Automatische Belüftung eines Modellhauses mithilfe einer Phoenix Contact AXC 1050 SPS

Autoren: Jendrik Terharen und Christoph Jutz
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel und Marc Ebmeyer

→ zurück zur Übersicht: Praktikum Produktionstechnik

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Planung und Umsetzung eines Projektes zur automatischen Belüftung eines Modellhauses mit einer Phoenix Contact AXC 1050 SPS. Das Projekt fand im Rahmen des Praktikums Produktionstechnik im Wintersemester 20/21 des Bachelorstudiengangs Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt statt.

Aufgabenstellung und Zielsetzung

Die Aufgabe bzw. das Ziel des Projektes bestand darin, ein Modellhaus zu entwickeln und zu bauen, welches mithilfe von einem Temperatur- und Feuchtigkeitssensor sowie zwei Lüftern und einem Fenster automatisch belüftet werden kann. Alle Komponenten sollten dabei über die Phoenix Contact AXC 1050 SPS angesteuert werden.

SVN

Für die Dokumentenverwaltung wird ein Subversion verwendet. Damit ist eine automatische Versionsverwaltung möglich, sodass Änderungen in Dokumenten fortlaufend dokumentiert werden. Außerdem ist es damit möglich, auf die Dokumente von verschiedenen Endgeräten aus zuzugreifen. Der benutzte Client ist TortoiseSVN. Zum Projektordner gelangt man hier. Zudem befindet sich hier ein Zip-Ordner mit allen Originaldateien für das Projekt: Datei:Originaldateien Lueftungstechnik.zip

Vorgehensweise

Die Planung und Umsetzung des Projekts orientiert sich am V-Modell (vgl. Abbildung 1). Durch die Abarbeitung der einzelnen Punkte lässt sich das Projekt strukturiert planen, umsetzen und anschließend testen. Diese Punkte sind die Anforderungsdefinition, der funktionale Systementwurf, der technische Systementwurf, die Entwicklung und Programmierung, der Komponententest, der Integrationstest, der Systemtest und der Abnahmetest.

Abbildung 1: V-Modell

Anforderungsdefinition

In der Anforderungsdefinition werden alle Anforderungen, die an das Projekt und dessen Umsetzung gestellt werden, dokumentiert. Die Anforderungen für dieses Projekt unterteilen sich in die Punkte Geometrie & Gewicht, Aufbau, Schnittstellen, Software / Werkzeuge und Dokumentation:

• Geometrie & Gewicht:
  • Das Modellhaus muss so gestaltet sein, dass es mithilfe von zwei Personen über Treppen oder unter Benutzung eines Fahrstuhl transportiert werden kann.
  • Die maximalen Abmaße des Hauses sind: Länge 50cm, Breite 40cm, Höhe 35cm.
  • Alle Bauteilzeichnungen müssen mit CAD in SolidWorks erstellt werden.

• Aufbau:
  • Es müssen die Temperatur und die Raumfeuchtigkeit gemessen werden.
  • Es müssen 2 Lüfter verwendet werden, und zwar so, dass einer frische Luft in das Haus hinein und der andere die alte Luft aus dem Haus heraus befördert.
  • Es muss ein Fenster eingebaut werden, welches sich mit einem Motor öffnen und schließen lässt.
  • Das Haus muss nach den Zeichnungsvorlagen gebaut werden.

• Schnittstellen:
  • Das Gerät (die SPS) muss an einem Standard-Steckdosen-Anschluss an 230V AC mit 50Hz (Deutschland) angeschlossen werden können.
  • Alle Komponenten müssen über die Phoenix Contact AXC 1050 SPS angesteuert werden.

• Software / Werkzeuge:
  • Die Programmierung muss in PC Worx erfolgen.

• Dokumentation:
  • Der Aufbau muss im HSHL-Wiki dokumentiert werden mit dem Mindestinhalt:
  • Beschreibung des Aufbaus
  • Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Bedienung
  • Funktionsplan (was ist mit wem wie verkabelt), Schaltplan, Pinbelegung

Die Anforderungsliste für das Projekt kann hier im SVN gefunden werden.

