Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Kommissionierung (Station 1)

Aus HSHL Mechatronik
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Kommissionierstation Stand: WS 2023/2024
Die MPS-Station 1: Kommissionierung im CAD


Betreuer:
Prof. Dr. Mirek Göbel
Marc Ebmeyer

→ zum Hauptartikel: Mechatronisches Produktionssystem zur Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers

→ zum Artikel des Praktikums: Praktikum Produktionstechnik

Einleitung

Abbildung 1: Bestückter Warenträger

Im Rahmen des Studiengangs Mechatronik der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 7. Fachsemester das Praktikum Produktionstechnik als Teil des Moduls Global Production Engineering durchgeführt. In diesem Praktikum geht es um die Realisierung eines mechatronischen Produktionssystems (MPS) mittels Speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS) sowie der Ansteuerung eines pneumatischen Systems im Rahmen des Projektes „Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers“.

Gesamtkonzept

Produktion von HSHL-Getränkeuntersetzern als Werbegeschenk Produktion in 4 Stationen Verkettet über das bereits bestehende Förderband der MPS-Anlage

  • Station 1: Kommissionierung
  • Station 2: Schweissen
  • Station 3: Montage
  • Station 4: Verpackung

Aufgabe der Station

Die Aufgabe der Station 1 ist, Warenträger vom Förderband mit Teilen zu bestücken. Auf dem Warenträger sind dafür vorgefertigte Plätze für die Teile vorhanden. Das zu erzielende Endresultat ist in der Abbildung 1 rechts zu erkennen.


Vorgehensweise nach dem V-Modell

Bei der Durchführung dieses Projektes wurde systematisch nach dem V-Modell vorgegangen, welches in Abbildung ... zu sehen ist. Die Vorgehensweise nach dem V-Modell bietet den Vorteil, dass dadurch strukturierter und übersichtlicher gearbeitet werden kann. Zusätzlich wird der aktuelle Projektstand grafisch in dem V-Modell dargestellt. Zuerst haben wir die Entwicklungsphasen absolviert. Bei jedem Schritt, der im V-Modell durchlaufen wird, ist eine anschließende Verifizierung der vorherigen Schritte notwendig. Es muss überprüft werden, ob die Ergebnisse der vorherigen Schritte zum aktuell erreichten Projektstand umsetzbar sind.

Projektstand des V-Modells[1]


Originaldatei: Datei:V-Modell-Projektstand-MPS1.pptx

Anforderungsdefinition

Zu Beginn wurden verschiedene Anforderungen definiert, welche die Station erfüllen soll.

Die Anforderungen wurden in folgende Teilbereiche untergliedert:

