Industriële automatiseringstechnieken - inkijkexemplaar - 9789006148596

De herziening van het boek betreft enerzijds een actualisering van de inhoud en anderzijds een logischer opbouw van de onderwerpen.

De automatiseringstechnieken worden in de volgende vormen aan de orde gesteld: • Fundamentele automatiseringstechniek, waaronder pneumatiek, hydrauliek en elektrische aandrijftechniek, hoofdschakelelementen, signalen, signaalgevers en sensoren, timers, counters, geheugens, opbouw van besturingsformules, besturingsalgebra, combinatorische en volgordebesturingen, pneumatische, elektrische en logische schema’s, etc.

• Toegepaste automatiseringstechniek: – PLC- en PC-technieken: hardware, directe programmering en programmeringen vlgs. IEC 61131-3, Instruction List, ladderdiagrammen, Function Block Diagram, SFC’s, programmeeromgeving CodeSys; – identificatiesystemen (mechanisch, optisch, vision, radiofrequentie); – transport- en handlingsystemen; – netwerken (met PC, PLC’s, sensoren, actuatoren en bustechnologie); – robotica: hardware, configuratie, programmering en bedrijf; – flexibele productie automatiseringstechniek (FPA).

De diverse onderwerpen in het boek worden ondersteund door een groot aantal voorbeelden, cases, vraagstukken en opdrachten.

Industriële automatiseringstechnieken

Deze herziene uitgave behandelt de industriële automatiseringstechnieken voor de technische studierichtingen, met name gericht op HBO-engineeringopleidingen Werktuigbouwkunde en Elektrotechniek en daaraan gerelateerde opleidingen, zoals Autotechniek, Luchtvaarttechniek, Scheepvaarttechniek en Industriële Automatiseringstechnieken.

Industriële automatiseringstechnieken 3e druk

Dit boek is een onmisbaar hulpmiddel voor iedere student die zich technische automatiseringstechnieken op een praktische manier eigen wil maken.

A. Drost

A. Drost

C.J. van Beekum

C.J. van Beekum

9 789006 148596

Industriele-automatiseringstechnieken_9789006148596_omslag_0822.indd All Pages

06/09/2022 08:09

9006148596-IA-inner.indb 451

27/03/2023 14:55

Industriële automatiserings­ technieken A. Drost C.J. van Beekum

9006148596-IA-inner.indb 1

27/03/2023 14:55

Colofon Vormgeving en opmaak

ANPfoto / Roger Dohmen

Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt slimme flexibele leeroplossin­ gen met een persoonlijke aanpak. Voor elk niveau en elke manier van leren. Want niemand is hetzelfde.

We combineren onze kennis van content, leerontwerp en technologie, met onze energie voor vernieuwing. Om met en voor onderwijsprofessionals grenzen te verleggen. Zo zijn we samen de motor voor verandering in het primair, voortgezet en beroepsonderwijs.

Redactie

Samen leren vernieuwen.

PPMP Prepress, Wolvega

Vormgeving omslag OudZuid Ontwerp ­mediavormgevers

Omslagfoto

Singeling Tekstproducties

Technisch tekenwerk Tiekstra, Groningen

www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 061 4859 6 Derde druk, tweede oplage, 2023 © ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2022 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door foto­ kopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder vooraf­ gaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toege­ staan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde ­vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en ­Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het over­ nemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere ­compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer infor­ matie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieën in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl.

De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd.

Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk.

Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

9006148596-IA-inner.indb 2

27/03/2023 14:55

Woord vooraf Deze derde herziene uitgave van Industriële automatiseringstechnieken is bedoeld voor techni­ sche studierichtingen, met name voor de hbo-engineeringopleidingen werktuigbouwkunde en elektrotechniek en voor daaraan gerelateerde opleidingen zoals autotechniek, luchtvaart­ techniek, scheepvaarttechniek en industriële automatiseringstechniek.

De opzet van het boek maakt het zowel geschikt voor contactonderwijs als voor zelfstudie door: • een logische opbouw van de hoofdstukken; • items in de hoofdstukken die zelfstandig gelezen kunnen worden; • veel voorbeelden, cases en projecten; • aansluiting bij nieuwe ontwikkelingen door samenwerking met leidende bedrijven in de ontwikkeling van de industriële automatiseringstechnieken, zoals Festo, Siemens en ABB. In dit boek worden de volgende besturings- en automatiseringstechnieken behandeld: • fundamentele besturingstechnieken (besturingsalgebra, -diagrammen, -tabellen, logische schema’s); toegepaste besturingstechnieken: • ­– basistechnieken (begrippen, werkingen en toepassingen): ­ • signalen en commando’s (digitaal en analoog, mono- en bistabiliteit); • componenten (signaalgevers, sensoren, hoofdschakelelementen, actuatoren, timers, counters, geheugens, relais); • combinatorische besturingen, volgordebesturingen, ST- en WST-diagrammen; • pneumatische besturingstechnieken (componenten, systemen, pneumatische schema’s); • elektrische besturingstechnieken (componenten, systemen, stroomkringschema’s); • softwarematige besturingstechnieken (PLC-hard- en software; IEC 61131-3 met de talen LD/LAD, SFC, IL/STL, FBD en ST/SCL; programmeeromgevingen CodeSys en S7), gerelateerd aan de Siemens Simatic en de Mitsubishi Melsec PLC-series; ­– industriële automatiseringstechnieken (begrippen, werkingen en toepassingen): • productieautomatisering (FPA, CIM, FMS, FME, FFC, FAC); • productidentificatie (mechanisch, optisch, vision, radiofrequentie); • transport en handling (AGV, transport- en transferbanen, trilvoeders, pick and place-units); • robotica (robottypen, ontwerp, programmering, veiligheid); • datacommunicatie (PC- en PLC-netwerken, bustechnologie, SCADA).

De bij de eerdere drukken behorende ondersteunende website met extra verdiepings-, verbredings- en verduidelijkingscontent voor docenten en studenten is bij deze druk niet meer aanwezig. Voor die ondersteuning verwijzen de auteurs studenten en docenten nu graag naar de vele artikelen over en handleidingen voor de in het boek genoemde items die op internet verschenen zijn, met name op de eigen sites van de genoemde fabrikanten en ook naar de door hen op YouTube geplaatste video’s.

De uitwerkingen van de opdrachten in dit boek zijn bij de uitgever beschikbaar voor docenten.

9006148596-IA-inner.indb 3

27/03/2023 14:55

Als auteurs willen wij dank zeggen aan: • de uitgever voor de prettige samenwerking bij de totstandkoming van deze derde druk; • de heer Sa voor zijn inbreng als redacteur en auteur bij de eerdere drukken van deze ­uitgave, die ook in deze derde druk nog duidelijk zichtbaar is; de • heren J. Bronkhorst en E. Meijer van de firma ABB voor de hulp bij het samenstellen van het hoofdstuk over robotica en de uitwerking van enkele voorbeelden; de • heer L. van Velzen van de firma Siemens voor zijn inbreng in het PLC-programmeren; • de heren J. Mars en S.C. Broos van de firma Festo voor de hulp bij het optimaliseren van dit boek; de • firma’s Festo, ABB, Siemens, en Qua-vac voor het beschikbaar stellen van beeldmateriaal voor deze uitgave.

