Automatisierungstechnik

• Ausgangsgröße des Reglers
• Überträgt die steuernde Wirkung auf die Regelkreise

• Wert den die Regelgröße durch die Regelung erreichen soll
• fester Wert bei Festwertregelung

1. Zeit die das Ausgangssignal Xa verspätet auf das Eingangssignal Xe reagiert
2. Auswirkungen:
   • Macht die Regelung schwierig
   • Verlangsamt die Reaktionszeit

• Wenn es sich bei der auf der Regelstrecken einwirkenden Störgröße um eine wesentliche und messbare Störgröße handelt, so kan man mittels einer Änderung der Stellgröße dieser Störung entegegenwirken.
• Die Aufschaltung kann am Anfang oder am Ende der Regelstrecke erfolgen
• Sie kann kontinuierlich oder zeitlich begrenzt sein
• Bsp. Öffnen einer Ofentür schaltet einen Zusatzbrenner ein um die entwichene Wärme zu kompensieren
• Nach schließen der Tür schaltet der Brenner wieder ab
• Störgrößenaufschaltungen eigenen sich somit zur Verbesserung des Störverhalten eines Regelkreises
• Sie sind aber unbrauchbar wenn die Störgrößen messtechnisch nicht erfassbar sind

• Die Vorhaltezeit ist die Zeit die der P-Anteil brauchen würde, um denselben Wert wie der D-Anteil im Moment des Sprungs zu erreichen
• Die Vorhaltezeit Tv ist jene Zeit, die bei der Sprungantwort benötigt wird, um aufgrund der P-Wirkung eine gleichgroße Stellgrößenänderung zu erzielen wie sie infolge der D-Wirkung sofort entsteht
• Im Vergleich zum reinen P-Regler ist der PD-Regler um die Vorhaltezeit Tv schneller

• Die Nachstellzeit ist die Zeit die der I-Anteil braucht um den gleichen Wert des P-Anteil im Moment des Sprungs zu erreichen
• Die Nachstellzeit ist jene Zeit, welche bei der Sprungantwort benötigt wird um auf Grund der I-Wirkung eine gleichgroße Stellgrößenänderung zu erzielen, wie sie infolge der P-Wirkung sofort entsteht
• Im Vergleich zum reinen I-Regler ist der PI-Regler um die Nachstellzeit Ta schneller

P-Regler: Propoprtional wirkender Regler

N:

• bleibende Regelabweichung (Regeldifferenz)
• Stellgröße proportional zur Regeldifferenz
• bei Unterschreitung einer gewissen Regelabweichung wird die Störgröße zu klein

Vorteil:

• Schnell

I-Regler: Integrierend wirkender Regler

Nachteile:

• relativ langsamer Regeleingriff
• großes Überschwingen, langsames Ausregeln
• nicht verwendbar an I-Strecken
• verändert Stellgröße prooprtional zur Regeldifferenz und zur Zeit

Vorteil:

• keine bleibende Regelabweichung

IP-Regler: Proportional-Integrierend wirkender Regler

Vorteile:

• keine bleibende Regelabweichung
• schnelle Regelung
• genaue Regelung
• Parallelschaltung von P-Regler und I-Regler (nutzt Vorteile von beiden)

PID-Regler

Vorteile:

• Parallelschaltung von P,I und D Gliedern
• beschleunigt träge Strecken

Nachteil:

• D-Anteil muss sorgfältig dimensioniert werden
• bereits kleine, aber schnelle Störgrößen zu heftigen Stellbewegungen führen!
• Unruhiges Gesamtverhalten des Regelkreises
•  

Verriegelung gegen gleichzeitiges Schalten beider Drehrichtungen eines Motors

Bsp. Motor 1 kann nicht gleichzeitig mit Motor 2 anlaufen

Drahtbruch = Kontakt fällt ab, Steuerung ist unterbrochen (stromlauf)

Regelung für den Steuerungsentwurf:

Einschalten mit Schließer

Ausschalten mit Öffner

• dadurch kein unbeabsichtiges Einschalten durch Defekt möglich
• Signalverlust durch Drahtbruch

