Hier wählst du aus, womit Stapler 4 der Steuerung meldet, was geschieht, und womit die Steuerung die Anlage bewegt. Leg die Seitenansicht aus dem Auftrag daneben.

Schritt 2 von 5. Du unterscheidest Sensoren nach ihrem Wirkprinzip, rechnest den Schaltabstand, wertest ein englisches Datenblatt aus, prüfst die Drahtbruchsicherheit und stellst die Sensor-Aktor-Liste auf.

Danach: Lernangebot 4 · Die SPS konfigurieren und anschließen

Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Ein Sensor ist erst dann richtig gewählt, wenn er sicher schaltet, zum Eingang passt und bei einem Drahtbruch nichts Gefährliches meldet.

Am Ende hast du: die Sensor-Aktor-Liste von Stapler 4 mit Art, Wirkprinzip, Schaltfunktion, Signal und Begründung für jedes Betriebsmittel.

Karte „Stapler 4 auf einen Blick“: Alle Betriebsmittel des Staplers mit Kennzeichen und Bedeutung, dazu die Seitenansicht. Die Karte steht im Wissensspeicher, Lektion „Wissensspeicher und Expertenrunde“. Leg sie neben jede Aufgabe dieses Teils.

Was die Sensoren am Stapler melden

Ein Sensor wandelt einen Zustand der Anlage in ein elektrisches Signal: Wanne da oder nicht, Hubtisch oben oder nicht, Druck da oder nicht. An Stapler 4 kommen vier Wirkprinzipien vor. Optische Sensoren werten einen Lichtstrahl aus, der unterbrochen oder zurückgeworfen wird. Induktive Sensoren erzeugen ein magnetisches Wechselfeld; Metall in diesem Feld dämpft es, und der Sensor schaltet, ohne etwas zu berühren. Zylinderschalter sitzen außen in der Nut eines Pneumatikzylinders und reagieren auf den Magnetring im Kolben. Druckschalter vergleichen den Druck mit einem eingestellten Wert und betätigen dann einen Kontakt.

Wirkprinzipien der Sensoren am Stapler 4Einweglichtschrankethrough-beam sensorReflexionslichtschrankeretro-reflective sensorReflexionslichttasterdiffuse sensorSenderEmpfängerWannezwei Geräte, zwei LeitungenSender undEmpfängerReflektorWanneSender undEmpfängerObjektdas Objekt selbst wirft zurückInduktiver Näherungsschalterinductive proximity sensorZylinderschaltercylinder sensorDruckschalterpressure switchSpule, OszillatorSchaltfahne aus MetallsMetall im Feld dämpft den OszillatorMagnetring im KolbenSensor in der NutZylinderrohrmeldet die Endlage, ohne BerührungDruckluftMembranFederschaltet, wenn der Druckden eingestellten Wert erreichtKontakt
Sechs Sensorarten, jeweils mit deutschem und englischem Namen. Oben drei optische Sensoren: die Einweglichtschranke mit getrenntem Sender und Empfänger, die Reflexionslichtschranke mit Sender und Empfänger in einem Gehäuse und einem Reflektor gegenüber, der Reflexionslichttaster, bei dem das Objekt selbst das Licht zurückwirft. Unten der induktive Näherungsschalter mit Spule und Oszillator, dessen Feld eine Schaltfahne aus Metall im Abstand s dämpft, der Zylinderschalter in der Nut des Zylinderrohrs, der den Magnetring im Kolben erfasst, und der Druckschalter, bei dem die Druckluft eine Membran gegen eine Feder drückt und einen Kontakt betätigt. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Schließer, Öffner, hell und dunkel

Ein Schließer (normally open, NO) liefert 1, wenn er betätigt ist; ein Öffner (normally closed, NC) liefert 1, solange er nicht betätigt ist. Bei Lichtschranken heißt das Gegenstück Hell- und Dunkelschaltung (light-on, dark-on): Bei Hellschaltung ist der Ausgang 1, solange Licht auf den Empfänger fällt, bei Dunkelschaltung, solange der Lichtweg unterbrochen ist. Welche Schaltfunktion richtig ist, entscheidet sich an einer Frage: Was soll die Steuerung sehen, wenn der Draht bricht?

