Prüfungsfragen

• Steigerung der Produktivität

• Einsparung von Material, Energie, Arbeitskräften, Zeit, Kosten

• Steigerung der Produktqualität

• Beherrschung komplizierter werdender Prozesse

• Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Produktionsmitteln und Produkten

• Verbesserung der Arbeitsbedingungen der Werker

• Start/Stopp: Abfahren/Anfahren

• Steuerung/Regelung: Prozessablauf einhalten/stabilisieren

• Überwachung: Alarmieren bei Störungen, Einleiten von Gegenmaßnahmen

• Sicherung: Vermeiden von Unfällen (NOT-Aus)

• Dokumentation: zeitliche Abläufe speichern, Betriebsdaten erfassen und verarbeiten

• Optimierung: wirtschaftliches Führen —> max. Wirkungsgrad oder Durchsatz

• Koordinierung: Gegenseitiges Anpassen von Teilsystemen bzw. -prozessen

• Management: Prozess führen (langfristig)

• Vorgang, durch den Materie, Energie oder Informationen im Zustand verändert wird. Hierbei wird der Anfangszustand in den Endzustand überführt. z.B.: Gestaltänderung nach mechanischer Bearbeitung, Eigenschaftenänderung nach dem Härten, Lageänderung nach dem Transport

• Bsp.: Stahlerzeugung, Lagerung

DIN:

• Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem technischen System, durch die Materie, Energie und/oder Information umgeformt, gespeichert oder transportiert werden.

• Gewinnen

• Übertragen

• Umwandeln

• Speichern

• Nutzen

1. Planungsebene: Führen des Unternehmens, der Fabrik, des Betriebes

2. Leitebene: Ausführung von Aufträgen durch Verteilung und Einsetzen von Ressourcen

3. Gruppensteuerebene (Zellebene): verteilen von Unteraufträgen, Materialflusssteuerung

4. Einzelsteuerungsebene (Fertigungsebene): Ausführung von Maschinenanweisungen

5. Sensor-/Aktorebene: Informationserfassung, Informationsnutzung

• Informationsgewinnung

• Informationsübertragung

• Informationsverarbeitung

• Informationsnutzung

• analoges, zeitkontinuierliches Signal:

  • Der Informationsparameter kann innerhalb des vorgegebenen Bereichs Jeden beliebigen Wert annehmen und ist zu jedem Zeitpunkt verfügbar.

  • Bsp.: Signal von Dehnmessstreifen

• analoges, zeitdiskretes Signal:

  • Der Informationsparameter kann zwar jeden beliebigen Wert annehmen, er liegt aber nur zu diskreten Zeitpunkten vor.

  • Bsp.: Messgröße an Fertigteil

• wertdiskretes, zeitkontinuierliches Signal

  • Der Informationsparameter kann nur diskrete Werte annehmen.

  • Bsp.: Anzahl von Objekten in einem Teilespeicher, Zählerstand

• wertdiskretes, zeitdiskretes Signal

  • Der Informationsparameter kann nur diskrete Werte annehmen und liegt zu diskreten Zeitpunkten vor.

  • Bsp.: Anzahl von Objekten in einem Teilespeicher mit taktsynchroner Zuführung und Entnahme

• Binärsignal

  • spezielle Form des diskreten Signals, das nur zwei Werte annehmen kann. Es ist besonders dazu geeignet, Zustände zu charakterisieren, wie „Kontakt offen“ oder „Kontakt geschlossen“

  • Den absoluten Spannungspegeln bzw. -bereichen des Signals werden in der Steuerungselektronik nach Vereinbarung die Werte 0 und 1 zugeordnet

  • Bsp.: Signale von Tastern oder Näherungsschaltern

• Paralleles Digitalsignal (wertdiskret, zeitdiskret/zeitkontinuierlich)

  • Auf mehreren parallelen Übertragungskanälen (Signalleitungen) werden binäre Signale übertragen; zu jedem Zeitpunkt ist der bestehenden Kombination aus 0 und 1 durch eine entsprechende Codierung ein Zahlenwert aus einer begrenzten Zahlenmenge zugeordnet, d.h. das Signal weist einen diskreten Wert auf.