Signalverlust durch Drahtbruch:

Bedeutet das ein Drahtbruch von einer Steuerung als Fehler erkannt wird und keine Fehlfunktion auslöst

Bauelement merkt sich das Signal und bewirkt gleichzeitig eigenständiges forsetzen des eingegeben Signals

Selbsthaltung entspricht Speicherschaltung aus gegenseitig rückgekoppelten NOR-Gliedern (Flip-Flop)

• Flip-Flop Begriff aus der Digitaltechnik
• Selbsthaltung entspricht Speicherschaltung aus 2 gegenseitig rückgekoppelten NOR-Gliedern

Erwünscht: Zuverlässigkeit im Sinne hoher Systemverfügbarkeit

unkritisches Verhalten beim Auftreten von Fehlern

Schätzung: 90% aller Fehler im Peripheriebereich (Sensoren, Endschalter, Verkabelung usw.)

Grundlegenge Störfälle:

Drahtbruch (kontaktlos)

Erdschluss (falscher Kontakt)

Sicherheitsmaßnahmen:

• Gegen Spannungsabfall
  • USV (unabhängige Stromversorgung) dadurch herunterfahren des Systems möglich
• NOT Aus-Schalter extern
• Freigabeschütze (2 Handbedienung)
•  

1. Eingangssignal speichern (bis Beginng nächster Zyklus)
2. Serielle Verknüpfungen (1. Anweisung, 2. Anweisung)
3. Verknüpfungsergebnisse speichern bis zum nächsten Zyklus

Arbeitsweise seriell, zyklisch und getaktet 

Taktzeit zwischen 1ms und 20ms

• NOT-AUS muss unabhängig von der SPS funktionieren
• Wirkt nicht über SPS sondern an den schaltenden Schützen
• NOT-AUS ist immer ein Öffner wegen
  • Drahtbruchsicherheit
  • mechanisch
  • direkt an den Schützen

1. Aktion: Bsp. Bohrspindel

"Vorschub ein" (Schritt)

1. Weiterschaltbedingung

• Notwendigkeit zum Beginn eines weiteren Schritts
• Bsp. Endschalter
• Transition

Alternativverzweigung

• ODER-Verknüpfung
• Es wird der Schritt ausgeführt, dessen vorgelagerte Transition erfüllt ist
• sind mehrere Transitionen erfüllt, wird der am weitesten links gelegene Alternativzwei durchlaufen

Synchronisation

• Zusammenführen der einzelnen Simultanverzweigungen
• warten auf parallelen Schritt

• Darstellung durch Schaltplan
  • Stromlaufplan
• bei komplexen Steuerungsaufgaben weitgehend durch SPS verdrängt
  • ab ca. 8 Relais Kostenvorteil für SPS

Vorteil:

• größere Schalt-und Stellleistungen
• geringere Komplexität
• Fehlfunktionen besser lokalisierbar
• typische Funktionselemente jede Steuerungen wie "Selbsthaltung" oder "Verriegelung" einfach realisierbar

Nachteil:

• unflexibel
• bei größerer Zahl logische Verknüpfung aufwendig

"verbindungsprogrammiert" 

"speicherprogrammiert"

Beim Steuern verändert sich die Steuergröße (x)  nicht fortlaufen, sondern  in Schritten (BINÄR 0,1).

Steuergröße (x) beeinflusst nicht die Führungsgröße (w).

Bsp. offene Wirkungskette, Steuerkreis

► Verfahren & Geräte zur planmäßigen Beeinflussung von Abläufen oder Prozessen

Organisationsbausteine

• dienen zur Organisation des Steuerprogrammes und ermöglichen dessen Strukturierung

Function

• werden eingesetzt um einen Fuktionswert zu bestimmen und an den aufzurufenden Baustein zurückzugeben oder um technologische Funktionen auszuführen

► keine Speicherfunktion

Funktionsbausteine sind spezielle Programm-Bausteine für häufig wiederkehrende und besonders komplexe Programmteile

