Konfiguration und Programmierung eines Automatisierungsmodelles mit MecLab

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1 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Versuchsanleitung zum Ingenieurwissenschaftlichen Praktikum Konfiguration und Programmierung eines Automatisierungsmodelles mit MecLab

2 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 2 INHALTSVERZEICHNIS 1. EINFÜHRUNG: ORGANISATORISCHE HINWEISE: ALLGEMEINES: ÜBERSICHT ÜBER DAS LERNSYSTEM MECLAB : ALLGEMEINES: STEUERUNGSSOFTWARE FLUIDSIM : STATION STAPELMAGAZIN: TECHNISCHE BEDEUTUNG: KOMPONENTEN DER STATION STAPELMAGAZIN: STATION TRANSPORTBAND: TECHNISCHE BEDEUTUNG: KOMPONENTEN DER STATION TRANSPORTBAND: STATION HANDLING: TECHNISCHE BEDEUTUNG: KOMPONENTEN DER STATION HANDLING: LINEARE ABLAUFSTEUERUNG AUFGABEN: VORBEREITENDE AUFGABEN: Arbeitsablaufplan Arbeitsstation Arbeitsablaufplan Arbeitsstation PRAKTISCHE AUFGABEN: Simulation und Steuerung der einzelnen Arbeitsstationen: a) das Stapelmagazin und das Förderband nach der Spezifikation! b) die Station Handling nach der Spezifikation! Simulation und Steuerung des gesamten Produktionsprozesses: ANHANG A BAUTEILE RELAIS: Anwendungen von Relais: Aufbau eines Relais Zeitrelais: MAGNETISCHE SENSOREN: INDUKTIVE NÄHERUNGSSCHALTER: ANHANG B LOGIK ANHANG C BEISPIEL FÜR DIE ENTWICKLUNG EINES EINFACHEN PROGRAMMES: ANHANG D BEISPIELPROGRAMM:... 27

3 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 3

4 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 4 1. Einführung: 1.1 Organisatorische Hinweise: Die Bearbeitung dieses Praktikums erfolgt am Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme, Gebäude A5.1, Raum Die Gruppengröße umfasst vier Studierende, d.h. es arbeiten jeweils zwei Personen an einer Arbeitsstation. Der Inhalt dieses Skriptes wird vor Versuchsbeginn in Form eines Antestates geprüft! 1.2 Allgemeines: Im Zeitalter des 21. Jahrhundert gewinnt die Automatisierungstechnik als ein wichtiger Teilbereich der Ingenieurswissenschaften zunehmend an Bedeutung. Täglich werden wir Menschen durch die Nutzung von Rolltreppen oder automatisch öffnenden Türen mit automatisierten Systemen konfrontiert. Selbst ein einfacher Einkauf wird durch den Warentransport an der Kasse eines Supermarktes zu einem automatisierten Geschehen. Ziel dieses Versuchs des mechatronischen Praktikums ist es, sich mit automatisierten technischen Systemen vertraut zu machen. Hierzu steht das von Festo Didactic entwickelte Lehr und Lernsystem MecLab zur Verfügung, welches mit dem bereitgestellten Simulations- und Steuerprogramm FluidSIM (Baukastenprogrammierung) die Teilsysteme Stapelmagazin, Transportband und Handling zur Umsetzung einer einfachen Fertigungsstrecke bietet.

5 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 5 2. Übersicht über das Lernsystem MecLab : 2.1 Allgemeines: Das Lernsystem MecLab besteht im Wesentlichen aus drei Stationen, welche die Funktionen: Magazinieren und Vereinzeln (= Station Stapelmagazin) Transportieren und (= Station Transportband) Handhaben (= Station Handling) modellhaft nachbilden. Diese drei Prozesse sind typisch für jede automatisierte Fertigung. Außer den Stationen besteht das Lernsystem aus folgenden Komponenten: Kompressor zur Versorgung der Stationen mit Druckluft Simulation- und Steuerprogramm FluidSIM EasyPort zur Verbindung der Stationen mit dem PC Netzteile zur Stromversorgung der EasyPorts Werkstücke Die Steuerung der Stationen erfolgt über das Simulations- und Steuerprogramm FluidSIM in Verbindung mit einem EasyPort. Über den EasyPort kann FluidSIM Sensorsignale von den Stationen einlesen und die Antriebe der Stationen ansteuern. Eine Station wird über den EasyPort mit der USB Schnittstelle des PC verbunden. Um eine Verbindung vom Computer zu den einzelnen Bauteilen herstellen zu können, ist es erforderlich, die Sensoren mit dem Multipolverteiler zu verbinden. Die Kabel der Ventile werden in der mit ungeraden Ziffern [1, 3, 5, 7, 9, 11] bezeichneten Reihe (Eingänge) angeschlossen. In der mit geraden Ziffern [2, 4, 6, 8, 10] bezeichneten Reihe (Ausgänge) werden die Kabel der Sensoren angeschlossen. Abbildung 2.1: Darstellung der Stationen

