Übungsaufgaben zu Feldbussen, IO-Link und Aktoren in der Automatisierung

Kopiere den Text in ein KI-Sprachmodell Deiner Wahl und passe Kompetenzstufe, Anzahl, Bearbeitungszeit und Szenario bei Bedarf an. Wie die Aufgaben aufgebaut sind, beschreibt der Artikel Wie sind die Aufgaben aufgebaut?. Prüfe die Ergebnisse mit dem Lehrartikel: KI-Sprachmodelle machen Fehler.

Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Feldbusse, IO-Link und Aktoren
in der Automatisierung“.

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/feldbusse-aktorik
- https://oer-informatik.de/sps-grundlagen
- https://oer-informatik.de/industrielle-kommunikation
- https://oer-informatik.de/sensoren-aktoren
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/feldbusse-aktorik-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Sensor
- Aktor
- Ansteuerung
- Schütz
- Analogausgang
- Master-Slave-Verfahren
- Polling
- Zykluszeit
- Echtzeit
- IO-Link
- Single Pair Ethernet

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.

Geg.: Bauteile der Vorbehandlung (Nr. 1–8); Pumpe 24\ \mathrm{V\ DC} / 9{,}6\ \mathrm{W}; Heizregister 3 \times 400\ \mathrm{V} / 9{,}0\ \mathrm{kW}; Stellantrieb mit 0–10\ \mathrm{V}; Transistorausgänge 24\ \mathrm{V\ DC}, höchstens 0{,}5\ \mathrm{A}; Bus mit t_\mathrm{T} = 0{,}16\ \mathrm{ms}, t_\mathrm{P} = 0{,}12\ \mathrm{ms}, n = 18; SPS-Zyklus t_\mathrm{SPS} = 6\ \mathrm{ms}; Frist 25\ \mathrm{ms}

Ges.: Zuordnung Sensor, Aktor oder keins

Je zwei richtige Zuordnungen 1 Punkt:

Ges.: geeignete Ansteuerung von Dosierpumpe, Heizregister und Stellantrieb

Dosierpumpe (2 Punkte): Strom aus der Leistung

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P & = & U \cdot I & \color{gray}{:U} \\ I & = & \dfrac{P}{U} = \dfrac{9{,}6\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}} = \underline{\underline{0{,}400\ \mathrm{A}}} & \end{array}

0{,}400\ \mathrm{A} \le 0{,}5\ \mathrm{A}: Die Pumpe kann direkt an einen Transistorausgang. Weil der Hubmagnet eine induktive Last ist, gehört eine Freilaufdiode bzw. Schutzbeschaltung parallel zur Spule (sofern nicht im Ausgang oder in der Pumpe eingebaut).

Heizregister (2 Punkte): Strom in jedem Außenleiter (ohmsche Last, \cos\varphi = 1)

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P & = & \sqrt{3} \cdot U \cdot I & \color{gray}{:(\sqrt{3} \cdot U)} \\ I & = & \dfrac{P}{\sqrt{3} \cdot U} = \dfrac{9000\ \mathrm{W}}{\sqrt{3} \cdot 400\ \mathrm{V}} \approx \underline{\underline{13{,}0\ \mathrm{A}}} & \end{array}

Drehstrom mit rund 13\ \mathrm{A} je Leiter kann kein SPS-Ausgang schalten. Das Heizregister wird über ein Schütz (oder ein dreiphasiges Halbleiterrelais) geschaltet; der Transistorausgang steuert nur dessen Spule bzw. Steuereingang.

Stellantrieb der Abluftklappe (2 Punkte): Die Öffnung soll stufenlos gestellt werden, der Antrieb erwartet 0–10\ \mathrm{V}. Geeignet ist ein Analogausgang 0–10 V für den Sollwert; die Versorgung mit 24 V kommt getrennt aus dem Netzteil. Ein binärer Ausgang könnte die Klappe nur auf- oder zufahren.

Andere fachlich richtige Lösungen (z. B. Pumpe über Koppelrelais, Stellantrieb über eine Busschnittstelle) werden ebenfalls gewertet, wenn die Begründung stimmt.

Ges.: Ablauf des Datenaustauschs

• Der Master fragt die 18 Slaves nacheinander in fester Reihenfolge ab; er schickt jedem Slave eine Anfrage mit dessen Ausgangsdaten (z. B. „Pumpe ein“) (1 Punkt).
• Der abgefragte Slave antwortet sofort mit seinen Eingangsdaten (z. B. Zustand des Schwimmerschalters); von sich aus sendet kein Slave, daher gibt es keine Kollisionen (1 Punkt).
• Nach dem letzten Slave und der Verwaltungspause beginnt der Master den nächsten Buszyklus wieder bei Slave 1; jeder Slave kommt also einmal je Zyklus an die Reihe (1 Punkt).

Ges.: t_\mathrm{Zyklus}, längste Reaktionszeit t_\mathrm{R}; Frist eingehalten?

\begin{aligned} &\text{(I)} && t_\mathrm{Zyklus} = n \cdot t_\mathrm{T} + t_\mathrm{P} \\ &\text{(II)} && t_\mathrm{R} = t_\mathrm{Zyklus} + 2 \cdot t_\mathrm{SPS} + t_\mathrm{Zyklus} = 2 \cdot t_\mathrm{Zyklus} + 2 \cdot t_\mathrm{SPS} \end{aligned}

Zu II: Im ungünstigsten Fall addieren sich drei Wartezeiten (1 Punkt):

I berechnen (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} t_\mathrm{Zyklus} & = & 18 \cdot 0{,}16\ \mathrm{ms} + 0{,}12\ \mathrm{ms} = \underline{\underline{3{,}00\ \mathrm{ms}}} & \end{array}

I in II (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} t_\mathrm{R} & = & 2 \cdot 3{,}00\ \mathrm{ms} + 2 \cdot 6\ \mathrm{ms} = \underline{\underline{18{,}0\ \mathrm{ms}}} & \end{array}

18{,}0\ \mathrm{ms} \le 25\ \mathrm{ms}: Die Frist wird eingehalten, mit 7{,}0\ \mathrm{ms} Reserve (1 Punkt).

