Steuerungstechnik - ces.karlsruhe.deGEI/download/mechatronik/ME-TGE-ST-Teil1.… · 4.1 Erklärung des Begriffs Speichern am Beispiel Fahrstuhlanforderung ... 6.3 Einfache Befüllung:

Steuerungen in der Mechatronik

Steuerungstechnik

Inhaltsverzeichnis

Steuerungstechnik............................................................................................................................10 Hinweise zur Software LOGOComfort (V8)...................................................................................4

0.1 LOGO zuhause......................................................................................................................40.2 LOGO in der Schule...............................................................................................................40.3 Anschluss der Hardware und Grundeinstellungen (Datei muster.lsc).....................................4

1 Grundbegriffe................................................................................................................................51.1 Was bedeutet steuern?..........................................................................................................51.2 Analog - Digital - Binär...........................................................................................................6

2 Steuerungen mit binären Signalen................................................................................................72.1 Digitale Grundverknüpfungen................................................................................................72.2 Schaltung nach Funktionsgleichung (3 Eingänge, 2 Ausgänge)..........................................102.3 Schaltung nach Funktionsgleichung (3 Eingänge, 2 Ausgänge)...........................................112.4 Entwurf einer Schaltung aus Grundelementen: Wechselschaltung......................................122.5 Disjunktive Normalform (DNF): eine systematische Lösungsmöglichkeit.............................132.6 Prüf- und Sicherheitsschaltung: „Sensorüberwachung“ (Übung)..........................................142.7 Majoritätsschaltung: 2-aus-3-Schaltung (Übung).................................................................152.8 Schaltungsvereinfachung.....................................................................................................162.9 Leuchtpunktanzeige (Übung)...............................................................................................172.10 Leuchtbandanzeige, "Thermometercode" (Übung)............................................................182.11 Teichbefüllungssteuerung (Übung).....................................................................................192.12 Zahlensysteme..................................................................................................................202.13 Windrichtungsanzeige für Windkraftanlage (Übung)..........................................................232.14 Sturmsicherung für eine Windkraftanlage (Übung)............................................................24

3 Umsetzung von analogen in digitale Signale und umgekehrt......................................................253.1 Digital-Analog-Umsetzer......................................................................................................253.2 Analog-Digital-Umsetzer......................................................................................................273.3 Komparator (Schwellwertschalter) ohne Hysterese.............................................................283.4 Komparator (Schwellwertschalter) mit Hysterese (Schmitt-Trigger).....................................283.5 Analoger Schwellwertschalter (Komparator) in LOGO.........................................................293.6 Analoger Schadstoffmelder (Übung, ohne Hysterese).........................................................313.7 Schadstoffkonzentrationsanzeige mit 3 Stufen (Übung).......................................................323.8 2-Bit-Analog-Digital-Umsetzer aufgebaut aus 4 Schwellwertschaltern.................................333.9 Pumpensteuerung für thermische Solaranlage (Übung)......................................................343.10 Jalousiesteuerung (Übung)................................................................................................343.11 Temperaturmessung mit PT1000 und Messverstärker (Übung).........................................353.12 Heizungsregelung mit 2-Punkt-Regler (Übung)..................................................................363.13 Heizungs-Zweipunktregler mit Temperaturvorwahl am Poti................................................37

4 Speichern von Informationen.......................................................................................................384.1 Erklärung des Begriffs Speichern am Beispiel Fahrstuhlanforderung..................................38

B:\Filr-Schule\Meine Dateien\Unterricht\ME-TGE\skript\ME-TGE-ST-Teil1.odt Quelle: Bubbers, CES Karlsruhe 1 / 67

Carl-Engler-Schule KarlsruheTechnisches Gymnasium


4.2 RS-Flipflop...........................................................................................................................384.3 RS-Flipflop aus Grundgattern..............................................................................................384.4 Fertiges RS-Flipflop in LOGO – Baustein „Selbsthalterelais“...............................................394.5 Selektive Bandweiche..........................................................................................................404.6 Milchanlage..........................................................................................................................414.7 Reaktionstester....................................................................................................................424.8 Straßenbahn........................................................................................................................43

5 Zeitgeber, Timer..........................................................................................................................445.1 Einschaltverzögerung..........................................................................................................445.2 LOGO-Ausschaltverzögerung..............................................................................................455.3 Norm-Ausschaltverzögerung................................................................................................455.4 Lauflicht mit Norm-Ausschaltverzögerungen (Einmal-Durchlauf).........................................465.5 Automatisches Lauflicht.......................................................................................................465.6 Einfache Ampelsteuerung....................................................................................................465.7 Fußgänger-Ampel................................................................................................................465.8 Fußgänger-Bedarfsampel....................................................................................................46

6 Prinzip von Ablaufsteuerungen....................................................................................................476.1 Grundlegende Funktion einer Schrittkette............................................................................476.2 Einfache Befüllung: grafische Darstellung mit Zustandsdiagramm.......................................486.3 Einfache Befüllung: grafische Darstellung mit GRAFCET (ignorieren).................................486.4 Einfache Befüllung: zugehöriges Ablaufdiagramm...............................................................496.5 Einfache Befüllung: zugehörige Schrittkette in LOGO..........................................................49

7 Ablaufsteuerung einer Waschstraße............................................................................................507.1 Beschreibung des Ablaufs...................................................................................................507.2 Aufgaben..............................................................................................................................517.3 Zustandsdiagramm Waschstraße........................................................................................517.4 GRAFCET-Darstellung Waschstraße (ignorieren)................................................................517.5 Zeitablaufdiagramm Waschstraße.......................................................................................527.6 Waschstraße Steuerungsschaltung mit Schrittkette aus RS-Flipflops..................................537.7 Schrittkette Waschstraße in LOGO......................................................................................54

8 Schaltwerk für eine Waschmaschine...........................................................................................558.2 Aufgaben..............................................................................................................................558.3 Zustandsdiagramm Waschmaschine...................................................................................568.4 GRAFCET-Darstellung Waschmaschine..............................................................................568.5 Zeitablaufdiagramm Waschmaschine..................................................................................578.6 Erklärung der Funktion des Zeitgebers (Timers)..................................................................578.7 Schrittkette Waschmaschine, realisiert mit LOGO................................................................58

9 Schwimmbecken mit Sonnenkollektorheizung.............................................................................599.1 Technologieschema.............................................................................................................599.2 Gewünschter Ablauf.............................................................................................................599.3 Aufgaben..............................................................................................................................599.4 GRAFCET-Darstellung.........................................................................................................609.5 Schrittkette in LOGO mit analoger Temperaturmessung und Meldetexten...........................61

10 Mischanlage..............................................................................................................................62




10.1 Technologieschema...........................................................................................................6210.2 Gewünschter Ablauf...........................................................................................................6210.3 Aufgaben............................................................................................................................6210.4 Zusatzaufgabe...................................................................................................................6210.5 GRAFCET-Darstellung Mischanlage mit 5 Schritten..........................................................6310.6 Zeitablaufdiagramm...........................................................................................................6410.7 Mischanlage Schrittkette mit 3 Schritten in LOGO.............................................................6510.8 Mischanlage Schrittkette mit 4 Schritten in LOGO.............................................................6610.9 Mischanlage mit analogem Füllstandssensor des Mischbehälters.....................................67




0 Hinweise zur Software LOGOComfort (V8)

0.1 LOGO zuhauseMit der Software LOGOComfort (V8) können Programme für die LOGO-Kleinsteuerung erstellt undin das per Ethernet-Kabel angeschlossene Gerät übertragen werden. Da mit der Software auch Simulationen (ohne angeschlossene Hardware) durchgeführt werden können, empfiehlt es sich, das Programm auch auf dem heimischen PC in Betrieb zu nehmen!Gehen Sie dazu wie folgt vor:

• Kopieren Sie in der Schule den kompletten Ordner LOGOComfort auf einen USB-Stick (insgesamt ca. 160 MB)! Den Ordner stellt Ihnen der Fachlehrer im Klassen-Tausch (oder Tausch-Alle) zur Verfügung!

• Kopieren Sie zuhause den kompletten Ordner nach: C:\Programme! (Hierzu benötigen Sie Administrator-Rechte)

• Navigieren Sie mit dem Win-Explorer zur folgenden Datei:"C:\Programme\LOGOComfort\LOGOComfort.exe"

• Mit einem Rechtsklick auf die Datei können Sie mit: Senden an – Desktop-Verknüpfung erstellen eine Start-Datei auf den Desktop legen.

Wichtiger Hinweis:Die Software startet nur dann, wenn Sie exakt die o.g. Verzeichnisse verwenden! Sollten Sie aus irgendwelchen Gründen eine andere Struktur verwenden, müssen Sie diese Datei C:\Programme\ LOGOComfort\Start.lax editieren und per Suchen und Ersetzen die vorhandenen Pfade an die eigenen anpassen (s. auch readme-geiger.txt im Programmordner)

0.2 LOGO in der SchuleIn der Schule steht das Programm im NAL – Technik zur Verfügung (LOGO-V8, „Netz“ oder „Lokal“); die lokale Version wird beim ersten Aufruf zunächst installiert (dauert etwas), danach sollte aber ein flüssigeres Arbeiten möglich sein, als mit der Netz-Version.Achten Sie darauf, dass Sie die erstellten Programmbeispiele immer in Ihrem eigenen Homeverzeichnis abspeichern! Sinnvollerweise legen Sie hierfür einen Ordner z.B. H:\Steuerungstechnik\Beispiele an!Das Unterrichtsskript wird „mit Lücken“ digital zur Verfügung gestellt; diese Lücken werden Sie im Unterricht selbst ausfüllen. Speichern Sie das Skript z.B. in H:\Steuerungstechnik\Skript ab!Wenn Sie eine „Papierform“ benötigen, können Sie sich die jeweiligen Seiten nach der Bearbeitung (und anschließenden Besprechung) (zuhause) ausdrucken.Der Umgang mit dem Programm wird im Unterricht erläutert, ein Blick in die umfangreiche Hilfe ist allerdings nicht verboten.

0.3 Anschluss der Hardware und Grundeinstellungen (Datei muster.lsc)Die LOGO-Kleinsteuerung und die ip-Einstellungen im Programm müssen zusammenpassen! Verwenden Sie nach Möglichkeit immer die gleiche Steuerung am gleichen PC, es gilt z.B.L141-W01: Steuerung mit der ip 10.1.5.21, PC L141-W02: Steuerung mit der ip 10.1.5.22, usw...Da die ip-Adresse im Programm eingestellt werden mussen, öffnen wir bei jedem Projekt eine (eigene individualisierte) Datei muster.lsc und speichern diese sofort unter einem neuen Projektnamen ab! (Die Datei muster.lsc wird im ersten Termin erstellt und individualisiert). Projekte müssen immer aus der Software heraus geöffnet werden, weil Windows nicht weiß, was es mit der Dateiendung .lsc anfangen soll!

Bei der Inbetriebnahme der Hardware wird zunächst das Netzwerkkabel angeschlossen, danach das Netzteil!Hardwaretest bei Verbindungsproblemen:Start – Ausführen – cmd: Eingabeaufforderung geht auf:ping 10.1.5.xy eintippen, von der LOGO muss eine Antwort kommen! Falls nicht: Lehrer rufen!




1 Grundbegriffe

1.1 Was bedeutet steuern?

Abhängig von den Eingangsgrößen, die Sensoren liefern werden, werden Ausgangsgrößen mit Hilfe von Aktoren beeinflusst.Die Eingangs- und Ausgangsgrößen können analog oder digital sein.