6 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Steuerungssoftware FluidSIM : Schritt 1: Start des Programmes FluidSIM Öffnen des Programmes FluidSIM durch Doppelklick auf das Programmsymbol Aufrufen einer neuen Arbeitsfläche In der zweiten Menüleiste links auf das leere weiße Blatt klicken. Es erscheint eine neue leere Arbeitsfläche für eine Steuerung. Sämtliche für die Simulation benötigten Bauteile befinden sich in der sogenannten Komponentenbibliothek. Diese ist gegliedert in die Bereiche: Pneumatik Elektrik Digitaltechnik EasyPort/OPC/DDE Verschiedenes Abspeichern der neuen Steuerung Hierzu in der Menüleiste Datei > Speichern unter auswählen und die Datei auf den Desktop mit selbst gewähltem Namen speichern. Schritt 2: Die zum Erstellen des Schaltplanes notwenigen Komponenten befinden sich in der Symbolleiste auf der linken Bildschirmseite. Sie werden in den Schaltplan eingefügt, indem man: Das entsprechende Symbol anklickt, Die linke Maustaste gedrückt hält, Das Symbol an die gewünschte Stelle des Schaltplanes zieht und dort die Maustaste loslässt.

7 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 7 Alle Bauteile müssen in der Arbeitsfläche miteinander verknüpft werden. Zentrales Bauteil ist hierbei das Digitalmodul. Der Übersicht wegen sollten die Sensoren (also die Eingabe der Signale) immer oberhalb und die Relais (zur Ansteuerung der Aktoren) immer unterhalb des Digitalmoduls angebracht werden. Der Multipolverteiler sollte auf der linken Seite fixiert werden. Abbildung 2.2: Arbeitsfläche von FluidSIM Verkabelung der Bauteile Sollen zwei Bauteile miteinander verbunden werden, klickt man das Ende der Leitung des einen Bauteils an, hält die linke Maustaste gedrückt und führt sie zum gewünschten Anschluss des anderen Bauteils. Abbildung 2.3: Verdrahtung der Komponenten

8 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 8 Setzen von Marken Damit FluidSIM weiß, welche Komponenten zusammengehören, werden sogenannte Marken gesetzt. Dies geschieht durch Anklicken mit der rechten Maustaste auf das Symbol der Komponente. Darauf öffnet sich das Kontextmenü. Hier wählt man den Menüpunkt Eigenschaften. In dem Dialogfenster trägt man die Marke ein (vgl. Abbildung 2.4). Beide Teile des Relais müssen dieselbe Marke tragen, hier K1. Auch der Sensor wird mit einer Marke versehen (S1), ebenso die beiden Taster (T1 und T2). Abbildung 2.4: Setzen von Marken Verknüpfung der Logikbausteine im Digital-Modul Um das Logikprogramm in das Digital-Modul bzw. die SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) eingeben zu können, wird das Digital-Modul durch Doppelklick geöffnet. Ein neues Fenster mit den Ein- und Ausgangskanälen des Digital-Moduls wird dargestellt.

9 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 9 Abbildung 2.5: Ein- und Ausgangskanäle des Digital-Moduls Auf der linken Seite befinden sich die mit I1 bis I6 bezeichneten Eingänge, auf der rechten Seite die mit Q1 bis Q6 bezeichneten Ausgänge. Die Ein- und Ausgänge werden nun mit Logikbausteinen verknüpft. Diese befinden sich in der Symbolleiste links am Bildschirm und werden wie alle anderen Komponenten in die Arbeitsfläche gezogen und miteinander verbunden. Die prinzipielle Aufgabe der SPS besteht darin, die von den Sensoren abgegebenen Signale so zu verarbeiten, dass die Aktoren die gewünschte Funktion erfüllen können. Dies wird mit Hilfe der Logikbausteine realisiert. Beispiel Logikglieder: Folgende Funktionen werden benötigt: Der Motor soll auf Tastendruck starten. D.h. es wird ein Selbsthalteglied (RS-Glied) benötigt, um das Tastersignal zu speichern. Bei Betätigung des zweiten Tasters oder der Lichtschranke soll der Motor wieder stoppen. Dazu wird ein ODER-Glied benötigt. Im Anhang B finden Sie mehr zum Thema LOGIK!

10 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Station Stapelmagazin: 3.1 Technische Bedeutung: In jeder Produktionslinie müssen Materialien oder Zwischenprodukte zwischengelagert werden. Dies kann sowohl auf Paletten im produktionsnahen Umfeld geschehen, aber auch in Stapelmagazinen. Dennoch steht jederzeit die Effektivität der Zurückführung zum Produktionsprozess im Vordergrund. Das Stapelmagazin ist eine der einfachsten Möglichkeiten, Werkstücke geordnet zu lagern und anschließend zu verteilen. 3.2 Komponenten der Station Stapelmagazin: Die Station Stapelmagazin besteht aus mehreren Einzelkomponenten, die je nach geforderter Aufgabenstellung individuell genutzt und kombiniert werden kann. Als Basis für die Station Stapelmagazin dient eine Aluminiumprofilplatte mit Nuten, auf der die Einzelteile des Stapelmagazins befestigt werden können. Abbildung 3.1: Möglicher Aufbau der Station Stapelmagazin

