Automatisierungstechnik - Europa-Lehrmittel · in der Pneumatik und Hydraulik wesentlich. Das Kapitel zur Montageautomatisierung wurde erweitert. Hinweise und Verbesserungsvorschläge

Bibliothek des technischen Wissens

AutomatisierungstechnikGrundlagen, Komponenten und Systeme

11. Auflage

mit CD für Bilder, Übungen, Aufgaben und Simulationen

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KGDüsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten

Europa-Nr.: 51518

Dietmar Schmid Hans Kaufmann Alexander PflugPeter Strobel Jürgen Baur

Titel-Ei (001-008) 2015_ Titel-Ei (001-008) 2009 16.07.15 08:43 Seite 1

Die Autoren des Buches

Dietmar Schmid Dr.-Ing., Professor Essingen

Hans Kaufmann Dipl.-Ing. (FH), Studiendirektor Aalen

Alexander Pflug Dipl.-Ing., Oberstudienrat Schwäbisch Gmünd

Peter Strobel Dipl.-Ing. (FH), Geschäftsführer Aalen

Jürgen Baur Dipl.-Ing. (FH), Oberstudienrat Aalen

Lektorat und Leitung des Arbeitskreises:

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Essingen

Bildbearbeitung:

Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, Ostfildern

11. Auflage 2015

Druck 5 4 3 2 1

Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlernuntereinander unverändert sind.

ISBN 978-3-8085-5162-2

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© 2015 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten © 2001 by http://www.europa-lehrmittel.de

Umschlaggestaltung: Braunwerbeagentur, 42477 Radevormwald & Grafik u. Sound, 50679 Köln, unterVerwendung von Fotos des Lektors.

Satz: rkt, 42799 Leichlingen, www.rktypo.comDruck: Media-Print Informationstechnologie, 33100 Paderborn

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Vorwort zur 11. Auflage

Die Automatisierungstechnik ist der Motor unserer heutigen modernen Gesellschaft. Vorgänge könnenaus der Ferne gesteuert und beobachtet werden. Die Komponenten dazu sind mechanische, elektrische,elektronische und optische Elemente der Steuerungstechnik, der Antriebstechnik, der Sensortechnik undder Kommunikationstechnik. Hinzu kommen Software-Bausteine und die Anwendung von Programm-systemen, wie z. B. LabVIEW sowie das Programmieren z. B. in C++, Java oder VBA.

Dieses Lehrbuch gibt zunächst eine Einführung in die modernen Geschäftsprozesse des Produkt-Daten-Managements (PDM) und führt den Nutzer in ein ganzheitliches Denken ein: Von den Komponenten überdie Methoden zu den Systemen. Zu den Komponenten der Automatisierungstechnik gehören einerseitsdie mechanische, elektrische, elektronische und optische Hardware und andererseits die Software.

Mit diesem Buch werden die technisch-physikalischen Grundlagen der Steuerungs- und Regelungstech-nik vermittelt. Es werden Hard- und Softwarekomponenten der Automatisierung behandelt und es folgtdie Einordnung in die moderne Systemwelt der Produktion und der Kommunikation.

Die Hauptabschnitte sind:

● Einführung in die Automatisierungstechnik;● Grundlagen der Automatisierung mit Steuerungstechnik und Regelungstechnik;● SPS-Technik (STEP7 und CoDeSys);● Pneumatische, hydraulische und elektrische Aktoren;● Sensortechnik;● Computergesteuerte Maschinen;● Montage;● Qualitätsüberwachung und Prozesslenkung;● Informationstechnik und Kommunikationstechnik● Aufgaben und Übungen.

Das vorliegende Buch vermittelt den Lehrstoff, wie er im Bereich der Automatisierungstechnik und Mechatronik in den Fachschulen für Technik gefordert wird, aber auch wie er notwendig ist im Bereich derberuflichen Weiterbildung. Für Studenten der Hochschulen dient dieses Buch als eine leicht lesbare Einführung. Über 1200, meist mehrfarbige Bilder oder Tabellen erleichtern das Begreifen der komplexenZusammenhänge.

Mit der beigefügten CD werden den Lehrenden und Lernenden alle Bilder, Lösungen zu den Aufgabenund eine Vielzahl von Softwaretools, Simulationen und animierbaren Objekten zur Verfügung gestellt.Damit gelingt es Bewegungs- und Steuerungsvorgänge lebendig werden zu lassen. Es können Teilpro-zesse oder vollständige Anlagen virtuell dargestellt und beobachtet werden. Auch ist es zum Teil möglich,die virtuellen Vorgänge in realen Anlagen „laufen zu lassen”. Lernende können damit in sehr kreativer Weise Wissen und Erfahrungen schöpfen. Die CD enthält ferner ein Repetitorium und wichtige Gesetzestexte.

In der 11. Auflage gibt es in allen Kapiteln Einzelverbesserungen, z. T. sind die Kapitel auch neu struk -turiert worden. Darstellungen zu Industrie 4.0 und den Cyber-Physischen-Systemen (CPS) sind hin -zugekommen. Den wachsenden Sicherheitsanforderungen in der Automatisierung wurde mehr Platz eingeräumt, z. B. bei den Sensoren, den Steuerungen und den Bussystemen. Die neuen Strukturie-rungsprinzipien, die neuen Klassifizierungen von Objekten mit den neuen Kennbuchstaben für die Betriebsmittel nach DIN EN 81346 wurden aufgenommen. Dies veränderte die bildlichen Darstellungenin der Pneumatik und Hydraulik wesentlich. Das Kapitel zur Montageautomatisierung wurde erweitert.

Hinweise und Verbesserungsvorschläge können dem Verlag und damit den Autoren unter der E-Mail-Adresse [email protected] mitgeteilt werden.

Sommer 2015 Die Autoren

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1 Grundlagen der Automatisierungstechnik 9

1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1.1 Automatisierung und Automaten . . . 91.1.2 Entwicklungsphasen industrieller

Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.1.3 Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1.4 Cyber-Physische-Systeme (CPS) . . . . 14

1.2 Steuerungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.1 Steuerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.2 Programmsteuerungen . . . . . . . . . . . 191.2.3 Elektrische Kontaktsteuerungen . . . . 201.2.3.1 Bauelemente und Betriebsmittel . . . 201.2.4 Sicherheitsfunktionen . . . . . . . . . . . . 281.2.5 Grundschaltungen elektrischer

Kontaktsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . 311.2.6 Schutzmaßnahmen, Schutzarten

und Gefahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.2.7 Integrierte Schaltkreise (IC) und

Grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . 361.2.8 Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.2.9 Kombinatorische Steuerungen . . . . . 381.2.10 Sequentielle Steuerungen . . . . . . . . . 411.2.10.1 GRAFCET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.2.10.2 Sequentielle Steuerungen

mit Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481.2.11 Zustandsfolgediagramm (Graph) . . . 50

1.3 Digitale Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . 531.3.1 Mechanische Speicher . . . . . . . . . . . . 531.3.2 Optische Datenspeicher . . . . . . . . . . . 541.3.2.1 Barcodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541.3.2.2 2D-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551.3.3 Elektronische Speicher . . . . . . . . . . . . 561.3.4 Magnetische Speicher . . . . . . . . . . . . 58

1.4 Speicherprogrammierbare

Steuerungen (SPS) . . . . . . . . . . . . . . . 591.4.1 Aufbau und Funktionsweise . . . . . . . 591.4.2 Systemaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611.4.3 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . 621.4.4 Programmabarbeitung,

Organisationsbausteine . . . . . . . . . . . 641.4.5 Adressierung und Datentypen . . . . . 651.4.6 Grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . 661.4.7 Speicher (Merker) . . . . . . . . . . . . . . . . 691.4.8 Flankenauswertung . . . . . . . . . . . . . . 711.4.9 Zähloperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . 731.4.10 Programmieren von Zeiten . . . . . . . . 751.4.11 Digitale Grundoperationen

(Wortverarbeitung) . . . . . . . . . . . . . . . 781.4.12 Analogwertverarbeitung . . . . . . . . . . 811.4.13 Funktionen (FC) und Funktions-

bausteine (FB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4

1.4.14 Datenbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 851.4.15 Ablaufsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . 861.4.16 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 901.4.17 Bedienen und Beobachten von

Prozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931.4.18 Prozess-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . 981.4.19 IEC 61131 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001.4.20 Zuverlässigkeit und Sicherheit . . . . . 101

1.5 Grundlagen der Analogsignal-

verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1021.5.1 Operationsverstärker (OP) . . . . . . . . . 1021.5.2 Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . 1031.5.3 Analog-Digital-Umsetzer und

Digital-Analog-Umsetzer . . . . . . . . . . 106

1.6 Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 1081.6.1 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1081.6.2 Regelungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1091.6.3 Regelkreisglieder . . . . . . . . . . . . . . . . 1111.6.3.1 Proportionalglied ohne Verzögerung