Funktionaler Systementwurf

Im funktionalen Systementwurf sind alle Komponenten dargestellt die für das Erreichen des Projektziels benötigt werden (siehe Abbildung 2). Auf der einen Seite sind das der Temperatur- und der Feuchtigkeitssensor sowie drei verschiedene Schalter und auf der anderen Seite die beiden Lüfter, welche ein- und ausgeschaltet werden sowie das Fenster, welches durch einen Servomotor geöffnet bzw geschlossen wird. Der Servomotor ist dabei an einen Mikrocontroller angeschlossen, welcher das benötigte PWM-Signal für den Servomotor erzeugt. Alle Komponenten sind mit der SPS verbunden und werden über diese angesteuert. Der funktionale Systementwurf lässt sich hier wiederfinden.

Abbildung 2: Funktionaler Systementwurf

Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf besitzt den gleichen Aufbau wie der funktionale Systementwurf. Allerdings sind hierbei die Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten genau definiert (siehe Abbildung 3). Der Link zum technischen Systementwurf befindet sich hier.

Abbildung 3: Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Bei der Komponentenspezifikation werden alle verwendeten Komponenten detailliert dargestellt und in einem Schaltplan veranschaulicht, welche Komponente wie mit der SPS verbunden ist. Die Komponentenspezifikation kann hier eingesehen werden.

Verwendete Komponenten

Nachfolgend werden alle Komponenten beschrieben, die in diesem Projekt verwendet wurden. Im Unterkapitel "Einkaufsliste" werden zunächst alle bestellten Komponenten aufgeführt. Im Anschluss daran efolgt die Beschreibung der einzelnen Komponenten.

Einkaufsliste

In der nachfolgenden Tabelle lassen sich die einzelnen Komponenten mit ihrem jeweiligen Preis (zum Zeitpunkt der Bestellung am 28.10.2020) sowie deren Anbieter wiederfinden.

Komponente	Anbieter	Bestellnummer	Preis
Honeywell Feuchtigkeitssensor	rs-online	528-3171	18.87€
Temperatursensor NTC 10k	rs-online	629-8720	3,19€
Sunon Axiallüfter	Conrad	2147541-YD	6,81€
Servomotor HS-65 MG	Der Himmlische Höllein	112066	27,90€
Messingrohr	Der Himmlische Höllein	774006	6,30€
Bowdenzug	Der Himmlische Höllein	RM03402	2,90€
Stahldrat	Der Himmlische Höllein	HOE11000.4,0	2,60€

SPS

Die verwendete SPS ist die Phoenix Contact AXC 1050. Neben der CPU besitzt sie jeweils ein Modul für digitale Eingänge, digitale Ausgänge und analoge Ein- und Ausgänge. Außerdem werden im Projekt die Schalter 1, 2 und 3 verwendet (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: SPS-Module

Im Folgenden werden die für das Projekt wichtigsten Kenndaten der verwendeten Module aufgelistet sowie die einzelnen Datenblätter verlinkt.

• Digitales Eingangsmodul (I/O Modul – AXL F DI16/1 1H – 2688310): (zur Herstellerseite)
  • Besitzt 16 digitale Eingänge
  • Nenneingangsspannung beträgt 24V DC
  • Eingangsspannungsbereich „0“-Signal: -3V DC bis 5V DC
  • Eingangsspannungsbereich „1“-Signal: 11V DC bis 30V DC

• Digitales Ausgangsmodul (I/O-Modul - AXL F DO16/1 1H – 2688349): (zur Herstellerseite)
  • Besitzt 16 digitale Ausgänge
  • Versorgungsspannung: 24V DC
  • Ausgangsspannung: 24V DC

• Analoges Ein- und Ausgangsmodul (I/O-Modul - AXL F AI2 AO2 1H – 2702072): (zur Herstellerseite)
  • Besitzt 4 analoge Eingänge und 4 analoge Ausgänge
  • Versorgungsspannung: 24V DC
  • Auflösung des A/D-Wandlers: 16 Bit
  • Eingangssignal Strom: 0mA bis 20mA, 4mA bis 20mA, -20mA bis 20mA
  • Eingangssignal Spannung: 0V bis 10V, -10V bis 10V, 0V bis 5V, -5V bis 5V
  • Ausgangssignal Strom: 0mA bis 20mA, 4mA bis 20mA, -20mA bis 20mA
  • Ausgangssignal Spannung: 0V bis 10V, -10V bis 10V, 0V bis 5V, -5V bis 5V