Tot slot willen wij u uitnodigen uw opbouwende kritiek op deze uitgave aan ons kenbaar te maken via het contactformulier op: www.thiememeulenhoff.nl/contact. juni 2022 A. Drost C.J. van Beekum

9006148596-IA-inner.indb 4

27/03/2023 14:55

INHOUD V

Inhoud Woord vooraf III 1 Industriële automatiseringstechniek 7 1.1 Inleiding 7 1.2 Digitale en analoge automatisering 10 1.3 Uitvoerorganen 11 1.4 Hoofdschakelelementen 23 1.5 Mediumconditionering 29 1.6 Opgaven 30 2 Signalen, signaalgevers en sensoren 31 2.1 Inleiding 31 2.2 Signalen 32 2.3 Signaalgevers en sensoren 33 2.4 Opgaven 50 3 Basisbesturingsfuncties 51 3.1 Inleiding 51 3.2 Logische basisfuncties 52 3.3 Combinatorische besturingen 56 3.4 Opgaven 62 4 Besturingsalgebra 65 4.1 Inleiding 65 4.2 Talstelsels 65 4.3 Opgaven 68 4.4 Waarheidstabellen 69 4.5 Opgaven 72 4.6 Besturingsalgebra (axioma’s, wetten en regels) 73 4.7 Opgaven 78 4.8 Gray-codes 79 4.9 Karnaugh-diagram 82 4.10 Opgaven 93 5 Volgordebesturingen 95 5.1 Inleiding 95 5.2 Besturingsvoorwaarden 95 5.3 Bewegingsdiagram, signalen, commando’s en formules 96 5.4 Primaire signalen 99 5.5 Schematekenregels 102 5.6 Opgaven 110 6 Programmable Logic Controllers (PLC’s) 113 6.1 Inleiding 113 6.2 De opbouw van een PLC 114

9006148596-IA-inner.indb 5

6.3 In- en outputmodule 116 6.4 Signalen en adressen 118 6.5 Werking van de PLC 119 6.6 Het programmeren van een PLC 120 6.7 Het intoetsen en controleren van een programma 128 6.8 Opgaven 129 7 Geheugens (opbouw en werking) 131 7.1 Inleiding 131 7.2 Opbouw van een geheugen 132 7.3 Elektrische geheugenschakelingen 133 7.4 Pneumatische geheugenschakelingen 135 7.5 Logische geheugens 135 7.6 Geheugens in ladderdiagrammen 136 7.7 Geheugens in een PLC-programma 137 7.8 Geheugens en de Morganregel 138 7.9 Samenvatting 141 7.10 Opgaven 141 8 Tijd- en tellerschakelingen (timers en counters) 143 8.1 Inleiding 143 8.2 Timerdiagrammen 144 8.3 Hardware-timers 145 8.4 Timers in PLC’s 148 8.5 Voorbeelden 153 8.6 Opgaven 157 8.7 Counters (tellers) 159 8.8 Counters in PLC-programma’s 163 8.9 Opgaven 167 9 Besturingen met tijd- en tellerschakelingen 169 9.1 Inleiding 169 9.2 Combinatorische besturingen met tijd 170 9.3 Volgordebesturingen met tijd 175 9.4 Opgaven 178 9.5 Besturingen met counters 180 9.6 Opgaven 185 10 Besturingen met geheugens 187 10.1 Inleiding 187 10.2 Combinatorische besturingen met geheugens 188 10.3 Volgordebesturingen met geheugens 191 10.4 Noodstop 196 10.5 Opgaven 200

27/03/2023 14:55

VI

11 Besturingen met stopcycli 205 11.1 Inleiding 205 11.2 Ongelijkmaakgeheugen 205 11.3 Besturingsformules: regels 208 11.4 Opgaven 210 11.5 Gecontroleerde stopprocedure 211 11.6 Opgaven 214 12 Sequential Function Chart (SFC) 217 12.1 Inleiding 217 12.2 Basisinstructies 218 12.3 Opbouw van een SFC 219 12.4 Voorwaardelijke herhaling 222 12.5 Voorwaardelijke sprong 226 12.6 Opgaven 229 12.7 Manipulaties met SFC’s 231 12.8 Tellers in een SFC 240 12.9 Controle van een SFC 244 12.10 Opgaven 245 13 Cases 249 13.1 Inleiding 249 13.2 Case 1: Manipulator 249 13.3 Case 2: Vloeistofdoseerinstallatie 252 13.4 Case 3: Reinigingsinstallatie 254 13.5 Case 4: Losinstallatie 256 13.6 Case 5: Beladingseenheid 258 13.7 Opgaven 261 14 De standaard IEC 61131-3 267 14.1 Inleiding 267 14.2 Kenmerken van de softwarestandaard IEC 61131-3 268 14.3 De in IEC 61131-3 genormaliseerde programmeertalen 268 14.4 Goed ontwerpen en bouwen van een besturing 271 14.5 Modellen en bouwstenen 272 14.6 CoDeSys 274 14.7 Project 1: Inpakinstallatie 276 14.8 Project 2: Buigapparaat 288 14.9 Technische specificatie in een SFC 293 14.10 Project 3: Besturing met voorwaardelijke herhaling in SFC 295 14.11 Step7 301 14.12 Opgaven 302

15.4 Radiofrequentie-identificatie 330 15.5 Opgaven 333 16 Transport- en handlingsystemen 335 16.1 Inleiding 335 16.2 Transportsystemen 336 16.3 Opgaven 349 16.4 Handlingsystemen 351 16.5 Opgaven 363 17 Bustechnologie 365 17.1 Inleiding 365 17.2 Datacommunicatie 367 17.3 I/O-multiplexing 368 17.4 Remote I/O 370 17.5 Busprotocollen 375 17.6 SCADA-systeem 377 17.7 Netwerktopologie 379 17.8 Opgaven 381 18 Industriële robots 383 18.1 Inleiding 383 18.2 De industriële robot 384 18.3 Robottypen en robotmodelleringen 386 18.4 Robottoepassingen 389 18.5 Architectuur van een robot 393 18.6 Aandrijving van de robotassen 398 18.7 Robotprogrammering 401 18.8 Veiligheid bij het toepassen van robots 421 18.9 Opgaven 428 19 Flexibele Productie Automatisering (FPA) 431 19.1 Inleiding 431 19.2 Apparatuur 434 19.3 Organisatie 435 19.4 Informatie 438 19.5 Systemen 439 19.6 Opgaven 445 Register 447 Illustratieverantwoording 452

15 Objectidentificatie 307 15.1 Inleiding 307 15.2 Mechanische identificatie 309 15.3 Optische identificatie 311

9006148596-IA-inner.indb 6

27/03/2023 14:55

Industriële automatiseringstechniek

1

1.1 Inleiding De ontwikkeling van productietechnieken verliep gedurende tienduizenden jaren zeer langzaam.

De eerste hulpmiddelen, meestal gebruiksvoorwerpen, waren afhankelijk van menselijke spierkracht.