  • Bsp.: Ausgangssignal eines absoluten Drehgebers

• Das Steuern ist ein Vorgang, bei dem ein auf einer Steuerstrecke ablaufender Prozess durch die Steuersignale einer Steuereinrichtung (Ausgangssignale) im Sinne einer Zielstellung (Programm) beeinflusst wird

• Die Regelgröße soll der Führungsgröße möglichst schnell folgen

• Der Einfluss von Störgrößen (Laststromschwankungen an der Arbeitsmaschine, Schwankungen der Versorgungsspannung usw.) ist so schnell wie möglich zu eliminieren.

• verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierte Steuerungen

  • verbindungsprogrammiert: fest programmiert oder umprogrammierbar

  • speicherprogrammiert: austauschprogrammierbar oder frei programmierbar

    • austauschprogrammierbar: unveränderbarer Speicher (ROM, PROM) oder veränderbarer Speicher (EPROM, EEPROM, Flash-ROM)

      • für: Produktautomatisierung —> Mikrocontroller

    • frei programmierbar: numerisch (NC,RC) oder binär, digital (SPS, IPC)

      • Für Produkt- und Anlagenautomatisierung —> spezialisierte Rechner mit eigenem Betriebssystem (Echtzeit); auch industrietaugliche PC mit echtzeitfähigem Betriebssystem

• Ein Prozessor (z.B. ein Mikrocontroller oder ein PC), der die Steuerungsaufgaben übernimmt.

• Ein Speichermedium (z.B. ROM, RAM, EEPROM), in dem das Steuerungsprogramm gespeichert ist.

• Eingabe- und Ausgabeschnittstellen (z.B. digitale und analoge Eingänge/Ausgänge) zur Anbindung von Sensoren und Aktoren.

• Ein Netzteil zur Versorgung der SPS mit Strom.

• Optional kann eine Bedienoberfläche wie ein Display oder eine Tastatur zur Programmierung und Überwachung der SPS hinzugefügt werden.

• Schaltgeräte

• Steckvorrichtungen

• Leitungsverbindungen

• Anzeigegeräte

• Motorschütz: Betätigung erfolgt über elektromagnetischen Antrieb Erregung der Schützspule—> Anker wird angezogen —> schließt oder öffnet Kontakte, Betrieb mit Gleichstrom und Wechselstrom

• Relais: Kontaktgabe und Kontaktunterbrechung erfolgt über Kontaktfedern, Anker wird durch Magnetfeld der Relaisspule angezogen —> kleine Stifte betätigen Kontaktfedern

• Hilfsschütz: gleiche Funktion, wie Schütz, aber nur Hilfskontakten für Steuer und Kontrolleinrichtungen

• Trennen und Übertragen

• Vervielfachen und Negieren

• Verknüpfen

• Verriegelung

• Speichern von Schaltzuständen

• Verzögertes Schalten (Einschaltverzögerung und Ausschaltverzögerung)

• Und: y=x1 * x0

• Oder: y=x1 + x0

• Nicht: y= xo

• Prozessgeführte Ablaufsteuerungen

  • Weiterschaltbedingungen werden durch die Verknüpfung von Signalen aus der Anlage (Prozess) realisiert

  • z.B. Gebern für Temperatur, Menge, Stellung eines Werkzeuges

• Zeitgeführte Ablaufsteuerungen

  • Weiterschaltbedingugen sind nur von der Zeit abhängig

• Steuerung läuft zwangsweise in Schritten ab

• Weiterschalten von einem auf dem programmgemäß folgenden Schritt abhängig von den Weiterschaltbedingugen