(P-Glied) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1111.6.3.2 Proportionalglied mit Verzögerung

1. Ordnung (P-T1-Glied) . . . . . . . . . . . 1121.6.3.3 Proportionalglied mit Verzögerung

2. Ordnung (P-T2-Glied)und Schwingungsglied . . . . . . . . . . . 113

1.6.3.4 Integralglied (I-Glied) . . . . . . . . . . . . . 1161.6.3.5 Differenzierglied (D-Glied) . . . . . . . . . 1171.6.3.6 Totzeitglied (Tt-Glied) . . . . . . . . . . . . . 1171.6.3.7 Zusammenwirken mehrerer

Regelkreisglieder . . . . . . . . . . . . . . . . 1191.6.4 Regler und Regelkreise . . . . . . . . . . . 1201.6.4.1 Schaltende Regler . . . . . . . . . . . . . . . . 1201.6.4.2 Analoge Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1211.6.4.3 Digitale Regler (Software-Regler) . . . 1231.6.4.4 Regelung von P-Strecken . . . . . . . . . . 1261.6.4.5 Regelung von I-Strecken . . . . . . . . . . 1271.6.4.6 Einstellen eines Reglers . . . . . . . . . . . 1291.6.4.7 Selbstoptimierende Regler . . . . . . . . 1301.7 Strukturierungen und Benennungen 131

2 Aktoren 135

2.1 Pneumatische Aktoren . . . . . . . . . . . . 1352.1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1352.1.2 Komponenten der Pneumatik . . . . . . 1362.1.2.1 Wartungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . 1362.1.2.2 Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372.1.2.3 Ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1402.1.2.4 Signalgeber und Signalwandler . . . . 1452.1.3 Pneumatische Steuerungen . . . . . . . 1462.1.3.1 Schaltplanaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Inhaltsverzeichnis


2.1.3.2 Pneumatische Verknüpfungs-steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

2.1.3.3 Pneumatische Ablaufsteuerungen . . 1502.1.3.4 Elektrische Ansteuerung von

Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1512.1.3.5 Vakuumtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1542.1.3.6 Sicherheitsfunktionen . . . . . . . . . . . . 1552.1.3.7 Energieeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

2.2 Hydraulische Aktoren . . . . . . . . . . . . . 1572.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1572.2.2 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . 1572.2.2.1 Hydrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1572.2.2.2 Hydrodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1592.2.3 Hydraulikflüssigkeiten . . . . . . . . . . . . 1602.2.4 Aufbau hydraulischer Steuerungen . 1622.2.5 Hydraulikpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . 1632.2.6 Hydraulikspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . 1652.2.7 Antriebselemente . . . . . . . . . . . . . . . . 1672.2.8 Hydraulikventile . . . . . . . . . . . . . . . . . 1702.2.8.1 Druckventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1702.2.8.2 Wegeventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1732.2.8.3 Sperrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1742.2.8.4 Stromventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1752.2.9 Stetigventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1772.2.10 Proportionaltechnik . . . . . . . . . . . . . . 1782.2.11 Servoventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1852.2.12 Mobilhydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

2.3 Elektrische Aktoren . . . . . . . . . . . . . . 1882.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1882.3.2 Rechnerische Grundlagen . . . . . . . . . 1902.3.3 Erste Orientierung . . . . . . . . . . . . . . . 1932.3.4 Gleichstromantriebe (DC-Antriebe) . 1942.3.5 Drehstromasynchronmotor . . . . . . . . 1992.3.5.1 Aufbau des Kurzschlussläufers . . . . . 1992.3.5.2 Das Drehfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2002.3.5.3 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012.3.5.4 Anlasssteuerungnen . . . . . . . . . . . . . 2022.3.5.5 Drehrichtungsumkehr . . . . . . . . . . . . 2032.3.5.6 Betriebsarten und Fahrprofile . . . . . . 2032.3.5.7 Drehzahlsteuerung und

Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . 2042.3.6 Drehstromsynchronmotor . . . . . . . . . 2082.3.6.1 Servoantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2082.3.6.2 Direktantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2092.3.7 Kühlung und Bauformen . . . . . . . . . . 2122.3.8 Antriebsprojektierung . . . . . . . . . . . . 2132.3.9 EMV-Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . 2142.3.10 Kleinmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2162.3.11 Spezielle elektrische Aktoren . . . . . . . 2182.3.11.1 Piezoaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2182.3.11.2 Magnetostriktive Aktoren . . . . . . . . . 2182.3.11.3 Memory-Metall-Aktoren . . . . . . . . . . 2192.3.11.4 Kapazitive Mikroaktoren . . . . . . . . . . 219

2.4 CNC-Achsantriebssysteme . . . . . . . . 2202.4.1 Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2202.4.2 Art der Wegmessung . . . . . . . . . . . . . 2202.4.3 Antriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2222.4.4 Mechanische Übertragungsglieder . . 2232.4.5 Lageregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2252.4.6 SERCOS-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . 228

3 Sensoren 229

3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

3.2 Sensoren für Wege,

Winkel und Abstände . . . . . . . . . . . . . 2303.2.1 Sensorsignale durch

Widerstandsänderung . . . . . . . . . . . . 2303.2.2 Sensorsignale durch magnetische

Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2353.2.3 Sensorsignale mittels magnetischer

und elektrischer Felder . . . . . . . . . . . . 2363.2.4 Sensoren zur Füllstandsmessung . . . 2373.2.5 Optische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . 2383.2.6 Sensorsignale durch

Laufzeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . 2423.2.7 Näherungsempfindliche Schalter

(binäre Sensoren) . . . . . . . . . . . . . . . . 2443.2.8 Digitale Weg- und Winkelmessung . . 2453.2.8.1 Inkrementale Weg- und

Winkelmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2453.2.8.2 Absolute Weg- und Winkelmessung . 2493.2.8.3 Zyklisch analoge Weg- und

Winkelmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2503.2.8.4 Berührungsloses Messen mit

Autofocus-Systemen . . . . . . . . . . . . . 2513.3 Geschwindigkeitssensoren . . . . . . . . 2523.4 Sensoren für Dehnungen, Kräfte,

Drehmomente und Drücke . . . . . . . . 2533.5 Beschleunigungssensoren . . . . . . . . 2573.6 Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . 2583.7 Sensoren für elektrische Größen

(Messumformer) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2613.8 Sensoren zur Sicherheitstechnik . . . 2623.9 Störungen in Sensorleitungen . . . . . 265

4 Computergesteuerte Maschinen 267

4.1 CNC-Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . 2674.1.1 Der Produktionsprozess . . . . . . . . . . . 2674.1.2 NC-Achsen und deren Steuerung . . . 2704.1.3 CNC-Programmierung . . . . . . . . . . . . 2724.1.3.1 DIN-Programmierung . . . . . . . . . . . . 2724.1.3.2 Werkstattorientiertes

Produzieren (WOP) . . . . . . . . . . . . . . . 2824.1.4 Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2844.1.5 Leistungsfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 2864.1.6 Offene CNC-Steuerung . . . . . . . . . . . 288

Inhaltsverzeichnis 5


4.2 Additive Fertigungsverfahren/

3D-Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2894.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2894.2.2 AM-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2904.2.3 Die Informationskette und die

Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2924.3 Messen und Prüfen . . . . . . . . . . . . . . 2934.3.1 Koordinatenmessgeräte . . . . . . . . . . 2934.3.1.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . 2944.3.1.2 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2954.3.1.3 Messsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2954.3.1.4 Tastsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2964.3.1.5 Zusatzausstattungen . . . . . . . . . . . . . 2984.3.1.6 Steuerungen und Antriebe . . . . . . . . 2994.3.1.7 Messwertauswertung . . . . . . . . . . . . . 2994.3.1.8 Tastelementkalibrierung . . . . . . . . . . 3024.3.1.9 Durchführung eines Messauftrags . . 3024.3.2 Laser-Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3074.3.3 Optische Formerfassung . . . . . . . . . . 3084.3.4 Röntgen-Computer-Tomographie

(CT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

4.4 Robotertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 3114.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3114.4.2 Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3124.4.3 Kinematischer Aufbau . . . . . . . . . . . . 3134.4.4 Greifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3174.4.5 Roboterprogrammierung . . . . . . . . . 3184.4.6 Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . 3214.4.7 Die Bewegungserzeugung . . . . . . . . . 3254.4.8 Koordinatentransformation . . . . . . . . 3274.4.9 Interpolation und Betriebsarten . . . . 3284.4.10 Schleppabstand und

Bahngeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . 3304.4.11 Sensorführung von Robotern . . . . . . 3324.4.12 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . 339

