Übungen und Praktika zur Automatisierungstechnik Schuljahr 2015/2016

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1 Übungen und Praktika zur Automatisierungstechnik Schuljahr 2015/2016 Übungen sind theoretisch zu lösende Aufgaben, die die besprochenen Themengebiete im Stil einer Prüfungsaufgabe behandeln. Praktika sind Praxisaufgaben, die an der Laboranlage (digitale Fabrik) der tsm realisiert werden sollen. Die Praktika sollen in Zusammenarbeit mit den Fächern Steuerungstechnik und Datenverarbeitung dazu führen, daß die Laboranlage am Jahresende lauffähig ist. Alle Praktika können Sie auch über das Internet durchführen : 1

2 Übung : Verfügbarkeitsberechnung Nach etwa 120 Betriebsstunden zeigt ein neu erworbener Rechner erste Mängel. Die Fehlersuche, Beschaffung von Ersatzteilen und die Reparatur erfordern zwei Stunden. Danach läuft der Rechner 528 Stunden problemlos, bis er erneut ausfällt. Die Reparatur benötigt fünf Stunden. Weitere 288 Stunden später fällt der Rechner ein weiteres Mal aus und ist dieses Mal schon nach einer halben Stunde einsatzbereit. 1. Aufgabe : Berechnen Sie MTBF und MTTR, p und q! Berechnung der Gesamtausfallwahrscheinlichkeit der in Serie verschalteten Module A und B : Erwartete mittlere Up-Time Komponente A: ~ 62 Tage Erwartete mittlere Up-Time Komponente B: ~ 230 Tage Erwartete mittlere Down-Time Komponente A: ~ 32 Minuten Erwartete mittlere Down-Time Komponente B: ~ 11 Stunden 2. Aufgabe : Berechnen Sie p und q des Gesamtsystems! 2

3 Berechnung der Gesamtausfallwahrscheinlichkeit der redundant ausgelegten und parallel verschalteten Komponenten A und B : Erwartete mittlere Up-Time Komponente A: ~ 62 Tage Erwartete mittlere Up-Time Komponente B: ~ 230 Tage Erwartete mittlere Down-Time Komponente A: ~ 32 Minuten Erwartete mittlere Down-Time Komponente B: ~ 11 Stunden 3. Aufgabe : Berechnen Sie p und q des Gesamtsystems! Struktur A : Struktur B : 4. Aufgabe : Überlegen Sie zunächst, und dann rechnen Sie : Welche Struktur ist besser? 3

4 Hilfsblatt zum Praktikum : digitale Fabrik der tsm Zuliefereinheit Soft-SPS in Codesys oder Simatic Step7 auf Server MES1 IP: DP : 3 Lineararm IP: DP: 2 IP: DP : 4 Vertikalarm IP: DP : 5 Horizontalarm Master IP: DP: 1 IP: DP : 6 Lager /Ausliefer- Einheit Reserve ( ) 4

5 Praktikum : Profibus DP 1. Aufgabe : Bauen Sie einen Lichtschalter! Die Betätigung des Tasters an der Station Band soll eine der Lampen an der Station Vertikalarm ( und wenn das geht dann alle Lampen aller Stationen) ansteuern. (Sie können auch irgendwelche Mechanikbewegungen auslösen..) 2. Aufgabe : Bauen Sie ein Lauflicht aus Pneumatikfunktionen über die gesamte Anlage, also ein Modul nach dem anderen soll einen Zylinder ausfahren. Lösungshilfe : Die Lösung sieht so aus, daß nach Start durch einen Taster an der ersten Station jeweils die Meldung des Endschalters am Zylinder (der diesen auch wieder einfahren läßt) an die nächste Station weitergegeben wird : Station n oder Taster zu Station n+1 S Q Ventil Endschalter am Zylinder ( das geht besser, soll aber hier nicht der Schwerpunkt sein!) Für die Festlegung der Ein-Ausgänge an den Slaves und am Master verwenden sie bitte die Adressdefinitionen der Signale Start und Acknowledge an den Stationen, die Sie im Pflichtenheft auf Seite 39 finden. Arbeiten Sie unbedingt nach Pflichtenheft mit bibliotheksfähigen FBs!! 5

