Steuerungs- und Regelungstechnik

1. Steuerungs- und Regelungstechnik EinführungDefinitionenGrundlagen

2. Blockschaltbild einer Steuerung Energie z. B. Heiß- dampf Steuerstrecke z. B. Heizung Messumformer Steuergerät

3. Beispiel: Steuerung Außentemperatur- fühler Heizkörper oder Radiator Brenner Ventil Heizkessel

4. Blockschaltbild für die Steuerung einer Heizungsanlage eines EFH Heißwasser Steuerstrecke Energie- oder Massenfluss Stellglied Strecke Steuereinrichtung

5. Blockschaltbild einer Regelung Störgröße zL Störgröße zV Regel- Strecke Energie- / Massenfluss Messumformer Messumformer Regler P-, PI-, PD-, PID-

6. Beispiel: Regelung Innentemp-eraturfühler Außentemperatur- fühler Heizkörper oder Radiator Brenner Heizkessel Ventil

7. Blockschaltbild für die Regelung einer Heizungsanlage eines EFH Störgröße zL Die zu regelnde Größe: Störgröße zV Regel- Strecke Energie- / Massenfluss Messumformer Messumformer Regler P-, PI-, PD-, PID-

8. Steuern (DIN 19226) Das Steuern – die Steuerung – ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Kennzeichen für das Steuern ist der ________________________ über das einzelne Übertragungsglied oder die Steuerstrecke. Merke zu Steuerungen: - offener Wirkungsablauf - arbeitet in der Regel schneller - einfaches Handling - stabile Funktionen - kann willkürlich auftretenden Störungen nicht entgegenwirken

9. Regeln (DIN 19226) Das Regeln – die Regelung – ist ein Vorgang, bei dem eine Größe, die Regelgröße fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe - der Führungsgröße -verglichen und abhängig vom Ergebnis dieses Vergleiches im Sinne der An-gleichung an eine Führungsgröße beeinflusst wird. Der sich daraus ergebende Wirkungsablauf findet in einem ______________________ statt. Merke zu Regelungen: - geschlossener Wirkungsablauf - oft schwierig einzustellen (Handling) - kann zum Schwingen neigen, kann somit instabil werden - stetiger Soll- Istwert - Vergleich - kann den meisten willkürlich auftretenden Störungen entgegenwirken

10. Grundbegriffe der Steuerungstechnik Die Steuerstrecke ist derjenige Teil des Wirkungsweges, welcher den aufgabengemäß zu beeinflussenden Bereich der Anlage darstellt. Steuerstrecke = ____________________ Die Steuereinrichtung ist derjenige Teil des Wirkungsweges, welcher die aufgabengemäße Beeinflussung der Strecke über das Stellglied bewirkt. Steuereinrichtung betätigt das Stellglied Die __________________ ist die Ausgangsgröße der Steuereinrichtung und die Eingangsgröße der Steuerstrecke. Die __________________ ist die von außen wirkende Größe, die die beabsichtigte Beeinflussung in der Steuerung/Regelung beeinträchtigt. Die _____________________ ist eine von der betreffenden Steuerung nicht beeinflusste Größe, die der Steuerkette von außen zugeführt wird und der Ausgangsgröße der Steuerung in vorgegebener Abhängigkeit folgen soll.

11. Grundbegriffe der Regelungstechnik Die ______________ = derjenige Teil der Anlage, innerhalb dessen eine Beeinflussung der Regelgröße über das Stellglied erfolgen kann. Die __________________= die Gesamtheit aller Bauglieder, welche die aufgabengemäße Beeinflussung der Regelstrecke vollziehen. Der ________________= zur Bildung der Regeldifferenz (Regelabweichung) notwendig. Das ________________= das am Eingang der Strecke wirksame Bauglied, durch das auf die Regelgröße Einfluss genommen wird. Der ____________= der Ort an dem das Stellglied eingebaut ist. Die _______________= diejenige Größe, die im Sinne der Regelung beeinflusst werden soll und deren Istwert fortlaufend mit dem Sollwert verglichen wird. Die _________________= die Ausgangsgröße der Regeleinrichtung bzw. des Stellgliedes Die Störgröße ______________= von außen einwirkende Größen, die die Vorgänge innerhalb der Regelstrecke beeinträchtigen. Die Führungsgröße _____= eine von außen vorgegebene und durch die Regelung nicht beeinflussbare Größe (Sollwert). Der _______________= derjenige Wert der Regelgröße, den er im betrachteten Zeitpunkt tatsächlich hat. Die __________________= die Differenz zwischen Soll- und Istwert. Die __________________= die Differenz zwischen Ist- und Sollwert.