Temperatursensor

Als Temperatursensor wird ein NTC 10k verwendet (siehe Abbildung 5). Dieser bietet eine Temperaturmessung von 0°C bis 70°C mit einer Toleranz von ±2K bei 0°C und ±5K bei 70°C. Die genauste Temperaturmessung erfolgt bei 25°C. Zum Auslesen der Temperaturmesswerte wird ein Spannungsteiler verwendet, welcher, bei Temperaturen über 0°C, Spannungen bis 10V ausgibt, da die SPS nur Analogwerte von 0V bis 10V auslesen kann. (zum Datenblatt)

Abbildung 5: NTC 10k

Feuchtigkeitssensor

Der verwendete Feuchtigkeitssensor HIH-4000-001 der Firma Honeywell (zum Datenblatt) wird mit einer minimalen Spannung von 4V DC bzw. einer maximalen Spannung von 5,8V DC versorgt. Gemessen werden kann die relative Luftfeuchtigkeit von 0% bis 100%. Der Sensor besitzt drei Leitungen: eine für die Versorgungsspannung, eine für Masse und eine für die Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung steigt nahezu linear mit einer größer werdenden Luftfeuchtigkeit (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: Kennlinie des Feuchtigkeitssensors

Axiallüfter

Die verwendeten Axiallüfter der Firma Sunon werden mit 24V DC betrieben. Die maximale Umdrehungszahl beträgt 7000 Umdrehungen pro Minute bei einer Geräuschentwicklung von 25,5dB und einem maximalen Luftdurchsatz von 15,13m³/h. Die Lüfter sind jeweils 40mm lang, 40mm hoch und 20mm breit. Das Datenblatt zu den Lüftern lässt sich hier finden.

Servomotor

Der verwendete Servomotor HS-65 MG wird mit einer Spannung von 4,8V bis 6V betrieben. (zur Herstellerseite)

Mikrocontroller

Zum Ansteuern des Servomotors wird ein PWM-Signal benötigt. Dieses kann die SPS jedoch nicht erzeugen, sodass eine Schaltung bzw. ein Modul zwischen SPS und Servomotor benötigt wird, welche ein PWM-Signal erzeugt. Aus diesem Grund wurde auf einen Mikrocontroller, den Arduino Uno R3, zurückgegriffen, der diese Funktion erfüllen soll. Der Mikrocontroller wird extern über eine 9V-Batterie mit Spannung versorgt. Der Ausgang der SPS führt über einen Spannungsteiler auf den Eingang A3 des Mikrocontrollers. Der Spannungsteiler ist notwendig, da die Ausgangsspannung der SPS 24V beträgt, die Eingangsspannung des Mikrocontrollers aber nur 5V betragen sollte. Der Servomotor wird über die Pins 5V und GND mit Spannung versorgt und über den Pin 3 (PWM-Pin) wird die Stellung des Motors geregelt.

Schaltplan

Der Schaltplan wurde mit der Software SEE Electrical in der FREE-Version erstellt, welche hier heruntergeladen werden kann.
In Abbildung 7 lässt sich erkennen, welche Komponenten mit den Eingängen der SPS verbunden sind. Diese sind zum einen drei Schalter, welche mit DI0.0, DI0.1 und DI0.2 verbunden sind. Der Temperatursensor (NTC 10k) ist über einen Spannungsteiler mit einem 28kOhm Widerstand mit AI0.0 und AI1.0 verbunden. Der Spannungsteiler dient dazu, dass am NTC nur eine Spannung von 0V bis 10V abfällt. Der Feuchtigkeitssensor ist ebenfalls über einen Spannungsteiler mit einem 22k und einem 5,7kOhm Widerstand mit der SPS verbunden, sodass über den Feuchtigkeitssensor nur eine Spannung von 0V bis 5V abfällt. Der Feuchtigkeitssensor ist mit AI0.1 und AI1.1 der SPS verbunden.

