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Volker von der Heide, Franz-Josef Hölken
Steuerungstechnik Metall
Lernsituationen
Arbeitsbuch
14. Auflage
Bestellnummer 5112

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Dann senden Sie eine E-Mail an 5112_014@bv-1.de
Autoren und Verlag freuen sich auf Ihre Rückmeldung.
www.bildungsverlag1.de
Bildungsverlag EINS GmbH
Hansestraße 115, 51149 Köln
ISBN 978-3-427-51120-5
© Copyright 2011: Bildungsverlag EINS GmbH, Köln
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Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages.
Hinweis zu § 52a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in
ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen.

Vorwort
Neue lernfeldstrukturierte Rahmenlehrpläne für die neugeordneten Metallberufe
in der Industrie und im Handwerk erforderten eine Überarbeitung der Fachbücher.
Im Vorwort der Rahmenlehrpläne werden die didaktischen Grundsätze erläutert:
„Die Zielsetzung der Berufsausbildung erfordert es, den Unterricht an einer auf die
Aufgaben der Berufsschule zugeschnittenen Pädagogik auszurichten, die die Handlungsorientierung
betont und junge Menschen zu selbstständigem Planen, Durchführen
und Beurteilen von Arbeitsaufgaben im Rahmen der Berufstätigkeit befähigt.“
Deshalb stehen praxisnahe Probleme im Mittelpunkt der einzelnen Lernsituationen.
Sie sind für den Unterricht didaktisch aufbereitet sowie mit Lösungshinweisen und
Erklärungen versehen. Sie können in Einzel-, Partner- oder Gruppenarbeit gelöst
werden. Hilfestellungen für die Lösung geben Tabellen- und Fachbücher sowie
Herstellerinformationen.
In Lernsituationen kann meist nur ein kleiner Ausschnitt der Arbeitsaufgabe eines
Steuerungsfachmanns vermittelt werden. Daher ist es empfehlenswert, mehrere
Situationen zu einem Lernfeld zusammenzufassen. Dazu dient die neue Gesamtaufgabe,
die den Rahmen der einen Steuerungstechnik überschreitet, dafür aber
die Fachgebiete Pneumatik und Elektropneumatik verbindet.
Die Arbeitsblätter für die Lernsituationen sind systemunabhängig aufgebaut.
Die Normen innerhalb der Steuerungstechnik werden ständig ergänzt und geändert.
Die grafi sche Beschreibungssprache zur Darstellung des Ablaufteils einer Steuerung
wird in der seit April 2005 verbindlichen Norm GRAFCET DIN EN 60848,
Spezifi kationssprache für Funktionspläne der Ablaufsteuerung, neu beschrieben.
Die daraus folgenden Änderungen wurden berücksichtigt.
In den pneumatischen Schaltplänen wurde zur Darstellung und Bezeichnung der
Schaltelemente die DIN ISO 1219 Teil 1 und Teil 2 verwendet. Für die grafi sche Darstellung
der elektrischen Symbolelemente in Schaltplänen diente die DIN EN 60617.
Die Klassifi zierung von Objekten nach Zweck oder Aufgabe und die Zuordnung der
Kennbuchstaben geschah nach DIN EN 61346-2.
Auf die produktbezogene Kennzeichnung (hier Minuszeichen) nach DIN 6779-1
wurde verzichtet, da alle Bauteile in den abgebildeten Plänen dem Kennzeichnungsblock
„Betriebsmittel“, der kleinsten Betrachtungseinheit, zugeordnet werden
können.
Autoren und Verlag freuen sich auch weiterhin über Anregungen, Verbesserungsvorschläge
und Kritik.
Kamen, im November 2010
3