Hellschaltung und Dunkelschaltung einer LichtschrankeWanne im Lichtweg01Licht am Empfänger01Ausgang bei Hellschaltung01Ausgang bei Dunkelschaltung01Lichtweg freiWanne unterbrichtLichtweg freiZeit t
Zeitverlauf an einer Lichtschranke, während eine Wanne den Lichtweg eine Weile unterbricht. Erste Zeile: Wanne im Lichtweg. Zweite Zeile: Licht am Empfänger, genau umgekehrt. Dritte Zeile: Bei Hellschaltung ist der Ausgang 1, solange Licht auf den Empfänger fällt. Vierte Zeile: Bei Dunkelschaltung ist der Ausgang 1, solange der Lichtweg unterbrochen ist. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Drei Leiter: PNP oder NPN

Elektronische Sensoren brauchen selbst Strom. Sie haben deshalb drei Leiter: BN (braun) an +24 V, BU (blau) an 0 V und BK (schwarz) als Schaltausgang. Ein Transistor im Sensor verbindet den Schaltausgang entweder mit +24 V (PNP, plusschaltend) oder mit 0 V (NPN, minusschaltend). Was an den Eingang einer Steuerung passt, sagt ihr Datenblatt.

Drei-Leiter-Sensor mit Transistorausgang · PNP und NPN im VergleichPNP: plusschaltendSensorAus-wertungBNBKBUL+MEingang KF1IDer Ausgang verbindet BK mit +24 V. Die Last liegtzwischen BK und M: so ist der Eingang der KF1 gebaut.NPN: minusschaltendSensorAus-wertungBNBKBUL+MLastIDer Ausgang verbindet BK mit 0 V. Die Last liegtzwischen L+ und BK: passt nicht an einen Eingang Typ 1.
Zwei Drei-Leiter-Sensoren mit Transistorausgang im Vergleich. Links PNP: Der Transistor liegt zwischen BN (+24 V) und dem Schaltausgang BK; schaltet er durch, fließt der Strom über BK in den Eingang der -KF1 und von dort nach M. Rechts NPN: Der Transistor liegt zwischen BK und BU (0 V); die Last hängt zwischen L+ und BK, der Strom fließt von L+ durch die Last in den Sensor. Aderfarben: BN braun, BU blau, BK schwarz. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Was die Aktoren tun

Die Ausgänge der -KF1 liefern 24 V DC und höchstens 0,5 A. Einen Motor schalten sie nicht selbst: Sie schalten die Spule eines Schützes, dessen Hauptkontakte den Motor an 400 V legen. Die Pneumatik bewegen sie über die Magnetspule eines Wegeventils. Ein monostabiles Ventil hat eine Feder: Ohne Strom geht es in seine Grundstellung zurück. Ein 5/2-Wegeventil hat fünf Anschlüsse und zwei Schaltstellungen und steuert einen doppeltwirkenden Zylinder, ein 3/2-Wegeventil einen einfachwirkenden. Meldeleuchten zeigen dem Bediener, was die Steuerung weiß. Für jeden Aktor gilt die Frage: Was tut die Anlage, wenn er stromlos wird?

Erst du, dann die anderen

Die Meisterin fragt: „Was ist für die Endlage oben am Hubtisch besser, der alte Positionsschalter, ein induktiver Sensor oder etwas ganz anderes?“ Die Antwort gibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?

So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
  • Rechnen. Du zählst, wie oft der Schalter am Tag betätigt wird, und vergleichst mit seiner Lebensdauer. Das ergibt eine harte Zahl, sagt aber nichts über Schmutz, Prellen oder den Einbau.
  • Datenblätter vergleichen. Du legst das Datenblatt des alten Positionsschalters neben das eines induktiven Sensors: Schutzart, Lebensdauer, Schaltabstand, Anschluss. Das ist gründlich und rechnergestützt, kostet aber Zeit, und Datenblätter verschiedener Bauarten sind schwer vergleichbar.
  • Die Instandhaltung fragen. Wer den Stapler seit Jahren betreut, weiß, wie oft der Positionsschalter getauscht wurde und weshalb. Das ist echte Erfahrung, aber keine Begründung, die bei der Abnahme ohne Zahlen trägt.

Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.

