Automatisierungstechnik - fs fachbuch

Bibliothek des technischen Wissens
Automatisierungstechnik
mit Informatik und Telekommunikation
Grundlagen, Komponenten
und Systeme
9., erweiterte Auflage
mit CD für Bilder, Übungen, Aufgaben und Simulationen
Bearbeitet von Lehrern und Ingenieuren (s. Rückseite)
Lektorat: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Essingen
VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG
Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten
Europa-Nr.: 51518

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Die Autoren des Buches
Dietmar Schmid Dr.-Ing., Professor Essingen
Hans Kaufmann Dipl.-Ing. (FH), Studiendirektor Aalen
Alexander Pflug Dipl.-Ing., Studienrat Schwäbisch Gmünd
Peter Strobel Dipl.-Ing. (FH), Geschäftsführer Aalen
Jürgen Baur Dipl.-Ing. (FH), wiss. Lehrer Aalen
Lektorat und Leitung des Arbeitskreises:
Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Essingen
Bildbearbeitung:
Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, Ostfildern
Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der neuen amtlichen Rechtschreibregeln erstellt.
9., Auflage 2011
Druck 5 4 3 2 1
Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern
untereinander unverändert sind.
ISBN 978-3-8085-5159-2
Diesem Buch wurden die neuesten Ausgaben der DIN-Blätter und der VDE-Bestimmungen zugrunde gelegt.
Verbindlich sind jedoch nur die DIN-Blätter und VDE-Bestimmungen selbst.
Die DIN-Blätter können von der Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin, und Kamekestraße 2 – 8,
50672 Köln, bezogen werden. Die VDE-Bestimmungen sind bei der VDE-Verlag GmbH, Bismarckstraße 33,
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Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich
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© 2011 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten
© 2001 by http://www.europa-lehrmittel.de
Umschlaggestaltung: Braunwerbeagentur, 42477 Radevormwald & Grafik u. Sound, 50679 Köln, unter
Verwendung von Fotos des Lektors.
Satz: rkt, 42799 Leichlingen, www.rktypo.com
Druck: M. P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn

Vorwort zur 9. Auflage
Die Automatisierungstechnik, eingebettet in die Informatik und Kommunikationstechnik oder auch
Telematik, ist der Motor unserer heutigen modernen Gesellschaft. Vorgänge können aus der Ferne
gesteuert und beobachtet werden. Die Komponenten dazu sind mechanische, elektrische, elektronische
und optische Elemente der Steuerungstechnik, der Antriebstechnik, der Sensortechnik und der Kommunikationstechnik.
Hinzu kommen Software-Bausteine und die Anwendung von Programmsystemen, wie
z. B. LabVIEW sowie das Programmieren z. B. in C++, Java oder VBA.
Dieses Lehrbuch gibt zunächst eine Einführung in die modernen Geschäftsprozesse des Produkt-Daten-
Managements (PDM) und führt den Nutzer in ein ganzheitliches Denken ein: Von den Komponenten über
die Methoden zu den Systemen. Zu den Komponenten der Automatisierungstechnik gehören einerseits
die mechanische, elektrische, elektronische und optische Hardware und andererseits die Software.
Mit diesem Buch werden die technisch-physikalischen Grundlagen der Steuerungs- und Regelungstechnik
vermittelt. Es werden Hard- und Softwarekomponenten der Automatisierung behandelt und es folgt
die Einordnung in die moderne Systemwelt der Produktion und der Kommunikation.
Die Hauptabschnitte sind:
● Produkt-Daten-Management und Einführung in die Automatisierung;
● Grundlagen der Automatisierung mit Steuerungstechnik und Regelungstechnik;
● SPS-Technik;
● Pneumatische, hydraulische und elektrische Aktoren;
● Sensortechnik;
● Computergesteuerte Maschinen: CNC-Werkzeugmaschinen, Koordinaten-Messanlagen, Rapid-Prototyping-Anlagen,
Roboter;
● Montage und Demontage, VE-Systeme;
● Qualitätsüberwachung und Prozesslenkung;
● Informationstechnik, Kommunikationstechnik und Telematik;
● Aufgaben und Übungen.
Das vorliegende Buch vermittelt den Lehrstoff, wie er im Bereich der Automatisierungstechnik und
Mechatronik in den Fachschulen für Technik gefordert wird, aber auch wie er notwendig ist im Bereich der
beruflichen Weiterbildung. Für Studenten der Hochschulen dient dieses Buch als eine leicht lesbare
Einführung. Über 1200, meist mehrfarbige Bilder oder Tabellen erleichtern das Begreifen der komplexen
Zusammenhänge.
Eine Vielzahl von Übungen und Beispielen fördert das selbstständige Einarbeiten in die Automatisierungstechnik
und erleichtert die Gruppenarbeit bei der gemeinsamen Problemlösung. Wiederholungsfragen
am Ende einzelner Abschnitte ermöglichen die Selbstkontrolle und dienen der Vertiefung.
Die 9. Auflage wurde um ein Kapitel Aufgaben und Übungen erweitert. Mit der beigefügten CD werden
den Lehrenden und Lernenden alle Bilder, Lösungen zu den Aufgaben und eine Vielzahl von Softwaretools,
Simulationen und animierbaren Objekten zur Verfügung gestellt. Damit gelingt es Bewegungs-
und Steuerungsvorgänge lebendig werden zu lassen. Es können Teilprozesse oder vollständige
Anlagen virtuell dargestellt und beobachtet werden. Auch ist es zum Teil möglich, die virtuellen Vorgänge
in realen Anlagen „laufen zu lassen”. Lernende können damit in sehr kreativer Weise Wissen und Erfahrungen
schöpfen.
Hinweise und Verbesserungsvorschläge können dem Verlag und damit den Autoren unter der E-Mail-
Adresse lektorat@europa-lehrmittel.de mitgeteilt werden.
Sommer 2011 Die Autoren
3

