Automatisierungstechnik

Grundbegriffe 247

Schütze 249

Relais 251

Schutzbeschaltung 253

Befehls- und Meldegeräte 254

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) 256

Binäre Verknüpfungen 256

Speicher 261

Zeitfunktionen und Zählfunktionen 262

Sprungfunktionen 264Flankenauswertung 264

Ablaufsteuerung, Schrittsteuerung 265

GRAFCET 270

Strukturierte Programmierung 271

Sprachelemente, Datentypen, Variablen 272

Anweisungen 274

Wortverarbeitung, Analogwertverarbeitung 276

Kleinsteuerung 278

Regelungstechnik 280

Industriebussysteme 290

ASI-Bus 291

Profi bus 294

Interbus 298

CAN-Bus 298

Profi net-Industrial Elthernet 299

Maschinensicherheit 300

Not-Befehlseinrichtung 302

Erdschlusssicherheit 306

Steuertransformator 306

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 308

246 Automatisierungstechnik

Autom

a-tisierung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Grundbegriffe

Begriff Erläuterung

Prozess Vorgang zur Umformung oder zur Unformung von Material, Energie oder Information.

Steuern Eingangssignale aus dem Prozess entgegennehmen und anpassen.

Angepasste Signale verar-beiten.

Ergebnisse der Signalverar-beitung anpassen und an den Prozess ausgeben.

•

•

•

Komponenten eines gesteuerten Prozesses

SensorikSignalanpassung (Eingang)Prozessorik (Hardware, Software)Signalanpassung (Ausgang)Aktorik

•••••

Steuerung Eine Eingangsgröße beeinfl usst auf Grund einer Gesetzmäßigkeit eine Ausgangsgröße.

Die Ausgangsgröße wirkt nicht auf die Eingangs-größe zurück.

Steuerungskette, offener Wirkungsablauf

•

•

•

Steuerstrecke Teil des Wirkungswegs, der den zu beeinfl ussenden Teil der Anlage darstellt. Zum Beispiel: Motor bei Drehzahlsteuerung

Stellgröße y Größe, die als Ausgangsgröße der Steuereinrichtung die Steuer-strecke beeinfl usst.

Führungsgröße w Größe, der innerhalb einer Steuerkette die Ausgangsgröße folgen soll.

Ausgangsgröße xa Größe, die in einer Steuerstrecke nach einer festgelegten Gesetzmäßigkeit beeinfl usst werden soll.

Aut

oma-

tisie

rung

247Grundbegriffe

Prozess

Sensoren

Eingangs-Signal

Ausgangs-Signal

Programme

Sen

sorik

Akt

orik

Prozesse

Prozessorik Netzwerk

Signal-anpassung

Signal-anpassung

Aktoren

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Grundbegriffe

Begriff Erläuterung

Störgröße z Vor außen wirkende Größe, durch die die Ausgangsgröße unerwünscht beeinfl usst wird.

Wann Steuern? Wenn nur eine Störgröße auftritt, die nach Art und Verlauf bekannt ist.Wenn zwar Störgrößen auftreten, diese sich aber nur selten ändern.Wenn die Auswirkungen von Störgrößenänderungen vernach-lässigbar gering sind.

•

•

•

Synchrone Steuerung Die Signalverarbeitung erfolgt synchron zu einem Taktsignal, z. B.: mikro-computergesteuerter Vorschubantrieb (CNC).

Asynchrone Steuerung Steuerung arbeitet ohne Taktsignal. Signaländerungen werden nur durch Eingangssignaländerungen ausgelöst.

Verknüpfungssteuerung Den Signalzuständen der Ein-gangssignale werden bestimmte Signalzustände der Ausgangs-signale zugeordnet.

Ablaufsteuerung Das Weiterschalten von einem Schritt auf den nächsten Schritt erfolgt zwangsläufi g.