  • Komponententest
  • Optimierung der Hardware
  • Optimierung der Software
  • Software/Werkzeuge
  • Dokumentation
  • Sicherheit
ID Typ (I = Info, A = Anforderung) Kapitel Inhalt Ersteller Datum Durchsicht von am Status Auftragnehmer Status Auftraggeber
Tabelle 1: Anforderungsliste Kommissionierung
001 I 1 Komponententest
002 A Verbindung zu der SPS muss hergestellt werden. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
003 A Die Ventilinsel für die Zylinder muss getestet werden. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
004 A Das Ausfahren/Einfahren des Entnahmezylinders muss getestet werden. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
005 A Die Zylinder für Magazin 1-3 muss getestet werden. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
006 A Der Zylinder für Magazin 4 muss getestet werden. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
007 A Induktionssensoren müssen bestellt werden. JH 24.10.2023 DW 24.10.2023 Akzeptiert Akzeptiert
008 A Die Halterung für die Induktionssensoren muss modular und anpassbar sein. JH 24.10.2023 DW 24.10.2023 Akzeptiert Akzeptiert
007 I 2 Optimierung der Hardware
008 A Kräfte der Magazine 1-3 müssen angepasst werden. FM, HL 04.10.2022 HL 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
009 A Kräfte des Entnahmezylinders muss ebenfalls angepasst werden. FM, HL 04.10.2022 HL 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
010 A Beschriftung der Anlagenkomponenten anfertigen. FM, HL 04.10.2022 HL 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
011 A Not-Ausschalter an Anlage einbinden. FM, HL 04.10.2022 FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
012 A HMI Touch-Panel an Anlage montieren und einbinden. FM, HL 04.10.2022 FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
007 A Induktionssensoren müssen 1mm oberhalb der Endstellung des Zylinders angebracht werden. JH 24.10.2023 DW 24.10.2023 Akzeptiert Akzeptiert
008 A Induktionssensoren müssen passend justiert und an die SPS angeschlossen werden. JH 24.10.2023 DW 24.10.2023 Akzeptiert Akzeptiert
013 I 3 Optimierung Software
014 A Versionsabgleich durchführen. Programm auf SPS und PC identisch? FM, HL 04.10.2022 FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
015 A Optimierung des Ablaufs durch gegebenenfalls anpassen der Zeitbausteine. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
016 A Übersichtlichkeit der Programmstruktur prüfen und gegebenenfalls anpassen. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
016 A Die Induktionssensoren der Zylinder müssen erkannt werden und ansprechbar sein. JH 24.10.2023 DW 24.10.2023 Akzeptiert Akzeptiert
017 I 4 Software/Werkzeuge
018 A SPS muss mit TIA Portal programmiert werden. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert
016 A Die Zylinder müssen vei Signal 1 der Induktionssensoren stoppen und zurückfahren JH 24.10.2023 DW 24.10.2023 Akzeptiert Akzeptiert
019 I 5 Dokumentation
020 A Verdrahtungs- und Pinbelegungsplan erstellen. JH 24.10.2023 DW 24.10.2023 Akzeptiert Akzeptiert
021 A Der bereits vorhandene WIKI-Artikel muss mit den umgesetzten Verbesserungen angepasst werden. JH 24.10.2023 DW 24.10.2023 Akzeptiert Akzeptiert
022 I 6 Sicherheit
023 A Die Anlage muss auf Sicherheit und korrekten Ablauf getestet werden. FM, HL 04.10.2022 HL, FM 06.10.2022 Akzeptiert Akzeptiert

Originaldatei: Datei:Anforderungsliste Station 1 FM,HL.xlsx

funktionaler Systementwurf

Im funktionalen Systementwurf wird die Fertigungsaufgabe in kleine Teilaufgaben runtergebrochen. Für die vorliegen Station teilt sich die Aufgabe in das Entnehmen des Warenträgers (WTs) vom Förderband, das Positionieren der Einzelteile und das anschließende Rückführen und weitergeben des WTs. Das Positionieren kann hierbei weiter unterteilt werden in das Speichern vereinzeln und genaue Positionieren auf dem WT.

  • *Funktionaler Systementwurf
    • Funktionaler Systementwurf
  • *Positionierung
    • Positionierung
  • *Positionierung am Beispiel Logo Links
    • Positionierung am Beispiel Logo Links
  • *Systemarchitektur Induktionssensoren
    • Systemarchitektur Induktionssensoren

Originaldatei: Datei:MPS1-FS.pptx

technischer Systementwurf

Im Anschluss an den funktionalen Systementwurf wird das System genauer spezifiziert. Im Folgenden sind die geplanten Komponenten mit Ein- und Ausgängen dargestellt. Zudem ist eine Gesamtübersicht mit allen relevanten Verbindungen und ein Lageplan abgebildet.

