Übungsaufgaben zu Elektropneumatik und Hydraulik: Schaltzeichen, Zylinder, Wegeventile und Anbindung an die SPS

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Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Elektropneumatik und Hydraulik:
Schaltzeichen, Zylinder, Wegeventile und Anbindung an die SPS“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/pneumatik-hydraulik
- https://oer-informatik.de/sps-grundlagen
- https://oer-informatik.de/ablaufsteuerung-grafcet
- https://oer-informatik.de/steuerungssicherheit
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/pneumatik-hydraulik-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Elektropneumatik
- Schaltzeichen
- Wegeventil
- Magnetventil
- monostabil
- bistabil
- Zylinder
- Endlagensensor
- Inbetriebnahme
- Restenergie

Kompetenzstufe: Profilkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Kernkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Benennung (2 Punkte; alle drei richtig 2 Punkte, zwei richtig 1 Punkt):

• -QM1: 3/2-Wegeventil, monostabil, elektromagnetisch betätigt (-MB1) mit Federrückstellung, in Ruhestellung gesperrt (1 gesperrt, 2 nach 3 entlüftet).

• -QM2: 5/2-Wegeventil, bistabil (Impulsventil), elektromagnetisch betätigt mit zwei Magneten (-MB2, -MB3).

• -RZ1: Drosselrückschlagventil, einstellbar; Richtung Zylinder frei, Richtung Ventil gedrosselt (Abluftdrosselung).

Bedeutung (1 Punkt): Die erste Zahl nennt die Anzahl der Anschlüsse (ohne Steueranschlüsse), die zweite die Anzahl der Schaltstellungen: 3/2 = 3 Anschlüsse, 2 Stellungen; 5/2 = 5 Anschlüsse, 2 Stellungen.

Verbindungen von -QM2 (je Stellung 1 Punkt):

Je Zeile 1 Punkt:

• -MM1 (1 Punkt): -MB1 wird stromlos, die Feder schaltet -QM1 in die Ruhestellung zurück. Der Zylinderraum wird über 2 nach 3 entlüftet, die Feder fährt -MM1 ein: Das Lagerschild wird losgelassen.

• -MM2 (1 Punkt): -QM2 ist bistabil und bleibt in der Stellung 1 nach 4. Weil die Druckluft erhalten bleibt, fährt -MM2 weiter aus und presst mit voller Kraft.

• Beurteilung (1 Punkt): Das Verhalten ist ungünstig und gefährlich: Die Presse drückt auf ein Werkstück, das nicht mehr gespannt ist. Es kann verrutschen oder wegspringen, die Buchse wird schief eingepresst. Nach Spannungswiederkehr steht -MM2 noch unten.

• Vorschlag (1 Punkt), z. B.: -MM2 über ein monostabiles 5/2-Ventil mit Federrückstellung ansteuern, damit die Presse bei Spannungsausfall zurückfährt, und das Spannen über ein bistabiles Ventil (bzw. einen doppeltwirkenden Zylinder mit 5/3-Ventil, Mittelstellung gesperrt) halten, damit das Werkstück gespannt bleibt.

Zuordnungsliste (3 Punkte, je zwei richtig ergänzte Zeilen 1 Punkt, andere Adressen bei gleicher Systematik richtig):

Anschluss von -BG1 (2 Punkte): BN (braun) an L+ 24 V, BU (blau) an M 0 V, BK (schwarz, Schaltausgang) an den Eingang I0.1. Der PNP-Sensor legt im geschalteten Zustand L+ an den Eingang.

Geg.: U = 24\ \mathrm{V}; P_\mathrm{MB1} = 2{,}5\ \mathrm{W}; P_\mathrm{MB2} = P_\mathrm{MB3} = 1{,}5\ \mathrm{W}; je Ausgang höchstens 0{,}3\ \mathrm{A}, je Gruppe höchstens 1\ \mathrm{A}

Ges.: I_\mathrm{MB1}, I_\mathrm{MB2}, I_\mathrm{max}; Prüfung der Ausgänge; Begründung der Schutzbeschaltung

\begin{aligned} &\text{(I)} && P = U \cdot I \\ &\text{(II)} && I_\mathrm{max} = I_\mathrm{MB1} + I_\mathrm{MB2} \end{aligned}

I nach I umstellen und einsetzen (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P & = & U \cdot I & \color{gray}{:U} \\ I & = & \dfrac{P}{U} & \\ I_\mathrm{MB1} & = & \dfrac{2{,}5\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}} \approx \underline{\underline{0{,}104\ \mathrm{A}}} & \\ I_\mathrm{MB2} = I_\mathrm{MB3} & = & \dfrac{1{,}5\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}} = \underline{\underline{0{,}0625\ \mathrm{A}}} & \end{array}

Größter gleichzeitiger Strom (1 Punkt): -MB2 und -MB3 dürfen nie zugleich angesteuert werden, also fließen höchstens die Ströme von -MB1 und einer Spule von -QM2. I in II:

I_\mathrm{max} = \dfrac{P_\mathrm{MB1}}{U} + \dfrac{P_\mathrm{MB2}}{U} = \dfrac{2{,}5\ \mathrm{W} + 1{,}5\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}} \approx \underline{\underline{0{,}167\ \mathrm{A}}}

Prüfung (1 Punkt): Jeder Spulenstrom liegt unter 0{,}3\ \mathrm{A}, der Summenstrom deutlich unter 1\ \mathrm{A}. Die Ausgänge reichen aus.

