Steuerungs- und Regelungstechnik

Labor für Steuerungs- und Regelungstechnik

Die Steuerungstechnik ist durch die rasante Entwicklung der Mikroelektronik in den letzten  beiden Jahrzehnten in der industriellen Praxis Bestandteil fast jeder Anlage und fast jeder  komplexeren Maschine geworden. Aus diesem Grund wird die Ausbildung von zukünftigen  Maschinenbau-Ingenieuren, die solche Maschinen und Anlagen entwickeln und projektieren,  oder zumindest anwenden sollen, auf diesem Fachgebiet immer wichtiger. Im Rahmen des  Maschinenbaustudiums an bayerischen Fachhochschulen ist die Ausbildung auf diesem  Fachgebiet im Grundstudium, in einer Vorlesung Steuerungs- und Regelungstechnik, und im  Hauptstudium in entsprechenden Vertiefungsvorlesungen vorgesehen. Ergänzend zur  Vorlesung Steuerungs- und Regelungstechnik findet gemäß Lehrplan auch ein Praktikum statt.

Leiter des dafür eingerichteten Labors ist Prof. Dr. Rolf Ziegler.

Entsprechend dieser Rahmenbedingungen erfolgt die Ausbildung der Maschinenbau- studenten im Fach Steuerungstechnik an der FH Augsburg wie folgt:

Im Grundstudium werden in der Vorlesung Steuerungs- und Regelungstechnik die theoretischen Grundlagen der Steuerungs- und Regelungstechnik vermittelt. Der Schwer- punkt liegt hier im Bereich der Regelungstechnik.

Begleitend zur Vorlesung Steuerungs- und Regelungstechnik findet im 5. Semester  ein Praktikum mit folgenden Versuchen statt:

Regelungstechnisches Labor

Versuch mit einem hydraulischen Lageregelkreis:

Der Versuchsaufbau besteht aus einem mit Industriekomponenten der Fa. Mannesmann Rexroth aufgebauten hydraulischen Vorschubantrieb. Der Vorschubantrieb besteht aus einem Servoventil mit Hydraulikzylinder, wobei der Hydraulikzylinder entsprechend  einem Maschinentisch einer Werkzeugmaschine aufgebaut ist. An dem Hydraulikzylinder können Massen von 25 kg bis 125 kg angekoppelt werden. Die Steuerung bzw. Regelung des Antriebes erfolgt über einen digitalen freikonfigurierbaren Regler. Der Regler wird mit einer komfortablen Software von  einem PC aus programmiert und überwacht. Der Aufbau entspricht dem modernsten Stand der Technik. Im Rahmen von Versuchen werden mit Hilfe einer Meßanordnung zunächst die regelungstechnisch wichtigen Streckenparameter des Antriebes wie Interationszeit, Streckenverstärkung, Eigenkreisfrequenz und Dämpfung ermittelt.

In weiteren Versuchen wird dann die Stabilitätsgrenze des Regelkreises ermittelt. Es werden  über Versuchsreihen verschiedene Reglertypen und Reglereinstellungen untersucht, mit dem Ziel den optimalen Regler zu ermitteln. Schließlich wird das Stör- verhalten untersucht, indem der Antriebszylinder mit Hilfe eines zweiten Hydraulikzylinders belastet wird. Diese Belastung simuliert somit eine Bearbeitungs- bzw. Störkraft.

Anhand dieses Versuches werden die meisten Themengebiete der Regelungstechnik an einem praktischen Beispiel anwendungsorientiert behandelt und praktisch vertieft.

 

Der elektrohydraulische  Regelkreis kann auch mit Hilfe eines PC´s simuliert werden. Hierzu stehen zwei Simulationsprogramme zur Verfügung. Ein Programm ist ein selbst erstelltes, das sämtliche Nichtlinearitäten der Hydraulik berücksichtigt. Das zweite basiert auf Matlab Simulink und arbeitet graphisch mit regelungstechnischen Standardkomponenten.

 

Weitere Versuche sind regelungstechnische Grundlagenversuche mit elektronischen und pneumatischen Reglern.

Füllstandsregelung mit einem pneumatischen PID-Regler (Telepneu)

Hier  werden anhand von Sprungantworten meßtechnisch die Eigenschaften und Parameter von P-, PD-, PI-, und PID- Regler untersucht. Desweiteren werden die Einflüsse der verschiedenen Regler auf das Führungs- und das Störverhalten der Füllstandsregelung untersucht

Elektronischer digitaler Standardregler

Hier werden anhand von Sprungantworten meßtechnisch die Einflüsse der Parameter von P-und  PI-Regler auf Strecken mit Totzeit am Beispiel einer Füllstandsregelung untersucht. Desweiteren wird der Einfluß der Regler-

parameter auf das Führungs- und Stör- verhalten einer Drehzahlregelung untersucht. Bei allen Regelungen wird hier ein industrieller Standardregler der Fa. SIEMENS verwendet

Pneumatische Modellregelanlage

(Luftdruckregelung in Behältern mit einem pneumatischen PID-Regler).