  • *Legende
    • Legende
  • *Systemübersicht
    • Systemübersicht
  • *Lageplan
    • Lageplan
  • *Haltevorrichtung
    • Haltevorrichtung
  • *Magazin
    • Magazin
  • *Entnahme
    • Entnahme
  • *Ventilblock
    • Ventilblock
  • *SPS
    • SPS
  • *Induktionssensor
    • Induktionssensor

Originaldatei: Datei:Technischer Systementwurf.pptx

Komponentenspezifikation

Nach dem technischen Systementwurf können die einzelnen Komponenten genauer spezifiziert werden. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf den mechanischen Komponenten, welche in groben Skizzen vor konzipiert werden. In diesen Skizzen wird das Wirkprinzip dargestellt und ein Konzept ausgearbeitet. Diese Skizzen sind für das Magazin und die Entnahmevorrichtung unten dargestellt. Für die restlichen Komponenten wurden Eigenschaften aufgenommen. Neben der Mechanik wurde ebenfalls die Programmierung vor konzipiert. Hierfür wurden zwei Programmablaufpläne erstellt, welche die Basis für die spätere Programmierung darstellen.

  • *Magazine
    • Magazine
  • *Entnahme
    • Entnahme
  • *Programmablaufplan
    • Programmablaufplan
  • *PAP-Induktionssensoren
    • PAP-Induktionssensoren

Originaldateien:

Gesamtsystem der Komissionierung

Abbildung 2: CAD-Modell der MPS-Station 1

Die Aufgabe der ersten Station liegt darin, die Einzelteile für den HSHL-Getränkeuntersetzter auf dem WT zu platzieren. Neben der Mechanik werden noch weiter Komponenten benötigt. So werden die mechanischen Komponenten durch Druckluft bewegt, weshalb ein pneumatisches System aufgebaut wird. Dieses besteht einerseits aus den Druckluftzylindern selbst, andererseits jedoch auch aus Ventilen. Die Ventile werden elektrisch angesteuert. Für die Steuerung wird eine SPS verwendet. In Abbildung 2 auf der rechten Seite ist die Gesamtübersicht der Station 1 zu erkennen. Im Folgenden sind die mechanischen Komponenten, das pneumatische System und die Programmierung des SPS genauer erläutert.

Im folgenden Ordner ist das gesamte CAD-Modell zu finden: Datei:MPS1-CAD.zip

Mechanische Komponenten

Zur Umsetzung der Fertigungsaufgabe werden mehrere mechanische Komponenten benötigt. Diese Komponenten bestehen einerseits aus einer Mechanik zum Entnehmen und Rückführen des WTs (Wahrenträgers) vom und auf das Förderband. Die Funktion wird durch die Komponente Entnahmevorrichtung umgesetzt. Andererseits müssen die einzelnen Bauteile auf den WT aufgebracht werden und zuvor gespeichert werden. Diese Funktion wird durch Magazine mit integriertem Auswerfer umgesetzt. Hierbei sind die Magazin eins bis drei zu einer Komponente zusammengefasst, währen das vierte Magazin eine separate Komponente darstellt.

Entnahmevorrichtung

Abbildung 4: Entnahmevorrichtung
Abbildung 3: Entnahmevorrichtung Rückseite

Die Entnahmevorrichtung, Abbildung 3 und 4, nimmt den WT (Warenträger) vom Wagen auf dem Förderband auf und verschiebt diesen in die Station, wo dieser dann bearbeitet werden kann. Hierfür greift ein gedrucktes Kunststoffteil, die Entnahmenase, in die Nase des WTs ein und zieht das gesamte Teil an dieser Nase in die Station. Sowohl der WT als auch die das Kunststoffteil werden von zwei T-Profilen geführt. Auf diese Weise wird einerseits die Position des WTs in der Station definiert, andererseits wird ein Verdrehen der Entnahmenase verhindert.

Die notwendige Bewegung in der Station wird durch einen Druckluftzylinder mit 300 mm Hub umgesetzt. Da nicht der volle Fahrweg des Zylinders benötigt wird, ist eine Begrenzung in Form von Anschlägen verbaut. Im eingefahrenen Zustand dient hierfür der interne Anschlag des Zylinders, im ausgefahrenen Zustand wird eine Konstruktion aus Boschprofilen und entsprechenden Winkeln verwendet. Diese Ausführung ermöglicht eine genaue Anpassung an den Abstand zum Förderband. Der doppeltwirkende Zylinder ist mit Reed-Kontakten versehen, welche die Endlagen des Zylinders erkennen. Hierdurch kann die Position der Entnahmenase bestimmt werden. Diese Position ist für die spätere Programmierung wichtig.

