Dr. Gerhard Eisele. Automatisierungstechnik mit MecLab

Transkript

1 1 Dr. Gerhard Eisele Automatisierungstechnik mit MecLab

2 2 Verwendungshinweise Sie erhalten das Manuskript Automatisierungstechnik mit MecLab in gedruckter und in digitaler Form. Die Unterlagen unterliegen dem Copyright. Die Teilnehmer der Weiterbildungsmaßnahme GuT dürfen diese Unterlagen in gedruckter Form für Unterrichtszwecke verwenden und kopieren. Die Weitergabe in digitaler Form, die Einstellung ins Internet, das Intranet der Schule oder eine Lernplattform ist nicht zulässig. GuT 2011/12 - Stand: 02/2012 FluidSIM und MecLab sind eingetragene Warenzeichen der Festo AG & Co. KG Alle Schaltungsentwürfe wurden mit FluidSIM gezeichnet. 1 ] Einzelne Abbildungen sind mit Genehmigung dem Lehrmaterial des MecLab-Pakets entnommen. Fotos auf der Titelseite: Festo AG & Co. KG

3 3 Inhaltsverzeichnis 1 FluidSIM Aufbau und Funktion Layout von Schaltkreisen Einfache Stromkreise Schaltkreise mit Relais Multipolverteiler Selbsthaltung Transportband Aufbau und Funktion Manuell und mit Relais gesteuerter Betrieb Sensorgesteuerter Betrieb Stapelmagazin Aufbau und Funktion Pneumatik Manueller Betrieb Sensorgesteuerter Betrieb Speicherprogrammierbare Steuerungen Logische Bausteine Stapelmagazin steuern mit SPS Transportband steuern mit SPS Zähler Station Handling Aufbau und Funktion Manueller Betrieb Sensorgesteuerter Betrieb Programmieren mit Schrittketten Verknüpfungssteuerung und Ablaufsteuerung Schrittkettenprogrammierung am Beispiel der Station Handling Weitere Anwendungen der Schrittkettentechnik... 78

4 4 7 MecLab-Stationen modifizieren Möglichkeiten Umbauen und Erweitern mit vorhandenem Material Umbauen und Erweitern mit zusätzlichem Material MecLab-Stationen koppeln Methoden Koppeln über Verbindungskabel Stationen komplett neu aufbauen N. N

5 5 Kommentar zum Skript Automatisierungstechnik mit MecLab Das Skript Automatisierungstechnik mit MecLab ist im Rahmen meines NwT-Unterrichts am Freihof-Gymnasium Göppingen und der Lehrer-Weiterbildung GuT (Gymnasium und Technik) an der Hochschule Esslingen am Standort Göppingen entstanden. Ursache war das Bedürfnis, das Schülerfachbuch Grundlagen der Automatisierungstechnik von Festo Didactic an die Rahmenbedingungen des Unterrichts anzupassen. Im Laufe von mehr als drei Jahren Unterricht mit MecLab in der Klassenstufe 9 mit insgesamt 11 Gruppen wurde die Tauglichkeit des Skripts erprobt und permanent verbessert. In veränderter Form ist dieses Skript Grundlage des Kurses Automatisierungstechnik im Rahmen der Weiterbildung GuT. Das Skript enthält einen kompletten Lehrgang mit Anleitungen und ca. 100 Übungsaufgaben. Die Aufgaben sind nach Schwierigkeit gestaffelt. Für die Hand des Lehrers gibt es ein zweites Skript mit kommentierten Lösungen aller Aufgaben. Für jedes Kapitel gibt es anspruchsvolle Aufgaben, die Anreize und Betätigung bieten für Schüler, die mehr wollen. Im Rahme der Weiterbildung GuT können Sie lernen, wie man sich das Lernsystem MecLab erschließt und welches Potential für einen Unterricht mit ingenieurstypischer Technik darin steckt, wenn Sie das System beherrschen. Motivation für ein Modul Automatisierungstechnik: Wir sind es gewohnt, immer wieder auf Knöpfe zu drücken und damit viele, zum Teil komplexe Prozesse in Gang zu setzen. Fast nie denken wir darüber nach, was sich unter der Oberfläche abspielt und wie man all diesen Geräten ihre Funktionalität verleiht. Konzept des Systems MecLab : MecLab ist ein mechatronisches Lernsystem von Festo Didactic, mit dem wir die Professionalität der Industrie in die Schule holen. Die drei Stationen Stapelmagazin, Transportband und Handling bilden exemplarisch Prozesse ab, die in jeder automatisierten Fertigung relevant sind. Über Ventilmagnete angesteuerte und durch Sensoren überwachte Elektromotoren oder Pneumatikzylinder realisieren die Prozessschritte. Alle Prozesse werden mit Hilfe der professionellen Simulations- und Steuerungssoftware FluidSIM gesteuert. Mit dem Zusammenspiel von Hard- und Software haben Sie ein typisches Beispiel für ein mechatronisches System: Die Mechanik in den festen und bewegten Bauteilen der Stationen, in dem pneumatischen Antrieb der Zylinder. Die Elektrik und Elektronik in der Energieversorgung und Funktion der Motoren, Ventile und Sensoren, im Fluss und in der Verteilung der Energie gemäß der Verdrahtung sowie in der Steuerung des Systems. Die Informatik in der Planung, im Aufbau und in der Simulation der Abläufe und in der Steuerung des Systems mit Hilfe des Rechners.

