Aufgabe 1: Prozesse und Systeme
Erläutern Sie: Was ist ein technischer Prozess? Was ist ein technisches System? Wie hängt beides zusammen? Welche der Erstbuchstaben für PCE-Aufgaben nach EN 62424 haben Ihrer Meinung nach mit Energiefluss zu tun? (Hinweis: Hilfsblatt)
Musterlösung:
2_PA_Grundlagen
Folie 3 Stoff, Energie, Informationsumwandlung, Schaubild, Abläufe
Alternativ Folie 13
Folie 4 Technisches System realisiert technischen Prozess und besteht aus konkreten Dingen (Geräten, Anlagen usf.)
Folie 14 Technisches System hat eine Hauptfunktion
Z.B. R, J, T, E
Aufgabe 2:
Benennen Sie für die technischen Systeme „Aktor am Magnetventil“, „Aktor zusammen mit Magnetventil“ und „Pneumatisches Binärventil“ die Eingangsgrößen, Ausgangsgrößen und die Hauptfunktion.
Aktor am Magnetventil:
Eingangsgröße Information (elektrisches Informationssignal)
Ausgangsgröße Magnetfeld
Hauptfunktion: Zylinderspule bewegen
Aktor zusammen mit Magnetventil:
Ausgangsgröße Durchfluss Druckluft
Hauptfunktion: Stärke der Druckluft (d.h. den Druck) verändern
Pneumatisches Binärventil:
Eingangsgröße Energie in Form von Druckluft
Ausgangsgröße Durchflussmenge Produktstrom
Hauptfunktion: Ventilöffnung verändern
Aufgabe 3
Ein Temperatursensor hat den Messbereich von -20°C bis +80°C. Der Einheitssignalbereich sei 4…20mA. Die physikalische Messgröße x beträgt 10°C. Wie groß ist das Einheitssignal e?
Aufgabe 4: Sensoraufschaltung
Gegeben ist folgender Auszug aus einem Regler-Datenblatt.
a) Was ist das Messprinzip beim Thermoelement und beim Widerstandsthermometer? Welche der angegebenen Bezeichnungen kennen Sie und wofür stehen diese?
b) Mit welchem Leitermaterial und mit wie vielen Leitern können Sie beide Sensortypen anzuschließen? Warum?
c) Wie unterscheiden Sie einen Pt100 von einem Pt1000 Temperatursensor?
d) Was ist das Besondere an den Signalen, die am Analogeingang angeschlossen werden können? Was sind die Vorteile/Nachteile des Stromeingangssignales und des Spannungseingangssignales?
e) Nehmen Sie an, alle Temperatursensoreingänge sind bereits belegt, Sie müssen aber einen weiteren Pt100-Sensor an einem freien Analogeingang anschließen. Was für eine Komponente benötigen Sie dafür und wie sieht das Blockschaltbild aus?
a) Aus der VL: Thermoelemente, Platin-Widerstandsthermometer.
b) Thermoelement basiert auf Kontakt zwischen zwei verschiedenen Metallen, an dem eine temperaturabhängige Spannung entsteht. Verschiedene Metallpaarungen sind unterschiedlich empfindlich und werden nach Großbuchstaben unterschieden. Gängig ist K. Gemessen wird die Spannung. Leitungen bis zum Messgerät sollen möglichst keine weiteren Kontakte zwischen unterschiedlichen Metallen haben.
c) Pt100 hat bei 20 Grad Celsius einen Widerstand von 100Ohm, Pt1000 einen Widerstand von 1000Ohm. Die Auflösung Widerstandsänderung/ Temperaturänderung beim Pt1000 ist feiner.
d) Pt100 ist ein Platinwiderstand, der temperaturabhängig ist. Gemessen wird der fließende Strom bei angelegte Messspannung. Zuleitungswiderstand verfälscht das Signal, deshalb 2-/3-/4-Leiter-Anschlusstechnik. Je mehr Leiter, desto kleiner der Fehler.
e) Analogeingang: Signale sind normiert, sogenannte Einheitssignale. Stromsignal ist unabhängig von der Leitungslänge, benötigt aber zusätzliche Energieversorgung. Spannungssignal nur für kürzere Längen geeignet. Anfangswert entspricht Minimalmesswert, Endwert entspricht Maximalmesswert. Minimal- und Maximalmesswerte werden nicht übertragen. Pt100-Signal muss in Strom- oder Spannungseinheitssignal umgewandelt werden. Benötigt wird ein Messwandler (Synonym in der Praxis: Messumformer) oder Messverstärker. Symbol aus Hilfstabelle entnehmen.
