Dezentrale Peripherie

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1 2008 Dezentrale Peripherie Juliane Borchardt, Otto Kasch, Maxim Qualen Maschinenbau Leistungskurs

2 Gliederung 1. Aufgabenstellung.3 2. Kurzinformationen PROFIBUS.3 3. Kurzerklärung von STEP Umsetzung des Projektes Vorbereitung Die einzelnen Teile Zusammenbau der SPS Verkabelung PROFIBUS Inbetriebnahme des PROFIBUS Verbinden von Master und Slave Steckerbelegung Programmieren und Steuern der Bohrmaschine Probleme während der Arbeit Aufhängen der Slave SPS Fazit Quellen Eigenständigkeitserklärung..30 2

3 1. Aufgabenstellung Our mission was to create an association between a PC and a machine. We have a machine which is lacated at a distance from the controlling SPS. To create a shorter distance, you will need a PROFIBUS line, which goes from the controlling SPS to the next SPS and then from the SPS with the data line to the machine. To realize this mission, you need an SPS with CPU and one without CPU. Furthermore you need a PROFIBUS line and the cables from the Slave SPS to the machine must be customized. 2. Kurzinformation PROFIBUS Profibus (PROcess FIeld BUS) ist eine Art Netzwerk, in dem verschiedene Komponente wie zum Beispiel ein PC mit einer Siemens SPS kommunizieren kann. Es wurde Anfangs im Jahre 1989 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)gefördert. Es existieren drei verschiedene Varianten von Profibus: PROFIBUS DP und PROFIBUS PA. Sowie verschiedene Arten der Bitübertragung. Die Entstehung von Profibus geht auf das Jahr 1987 zurück. 21 Firmen und Institute hatten das Bestreben ein "Feldbus" entstehen zulassen. Ein Feldbus ist ein Kommunikationssystem, indem eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren mit einem Steuergerät verbunden sind und somit agieren können. Die Absicht der Firmen war es eine einheitliche Schnittstelle zu schaffen. Profibus existiert in drei verschiedenen Arten: PROFIBUS DP (Dezentrale Peripherie) wird zur Ansteuerung von Sensoren und Aktoren durch eine zentrale Steuerung in der Fertigungstechnik verwendet. Ein Einsatzgebiet ist die Verbindung von verteilter Intelligenz. Das bedeutet, dass man die Möglichkeit zur Vernetzung von mehreren Steuerungen hat. Es sind Datenraten von bis zu 12 MBit/sek möglich. 3

4 PROFIBUS PA (Prozess Automation) diese Form von Profibus wird in Verfahrenstechnik zur Kontrolle von Messgeräten durch ein Prozessleitsystem eingesetzt. Da diese Variante mit einem sehr schwachen Strom auskommt, kann sie in explosionsgefährdeten Gebieten eingesetzt werden. Die Gefahr, dass explosionsauslösende Funken entstehen ist sehr gering. Dies zieht im Gegensatz jedoch eine langsamere Datenübertragung von 31,25 kbit/sek mit sich. PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) dient vorwiegend für die Kommunikation zwischen Steuerungen. Der Einsatz von Profibus ist daher in der Fertigungsautomatisierung sowie in der Prozessautomatisierung möglich und ist mittlerweile Weltmarktführend. Der Datentransfer läuft über eine zweiadrige Leitung, die mit zwei Abschlußwiderständen. Diese lassen sich an und ausstellen. Die Bezeichnung des Busses ist 2 adriges geschirmtes twisted pair Kabel mit RS485 Physik und die Widerstände werden Pull Down bzw. Pull Up Widerstände genannt. Diese sind in den Steckverbindern integriert. 4