Zeitgeführte Ablaufsteuerung Das Weiterschalten von einem Schritt auf den nächsten Schritt erfolgt zeitgeführt, z. B. Ampelsteuerung.

Prozessgeführte Ablaufsteuerung

Das Weiterschalten von einem Schritt auf den nächsten Schritt hängt von den Signalen des gesteuerten Prozesses ab.

Signal Physikalische Darstellung einer Information, z. B. Darstellung einer Temperatur durch eine elektrische Spannung.

Signalformen Unterschieden wird zwischen analogen, binären und digitalen Signalen.

Binäres Signal Zur Signaldarstellung werden zwei Zustände unterschieden.

Signal vorhanden → Zustand 1Signal nicht vorhanden → Zustand 0

Verknüp-fungs-

steuerung

Steuerung

ZeitgeführteAblaufsteuerung

ProzessabhängigeAblaufsteuerung

Asyn-chrone

Steuerung

Syn-chrone

Steuerung

Ablauf-steuerung

248 Grundbegriffe

Autom

a-tisierung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Grundbegriffe

Begriff Erläuterung

Digitales Signal Informationsdarstellung durch eine Anzahl von Binärsignalen nach einem bestimmten Code.

Analoges Signal Die Steuerungsgröße wird nach Betrag und Vorzeichen in Abhängig-keit von der Zeit kontinuierlich nachgebildet.

Sensorik/Aktorik Sensorik ist der Teil des Steuerungssys-tems, das die Prozesszustandsdaten erfasst, aufbereitet und zur Verarbeitung weiterleitet.

Aktorik ist der Teil des Steuerungssys-tems, das

die verarbeiteten Signale aufnimmt und verstärkt,wichtige Prozesszustände rückmeldet.

Die Aktorik führt die Stellaktionen aus.

•

•

Physikal. Größe

Sensor

Steuereinrichtung

Aktor

Steuerungsprozess

Schütze

Schütze sind elektromagnetische Schalter. Wird die Schützspule vom Steuerstrom durchfl ossen, zieht sie einen Eisenanker an. Die Schaltglieder des Schützes werden dann betätigt: Schließer werden geschlossen, Öffner werden geöffnet.

Vorzugswerte für die Steuerspannung sind:24 V, 48 V, 110 V, 230 V

Q1 P1

Steuer-spannung

Steuerstromkreis Laststromkreis

Last-spannung

S113

14

A1

A2

1

2

X1

X2

Hauptschütze

Hauptschütze (Lastschütze) eignen sich für das direkte Schalten von Lastströmen (z. B. bei Elek-tromotoren).Sie verfügen dazu über drei Hauptschaltglieder. Im Allgemeinen sind sie zusätzlich mit Hilfsschalt-gliedern ausgestattet (z. B. für die Selbsthaltung).

Hilfsschütze

Hilfsschütze sind grundsätzlich wie Hauptschüt-ze aufgebaut. Allerdings verfügen sie nur über Hilfsschaltglieder, die nur relativ gering belastbar sind (10 A, 16 A). Hilfsschütze werden für Verrie-gelungs- und Verknüpfungsfunktionen eingesetzt.

Außerdem werden Hilfsschütze zur Kontaktverviel-fachung eingesetzt.

249Grundbegriffe, Schütze, Hauptschütze, Hilfsschütze

Code Æ 18, Halbleiterschütz Æ 323

Aut

oma-

tisie

rung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Anschlussbezeichnung

Spule: A1, A2

Hauptschaltglieder: 1 – 2, 3 – 4, 5 – 6

Hilfsschaltglieder: Zwei Ziffern; zum Beispiel 13 – 14 für eine Schließer und 21 – 22 für einen Öffner.

1. Ziffer (Ordnungsziffer): Klemmenreihenfolge von links nach rechts

2. Ziffer (Funktionsziffer): 1 – 2 für Öffner und 3 – 4 für Schließer

•

•

•

Schützkontakte Kennzahlen

Schützkontakte haben eine Doppelunter-brechung.