1.1.1 Beispiele für Sensoren• Schalter, Taster• Temperatursensor• Drucksensor• Helligkeitssensor• Bewegungssensor

1.1.2 Beispiele für Steuerungen• Fahrstuhlsteuerung, Garagentorsteuerung• Ampelsteuerung, Treppenhauslicht• Waschmaschinensteuerung• Heizungssteuerung• Ausrichtung einer Windkraftanlage • Automatisches Mischen eines Stoffes• Abfüllanlage

1.1.3 Beispiele für Aktoren• Motor, Lüfter, Ventilator• Pumpe, Ventil• Beleuchtung• Heizung

1.1.4 Beispiel für ein einfaches Steuerungssystem

Zwei Schalter sind an eine LOGO-Kleinsteuerung angeschlossen und schalten über zwei Relaiskontakte zwei 24V- oder 230V-Lampen.Die Kleinsteuerung benötigt eine Versorgungsspannung, damit in ihr ein Programm abgearbeitet werden kann. An den Ausgängen verwendet man oft Relaiskontakte. Dann kann man den Verbraucher und die Versorgungsspannung frei wählen.Die Relaiskontakte schließen dann einen vollständigen Stromkreis.



SteuerungSensoren Aktoren

Eingabe Verarbeitung Ausgabe

Logo-Kleinsteuerung

Eingabe Verarbeitung Ausgabe

24V

24V

24V24V

GND


1.2 Analog - Digital - BinärSteuerungen arbeiten mit analogen und digitalen Signalen.

1.2.1 Analog• Es sind unendlich viele Zwischenwerte sind möglich.• Beispiele: Spannung zwischen 0V und 10V, Temperatur zwischen z.B. -20 °C und + 30 °C• Eine Uhr mit mechanischen Zeigern ist eine Analoguhr.

Hier einige Bilder von analogen Signalen einfügen!

1.2.2 Digital• Es sind abzählbar viele Zustände möglich (lateinisch: digitus – der Finger)• Beispiel. Analoge Musik und Sprache wird vor der Speicherung im PC / Handy / MP3-

Player / CD digitalisiert in 256 (8-Bit) oder 65536 (16-Bit) Spannungswerte• Farben auf dem PC-Bildschirm oder im Foto werden in abzählbar viele Abstufungen

digitalisiert (z.B. 8, 16, 24 Bit)• Eine Uhr mit Ziffernanzeige ist eine Digitaluhr

Hier einige Bilder von digitalen Signalen einfügen!

1.2.3 Binär (boolean)• Zwei digitale Zustände bezeichnet man als binär.• Logisch 1 = High (H) = wahr = true (Lampe ist an)• Logisch 0 = Low (L) = falsch = false (Lampe ist aus)

In einer Steuerung verwendet man z.B. binäre Signale:• Taster am Eingang nicht gedrückt (0V) -> Low -> 0• Taster am Eingang gedrückt (24V) -> High -> 1• 1 -> Kontakt am Ausgang geschlossen -> Lampe leuchtet• 0 -> Kontakt am Ausgang offen -> Lampe leuchtet nicht

Hier einige Bilder von binären Signalen einfügen!

Zunächst beschäftigen wir uns mit digitalen Steuerungen. Obwohl diese nur zwei Zustände kennt, bezeichnet man sie nicht als Binärtechnik, sondern als Digitaltechnik.




2 Steuerungen mit binären Signalen

2.1 Digitale Grundverknüpfungen

Symbol Funktions-gleichung

Symbol in LOGOEingänge: IAusgänge: Q

Funktions-tabelle in Worten

AmerikanischeDarstellungz.B. Labview

NOT (Negation) NICHT

A1

Y

Y = !AY = NOT AY = /AY = A

A Y01

AND (Konjunktion) UND

&A

BY

Y = A & BY = A AND BY = A BY = BA ∧

B A Y0 00 11 01 1

OR (Disjunktion) ODER

A

BY

1

Y = A + BY = A OR BY = A + BY = BA ∨

B A Y0 00 11 01 1




NAND

&A

BY

Y = !(A & B)Y = NOT(A AND B)Y = /(A B)Y = BA ∧

B A Y0 00 11 01 1

Wie ein UND, dessen Ausgang invertiert ist.

NOR

A

BY

1

Y = !(A + B)Y = NOT (A AND B)Y = /(A + B)Y = BA ∨

B A Y0 00 11 01 1

Wie ein ODER,mit invertiertemAusgang.

XOR (Antivalenz)

=1A

BY

Y = A $ BY = A XOR BY = A*/B + /A*BY = BA ⊕

B A Y0 00 11 01 1

XNOR (Äquivalenz)

=A

BY

Y = A !$ BY = A XNOR BY = A*B + /A*/BY = BA ⊕

B A Y0 00 11 01 1

Die Verknüpfungen UND / ODER / NAND / NOR können beliebig viele Eingänge haben, die Verknüpfungen XOR und NXOR haben immer nur zwei Eingänge.




Kontrollfragen zu Digitalen Grundverknüpfungen

1. Skizzieren Sie (ohne nachzuschauen) die normgerechten Schaltsymbole für AND-, OR-, und XOR- Verknüpfung!

2. Geben Sie die Funktionstabellen für NOT- OR- und NAND-Verknüpfung an!

3. Ein Mitschüler aus der Parallelklasse behauptet: /(A * B) = /A + /B !?Hat er sich nur verschrieben oder hat er Recht?Wie könnte man nachweisen, ob die Behauptung stimmt oder falsch ist?

4. Gegeben sind eine Spannungsquelle, zwei Schalter und eine Lampe;Wie könnte man die AND- bzw. OR- Funktion mit diesen Teilen nachbilden?

5. Skizzieren Sie die Schaltfunktion Y = (A * B) + (/A * B) mit normgerechten Symbolen!Wie sieht die Funktionstabelle für die Schaltung aus?Könnte man die Schaltfunktion auch einfacher schreiben?




2.2 Schaltung nach Funktionsgleichung (3 Eingänge, 2 Ausgänge)Eingänge: 3 Schalter I1 bis I3

Ausgänge: 2 LEDs Q1 und Q2

Aufgaben:

• Bauen Sie folgende Schaltungen mit der LOGO-Steuerung auf:Q1 = / I1 * I2 * / I3 (sprich: NICHT I1 UND I2 UND NICHT I3)Q2 = I1 * / I2 * / I3 (sprich: I1 UND NICHT I2 UND NICHT I3)

• Vervollständigen Sie die Funktionstabelle

• Erklären Sie in Worten, in welchen Fällen die LEDs Q1 und Q2 leuchten.

Schaltung und Funktionstabelle:

Erklärungen:

• Q1 leuchtet, wenn die beschalteten Eingänge der UND-Verknüpfung eins werden.Da I1 und I3 vor der UND-Verknüpfung invertiert werden leuchtet Q1 wenn

•

•

•

• Setzt man genau diese Kombination in die Gleichung Q1 = / I1 * I2 * / I3 ein, Q1 = /0 * 1 * /0 = 1 * 1 * 1so erhält man Q1 = 1.

• Zusammenfassung: Q1 = / I1 * I2 * / I3Q1 wird 1 wenn

• Q2 leuchtet, wenn die beschalteten Eingänge der UND-Verknüpfung eins werden.Da I2 und I3 vor der UND-Verknüpfung invertiert werden leuchtet Q2 wenn

•

•

•

• Setzt man genau diese Kombination in die Gleichung Q2 = I1 * / I2 * / I3 ein, Q2 = 1 * /0 * /0 = 1 * 1 * 1so erhält man Q2 = 1.

• Zusammenfassung: Q2 = I1 * / I2 * / I3Q2 wird 1 wenn



I3 I2 I1 Q1 Q20 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1


2.3 Schaltung nach Funktionsgleichung (3 Eingänge, 2 Ausgänge)Eingänge: 3 Schalter I1 bis I3

Ausgänge: 2 LEDs Q1 und Q2

Aufgaben:

• Bauen Sie folgende Schaltungen mit der LOGO-Steuerung auf:Q1 = / I1 * I2 (sprich: NICHT I1 UND I2 + I1 * I3 ODER I1 UND I3)Q2 = I1 * / I2 + / I3

• Vervollständigen Sie die Funktionstabelle

• Erklären Sie in Worten, in welchen Fällen die LEDs Q1 und Q2 leuchten.

Schaltung und Funktionstabellen:

Erklärungen Q1 = / I1 * I2 + I1 * I3

• Q1 wird 1

•

•

• Weil bei beiden UND-Verknüpfungen nur 2 der 3 Eingänge angeschlossen werden, ist der Zustand des 3. Eingang gleichgültig. Dies sind jeweils 2 Zeilen in der Funktionstabelle!

Erklärungen Q2 = I1 * / I2 + / I3

• Q2 wird 1

•

•

• Bei I1 * / I2 ist der Zustand von I3 gleichgültig -> 2 Fälle in der Funktionstabelle

• Bei / I3 werden I1 und I2 nicht abgefragt -> gleichgültig -> 4 Fälle in der Tabelle



I3 I2 I1 Q1 Q20 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

I3 I2 I1 Q1 Q20 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1


2.4 Entwurf einer Schaltung aus Grundelementen: We chselschaltungEingänge: 2 Schalter Fügen Sie hier eine Wechselschaltung ein!

Ausgänge: 1 Beleuchtung

Aufgabe:

• Wenn beide Schalter aus sind, soll die Lampe aus sein.

• Wenn man einen Schalter umschaltet, soll die Lampe ihren Zustand ändern.(„Ändern“: Wenn die Lampe an war, soll sie aus gehen und umgekehrt).

• Erstellen Sie die Funktionstabelle.

• Bauen Sie die Schaltung ausschließlich aus beliebig vielen digitalen Grundbausteinen UND, ODER, NICHT auf.

Hilfestellung:

Wir zerlegen das Problem in 2 Schritte: Für jede Zeile, in welcher der Ausgang 1 wird, erstellen wir zunächst eine eigene Schaltung:Fall Zeile 2:

Die Schaltung für den 2. Fall, in welcher der Ausgang 1 wird siehtso ausFall Zeile 3:

Nun fassen wir beide Fälle zusammen:

Die Lampe soll angehen, wenn der Fall Zeile 2 oder Zeile 3 eintritt:

Dies ist die Lösung!

abgelesene Funktionsgleichung:

Q1 = (I1 * /I2) + (/I1 * I2) ; wobei * UND, AND; + ODER, OR ; / NICHT, NOT



I2 I1 Q0 00 11 01 1

I2 I1 Q10 0 00 1 11 0 01 1 0

I2 I1 Q20 0 00 1 01 0 11 1 0

Je 1 Schaltung für Zeile 2 und Zeile3

Zusammen-fassen:Fall Zeile 2oder Zeile3tritt auf:


2.5 Disjunktive Normalform (DNF): eine systematisc he LösungsmöglichkeitAufgabe wie oben: Wechselschaltung

abgelesen: Q1 = (/ I2 * I1) + (I2 * / I1), dies ist exakt die Lösung aus 2.4!

2.5.1 Vorgehen beim Ablesen der Funktionsgleichung aus der Funktionstabelle• Funktionstabelle erstellen

• Für jede Zeile, in der unter dem Ausgang eine 1 steht, wird eine UND-Verknüpfung aller Eingänge erstellt; dabei werden alle Eingänge invertiert, bei denen in der jeweiligen Zeile eine 0 steht (Diese UND-Verknüpfungen nennt man “1-Minterme”)

• Am Schluss werden alle UND-Verknüpfungen mit einem ODER zusammengefasst.(“Die disjunktive Normalform ist die ODER-Verknüpfung aller 1-Minterme”)

2.5.2 Schaltung nach disjunktiver NormalformMan erhält mit dieser Lösungsmethode immer eine Schaltung, die nach dem gleichen Muster aufgebaut ist.

• zunächst werden die Eingänge invertiert oder nicht invertiert

• dann werden die Eingänge auf UND-Verknüpfungen geführt

• anschließend werden die Ausgänge der UND-Verknüpfungen mit ODER verknüpft

Q1 = (/ I2 * I1) + (I2 * / I1)

Versuchen Sie in Zukunft die Schaltungen in LOGO auch immer nach diesem "Muster" zu zeichnen. Dies erhöht die Übersicht und macht die Schaltungen verständlicher.