5 Die Länge des Busses kann über 400 Metern betragen doch diese hat Auswirkung auf die Geschwindigkeit des Transfers es wird deutlich, wenn man sich einige Zahlen anguckt. Bei einer Leitung von 400 Metern beträgt die Geschwindigkeit 500kbit/sek wobei die Geschwindigkeit bei einer Leitung von 100 Metern 12Mbit/s beträgt. 3. Kurzerklärung von STEP 7 STEP 7 ist eine Programmiersoftware der SIMATIC S7SPS Familie von Siemens. Der Name STEP kommt von STeuerungen Einfach Programmieren. Wie der Name auch schon sagt, dient STEP 7 zur einfachen Programmieung von Steuerungen. STEP 7 verfüg vor allem über graphische Programmiersprachen wie die Funktionsbausteinsprache, der Kontaktplan oder S7 Graph, jedoch gibt es auch textbasierte Programmiersprache wie Anweisungsliste und die Structure Control Language. In STEP 7 werden Programmteile in einzelnen Bausteine erstellt, was die gesamte Programmierung Anschaulicher darstellt und sie auch einfacher ändern lässt. 4. Umsetzung des Projektes 4.1 Vorbereitung Am Anfang des Projektes bekamen wir massenhaft Informationen zum Thema Dezentrale Peripherie. Wir lasen uns ein und machten schon einmal eine Gliederung für die Dokumentation. Wir teilten die einzelnen Punkte auf die Gruppenmitglieder auf und begannen neben der Arbeit in der Schule schon mit dem Schreiben der Dokumentation. Wir stellten gleich zu Anfang fest, welche einzelnen Teile wir noch kaufen mussten und verteilten Aufgaben auf die einzelnen Mitglieder. 5

6 4.2 Die einzelnen Teile Für unsere Aufgabe benötigten wir eine Master SPS, eine Slave SPS und eine PROFIBUS Leitung. Master Als Master SPS benutzen wir eine SPS aus der Schule. Die schon fertige SPS bestand aus: PS 307 5A DI16xDC24V AI2x128Bit DO8xRelais DO16xDC24V/0,5A PROFIBUS Für die PROFIBUS Leitung benötigten wir mehrere Meter an PROFIBUS Leitung und die zwei Stecker für die beiden Enden. Wir benutzen PROFIBUS DP, weil dies für unsere Aufgabenstellung am sinnvollsten war. Slave Für die Zusammensetzung der Slave SPS benutzen wir die Angaben aus einer Beschreibung zum Zusammenbau einer Dezentralen Peripherie (ET200M_d.pdf) ET 200M IM (153 1AA03 0XB0) Die ET200M IM macht unsere SPS zu einer Slave SPS, da sie ohne eine CPU nicht ohne die Master SPS funktionieren kann. Sie ist untergeordnet und gibt nur die Eingangssignale an die Master SPS weiter, wo die Informationen 6

7 verarbeitet werden und wiederum zurückgesendet wird, welche Ausgänge als Reaktion zu den Eingängen geschaltet werden müssen. PS307 2A DC24V 307 1BA00 0AA0 Die PS307 2A DC24V 307 1BA00 0AA0 ist unser Netzteil und versorgt das Inund Outputmodul, sowie die Stecker mit Strom. Es wandelt die 230 V in 24 V um. DI16xDC24V (6ES BH01 0AA0) Das DI16xDC24V (6ES BH01 0AA0) ist unser Inputmodul. Es erkennt, welche Eingänge Signale geben und gibt dies zur Weiterverarbeitung dann weiter. 7

8 DO16xDC24V/0,5A (6Es BH01 0AA0) Das DO16xDC24V/0,5A (6Es BH01 0AA0) ist unser Outputmodul. Es schaltet die Ausgänge mit jeweils 24 V. 4.3 Zusammenbau der SPS Bei der Montage der Slave SPS gingen wir nach der Anweisung von Siemens vor. (ET200M_d.pdf) Zuerst montierten wir die Bauteile auf der Profilschiene. Wir taten dies indem wir das erste Bauteil, das Netzteil auf die Profilschiene schoben. Wir fixierten es mit den dazugehörigen Schrauben. Danach schoben wir die ET200M mit einem Busverbinder auf die Schiene und fixierten das Bauteil ebenfalls mit den dazugehörigen Schrauben. Danach folgen das Inputmodul mit Busverbinder und zuletzt dann das Outputmodul. Zum Schluss steckten wir den Verbindungskamm zwischen Netzteil und ET200M in die dafür hergesehenen Steckvorrichtungen. 8