Geg.: n = 18 + 12 = 30 Slaves

Ges.: t_\mathrm{Zyklus} und t_\mathrm{R} mit 30 Slaves; Beurteilung der Aussage

Mit den Formeln I und II aus cb) (1 Punkt):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} t_\mathrm{Zyklus} & = & 30 \cdot 0{,}16\ \mathrm{ms} + 0{,}12\ \mathrm{ms} = \underline{\underline{4{,}92\ \mathrm{ms}}} & \\ t_\mathrm{R} & = & 2 \cdot 4{,}92\ \mathrm{ms} + 2 \cdot 6\ \mathrm{ms} = 21{,}84\ \mathrm{ms} \approx \underline{\underline{21{,}8\ \mathrm{ms}}} & \end{array}

Beurteilung (2 Punkte): Die Aussage ist falsch. Der Buszyklus wird zwar länger, und jeder Slave wartet länger auf seine Abfrage. Die Wartezeit bleibt aber begrenzt und vorab berechenbar (deterministisch): Die längste Reaktionszeit von 21{,}8\ \mathrm{ms} liegt weiter unter der Frist von 25\ \mathrm{ms}. Echtzeitfähig heißt, dass die Frist sicher eingehalten wird, nicht, dass der Bus besonders schnell ist. Die Reserve schrumpft allerdings auf rund 3\ \mathrm{ms}; aus 2 \cdot (n \cdot 0{,}16\ \mathrm{ms} + 0{,}12\ \mathrm{ms}) + 12\ \mathrm{ms} \le 25\ \mathrm{ms} folgt, dass höchstens 39 Slaves an diesem Bus möglich sind, bevor die Frist reißt.

Ges.: vier Merkmale eines intelligenten Sensors; Datenaustausch am IO-Link-Master

Merkmale (je 1 Punkt, höchstens 4 Punkte), z. B.:

• Signalaufbereitung und Digitalisierung im Sensor: Er liefert den Leitfähigkeitswert fertig skaliert und digital (z. B. in µS/cm); Störungen auf einer analogen 4–20-mA-Leitung und die Umrechnung in der Steuerung entfallen.
• Parametrierung über die Verbindung: Messbereich, Temperaturkompensation oder Grenzwert für „Spülbad verbraucht“ lassen sich von der Steuerung aus einstellen, ohne Bedienung vor Ort.
• Selbstdiagnose: Der Sensor meldet z. B. verschmutzte Elektroden, Übertemperatur oder einen Fehler im Messfühler; die Steuerung unterscheidet so einen Sensorfehler von einem echten Prozesswert.
• Busschnittstelle mit Identifikation: Hersteller, Typ und Seriennummer sind auslesbar; nach einem Tausch überträgt der IO-Link-Master die gespeicherten Parameter automatisch (Data Storage).

Datenaustausch (1 Punkt): Der Sensor ist das IO-Link-Device an einem Port des Masters (Punkt-zu-Punkt, 3-adrige Standardleitung bis 20 m). Der Master fragt ihn zyklisch ab und erhält die Prozessdaten (Leitfähigkeit, Status); Parameter liest und schreibt er azyklisch bei Bedarf, Diagnosen meldet der Sensor als Ereignis. Der Master gibt die Daten über seinen Feldbus- bzw. Ethernet-Anschluss an die Steuerung weiter. Die Beschreibung der Daten liefert die IODD-Datei des Sensors.

Ges.: Anbindung von pH-Messumformer und Füllstandssensor in rund 450\ \mathrm{m} Entfernung; Abgrenzung

• Entscheidung für Single Pair Ethernet (10BASE-T1L) (1 Punkt).
• Begründung (2 Punkte): IO-Link reicht nur bis 20 m vom Master-Port; für 450 m müsste ein Master mit eigener Netzanbindung am Becken stehen. 10BASE-T1L überträgt dagegen über ein verdrilltes Adernpaar bis 1000 m und kann die Geräte über dasselbe Adernpaar versorgen. Die Messumformer erhalten IP-Adressen; Steuerung und Leitsystem erreichen Messwerte und Diagnosen direkt (z. B. per OPC UA), ohne Gateway, das Daten umsetzen muss.
• Abgrenzung zum klassischen Feldbus (1 Punkt): Ein Feldbus verbindet viele Teilnehmer an einer gemeinsamen Leitung mit Busadressen; das Leitsystem kommt nur über Master bzw. Gateway an die Daten, und Diagnosedaten müssen umgesetzt werden. Bei SPE gehört jedes Gerät mit einer eigenen Punkt-zu-Punkt-Leitung zum Ethernet und braucht dafür einen Port an einem SPE-Switch.

Auch ein IO-Link-Master in einem eigenen Schaltkasten am Becken, angebunden über Lichtwellenleiter, ist eine vertretbare Lösung, wenn sie mit Leitungslänge und Aufwand begründet wird.