4
Inhaltsverzeichnis
Themen Übungs-Nr. Seite
Grundlagen Steuerungstechnik G 1 – G 2 7 – 24
Beschreibung von steuerungstechnischen Aufgaben
GRAFCET (Spezifi kationssprache für Funktionspläne)
Systemtechnik I SI 1 – SI 12
Energiewandlung
Druck (Gesetz von Boyle-Mariotte)
Verdichter
Aufbereitung der Druckluft
Kolbenkraft, Wirkungsgrad
Arbeit
Luftverbrauch
Aufgaben
Druckzylinder
Zylinderkenngrößen, Zylinderauswahl
Aufgaben
G 1
G 2
SI 1
SI 2
SI 3
SI 4
SI 6
SI 7
SI 8
SI 9
SI 10
SI 11
SI 12
Pneumatik P 1 – P 22 39 – 84
Einfach wirkender Zylinder; 3/2-Wegeventil (Spanneinheit)
Doppelt wirkender Zylinder; 4/2-Wegeventil mit Federrückstellung
(Ständersägemaschine)
Doppelt wirkender Zylinder; 4/2- oder 5/2-Wegeimpulsventil
(Schachtmagazin)
Geschwindigkeitsbeeinfl ussung (Rollenrutsche)
Schaltungsaufbau UND-Verknüpfung, Zweidruckventil (Biegepresse)
Schaltungsaufbau ODER-Verknüpfung, Wechselventil (Werktor)
Zeitverzögerungsventil (Prägestempel)
Zweihand-Sicherheits-Steuerung (Abkantpresse)
Signalspeicherung (Kniehebelspanneinrichtung)
Weg-Schritt-Diagramm (Sortieranlage)
Betriebsartenwahl (Handhabungsgerät)
Zustandsdiagramm (Etikettiermaschine)
Signalabschaltung über Rollenhebel (Biegewerkzeug)
Signalabschaltung durch Umschaltventil (Bohrstation)
Pneumatische Signalspeicherung (Entladestation)
Weg-Zeit-Diagramm (Schüllgutsilo)
Verriegelung von Ausgängen (Honvorrichtung)
Folgeventil (Fräsmaschine)
Übungsaufgabe: drei Zylinder (Schaltwerk)
Übungsaufgabe: zwei Zylinder mit Weg-Zeit-Diagramm
(Beschickungseinheit)
Kontrollaufgaben
Gesamtaufgabe: Nieteinrichtung
P 1
P 2
P 3
P 4
P 5
P 6
P 7
P 8
P 9
P 10
P 11
P 12
P 13
P 14
P 15
P 16
P 17
P 18
P 19
P 20
P 21
P 22
Elektrotechnik ET 1 – ET 13 85 – 98
Messgrößen im Geichstromkreis
Ohmsches Gesetz (Versuch 1)
Ohmsches Gesetz (Versuch 2)
Reihenschaltung (Versuch 1 Stromverhalten)
ET 1
ET 2
ET 3
ET 4
8
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26
27
28
29
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32
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72
74
76
77
78
79
86
87
88
89

Inhaltsverzeichnis
Themen Übungs-Nr. Seite
Reihenschaltung (Versuch 2 Spannungsverhalten)
Reihenschaltung (Versuch 3 Widerstandsverhalten)
Parallelschaltung (Versuch 1 Spannungsverhalten)
Parallelschaltung (Versuch 2 Stromverhalten)
Parallelschaltung (Versuch 3 Gesamtwiderstandsverhalten)
Elektrische Leistung, Arbeit
Leiterwiderstand (Versuche 1 bis 4)
Mathematische Übungen
ET 5
ET 6
ET 7
ET 8
ET 9
ET 10
ET 11
ET 13
Elektropneumatik EP 1 – EP 19 99 – 138
Aufbau von Stromlaufplänen, Identität (Zuteilstation)
Relaisaufbau, UND-Verknüpfung (Ausheber)
Antriebsarten für Kontakte; ODER-Verknüpfung
(Querförderer 1)
Kombination der Grundverknüpfungen (Querförderer 2)
Elektrische Speicherung von Signalen (Selbsthaltung)
Logikzustände (Spannvorrichtung)
Anwendung zur Signalspeicherung (Vorschubeinheit)
Relais mit Ansprechverzögerung (Klebevorrichtung)
Relais mit Rückfallverzögerung (Verbindungstür)
Programmablaufplan (Ofentür)
Gegenüberstellung mechanischer und elektrischer Signalspeicherung
(Werktor)
Ablaufsteuerung mit mechanischer Endlagenabfrage
(Belastungsprüfung)
Ablaufsteuerung mit Näherungsschaltern (Zuführstation)
Ablaufsteuerung mit Signalabschaltung (Prägestation)
Ablaufsteuerung mit Betriebsartenwahl
(Handhabungsgerät)
Ablaufsteuerung mit Drucksensor (Fräsmaschine)
Sensoren
Übungsaufgabe (Transportroboter)
Gesamtaufgabe (Nieteinrichtung)
EP 1
EP 2
EP 3
EP 4
EP 5
EP 6
EP 7
EP 8
EP 9
EP 10
EP 11
EP 12
EP 13
EP 14
EP 15
EP 16
EP 17
EP 18
EP 19
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) SPS 1 – SPS 20 139 – 192
SPS-Programmiersprachen nach DIN EN 61131-3
Arbeitsweise einer SPS
Blockschaltbild einer SPS
Beschreibung von steuerungstechnischen Aufgaben
Identität; UND-Bedingung (Montagepresse)
UND vor ODER; 5/2-Wegeventil mit Federrückstellung
(Furnierpresse)
5/2-Wegeventil mit mechanischer Signalspeicherung
(Rundtisch)
Setzen von Ausgängen (Rollengang)
Gegenüberstellung mechanischer und elektrischer
Signalspeicherung (Werktor)
Programmierung von Merkern, Werkstückerkennung durch Sensoren
(Abfüllstation I)
SPS 1
SPS 2
SPS 3
SPS 4
SPS 5
SPS 6
SPS 7
SPS 8
SPS 9
90
91
92
93
94
95
96
98
100
102
104
106
107
108
110
112
114
116
118
120
122
124
126
128
130
134
135
139
144
145
146
148
150
152
154
156
5