6 6 Methoden im Unterricht: Für den reibungslosen Einstieg sind die Stationen fertig montiert, Lehrer und Schüler müssen und sollen nicht basteln. Ingenieurtypisch betätigen wir uns als geistige Schrauber. Wir entwickeln die Steuerung der Station am Rechner mit FluidSIM. Dabei verwenden wir auch Logikbausteine der digitalen Schaltungstechnik. Das Feedback über unseren (Miss-) Erfolg erhalten wir postwendend durch die rechnergestützte Simulation bzw. (viel authentischer) durch die Reaktion der vom Rechner aus angesteuerten Station. Nach Erarbeitung und Festigung der Programmierkenntnisse und strategien ist Kreativität gefragt bei der Entwicklung und Realisierung eigenständiger Problemlösungen. In dieser Phase können die Stationen zielorientiert modifiziert werden bis hin zum kompletten Umund Neubau. Entgegen oberflächlicher Einschätzungen ist MecLab ein offenes System, mit dem wir eine Vielzahl von Problemstellungen in großer Bandbreite bearbeiten können. Schulischer Einsatz: Automatisierungstechnik ist für die Schüler ein Topmodul im NwT-Unterricht. Der Schwierigkeitsgrad ist sehr gut steuer- und differenzierbar, wenn wir Lehrer die Materie beherrschen. Eigene Anstrengung und resultierendes Erfolgserlebnis sind für die Schüler eng gekoppelt und motivieren sehr stark. Der Unterricht ist geprägt durch wenig Lehrer-Input und sehr viel eigenverantwortliche Schüleraktivität. Automatisierungstechnik und Bildungsplan: Automatisierungstechnik hat einen doppelten Aspekt: Sie ist zum ersten ein unverzichtbares Ausstattungsmerkmal von täglich benutzten Geräten und von Maschinen in der industriellen Arbeitswelt und zum zweiten ein wichtiges Teilgebiet vieler Technikwissenschaften. Damit haben wir einen doppelten Bezug zu den Zielen schulischer Bildung: Verständnis erwerben für die durch Technik geprägte Welt, in der wir leben. Orientierung bieten für das, was nach der Schule in Studium und Beruf auf die Schüler wartet. Mit diesem Modul haben Sie die Chance, das T in NwT zu 100 Prozent zu realisieren. Und Sie haben ein exzellentes Modul für Ihren NwT-Unterricht, das von Ihren Schülerinnen und Schülern fast ohne Ausnahme sehr gut angenommen wird.

7 7 Automatisierungstechnik und Bildungsstandards: Das Modul liefert die in NwT so häufig vermissten technikspezifischen Inhalte. Um das zu untermauern, hier die entsprechenden Auszüge aus dem Bildungsplan: I. Leitgedanken zum Kompetenzerwerb 1. Kompetenzerwerb Verständnis entwickeln für industrielle Produktionsabläufe Verständnis entwickeln für den Ablauf von Innovationsprozessen Lösen komplexer Aufgaben Vertiefte Kenntnisse über Systeme der Technik erwerben Die Fähigkeit erwerben, Hypothesen zu bilden, verbal zu formulieren, Experimente zu planen 2. Didaktische Prinzipien Exemplarisch Methoden der technischen Entwicklung kennenlernen und einüben Den Computer als Werkzeug verwenden Lösungen für konkrete Aufgaben erarbeiten Technische Verfahren vor Ort betrachten Die Eigentätigkeit der Lernenden soll im Vordergrund stehen II. Kompetenzen und Inhalte 1. Prinzipien Ursache und Wirkung (Kausalkette, Struktur und Funktion, Rückkopplung, Vernetzung) Systemgedanke (Stoff-, Energie- und Informationsstrom, Zusammenwirken von Teilsystemen, Steuern und Regeln, Modellbildung und Simulation) Energieträger, -speicher, -strom 2. Betrachtungsbereiche Technik (Planen und Bauen, Einblick in industrielle Produktion haben, Analogien zwischen technischen und natürlichen Systemen) Mess- und Arbeitsmethoden (Experimente planen, durchführen, auswerten, protokollieren, Fehlerbetrachtung, Computer als Werkzeug nutzen, Simulation dynamischer Systeme, Steuerung oder Regelung von Prozessabläufen) Zusammengefasst: Mit MecLab reden Sie nicht über Technik - Sie und Ihre Schüler arbeiten mit Technik. Sie lassen keinen externen Zeugen auftreten, die über Technik berichten Ihre Schüler setzen sich aktiv damit auseinander. Sie schauen keine Texte, Bilder oder Filme an oder müssen gar die Schule verlassen, um echte Technik zu erleben. Ihre Schüler haben alles auf dem Tisch vor sich und legen selbst Hand an, indem sie typische technische Prozesse selbst gestalten.

