Grundlagen der Elektro

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1 - Grundlagen der Elektropneumatik
Grundlagen der Elektropneumatik
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Impressum
An dieser Qualifizierungseinheit haben mitgewirkt
Herausgeber:
IHK für Oberfranken
Bahnhofstr. 23-27
95444 Bayreuth
Inhaltliche Konzeption:
ets GmbH, Halblech
ihk.online&medien.gmbh, Bayreuth
Produktion/ Umsetzung:
ihk.online&medien.gmbh, Bayreuth
Redaktionelle Betreuung:
Andrea Nüssel, ihk.online&medien.gmbh
Claudia Hohdorf, ets Halblech
Rechte:
Copyright© ets GmbH, Halblech.
Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (durch Fotokopie, Mikrofilm
oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Auch die
Rechte der Wiedergabe durch Vortrag, Funk und Fernsehen sind vorbehalten.
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Die meisten in dieser Einheit erwähnten Soft- und Hardwarebezeichnungen sind auch eingetragene
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Inhaltliche Verantwortung:
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Impressum ........................................................................................................................................... 2
Firmenvorstellung ................................................................................................................................ 4
Leitfragen ............................................................................................................................................. 6
1.0 Kapitelübersicht ............................................................................................................................. 7
1.1 Funktionsablauf der Presse.................................................................................................. 8
1.2 Funktionsplan in Grobform ................................................................................................. 11
1.3 Funktionsplan in Feinform .................................................................................................. 12
2.0 Kapitelübersicht ........................................................................................................................... 13
2.1 Funktionsdiagramm ............................................................................................................ 14
2.2 Informationen zum Funktionsdiagramm ............................................................................. 15
2.3 Praktische Umsetzung eines Funktionsdiagramms ........................................................... 16
3.1 Bauteile............................................................................................................................... 18
3.2.0 3/2-Wegeventile............................................................................................................... 19
3.2.1 4/2-Wegeventile............................................................................................................... 20
3.3 Schließer, Öffner und Wechsler ......................................................................................... 21
3.4 Relais .................................................................................................................................. 23
3.5 Grenztaster ......................................................................................................................... 24
4.1 Darstellung.......................................................................................................................... 26
4.2 Pneumatischer Schaltplan.................................................................................................. 27
4.3 Elektrischer Schaltplan ....................................................................................................... 28
5.1 Grundschaltungen .............................................................................................................. 30
5.2 Direkte - Indirekte Steuerung.............................................................................................. 31
5.3 Elektrische Selbsthaltung ................................................................................................... 32
5.4 Verknüpfung von Signalen ................................................................................................. 33
Trainingsaufgabe 1 ............................................................................................................................ 36
Bearbeitung der Fallstudie ................................................................................................................. 42
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Firmenvorstellung
Einführung
Firmenchronik:
Die Firma Automatico ist eine traditionsreiche Firma mit langjähriger Erfahrung auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik.
Sie entstand aus einem Familienbetrieb, der sich mit Maschinen für die
Blechumformung befasste. Anfang 1995 wurde auf die stark wachsende
Automatisierungstechnik mit der Suche nach Vertriebspartnern reagiert.
Heute beschäftigt die Firma Automatico 60 Mitarbeiter, die für viele metallverarbeitende Branchen Automatisierungsmöglichkeiten konstruieren und
umsetzen.
Produktgeschichte:
Von einem reinen Maschinenbauunternehmen entwickelte sich die Automatico in den 90er Jahren zu
einer mittelständischen Automatisierungsfirma, was auch zur Umbenennung in den jetzigen Namen
führte. Nicht zuletzt bescherte der Wunsch nach mehr Automatisierung der Firma eine große Anzahl
neuer Kunden. Schon bei der ersten Herstellung von Blechbearbeitungsmaschinen lag der Firmenschwerpunkt auf der Automatisierung von Fertigungsabläufen der Blechbearbeitung.
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Fallstudie
Eine bestehende rein pneumatische Pressensteuerung soll durch eine elektropneumatische
Steuerung ersetzt werden.
Franz Huber: Erinnern Sie sich noch an die Presse mit der pneumatischen Steuerung? In den
nächsten Tagen werden wir uns vornehmen, diese durch eine elektropneumatische
Steuerung zu ersetzen.
Bernd Wolf:
(etwas ungläubig) Wenn es weiter nichts ist ...