• Eingangssignale der Steuerung bewirken nicht unmittelbar die Ausgangssignale, sondern dienen als Weiterschaltbedingungen für die Schritte innerhalb einer Schrittkette

• Unterscheidung in zeitgeführte und prozessgeführte Ablaufsteuerungen

• 1. Phase: Aufgabenbeschreibung:

  • Systematisierung und Vervollständigung der Anforderungen an die Steuerung

  • Ergebnis : Pflichtheft für die Steuerung

• 2. Phase: Strukturierung der Steuerung:

  • Größere Prozesse werden in einzelne Teilprozesse zerlegt

  • Zerlegung mit hierarchischer Struktur

• 3. Phase: Detaillierung:

  • Detaillierung der Steuerungsabläufe und Fehlerbehandlungsfälle für Teil- und Koordinationssteuerungen

  • Bei erstem Schritt zur Realisierung sollte spätere Realisierung der Steuerung berücksichtigt werden

  • Aufgabe ist in geeignete Beschreibungsform umzusetzen

• Phase 4: Realisierung der Steuerung:

  • Entwurf bei Steuerungen mit kleinem Umfang und hohen Produktstückzahlen

  • Mikrocontroller-Realisierung bei Anwendungen mit kleinerem Umfang

  • Steuerungen für Anwendungen mit mittleren bis hohem Umfang

  • Implementierung der Steuerung auf einem Steuerrechner mit Echtzeit-Betriebssystem

Definition:

SPS, universelle (rechnerbasierte) Einrichtung zur Erfassung binärer Signale (Eingangssignale), ihrer logischen Verknüpfung und der Ausgabe binärer Signale (Ausgangssignale). Die Funktion der Einrichtung wird durch das sog. Anwenderprogramm festgelegt, das in einem Speicherbereich des Rechners abgelegt wird.

Ziel des SPS-Einsatzes: Ersatz (kontaktbehafteter) verbindungsprogrammierter Steuerungen mit wesentlich erweitertem Funktionsspektrum.

• SPS sind spezialisierter Rechner für Steuerungszwecke zum Einsatz in industrieller Umgebung:

– zulässige Umgebungstemperatur > 55 °C

– mechanisch robust Aufbau (Erschütterungen)

– unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen (EMV)

• Einsatz als Steuerungsrechner in einer Anlage → Es besteht keine ständige direkte Möglichkeit zur Programmierung an der SPS; es existiert eine Schnittstelle für ein Programmiergerät (in der Regel PC, teilweise Handprogrammiergerät), meist keine Tastatur, Monitor o. ä.

• In der Grundausstattung der SPS sind nur einfache Signalisierung von Zuständen durch Meldeleuchten und LED möglich.

• Adressbus: Übertragung einer Adresse zum eindeutigen Ansprechen des jeweiligen Ein- oder Ausgangs, z. B. E 0.0 oder A 4.0

• Datenbus: Übertragung der Daten vom gewählten Eingang (z. B. E 0.0) zum sog. Prozessabbild der Eingänge (PAE) bzw. zum gewählten Ausgang (PAA)

• Steuerbus:Übertragung von Signalen zur Steuerung und Überwachung des Funktionsablaufs innerhalb der SPS.

• Typisch für den Betrieb einer SPS ist die permanente zyklische Abarbeitung des Steuerungsprogramms (SPS-Modus)

1. Schritt:

Das Betriebssystem der SPS kopiert den Zustand aller angelegten Eingänge in einen Zwischenspeicher, das Prozessabbild der Eingänge (PAE) (reservierter Speicherbereich).

2. Schritt: Das Anwenderprogramm wird mit den im PAE abgespeicherten Eingängen (Rechenzyklus) abgearbeitet. Die während der Programmbearbeitung berechneten Ausgangsgrößenwerte werden zunächst in einem Zwischenspeicher, dem Prozessabbild der Ausgänge (PAA), abgelegt.