6 Praktikum : Profinet I/O Kommunikation Wir greifen hier schon ein wenig vor, und betrachten Signale, die wir bei der modularen Anlagenkonzeption im zweiten Halbjahr benötigen werden. Die einzelnen Fertigungsmodule (Band, Linear usw..) werden über standardisierte Kommunikationssignale gesteuert : Ready, Start, Busy, Acknowledge und Error - Lesen Sie in der Anlagendokumentation ( Gesamtdokumentaion der Anlage auf portal.tsmuenchen.de) nach, welche Speicher als Abbild in der SPS für diese Signale benutzt werden. Sie finden diese Angaben auf Seite Definieren Sie in einer Station Ihrer Wahl diese Speicherkonfiguration (DB) - Koppeln Sie das der Station räumlich zugeordnete Wago-Device mit der anhängenden Meldeleuchte über Profinet I/O an Ihre Station - Lassen Sie die Meldeleuchte für die Signale leuchten, indem Sie in einer AWL-Anweisung die DB-Werte auf die konfigurierten Ein- und Ausgängen übertragen..testen! 6

7 Übung : Aufgaben zum Petrinetz - 1 Stellen Sie die Funktion eines Dreistufen-Automatikgetriebes durch ein Petrinetz dar. Ein- und Ausgänge sind : - Drehzahl n(max) überschritten - Drehzahl n(min) unterschritten - Fahrhebel auf N oder D (Leergang oder Fahrbetrieb) - Fahrstufe 0 (Leerlauf) - Fahrstufen 1-3 Wenn Sie das geschafft haben, können Sie noch einen weiteren Eingang einfügen : - Kickdown (Taster bei Vollgas) Die Diskussion über Vor- und Nachteile verschiedener Lösungen soll zeigen, wie gut man an einer solchen grafischen Darstellung über Funktionen reden kann! 7

8 Übung : Aufgaben zur Handshakekommuniaktion Zur Steuerung einer Verpackungsanlage werden 3 SPS (A, B und C) eingesetzt. Gerät A steuert neben der eigenen Mechanik auch das Timing der Anlage. Hierzu wird ein Protokoll kommuniziert, das folgende Signale umfasst : READY START BUSY ENABLE damit signalisieren B und C, daß sie betriebsbereit sind damit startet A die Geräte B und C (unabhängig voneinander) damit melden B und C, daß sie in Betrieb sind (Mechanik arbeitet) damit wird Gerät A von außen (Bediener) beauftragt, die Gesamtfunktion zu starten Der Protokollablauf ist nun folgender (Textbeschreibung) : Mit ENABLE=1 startet SPS A ihre Mechanikfunktion (dies ist kein Kommunikationssignal und wird deshalb im Timing nicht dargestellt). Weiter startet A die beiden SPS B und C jeweils mit START, aber nur, wenn beide mit READY ihre Betriebsbereitschaft melden. In B und C werden die START-Signale von A im Sinne eines Handshakes jeweils mit dem Signal BUSY quittiert. BUSY bleibt solange 1, bis die Mechanikfunktion der jeweiligen Station beendet ist (= Funktionshandshake). Wenn ENABLE dann noch 1 ist, werden A und B erneut gleichzeitig gestartet, sobald beide fertig sind (BUSY = 0). 1) Zeichnen Sie ein Timingdiagramm für alle Kommunkationssignale der Anlage. 2) Zeichnen Sie für alle beteiligten Geräte je ein Petrinetz, das die Funktion des Geräts grafisch beschreibt. 8