► Speichercharakter

System-Function

• sind spezielle Codebausteine die in der CPU integriert sind und wichtige Systemfunktionen für den Anwender zugänglich machen

Induktive

Kapazitive

Laser-Triangualation mit CCD-Aufnehmer

• Reflektierter Laserstrahl verschiebt sich mit dem Abstand der Oberfläche vom Sensor
• Erfassung dieser Verschiebung durch CCD-Zeile
• empfindlichkeit optimal bei 45° , jedoch abängig von der Messkontur
• berührungslos
• trägheitslos
• eventuelle Abschattungsprobleme
• CCD = Charge Coupled Devie

Ultraschall-Abstandssensoren

• Ultraschall wird an Grenzflächen stark verstärkt
• Piezoelektrischer Wandler erzeugt Ultraschallimpuls
• Wird danach umgeschaltet und nimmt Echosignal auf
• Blindbereich bei kurzen Abständen, weil Echo vom Sendeimpuls getrennt sein muss
• bis einige Meter
• Ultraschallfrequenz --> 60 ... 400 kHz
• Pulswiederholungsfrequenz 14 ... 140 kHz

Infrarotsensoren

Ultraschallsensoren

Einweglichtschranke

Relexlichtschranke

Reflexlichttaster

Messung dieser Eigenschaft durch Dehnungsmessstreifen (DMS)

• Trägerfolie mit feiner mäanderförmigen Leiterstruktur aus dünnstem Draht oder einer strukturierten Metallfolie

Dehnung:

• Messung durch proporionale Widerstandsänderung

Kraftmessung

• Messung durch Federgesetz
• F = c •x = (E • A) / l • dl

Druckmessung:

• Messung durch Membran & DMS

Widerstandsthermometer

• Widerstand R steigt mit Temperatur t
• Messbereich: -200 °C bis +500 °C
• typische Empfindlichkeit: 0,4 Ώ/°K
• gut geeignet ► Platin (lineare Kennlinie)

Thermoelement

• einseitig verbundene, geeignete Metalpaarungen generieren bei Erwärmung dieser Verbindungstselle eine "Thermospannung"
• Messbereich: -200 °C bis +1500
• Empfindlichkeit: 4,25 mV / 100°K
• weniger genau 
• schnelleres Ansprechen als Widerstandsthermometer

Infrarotsensor

• Jedes warmes / heißes Objekt sendet infrarote elektromagnetische Strahlung ab
• Der Sensor wirkt als Empfänger dieser Strahlung
• Aufbau:
  • Halbleiter
  • schaltender "binär" Sensor
• keine Berührung des Objektes notwendig
• schnell

1. Analogausgang 
   • analoges normiertes elektrisches Messsignal
2. Digitalausgang
   • digitals Messsignal durch AD Wandler
3. Binärausgang
   • binäres Messsignal

Anforderungen:

• Empfindlichkeit erforderlich
• sichere Funktion bei Hitze, Schmutz/Staub, Erschütterung, sonstige Störungen
• Dauereinsatz / hohe Lebensdauer

schaltende Sensorsysteme wichtig

Berührungslose Sensorsysteme ohne bewegliche Komponenten

Kalibrieren:

• Ist die Bestimmung des Zusammenhangs von Messsignal und Messgrößen

Eicheln

• ist Prüf - und Betätigungsvorgang der staatlichen Eichbehörde nach gesetzlichen Vorschriften (amtlicher Vorgang!)

• Bei der Reglerauswahl - / einstellung ist ein stabiles Verhalten von Regelkreisen sicherzustellen
• Ein dynamisches System (hier Regelkreis) ist stabil, wenn es bei beliebiger Anregung mit abklingenden Schwingungen reagiert
• Aufklingende Schwingung zeigen Instabilität an
• stationäre Schwingungen (mit konstanter Amplitude) markieren die Stabilitätsgrenze

Bei der Festwertregelung versucht der Regeler stets den Istwert mit dem Sollwert in Übereinstimmung zu bringen.

Bsp. Abstand der Laserstrahlregelung zur Werksütcksoberfläche