Magazin 1 bis 3 (Kleinteilmagazin)

Abbildung 6: Magazin 1 bis 3 (Kleinteilmagazin)
Abbildung 5: Magazin 1 bis 3 (Kleinteilmagazin) Rückseite

Die Magazine für die Kleinteile des Untersetzers befinden sich im Magazin 1 bis 3, zu erkennen in Abbildung 5 und 6. Die drei Magazine sind aufgrund der räumlichen Nähe der Bauteile auf dem Warenträger zu einem Magazinblock zusammengefasst. Die Magazine ermöglichen ein geordnetes Speichern der Einzelteile in einer definierten Position. Das Nachrücken der Einzelteile erfolgt mittels Gravitation, sodass immer ein Bauteil am Auswurffenster vorhanden ist. Das Nachfüllen der Magazine erfolgt über die obigen Öffnungen und wird durch eine Aussparung an der Rückseite vereinfacht. Diese Öffnungen zeigen zeitgleich den Füllstand des Magazins an, damit der Bediener der Station weiß, wann die Magazine rechtzeitig nachzufüllen sind. Der Auswurf der Bauteile auf den Warenträger erfolgt über Schieber, welche federrückgestellte Druckluftzylinder angesteuert werden. Die Schieber besitzen jeweils eine individuelle Länge, die auf die Bauteile angepasst sind. Diese drei Zylinder haben einen Hub von 100 mm und sind nebeneinander leicht versetzt auf einer Trägerplatte angeordnet und mit einem Drosselrückschlagventil ausgestattet, um die Fahrgeschwindigkeit regulieren zu können.

Magazin 4 (Grundplatte)

Abbildung 8: Magazin 4 (Grundplatte)
Abbildung 7: Magazin 4 (Grundplatte) Rückseite

Das Magazin 4 speichert die Grundplatte des Untersetzers. Es entspricht vom Aufbau und Wirkprinzip her dem Magazin 1 bis 3. Jedoch hat dieses Magazin aufgrund des größeren Bauteils einen größeren Fahrweg, welcher durch einen größeren Zylinder realisiert wird. Diese Komponente ist in das Magazin und in die Stützen unterteilt, was eine schnellere Iteration ermöglicht. Zudem bildet das Magazin 4 den Aufnahmepunkt für die Entnahmekomponente. Die Abbildung 7 und 8 zeigt den Aufbau von Magazin 4.

Induktionssensoren Magazin 1-4 (Pneumatikzylinder MM2-MM5)

Abbildung 31:Halterung und Sensoren
Abbildung 30: Kommissionierstation


Zur Kontrolle des Weges beziehungsweise für die Entstellung der Pneumatikzylinder für die Magazine 1 bis 4 sind Induktionssensoren auf einer justierbaren Halterung installiert. Sobald die metallische Gabelhalterung der Pneumatikzylinder durch den jeweiligen Induktionssensor erkannt wird, wird das boolsche Signal 1 an die SPS weitergegeben. Die SPS verarbeitet diese Signal und gibt der Ventilinsel das Signal die Luftzufuhr für den jeweiligen Zylinder zu stoppen. Die Feder im Pneumatikzylinder fährt diesen dann wieder in die Ausgangsposition. Durch die Justierbarkeitsfunktion der Halterung, kann somit die Kraft mit welcher die Bauteile auf die Grundplatte treffen eingestellt werden.