8 8 Welche Randbedingungen brauchen Sie für den Unterricht mit MecLab? Sie brauchen Rechner am besten einen für jeden Schüler. Die meiste Zeit arbeiten die Schüler am Rechner, um die Schaltpläne zu erstellen und deren Funktion zu simulieren. Über das Schulnetz können Sie am Ende der Stunde alle erzeugten Dateien einsammeln und relativ komfortabel überprüfen, was und wie gut Ihre Schüler gearbeitet haben. Sie brauchen die realen Stationen schließlich wollen die Schüler ja sehen, ob ihr Plan in der Realität funktioniert. Zwei MecLab-Stationen bei einer Gruppengröße von maximal 20 Schülern sind nötig, drei sind gut. Ein Beamer muss sein, das Active Board als Medium wäre hervorragend geeignet. Warum lohnt es sich, mit MecLab zu arbeiten? Inhalte und Methode sind äußerst attraktiv. Fast alle Schülerinnen und Schüler arbeiten freiwillig, intensiv und konzentriert an den Aufgaben, ohne dass man sie antreibt. Die Herausforderung liegt in der Materie selbst. Die wichtigsten Merkmale aus meiner Sicht: Alltagsbezug mechatronische Systeme sind allgegenwärtig Anschaulichkeit - alle Funktionen sind klar erkennbar Echtheitscharakter und Professionalität MecLab ist kein Spielzeug oder Lehrmittel Sinnhaftigkeit des Lernens - enge Verknüpfung von Theorie und Praxis Motivation der Zweck jeder Aufgabe ist unmittelbar einsichtig Eigentätigkeit jeder Schüler darf und muss alles selbst tun Eigenkontrolle - unmittelbare Rückkopplung über die Qualität der eigenen Arbeit Eigeninitiative und Kreativität selbst Aufgaben entwickeln und lösen Intensive und vielseitige Nutzung des Computers - als anspruchsvolles Werkzeug Anspruchsvoll - aber trotzdem große Bandbreite für die Binnendifferenzierung Hoher Anspruch an Sekundärtugenden - diszipliniert, korrekt und sauber arbeiten Ist es aufwendig zu lernen, Unterricht mit MecLab zu halten? Ja wenn Sie sich alles selbst beibringen wollen oder glauben, dass eine eintägige Fortbildung genügen müsse, es zu lernen. Ja wenn Sie glauben, dass ein Skript allein genügt. Ja wenn Sie alle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht selbst erstellen müssen. Nein wenn Sie genügend Zeit in die Teilnahme an einer Weiterbildung investieren, die an Ihren Bedürfnissen ausgerichtet ist. Nein wenn Sie den Mut haben, parallel zur Weiterbildung das neu Gelernte sofort in der Praxis zu erproben. Nein wenn Sie zum Skript in der Praxis erprobte Arbeitsblätter erhalten, die Ihnen erlauben, sich auf die Betreuung der Schüler zu konzentrieren. Festo Didactic kooperiert mit GuT: Alle Teilnehmer der Weiterbildung erhalten ein MecLab- System (vielleicht auch zwei) leihweise während der Dauer der einjährigen Schulung.

9 3 Stapelmagazin 3.1 Aufbau und Funktion Auszug aus dem Skript Automatisierungstechnik mit MecLab 3 Stapelmagazin 3.1 Aufbau und Funktion Abb. 4.1: Foto der Station Stapelmagazin 1] Abb. 4.2: Bild der Station Stapelmagazin 1] -99

10 3 Stapelmagazin 3.1 Aufbau und Funktion A1. Fülle das Arbeitsblatt aus. Ordne den abgebildeten Bauteilen die korrekte Teilenummer aus Abb. 4.2 zu. Beschreibe kurz, welchen Beitrag die Bauteile für das Funktionieren des Stapelmagazins leisten. Nr. Bezeichnung Bild Symbol Funktion Magazinturm Ablagetisch 3/2-Wege- Handventil Konfigurierbares 4/n-Wegeventil Konfigurierbares 4/n-Wegeventil Das konfigurierbare 4/n-Wegeventil ist ein Wegeventil mit vier Anschlüssen, das bezüglich seiner Ventilkörper und Betätigungsarten angepasst werden kann. Ventilkörper Zusätzlich können die pneumatischen Anschlüsse mit Blindstopfen oder Schalldämpfer versehen werden. Das konfigurierbare 4/n-Wegeventil ist ein Wegeventil mit vier Anschlüssen, das bezüglich seiner Ventilkörper und Betätigungsarten angepasst werden kann. Einstellbare Parameter Zusätzlich können die pneumatischen Anschlüsse mit Blindstopfen oder Schalldämpfer versehen werden. Normal-Nenndurchfluss: l/min (60) Einstellbare Parameter Normal-Nenndurchfluss: l/min (60) Tab.4.1: Komponenten der Station Stapelmagazin und ihre Funktion Verwandte Themen [37] Schaltsymbole Wegeventile (2) [39] Verwandte Schaltsymbole Betätigungsarten Themen (1) 10 [40] Schaltsymbole [37] Schaltsymbole Betätigungsarten (2) Wegeventile (2) [50] 4/2-Wegeventil, Tellersitzprinzip