Franz Huber: Moment ... vorab möchte ich, dass Sie sich einen genauen Funktionsplan
überlegen. Dazu Funktionsdiagramme erstellen und die Stückzahl der erforderlichen
Bauteile berücksichtigen. Bitte vergessen Sie den elektrischen Schaltplan nicht.
Bernd Wolf:
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... okay, alles klar.
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Leitfragen
Einführung
Im Laufe der weiteren Bearbeitung sollten Sie mehrmals auf Ihre Notizen zurückgreifen und die Antworten ergänzen. Bitte verwenden Sie daher einfach ein Blatt Papier für Ihre Antworten. Wenn Sie das
vorbereitete Antwortdokument nutzen, speichern Sie es an einem Ort ab, zu dem Sie jederzeit Zugang haben. Das Antwortdokument finden Sie in den Anlagen am Ende des Skripts.
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1.0 Kapitelübersicht
1 Erstellen eines Funktionsplans
Kapitelbezogene Eingangsfragen:
Wie funktioniert eine pneumatische Presse?
Was sind Funktionspläne?
Themen:
1.1 Funktionsablauf der Presse
1.2 Funktionsplan in Grobform
1.3 Funktionsplan in Feinform
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1.1 Funktionsablauf der Presse
Für die Lösung von steuerungstechnischen Aufgabenstellungen werden Funktionspläne erstellt.
Die Aufgabe eines Funktionsplans ist es, den Ablauf des mechatronischen Systems darzustellen. Ein
mechatronisches System kann dabei eine Handhabungseinrichtung, eine Bohrvorrichtung oder eine
Spannvorrichtung sein. Die Steuerung kann dabei pneumatisch, elektrisch, elektropneumatisch oder
durch eine andere Steuerungsart ausgeführt sein.
Das Ziel eines Funktionsplans ist es, die einzelnen Ablaufschritte einer Steuerung in eine logische Reihenfolge zu stellen.
In der Norm DIN 40 719-6 werden die Symbole für die Beschreibung von Steuerungsabläufen beschrieben.
Für den Praktiker sind diese Symbole in jedem Tabellenbuch für Metalltechnik oder Mechatronik zu
finden.
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1.2 Funktionsplan in Grobform
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1.3 Funktionsplan in Feinform
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2 Erstellen eines Funktionsdiagramms
Wie kann man die Arbeitsschritte einer Presse noch darstellen?
Was sind Funktionsdiagramme?
Themen:
2.1 Funktionsdiagramm
2.2 Informationen zum Funktionsdiagramm
2.3 Praktische Umsetzung eines Funktionsdiagramms
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2.1 Funktionsdiagramm
Ein Funktionsdiagramm beschreibt den Steuerungsablauf von Stellgliedern und Arbeitsgliedern in
graphischer Form. Da die einzelnen Bewegungen der Arbeitsschritte dargestellt werden, wird es auch
als Weg – Schritt – Diagramm bezeichnet.
Die Diagramme erleichtern die Planung, Erstellung und Wartung der Steuerung. Sie sind außerdem
ein wichtiges Hilfsmittel für die Fehlersuche. Das Funktionsdiagramm wird bei pneumatischen, elektrischen, elektropneumatischen und speicherprogrammierbaren Steuerungen eingesetzt.
Die im Funktionsdiagramm verwendeten Symbole wurden in der VDI–Richtlinie 3260 festgelegt und
sind in den Tabellenbüchern Metalltechnik oder Mechatronik dokumentiert.
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2.2 Informationen zum Funktionsdiagramm
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2.3 Praktische Umsetzung eines Funktionsdiagramms
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3 Bauteile in der Elektropneumatik
Welche Bauteile aus der Elektropneumatik kennen Sie?
Wie funktionieren Schließer, Öffner und Wechsler?
Themen:
3.1__Bauteile
3.2.0 3/2-Wegeventile
3.3__Schließer, Öffner und Wechsler
3.4__Relais
3.5__Grenztaster
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3.1 Bauteile
Bauteile der Pneumatik: Stromventile (z.B. Drosselventil)
Sperrventile
(z.B. Wechsel- und Zweidruckventil)
Wegeventile
(z.B. 3/2-, 4/2-, 5/2-Wegeventil)
Arbeitsglieder (z.B. Zylinder, Lineareinheiten)
Bauteile der Elektrik:
Taster
(z.B. Schließer, Öffner, Wechsler)
Relais
(z.B. für indirekte Steuerungen)
Sensoren
(z.B. mechanische Grenztaster)
Spulen
(z.B. für die Ansteuerung von Wegeventilen)
Die genannten Bauteile werden in elektropneumatischen Steuerungen eingesetzt, um mit Hilfe des
elektrischen Stroms pneumatische Schaltvorgänge auszulösen. Dabei wird der Strom als Steuerenergie und die Druckluft als Arbeitsenergie verwendet.
