Automaten und Roboter Automaten für schwere Arbeit, für Spiele, für Expeditionen, für den Weltraum, zum Denken und zum Fühlen – die Visionen sind seit Menschheitsgedenken vielfältig. Waren es zunächst mechanische Automaten für Kultstätten (Seite 9), so bekamen in der Neuzeit die Geräte auch oft ein menschliches Antlitz, z. B. in Form von Spielautomaten. Mit dem Schauspiel R.U.R. (Rossum’s Universal Robots) schuf 1920 Karel Capek den Begriff des Roboters und der Roboterin. Die Roboter sind hier menschenähnliche Wesen, mit starrem Blick und geschaffen als billige Arbeitskräfte zum Einsatz in der Serienproduktion.

Roboter als Spielzeug

„Sie erinnern sich an alles, denken aber nichts Neues. Sie haben keine Seele und keine Gefühle“, so steht es in der Regieanweisung. Industrieroboter (Seite 305) sind in diesem Sinne Realität geworden und verrichten, meist als einarmige Gebilde, schwere Arbeit. Sie sind in der Produktion als Mittel zur Automatisierung nicht mehr wegzudenken. Es sind Bewegungsmaschinen, die mit künstlicher Intelligenz (KI) und mit unterschiedlichster Sensorik ausgestattet sind. So können sie auch sehen, hören und fühlen. Sie sind auch kooperativ, d. h., sie arbeiten zusammen, z. B. während der eine Roboter das Bauteil hält, wird es vom anderen Roboter bearbeitet. Man setzt Roboter auch ein, wenn die Umwelt für den Menschen gefährlich oder feindlich ist, z. B. bei Expeditionen im Weltall (Seite 306), beim Aufspüren von Minen. Es gibt Roboter für viele Anwendungen, z. B. zum Ballspielen, zum Saubermachen, zum Fensterputzen oder zum Rasenmähen. In der Kunst, in der Literatur, in Filmen und natürlich auch in Videospielen begegnen wir häufig einer Roboter-Fiktion, den Androiden, also künstlichen Menschen. Sie beflügeln unsere Fantasie.

© Honda Motor Europe GmbH

Roboter in der Kantine

Kooperierende Roboter

Roboter im Film „Der 200-Jahre-Mann“

1.1 Einführung

9

1 Grundlagen der Automatisierungstechnik 1.1 Einführung Die Automatisierung ermöglicht eine weitgehend selbsttätige, nämlich automatische Wirkung, also ohne den ständig steuernden Eingriff des Menschen. Die Automatisierungstechnik hat ihren Ursprung schon in vorchristlicher Zeit als sich z. B. mit dem Entzünden eines Altarfeuers die Tempeltüren automatisch öffneten (Bild 1).

Tempeltür Tempelfeuer Hohlraum mit Überdruck bei Befeuerung

Altar

Gewicht

Wasser

Er soll so funktioniert haben: Durch das Tempelfeuer erwärmte sich die Luft in einem geschlossenen Behältnis. Über einen Druckbehälter wurde Wasser in ein zweites Gefäß gedrückt, das auf Grund der Schwerkraft sich senkte und dabei die Tempeltüren öffnete. Bei zurückgehender Temperatur strömte durch die wassergefüllte kommunizierende Röhre das Wasser zurück und die Türen haben sich wieder geschlossen.

Bis zum Anfang dieses Jahrhunderts waren die Automaten mechanische Geräte. Beispiele sind Musikautomaten. Die Steuerungsinformation ist mechanisch auf Steuerwalzen oder Lochbändern gespeichert. Die moderne Form der Steuerwalzen oder der Lochbänder sind die CD-ROMs. Hier gibt es mikroskopisch feine Erhebungen (lands) und Vertiefungen (pits) in denen die Schaltinformation gespeichert ist (Bild 2).

Wasser kommunizierende Röhre

Bild 1: Automatisches Schließen und Öffnen von Tempeltüren, etwa 100 v. Chr. Laserstrahl zur Abtastung der Seite 1

Land

Laserstrahl zur Abtastung der Seite 2

Pit

CD-ROM

Ausschnitt aus der CD-ROM

0,6 µ

m

Bild 2: CD-ROM

Elektrische Antriebe und Elektronik ermöglicht eine Fertigungsautomatisierung mit weitgehend automatisch arbeitenden Maschinen. Die Arbeitsvorgänge sind programmiert und werden Schritt für Schritt ausgeführt. Mit hoher Perfektion wird dies in der Automobilindustrie gemacht (Bild 3). Die Werkstücke, z. B. Motorblöcke oder Karosserien kommen über ein Transportband in die Arbeitsstationen, werden identifiziert und entsprechend dem Kundenwunsch und der Typklasse bearbeitet oder montiert. Die Fertigung ist weitestgehend automatisiert. Der Durchlauf von der „Geburt“ eines Autos bis zu seiner Auslieferung dauert nur einige Stunden. Die eigentlichen Fertigungsprozesse, wie z. B. das Herstellen der Blechteile, das Fertigen des Motorblocks und der Getriebe erfolgt mit automatisierten Maschinen und Robotern. Auch die Montage wird zunehmend mit Robotern oder Spezialmaschinen gemacht.

