In Lernfeld 8 hast du den Regelkreis gelesen, jetzt baust du einen. Der Lückenregler läuft als Programm in K1: Er vergleicht in festem Takt die Lage der Wanne mit der Lage der Lücke und schickt dem Umrichter von Band 4.5 über den Bus einen neuen Drehzahlsollwert.
Schritt 3 von 5. Du zeichnest den Wirkungsplan, legst die Abtastzeit fest, verfolgst die Stellgröße über den Bus, vergleichst P- und PI-Regler an Messreihen, untersuchst die Grenzen und schreibst den Reglerbaustein.
Danach: Rechenwege und Lösungen zu Teil 4
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Ein digitaler Regler sieht die Strecke nur in Abständen: Takt, Begrenzung und gültiger Messwert gehören zum Regler wie KP und Tn.
Am Ende hast du: ein Regelkonzept für die Lückenregelung mit Wirkungsplan, Reglerbaustein, begründeten Parametern und einer ausgewerteten Sprungantwort.
Karte „Regelkreis und digitaler Regler“: Die Größen im Regelkreis aus LF 8 (w, x, r, e, y, z) und die Kennwerte des digitalen Reglers: KP, Tn, Tv, Abtastzeit TA. Die Karte steht im Wissensspeicher, Lektion „Wissensspeicher und Expertenrunde“.
Erst du, dann die anderen
Woran erkennst du, dass dein Regler gut genug ist? Ein fertiges Gütemaß gibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Gegen die Toleranz prüfen. Liegt die Wanne am Ende von Band 4.5 innerhalb ± 0,2 m, ist der Auftrag erfüllt. Das ist das Abnahmekriterium selbst. Dafür sagt es nichts darüber, wie viel Reserve bleibt, wenn der Koffer noch schwerer oder der Gurt verschlissen ist.
- Überschwingen und Ausregelzeit ansehen. Aus der Sprungantwort ablesen, wie weit der Regler über das Ziel schießt und wann er ruhig ist. Das zeigt Reserve und Unruhe. Dafür brauchst du eine Messreihe und musst die Grenzen, die du zulässt, selbst festlegen und begründen.
- Schwere und leichte Koffer testen. Mit leeren und mit voll beladenen Testwannen fahren und beide Fälle vergleichen. So wird die Störgröße wirklich geprüft. Dafür kostet es Testwannen und Zeit in der Betriebspause, und die Ergebnisse streuen.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Gegebene Werte: Lückenregelung am Band 4.5 · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Lückenregelung am Band 4.5
- Band 4.5
- Länge 4,2 m; Grundgeschwindigkeit v0 = 1,4 m/s, gleich der Lücke auf Band 5.3, als Vorsteuerung
- Stellbereich
- 1,0 bis 1,8 m/s; Hochlauf des Umrichters 1,0 s auf 50 Hz, am Band rund 1,4 m/s²
- Antrieb 4.5
- Getriebe i = 10,8, Trommel 200 mm, Motor 4-polig; Umrichter =4.5-T1 mit Drehzahlregelung, Maximalfrequenz 65 Hz
- Telegramm
- Kurs-Telegramm 1, 16#4000 = 100 % = 1.500 1/min; Aktualisierungszeit =4.5-T1 4 ms
- Messwert
- Laser =4.5-BG1 über KE12, Aktualisierungszeit 8 ms; Normierung und Auflösung aus Lernangebot 7
- Toleranz
- ± 0,2 m an der Zusammenführung 4/5; Ziel der Meisterin: am Bandende innerhalb ± 5 cm, damit Reserve bleibt
- Störgröße
- schwerer Koffer: Die Wanne bleibt 0,10 m/s hinter dem Gurt zurück (Schlupf)
- Einlauf
- Die Wanne kommt mit bis zu 0,35 m Versatz auf Band 4.5 (gesteuert, LF 8)
- Regler
- P-, PI- oder PID-Regler; Formeln und Kennwerte im Tabellenbuch S. 515 bis 523 (Regelungstechnik)
Alle Werte zu Abschnitt 4 und Stapler 4 sind Unterrichtswerte. Zahlen zum Flughafen sind öffentliche Größenordnungen, gerundet.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Regelkonzept Lückenregelung
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- dem Wirkungsplan der Lückenregelung mit w, x, r, e, y und z am Band 4.5, Vorsteuerung und Kaskade
- der begründeten Abtastzeit mit Rechnung und dem Weg des Sollwerts über den Bus zum Umrichter
- dem Reglerbaustein in ST: Reglertyp, Parameter, Abtastzeit, Begrenzung, Anti-Windup, Freigabe nur bei gültigem Messwert
- der ausgewerteten Sprungantwort (Messreihe aus Simulation oder Laborband) mit Überschwingen, Ausregelzeit und Abweichung am Bandende
- der Bewertung gegen ± 0,2 m mit schweren und leichten Koffern
Zur Dokumentation
Zu jedem Parameter ein Satz Begründung, zur Abtastzeit die Rechnung, zur Sprungantwort die Messreihe als Tabelle oder Diagramm aus der Tabellenkalkulation. Der Reglerbaustein wird im Programmierwerkzeug kommentiert abgelegt.