1. Ziffer: Anzahl Schließer2. Ziffer: Anzahl Öffner(bezogen auf die Hilfsschaltglieder)

31: 3 Schließer, 1 Öffner

Schwankende Steuerspannung Lebensdauer

Aus Gründen der Betriebssicherheit muss ein sicheres Anziehen des Schützes im Spannungsbereich 0,85 bis 1,1 · UN ge-währleistet sein.

Die Lebensdauer wird in Schaltspiele angegeben. Dabei ist ein Schaltspiel ein Ein- und Ausschaltvor-gang.

1 · 106 Schaltspiele = 1 000 000 Schaltspiele

Schaltwege

Der Magnetantrieb bewegt die Schaltstücke beim Ein- und Ausschalten um einige Millimeter. Der genaue Schaltpunkt wird durch das Schaltfolgediagramm verdeutlich.

2 4 6

1 3 5

Q1

L1

F1

L2L3PE

22

21

Q1

14

13

Q1

Q1 P1

N

F2

M3∼

S1

S2

A1

A2

Schutzbeschaltung Æ 253

250 Anschlüsse, Schützkontakte, Kennzahl, Schaltwege

Autom

a-tisierung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Schaltwege

Gebrauchskategorie von Schützen und Motorstartern DIN EN 60947-4-1

Gebrauchs-kategorie

Anwendung IA / IN Ur /UN cos ϕ L/R I

AC1 ohmsche oder schwach induktive Last

1,5 1,05 0,8 – –

AC2 Schleifringläufer, Anlassen, Ausschalten

4,0 1,05 0,65 – –

AC3 Käfi gläufer, Anlassen, Ausschalten, gelegentliches Tippen oder Gegen-strombremsen

8,0 1,050,45

–< 100 A

0,35 > 100 A

AC4 Käfi gläufer, Anlassen, Ausschalten, Tippen, Reversieren, Gegenstrom-bremsen

10,0 1,050,45

–< 100 A

0,35 > 100 A

DC1 ohmsche oder schwach induktive Last

1,5 1,05 – 1,0 ms –

DC3 Nebenschlussmotoren, sämtliche Betriebsarten

4,0 1,05 – 2,5 ms –

DC5 Reihenschlussmotoren, sämtliche Betriebsarten

4,0 1,05 – 15,0 ms –

IA EinschaltstromIN BemessungsstromUr wiederkehrende SpannungUN BemessungsspannungL/R Zeitkonstante

Relais

Relais sind elektromagnetische Schalter mit einer geringeren Schaltleistung als Schütze. Sie wer-den für Gleich- und Wechselspannungen angeboten.

Ihre Kontakte sind einfachunterbrechend und häufi g als Wechsler ausgeführt. Beim Abschalten des Spulenstromes kehren die Kontakte durch Federkraft in ihre Ruhelage zurück.

251Schaltwege, Gebrauchskategorie, Relais

Zeitkonstante Æ 46

Aut

oma-

tisie

rung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Relaiskontakte Aufbaubeispiel

Benennung Kontaktbild Schaltzeichen

Schließer

Öffner

Wechsler

Wechsler

Brücken-schließer

Doppel-schließer

Folge-schließer

Brückenöffner

Doppelöffner

Schutzarten EN 116000 – 3

RT O unenclosed relay

offenes, ungeschütztes Relais

RT I dust protection relay

staubgeschützt mit Kap-selung, die beweglichen Teile sind geschützt

RT II fl ux protection relay

bei Lötarbeiten gegen Flussmittel geschützt

RT III wash tight relay

waschdicht, für Ver-arbeitung im Lötbad mit anschließendem Waschverfahren

RT IV sealed relay Relais ist so gekap-selt, dass keine Um-gebungsatmosphäre eindringen kann.