© Comau S.p.A.

Bild 3: Automatisierung mit Robotern

© Panasonic GmbH

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

10 Damit dies alles „reibungslos“, d. h. ohne Störungen abläuft, benötigt man eine ausgeklügelte Organisation. Man sagt dazu Logistik1. Bewältigt wird dies mit einer Computerunterstützung in Form von Produktionsplanungs- und -steuerungsSystemen (PPS).

1 Grundlagen der Automatisierungstechnik

Telekonferenz und Telelearning

Telearbeit

Durch Automatisierung können Vorgänge mit geringeren Kosten, besserer Qualität und schneller ausgeführt werden als bei manueller Tätigkeit. Die Automatisierung wird jetzt vor allem durch die Telematik 2 und durch die Virtualisierung3 aller Geschehnisse geprägt. Unter Telematik versteht man die Fernwirkung automatischer und informationstechnischer Systeme mit den Aufgaben des Teleservice, der Telecontrol, der Television, der Telearbeit. Träger dieser Telematik ist das Internet. Es erlaubt die weltweite Verkopplung von Computern und computerisierter Maschinen und Anlagen (Bild 1). Die Virtualisierung ist eine Methode reale, also wirkliche Geschehnisse durch Simulation vorweg zunehmen. So können Produkte in allen Phasen, von der Entstehung über die Produktion bis hin zur Nutzung und Verschrottung getestet werden bevor sie wirklich in Produktion gehen. Notwendig ist eine datentechnische Aufbereitung eines solchen Produktlebenszyklusses. Man spricht von ProduktDaten-Management (PDM). Die Lebenszeit eines Produktes wird von seiner Entstehung bis zu seiner Entsorgung durch das PDM begleitet (Bild 2).

Die Geschäftsprozesse der Unternehmen, das sind die Aufgaben, welche Unternehmen wahrnehmen, werden mit dem Produkt-Daten-Management so strukturiert, dass der gesamte Produklebenszyklus durch die betriebliche Informationstechnik begleitet wird. Das Produktdatenmodell beschreibt das Produkt durch Dateien für: ● die Geometrie insgesamt und die der Einzelteile (Bild 3), ● die Stücklisten, ● die Fertigungsvorgänge mit NC-Daten und Roboterprogrammen, ● die Werkstoffe und Prüfprogrammen, ● die Montagevorgänge. 1

2 3

griech. logistike = Rechenkunst, hier: „berechneter organisatorischer Ablauf; griech. tele = fern, weit lat. virtus = der Möglichkeit nach, hier: mit Hilfe des Computers bildlich dargestellt

Internet Telecontrol

Telebearbeitung Teleservice Telebeobachtung

Bild 1: Telematik mit Internet

Berechnung, Bauteilsimulation Design, Konstruktion

virtuelle Produktion, Fertigung Produkt-DatenModell PDM

Service, Tele-Service

Digital Mock up, Montage

Vermarktung

Kalkulation Vertrieb

Bild 2: Produkt-Daten-Management

Daten zu den Fertigungsverfahren

Daten für Werkzeuge

Basisdaten „Kipphebel“ Länge, Gewicht Funktion

Daten für Transport der • Rohteile • Rohstoffe • Fertigteile • Werkzeuge ...

Daten der Werkstoffe und Lieferanten Berechnung der Kosten Daten für die Oberflächenbehandlung

Ein-/Ausbausimulation, Bauraumsimulation (Digital Mock Up)

Bild 3: Produktdatenmodell

Berechnung von Festigkeiten, Verformungen (statisch/dynamisch)

1.1 Einführung

● ● ● ● ●

die Produktpräsentation gegenüber Kunden, die Kostenrechnung, die Vertriebs- und Marketingvorgänge, die Wartung und den Service, das Recycling.

11

Experte/ Expertin Internet

Webcam

Das Produkt-Daten-Management (PDM) ermöglicht eine ganzheitliche Darstellung aller produktrelevanten Eigenschaften. Die Kommunikationstechnik vor allem mit dem Internet ermöglicht für alle Beteiligte einen Zugriff auf diese Produktdaten, also auf das Produktmodell sofern für den Betreffenden eine Berechtigung dafür vorliegt. Diese Dateien müssen und sollen nicht an einem einzigen Ort gespeichert sein. Über das Internet können sich weltweit verteilte Computer-Systeme und damit auch weltweit verteilte Produktionsstätten als ein Unternehmen darstellen. Man spricht von virtuellen Unternehmen und Märkten. Die Automatisierung spielt dabei eine sehr große Rolle.

