Hier prüfst du, ob aus der Steuerkette ein Regelkreis werden muss. Nimm dir die Karte „Größen im Regelkreis“ und deine Parameterliste aus Lernangebot 6 dazu.
Schritt 3 von 5. Du findest die Größen am Band, zeichnest den Regelkreis, rechnest nach, wie weit eine Wanne vom vollen Band zurückfällt, deutest die Sprungantwort und entscheidest für jeden Antrieb.
Danach: Rechenwege und Lösungen Teil 4
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Ein Regelkreis braucht eine Messung. Ohne Rückführgröße weiß der Umrichter nicht, wie schnell das Band wirklich läuft.
Am Ende hast du: Wirkungsplan des Drehzahlregelkreises Steigband 4.3 und Entscheidung je Antrieb
Größen in Steuerkette und Regelkreis
Karte „Größen im Regelkreis“: Die ausführliche Fassung mit Wirkungsplan steht im Wissensspeicher, Lektion „Wissensspeicher und Expertenrunde“ unter „Bevor du loslegst“. Die Leiste hier ist derselbe Inhalt in kurz, mit denselben Zeichen und denselben Farben in allen Bildern dieses Teils, und sie stellt Steuerkette und Regelkreis nebeneinander.
Jetzt gilt die Spalte „Im Regelkreis“. Nur in Aufgabe 7.4 rechnest du noch mit fester Frequenz: Dort ist x die Ausgangsgröße einer Steuerkette. Halte die Leiste neben jede Aufgabe.
| Zeichen | Im Regelkreis | In der Steuerkette | Am Steigband 4.3 | In diesem Lernangebot |
|---|---|---|---|---|
| w | Führungsgröße | Eingangsgröße (Führungsgröße) | Solldrehzahl des Motors in 1/min, von der Anlagensteuerung -K1 an den Umrichter -T1 | Aufgabe 7.1, 7.3, 7.5 |
| x | Regelgröße | Ausgangsgröße | Drehzahl der Motorwelle in 1/min; die Bandgeschwindigkeit v folgt daraus über Getriebe und Trommel | Aufgabe 7.1, 7.3, 7.4, 7.6 |
| r | Rückführgröße | gibt es nicht | Signal des Drehgebers -B3, das x abbildet | Aufgabe 7.1, 7.3 |
| e | Regeldifferenz, e = w − r | gibt es nicht | was der Regler ausgleichen soll | Aufgabe 7.1, 7.3, 7.5 |
| yR | Reglerausgangsgröße | gibt es nicht | Stellsignal vom Drehzahlregler an den Leistungsteil des Umrichters -T1 | Aufgabe 7.3 |
| y | Stellgröße | Stellgröße | Frequenz und Spannung am Motor, Ausgang des Umrichters -T1 | Aufgabe 7.1, 7.3, 7.6 |
| z | Störgröße | Störgröße | Kofferlast, Steigung, Reibung | Aufgabe 7.1, 7.3, 7.4 |
Die Glieder der Steuerkette: Steuereinrichtung = gibt die Eingangsgröße als Befehl oder Sollwert weiter · Stellglied = greift mit y in die Steuerstrecke ein · Steuerstrecke = der Teil der Anlage, aus dem die Ausgangsgröße x kommt und auf den z wirkt. Der Wirkungsablauf ist offen, nichts läuft zurück.
Die Glieder im Regelkreis: Regelstrecke = der Teil der Anlage, in dem die Regelgröße x entsteht und auf den z wirkt · Messglied = erfasst x und liefert r · Regeleinrichtung = bildet e und daraus yR · Stellglied = greift mit y in die Regelstrecke ein. Der Wirkungsablauf ist geschlossen. Welches Bauteil am Band welches Glied ist, findest du in Aufgabe 7.2 heraus.
In Lernangebot 6 hast du eine Frequenz eingestellt, und der Umrichter gibt sie aus, ganz gleich, was am Band geschieht. Am Steigband ändert sich aber mit jedem Koffer die Last und mit der Last der Schlupf. Ein Regelkreis misst deshalb die Drehzahl, vergleicht sie mit dem Sollwert und verändert die Frequenz so lange, bis beide übereinstimmen. Wie ein Regler dafür eingestellt wird, lernst du in Lernfeld 11. Hier geht es darum, den Regelkreis zu verstehen, ihn am Band zu zeigen und sein Verhalten zu lesen.
Erst du, dann die anderen
Woher weiß der Umrichter, wie schnell das Band wirklich läuft? Den Wert gibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Drehgeber -B3 am Motor -M1. Misst die Drehzahl der Motorwelle genau und ohne Verzögerung. Kostet Geber, Leitung und einen Eingang am Umrichter, und eine Leitung mehr, die im Keller beschädigt werden kann.
- Schlupfausgleich aus dem Motorstrom. Der Umrichter schätzt aus dem Strom, wie stark der Motor belastet ist, und hebt die Frequenz um den erwarteten Schlupf an. Kein Geber, keine Leitung, aber nur so genau wie das Motormodell im Umrichter; Erwärmung und Alterung des Motors verschieben es.