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1 Grundlagen der Automatisierungstechnik 9
1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Steuerungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1 Steuerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Programmsteuerungen . . . . . . . . . . . 18
1.2.3 Elektrische Bauelemente . . . . . . . . . . 19
1.2.4 Schutzmaßnahmen, Schutzarten
und Gefahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.2.5 Grundschaltungen elektrischer
Kontaktsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2.6 Sicherheitsfunktionen . . . . . . . . . . . . 35
1.2.7 Integrierte Schaltkreise (IC) und
Grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.8 Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.9 Kombinatorische Steuerungen . . . . . 38
1.2.10 Sequentielle Steuerungen . . . . . . . . 42
1.2.10.1 GRAFCET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.10.1 Sequentielle Steuerungen
42
mit Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.2.11 Zustandsfolgediagramm (Graph) . . . 50
1.3 Digitale Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.3.1 Mechanische Speicher . . . . . . . . . . . . 51
1.3.2 Optische Datenspeicher . . . . . . . . . . 52
1.3.2.1 Barcodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.3.2.2 2D-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.3.3 Elektronische Speicher . . . . . . . . . . . 54
1.3.4 Magnetische Speicher . . . . . . . . . . . . 56
1.4 Speicherprogrammierbare
Steuerungen (SPS) . . . . . . . . . . . . . . 57
1.4.1 Aufbau und Funktionsweise . . . . . . . 57
1.4.2 Systemaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.4.3 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.4.4 Programmabarbeitung,
Organisationsbausteine . . . . . . . . . . . 62
1.4.5 Adressierung und Datentypen . . . . . 63
1.4.6 Grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . 64
1.4.7 Speicher (Merker) . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.4.8 Flankenauswertung . . . . . . . . . . . . . . 69
1.4.9 Zähloperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1.4.10 Programmieren von Zeiten . . . . . . . . 73
1.4.11 Digitale Grundoperationen . . . . . . . . 76
1.4.12 Analogwertverarbeitung . . . . . . . . . . 79
1.4.13 Funktionen (FC) und Funktionsbausteine
(FB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
1.4.14 Datenbautsteine . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
1.4.15 Ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . 84
1.4.16 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
1.4.17 Bedienen und Beobachten von
Prozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Inhaltsverzeichnis
1.4.18 Simulieren von SPS-Programmen . . 97
1.4.19 IEC 1131 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1.4.20 Zuverlässigkeit und Sicherheit . . . . . 100
1.5 Grundlagen der Analogsignalverarbeitung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.5.1 Operationsverstärker (OP) . . . . . . . . . 101
1.5.2 Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . 102
1.5.3 Analog-Digital-Umsetzer und
Digital-Analog-Umsetzer . . . . . . . . . . 105
1.6 Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 107
1.6.1 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
1.6.2 Regelungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
1.6.3 Regelkreisglieder . . . . . . . . . . . . . . . . 110
1.6.3.1 Proportionalglied ohne Verzögerung
(P-Glied) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
1.6.3.2 Proportionalglied mit Verzögerung
1. Ordnung (P-T1-Glied) . . . . . . . . . . . 111
1.6.3.3 Proportionalglied mit Verzögerung
2. Ordnung (P-T2-Glied)
und Schwingungsglied . . . . . . . . . . . 112
1.6.3.4 Integralglied (I-Glied) . . . . . . . . . . . . . 115
1.6.3.5 Differenzierglied (D-Glied) . . . . . . . . . 116
1.6.3.6 Totzeitglied (Tt-Glied) . . . . . . . . . . . . . 116
1.6.3.7 Zusammenwirken mehrerer
Regelkreisglieder . . . . . . . . . . . . . . . . 118
1.6.4 Regler und Regelkreise . . . . . . . . . . . 119
1.6.4.1 Schaltende Regler . . . . . . . . . . . . . . . . 119
1.6.4.2 Analoge Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
1.6.4.3 Digitale Regler (Software-Regler) . . . 122
1.6.4.4 Regelung von P-Strecken . . . . . . . . . . 125
1.6.4.5 Regelung von I-Strecken . . . . . . . . . . 126
1.6.4.6 Einstellen eines Reglers . . . . . . . . . . . 128
1.6.4.7 Selbstoptimierende Regler . . . . . . . . 129
2 Aktoren 130
2.1 Pneumatische Aktoren . . . . . . . . . . . . 130
2.1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
2.1.2 Komponenten der Pneumatik . . . . . . 131
2.1.2.1 Wartungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.1.2.2 Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.1.2.3 Ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
2.1.2.4 Signalgeber und Signalwandler . . . . 139
2.1.3 Pneumatische Steuerungen . . . . . . . 140
2.1.3.1 Schaltplanaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . 140
2.1.3.2 Pneumatische Verknüpfungssteuerungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2.1.3.3 Pneumatische Ablaufsteuerungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Inhaltsverzeichnis 5
2.1.3.4 Elektrische Ansteuerung
von Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
2.1.3.5 Beispiele für
Ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . 146
2.1.3.6 Randbedingungen für Ablaufsteuerungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.1.3.7 Elektropneumatische
Taktstufensteuerung . . . . . . . . . . . . . . 149
2.1.3.8 Rundtisch mit pneumatischem
Prägezylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.2 Hydraulische Aktoren . . . . . . . . . . . . . 152
2.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
2.2.2 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . 152
2.2.2.1 Hydrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
2.2.2.2 Hydrodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
2.2.3 Hydraulikflüssigkeiten . . . . . . . . . . . . 155
2.2.4 Aufbau hydraulischer
Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2.2.5 Hydraulikpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2.2.6 Hydraulikspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.2.7 Antriebselemente . . . . . . . . . . . . . . . . 162
2.2.8 Hydraulikventile . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2.2.8.1 Druckventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2.2.8.2 Wegeventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.2.8.3 Sperrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.2.8.4 Stromventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
2.2.9 Stetigventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
2.2.10 Proportionaltechnik . . . . . . . . . . . . . . 173
2.2.11 Servoventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
2.3 Elektrische Aktoren . . . . . . . . . . . . . . 183
2.3.1 Rechnerische Grundlagen . . . . . . . . . 184
2.3.2 Gleichstromantriebe (DC-Antriebe) . 187
2.3.3 Elektromagnete und Kupplungen . . . 193
2.3.4 Netzbetriebene Drehstrommotoren
(AC-Motoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
2.3.5 Drehstromsynchronantrieb mit
Drehzahlregelung (AC-Antrieb) . . . . . 202
2.3.6 Drehstromasynchronantrieb mit
felderorientierter Kommutierung . . . 206
2.3.7 Elektrische Linearantriebe . . . . . . . . . 209
2.3.8 Schrittmotorantriebe . . . . . . . . . . . . . 211
2.3.9 Piezoaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
2.3.10 Magnetostriktive Aktoren . . . . . . . . . 212
2.3.11 Memory-Metall-Aktoren . . . . . . . . . . 213
2.4 CNC-Achsantriebssysteme . . . . . . . . 214
2.4.1 Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
2.4.2 Art der Wegmessung . . . . . . . . . . . . . 214
2.4.3 Antriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
2.4.4 Mechanische Übertragungsglieder . . 217
2.4.5 Lageregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
2.4.6 SERCOS-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3 Sensoren 224
3.1 Allgemeines zur Sensortechnik . . . . 224
3.2 Sensoren für Wege,
Winkel und Abstände . . . . . . . . . . . . . 226
3.2.1 Sensorsignalerzeugung durch
Widerstandsänderung . . . . . . . . . . . . 229
3.2.2 Sensorsignale durch magnetische
Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
3.2.3 Sensorsignale mittels magnetischer
und elektrischer Felder . . . . . . . . . . . . 232
3.2.4 Sensoren zur Füllstandsmessung . . . 233
3.2.5 Optische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . 234
3.2.6 Sensorsignale durch
Laufzeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . 238
3.2.7 Näherungsempfindliche Schalter
(binäre Sensoren) . . . . . . . . . . . . . . . . 240
3.2.8 Digitale Weg- und Winkelmessung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
3.2.8.1 Inkrementale Weg- und
Winkelmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
3.2.8.2 Absolute Weg- und Winkelmessung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
3.2.8.3 Zyklisch analoge Weg- und
Winkelmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
3.3 Geschwindigkeitssensoren . . . . . . . . 249
3.4 Sensoren für Dehnungen, Kräfte,
Drehmomente und Drücke . . . . . . . . 250
3.5 Beschleunigungssensoren . . . . . . . . 254
3.6 Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . 255
3.7 Sensoren für elektrische Größen
(Messumformer) . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
3.8 Störungen in Sensorleitungen . . . . . 259
4 Computergesteuerte Maschinen 261
4.1 CNC-Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . 261
4.1.1 Der Produktionsprozess . . . . . . . . . . . 261
4.1.2 NC-Achsen und deren Steuerung . . . 264
4.1.3 CNC-Programmierung . . . . . . . . . . . . 266
4.1.3.1 DIN-Programmierung . . . . . . . . . . . . 266
4.1.3.2 Werkstattorientiertes Produzieren . . 276
4.1.4 Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
4.1.5 Leistungsfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 280
4.1.6 Offene CNC-Steuerung . . . . . . . . . . . 282
4.2 Rapid Prototyping (RP) . . . . . . . . . . . 283
4.2.1 Allgemeines und Anwendung . . . . . . 283
4.2.2 Verfahren des RP . . . . . . . . . . . . . . . . 283
4.2.3 Die Informationskette und
die Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