Service Werkzeuge

Prüfgerät Service-Box

Bild 1: Teleservice Video der Teilnehmer

Whiteboard

Mit Hilfe der automatisierten Informationsverteilung gelangen die Informationen dorthin wo sie benötigt werden und zwar fehlerfrei und termingerecht.

● Mit Hilfe automatisierter Transportsysteme gelangen die Waren termingerecht zu den Kunden. ● Mit Hilfe automatisierter Fertigungsprozesse werden aus Rohteilen oder Rohstoffen Fertigteile und Produkte. ● Mit Hilfe automatisierter Qualitätsprüfung wird eine fehlerarme und damit eine wirtschaftliche Produktion sichergestellt. ● Mit Hilfe automatisierter Entwurfsverfahren und der Technik des Rapid Prototypings werden Produkte beschleunigt entwickelt. ● Mit Hilfe der Teleservice-Technik werden Produkte weltweit automatisch oder teilautomatisch gewartet und betreut (Bild 1). ● Durch Videokonferenzen über das Internet werden Geschäftsprozesse weltweit getätigt (Bild 2).

Die Geschäftspartner sehen sich und sie können die Objekte über Kameraaufnahmen zeigen oder am Whiteboard (weiße Tafel) mit Hand bzw. mit Hilfe der Maus zeichnen oder Dateien, Zeichnungen und Diagramme austauschen (Bild 3).

Mikrofon

Videokamera

Bild 2: Videokonferenz Teilnehmer mit Zugriff auf das Whiteboard

Whiteboard

Bild 3: Das Whiteboard

12

1 Grundlagen der Automatisierungstechnik

Produktionsfaktoren Die Automatisierungssysteme steuern und regeln die Produktionsvorgänge, das Qualitätswesen, die Telekommunikation und die innerbetrieblichen Transportsysteme. Die wichtigsten technischen Produktionsfaktoren sind: ● Energie, ● Werkstoffe, ● Werkzeuge, ● Information, ● Telekommunikation, ● Transportsysteme (Bild 1).

Bild 2: Virtuelles Prüfen einer Montagefolge in einer 3D-Umgebung

Die wichtigsten, nicht technischen Produktionsfaktoren sind: ● Kapital, ● menschliche Arbeitskraft mit hohem Bildungsstand und ● politisch/wirtschaftliche Stabilität. Bevor ein Produkt wirklich hergestellt wird, kann man den vollständigen Produktionsprozess mit allen Werkstücken und Bearbeitungsmaschinen durch Simulation mit dem Computer durchführen, am Bildschirm betrachten und optimieren. Nicht nur, dass ausgehend von der Konstruktion die eigentlichen Bearbeitungsvorgänge, wie z. B. das Zerspanen an der Fräsmaschine simuliert werden, sondern auch die Transportvorgänge, das Prüfen, das Ein- und Auslagern, die Montageschritte (Bild 2) und die Montage selbst (Bild 3).

Energie

Bild 3: Virtuelle Radmontage

Werkstoffe

Werkzeuge

globale Kommunikation

globaler Transport

Produkt

Bild 1: Produktionsfaktoren

Information

1.1 Einführung

13

Zur Herstellung von Produkten sind neben Werkstoffen, Energie und Werkzeugen auch Informationen notwendig (Bild 1). Informationen benötigt man beim Entwurf der Werkstücke. Wenn dieser Entwurf mit Hilfe des Computers erfolgt, spricht man von CAD (Computer Aided Design = computerunterstützte Konstruktion). Dabei können Teile einer Konstruktion auch automatisiert strukturiert werden, z. B. in dem man natürliche Wachstumsprozesse nachbildet (Bionik) und dabei ein Bauteil, abhängig von seinen Belastungen „wachsen lässt“ (Bild 2). Zur Herstellung eines Produkts werden mit Hilfe des Computers Arbeitspläne erstellt. Dies bezeichnet man als CAP (Computer Aided Planning = computerunterstützte Planung). Die Herstellung der Produkte selbst geschieht mit computergesteuerten Maschinen CAM (Computer Aided Manufacturing = computerunterstützte Fertigung). Zur Sicherung der Fertigungsqualität werden zum Prüfen computergesteuerte Messmaschinen eingesetzt und die Prüfergebnisse mit Computern verarbeitet.

