometer

Normalnebelöler(Befeuchter)

Pneumatik

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EnergiewandlungPneumatische Steuerungen unterstützen den Fertigungsprozess. Sie heben oder transportieren, spannen Werkstücke oder sind als Biege- und Stanzzylinder aktiv an der Fertigung beteiligt.

Zur Erfüllung dieser Aufgaben ist pneumatische Energie erforderlich. Die pneumatische Energie kommt in der Natur nicht direkt vor, sie muss durch Energiewandlung bereitgestellt werden. Innerhalb einer pneumatischen Steuerung fi nden dann weitere Energiewandlungen statt.

Träger der pneumatischen Energie ist die Druckluft. Sie wird aus der Umgebungsluft gewonnen.

Druckpamb = Atmosphärischer Druck (Luftdruck) ist der durch den Luftmantel der Erde ausgeübte statische

Druck. In Höhe des Meeresspiegels gemessen beträgt er ungefähr 1,013 bar. Der Luftdruck ist abhängig von der Wetterlage und wird in zunehmender Höhe geringer.

pabs = Absoluter (gegenüber dem Vakuum tatsächlich vorhandener) Druck, pabs = pamb + pe.

pe = Der in der Technik interessierende Unterschied zum atmosphärischen Druck, pe = pabs – pamb. Ein positiver Zahlenwert für pe bedeutet Überdruck (Druck übersteigt den Luftdruck), ein negativer Zahlenwert für pe Unterdruck (Druck geringer als der Luftdruck).

In der Technik werden für den Druck die Ein-heiten Pascal (Pa) und Bar (bar) verwendet.

1 Pa = 1 N ___ m2

1 MPa = 1 N ____ mm2

1 bar = 100 kPa

1 bar = 100 000 Pa

1 bar = 10 N ____ cm2

1. Ein Barometer zeigt einen Luftdruck von 1 025 hPa. Wie hoch ist die Abweichung gegenüber dem normalen Luftdruck?

2. In einem Druckbehälter herrscht ein Betriebsdruck von pe = 8,25 bar. Das Barometer zeigt einen Luft-druck von pamb = 1 010 hPa. Bestimmen Sie den absoluten Druck pabs in N/cm2.

3. Für einen Sauggreifer ist ein Betriebsdruck pe = - 275 mbar vorgeschrieben. Bestimmen Sie pabs in bar, wenn der Luftdruck pamb mit 995 hPa gemessen wird.

1

Aufgaben

Pneumatik

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Biegepresse

Technologieschema

– Kennzeichnen Sie die Pneumatikelemente nach DIN ISO 1219-2. Bezeichnen Sie die Leitungsanschlüsse.

– Erklären Sie die Bedeutung des Begriffs „Signalverarbeitung“.

– Sie besitzen kein Zweidruckventil. Wie müssen die Signalgeber (3/2-Wegeventile) geschaltet werden, damit der Kolben nur dann ausfährt, wenn beide Ventile gleichzeitig betätigt sind?

– Bei einer Kontrolle stellt der Sicherheitsbeauftragte des Betriebs an der Biegepresse einen Mangel fest. Wenn einer der beiden Taster „ZU“ durch eine Dauerbetätigung (z. B. Klebeband oder Ge-wichtsbelastung) geschaltet ist, kann die Unfallverhütungsvorschrift umgangen werden. Der Umform-vorgang kann jetzt mit einer Hand ausgelöst werden. Welche Sicherheitsbedingungen müssen Ihrer Meinung nach noch erfüllt werden?

Aus einem Blechstreifen sollen Schellen gebogen werden. Das Startsignal erfolgt durch gleich-zeitiges Drücken zweier Taster. Nach Betätigung eines dritten Tasters fährt der Kolben in seine Ausgangsstellung (hintere Endlage) zurück und das fertige Werkstück kann herausgenommen werden. Das Ausfahren soll langsam, das Zurückfahren soll schnell erfolgen.

Problemstellung

Arbeitsauftrag

Pneumatik

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9

Steuerkette Aufbau eines pneumatischen Schaltplans

Befehlsausführung

Arbeitselemente z. B. Zylinder

Signalausgabe

Stellelemente z. B. Wegeventil

Signalverarbeitung

Verknüpfungselemente z. B. Zweidruckventil

Signaleingabe

Eingabeelemente z. B. Wegeventil

Energieversorgung

z. B. Aufbereitungseinheit

Kennzeichnung der Bauelemente nach DIN ISO 1219-2

Beispiel für den Kennzeichnungsschlüssel

2 1 S 2_

Anlagen-Nummer

Anlagen-Nummer

Diese Kennzeichnung besteht aus Ziffern, beginnend mit 1. Die Anlagen-Nummer muss vergeben wer-den, wenn der ge-samte Schaltkreis aus mehr als einer Anlage besteht.