I2 I1 Q10 0 00 1 1 (/ I2 * I1)1 0 1 (I2 * / I1)1 1 0

&

&

≥11

1

I1I2

Q1

NICHT UND ODER


2.6 Prüf- und Sicherheitsschaltung: „Sensorüberwac hung“ (Übung) Eingänge: 2 Schalter (binäre Sensoren)

Ausgänge: ein rote Anzeige-LED, eine grüne Anzeige-LED

Aufgabe 1:

• In einer sicherheitsrelevanten Steuerung werden Sensoren, die dasselbe messen, zwei- oder dreifach ausgeführt.

• Hier soll überprüft werden, ob 2 Sensoren das gleiche Signal liefern.

• Die grüne LED soll angehen, wenn die Sensoren das gleiche Signal liefern.

• Geben Sie die Funktionstabelle, die disjunktiven Normalformen und die in LOGO aufgebaute Schaltung an.

Aufgabe 2: zusätzliche Schaltung!

• Die rote LED soll angehen wenn die Sensoren unterschiedliche Signale liefern;d.h. einer der beiden Sensoren könnte defekt sein!

Lösung:



I2 I1 rot grün0 00 11 01 1


2.7 Majoritätsschaltung: 2-aus-3-Schaltung (Übung)Eingänge: 3 Schalter (binäre Sensoren)

Ausgänge: 1 grüne Anzeige-LED, 1 gelbe Anzeige-LED

Aufgabe:

• Wenn mindestens 2 Sensoren H-Signal zeigen, leuchtet die gelbe LED.(Dies ist die Majoritätsschaltung. Majorität = Mehrheit)

• Wenn alle 3 Sensoren H-Signal zeigen, leuchtet zusätzlich die grüne LED.

Lösung:



I3 I2 I1 Gelb Grün0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1


2.8 SchaltungsvereinfachungDurch Überlegung erkennt man, dass sich die Majoritätsschaltung auch mit UND-Verknüpfungen aufbauen lässt, die nur 2 Eingänge besitzen:

Q = (I2 * I1) + (I3 * I1) + (I3 * I2)

Beide Schaltungen haben die gleiche Funktion.

In der Steuerungstechnik werden Schaltungen grundsätzlich nicht vereinfacht, weil es dann schwerer ist, Fehler zu finden. Steuerungen müssen absolut zuverlässig laufen.

Werden Digitalschaltungen in programmierbaren ICs eingesetzt, so werden die Schaltungen grundsätzlich von der Entwicklungssoftware vereinfacht. Dieses Verfahren ist absolut zuverlässig.

Bei uns in der Mechatronik vereinfachen wir Schaltu ngen normalerweise nicht, sondern verwenden die disjunktive Normalform, die m an direkt aus der Funktionstabelle ablesen kann. Eventuell werden die Schaltungen dabei etwas umfangreicher.



Q ≥1

I1I2

Q

&

I3

&

&

≥1

&

&

&

1I3

1I2

1I1

&

Ursprüngliche Schaltung (disjunktive Normalform) Vereinfachte Schaltung


2.9 Leuchtpunkt anzeige (Übung)Mit drei Meldern (A, B, C) wird die Konzentration an Schadstoffen gemessen. Es ist eine Leuchtpunkt-Anzeige nach folgendem Muster zu entwerfen:

• Wenn genau ein Melder H-Signal zeigt, geht Lampe L1 an.

• Wenn genau zwei Melder H-Signal zeigen, geht Lampe L2 an.

• Wenn genau drei Melder H-Signal zeigen, geht Lampe L3 an.

Lösung:

abgelesen aus Funktionstabelle: (es fehlen noch die Invertierungen – ergänzen!)

L1 = (E3 * E2 * E1)

+ (E3 * E2 * E1)

+ (E3 * E2 * E1)

L2 = (E3 * E2 * E1)

+ (E3 * E2 * E1)

+ (E3 * E2 * E1)

L3 = (E3 * E2 * E1)



E1

E2

E3

Logik

L1

L2

L3

3 Melder Leuchtpunkt-Anzeige

E3 E2 E1 L1 L2 L30 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1


2.10 Leuchtband anzeige, "Thermometercode" (Übung)Mit drei Meldern (A, B, C) wird die Konzentration an Schadstoffen gemessen. Es ist eine Leuchtband-Anzeige nach folgendem Muster zu entwerfen:

• Wenn mindestens ein Melder H-Signal zeigt, geht Lampe L1 an.

• Wenn mindestens zwei Melder H-Signal zeigen, geht zusätzlich L2 an.

• Wenn mindestens drei Melder H-Signal zeigen, geht zusätzlich L3 an.

Lösung:



E1

E2

E3

Logik

L1

L2

L3

3 Melder Leuchtpunkt-Anzeige

E3 E2 E1 L1 L2 L30 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1


2.11 Teichbefüllungssteuerung (Übung)Als Amphibienfreunde wollen wir das Überleben der Frösche im Gartenteich sichern und entwickeln eine Steuerung zur Befüllung eines Froschteiches mit zwei Pumpen.

Die Sensoren liefern 1 Signal wenn das Wasser sie erreicht bzw. 0 Signal, wenn kein Wasser am Sensor ist.

• Befindet sich der Wasserstand unterhalb des Sensors A, dann müssen beide Pumpen laufen.

• Befindet sich der Wasserstand zwischen den Sensoren A und B darf nur Pumpe 1 laufen.

• Befindet sich der Wasserstand zwischen den Sensoren B und C darf nur Pumpe 2 laufen.

• Erreicht der Wasserstand den Sensor C oder höher darf keine der Pumpen in Betrieb sein.

• Wenn die Sensoren einen Zustand melden, der nicht möglich ist ("schwebendes Wasser"), gehen beide Pumpen aus und ein Warnsignal ertönt.

Eingänge: C, B, A

Ausgänge: P1, P2, W

Lösung:



Sensor C

Sensor B

Sensor A

PumpeP1

PumpeP2

C B A P1 P2 W0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1


2.12 Zahlensysteme

2.12.1 Dezimalzahl

2.12.2 Dualzahl (binär) und Umwandlung von Dual- i n Dezimalzahl

2.12.3 Umwandlung von Dezimal- in Dualzahl (Subtra ktionsverfahren)



Zahlenvorrat: Ziffern 0 bis 9Basis: 10 → 10 Ziffern

Wertigkeit 1000103

100102

10101

1100

Dezimalzahl 2 0 4 8

Bedeutet: 2 * 1000 + 0 * 100 + 4 * 10 + 8 *1

Zahlenvorrat: Ziffern 0 und 1Basis: 2 → 2 Ziffern

Wertigkeit 12827

6426

3225

1624

823

422

221

120

Dualzahl 1 1 0 0 1 0 1 1

Bedeutet: 1* 128 + 1*64 + 0*32 + 0*16 + 1*8 + 0*4 + 1*2 +1*1 = 203dez

203dez = ?dual

Wertigkeit 12827

6426

3225

1624

823

422

221

120

Dualzahl ? ? ? ? ? ? ? ?

203

-128 ↓

75

-64 ↓

11 X X

-8 ↓

3 X

-2 ↓

1

-1 ↓

0

Wertigkeit 12827

6426

3225

1624

823

422

221

120

Dualzahl 1 1 0 0 1 0 1 1


2.12.4 Hexadezimal (Sedezimal)

2.12.5 Umwandlung Dualzahl → Hexadezimalzahl

2.12.6 Umwandlung Hexadezimalzahl in DezimalzahlCBhex = C * 16 + B * 1 = 12 * 16 + 11 * 1 = 203dez

2.12.7 Übungen zu Zahlensystemen1. Das Oktalsystem hat als Basis die Zahl 8; erstellen Sie (wie oben) eine Tabelle mit

„Zahlenvorrat“, „Wertigkeit“, „Ziffernvorrat“ und einem Umwandlungsbeispiel!2. Schreiben Sie Ihren Geburtstag in allen bisher besprochenen Zahlensystemen!3. Übersetzen Sie in alle anderen Zahlensysteme:

01001100bin 1234oct 4321dez 45CDhex 11001100bin 5701oct 0012dez 10A1hex

4. Aus welchen Systemen können folgende Zahlen stammen:1234 1011 8899 AC10 7879 1044



Dezimal 203umgewandelt in Dualzahl:

Wertigkeit 128 64 32 16 8 4 2 1

Dualzahl 1 1 0 0 1 0 1 1

Wertigkeit für Umwandlungin Hexadezimalzahl

8 4 2 1 8 4 2 1

Hexadezimalzahl C B

Wertigkeit Hexzahl 16 1

Zahlenvorrat: Ziffern 0 bis 9, A bis FBasis: 16 → 16 Ziffern

Wertigkeit 4096163

256162

16161

1160

Hexadezimalzahl 1 0 A F

Bedeutet: 1 * 4096 + 0 * 256 + A * 16 + F 1= 1 * 4096 + 10 * 16 + 15 * 1= 4271dez


2.12.8 Übung: Ansteuerung einer Siebensegment-Anze ige

Gegeben ist folgende Schaltung:

von

1 - 8

B (2)

A (1) Sieben-segment-Code

Zähler

D (8)

C (4)

Dual-Code

d gefg e c

d

abc f

a

b

Der Dezimalzähler zählt periodisch von 0 - 9 (größere Zahlen treten nie auf!) und stellt das Ergebnis im Dualcode an den Ausgängen D - A zur Verfügung. Der Codewandler (Dualcode → Siebensegment-Code erzeugt daraus die Ansteuersignale a - g für die Siebensegment-Anzeige. Die BCD-Zahlen 0 - 9 sollen wie folgt dargestellt werden (s. DIN 40900, Teil 12):

a) Erstellen Sie die Funktionstabelle für die Eingänge D - A (mit den Wertigkeiten 8-4-2-1) und die Ausgänge a - g nach folgendem Muster (für die Dezimalzahlen 0 bis 9):

dez. D (8) C (4) B (2) A (1) a b c d e f g0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 01 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 023456789

b) Geben Sie für zwei Segmente die disjunktive Normalform an!Also z.B. für das Segment a: a = (/A * /B * /C * /D) + ( … ) + ( … ) + ….

c) Zum Testen auf der LOGO müsste man jetzt die Schaltungen für alle sieben Segmente zeichnen; dies ist natürlich sehr aufwändig!Wir machen dies in Arbeitsteilung und jede(r) testet genau ein Segment!Hinweise: Eingänge sind 4 Schalter, als Ausgang wählen Sie eine LED.



Dezimal-zähler

von0 - 9


2.13 Windrichtungsanzeige für Windkraftanlage (Übu ng)

Die Ansteuerung einer Windrichtungsanzeige für eine Windkraftanlage wird entworfen.

Ein Sensor erfasst 8 verschiedene Positionen und liefert auf 3 Leitungen die als Dualzahl kodierte Himmelsrichtung. (Zusatzplatine „Windrichtungserfassung“ mit Flachbandkabel anschließen, die drei Schiebeschalter I1, I2, 3 auf „In 5V“ stellen!)Wir legen fest: Norden = 0, Nordosten = 1, Osten = 2 usw.Bei der Anzeige (Zusatzplatine „Windrichtungsanzeige“) sind die Leuchtschriften für N und S sowie W und O transparent hintereinander angebracht. Man sieht immer nur N oder S bzw. W oder O leuchten. Entwerfen Sie die Steuerung gemäß folgender Anleitung:

• Geben Sie die kompletten disjunktiven Normalformen für N, S, O, W an!