Aufgabe 5: Verknüpfungssteuerung
a) Betrachten Sie eine SPS mit einem Ausgang A2.0 und 3 Eingängen E1.0, E1.1, E1.2. Der Ausgang A2.0 soll nur dann auf den Signalzustand „1“ schalten, wenn an einem der 3 Eingänge ein Signalzustand „1“ anliegt und an den anderen beiden Eingängen der Signalzustand „0“. Zeichnen Sie einen FUP.
b) Nach den Regeln der Booleschen Algebra gelten die folgenden Gleichungen
Zeichnen Sie jeweils für die linke und die rechte Seite jeder Gleichung einen FUP.
Aufgabe 6: Technologieschema Behälter
Die binären Größen der Sensoren sind wie folgt belegt:
Füllstandsensoren x1, x2, x3 = „1“ wenn der Flüssigkeit die Sensoren berührt, ansonsten „0“
Temperatursensor x4=“1“ wenn T>Tsoll, ansonsten „0“. Tsoll ist einstellbar
Die Aktoren sollen wie folgt reagieren:
Befüll-/Entleerventil: Gehen auf, wenn z1,z3=“1“ ansonsten gehen die Ventile zu.
Heizung: Schaltet ein, wenn z2=“1“, ansonsten Abschaltung.
Die Steuerung soll folgende Aufgaben erfüllen: Der Behälter wird
… befüllt, wenn x3=“0“
… abgelassen, wenn x1=“1“ und T>Tsoll
… beheizt, wenn x2=“1“ und T
Zeichnen Sie einen FUP der gesuchten Steuerung mit den Eingangsvariablen x1, x2, x3, x4 und den Ausgangsvariablen z1, z2, z3.
Aufgabe 7:
Aufgabe 8: R&I-Schema interpretieren
Gegeben ist folgender Ausschnitt vom R&I-Schema einer Trinkwasserversorgungsanlage.
a) An welcher Art Schnittstelle (Eingang, Ausgang, Typ) einer SPS würden Sie die Komponente M210 anschließen und warum?
b) Erläutern Sie die PCE-Symbole der Komponenten S122, B123, B124. Wie unterscheiden sich die Funktionen von Komponente B124 und S122?
c) Was ist die Bedeutung der Komponente B120?
d) Im Diagramm fehlen die Wirkungslinien für die Regelungen. Beschreiben Sie die mutmaßliche Regelungsaufgabe von Komponente B102 und M501.
a) YZ = Stellventil mit binärer Steuerungs- oder Schaltfunktion. Also Aktor für Ventil, damit am Ausgang einer SPS. Typ = Binärer Ausgang.
b) PCEs:
S122: Füllstandmessung mit Grenzwertmeldung (Alarm) bei zu hohem Füllstand (Erreichen des oberen Grenzwertes)
B123: Füllstandmessung mit Schaltfunktion bei zu niedrigem Füllstand (Erreichen des oberen Grenzwertes)
B124: Füllstandmessung mit Abschaltfunktion bei zu hohem Füllstand (Erreichen des oberen Grenzwertes)
S122 alarmiert, B124 schaltet ab.
c) B120: Anzeige (I) und Regelung (C) eines Analysenwerts (A). Analysiert wird der Chlorgehalt.
d) Stichworte:
B102 ist eine Regelung (C) des Durchflusses (F; Regelgröße) mit Anzeige des Ist-Wertes (I).
M501 ist ein Stellmotor (N), regelnd (C) und schaltend (S), für die Pumpe P501.
Stellgröße der Regelung ist vermutlich die Förderleistung der Pumpe.
Aufgabe 9: Reglertypen 10 Punkte
Die Abbildung zeigt das Führungsverhalten eines Regelkreises, bei dem verschiedene Regler zum Einsatz kommen. Ermitteln Sie aus dem Verlauf der Regelgröße, mit welchem Reglertypen (P-, I-, PI-, PD- oder PID-Regler) die Kennlinien 1 bis 5 aufgenommen worden sind. Begründen Sie Ihre Zuordnung der Reglertypen anhand der Ihnen bekannten Reglereigenschaften.
Erklären Sie den Unterschied zwischen: Funktion (FC), Funktionsbaustein (FB).
Lösungsvorschlag:
Funktion speichert keine Zwischenwerte zwischen zwei Aufrufen. Bei Logikfunktionen entspricht dies einem Schaltnetz bzw. Schaltwerk ohne Gedächtnis. Beispiel: Sinusfunktion im TR.
Funktionsbaustein: Kann Ergebnisse zwischen zwei Aufrufen speichern, Schaltwerk oder manchmal Schaltwerk mit Gedächtnis.
Gegeben sind zwei SPS-Programme.
a) Zeichnen Sie neu: Je ein zusammenhängendes Logikschaltnetz ohne M1.0, M1.1 bzw. A8.0.
b) Wann ist A8.1=“True“ bei FUP1 und wann bei FUP2?
a) Variablen einfach substituieren im Bild.
b) FUP1: A8.1=1, wenn E.01=1=E.02, E.03, E.04 beliebig oder umgekehrt FUP2: A8.1=1, genau dann wenn E.01=E.02=E.03=1
Eine Anlage soll lokal mit einer SPS gesteuert werden.