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Die Wegeventile der Elektropneumatik unterscheiden sich lediglich durch die elektromagnetische Betätigung von denen der Pneumatik. Die folgenden beiden Abbildungen stellen zwei Beispiele dar:
3/2-Wegeventil mit elektromagnetischer Betätigung und Federrückstellung
Bild links
Bild rechts
Wird die Magnetspule Y1 bestromt, schaltet das Wegeventil und Druckluft strömt vom Eingang 1 zum
Ausgang 2. Im unbetätigten Zustand d.h. die Magnetspule Y1 wird nicht bestromt, drückt die Federrückstellung das Wegeventil in die Sperrstellung (Anschluss 1 ist verschlossen).
Merke:
Wegeventile mit elektromagnetischer Betätigung und Federrückstellung besitzen im Spannungsfreien
Zustand eine definierte Ausgangslage und schalten nur solange die Spule Y mit Spannung versorgt
wird.
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4/2-Wegeventil mit beidseitiger elektromagnetischer Betätigung
Bild links
Bild rechts
Wegeventile mit beidseitiger elektromagnetischer Betätigung werden auch Impulsventile genannt.
Durch Anlegen eines kurzzeitigen Spannungsimpulses an der Spule Y1 wechselt das Wegeventil in
den Schaltzustand b. Wird die Spule Y2 mit Spannung versorgt, wird Schaltzustand a erreicht.
Merke:
Wegeventile mit beidseitiger elektromagnetischer Betätigung ändern ihren Schaltzustand durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung an einer Spule. Daher werden Sie auch als Impulsventile bezeichnet. Ein Nachteil von Impulsventilen ist die nichtbestimmte Schaltstellung bei spannungsfreier Steuerung. Daher ist oftmals eine Richten Funktion für eine definierte Ausgangslage notwendig. Bild rechts.
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3.3 Schließer, Öffner und Wechsler
Schalter als Schließer
Schließer sind Schalter oder Taster, die einen Stromkreis wie der Name bereits ausdrückt schließen.
Schalter werden von Hand betätigt und das Signal wird mit einer Raste
gespeichert. Um den Stromkreis zu unterbrechen, muss der Schalter
nochmals betätigt werden.
Die Anschlussbezeichnungen 3 und 4 auf dem Schaltergehäuse kennzeichnen einen Schließer.
Taster als Schließer
Taster geben kurzzeitige Signale die nicht gespeichert werden.
Wird ein gespeichertes Signal benötigt, so verwendet man eine
Selbsthalteschaltung.
Schalter als Öffner
Öffner sind Schalter oder Taster, die einen Stromkreis unterbrechen.
Öffner erhalten als Anschlussbezeichnung die Ziffern 1 und 2.
Der Schalter als Öffner wird hauptsächlich als NOT–AUS-Taster verwendet.
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Wechsler
Wechsler bestehen aus einem Schließer und einem Öffner.
Bei Betätigung eines Wechslers wird ein Stromkreis geschlossen (Anschluss 1 nach Anschluss 4) und gleichzeitig ein anderer geöffnet (Anschluss 1 nach Anschluss 2).
Die Anschlüsse eines Schließers werden mit den Ziffern 3 und 4 gekennzeichnet, während die Anschlüsse eines Schließers beim Wechsler mit den Ziffern 1 und 4 gekennzeichnet werden.
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3.4 Relais
Ein Relais schaltet Öffner, Schließer oder Wechsler durch die elektromagnetische Kraft einer Spule.
Am Anschluss A1 wird der Steuerstrom, am Anschluss A2 die Masse angeschlossen. Die Spule baut
ein Magnetfeld auf und zieht somit den Anker an. Dabei werden Schließer, Öffner und Wechsler
gleichzeitig geschalten. Relais werden in Schaltplänen mit dem Buchstaben K und einer Ziffer gekennzeichnet z.B. K1, K2, K3. In der Praxis werden Relais verwendet für:
Signalvervielfältigung
Eine Relaisspule schaltet mehrere Schließer, Öffner oder Wechsler.