11 11 3 Stapelmagazin 3.1 Pneumatik 3.2 Pneumatik 1. Grundsätzliches: Mit Pneumatik (pneuma (gr.) Atem, Wind) zu arbeiten bedeutet, dass man Aktuatoren mit Druckluft antreibt. Es gibt viele Parallelen zwischen elektrischer und pneumatischer Steuerung. Das Festo Fachbuch (Kap. 5) beschreibt und erklärt die physikalischen Grundlagen der Pneumatik sowie Aufbau und Funktion der pneumatischen Komponenten. In FluidSIM finden wir Animationen die helfen, die Funktion von Ventilen und Zylindern zu verstehen. Lehrmaterial Einzelschritt Animationen Ablauf Abb. 4.3: Beschreibung der Funktion von Ventilen und Zylindern durch Animation Pneumatische Zylinder sind druckluftgetrieben. Die Kolbenstange des Zylinders kann ausfahren (Vorhub) und einfahren (Rückhub). Dazu muss der Weg der Druckluft durch den Zylinder für beide Richtungen gesteuert werden. Diese Aufgabe übernehmen Ventile. Wir wollen die Ventile vom Rechner aus fernsteuern, deshalb verwenden wir elektrisch gesteuerte Magnetventile. In der Bibliothek finden wir zwei Arten von Zylindern und mehrere Arten von Magnetventilen. Wir müssen sie jeweils passend zur Aufgabenstellung richtig auswählen.

12 12 3 Stapelmagazin 3.1 Pneumatik Abb. 4.4: Pneumatische Komponenten 2. Zylinder: Es gibt verschiedene Typen von Zylindern. Unsere Wahl orientiert sich an den Typen, die in unseren Stationen eingebaut sind. Wir finden sie in der Abteilung Pneumatik/Aktuatoren. Abb. 4.5: Zwei Typen von Zylindern 1] Einfach wirkende Zylinder haben nur einen Einlass für die Druckluft. Die Luft dringt über das Ventil ein und der Kolben fährt aus. Auf der anderen Seite kann die Luft unbehindert ausströmen. Wenn man das Ventil umsteuert und den Weg der Druckluft nach außen freigibt, schiebt eine Feder im Zylinder den Kolben zurück und der Kolben fährt wieder ein. Doppelt wirkende Zylinder haben zwei Einlässe. Die Luft dringt über das Ventil auf einer Seite ein, der Kolben fährt aus. Dabei schiebt er die Luft auf der anderen Seite des Zylinderraums über das Ventil nach außen. Wenn das Ventil umgesteuert wird, nimmt die Luft den umgekehrten Weg und der Kolben fährt wieder ein.

13 13 3 Stapelmagazin 3.1 Pneumatik 3. Magnetventile: Wir finden sie in der Abteilung Ventile/Häufig verwendete Wegeventile/Elektromagnetisch betätigt. Die Bibliothek enthält sieben verschiedene Typen - unsere Stationen haben drei davon: 3/2-Wege-Magnetventil, in Ruhe geschlossen 4/2-Wege-Magnetventil 4/2-Wege-Magnet-Impulsventil Abb. 4.6: Benennung von Wegeventilen nach der Anzahl der Öffnungen und der Luftwege 1] Wegeventile heißen sie, weil sie je nach Schaltstellung die Luft im Innern in verschiedene Richtungen lenken (wie eine Weiche einen Zug lenkt). Die erste Zahl nennt die Anzahl der Öffnungen im Ventil, die zweite die Anzahl der Wege, die die Luft durch das Ventil nehmen kann. Magnetventile heißen sie, weil die Kraft, die das Ventil vor- und zurückschiebt, durch einen Elektromagneten (den Ventilmagneten) ausgeübt wird. Der Anschluss mit der Nummer 3 ist immer der Auslass. Dort ist bei uns ein Schalldämpfer eingeschraubt. Richtige Kombination von Ventil- und Zylindertyp: Das 3/2-Wege-Magnetventil passt zum einfachwirkenden Zylinder Das 4/2-Wege-Magnetventil passt zum doppeltwirkenden Zylinder Den Ventilmagneten findet man in zwei verschiedenen Abteilungen der Bibliothek: Pneumatik/Elektromagnetisch betätigte Ventile Elektrik/Schalter/Relais Abb. 4.7: Symbol Ventilmagnet