Zusammen mit der Datenpunktliste aus Lernangebot 7 ist das Meilenstein M3. Abgenommen wird er im Kreuzreview durch ein anderes Team, danach zeichnet die Projektleitung ab.
8.1Zeichne den Wirkungsplan der Lückenregelung am Band 4.5
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Aufgabe 8.1
Zeichne den Wirkungsplan der Lückenregelung am Band 4.5:
- Übertrage den Wirkungsplan oben.
- Ordne die Größen w, x, r, e, y und z den Größen am Band zu.
- Beschrifte jeden Kasten mit dem Gerät oder dem Teil der Anlage und seinem Kennzeichen.
- Kennzeichne die Vorzeichen an den Vergleichsstellen.
- Erkläre, was die Leitung von oben in die zweite Vergleichsstelle bewirkt.
- Erkläre, weshalb sich am gestrichelten Rahmen rechts ein zweiter Regelkreis schließt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Regelkreis · Regelungstechnik · Führungsgröße · Stellgröße · Regelgröße
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8.2Lege die Abtastzeit des Lückenreglers fest
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Aufgabe 8.2
Lege die Abtastzeit des Lückenreglers fest:
- Berechne den Weg einer Wanne bei 1,4 m/s je Abtastung für 10 ms, 20 ms, 50 ms und 100 ms.
- Berechne die größte Abtastzeit nach der Faustregel TA ≤ T10 mit T = 1KP für KP = 2 (m/s) je m.
- Erkläre, weshalb eine Abtastzeit unter der Aktualisierungszeit von KE12 nichts bringt.
- Vergleiche den Weg je Abtastung mit der Auflösung des Lasers aus deiner Normierung.
- Entscheide die Abtastzeit.
- Begründe, weshalb der Regler in einer zyklischen Task mit festem Takt läuft und nicht im freien Programmzyklus.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Abtastung · Regler, digitaler · Quantisierung · Regelung, digitale
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8.3Verfolge die Stellgröße des Lückenreglers über den Bus bis zum Motor von Band 4.5
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Aufgabe 8.3
Verfolge die Stellgröße des Lückenreglers über den Bus bis zum Motor von Band 4.5:
- Berechne die Bandgeschwindigkeit, wenn der Regler Δv = + 0,3 m/s ausgibt.
- Berechne die Motordrehzahl für diese Bandgeschwindigkeit.
- Berechne den Sollwert NSOLL als Dezimalzahl und in 16#-Schreibweise.
- Gib an, welches Steuerwort K1 während der Regelung sendet.
- Vergleiche die Aktualisierungszeiten von =4.5-T1 und KE12 mit deiner Abtastzeit aus Aufgabe 8.2.
- Erkläre, weshalb der Drehzahlregler im Umrichter bleibt und nicht in K1 wandert.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Drehzahlregelung · Frequenzumrichter · Umrichterregelung · Sedezimalzahlen
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8.4Unterscheide P- und PI-Regler an der Sprungantwort
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Aufgabe 8.4
Unterscheide P- und PI-Regler an der Sprungantwort:
- Ordne den Kurven A und B je einen P-Regler und einen PI-Regler zu.
- Begründe die Zuordnung am Ende der Kurven.
- Erkläre, weshalb ein P-Regler bei einem schweren Koffer eine bleibende Regelabweichung lässt.
- Berechne die bleibende Regelabweichung eines P-Reglers mit KP = 2 (m/s) je m bei einem Schlupf von 0,10 m/s.
- Beschreibe, was ein D-Anteil zusätzlich bewirken würde.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: P-Regelglied · PI-Regelglied · PID-Regelglied · Sprungantwort
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8.5Stelle den Lückenregler an der Messreihe der Sprungantwort ein
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Aufgabe 8.5
Messreihe aus der Simulation: Regelabweichung e in m, alle 0,25 s. Die Wanne läuft mit 0,35 m Versatz ein, schwerer Koffer (Schlupf 0,10 m/s), Stellgröße begrenzt auf ± 0,4 m/s, Rampe des Umrichters, Regler in fester Abtastung.
| t in s | ohne Regler | Lauf 1: P, KP = 2 | Lauf 2: PI, KP = 2, Tn = 1,0 s | Lauf 3: P, KP = 4 | Lauf 4: PI, KP = 4, Tn = 0,5 s |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,00 | 0,350 | 0,350 | 0,350 | 0,350 | 0,350 |
| 0,25 | 0,375 | 0,331 | 0,331 | 0,331 | 0,331 |
| 0,50 | 0,400 | 0,257 | 0,257 | 0,257 | 0,257 |
| 0,75 | 0,425 | 0,183 | 0,182 | 0,182 | 0,182 |
| 1,00 | 0,450 | 0,129 | 0,118 | 0,107 | 0,107 |
| 1,25 | 0,475 | 0,098 | 0,067 | 0,054 | 0,042 |
| 1,50 | 0,500 | 0,079 | 0,030 | 0,035 | 0,006 |
| 1,75 | 0,525 | 0,067 | 0,005 | 0,029 | − 0,008 |
| 2,00 | 0,550 | 0,060 | − 0,010 | 0,026 | − 0,011 |
| 2,25 | 0,575 | 0,056 | − 0,019 | 0,025 | − 0,008 |
| 2,50 | 0,600 | 0,054 | − 0,022 | 0,025 | − 0,005 |
| 2,75 | 0,625 | 0,052 | − 0,022 | 0,025 | − 0,002 |
| 3,00 | 0,650 | 0,051 | − 0,019 | 0,025 | − 0,001 |
Stelle den Lückenregler an der Messreihe der Sprungantwort ein:
- Bestimme für jeden Lauf die Regelabweichung am Bandende nach 3 s.