Abbildung 8 zeigt die Verbindungen der Ausgänge der SPS mit den Lüftern und dem Servomotor. Lüfter 1 ist an DO0.0 und Lüfter 2 an DO0.1 angeschlossen. Der Servomotor ist an einen Mikrocontroller angeschlossen, da dieser den Servomotor mit dem benötigten PWM-Signal versorgt. Der Servomotor ist an PIN 3 (PWM-Pin) des Mikrocontrollers angeschlossen. Der Mikrocontroller wiederum ist mit DO0.2 der SPS verbunden. Zwischen dem Mikrocontroller und der SPS ist ebenfalls ein Spannungsteiler mit einem 22k und einem 5,7kOhm Widerstand geschaltet, sodass die Spannung, welche über dem Eingang des Mikrocontrollers abfällt, maximal 5V beträgt. Der Mikrocontroller wird zudem extern über eine 9V-Batterie versorgt. Der Masseanschluss wird mit dem Neutralleiter der Spannungsversorgung der SPS verbunden.

Welche Komponente mit welcher Adresse bzw. welchem Anschluss der SPS verbunden ist, lässt sich auch in der Anschluss-Belegungstabelle im Kapitel "Programm" einsehen.

Der Schaltplan lässt sich auch hier finden.

Abbildung 7: Schaltplan Eingänge der SPS

Abbildung 8: Schaltplan Ausgänge der SPS

In der nachfolgenden Tabelle sind die einzelnen Widerstandswerte der Widerstände dargestellt:

Widerstand	Widerstandswert in Ω
R1	28k
R2	NTC 10k
R3	22k
R4	5,7k

Planung und Entwicklung des Hauses

Nachdem alle Komponenten ausgesucht und bestellt wurden, konnte mit der Planung, Entwicklung und dem Bau des Hauses begonnen werden.

CAD-Modell des Hauses

Die Konstruktion des Hauses erfolgte in SolidWorks. Die CAD-Daten können hier abgerufen werden. Abbildung 9 zeigt das CAD-Modell des Hauses.

Abbildung 9: CAD-Modell des Hauses

Technische Zeichnungen des Hauses

Wie die Konstruktion des Hauses, wurden auch die technischen Zeichnungen in SolidWorks erstellt. Diese können hier im PDF-Format eingesehen werden. Abbildung 10 zeigt die technische Zeichnung vom Boden und vom Dach, Abbildung 11 die von der Vorder- und der Rückseite und Abbildung 12 die linke und die rechte Seite des Hauses.

Abbildung 10: Boden und Dach

Abbildung 11: Vorne und Hinten

Abbildung 12: Links und Rechts

Bau des Hauses

Der Bau des Hauses erfolgte anschließend nach den Zeichnungsvorlagen. Dazu wurden zunächst Holzplatten auf die entsprechenden Maße zurecht geschnitten und anschließend miteinander verschraubt. Abbildung 13 zeigt die Außenansicht des Hauses.

Abbildung 13: Aussenansicht des Hauses

Das Dach des Hauses wurde mit einem Scharnier am Haus befestigt, sodass es sich aufklappen lässt, um die anderen Komponenten im Innenraum einbauen zu können. Die Axiallüfter und das Breadboard (Abbildung 15) wurden mit dem Haus verklebt. Der Servomotor wurde am Boden des Hauses befestigt (Abbildung 14).

Abbildung 14: Innenraum des Hauses

Abbildung 15: Breadboard

Fenstermechanismus

Abbildung 16 zeigt das Prinzip der Fensteröffnung. Das Fenster ist stoffschlüssig mit einer Stahlstange verbunden, welche durch zwei Messingrohre führt und somit die Position hält. Am Ende der Stahlstange ist ein Flügel angebracht der über einen Bowdenzug mit dem Servomotor verbunden ist. Bewegt sich der Servomotor dreht sich somit auch die Stahlstange und das Fenster öffnet/schließt sich (siehe auch das Video 1: Funktion der Lüftung im Kapitel "Videos" am Ende des Artikels).