6
Inhaltsverzeichnis
Themen Übungs-Nr. Seite
Betriebsartenwahl (Bohrmaschine)
Programmierung von Zeiten (Abfüllstation II)
Verknüpfung von Zeiten und Merkern (Farbmischstation)
Zeitgeführte Ablaufsteuerung (Weiche)
Programmierung von Zählern (Schweißeinrichtung)
Zusammenwirken von Zeiten und Zählern (Tauchbad)
Aufbau einer Ablaufkette (Handhabungsgerät)
Ablaufsteuerung mit Signalüberschneidung (Montagestation)
Ablaufsteuerung mit Betriebsartenwahl (Zinnbad)
Programmierung von verzweigenden Ablaufketten (Doppelschiebetür)
Übungsaufgabe: Fräsmaschine
Übungsaufgabe: Entnahmestation
Aufgaben
SPS 10
SPS 11
SPS 12
SPS 13
SPS 14
SPS 15
SPS 16
SPS 17
SPS 18
SPS 19
SPS 20
SPS 21
SPS 22
Systemtechnik II SII 1 bis SII 22 195 – 200
Hydraulische Grundlagen
Hydrostatik
Druck durch äußere Kräfte (Gesetz von Pascal)
Druckübersetzung
Hydraulische Presse
Hydrodynamik
Mathematische Übungen I
Mathematische Übungen II
Mathematische Übungen III
Hydraulikpumpen
Hydraulische Energie, Hydraulischer Leistungsfl uss
Leckstromverluste, mechanische Verluste
Wirkungsgrade
Hydraulikzylinder
Berechnungsbeispiel (Ständerfräsmaschine)
Hydraulikventile
Aufgaben
SII 1
SII 2
SII 3
SII 4
SII 5
SII 7
SII 8
SII 9
SII 10
SII 11
SII 13
SII 14
SII 15
SII 17
SII 19
SII 20
SII 21
Hydraulik H 1 bis H 11 221 – 242
Druckbegrenzungsventil (Spanneinheit)
Pumpenkennlinie (Räummaschine)
Differenzialschaltung (Schließeinheit)
Drosselventil oder 2-Wege-Stromregelventil (Lastenaufzug)
Primär- oder Sekundärsteuerung (Strangpresse)
Gegenhaltung (Vorschubeinheit)
Entsperrbares Rückschlagventil (Hebebühne)
Eilgang-Vorschub-Schaltung (Umformpresse)
Zuschaltventil (Montagepresse)
Hydromotor (Montagestraße)
Aufgaben
H 1
H 2
H 3
H 4
H 5
H 6
H 7
H 8
H 9
H 10
H 11
Normen 244
158
160
162
166
168
170
172
178
182
188
192
193
194
196
197
198
199
200
202
203
204
205
206
208
209
210
212
214
216
219
222
224
226
228
230
232
234
236
238
240
242