CAP

Mit CAQ umschreibt man die computerunterstützte Qualitätssicherung (Computer Aided Quality Assurance). Der gesamte Produktionsablauf muss geplant und gesteuert werden. Es müssen zur richtigen Zeit an den betreffenden Maschinen die Werkstoffe, Werkzeuge und Zukaufteile vorhanden sein. Für diese Planung und Steuerung gibt es Programmsysteme, die auf Computern laufen. Man bezeichnet dies als Produktionsplanung und -steuerung, abgekürzt PPS. Diese PPS-Systeme müssen laufend mit Daten über den Stand der Produktion versorgt werden. © Sachs-Engineering GmbH

Systeme der Automatisierung Die Integration (Einbindung) von Computern in die Fertigung (Computer Integrated Manufacturing, CIM) hat einen Wandlungsprozess in den Fabriken eingeleitet.

Kräfte Aufgabenstellung

Gestaltfindung

Bauteilkonstruktion

Bild 2: Automatisierte Bauteilentwicklung

CAM

CAD

CAQ

Intranet, Extranet und Internet mit verteilten Datenbanken Bild 1: Automatisierungssysteme in der Produktion

14

1 Grundlagen der Automatisierungstechnik

Automatisierungskomponenten Die Fertigungsautomatisierung ermöglicht eine weitgehend selbsttätige, nämlich automatische Fertigung, also ohne den ständig steuernden Eingriff des Menschen. Der Automatisierungsgrad ist um so größer je weniger der Mensch in den Fertigungsprozess eingreifen muss. Die vollautomatisierte Werkzeugmaschine führt sowohl alle Arbeitsschritte hinsichtlich des räumlichen Bewegungsvorganges als auch hinsichtlich ihrer Ablauffolge selbsttätig aus. Der Mensch ist hauptsächlich überwachend tätig. Bei Teilautomaten werden Teilaufgaben, wie z. B. das Einspannen von Werkstücken, von Hand ausgeführt. Die Vorteile der Automatisierung sind: Senkung der Kosten, Erhöhung der Qualität und Humanisierung der Arbeit.

Unseren heutigen hohen Lebensstandard, mit der gleichfalls hohen Lebenserwartung, verdanken wir im wesentlichen der Automatisierung in der Fertigung. Durch die Automatisierung der Fertigung können mehr Waren bei geringer werdendem Zeitaufwand produziert werden, sodass mehr Menschen im Bereich der Dienstleistungsaufgaben, im

Computer

Die Muskelkraft wird durch Motoren ersetzt und die Steuerungsaufgaben, die für den Menschen besonders durch Stress belastend sind, werden von automatisch arbeitenden elektronischen Steuerungen wahrgenommen.

Die Komponenten (Bild 1) der Fertigungsautomatisierung sind: ● Steuerungen, häufig in Form von Computern zur Steuerung des Fertigungsprozesses mit Bedienfeld und Anschluss zu übergeordneten Automatisierungssystemen. ● Antriebe (Aktoren) zur Bewegung von Werkstücken und Werkzeugen. ● Sensoren zur ständigen Kontrolle des Fertigungsprozesses und zur Signalgebung für den Fertigungsablauf. ● Software-Bausteine zur Steuerung, Regelung und Simulation des Fertigungsprozesses. ● Telekommunikations-Systeme zur Informationsübertragung, zur Fernsteuerung, zur Fernwartung und zur Fernbeobachtung.

Aktoren

Sensoren

Tachogenerator

Steuerung

Programmiergerät Scheibenläufermotor

Bild 1: Komponenten der Fertigungsautomatisierung

Inkrementalgeber

© Hübner Elektromaschinen AG

Steuerungen

Bereich der Wissenschaft und Forschung tätig werden können. Die Automatisierung ermöglicht ferner eine Gestaltung der Arbeitsplätze, die weitgehend frei sind von schweren Arbeitsbelastungen.

1.2 Steuerungstechnik

15

1.2 Steuerungstechnik

• Entschlüsselung • Bewertung • Speicherung

Bild 1: Struktur einer Steuerung

Tabelle 1: Steuerungsarten Art

Analoge Steuerungen werden immer weniger zur Automatisierung der Fertigung eingesetzt, da die Veränderung der inneren Gesetzmäßigkeit nur durch Austausch von Bauelementen, z. B. Kurvenscheiben, vorgenommen werden kann und somit teuer und zeitaufwendig ist.

Binäre Steuerung

1

Zeit 0 10 1 0 1 Zeit

Digitale Steuerung

0 13 2 4 10 4 9

Steuerung mit Schaltern und Relais Numerische Steuerung

Maschinentisch

Kurvenscheibe

Bild 2: Analoge Steuerung

Binäre Steuerungen Binäre Steuerungen arbeiten mit Binärsignalen. Binärsignale sind zweiwertige Signale, also Schaltsignale mit den Eigenschaften EIN/AUS bzw. mathematisch ausgedrückt mit den Werten 1 und 0. Beispiel: Der Vorschubtisch einer Schleifmaschine soll ständig hin- und herfahren (Bild 3). Über einen Umschalter kann durch eine positive Motorspannung der Tisch nach rechts gesteuert werden. Trifft der am Tisch befestigte Nocken 1 auf den Umschalter, wird der Tisch über die negative Motorspannung nach links bewegt, bis der Nocken 2 wieder auf die Gegenbewegung umschaltet.