Hier wird das Streckenverhalten über eine Frequenzgangmessung meßtechnisch erfaßt. Durch Variation der Regler und der Reglerparameter wird empirisch der optimale Regler und die optimale Reglereinstellung für das Führungs- und das Störverhalten der Druckregelung ermittelt

Steuerungstechnisches Labor

Während des Hauptstudiums findet im Rahmen vertiefender Vorlesungen ein steuerungstechnisches Praktikum statt, welches unteranderem an folgender Anlage durch-

geführt wird.

 

Kernpunkt und Highlight des steuerungstechnischen Labors ist eine Modellmontage- strecke. Bei der Modellmontagestrecke handelt es sich um eine vollautomatische Montagelinie für Druckluftzylinder, die aus vier Komponenten bestehen: Gehäuse, Kolben, Feder und Deckel. Die Montagelinie wurde in Zusammenarbeit mit der Fa. FESTO entwickelt und aufgebaut. Die Steuerung erfolgt über SIEMENS S7-300 SPS-Steuerungen. Bei der Modellmontage werden die Komponenten auf  Werkstückträgern  (WT´s ), die auf einem Bandsystem umlaufen, transportiert. Der modulare Aufbau der Anlage ermöglicht es verschiedene Versuche der Steuerungstechnik und des Datenaustausches zwischen Steuerungen und Komponenten durchzuführen.

Wesentliche Lern- und Trainingsinhalte der Versuchsanlage sind typische Steuerungs- aufgaben der Handhabungs- und Montagetechnik wie: Verteilen, Montage, Prüfen, Sortieren  und Datenkommunikation.

Der dem Funktionsablauf zugrundeliegende Datenaustausch wird über zwei mittels Profibus-DP gekoppelte SIMATIC S7 –Stationen gesteuert.

Der Montageablauf erfolgt auf der Montagelinie in folgenden Schritten:

Station Vereinzelung

Auf der Station Vereinzelung  erfolgt die Vereinzelung der Zylindergehäuse. Da zwei Zylindervarianten montiert werden können wird hier entschieden welche Variante montiert wird. Über eine Pepperl & Fuchs Ausleseeinheit erfolgt hier die Zuordnung von Variante zu Werkstückträger.

Station Montage

Auf der Station Montage erfolgt das Vereinzeln, Zuführen und Montieren der Teile Kolben, Feder und Deckel. Das Zuführen und Montieren erfolgt mittels eines Portalroboters, der ebenfalls von einer SPS gesteuert wird.

Station Funktionstest

Auf der Station Funktionstest erfolgt die Funktionsprüfung und Sortierung der fertigmontierten Zylinderantriebe. Ein mit Unterdrucksaugern arbeitender Greifer transportiert die Zylinder vom Werkstückträger zur Prüfeinheit und von dort nach der Prüfung zur Sortierrutsche.

Die Steuerungen und Peripheriebausteine kommunizieren mittels Profibus-DP und einer Kommunikationsprozessorkarte vom CP 340 untereinander, wobei die SPS der Station Montage als MASTER arbeitet.

Somit ermöglicht die obenbeschriebene Anlage Praktikumsversuche und Aufgaben-stellungen mit folgendem Lehrinhalt:

1) Erstellung von Programmen mittlerer bis hoher Komplexität und Anschließen von Sensoren u. Aktoren an eine SPS

• Ablaufsteuerungen, Programmzyklen, Ansteuerung von frei positionierbaren Achsen
• Die Programmvorbereitung erfolgt am Labor-Arbeitsplatz. Damit auch die praktischen Probleme, die bei der Inbetriebnahme einer Steuerung entstehen (wie Justage von Sensoren, Timing -Probleme )deutlich werden, erfolgt anschließend ein Test der entwickelten Programme an der Anlage.

 2) Kommunikation von modularen Stationen über Feldbus

• Erstellung modularer Programmstrukturen u. Synchronisation von Fertigungseinrichtungen

Laborausstattung:

Hardware:

• Modellmontagelinie, 2 SIEMENS S7 315-DP Programmentwicklungsarbeitsplätze, Elektrohydraulischer Positionierantrieb mit Mannesmann Rexroth Regler VR3D und Servoventil 4WSE Mannesmann Rexroth Hydrostatisches Getriebe mit A4VG EPDA und A6VM

Software:

• SPS- Programmierung: SIEMENS STEP 7, SIEMENS STEP 5
•  Reglerprogrammierung: Rexroth HCE
• Digitale Simulation: MATLAB SIMULINK mit Real-Time-Workshop u. weiteren Modulen Eigene Programme

 Mit obengenannter Ausstattung liegen die Arbeitsschwerpunkte auf den Gebieten:

• Entwurf und Projektierung SPS-gesteuerter Automatisierungsanlagen
• Entwurf und Auslegung hydraulischer und elektrohydraulischer Steuerungs-und Regelungssysteme für Stationär- und Mobilhydraulik
• Analyse und Simulation von hydraulischen und elektrohydraulischen Steuerungs-und Regelungssystemen für Stationär- und Mobilhydraulik

Kontakt

Prof. Dr. Rolf Ziegler (Laborleiter)
Robert Rett (Labormeister)