9 4.4 Verkabelung Zuerst isolierten wir ein Datenkabel an den Enden ab und montierten Aderendhülsen an den Enden, die wir danach in die Steckplatzbelegung steckten. Dies taten wir sowohl mit den Aus als auch mit den Eingängen. Danach versorgten wir das Netzteil mit Strom indem wir ein altes Stromkabel mit Stecker umfunktionierten und die Erdung auf dem Rack anbrachten. Einige Zeit später versorgten wir das In und Outputmodul noch zusätzlich zu dem Busverbinder mit Strom. Außerdem mussten noch die Stecker mit Strom versorgt werden, was dazu führte, dass die gesamte Verkabelung eher einem Durcheinander glich und wir die gesamte Verkabelung erneuerten. Die gesamte Verkabelung dauerte mehrere Stunden, in denen wir löteten und uns überlegten wie wir die Kabel am sinnvollsten verlegten. 9

10 4.5 PROFIBUS INBETRIEBNAHME DES PROFIBUS ( MASTER CPU315 2DP / SLAVE ET200M ) Im folgendem wird die Inbetriebnahme eines Monomastersystems mit der CPU315 2DP als Master und einer ET200M als Slave beschrieben. 1. Um unsere zuvor zusammengebaute Hardware zum Leben zu erwecken benötigten wir in STEP 7 den SIMATIC Manager. Dieser wurde von uns mit einem Doppelklick aufgerufen. ( > SIMATIC Manager) 2. Zunächst haben wir wie folgt ein neues Projekt angelegt ( > Datei > Neu) 10

11 3. Dem Projekt gaben wir den Namen ET200M ( > ET200M > OK) 4. Dann markierten wir den neuen Ordner et200m und fügten ein PROFIBUS Subnetz ein ( > ET200M > Einfügen > Subnetz > PROFIBUS). 11

12 5. Im nächsten Schritt fügten wir unsere SIMATIC 300 Station ein. ( > Einfügen > Station > SIMATIC 300 Station) 6. Anschließend öffneten wir mit einem Doppelklick das Konfigurationswerkzeug für die Hardware. ( > Hardware) 12

13 7. In der nun geöffneten Hardwarekonfig haben wir durch einen Klicken auf das Symbol den Hardwarekatalog geöffnet. ( > ) In den geöffneten Verzeichnissen fanden wir nun alle benötigten Baugruppenträger, Baugruppen und Schnittstellenmodule für die Projektierung unserer Hardware. Zunächst fügten wir die Profilschiene mit einem Doppelklick ein ( > SIMATIC 300 > RACK 300 > Profilschiene ). Danach wurde automatisch eine Konfigurationstabelle für den Aufbau unseres Racks 0 eingeblendet. 13

14 8. Aus dem Hardwarekatalog konnten wir nun alle benötigten Baugruppen auswählen und in unsere Konfigurationstabelle einfügen. Die Baugruppen mussten dabei identisch mit unserem realen Rack sein. Dazu mussten wir auf die Bezeichnung der jeweiligen Baugruppe klicken, die Maustaste gedrückt halten und per Drag & Drop in eine Zeile der Konfigurationstabelle ziehen. Wir fingen mit dem Netzteil PS 307 2A an. ( > SIMATIC 300 > PS 300 > PS 307 2A) Die Bestellnummer muss mit den Verwendeten Komponenten Identisch sein! Die Bestellnummer kann auf der Front der Baugruppe abgelesen werden. 14