• Prüfen Sie, ob man die Gleichungen durch geschicktes Ausklammern und Zusammenfassen vereinfachen kann! Evtl. sehen Sie einfachere Gleichungen auch direkt in der Funktionstabelle?

• Geben Sie die (evtl. vereinfachten) Schaltungen in der LOGO ein! Sie können die Gleichungen auch ohne Vereinfachung eingeben; dies ist zwar aufwändiger, aber weniger fehleranfällig.

2.13.1 Gleichungen N =

S =

O =

W =

2.13.2 Schaltung (Bild einfügen)



D1D2D4

NSWO

Dualzahl

Windrichtungs-Anzeige

Windrichtungs-Erfassung

Steuerung

Dualzahl Anzeige

Dezimalzahl Himmelsrichtung D4 D2 D1 N O S W

0 N

1 NO

2 O

3 SO

4 S

5 SW

6 W

7 NW


2.14 Sturmsicherung für eine Windkraftanlage (Übun g)Ein Windgeschwindigkeitsmesser liefert die Windstärke in Beaufort (0-12) kodiert als vierstellige Dualzahl.

Ab Windstärke 10 soll die Sturmsicherung (Sturm) ansprechen. Bei Windstärke 8 und 9 soll eine gelbe Warnleuchte (Warn) angehen.

2.14.1 Rein digitale LösungErgänzen Sie die Funktionstabelle und entnehmen Sie die disjunktiven Normalformen! Wenn Sie den „digitalen Blick haben“, können Sie aus der Funktionstabelle gleich die vereinfachten Gleichungen ablesen? Stimmen diese beiden Gleichungen?

Sturm = (D8 * D4) + (D8 * D2) Warn = (D8 * /D4 * /D2)

disjunktive Normalformen:(Terme untereinander schreiben!)

Warn =

Sturm =

2.14.2 Lösung mit analogem Schwellwertschalter?Hinweis: Kann hier nur dann gelöst werden, wenn Kap. 3 schon besprochen worden ist (also z.B. als Vorbereitung auf eine Klassenarbeit o.ä.)

Stichworte zum (schrittweisen!) Vorgehen:

• Windstärke 0 – 12 Beaufort mit Poti einstellen / simulieren

• z.B. Ausgänge: Grün: „alles ruhig“, Gelb: „Warnung“, Rot: „Sturm“

• Wieviele Schwellwertschalter benötigen Sie?

• Wie müsste man die Schwellen wählen?

• Wenn bis hierher alles klappt, könnte man noch Meldetext-Module hinzufügen.(Mit verschiedenen Hintergrundbeleuchtungen, Balkenanzeigen, usw...)



dez D8 D4 D2 D1 Sturm Warn

0 0 0 0 0

1 0 0 0 1

2 0 0 1 0

3 0 0 1 1

4 0 1 0 0

5 0 1 0 1

6 0 1 1 0

7 0 1 1 1

8 1 0 0 0

9 1 0 0 1

10 1 0 1 0

11 1 0 1 1

12 1 1 0 0

13 1 1 0 1

14 1 1 1 0

15 1 1 1 1


3 Umsetzung von analogen in digitale Signale und u mgekehrt

3.1 Digital-Analog-UmsetzerVerwendete Abkürzungen: DAU (digital-analog-umsetzer) oder DAC (digital-analog-converter)An den Eingang des DAU legt man eine Dualzahl an, am Ausgang erhält man eine entsprechende analoge Spannung.

3.1.1 Beispiel 4-Bit-Digital-Analog-UmsetzerZur einfachen Erklärung der Wirkungsweise wird der DAU miteiner Versorgungsspannung von 16V versorgt. Der Ausgangkann dann (theoretisch, s.u.) eine Spannung im Bereich von 0 bis 16V ausgeben.Mit 4 digitalen Eingängen lassen sich 24 = 16 verschiedeneZahlen darstellen. Man erhält die in der Tabelle aufgeführtenZuordnungen zwischen Dualzahl, Dezimalzahl und Spannung.

Wenn man an den DAU nacheinanderdie Dualzahlen 0000 bis 1111 anlegtund sich die zugehörigen analogenSpannungen am Ausgang ansieht,erhält man den dargestellten Verlauf.

Folgendes fällt auf:• Mit dem 4-Bit-Umsetzer lassen

sich nur analoge Spannungen in 1V-Schritten erzeugen,Zwischenwerte sind nicht möglich.

• Der "Endwert" 16V wird nichterreicht, die maximal möglicheSpannung ist 15V, also 1 Stufeweniger als der "Endwert".

Die Auflösung dieses Umsetzers beträgt:

SpannungsbereichAnzahl der Zahlen

=16V

24=

16V16

=1V



Dualzahl (digital) Analogwert

D8 D4 D2 D1 dezimal U in V

0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 1 1

0 0 1 0 2 2

0 0 1 1 3 3

0 1 0 0 4 4

0 1 0 1 5 5

0 1 1 0 6 6

0 1 1 1 7 7

1 0 0 0 8 8

1 0 0 1 9 9

1 0 1 0 10 10

1 0 1 1 11 11

1 1 0 0 12 12

1 1 0 1 13 13

1 1 1 0 14 14

1 1 1 1 15 15

D

A

16V

DigitaleEingänge

AnalogerAusgang

D1

D2

D4

D8


3.1.2 Verschiedene Auflösungen im Vergleich

Jedes hinzukommende Bit am Eingang des Digital-Analog-Umsetzers verdoppelt die Anzahl der Stufen und verbessert damit die Auflösung.

4-Bit-DAU 5-Bit-DAU 6-Bit-DAU


=16V24 =

16V16

=1V16V25 =

16V32

=0,5V16V26 =

16V64

=0,25V

1 Stufe = 1V 1 Stufe = 0,5V 1 Stufe = 0,25V

8-Bit-DAU 12-Bit-DAU 16-Bit-DAU

16V28 =

16V256

=0,0625 V16V212 =

16V4096

=3,9mV16 V216

=16 V

65536=0,244mV

1 Stufe = 62,5mV 1 Stufe = 3,9mV 1 Stufe = 0,244mV

3.1.3 Aufgabe: 16-Bit-DAU arbeitet mit 0 bis 10VBerechnung der Auflösung:

3.1.4 Aufgabe: 16-Bit-DAU arbeitet mit -10V bis 10 VBerechnung der Auflösung:




3.2 Analog-Digital-UmsetzerVerwendete Abkürzungen: ADU (analog-digital-umsetzer) oder ADC (analog-digital-converter)

Ein Analog-Digital-Umsetzer liefert immer erst "nach Aufforderung" einen neuen Digitalwert, Sample genannt. Diese Aufforderung erfolgt durch ein Taktsignal. Bei einem Taktsignal von 40kHz fallen also 40.000 Samples pro Sekunde an.

Beispiel 1:Blockschaltbild eines 8-Bit-Analog-Digital-Umsetzersmit 10V Spannungsversorgung und einer Samplingrate von 40.000 Samples pro Sekunde.

Dieser ADU liefert 40.000 Digitalwerte pro Sekunde mit einerAuflösung von


=10V28 =

10V256

=39mV

Beispiel 2: ADU für CD-Qualität mit 16Bit (= 2Byte; 1 Byte = 8 Bit) und einer Samplingrate von 44,1kHz.

Bei einem Stereo-Signal fallen also 44.100 * 2 Byte * 2 Kanäle = 176.400 Bytes Informationen pro Sekunde an, entspricht einem "Bitstrom" von 1,4112 Mbit/s (176.400 * 8)

3.2.1 Aufgabe: PT1000 am Messeingang für Widerstän de des myDAQDer ADU im myDAQ abeitet mit 16 Bit. Der Widerstandsmessbereich beträgt 0 bis 20MΩ.Bei 0°C hat der PT1000 einen Widerstandswert von R0=1000Ω, bei 100°C beträgt R100=1385Ω.

Berechnung der Auflösung des in Ω und °C:

Auflösung ADU=Wertebereich

Anzahl der Zahlen=

20MΩ

216 =20MΩ

65536=305,18Ω

PT1000: 385Ω ≙ 100 °C → 1 °C ≙ 3,85Ω → 1Ω ≙ 0,2597 ° CAuflösung: 79°C ( 305,18 / 3,85)

Man muss den Messbereich also unbedingt einschränken, wenn man bei Zimmertemperatur misst:

Messbereich 0 bis 20k Ω:

Auflösung=Wertebereich

Anzahl der Zahlen=

20kΩ

216=

20kΩ

65536=0,30518Ω=0,079° C



A

D

Ubatt=10V

AnalogerEingang

DigitaleAusgänge

Takt = Samplingrate = 40kHz


3.3 Komparator (Schwellwertschalter) ohne HystereseKomparator bedeutet Vergleicher. Dieses Bauteil vergleicht einen analogen Wert mit einem Vergleichswert und zeigt an seinem Ausgang durch ein digitales High oder Low an, ob der Wert größer oder kleiner als der Vergleichswert ist.

Folgende Schaltzeichen sind gebräuchlich:

Bei den Symbolen mit zwei Eingängen schließt man auch den Vergleichswert am Bauteil an;wenn nur ein Eingang dargestellt ist, ist der Vergleichswert fest. Der Vergleichswert wird auch Schaltschwelle genannt.

3.4 Komparator (Schwellwertschalter) mit Hysterese (Schmitt-Trigger)Ein typisches Beispiel für einen Komparator mit Hysterese ist ein Kühlschrank mit dem Kühlbereich von z.B. 4 °C bis 6 °C:Ist die Temperatur > 6 °C beginnt der Kompressor zu kühlen, bis die untere Schwelle von 4 °C unter schritten wird. Dann schaltet der Kompressor aus. Der Kompressor schaltet erst dann wiederein, wenn die obere Schaltschwelle von 6 °C wieder über schritten wird. Dazwischen ist er AN oderAUS, je nachdem, in welcher Richtung sich die Temperatur ändert. (Die Hysterese ist hier 2 °C)Ein Komparator besitzt oft 2 Schaltschwellen, der Abstand der Schaltschwellen wird Hysterese genannt. Die Hysterese wird in Volt, Grad o.ä. angegeben.

Folgende Schaltzeichen sind gebräuchlich:

Arbeitsweise:• Wenn die obere Schaltschwelle überschritten wird, ist der Ausgang Q high.• Wenn die untere Schaltschwelle unterschritten wird, ist der Ausgang Q low.• Wenn die Spannung zwischen den Schaltschwellen liegt, bleibt der Ausgang wie er zuvor

war, der Zustand wird "gespeichert".



SchaltschwelleVergleichswert

Spannung

Ausgang Qt

t

Obere Schaltschwelle

Untere Schaltschwelle

Spannung

Ausgang Qt

t

Abstand der Schaltschwellen = Hysterese

comp


3.5 Analoger Schwellwertschalter(Komparator) in LOGO

LOGO setzt den analogen Spannungswert an denEingängen AI1 bis AI4 im Bereich von 0 bis 10V in eineninternen Rechenwert 0 bis 1000 um.Wir lassen zunächst Gain = 1,0sowie Offset = 0 und denMessbereich 0 bis 1000.Mit diesen Einstellungen kannman später Eingangsgrößeneinem bestimmtenWertebereich zuweisen.Wenn Gain = 1,0 und Offset = 0 ist, geltennebenstehendeZuordnungsbeispiele.

Der analoge Schwellwertschalter ist in LOGO ein Komparatormit zwei Schaltschwellen. Die Schaltschwellen heißen ONund OFF und können getrennt eingegeben werden.Benötigt man einen Schwellwertschalter mit nur einerSchaltschwelle, so gibt man für beide Schaltschwellen dengleichen Wert ein.