Abbildung 16: Fenstermechanismus

Programmierung

Die Programmierung der SPS erfolgt in PC Worx mit der Funktionsbausteinsprache FBS. Zunächst wird jedoch der Programmablauf erläutert, der in einem Programmablaufplan dargestellt ist. Anschließend wird beschrieben, wie ein neues Projekt in PC Worx angelegt und die Verbindung der SPS mit dem PC aufgebaut wird. Danach werden die verwendeten FBS-Blöcke zur Erstellung des Programms erklärt, bevor das eigentliche Programm zur Belüftung vorgestellt wird.

Programmablaufplan für die automatisierte Belüftung

Bevor mit der Programmierung begonnen wurde, wurde überlegt und geplant wie das Programm ablaufen soll. Der Programmablaufplan ist in Abbildung 17 dargestellt. Im Programm sollen kontinuierlich die Werte des Temperatur- bzw. Luftfeuchtigkeitssensors überwacht werden. Ist die Temperatur größer als 25°C, soll das Fenster geöffnet und die Lüfter angeschaltet werden. Sobald die Temperatur anschließend unter 20°C fällt, soll das Fenster wieder geschlossen und die Lüfter wieder ausgeschaltet werden. Ist die Luftfeuchtigkeit größer als 60%, soll das Fenster geöffnet und die Lüfter angeschaltet werden. Wenn die Luftfeuchtigkeit anschließend kleiner als 40% ist, soll das Fenster wieder geschlossen und die Lüfter wieder ausgeschaltet werden. Diese Hysterese soll verhindern, dass das Fenster bzw. die Lüfter, bei schwankender Temperatur um 25 °C bzw. Feuchtigkeit um 60%, ständig geöffnet und geschlossen wird bzw. die Lüfter an- und ausgeschaltet werden. Bei Bedarf können die Lüfter und das Fenster auch manuell geöffnet bzw. geschlossen werden. Dies wird im Abschnitt "Programm" näher erläutert. Erstellt wurde der Programmablaufplan mit der Software PapDesigner, welche hier heruntergeladen werden kann. Der Programmablaufplan kann hier eingesehen werden.

Abbildung 17: Programmablaufplan

Neues Projekt in PC Worx anlegen und Verbindung der SPS mit dem PC aufbauen

Das Anlegen eines neuen Projekts in PC Worx, der Verbindungsaufbau zwischen der SPS und dem PC sowie die Erstellung eines SPS-Programms in der Funktionsbausteinsprache, ist im Artikel Erstellen eines Projektes in PC Worx beschrieben. Dieser wurde von den Projektmitgliedern mit zusätzlichen Inhalten ergänzt.

Verwendete FBS-Blöcke

Im Folgenden werden die verwendeten FBS-Blöcke für das SPS-Programm vorgestellt.

Abbildung 18: LT-Block

Der Block „LT“, was für "lower than" steht, (Abbildung 18) vergleicht zwei Eingangssignale miteinander. In diesem Fall sind das das Eingangssignal „IN4“ und eine Variable „V001“. Wenn das Eingangssignal kleiner als die Variable ist, dann wird der Ausgang des Blocks auf „1“ geschaltet.

Abbildung 19: GT-Block

Der Block „GT“, was für "greater than" steht, (Abbildung 19) vergleicht ebenfalls zwei Eingangssignale miteinander. In diesem Fall sind das das Eingangssignal „IN5“ und eine Variable „V002“. Wenn das Eingangssignal größer als die Variable ist, dann wird der Ausgang des Blocks auf „1“ geschaltet.

Abbildung 20: RS-Block

Der "RS-Block" (RS steht für "Reset-Set") (Abbildung 20) stellt ein RS-Flip-Flop dar. Der Eingang „SET“ dient zum Setzen eines Signals, der Eingang „RESET“ dient zum Zurücksetzen eines Signals. Das Zurücksetzen ist dominant, d.h. wenn beide „1“ sind, ist der Ausgang „0“. Wenn beide „0“ sind wird das vorherige Signal gespeichert.

Abbildung 21: OR-Block

Der Block „OR“ (Abbildung 21) stellt eine ODER-Verknüpfung dar. Das heißt, am Ausgang liegt dann eine „1“ an, wenn an einem der beiden oder an beiden Eingängen eine „1“ anliegt.