- Lichtschranken am Band, wie -B1 und -B2. Jede meldet, wann die Wanne selbst eine Stelle passiert, also genau das, worauf es an der Zusammenführung ankommt. Aber nur dort, wo eine Lichtschranke sitzt, und dazwischen weiß niemand, was geschieht.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Gegebene Werte: Regelkreis und Last am Steigband 4.3 · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Regelkreis und Last am Steigband 4.3
- Sollwert der Anlagensteuerung -K1
- Motordrehzahl 1.440 1/min, das ergibt am Band rund 1,40 m/s
- Drehgeber -B3, falls geregelt wird
- Anbau an Motor -M1, 1.024 Impulse je Umdrehung, Signal an den freien Eingang des Umrichters -T1
- Synchrondrehzahl bei 50 Hz
- übernimm sie aus Aufgabe 6.2
- Schlupfmodell
- Schlupfdrehzahl bei Bemessungsmoment: übernimm sie aus Aufgabe 6.3; im Arbeitsbereich wächst sie proportional zur Auslastung
- Auslastung des Motors (Lastmoment bezogen auf MN)
- leer, nur Wannen: 17 % (Messwert aus dem Probebetrieb) · voll, sechs Wannen mit je 32 kg Koffer: 76 % (Ergebnis aus Teil 1) · dazwischen wächst die Auslastung gleichmäßig mit der Kofferlast
- Übertragung
- Getriebe i = 10,8 (Ergebnis aus Teil 1) · Antriebstrommel Durchmesser 200 mm
- Laufzeit einer Wanne über das Steigband
- 10 s
- Zusammenführung 4/5
- Toleranz ± 0,2 m · Band 4.3 und Band 5.3 bisher beide fest mit 50 Hz · den Takt der Zusammenführung hat die Inbetriebnahme mit leerem Band eingestellt
- Sprungantwort
- aus der Inbetriebnahme eines baugleichen, geregelten Antriebs, Bild bei Aufgabe 7.5 · der Führungssprung oben wurde am leeren Band mit ausgeschalteter Hochlauframpe aufgenommen, nur für diese Messung; im Betrieb gilt die Rampe aus Aufgabe 6.6
- P-Regler, vereinfachte Annahme
- Bei leerem Band liegt x auf w.
So stehen die Werte im Lastdatenblatt, im Angebot für den Drehgeber und im Protokoll der Inbetriebnahme. Alle Werte sind für den Unterricht konstruiert.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Wirkungsplan des Drehzahlregelkreises Steigband 4.3 und Entscheidung je Antrieb
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- dem Wirkungsplan des Regelkreises, wie er am Band mit einem Drehgeber aussähe, mit allen Größen w, x, r, e, yR, y, z und allen Gliedern, auch am Band eingetragen
- der Kennlinie Drehzahl über Last, gesteuert und geregelt, mit dem Versatz an der Zusammenführung 4/5
- der Deutung der Sprungantwort und eurer Entscheidung für Band 4.3: gesteuert oder geregelt, bei einer Regelung mit Messglied und Reglertyp
- der Begründung „Steuerung genügt“ oder „Regelung nötig“ für jeden Antrieb des Abschnitts
Zur Dokumentation
Jede Größe mit Zeichen, Name, Einheit und der Stelle am Band, an der sie vorkommt. Jede Entscheidung mit einer Zahl, die sie stützt: Drehzahlabfall, Versatz, Toleranz. Die Farben der Größen sind dieselben wie auf der Karte „Größen im Regelkreis“.
Zusammen mit der Parameterliste aus Lernangebot 6 ist das euer Regelkonzept. Abgenommen wird es im Kreuzreview durch ein anderes Team (Meilenstein M3), danach von der Projektleitung abgezeichnet.
Aufgabe 7.1
Stell dir vor, Band 4.3 wird mit Drehgeber -B3 geregelt. Dann lässt sich im Betrieb beobachten:
- A · Die Anlagensteuerung -K1 schickt dem Umrichter -T1 „1.440 1/min“.
- B · Ein Koffer mit 32 kg fällt in eine Wanne.
- C · Der Umrichter -T1 gibt 48,9 Hz und 391 V an den Motor.
- D · Aus dem Drehgeber -B3 kommen Impulse im Takt der Motorwelle.
- E · Die Motorwelle dreht sich mit 1.436 1/min.
- F · Im Umrichter wird aus Sollwert und Gebersignal der Unterschied gebildet.
- G · Die Lager einer Umlenkrolle laufen schwer.
Ordne die Beobachtungen am Steigband 4.3 den Größen des Regelkreises zu:
- Ordne jeder Beobachtung A bis G ein Zeichen zu.
- Berechne die Frequenz des Gebersignals, wenn der Motor genau mit dem Sollwert läuft.
- Berechne die Regeldifferenz e, wenn der Drehgeber 1.436 1/min meldet.