11 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 11 Die nachfolgende Tabelle beinhaltet die wichtigsten Einzelkomponenten der Station: Abbildung Symbol Beschreibung Magnetischer Näherungsschalter, Erfassung der Lage des Zylinderkolbens 3 / 2 Wege Absperrhahn, Absperren der Druckluft und Entlüften Einfachwirkender Zylinder mit 50mm Hub und 10mm Kolbendurchmesser Doppeltwirkender Zylinder mit 50mm Hub und 10mm Kolbendurchmesser Drossel Rückschlagventil, dient zur Geschwindigkeits Regulierung der pneumatischen Antriebe 4 / 2 Wege Magnetventil, mit pneumatischer Rückstellung 4 / 2 Wege Magnet - Impulsventil Multipolverteiler, Anschluss der elektrischen Komponenten (Aktoren, Sensoren)

12 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Station Transportband: 4.1 Technische Bedeutung: Zum Teil schwere und auch monotone Handarbeiten werden immer mehr durch automatisierte Anlagen ersetzt. Zum Transport materieller Güter übernehmen Transportbänder eine sehr wichtige Aufgabe in jeder Produktionslinie. 4.2 Komponenten der Station Transportband: Die Station Transportband kann sowohl als integriertes als auch autonomes (eigenständiges) technisches Teilsystem betrachtet werden. Nachfolgender Aufbau geht von einem eigenständigen System aus. Abbildung 4.1: Möglicher Aufbau der Station Förderband

13 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 13 Die nachfolgende Tabelle beinhaltet wiederum die wichtigsten Einzelkomponenten der Station: Abbildung Symbol Beschreibung Gleichstromgetriebemotor, bewegt die Riemen des Transportbandes (vorwärts und rückwarts) Hubmagnet, kann als Stopper oder als Weiche arbeiten Induktiver Sensor, kann metallische oder metallisierte Werkstücke erkennen Optischer Sensor, erkennt alle Werkstücke, die den Strahlengang der Lichtschranke blockieren Relais, steuert den Motor an, dient zum Umpolen des Motors (Richtungsumkehr) Multipolverteiler, Anschluss der elektrischen Komponenten (Aktoren, Sensoren)

14 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Station Handling: 5.1 Technische Bedeutung: In jeder automatisierten Montageanlage müssen die Werkstücke bewegt, orientiert und montiert werden. Diese Aufgabe übernehmen sogenannte Handhabungsroboter. Für viele Montageaufgaben sind einfache Handhabungsroboter ausreichend, welche nur wenige meist zwei Achsen verfahren können. Eines der wichtigsten Teilsysteme eines Handhabungsgerätes ist der Greifer, mit denen der Kontakt zum Werkstück hergestellt wird. Hiervon gibt es viele verschiedene Ausführungen (mechanischer Greifer, Vakuumgreifer, Magnetgreifer, Haftgreife, usw.) Die häufigste Aufgabe der Station Handling besteht darin Pick&Place Bewegungen auszuführen, d.h. Werkstücke aus einem Magazin zu entnehmen (Pick) und anschließend woanders wieder abzulegen bzw. zu montieren (Place). 5.2 Komponenten der Station Handling: Die Station Handling besteht aus zwei pneumatischen Linearachsen einem pneumatischen Greifer drei Ventilen zur Steuerung der pneumatischen Aktoren vier magnetischen Näherungsschaltern zur Erfassung der Position der Achsen Abbildung 5.1: Möglicher Aufbau der Station Handing

15 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 15 Die nachfolgende Tabelle beinhaltet wiederum die wichtigsten Einzelkomponenten der Station: Abbildung Symbol Beschreibung Greifer zum Festhalten der Werkstücke Magnetischer Näherungsschalter, Erfassung der Lage des Zylinderkolbens 3 / 2 Wege Absperrhahn, Absperren der Druckluft und Entlüften Doppelwirkender geführter Zylinder Drossel Rückschlagventil, dient zur Geschwindigkeits Regulierung der pneumatischen Antriebe 4 / 2 Wege Magnetventil, mit pneumatischer Rückstellung 4 / 2 Wege Magnet - Impulsventil Multipolverteiler, Anschluss der elektrischen Komponenten (Aktoren, Sensoren)

16 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Lineare Ablaufsteuerung In der Praxis treten oft Probleme auf, bei denen unterschiedliche Aktionen sequentiell ausgeführt werden müssen. Das heißt eine Aktion n wird durchgeführt, sobald die Aktion n-1 abgeschlossen wurde, und gleichzeitig bestimmte Bedingungen (z.b. die Aktivierung von Sensoren) erfüllt sind. So soll beispielsweise ein Aufzug losfahren (Aktion n) sobald die Taste betätigt wurde (Aktion n-1) und ein Sensor anzeigt dass die Tür geschlossen ist (Bedingung). Zur Realisierung solcher Prozesse werden Logische Schaltglieder wie UND, ODER, NICHT-Gatter, Selbsthalteglieder und Zeitschaltuhren miteinander verschaltet. Da diese Schaltungen schon bei einfachen Problemen leicht unübersichtlich werden können und ohne formale Methoden schwer zu entwerfen sind, lohnt sich der Entwurf einer linearen Ablaufsteuerung wie sie in vereinfacht in Abbildung 6.1 dargestellt ist. Abbildung 6.1: Prinzipschaltbild Lineare Ablaufsteuerung Die Ablaufsteuerung besteht aus mehreren durch Rechtecke symbolisierte Ablaufschritte die miteinander verbunden sind. Hierbei besteht jeder Ablaufschritt aus einem RS-Speicherglied und einem UND-Gatter. Sobald der Initialschritt extern aktiviert wurde (in diesem Fall die Betätigung des Tasters) und die Bedingung 1 erfüllt ist, wird die Aktion 1 durchgeführt. Nachdem Bedingung 2 erfüllt ist, wird der Ablaufschritt 1 durch die Rückkopplung zurückgesetzt und gleichzeitig Aktion 2 durchgeführt. Diese Abfolge von Schritten wird solange weitergeführt, bis die letzte Aktion aktiviert ist. Hierbei ist zu beachten, dass die Bedingungen von den durchgeführten Aktionen abhängen dürfen. So kann ein Pneumatik-Kolben bei voller Auslenkung zum Beispiel einen Endschalter aktivieren der als Bedingung eines nachfolgenden Ablaufschritts dient. Soll ein Prozess nach einmaliger Aktivierung beliebig oft durchlaufen werden, muss der letzte Ablaufschritt wieder mit dem ersten verbunden werden. Abbildung 6.2 zeigt die hierzu notwendige Modifikation in blau.