12. Einteilung: Steuerungen

13. EVA-Prinzip Eingabe – Verarbeitung - Ausgabe

14. Digitalsignal U U U t t t Art der Signalverarbeitung Steuerung Analoge Steuerung Binäre Steuerung Digitale Steuerung Binärsignal Analogsignal Beispiel: Drehzahlaufnehmer Beispiel: Relais-, Schützsteuerung Beispiel: Zähler, Frequenzmesser

15. Einteilung von Steuerungen Steuerung Verknüpfungs-Steuerung Ablauf Steuerung

16. Einteilung nach Programmverwirklichung Programmierung Verbindungsprogrammierbar VPS(Schütz- und digitale Steuerungen) Speicherprogrammierbar SPS(Kleinsteuerungen, SPS‘en)

17. L1 N K1 K1 S1 EVA -Prinzip bei VPS

18. Beispiel: EVA -Prinzip bei VPS Eingabe Verarbeitung Ausgabe

19. Schaltgeräte • Schaltglieder • Schließer • Öffner • Wechsler • Betätigungsglieder • Schaltgeräte ohne Hilfsenergie (z.B. Hauptschalter, Befehlstaster, Grenztaster) • Schaltgeräte mit Hilfsenergie(z.B. Schütze, Relais) Relais Für geringe Steuerspannungen(z.B. 24V) und stets für Gleich-spannung ausgelegt Hauptschütz Haupt- und Hilfsschaltglieder;dreipolige Wechselstrom-schütze und zweipolige Gleichstromschütze Hilfsschütz ausschließlich Hilfsschaltglieder

20. Anschluss- und Kontaktbezeichnungen 1.Ziffer: Positionsziffer fortlaufend 1, 2, 3 …. 2.Ziffer:Funktionssziffer Öffnerkontakt: 1-2Schließerkontakt: 3-4 A1 13 21 1 3 5 - K1 14 22 2 4 6 A2 Spule Hilfsschaltgliederje Kontakt zwei Ziffern Hauptschaltgliederje Kontakt eine Ziffer

21. Motorschutz Motorschutzschalter Schalt- und Schutzgerät Überlastschutz: Bimetallauslösung (träge) Kurzschlussschutz: elektromagnetische Auslösung (flink) Motorschutzrelais Darf nur in Verbindung mit Hauptschützen eingesetzt werden! Überlastschutz: Bimetallauslösung (träge)Kurzschlussschutz: Nicht vorhanden !!!Vorsicherungen (LS-Schalter) zwingend notwendig!!! Motorvollschutz Erfassung der Wicklungstemperatur mit Temperaturfühlern (Thermistoren) direkt an der Motorwicklung.

22. Schaltungsunterlagen Übersichtsschaltplan Vereinfachte meist einpolige Darstellung. Stromlaufplan in zusammenhängender Darstellung selten verwendetDarstellung der Schaltungs-elemente und ihrer Verbindungen in allen Einzelheiten. Stromlaufplan in auf-gelöster Darstellung meist verwendetNach Strompfaden aufgelöste Schaltungsdarstellung mit allen Einzelheiten und Leitungen Anschlussplan Anschlusspunkte und hieran angeschlossene Leitungsverbindungen. Verbindungsplan meist verwendetLeitungsverbindungen zwischen Betriebsmitteln einer elektrischen Anlage. Wird auch Rangier- oder Klemmenplan genannt. Geräteverdrahtungsplan Darstellung der elektrischen Verbindung innerhalb eines Gerätes.Lagerichtige Anordnung der Betriebsmittel.