Pneumatik

Abbildung 9: Pneumatikplan nach EN 81346-2

Die Station ist über einen Standard Druckluftanschluss an das Versorgungsnetz der Hochschule mit einem Druck von 8 Bar angeschlossen. Um den Druck der Station individuell zu regulieren, ist ein Druckminderer (RN1) vorgeschaltet. Hier wird der Druck auf 3 Bar reduziert. Die Ansteuerung der Zylinder erfolgt über eine Ventilinsel, welche mit mehreren Ventilmodulen bestückt ist. Die Schaltsignale erhält die Ventilinsel von der SPS. Die verwendeten Module der Ventilinsel sind jeweils mit zwei 3/2-Wege-Ventilen ausgestattet. Der Zylinder der Entnahmevorrichtung ist ein doppeltwirkender Zylinder (MM1), sodass für dessen Ansteuerung zwei Ventile (QM1 & QM2) verwendet werden, jeweils eins für das Ausfahren und eins für das Einfahren des Zylinders. Um die Fahrgeschwindigkeit des Zylinders in beide Richtungen einstellen zu können, wurde bei beiden Eingängen des Zylinders ein Drosselrückschlagventil (RZ1 & RZ2) eingebaut. Die Drosselrückschlagventile begrenzen den Durchfluss in eine Richtung und lassen in der entgegengesetzten Richtung den vollen Durchfluss zu, sodass eine Fahrrichtung in der eingestellt werden kann und der Zylinder beispielsweise langsam ausfährt und schnell wieder einfährt. Zudem verfügt der Zylinder der Entnahmevorrichtung über zwei Endschalter (BG1 & BG2), um die Position der Kolbenstange im Prozess bestimmen zu können. Die Zylinder der Magazine (MM2 - MM5) werden grundlegend nach dem gleichen Prinzip angesteuert und deshalb nur einmal anhand von Magazin 1 (MM2) erläutert. In den Magazinen sind Federrückgestellte Zylinder verbaut, was bedeutet, dass die Zylinder nur einen Anschluss haben und sobald Druckluft auf den Eingang gegeben wird, der Zylinder ausfährt. Wird der Eingang drucklos geschaltet, fährt der Zylinder mittels eingebauter Feder wieder in die Ursprungsposition zurück. Auch die Zylinder der Magazine sind mit einem Drosselrückschlagventil (RZ3 - RZ6) ausgestattet, um die Fahrgeschwindigkeit zu reduzieren. Die Pneumatikschaltung ist in der Abbildung 9 zu erkennen.

Die Referenzkennzeichnung der Komponenten erfolgt nach EN 81346-2.

Originaldatei: Datei:MPS1-Pneumatik.pptx


Elektronik

Abbildung 10: Schaltplan MPS Station 1
Abbildung 32: Schaltplan: Induktionssensoren MPS Station 1

Im folgenden Schaltplan, zu sehen in Abbildung 10, ist die Verkabelung der Station beschrieben. Die genaue Belegung der einzelnen Anschlüsse sowie die Belegung der Anschlüsse der Ventilinsel sind der Anschlusstabelle zu entnehmen.

ID Typ Modul Adresse SPS-Adresse Ventil li nach re Zylinder Ventilinsel-Anschluss Beschreibung Kabel
Tabelle 2: Anschlusstabelle
1 Output 7 0 A4.0 1 1 14 Magazin 1 Grau
2 Output 7 1 A4.1 2 2 14 Magazin 2 Weiß
3 Output 7 2 A4.2 3 3 14 Magazin 3 Braun
4 Output 7 3 A4.3 6 4 14 Magazin 4 Pink
5 Output 8 0 A5.0 4 0 14 Entnahme einfahren Grün
6 Output 8 1 A5.1 5 0 14 Entnahme ausfahren Gelb-Braun
7 Output 8 2 A5.2 - - - Wagen freigeben Rot - Förderband
8 Input 6 0 E9.0 - 0 eingefahren Entnahme
9 Input 6 1 E9.1 - 0 ausgefahren Entnahme
10 Input 6 2 E9.2 - - - Sensor für Wagenerkennung Grün - Förderband
11 Input 8 2 A5.2 - - - Magazin 1 ausgefahren Induktionssensor 1
12 Input 6 0 E9.0 - 0 Magazin 2 ausgefahren Induktionssensor 2
13 Input 6 1 E9.1 - 0 Magazin 3 ausgefahren Induktionssensor 3
14 Input 6 2 E9.2 - - - Magazin 4 ausgefahren Induktionssensor 4