4.5 Sicherheit von Maschinen und

Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

5 Montage 345

5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

5.2 Der Materialfluss . . . . . . . . . . . . . . . . 3465.2.1 Lagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3465.2.2 Puffern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3475.2.3 Bunkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3485.2.4 Magazinieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3495.2.5 Fördern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

5.3 Maschinelle Montage . . . . . . . . . . . . 3535.3.1 Montageautomaten . . . . . . . . . . . . . . 3535.3.2 Automatisiertes Fügen . . . . . . . . . . . . 354

6 Qualitätsüberwachung und

Prozesslenkung 358

6.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

6.2 Statistische Qualitätsüberwachung . 3596.2.1 Prüfdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3596.2.2 Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . 3606.2.3 Wahrscheinlichkeitsnetz . . . . . . . . . . . 3616.2.4 Auswertung einer Stichprobe . . . . . . 3616.2.5 Qualitätsregelkarten . . . . . . . . . . . . . . 3656.3 Maschinenfähigkeit und

Prozessfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 3676.4 Betriebsdatenerfassung (BDE) . . . . . 3706.4.1 Codeleser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3716.4.2 Mobile Datenspeicher . . . . . . . . . . . . 3726.4.3 Chipkarten, Chipmünzen, RFIDs . . . . 373

7 Informationstechnik 374

7.1 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . 3747.1.1 Programmiersprachen . . . . . . . . . . . . 3747.1.2 Software Engineering . . . . . . . . . . . . 3757.1.3 Qualität der Software . . . . . . . . . . . . . 3767.1.4 Sicherung gegen unberechtigte

Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3767.1.5 Betriebssystem Windows . . . . . . . . . 3777.1.6 Objektorientierte Programmierung

(OOP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3827.1.7 Algorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3827.1.8 Strukturierte Programmierung . . . . . 3837.1.9 Rechnerinterne Datendarstellung . . . 3847.1.10 Progammaufbau und

Progammkomponenten . . . . . . . . . . . 3877.1.11 Strukturierte Anweisungen . . . . . . . . 3897.1.12 Strukturierung mit Funktionen . . . . . 3917.1.13 Fallbeispiel: Steuerkurve . . . . . . . . . . 3927.1.14 Externe Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . 3987.1.15 Serielle Datenübertragung . . . . . . . . 4007.1.16 Grafische Programmierung . . . . . . . . 403

7.2 Steuern mit dem Computer . . . . . . . 4097.2.1 Aufbau der Systeme . . . . . . . . . . . . . 4097.2.2 Die Schnittstellenkarten . . . . . . . . . . . 4097.2.3 Verknüpfungssteuerung ohne

Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4127.2.4 Verknüpfungssteuerung

mit Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4137.2.5 Analogwerte einlesen . . . . . . . . . . . . 4137.2.6 Ansteuerung über OPC-Server . . . . . 415

7.3 Regelung mit PC und SPS . . . . . . . . . 4167.3.1 Hardware und Software . . . . . . . . . . . 4167.3.2 Grafische Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . 4177.3.3 Regelkreisglieder . . . . . . . . . . . . . . . . 4187.3.3.1 Proportionalglied ohne Verzögerung

(P-Glied) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4187.3.3.2 Integralglied (Û-Glied) . . . . . . . . . . . . 4197.3.3.3 Totzeitglied (Tt-Glied) . . . . . . . . . . . . . 4207.3.3.4 Proportionalglied mit Verzögerung

1. Ordnung (P-T1-Glied) . . . . . . . . . . . 421

6 Inhaltsverzeichnis


7.3.3.5 Proportionalglied mit Verzögerung2. Ordnung (P-T2-Glied)und Schwingungsglied . . . . . . . . . . . 422

7.3.4 Regelkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4237.3.4.1 P-Regelung und P-T1-Strecke . . . . . . . 4237.3.4.2 P-Regelung und P-T1-Strecke

(SPS-Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . 4247.3.4.3 I-Regelung und P-T1-Strecke . . . . . . . 4257.3.4.4 PI-Regelung einer P-T1-Strecke mit

Störgrößenaufschaltung (Beispiel) . . 4267.3.4.5 Optimierung der Reglerparameter . . 4277.3.4.6 P-Regler und P-T1-I-Strecke

(Lageregelung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4287.3.4.7 Lageregelung mit Totzeit . . . . . . . . . . 4307.3.4.8 Geschwindigkeitsvorsteuerung . . . . 4317.3.5 Fuzzy-Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4327.3.5.1 Grundlagen der Fuzzy-Technologie . 4327.3.5.2 Fuzzy-Regelung

einer Bandsägemaschine . . . . . . . . . 433

7.4 Programmiersprache Java . . . . . . . . . 4357.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4357.4.2 Erstellen einer Applikation . . . . . . . . 4367.4.3 HTML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4367.4.4 Erstellen von Grafiken . . . . . . . . . . . . 4387.4.5 Animationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4397.4.6 Multithreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4397.4.7 Java-Script . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

7.5 Visual Basic für Excel . . . . . . . . . . . . . 4417.5.1 Aufbau eines VBA-Programms . . . . . 4417.5.2 Aufruf von VBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4427.5.3 Erstellen von Funktionen . . . . . . . . . . 4437.5.4 Variable und Zugriff auf Zellen . . . . . 4447.5.5 Projekt: SPC-Maschinenregelung . . . 4467.5.6 Erstellen eines Formulars als

Unterprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . 4477.5.7 Kommunikation: Excel mit S7 . . . . . . 448

7.6 Relationale Datenbanken . . . . . . . . . 4497.6.1 Datenbankobjekte . . . . . . . . . . . . . . . . 4507.6.2 Entwerfen einer Datenbank . . . . . . . . 452

7.7 Bildverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 4557.7.1 Grauwertbildverarbeitung . . . . . . . . . 4557.7.2 Binärbildverarbeitung . . . . . . . . . . . . 4607.7.3 Farbbildverarbeitung und

Farbbildcodierung . . . . . . . . . . . . . . . 461

7.8 Virtuelle Umgebung . . . . . . . . . . . . . . 4637.8.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4637.8.2 Szenensteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . 4647.8.3 Augmented Reality, Mixed Reality . . 466

8 Kommunikationstechnik 467

8.1 Telefonie und

Internetkommunikation . . . . . . . . . . . 467

8.1.1 ISDN und DSL-Kommunikation . . . . . 4678.1.2 IP-Telefonie und

DSL-Kommunikation . . . . . . . . . . . . . 467

8.2 ADSL/DSL und PLC . . . . . . . . . . . . . . 4688.2.1 ADSL/DSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4688.2.2 PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

8.3 Internet und Intranet . . . . . . . . . . . . . 470

8.4 Telematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

8.5 Lokale Kommunikationstechnik . . . . 4748.5.1 Ethernet-LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4768.5.1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4768.5.1.2 Peer-to-peer-Netzwerke . . . . . . . . . . . 4798.5.1.3 Client-Server-Netzwerke . . . . . . . . . . 4798.5.1.4 Peer-to-peer-Netzwerk mit zwei PCs . 4808.5.1.5 Erweiterung zu einem

Client-Server-Netzwerk . . . . . . . . . . . 483

8.6 Feldbus-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 4858.6.1 CAN-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4858.6.2 Aktor-Sensor-Interface (AS-i) . . . . . . . 4878.6.3 PROFIBUS, PROFIBUS-DP . . . . . . . . . 4898.6.4 PROFINET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4928.6.5 PROFIsafe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493

7.7 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4957.7.1 Serielle Schnittstelle V.24 . . . . . . . . . . 4967.7.2 Serielle Schnittstelle RS 485 . . . . . . . 4987.7.3 Wireless LAN (WLAN) in der

Automatisierungstechnik . . . . . . . . . . 499

9 Aufgaben und Übungen 501

9.1 Aufgaben und Übungen zur Pneumatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

9.2 Aufgaben und Übungenzur Hydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506

9.3 Aufgaben und Übungenzu GRAFCET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

9.4 Aufgaben und Übungen zur SPS . . . 509

9.5 Aufgaben und Übungenzur Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . 522

9.6 Aufgaben und Übungenzum Programmieren . . . . . . . . . . . . . 526

9.7 Aufgaben und Übungenzur Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 529

9.8 Aufgaben und Übungen zu CNC . . . . 531

Fachwörterbuch: Deutsch – Englisch,

Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

Inhaltsverzeichnis 7


Roboter als Spielzeuge

© Honda Motor Europe GmbH

Roboter als Helfer in der Kantine

Kooperierende Roboter

Roboter im Film „Der 200-Jahre-Mann“

Automaten und Roboter

Automaten für schwere Arbeit, für Spiele,für Expeditionen, für den Weltraum, zumDenken und zum Fühlen – die Visionen sindseit Menschheitsgedenken vielfältig. Warenes zunächst mechanische Automaten fürKultstätten (Seite 9), so bekamen in derNeuzeit die Geräte auch oft ein mensch -liches Antlitz, z. B. in Form von Spielauto-maten.