Grundlagen
Steuerungstechnik
Auftrag Erstellung einer Anlage
Technische Anforderungen:
– Stoff, Energie, Information
– Geschwindigkeit
– Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad
– Leitungen
– Bauelemente
Entscheidungen über:
– Steuerungsprogramm
– Hand-, Automatik- und
Einrichtebetrieb
– Verriegelung von Abläufen
– Betriebsarten und -mittel
– Arbeitssicherheit
– Sicherheitskategorie bei
Not-Aus-Abschaltung
Technische Realisierung:
– Planung der Durchführung
– Optimierung
– Kalkulation der Kosten
– Montage der Geräte
– Betrachtung der
Arbeitssicherheit
– Erstellung einer
Abschlussdokumentation
Problemerfassung und
Analyse des Auftrags
Anlagenbeschreibung
Pfl ichtenheft
Bauplan
Auftragsplanung
GRAFCET-Plan
Weg-Schritt-Diagramm
SPS-Programm
Schaltplan
Auftragsdurchführung
Ergebnisse – Lösungsstrategien:
– Entwicklung von Lösungen
– Anforderungsbericht
– Pfl ichtenheft
– Verteilungs- und Lagepläne
Ergebnisse:
– Technologieschema
– GRAFCET-Plan
– Schaltpläne
– Weg-Schritt-Diagramm
– SPS-Programm
– Bauteildimensionierung
– Leitungsdimensionierung
– Leitungsschutz
– Sicherheitseinrichtung
Ergebnisse:
– Auftragsabnahme
– Probelaufdurchführung
– Anlagenabnahme im Betrieb
– Inbetriebnahmeprotokoll
– Unterweisung des
Bedienpersonals
– Abschlussgespräch
7

2
16
Grundlagen
Steuerungstechnik
Grundstruktur eines GRAFCET
1. Abläufe werden gegliedert in Schritte und Transitionen (Übergangsbedingungen), die sich abwechseln.
2. Ein Schritt kann aktiv oder inaktiv sein. Es können mehrere Schritte gleichzeitig im betrachteten Augenblick
aktiv sein. Dieses ist entsprechend zu kennzeichnen.
3. In einem Schritt können beliebig viele Aktionen ausgeführt werden.
4. Abläufe können verzweigt und wieder zusammengeführt werden.
Grafi sche Darstellung der GRAFCET-Elemente
Schritt
Anfangsschritt
Die Ablaufkette wird in einzelne Schritte unterteilt. Jeder Schritt wird mit einem Rechteck
dargestellt, wobei das Quadrat als besonderes Rechteck bevorzugt werden soll. In
der oberen Mitte des Quadrates muss eine Zahl für die Schrittnummer stehen. Ein
Schritt kann zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv (er wird gerade ausgeführt) oder
inaktiv sein.
Es kann zweckmäßig sein, aktive Schritte durch einen Punkt zu kennzeichnen. Dieses
dient nur zur Erläuterung.
Der Anfangsschritt kennzeichnet die Ausgangsstellung der Steuerung. Im Anfangsschritt
wird die Ausgangssituation der Steuerung nach dem Einschalten dargestellt.
Der Anfangsschritt wird durch einen doppelten Rahmen dargestellt.
Transition (oder Übergang)
Sie ist das Element eines Funktionsplans, das den Übergang von einem Schritt zum
nächsten gestaltet. Sie wird als freigegeben bezeichnet, wenn alle unmittelbar vorangegangenen
mit dieser Transition verbundenen Schritte aktiv sind. Um eine fehlerfreie
Ablaufkette zu erlangen, soll zwischen zwei Schritten jeweils nur eine Transition stehen.
Eine Transition wird durch eine Linie im rechten Winkel zur Verbindung zwischen den
beiden Schritten dargestellt (in Ausnahmefällen auch auf horizontalen Wirkverbindungen).
Die Transition darf einen Namen erhalten. Er ist links anzuordnen und in Klammern zu
setzen.
Mit jeder Transition ist ein logischer Ausdruck verknüpft, der Transitionsbedingung
genannt wird. Die Bedingung kann den Wert „1“ (erfüllt bzw. TRUE) oder den Wert
„0“ (nicht erfüllt bzw. FALSE) annehmen. Die Transitionsbedingung steht auf der rechten
Seite der Transitionslinie.
Die Übergangsbedingung darf in Textform, mit einem booleschen Ausdruck oder mithilfe grafi scher
Symbole dargestellt werden. Sie gibt die Menge der Bedingungen an, die erfüllt sein müssen, damit der
Übergang zwischen Schritten freigegeben wird
Textdarstellung Boolesche Darstellung Grafi sche Darstellung