Steuerung mit Kurvenscheibe

0 0 1 0 1 0 0

Analoge Steuerungen Bei analog arbeitenden Steuerungen werden die Ausgangssignale mit Hilfe eines analogen Signalumformers gebildet, z. B. wird die Vorschubbewegung für ein Werkzeug über eine Kurvenscheibe (Bild 2) gesteuert. Das Eingangssignal ist der Drehwinkel der Kurvenscheibe. Die Kurvenscheibe wird z. B. mit einem langsam laufenden Motor gleichmäßig gedreht. Ausgangsgröße ist die Vorschubbewegung des Werkzeugs, entsprechend der Steigung der Kurvenscheibe.

Analoge Steuerung

Beispiel

0 1 0 1 0 1 0

Nach Art der Signalverarbeitung unterscheidet man zwischen analogen Steuerungen, binären Steuerungen und digitalen Steuerungen (Tabelle 1).

Signaldarstellung Ausgang

0 1 0 0 1 0 1

1.2.1 Steuerungsarten

Ausgangssignale

innere Gesetzmäßigkeit mit Funktionen zur

0 1 0 0 0 0 1

Die innere Gesetzmäßigkeit bestimmt die Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Information der Eingangssignale und in Abhängigkeit von dem bisherigen Prozessgeschehen. Demnach enthalten Steuerungen Bausteine oder Funktionen zur Entschlüsselung und Bewertung von Eingangssignalen und Speicher (Gedächtnisse, Merker) für vorangegangene Ereignisse (Bild 1).

Steuerung Eingangssignale

Eine Steuerung erzeugt aufgrund von Eingangssignalen und aufgrund seiner inneren Gesetzmäßigkeit, z. B. einer Schaltung oder eines Programms, Ausgangssignale für die Aktoren, für das Anzeigefeld und für andere Steuerungen.

nach rechts L+ Nocken 2

nach links L– Nocken 1

Motor

Bild 3: Binäre Steuerung eines Vorschubantriebs für eine Schleifmaschine

16

1 Grundlagen der Automatisierungstechnik

Werden aus der Kombination mehrerer Eingangssignale die Steuerungssignale erzeugt, so spricht man von kombinatorischen Steuerungen oder von Verknüpfungssteuerungen.

Zellentüre geschlossen Kühlwasserpumpe EIN &

Roboter betriebsbereit

Beispiel für eine kombinatorische Steuerung Voraussetzung für das Zünden des Schweißbrenners in einer Roboterarbeitszelle ist, dass die Zellentüre geschlossen ist, dass die Kühlwasserpumpe läuft, dass der Roboter „betriebsbereit“ meldet und dass die Überwachung für den Drahtvorschub keine Störung meldet. Erst die vollständige Kombination dieser einzelnen Bedingungen führt zur Zündfreigabe (Bild 1).

Häufig ist ein schrittweiser Ablauf zu steuern. Dann wird abhängig von dem vorhergehenden Schritt und nach Erfüllung von Weiterschaltbedingungen der Folgeschritt ausgelöst. Man spricht von Ablaufsteuerungen. Hängen die Weiterschaltbedingungen nur von der Zeit ab, heißen diese Steuerungen zeitgeführte Ablaufsteuerungen. So ist z. B. die Steuerung für das langsame Hochlaufen großer Motoren zeitgeführt, wenn abhängig von einer Zeitschaltuhr (Bild 2) die Motorspannung schrittweise erhöht wird. Erfolgt die Steuerung der Motorspannung jedoch abhängig von der jeweils erreichten und gemessenen Drehzahl, so spricht man von einer prozessabhängigen Ablaufsteuerung (Bild 3). Digitale Steuerungen In digitalen Steuerungen erfolgt die Signalverarbeitung vorwiegend mit Zahlen. So gehören alle numerischen Werkzeugmaschinensteuerungen zu den digitalen Steuerungen (Bild 4). Die Verschlüsselung der Zahlen und das Verarbeiten der Zahlen erfolgt meist in Form binärer Codes mit Mikroprozessoren und Computern. In digitalen Steuerungen erfolgt die Signalverarbeitung mit Zahlen.