Productiemiddelen bleven beperkt tot handgereedschappen (figuur 1.1a).

Door domesticatie kwam daarnaast zo’n 6000 jaar geleden dierlijke spierkracht beschikbaar, waarmee de ontwikkeling van eenvoudige werktuigen zoals wateropvoersystemen en maalinrichtingen begon.

a Handmatige productie

b Gemechaniseerde productie

c Gemechaniseerde productie met besturing Figuur 1.1 Blokschema’s: van ambachtelijke tot gemechaniseerde productie

9006148596-IA-inner.indb 7

27/03/2023 14:55

8

Door de kracht- en continuïteitsbeperkingen van spierkracht werd in Azië (vanaf 3000 jaar geleden) en Europa (vanaf 1000 jaar geleden) gezocht naar praktische toepassingen van wind- en waterenergie. Daarmee ontstonden de eerste vormen van gemechaniseerde ­aandrijftechnieken (figuur 1.1b).

Mechanisering is het toepassen van technische hulpmiddelen voor aandrijving ter vervanging van spierkracht.

Wind- en waterenergie hebben echter ook beperkingen. Denk aan de locatiegebondenheid en perioden van windstilte en droogte. Er werd dan ook gezocht naar andere energievormen voor aandrijvingen.

Hoewel met de principes van stoomturbines, zoals met de bol van Heron van Alexandrië, zo’n 2000 jaar geleden, en het rad van Branca, zo’n 500 jaar geleden, al geëxperimenteerd werd, bleken de hindernissen voor praktische toepassingen daarvan te groot. Omstreeks 1710 werd met de door Thomas Newcomen uitgevonden atmosferische stoommachine de eerste commercieel haalbare stoomaandrijving gerealiseerd, maar de toepassing hiervan bleef vrijwel beperkt tot de aandrijving van stationaire grondwaterpompen in mijnen (figuur 1.2a).

a Ontwerp: Thomas Newcomen

b Ontwerp: James Watt

Figuur 1.2 Vroege stoommachine-uitvoeringen

Deze situatie veranderde rond 1780 aanmerkelijk door een aantal technische verbeteringen van de stoommachine. Zo verhoogde James Watt het rendement van de machine van Newcomen van 1% tot circa 20% door stoomdrukverhoging en de introductie van de condensor en paste hij daarnaast ook de door Leonardo da Vinci uitgevonden regulateur toe.

James Pickard voerde het kruk-/drijfstangmechanisme in, er kwamen mobiele uitvoeringen voor tractietoepassingen, centrale aandrijvingen voor fabrieken maakten de investering van een stoommachine rendabel, enzovoort. Tevens zorgde een aantal snelle ontwikkelingen van diverse soorten productiemachines voor een grotere vraag naar (continu)aandrijfvermogen dan conventioneel beschikbaar was.

In plaats van door spier-, wind- en waterkracht werden machines vanaf toen grootschalig mechanisch aangedreven door stoommachines. Het resultaat hiervan wordt ook wel de eerste industriële revolutie genoemd, die gekenmerkt wordt door de trefwoorden ijzer, steenkool, stoomtechnologie en textielproductie.

9006148596-IA-inner.indb 8

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 9

Productieprocessen werden verder gemechaniseerd, er kwamen betere en veelzijdiger materialen beschikbaar, er werden nieuwe typen aandrijvende machines, zoals stoomturbines, elektromotoren en verbrandingsmotoren, ontwikkeld, en massaproductiemethoden werden ingevoerd. In combinatie met de grotere vraag naar producten leidde dit tot de zogenoemde tweede industriële revolutie (1850-1914), die gekenmerkt wordt door de trefwoorden staal, elektriciteit, transport en chemicaliën.

Bij deze lagere vormen van mechanisering is de mens nog steeds aanwezig om het produceren in goede banen te leiden door de machines en werktuigen gecontroleerd te bedienen.

Een hogere vorm van mechanisering ontstaat als routinehandelingen en geheugengebruik van de mens overgenomen worden door technische hulpmiddelen, zodat het produceren (al dan niet volledig) zelfwerkend verloopt. Die technische hulpmiddelen, besturingen genoemd, bestaan uit een of meer logische systemen (figuur 1.1c).

Er is sprake van automatisering als de mechanisering verder wordt uitgebreid, en wel zodanig dat drijvende en gedreven machines naast zelfwerkend ook zelfcontrolerend zijn.

Automatisering is een ver doorgevoerde mechanisering, waarbij het controleren en corrigeren (al dan niet gedeeltelijk) van de mens wordt overgenomen.

In figuur 1.3a is een blokschema weergegeven van de werking van een geautomatiseerde machine. Figuur 1.3b is een voorbeeld van een dergelijke machine, in dit geval een computergestuurde draaibank, ook wel CNC-machine genoemd (CNC = Computer Numerical Control).

a Blokschema

b CNC-machine

Figuur 1.3 Automatisering

De invloed van de mens is alleen nog merkbaar aan de handelingen die hij voor en na de productie moet verrichten, al kan een aantal van deze handelingen ook nog geautomatiseerd worden. Denk aan het schrijven, testen en invoeren van programma’s, de plaatsing van de voor de productie vereiste gereedschappen in een gereedschapwisselsysteem, de materiaalaanvoer, de afvoer van producten en productieafval en de controle van de producten. Na de vervaardiging van het ingestelde aantal producten stopt de machine, kan onderhoud gepleegd worden en kan het programma gewijzigd worden voor de aanmaak van een ander product.

Aanvankelijk werd de automatiseringstechniek beheerst door analoge systemen en componenten (sensoren, regelaars, enzovoort), met daarnaast eenvoudige digitale systemen (bijvoorbeeld aan-/uitschakelingen). De afgelopen decennia hebben de digitale systemen echter

9006148596-IA-inner.indb 9

27/03/2023 14:55

10

een stormachtige ontwikkeling doorgemaakt en hebben de analoge systemen zich alleen nog op enige specifieke gebieden kunnen handhaven.

De digitale elektronica overheerst inmiddels de gehele maatschappij dusdanig dat gesproken wordt van de derde industriële revolutie. Trefwoorden zijn computertechnologie, informatica en communicatie.

Computersystemen geven de mogelijkheid om een automatisering flexibel uit te breiden, om te stellen, van intelligentie te voorzien, te versnellen en te laten communiceren met een procesoperator.