Kolbenkraft
Systemtechnik I
Die Kraft F des ausfahrenden Kolbens ist abhängig vom Druck p e der gespeicherten Luft und der Größe
der beaufschlagten Kolbenfl äche A.
Beaufschlagte Kolbenfl äche
A 1 =
d 1 2 · π
4
Wirkungsgrad
A 2 = (d 1 2 – d 2 2 ) · π
4
F = p e · A · �
F = Kolbenkraft in N
p e = Überdruck in N/cm 2
A = beaufschlagte Kolbenfl äche in cm 2
η = Wirkungsgrad
Von der berechneten (theoretischen) Kolbenkraft F theor ist in der Praxis nur ein Teil nutzbar. Durch Reibung
zwischen den Kolbendichtungen und der Zylinderwandung sowie der Kolbenstange und den Kolbenstangendichtungen
(siehe Blatt Systemtechnik I 10) wird ein Teil der pneumatischen Energie in Wärmeenergie
umgewandelt. Das Verhältnis der abgegebenen Kolbenkraft F ab zur zugeführten Kraft F zu
wird als Wirkungsgrad bezeichnet. Der Wirkungsgrad eines neuen Pneumatikzylinders liegt zwischen
0,75 und 0,9.
� = F ___ ab
Fzu Beispiel
η = Wirkungsgrad
F ab = abgegebene Kolbenkraft (nutzbare Kraft) in N
F zu = zugeführte Kolbenkraft (theoretisch zur Verfügung stehende Kraft) in N
Gegeben: Kolbendurchmesser d 1 = 6 cm; Kolbenstangendurchmesser d 2 = 1,5 cm.
Druck p e = 0,6 MPa; Wirkungsgrad η = 0,75.
Gesucht: Druckkraft F 1 des ausfahrenden Kolbens,
Zugkraft F 2 des einfahrenden Kolbens
Lösung:
Druckkraft
F 1 = p e · A 1 · η
F1 = pe · d1 2 · π
· η
4
6 cm · 6 cm · 3,14
F1 = 0,6 MPa _________________ · 0,75
4
F 1 = 1 271,7 N
Zugkraft
F 2 = p e · A 2 · η
F2 = pe · (d1 2 2
– d2) · π
· η
4
(6 cm · 6 cm – 1,5 cm · 1,5 cm) · 3,14
F2 = 0,6 MPa __________________________________ · 0,75
4
F 2 = 1 192,2 N
6
31

1
40
Pneumatik
Spanneinheit
Technologieschema
–
–
–
–
Problemstellung
Ein Transfersystem fördert auf Werkstückträgern teilmontierte Werkstücke zu den verschiedenen
Montagestationen. An einer Montagestation sollen zwei vormontierte Maschinenelemente durch
eine Presse verstiftet werden. Dazu wird die Lage der Werkstücke durch einen einfach wirkenden
Zylinder fi xiert. Der Spannvorgang wird von Hand durch Betätigung eines Druckknopfs eingeleitet.
Der Kolben des Spannzylinders fährt aus. Das Werkstück ist gespannt. Nach dem Einpressen
des Stifts wird der Druckknopf losgelassen. Der Kolben des Zylinders fährt zurück und das Werkstück
ist gelöst. Der Werkstückträger kann zur nächsten Station fahren.
Arbeitsauftrag
Vervollständigen Sie den Schaltplan für den Moment des Spannens.
Erklären Sie den Aufbau der Wegeventile und die Symbole für die Bauelemente nach DIN ISO 1219-1.
Warum stellt das Ventilsymbol ein 3/2-Wegeventil dar?
Was geschieht, wenn plötzlich die Druckluftzufuhr unterbrochen wird?

In Ruhestellung
Aufbau der Symbole für Wegeventile
nach DIN lSO 1219-1
=
=
=
=
=
=
=
=
=
Anschlüsse beim 3/2-Wegeventil
1 (P) =
2 (A) =
3 (R) =
Schalttabelle Logiksymbol
Signalelement
Zylinder
Pneumatik
Während der Betätigung
Symbole für Bauelemente
nach DIN lSO 1219-1
=
=
Ausführliches Symbol einer Aufbereitungseinheit
=
=
=
=
=
=
1
41