Abbildung 22: NOT-Block

Beim Block „NOT“ (Abbildung 22) wird das Eingangssignal negiert. Das bedeutet wenn am Eingang eine „0“ anliegt, dann liegt am Ausgang eine „1“ an und umgekehrt.

Programm

Das Programm, welches in Abbildung 23 zu sehen ist wurde in PC Worx erstellt und kann hier eingesehen werden.

Abbildung 23: Programm

Das Programm zur Steuerung der Lüftungstechnik des Hauses benötigt insgesamt acht Ein- und Ausgänge der SPS. In der nachfolgenden Tabelle sind diese mit den jeweiligen angeschlossenen Bauteilen und Adressen in der SPS aufgelistet.

Bezeichnung	Signalart	Komponente	Adresse
IN1	Digital	S1 (Schalter 1)	I0.0 (digital)
IN2	Digital	S2 (Schalter 2)	I0.1 (digital)
IN3	Digital	S3 (Schalter 3)	I0.2 (digital)
IN4	Analog	R2 (Temperatursensor)	I0.0 (analog)
IN5	Analog	A1 (Luftfeuchtigkeitssensor)	I2.0 (analog)
OUT1	Digital	M1 (Lüfter 1)	Q0.0 (digital)
OUT2	Digital	M2 (Lüfter 2)	Q0.1 (digital)
OUT3	Digital	A2 (Mikrocontroller zur Steuerung des Servomotors)	Q0.2 (digital)

Es gibt drei digitale Ausgänge, diese steuern die beiden Lüfter und den Servomotor (zur Steuerung des Servomotors wird ein Mikrocontroller zwischengeschaltet). Da bis jetzt alle gleichzeitig geschaltet werden, werden sie von derselben Komponente des Steuerungsprogrammes geschaltet. Um Adressen zu sparen wäre es möglich gewesen lediglich ein Ausgang für alle drei Bauteile zu nutzen, da so allerdings Erweiterungen und Änderungen am Programm erschwert werden, wurde sich dafür entschieden die Bauteile mit separaten Ausgängen zu steuern. Es gibt zwei Möglichkeiten die Ausgänge zu steuern. Dies sind der Automatikbetrieb und der Handbetrieb. Beide Betriebsarten werden durch RS-Gatter geschaltet, die mit einem ODER-Gatter verbunden sind. So führt der Ausgang ein Signal, sobald eines dieser Gatter ein Signal ausgibt. Mithilfe des Eingangs IN1 kann die Betriebsart gewechselt werden, da dieser auf die Rücksetzeingänge der RS-Gatter der beiden Betriebsarten geht. Der Automatikbetrieb wird von RS_1 gesteuert und der Handbetrieb von RS_2. Führt IN1 ein Signal, befindet sich die Steuerung im Automatikbetrieb, da der Rücksetzeingang von RS_1 kein Signal erhält, aber der Rücksetzeingang von RS_2, weil hier das Signal des Eingangs zuvor negiert wird. Führt der Eingang ein Signal, befindet sich die Steuerung im Handbetrieb, da nun der Rücksetzeingang von RS_1 ein Signal erhält, RS_2 aber nicht. Im Folgenden werden die beiden Betriebsarten beschrieben.

Automatikbetrieb
Der Setzeingang von RS_1 erhält ein Signal, sobald entweder der Analogwert von IN4 den Wert 12632 unterschreitet, was einer Temperatur höher 25°C entspricht oder der Analogwert von IN5 den Wert 7800 überschreitet, was einer Luftfeuchtigkeit größer 60% entspricht. Neben dem Signal von IN1 erhält RS_1 ein Signal auf dem Rücksetzeingang, wenn der Analogwert von IN4 nicht kleiner als 15116 ist, was einer Temperatur kleiner 20°C entspricht oder wenn der Analogwert von IN5 nicht größer als 6000 ist was einer Luftfeuchtigkeit kleiner 40% entspricht. Folglich kann RS_1 nur ein Signal führen, wenn die Temperatur höher als 20°C ist, die Luftfeuchtigkeit höher als 40% ist und sich das Programm im Automatikbetrieb befindet. RS_1 führt dann ein Signal sobald die Temperatur 25°C überschreitet oder die Luftfeuchtigkeit höher als 60% ist. Sobald die Temperatur von 20°C unterschreitet, die Luftfeuchtigkeit unter 40% ist oder die Betriebsart mit -S1 gewechselt wird, führt RS_1 kein Signal mehr.