Een voorbeeld hiervan is het bijeenbrengen van een aantal productie-eenheden rondom een transportsysteem, waarbij de producten gemaakt worden naar de behoefte van de gebruikers (figuur 1.4a).

a Uitvoering

b Opzet van een FPA-systeem

Figuur 1.4 Flexibele Productie Automatisering

Een aldus opgezette productie wordt aangeduid met de benaming Flexibele Productie ­Automatisering (FPA). In figuur 1.4b wordt het principe van FPA schematisch weergegeven.

Deze vorm van automatiseren vindt plaats in de verspanende, de niet-verspanende en de assemblerende productie. Met dit soort automatisering kunnen producten van een bepaalde productfamilie zonder omstellen van machines of productiecellen gemaakt worden, naar behoefte van het bedrijf en/of de gebruikers.

Later in dit boek wordt hierop uitgebreid ingegaan.

1.2 Digitale en analoge automatisering Commando’s die door een besturingseenheid worden gegeven of signalen die worden ­ontvangen, kunnen worden verdeeld in twee soorten: • digitale technieken; • analoge technieken.

Onder digitale techniek wordt een systeem verstaan waarbij een commando of signaal twee afwisselende waarden bezit, namelijk ‘1’ of ‘0’, ook wel ‘hoog’ of ‘laag’, dan wel ‘waar’ of ‘niet waar’ genoemd.

9006148596-IA-inner.indb 10

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 11

Als voorbeeld wordt een gewoon drukknop-­bediend contact als signaalgever voor een alarmlamp genomen. In figuur 1.5 is horizontaal een tijdlijn uitgezet en verticaal een elektrische stroom. In punt 1 is het contact open en loopt er dus geen stroom door het systeem. In punt 2 is het contact gesloten en er loopt nu wel een stroom. Het contact blijft gesloten tot punt 3, waar het weer opent en de stroom wegvalt.

NB: In dit voorbeeld is het contact volgens de gangbare norm IEC 60617 getekend, waarin voorgeschreven is dat een elektrisch contact altijd in zijn eigen ruststand getekend wordt; opgenomen in een elektrisch schema geeft een streeplijn tussen de contactaansluitingen aan dat het contact in de getekende bedrijfssituatie wel bediend is.

Figuur 1.5 Digitale schakelaar

Digitale technieken worden vaak toegepast in: • elektrische besturingen; • programmeerbare en niet-programmeerbare elektronische besturingen; • pneumatische besturingen.

In tegenstelling tot de digitale technieken worden bij analoge technieken alle waarden tussen hoog en laag gebruikt. Analoge technieken zijn in veel toepassingen overvleugeld door digitale technieken en worden nog maar slechts beperkt in besturingen toegepast.

1.3 Uitvoerorganen De aan een machine toegevoerde energie wordt door een aandrijving omgezet in bewegingen (snelheden en posities), krachten of combinaties daarvan. Deze energieomzetter wordt actuator of uitvoerorgaan genoemd. Voorbeelden van actuators zijn motoren, cilinders, magneten en dergelijke.

Een uitvoerorgaan is een deel van een aandrijving dat van een besturing een commando ontvangt en dat vervolgens uitvoert.

Actuators kunnen worden bestuurd door de mens of door een besturingseenheid. De door besturingseenheden afgegeven commando’s hebben meestal een te laag energieniveau om daarop direct een actuator te laten werken. In die gevallen wordt tussen de besturingseenheid en de actuator een energieversterker geplaatst; bij aan-/uitschakelingen wordt een dergelijk element een relais of hoofdschakelelement genoemd.

9006148596-IA-inner.indb 11

27/03/2023 14:55

12

Figuur 1.6 toont de in geautomatiseerde systemen meest toegepaste aandrijftechnieken met een aantal bijbehorende uitvoerorganen.

Figuur 1.6 Schema van aandrijftechnieken

1.3.1 Hydraulische uitvoerorganen Bij de hydraulische uitvoerorganen wordt de energie toegevoerd in de vorm van stroming en druk in een vloeistof (olie). Hydraulische motoren, meestal hydromotoren genoemd, kunnen die energie omzetten in mechanische roterende energie (figuur 1.7).

a Toepassing: aandrijving van een lier

b Uitvoering

Figuur 1.7 Hydromotor

In figuur 1.8 zijn van een aantal hydromotoren de symbolen weergegeven. Door de hoge drukken in hydromotoren (100 ∙ 105 – 800 ∙ 105 Pa) kunnen zeer grote krachten en momenten gerealiseerd worden. Door vergroting van de vloeistofstromen kunnen daarbij ook hogere toerentallen en vermogens gerealiseerd worden. hydromotor met één draairichting en constant slagvolume

hydromotor met twee draairichtingen en regelbaar slagvolume

hydromotor met één draairichting en regelbaar slagvolume (dus constant slagvolume)

zwenkmotor

hydromotor met twee draairichtingen en constant slagvolume Figuur 1.8 Symbolen van hydromotoren

Een rechtlijnige beweging kan gemaakt worden met hydraulische (= druk- en oliebestendige) cilinders.

Figuur 1.9a toont een uitvoering van een hydraulische cilinder. Figuur 1.9b toont de symbolen van een aantal typen hydraulische cilinders en de werkingen ervan.

9006148596-IA-inner.indb 12

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 13

a Uitvoering Enkelwerkende cilinder Deze krijgt aan één zijde olie toegevoerd, waardoor de zuigerstang wordt weggeduwd.

De terugslag gebeurt door een ingebouwde veer of een uitwendige kracht.

Dubbelwerkende cilinder Olie kan worden toegevoerd aan zowel deksel- als stangzijde, waarbij oliedruk achter de zuiger (links) de heenslag geeft en oliedruk vóór de zuiger de terugslag.

Differentiaalcilinder Ook deze cilinder heeft twee aansluitingen, maar een dikkere zuigerstang. Hij wordt daar toegepast waar een snelle uitgaande beweging met kleine kracht moet overgaan in een langzame beweging met grote kracht. In de getekende stand wordt de uit de stangzijde weggeperste olie aan de dekselzijde toegevoegd, wat een hogere snelheid tot gevolg heeft.

Om de hoge snelheid te veranderen in een grote kracht moet de driewegkraan 90° rechtsom gedraaid worden, zodat de olie uit het stanggedeelte naar de tank wordt ­afgevoerd. Dit is dan ook de uitgangsstand voor de terugloop van de cilinder. b Symbolen van verschillende types Figuur 1.9 Hydraulische cilinders

1.3.2 Pneumatische uitvoerorganen Pneumatische uitvoerorganen worden veel toegepast om translerende en roterende bewegingen tot stand te brengen. Met pneumatiek kunnen hoge snelheden bereikt worden, echter voor grote krachten en vermogens is pneumatiek minder geschikt en kan beter hydrauliek worden toegepast.