6 Inhaltsverzeichnis
4.3 Messen und Prüfen . . . . . . . . . . . . . . 287
4.3.1 Koordinatenmessgeräte . . . . . . . . . . 287
4.3.1.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . 288
4.3.1.2 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
4.3.1.3 Messsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
4.3.1.4 Tastsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
4.3.1.5 Zusatzausstattungen . . . . . . . . . . . . . 292
4.3.1.6 Steuerungen und Antriebe . . . . . . . . 293
4.3.1.7 Messwertauswertung . . . . . . . . . . . . . 293
4.3.1.8 Tastelementkalibrierung . . . . . . . . . . 296
4.3.1.9 Durchführung eines Messauftrags . . 296
4.3.2 Lasertracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
4.3.3 Optische Formerfassung . . . . . . . . . . 302
4.3.4 Röntgen-Computer-Tomographie
(CT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
4.4 Robotertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
4.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
4.4.2 Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
4.4.3 Kinematischer Aufbau . . . . . . . . . . . . 307
4.4.4 Greifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
4.4.5 Roboterprogrammierung . . . . . . . . . 312
4.4.6 Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . 315
4.4.7 Die Bewegungserzeugung . . . . . . . . . 319
4.4.8 Koordinatentransformation . . . . . . . . 321
4.4.9 Interpolation und Betriebsarten . . . . 322
4.4.10 Schleppabstand und
Bahngeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . 324
4.4.11 Sensorführung von Robotern . . . . . . 326
4.4.12 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . 334
4.5 Montage und Demontage . . . . . . . . . 335
4.5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
4.5.2 Der Materialfluss . . . . . . . . . . . . . . . . 336
4.5.3 Maschinelle Montage . . . . . . . . . . . . . 338
4.5.4 Montageorganisation . . . . . . . . . . . . . 339
4.6 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
4.6.1 IGES, VDAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
4.6.2 JT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
4.6.3 VDAFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
4.6.4 DXF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
4.6.5 STEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
4.6.6 STL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
4.7 Virtual Environments (VE) . . . . . . . . . 346
4.7.1 Stereokopisches Sehen . . . . . . . . . . . 346
4.7.2 Cave und Immersion . . . . . . . . . . . . . 347
4.7.3 Szenensteuerung und Tracking . . . . . 348
4.7.4 Mixed Reality und
Augmented Reality . . . . . . . . . . . . . . . 350
5 Qualitätsüberwachung und
Prozesslenkung 351
5.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
5.2 Statistische Qualitätsüberwachung . 352
5.2.1 Prüfdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
5.2.2 Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . 353
5.2.3 Wahrscheinlichkeitsnetz . . . . . . . . . . . 354
5.2.4 Auswertung einer Stichprobe . . . . . . 354
5.2.5 Qualitätsregelkarten . . . . . . . . . . . . . . 358
5.3 Maschinen- und Prozessfähigkeit . . . 362
5.4 Betriebsdatenerfassung (BDE) . . . . . 363
5.4.1 Codeleser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5.4.2 Mobile Datenspeicher . . . . . . . . . . . . 365
5.4.3 Chipkarten, Chipmünzen, RFIDs . . . . 366
5.4.4 Funkterminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
6 Informationstechnik 368
6.1 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . 368
6.1.1 Programmiersprachen . . . . . . . . . . . . 368
6.1.2 Software Engineering . . . . . . . . . . . . 369
6.1.3 Qualität der Software . . . . . . . . . . . . . 370
6.1.4 Sicherung gegen unberechtigte
Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
6.1.5 Betriebssystem Windows . . . . . . . . . 371
6.1.6 Objektorientierte Programmierung
(OOP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
6.1.7 Algorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
6.1.8 Strukturierte Programmierung . . . . . 377
6.1.9 Rechnerinterne Datendarstellung . . . 378
6.1.10 Progammaufbau und
Progammkomponenten . . . . . . . . . . . 381
6.1.11 Strukturierte Anweisungen . . . . . . . . 383
6.1.12 Strukturierung mit Funktionen . . . . . 385
6.1.13 Fallbeispiel: Steuerkurve . . . . . . . . . . 386
6.1.14 Externe Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . 392
6.1.15 Serielle Datenübertragung . . . . . . . . 394
6.1.16 Grafische Programmierung . . . . . . . . 397
6.2 Steuern mit dem Computer . . . . . . . 403
6.2.1 Aufbau der Systeme . . . . . . . . . . . . . 403
6.2.2 Die Schnittstellenkarte . . . . . . . . . . . . 403
6.2.3 Verknüpfungssteuerung
ohne Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
6.2.4 Verknüpfungssteuerung
mit Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
6.2.5 Analogwerte einlesen . . . . . . . . . . . . 407
6.2.6 Ansteuerung über OPC-Server . . . . . 409
6.3 Regelung mit PC und SPS . . . . . . . . . 410
6.3.1 Hardware und Software . . . . . . . . . . . 410
6.3.2 Grafische Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . 411
6 3.3 Regelkreisglieder . . . . . . . . . . . . . . . . 412
6.3.3.1 Proportionalglied ohne Verzögerung
(P-Glied) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
6.3.3.2 Integralglied (Û-Glied) . . . . . . . . . . . . 413
6.3.3.3 Totzeitglied (Tt-Glied) . . . . . . . . . . . . . 414