17 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 17 Abbildung 6.2: Realisierung einer Prozessschleife Nach Abbildung 6.3 können auch Verzweigungen realisiert werde. Abbildung 6.3: Realisierung von Verzweigungen Die Bedingungen sind in der Regel logische Funktionen in Abhängigkeit der Sensorsignale und der Zeit (Zeitschaltuhren). Ebenso sind die Aktoren über solche Funktionen mit den Aktionen verknüpft (vgl. Abbildung 6.4). Abbildung 6.4: Logische Funktionen

18 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Aufgaben: Nachfolgend gibt es eine Unterteilung in vorbereitende und praktische Aufgaben. 7.1 Vorbereitende Aufgaben: Bereits im Vorfeld sollen Sie sich mit dem Lehrinhalt intensiv auseinandergesetzt haben. Außerdem soll der Aufbau der einzelnen Stationen und das Funktionsprinzip in den Grundzügen verstanden sein, sowie die vorbereitenden Aufgaben und bearbeitet sein. Im praktischen Aufgabenteil soll eine komplette Produktionsstrecke errichtet werden. Hierfür werden die Stationen Stapelmagazin und Förderband in eine Arbeitsstation zusammengeführt. Eine zweite Arbeitsstation bildet die Station Handling. Spezifikation Arbeitsstation 1 (Stapelmagazin & Förderband): Das Stapelmagazin soll nach Betätigen eines Tasters genau ein Werkstück auf das Förderband schieben. Sobald ein Werkstück ausgeschoben wurde, wird das Förderband in Bewegung gesetzt. Während des Transportes auf dem Förderband soll erkannt werden, ob es sich um einen metallischen oder metallisierten Körper handelt. Wird ein nichtmetallisiertes Werkstück transportiert soll dieses bis zum Ende des Förderbandes transportiert werden und das Förderband wieder anhalten. Andernfalls soll der Probekörper mit Hilfe des Hubmagneten vom Band gestoßen werden. Abbildung 7.1: Prinzipskizze Förderband

19 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 19 Spezifikation Arbeitsstation 2 (Handling): Ein Produkt besteht immer aus zwei Werkstücken, einem Bodenwerkstück und einem Deckelwerkstück. Untenstehende Skizze soll die Ausgangssituation beschreiben. Abbildung 7.2: Prinzipskizze Station Handling Sobald sich ein Bodenwerkstück in Position A befindet, soll dieses mit Hilfe des Greifers zu Position B befördert werden. Dabei ist zu beachten, dass es sich um einen mechanischen Greifer handelt, welcher geöffnet bzw. geschlossen werden muss, um ein Bauteil zu transportieren. Das Bodenwerkstück verbleibt auf Position B und ein Deckelwerkstück wird sobald es in Position A liegt zu Position B gebracht. Hierbei wird das Deckelwerkstück auf das Bodenwerkstück gesteckt und das Produkt ist gefertigt. Anschließend soll das fertige Produkt mit einem Kolben von der Position B entfernt werden, sodass weitere Produkte dort Platz finden können Arbeitsablaufplan Arbeitsstation 1 Erstellen Sie einen Arbeitsablaufplan (siehe Vorlage in Anhang C) der Arbeitsstation 1 (Stapelmagazin und Förderband), welcher den zeitlichen Ablauf der einzelnen Arbeitsschritte erkenntlich macht Arbeitsablaufplan Arbeitsstation 2 Erstellen Sie einen Arbeitsablaufplan der Arbeitsstation 2 (Handling), welcher den zeitlichen Ablauf der einzelnen Arbeitsschritte erkenntlich macht.

20 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Praktische Aufgaben: Nun soll der Ablaufplan aus den vorbereitenden Aufgaben in das Simulations- und Steuerprogramm FluidSIM übertragen werden Simulation und Steuerung der einzelnen Arbeitsstationen: Simulieren und steuern Sie in FluidSIM a) das Stapelmagazin und das Förderband nach der Spezifikation! b) die Station Handling nach der Spezifikation! Hierbei muss jeweils eine Gruppe zunächst ausschließlich eine Arbeitsstation bearbeiten Simulation und Steuerung des gesamten Produktionsprozesses: Spezifikation: Ein Werkstück soll aus dem Stapelmagazin auf das Transportband geschoben werden. Das Werkstück soll nun mit dem Transportband zur Station Handling transportiert und dort mit dem Greifer von Position A nach B befördert werden. Metallische oder metallisierte Werkstücke werden zuvor auf dem Transportband aussortiert. Ein nächstes Werkstück durchläuft den gleichen Ablauf und wird mit dem Greifer von Position A auf das in Position B befindliche Werkstück gedrückt. Das fertige Produkt wird nun mittels eines Kolbens von Position B gestoßen. Dieser ganze Vorgang soll wiederholt werden.