Originaldatei: Datei:Schaltplan MPS1-Kommissionierung.zip

Programmierung

Das Programm, welches die Station kontrolliert, läuft auf der Siemens SPS. Die verwendete Programmiersprache ist FUP (kurz für Funktionsplan), welche Netzwerke in grafischer Form beschreibt. Diese Netzwerke entsprechen dabei weitestgehend den Logikgattern der Digitaltechnik. So können beispielsweise Eingangsvariablen mit UND-Gattern verknüpft werden oder Zustände durch RS-Flipflops gespeichert werden. Als Eingangsvariablen können entweder die digitalen Eingänge der SPS verwendet werden oder interne Variablen/Merker.

Für die Anlage der Station 1 sind die Funktionen in verschiedene Netzwerke aufgeteilt. Beispielsweise wird mit Netzwerk 2 das Ausfahren der Entnahmestation gesteuert. Hierfür werden der Eingang E9.0, welcher an den Sensor des Entnahmezylinders angeschlossen ist, und der Merker M1.1 ausgelesen. Dieser wird von anderen Netzwerken beschrieben und gibt an, ob der WT in der Station bestückt wurde. Diese beiden Signale werden und-verknüpft, sodass wenn beide den logischen Wert 1 besitzen der S-Eingang eines SR-Flipflops gesetzt wird. Dieser speichert das Signal und sein Ausgang Q bleibt anschließend solange auf 1, bis der Eingang R1 des SR-Flipflops auf 1 gesetzt wird. Dann schaltet er zurück auf 0. Beim SR-Glied ist im Gegensatz zum RS-Glied der Eingang R1 dominant gegenüber dem Eingang S. Dies wird durchgeführt, sobald die Entnahme ausgefahren ist, ausgelesen durch den Sensor am Entnahmezylinder, angeschlossen am Eingang E9.1. Der Ausgang des SR-Flipflops wird mit eine Identität verschaltet, welche mit dem Ausgang A5.1 verkoppelt ist. Auf diese Weise wird der Ausgang A5.1 geschaltet, welcher die Ventilinsel ansteuert und dort das Ventil für das Ausfahren der Entnahmestation schaltet.

Im folgenden Ordner ist die Programmierung der SPS zu finden: Datei:MPS1-SPS.zip

Test der Station

Komponententest

Zu Beginn werden die einzelnen Komponenten für sich getestet. Dafür wurden Kriterien überprüft, welche unten zu sehen sind.

Originaldokumentation: Datei:Komponententest.xlsx

SPS

Abbildung 11: SPS
ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 3: Komponententest SPS
1 Verbindung mit Computer i.O. 28.11.2023 JH
2 Ausführen eine Programmes i.O. 28.11.2023 JH
3 Einlesen von digitalen Inputs i.O. 28.11.2023 JH
4 Schreiben von digitalen Outputs i.O. 28.11.2023 JH
5 Software vollständig i.O. 28.11.2023 JH


Ventilinsel

Abbildung 12:Ventilinsel
ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 4: Komponententest Ventilinsel
1 Anschließen an die Druckluftversorgung i.O. 28.11.23 JH
2 Manuelle Betätigung i.O. 28.11.23 JH
3 Elektrische Betätigung i.O. 28.11.23 JH


Entnahme

Abbildung 13: Entnahme
ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 5: Komponententest Entnahme
1 Manuelles verschieben eines WTs i.O. 28.11.2023 JH
2 Pneumatisches verschieben eines WTs i.O. 28.11.2023 JH
3 Entnahme vom Förderband i.O. 28.11.2023 JH
4 Rückführung aufs Förderband i.O. 28.11.2023 JH