3.5.1 Schaltschwelle ON > Schaltschwelle OFF

Q = 1 falls Ax > ONQ = 0 falls Ax <= OFFQ bleibt falls OFF<=Ax<ON

3.5.2 Schaltschwelle ON < Schaltschwelle OFF (Fens terkomparator)

Q = 1 falls Ax zwischen ON und OFF



ON

OFF

Ax

Q

OFF

ON

Ax

Q

Spannung in V interner Rechenwert

0 0

0,1 10

1 100

5 500

7,5 750

8,37 837

10 1000


3.5.3 Testprogramm „Analoger Schwellwertschalter“• Schwarze Schiebeschalter AI1 / AI7 auf Position 2 (Analogeingang = Poti benutzen)• Schaltschwellen des analogen Schwellwertschalters wie folgt einstellen:

• ON (Ein): 600 OFF (Aus): 400• Meldetext mit Erklärungen und Anzeige des augenblicklich eingestellten Analogwerts.

Damit Meldungen ausgegeben werden, muss En (Enable) an High angeschlossen werden.

3.5.4 Einstellungen Schwellwertschalter und Meldet ext

Einstellungen Meldetext: Die Texte einfach eintippen, den „Zusammenhang“ zwischen Schwellwertschalter und Ausgabetext wie folgt herstellen: Im Feld „Block“ B001 markieren, im Feld„Parameter“ AX markieren, in das Kästchen hinter „Wert:“ klicken und dann „Parameter einfügen“!

3.5.5 Beobachtungen der Funktionsweise (Hysterese beachten!):• Erhöht man den Wert von 0 an, so geht die LED an, sobald der Wert 600 überschreitet.• Erniedrigt man den Wert von > 600 so geht die LED erst aus, wenn man 400 unterschreitet.• Im Bereich zwischen 400 und 600 bleibt der zuletzt ausgegebene Zustand erhalten.

Anregungen:• Fügen Sie andere Parameter im Meldetext ein!• Schließen Sie anstelle von High einen Schalter an den En-Eingang vom Meldetext-Modul

an! (Sie sollten den Text dann AN/AUS-schalten können)• Was ist zu tun, wenn die evtl. dauernd eingeschaltete Lampe M1 stört?




3.6 Analoger Schadstoffmelder (Übung, ohne Hystere se)Die Schadstoffkonzentration wird von einem Sensor mit einer Spannung von 0 bis 10V gemeldet.

• Wenn die Spannung kleiner/gleich 4V ist, ist die Schadstoffkonzentration gering und die grüne LED soll anzeigen, dass alles in Ordnung ist!

• Ist die Spannung größer als 4V, ist die Konzentration bedenklich und die rote LED leuchtet.• Auf dem LOGO-Display soll die Konzentration von 0 bis 1000 und einer der Texte

Schadstoffe „gering“ oder Schadstoffe „bedenklich“ erscheinen.

3.6.1 Simulation Wert größer 400

Bild einfügen!

• Die rote LED leuchtet und der Meldetext "bedenklich" erscheint.• Wenn man Merker 25 an High anschließt, leuchtet die LCD-Hintergrundbeleuchtung

dauernd. Würde man M25 an den Meldetext "bedenklich" anschließen, würde Beleuchtung nur angehen, wenn der Schadstoffwert größer als 400 ist.

3.6.2 Simulation Wert kleiner/gleich 400

Bild einfügen!

• Die grüne LED leuchtet und der Meldetext "gering" erscheint.




3.7 Schadstoffkonzentrationsanzeige mit 3 Stufen ( Übung)Die Schadstoffkonzentration wird von einem Sensor mit einer Spannung von 0 bis 10V gemeldet.

• Wenn die Spannung kleiner/gleich 4V ist, herrscht ein geringe Schadstoffkonzentration unddie grüne LED leuchtet.

• Liegt die Spannung zwischen 4 und 6V, ist die Konzentration mittel und die gelbe LED leuchtet.

• Überschreitet die Spannung 6V, so ist die Konzentration hoch und die rote LED leuchtet.• Auf dem LOGO-Display soll die Konzentration von 0 bis 1000 als Zahl und als

Balkenanzeige erscheinen sowie einer der Texte Schadstoffe geringe Belastung / mittlere Belastung / Gefahr angezeigt werden.

• Achten Sie auf die genaue Einhaltung der Schaltschwellen und prüfen Sie diese!

3.7.1 Simulation bei mittlerer Belastung

Bild einfügen!

• Schaltschwellen des mittleren Schwellwertschalters beachten! (sonst leuchten bei 400 bzw. 600 jeweils 2 LEDs)

• Nun aber Gefahr der Schwingungsneigung, wenn auf der realen LOGO genau 400 oder 600 eingestellt wird. (Relais geht dauernd an und aus, dies ist durch ein Rattern hörbar.)

• Untere Zeile des Meldetexts als Ticker (Laufschrift)




3.8 2-Bit-Analog-Digital-Umsetzer aufgebaut aus 4 Schwellwertschaltern

Am Eingang AI1 ist ein Poti angeschlossen, mit dem man Spannungen zwischen 0 und 10 V einstellen kann. Wir bilden einen 2-Bit-Analog-Digital-Umsetzer nach mit folgenden Eigenschaften:Bei Eingangsspannungen zwischen 0 und 1V wird an den Ausgängen die Dualzahl 00 dargestellt; Spannungen zwischen 1V und 2V bedeuten Dualzahl 01 usw. bis zur Dualzahl 11.

Beachten Sie die eindeutige Zuordnung an denBereichsgrenzen! Bedeutet 1V Dualzahl 00 oder 01?



A

D

Ubatt=10V

AnalogerEingang

DigitaleAusgänge

Takt = Samplingrate wird bestimmt durch die Programmlaufzeit

Q1

Q2

2-Bit-Dualzahl

Schwellwertschalter mit je einer Schaltschwelle bei1V, 2V, 3V, 4V

Schwellwertschalter mit je zwei Schaltschwelle bei0V/1V, 1V/2V, 2V/3V, 3V/4V

Q2 Q1 Spannung zwischen0 0 0 und 0,990 1 1 und 1,991 0 2 und 2,991 1 3 und 3,99


3.9 Pumpensteuerung für thermische Solaranlage (Üb ung)Die Warmwassererwärmung wird durch eine thermische Solaranlage unterstützt. Von den Sonnenkollektoren auf dem Dach soll dann Wasser in den Warmwasserspeicher im Keller gepumpt werden, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Sonnenkollektoren und Warmwasserspeicher 15°C beträgt.Betriebsmittel:

• 2 Temperatursensoren: 0 - 10V entspricht 0 - 100°C• Pumpe • Schalter Unterstützung Warmwasser durch Solaranlage An / Aus

Anleitung: Der LOGO-Funktionsbaustein "Analogkomparator" besitzt 2 analoge Eingänge, deren Differenzwert den Ausgang steuert.

(Bild einfügen)

3.10 Jalousiesteuerung (Übung)Die Jalousie der Carl-Engler-Schule soll dann heruntergefahren werden (Ausgang Q1=1; Q2=0), wenn der analoge Sonnensensor eine Spannung von mehr als 8V abgibt. Bei einer Spannung von 3V wird sie wieder hochgefahren (Ausgang Q1=0; Q2 = 1).(Hinweis: Die Jalousie hat Endschalter, die beim Herunter- oder Hochfahren die Jalousie automatisch stoppen, wenn die Endstellung erreicht ist.)

(Bild einfügen)




3.11 Temperaturmessung mit PT1000 und Messverstärk er (Übung)Der Messverstärker liefert Spannungen von 0V bis 10V, was Temperaturen von -30°C bis +70°C entspricht. Der Messverstärker benötigt eine Versorgungsspannung zwischen 12V und 24V.(Hinweis: Ohne „Zusatz-Tricks“ entsprechen 0 – 10V dem Temperaturbereich 0°C bis +100°C)

3.11.1 Anschluss: (24V: rot, 0V (GND): schwarz, 0. .10V: gelb)

3.11.2 Verarbeitung der Zahlenwerte:

3.11.3 Programm Temperaturanzeige und Heizungssteu erung

Damit Logo einen Sinn in der Schaltung sieht, wird ein Ausgang benötigt, hier z.B. die Heizung.



-30°C

0°C

+70°C

0V

3V

10V

0

300

1000

-300

0

700

-30.0°C

0.0°C

+70.0°C

Messverstärker Logo-interneZuordnung

Offset-300

Anzeige mit 1 Dezimalstelle

Mess-verstärker

24V-Buchse

AIN3-Buchse(I1)

0V-Buchse

LOGOSchiebeschalter 1 auf 24V (Ain)

ϑ↑↑

PT10000..10V

24V

0V


3.12 Heizungsregelung mit 2-Punkt-Regler (Übung)Als Heizung dient eine Halogenlampe. Unter der Lampe ist der Temperatursensor angebracht, der durch die Heizung erwärmt wird. Die Lampe erhält ihre Energie von einem 12V-Netzteil und wird mit einem MOSFET ein- und ausgeschaltet. Der 5V-Ausgang der LOGO-Platine kann den MOSFET direkt ansteuern.

Wenn Ein- und Ausschalten bei der gleichen Spannung (Temperatur) erfolgt, hört man, wie das Relais oft schnell ein- und ausschaltet. Dies zerstört auf Dauer das Relais und schadetder Heizung.

Daher unterscheiden sich Ein- und Ausschaltpunkt, hier um 0,2°C (also 0,02V). Man sprichtvon einer Hysterese von 0,2°C.


Mess-verstärker

AIN3-Buchse(I1)

GND-BuchseSchiebeschalter 1 auf 24V (Ain)

ϑ↑↑

PT10000..10V

24V

0V

G

Q1 out_5V

GND

12V

12VLOGO-Steuerung



3.13 Heizungs-Zweipunktregler mit Temperaturvorwah l am PotiDie gewünschte Temperatur kann mit einem Potenziometer, das an AIN4 angeschlossen ist, vorgewählt werden.




4 Speichern von Informationen

4.1 Erklärung des Begriffs Speichern am Beispiel F ahrstuhlanforderung• Durch Drücken des Tasters teilt man dem Fahrstuhl mit, dass er kommen soll.

• Der Fahrstuhl teilt mir mit, dass er sich die Anforderung gemerkt hat, indem die Lampe im Taster leuchtet. Neu: Die Lampe leuchtet, auch wenn man den Taster losläss! Dies funktioniert, weil die Anforderung in einem Flipflop gespeichert wurde.

• Sobald der Fahrstuhl da ist, setzt ein Kontakt im Fahrstuhlschacht das Fipflop zurück, die Lampe erlischt (die Anforderung wurde erfüllt!)

4.2 RS-Flipflop

4.2.1 Schaltzeichen / einfache Funktionstabelle / Ablaufdiagramm

4.2.2 BegriffeSetzen (set): den Ausgang auf 1 bringen

Rücksetzen (reset): den Ausgang auf 0 bringen

Rücksetzdominant : Rücksetzen hat Vorrang vor Setzen; bei S=R=1 wird rückgesetzt(Eingentlich wüsste das FF bei S,R = 1,1 nicht, was es machen soll)

Highaktiv: die Eingänge reagieren auf 1 (Lowaktiv: Die Eingänge reagieren auf 0)

4.3 RS-Flipflop aus Grundgattern

4.3.1 erweiterte Funktionstabelle und abgelesene F unktionsgleichungZum Schaltungsentwurf muss man die Funktionstabelle erweitern:Links steht der Zustand von Q vor der Tastterbetätigung, rechts nach der Tasterbetätigung.



R

QS

S R Q Zustand

0 0 Q speichern

0 1 0 rücksetzen

1 0 1 setzen

1 1 0 rücksetzdominant

S

R

Q

Qvor S R Qnach Zustand

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1


4.3.2 SchaltungQ = /R * (S + Q)

4.3.3 Wie funktioniert das Speichern?

4.4 Fertiges RS-Flipflop in LOGO – Baustein „Selbs thalterelais“Der fertige Baustein heißt in LOGO Selbsthalterelais und hat die Funktion eines rücksetzdominaten RS-Flipflops.