Gesamtaufgabe: Nieteinrichtung
Problemstellung
Technologieschema
Pneumatik
In einer Montagefabrik werden Aluminiumbleche zur Verstärkung mit -Profi len durch Niete verbunden.
Die Niete werden von Hand in die Bohrlöcher der zu verbindenden Teile eingelegt und
diese unter der Nietpresse gegen einen Anschlag geschoben, wenn der Niederhalter nach oben
gefahren worden ist (abgefragt durch 1S1).
Jetzt kann der eigentliche Nietvorgang beginnen. Dazu wird der Starttaster 1V1 betätigt. Der
Niederhalter fährt durch den Zylinder 1A aus und drückt die beiden Teile aufeinander. Ist dies geschehen,
veranlasst das 3/2-Wegeventil 1S2, dass der Nietzylinder 2A ausfährt und den Halbrundkopf
formt. Durch Betätigung des Grenztasters 2S2 fährt der Nietzylinder 2A ein und betätigt das
3/2-Wegeventil 2S1. Dadurch löst der Niederhalterzylinder 1A die vernieteten Teile.
Die Ein- und Ausfahrgeschwindigkeiten der Zylinder sollen einstellbar sein.
Arbeitsauftrag
1. Ergänzen Sie das Weg-Schritt-Diagramm. Tragen Sie im Funktionsdiagramm evtl. auftretende Signalüberschneidungen
ein.
2. Vervollständigen Sie den GRAFCET-Plan.
3. Bauen Sie gemäß des Schaltplans die Steuerung für die Nieteinrichtung auf. Überprüfen Sie die Funktion.
Sie müssten feststellen, dass in der Steuerung 5 Fehler vorhanden sind. Erstellen Sie ein Fehlerprotokoll,
in dem Sie die Fehler beschreiben. Bessern Sie die Steuerung aus und notieren Sie die
Behebung der Fehler ebenfalls im Protokollblatt.
(Falls Sie keine Möglichkeit zum Aufbau der Steuerung besitzen, können Sie die Fehler auch durch
Nachdenken ermitteln und deren Behebung im Protokollblatt notieren.)
22
79

13
98
Elektrotechnik
Mathematische Übungen
1. Ein Relais wird mit einer Spannung U = 24 V Gleichstrom geschaltet. Sein Widerstand beträgt 6 Ω.
Berechnen Sie die maximale Stromstärke.
2. Durch die Magnetspule eines 5/2-Wegemagnetventils fl ießt ein Strom von 0,19 A. Die Spannung
beträgt 24 V Gleichstrom. Berechnen Sie den Widerstand der Spule.
3. Ein Netzgerät hat einen Widerstand von 4,8 Ω, die Stromstärke beträgt 5 A. Berechnen Sie die Spannung,
an die das Netzgerät angeschlossen werden darf.
4. Der menschliche Körper hat ungefähr einen Widerstand von 1000 Ω. Lebensgefährlich wird es für
das menschliche Herz, wenn eine Stromstärke von etwa 50 mA vorhanden ist. Berechnen Sie, bei
welcher Spannung für den Menschen Lebensgefahr besteht.
5. Zwei Widerstände R 1 = 100 Ω und R 2 = 80 Ω liegen in Reihe an einer Spannung U = 24 V. Wie groß
ist der Gesamtstrom l?
6. Ein Relais mit den Anschlusswerten 12 V und 0,2 A soll an eine Spannungsquelle von 24 V angeschlossen
werden. Berechnen Sie den erforderlichen Vorwiderstand R.
7. Drei gleiche Relais mit einem Widerstand von R = 8 Ω wurden an ein Netzgerät mit einer Quellenspannung
von U = 24 V angeschlossen.
a) Zeichnen Sie in einer Skizze die Anordnung der Widerstände in Reihe und berechnen Sie den
Gesamtstrom I g.
b) Zeichnen Sie in einer Skizze die Anordnung der Widerstände in einer Parallelschaltung. Berechnen
Sie jeweils den Strom I g, den Widerstand R g und die Teilströme zu den einzelnen Widerständen.
8. Drei Widerstände R 1 = 10 Ω, R 2 = 15 Ω und R 3 = 20 Ω in einer Parallelschaltung sind an ein Netzgerät
mit einer Spannung von 12 V angeschlossen. Berechnen Sie den Gesamtwiderstand R g, die Teilströme
l 1, l 2 und l 3 und den Gesamtstrom I g.
9. Drei Relais sollen durch ein Netzgerät (24 V, 18 A) parallel mit Spannung versorgt werden. Auf
zweien der Relais ist die Angabe des Widerstands R = 10 Ω vermerkt, auf dem dritten steht keine
Angabe. Wie groß darf der Widerstand des dritten Relais sein? Begründen Sie Ihre Antwort mithilfe
der Berechnung des Gesamtwiderstands.
10. Berechnen Sie für die gezeichneten Schaltungen den Gesamtwiderstand Rg. a) b)
11. Wie groß ist der Widerstand eines Kupferdrahts von 30 m Länge, der einen Durchmesser von 1,38 mm
hat?
12. Ein 80 m langes Hausanschlusskabel mit einzelnen Kupferdrähten, die jeweils einen Querschnitt von
A = 2,5 mm 2 besitzen, soll aus Kostengründen durch Aluminiumdrähte ersetzt werden. Welchen
Querschnitt müssen die einzelnen Aluminiumdrähte besitzen?