23. Darstellung der unterschiedlichen Planarten zusammenhängender Darstellung

24. aufgelöster Darstellung

25. HSÖ - Tabelle Jedes Schütz erhält eine HSÖ -Tabelle, welche Hinweise auf die Lage der eigenen Kontakte in den jeweiligen Strompfaden gibt! Schütz K1 Drei Hauptschaltglieder von Schütz K1 in Strompfad 31 des Hauptstromkreises Kein Öffner von Schütz K1 im Steuerstromkreises Schließer von Schütz K1 in Strompfad 3 des Steuerstromkreises

26. Verbindungsplan, Anschlussplan, Geräteverdrahtungsplan

27. Übung:Vervollständigen Sie die Pläne mit den Kontaktbezeichnungen, Stromkreisnummern, HSÖ-Tabellen, Planart und Stromkreisbezeichnungen

28. Schützschaltung mit Selbsthaltung

29. Kontaktbelegung verschiedener Relais Multifunktionsrelais Zeitrelais abfallverzögert Motorschutzrelais

30. -S1 -S1 -S0 -K1 EVA -Prinzip bei SPS Eingabe-Ebene Verarbeitungs-Ebene Ausgabe-Ebene Sensoren Aktoren & 1 Eingabebaugruppe Programm Ausgabebaugruppe Peripherie - Eingang Peripherie - Ausgang

31. Schnittstellen des EVA - Prinzips Peripherie- Ausgabe Peripherie- Eingabe SPS & E124.2 -S2 E124.1 1 -S1 A124.1 E124.0 -K1 -S0 Eingabebau-gruppe 24V CPU 5V Ausgabebaugruppe 24V • Optokoppler • Signalanpassung (24V5V 24V) • Galvanische Trennung

32. Optokoppler der Eingabeschnittstelle der SPS Ausgangssignal an Verarbeitungsebene U=5V Rv Rv Eingangssignal von Eingabebaugruppe U=24V Optokoppler Schalttransistor Fototransistor LED

33. Systemgrößen der Eingangsschnittstelle Digital Input: • Spannung: DC 24V Analog Input: • Spannung: +/- 10V • Strom: 4…20mA • Widerstand: 0…300 Ohm • Thermoelement: Typ E, N, K • Widerstandsthermometer: Pt100 • Bitauflösung: 15Bit + VZ

34. Optokoppler der Ausgabeschnittstelle der SPS Relais Ausgangssignal an Ausgabebaugruppe Rv Rv Ausgangssignal Verarbeitungsebene U=5V U=24V Optokoppler LED Schalttransistor Fototransistor

35. Systemgrößen der Eingangsschnittstelle Digital Output: • Spannung: DC 24V Analog Input: • Spannung: +/- 10V • Strom: 0…20mA • Bitauflösung: 15Bit + VZ

36. Spannung U in V +35 +24 1-Signal +4,5 0-Signal -35 Binäre Signale der SPS Simatic S7

37. Aufbau einer SPS S7

38. Aufbau einer SPS S7

39. Zentraleinheit CPU Speicher für Grundsoftware Programmspeicher Eingangsbaugruppe Ausgabebaugruppe Steuerwerk Bus Merker Akku Zähler Timer PAA PAE

40. Kommunikation Prozessteil Anwender-speicher Profibus-DP-Master S7-Systemarchitektur CPU SM FM CP MPI K-Bus Rückwandbus P-Bus Profibus- DP MPI=Multipoint Interface, SM=Signalmodul, FM=Funktionsmodul, CP=Kommunikationsmodul, K-Bus=Kommunikationsbus, P-Bus=Pheripheriebus