Schutzbeschaltung (2 Punkte): Die Spulen sind Induktivitäten. Beim Abschalten will der Strom weiterfließen, es entsteht eine hohe Selbstinduktionsspannung (u = -L \cdot \Delta i / \Delta t). Sie kann den Ausgangstransistor zerstören und Störungen in die Steuerung einkoppeln. Eine Freilaufdiode, Suppressordiode oder ein Varistor parallel zur Spule begrenzt diese Spannung (oft im Gerätestecker eingebaut).

• Speicher für -MB1 (2 Punkte): -QM1 ist monostabil. -MB1 muss während des ganzen Ablaufs 1-Signal haben, sonst fährt die Feder -MM1 sofort zurück. Der Starttaster liefert aber nur einen kurzen Impuls. Deshalb wird -MB1 über einen Speicher (RS-Speicher oder Selbsthaltung, z. B. gesetzt durch Start in Grundstellung, rückgesetzt am Ende des Ablaufs) angesteuert. -QM2 ist bistabil und speichert seine Stellung selbst; für -MB2 und -MB3 genügt ein Impuls, z. B. -MB2, solange -BG1 „gespannt“ meldet und die Presse noch nicht unten war, und -MB3, sobald -BG3 meldet.

• Verriegelung (1 Punkt): Jeder der beiden Ausgänge wird mit dem negierten anderen UND-verknüpft: \mathrm{Q0.1} = \ldots \wedge \overline{\mathrm{Q0.2}} und \mathrm{Q0.2} = \ldots \wedge \overline{\mathrm{Q0.1}} (alternativ: Ablauf als Schrittkette, in der jeder Schritt nur eine der beiden Spulen ansteuert).

• Begründung (1 Punkt): Liegen beide Spulen gleichzeitig an, ist die Stellung des Ventils nicht festgelegt (meist bleibt die zuerst geschaltete Stellung). Die Presse reagiert dann nicht wie vom Programm erwartet, z. B. fährt sie nicht zurück.

Reihenfolge (3 Punkte, je falsch eingeordnetem Schritt 0,5 Punkte Abzug):

Begründung für C (1 Punkt): Die Drosseln werden vor dem Zuschalten der Druckluft fast geschlossen, damit sich die Zylinder bei den ersten Bewegungen (Druckaufbau, Handhilfsbetätigung, Test der Spulen) nur langsam bewegen. Ein falsch angeschlossener Zylinder oder eine unerwartete Bewegung führt so nicht zu einem Schlag, zu Schäden oder zu Quetschungen. C darf auch vor D stehen, wenn es vor F liegt.

• Beurteilung (1 Punkt): Das Vorhaben ist gefährlich und nicht zulässig. Die Kolbenseite von -MM2 steht über das bistabile Ventil -QM2 noch unter 6 bar. Ein unter Druck gelöster Schlauch schlägt umher, der Kolben kann sich schlagartig bewegen.

• Restenergien (2 Punkte, je zwei richtige 1 Punkt):

  • Druckluft in der Kolbenseite von -MM2 und den Leitungen bis -QM2; auch nach dem Absperren der Versorgung entweicht sie über die Drossel von -RZ1 nur langsam,
  • Schwerkraft: Kolbenstange und Presswerkzeug des senkrechten Zylinders -MM2 fallen nach unten, wenn der Druck auf der Stangenseite fehlt bzw. die Kolbenseite entlüftet wird,
  • Federenergie in -MM1: Wird -MB1 stromlos oder -MM1 entlüftet, fährt die Feder den Spannzylinder zurück; das Lagerschild ist dann frei und kann herunterfallen,
  • elektrische Energie: Die Steuerung könnte Ventile schalten, solange Steuerspannung anliegt.

• Vorgehen (2 Punkte):

  1. Vorrichtung stillsetzen, Steuerspannung abschalten und gegen Wiedereinschalten sichern.
  2. Druckluft am abschließbaren Einschaltventil absperren und die Anlage entlüften, Werkstück und Presswerkzeug vorher gegen Herabfallen bzw. Absinken sichern (abstützen).
  3. Restdruck in -MM2 abbauen (warten bzw. gezielt über eine Entlüftung ablassen) und Druckfreiheit prüfen (Manometer 0 bar, Kolbenstange lässt sich nicht mehr durch Druck bewegen).
  4. Erst dann Schlauch lösen und das Werkstück befreien.
  5. Vor dem Wiedereinschalten Personen aus dem Gefahrenbereich schicken und den Druck langsam aufbauen; -QM2 kann noch in der Stellung „ausfahren“ stehen.