14 14 3 Stapelmagazin 3.1 Pneumatik 4. Elektropneumatik: Wir haben nun (anders als bei der Station Transportband) drei Kreise - einen elektrischen Steuerstromkreis, einen elektrischen Arbeitsstromkreis und einen pneumatischen Arbeitskreis. Im Arbeitsstromkreis müssen wir als Relais den Ventilmagneten wählen, der das Magnetventil im Arbeitskreis schaltet. Der pneumatische Arbeitskreis braucht genauso wie der elektrische eine Energieversorgung (der Verdichter), Schalter (die Ventile) und Aktuatoren (die Zylinder). Elektrischer Steuerstromkreis Elektrischer Arbeitsstromkreis Pneumatischer Arbeitskreis Manueller Taster, Sensoren Relais Relaisschalter Ventilmagnet Magnetventil Zylinder Abb. 4.8: Schaltkreise für Elektropneumatik Wir müssen dafür sorgen, dass die Befehle vom elektrischen Steuerstromkreis (mit den manuellen Schaltern, Relais und Sensoren) über den elektrischen Arbeitsstromkreis (mit den Relaisschaltern und Ventilmagneten) an den pneumatischen Arbeitskreis (mit den Magnetventilen und Zylindern) übermittelt werden. Dazu müssen wir wieder Marken vergeben: Gleiche Marke für Relais im Steuerstromkreis und Relaisschalter im elektrischen Arbeitsstromkreis. Gleiche Marke für Ventilmagnet und Magnetventil in den beiden Arbeitskreisen. Gleiche Marke für Magnetventil und Steckplatz am Multipolverteiler. Pneumatische Schaltungen zeichnet man so, dass im Bild die Energie mit der Druckluft von unten nach oben fließt: vom Verdichter zum Magnetventil und dann zum Zylinder. Virtuelle und reale Bauelemente: Real existieren nur die Teile des pneumatischen Arbeitskreises: Kompressor, Zylinder und Magnetventile. Die Ventilmagnete des elektrischen Arbeitskreises sind Funktionsteile der Magnetventile und damit auch real. Real ist auch die elektrische Energieversorgung beider Stromkreise. Virtuell (scheinbar/nicht real) sind alle anderen Teile des elektrischen Steuerstromkreises.

15 15 2A 3 Stapelmagazin 3.3 Manueller Betrieb 3.3 Manueller Betrieb Stapelmagazine haben die Aufgabe, Teile in geordneter Form im Vorrat zu halten und sie bei Bedarf einzeln auszugeben (Magazinieren und Vereinzeln). Wir wollen von einer rein manuellen Steuerung (ein Tasterdruck für jeden Schritt) zu einer voll automatisierten Steuerung (ein Tasterdruck für alle Schritte) gelangen. 1A 1S1 Abb. 4.9: Skizze der Station Stapelmagazin 1] Aufgaben A1: Schaltung für komplett manuelle Steuerung: Unser Stapelmagazin hält Deckel im Vorrat. Auf den Ablagetisch vor dem Magazinturm legen wir eine Dose. Durch Druck auf Taster T1 schiebt der horizontale Zylinder 1A den Deckel aus dem Magazinturm auf die Dose, mit Druck auf Taster T2 fährt der Zylinder wieder ein. Mit Druck auf Taster T3 presst der vertikale Zylinder 2A den Deckel auf die Dose. Mit Druck auf Taster T4 fährt der vertikale Zylinder wieder ein. Finde selbst heraus, wo eine Selbsthaltung für einen Taster nötig ist und wo nicht. A2: Zeitgesteuerte und vereinfachte Variante: Der Deckel soll nach dem Aufpressen mit der Dose verklebt werden. Dazu soll der Zylinder 2A den Anpressdruck fünf Sekunden lang halten und dann automatisch einfahren. Die Anzahl der Taster soll auf zwei reduziert werden. Entwickle und teste eine Schaltung. A3: Vollautomatischer Betrieb: Der gesamte, in A2 beschriebene Vorgang soll durch einen einzigen Tasterdruck ausgelöst werden. A4: Endlosbetrieb ohne Stopp-Taster: Der in A3 beschriebene Prozess soll sich ohne erneuten Tasterdruck ständig wiederholen. Damit man Zeit hat, die verschlossene Dose zu entnehmen und eine neue einzulegen, ist eine Pause von drei Sekunden vor der Wiederholung einzuplanen. A5: Endlosbetrieb mit Stopp-Taster: Der in A4 beschriebene Prozess kann durch Druck auf einen Stopp-Taster beendet werden. Das Stoppsignal ist immer erst dann wirksam, wenn ein Zyklus beendet ist.