21 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 21 ANHANG A Bauteile 1. Relais: Anwendungen von Relais: In elektropneumatischen Steuerungen werden Relais für folgende Funktionen eingesetzt: zur Signalvervielfachung zum Verzögern und Wandeln von Signalen zum Verknüpfen von Informationen zum Trennen von Steuer- und Hauptstromkreis In rein elektrischen Steuerungen nutzt man sie zusätzlich zur Trennung von Gleich- und Wechselstromkreisen. Abbildung A.1: Relais Abbildung A.2: Schaltplan einer Relaisgrundschaltung Aufbau eines Relais Ein Relais ist ein elektromagnetisch betätigter Schalter, bei dem der Steuer- und der gesteuerte Stromkreis galvanisch voneinander getrennt sind. Es besteht im Wesentlichen aus einer Spule mit Eisenkern (vgl. (3)(1) in Abbildung A.3), einem Anker als mechanischem Betätigungselement (4), der Rückholfeder (2) und den Schaltkontakten (6). Beim Anlegen einer Spannung an die Spule des Elektromagneten entsteht ein elektromagnetisches Feld. Dadurch wird der bewegliche Anker zum Spulenkern hingezogen. Der Anker wirkt auf die Kontakte des Relais, die je nach Anordnung geöffnet oder geschlossen werden. Wird der Stromfluss durch die Spule unterbrochen, bewirkt eine Feder die Rückstellung des Ankers in die Ausgangsstellung. Abbildung A.3: Relais- Schnittbild und Schaltzeichen

22 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 22 Mit einer Relaisspule können ein oder mehrere Kontakte geschaltet werden. Neben dem oben beschriebenen Relaistyp gibt es weitere Bauformen elektromagnetisch betätigter Schalter, z. B. das Remanenzrelais, das Zeitrelais und das Schütz. Zeitrelais: Bei Zeitrelais unterscheidet man zwischen anzugs- und abfallverzögerten Relais. Beim anzugsverzögerten Relais zieht der Anker um eine vorgegebene Zeitspanne t v verzögert an, das Abfallen erfolgt verzögerungsfrei. Beim abfallverzögerten Relais ist es umgekehrt. Entsprechend schalten die Kontakte (vgl. Abb.: A.4 / A.5). Die Verzögerungszeit t v kann eingestellt werden. Abbildung A.4: Anzugsverzögertes Relais Abbildung A.5: Abfallverzögertes Relais

23 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Magnetische Sensoren: Reedschalter sind magnetisch betätigte Näherungsschalter. Sie bestehen aus zwei Kontaktzungen, die sich in einem schutzgasgefüllten Glasröhrchen befinden. Durch Einwirkung eines Magneten wird der Kontakt zwischen den beiden Zungen geschlossen, so dass ein elektrischer Strom fließen kann (vgl. Abbildung A.6). Bei Reedschaltern, die als Öffner arbeiten, werden die Kontaktzungen mit kleinen Magneten vorgespannt. Diese Vorspannung wird durch den dann wesentlich stärkeren Schaltmagneten überwunden. Reedschalter weisen eine hohe Lebensdauer und eine geringe Schaltzeit (ca. 0,2 ms) auf. Sie sind wartungsfrei, dürfen aber nicht an Orten mit starken Magnetfeldern (z. B. in der Umgebung von Widerstandsschweißmaschinen oder Computertomographen) verwendet werden. Abbildung A.6: Reedschalter (Schließer) Prinzipskizze und Schaltsymbol

24 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Induktive Näherungsschalter: Ein induktiver Näherungsschalter besteht aus einem elektrischen Schwingkreis (1), einer Kippstufe (2) und einem Verstärker (3) (vgl. Abbildung A.7). Beim Anlegen einer Spannung an die Anschlüsse erzeugt der Schwingkreis ein (hochfrequentes) magnetisches Wechselfeld, das aus der Stirnseite des Sensors austritt. Ein elektrischer Leiter, der in dieses Wechselfeld gebracht wird, führt zu einer Dämpfung des Schwingkreises. Die nachgeschaltete Elektronik, bestehend aus Kippstufe und Verstärker, wertet das Verhalten des Schwingkreises aus und betätigt den Ausgang. Mit induktiven Näherungsschaltern lassen sich alle elektrisch gut leitenden Materialien erkennen, neben Metallen beispielsweise auch Graphit. Abbildung A.7: Induktiver Näherungsschalter Prinzip, Funktion, Symbol