Inhaltsverzeichnis 7
6.3.3.4 Proportionalglied mit Verzögerung
1. Ordnung (P-T1-Glied) . . . . . . . . . . . 415
6.3.3.5 Proportionalglied mit Verzögerung
2. Ordnung (P-T2-Glied)
und Schwingungsglied . . . . . . . . . . . 416
6.3.4 Regelkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
6.3.4.1 P-Regelung und P-T1-Strecke . . . . . . . 417
6.3.4.2 P-Regelung und P-T1-Strecke
(SPS-Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . 418
6.3.4.3 I-Regelung und P-T1-Strecke . . . . . . . 419
6.3.4.4 Drehzahlregelung mit PI-Regler . . . . 420
6.3.4.5 Optimierung der Reglerparameter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
6.3.4.6 P-Regler und P-T1-I-Strecke
(Lageregelung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6.3.4.7 Lageregelung mit Totzeit . . . . . . . . . . 424
6.3.4.8 Geschwindigkeitsvorsteuerung . . . . 425
6.3.5 Fuzzy-Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
6.3.5.1 Grundlagen der Fuzzy-
Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
6.3.5.2 Fuzzy-Regelung
einer Bandsägemaschine . . . . . . . . . 427
6.4 Programmiersprache Java . . . . . . . . . 429
6.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
6.4.2 Erstellen einer einfachen
Applikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
6.4.3 HTML
(Hyper Text Markup Language . . . . . 430
6.4.4 Erstellen von Grafiken . . . . . . . . . . . . 432
6.4.5 Animationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
6.4.6 Multithreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
6.4.7 Java-Script . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
6.5 Visual Basic für Excel . . . . . . . . . . . . . 435
6.5.1 Aufbau eines VBA-Programms . . . . . 435
6.5.2 Aufruf von VBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
6.5.3 Erstellen von Funktionen . . . . . . . . . . 437
6.5.4 Variable und Zugriff auf Zellen . . . . . 438
6.5.5 Projekt: SPC-Maschinenregelung . . . 440
6.5.6 Erstellen eines Formulars als
Unterprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
6.5.7 Kommunikation: Excel mit S7 . . . . . . 442
6.6 Relationale Datenbanken . . . . . . . . . 443
6.6.1 Datenbankobjekte . . . . . . . . . . . . . . . . 444
6.6.2 Entwerfen einer Datenbank . . . . . . . . 446
6.7 Bildverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
6.7.1 Grauwertbildverarbeitung . . . . . . . . . 449
6.7.2 Binärbildverarbeitung . . . . . . . . . . . . 454
6.7.3 Farbbildverarbeitung und
Farbbildcodierung . . . . . . . . . . . . . . . 455
7 Kommunikationstechnik 457
7.1 ISDN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
7.2 ADSL/DSL und PLC . . . . . . . . . . . . . . 458
7.2.1 ADSL/DSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
7.2.2 PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
7.3 Internet und Intranet . . . . . . . . . . . . . 460
7.4 Telematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
7.5 Lokale Kommunikationstechnik . . . . 464
7.5.1 Ethernet-LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
7.5.1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
7.5.1.2 Peer-to-peer-Netzwerke . . . . . . . . . . . 469
7.5.1.3 Client-Server-Netzwerke . . . . . . . . . . 469
7.5.1.4 Aufbau eines Peer-to-peer-Netzwerks
mit zwei PCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
7.5.1.5 Erweiterung zu einem
Client-Server-Netzwerk . . . . . . . . . . . 473
7.6 Feldbus-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 475
7.6.1 CAN-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
7.6.2 PROFIBUS, PROFIBUS-DP . . . . . . . . . 475
7.6.3 Aktor-Sensor-Interface (AS-I) . . . . . . . 480
7 6.4 PROFINET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
7.7 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
7.7.1 Serielle Schnittstelle V.24 . . . . . . . . . . 484
7.7.2 Serielle Schnittstelle RS 485 . . . . . . . 486
8 Aufgaben und Übungen 368
8.1 Aufgaben und Übungen
zur Pneumatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
8.2 Aufgaben und Übungen
zur Hydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
8.3 Aufgaben und Übungen
zu GRAFCET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
8.4 Aufgaben und Übungen zur SPS . . . 495
8.5 Aufgaben und Übungen
zur Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . 508
8.6 Aufgaben und Übungen
zum Programmieren . . . . . . . . . . . . . 512
8.7 Aufgaben und Übungen
zur Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . 515
8.8 Aufgaben und Übungen
zu CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Fachwörterbuch: Deutsch – Englisch,
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
Professional Dictionary: English – German,
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

