Die Aufgabe der Schaltung ist dafür zu sorgen, dass der Wasserstand in einem Behälter stets auf gleichem
Niveau bleibt. Die Hauptkomponenten sind ein Sensor, mit dem der aktuelle Wasserstand abgefragt wird und eine Wasserpumpe,
die das Wasser in den Behälter, falls das Niveau zu stark absinkt, nachfordert. Diese zwei Komponenten reichen aus, um
einen einfachen Zweipunktregler zu bilden. Das Prinzip der Schaltung ist äußerst simpel. Wenn der Sensor erkennt, dass
das Wasserniveau zu niedrig ist, wird die Wasserpumpe eingeschaltet. Meldet der Sensor, dass das gewünschte Wasserniveau
erreicht wurde, wird die Pumpe abgeschaltet.
Eine solche Zweipunktregelung wird z.B. bei der Heizungssteuerung angewendet. Sobald der Raumthermostat erkennt, dass
die Temperatur zu niedrig ist, wird die Heizung eingeschaltet. Ansonsten bleibt sie aus.
Um das Wasserniveau zu erkennen, können verschiedene Sensoren benutzt werden. In der folgenden Schaltung übernimmt
diese Aufgabe eine Lichtschranke.
Bei dem Sensor handelt es sich um eine Infrarotlichtschranke, die mit einem Infrarot Sender und Empfänger
ausgestattet ist. Beide Komponenten sind in einem Gehäuse untergebracht. Die einwandfreie Funktionalität der Lichtschranke
(Reflexionslichtschranke) ist von den Reflexionseigenschaften des Objektes, auf das der Lichtstrahl fällt, abhängig.
Die Lichtschranke ist für 10-30VDC ausgelegt und hat vier Anschlüsse. Zwei Anschlüsse sind für die Versorgungsspannung
vorgesehen, zwei weitere sind Ausgänge, die kurzschlussfest, verpolgeschützt und überspannungsfest ausgeführt sind. Mit
einem Potenziometer auf dem Gehäuse kann die gewünschte Entfernung (Empfindlichkeitssteller) zu dem untersuchten Objekt
eingestellt werden.
Neben dem Potenziometer untergebrachter Schalter ist ein ein Hell- bzw. Dunkelschalter. Die Abmessungen der
Lichtschranke betragen ca. 52 x 42 x 15 mm. Sie hat eine Reichweite von 10 bis 650 mm und kann eine Last bis zu 100 mA
schalten. Das Gerät ist mit einer IO-Link-Schnittstelle für Service- und Prozessdaten ausgestattet.
Lichtschranke: Sender und Empfänger in einem Gehäuse
An dem Experiment nehmen zwei Wasserpumpen teil. Die erste Pumpe ist für den Zulauf zuständig. Sie fungiert in
dem einfachen Regelkreis als Stellglied. Die zweite Pumpe sorgt für Störungen. Sie ist für den Auslauf zuständig. Sie
verursacht Schwankungen des Wasserniveaus im Behälter, die von der ersten Pumpe ausgeregelt werden müssen. Damit die
erste Pumpe ihre Arbeit auch zufriedenstellend bewerkstelligen kann, muss sie in der Lage sein, mehr Wasser in den Behälter
zu fördern, als die zweite abpumpen kann. In dem Versuch erreichen wir das, indem der Wasserschlauch der zweiten Pumpe
ein wenig zusammen gedrückt wird.
Die Zulaufpumpe wird mithilfe eines Relais geschaltet. Bei der Auswahl des Relais sind drei Faktoren zu
beachten. Zunächst muss das Relais die richtige Spulenspannung haben. Der Sensor, den wir hier einsetzen, liefert an
seinem Ausgang eine Spannung von 24VDC. Folglich brauchen wir ein 24V-Relais. Des Weiteren muss sichergestellt werden,
dass das Relais den Ausgang des Sensors nicht zu stark belastet. Die Lichtschranke kann maximal mit 100mA belastet werden.
Die Spule des Relais benötigt ca. 70 mA. Damit können wir das Relais direkt an den Ausgang der Lichtschranke anschließen,
ohne Zusatzmaßnahmen ergreifen zu müssen.
Schließlich muss man untersuchen, mit welcher Leistung die Kontakte der Relais belastet werden können. In diesem Fall
gibt es keine Probleme. Die Pumpe benötigt gerade 200 mA, die Kontakte des Relais vertragen eine Belastung bis zu 8A. Auch
hier können wir bedenklos die Pumpe direkt mit dem Relais schalten.
Nachdem das System mit dem Schalter S0 eingeschaltet wurde, untersucht die Lichtschranke die aktuelle
Entfernung zu dem Wasserspiegel. Ist der Wasserspiegel zu stark gesunken, d.h. das aktuelle Niveau weicht von dem Zielniveau
ab, wird der Ausgang der Lichtschranke eingeschaltet und folglich zieht das Relais K1 an. Über seinen Schließer-Kontakt
K1(11-14) wird anschließend die Pumpe P1 eingeschaltet. Ihre Aufgabe ist es, in den Hauptbehälter solange das Wasser zu pumpen,
bis das Zielniveau wieder erreicht wurde. Sobald dies geschieht, wird der Ausgang der Lichtschranke wieder abgeschaltet
und folglich auch das Relais K1. Die Pumpe P1 geht aus. Das ist das Prinzip eines Zweipunktreglers. Er kennt nur zwei
Zustände des Stellgliedes: EIN oder AUS.
Sobald das gewünschte Niveau erreicht wurde, geht die LED 3 (grün) über den Öffner Kontakt K1(11-12) des Relais K1 an.
Das ist der angestrebte Zustand, das Ziel-Niveau wurde erreicht, der Regler ruht. Während die Pumpe P1 am Arbeiten ist,
leuchtet dagegen die LED 2 (blau). Das ist der Zustand, in dem der Regler versucht, die Niveau-Abweichungen auszuregeln.
Die LED 1 (rot) geht dann an, wenn die Pumpe P2 das System stört und Wasser abpumpt. Diese Pumpe kann man mit dem
Taster S1 (für kurze Störungsaktivitäten) oder mit dem Schalter S2 (für dauerhaftes Abpumpen) aktivieren. Ist das System
richtig dimensioniert, muss die Pumpe P1 in der Lage sein, zu jedem Zeitpunkt die Abweichungen auszuregeln.
Testschaltung
Komplette Versuchsanordnung
Auf der Wasseroberfläche schwimmender Reflexion Körper.
Beim Testen der Schaltung kann man beobachten, dass auch bei abgeschalteter Pumpe P2 das Wasser permanent
aus dem Hauptbehälter abfließt. Das ist darauf zurückzuführen, dass beide Behälter mit einem Schlauch verbunden sind und
eine einfache Schlauchwasserwaage bilden. Eine solche Schlauchwasserwaage strebt danach, in beiden Behälter gleiches
Wasserniveau zu erreichen.