Schaltkreis-Nummer

Schaltkreis-Nummer

Diese Kennzeichnung besteht aus Ziffern. Die 0 ist für alle Bauteile vorgesehen, die zur Druckluftver-sorgung gehören. Für die verschiedenen Fluid-Schaltkreise werden fortlaufende Ziffern verwendet.

Bauteil-Bezeichnung

Bauteil-Bezeichnung

Jeder Bauteilart wird ein Buchstabe nach folgender Liste zuge-ordnet:P – Pumpen und

KompressorenA – AntriebeM – AntriebsmotorenS – SignalaufnehmerV – VentileZ – andere Bauteile

Bauteil-Nummer

Bauteil-Nummer

Diese Kennzeichnung besteht aus Ziffern, beginnend mit 1. Jedes Bauteil in dem betrachteten Schalt-kreis wird fortlaufend nummeriert.

Sig

nal

fl u

ss

Hydraulik

57

4

ZahnradpumpenZwei ineinander greifende Zahnräder bilden die Grund-lage der Zahnradpumpe. Durch die Drehbewegung öff-net sich die Zahnlücke der beiden Zahnräder und ver-größert dadurch den Saugraum. Die Zahnlücken füllen sich mit dem angesaugten Betriebsmedium. An der Ge-häusewandung schließen die Zahnlücken das Medium gegen den Saugraum ab und fördern es zur Druckseite. Das Volumen des Druckraums wird durch die sich schlie-ßenden Zahnpaare verringert. Das Medium wird in die Leitung verdrängt.

FlügelzellenpumpenIn einem sich drehenden Rotor sind in radialen Schlitzen Flügel angeordnet, die durch die Fliehkraft gegen einen Laufring gedrückt werden. Rotor und Laufring besitzen keinen gemeinsamen Mittelpunkt, sie sind außermittig gelagert. Dadurch erfolgt zwischen den an der Saugöff-nung vorbeigleitenden Flügeln eine Volumenvergröße-rung im Saugraum. Es entsteht ein Unterdruck und die Flügelzwischenräume füllen sich mit dem Betriebsmedi-um. Im Druckraum führt die exzentrische Lagerung zu einer Volumenverringerung und das Medium wird in das Leitungssystem verdrängt. Das Fördervolumen der Pumpe wird durch die Veränderung der Außermittig-keit e beeinfl usst.

KolbenpumpenIn einer rotierenden Zylindertrommel sind in axialer Richtung Kolben angeordnet. An der Saugseite gleiten die Zylinder durch ihre Längsbewegungen zum Trom-melausgang und erreichen dadurch eine Volumenver-größerung des Saugraums. An der Druckseite gleiten die Kolben in die Zylindertrommel und verringern das Volumen. Die axiale Bewegung der Kolben wird durch verschiedene Konstruktionen erreicht.

1. Beim Schrägscheibenprinzip bewirkt eine schräg ge-stellte Schwenkscheibe auf der Antriebsachse die Längsbewegung der Kolben.

2. Die Zylindertrommel ist über einen Mittelzapfen aus der Achse der Antriebswelle geschwenkt. Die Größe des Schwenkwinkels bestimmt das verdrängte Volu-men. Pumpen dieser Bauart werden als Schrägach-senpumpen bezeichnet.

Hydraulik

62

7

Schließeinheit

Technologieschema

– Berechnen Sie die verschiedenen Ausfahrgeschwindigkeiten des Hydraulikzylinders mit einem Kolben-durchmesser d1 = 160 mm und einer Kolbenstange d2 = 110 mm. Der Förderstrom Qn der angeschlos-senen Pumpe beträgt 20 l/min.

– Berechnen Sie die zum Schließen des Werkzeugs benötigten Zeiten.

– Berechnen Sie die Rücklaufgeschwindigkeit des Kolbens und die dazu benötigte Zeit.