3. Schritt:

Es folgt die Übertragung des Inhalts des PAA auf die physikalischen Ausgänge der SPS und die Weiterleitung zum Prozess. Anschließend wird die Schrittfolge zyklisch wiederholt.

• Kleinst-SPS: Steuerung mit wenigen Ein- und Ausgängen, Ersatz für Relaissteuerungen mit erweiterten Funktionen, Programmiermöglichkeit am Gerät und Display, Hutschienmontage

• Kompakt-SPS: Steuerung mit bis zu 20 Eingängen/Augängen, platzsparend, Programmierung über PC

• Modulare SPS: Anzahl binärer Eingänge und Ausgänge erweiterbar, CPU mit unterschiedlichen Leistungsumfang einsetzbar, Ausstattung mit weiteren Peripheriebaugruppen —> leichte Anpassung an Umfang und Art der Aufgabenstellung möglich

• Soft-SPS: Softwaremäßig auf einem PC realisierte SPS, Betriebssystem läuft auf PC Eingabe und Ausgabe über spezielle EA-Karten, Programmierung über PC

• Slot-SPS: Einsteckkarte für PC ( verfügt über volle SPS Funktionalität), mit PC über Dualport-RAM und mit Prozess über Feldbus gekoppelt, Programmierung und Visualisierung über PC

• Integrierte-SPS: in eine andere Steuerung eingebunden

• Transistoren für binäre Gleichspannungssignale (24 V, 200 mA/2 A)

• Relaisausgänge (Wechselstromlast, z. B. 230 V, 50 Hz)

• Triac (elektronischer Wechselstromschalter, Wechselstromlast, z. B. 230 V, 50 Hz) Bei Störungen des regelmäßigen Programmzyklus schalten alle Ausgänge nach einer Zykluszeit ab.

• Klassische Verdrahtung:

  • Zur Ankopplung von Sensoren und Autoren an die SPS

• Zentrale Vernetzung mehrerer SPSen:

  • mehrere SPS über Busleitung verbunden

  • Zustandsmeldungen der SPS werden als digital serielle Signale übertragen

  • Master-SPS: erteilt Zugriffsrechte für Busübertragung, ist für Datenaustausch zuständig, wenn diese defekt, dann gesamte Anlage nicht betreibsbereit

• Dezentrale Vernetzung:

  • Verbindung der SPS über seriellen Feldbus —> serielle Übertragung der Daten über Zwei- oder Vierdrahtleitung

  • Einzel-SPS löst Teilaufgabe —> Rückgriff auf Eingänge anderer SPS möglich

  • Zustandsänderungen anderer SPS werden verarbeitet

  • SPS verfügen über gleiche Rechte zum Zugriff auf Busübertragung

• Serielle Zuführung der EA-Signale zur SPS:

  • Binäre EA-Signale werden seriell über Bus übertragen

  • Aufwendige Parallelverdrahtung von der SPS zu den Sensoren und Autoren wird durch Zweidrahtleitung ersetzt

  • Sensoren und Autoren, sowie SPS mit Busankoppler ausgestattet

  • Sensoren und Autoren können auch mit Strom versorgt werden

• Positionierung und Erzeugung von Bewegungsbahnen für Werkstücke und Werkzeuge

• Steuerung von Prozessparametern (Vorschub, Schnittgeschwindigkeit)

• Steuerung der Hauptantriebe und Vorschubantriebe

• Schalthandlungen (z. B. Spannen/Entspannen von Werkzeugen und Werkstücken, Werkzeugwechsel, Kühl-/Schmiermittel)

• Verwalten und zeitnahes Verteilen der Steuerinformationen an NC-Maschinen.

• Erfassen und Auswerten von Betriebs- sowie Messdaten.

• Ändern der Steuerdaten.