25 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 25 ANHANG B Logik Steuerungen können nur dann technisch sinnvoll eingesetzt werden, wenn ihre Abläufe genau zum richtigen Zeitpunkt, an der exakten Position und in der richtigen Reihenfolge erfolgen. Dazu ist neben einer zuverlässigen Hardware eine Software notwendig, mit der komplexe technische Abläufe geplant, aber auch gesteuert werden können und die eine Benutzeroberfläche besitzt, die internationale Standards beachtet. Die Software FluidSIM entspricht diesen Anforderungen. FluidSIM bietet drei Möglichkeiten zur Entwicklung einer Steuerung: pneumatische Schaltkreise, elektrische Schaltkreise, logische Schaltkreise. Alle diese Schaltkreisarten sind miteinander kombinierbar und der Simulationsmodus ermöglicht die Erprobung von Steuerungsfunktionen, bevor sie am realen Modul verwirklicht werden. So können durch rechtzeitige Überprüfung der entwickelten Lösung am Computer Schäden am Technischen System vermieden werden. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Logiksymbole, die in FluidSIM zur Verfügung stehen.

26 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 26 ANHANG C Beispiel für die Entwicklung eines einfachen Programmes: Bevor mit der eigentlichen Programmierung begonnen werden kann, wird der Algorithmus in Form eines Ablaufdiagramms entwickelt. Spezifikation: Taster 1 und Taster 2 werden auf ihre Schaltzustände überprüft, besitzen beide Schalter den Zustand 1 (ein), wird der Zylinder ausgefahren, in jedem anderen Fall wird die Abfrage wiederholt. Abbildung C.1: Ablaufdiagramm Abbildung C.2: Logik Programm

27 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 27 ANHANG D Beispielprogramm: Aufgabenstellung: Entwickeln Sie eine computergestützte Handsteuerung mit folgenden Funktionen: Ausfahren der x-achse auf Tastendruck, aber nur, wenn der Zylinder sich in der hinteren Endlage befindet. Einfahren der x-achse auf Tastendruck, aber nur, wenn der Zylinder sich in der vorderen Endlage befindet. Vorgehen beim Lösen der Aufgabenstellung: Das Lösen dieser Aufgabenstellung lässt sich in fünf Phasen gliedern: 1. Vorüberlegungen und Prinzipskizze 2. Zuordnungstabellen für die Elemente 3. Schaltplanerstellung und Programmierung mit FluidSIM 4. Test mit FluidSIM in der Simulation 5. Testen des Programms am realen Handling Schritt 1: Vorüberlegungen Prinzipskizze des Handlingaufbaus Zunächst ist es sinnvoll, eine Prinzipskizze des mechanischen Aufbaus anzufertigen, um die Lage der Sensoren und Aktoren zu erkennen. Eine mögliche Prinzipskizze der an der Aufgabe beteiligten Bauteile kann wie in Abbildung D.1 aussehen. Diese Prinzipskizze kann eine Handzeichnung oder mit dem Computer erstellt sein. Abbildung D.1: Prinzipskizze der Station Handling

28 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 28 Pneumatischer Schaltplan Weiterhin ist es sinnvoll, einen pneumatischen Schaltplan sowie eine Zuordnungstabelle der Ein- und Ausgangssignale anzufertigen. Dieser Schaltplan kann mit FluidSIM oder als Handskizze erstellt werden. Abbildung D.2: Pneumatischer Schaltplan (nur x-achse) Schritt 2: Analyse der Aufgabestellung Bevor man mit dem Programmieren beginnt, sollte man sich über die Aufgabenstellung im Klaren sein. Dazu ist es sinnvoll, die Aufgabenstellung mit eigenen Worten wiederzugeben oder einen Ablaufplan zu erstellen. Der Kolben des horizontalen, doppeltwirkenden Zylinders soll aus der Ausgangslage (eingefahren) ausfahren. Der Befehl hierfür wird über einen Taster in FluidSIM erteilt. Der Zylinder darf aber nur ausfahren, wenn er sich in der hinteren Endlage befindet, d.h. eingefahren ist. Dies kann über den Näherungsschalter abgefragt werden. Dieser Näherungsschalter ist in der Prinzipskizze und im Schaltplan mit 1S1 bezeichnet. Der Rückhub soll ebenfalls durch ein Tastersignal ausgeführt werden. Aber auch in diesem Fall darf der Zylinder nur einfahren, wenn er vorher voll ausgefahren war. Der Sensor für die vordere Endlage ist in der Prinzipskizze mit 1S2 bezeichnet. Im FluidSIM -Programm benötigt man zwei Taster für die Bedienung. Der horizontale Zylinder wird über ein bistabiles 4/2-Wege-Magnetventil angesteuert. Durch Einschalten des Ventilmagneten 1M1 fährt der Zylinder aus, durch Einschalten des Ventilmagneten 1M2 fährt der Zylinder ein. Weil es sich um ein bistabiles oder Impulsventil handelt, genügt ein kurzer Stromstoß, damit das Ventil (und damit der Zylinder) in der jeweiligen Schaltstellung bleibt.