9 Praktikum : Programmieren mit Graph 7 Wählen sie eine Anlagenstation mit mindestens 2 Pneumatikzylindern. Die Klemmenbelegung entnehmen Sie aus der Gesamtdokumentation im Portal unter digitale Fabrik 1) Programmieren Sie nun folgenden Ablauf : Nach Schalten des Wahlschalters auf AUTO sollen die Zylinder seriell auslaufen, also immer einer nach dem Anderen: Z1 läuft aus bis zum Endschalter, dann zurück, bei Erreichen des Ruhekontakts beginnt Z2 und so weiter 2) Nun folgenden Ablauf : Nach Schalten auf AUTO laufen die Zylinder gleichzeitig aus, jeder bei Erreichen seines Endschalters zurück, wenn beide in Ruhe sind das Ganze von vorne 3) Nun folgender Ablauf : Wenn der Schalter auf MANU liegt, läuft Zylinder 1 ständig vor und zurück, wenn der Schalter auf AUTO liegt, laufen beide wie in Aufgabe 2 9

10 Praktikum : Handshakekommunikation in der Prozessebene (Kommunikation mit Profibus DP) Ziel : Anlagenfunktionen sollen durch den besprochenen Standardhandshake (ready, start, acknowledge, busy, auftrag) gesteuert werden. Sie müssen sich in eine bestehende Anlage einarbeiten und mit fertigen Standard-Komponenten umgehen. Sie finden die Dokumentation der Schnittstellen und die Vorgaben für den Programmaufbau in der Gesamtdokumentation der digitalen Fabrik auf Aufgabe : Dearchivieren sie das fertig konfigurierte Projekt : //r2d2/filer/at/hand15.zip Die Master-SPS ist fertig programmiert. Sie führt am Profibus ein Programm aus, das alle Stationen in Endlosschleife mit einem Handshake bedient. Sie sollen eine Slave-Station nach Pflichtenheft an den Master konfigurieren und in pflichtenheftkonformer Struktur (FBs für Kommunikation und Mechanikaktion nach Vorgabe, Variablendefinition in den FB) eine Mechanikfunktion (Zylinder rein/raus) durchführen lassen. Die Kommunikationssignale sollen wie in den Modulbeschreibungen angegeben an den Meldeleuchten visualisiert werden (ohne ERROR). Beachten Sie insbesondere auch den Nullauftrag im Handshakeprotokoll! Dokumentation finden Sie hier : Standard-Handshakeprotokoll : Seite 12 Adressbelegung bei Profibuskommunikation : Seite 15 Programmstruktur, Bausteinadressen : Seiten 20 und 21 Klemmenbelegung der Module : ab Seite 22 Meldelampen und Profinet : Seite 17 und jeweils bei den Modulbeschreibungen ab S

11 Ein paar Testfragen zum Thema Handshake : 1) Wie ist die Standardschnittstelle für die Modulkommunikation unter opentcp definiert? Schauen Sie in der Doku nach und geben Sie die Adressen für Start und Acknowledge an : Start :.. Acknowledge :.. 2) Was ist an dieser Realisierung für den Standardhandshake der Anlage falsch? Ready /Busy Start Ack. /Start Busy Action /Ack /Action 3) Erklären Sie die unterschiedlichen Funktionen der Signale Acknowledge und Busy : 4) Welche Funktion hat im Standardhandshake der Nullauftrag? 11

12 Praktikum : SPS-Zugriff mit OPC-Client Wir greifen mit einem OPC-Client auf die Tags eines OPC-Servers, der im Labornetz läuft, zu. Der Server ist über integrierte TCP/IP-Treiber mit der Prozessebene, also den SPS der Fertigungmodule, verbunden. Hierzu starten sie zunächst den Simatic Manager, wählen an irgendeiner Station eine Zylinderbetätigung aus, die keinen mechanischen Schaden bei beliebiger Betätigung anrichten kann, und hängen im OB1 den entsprechenden Ausgang an das Merkerbit Dann starten Sie den OPC-Client (Softing OPCua Client) : 12