– Ergänzen Sie den vorgegebenen Schaltplan. Ein 3/2-Wegeventil beendet nach einem zurückgelegten Weg von 400 mm die Differenzialschaltung. Das Betriebsmedium aus dem vorderen Zylinderraum strömt drucklos zum Tank zurück. Die Ausfahrgeschwindigkeit des Kolbens verringert sich. Ergänzen Sie die Sperrrichtung des durch eine Strichlinie angedeuteten erforderlichen Rückschlagventils.

Das Werkzeug einer Spritzgussmaschine wird in einem 4-Säulen-Gestell durch einen Hydraulikzy-linder geöffnet und geschlossen. Der Öffnungsweg beträgt 450 mm. Um die erforderlichen Ne-benzeiten zum Schließen möglichst klein zu halten, soll der Hydraulikzylinder 400 mm im Eilgang fahren und die letzten 50 mm mit der wesentlich geringeren Schließgeschwindigkeit zurücklegen. Um eine hohe Schließgeschwindigkeit zu erreichen, ist die Steuerung als Differenzialschaltung ausgelegt.

Problemstellung

Arbeitsauftrag

Hydraulik

63

7

DifferenzialzylinderUm eine höhere Ausfahrgeschwindigkeit zu erreichen, kommt bei Hydraulikzylindern mit einseitiger Kolbenstange die Differenzialschaltung, auch Umströmschaltung genannt, zur Anwendung. Der von der Pumpe verdrängte Förderstrom Qn erzeugt auf beiden Kolbenfl ächen einen Druck. Da die Fläche A1 der Kolbenseite größer ist als die Fläche A2 der Kolbenstangenseite, ergibt sich eine resultierende Kraft, die den Kolben ausfahren lässt. Der durch den ausfahrenden Kolben auf der Kolbenstangenseite verdrängte Förderstrom Qn2 wird durch die Differenzialschaltung in den Förderstrom Qn der Pumpe eingezweigt. Dadurch wird eine größere Ausfahrgeschwindigkeit des Kolbens erreicht. Für den in den hinteren Kol-benraum fl ießenden Förderstrom Qn1 gilt:

Gegeben:d1 = 160 mm; d2 = 110 mms1 (Eilgang) = 400 mms2 (Schließvorgang) = 50 mm; Qn = 20 l/min

Gesucht:Eilganggeschwindigkeit v1 in m/minSchließgeschwindigkeit v2 in m/minRückfahrgeschwindigkeit v3 in m/minZeit t1 für den Eilgang in sZeit t2 für den Schließvorgang in sZeit t3 für das Öffnen in s

Berechnung:

Funktionsprinzip

Qn1 = Qn + Qn2

A1 · v1 = Qn + A2 · v1

v1 = Qn _______

A1 – A2

Schaltplan

SPS-Technik2

116

Montagepresse

Technologieschema

Pneumatischer Schaltplan Weg-Schritt-Diagramm

– Vervollständigen Sie das Weg-Schritt-Diagramm, erläutern Sie die grafi schen Symbole für den GRAFCET-Plan und schreiben Sie die Schalttabelle.

– Erstellen Sie die SPS-Programme in den Sprachen FBS (Funktionsbaustein-Sprache), Sprache AWL (An-weisungsliste) und Sprache KOP (Kontaktplan).

An einem Montageplatz werden mithilfe eines doppelt wirkenden Zylinders Laufbuchsen aus Kunststoff in ein Werkstück gepresst. Der Einpressvorgang kann durch Druck auf den Starttaster S1 ausgelöst werden, wenn der Kontaktgeber des Montagebands B1 einen Werkstückträger unter der Montagepresse meldet. Nach Beendigung des Einpressvorgangs fährt durch Betätigung des Näherungssensors 1B1 die Presse in die Ausgangslage zurück.

Problemstellung

Arbeitsauftrag

SPS-Technik 2

117

GRAFCET-Plan

Funktionspläne für AblaufsteuerungenGrafi sche Symbole nach GRAFCET

=

=

=

=

Der Stern in der oberen Symbolmitte ist durch die Schrittbezeichnung zu ersetzen.

Zuordnungsliste

Bauteil Operand Kommentar

S1 Taster„START“

B1 SensorWerkstückträger

1B1 SensorKolben ausgefahren

1M1 Zylinderausfahren

1M2 Zylindereinfahren

Schalttabelle

Einpressen Anheben

S1 B1 1M1 1B1 1M2

Sprache FBS(Funktionsbaustein-Sprache)

Sprache AWL(Anweisungsliste)

Lfd. Nr.

SpeicherAdresse

Steueranweisung

1

2

3

4

5

6

7

8

Sprache KOP (Kontaktplan)