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 mensch -
liches 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 Robo -
terin. Die Roboter sind hier menschen -
ähnliche Wesen, mit starrem Blick und
geschaffen als billige Arbeitskräfte zum
Einsatz in der Serienproduktion.
„Sie erinnern sich an alles, denken aber
nichts Neues. Sie haben keine Seele und
keine Gefühle“, so steht es in der Regie -
anweisung.
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 wegzu -
denken. 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 Anwen -
dungen, 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.
Roboter als Spielzeug
Roboter in der Kantine
Kooperierende Roboter
© Honda Motor Europe GmbH
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).
Heron von Alexandrien entwickelte um 100 v. Chr.
einen Automaten (Bild 1) zum selbsttätigen öffnen und
schließen von Tempeltüren.
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).
Elektrische Antriebe und Elektronik ermöglicht eine
Fertigungsautomatisierung mit weitgehend auto -
matisch 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 Arbeits -
stationen, 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 Spe -
zialmaschinen gemacht.
Tempelfeuer
Hohlraum
mit Überdruck
bei Befeuerung Altar
Wasser
Wasser
Bild 1: Automatisches Schließen und Öffnen von
Tempeltüren, etwa 100 v. Chr.
CD-ROM
Bild 2: CD-ROM
Land
Pit
Ausschnitt
aus der CD-ROM
Tempeltür
Gewicht
kommunizierende Röhre
Laserstrahl
zur Abtastung
der Seite 1
Laserstrahl
zur Abtastung
der Seite 2
0,6 μm
© Comau S.p.A.
Bild 3: Automatisierung mit Robotern
© Panasonic GmbH

