Aufgabe 1 a) - Kombinatorische Digitalschaltungen · Abitur NRW Technik LK · Haupttermin 2023

Aufgabenstellung: Steuerung einer Lüftungsanlage in einem Vereinshaus

Im Rahmen des NRW-Programmes „Gute Sportstätte 2020“ wird das Vereinsgebäude eines Sportvereins (mit Sporthalle, Umkleiden, Duschen und Sanitärräumen) saniert. Wegen der Erfahrungen aus der Sars-COV-2-Pandemie der letzten Jahre soll eine gute Belüftung sichergestellt werden. Dem steht jedoch das Ziel der Energieeinsparung entgegen.

M 1: Anforderungen an die Lüftungssteuerung

Die Lüftungsanlage für den Duschbereich verfügt über 2 Lüfter. Lüfter 1 (Ausgang X, HIGH-aktiv) sorgt für den Grundvolumenstrom. Lüfter 2 (Ausgang Y, HIGH-aktiv) kann zusätzlich eingeschaltet werden, um einen erhöhten Volumenstrom und damit noch besseren Luftaustausch zu erreichen.

Lüfter 1 soll aktiviert werden, wenn die Duschen verwendet werden (wird erkannt über „Licht eingeschaltet“: Sensor A gibt ein HIGH-Signal) oder wenn die Zeitschaltung (Sensor B) regulären Trainingsbetrieb anzeigt (Training: HIGH-Signal). Dies soll nur erfolgen, wenn die Fenster im Duschbereich geschlossen sind (wird erkannt über „Fenster geschlossen“: Sensor C gibt ein LOW-Signal).

Sobald der Feuchtigkeitssensor (Sensor D, LOW-Aktiv) eine zu hohe Luftfeuchtigkeit im Nasszellenbereich erfasst, soll auf jeden Fall – unabhängig von den sonstigen Rahmenbedingungen – für einen maximalen Luftstrom gesorgt werden.

Sensor · Name

Lichtschalter · A · HIGH-aktiv

Zeitschaltung · B · HIGH-aktiv

Fenstersensor · C · LOW-Aktiv

Feuchtigkeitssensor · D · LOW-Aktiv

Aktor · Name

Lüfter 1 · X · HIGH-aktiv

Lüfter 2 · Y · HIGH-aktiv

M 2: Anforderungen an die Nachlaufsteuerung

Um eine gute Durchlüftung zu gewährleisten, soll die Lüftungsanlage eine Nachlaufsteuerung erhalten. Der Lüfter 1 soll 10 Minuten nachlaufen, wenn das Fenster geschlossen ist. Der Fensterzustand wird ignoriert, wenn auch Lüfter 2 laufen soll. Eine manuelle Steuerung soll über einen Ein- und einen Austaster ($T_{\text{an}}$ und $T_{\text{aus}}$) realisiert werden. Das manuelle Einschalten der Lüftung hat Vorrang vor der Automatik.

Minutentaktgeber T mit $1/60\text{ Hz}$

Lüftersignale X und Y

Fenstersensor C

$T_{\text{an}}$

$T_{\text{aus}}$

$X_{\text{neu}}$

M 3: Anforderungen an die Nachlaufsteuerung mit SPS

Ein moderner Lüfter steht im Duschbereich zur Verfügung. Dieser Lüfter verfügt über drei unabhängige Ventilatoren (Q1, Q2, Q3).

Um unnötige Schaltzyklen zu vermeiden und eine gute Mindestlüftung zu garantieren, soll der Ventilator Q1 mindestens 5 Minuten laufen, auch wenn jemand den Raum nur kurz betritt. Dies wird durch einen digitalen Präsenzmelder I1 angezeigt. Befindet sich jemand länger als 5 Minuten im Raum, soll der Lüfter Q1 noch für 15 Minuten nach Verlassen des Raumes nachlaufen.

M 4: Feuchtigkeitsüberwachung mit Analogsensor

Sobald ein digitaler Präsenzmelder I1 die Anwesenheit von Personen meldet, läuft der Ventilator Q1. Wird zusätzlich eine relative Luftfeuchtigkeit (LF) von 60 % oder höher erreicht, sollen die Ventilatoren Q1 und Q2 aktiviert werden. Ab 80 % Luftfeuchtigkeit sollen alle drei Ventilatoren laufen, sofern eine Person gemeldet wird.

Die Feuchtigkeitswerte liefert ein Analogsensor, wobei die Spannung von $0\dots 5\text{ V}$ einer relativen Luftfeuchtigkeit von $0\text{ bis }100\,\%$ entspricht.

a) Systematische Schaltungsentwicklung zur Lüftungssteuerung

Entwickeln Sie anhand des Materials M 1 in systematischer Vorgehensweise eine digitaltechnische Schaltung, die das Signal X für die Lüftungssteuerung erzeugt. Geben Sie dazu die Funktionsgleichung für X in der Oder-Normalform an, entwickeln Sie die vereinfachte Funktionsgleichung und zeichnen Sie den digitaltechnischen Schaltplan. [14 Punkte]

1.

2.

3.