Gegebene Werte: Sensoren und Aktoren an Stapler 4 · aufklappen, wenn du rechnest

Gegebene Werte: Sensoren und Aktoren an Stapler 4

Signale, die die neue Steuerung erwartet
-B1: 1 = Wanne am Einlauf · -B2: 1 = Wanne auf dem Stapelplatz · -B3: 1 = Hubtisch unten · -B4: 1 = Hubtisch oben · -B5: 1 = Klinken offen · -B6: 1 = Klinken geschlossen · -B7: 1 = Stapel an B7 · B8: 1 = Stapelband frei · -B9: 1 = Druckluft mindestens 5 bar · -S0: 1 = Not-Halt in Ordnung · -S2: 1 = Stopp nicht betätigt · -F1: 1 = kein Motorschutzschalter ausgelöst
Hubtisch -M2
Hub 0,30 m · 0,20 m/s · Schaltfahne aus Baustahl an der Säule, 4 mm vor der aktiven Fläche von -B3 und -B4
Induktive Sensoren -B3, -B4
M18, bündig einbaubar · Bemessungsschaltabstand Sn = 8 mm
Schaltabstände nach DIN EN 60947-5-2
realer Schaltabstand Sr = 0,9 · Sn bis 1,1 · Sn (Streuung der Exemplare) · nutzbarer Schaltabstand Su = 0,9 · Sr bis 1,1 · Sr (Temperatur, Spannung) · gesicherter Schaltabstand Sa = 0,81 · Sn
Reduktionsfaktoren für andere Metalle
Baustahl 1,0 · Edelstahl 0,7 · Messing 0,5 · Aluminium 0,4 · Kupfer 0,3
Tagesmenge und Lebensdauer
rund 9.000 Wannen am Tag, Stapel aus sechs Wannen, 365 Tage im Jahr · mechanische Lebensdauer des alten Positionsschalters 10 Millionen Schaltspiele
Zuführband -M1 und SPS
1,0 m/s · Zykluszeit 10 ms · Eingangsverzögerung 3 ms · ungünstigste Reaktionszeit = Eingangsverzögerung + 2 · Zykluszeit (weshalb, erfährst du in Lernangebot 4)
Eingang der -KF1
Typ 1 nach DIN EN 61131-2, stromziehend (für PNP-Sensoren) · Signal 1 bei 15 V bis 30 V, Signal 0 bei −3 V bis 5 V · Eingangsstrom bei 24 V rund 4 mA
Aktoren
Schütze -Q1 bis -Q4: Spule 24 V DC, 3,6 W · -Y1: 5/2-Wegeventil monostabil, Spule 2,4 W, Zylinder doppeltwirkend, Schaltzeit 0,3 s · -Y2: 3/2-Wegeventil monostabil, Spule 2,4 W, Stopperzylinder einfachwirkend mit Feder · Meldeleuchten -P1 bis -P3: 24 V DC, 25 mA
Druckluft und Bremse
Druckluftnetz 6 bar · Hubtisch -M2 mit Federdruckbremse, die ohne Strom einfällt

Alle Werte zu Stapler 4 und zur Kompaktsteuerung -KF1 sind Unterrichtswerte. Normen sind mit ihrer Bezeichnung genannt.

Dein Lernprodukt im Einzelnen

Dein Lernprodukt

Sensor-Aktor-Liste von Stapler 4

Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.

Es besteht aus

  • je Signalgeber: Kennzeichen, Art, Wirkprinzip, Schaltfunktion (Schließer, Öffner, Hell- oder Dunkelschaltung), Signal (was 1 bedeutet), Begründung
  • je Stellglied: Kennzeichen, Art, was es bewegt, Zustand ohne Strom
  • der Begründung für den Sensor „Hubtisch oben“ mit Schaltabstand und Vergleich zum alten Positionsschalter
  • der Prüfung auf Drahtbruch: was die Steuerung bei jedem Signal sieht, wenn der Draht bricht
  • den Kenndaten des induktiven Sensors aus dem englischen Datenblatt

Zur Dokumentation

Eine Tabelle auf einer Seite, dazu eine halbe Seite Begründungen. Jede Zahl hat ihre Herkunft (gegebener Wert, Datenblatt oder eigene Rechnung), jede Entscheidung einen Satz, weshalb. Englische Begriffe stehen neben den deutschen. Gespeichert wird am Werkstattrechner aus Lernfeld 4.

Die Liste ist die Grundlage für die Zuordnungsliste in Lernangebot 4. Zusammen mit Zuordnungsliste, Konfiguration und Anschlussplan wird sie zu Meilenstein M1 im Kreuzreview von einem anderen Team abgenommen, danach zeichnet die Projektleitung ab.