10 1 Grundlagen der Automatisierungstechnik
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 -steuerungs-
Systemen (PPS).
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 Tele -
arbeit. 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 Produkt-
Daten-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 Einzel teile
(Bild 3),
● die Stücklisten,
● die Fertigungsvorgänge mit NC-Daten und Roboter -
programmen,
● die Werkstoffe und Prüfprogrammen,
● die Montagevorgänge.
1
griech. logistike = Rechenkunst, hier: „berechneter organisato -
rischer Ablauf;
2 griech. tele = fern, weit
3
lat. virtus = der Möglichkeit nach, hier: mit Hilfe des Computers
bildlich dargestellt
Telearbeit
Telebearbeitung
Internet
Telebeobachtung
Bild 1: Telematik mit Internet
Design,
Konstruktion
Service,
Tele-Service
Vermarktung
Berechnung,
Bauteilsimulation
Produkt-Daten-
Modell
PDM
Vertrieb
Bild 2: Produkt-Daten-Management
Basisdaten
„Kipphebel“
Länge, Gewicht
Funktion
Daten für
Transport der
• Rohteile
• Rohstoffe
• Fertigteile
• Werkzeuge
...
Daten zu den
Fertigungsverfahren
Bild 3: Produktdatenmodell
Telekonferenz und
Telelearning
Daten für
Werkzeuge
Ein-/Ausbausimulation,Bauraumsimulation
(Digital Mock Up)
Telecontrol
Teleservice
virtuelle Produktion,
Fertigung
Digital Mock up,
Montage
Kalkulation
Daten der
Werkstoffe
und
Lieferanten
Berechnung
der Kosten
Daten für die
Oberflächenbehandlung
Berechnung von
Festigkeiten,
Verformungen
(statisch/dynamisch)

1.1 Einführung 11
● die Produktpräsentation gegenüber Kunden,
● die Kostenrechnung,
● die Vertriebs- und Marketingvorgänge,
● die Wartung und den Service,
● das Recycling.
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.
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).
Internet
Service -
Werkzeuge
Service-Box
Webcam
Bild 1: Teleservice
Bild 2: Videokonferenz
Bild 3: Das Whiteboard
Prüfgerät
Video der
Teilnehmer
Whiteboard
Videokamera
Experte/
Expertin
Mikrofon
Teilnehmer mit Zugriff auf das Whiteboard
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).
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
globaler Transport
Bild 1: Produktionsfaktoren
Werkstoffe Werkzeuge
Produkt
Bild 2: Virtuelles Prüfen einer Montagefolge in einer
3D-Umgebung
Bild 3: Virtuelle Radmontage
Information
globale Kommunikation

1.1 Einführung 13
Systeme der Automatisierung
Die Integration (Einbindung) von Computern in die
Fertigung (Computer Integrated Manufacturing,
CIM) hat einen Wandlungsprozess in den Fabriken
eingeleitet.
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.
CAD
Bild 1: Automatisierungssysteme in der Produktion
CAP CAM
Mit CAQ umschreibt man die computerunter -
stützte 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.
Kräfte
Gestaltfindung
Aufgabenstellung
Bild 2: Automatisierte Bauteilentwicklung
Intranet, Extranet und Internet
mit verteilten Datenbanken
Bauteilkonstruktion
CAQ
© Sachs-Engineering GmbH

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
Steuerung
Bild 1: Komponenten der Fertigungsautomatisierung
Bereich der Wissenschaft und Forschung tätig
werden können. Die Automatisierung ermöglicht
ferner eine Gestaltung der Arbeitsplätze, die weitgehend
frei sind von schweren Arbeitsbelastungen.
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 Informa -
tionsübertragung, zur Fernsteuerung, zur Fernwartung
und zur Fernbeobachtung.
Steuerungen Computer Aktoren Sensoren
Programmiergerät
Tachogenerator
Scheibenläufermotor Inkrementalgeber
© Hübner Elektromaschinen AG