13 Nun versuchen Sie, den OPC-Server im Labornetz zu erreichen. Die URL lautet : mes2:4097, der Server arbeitet mit einem Binärprotokoll. Im Message-Feld muß der geglückte Verbindungsversuch zu lesen sein. Im Fenster Configuration Browse sehen Sie nun den Server und die Devices. Klicken Sie auf ein Device, und schauen Sie sich die Freigaben auf der SPS an. Entweder klicken Sie direkt eine davon an, oder Sie erzeugen das Tag selber : Erzeugen Sie eine Subsciption (wissen Sie noch, was das ist?). Darin ein neues Tag, diesem geben Sie als Tag-ID einen String : ns=2;s=mes2015.stationsname.mb100 (Den Stationsnamen können Sie in Configuration Browse nachschauen). Nun lesen sie erstmal den Wert, und dann schreiben Sie 128 (Bit 7 = 1) hinein. Bewegt sich die Mechanik? Zweiter Versuch : Wir vereinbaren einen Zeitraum, zu dem ich den OPC-Server im Internet zugänglich mache. Konfigurieren Sie zuhause den zuvor geladenen OPC-Client von Softing. Die URL lautet dann : opc.tcp:// :4097 Mit der Anlagenkamera, die sie bitte nicht bewegen, können sie zuschauen, ob der Zugriff über das Internet klappt! 13

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15 Praktikum : Einführung in Visual Studio Zeichen Sie zu jeder Aufgabe ein Struktogramm!! 1. Aufgabe : Bauen sie das Projekt aus dem AT-Skript auf Ihrem Rechner nach. Als Pfade geben Sie Ordner auf c:\ an, die sie hierzu unter Ihrem Namen erzeugen. 2. Aufgabe : Erzeugen Sie ein neues Projekt, das die Eingabe eines Names erlaubt. Es soll dann prüfen, ob es sich um Ihren Namen handelt, und wenn ja hallo Meister, ansonsten hallo Fremder ausgeben. 3. Aufgabe : Erzeugen Sie ein neues Projekt, das eine Zahl einliest, sie verdoppelt wenn sie unter 100 liegt, und halbiert wenn sie über 150 liegt. Zahlen zwischen 100 und 150 werden einfach wieder ausgegeben. 15

16 Praktikum : Zugriff auf OPC aus Visual Basic Sie sollen den direkten Zugriff auf Tags in den OPC-Devices ausprobieren. Hierzu verschaffen Sie sich zunächst einen Überblick über die OPC-Sicht der Anlage. Wir verwenden hierfür den OPCuA-Server, der auf mes2 installiert ist, (KEPServerEX.V5 der Firma KepWare) dieser bietet den Vorteil, Tags browsen zu können. 1) Greifen Sie mit Ihrem OPC-Client (Softing) auf den OPCuA-Server auf mes2 zu. Der Server läuft auf Port 4097, er benutzt ein Binärprotokoll, der Zugriff kann anonym erfolgen (keine Userkennung). 2) Erstellen Sie im Simatic manager auf dem Musterprojekt ein kleines Testprogramm in AWL direkt im OB1 auf einer beliebigen Station, das den Inhalt des Merkes auf ein Pneumatikventil kopiert. Dann greifen Sie zum testen erst mal lesend auf den Ausgang zu, an dem das Ventil hängt und zeigen sie den Wert in einer Textbox an. 3) Nun basteln Sie weiter, um den schreibenden Zugriff zu erlauben. Wert in Textbox schreiben -> Button drücken, der den Schreibvorgang auslöst. 16

17 Übung : Kommunikation SPS und PC Bei den beiden folgenden Aufgaben sollen eine SPS und ein Leitrechner (MES) miteinander über das Standard-Handshakeprotokoll kommunizieren. Das Gerät A schickt einen Auftrag (Wert = 2), und startet Gerät B, wenn dieses READY meldet. Dann läuft der Handshake ab. Wenn Gerät B mit der relevanten Tätigkeit fertig ist, beginnt der Ablauf von vorne. 1. Aufgabe : Gerät A ist der Rechner, Gerät B die SPS Zeichen Sie Petrinetz und Struktogramm zur Realisierung! 2. Aufgabe : In der Praxis Unsinn, als Übung aber gut : Gerät A ist die SPS, B ist der Rechner. Zeichen Sie Petrinetz und Struktogramm zur Realisierung! 17