Mit dem Schauspiel R.U.R. (Rossum’s Universal Robots) schuf 1920 Karel Capekden Begriff des Roboters und der Robo -terin. Die Roboter sind hier menschen -ähnliche Wesen, mit starrem Blick und geschaffen als billige Arbeitskräfte zum Einsatz in der Serienproduktion.

„Sie erinnern sich an alles, denken abernichts Neues. Sie haben keine Seele undkeine Gefühle“, so steht es in der Regie -anweisung.

Industrieroboter (Seite 311) sind in diesemSinne Realität geworden und verrichten,meist als einarmige Gebilde, schwere Arbeit. Sie sind in der Produktion als Mittelzur Automatisierung nicht mehr wegzu -denken. Es sind Bewegungsmaschinen, diemit künstlicher Intelligenz (KI) und mit unterschiedlichster Sensorik ausgestattetsind. So können sie auch sehen, hören undfühlen. Sie sind auch kooperativ, d. h., siearbeiten zusammen, z. B. während der eineRoboter das Bauteil hält, wird es vom anderen Roboter bearbeitet.

Man setzt Roboter auch ein, wenn die Umwelt für den Menschen gefährlich oderfeindlich ist, z. B. bei Expeditionen im Weltall (Seite 312) und beim Aufspüren von Minen. Es gibt Roboter für viele Anwen -dungen, z. B. zum Ballspielen, zum Sauber-machen, zum Fensterputzen oder zum Rasenmähen.

In der Kunst, in der Literatur, in Filmen undnatürlich auch in Videospielen begegnenwir häufig einer Roboter-Fiktion, den Androiden, also künstlichen Menschen. Siebeflügeln unsere Fantasie.


1.1 Einführung

1.1.1 Automatisierung und Automaten

Die Automatisierung ermöglicht eine weitgehendselbsttätige, nämlich automatische Wirkung, alsoohne den ständig steuernden Eingriff des Men-schen.

Die Automatisierungstechnik hat ihren Ursprungschon in vorchristlicher Zeit als sich z. B. mit demEntzünden eines Altarfeuers die Tempeltüren auto-matisch öffneten (Bild 1).

Heron von Alexandrien entwickelte um 100 v. Chr. einen Automaten (Bild 1) zum selbsttätigen öffnen undschließen von Tempeltüren.

Er soll so funktioniert haben: Durch das Tempelfeuer er-wärmte sich die Luft in einem geschlossenen Behältnis.Über einen Druckbehälter wurde Wasser in ein zweitesGefäß gedrückt, das auf Grund der Schwerkraft sichsenkte und dabei die Tempeltüren öffnete. Bei zurück-gehender Temperatur strömte durch die wassergefülltekommunizierende Röhre das Wasser zurück und dieTüren haben sich wieder geschlossen.

Bis zum Anfang des letzten Jahrhunderts warendie Automaten mechanische Geräte. Beispiele sindMusikautomaten. Die Steuerungsinformation istmechanisch auf Steuerwalzen oder Lochbänderngespeichert. Die moderne Form der Steuerwalzenoder der Lochbänder sind die CD-ROMs. Hier gibtes mikroskopisch feine Erhebungen (lands) undVertiefungen (pits) in denen die Schaltinformationgespeichert ist (Bild 2).

Elektrische Antriebe und Elektronik ermöglicht eineFertigungsautomatisierung mit weitgehend auto -matisch arbeitenden Maschinen. Die Arbeitsvor-gänge sind programmiert und werden Schritt fürSchritt ausgeführt. Mit hoher Perfektion wird diesin der Automobilindustrie gemacht (Bild 3).

Die Werkstücke, z. B. Motorblöcke oder Karosserienkommen über ein Transportband in die Arbeits -stationen, werden identifiziert und entsprechenddem Kundenwunsch und der Typklasse bearbeitetoder montiert. Die Fertigung ist weitestgehend au-tomatisiert. Der Durchlauf von der „Geburt“ einesAutos bis zu seiner Auslieferung dauert nur einigeStunden. Die eigentlichen Fertigungsprozesse, wiez. B. das Herstellen der Blechteile, das Fertigen des Motorblocks und der Getriebe erfolgt mit automa-tisierten Maschinen und Robotern. Auch die Mon-tage wird zunehmend mit Robotern oder Spe -zialmaschinen gemacht.

1.1 Einführung 9

1 Grundlagen der Automatisierungstechnik

Bild 1: Automatisches Schließen und Öffnen von

Tempeltüren, etwa 100 v. Chr.

Tempelfeuer

Hohlraummit Überdruckbei Befeuerung Altar

WasserWasser

Gewicht

kommunizierende Röhre

Tempeltür

Bild 2: CD-ROM

CD-ROMAusschnittaus der CD-ROM

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Laserstrahlzur Abtastung

der Seite 1

Laserstrahlzur Abtastungder Seite 2

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Bild 3: Automatisierung mit Robotern

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Kap 1 (009-052) 2015_ Kap 1 (009-030) 2009 16.07.15 08:45 Seite 9

1.1.2 Entwicklungsphasen industrieller

Technik

Erste industrielle Revolution

Die erste industrielle Revolution begann um 1800

mit der Mechanisierung der Produktion mitDampfkraft (Bild 1). Die Muskelkraft der Menschenund Tiere sowie in Teilen die Wasserkraft wurdedurch Dampfmaschinen ersetzt. Zum Ende des 18.Jahrhunderts kamen als Antriebsaggregate Elek-tromotoren und Verbrennungsmotoren hinzu. Esentwickelten sich aus den bisherigen Manufak -turen Fabriken. Man begann serienidentischeTeile herzustellen.

Zweite industrielle Revolution

Mit der zweiten industriellen Revolution kam dieMassenproduktion und zwar vor allem mit Hilfeelektrischen angetriebener Maschinen. So wurdenmit Beginn des 20. Jahrhunderts neben Waffenauch Kraftfahrzeuge und Haushaltsgeräte ingrößeren Mengen produziert (Bild 2).

Dritte industrielle Revolution

Die dritte industrielle Revolution begann um 1970

mit der Verwendung von Transistoren und Diodenzur digitalen Datenverarbeitung in Maschinen-steuerungen. Man begann Maschinen numerisch(digital) zu steuern. Es entstand die numerischeSteuerung (Numerical Control, NC).Die NC-Maschine (Bild 3) verdrängte Zug um Zughandgesteuerte und mechanisch automatisierteMaschinen. Der wirkliche Durchbruch kam mit derEntwicklung der integrierten Schaltkreise und Mikroprozessoren und deren Integration in Maschinensteuerungen und in Produkte, z. B. alsMikrorechner und als speicherprogrammierteSteuerungen (SPS).

Eingeführt sind seither die CAx-Systeme:

● CAD-Systeme (Design) für das Zeichnen undKonstruieren (Bild 4),

● CAM-Systeme (Manufacturing) für den Herstel-lungsprozess,

● CAQ-Systeme (Quality-Assurance) für die Qua-litätsprüfung und

● CIM (Computerintegrierte Fertigung) für die Gesamtheit der Produktionskette.

10 1 Grundlagen der Automatisierungstechnik

Bild 1: Der Schmiedehammer, Gemälde von

Friedrich von Keller (1887)

Bild 2: Der 10.000 Opel läuft vom Band (1931)

© bpk

Bild 4: 2D-CAD-System (1998)1 engl. smart = geschickt

Bild 3: NC-Steuerung mit Lochstreifeneingabe (1970)

© Siemens

Kap 1 (009-052) 2015_ Kap 1 (009-030) 2009 16.07.15 08:45 Seite 10

1.1 Einführung 11

Systeme der Automatisierung

Die Integration von Computern in die Fertigung(Computer Integrated Manufacturing, CIM) hat ei-nen Wandlungsprozess in den Fabriken eingeleitet.Die Informationsspeicherung, die Informationsver-arbeitung und die Informationsbereitstellung mitDatenbanken haben mit der 3. Industriellen Revo-lution einen ungeheuren Aufschwung erlebt. WarCAD anfangs nur unterstützend (aided) für dasZeichnungswesen, so ist es zu einem Element geworden, das Teile einer Konstruktion auch auto-matisiert gestaltet, z.B. indem natürliche Wachs -tumspro zesse nachbildet werden (Bionik) und dabei das Bauteil, abhängig von seinen Belastun-gen, „wachsen lässt“ (Bild 1). Die Herstellung derProdukte geschieht mit Hilfe computergesteuerterMaschinen CAM (Computer Aided Manufacturing).Zur Sicherung der Fertigungsqualität werden com-putergesteuerte Prüfmittel eingesetzt (CAQ).