15 9. Im nächsten Schritt wiesen wir die CPU 315 2DP auf den zweiten Steckplatz zu. ( > SIMATIC 300 > CPU 300 > CPU 315 2DP > 6ES AF03 0AB0 > V1.1 ) 10. Beim Eintragen der CPU erschien folgendes Fenster, in dem wir der CPU 315 2DP eine PROFIBUS Adresse zuordneten und das bereits erstellte PROFIBUS Netz auswählten. ( > 2 > Profibus(1) ) 15

16 11. In dem darauf folgendem Fenster wählten wir die Höchste PROFIBUS Adresse (hier > 126), die Übertragungsgeschwindigkeit (hier >1,5 Mbit/s) und das Profil (hier > DP). ( > OK > OK ) 12. Dann erschien rechts von der CPU315 2DP ein Balken, das sogenannte Mastersystem, an dem wir unseren Slave anordneten. Dies taten wir, indem wir das gewünschte Modul (in unserem Falle die IM 153 1, eine ET 200M Anschaltbaugruppe) aus dem Hardwarekatalog ( > PROFIBUS DP) per Drag & Drop mit der Maus anklickten und zum Mastersystem hin zu fügten. ( > PROFIBUS DP > ET 200M > IM > 6ES AA83 0XB0 ) 16

17 13. Beim Eintragen des Slaves erschien folgendes Fenster, in dem wir dem Slave eine PROFIBUS Adresse zuordneten. Dabei mussten wir darauf achten, dass die Adresse mit der bereits vergebenden PROFIBUS Adresse im DIL Schalterblock der IM übereinstimmt. ( > 2 > OK) 14. Im nächsten Schritt zogen wir das Eingangsmodul für 16 Eingänge auf den vierten Steckplatz der ET 200M. Dabei konnten wir die Bestellnummer des Moduls auf der Front abgelesen. ( > PROFIBUS DP > ET 200M > IM > DI 300 > SM 321 DI16xDC24V). 17

18 15. Im nächsten Schritt zogen wir das Ausgangsmodul für 16 Ausgänge auf den fünften Steckplatz der IM ( > PROFIBUS DP > ET 200M > IM > DO 300 > SM 322 DO16xDC24V/0,5A). Auch hier kann die Bestellnummer des Moduls auf der Front abgelesen werden. = 18

19 16. Anschließend adressierten wir die Eingangs und Ausgangsbaugruppen, indem wir auf die entsprechenden Baugruppen doppelt klickten und diese im Register Adressen einstellten. ( > DO 16xDC24V/0,5A > Adressen > 4 >OK) 19

20 17. Die Konfigurationstabelle haben wir dann durch einen Klick auf (Speichern und Übersetzen) und einen Klick auf (Laden in Baugruppe) zuerst gespeichert, übersetzt und in die SPS geladen. ( > > ). 18. Die CPU 315 2DP wurde dann von uns als Zielbaugruppe des Ladevorgangs ausgewählt und bestätigt. ( > OK) 20

21 19. Dann wurde die Teilnehmeradresse der CPU im MPI Netz automatisch angewählt. Wir bestätigten mit OK. ( > OK) 20. Anschließend öffneten wir im SIMATIC Manager den Organisationsbaustein OB1 mit einem Doppelklick und der Editor KOP, AWL, FUP S7 Bausteine programmieren öffnete sich ( > OB1) 21

22 21. Mit dem KOP, AWL, FUP S7 Bausteine programmieren Editor, fingen wir nun an unser STEP 7 Programm zu erstellen. Das fertig gestellte STEP 7 Programm haben wir dann in die SPS geladen. Nach dem Programmieren haben wir den OB1. gespeichert und auf Laden geklickt. ( > > ) 22. Zum beobachten klickten wir lediglich auf das Symbol (Beobachten ein/aus). ( > ) 22