Signalverstärkung
Die Relaisspule wird mit einer Steuerspannung von 24V betrieben, während die Schließer,
Öffner oder Wechsler 230V oder 400V schalten.
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3.5 Grenztaster
Um die Stellung eines Arbeitsgliedes z.B. Zylinder oder Lineareinheit einer Steuerung mitzuteilen verwendet man Grenztaster. Über diese Taster werden Endlagen von Arbeitselementen erfasst.
So wird beispielsweise die Information "Zylinder ausgefahren" oder "Zylinder eingefahren", über
Grenztaster, die als Schließer, Öffner oder Wechsler ausgeführt sein können, an die Steuerung weitergegeben.
Die hintere Endlage ("Zylinder eingefahren") wird im Beispiel durch den Schließer S1 abgefragt, während die vordere Endlage durch den Schließer S2 abgefragt wird.
Die beiden Taster S1 und S2 werden in der Praxis im Arbeitsbereich des Zylinders montiert, im
Schaltplan sind sie jedoch im elektrischen Steuerungsteil zu finden.
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4 Darstellung von elektropneumatischen Schaltungen
Was ist ein Schaltplan?
Wie kann man den Schaltplan darstellen?
Themen:
4.1 Darstellung
4.2 Pneumatischer Schaltplan
4.3 Elektrischer Schaltplan
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4.1 Darstellung
Mit elektropneumatischen Schaltungen werden Vorrichtungen und Maschinen elektrisch gesteuert und
pneumatisch angetrieben. Der Schaltplan besteht daher aus einem pneumatischen
und einem elektrischen Teil.
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4.2 Pneumatischer Schaltplan
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4.3 Elektrischer Schaltplan
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5 Elektropneumatische Grundschaltungen
Welche Grundschaltungen sind Ihnen bekannt?
Nennen Sie den Unterschied zwischen direkter und indirekter Steuerung!
Themen:
5.1 Grundschaltungen
5.2 Direkte - Indirekte Steuerung
5.3 Elektrische Selbsthaltung
5.4 Verknüpfung von Signalen
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5.1 Grundschaltungen
Für die Realisierung der unterschiedlichsten steuerungstechnischen Aufgaben benötigt man eine Reihe von elektropneumatischen Grundschaltungen.
Dazu zählen:
Direkte und indirekte Steuerung
Elektrische Selbsthalteschaltung
UND-Verknüpfung
ODER-Verknüpfung
NICHT-Verknüpfung
Durch Kombination der Grundschaltungen können die anspruchsvollsten Steuerungen realisiert werden. Lediglich der hohe Verdrahtungsaufwand und die damit verbundenen hohen Kosten, stellen für
die Elektropneumatik eine Grenze dar.
Ist eine steuerungstechnische Aufgabe sehr umfangreich, wird eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder ein Feldbussystem (z.B. AS-Interface) zum Einsatz kommen.
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5.2 Direkte - Indirekte Steuerung
Der Unterschied zwischen einer direkten und indirekten Steuerung liegt im elektrischen Schaltplan.
Bei einer direkten Steuerung wird der Strompfad des Ventils unmittelbar über einen Schließer gesteuert.
Bei der indirekten Steuerung sind die Bedientaster an Relais angeschlossen, die den Strompfad des
Magnetventils steuern. Der Vorteil einer indirekten Steuerung liegt darin, dass sie mit einer SPS betrieben werden kann.
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5.3 Elektrische Selbsthaltung
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UND
Das Relais K1 wird erst mit Strom versorgt, wenn S1 und S2 betätigt
werden.
Merke:
Eine UND–Verknüpfung entspricht einer elektrischen Reihenschaltung!
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ODER
Das Relais K2 wird mit Strom versorgt, wenn S1 oder S2 betätigt werden.
Merke:
Eine ODER–Verknüpfung entspricht einer elektrischen Parallelschaltung!
NICHT
Wird die Relaisspule K3 mit Strom versorgt, unterbricht der Öffner K3
den Stromkreis und das Magnetventil Y1 wird nicht mit Strom versorgt.
Merke:
Eine NICHT–Verknüpfung entspricht in einer elektrischen Schaltung
einem Öffner!