1.2 Steuerungstechnik 15
1.2 Steuerungstechnik
Eine Steuerung erzeugt aufgrund von Eingangssignalen
und aufgrund seiner inneren Gesetzmäßigkeit,
z. B. einer Schaltung oder eines Programms,
Ausgangs signale für die Aktoren, für das
Anzeigefeld und für andere Steuerungen.
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 Eingangs -
signalen und Speicher (Gedächtnisse, Merker) für
vorangegangene Ereignisse (Bild 1).
1.2.1 Steuerungsarten
Nach Art der Signalverarbeitung unterscheidet
man zwischen analogen Steuerungen, binären
Steuerungen und digitalen Steuerungen (Tabelle
1).
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 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 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.
Eingangssignale
Steuerung
innere Gesetzmäßigkeit
mit Funktionen zur
• Entschlüsselung
• Bewertung
• Speicherung
Bild 1: Struktur einer Steuerung
Tabelle 1: Steuerungsarten
Art Signaldarstellung Beispiel
Analoge Ausgang
Steuerung mit
Steuerung
Zeit
Kurvenscheibe
Binäre 1 0 101 0 1 Steuerung mit
Steuerung Schaltern und
Zeit Relais
Digitale 0 13 2 4 10 4 9 Numerische
Steuerung Steuerung
0 0 0 0
1 1 0 1
0 0 1 0
0 1 0 0
1 0 1 0
0 1 0 0
1 0 0 1
Bild 2: Analoge Steuerung
Motor
Maschinentisch
Kurvenscheibe
Bild 3: Binäre Steuerung eines Vorschubantriebs für
eine Schleifmaschine
Ausgangssignale
nach rechts nach links
L+ L–
Nocken 2 Nocken 1

16 1 Grundlagen der Automatisierungstechnik
Werden aus der Kombination mehrerer Eingangssignale
die Steuerungssignale erzeugt, so spricht
man von kombinatorischen Steuerungen oder von
Verknüpfungssteuerungen.
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.
digitale
Steuerung
Schrittimpuls
Schrittmotor
vorwärts rückwärts
Bild 4: Digital gesteuerter Vorschubantrieb
Weg
Zellentüre geschlossen
Kühlwasserpumpe EIN
Roboter betriebsbereit
Störung
&
UND-Verknüpfung
Negation keine Störung
Bild 1: Kombinatorische Steuerung
Transitionen
(Weiterschaltbedingungen)
Motor EIN
Wartezeit
t1 abgelaufen
Wartezeit
t2 abgelaufen
Motor AUS
Bild 2: Zeitgeführte Ablaufsteuerung
Transitionen
(Weiterschaltbedingungen)
Motor EIN
Drehzahl
n = 500 min –1
erreicht
Drehzahl
n = 1000 min –1
erreicht
Motor AUS
Schritte Aktionen
T4
S1
S2
S3
S4
Schritte Aktionen
T4
S1
Motor
betriebsbereit
S2
S3
T1
T2
T3
T4
S1
Initialschritt (Grundschritt)
T1
T2
T3
Motor
betriebsbereit
Motor
anfahren mit 50 V
Wartezeit t1 = 2 s
Motor
anfahren mit 100 V
Wartezeit t2 = 3 s
Motor
in Betrieb mit 230 V
Motor
anfahren mit 50 V
Motor
anfahren mit 100 V
Motor
S4
in Betrieb mit 230 V
T4
Schritt 1 zurück zum Grundschritt
Bild 3: Prozessabhängige Ablaufsteuerung
&
Zünden des
Schweißbrenners