29 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 29 Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Verdrahtung am Multipolverteiler: Tabelle D.1: Zuordnungstabelle Station Handling Schritt 3: Schaltplanerstellung und Programmieren mit FluidSIM Zur Programmierung wird die beiliegende Software FluidSIM genutzt. Dies ermöglicht es, die Schaltung zunächst auf dem Rechner zu simulieren. Sollte sich in der Simulation kein Fehler ergeben, kann die Station direkt angesteuert und betrieben werden. Da der Versuchsaufbau aus elektrischen und pneumatischen Bauteilen besteht, ist für beide Systemkomponenten im Programm FluidSIM ein Schaltplan zu erstellen. Es empfiehlt sich zunächst den pneumatischen und im Anschluss daran den elektrischen Schaltplan zu entwickeln. 1. Öffnen von FluidSIM Als Vorbereitung zum Erstellen des Schaltplanes ist es zunächst notwendig, eine neue Seite zu erstellen, um eine aktive Arbeitsfläche zu erhalten. Dazu muss FluidSIM durch Doppelklick auf das Programmsymbol geöffnet werden: Aufrufen einer neuen Arbeitsfläche In der zweiten Menüleiste links auf das leere weiße Blatt klicken (oder auf Datei > Neu ). Es erscheint eine neue, leere Arbeitsfläche für eine Steuerung. Abspeichern der neuen Steuerung Hierzu in der Menüleiste Datei > Speichern unter... auswählen und die Datei an der gewünschten Stelle auf einem Datenträger mit selbst gewählten Namen speichern. Abspeichern der neuen Steuerung Hierzu in der Menüleiste Datei > Speichern unter... auswählen und die Datei an der gewünschten Stelle auf einem Datenträger mit selbst gewählten Namen speichern.

30 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Einfügen der Komponenten Die zum Erstellen des pneumatischen Schaltplans notwendigen Komponenten befinden sich in der Symbolleiste auf der linken Bildschirmseite. Sie werden in den Schaltplan eingefügt, indem man: das entsprechende Symbol anklickt, die linke Maustaste gedrückt hält, das Symbol an die gewünschte Stelle des Schaltplanes zieht und dort die Maustaste loslässt. Das pneumatische System besteht aus einem doppeltwirkenden Zylinder, einem bistabilen 4/2-Wege - Magnetventil, zwei Drossel-Rückschlagventilen und der Druckluftversorgung. Abbildung 6.5 zeigt die Komponenten auf der Arbeitsfläche. Abbildung D.3: Komponenten des pneumatischen Schaltplans 3. Ausrichten der Drossel-Rückschlagventile Die Drossel-Rückschlagventile sollten gedreht werden, um einen übersichtlichen Schaltplan zu erhalten. Dies erreicht man, indem man das Symbol des Drossel-Rückschlagventils auf der Arbeitsfläche mit der rechten Maustaste anklickt und im Kontextmenü den Menüpunkt Rotieren und dann 270 wählt.

31 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 31 Abbildung D.4: Ausrichten der Drossel-Rückschlagventile 4. Komponenten verschlauchen Anschließend müssen die Komponenten verschlaucht, d.h. miteinander verbunden werden. Dazu fahren Sie mit dem Mauszeiger über einen Knotenpunkt des Symbols bis ein Fadenkreuz dargestellt wird. Mit gedrückter linker Maustaste fahren Sie dann bis zum gewünschten Knotenpunkt des nächsten Symbols. Sobald durch das Fadenkreuzsymbol die Verbindung bestätigt wird, lassen Sie die linke Maustaste los. Danach sieht der pneumatische Schaltplan so aus: Abbildung D.5: Verschlauchen der Komponenten

32 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Marken setzen und Näherungsschalter einfügen Damit später die Verknüpfung mit dem elektrischen Schaltplan und der realen Hardware hergestellt werden kann, müssen Marken gesetzt werden. Diese Marken benötigt man für alle elektrischen Komponenten, also Ventilmagnete und Näherungsschalter. Um die Ventilmagnete zu markieren, klickt man mit der rechten Maustaste auf den Ventilmagnet und wählt den Menüpunkt Eigenschaften. Im Feld Marke wird die Bezeichnung des Ventilmagnets eingetragen, hier 1M1 und 1M2 (für den ersten bzw. zweiten Ventilmagnet des ersten Ventils). Abbildung D.6: Eintragen einer Marke am Ventilmagnet Um die Näherungsschalter am Zylinder anzubringen, klickt man mit der rechten Maustaste auf den Zylinder. Es wird ein Fenster geöffnet, in dem man die am Zylinder angebrachten Näherungsschalter und deren Position eintragen kann. Der Zylinder trägt zwei Näherungsschalter, einen in der hinteren und einen in der vorderen Endlage. Die Position des einen Näherungsschalters ist daher 0 mm, die des anderen 100 mm. Die Näherungsschalter werden mit 1S1 und 1S2 bezeichnet (für den ersten und zweiten Näherungsschalter des ersten Zylinders). Durch Klick auf OK wird das Eingabefenster wieder geschlossen.