RT V hermetically sealed relay

hermetisch dichtes Relais

Kontaktprellen

Beim Schalten von Kontakten entsteht stets ein Kontaktprellen. Für eine kurze Zeit schließt und öffnet der Schalter.

Unter Umständen sind elektronische Ent-prelleinrichtungen einzusetzen, die die kurz-zeitigen Signalunterbrechungen überbrücken.

Relaisarten, Beispiele

Relais Beschreibung

Monostabiles Relais Relais fällt nach Abschalten des Spulenstromes durch Federkraft in die Ruhelage zurück.

252 Relais

Autom

a-tisierung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Relaisarten, Beispiele

Relais Beschreibung

Bistabiles Relais Durch den Restmagnetismus des Eisenkerns behalten bistabile Relais ihren Schaltzustand nach einem Ansteuerimpuls bei.

Eine Spule:Umschalten mit Impuls entgegen-gesetzer Polarität.

Zwei Spulen:Eine Spule übernimmt das Ein-schalten, die andere Spule das Ausschalten.

Reed-Relais Kontaktzungen sind paarweise in Glasröhrchen (Vakuum oder Edelgas) eingeschmolzen. Das Glasröhrchen ist von einer zylindrischen Magnetspule um-schlossen.Die Spule magnetisiert die Kon-taktfedern, die sich gegenseitig anziehen und damit den Kontakt schließen.

Schutzbeschaltung

Schutz vor hohen Induktionsspannungen (ui = − L · Δi __ Δt

) , Verringerung der Kontaktbelastung.

Zu beachten ist die Beeinfl ussung des Zeitverhaltens der Schaltung durch die Schutzbeschaltung.

Freilaufdiode

nur einsetzbar in Gleich-stromkreisen

Abschaltspannung 0,7 V bei Si-Dioden

preisgünstig

platzsparend

•

•

•

•

•

RC-Glied

hohe Stromspitzen

hoher Platzbedarf

einsetzbar bei DC und AC

•

•

•

•

Varistor

große Überspannung

hoher Platzbedarf

einsetzbar bei DC und AC

•

•

•

•

253Relais, Schutzbeschaltung

Aut

oma-

tisie

rung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Befehls- und Meldegeräte

Farben für Drucktaster, Leuchtdrucktaster und Anzeigen DIN EN 60204-1

Farbe Drucktaster/Leuchtdrucktaster Anzeige(Leuchte)

Bedeutung Beispiele Bedeutung Beispiele

ROT Gefahr Not-Aus Gefahr Notfall, sofort aus-schalten

GRÜN Normal Vorbereiten, BestätigenStart/Ein

Normal Anlage im Normal-betrieb

GELB Anormal Beseitigung anor-maler Zustände

Anormal Anlage nicht im Normalbetrieb, Eingriff

BLAU Zwingend Rückstellfunktion Zwingend Handlung notwendig

WEISS

GRAU

SCHWARZ

Keiner besonderen Bedeutung zugeordnet

Start/EinStopp/Aus

Neutral Start, Ein

Befehlsgeber

Drucktaster

Wahltaster

Schlüsseltaster

•

•

•

Hinweise

Sicherheitsfunktion durch Zwangs-öffnung nach IEC/lEN 60947-5-1

Zwangsöffnungist eine Öffnungsbewegung, die sicherstellt, dass die Hauptkontakte eines Schaltgerätes die Offenstellung erreicht haben, wenn das Bedienteil in Aus-Stellung steht.

Zwangsführung(IEC/EN 60947-1)Zwangsgeführte Hilfskontakte eines Schaltgerätes befi nden sich stets in der Schaltstellung, die der offenen oder geschlossenen Stellung der Hauptkontakte entspricht.

Schützkontakte sind zwangsgeführt, wenn sie mechanisch so miteinander verbunden sind, dass Öffner und Schließer niemals gleichzeitig ge-schlossen sein können. Dabei muss sichergestellt sein, dass auch bei gestörtem Zustand Kontaktabstände von mindestens 0,5 mm vorhanden sind.