3.1Ordne die Betriebsmittel von Stapler 4, mit denen die neue Steuerung arbeitet
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Aufgabe 3.1

Ordne die Betriebsmittel von Stapler 4, mit denen die neue Steuerung arbeitet:

  • Unterscheide Signalgeber und Stellglieder.
  • Gib für jeden Signalgeber an, welchen Zustand der Anlage er meldet.
  • Gib für jedes Stellglied an, was es bewegt oder anzeigt.
  • Vergleiche mit eurer Betriebsmittelliste aus Teil 1 und kennzeichne, was neu dazukommt.
  • Erkläre, weshalb ein Motor nicht direkt an einem Ausgang der SPS hängt.
Kennzeichen Signalgeber oder Stellglied Art was es meldet oder bewegt neu oder schon in der alten Steuerung
-S0
-S1
-S2
-S3
-S4
-S5
-S6
-B1
-B2
-B3
-B4
-B5
-B6
-B7
-B8
-B9
-F1
-Q1
-Q2
-Q3
-Q4
-Y1
-Y2
-P1
-P2
-P3

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Sensor · Aktor · Signalgeber · Stellglied · Schütz

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3.2Wähle die Lichtschranken für Einlauf, Stapelplatz und Stapelband aus
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Aufgabe 3.2

Wähle die Lichtschranken für Einlauf, Stapelplatz und Stapelband aus:

  • Beschreibe das Wirkprinzip von Einweglichtschranke, Reflexionslichtschranke und Reflexionslichttaster.
  • Nenne für jede Bauart einen Vorzug und einen Nachteil an Stapler 4.
  • Erkläre den Unterschied zwischen Hellschaltung und Dunkelschaltung.
  • Bestimme für -B1, -B2, -B7 und -B8 die Schaltung, die das erwartete Signal liefert.
  • Gib die englischen Bezeichnungen der drei Bauarten an.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Lichtschranke · Reflexionslichtschranke · Lichttaster · Hellschaltung · Dunkelschaltung

Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.

3.3Prüfe, ob die induktiven Sensoren am Hubtisch die Schaltfahne sicher erkennen
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Aufgabe 3.3

Prüfe, ob die induktiven Sensoren am Hubtisch die Schaltfahne sicher erkennen:

  • Erkläre das Wirkprinzip eines induktiven Sensors.
  • Unterscheide Bemessungsschaltabstand, realen Schaltabstand und gesicherten Schaltabstand.
  • Berechne den gesicherten Schaltabstand von -B4 für die Schaltfahne aus Baustahl.
  • Prüfe, ob die Schaltfahne im Abstand von 4 mm sicher erkannt wird.
  • Berechne den gesicherten Schaltabstand für eine Schaltfahne aus Edelstahl.
  • Beurteile die Reserve bei Baustahl und bei Edelstahl.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Näherungsschalter, induktiv · Schaltabstand · Reduktionsfaktor · bündiger Einbau

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3.4Werte das englische Datenblatt des induktiven Sensors für -B3 und -B4 aus
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Aufgabe 3.4

Technical data · Inductive proximity sensor M18 (Auszug aus dem Datenblatt für -B3 und -B4, englisch)

Parameter Value
Product Inductive proximity sensor M18 × 1, flush mounting (vendor-neutral training example)
Rated operating distance Sn 8 mm
Assured operating distance Sa 0 mm to 6.48 mm (0.81 × Sn)
Correction factors mild steel 1.0 · stainless steel 0.7 · brass 0.5 · aluminium 0.4 · copper 0.3
Standard target mild steel, 1 mm thick, 24 mm × 24 mm
Hysteresis 1 % to 15 % of the real operating distance
Operating voltage 10 V DC to 30 V DC, reverse polarity protected
Output function PNP, NO (normally open)
Output current max. 200 mA, short-circuit proof
Voltage drop ≤ 2 V at 200 mA
No-load supply current ≤ 10 mA
Switching frequency max. 500 Hz
Connection M12 connector, 4-pin: pin 1 BN (+), pin 3 BU (−), pin 4 BK (output)
Switching state indicator LED yellow
Degree of protection IP67
Ambient temperature −25 °C to +70 °C
Housing material brass, nickel-plated
Standard IEC 60947-5-2

Werte das englische Datenblatt des induktiven Sensors für -B3 und -B4 aus:

  • Übersetze die Begriffe in der Tabelle in deutsche Fachbegriffe.
  • Trage die Werte aus dem Datenblatt ein.
  • Prüfe, ob der Sensor an einen Eingang der -KF1 passt.
  • Berechne die Spannung, die bei geschaltetem Sensor am Eingang der -KF1 ankommt.
  • Erkläre die Angaben PNP, NO und IP67.
  • Ordne die Pins des Steckers den Aderfarben zu.
englischer Begriff im Datenblatt deutscher Fachbegriff Wert für -B3 und -B4 passt zur -KF1? weshalb?
rated operating distance
assured operating distance
correction factor
operating voltage
output function PNP, NO
voltage drop
output current
switching frequency
degree of protection IP67
flush mounting