Aus Kostengründen sind die induktiven Endlageschalter mit analogen Spannungssignalen und die Temperatursensoren analog mit Stromeinheitssignal geplant. Die Drucktransmitter und Regelventile haben eine Feldbusschnittstelle. Die Regelpumpen werden über Profinet angebunden. Die SPS befindet sich in einem Schaltschrank neben der Anlage.
a) Skizzieren Sie ein Verkabelungsschema als einfaches Blockschaltbild inklusive notwendiger Schnittstellen (Gateways, Wandler, …). Kennzeichnen Sie, welche Kabel wofür sind.
b) Welche Eingangsmodule, welche Ausgangsmodule und welche Kommunikationsmodule benötigt die SPS?
a)
b) Eingangsmodule: Analog Input (AI), Digital Input (DI) bzw. Binäreingang (Induktionssensor), Ausgangsmodul keines, Kommunikationsmodul: Feldbus, Profinet
Gegeben ist folgender Auszug aus dem Datenblatt eines Prozessreglers:
a) Welches Stromeinheitssignal ist vorteilhafter und warum: 0 bis 20mA oder 4 bis 20mA?
b) Wofür (welche Information) wird ein Binäreingang und wofür ein Binärausgang benutzt?
c) Stellen Sie eine Vermutung an, was einen Binärausgang von einem Relaisausgang unterscheidet.
d) Welche Sensoren können Sie an TC und RTD anschließen?
e) Ist eine serielle Schnittstelle eine analoge oder eine digitale Schnittstelle? Was bedeutet seriell?
f) Was ist PROFIBUS in einem Satz erklärt?
a) 4 bis 20 mA ermöglicht, Leitungsunterbrechungen zu erkennen („Life Zero“), da dem Kleinstwert ein von Null verschiedener Strom zugewiesen wird.
b) Logikzustände als niedriger Spannungspegel = Logisch Falsch und höherer Spannungspegel = Logisch Wahr.
c) Laststrom bzw. Bürde ist beim Relaisausgang höher. Binärausgang muss nur Logiksignal liefern (Spannung mit wenig Strom)
d) TC = Thermocouple=Thermoelement, RTD=Resistance Temperature =Thermowiderstand
e) Eine digitale Schnittstelle, in der Bits nacheinander, also sequentiell oder seriell übertragen werden.
f) Ein robustes Busprotokoll, das mit einer vernünftigen Datentrate digitale Informationen übermittelt.
Erläutern Sie anhand des Bildes, wozu das HART Protokoll dient und wie es funktioniert.
Lösungsvorschlag: Siehe Vorlesung
a) Erklären Sie den Unterschied zwischen einer BUS-Kommunikation und einem Netzwerk anhand einer Skizze.
b) Erklären Sie anhand einer Skizze, wie ein Switch funktioniert.
c) Was ist die Aufgabe der Protokolle IP und TCP (kurze Erklärung; Stichpunkte)?
a) Welche Regelaufgaben werden in den folgenden 4 R&I-Schemas beschrieben?
b) Um was für einen Typ von Regelstrecke handelt es sich bei A?
Zu a)
A=stetige Druckregelung mit lokaler Anzeige,
B= stetige Füllstandsregelung mit stetigem Regler mit lokaler Anzeige
C= stetige Durchflussregelung mit lokaler Anzeige
D=diskrete Temperaturregelung
Zu b) 2 Speicherelemente=2 Behälter => P-T2-Strecke
a) Erklären Sie die beiden Automationsaufgaben (PCE-Symbole).
b) Wie unterscheiden sich die Sensoren im Wertebereich und welche Art Eingänge benötigen Sie in der SPS?
c) Wie unterscheiden sich die Aktoren im Stellverhalten und welche Art Ausgänge benötigen Sie in der SPS?
a) Von wo bis wo läuft die Regelstrecke?
b) Was ist die Regelgröße und was die Stellgröße?
c) Sie stehen an der Anlage. Was müssen Sie tun, um die Sprungantwort zu messen?
d) Zeichnen Sie die vermutliche Sprungantwort in das Diagramm ein. Gibt es typische Parameter?
a) Regelstrecke immer vom Stellglied (hier: Klappe) bis zum Sensor.
b) Stellgröße y ist Stellgrad (z.B. Winkel) der Klappe. Regelgröße x ist z.B. die Schüttgutmenge. (Alternativ: Schüttgutbelegung; Präsenz)
c) Einheitssprung oben durch vollständiges Öffnen der Klappe erzeugen (Stellgröße y), Regelgröße x messen. Material benötigt Zeit, bis es am Sensor erkannt wird (Totzeit). Bonus: Strecke mit Verzögerung.
d) Siehe Bild oben. Totzeit und Übertragungsbeiwert.
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