PPS und Automatisierung der Geschäftsprozesse

Damit dies alles „reibungslos“, d. h. ohne Störun-gen abläuft, benötigt man eine ausgeklügelte Organisation. Man sagt dazu Logistik1. Bewältigtwird dies mit einer Computerunterstützung inForm von Produktionsplanungs- und -steuerungs-

Systemen (PPS).

Bauteilentwicklung. Durch Simulation können Pro-dukte in allen Phasen, von der Entstehung über dieProduktion bis hin zur Nutzung und Verschrottunggetestet werden bevor sie wirklich in Produktiongehen. Notwendig ist eine datentechnische Aufbe-reitung eines solchen Produktlebenszyklusses.Man spricht von Produkt-Daten-Management

(PDM).

Bild 1: Automatisierte Bauteilentwicklung

Aufgabenstellung

Gestaltfindung

Bauteilkonstruktion

Kräfte

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Bild 2: Produkt-Daten-Management

Digital Mock up,Montage

Vertrieb

Vermarktung

Service,Tele-Service

Design,Konstruktion

Berechnung,Bauteilsimulation

virtuelle Produktion,Fertigung

Kalkulation

Produkt-Daten-ModellPDM

Bild 3: Produktdatenmodell

Basisdaten„Kipphebel“Länge, GewichtFunktion

Daten zu denFertigungs-verfahren

Daten fürWerkzeuge

Daten derWerkstoffeundLieferanten

Berechnungder Kosten

Daten für dieOberflächen-behandlung

Berechnung vonFestigkeiten,Verformungen(statisch/dynamisch)

Ein-/Ausbau-simulation,Bauraum-simulation(Digital Mock Up)

Daten fürTransport der• Rohteile• Rohstoffe• Fertigteile• Werkzeuge ...

1 griech. logistike = Rechenkunst, hier: „berechneter organisato -rischer Ablauf;

2 griech. tele = fern, weit3 lat. virtus = der Möglichkeit nach, hier: mit Hilfe des Computers

bildlich dargestellt

Die Lebenszeit eines Produktes wird von seiner Entste-hung bis zu seiner Entsorgung durch das PDM beglei-tet (Bild 2).

Das Produktdatenmodell beschreibt das Produkt durchDateien für:● die Geometrie insgesamt und die der Einzel teile

(Bild 3),

● die Stücklisten,● die Fertigungsvorgänge mit NC-Daten und Roboter -

programmen,● die Werkstoffe und Prüfprogrammen,● die Montagevorgänge.

Die Geschäftsprozesse der Unternehmen, das sinddie Aufgaben, welche Unternehmen wahrnehmen,werden mit dem Produkt-Daten-Management sostrukturiert, dass der gesamte Produklebenszyklusdurch die betriebliche Informationstechnik beglei-tet wird.

Kap 1 (009-052) 2015_ Kap 1 (009-030) 2009 16.07.15 08:45 Seite 11


Bild 1: Web-Standorte um 1995 in Deutschland

Kiel

LübeckWismar

Schwerin

BerlinBrandenburgBrandenburg

Frankfurt/Oder

CottbusWittenbergWernigerode

MagdeburgMagdeburg

BraunschweigBraunschweigHannover

HildesheimClausthal

PaderbornPaderbornBielefeldMünster

BochumEssen

Düssel-dorf

WuppertalSiegen

Kassel

MarburgGießen

Fulda

FrankfurtKoblenzKoblenz

WiesbadenWiesbaden

MainzTrier

Worms

K`lautern

Stuttgart

HeilbronnHeilbronnHeidelbergHeidelberg

KarlsruheKarlsruhe

Offenburg

Tübingen Ulm

RavensburgFreiburg

Lörrach

AugsburgMünchen

Passau

Ingolstadt

Nürnberg/Erlangen

Bayreuth

Regensburg

Garmisch-PartenkirchenKonstanzKonstanz

ReutlingenReutlingen

MannheimMannheim

DarmstadtDarmstadtSchweinfurt

Würzburg

Bamberg

CoburgCoburg

IlmenauJena

WeimarErfurt

GöttingenGöttingenMerseburgMerseburg

Halle

SaarbrückenSaarbrücken

HagenDortmund

AachenKöln/Bonn

OldenburgHamburgHamburg

LüneburgBremen

Meppen

OsnabrückOsnabrück

Emden

GörlitzZittauDresden

FreibergLeipzig

ChemnitzChemnitz

Zwickau

PotsdamPotsdam

Rostock Greifs-wald

Bild 3: Steuern einer Solaranlage mit Smartphone

Bild 2: Internetnutzer, weltweit

1995

0,51

1,5

2

2,5

3

3,5

2000 2005 2010 2015Jahr

Inte

rnet

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tzer

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t) in

Mrd

.

Quelle: internetworldstats.com

Vierte industrielle Revolution

Die vierte industrielle Revolution ist seit etwa demJahr 2000 geprägt durch die Allgegenwart desInternets.

Das Internet1, wurde beginnend ab 1980 als Platt-form zum Datenaustausch unter den Großrech-nern der Universitäten und Forschungsinstituteeingeführt. Noch waren 1995 die Standorte deutscher Web-Server (Bild 1) recht überschaubar.Nun ist das Internet bei jedermann angekommen,in alle Bereiche der Gesellschaft vorgedrungen(Bild 2) und lebensbestimmend geworden. Esdient nicht mehr nur zur bloßen Übermittlung vonInformation sondern wurde maßgeblicher Bestandteil zur Steuerung und Regelung von Vor-gängen aller Art.

Ein großflächiger und ein länger anhaltender

Ausfall des Internets wäre eine große, lebens -

bedrohende Katastrophe.

Die Integration internetfähiger bzw. kommunika -tionsfähiger Elektronik in die Dinge des Alltags,z. B. in Mobiltelefone, in Kameras, in Fahrzeugeund in Maschinen und Anlagen ermöglicht eine allumfassende Information und das Ingangsetzenselbsttätig entfernt ablaufender Prozesse (Bild 3).

Die Vernetzung von physikalisch-technischen Systemen mit virtuellen, nämlich programmiertenProzessen wird zum „Internet der Dinge und Dienste“ und kennzeichnet die vierte industrielleRevolution. Mit Industrie 4.0 wird die vierte indus -trielle Revolution, nämlich die totale digitale Ver-netzung der Maschinen, Anlagen und Produkte sowie der zugehörigen Dienste eingeleitet.

Mit Hilfe des Internets werden

● Bankgeschäfte abgewickelt,● Steuererklärungen gemacht,● telefoniert,● Waren geordert und zum Kunden gelenkt,● Produktionsprozesse angestoßen, gesteuert und

überwacht.

Gefahren gibt es durch Fehler oder Sabotage in denNetzwerken: Durch Ausfall oder Fehlschaltungen vonVerbindungen und von Servern für die Kommunikati-on, die Produktion, die Logistik, die Energieübertra-gung, die Bankgeschäfte usw.Gefahren gibt es durch Spionagesysteme und mal -

ware 2 (Schadprogramme) welche darauf ausgerichtetsind Zerstörungen anzurichten und Unheil zu bringen.

1 Internet von engl. internetwork = Zwischennetzwerk, miteinan-der verbundene Netze

2 engl. malware, Kunstwort aus engl. malicious = bösartig undsoftware

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1.1 Einführung 13

Bild 1: Embedded Systems zur Automatisierung

Bild 2: CPS in der Automatisierung

HierarchischeAutomatisierungsstruktur

Fabrikleitebene

Betriebs-leitebene

Prozess-leitebene

Steuerungs-ebene

Feldebene Feldebene

Reale Welt

Virtueller Raum(Cyberspace)

Cyber-PhysischeAutomatisierung

1.1.3 Industrie 4.0

Industrie 4.0 ist ein Zukunftsprojekt der deutschenBundesregierung mit dem die informationstechni-sche Vernetzung insbesondere der Produktions-technik vorangetrieben werden soll.

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

18.08.2014 (Zitat): Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0zielt darauf ab, die deutsche Industrie in die Lage zuversetzen, für die Zukunft der Produktion gerüstet zusein. Industrieproduktion wird gekennzeichnet seindurch starke Individualisierung der Produkte unter denBedingungen einer hoch flexibilisierten (Großserien-)Produktion, die weitgehende Integration von Kundenund Geschäftspartnern in Geschäfts- und Wertschöp-fungsprozesse und die Verkopplung von Produktionund hochwertige Dienstleitungen.Die Wirtschaft steht an der Schwelle zur vierten indus -triellen Revolution. Durch das Internet getrieben, wach-sen reale und virtuelle Welt immer weiter zu einem Internet der Dinge zusammen. Die Kennzeichen derzukünftigen Form der Industrieproduktion sind die starke Individualisierung der Produkte unter den Bedingungen einer hoch flexibilisierten (Großserien-)Produktion, die weitgehende Integration von Kundenund Geschäftspartnern in Geschäfts- und Wertschöp-fungsprozesse und die Verkopplung von Produktionund hochwertigen Dienstleitungen, die in so genann-ten hybriden Produkten mündet. Die deutsche Industriehat jetzt die Chance, die vierte industrielle Revolutionaktiv mitzugestalten. Mit dem Zukunftsprojekt Industrie4.0 wollen wir diesen Prozess unterstützen.