Handbetrieb
Für den Handbetrieb erhält der Setzeingang von RS_2 ein Signal von IN2, also eine 1, wenn -S2 geschaltet ist. Der Rücksetzeingang erhält neben dem negierten IN1 ein Signal von IN3, also eine 1, wenn -S3 geschaltet wird. Im Handbetrieb schaltet man die Lüftung mit einem kurzen Betätigen von -S2 ein und mit einem kurzen Betätigen von -S3 aus.

Mikrocontroller-Steuerung
Zur Ansteuerung des Servomotors wurde ein Mikrokontroller zwischengeschaltet, der die Stellung des Motors so definieren soll, dass das Fenster öffnet wenn der Ausgang OUT3 der SPS ein Signal führt. Führt dieser Ausgang kein Signal soll das Fenster geschlossen sein. Mit einem Spannungsteiler, der die Ausgangsspannung von 24V auf 5V reduziert, führt dieser auf PinA3. Der Ausgang, der den Servomotor steuert ist Pin3, der auch PWM-signal ausgeben kann. Zunächst wird im Programm der Eingangspin definiert und eine Variable erstellt, die den Eingangswert speichern soll. Im Setup-Programm wird dann der Ausgangspin definiert. Im Loop-Programm wird der Wert des Eingangspins ausgegeben, da dieser ein analog Wert einliest und dieser somit kontrolliert werden kann. Ist dieser Wert größer als 1000, ist also die Eingangsspannung größer als 4,7V, wird der Servomotor auf 10° gestellt, was einem geöffneten Fenster entspricht. Ist die Spannung kleiner, wird der Servomotor auf 70° gestellt, was einem geschlossenen Fenster entspricht. Es wurde sich für einen Analogeingang entschieden, da durch Spannungsschwankungen ein Digitaleingang ein Signal erhalten könnte, obwohl der Ausgang der SPS kein Signal führt. Zum Arduino-Programm gelangt man hier.

Abbildung 24: Arduino-Programm zum Ansteuern des Mikrocontrollers

Komponententest

Beim Komponententest werden alle Komponenten auf ihre korrekte Funktion überprüft. Die in diesem Projekt verwendeten Komponenten haben den Test alle bestanden (vgl. Abbildung 25). Die Lüfter und der Servomotor drehen sich und Werte können vom Temperatur- und Feuchtigkeitssensor eingelesen werden (vgl. Abbildung 26). Der Komponententest kann hier eingesehen werden.

Abbildung 25: Komponententest

Abbildung 26: Sensortests

Integrationstest

Beim Integrationstest wird überprüft, ob der Zusammenbau und die Integration der einzelnen Komponenten erfolgreich war. Dies ist bei diesem Projekt der Fall (siehe Abbildung 27). Zum Integrationstest gelangt man hier

Abbildung 27: Integrationstest

Systemtest / Abnahmetest

Beim System bzw. Abnahmetest wird überprüft, ob das System als Ganzes anforderungsgemäß ist, das heißt ob alle Anforderungen aus der Anforderungsliste erfüllt wurden. In Abbildung 28 lässt sich erkennen, dass der Großteil der Anforderungen erfüllt werden konnte. Allerdings schließt das Fenster noch nicht vollständig und die Ansteuerung des Servomotors erfolgt nicht direkt über die SPS, sondern über einen dazwischen geschalteten Mikrocontroller. Zum System-/Abnahmetest gelangt man hier

Abbildung 28: System-/Abnahmetest

Videos

Die einzelnen Videos dienen der Veranschaulichung. Die Prinzipien und Funktionsweisen sind im Abschnitt Fenstermechanismus und Programm bereits erklärt.

Funktion der Lüftung
In Video 1 lässt sich die Funktionsweise der Fensteröffnung bzw. -schließung erkennen. Das Prinzip dahinter steht im Abschnitt "Fenstermechanismus" beschrieben. Bei laufendem Video und eingeschaltetem Ton kann zudem gehört werden, dass die Lüfter, bei Betätigung des Schalters, angeschaltet werden.

