Steuerungstechnik mit Excel im Griff (Teil 1)
Einführung in die Steuerungstechnik
Die Steuerungstechnik ist schon seit vielen Jahren nicht mehr nur ein Lehrfach für Ingenieure, Meister oder Techniker, sondern auch für Auszubildende in entsprechenden Berufen ein absolutes Pflichtfach. Wer in diesem Fach eine Prüfung schreiben muss, sollte beizeiten fit dafür sein. Viele Berufsschulen und Unternehmen haben dafür eigens Equipment, wie etwa Stecksysteme für Pneumatikbauteile angeschafft, um praxisnah die Handhabung der Steuerungstechnik zu schulen. Wer zuhause sein Steuerungs-Wissen vertiefen möchte, kann dies mit dem folgenden Kurs unter Einsatz von Excel tun.
Steuerungstechnik hat unseren Alltag massiv durchdrungen. Die Anfänge reichen weit in die Zeit zurück. Schon im alten Griechenland waren die Grundlagen dieser Technik bekannt, gingen aber im Laufe der Jahrhunderte wieder verloren. Ein moderner Industriestaat wäre heute ohne Steuerungstechnik unvorstellbar. Ob Digitaluhr, PC, Ampel oder Telefon, kein Produkt kommt heute ohne Steuerungstechnik aus. Da diese Technik für viele Berufe großes Gewicht hat, wird sie schon lange bereits in der Ausbildung gelehrt.
Wer sich bereits ein wenig mit Transistoren oder Röhren beschäftigt hat, wir wissen, dass diese Bauteile in der Lage sind, einen Strom durch eine vorher stromlose Leitung zu senden, wenn beispielsweise auf zwei anderen Leitungen ebenfalls Strom vorhanden ist. Dies entspricht der klassischen UND-Funktion. Nichts anderes machen heutige integrierte Schaltkreise, die etwa in PCs eingebaut sind. Der Nachteil aller dieser Bauteile ist, dass man nicht sieht, wie die einzelnen Gatter geschaltet werden.
Diesen Nachteil beheben Relais, wie sie auch heute noch im Einsatz sind, wenn große Ströme zu schalten sind. Wer Zugriff auf ein altes Relais hat, sollte es einmal genau erforschen, um die Funktionsweise zu verstehen, denn wer ein Relais verstanden hat, versteht auch, wie die Digitaltechnik arbeitet und kann die Arbeitsweise eines Transistors oder eines ICs nachvollziehen. Ein guter Ort für das Selbststudium sind technische Museen, in denen diese Technik erläutert wird. Zum Lernen gibt es jedoch noch viel bessere Sachen, die alleine schon durch ihre Größe das Verstehen der Steuerungstechnik fördern: Pneumatikbauteile.
Pneumatik ist eine uralte Technologie, der sich schon die alten Griechen und Byzantiner bedienten. Antike Dampfkatapulte und Torantriebe fußten auf diesem Prinzip. Pneumatik wird heute noch in vielen Bereichen eingesetzt, da diese Technik viele Vorteile besitzt. Beispielsweise ist Druckluft Ex-Sicher, weshalb Pneumatiksteuerungen im Bergbau eingesetzt werden.
Insbesondere Berufsschulen beginnen ihren Steuerungstechnik-Unterricht mit dieser Technik, da damit der Einstieg in die digitale Welt besonders leicht gelingt. Dazu tragen auch Schnittmodelle von Pneumatikelementen bei, die anschaulich die Funktion dieser Bauteile demonstrieren. Insbesondere logische Funktionen wie ODER, UND, oder NICHT lassen sich im wahrsten Wortsinn damit „begreifen“.
Von Nullen und Einsen
Jeder ist bereits mit der kleinsten Einheit der Steuerungstechnik durch das simple Ein- und Ausschalten einer Lampe in Berührung gekommen. Für „Licht an“ und „Licht aus“ könnte man auch sagen „Strom fließt“ und „Strom fließt nicht“. Diese beiden Zustände repräsentieren die logischen Zustände 0 und 1. Diese Einheiten, auch Bits genannt, bilden die Grundlage, auf die die ganze Steuerungstechnik aufbaut.
Jeder, der sich in die Steuerungs-Materie einarbeitet, sollte daher am Anfang immer mit Bauteilen arbeiten, die eine visuelle oder taktile Prüfung eines logischen Zustandes erlauben. Nur dann ist sichergestellt, dass man das Prinzip der Digitaltechnik und damit der Steuerungstechnik rasch versteht.
Digitaltechnik findet sich an vielen Orten. Zum Beispiel besteht die Tastatur eines Computers aus vielen Tastelementen, die bei ihrer Betätigung ein Signal abgeben, das in Logikbausteinen zu Buchstaben auf dem Monitor umgewandelt werden. Ein älteres Radio besitzt Tasten, die beim Drücken einrasten und beim nächsten Druck wieder die Raststellung verlassen. Hier wird mechanisch die Digitaltechnik abgebildet. Im Fall eines einrastenden Tasters besitzt das Element sogar eine Speicherfunktion, die ein Dauersignal erzeugt, selbst wenn der Finger schon längst vom Scxhaltknopf entfernt wurde.