21

22

13

14

Taste flach II

O -

-

1 Ö

1 S

13

14

O I1 S -

2 S - 13

14

I

IOII

O 23

24

II

2 Stellungen, rastend

3 Stellungen, rastend

1 Ö 21

22

1 S 13

14

2 Stellungen, rastendSchließung MS1

254 Befehls- und Meldegeräte

Autom

a-tisierung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Leuchtmelder

Durch Aufl euchten oder Erlöschen eines Lichtsignals geben Leuchtmelder eine Information. Es gilt die auf Seite 254 dargestellte Farbkennzeichnung.

Leuchtmelder mit GlühlampeGlühlampen werden für unterschied-liche Spannungen angeboten.

6 V/2 W 5000 h 12 V/2 W 5000 h 24 V/2 W 5000 h 48 V/2 W 5000 h 60 V/2 W 5000 h110 – 130 V/2,4 W 2000 h

Leuchtmelder mit Glimmlampe110 – 130 V AC 0,1 W 20 000 h220 – 240 V AC 0,33 W 20 000 h

••••••

••

Leuchtmelder mit LED12 – 30 V AC/DC 8 – 15 mA 0,26 W 100 000 h85 – 264 V AC/50/60 Hz 5 – 15 mA 0,33 W 100 000 h

Farben: weiß, rot, grün, blau

LED-Widerstandselement

1× 2× 3× 4× 5× 6× 7×

60 V 90 V 120 V 150 V 180 V 210 V 240 V

••

•

Grenztaster

Grenztaster (Positionsschalter) sind mechanisch betätigte Befehlsgeber beim Steuern oder bei der Signalisierung von Bewegungsabläufen. Sie bestehen aus einem Antriebskopf und einem Schalt-glied.

Die technische Ausführung des Antriebskopfes des Antriebs-gliedes richtet sich nach geome-trischer Form des Betätigungs-elements und der Anfahrge-schwindigkeit.Bei niedrigen Anfahrgeschwindig-keiten werden Schaltglieder mit Sprungkontakten verwendet.

In Sicherheitsstromkreisen müssen die Positionsschalter mit Öffner-kontakten ausgerüsten sein, die zwangsläufi g öffnen.In Arbeitsstellung müssen die Kontakte wegen Drahtbruch-sicherheit1) geöffnet sein.

1) Ein betätigter Öffner unterbricht den Strom-kreis wie eine unter-brochene Leitungs-verbindung.

255Leuchtmelder, Grenztaster, Positionsschalter

Leuchtdioden Æ 349 f

Aut

oma-

tisie

rung

Aut

oma-

tisie

rung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Aufbau einer SPS

KompaktsteuerungEingabe, Verarbeitung und Ausgabe in einem kompakten Gehäuse.

Es wird zusätzlich nur noch eine Spannungs-versorgung benötigt.

• Modulare SteuerungAus einzelnen Modulen aufgebaut.

Wird bei den meisten Steuerungen angwendet.

Hohe Flexibilität bei Erweiterungen.

•

Binäre Verknüpfungen

OperandenstatusEntspricht dem Signalzustand, den der Operand führt. Ein Operand hat den Status „1“, wenn er den Signalzustand „1“ führt. Der Operandenstatus wird durch eine Steueranweisung abgefragt, die auch eine Verknüpfungsvorschrift umfasst.