De energie wordt aan een pneumatisch uitvoerorgaan toegevoerd in de vorm van onder druk staande lucht. Voor ronddraaiende bewegingen kan worden gekozen voor luchtmotoren (figuur 1.10).

a Toepassingen

b Symbool

Figuur 1.10 Luchtmotoren

Een bijzondere vorm van pneumatiek is de vacuümtechniek, waarbij gebruikgemaakt wordt van onderdruk in plaats van overdruk. Een bekende toepassing daarvan is het gebruik van zuignappen om onderdelen of producten op te pakken (figuur 1.11). Om afdichtings- en uitgasproblemen en dichtsnoeren van leidingen te voorkomen, zijn de daar toegepaste componenten speciaal voor vacuümtechniek ontwikkeld. De besturingen komen echter overeen met die van de pneumatische overdruktechnieken.

9006148596-IA-inner.indb 13

27/03/2023 14:55

14

Figuur 1.11 Vacuümtechniek voor het opnemen van producten

Voor het uitvoeren van een rechtlijnige beweging kan bij de pneumatiek gekozen worden uit een aantal typen luchtcilinders. De volgende twee veelgebruikte typen worden behandeld: • enkelwerkende luchtcilinders; • dubbelwerkende luchtcilinders.

Enkelwerkende luchtcilinders Deze worden gebruikt wanneer alleen een kracht tijdens de uitgaande slag wordt gevraagd.

Figuur 1.12a toont de uitvoering van een enkelwerkende luchtcilinder met zuigerterugloop door een inwendige veer. Figuur 1.12b toont de symbolen van enige typen enkelwerkende cilinders.

a Uitvoering

Zuigerterugloop met uitwendige kracht

Zuigerterugloop met inwendige veer

b Symbolen van twee typen Figuur 1.12 Enkelwerkende cilinder zonder buffer

In de symbolen is met een driehoekje aangegeven waar een ontluchting aanwezig is om tijdens de slag een drukopbouw (in de getekende situatie aan de stangzijde) te voorkomen.

Dubbelwerkende luchtcilinders Bij dubbelwerkende cilinders wordt lucht toegevoerd aan de dekselzijde voor de uitgaande slag en aan de stangzijde voor de ingaande slag. In figuur 1.13 zijn de symbolen van een viertal cilinders weergegeven.

9006148596-IA-inner.indb 14

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 15

a Dubbelwerkende cilinder met zuigerstang

b Dubbelwerkende cilinder met doorlopende

aan één zijde

zuigerstang

c Dubbelwerkende cilinder met vaste buffers

d Dubbelwerkende cilinder met instelbare buffers

aan twee zijden

aan twee zijden

Figuur 1.13 Symbolen van dubbelwerkende cilinders

Buffering van cilinders Zonder verdere maatregelen slaat een zuiger bij grote uit- en inloopsnelheden met grote kracht tegen het bodemdeksel of tegen het lagerdeksel, wat zowel voor de cilinder, de zuiger als voor het door de zuiger aangedreven object een ongewenste situatie kan zijn. Een eenvoudige verbetering is het aanbrengen van zuigeraanslagen met rubberringen (figuur 1.12a).

Een betere oplossing is het verlagen van de zuigersnelheden als deze zijn dode punten nadert, het zogenoemde bufferen. Er zijn drie soorten buffering beschikbaar: • vaste buffering; • instelbare buffering; • zelfinstellende buffering.

Figuur 1.14 toont de doorsnede van een dubbelwerkende cilinder met aan twee zijden instelbare buffers.

Figuur 1.14 Dubbelwerkende cilinder met instelbare buffering

Aan beide zijden van de zuiger zijn speciale bufferzuigers aangebracht die aan het einde van een zuigerslag de normale luchtuitstroomopening afsluiten. De dan nog in de cilinder aanwezige lucht wordt samengeperst, waardoor de zuiger afremt. Deze lucht verlaat via een bypasskanaal met een instelbare smoring alsnog de cilinder, waardoor het laatste gedeelte van de slag gecontroleerd verloopt.

Het nadeel van deze buffering is dat hij moeilijk instelbaar is wanneer een cilinder op een ingesloten plaats in een installatie is ingebouwd.

Bij een vaste buffering bevinden zich vaste smoringen in de bypasskanalen in plaats van instelbare spindels.

9006148596-IA-inner.indb 15

27/03/2023 14:55

16

Een modernere bufferingmethode geeft een cilinder met zelfinstellende buffering. Hierbij zijn in de bufferzuigers aan beide zijden taps verlopende langsgroeven aangebracht (figuur 1.15a).

2

2 1

1

0%

kruipen

1 demping

zuigersnelheid

1

2 zuigerslag

2 100%

uitlooptijd

a Uitvoering

b Werking

Figuur 1.15 Dubbelwerkende cilinder met zelfinstellende buffering

Bij het uit- of inlopen van de zuiger sluit de bufferzuiger de uitstroomopening niet geheel af, maar kan de lucht via deze gleuven nog gesmoord weglekken. Daardoor wordt de zuiger over het buffertraject afgeremd (figuur 1.15b). Omdat de gleuven tapsvormig zijn, neemt de smoring naar het einde van de slag steeds toe, zodat de zuiger vlak voor of tegen het deksel tot stilstand komt.

Snelheidsregeling van pneumatische cilinders Om de snelheid te kunnen regelen waarmee een pneumatische cilinder uit- en inloopt, worden in de aangesloten luchtleidingen snelheidsregelventielen (doorstroomregelventielen) aangebracht. Deze bestaan uit een regelbaar smoorventiel met een parallel geschakelde keerklep (figuur 1.16). Ze worden zo gemonteerd dat de lucht ongesmoord de cilinder kan instromen en vervolgens alleen via de smoring de cilinder kan verlaten (figuur 1.16c). Zo stroomt er altijd lucht onder de volle druk naar de cilinder en wordt het zogenoemde ‘slipstick-effect’ voorkomen. Dit effect ontstaat als de lucht via een restrictie wordt toegevoerd. De zuiger gaat pas bewegen als de luchtdrukopbouw de stilstaande zuigerwrijving overwint. Omdat de lopende zuigerwrijving lager is dan de stilstaande en lucht als een veer werkt, schiet de zuiger een stukje door en stokt vervolgens, omdat door de smoring de luchttoevoer de zuiger niet snel genoeg kan volgen, waarna de drukopbouw in de cilinder weer toeneemt en de zuiger weer een stukje doorschiet. Enzovoort.

a Luchtstroom in smoorrichting

b Luchtstroom in doorlaatrichting

c Aansluiting regelventielen

Figuur 1.16 Snelheidsregelventiel

9006148596-IA-inner.indb 16

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 17

1.3.3 Elektrische uitvoerorganen Figuur 1.6 geeft de volgende uitvoerorganen voor de elektrische aandrijftechniek aan: • elektromotoren; • magneten; • verwarmingselementen (deze worden hier verder buiten beschouwing gelaten).

De meest toegepaste elektromotoren in de automatisering zijn: • draaistroommotoren; • gelijkstroommotoren; • servomotoren; • stappenmotoren.