- Erkläre, weshalb der Regler e aus w und r bildet und nicht aus w und x.
| Beobachtung | Zeichen | Begründung |
|---|---|---|
| A | ||
| B | ||
| C | ||
| D | ||
| E | ||
| F | ||
| G |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Regelkreis · Führungsgröße · Regelgröße · Störgröße · Drehgeber
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
Aufgabe 7.2
Unterscheide Steuerkette und Regelkreis am Steigband 4.3:
- Vergleiche den Wirkungsplan deiner Drehzahlsteuerung aus Lernangebot 6 mit einem Regelkreis.
- Nenne das Glied, das im Regelkreis dazukommt.
- Ordne Regelstrecke, Messglied, Regeleinrichtung und Stellglied den Bauteilen am Band zu.
- Begründe, weshalb am Tor 4 aus Lernfeld 3 eine Steuerung genügt hat.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Steuerkette · Regelkreis · Messglied · Stellglied
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 7.3
Zeichne den Wirkungsplan des Drehzahlregelkreises von Band 4.3, wie er mit Drehgeber -B3 aussähe:
- Zeichne die Glieder als Blöcke und verbinde sie mit Wirkungslinien.
- Zeichne die Vergleichsstelle mit ihren Vorzeichen.
- Trage w, x, r, e, yR, y und z an die passenden Wirkungslinien.
- Trage dieselben Größen in die Seitenansicht des Bands ein.
- Färbe jede Größe wie auf der Karte „Größen im Regelkreis“.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Wirkungsplan · Vergleichsstelle · Regelkreis
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 7.4
Berechne, was die Last bei fester Frequenz von 50 Hz mit Band 4.3 macht:
- Berechne die Motordrehzahl bei leerem und bei vollem Band.
- Berechne die Bandgeschwindigkeit in beiden Fällen.
- Zeichne die Kennlinie Drehzahl über Last für die Steuerung in das Diagramm.
- Berechne den Versatz, den eine Wanne vom vollen Band gegenüber einer Wanne vom leeren Band nach der Laufzeit über das Steigband hat.
- Vergleiche den Versatz mit der Toleranz an der Zusammenführung 4/5.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Schlupf · Umfangsgeschwindigkeit · Übersetzung
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
Aufgabe 7.5
Deute die Sprungantwort des Drehzahlregelkreises:
- Lies im oberen Bild ab, um wie viel x über w hinausschießt.
- Berechne das Überschwingen in Prozent von w.
- Bestimme die Ausregelzeit.
- Lies im unteren Bild die bleibende Regelabweichung mit P-Regler und mit PI-Regler ab.
- Erkläre, was der I-Anteil des Reglers an der bleibenden Regelabweichung ändert.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Sprungantwort · Überschwingweite · Ausregelzeit · bleibende Regelabweichung · PI-Regler
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 7.6
Vergleiche Steuerung, P-Regler und PI-Regler an der Zusammenführung 4/5:
- Ergänze die Kennlinie um die Linien für den P-Regler und den PI-Regler.
- Berechne den Versatz an der Zusammenführung mit P-Regler aus der bleibenden Regelabweichung, die du abgelesen hast.
- Vergleiche die Versätze von Steuerung, P-Regler und PI-Regler mit der Toleranz.
- Berechne die Frequenz, die der Umrichter mit PI-Regler bei leerem und bei vollem Band ausgibt.
- Entscheide, welcher Reglertyp für Band 4.3 in Frage kommt, falls ihr regelt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Kennlinie · P-Regler · PI-Regler
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 7.7
Entscheide für jeden Antrieb des Abschnitts, ob Steuerung genügt oder Regelung nötig ist:
- Beschreibe für jeden Antrieb, was an seiner Drehzahl oder Stellung hängt.
- Prüfe, ob sich die Last des Antriebs im Betrieb ändert.
- Entscheide „Steuerung genügt“ oder „Regelung nötig“.
- Begründe jede Entscheidung in einem Satz.
| Antrieb | Was hängt an Drehzahl oder Stellung? | Ändert sich die Last? | Entscheidung | Begründung |
|---|---|---|---|---|
| 4.0 Sammelband | ||||
| 4.1 und 4.2 Zuführbänder | ||||
| 4.3 Steigband | ||||
| 4.4 Kurvenband | ||||
| 4.5 Beschleunigerband | ||||
| 4.6 Rutschenband | ||||
| 4.7 Ausschleuser |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Steuerung · Regelung · Drehzahlregelung
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Ausblick: Lernfeld 11
Wie schnell ein Regler eingreift, wie weit er überschwingen darf und wie man P- und I-Anteil dafür einstellt, ist Reglereinstellung. Das gehört in Lernfeld 11. Hier genügt es, dass du die Sprungantwort lesen und sagen kannst, ob sie zu deinem Band passt.
Die Lage ändert sich
Angenommen, Band 4.3 wird mit Drehgeber -B3 geregelt. In der Spitzenstunde reißt die Leitung zu -B3 ab, der Umrichter -T1 bekommt keine Impulse mehr.
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Beschreibe, was mit r, e und y geschieht.
- Beschreibe, was mit x und mit der Wanne an der Zusammenführung geschieht.
- Prüfe, welcher Parameter deiner Liste das begrenzt und welcher noch fehlt.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.