23 4.6 Verbinden von Master und Slave Um Master und Slave miteinander verbinden zu können, brauchten wir eine PROFIBUS Leitung und jeweils einen Stecker an den beiden Enden der Leitung. Wie bereits in 2. Erwähnt besteht eine PROFIBUS Leitung aus einer A und einer B Leitung, welche nun in die dafür vorgesehenen Öffnungen des Steckers gesteckt werden mussten. Danach schlossen wir den Stecker wieder und hatten unsere fertige PROFIBUS Leitung. 23

24 4.7 Steckerbelegung Um die Slave SPS mit der Maschine zu verbinden löteten wir an die Enden der Datenleitungen eine Steckervorrichtung. Die Belegung des Steckers guckten wir uns von der Eingangs bzw. Ausgangwand ab, da die Stecker später auch für diese funktionieren sollten. Die Steckerbelegung sieht wie folgt aus: 4.8 Programmieren und Steuern der Bohrmaschine Nachdem alle Ein und Ausgänge endlich funktionierten, holten wir uns die Bohrmaschine und schlossen sie an unsere Stecker an. Die Ein und Ausgänge lieferten Signale und ließen sich auch steuern. Einziges Problem war nun, dass wir nur jeweils sechs Signale verwerten konnten. Wir konnten also nur drei Sensoren abrufen, während uns noch einige andere Eingänge fehlten. Die Ausgänge funktionierten alle. Wir konnten alle steuern. 24

25 Wir entschieden uns noch in letzter Minute, ein neues Kabel mit mehr Drähten anzulöten. Nun hatten wir 13 Eingänge zur Verfügung. Nun ging es weiter mit dem Umprogrammieren der Bohrmaschine. Hierbei vertauschten wir ersteimal die Adressen und hofften, dass wir den Überblick behalten würden und alles funktioniert. Anderenfalls müssten wir die gesamte Programmierung erneuern, wofür uns eigentlich keine Zeit mehr blieb. 5 Probleme während der Arbeit Busfehler Nach dem Anschließen der beiden SPSs an das PROFIBUS Kabel und dem Überspielen des Programmes auf die Master SPS leuchtet bei beiden noch die Diode für Busfehler auf. Nach mehreren Versuchen, die Adresse der Slave SPS zu ändern, die Widerstände im PROFIBUS Kabel an und aus zu schalten und die Adressen in der Programmierung zu ändern, stellten wir fest, dass wir schlicht und einfach nur eine Kombination des Schaltens der Widerstände übersehen haben mussten. Stromversorgung Nachdem die Steckerbelegung provisorisch funktionierte, stellten wir fest, dass wenn wir mehr als drei Eingänge betätigten, die Dioden an der SPS ausgingen. Wir mussten das Inputmodul zusätzlich zu der Schiene mit Strom versorgen mussten. Dazu teilten wir die schon vorhandene Stromversorgung des Steckers auf und löteten zusätzlich Stromleitungen für die Versorgung von In und Output. Nicht funktionierende Ausgänge Nachdem wir auch den Stecker für die Ausgänge zusammengelötet hatten und das Programm auf die SPS gespielt hatten und die Eingänge geschaltet hatten, 25