16 16 3 Stapelmagazin 3.4 Sensorgesteuerter Betrieb 3.4 Sensorgesteuerter Betrieb Sensoren haben die Aufgabe, Informationen zu erfassen und an den Prozessor weiterzuleiten. Sensoren haben immer drei Anschlüsse: die beiden vertikalen Anschlüsse für die Versorgungsspannung (+24 V oben, 0 V unten), den seitlichen Anschluss als Ausgang für das Sensorsignal. Abb. 4.10: Magnetischer Sensor und Schaltsymbol 1] Die Sensoren geben immer dann ein Signal aus, wenn ein Objekt in ihren Wirkungsbereich gelangt. Deshalb heißen sie Näherungsschalter (magnetische, induktive und optische). Sensoren arbeiten im Steuerprogramm wie Schalter, die sich schließen und öffnen. Ihren Schaltzustand melden sie als Input über den Multipolverteiler an den Rechner zurück. Das Sensorsignal können wir im Programm verwenden, um die Station zu steuern (Output). Die Zylinder des Stapelmagazins lassen sich mit magnetischen Sensoren ausrüsten. Die Enden der Zylinderkolben tragen Permanentmagneten. Gelangen die Enden der Zylinder in die Nähe eines Sensors, schließt die Magnetkraft den Schaltkontakt im Sensor (Reed-Kontakt Festo-Fachbuch, Kap. 4.1). Eine LED am Sensor leuchtet auf. Das Sensorsignal wandert durch das Kabel zum Steckplatz am Multipolverteiler. Dort leuchtet ebenfalls eine LED auf. Vom Multipolverteiler gelangt das Signal über den EasyPort zum Rechner. Das Steuerprogramm wird damit informiert, dass der Kolben in der Sensorposition angekommen ist. Abb. 4.11: Sensor in Steuerkreis einfügen und markieren

17 17 3 Stapelmagazin 3.4 Sensorgesteuerter Betrieb Sensorschaltung konfigurieren: Auf Tasterdruck soll der Kolben des waagrechten Zylinders ausfahren. Ist der Kolben vorne angekommen, spricht der Sensor an. Sein Signal soll den Rückhub auslösen. Wir laden die FluidSIM-Datei von Kap. 4.3, A1. Wir entfernen den Taster für den Rückhub und ersetzen ihn durch den magnetischen Näherungsschalter. Das Relais für den Rückhub legen wir in die seitliche Steuerleitung des Sensors. Das Sensorsymbol erhält mit Doppelklick eine Marke: 1S1 (die führende 1 für Aktuator 1A, der Buchstabe S für Sensor, die nachgestellte 1 für den ersten Sensor an Aktuator 1A). Das Sensorsymbol wird auf dem Multipolverteiler markiert: Doppelklick und Eintrag der Marke in der (linken) Sensorspalte an der richtigen Position (vgl. Abb. 3-10). Das Sensorsymbol wird am Zylinder angebracht: Doppelklick auf den Zylinder 1A öffnet das Kontextmenü-Fenster: 2A 2 We ge 1A 4 Öffnungen bistabi 2 Wege monostabil l bi mbi do pp Abb. 4.12: Sensor am Zylinder markieren Wir tragen nacheinander ein: 1. Die Marke des Sensors, 2. die Anfangsposition, bei der der Sensorschalter anzieht (bei uns 100 mm), 3. die Endposition, bei der der Sensorschalter wieder abfällt (bei uns 100 mm). Anfang und Ende bezeichnen Anfang und Ende des Sensors, nicht des Zylinders. Wenn wir in beiden Fällen den gleichen Wert eingeben, simulieren wir damit einen punktförmigen Sensor, der am Ende des 100 mm langen Zylinders sitzt. Wir testen die Schaltung in der Simulation und an der Station! Beachte: Mit dieser Programmierung wird der magnetische Sensor auch ohne Mausklick in der Simulation aktiv, weil er auf die Position des Zylinders reagiert.