18 Praktikum : Handshake SPS <-> PC Sie benötigen Visual Basic 2012 Express und die im Skript genannten Libraries. Dazu laden wir noch das S7-Musterprojekt MES_2016.zip auf die Anlage. Beschäftigen Sie sich nochmals mit dem Standardhandshake. Sie sollen über direkten Zugriff auf die OPC-Tags eine Station mit einem Auftrag versorgen und dann protokollkonform starten. Es ist sicher hilfreich, nebenbei mit einem grafischen OPC-Client die Tags zu beobachten. 1. Aufgabe : Schreiben Sie ein Programm, das einen Merker in einer SPS lesen und schreiben kann. Zum Testen beobachten Sie den Merker mit dem OPC-Client 2. Aufgabe : Greifen Sie zunächst nur lesend auf die SPS zu. Schreiben Sie ein Programm, das den Funktionsstatus (ready, busy?) der SPS anzeigen kann. 3. Aufgabe : Nun schreiben Sie eine vollständige Routine, die ein Modul protokollkonform steuern kann. Gestalten Sie die Grafik so, daß komfortabel getestet werden kann. Einzugeben ist ein Auftrag, dann führt das Programm einen kompletten Handshake aus. Dazu muß auf SPS-Ebene das Projekt tsmes16 geladen sein. 18

19 Praktikum : SPS mit Klassenbibliothek ansprechen Sie benötigen Visual Basic 2012 Express und die Klassenbibliothek tsm_ib2016. Dazu laden wir noch das S7-Musterprojekt tsmes16 auf die Anlage. (Sollten sich damit Probleme ergeben, steht noch das Projekt Simu.zip zur Verfügung, das ohne mechanische Aktionen an jedem Modul eine Zeitverzögerung von ein paar Sekunden erzeugt, wenn ein Auftrag gegeben wurde.) 1. Öffnen Sie Visual Studio und erstellen sie ein neues Forms-Projekt. Als Pfadnamen versuchen wir zunächst, Ihre Homedirectories zu verwenden. Sollte das zu Netzproblemen führen, arbeiten Sie bitte doch lokal auf c: in einem selbst angelegten Ordner. 2. Fügen sie den Verweis auf die Klassenbibliothek in der Projektmappe ihres Projekts hinzu. 3. Schreiben Sie ein kleines Projekt, das auf Knopfdruck eine SPS startet (wie in Angabe). Als Auftrag geben sie fest Teil 1 vor. Testen Sie durch drücken des Debug-Pfeils (Stop durch das Viereck daneben) 19

20 Praktikum : Verkettung in MES Sie benötigen Visual Basic 2012 Express und die Klassenbibliothek tsm_classlib16i. Dazu laden wir noch das S7-Musterprojekt tsmes16 auf die Anlage. Struktogramme zeichnen!! 1. Aufgabe : Erstellen Sie ein MES-Projekt, das auf Knopfdruck 2 Fertigungsmodule seriell koppelt. Als Auftrag geben sie Teil 1 (siehe Gesamtdokumentation der Anlage im Portal) vor Hierzu sollten sie den Logikentwurf unbedingt mit einem Struktogramm vorbereiten, damit die Struktur klar ersichtlich wird! Zusatzaufgabe für die Schnellen : Erstellen Sie ein MES-Projekt, das auf Knopfdruck 2 Fertigungsmodule parallel starr koppelt. Die Aufträge sollen an Textfeldern einzugeben sein! Hierzu sollten sie den Logikentwurf unbedingt mit einem Struktogramm vorbereiten, damit die Struktur klar ersichtlich wird! 20