26 wurden die Ausgänge nicht angesprochen. Wir überprüften die Adressen in der Programmierung. Nach einigen probieren stellten wir fest, dass eventuell die Stromversorgung vom Output nicht richtig angeschlossen ist und überprüften dies. Die Stromversorgung war zwar teilweise falsch, allerdings war der Fehler immer noch nicht behoben. Der Fehler lag an der Adressierung, obwohl in STEP 7 als Adresse der Byte vier bis fünf angegeben war, war der wirkliche Adressbyte zwei. Einige Zeit später beim Inbetriebnehmen der Bohrmaschine stellten wir wiederum fest, dass das Adressenbyte zwei nun nicht mehr ging. Wir testeten wie schon vorher verschiedene Bytes aus und kamen schließlich zum richtigen Byte: diesmal war es Byte vier. Verstehen taten wir es zwar nicht, aber mit diesem Byte funktionierten unsere Ausgänge nun wieder. Kurzschluss bei der Stromversorgung Nachdem wir die Stecker zusammengelötet hatten und die Stecker an die vorgesehenen Eingangswand angeschlossen hatten, funktionierte die Stromversorgung nicht. Wir überprüften alles Mögliche an dem es liegen könnte, doch den Fehler fanden wir vorerst nicht. Später fiel uns auf, dass es daran lag, dass wir die Eingangswand auf einem Metallstück lag und somit der Strom nicht durch die Leitungen floss. Zusammenlöten des Steckers Beim Zusammenlöten des Steckers hatten wir die größten Probleme. Nachdem wir die Kabel provisorisch festgelötet hatten funktionierte alles, doch nach Wechseln des Kabels und verschönern der gesamten Leitungen, schien die gleiche Steckerbelegung nicht mehr zu funktionieren. Wir überprüften nochmals die Belegung, doch alles schien richtig zu sein. Wir minimierten die Datenkabel um sicherzustellen, dass wir uns nicht verrennen und dass es überhaupt funktioniert. Es funktionierte mit einem Datenkabel und wir löteten den 26

27 Stecker nochmals, diesmal funktionierten vier von sechs Eingängen. Die anderen zwei löteten wir nochmals. 6 Aufhängen der Slave SPS Zur besseren Aufbewahrung unseres Projektes überlegten wir uns, eine Holzplattenkonstruktion. Wir ließen eine Holzplatte fertigen, auf die wir ein Foto der Master SPS, unsere Slave SPS, ein Foto einer Maschine, die Gegenstücke für die Stecker der Ein und Ausgänge und ein Poster mit einer Beschreibung des Projektes montierten. Die Platte wurde im Raum an die Wand montiert und zwar so, dass sie jederzeit abgenommen werden kann, so wie auch die Slave SPS. 7 Fazit Wir hätten anfangs nicht gedacht, dass eine solche Fülle an Arbeit auf uns zukommt! Wir fingen an zu arbeiten in einem relativ lockeren Tempo, was uns dann schlussendlich zum Verhängnis wurde. Zu unserer Deadline hin wurde es nochmal richtig stressig, doch erste Erfolge wurden sichtbar und geschafft haben wir es nun doch noch. Die SPS ist zusammen gebaut, ein PROFIBUS Kabel und die gesamte Verdrahtung sind einsatzbereit. Bei der Programmierung der Bohrmaschine stellten sich noch ungeahnte Fehler in den Weg, die wir auch einen nach dem anderen lösten, so dass die Bohrmaschine nun endlich auch durch die Dezentrale Peripherie gesteuert läuft. Die gesamte Arbeit hat sehr viel Spaß gemacht, auch wenn wir des Öfteren nicht mehr weiter wussten und die SPS am liebsten aus dem Fenster geworfen hätten, weil wir mal wieder nicht wussten wo der Fehler diesmal lag. Doch Herr Oelke unterstütze uns immer tatkräftig obwohl er auch manchmal nicht sah, wo der Fehler lag. Auch lernten wir bei der Arbeit jede Menge neue Sachen dazu und haben nun einen Einblick in das Projektmanagement eines Ingenieurs bekommen, was und sehr hilfreich ist. 27

28 Aber wie in unserer Problemdokumentation zu sehen sind alle Probleme behoben worden. Nach der langen Arbeit sind wir sehr erfreut, dass alles so läuft wie es geplant war. 28

29 8 Quellen Folien_SPS Bussysteme Bilder ASI_8 ET200M_d.pdf 29

30 9 Eigenständigkeitserklärung Hiermit versichern wir, dass wir die vorstehende Projektarbeit selbstständig verfasst haben und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt haben. Die Stellen, die anderen Werken dem Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen wurden, haben wir in jedem einzelnen Fall durch die Angabe der Quelle, auch der benutzten Sekundärliteratur, als Unterstützung kenntlich gemacht. Juliane Borchardt Otto Kasch Maxim Qualen 30