Video 1: Funktion der Lüftung

Signalfluss im Handbetrieb
In Video 2 erkennt man den Signalfluss im Handbetrieb des Programms. Ein positives Signal wird durch eine rote Einfärbung der Verbindungslinie zwischen den Funktionsblöcken sowie einer roten Schrift in den Funktionsblöcken veranschaulicht. Wie der Handbetrieb eingeschaltet werden kann und bedient wird, ist im Kapitel "Programm" im Abschnitt "Handbetrieb" beschrieben.

Video 2: Signalfluss im Handbetrieb

Signalfuss des Temperatursensors im Automatikbetrieb
In Video 3 ist der Signalfluss des Temperatursensors im Automatikbetrieb dargestellt. Ein positives Signal wird, wie beim Handbetrieb, durch eine rote Verfärbung der Signalflussverbindung zwischen den Funktionsblöcken bzw. auf den Funktionsblöcken angezeigt. Die Funktionsweise des Programms ist im Kapitel "Programm" im Abschnitt Automatikbetrieb erklärt.

Video 3: Signalfuss des Temperatursensors im Automatikbetrieb

Signalfuss des Feuchtigkeitssensors im Automatikbetrieb
Für Video 4 gilt dasselbe für wie für Video 3. Auch hier wird der Signalfluss wieder durch eine rote Verfärbung dargestellt. Allerdings nicht der Signalfluss des Temperatursensors, sondern der des Feuchtigkeitssensors. Die Funktionsweise ist ebenfalls im Kapitel "Programm" im Abschnitt Automatikbetrieb beschrieben.

Video 4: Signalfuss des Feuchtigkeitssensors im Automatikbetrieb

Zusammenfassung / Ausblick

Das Projekt konnte weitestgehend abgeschlossen werden, allerdings können an einigen Stellen noch Optimierungen vorgenommen werden, welche Aufgaben für spätere Studierende darstellen könnten und im Unterpunkt "Ausblick" zu finden sind. Zuvor werden Punkte aufgezählt, die während des Praktikums erlernt bzw. vertieft wurden ("Lessons Learned") sowie Probleme bzw. Schwierigkeiten, die bei diesem Projekt aufgetreten sind.

Lessons Learned

• Projektplanung
• strukturierte Vorgehensweise nach V-Modell
• CAD-Konstruktion
• SPS-Programmierung
• Projektdokumentation

Probleme /Schwierigkeiten

• Komponentenauswahl sehr zeitintensiv
• Planung und Bau des Hauses sehr zeitintensiv
• PWM-Erzeugung für die Antsteuerung des Servomotors nur über einen Mikrocontroller
• Verbindungsaufbau zwischen PC und SPS anfangs aufgrund von falscher IP-Adress-Einstellungen nicht möglich
• Fenster schließt noch nicht vollständig

Ausblick

• Temperatur- und Feuchtigkeitssensor ausßerhalb des Hauses anbringen: Dadurch kann verhindert werden, dass das Fenster geöffnet und die Lüfter angeschaltet werden, wenn die Temperatur oder die Luftfeuchtigkeit außerhalb des Hauses größer als innerhalb ist.
• Schaltung / Modul zum Erzeugen des PWM-Signals für den Servomotor entwickeln oder ggf. kaufen, um den Mikrocontroller zu ersetzen
• Platine entwickeln, auf der alle Komponenten (Sensoren und Widerstände) miteinander verlötet werden, um das Breadboard zu ersetzen
• Fenstermechanismus optimieren, sodass das Fenster vollständig schließt
• Verkabelung optimieren (ggf. eine Steckverbindung einbauen)

Abschlusspräsentation
Zum Abschluss des Praktikums wurde eine Abschlusspräsentation gehalten, welche hier zu finden ist.

Originaldateien für das Projekt
In diesem Zip-Ordner befinden sich alle Originaldateien für das Projekt: Datei:Originaldateien Lueftungstechnik.zip

Literaturverzeichnis

→ zurück zur Übersicht: Praktikum Produktionstechnik