Neuere technische Produkte, z. B. Fahrzeuge, TV-Geräte, Steller für Antriebe, Telefone u.v.m. sindzunehmend als „embedded systems“, konzipiert.

Eine zunehmende Bedeutung haben die Cyber-

Physical-Systems2 (CPS). Sie möglichen durch eine angehängte Kommunikationstechnik die Vernetzung von eingebetteten Systemen unterein-ander und mit dem Internet. Dabei wird die früherehierarchische und lokal konzentrierte Struktur auf-gelöst (Bild 2).

Ziel von Industrie 4.0 sind intelligente (smarte1) Fabri-ken. Diese zeichnen sich aus durch:

● Wandlungsfähigkeit,● Ressourceneffizienz,● Ergonomie und● Kundenorientierung.

Embedded Systems sind Produkte mit integrierten(eingebetteten) Computern bzw. Mikrocomputern oderMikroprozessoren zum Zweck der Steuerung, Rege-lung, Visualisierung bzw. allgemein zur Automatisie-rung.

1 engl. smart = geschickt, klug2 cyber, altgriechische Vorsilbe für Steuerung… (des Seemanns)

– ursprünglich die Steuerkunst des Seefahrers. Davon abgeleitetist die Wissenschaft der Kybernetik = Regelungstechnik, Steue-rungstechnik und Sensortechnik, heute meist in Verbindung mitMikrocomputern, Mikroschaltkreisen und Mikromechanik.

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1.1.4 Cyber-Physische-Systeme (CPS)

CPS sind die technologische Grundlage für Industrie 4.0. Die besondere Eigenschaft der CPSist, dass CPS als smart d. h. geschickt und intelli-gent empfunden werden. So leiten sich daraus unmittelbar Produktnamen ab, wie z. B. Smart -phone oder Smart-TV für internetfähige Mobil -telefone bzw. Fernsehgeräte.

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

18.08.2014 (Zitat):

Beim Thema „Smart Factory“ liegen die Schwerpunkteauf intelligenten Produktionssystemen und -verfahrensowie auf der Realisierung verteilter und vernetzterProduktionsstätten.

Unter der Überschrift „Smart Production“ werden unter anderem die unternehmensübergreifende Pro-duktionslogistik, die Mensch-Maschine-Interaktion und3D in industriellen Anwendungen (Bild 5) noch stärkerin den Blick genommen.


Bild 1: Smart Mobility

Fabriken

Windkraft-werke

Solarmodule Netzbetreiber

IKT

Großkraftwerk

Bild 2: Smart Healthcare

Patienten-zimmer

Krankenhaus

Labor

IKT

Bild 3: Smart Grid

Personen

Bahn

Bus

Schiff

Waren

Lkw

Pkw Taxi

IKT

Bild 4: Smart Factory

Halbzeuge

Fertigwaren

FabrikIKT

Bild 5: Virtuelles Prüfen in einer 3D-Umgebung

Die Entwicklungen der Cyber-Physische Systeme beschränken sich nicht nur auf Einzelprodukte sonderngelten auch für Großsysteme wie z. B.:

● Smart Mobility: Optimierte Nutzung der Mobilitäts-angebote, z.B. der Kraftfahrzeuge durch den Einsatzvon IKT (Informations- und Kommunikationstech-nik), für eine energieeffiziente, emis sionsarme, sichere, und kostengünstige Mobilität (Bild 1).

● Smart Healthcare: Mittels IKT werden Patientendurch Ärzte und medizinische Dienstleister optimalversorgt: Lückenloses Monitoring (Beobachten undAufzeichnen). Im Notfall können Hilfen auch selbst-tätig koordiniert veranlasst werden (Bild 2).

● Smart Grid: Intelligente Vernetzung von Stromer-zeugern, Stromspeichern und Stromverbrauchernmithilfe von IKT, sodass das Energieangebot stetsdie Nachfrage umweltschonend befriedigen kann(Bild 3).

● Smart Factory: Mit IKT vernetzte Unternehmen,Maschinen, Anlagen, Zulieferer und Logistiker, umauf Kundenwünsche schnell und flexibel reagierenzu können (Bild 4).

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1.1 Einführung 15

Bereich der Wissenschaft und Forschung tätig werden können. Die Automatisierung ermöglichtferner eine Gestaltung der Arbeitsplätze, die weit-gehend frei sind von schweren Arbeitsbelastun-gen.

Die Muskelkraft wird durch Motoren ersetzt unddie Steuerungsaufgaben, die für den Menschenbesonders durch Stress belastend sind, werdenvon automatisch arbeitenden elektronischenSteuerungen wahrgenommen.

Automatisierungskomponenten

Die Fertigungsautomatisierung ermöglicht eineweitgehend selbsttätige, nämlich automatischeFertigung, also ohne den ständig steuernden Ein-griff des Menschen.

Der Automatisierungsgrad ist um so größer je we-niger der Mensch in den Fertigungsprozess ein-greifen muss. Die vollautomatisierte Werkzeugma-schine führt sowohl alle Arbeitsschritte hinsichtlichdes räumlichen Bewegungsvorganges als auchhinsichtlich ihrer Ablauffolge selbsttätig aus. DerMensch ist hauptsächlich überwachend tätig. BeiTeilautomaten werden Teilaufgaben, wie z. B. dasEinspannen von Werkstücken, von Hand ausge-führt.

Die Vorteile der Automatisierung sind: Senkung der

Kosten, Erhöhung der Qualität und Humanisierung der

Arbeit.

Die Komponenten (Bild 1) der Fertigungsautomatisie-rung sind:● Steuerungen, häufig in Form von Computern zur

Steuerung des Fertigungsprozesses mit Bedienfeldund Anschluss zu übergeordneten Automatisie-rungssystemen.

● Antriebe (Aktoren) zur Bewegung von Werkstückenund Werkzeugen.

● Sensoren zur ständigen Kontrolle des Fertigungs-prozesses und zur Signalgebung für den Ferti-gungsablauf.

● Software-Bausteine zur Steuerung, Regelung undSimulation des Fertigungsprozesses.

● Telekommunikations-Systeme zur Informa -tionsübertragung, zur Fernsteuerung, zur Fernwar-tung und zur Fernbeobachtung.

Bild 1: Komponenten der Fertigungsautomatisierung

Steuerungen Computer Aktoren Sensoren

Scheibenläufermotor Inkrementalgeber

TachogeneratorSteuerung

Programmiergerät

© Hübner Elektromaschinen AG

Unseren heutigen hohen Lebensstandard, mit dergleichfalls hohen Lebenserwartung, verdanken wirim wesentlichen der Automatisierung in der Ferti-gung. Durch die Automatisierung der Fertigungkönnen mehr Waren bei geringer werdendem Zeit-aufwand produziert werden, sodass mehr Men-schen im Bereich der Dienstleistungsaufgaben, im

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0

0 13 2 4 10 4 9

1 0 1

0 0 0 1

0 0

1 0

0 1

0 0

1 0

1 0

0 1

0 0

1 0

0 1

Ausgang

Zeit

Zeit

1 0 1 1 10 0

1.2 SteuerungstechnikEine Steuerung erzeugt aufgrund von Eingangs-signalen und aufgrund seiner inneren Gesetz-mäßigkeit, z. B. einer Schaltung oder eines Pro-gramms, Ausgangs signale für die Aktoren, für dasAnzeigefeld und für andere Steuerungen.

Die innere Gesetzmäßigkeit bestimmt die Aus-gangssignale in Abhängigkeit von der Informationder Eingangssignale und in Abhängigkeit von dembisherigen Prozessgeschehen. Demnach enthaltenSteuerungen Bausteine oder Funktionen zur Ent-schlüsselung und Bewertung von Eingangs -signalen und Speicher (Gedächtnisse, Merker) fürvorangegangene Ereignisse (Bild 1).

1.2.1 Steuerungsarten

Nach Art der Signalverarbeitung unterschei-det man zwischen analogen Steuerungen, binä-

ren Steuerungen und digitalen Steuerungen (Ta-

belle 1).

Analoge Steuerungen

Bei analog arbeitenden Steuerungen werden dieAusgangssignale mit Hilfe eines analogen Signal-

umformers gebildet, z. B. wird die Vorschubbewe-gung für ein Werkzeug über eine Kurvenscheibe

(Bild 2) gesteuert. Das Eingangssignal ist der Dreh-winkel der Kurvenscheibe. Die Kurvenscheibe wirdz. B. mit einem langsam laufenden Motor gleich-mäßig gedreht. Ausgangsgröße ist die Vorschub-bewegung des Werkzeugs, entsprechend der Stei-gung der Kurvenscheibe.

