Steuerungstechnik

Inhaltsverzeichnis der Steuerungstechnik

1. Steuern, Regeln, Leiten1.1 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 Pascal3.2 Kraftübersetzung3.3 Druckübersetzung3.4 Durchflussgesetz3.5 Volumenstrom/ Zylinder3.6 Volumenstrom/ Hydraulik- pumpe3.7 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 Flügel- zellenpumpe5.2 Radial und Axial- kolbenpumpe5.3 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 kombinier- te Verstellung

8.Grundlagen der Pneumatik 8.1 Eigenschaften der Pneumatik 8.2 Aufbau einer Pneumatikanlage 8.3 Drucklufterzeuger und Aufbereitung9. Grundelemente der Pneumatik 9.1 Darstellung der Ventile 9.2 3/2 und 4/2 Wegeventile 9.3 Druck, Strom und Sperrventile10. 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 selbst-tätig ,also automatisch,arbeiten können , werden sie mit :

Steuerungs- Regelungs- und Leittechniken ausgerüstet.

1.1 Steuerung

Das Steuern ist ein Vorgang,bei dem eine Anlage oder ein Gerät durch Steuersignalbeeinflusst wird.Kennzeichend für das Steuernist der offene Wirkungsweg der Signale.( DIN 19237 und IEC 1131).Im Wirkungsplan wird das Zusammenwirkender einzelnen Steuerungsbaugruppen mitBlocksymbolen und Wirkungslinien dargestellt.Die Wirkungrichtung kennzeichnet man mit Pfeilen.

1.1.1 Analoge,binäre und digitale Steuerung

Bei analogen Steuerungen steuert man mit überwiegendmit stetig wirkenden Signalen,die ein analoges Abbild derSteuergrösse sind .

.

Bei binären Steuerungen steuertman mit zweiwertigen Signalen.Binäre Signale werden durchzwei verschiedene Werte oder Zustände dargestellt. Beispiel: EIN - AUS SCHWARZ- WEISS STROMLEITEND UND STROMNICHTLEITEND ODER EINFACH DURCH : 0 UND 1.

Bei digitalen Steuerungen steuertman mit Zahlen.Die wichtigstenBauelemente:-Codierer, -Mikroprozessorren, -Mikrocomputer, -Digitale Speicher, -Digitale Speicher- systeme und Netze.

1.1.2 Verknüpfungssteuerung und Ablaufsteuerung

Bei Verknüpfungssteuerung entsteht die

Steuergrösse durch Verknüpfung ( Kombination) mehrerer Signale

Bei Ablaufsteuerung werden dieSteuerungsvorgänge schrittweiseausgelöst.Das Weiterschaltenvon einem Schritt zum nächstenerfolgt entweder :

-zeitabhängig -prozessabhängig

1.1.3 Verbindungsprogrammierteund speicherprogrammierte Steuerungen.Bei (VPS)bestimmen die leitver-bindungen die Verdrahtung ,den Programmablauf.(SPS) enthalten einen elektrischenProgrammspeicher ,der frei-programmiert werden kann.

1.2 Regelung

Die Regelung ist ein Vorgangbei dem die zu regelnde Grösse (Regelgrösse) fort-laufend erfasst und so beein-fusst wird, das sie sich der gewünschten Grösse (Führungsgrösse ) angleicht.

a: Festwertregelung:

b: Folgeregelung

1.3 Leiten

Das Leiten ist die Gesamtheitaller Massnahmen,die be –wirken, dass der gewünschteProzessverlauf erreicht wird.Dabei ist meist auch Mit-wirkung des Menschenvorgesehen.

2.Grundkentnisse der Steuerungstechnik

2.1 Mechanische Steuerung:Mechanische Steuerungen bestehen aus Getriebe, Kurven-scheiben, Hebeln, Kupplungenund anderen mechanischenBauteilen.

2.2 Elektrische Steuerungen:

Geschiet das Steuern durch Schaltenelektrischer Kontakte , spricht manvon Kontaktsteuerungensonst von kontaktlosen Steuerungen oder elektronischen Steuerungen.Nach Art der Schaltbetätigung unter-scheidet man Tastschalter,Stell-schalter und Schloβschalter

Elektrische Steuerung

2.3 Pneumatische Steuerung

Besteht aus Steuerteil und Energieteil.Steuerteil:werden Signale aufge-nommen und verarbeitet.Energieteil:mit Stellglieder (Ventile)Antriebsglieder( Zylinder,Motoren)gesteuert und Kräfte erzeugt.

Pneumatische Steuerung

2.4 Hydraulische Steuerung

Unter Hydraulik versteht man alleAntriebs,- 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

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.

3.1

Kraftübersetzung

F1 F2

p2

p1

s1

s2

21 2 1 = FAF A 21

1 2

1 2

A A =

p

F

= p

F

11

12

2

2

A

A = =

sF

sF

A2A1

3.2

Druckübersetzung

p1 p2

A1

A2

F1 F2

s1

s2

11 2 2 = pAp A 1 2F = F 21

12

= Ap

Ap

3.3

DurchflussgesetzA1

A2

A3

v1

v2

v3s1

s2

s3

Q1 Q2 Q3

Q = V

t

A = V s

Q = A

t

s

v = s

tA = Q v 1 2 31 2 3 = =A A A v v v

1 2 3 = Q = Q Q

Kontinuitätsgleichung:

3.4

Volumenstrom / Zylinder

BA

P T

a b

3

3

A

A = Kolbenfläche dm

Q

dmQ = Volume

v

dmv = Ausfahrgeschwindigkei

=

nstrom mi

t

n

min

vA

Q

3.5

Volumenstrom / Hydraulikpumpe

BA

P T

a b

T

P

Q

n*

V

3

*

* 3

n

1n = Drehzahl min

Q

dmQ = Volumens

dmV = För

=

dervolumen

trom m

V

in

U

*

=

mit Wir

= Wirkungsgrad

kung

V

ad

n

sgr

Q

3.6

Hydraulische Leistung I

T

P

M

A

P1 = E-Motor Eingangsleistung

P2 = Pumpen Eingangsleistung

P3 = Hydraulische LeistungP4 = Leistung Zylinder

2

1

4

3

M nP =

9550p

P = F v

QP =

6

P

00

= U I

3.7

Hydraulische Leistung II

MAntriebsleistung

NutzleistungAbgegebene Leistung

An

Antriebsleistung Pump

Q

e

= 600

p

:

P

Nutz

Nutzleistung Hydromoto

r:

P Q

= p

600

4.Energieträger im hydraulischen

System

4.1 Ölbehälter:

4.2 Hydraulikflüssigkeit4.2.1

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(Produktlebens- dauer )-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,

- T h e r m o p l a s t e

-G e w e b e w e r k s t o f f e

4.3.5

5. Pumpen und MotorenKonstantpumpen Verstellpumpen

Aussenzahnradpumpe

Innenzahnradpumpe

Zahnringpumpe

Flügelzellenpumpe

Radialkolbenpumpe

Schrägachspumpe

Schrägscheibenpumpe

Zahnradpumpe Buchsenpumpe III5.1

Zahnradpumpe Buchsenpumpe IV

Innenzahnradpumpe I

Unausgeglichene Flügelzellenpumpe I

Radialkolbenpumpe5.2

SchrägscheibenpumpeAxialkolbenpumpe

Schrägachspumpe I

5.3 Arbeitszylinder

6. Bauelemente der Hydraulik

6.1 Wege, Druck und Stomventile

WegeventileStart, Richtung,

Stopdirekt- /

vorgesteuert

Wege-Sitzventil

Wegeschieberventile

RückschlagventileSperrventile

DruckventileKraft

direkt-/ indirektgesteuert

Druckbegrenzungsventil

DruckzuschaltventilDruckabschaltventil

Druckreduzierventil

StromventileGeschwindigkei

t

Drosselventil

Stromregelventil

Steuerungselemente

Wegeventile

Leitungen verbinden

Leitungen absperren

Ölströme umleiten

Benennung Sinnbilder

4 / 3 Wegeventil

Anzahl Anschlüsse

Anzahl Schaltstellungen

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 vor-gesteuert

Bezeichnung Schaltstellungen II

Regel: Ventil nicht betätigt

gezeichnet

Ausnahme: Ventil betätigt

gezeichnet

bei Folgesteuerung

Sperrventile

Sitzventile Kugel KegelTeller

Absolut dicht Keine Leckagen

Schieberventile

Schaltelement

Schieber

Leckagen

Schieberspiel

Schaltüberdeckung

Positive Negative

Anschlüsse abgesperrt kein Absinken der Last Schaltschläge

Anschlüsse verbunden keine Schaltschläge Absinken der Last

Durchflusswiderstand

VerschiedeneDruchflusssinnbilder

Volumenstrom

Dru

ckab

fall

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 Druck-

minderventil mit

Druck-

begrenzungsventil

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

Leer-

wege

Fremdgesteuert

Stromventile Strömungsgesetz

2Δ p = Q

Blende / Drossel

Blende

Drossel

Symbole

Drosselschaltung

P

A

T

B

a b

T

P

2 p

variabel

p = variabel

1 p

(konstant)

Stromteilungspunkt

VerbraucherQ

PumpeQ

DBVQ

DrosselventilQ

v

Variabler Druckabfall ergibt einen variablen Volumenstrom

Wirkungsweise Stromregelventil II

3-Wege-Stromregelventil

Rückschlagventil I

Schaltungs-Varianten

Entsperrbares Rückschlagventil

Schaltung entsperrb. Rückschlagventil

Proportional-Wegeventil 6.2

Servoventil

7. Grundschaltungen

der Hydraulik

7.1 Parallelschaltung von

Verbraucher

Reihenschaltungen vonVerbraucher

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 Übertragungs- geschwindigkeit

8.2 Aufbau einer Pneumatikanlage:

8.3 Drucklufterzeugung und aufbereitung:

9. Grundelemente der P n e u m a t i k

9.1 Darstellung der Ventile

9.2 3/2 Wegeventile:

Stromventile:

Sperrventile:

9.3 Druckventile

10. Grundschaltungen der P n e u m a t i k

10.1 Wegplansteuerung

10.2 Zeitplansteuerung

10.3 Druckplansteuerung

11. Speicher- programmierbare Steuerung

11.1 Aufbau und Funktionsweise

11.2 Programmiersprachen

11.3 Beispiel einer Ablaufsteuerung:

11.3.1 Augabe:

Auf einer Sondermaschine soll eine Nut ineine Holzleiste gefräst werden.Die Holzleiste wird mit einem Zylinder gespannt.Die Bewegung des Maschinentisches steuerteine hydropneumatische Vorschubseinheit.In der vorderen Endstellung hält sich die Vorschubseinheit 5 sec auf.

11.3.2 Technologischerplan:

Holzleiste Spannzylinder( H11)

Vorschubseinheit(H10)

Maschinentisch

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 Maschinen- bau 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