Draaistroommotoren Bij draaistroommotoren worden twee typen onderkend, namelijk de synchrone en de asynchrone draaistroommotor. De synchrone draaistroommotor wordt alleen in speciale gevallen en bij grotere vermogens gebruikt. De asynchrone draaistroommotor wordt van alle soorten en typen elektromotoren het meest gebruikt en heeft de grootste vermogensrange. Hij bestaat in principe uit een vaste stator, die een aantal draaistroomwikkelingen met een vast aantal poolparen bevat en een rotor die gescheiden door een luchtspleet binnen de stator is gelagerd.

Deze rotor, in de praktijk vaak nog anker genoemd, kan in twee vormen voorkomen, namelijk als: • kortsluitankermotor (KA-motor); • sleepringankermotor (SA-motor).

Deze twee motortypen zijn in principe gelijk van uitvoering, alleen de ankers verschillen. De asynchrone kortsluitankermotor wordt in de praktijk het meest toegepast, omdat dit type de eenvoudigste constructie heeft en weinig onderhoud vraagt. Denk bijvoorbeeld aan bewerkingsmachines, pompen en compressoren. In deze subparagraaf wordt alleen de asynchrone draaistroommotor met kortsluitanker (KA-motor) behandeld.

Magnetisch draaiveld In figuur 1.17 is een configuratie van een draaistroommotor weergegeven. Hierbij zijn de spoelen in ‘ster’-schakeling aangesloten op het draaistroomnet.

Figuur 1.17 Aansluiting draaistroommotor

In bedrijf staat een wisselspanning over de spoelen. De stromen door de spoelen kunnen op dezelfde manier worden getekend als de spanningen over de spoelen. In figuur 1.18 is dit op een veelgebruikte manier weergegeven.

9006148596-IA-inner.indb 17

27/03/2023 14:55

18

Il

1

Il

Il

2

3

L1

I

Il

1

Il

3

Il

2

N

t L3

L2

a Drie gelijke stromen

b Schematische weergave

Figuur 1.18 Stromen door de spoelen van een draaistroommotor

Aangezien de spoelen identiek zijn, zijn ook de stromen door de spoelen gelijk. In figuur 1.18b zijn de stromen weergegeven die in het net lopen. Volgens de eerste wet van Kirchhoff is de stroom door de nul (IN) gelijk aan:     IN = I1 + I2 + I3 Als de stromen vectorieel worden opgeteld, is duidelijk dat de som van de stromen in alle gevallen nul is. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de nulleider geen functie heeft. Voor een draaistroommotor zijn daarom vaak maar drie aansluitingen nodig (indien de motor ‘in driehoek’ geschakeld is, is een nulaansluiting zelfs niet mogelijk). Om veiligheidsredenen moet bij een draaistroommotor wel altijd een aardaansluiting aanwezig zijn.

De stromen wekken wisselende magnetische velden in de spoelen op. De schematische weergave in figuur 1.19a toont de situatie waarin door spoel 1 de maximale stroom wordt gevoerd en dus in de spoel een maximaal magnetisch veld ontstaat. Dit geeft aan de binnenzijde een noordpool N en aan de buitenzijde een zuidpool S. In de spoelen 2 en 3 lopen de stromen in omgekeerde richting, waardoor deze aan de binnenzijde een zuidpool geven. De draaistroom door de spoelen levert dus binnen de spoelen een magnetisch veld op met de noordpool bij spoel 1 en de zuidpool tussen de spoelen 2 en 3. Dit wordt een poolpaar genoemd. Omdat er één poolpaar per spoelgroep is, wordt de motor ook wel tweepolige draaistroommotor genoemd.

L1

S

U1

N

U1 1

1 U2

U2

N L3

W2

W2 W1

S

N V2 L2

draaiend magnetisch veld

S

W1

S 2

motor

V1

a Stromen door de spoelen

N

S

N V2

N 2

S

motor

V1

b Magnetisch draaiveld

Figuur 1.19 Werking van de draaistroommotor

9006148596-IA-inner.indb 18

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 19

Wanneer de spanning en de stroom door spoel 1 dalen, nemen deze af tot nul, waarna de richting omkeert. Doordat de spanning en de stroomsterkte in spoel 2 hoger worden, verschuift de noordpool in de richting van spoel 2. Er ontstaat binnen de spoelen dus een magnetisch veld dat continu ronddraait. Dit wordt een magnetisch draaiveld genoemd (figuur 1.19b).

KA-motor Bij asynchrone KA-draaistroommotoren is als rotor een zogenoemde kooi geplaatst (figuur 1.20). Het draaiende statorveld wekt in de stilstaande rotorstaven inductiespanningen op. Omdat de staven aan de uiteinden zijn kortgesloten, ontstaan inductiestromen in de staven. Het draaiveld oefent daardoor Lorentzkrachten uit op de stroomvoerende rotorstaven (figuur 1.21).

N

rotorstroom F rotorveld

stator F S

Figuur 1.20 Draaistroommotor met kooirotor

rotor

Figuur 1.21 Lorentzkrachten F

Deze krachten leveren een koppel aan de rotor waardoor deze gaat draaien. Om de magnetische weerstand te verlagen, worden de staven in een blikpakket gepakt, wat de motor veel efficiënter maakt.

Omdat er alleen inductiespanning in een staaf opgewekt kan worden als de staaf zich in een veranderend magnetisch veld bevindt, wordt de draaisnelheid van de rotor nooit gelijk aan de draaisnelheid van dat veld. De rotor heeft dus een slip ten opzichte van het statordraaiveld, vandaar de benaming ‘asynchroon’. De grootte van de slip (= enkele procenten), is afhankelijk van de belasting van de motor.

NB: Het toerental van een ‘synchrone’ draaistroommotor is wel recht evenredig met de netfrequentie.

De rotoren van KA-motoren zijn in de praktijk eenvoudig te fabriceren. Ze hebben geen sleepringen, koolborstels of spoelen, zoals andere typen motoren bevatten. Het onderhoud van een KA-motor is dus minimaal. Alleen de lagering vergt soms enig onderhoud.

Omkeren van de draairichting van de motor Bij het elektrisch aansluiten van een asynchrone draaistroommotor kan deze na ingebruikstelling de verkeerde kant op draaien. Dit is te verhelpen door twee van de drie aansluitingen op het draaistroomnet te verwisselen (figuur 1.22).

9006148596-IA-inner.indb 19

27/03/2023 14:55

20

L1

U1

L3

kooi

U2

W2

L3

S

W1

N L1

W2

L2

draaiend magnetisch veld S

W1

S

S

motor

V2

kooi

U2

draaiend magnetisch veld

N

U1

V2

V1

L2

a Motor draait rechtsom

motor

V1

b Motor draait linksom

Figuur 1.22 Verandering van de draairichting

In figuur 1.22a is de normale aansluitsituatie van de motor weergegeven; de draairichting van het draaiveld, en dus ook van de motor, is rechtsom. In figuur 1.22b zijn de lijnaansluitingen L1 en L3 verwisseld. Hierdoor is de richting van het draaiveld, en daarmee dus ook de draairichting van de motor, veranderd in linksom.