Analoge Steuerungen werden immer weniger zur Au-tomatisierung der Fertigung eingesetzt, da die Verän-derung der inneren Gesetzmäßigkeit nur durch Aus-tausch von Bauelementen, z. B. Kurvenscheiben,vorgenommen werden kann und somit teuer und zeit-aufwendig ist.


Bild 1: Struktur einer Steuerung

innere Gesetzmäßigkeitmit Funktionen zur

• Entschlüsselung• Bewertung• SpeicherungE

ing

ang

ssig

nal

e

Steuerung

Au

sgan

gss

ign

ale

Bild 2: Analoge Steuerung

Maschinentisch

Kurvenscheibe

Bild 3: Binäre Steuerung eines Vorschubantriebs für

eine Schleifmaschine

nach rechts nach links

Nocken 2 Nocken 1

Motor

L+ L–

Tabelle 1: Steuerungsarten

Art Signaldarstellung Beispiele

Analoge Steuerung mitSteuerung Kurvenscheibe

Binäre Steuerung mitSteuerung Schaltern und

Relais

Digitale Winkel-Steuerung codierer

Binäre Steuerungen

Binäre Steuerungen arbeiten mit Binärsignalen.Binärsignale sind zweiwertige Signale, also Schalt-signale mit den Eigenschaften EIN/AUS bzw. ma-thematisch ausgedrückt mit den Werten 1 und 0.

Beispiel: Der Vorschubtisch einer Schleifmaschine sollständig hin- und herfahren (Bild 3). Über einen Um-schalter kann durch eine positive Motorspannung derTisch nach rechts gesteuert werden. Trifft der am Tischbefestigte Nocken 1 auf den Umschalter, wird der Tischüber die negative Motorspannung nach links bewegt,bis der Nocken 2 wieder auf die Gegenbewegung um-schaltet.

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1.2 Steuerungstechnik 17

Werden aus der Kombination mehrerer Eingangs-signale die Steuerungssignale erzeugt, so sprichtman von kombinatorischen Steuerungen oder vonVerknüpfungssteuerungen.

Beispiel für eine kombinatorische Steuerung

Voraussetzung für das Zünden des Schweißbrenners ineiner Roboterarbeitszelle ist, dass die Zellentüre ge-schlossen ist, dass die Kühlwasserpumpe läuft, dassder Roboter „betriebsbereit“ meldet und dass dieÜberwachung für den Drahtvorschub keine Störungmeldet. Erst die vollständige Kombination dieser ein-zelnen Bedingungen führt zur Zündfreigabe (Bild 1).

Häufig ist ein schrittweiser Ablauf zu steuern.Dann wird abhängig von dem vorhergehendenSchritt und nach Erfüllung von Weiterschaltbedin-

gungen der Folgeschritt ausgelöst. Man sprichtvon Ablaufsteuerungen. Hängen die Weiterschalt-bedingungen nur von der Zeit ab, heißen dieseSteuerungen zeitgeführte Ablaufsteuerungen. Soist z. B. die Steuerung für das langsame Hochlau-fen großer Motoren zeitgeführt, wenn abhängigvon einer Zeitschaltuhr (Bild 2) die Motorspan-nung schrittweise erhöht wird. Erfolgt die Steue-rung der Motorspannung jedoch abhängig von derjeweils erreichten und gemessenen Drehzahl, sospricht man von einer prozessabhängigen Ablauf-

steuerung (Bild 3).

Digitale Steuerungen

In digitalen Steuerungen erfolgt die Signalverar-beitung vorwiegend mit Zahlen. So gehören allenumerischen Werkzeugmaschinensteuerungen zuden digitalen Steuerungen (Bild 4). Die Verschlüs-selung der Zahlen und das Verarbeiten der Zahlenerfolgt meist in Form binärer Codes mit Mikropro-

zessoren und Computern.

Bild 4: Digital gesteuerter Vorschubantrieb

Schrittimpuls

Schritt-motor

digitaleSteuerung

vorwärts rückwärts

Weg

Bild 3: Prozessabhängige Ablaufsteuerung

Transitionen(Weiterschaltbe-dingungen)

Schritte Aktionen

Motor AUS

Drehzahln = 500 min–1

erreicht

Motor EIN

Motorin Betrieb mit 230 VS4

Motoranfahren mit 100 VS3

Motoranfahren mit 50 VS2

MotorbetriebsbereitS1

Schritt 1 zurück zum Grundschritt

T4

T1

T2

T3

T4

Drehzahln = 1000 min–1

erreicht

Initialschritt (Grundschritt)

Bild 2: Zeitgeführte Ablaufsteuerung

Transitionen(Weiterschaltbe-dingungen)

Schritte Aktionen

Motor AUS

Wartezeitt2 abgelaufen

Wartezeitt1 abgelaufen

Motor EIN

Motorin Betrieb mit 230 VS4

Motoranfahren mit 100 V

Wartezeit t2 = 3 s

S3

Motoranfahren mit 50 V

Wartezeit t1 = 2 s

S2

MotorbetriebsbereitS1

S1

T4

T1

T2

T3

T4

Bild 1: Kombinatorische Steuerung

&

Zellentüre geschlossen

Störung

Roboter betriebsbereit

&Negation keine Störung

Kühlwasserpumpe EIN

UND-Verknüpfung

Zünden desSchweiß-brenners

In digitalen Steuerungen erfolgt die Signalverarbei-tung mit Zahlen.

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Codierungen in digitalen Steuerungen

Der meistbenützte Code ist der Dualcode (BCN vonBinary Coded Natural = natürlicher Binär code). DerDualcode ist ein Zahlencode mit der Basis B = 2.Alle Zahlenwerte können durch eine Folge mit Ziffern 1 und 0 ausgedrückt werden, wobei derStellenwert der 1-Ziffern Potenzen von 2 entsprichtund zwar links vom Komma 20, 21, 22 … und rechtsvom Komma 2–1, 2–2, 2–3 … Wenn eine solche 2er-Potenz berücksichtigt wird, schreibt man in die je-weilige Stelle eine 1 sonst eine 0. Diese Ziffernnennt man Binärziffern (binary digit) oder ab-gekürzt Bit (Mehrzahl: Bits).

Beispiel: Bestimmen Sie die zur Dualzahl 1101,01gleichwertige Dezimalzahl!

Lösung:1101,01 ≠ 1 · 23 + 1 · 22 + 0 · 21 + 1 · 20 + 0 · 2–1 + 1 · 2–2

= 8 + 4 + 1 + 0,25= 13,25

Das Rechnen mit Dualzahlen geschieht ähnlich wieim Dezimalzahlensystem (Tabelle 1).

Mit 4 Bits kann man 24 = 16 verschiedene Zeichendarstellen, z. B. die Zahlen 0 bis 15. Will man posi-tive und negative Zahlen darstellen, dann benötigtman ein weiteres Bit. Die Darstellung negativerZahlen geschieht durch Komplementbildung. DieZahlen in der linken Hälfte des Zahlenrings (Bild 1)

sind die negativen Zahlen.

Neben dem Dualcode gibt es eine Vielzahl weitererCodierungen. Im Gray-Code1 wechselt von einerZiffer zur nächsten immer nur 1 Bit (Tabelle 2). DerGray-Code ist daher gut geeignet zur Zahlendar-stellung auf Codelinealen und Codescheiben.

Will man Dezimalzahlen direkt binär darstellen,dann verschlüsselt man jede einzelne Ziffer durcheinen BCD-Code (binary coded decimal = binäreDezimalverschlüsselung). Man benötigt für jedeZiffer einer Dezimalzahl eine binäre Zahl mit min-destens 4 Bits.

Bei der 8-4-2-1-Codierung (Tabelle 2) wird jede Dezimalziffer durch die entsprechende Dualzahlausgedrückt. Es gibt eine Vielzahl von BCD-Codes.Beim 2-aus-5-Code (Tabelle 2) müssen z. B. immer2 Bits mit dem Wert 1 vorhanden sein. Codes diemehr Bits für eine Verschlüsselung verwendenals notwendig sind heißen weitschweifig (redun-dant).

Man kann mit n Bits 2n Zeichen darstellen.