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Datenblatt · Näherungsschalter · Schutzart IP · Spannungsfall · Steckverbinder M12

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3.5Prüfe die Signale von Stapler 4 auf Drahtbruchsicherheit
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Aufgabe 3.5

Prüfe die Signale von Stapler 4 auf Drahtbruchsicherheit:

  • Erkläre, weshalb ein Drahtbruch an einem Eingang immer als 0 ankommt.
  • Gib für -S1, -S2, -S3, -B8, -B9 und -F1 an, was die Steuerung bei einem Drahtbruch sieht.
  • Beurteile für jedes dieser Signale, ob die Anlage dann in einen sicheren Zustand geht.
  • Begründe, weshalb Stopp als Öffner und -B8 im Ruhestrom angeschlossen werden.
  • Unterscheide plusschaltende und minusschaltende Sensoren.
  • Begründe, weshalb an der -KF1 PNP-Sensoren angeschlossen werden.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Drahtbruchsicherheit · Ruhestromprinzip · Öffner · PNP-Ausgang · NPN-Ausgang

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3.6Beurteile die Aktoren von Stapler 4
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Aufgabe 3.6

Beurteile die Aktoren von Stapler 4:

  • Berechne den Strom der Schützspule und der Ventilspule.
  • Erkläre, was „monostabil“ bei einem Wegeventil bedeutet.
  • Begründe, weshalb -Y1 ein 5/2-Wegeventil und -Y2 ein 3/2-Wegeventil ist.
  • Beschreibe, in welchem Zustand Klinken, Stopper und Hubtisch stehen bleiben, wenn die Steuerspannung ausfällt.
  • Beurteile, ob dieser Zustand sicher ist.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Schütz · Wegeventil · monostabil · Pneumatikzylinder · Federdruckbremse

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3.7Berechne, wie weit sich Wanne und Hubtisch bewegen, bevor die SPS reagiert
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Aufgabe 3.7

Berechne, wie weit sich Wanne und Hubtisch bewegen, bevor die SPS reagiert:

  • Berechne den Weg der Wanne auf dem Zuführband während eines SPS-Zyklus von 10 ms.
  • Berechne die ungünstigste Reaktionszeit der SPS.
  • Berechne den Weg der Wanne in dieser Zeit.
  • Berechne denselben Weg für den Hubtisch mit 0,20 m/s.
  • Begründe, weshalb der Stopper -Y2 die Wanne anhält und nicht die Software.
  • Vergleiche das Ergebnis mit deiner Schätzung aus dem Auftrag.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Reaktionszeit · Zykluszeit · Geschwindigkeit · gleichförmige Bewegung

Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.

3.8Stellt die Sensor-Aktor-Liste von Stapler 4 fertig
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Aufgabe 3.8

Stellt die Sensor-Aktor-Liste von Stapler 4 fertig:

  • Tragt für jeden Signalgeber Art, Wirkprinzip, Schaltfunktion, Signal und eine Begründung ein.
  • Tragt für jedes Stellglied Art, Wirkung und Zustand ohne Strom ein.
  • Begründet die Wahl des Sensors für „Hubtisch oben“ gegenüber dem alten Positionsschalter mit der Zahl der Schaltspiele.
  • Legt für -B5, -B6 und -B9 die Schaltfunktion fest und begründet sie.
  • Kennzeichnet in der Liste, welche Signale drahtbruchsicher sind und wie ihr die übrigen absichert.
  • Prüft, ob ein anderes Team die Liste ohne Rückfrage versteht.

Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Sensor · Aktor · Positionsschalter · Zylinderschalter · Druckschalter

Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.

Die Lage ändert sich

Beim Aufmaß am Hubtisch stellt sich heraus: Die Schaltfahne ist nicht aus Baustahl. Bei einer Reparatur vor ein paar Jahren wurde sie durch ein Winkelstück aus Aluminium ersetzt. Der Abstand zur aktiven Fläche bleibt 4 mm.

Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:

  • Prüfe an deiner Sensor-Aktor-Liste, ob -B3 und -B4 die Fahne jetzt noch sicher erkennen.
  • Entscheide, was du änderst: Fahne, Abstand oder Sensor.
  • Begründe deine Entscheidung gegenüber der Meisterin der Elektrowerkstatt mit einer Zahl.

Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.