Testen Sie den Baustein und vergleichen Sie mit der vorherigen Schaltung!



≥1

&1R

S

Q


4.5 Selektive BandweicheAuf einem Transportband werden lange und kurze Werkstücke in beliebiger Reihenfolge transportiert. Die Bandweiche soll so gesteuert werden, dass die ankommenden Teile nach ihrer Länge getrennten Abgabestationen zugeführt werden. Die Länge der Teile wird über eine Abtastvorrichtung ermittelt (Rollenhebel S1, S2, S3): Durchläuft ein langes Teil die Abtastvorrichtung, sind kurzzeitig alle drei Rollenhebel betätigt. Durchläuft ein kurzes Teil die Abtastvorrichtung, wird kurzzeitig nur der mittlere Rollenhebel betätigt. Bewegt wird die Bandweiche durch einen pneumatischen Zylinder, der von einem 5/2-Wegeventil mit elektromagnetischer Betätigung und Rückstellfeder angesteuert wird. Ist der Elektromagnet M1 des Ventils stromdurchflossen, fährt der Kolben des Zylinder aus.

Bildquelle: Wellenreuther, G.& Zastrow, D. (2011): Automatisieren mit SPS – Theorie und Praxis, Vieweg+Teubner, Wiesbaden, S. 103

Wie könnte man das Problem mit der LOGO lösen?

• Formulieren Sie die Lösung zunächst in Worten!

• Ergänzen Sie die logische Schaltung für den Setz- und Rücksetzbefehl und testen Sie die Funktion in LOGO (das betätigte Magnetventil M1 entspricht dann einer Lampe)



R

QS


4.6 MilchanlageEine Milchanlage besteht aus zwei Tanks:

Bildquelle: Informatik und Informationstechnik für allgemeinbildende und beruflich Gym. Europa Lehrmittel: Haan-Gruiten, 2011, S. 41

Der linke, große ist der Sammelbehälter, in dem die Milch zunächst gesammelt wird. Der rechte Behälter dient dazu, die Milch im Hofladen des Bauernhofes abzufüllen. Dazu wird die Milch aus dem Sammelbehälter mit Hilfe einer Pumpe in den Versorgungsbehälters des Hofladens gepumpt.

Für die Steuerung sind die folgenden Bedingungen zu beachten:

1. Die Pumpe darf nicht laufen, wenn der Sammelbehälter leer ist. Der Füllstand des Sammelbehälters wird dabei über den Schwimmschalter S1 überwacht (S1 = 0 bedeutet, dass der Tank leer ist).

2. Die Pumpe darf nur dann anlaufen, wenn der Mindestfüllstand des Versorgungsbe-hälters unterschritten (S2 = 0) wird. Ist dies der Fall, wird der Behälter sofort auf die maximale Füllhöhe aufgefüllt (S3 = 1). Sinkt der Milchpegel danach unter die maxi-male Füllhöhe ab, bleibt die Pumpe vorerst abgeschaltet (P = 0).

3. Die Pumpe darf nur anlaufen, wenn der Deckel des Versorgungsbehälters ge-schlossen ist (S4 = 1).

Funktionsplan

Funktionsplan in LOGO erstellen und testen, evtl. zunächst auf Papier

Überlegen Sie zunächst, wie der Setz- und Rücksetzeingang beschalten werden muss!




4.7 ReaktionstesterMit zwei RS-Flipflops soll ein Reaktionstester für zwei Spieler gebaut werden (siehe Abbildung). Gewonnen hat der Spieler, welcher zuerst seinen Buzzer betätigt und der Gewinn wird über eine Lampe angezeigt.

Der Zustand der Lampen kann durch erneutes Drücken der beiden Spieler nicht mehr geändert werden, sondern muss über die Taste Neues Spiel in den Ausgangszustand versetzt werden.

Bildquelle: Informatik und Informationstechnik für allgemeinbildende und beruflich Gym., Europa Lehrmittel: Haan-Gruiten, 2011, S. 41

Funktionsplan

zunächst auf Papier, dann Abbildung durch Grundverknüpfungen und Leitungen ergänzen.




4.8 Straßenbahn In der Straßenbahn signalisiert der Fahrgast mit dem Betätigen von S1, dass er an der nächsten Haltestelle aussteigen möchte. Der Wunsch des Fahrgastes wird gespeichert und über die Lampe P1 als Haltesignal angezeigt.

a) Entwerfe eine passende Schaltung, in dem du die Abbildung durch Leitungen und ggf. logische Grundfunktionen (UND, ODER, NICHT) ergänzt.

An der nächsten Haltestelle gibt der Fahrer über den Taster S2 die Tür frei. Die Tür öffnet nun automatisch, falls vorher S1 betätigt wurde. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Tür mit dem Drücken der Taste S1 direkt an der Haltestelle zu öffnen. Tür öffnet: E = 1, wobei ein Impuls an E genügt. Nach 15 Sekunden schließt die Tür automatisch (was in der Aufgabe nicht umgesetzt werden muss).

b) Erweitere die Schaltung entsprechend.

Ist die Tür vollständig geöffnet, soll die Lampe P1 (Haltesignal) gelöscht werden. Die Türanlage liefert bei vollständig geöffneter Tür A = 1, in allen anderen Fällen A = 0. Mit der Taste S3 sperrt derFahrer die Türanlage und das Haltesignal wird gelöscht.

Bildquelle: Informatik und Informationstechnik für allgemeinbildende und berufliche Gym., Europa Lehrmittel: Haan-Gruiten, 2011, S. 41



P1

R

QS


5 Zeitgeber, TimerAus Ihrem täglichen Leben kennen Sie einige Beispiele, in denen Schaltzeiten eine Rolle spielen:

1. Eine Treppenhausbeleuchtung: Durch Drücken eines Tasters (z.B. im EG) wird die Beleuchtung eingeschaltet und geht nach einer fest eingestellten Zeit (z.B. 30 sec) von alleine wieder aus. Wird während der Einschaltzeit erneut ein Taster gedrückt (z.B. im ersten OG), kann es sein, dass die Zeit von vorne losläuft („nachtriggerbar“) oder auch nicht (Dann muss man eben schnell sein!)

2. Eine Auto-Innenbeleuchtung: Bei Nacht ist folgendes zu beobachten: Wenn man den Motorausschaltet, geht die Innenbeleuchtung an; nach Verlassen des Autos und Schließen der Tür bleibt die Beleuchtung noch eine gewisse Zeit lang an und geht dann von alleine aus.

3. Eine Alarmanlage: Wenn man das Haus verlässt, schaltet man die Alarmanlage ein; sie sollaber erst dann richtig „scharf“ sein, wenn man außer Haus ist (also z.B. 2 min später)

Für solche Zeitprobleme bietet die LOGO einige fertige Bausteine.

Wichtige Begriffe:Triggersignal: Das Signal, mit dem der Vorgang ausgelöst wird; dies kann entweder an der positiven Signalflanke (beim Drücken des Tasters, Signal wechselt von 0 ↑ 1) oder an der negativen Signalflanke (beim Loslassen des Tasters, Signal wechselt von 1 ↓ 0 ) passieren.Beobachten Sie in allen Beispielen genau, an welche r Flanke eine Reaktion erfolgt!Impulszeit: Die Zeitdauer des Ausgangssignals, meist mit T oder Ti oder ti bezeichnet

Bei allen Bausteinen werden die einzustellenden Parameter in der Hilfe ausführlich erläutert!

5.1 Einschaltverzögerung




5.2 LOGO-Ausschaltverzögerung

5.3 Norm-Ausschaltverzögerung

Hinweis für die folgenden Beispiele:Die Schaltung wird übersichtlicher und besser lesbar, wenn man Ein- Ausgänge sinnvoll benennt! Erinnerung an einen der ersten Termine, so geht’s:Rechtsklick auf den Programmnamen – Eigenschaften – I/O-Namen



Eingang 0 und Zeit abgelaufen→ Ausgang 0

Eingang 1 → Ausgang 0

Eingang wechselt auf 0 → während der Verzögerungszeit ist der Ausgang 1

Trg

Q

Zeit läuft


5.4 Lauflicht mit Norm-Ausschaltverzögerungen (Ein mal-Durchlauf)Durch Hintereinanderschaltung von 3 Norm-Ausschaltverzögerungen ist ein Lauflicht nach dem vorgegebenen Ablaufdiagramm zu programmieren.

5.5 Automatisches Lauflicht a) Nr 5.4 soll so erweitert werden, dass das Lauflicht ständig durchläuft! Beachten Sie, dass kein Ausgang direkt mit einem Eingang verbunden werden darf! (Warum nicht?)

b) Statt des Schalters wird ein Merker verwendet, der nach Doppelklick als „Anlaufmerker“ verwendet wird. (Was ist eigentlich ein „Anlaufmerker“? Ein Blick in die Hilfe hilft!)

5.6 Einfache AmpelsteuerungFolgender Ablauf soll realisiert werden:

Bauen Sie zunächst eine Norm-Ausschaltverzögerung auf, wobei sie jedochden Ausgangsblock Q1 durch einer MerkerM1 ersetzen!

Kopieren Sie die entstandeneVerzögerungsschaltung drei Maluntereinander und verschalten Sie diesewie für ein Lauflicht.

Die Ausgänge der Merker sind nun mitgeeigneten UND/-ODER-Verknüpfungen mitden Ausgängen Q1 (rot), Q2 (gelb), Q3(grün) zu verbinden.Hier könnte eine Funktionstabelle helfen!

5.7 Fußgänger-AmpelErgänzen Sie Ihre Ampel durch eine Fußgängerampel.

5.8 Fußgänger-BedarfsampelÄndern Sie Ihre Ampel so ab, dass der Zustand „Auto-rot“ nur dann verlassen wird, wenn ein Fußgänger „grün“ angefordert hat.



I1

Q1

Q2

Q3

I1

Q1

Q2

Q3

M1

M2

M3

M4

rot

gelb

grün


6 Prinzip von Ablaufsteuerungen

6.1 Grundlegende Funktion einer SchrittketteWas ist eigentlich eine Schrittkette? https://de.wikipedia.org/wiki/Ablaufsteuerung liefert:Eine Ablaufsteuerung oder auch Schrittkette ist eine Steuerung, die schrittweise abläuft. Dieser Ablauf erfolgt zwangsläufig, wobei das Weiterschalten von Schritt A zu Schritt B durch Weiterschaltbedingungen (Transitionen) erfolgt, z. B. ein Zylinder fährt aus, transportiert ein Werkstück, dieses wird dann gespannt.Die Schritte könnte man auch Zustände nennen (Zustand 1 führt zu Zustand 2 usw...)

6.1.1 Schaltung einer Schrittkette in LOGO (oder i n Fluid-Sim)

6.1.2 Prinzipien• Nach dem Einschalten (Reset) sind alle RS-FFs rückgesetzt (alle M=0)

• Ein Schritt ist dann aktiv , wenn das zugehörige RS-FF gesetzt ist (M=1)

• Es kann nur in den nächsten Schritt geschaltet werden, wenn eine Übergangsbedingung (Weiterschaltbedingung, Transition) erfüllt ist und der vorhergende Schritt aktiv ist.Dies wird erreicht durch die Rückführung (rot) des Ausgangs M1 auf die UND-Verknüpfung vor dem S-Eingang von M2.Übergangsbedingungen können erzeugt werden durch Taster, Sensoren, Timer...

• Ein RS-Flipflop kann nur dann zurückgesetzt werden, wenn das RS-FF des Folgeschritts gesetzt wurde (M=1) oder bei NOT-Aus. Sobald Schritt 2 aktiv ist, wird Schritt1 sofort 0. Dies wird sichergestellt durch die Rückführung (blau) von M2 auf das ODER vor dem R-Eingang von M1.