33 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 33 Abbildung 6.9: Eintragen der Näherungsschalter

34 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Test des pneumatischen Schaltkreises Durch Betätigen des Start-Buttons wird die Simulation gestartet. Wird eine der beiden Handhilfsbetätigungen angeklickt, steuert das Ventil um und der Zylinder fährt ein oder aus. Abbildung D.8: Simulation des pneumatischen Schaltkreises 7. Komponenten und Verdrahten des elektrischen Schaltkreises Die Komponenten des elektrischen Schaltkreises werden in der gleichen Weise wie die pneumatischen eingefügt und verbunden. Nach Einfügen und verdrahten der Komponenten sollte die Arbeitsfläche so aussehen: Abbildung D.9: Einfügen und Verdrahten der elektrischen Komponenten

35 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Vergabe von Marken Um die elektrischen mit den pneumatischen Komponenten zu verbinden, müssen auch die elektrischen Komponenten mit Marken versehen werden. Auch dies geschieht analog zu den pneumatischen Komponenten durch Anklicken mit der rechten Maustaste und Eintragen der Marken in ein Eingabefenster. Markiert werden müssen die Ventilmagnete und die Sensoren. Abbildung D.10: Vergabe von Marken für die elektrischen Komponenten Außerdem werden noch die beiden Taster mit S1 und S2 bezeichnet.

36 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite Erstellen des Steuerungsprogramms Um das Steuerungsprogramm in das Digital-Modul eingeben zu können, wird das Digital-Modul durch Doppelklick geöffnet. Es erscheint ein neues Fenster mit den Ein- und Ausgangskanälen des Digital-Moduls. Abbildung D.11: Ein- und Ausgangskanäle des Digital-Moduls Auf der linken Seite befinden sich die mit I1 bis I6 bezeichneten Eingänge, auf der rechten Seite die mit Q1 bis Q6 bezeichneten Ausgänge. Die Ein- und Ausgänge werden nun mit Logikbausteinen verknüpft. Diese befinden sich in der Symbolleiste links am Bildschirm und werden wie alle anderen Komponenten in die Arbeitsfläche gezogen. Die Aufgabenstellung verlangt, dass der Zylinder ein- bzw. ausfährt, wenn jeweils der zugehörige Taster betätigt und der Zylinder die entsprechende Endlage erreicht hat: Wenn Taster S1 und Näherungsschalter 1S1 betätigt sind, dann wird Ventilmagnet 1M1 eingeschaltet. Wenn Taster S2 und Näherungsschalter 1S2 betätigt sind, dann wird Ventilmagnet 1M2 eingeschaltet. Es werden also zwei UND-Glieder im Programm benötigt. Weil das UND-Glied in FluidSIM drei Eingänge hat, werden zwei hi-glieder verwendet, um den dritten, eigentlich nicht benötigten Eingang immer auf High zu setzen. Ansonsten würde FluidSIM durch eine Fehlermeldung darauf aufmerksam machen, dass ein Eingang nicht belegt ist.

37 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 37 Abbildung D.12: Digital-Modul mit Logikgliedern Die Logikglieder werden nun verbunden und damit das Logikprogramm erstellt (vgl. Abbildung D.13). Durch Schließen des Eingabefensters wird das Programm im Digital-Modul (SPS) gespeichert. Nach Schließen des Fensters kann die Simulation gestartet werden. Abbildung D.13: vollständiges Logikprogramm

38 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 38 Schritt 4: Test der Lösung in der Simulation Durch Klick auf die Start Taste wird die Simulation gestartet. Wird dann Taster S1 betätigt, fährt der Zylinder in der Simulation aus, mit Taster S2 wieder ein. Abbildung D.14: Simulation des Schaltkreises

39 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 39 Schritt 5: Test am realen Handling Um die Station Handling mit FluidSIM zu verbinden, muss der EasyPort in den Multipolverteiler der Station gesteckt und dieser mit dem USB-Kabel mit dem PC und mit der Stromversorgung verbunden werden. Im FluidSIM -Programm wird nun das Symbol des Multipolverteilers auf die Arbeitsfläche gezogen. Abbildung D.15: Multipolverteilersymbol zur Anbindung der Station Nun müssen noch im Symbol des Multipolverteilers die Marken angepasst werden. Dazu wird das Symbol durch Doppelklick geöffnet (Abbildung D.16). Danach werden Marken gemäß der Tabelle D.1 geändert. Die Marken müssen mit denen übereinstimmen, welche im pneumatischen und elektrischen Schaltplan verwendet wurden. Das Multipolsymbol stellt dann die Verbindung zur Station her. Dabei ist es unwichtig, wie die Marken heißen (1M1 ist die in der Technik übliche Bezeichnung, die Marke könnte auch Ventilmagnet links heißen). Wichtig ist nur, dass im pneumatischen und elektrischen Schaltplan dieselbe Marke für dasselbe Element benutzt wird und dass dieses Element im richtigen Steckplatz am Multipolverteiler eingesteckt ist.

40 Lehrstuhl für Automatisierungs- und Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Seite 40 Wird nun die Simulation gestartet und die Taste S1 betätigt, wird der Zylinder der Station ausfahren. Im Multipolsymbol ist der Zustand der Ein- und Ausgangskanäle farbig markiert. Am Multipolverteiler der Station wird der Status der Ein- und Ausgangskanäle durch LEDs angezeigt. Das Programm kann nun Schritt für Schritt erweitert werden, um die andern Aktoren und Sensoren der Station einzubinden. Abbildung D.16: Dialogfenster des Multipolverteilers vor Änderung der Marken Abbildung D.17: Dialogfenster des Multipolverteilers mit geänderten Marken Die Prinzipskizze, der Schaltplan und das Logikprogramm bilden zusammen die technischen Unterlagen des Projektes. Gegebenenfalls können diese durch Bedienungsanleitungen und Datenblätter ergänzt werden.