Störung

& UND-Verknüpfung Negation keine Störung

Bild 1: Kombinatorische Steuerung

Transitionen (Weiterschaltbedingungen)

Schritte

Weg

Motor betriebsbereit

S1 T1

Motor EIN

Motor anfahren mit 50 V

S2 Wartezeit t 1 abgelaufen

vorwärts

Schrittmotor

Wartezeit t 1 = 2 s

T2

Motor anfahren mit 100 V

S3 Wartezeit t 2 abgelaufen

Wartezeit t 2 = 3 s

T3

Motor in Betrieb mit 230 V

S4 T4 S1

Motor AUS

Bild 2: Zeitgeführte Ablaufsteuerung

Transitionen (Weiterschaltbedingungen)

Schritte

Motor betriebsbereit

S1 T1

Motor EIN

Drehzahl n = 500 min–1 erreicht

Motor anfahren mit 50 V

Motor anfahren mit 100 V T3 Motor in Betrieb mit 230 V

S4 Motor AUS

Initialschritt (Grundschritt)

T2

Drehzahl n = 1000 min–1 erreicht

rückwärts

Aktionen T4

S3 digitale Steuerung

Aktionen T4

S2

Schrittimpuls

Zünden des Schweißbrenners

T4 Schritt 1 zurück zum Grundschritt

Bild 4: Digital gesteuerter Vorschubantrieb

Bild 3: Prozessabhängige Ablaufsteuerung

1.2 Steuerungstechnik Codierungen in digitalen Steuerungen Der meistbenützte Code ist der Dualcode (BCN von Binary Coded Natural = natürlicher Binärcode). Der Dualcode ist ein Zahlencode mit der Basis B = 2. Alle Zahlenwerte können durch eine Folge mit Ziffern 1 und 0 ausgedrückt werden, wobei der Stellenwert der 1-Ziffern Potenzen von 2 entspricht und zwar links vom Komma 20, 21, 22 … und rechts vom Komma 2–1, 2–2, 2–3 … Wenn eine solche 2erPotenz berücksichtigt wird, schreibt man in die jeweilige Stelle eine 1 sonst eine 0. Diese Ziffern nennt man Binärziffern (binary digit) oder abgekürzt Bit (Mehrzahl: Bits).

17 Tabelle 1: Rechnen mit Dualzahlen Grundregeln: 0+0=0 1+0=1 0+1=1 1+1=0 plus Übertrag 1 in die nächste Stelle

0–0=0 1–0=1 1–1=0 0–1=1 und belaste die nächste Stelle mit 1

Beispiele: 6 + 5 = 11 110 + 101

11 – 5 = 6 1011 – 1 101

1011 ≠ 11

110 ≠ 6

0·0=0 0·1=0 1·0=0 1·1=1

6 · 5 = 30 110 · 101 110 000 110

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

11110 ≠ 30

Bei der 8-4-2-1-Codierung (Tabelle 2) wird jede Dezimalziffer durch die entsprechende Dualzahl ausgedrückt. Es gibt eine Vielzahl von BCD-Codes. Beim 2-aus-5-Code (Tabelle 2) müssen z. B. immer 2 Bits mit dem Wert 1 vorhanden sein. Codes die mehr Bits für eine Verschlüsselung verwenden als notwendig sind heißen weitschweifig (redundant). 1

Frank Gray, amerik. Wissenschaftler (1887 bis 1969)

1 1 1 1 1 1 -5 0 1 1 1 1 -4 0 1 1 -3 -2 -1 1

0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1

-6

11 10

negative positive Zahlen Zahlen

1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1

Will man Dezimalzahlen direkt binär darstellen, dann verschlüsselt man jede einzelne Ziffer durch einen BCD-Code (binary coded decimal = binäre Dezimalverschlüsselung). Man benötigt für jede Ziffer einer Dezimalzahl eine binäre Zahl mit mindestens 4 Bits.

-7

1 1 0 0 0

Mit 4 Bits kann man 24 = 16 verschiedene Zeichen darstellen, z. B. die Zahlen 0 bis 15. Will man positive und negative Zahlen darstellen, dann benötigt man ein weiteres Bit. Die Darstellung negativer Zahlen geschieht durch Komplementbildung. Die Zahlen in der linken Hälfte des Zahlenrings (Bild 1) sind die negativen Zahlen.

12

0 0 00 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1

1

-8

13

9 8 7

00 6 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 4 0 0 10 1 3 0 1 2 1 0

1

0

-9

Neben dem Dualcode gibt es eine Vielzahl weiterer Codierungen. Im Gray-Code1 wechselt von einer Ziffer zur nächsten immer nur 1 Bit (Tabelle 2). Der Gray-Code ist daher gut geeignet zur Zahlendarstellung auf Codelinealen und Codescheiben.

1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0

-10

1 0 0 0 0

1

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

14

0 1 0 1 1 00 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1

1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1

-11

15

1

-12

-15 -16

0

-14 -13

1

Lösung: 1101,01 ≠ 1 · 23 + 1 · 22 + 0 · 21 + 1 · 20 + 0 · 2–1 + 1 · 2–2 = 8 +4 +1 + 0,25 = 13,25

Man kann mit n Bits 2n Zeichen darstellen.