• Die Ansteuerung der Betriebsmittel („Aktoren“ wie Lampen, Motoren, Zylinder, usw...) erfolgt durch logische Verknüpfung der Flipflop-Ausgänge.

6.1.3 Anmerkung: Warum heißen die Flipflop-Ausgäng e M?Normalerweise bezeichnet man die Flipflop-Ausgänge mit Q. Wenn wir aber die Schaltung in LOGO eingeben, heißen die Ausgänge der Schaltung Q, an denen die Betriebsmittel (Lampen, Motoren usw.) angeschlossen sind. Hinter die RS-FFs müssen deshalb Merker geschaltet werden, die sich die Zustände der RS-FFs merken.Daher bezeichnen wir die Ausgänge der Flipflop-Schaltungen mit den Merkern als M und die Ausgänge der Gesamtschaltung mit Q.



Start-Bedingung,z.B. Start-Taster

Übergangs-Bedingungzu Schritt 2

Bedingungalle Schritte auf 0

M1≥1M2

···

S

R

&

≥1

M1

Schritt1

S

R

&

≥1

M2

Schritt2

Logikzur

Ansteuerungder

Betriebs-mittel

·

·

·

·

·

·

Betriebs-mittel 1

Betriebs-mittel 2

Betriebs-mittel 3

Q1

Q2

Q3

M

M


6.2 Einfache Befüllung: grafische Darstellung mit ZustandsdiagrammGegeben ist das Technologieschema für eine einfache Befüllungsanlage; das Verhalten der Anlagekann durch ein Zustandsdiagramm beschrieben werden!In einem Zustandsdiagramm werden die verschiedenen Zustände durch Kreise, die Übergänge von einem in den anderen Zustand durch Pfeile dargestellt! An die Pfeile schreibt man die Übergangsbedingungen!Machen Sie sich anhand des Technologischemas das Zustandsdiagramm klar!

6.3 Einfache Befüllung: grafische Darstellung mit GRAFCET (ignorieren)

Erklärungen:



GrundzustandVentil oben zuVentil unten zu

Rührer aus

BefüllenVentil oben aufVentil unten zu

Rührer an

EntleerenVentil oben zu

Ventil unten aufRührer an

Starttasterbetätigt

Füllstand obenüberschritten

Füllstand untenunterschritten

Reset

M

Ventil oben

Ventil unten

Füllstand

oben

Füllstandunten

Rührer

Starttaster

Technologieschema

„Befüllen“

„Entleeren“

1 Ventil oben AUF Rührer bleibt EIN

Starttaster

2 Ventil unten AUF

Füllstand_oben

Rührer AUS

Füllstand_unten

„Grundzustand“ 0

Einmalige Ausführung

Ausführung zu Beginndes Zustands einschalten

Ausführung am Endedes Zustands ausschalten

Übergangsbedingung (Transition)2 Zustand, Schritt


6.4 Einfache Befüllung: zugehöriges AblaufdiagrammAnnahme: Zu Beginn ist der Behälter leer, Ventil = 1: AUF, Füllstand-Sensor bedeckt: 1

Starttaster (I)

Füllstand oben (I)

Füllstand unten (I)

M1

M2

Ventil oben (Q)

Ventil unten (Q)

Rührer (Q)

Zustand,Schritt

Grund-zustand

Befüllen,Schritt 1

Entleeren,Schritt 2

Grundzustand

6.5 Einfache Befüllung: zugehörige Schrittkette in LOGO

Sensoren und Schalter "erzeugen" die Übergangsbedingungen. Sie werden links an die Eingänge der Schrittkette angeschlossen. Die Betriebsmittel (Aktoren, hier Rührer und Ventile) werden rechts über logische Verknüpfungen mit den Ausgängen der Schrittkette verbunden.



Taster betätigen

Füllstand oben überschritten

Füllstand unten unterschritten

Füllstand oben→ M2 = 1→ M1 = 0→ Ventil unten

Taster→ M1 = 1→ Ventil oben

Füllstand unten→ M2 = 0

M1

≥1M2

S

R

&

≥1

M1

M2

Schritt1

S

R

&

≥1

M2

Schritt2M1

M1 M2

≥1

1

Starttaster

Füllstandoben

Füllstandunten

Ventiloben

Ventilunten

Rührer


7 Ablaufsteuerung einer Waschstraße

7.1 Beschreibung des AblaufsDer zeitliche Verlauf dieser Ablaufsteuerung lässt sich folgendermaßen beschreiben:

Grundzustand: AUSNach dem Einschalten der Versorgungsspannung und nach NOT-AUS.Alle Betriebsmittel sind aus, das Relais H besitzt einen Ruhekontakt, an dem die rote Ampel angeschlossen ist, diese leuchtet.

1. Schritt: BEREIT / AUSFAHRTDie Ampel ist grün.

2. Schritt: EINFAHRTDer Waschvorgang kann durch Betätigen der Starttaste (Start =1) eingeleitet werden, allerdings nur dann, wenn ein Fahrzeug über die Induktionsschleife (Ind = 1) erkannt wird. In diesem Fall wird das Transportband (Trans =1 ) eingeschaltet.

3. Schritt: WASCHENDas Fahrzeug wird vom Transportband durch die einzelnen Stationen der Waschanlage befördert. Erreicht das Fahrzeug die Lichtschranke 1 (L1 = 1), sollen die Reinigungswalze (RW = 1) und die Berieselungsanlage (Ber = 1) eingeschaltet werden. Gleichzeitig ist die rote Ampel (Hrot = 1) einzuschalten; diese signalisiert, dass das nächsteFahrzeug noch vor der Waschanlage warten muss.

4. Schritt: TROCKNENBeim Erreichen der Lichtschranke 2 (L2 = 1) muss einerseits das Stellventil der Berieselungsanlage wieder geschlossen werden (Ber = 0), und andererseits ist die Reinigungswalze auszuschalten (RW = 0). Gleichzeitig schaltet sich das Trocknungsgebläse ein (Gebl = 1).

5. Schritt: AUSFAHRTErreicht das Fahrzeug schließlich die Lichtschranke 3 (L3=1), ist der Trocknungsvorgang beendet. Gebläse und Transportband werden wieder ausgeschaltet. Die grüne Ampel musseingeschaltet werden.Dieser Schritt entspricht dem Schritt BEREITschaft



M M

M

HrotHgr

Ber RW Gebl Transp

M

L1 L2 L3

AnlageEin Start

Ind

Not-AUS

H

Hgr Hrot


7.2 AufgabenZeichnen Sie das Zustandsdiagramm, die GRAFCET-Darstellung und das Zeitablaufdiagramm. Entwickeln Sie daraus die Beschaltung der Schrittkette.Zeichnen Sie das LOGO-Programm unter Verwendung einer fertigen Schrittkette.

7.3 Zustandsdiagramm Waschstraße

Die Übergänge NOT-AUS werden aus Gründen der Übersicht oft nicht dargestellt.

7.4 GRAFCET-Darstellung Waschstraße (ignorieren)



0

1

Anlage Ein

grün bleibt AN

2

Ind & Start

Transp bleibt AN

3

L1

grün AUS Ber AN RW AN

4

L2

Gebl ANTransp AUS

L3

„AUS“

„BEREIT“

„EINFAHRT“

„WASCHEN“

„TROCKNEN“

AUSH = 0

Ber = 0RW = 0Gebl = 0

Transp = 0

BEREITH = 1

Ber = 0RW = 0Gebl = 0

Transp = 0

EINFAHRTH = 1

Ber = 0 RW = 0 Gebl = 0

Transp = 1

WASCHENH = 0

Ber = 1 RW = 1 Gebl = 0

Transp = 1

TROCKNENH = 0

Ber = 0 RW = 0

Gebl = 1 Transp = 1

Anlage Ein Ind & Start

L1

L2

L3Reset

Not-Aus

Not-Aus


7.5 Zeitablaufdiagramm Waschstraße

Anlage EIN

Start

Not-Aus

Ind

L1

L2

L3

Hrot

H = grün

RW

Ber

Gebl

Trans

Zustand,Schritt

AUS Bereit Schritt 1

Einfahrt, Schritt 2

Waschen, Schritt 3

Trocknen, Schritt 4

Bereit, Schritt 1

AUS

M1 = 1 M2 = 1 M3 = 1 M4 = 1 M1 = 1

hier kann man ablesen gut die Ansteuerungsschaltung für Betriebsmittel ablesen:

grün = M1 + M2 RW = Ber = M3Gebl = M4 Trans = M2 + M3 + M4




7.6 Waschstraße Steuerungsschaltung mit Schrittket te aus RS-Flipflopsschwarz: vorgefertigtes Arbeitsblattblau: ergänzte Bauteile für die Waschstraße

Hinweis: Die rote Lampe geht an, wenn die grüne Lampe aus ist. Die Umschaltung erfolgt durch das Relais H

Besonderheiten:• Einschalten (EIN) der Anlage möglich nach dem Resetzustand (M1=M2=M3=M4=0) oder

nach Schritt 4.• M4 wird gelöscht, wenn M1 = 1.



M1

≥1M2

S

R

&

≥1

M1

M2

Schritt1

Schritt2

S

R

&

≥1

M2

M3

M1

M1 M2 M3

S

R

&

≥1

M3M2

Schritt3

S

R

&

≥1

M4M3

Schritt4

M4

M4

≥1

≥1

&

EIN

Start

L3

Ind

L1

L2

M1

≥1

H (grün)

RW

Ber

Gebl

Trans

M3

Not-AUS


7.7 Schrittkette Waschstraße in LOGO




8 Schaltwerk für eine Waschmaschine Mit Hilfe einer Schrittkette soll eine Waschmaschinensteuerung entworfen werden.

8.1.1 Betriebsmittel• Kaltwasserventil V

• Heizung H

• Motor M

• Pumpe P

8.1.2 Weiterschaltungin den nächsten Schritt istabhängig von

• einem Starttaster S,

• einem oberenFüllstandssensorFoben,

• einem unterenFüllstandssensor Funten,

• einem Temperatursensor T

• und einem Zeitgeber Z.

8.1.3 Funktion des ZeitgebersSobald an seinem Eingang Ze eine 1 anliegt, liefert der Ausgang Zanach genau 10 Minuten einen kurzen Impuls.

8.1.4 AblaufDer Ablauf der Steuerung findet in den folgenden Schritten statt:

1. Alles ausgeschaltet (nach Reset)

2. WasserzulaufStart des Waschvorgangs durch Taste S (S=1) -> Waschtrommel mit Wasser füllen (V=1), bis Füllstand (Foben=1) erreicht.

3. HeizenMotor einschalten (M=1). Heizung einschalten (H=1), bis Temperatur (T=1) erreicht.

4. WaschenZeitgeber aktivieren -> Motor bleibt eingeschaltet, bis nach 10 Minuten kurz Za=1 wird.

5. AbpumpenMotor ausschalten. Abpumpen (P=1), bis der Füllstand unterschritten wird (Fu=0)

6. Alles ausgeschaltet wie 1. -> Ende des Waschvorgangs

8.2 AufgabenZeichnen Sie das Zustandsdiagramm, die GRAFCET-Darstellung und das Zeitablaufdiagramm. Entwickeln Sie daraus die Beschaltung der Schrittkette.Zeichnen Sie das LOGO-Programm unter Verwendung einer fertigen „Schrittkette4.lsc“.