41. Aufbau einer Steueranweisung Steueranweisung Operationsteil Operandenteil Kennzeichen Parameter Bsp: U E 1.0

42. . E 124 0 Bit Kennzeichen Byte-Adresse E= Eingang A= Ausgang M= Merker Bezeichnungsstruktur von Operanden Eingängen, Ausgängen und Merker Bsp: M1.0 ... M1.7 A124.0 ...A124.7 1Byte = 8 Bit (0...7)

43. Übersicht der Programmiersprachen nach DIN EN 61131-3 SPS -Programmiersprachen Textsprachen Grafische Sprachen Ablaufsprache Anweisungsliste Funktionsbausteinsprache FBS Kontaktplan Strukturierter Text

44. Programm & 1 1 1. Einlesen der Eingangsignale: Signalzustände der Eingabebaugruppe werden eingelesen und im Prozessabbild der Eingänge abgespeichert. Programmabarbeitung 2. Abarbeiten des Programms: Die im PAE eingelesene Signalzustände werden im Programm verarbeitet und das Verknüpfungsergebnis in das Prozessabbild der Ausgänge geschrieben. 3. Ausgeben der Ausgabesignale: Die im PAA abgelegten Verknüpfungsergebnisse werden an die Ausgabebaugruppe auf einmal ausgegeben. Somit kann ein Ausgang niemals den Signalzustand „0“ oder „1“ gleichzeitig annehmen! 1 x Durchlauf nennt man Zyklus

45. Programmorganisation nach DIN EN 61131-3 Programm OB1 (Hauptprogramm) ProgrammorganisationseinheitenPOE: Funktionsbaustein (Function Block)Programmieren mit Standardbefehlen und symbolischen Variablen ohne Gedächtnisfunktion, keine Variablendeklaration notwendig. Funktion (Function)Programmieren mit Standardbefehlen und symbolischen Variablen mit Gedächtnisfunktion, Variblendeklaration notwendig. Instanzen (spezielle Kopien) zur Verwendung in anderen Programmen möglich (Bibliothekenfunktion).

46. Bausteine in STEP 7 Code-Bausteintypen (Programm) Datenbausteintypen(Daten) Organisationsbaustein Instanz-DBDB Funktionsbaustein Global-DBDB Funktion

47. Bausteinorganisation Hauptprogramm Unterprogramme Betriebs- system der CPU OB1 Zyklisch FC FB Call 1 InstanzDB FC GlobalDB Call 2 … Unterbrechung andere OB Ereignis

48. EW EW EB14 EB15 EB12 EB13 EW Adressen Symbolische Adressen Symbolische Namen und Bezeichnungen z.B.: Band 1 EIN = E124.0 Absolute Adressen Bitweise: z.B.: E0.0 ….E0.7 Byteweise: z.B.: EB0 = E0.0….E0.7 Wortweise: z.B.: EW12 = 7 0 Bit 1 Wort Bit 15 8Linkes Byte 7 0rechtes Byte

49. 1 Doppelwort Bit 31 24 7 0 15 8 23 16 ED12 EB EB EB EB ED13 Doppelwort: z.B.: ED12 = EW12 + EW14 = EB12 + EB13 +EB14 + EB14 EB

50. Parameter der S7-Bausteine Lokale Variablen: Nur für den Baustein (FC oder FB) geltende Variablen, welche durch symbolische Namen verwendet werden. Bausteinparameter: Sind lokale Variable eines Bausteins (FB), welche als Schnittstellen-variablen der Bausteingrenzen fungieren. Folgende Deklarationstypen zählen zu den Bausteinparametern: Deklarationstypen: IN: Der Eingangsparameter kann innerhalb des Codebausteins (FB, FC) nur abgefragt (eingelesen) werden. OUT: Der Ausgangsparameter kann innerhalb des Codebausteins (FB, FC) nur beschrieben (ausgegeben) werden. IN_OUT: Der Durchgangsparameter kann innerhalb des Codebausteins (FB, FC) nur abgefragt (eingelesen) und beschrieben (ausgegeben) werden.