0:1=0 1:1=1

Bild 1: Zahlenring für 4-Bit-Zahlendarstellung

Tabelle 2: Codierungen (Beispiele) Dezimalzahl

Dualcode

Graycode

8-4-2-1Code

2-aus-5Code

8 4 2 1

kein

8 4 2 1

7 4 2 1 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Stellenwert

18

1 Grundlagen der Automatisierungstechnik

1.2.2 Programmsteuerungen Bei Steuerungen für automatisch ablaufende Fertigungsvorgänge unterscheidet man zwischen verbindungsprogrammierten Steuerungen, speicherprogrammierten Steuerungen und frei programmierten Steuerungen (Tabelle 1). Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) Bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung ist das Programm durch die Wahl der Bauelemente und deren Verdrahtung (Verbindung) festgelegt (Bild 1). Die Steuerung wird z. B. für einen ganz bestimmten Fertigungsprozess entwickelt und in Form einer Elektronikplatine hergestellt. Eine solche Steuerung hat Einzweckcharakter und kann nicht für andere Aufgaben verwendet werden. Bei der VPS werden die Steuerungseigenschaften durch die Bauelemente und ihre Verbindung festgelegt.

Speicherprogrammierte Steuerung (SPS) Eine speicherprogrammierte Steuerung enthält intern Mikroprozessoren und erzeugt die Steuersignale abhängig von einem Programm, das in einem Programmspeicher gespeichert ist. Der Steuerungsaufgabe muss somit nur das Programm angepasst werden, jedoch nicht die Steuerungshardware. Diese ist universell verwendbar. Speicherprogrammierte Steuerungen können also leicht an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden, nämlich einfach durch Austausch der Programme. Die meisten Steuerungen zur Fertigungsautomatisierung sind speicherprogrammierte Steuerungen.

Tabelle 1: Programmverwirklichung Art

Beispiel

Verbindungsprogrammiert

festRelaisprogrammierbar steuerung

VPS

umProgramm programmierbar steuerung mit Steckerfeld

Speicherprogrammiert SPS

austauschSPS mit programmierbar EPROM1

engl. Programmable Logic Controller PLC

freiSPS mit programmierbar EEPROM2 oder mit RAM3

1

2

3

EPROM von Erasable Programmable Read Only Memory = löschbarer Nur-Lese-Speicher EEPROM von Electrically EPROM = elektrisch löschbarer Nur-Lese-Speicher RAM von Random Access Memory = Speicher mit wahlfreiem Zugriff

Schütz

Verdrahtung

Kabelkanal

Zeitrelais

Motorschutzschalter

Transformator

Bild 1: Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) Programmspeicher

Lageregelkreiskarte Zusatz - PC

Bei der SPS werden die Steuerungseigenschaften durch ein Programm in einem elektronischen Programmspeicher festgelegt.

Freiprogrammierbare Steuerungen Eine freiprogrammierbare Steuerung enthält im Unterschied zur speicherprogrammierten Steuerung einen Schreib-Lese-Speicher, dessen gesamter Inhalt stets ohne mechanischen Eingriff auch in beliebig kleinem Umfang schnell verändert werden kann. Freiprogrammierbare Steuerungen sind meist Steuerungen mit Mikrocomputern oder Industrie-PCs.

Stromversorgung

CPUKarte

Ein-/ Ausgabebaugruppen

Kommunikationsbaugruppen

Bild 2: Speicherprogrammierte Steuerung (SPS)

1.2 Steuerungstechnik

19

1.2.3 Elektrische Bauelemente

Wahlschalter

Die wichtigsten Bauelemente elektrischer Kontaktsteuerungen sind Schalter, Schütze, Relais, Sicherungen und Schutzeinrichtungen, sowie Meldeeinrichtungen (Bild 1). Die wichtigsten Bauelemente der elektronischen (kontaktlosen) Steuerungen sind integrierte Schaltkreise mit Verknüpfungsgliedern, Kippgliedern (Flipflops) und Speicherelementen.

Leuchttaster

EIN/AUSTastschalter

Hauptschalter

Nockenschalter mit Rolle

Bild 1: Wichtige Bauelemente für Kontaktsteuerungen

Schaltgeräte Bei den Schaltkontakten der Schaltgeräte gibt es Schließer und Öffner (Bild 2). Schließer-Kontakte sind solche, die bei Betätigung einen Stromkreis schließen. Öffner-Kontakte unterbrechen bei Betätigung den Stromkreis. Die Schaltzeichen symbolisieren stets den unbetätigten Zustand.