Beispiel

U E0.6 //Der Eingang E0.6 wird auf den Signalzustand „1“ abgefragt; der abgefragte //Signalzustand wird UND-verknüpft

•

Prozessabbild derAusgänge löschen

Start

Zykluszeit-kontrolle

Zyklus

Neustart?ja

nein

Operandenzuständelesen und

abspeichern

ProzessabbildEingänge

SequenzielleAbarbeitung des

Steuerungsprogramms,Speicherung derVerarbeitungs-

ergebnisse

Ausgabe der imSignalspeicher

abgelegten Verar-beitungsergebnisse

ProzessabbildAusgänge

Eingänge

SpeicherProzessabbildder Eingänge

Ausgänge

Prozessorzyklische

Programm-bearbeitung

SpeicherProzessabbildder Ausgänge

Spannungsversorgung

ProgrammspeicherAnwender-programm

Pro-grammier-

gerät

Merker, Zeitgeber,Zähler

256 Aufbau einer SPS, binäre Verknüpfungen

Autom

a-tisierung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Binäre Verknüpfungen

AbfrageergebnisGrundsätzlich wird nicht der Signalzustand des abgefragten Operanden verknüpft, es wird zunächst das Abfrageergebnis gebildet.

Abfrage auf Signalzustand „1“: Das Abfrageergebnis und der Signalzustand sind gleich.Abfrage auf Signalzustand „0“: Das Abfrageergebnis ist die Negation des Signalzustandes.

BeispielAm Eingang E1.0 liegt der Signalzustand „1“ (Schließer betätigt)

U E1.0: Status „1“, Abfrageergebnis „1“UN E1.0: Status „1“, Abfrageergebnis „0“

•

VerknüpfungsergebnisDas Verknüpfungsergebnis (VKE) ist der Signalzustand der CPU, der für die weitere binäre Si-gnalverarbeitung verwendet wird. Das VKE hat die Aufgabe, binäre Operanden zu setzen oder zurückzusetzen.Verknüpfungsergebnis erfüllt: VKE = „1“Verknüpfungsergebnis nicht erfüllt: VKE = „0“

•

ErstabfrageAuf eine bedingte Operation folgende Abfrageoperation. Dabei übernimmt die CPU das Abfrage-ergebnis direkt als Verknüpfungsergebnis. Die Verknüpfungsvorschrift UND bzw. ODER hat bei der Erstabfrage keine Bedeutung.U E1.1 ErstabfrageU E1.2 Abfrageoperation= A4.0 Bedingte Operation

•

AbfrageoperationDie Abfrageoperation bildet das Verknüpfungsergebnis. Durch Abfrageoperationen wird der Signalzustand eines Binäroperanden abgefragt und dessen logische Verknüpfung vorgenommen. Das Ergebnis wird in der CPU als neues Ergebnis gespeichert.

•

Steueranweisungen

Eine Steueranweisung besteht aus Operationsteil und Operandenteil. Eine Folge von Steueranweisungen bildet das SPS-Programm.

Steueranweisung U E0.0

Operationsteil U Operandenteil E

Kenn-zeichen

Para-meter

0 . 0

Operationsteile von Steueranweisungen (AWL)•

U UND-Verküpfung

O ODER-Verknüpfung

N Negation

= Ergebniszuweisung, nicht speichernd

S Setzen, speichernd

R Rücksetzen

257Abfrageergebnis, Verknüpfungsergebnis, Erstabfrage, Steueranweisung

Aut

oma-

tisie

rung

Automatisierungstechnik

Steuerungstechnik

Steueranweisungen

Beispiel

O E0.1

O E0.2

U E0.0

= A4.0

Operanden/Zuordnungsliste

E Eingang

A Ausgang

M Merker

T Timer

Z Zähler

Q1

F1

S1

S2 Q1

Q2

Kenn-zeichen

Ein-/Ausgang

Kommentar

F1 E0.0 Motorschutz, Schließer

S1 E0.1 Austaster, Öffner

S2 E0.2 Eintaster, Schließer

Q1 A4.0 Motor Rechtslauf

Q2 A4.1 Motor Linkslauf

Programmiersprachen AWL, FUP, KOP

UND-Funktion U E0.0

U E0.1

= A4.0

•

258 Steueranweisung, Operanden, Zuordnungsliste, Programmiersprachen

Autom

a-tisierung