Wer noch Zugriff auf einen Lochstreifen oder eine Lochkarte hat, sollte diese Dinge wie einen kostbaren Schatz hütet, denn auch diese erlauben den Eintritt in die Welt der digitalen Datenspeicherung, ohne sich in der Unendlichkeit abstrakten Denkens zu verlieren. Wem anhand eines Lochstreifens erklärt wurde, wie sich der digitale Code von Steuerzeichen, sowie Buchstaben und Zahlen zusammensetzt, wird auch problemlos die Funktion von Festplatten nachvollziehen können.
Gleiches gilt für pneumatisch arbeitende Bauteile. Diese Bauteile werden per Druckluft betrieben und können problemlos und vor allem gefahrlos durch an- und abstecken der Schläuche auf Fehler untersucht werden, wenn die Schaltung nicht so funktioniert, wie geplant. Auf diese Weise kann man sich Schritt für Schritt in die digitale Welt der Steuerungstechnik einarbeiten.
Mit Aha-Effekt
Ein einfachwirkender Zylinder wird in der Automation für viele Zwecke eingesetzt. Beispielsweise kann er zum Prägen oder kurzzeitigem Fixieren eines Bauteils dienen. Da diese Zylinderbauart mit einer Rückstellfeder ausgestattet ist, erfolgt die Ansteuerung sehr einfach unter Einsatz eines 3/2-Wegeventils.
Die Bezeichnung 3/2 setzt sich aus der Zahl der Anschlüsse und der Anzahl der Wege (besser: der Positionen) zusammen, die das Ventil einnehmen kann. Diese Ventile gibt es in unterschiedlichen Ausführungen, die sich in der Art der Betätigung und des Schaltzustandes unterscheiden.
Insbesondere die Bauart entscheidet, für welchen Zweck das jeweilige Ventil verwendet werden kann, da die eine Bauart in der Ruhestellung das Signal unterdrückt, die andere Bauart das Signal jedoch passieren lässt. Aufgedruckte Schaltzeichen auf den Ventilen verhindern ein Verwechseln der Bauformen.
Wenn also ein Zylinder nur ausfahren darf, wenn das entsprechende Ventil betätigt wird, dann muss ein Ventil verwendet werden, das in Ruhestellung den Eingang 1(P) sperrt. Solche Ventile besitzen die Eigenschaft der Identität. Das bedeutet, dass eine logische 1 auf der Eingangsseite eine logische 1 auf der Ausgangseite erzeugt. In der Ruhestellung ist daher auf beiden Seiten eine logische Null zu finden. Da Animationen und Filme viel besser als Text geeignet sind, komplizierte Dinge anschaulich zu erklären, finden sich auf Welt der Fertigung auch zum Thema Steuerungstechnik verschiedene Filmbeiträge, die helfen, Lernhürden leichter zu überwinden.
Links zu den Animationen finden Sie am Ende des Artikels.
Die logische Funktion UND kann unter anderem mit zwei dieser 3/2-Wegeventile erreicht werden. Dazu werden diese in Reihe geschaltet. Dieses Beispiel sollte allerdings nur als Lerndemonstration angesehen werden, da eine derart realisierte UND-Schaltung Nachteile besitzt. Es kann zum Beispiel nicht ohne weiteres erkannt werden, welches Wegeventil defekt ist, wenn der Zylinder nicht mehr ausfährt.
Bessere Steuerungen mit Logikbauteilen
Bauteile, die logische Funktionen, wie UND oder ODER repräsentieren, sind auf unterschiedlichen Technologien realisierbar. Mechanische Bauteile sind ebenso realisierbar, wie Pneumatische oder Elektrische. Das Wechselventil zum Beispiel wird in der Pneumatik verwendet, wenn es gilt, eine ODER-Funktion zu verwenden. Das Zweidruckventil hingegen wird gewählt, wenn eine UND-Funktion gefragt ist. Insbesondere Schnittmodelle dieser Bauteile lassen die konstruktive Umsetzung sehr schön erkennen. Doch schon die Schaltsymbole lassen keine Zweifel an der Funktionsweise dieser Elemente aufkommen.
Die Animation einer Steuerung, die jeweils einen einfachwirkenden Zylinder ansteuert, vermittelt anschaulich die Funktionsweise der Bauteile. Auch Excel lässt sich prima für eigene Steuerungsexperimente heranziehen, wie die herunterladbare Excel-Datei zeigt. Natürlich ist die Simulation ein wenig eingeschränkt, da Excel ja nicht für Animationszwecke ersonnen wurde. Doch die damit mögliche Simulation unterstützt optimal die eigene Bemühung, die Welt der Steuerungstechnik zu verstehen. Wer sich in die Handhabung der Excel-Funktionen UND, ODER sowie NICHT einarbeitet, wird überrascht feststellen, dass per Excel auch etwas tiefergehende logische Schaltungen simuliert werden können, ohne eine einzige Zeile VBA bemühen zu müssen.
Damit ist der erste Teil des Steuerungskurses abgeschlossen. Im 2. Teil werden dann weitere logische Funktionen und der doppeltwirkende Zylinder erläutert.
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Eine Excel-Datei zum Üben finden Sie hier [136 KB]
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Video
Einfachwirkender Zylinder, angesteuert über ein 3/2-Wegeventil.
ODER-Funktion via Wechselventil
UND-Funktion via Reihenschaltung
UND-Funktion via Zweidruckventil
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