Taste

Schaltstücke Rückstellfeder

Betätigungsrichtung

Öffner

Mechanisch betätigte Schalter Der Druckknopftastschalter (Bild 2), kurz Taster genannt, schließt mit dem Schließer-Kontakt nur während der Betätigung den Stromkreis und geht nach der Betätigung wieder selbsttätig in seine Ausgangslage zurück.

Schließer Anschlüsse

Öffner

Schließer

Schaltzeichen

Bild 2: Druckknopftastschalter (Taster) Tastschalter kehren nach ihrer Betätigung in die Ausgangslage zurück.

Tastschalter werden häufig durch Nocken über einen Stößel betätigt. Bild 3 zeigt einen, über eine Rolle betätigbaren, Nockenschalter mit Wechselkontakt. Bei Betätigung kann mit dem Öffner ein Stromkreis ausgeschaltet und mit dem Schließer ein Stromkreis eingeschaltet werden. Alle Schalter haben eine Schaltdifferenz, d. h. der Einschaltpunkt wird bei einem anderen Betätigungsweg erreicht als der Rückschaltpunkt (Bild 3). Bei Nockensteuerungen muss dies immer beachtet werden. Häufig haben Nockenschaltwerke (Bild 4) daher direkt am Schalter eine Leuchtdiodenanzeige für den Schaltzustand, sodass die Justage der Nocken exakt vorgenommen werden kann. Schalter haben stets eine Schaltdifferenz.

Nockenschaltwerke verwendet man z. B. zur Synchronisation1 von Hilfsantrieben bei Verpackungsmaschinen. Mit jeder Umdrehung wird ein Paket hergestellt und bei verschiedenen Drehpunkten werden mit Hilfe der Nocken Abfüllvorgänge und Schließvorgänge eingeleitet. 1

synchron = gleichzeitig, von griech. syn = mit und griech. chronos = Zeit

Schaltdifferenz

Rückschaltpunkt

Schaltpunkt

Schaltdifferenz

EIN

AUS

Schaltzeichen Weg

Bild 3: Schaltdifferenz bei Nockenschaltern

Funktionsanzeige

Sensor

Nocken

Bild 4: Nockenschaltwerk mit berührungslosen Näherungsschaltern

20

1 Grundlagen der Automatisierungstechnik

Positionsschalter, auch Grenzschalter bzw. Grenztaster genannt (Bild 1), sind wie Nockenschalter aufgebaut. Sie verwendet man zur Endbegrenzung, z. B. von Werkzeugmaschinenschlitten.

Stößel

Schaltzeichen

Neben der Betätigung der Schaltkontakte durch Hand oder auch durch Nocken gibt es eine Vielzahl weiterer Betätigungsmöglichkeiten (Tabelle 1).

Stellschalter Stellschalter haben eine Raste (Bild 2). Sie verharren in der zuletzt geschalteten Stellung. Bei Drehschaltern (Bild 3) gibt es häufig Schalter mit zwei mittleren Schaltstellungen als Stellschalter und den äußeren Schaltstellungen als Tastschalter. In Schaltstellung 2 wird z. B. eine Vorschubbewegung vorwärts und in Schaltstellung 3 eine Vorschubbewegung rückwärts eingeschaltet, während mit den Schaltstellungen 1 und 4 der jeweilige Eilgang ausgelöst wird.

bewegliches Schaltstück

Anschlusszungen

Bild 1: Positionsschalter (Grenztaster)

Tabelle 1: Betätigungsarten von Hand allgemein

Fußantrieb

Drücken

abnehmbarer Antrieb

Ziehen

Nockenantrieb

Drehen

Hauptschalter Jede Maschine und Anlage in der Industrie muss mit einem Hauptschalter ausgestattet sein (Bild 4). Dieser muss die gesamte Maschine oder Anlage vom Stromversorgungsnetz abtrennen, z. B. damit Reinigungsarbeiten ohne Gefahr vorgenommen werden können. Der Hauptschalter ist üblicherweise handbetätigt und hat eine „AUS“-Stellung und eine „EIN“-Stellung. AUS wird mit „O“ gekennzeichnet (Out) und EIN mit „I“ (In). Die AUS-Stellung ist abschließbar. Die stromführenden Anschlussklemmen müssen gegen Berührung abgedeckt sein und der Schaltzustand muss sichtbar sein oder zwangsläufig angezeigt werden.

Kraftantrieb allgemein

Kippen

Schieber

Betätigungsblech Gummimembran

Schaltzeichen

Kontaktwippe

1

3

1

2 3

2

Bild 2: Stellschalter (handbetätigt)

Stellschalter verharren in der jeweiligen Schaltstellung bis diese verändert wird.

1

2

3

4

2,3 © GE-Fanuc

Einschalten Schaltstellung 2 und 3 rastend

Bild 3: Drehschalter mit vier Schaltstellungen

Bild 4: Hauptschalter