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/ Hydraulik- pumpe 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 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- zellenpumpe 5.2 Radial und Axial- kolbenpumpe 5.3 Arbeitszylinder

6. Bauelemente der Hydraulik 6. 1 Wege,Druck und Stromventile 6 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 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 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 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 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 Bei digitalen Steuerungen steuert man mit Zahlen.Die wichtigsten Bauelemente:-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 die Steuerungsvorgänge schrittweise ausgelöst.Das Weiterschalten von einem Schritt zum nächsten erfolgt entweder : -zeitabhängig -prozessabhängig

1. 1. 3 Verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierte Steuerungen 1.1.3 Verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierte Steuerungen. Bei (VPS)bestimmen die leitver- bindungen die Verdrahtung , den Programmablauf. (SPS) enthalten einen elektrischen Programmspeicher ,der frei- programmiert werden kann.

1.2 Regelung Die Regelung ist ein Vorgang bei 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 Gesamtheit aller Massnahmen,die be – wirken, dass der gewünschte Prozessverlauf erreicht wird. Dabei ist meist auch Mit- wirkung des Menschen vorgesehen.

2.Grundkentnisse der Steuerungstechnik 2.1 Mechanische Steuerung: Mechanische Steuerungen bestehen aus Getriebe, Kurven- scheiben, 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 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 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

Gesetz von Pascal 3.1 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.

Kraftübersetzung 3.2 F1 F2 s2 s1 A1 A2 p2 p1

Druckübersetzung 3.3 s1 A2 s2 F1 p1 F2 p2 A1

3.4 Durchflussgesetz Kontinuitätsgleichung: A1 A3 A2 Q1 Q2 Q3 v2 s2 v3

Volumenstrom / Zylinder 3.5 v A Q

Volumenstrom / Hydraulikpumpe 3.6 Volumenstrom / Hydraulikpumpe Q n

Hydraulische Leistung I 3.7 P4 = Leistung Zylinder P3 = Hydraulische Leistung P1 = E-Motor Eingangsleistung P2 = Pumpen Eingangsleistung

Hydraulische Leistung II Nutzleistung Abgegebene Leistung Antriebsleistung

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(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 Motoren Konstantpumpen Verstellpumpen Radialkolbenpumpe Aussenzahnradpumpe Schrägscheibenpumpe Zahnringpumpe Schrägachspumpe Innenzahnradpumpe Flügelzellenpumpe

Zahnradpumpe Buchsenpumpe III 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 Druckzuschaltventil Druckabschaltventil Wegeschieberventile Stromregelventil Rückschlagventile Sperrventile Druckreduzierventil

Wegeventile Leitungen verbinden Leitungen absperren Ölströme umleiten

4 / 3 Wegeventil Benennung Sinnbilder 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 vor- gesteuert

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 kein Absinken der Last Schaltschläge Anschlüsse verbunden keine Schaltschläge Absinken der Last

Durchflusswiderstand Verschiedene Druchflusssinnbilder Druckabfall 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 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

Blende / Drossel Blende Symbole Drossel

Drosselschaltung 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 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 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 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 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