Eine Maschinensteuerung (auch Produktionssteuerung) ist eine Art von Regelungstechnik, die dafür sorgt, dass eine bestimmte Maschine oder Anlage in einem vorbestimmten Ablauf arbeitet. Sie steuert und überwacht die Maschine oder Anlage und reagiert auf eventuelle Fehler oder Abweichungen. Die Steuerung kann dabei sowohl mechanisch als auch elektronisch erfolgen. Sie kann auch auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) basieren.

• Die Steuerung ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen.

• Eine Steuerung ist immer durch einen offenen Wirkungsweg gekennzeichnet. Rückwirkungen vom Ausgang des Objektes auf den Eingang der Steuerung sind nicht dauerhaft wirksam. Der Zustand der beeinflussten Größe wird nicht dauerhaft beobachtet

• Zeitsteuerung und Ereignissteuerung

• Eine Zeitsteuerung basiert auf einer vorbestimmten Zeitplanung. Ein Beispiel dafür wäre ein Zeitschaltuhr, die dafür sorgt, dass das Licht in einem Raum zu einer bestimmten Uhrzeit eingeschaltet und zu einer anderen Uhrzeit ausgeschaltet wird. Zeitsteuerungen sind in der Regel deterministisch und unabhängig von externen Ereignissen.

• Eine Ereignissteuerung basiert auf bestimmten Ereignissen oder Zuständen. Ein Beispiel dafür wäre ein Bewegungsmelder, der dafür sorgt, dass das Licht in einem Raum eingeschaltet wird, wenn sich jemand im Raum bewegt und ausgeschaltet wird, wenn sich niemand im Raum befindet. Ereignissteuerungen sind in der Regel nicht deterministisch und abhängig von externen Ereignissen.

• Signale der Eingänge werden byteweise in einem Zwischenspeicher, den Prozessabbild der Eingänge (PAE), abgelegt

• Erhalten eine dementsprechende Adresse bestehend aus einer Byte- oder Bitadresse

• Bitadresse entspricht der Eingangsklemmenbezeichnung

• Ausgangsgrößenwerte werden zunächst in einem Zwischenspeicher, (Prozessabbild der Ausgänge (PAA)) abgelegt

• erhalten eine Dementsprechende Adresse (Byte- oder Bitadresse)

• Ausgangsbitadresse entspricht der Ausgangsklemmenbezeichnung

  • Bitweise: E4.0 (1) 1 Bit - Eingänge

  • Byteweise: AB4 (1101/1001) 8 Bit - Ausgänge

• Bit-Prozessor: schnelle Bit-Verarbeitung

• Wort-Prozessor: für Wortverarbeitung und Ausführung arithmetischer Operationen

• Standardprozessor: für Betriebssystemaufgaben

• ALU: arithmetische Operationen

• Steuerwerk: steuert und koordiniert

• Register: speichert

• Die Reaktionszeit muss der Geschwindigkeit des Prozesses angemessen sein und darf den Prozessablauf nicht in unangemessener Weise verzögern (Echtzeitbedingung).

• Transistoren für binäre Gleichspannungssignale (24 V, 200 mA/2 A)

• Relaisausgänge (Wechselstromlast, z. B. 230 V, 50 Hz)

• Triac (elektronischer Wechselstromschalter, Wechselstromlast, z. B. 230 V, 50 Hz) Bei Störungen des regelmäßigen Programmzyklus schalten alle Ausgänge nach einer Zykluszeit ab.

• Die Regelgröße soll der Führungsgröße möglichst schnell folgen

• Der Einfluss von Störgrößen (Laststromschwankungen an der Arbeitsmaschine, Schwankungen der Versorgungsspannung usw.) ist so schnell wie möglich zu eliminieren.

• Der geschlossene Regelkreis bildet die Voraussetzung für die numerische Steuerung von Maschinen.

• Voraussetzung ist die Möglichkeit, die Führungsgröße als numerische Werte (Zahlen)

• vorzugeben. Die Positionen des Maschinentisches können dann nach den Programmvorgaben eingestellt werden.

• Das Verhalten des geschlossenen Regelkreises wird durch den Regler bestimmt