1.2 Steuerungstechnik 17
Codierungen in digitalen Steuerungen
Der meistbenützte Code ist der Dualcode (BCN von
Binary Coded Natural = natürlicher Binär code). 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 2 0 , 21 , 22 … und rechts
vom Komma 2 –1 , 2 –2 , 2 –3 … Wenn eine solche 2er-
Potenz 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).
Beispiel: Bestimmen Sie die zur Dualzahl 1101,01
gleichwertige Dezimalzahl!
Lösung:
1101,01 ≠ 1 · 2 3 + 1 · 2 2 + 0 · 2 1 + 1 · 2 0 + 0 · 2 –1 + 1 · 2 –2
= 8 + 4 + 1 + 0,25
= 13,25
Das Rechnen mit Dualzahlen geschieht ähnlich wie
im Dezimalzahlensystem (Tabelle 1).
Man kann mit n Bits 2 n Zeichen darstellen.
Mit 4 Bits kann man 2 4 = 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.
Neben dem Dualcode gibt es eine Vielzahl weiterer
Codierungen. Im Gray-Code 1 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.
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.
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 E. Gray, amerik. Wissenschaftler (1835 – 1901)
Tabelle 1: Rechnen mit Dualzahlen
Grundregeln:
0 + 0 = 0 0 – 0 = 0 0 · 0 = 0 0 : 1 = 0
1 + 0 = 1 1 – 0 = 1 0 · 1 = 0 1 : 1 = 1
0 + 1 = 1 1 – 1 = 0 1 · 0 = 0
1 + 1 = 0 0 – 1 = 1 1 · 1 = 1
plus Übertrag 1 und belaste
in die nächste die nächste
Stelle Stelle mit 1
Beispiele:
6 + 5 = 11
110
+ 101
1011 ≠ 11
-8
-10
-9
-7
-6
-11
1
1
0
0
0
0
1
-5
11 – 5 = 6
1011
– 1 101
110 ≠ 6
-13
-12
-14 -15 -16 15
0
0
0 1
0
1
0 11
6 · 5 = 30
110 · 101
110
000
110
11110 ≠ 30
Bild 1: Zahlenring für 4-Bit-Zahlendarstellung
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
11
1
0 1
1
0 1
1
0
111
1
1
0 01
-4
0 0
1
1
0 11
0
-3
1
0 1
1 1
1 1
1
-2
1
1
1
1
1
0
1
1 1
1
1
1
-1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0 1111
0
0
0 111
0
0
0 1
0 11
0
0 11
negative positive
Zahlen Zahlen
0
1
0
11
0 0
0
0 10
0
1
0 1
0
1
0
01
0
0 011
0 0
14 13
0 0100
0 11
Tabelle 2: Codierungen (Beispiele)
Dezimalzahl
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Stellenwert
Dualcode
Graycode
1
2
0 0
0 1
0
1
0
0 101
12
11
10
9
8
7
6
5
4
0
0
0
3
8-4-2-1-
Code
1 1
1
0
2-aus-5-
Code
8 4 2 1 kein 8 4 2 1 7 4 2 1 0

18 1 Grundlagen der Automatisierungstechnik
1.2.2 Programmsteuerungen
Bei Steuerungen für automatisch ablaufende Fer -
tigungsvorgänge 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.
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 Indus trie-PCs.
Tabelle 1: Programmverwirklichung
Art Beispiel
Verbindungs- fest- Relaisprogrammiert
programmierbar steuerung
VPS um- Programm
programmierbar steuerung mit
Steckerfeld
Speicherpro- austausch- SPS mit
grammiert SPS programmierbar EPROM1 engl. frei- SPS mit
Programmable programmierbar EEPROM 2 oder
Logic Controller mit RAM 3
PLC
1
EPROM von Erasable Programmable Read Only Memory =
löschbarer Nur-Lese-Speicher
2
EEPROM von Electrically EPROM = elektrisch löschbarer
Nur-Lese-Speicher
3
RAM von Random Access Memory = Speicher mit wahl -
freiem Zugriff
Schütz
Bild 1: Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS)
Programmspeicher Lageregelkreiskarte
Zusatz - PC
Stromversorgung
Verdrahtung
CPU-
Karte
Zeitrelais
Ein-/Ausgabebaugruppen
Motorschutzschalter
Kabelkanal Transformator
Kommunikationsbaugruppen
Bild 2: Speicherprogrammierte Steuerung (SPS)

1.2 Steuerungstechnik 19
1.2.3 Elektrische Bauelemente
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.
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 Be -
tätigung den Stromkreis. Die Schaltzeichen symbolisieren
stets den unbetätigten Zustand.
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.
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 Leuchtdiodenan -
zeige für den Schaltzustand, sodass die Justage
der Nocken exakt vorgenommen werden kann.
Schalter haben stets eine Schaltdifferenz.
Nockenschaltwerke verwendet man z. B. zur Synchronisation
1 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
Nockenschalter
mit Rolle
Wahlschalter
Leuchttaster
EIN/AUS-
Tastschalter
Hauptschalter
Bild 1: Wichtige Bauelemente für Kontaktsteuerungen
Betätigungsrichtung
Taste
Schaltzeichen
Bild 2: Druckknopftastschalter (Taster)
Schaltdifferenz
Schaltdifferenz
AUS
Schaltpunkt
Weg
Schaltstücke Rückstellfeder
Öffner Schließer
Anschlüsse
EIN
Öffner Schließer
Bild 3: Schaltdifferenz bei Nockenschaltern
Funktionsanzeige
Rückschaltpunkt
Schaltzeichen
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.
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.
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 zwangs läufig angezeigt
werden.
Stellschalter verharren in der jeweiligen Schaltstellung
bis diese verändert wird.
1
2
3 4
2,3
Schaltstellung 2 und 3 rastend
Bild 3: Drehschalter mit vier Schaltstellungen
Bild 1: Positionsschalter (Grenztaster)
von Hand
allgemein
Drücken
Ziehen
Drehen
Kippen
Stößel
bewegliches Schaltstück Anschlusszungen
Tabelle 1: Betätigungsarten
Betätigungsblech
Gummimembran
Bild 4: Hauptschalter
Fußantrieb
abnehmbarer
Antrieb
Nockenantrieb
Kraftantrieb
allgemein
Bild 2: Stellschalter (handbetätigt)
Schieber
Kontaktwippe
1
3 1 2
Einschalten
Schaltzeichen
Schaltzeichen
2
3
© GE-Fanuc