V

P

M

M

H

Waschtrommel

PumpeMotor

Ventil

Heizung

Wasserablauf

Wasserzulauf

20min

ZeZaZe Za


8.3 Zustandsdiagramm Waschmaschine

V Ventil

M Motor

H Heizung

P Pumpe

S Starttaste

Fo Füllstand oben

Fu Füllstand unten

T Temperatursensor

Ze Zeitgeber Eingang

Za Zeitgeber Ausgang

8.4 GRAFCET-Darstellung Waschmaschine



AUSV = 0M = 0H = 0P = 0

WasserzulV = 1M = 0H = 0P = 0

HeizenV = 0M = 1H = 1P = 0

AbpumpenV = 0M = 0H = 0P = 1

WaschenV = 0, M = 1H = 0, P = 0Zeitgeber aktivieren

S=1 Fo=1

T=1

Za=1

Reset

Fu=0

0

1 Ventil auf

2

3 Zeitgeber an

4 Pumpe an

Motor bleibt anHeizung an

Motor aus

Start-Taster

Füllstand oben erreicht

Temperatur erreicht

Zeit abgelaufen

Füllstand unten unterschritten

„Aus“

„Wasserzulauf“

„Heizen“

„Waschen“

„Abpumpen“


8.5 Zeitablaufdiagramm Waschmaschine

Starttaste S

Füllstand oben Fo

Füllstand unten Fu

Temperatur T

Ze Zeitgeber Eingang

Za Zeitgeber-Ausgang

Ventil V

Motor M

Heizung H

Pumpe P

Zustand,

Schritt

AusGrund-zustand

Wasser-zulauf Schritt 1

Heizen,

Schritt 2

Waschen,

Schritt 3

Abpumpen,

Schritt 4

Aus Grund-zustand

M1 = 1 M2 = 1 M3 = 1 M4 = 1

8.6 Erklärung der Funktion des Zeitgebers (Timers) Der Zeitgeber heißt in LOGO Einschaltverzögerung . Wir verwenden ihn aber als Übergangsbedingung, um einen Zustand (Schritt) wieder automatisch zu verlassen.

• Der Eingang des Zeitgebers wird an denAusgang des FFs angeschlossen, das denSchritt signalisiert, hier Schritt3.

• Sobald der Schritt aktiv ist, startet derZeitgeber.

• Wenn die im Funktionsbaustein eingestellte Zeit abgelaufen ist, geht der Ausgang des Zeitgebers auf 1. Dieser ist an den Setz-Eingang des nächsten RS-FFs angeschlossen. Dadurch beginn der nächste Schritt (4)

• Mit diesen nächsten Schritt (4) wird das FF des vorherigen Schritts (3) rückgesetzt und damit auch der Eingang des Zeitgebers. Dadurch geht auch der Ausgang des Zeitgebers wieder auf 0.



20min

ZeZaZe Za


8.7 Schrittkette Waschmaschine, realisiert mit LOG O




9 Schwimmbecken mit Sonnenkollektorheizung

9.1 Technologieschema

9.2 Gewünschter Ablauf 0. Aus: Alle Betriebsmittel aus, 2-Wegeventil Richtung Filter

Einschalten mit Starttaste, dies kann auch der Impulskontakt einer Zeitschaltuhr sein.Bei allen weiteren Schritten ist die Umwälzpumpe an.

1. Reinigungsmittel hinzufügen bis Portionsbehälter leer (RMleer = 1).

2. Durchfluss zum Wärmetauscher, Solarpumpe an bis Zeitgeber 15min abgelaufen ist. Das Becken wird über die Wärmetauscher von den Sonnenkollektoren geheizt.

3. Durchfluss zum Filter, Heizung an, falls Zusatzheizung gewünscht (ZH = 1) und Temperatur des Beckens zu gering ist (TB = 0).Übergang zum nächsten Schritt wenn der Zeitgeber nach 10min abgelaufen ist.

4. Durchfluss zum Filter, Heizung aus, Nutzung der Heizungsnachwärme für 5 min, anschließend weiter mit Schritt 2

Hinweis: Verwenden Sie 3 Zeitgeber-Bausteine (LOGO: Einschaltverzögerungen)

9.3 AufgabenZeichnen Sie das Zustandsdiagramm oder die GRAFCET-Darstellung sowie das Zeitablaufdiagramm. Entwickeln Sie daraus die Beschaltung der Schrittkette.Zeichnen und testen Sie das LOGO!-Programm unter Verwendung einer fertigen Schrittkette.

Wenn der Ablauf funktioniert, fügen Sie folgende Änderung ein: Statt des Sensors TB wird die gemessene Temperatur mit einem am Poti voreingestellten Sollwert verglichen. Temperatur 0...100°C entspricht in LOGO dem Zahlenwert 0 bis 1000. Ebenso ist am Poti theoretisch ein Vorgabewert von 0 bis 1000 (wobei der Wert elektrisch auf 250 begrenzt ist (25C°))



10min

ZeZaZe Za

Filter

Schwimmbecken

S Starttaste

RMleer

RMauf

Reinigungsmittel

UPUmwälzpumpe

Duchfluss zum Filter V=0Durchfluss zum Wärmetauscher V=1

SPSolarpumpe

HHeizung

Sonnenkollektor

ZH Zusatz-heizung an

TBTemperaturBecken

Wärme-tauscher


9.4 GRAFCET-Darstellung

Starttaste S

RMleer

Zusatzheizung gewünscht ZH

Temperatur Becken TB

Ventil Reinigungs-mittel RM

Umwälzpumpe UP

Zweiwegeventil V

Solarpumpe SP

Heizung H

1. Timer 15 min

1. Timer 10 min

2. Timer 5 min

Zustand,

Schritt

Aus Reinigungs-mittel zufügenM1 = 1

15 min solar beheizenM2 = 1

10 min filtern,heizenM3 = 1

5 minNachlaufM4 = 1

15 min solarbeheizenM2 = 1

10 min filternM3 = 1



0

1 Ventil VM auf

2Ventil V=1

Wärmetauscher

Starttaste gedrückt

Reinigungsmittelbehälter leer

1 . Timer abgelaufen

„Grundzustand“

„Reinigungs-mittel zufügen“

„15 min solar beheizen“

„10 min Filter u. Zusatzheizung“

1.Timer 10minstarten

3Ventil V=0

FilterHeizung an wennZH=1 und TB=0

2. Timer abgelaufen

2.Timer 10minstarten

Ventil V=0Filter

UmwälzpumpeUP bleibt an

SolarpumpeSP an

3Ventil V=0

Filter

3. Timer abgelaufen

3.Timer 5minstarten

„5 min Nachlauf“


9.5 Schrittkette in LOGO mit analoger Temperaturme ssung und Meldetexten

Hinweis: Zu Testzwecken wurden die Timer auf Sekunden statt Minuten eingestellt.




10 Mischanlage

10.1 TechnologieschemaF1 Füllstandssensor Behälter 1

V1 Auslass-Ventil Behälter 1

F2 Füllstandssensor Behälter 2

V2 Auslass-Ventil Behälter 2

R Rührer

H Heizung

Fo Füllstand oben

Fm Füllstand Mitte

Fu Füllstand unten (leer -> Fu = 0)

T Temperatur Mischbehälter

VM Auslass-Ventil Mischbehälter

S Starttaste

10.2 Gewünschter Ablauf Grundzustand: alle Betriebsmittel aus, Ventile sind geschlossen. Jeder der Behälter 1 + 2 besitzt ein rote Warnlampe, die signalisiert, dass der Behälter leer ist. Wenn eine der Lampen leuchtet, kann die Anlage nicht gestartet werden.

Wenn der Mischbehälter leer ist , die beiden Behälter 1+2 gefüllt sind und die Starttaste gedrückt wird, öffnet Ventil das Ventil des Behälters 1 und Flüssigkeit 1 wird in den Mischbehälter gefüllt.

Wenn der untere Füllstand (Fu = 1) erreicht ist, wird V1 geschlossen und die Flüssigkeit aus Behälter 2 wird in den Mischbehälter gefüllt bis der obere Füllstand (Fo = 1) erreicht ist.

Nun ist der Zulauf beider Flüssigkeiten beendet, sie können verrührt werden. Dazu werden Rührer und Heizung eingeschaltet bis die gewünschte Temperatur erreicht ist (T = 1).

Nun bleibt der Rührer 10 min alleine an.

Anschließend wird die Mischflüssigkeit mit VM abgelassen, der Rührer bleibt eingeschaltet.

Sobald der Mischbehälter leer ist, geht die Anlage in den Grundzustand.

10.3 Aufgaben• Überlegen und begründen Sie, wie viele Zustände Sie benötigen und benennen Sie

die Zustände sinnvoll.

• Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm oder die GRAFCET-Darstellung sowie das Zeitablaufdiagramm.

• Entwickeln Sie daraus die Beschaltung der Schrittkette.

• Zeichnen Sie das LOGO!-Programm unter Verwendung einer fertigen Schrittkette

10.4 ZusatzaufgabeDie Füllstände Fo, FM, Fu werden von einem analogen Sensor FA erfasst. Welche Programmänderungen sind notwendig?



M

Behälter 1

R

S Starttaste

F1 F2

V1 V2

Fo

Fm

Fu

VM

Behälter 2

Misch-Behälter

H

T


10.5 GRAFCET-Darstellung Mischanlage mit 5 Schritt en

alternative Grafcet-Darstellung mit 4 Schritten

| 10min /X4 bedeutet: Das Ventil VM wird 10 min verzögert in Schritt 4 geschaltet



0

1 Ventil V1 auf

2

3 Heizung an Rührer bleibt an

Ventil V2 auf

4

Ventil VM auf

Starttaste gedrückt, Mischbehälter leer und Behälter 1+2 gefüllt

Füllstand Mitte erreicht

Füllstand oben erreicht

Temperatur erreicht

Timer abgelaufen

„Grundzustand“

„Mit Flüssigkeit1 befüllen“


„Heizen“

„Rühren“

5„Leeren“ Rührer aus

Mischbehälter leer

Timer 10 minstarten

S & /Fu & F1 & F2

0

1 V1

2

3 H R := 1

V2

4 VM

FM

Fo

T

/Fu

„Aus“



„Heizen“

„Mischen,Nach 10 min Entleeren“

R := 0

10min / X4


10.6 Zeitablaufdiagramm

Starttaste S

Füllstand Behälter 1 F1

Füllstand Behälter 2 F2

Füllstand Misch-behälter oben Fo

Füllstand Misch-behälter Mitte Fm

Füllstand Misch-behälter unten Fu

Temperatur T

Ventil Behälter 1V1

Ventil Behälter 2V2

Ventil Misch-Behälter VM

Rührer R

Heizung H

Zustand,

Schritt

Aus Flüssigkeit 1befüllenM1 = 1

Flüssigkeit 2befüllenM2 = 1

Heizen

M3 = 1

Rühren10 minM4 = 1

Entleeren

M5 = 1

Flüssigkeit 1 befüllenM1 = 1

Hinweis: Wenn man den Ablauf mit 4 Schritten löst, bleibt der Ablauf bestehen, jedoch sind M4 undM5 zusammen ein Schritt.




10.7 Mischanlage Schrittkette mit 3 Schritten in L OGO

Der Timer startet den 5. Schritt. Dessen Ausgang geht wieder auf null, wenn der Eingang (M4 )beim 5. Schritt auf null geht.




10.8 Mischanlage Schrittkette mit 4 Schritten in L OGO

Hier sieht man, warum der Timer in LOGO Einschaltverzögerung heißt. Er schaltet das Ventil VM in Schritt 4 mit einer Verzögerung ein. Das Ventil wird ausgeschaltet, wenn der Timereingang auf null geht, also Schritt 4 beendet wird weil der Mischbehälter leer ist.




10.9 Mischanlage mit analogem Füllstandssensor des Mischbehälters

An den analogen Eingang sind 3 analoge Schwellwertschalter geschaltet, die feststellen, ob der Füllstand oberhalb des eingestellten Schwellwerts ist.Die eingestellten Schwellwerte sind unten: 1% , Mitte: 40%, oben 80% des Maximalwerts.Da der LOGO-interne maximale Rechenwert 1000 beträgt (-> 10V), wurde 10, 400, 800 eingestellt.



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