Öffner mit Raste werden in elektrischen Schaltungen als NOT–AUSSchalter verwendet.
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Trainingsaufgabe 1
Trainingsaufgaben
Bitte verwenden Sie die vorbereitete Antwortdatei für Ihren Lösungsvorschlag. Sie finden die Antwortdatei in den Anlagen am Ende des Skripts.
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Trainingsaufgabe 2
Trainingsaufgaben
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Trainingsaufgabe 3
Trainingsaufgaben
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Trainingsaufgabe 4
Trainingsaufgaben
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Trainingsaufgabe 5
Trainingsaufgaben
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Fallstudie
Eine bestehende rein pneumatische Pressensteuerung soll durch eine elektropneumatische
Steuerung ersetzt werden.
Franz Huber: Erinnern Sie sich noch an die Presse mit der pneumatischen Steuerung? In den
nächsten Tagen werden wir uns vornehmen, diese durch eine elektropneumatische
Steuerung zu ersetzen.
Bernd Wolf:
(etwas ungläubig) Wenn es weiter nichts ist ...
Franz Huber: Moment ... vorab möchte ich, dass Sie sich einen genauen Funktionsplan
überlegen. Dazu Funktionsdiagramme erstellen und die Stückzahl der erforderlichen
Bauteile berücksichtigen. Bitte vergessen Sie den elektrischen Schaltplan nicht.
Bernd Wolf:
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... okay, alles klar.
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Bearbeitung der Fallstudie
Abschluss Lerneinheit
Bitte bearbeiten Sie zur Fallstudie folgende Aufgabe:
Rüsten Sie die pneumatische Pressensteuerung in eine elektropneumatische Steuerung um.
Erstellen Sie dafür eine Dokumentation mit Funktionsplan, Funktionsdiagramm, Stückliste der erforderlichen Bauteile und den elektrischen Schaltplan!
Verwenden Sie die vorbereitete Antwortdatei für Ihren Lösungsvorschlag. Sie finden die Antwortdatei in dem Anlagen am Ende des Skripts.
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Anlagen
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LEITFRAGEN
Hinweis:
Anhand dieser Leitfragen werden Sie die Qualifizierungseinheit erarbeiten. Notieren Sie die Antworten
zu den Fragen, die Ihnen spontan einfallen.
Speichern Sie diese Datei anschließend in einem Ordner, auf den Sie stets zugreifen können und
ergänzen jeweils diese Fragen um das erlernte Wissen.
Am Ende der Qualifizierungseinheit sollten Sie die Antworten komplett überarbeitet haben.
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Ausbildung zum Mechatroniker
Trainingsaufgabe 1 zum Themenblock
Erstellen eines Funktionsplans
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Erstellen Sie einen Funktionsplan in Grobform für die Pressensteuerung!
Erstellen Sie den Funktionsplan in Feinform für die Pressensteuerung!
Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 1 im Kapitel Trainingsaufgabe.
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Erstellen eines Funktionsdiagramms
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Ausgangssituation:
Das Werkstück ist gespannt und der Pressenstempel fährt gerade in seine hintere Endlage
(Position 100mm).
Aufgabenstellung:
Ordnen Sie die Textbausteine entsprechend dem Funktionsdiagramm!
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Bauteile in der Elektropneumatik
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Ordnen Sie den Schaltzeichen die entsprechende Bezeichnung und Beschreibung zu!
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Darstellung von elektropneumatischen Schaltungen
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Stellen Sie den Funktionsablauf der Steuerung für das Ausfahren des Zylinders in die richtige Reihenfolge und bestimmen Sie in welchem Schaltplan die Aktion stattfindet.
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Elektropneumatische Grundschaltungen
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Ausgangssituation:
Ein einfachwirkender Zylinder soll ausfahren, wenn S1 und S2 kurzzeitig betätigt werden.
Wird S3 oder S4 betätigt soll der Zylinder wieder einfahren.
Aufgabenstellung:
Entwickeln Sie den elektrischen Schaltplan!
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Bearbeitung der Fallstudie
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Rüsten Sie die pneumatische Pressensteuerung in eine elektropneumatische Steuerung um.
Erstellen Sie dafür eine Dokumentation mit Funktionsplan, Funktionsdiagramm, Stückliste
der erforderlichen Bauteile und den elektrischen Schaltplan!
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Grundlagen der Elektro

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