14
124
Elektropneumatik
Prägestation
Technologieschema
Pneumatischer Schaltplan Weg-Schritt-Diagramm
–
–
Problemstellung
In einer Prägevorrichtung sollen Werkstücke gekennzeichnet werden. Der Arbeitsvorgang kann
durch Druck auf den Starttaster S1 beginnen, wenn sich der Kolben des Zylinders 1A in der hinteren
Endlage befi ndet und das Magazin mit Werkstücken gefüllt ist, abgefragt durch den Sensor B1.
Zylinder 1 A schiebt die Werkstücke aus dem Stapelmagazin gegen einen Anschlag und spannt sie.
Zylinder 2A bewegt den Prägestempel abwärts. Nach erfolgtem Prägevorgang fährt Zylinder 2A in
die Ausgangslage zurück. Danach gibt Zylinder 1A die Werkstücke frei, die dann von Hand entnommen
werden. Die Endlagen des Kolbens des Zylinders 2A werden durch die Sensoren 2B1 und
2B2 berührungslos abgefragt.
Arbeitsauftrag
Vervollständigen Sie das Weg-Schritt-Diagramm. Ergänzen Sie den Logikplan.
Erstellen Sie einen Stromlaufplan für die Prägevorrichtung. Überprüfen Sie Ihre Lösung durch den
Aufbau der Steuerung.

Stromlaufplan
Näherungsschalter
Logikplan
Elektropneumatik
Reed-Schalter im Stromlaufplan
(Zwei-Draht-Sensor)
14
Ein Minusanschluss ist bei einem
Reed-Schalter als Zwei-Draht-Näherungssensor
nur erforderlich, wenn
eine Leuchtdiode als Schaltkontrolle
angeschlossen werden soll.
125

6
Rundtisch
150
SPS-Technik
Technologieschema
Pneumatischer Schaltplan Weg-Schritt-Diagramm
–
–
–
–
Problemstellung
An einem Rundtisch befi nden sich drei Taster S1, S2 und S3. Wenn zwei von ihnen betätigt werden,
fährt ein Stempel herunter. Der Rückhub erfolgt über den Näherungssensor 1B1 automatisch.
Arbeitsauftrag
Ergänzen Sie den GRAFCET-Plan.
Erstellen Sie die Schalttabellen für das Ausfahren und den Rückhub des Zylinders.
Überlegen Sie, welche Zeilen der Schalttabellen für die Programmierung der SPS erforderlich sind.
Schreiben Sie ein SPS-Anwenderprogramm in den Programmiersprachen AWL (Anweisungsliste), KOP
(Kontaktplan) und FBS (Funktionsbaustein-Sprache).

SPS-Technik
Übungsaufgabe: Entnahmestation
Problemstellung
An der letzten Station einer Rundakt-Anlage werden die fertigen Bauelemente von einem Montageroboter
entnommen und auf die Werkstückträger eines Transfersystems übertragen. Die Anlage
arbeitet selbsttätig, wenn der Sensor B1 auf dem Transportband einen positionierten freien
Werkstückträger meldet, ein Arbeitstakt des Tisches abgeschlossen ist, gemeldet durch den Senor
B2, und sich alle Zylinder des Montageroboters in der Ausgangslage befi nden. Zylinder 1A senkt
die Hubeinheit. Im nächsten Schritt wird das Werkstück durch das Ausfahren des Zangengreifers
(Zylinder 2A) gespannt. Zylinder 1A hebt das Werkstück an. Anschließend fährt Zylinder 3A über
das Transportband. Zylinder 1A senkt ab und Zylinder 2A gibt durch Einfahren das Werkstück frei.
Zylinder 1A und danach Zylinder 3A fahren den Roboter in seine Ausgangslage zurück.
Technologieschema
Zangengreifer
Pneumatischer Schaltplan Weg-Schritt-Diagramm
Arbeitsauftrag
– Erstellen Sie für die Steuerung das Weg-Schritt-Diagramm, den GRAFCET-Plan und die Zuordnungsliste.
– Erstellen Sie ein SPS-Anwenderprogramm in der Sprache AWL (Anweisungsliste) und der Sprache FBS
(Funktionsbaustein – Sprache).
21
193