18 18 3 Stapelmagazin 3.4 Sensorgesteuerter Betrieb Aufgaben Beachte: Die Hinweise in Kap. 3.3, Punkt 3 auf Seite sind auch hier von Bedeutung. Der Sensor erlaubt uns, die zeitgesteuerten Abläufe von Arbeitsblatt 4.3 durch sensorgesteuerte zu ersetzen. A1. Auf der Ablage liegt eine Dose. Auf Tasterdruck soll Zylinder 1A einen Deckel aus dem Magazinturm auf die Dose schieben und sofort wieder einfahren. Zylinder 2A soll sensorgesteuert ausfahren, den Deckel fünf Sekunden lang auf die Dose pressen und wieder einfahren. A2. Wie bei A1, jedoch soll der vertikale Zylinder nicht sofort ausfahren sondern erst zwei Sekunden, nachdem der Zylinderkolben 1A in der vorderen Position angelangt ist. (Hinweis: Hier haben wir wieder das von früher bekannte Problem, dass der Sensorschalter bereits wieder offen ist, wenn das verzögerte Relais anziehen soll.) Typisch für automatisierte Prozesse ist, dass sich einzelne Arbeitsschritte oder ganze Schrittfolgen periodisch wiederholen. Diese Wiederholung soll nun nach Druck auf die Start-Taste solange automatisch ablaufen, bis wir die Stopp-Taste drücken. Dabei müssen wir sicherstellen, dass jeder neue Zyklus erst dann beginnt, wenn der vorherige abgelaufen ist. Dazu braucht der Rechner die Information von der Station, dass der Zyklus beendet ist. Er erhält sie von einem zweiten Sensor, den wir am vertikal angeordneten Zylinder 2A montieren. Dieser Sensor spricht immer dann an, wenn der Kolben in der oberen Position ist. Sein Signal kann den neuen Zyklus auslösen. (Wir verwenden einen der Sensoren von der Station Handling. Befestige ihn mit einem Klebeband so am Zylinder, dass er anspricht, wenn der Kolben in der oberen Position ist.) A3. Lade deine Schaltung von A1 und füge den zweiten Sensor in deinen Schaltkreis ein. Konfiguriere ihn komplett (am Zylinder und am Multipolverteiler). Entwickle nun eine Steuerung, mit der sich der Vorgang aus A2 periodisch wiederholt. Wenn man einen Stopp-Taster drückt, soll die Anlage abschalten, wenn der laufende Zyklus beendet ist. A4. Wahrscheinlich wird die Station nach Starten von FluidSIM sofort mit der Arbeit loslegen, auch wenn wir keinen Start-Taster gedrückt haben. Das ist natürlich sicherheitstechnisch nicht akzeptabel. Finde eine Lösung, um diesen Mangel auszuschalten. A5. Bevor der horizontale Zylinder eine neue Dose aus dem Magazinturm schiebt, muss der Arbeiter an der Anlage die verschlossene Dose vom Ablagetisch nehmen und eine neue Dose einlegen. Dazu braucht er fünf Sekunden. Entwickle eine Lösung auf der Basis der Schaltung von A4 oder A5.

19 2S1 3 Stapelmagazin 3.4 Sensorgesteuerter Betrieb Auszug aus den kommentierten Lösungen der Aufgaben 3.4 Sensorgesteuerter Betrieb Für alle Aufgaben: Sensorschaltung konfigurieren (Skript S ): 3.4 Stapelmagazin - Sensoren A5: Periodischer Ablauf mit Ein-/Aus-Taster 1S1 +24V 0 1S1 1M1 1 1A 2A 2 2S1 1M M1 5 K2 K3 K M M2 2M1 2 1M1 1M2 2M1 Vorrang aktiv V Pneumatischer Arbeitskreis Elektrischer Arbeitskreis Elektrischer und pneumatischer Arbeitskreis sind für alle Aufgaben identisch. Mit der konsequenten Trennung von Steuer- und Arbeitskreis hat man einen doppelten Vorteil: Die Schaltung des Steuerkreises wird leichter lesbar und kann zudem schneller und leichter an veränderte Anforderungen angepasst werden. Der Vorhub des horizontalen Zylinders 1A aktiviert den Sensor 1S1, wenn der Kolben des Vereinzelungszylinders in der vorderen Position ankommt. Das Sensorsignal kann nun den Rückhub auslösen und damit die aufwendige und unzuverlässige Zeitsteuerung ersetzen. Sensor 2S1 am vertikalen Zylinder 2A signalisiert, dass der Kolben des Einpresszylinders sich (wieder) in der Ausgangsposition befindet. Damit wird der Zyklus begonnen oder neu gestartet. 19

20 20 3 Stapelmagazin 3.4 Sensorgesteuerter Betrieb A3: 3.4_ A5: Periodischer Ablauf mit Ein-/Aus-Taster Elektrischer Steuerkreis +24V Ein K1 K1 1S1 K3 2S1 K1 K6 K5 Aus K1 K2 K3 K4 5 K5 K6 5 0V Um den Prozess nach dem Start zyklisch ablaufen und nach Ende eines Zyklusses stoppen zu können, sind mehrere Veränderungen notwendig: Das Signal des Start-Tasters muss in einer Selbsthaltung gespeichert werden. Das Startsignal darf den Vereinzelungszylinder nur dann ausfahren, wenn der Zyklus beendet ist. Der Stopptaster soll die Selbsthaltung zurücksetzen, muss jedoch das Ende des Zyklusses abwarten. Der Start-Taster aktiviert das Relais K1 und setzt damit die Selbsthaltung. Damit beide Bedingungen für den Neustart wirksam sind, wird der zweite Relaisschalter K1 in einer UND- Schaltung mit dem Schalter des anzugsverzögerten Relais K6 in Reihe gelegt. Erst wenn beide Schalter geschlossen sind, zieht Relais K2 an und der Vereinzelungszylinder 1A fährt aus. Weil sich der Einpresszylinder 2A in der Ausgangsposition befindet, sind der Sensorschalter 2S1 und damit der Relaisschalter K5 geschlossen. Das anzugsverzögerte Relais K6 zieht nach Ablauf der Wartezeit an und nun kann der Kolben von Zylinder 1A ausfahren. Vorne angekommen, aktiviert er den Sensor 1S1. Sein Signal startet den Rückhub von Zylinder 1A und über das abfallverzögerte Relais K4 den Vorhub des Einpresszylinders 2A. Kommt dieser nach Ablauf der Wartezeit wieder in der oberen Position an, schließt der Sensorschalter 2S1 den Relaisschalter K5. Nun startet die Uhr des anzugsverzögerten Relais K6. Nach Ablauf der Wartezeit schließt Relaisschalter K6 und der Prozess startet erneut. Der Stopptaster setzt die Selbsthaltung für den Starttaster zurück. Damit fällt Relais K1 ab, die Schalter K1 werden geöffnet. So wird der Neustart verhindert, die laufenden Aktionen der Kette durch das Stoppsignal jedoch nicht abgebrochen. Der Ablauf wird in Kap. 6 wieder aufgegriffen und in Schrittkettentechnik neu programmiert.