Gelijkstroommotoren Gelijkstroommotoren worden toegepast waar (delen van) werktuigen met regelbare snelheid moeten worden verplaatst, zoals de sleden van bestuurde draaimachines, en ook bij hefwerktuigen, in voertuigen zoals treinen, trams en elektrische auto’s en in veel elektrische gereedschappen. Door de opkomst van de vermogenselektronica zijn snelheids- en positieregelingen tegenwoordig ook met draaistroommotoren relatief eenvoudig uitvoerbaar, met vaak lagere vermogensverliezen in de regelingen, waardoor de gelijkstroommotoren duidelijk terrein verloren hebben.

De werking van een gelijkstroommotor berust op het principe dat op een stroomvoerende draad in een magnetisch veld een kracht ontstaat, loodrecht op de stroomrichting.

Figuur 1.23 geeft dit principe weer.

Z F I

I B I I

I

I

N F

Figuur 1.23 Werkingsprincipe van een gelijkstroom-

Figuur 1.24 Inwendige van een gelijkstroommotor

motor

Wanneer door een koperdraad tussen de twee polen van een magneet een elektrische stroom loopt, treedt aan één zijde een opwaartse kracht en aan de andere zijde een neerwaartse kracht op. De zogenoemde commutator of collector zorgt ervoor dat de stroom tijdens het

9006148596-IA-inner.indb 20

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 21

draaien van de winding steeds van richting verandert, waardoor de krachten op de winding altijd in dezelfde richting werken.

Figuur 1.24 toont het inwendige van een gelijkstroommotor. Te zien is de rotor met de commutator met koolborstels, waarmee een groot aantal windingen van gelijkstroom kan worden voorzien. De verschillende onderdelen zijn: 1 het motorhuis; 2 de stator die een permanent magnetisch veld levert; 3 de ankerwikkelingen die een wisselend magnetisch veld leveren; 4 de collector/commutator die de stroom in de rotor positieafhankelijk continu van richting verandert; 5 de koolborstels die de stroom van het statische motorhuis naar de roterende commutator voeren.

Servomotoren Een servomotor (servus betekent ‘dienaar’) dient om na een commando een object over een bepaalde hoek te roteren of over een bepaalde afstand te verplaatsen en in die positie vast te houden tot een volgend commando. Ze worden daar toegepast waar een aandrijving nauwkeurig of hoogdynamisch moet zijn. Daartoe zijn ze meestal traagheidsarm uitgevoerd, dat wil zeggen dat zij snel reageren op een commando. In figuur 1.25 is te zien hoe de regeling van een servomotor verloopt.

Voorbeelden van toepassingen zijn: aandrijving van een regelklep, positionering van een support op een gereedschapswerktuig, robot- en handlingsystemen, cruise control in een voertuig.

Servobesturing Positie regelaar

Snelheidsregelaar

Servomotor

Versterker

M

Meeteenheidhoekverdraaier

Meetomvormer

Figuur 1.25 Regeling van een servomotor

Figuur 1.26 toont de verschillende systemen voor toe te passen servomotoren. Uit dit overzicht blijkt dat servomotoren eigenlijk gebaseerd zijn op de reeds behandelde principes van de wissel- en gelijkspanningsmotoren, die gemodificeerd worden om ze geschikt te maken voor hun servotaken.

Figuur 1.26 Onderverdeling van servomotoren

9006148596-IA-inner.indb 21

27/03/2023 14:55

22

Stappenmotoren De stappenmotor behoort tot de permanent bekrachtigde wisselstroommotoren en heeft de eigenschap dat de rotor in stappen naar een gewenste hoekpositie gestuurd kan worden.

Figuur 1.27 toont de opbouw en het werkingsprincipe. Een aantal elektromagnetische stators zijn opgesteld rondom een roterende magneet. Door de statorwikkelingen achtereenvolgens te bekrachtigen, ontstaat een magnetisch draaiveld, waardoor de rotor afhankelijk van het aantal bekrachtigingen naar een bepaalde positie draait. Stappenmotoren zijn alleen geschikt voor kleinere krachten, bijvoorbeeld voor de aandrijving van schroefspindels voor de nauwkeurige positionering van een werkstuk. Voor grotere krachten en snelheden ten behoeve van hoekpositioneringen zijn andere motortypen ontwikkeld, zoals de servomotoren.

a Schematische opbouw

b Principewerking

Figuur 1.27 Stappenmotor

Magneten Magnetisme wordt in de automatiseringstechniek onder andere vaak toegepast voor de aandrijving van regelkleppen, ventielen en schuiven, voor signaalgevers en in elektromechanische relais (figuur 1.41).

Ook de transporttechniek kent diverse toepassingen, zoals het hijsen en verplaatsen van magnetiseerbare metalen (figuur 1.28a) en het heffen en aandrijven van magnetische leveltreinen (figuur 1.28b).

a Magnetische lastaanpikking bij een hijskraan

b Maglev-trein

Figuur 1.28 Toepassingen van magnetisme

9006148596-IA-inner.indb 22

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 23

1.4 Hoofdschakelelementen Uitvoerorganen vergen over het algemeen meer energie dan een besturing of een mens kan leveren. In die gevallen wordt vóór het uitvoerorgaan een versterker toegepast.

Een eenvoudig voorbeeld is een door een mens of besturing bediende schakelaar voor een elektromotor.

In de besturingstechniek wordt een dergelijke versterker een hoofdschakelelement genoemd.

Een hoofdschakelelement is een onderdeel dat commando’s ontvangt van een besturing en het lage energieniveau daarvan omzet in een voor een uitvoerorgaan vereist hoger niveau.

Figuur 1.29 toont de positie van een hoofdschakelelement in een aandrijving.

uitvoerorgaan energiestroom (hoog niveau)

signalen

hoofdschakelelement

energie (hoog niveau)

commando’s (energie laag niveau) START besturing STOP

Figuur 1.29 Schema van een aandrijving met besturing

1.4.1 Hoofdschakelelementen in de hydrauliek Voor het bedienen van hydraulische uitvoerorganen, zoals hydromotoren en cilinders, wordt meestal gebruikgemaakt van (stuur)schuiven; waar in de pneumatiek de benaming ‘ventielen’ gehanteerd wordt, wordt in de hydrauliek liever gesproken van ‘schuiven’.

In figuur 1.30a is een hydraulische cilinder aangesloten op een stuurschuif als hoofdschakelelement.

stuurschuif

olietoevoer

olieafvoer

a Schema

b Uitvoering

Figuur 1.30 Stuurschuif

De werkoliepoort voor het uitlopen van de cilinder (de heenslag of +-slag) wordt aangegeven met A, en die voor de terugloop met B. Aan de onderzijde is de stuurschuif aangesloten op

9006148596-IA-inner.indb 23

27/03/2023 14:55

24

een hydraulisch aggregaat, waarbij P de persoliepoort aangeeft en R de retouroliepoort (of T van tank). Deze schuif heeft vier aansluitingen of poorten en kan drie standen innemen en wordt daarom dan ook 4/3-ventiel genoemd. Door de twee veren wordt de schuif automatisch in de middenstand gedrukt als de bedieningshandel wordt losgelaten.