5
200
Systemtechnik II
Hydraulische Presse
Die Hydraulik eignet sich durch die physikalischen Eigenschaften der Druckmedien zur Kraftübersetzung.
Durch die Kraft F 1 lässt sich über einen Druckkolben mit einer kleinen Kolbenfl äche A 1 ein Druck
erzeugen. Bei gegebener Druckkraft F 1 gilt: Je kleiner die Kolbenfl äche, umso größer ist der Druck p e
im System. Der durch den Druckkolben erzeugte Druck p e ist in einem geschlossenen System nach allen
Seiten gleich groß (Gesetz von Pascal). Der erzeugte Druck wirkt auf den Lastkolben mit der größeren
Kolbenfl äche A 2 und kann dort eine Last mit der Gewichtskraft F 2 heben. Der durch den Druckkolben
erzeugte Druck p e ist nach allen Seiten des Systems gleich groß.
Druckkolben pe = F ___ 1
A1 Beispiel
p e Druckkolben = p e Lastkolben
F 1
___
A 1
F 1
__
F 2
= F ___ 2
A2 = A ___ 1
A2 Lastkolben pe = F ___ 2
A2 p e = Druck im System in N/cm 2 , bar, MPa
F 1 = Kraft auf den Druckkolben in N
F 2 = Kraft auf den Lastkolben in N
A 1 = Kolbenfl äche Druckkolben in cm 2
A 2 = Kolbenfl äche Lastkolben in cm 2
Gegeben: Kolbendurchmesser des Druckkolbens d 1 = 20 mm; Kolbendurchmesser des Lastkolbens
d 2 = 300 mm; Kraft F 1 auf den Druckkolben = 150 N
Gesucht: Kraft F 2 am Lastkolben in N
Lösung:
F 1
__
F 2
= A ___ 1
A2 F2 = A ______ 2 · F1 A1 A1 = d1 2 ______ · π
4 A2 = d 2 2 ______ · π
4
A 1 =
_________________
2 cm · 2 cm · 3,14
4 A 30 cm · 30 cm · 3,14
2 = ___________________
4
F2 = 706,50 cm2 __________________ · 150 N
3,14 cm2 A1 = 3,14 cm2 A2 = 706,50 cm2 F 2 = 33 750 N

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Systemtechnik II
Ständerfräsmaschine (Gesamtbeispiel)
Problemstellung
In einem Arbeitsgang erfolgt die Fertigung der Gleitbahnen von Werkzeugmaschinenbetten durch
eine Ständerfräsmaschine mit hydraulischem Vorschub und hydraulisch betätigtem Spannfutter.
Die Maschinenbetten sind in einem Spannfutter (Schließgeschwindigkeit der Spannbacken 3 m/min)
mit einer Spannkraft von 18 kN gespannt. Die erforderliche Vorschubkraft beträgt 12 kN bei einer
Vorschubgeschwindigkeit v f = 130 mm/min. Der Eilgang und die Rückfahrgeschwindigkeiten betragen
6 m/min. Der Wirkungsgrad der Zylinder beträgt 0,8. Der volumetrische Wirkungsgrad η vol
beträgt 0,9. Der Druck p e im System darf 5 MPa (50 bar) nicht übersteigen.
Für diese Anlage sind die erforderlichen Zylinder, der Förderstrom der Pumpe, die elektrische Antriebsleistung
sowie die Durchmesser der Druckleitungen (v = 4 m/s) und der Rückleitung (v = 1,5 m/s)
zum Tank zu bestimmen.
Technologieschema
Berechnung der erforderlichen Hydraulikzylinder
Spannzylinder
F 1 = A 1 · p e · η
A1 = F _____ 1
pe · η
A1 = ______________
18 000 N · cm2
500 N · 0,8
A 1 = 45 cm 2
gewählter Zylinderdurchmesser aus der Tabelle
Seite Systemtechnik II 9:
d 1 = 80 mm
Kolbenstangendurchmesser
d 2 = 50 mm
Vorschubzylinder
F 1 = A 1 · p e · η
A1 = F _____ 1
pe · η
A1 = __________________
12 000 N · cm2
500 N · 0,8
A 1 = 30 cm 2
gewählter Zylinderdurchmesser aus der Tabelle
Seite Systemtechnik II 9:
d 1 = 63 mm
Kolbenstangendurchmesser
d 2 = 40 mm