6 · 5 = 30110 · 101110000

110

11110 ≠ 30

Beispiele:6 + 5 = 11

110+ 101

1011 ≠ 11

11 – 5 = 61011

– 1 101

110 ≠ 6


Bild 1: Zahlenring für 4-Bit-Zahlendarstellung

00000

0

00001

00010

00011

00

10

00

0 10 1

0 0 1 1 0

0 0 1 1 1

0 1 0 0 0

0 1 0 0 10 1 0 1 0

01 0

11

01

10

0

01

10

1

01

11

0

01111

10000

10001

10010

10011

10

10

0

101

01

10110

10111

11000

11001 11001

110

11

11

10

0

11

10

1

11

11

0

11111

-1-2-3

-4

-5

-6

-7

-8

-9

-10

-11

-12-13

-14-15 -16 15

1413

12

11

10

9

8

7

6

5

43

21

negativeZahlen

positiveZahlen

Tabelle 1: Rechnen mit Dualzahlen

Grundregeln:0 + 0 = 0 0 – 0 = 0 0 · 0 = 0 0 : 1 = 01 + 0 = 1 1 – 0 = 1 0 · 1 = 0 1 : 1 = 10 + 1 = 1 1 – 1 = 0 1 · 0 = 01 + 1 = 0 0 – 1 = 1 1 · 1 = 1plus Übertrag 1 und belastein die nächste die nächsteStelle Stelle mit 1

Tabelle 2: Codierungen (Beispiele)

Dezimal-zahl

Dual-code

Gray-code

8-4-2-1-Code

2-aus-5-Code

Stellen-wert 8 4 2 1 kein 8 4 2 1 7 4 2 1 0

0123456789

101112131415

1 Frank Gray, amerik. Wissenschaftler (1887 bis 1969)

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1.2 Steuerungstechnik 19

1.2.2 Programmsteuerungen

Bei Steuerungen für automatisch ablaufende Fer -tigungsvorgänge unterscheidet man zwischen verbindungsprogrammierten Steuerungen, spei-cherprogrammierten Steuerungen und frei pro-grammierten Steuerungen (Tabelle 1).

Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS)

Bei einer verbindungsprogrammierten Steuerungist das Programm durch die Wahl der Bauelemen-te und deren Verdrahtung (Verbindung) festgelegt(Bild 1).

Die Steuerung wird z. B. für einen ganz bestimm-ten Fertigungsprozess entwickelt und in Form ei-ner Elektronikplatine hergestellt. Eine solcheSteuerung hat Einzweckcharakter und kann nichtfür andere Aufgaben verwendet werden.

Bild 2: Speicherprogrammierte Steuerung (SPS)

Programmspeicher Lageregelkreiskarte

Zusatz - PC

Strom-versorgung

CPU-Karte

Kommunikations-baugruppen

Ein-/Ausgabe-baugruppen

Bild 1: Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS)

MotorschutzschalterZeitrelaisVerdrahtungSchütz

Kabelkanal Transformator

Tabelle 1: Programmverwirklichung

Art Beispiel

Verbindungs- fest- Relais-programmiert programmierbar steuerung

VPS um- Programmprogrammierbar steuerung mit

Steckerfeld

Speicherpro- austausch- SPS mitgrammiert SPS programmierbar EPROM1

engl. frei- SPS mitProgrammable programmierbar EEPROM2 oderLogic Controller mit RAM3

PLC

1 EPROM von Erasable Programmable Read Only Memory =löschbarer Nur-Lese-Speicher

2 EEPROM von Electrically EPROM = elektrisch löschbarerNur-Lese-Speicher

3 RAM von Random Access Memory = Speicher mit wahl -freiem Zugriff

Bei der VPS werden die Steuerungseigenschaftendurch die Bauelemente und ihre Verbindung festge-legt.

Bei der SPS werden die Steuerungseigenschaftendurch ein Programm in einem elektronischen Pro-grammspeicher festgelegt.

Freiprogrammierbare Steuerungen sind meist Steue-rungen mit Mikrocomputern oder Indus trie-PCs.

Speicherprogrammierte Steuerung (SPS)

Eine speicherprogrammierte Steuerung enthält intern Mikroprozessoren und erzeugt die Steuer-signale abhängig von einem Programm, das in einem Programmspeicher gespeichert ist. DerSteuerungsaufgabe muss somit nur das Pro-gramm angepasst werden, jedoch nicht die Steue-rungshardware. Diese ist universell verwendbar.Speicherprogrammierte Steuerungen können alsoleicht an unterschiedliche Anforderungen ange-passt werden, nämlich einfach durch Austauschder Programme. Die meisten Steuerungen zur Fer-tigungsautomatisierung sind speicherprogram-mierte Steuerungen.

Freiprogrammierbare Steuerungen

Eine freiprogrammierbare Steuerung enthält imUnterschied zur speicherprogrammierten Steue-rung einen Schreib-Lese-Speicher, dessen gesam-ter Inhalt stets ohne mechanischen Eingriff auch in beliebig kleinem Umfang schnell verändert werden kann.

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Bild 1: Schalter

Leucht-taster

EIN/AUS-Tastschalter

Haupt-schalter

Nocken-schaltermit Rolle

Wahl-schalter

Bild 2: Druckknopftastschalter (Taster)

Taste

Betätigungs-richtung

Schaltstücke Rückstell-feder

AnschlüsseÖffner Schließer

Schaltzeichen

Bild 3: Schaltdifferenz bei Nockenschaltern

Stößel

Schaltzeichen

Bewegliches Schaltstück Anschlusszungen

1.2.3 Elektrische Kontaktsteuerungen

1.2.3.1 Bauelemente und Betriebsmittel

Die wichtigsten Bauelemente elektrischer Kontakt-steuerungen sind: Schaltgeräte, Steckvorrichtun-gen, Leitungsverbindungen und Anzeigegeräte(Bild 1). Schaltpläne dienen der übersichtlichenDarstellung einer elektrischen Steuerung. In ihnenwird die Funktion der Bauelemente durch genorm-te Sinnbilder, die man Schaltzeichen nennt, wie-dergegeben. Die Schaltzeichen geben grundsätz-lich den Zustand des unbetätigten Schaltgerätesan.

Zur Kennzeichnung der Betriebsmittel in Schalt-plänen verwendet man eine alphanumerischeKennzeichnung. Sie besteht allgemein aus mehre-ren Zeichen (siehe Seite 134). In der vereinfachtenForm wird zur Kennzeichnung elektrischer Be-triebsmittel in Schaltplänen ein einzelnes Buchsta-

bensymbol nach (Tabelle 1) mit angehängter lau-fender Nummer xx verwendet, z. B. S1 für denSchalter 1 und M1 für den Motor 1.Schaltkontakte werden z. B. von Hand, durchNocken oder durch Fernbedienung betätigt. DieFernbedienung erfolgt meist durch elektromagne-tische Kraft, wie beim Relais, Schutz und Schritt-schaltwerk.

Nach Art der Schalterbetätigung unterscheidetman Tastschalter, Stellschalter und Schlossschal-

ter.

Tastschalter

Druckknopftastschalter, kurz Taster genannt, wie z. B.ein Klingelknopf, wirken nur während der Dauer ihrerBetätigung. Die Kontaktgabe oder Unterbrechung er-folgt über bewegliche Schaltstücke, die z. B. von Handbetätigt werden (Bild 2). Taster enthalten oft mehrereKontakte, z. B. 3 Schließer und 3 Öffner. Eine Feder, diebei Betätigung gespannt wird, bringt die Schaltstückein ihre Ausgangslage, wenn die Betätigung aufhört. DieTaster dienen oft gleichzeitig als Leuchtmelder (Signal-Lampe).

Mit Positionsschaltern (Grenztastern), die über Nockenbetätigt werden, wird das Erreichen von Grenz- undEndlagen beweglicher Maschinenteile, z.B. von Werk-zeugmaschinenschlitten, signalisiert. Die Positions-schalter sind mit Sprungschaltern (Mikroschalter) aus-gestattet, damit man auch bei sehr langsamerBetätigung eine plötzliche Kontaktgabe oder Kontakt-unterbrechung erhält (Bild 3).

Bei den Schaltkontakten gibt es Schließer, die beiBetätigung des Schalters einen Stromkreis schließen,und Öffner, die einen Stromkreis unterbrechen.

Tabelle 1: Kennbuchstaben nach DIN EN 81346

Beispiele für elektrische Steuerungen

B -BF Sensor, Näherungsschalter

F -FF Sicherung, Schutzschalter

G -GA Generator, Batterie, Akku

K -KF Relais, Hilfsschütz, Schalttransistor

M -MA Motor, Hubmagnet, Stellantrieb

P -PF Signalgeber, Signallampe, Hupe

Q -QA Leistungsschütz, Kupplung,Trennschalter

S -SF Steuerschalter, Taster

X -XF Klemme, Klemmleiste, SteckverbinderFür eine umfassende Darstellung siehe Seite 134

voll-ständig

ver-einfacht

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Automatisierungstechnik - Europa-Lehrmittel · in der Pneumatik und Hydraulik wesentlich. Das Kapitel zur Montageautomatisierung wurde erweitert. Hinweise und Verbesserungsvorschläge