In figuur 1.31 is dezelfde situatie te zien als in figuur 1.30, alleen zijn nu de stuurschuif en de cilinder met symbolen weergegeven.

Door de hefboom te bewegen kan de cilinder uit- of inlopen of in een bepaalde stand stilstaan. Het hoofdschakelelement kan dan als volgt worden omschreven: 4/3-schuif, hefboombediend met automatisch gesloten middenstand.

V

+0 –

V

+0 –

T

+0 –

T

P

P

T

P

Figuur 1.31 Symbolen van de 4/3-stuurschuif

1.4.2 Hoofdschakelelementen in de pneumatiek

Ventielen Op dezelfde manier als bij de hydrauliek worden bij de pneumatiek de uitvoerorganen van lucht voorzien. Er zijn echter twee verschillen: lucht is samendrukbaar en de luchtdruk (~6 ∙ 105 Pa) is veel lager dan de vloeistofdruk bij hydrauliek. Hierdoor is het niet zo bezwaarlijk als een pneumatische cilinder in de ruststand onder druk blijft staan. Er wordt daarom bij de pneumatische aandrijftechniek gebruikgemaakt van het 5/2-ventiel voor het toevoeren van lucht aan een dubbelwerkende cilinder.

5/2-ventiel Figuur 1.32 toont een tweezijdig bediend 5/2-ventiel, dus een ventiel met 5 aansluitingen en 2 standen.

Figuur 1.32a toont dit ventiel, aangesloten op een pneumatische dubbelwerkende cilinder.

Het ventiel wordt elektrisch bediend, dat wil zeggen dat een elektrische spanning op poort 14 het ventiel omschuift, zodat er werklucht van poort 1 via poort 4 naar de cilinder stroomt en

4

2

14

12 5

3 1

a Symbool

b Constructieve uitvoering

Figuur 1.32 Bistabiel 5/2-ventiel

9006148596-IA-inner.indb 24

27/03/2023 14:55

1 INDUSTRIËLE AUTOMATISERINGSTECHNIEK 25

deze laat uitlopen. Bij een elektrische spanning op stuurluchtpoort 12 schuift het ventiel weer naar de getekende stand terug, op voorwaarde dat de spanning op poort 14 dan niet meer aanwezig is.

Bij ventielen met twee stabiele standen wordt gesproken van bistabiele ventielen.

Figuur 1.32b toont de constructieve uitvoering van een dergelijk ventiel.

In figuur 1.33 is opnieuw een 5/2-ventiel weergegeven, alleen wordt hier het ventiel aan de linkerzijde bediend door een elektrische spanning (14) en aan de rechterzijde door een veer.

In deze constructie moet, om de cilinder uit te laten lopen en in die eindstand vast te houden, een constant commando op poort 14 worden gegeven. Dit wordt daarom een monostabiel 5/2-ventiel genoemd.

14

4

2

5

3 1

a Symbool

b Constructieve uitvoering

c Werkelijke uitvoering

Figuur 1.33 Monostabiel 5/2-ventiel

In figuur 1.33a is te zien dat een 5/2-ventiel twee ontluchtingspoorten (3 en 5) heeft. Door op iedere ontluchtingspoort een gewoon smoorventiel te plaatsen, kunnen de in- en uitgaande cilindersnelheden eenvoudig onafhankelijk van elkaar geregeld worden.

Figuur 1.33b toont dat bij een 5/2-ventiel een ronde schuif het enige bewegende deel is.

Daardoor is een 5/2-ventiel gemakkelijk te produceren en weinig storingsgevoelig.

In figuur 1.33c is een werkelijke uitvoering van het monostabiele 5/2-ventiel weergegeven.

4/2-ventiel In figuur 1.34 zijn de uitvoering en het symbool van een luchtbediend 4/2-ventiel weergegeven.

4

2

14

1

14

3 1 a Symbool

4

3

2

b Constructieve uitvoering

Figuur 1.34 4/2-ventiel

Dit ventiel vervult dezelfde functies als het 5/2-ventiel, maar heeft slechts één (gemeenschappelijke) ontluchtingspoort. Hierdoor kunnen de snelheden van de in- en uitgaande cilindersnelheden niet meer met eenvoudige smoorventielen op die poort onafhankelijk van elkaar geregeld worden, maar alleen nog met 2 snelheidsregelventielen tussen het 4/2-ventiel en de cilinder. Tevens bevat dit ventiel meer onderdelen (waaronder een hulpschuif om de enkele ontluchtingspoort voor beide cilinderzijden te kunnen gebruiken), waardoor de storingsgevoeligheid en de prijs kunnen toenemen.

9006148596-IA-inner.indb 25

27/03/2023 14:55

De herziening van het boek betreft enerzijds een actualisering van de inhoud en anderzijds een logischer opbouw van de onderwerpen.

De automatiseringstechnieken worden in de volgende vormen aan de orde gesteld: • Fundamentele automatiseringstechniek, waaronder pneumatiek, hydrauliek en elektrische aandrijftechniek, hoofdschakelelementen, signalen, signaalgevers en sensoren, timers, counters, geheugens, opbouw van besturingsformules, besturingsalgebra, combinatorische en volgordebesturingen, pneumatische, elektrische en logische schema’s, etc.

• Toegepaste automatiseringstechniek: – PLC- en PC-technieken: hardware, directe programmering en programmeringen vlgs. IEC 61131-3, Instruction List, ladderdiagrammen, Function Block Diagram, SFC’s, programmeeromgeving CodeSys; – identificatiesystemen (mechanisch, optisch, vision, radiofrequentie); – transport- en handlingsystemen; – netwerken (met PC, PLC’s, sensoren, actuatoren en bustechnologie); – robotica: hardware, configuratie, programmering en bedrijf; – flexibele productie automatiseringstechniek (FPA).

De diverse onderwerpen in het boek worden ondersteund door een groot aantal voorbeelden, cases, vraagstukken en opdrachten.

Industriële automatiseringstechnieken

Deze herziene uitgave behandelt de industriële automatiseringstechnieken voor de technische studierichtingen, met name gericht op HBO-engineeringopleidingen Werktuigbouwkunde en Elektrotechniek en daaraan gerelateerde opleidingen, zoals Autotechniek, Luchtvaarttechniek, Scheepvaarttechniek en Industriële Automatiseringstechnieken.

Industriële automatiseringstechnieken 3e druk

Dit boek is een onmisbaar hulpmiddel voor iedere student die zich technische automatiseringstechnieken op een praktische manier eigen wil maken.

A. Drost

A. Drost

C.J. van Beekum

C.J. van Beekum

9 789006 148596

Industriele-automatiseringstechnieken_9789006148596_omslag_0822.indd All Pages

06/09/2022 08:09