- Bestimme für die PI-Läufe das Überschwingen.
- Bestimme für jeden Lauf, ab wann die Abweichung innerhalb ± 5 cm bleibt.
- Bewerte jeden Lauf gegen die Toleranz ± 0,2 m und gegen das Ziel ± 5 cm.
- Entscheide, welche Einstellung du für Band 4.5 nimmst.
- Begründe deine Wahl mit dem Preis, den sie hat.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Reglereinstellung · Einstellung von Regelkreisen · Sprungantwort · Kennwerte von Regelstrecken
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8.6Untersuche, was eine zu große Abtastzeit und ein Regler ohne Windup-Sperre anrichten
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Aufgabe 8.6
Simulation 1, harter Regler (KP = 6 (m/s) je m, Tn = 1,0 s, schnelle Rampe, Begrenzung ± 1,0 m/s), Überschwingen unter null:
| Abtastzeit TA | 20 ms | 250 ms | 400 ms |
|---|---|---|---|
| Überschwingen | 5 mm | 91 mm | 140 mm |
Simulation 2, lange Strecke (KP = 4 (m/s) je m, Tn = 0,5 s, Anfangsversatz 0,8 m, Begrenzung ± 0,4 m/s): Mit Anti-Windup schwingt e 11 mm unter null und ist dann ruhig. Ohne Anti-Windup ist die Wanne nach 4 s schon 343 mm vor ihrer Lücke und läuft weiter davon.
Untersuche, was eine zu große Abtastzeit und ein Regler ohne Windup-Sperre anrichten:
- Vergleiche das Überschwingen des harten Reglers bei den drei Abtastzeiten.
- Erkläre, weshalb eine große Abtastzeit den Regler unruhig macht.
- Erkläre, was mit dem I-Anteil geschieht, solange die Stellgröße an der Begrenzung liegt.
- Beschreibe eine Maßnahme gegen Windup.
- Beurteile, ob Windup an Band 4.5 eine Rolle spielt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Abtastregelung · Regelglieder, digitale · I-Regelglied · Regelbarkeit
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8.7Schreibe den Lückenregler als Baustein für K1 in ST
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Aufgabe 8.7
Schreibe den Lückenregler als Baustein für K1 in ST:
- Deklariere Ein- und Ausgänge mit Datentyp, die Parameter mit Anfangswert.
- Berechne die Regeldifferenz.
- Berechne P-Anteil und I-Anteil mit der Abtastzeit.
- Begrenze die Stellgröße auf ± 0,4 m/s.
- Halte den I-Anteil an, solange die Stellgröße begrenzt ist.
- Gib den Regler nur frei, wenn der Messwert gültig ist und Band 4.5 in Automatik läuft.
- Lege fest, in welcher Task der Baustein aufgerufen wird.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: PID-Regler SPS · Funktionsbaustein · SPS-Programmierung · Regler, digitaler
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
8.8Stellt euer Regelkonzept für die Lückenregelung zusammen
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Aufgabe 8.8
Stellt euer Regelkonzept für die Lückenregelung zusammen:
- Entscheidet Reglertyp und Parameter.
- Begründet die Wahl mit der Messreihe.
- Entscheidet, ob ein D-Anteil nötig ist.
- Legt Abtastzeit, Begrenzung, Anti-Windup und Freigabe fest.
- Weist mit einer eigenen Sprungantwort aus Simulation oder Laborband nach, dass jede Wanne innerhalb ± 0,2 m ankommt, mit schweren und mit leichten Koffern.
- Bewertet, wie viel Reserve euer Regler bis zur Toleranz lässt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Regelkreis, Einstellung · Reglereinstellung · Regelung, digitale · Dokumentation
Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.
Die Lage ändert sich
In der Spitzenstunde kommen die Wannen auf Band 4.5 so dicht, dass der Laser manchmal zwei Wannen vor sich hat. Er misst immer die nächste, und sobald sie das Band verlässt, springt sein Messwert auf die Wanne dahinter.
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Prüfe, was dein Regler bei einem Sprung des Messwerts tut.
- Beurteile, ob deine Freigabe und deine Plausibilitätsprüfung den Sprung abfangen.
- Entscheide, woran K1 erkennt, zu welcher Wanne und zu welcher Lücke der Messwert gehört.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.