21 Praktikum : RFID-Controller ansprechen Sie arbeiten wieder unter Visual Studio 2012 mit der Klassenbibliothek tsmclasslib Aufgabe : Schreiben Sie ein Programm, das in einer Polling-Schleife den Zustand einer RFID-Antenne ausliest. Hier muß zunächst fehler und bei Eintritt eines Tags in den Erkennungsbereich ok angezeigt werden. 2. Aufgabe : Nun schreiben Sie eine vollständige Routine, die in der Lage ist, ein erkanntes Tag zu lesen und zu schreiben. Schreiben Sie Testwerte drauf und lesen Sie diese wieder. 3. Aufgabe : Nun schreiben Sie eine Routine, die in der Lage ist, eine Zeit in der Anlage zu messen. Hierzu wird folgende Funktion benutzt : An der Bandstation wird Dauerlauf für lose Kopplung beauftragt. Nun prüft man, ob an einer Station ein Tag eintrifft. Ist dies der Fall, wird die Uhrzeit auf das tag geschrieben. Dann wird dem Band die Vereinzelung des Bauteils beauftragt. An der nächsten Station geschieht das Gleiche, die Differenzzeit zwischen den beiden Zeiten wird angezeigt (in Sekunden). Tipp : In Vb gibt es umfangreiche Unterstützung zur Zeitmessung. Suchen Sie im Web nach Date, und z.b. now, time oder Ähnlichem. 21

22 Praktikum : manueller Aufruf von Webservices Auf dem Server ERP2011 im Labornetz der Technikerschule liegen Stubs zur Auftragsvergabe für die digitale Fabrik. Die Aufträge sind in einer Datenbank auf dem Server gespeichert. Aktuell liegen 9 Aufträge vor, die jeweils eine Statusinformation error (0=ok), Bauteileinformation für die Produkte (teil1 bis teil3) und die Information, in welches Lager das Bauteil verbracht werden soll (lager), beinhalten. Die Aufträge sind durch eine laufende Nummer id gekennzeichnet. Der Aufruf kann auch mit einem Browser erfolgen, das Format für den Aufruf eines Webservice muß einer vollständigen URL entsprechen : PROTOKOLL :// DNS-NAME : SAP / DOKUMENTNAME? PARAMETER Hier : Protokoll : http Servername : ERP2011 (in der Schule auch : von außen : ) SAP(Port) : 91 Dokument(Stub) : get_auftrag.php Parameter : id=n (mit n = 1 9) Rufen Sie den Webservice mit einem Browser (optimal : Firefox) auf! Praktikum : XML-Daten mit VB lesen Schreiben Sie in VB 2010 ein Forms-Projekt, das bei Eingabe einer Produkt-ID in 4 Textfeldern die 3 Bauteile und das gewünschte Lager für das Produkt ausgibt. (Verwenden Sie die Schul-Klassenbibliothek mes2016.dll) 22

23 Benotetes Praktikum : Programmieren eines Industrie 4.0 Moduls Die Aufgabe besteht darin, ein Fertigungsmodul der digitalen Fabrik für die Fertigungsstrategie nach 4.0 zu programmieren : Das Modul (Horizontal oder Vertikal) soll ankommende Produkte mit dem RFID-Reader erkennen. Die ID wird vom Reader gelesen. Das Modul holt aus der ERPS-Datenbank den Auftrag für dieses Produkt an diesem Modul. Das Modul fertigt die gelesene Variante. Das Modul gibt das Produkt an seinem Materialpuffer frei. Alle diese Funktionen sollen in der MES-Ebene mit Visual Basic mit Hilfe der Klassenbibliothek tsmlib2016 realisiert werden. Die Prozessebene muß nicht bea chtet werden, hierzu stehen fertige S7- Projekte bereit Benotung etwa nach folgendem Schema : - Kein Ansatz, kein Überblick, was wo passieren muß : 4 oder5 - Ansatz vorhanden, erste Struktogramme.. : 3 oder 4 - Struktogramme lösen Problem, Programm nicht korrekt : 2 oder 3 - Modul läuft (auch ohne Struktogramm) : 1 23