21 21 3 Programmieren mit Schrittketten 3.4 Weitere Anwendungen der Schrittkettentechnik 6 Programmieren mit Schrittketten Weitere Anwendungen der Schrittkettentechnik Die Aufgabenserie zeigt, wie sinnvoll die Methode der Schrittkettenprogrammierung auch für scheinbar einfache Probleme sein kann, wenn man zyklische Abläufe anstrebt und wenige Sensoren zur Verfügung stehen. Der Programmieraufwand erscheint für diesen einfachen Ablauf unverhältnismäßig groß, macht sich aber in der Fortsetzung rasch bezahlt. Programme für zyklische Abläufe lassen sich mit der einfachen Methode der verbindungsprogrammierten Steuerung oft nur schwer erzeugen. Kleine Änderungen im Ablauf verlangen oft weitgehende Änderungen im Programm oder stellen sogar das gesamte Konzept in Frage. A3: Stapelmagazin periodischer Ablauf mit Start und Stopp; Initialisierung durch Setzen des letzten Schritts 6.3 Schrittkettentechnik - Stapelmagazin 6.3_A3: Periodisch mit Start und Stopp ob e n I1 & 1. vor RS M Q1 v or vo rn Start I2 I3 RS & 2. rück RS M RS Q2 Q3 rü ck ab Stopp I4 I warten und ab RS M Q4 Q5 I6 hi 5 4. warten und auf RS M Q warten RS M hi M > Init. oder Wh. RS M Das Signal des Starttasters wird gespeichert. Solange es nicht durch ein Stoppsignal gelöscht wird, kann sich der Ablauf permanent wiederholen. Die Kette startet nur dann mit Schritt 1, wenn der Start-Taster gedrückt, Sensor 2S1 Zylinder 2A in der Position oben meldet und der letzte Schritt 6 gesetzt ist. Dies besorgt beim Neustart der auf Hi gesetzte Merker, beim Wiederholungsstart der Schrittspeicher von Schritt 6.

22 22 3 Programmieren mit Schrittketten 3.4 Weitere Anwendungen der Schrittkettentechnik Die Vorgehensweise für die Initialisierung mit Hilfe des Merkers wird in Kap. 6.3, S des Skripts beschrieben. Wegen des Verzögerungsglieds in Schritt 3 fährt der vertikale Zylinder nicht sofort aus, wenn der horizontale in der vorderen Position angekommen ist. Verzichtet man darauf, lassen sich die Aktionen 2 und 3 mit einem gemeinsamen Schrittbefehl auslösen. Wegen des monostabilen Ventils am vertikalen Zylinders 2A muss man ein zweites Speicherglied einfügen, das den Aktionsbefehl speichert, nachdem der Schrittbefehl gelöscht wurde. Das Verzögerungsglied in Schritt 5 ist optional. Auszug aus dem Skript S. 73: Die Schrittkettentechnik der Programmierung hat mehrere Vorteile: Wenn wir im Digitalmodul die Ablaufglieder für jeden Schritt sauber vertikal anordnen, können wir den Ablauf des Programms zeilenweise wie den Text in einem Buch lesen. Wenn wir später ins Programm eingreifen und eine Änderung vornehmen wollen, können wir den richtigen Ort rasch bestimmen, weil jede Zeile einen Ablaufschritt repräsentiert. Wenn wir korrekt programmieren, wirkt sich die Änderung nur an der Stelle des Programmablaufs aus, an der wir sie vorgenommen haben. Wenn im zeitlichen Ablauf ein bestimmter äußerer Zustand mehrfach auftritt, können wir trotzdem verschiedene Aktionen programmieren, weil jeder Schritt durch seinen Platz in der Ablaufkette eindeutig markiert ist.