Magazin 1 bis 3

Abbildung 14: Magazin 1 bis 3
ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 6: Komponententest Magazin 1 bis 3
1 Zylinder ausfahren i.O. 28.11.2023 JH
2 Zylinder einfahren i.O. 28.11.2023 JH
3 Teil auswerfen i.O. 28.11.2023 JH
4 Teil nachrücken i.O. 28.11.2023 JH
5 sequenziertes Teil auswerfen i.O. 28.11.2023 JH


Magazin 4

Abbildung 15: Magazin 4
ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 7: Komponententest Magazin 4
1 Zylinder ausfahren i.O. 28.11.2023 JH
2 Zylinder einfahren i.O. 28.11.2023 JH
3 Teil auswerfen i.O. 28.11.2023 JH
4 Teil nachrücken i.O. 28.11.2023 JH
5 sequenziertes Teil auswerfen i.O. 28.11.2023 JH


Induktionssensor

Abbildung 32:MM2-MM5 Halterung und Sensoren
ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 7: Komponententest Magazin 4
1 Zylinder MM2 stoppen Zylinder i.O. 02.01.2024 JH
2 Zylinder MM2 zurückfahren i.O. 02.01.2024 JH
3 Zylinder MM3 stoppen Zylinder i.O. 02.01.2024 JH
4 Zylinder MM3 zurückfahren i.O. 02.01.2024 JH
5 Zylinder MM4 stoppen Zylinder i.O. 02.01.2024 JH
6 Zylinder MM4 zurückfahren i.O. 02.01.2024 JH
7 Zylinder MM5 stoppen Zylinder i.O. 02.01.2024 JH
8 Zylinder MM5 zurückfahren i.O. 02.01.2024 JH


Integrationstest

Der Integrationstest wird durchgeführt, um das Zusammenspiel verschiedener Komponenten des System zu prüfen.

Originaldokumentation: Datei:Integrationstest.xlsx

SPS zu Ventilinsel

Durch einfache Netzwerke, welche beim Start der SPS Ausgänge auf logisch 1 setzen, wurde die Funktion der Schnittstelle zwischen SPS und Ventilinsel überprüft. Dabei wurden alle Ventile, welche im späteren Betrieb der Station verwendet werden, aktiviert. Die Funktionsweise der Ventile wurde durch die Indikations-LED auf der Ventilinsel und durch den Druckausgang überprüft. Alle Tests verliefen erfolgreich, wie der folgenden Tabelle zu entnehmen ist.

ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 8: Komponententest SPS zu Ventilinsel
1 elektrische Verbindung i.O. 02.01.2024 JH
2 Ansteuerung Ventil 1 i.O. 02.01.2024 JH
3 Ansteuerung Ventil 2 i.O. 02.01.2024 JH
4 Ansteuerung Ventil 3 i.O. 02.01.2024 JH
5 Ansteuerung Ventil 4 i.O. 02.01.2024 JH
6 Ansteuerung Ventil 5 i.O. 02.01.2024 JH
7 Ansteuerung Ventil 6 i.O. 02.01.2024 JH

Ventilinsel zu Magazin

Für diesen Integrationstest wurde die Ventilinsel an die Druckluftversorgung angeschlossen und die Ventile anschließend per Hand mit einem Schraubendreher betätigt. Dabei wurde kontrolliert, ob am jeweiligen Ausgang Druckluft ausströmt. Anschließend wurden die Druckluftleitungen zu den Magazinen gelegt und an der Ventilinsel und den Zylindern angeschlossen. Durch das manuelle Betätigen der Ventile wurden die Magazine auf Funktion überprüft. So wurden die Magazine mehrmals per manueller Betätigung ein- und ausgefahren. Während dieses Vorgangs wurden die Drosselrückschlagventile der Zylinder eingestellt, um die optimale Fahrgeschwindigkeit zu verwenden.

ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 9: Komponententest Ventilinsel zu Magazin
1 Magazin 1 i.O. 02.01.2024 JH
2 Magazin 2 i.O. 02.01.2024 JH
3 Magazin 3 i.O. 02.01.2024 JH
4 Magazin 4 i.O. 02.01.2024 JH

Ventilinsel zu Entnahme

Der Test entspricht in seiner Durchführung dem Test von "Ventilinsel zu Magazine".

ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 10: Komponententest Ventilinsel zu Entnahme
1 Ausfahren i.O. 02.01.2024 JH
2 Einfahren i.O. 02.01.2024 JH
3 Stoppen i.O. 02.01.2024 JH

Magazin zu Entnahme

Es wurde die Position der Magazine zum WT in der eingefahrenen Entnahme getestet. Hierbei wurden die Magazine manuell betätigt.

ID Beschreibung Status Datum Prüfer
Tabelle 11: Komponententest Magazin zu Entnahme
1 Magazin 1 i.O. 02.01.2024 JH
2 Magazin 2 i.O. 02.01.2024 JH
3 Magazin 3 i.O. 02.01.2024 JH
4 Magazin 4 i.O. 02.01.2024 JH

Systemtest

ID Typ (I = Info, A = Anforderung) Kapitel Inhalt Kommentar Auftraggeber Status Prüfer Kommentar
Tabelle 12: Systemtest
001 I 1 Komponententest
002 A Verbindung zu der SPS muss hergestellt werden i.O. JH
003 A Die Ventilinsel für die Zylinder muss getestet werden i.O. JH
004 A Das Ausfahren/Einfahren des Entnahmezylinders muss getestet werden i.O. JH
005 A Die Zylinder für Magazin 1-3 muss getestet werden i.O. JH
006 A Der Zylinder für Magazin 4 muss getestet werden i.O. JH
007 A Induktionssensoren müssen ansprechbar sein und boolsches Signal an die SPS weitergeben i.O. JH
008 I 2 Optimierung der Hardware
009 A Kräfte der Magazine 1-3 müssen angepasst werden i.O. JH
010 A Kräfte des Entnahmezylinders muss ebenfalls angepasst werden i.O. JH
011 A Beschriftung der Anlagenkomponenten anfertigen i.O. HL & FM
012 A Not-Ausschalter an Anlage einbinden Ausstehend HL & FM
013 A HMI Touch-Panel an Anlage montieren und einbinden Ausstehend HL & FM
014 A Endposition der Zylinder ist funktionsfähig und justierbar i.O. JH
015 I 3 Optimierung Software
016 A Versionsabgleich durchführen. Programm auf SPS und PC identisch? i.O. HL & FM
017 A Optimierung des Ablaufs durch gegebenenfalls anpassen der Zeitbausteine i.O. HL & FM
018 A Optimierung der Sicherheit für das System durch Flankengesteuerte Programmierung (Rising) i.O. JH
019 A Übersichtlichkeit der Programmstruktur prüfen und gegebenenfalls anpassen i.O. HL & FM
020 I 4 Software/Werkzeuge
021 A SPS muss mit TIA Portal programmiert werden i.O. JH
022 I 5 Dokumentation
023 A Verdrahtungs- und Pinbelegungsplan erstellen i.O. JH
024 A Der bereits vorhandene WIKI-Artikel muss mit den umgesetzten Verbesserungen angepasst werden i.O. JH
025 I 6 Sicherheit
026 A Die Anlage muss auf Sicherheit und korrekten Ablauf getestet werden i.O. JH

Originaldokumentation: Datei:Systemtest.xlsx

Abnahmetest

Der Abnahmetest der Station lief im autarken Betrieb durchweg positiv. Alle Komponenten arbeiten, wie in den Anforderungen beschrieben und die Kommissionierung erfolgt wie gewünscht. Die Integration in das Gesamtsystem und der Steuerung der MPS-Anlage ist abgeschlossen. Die Freischaltung zum weiterfahren des Wagens ist eingebunden und getestet. Die gesamte Hardware, also der mechanische, elektrische, software und pneumatische Teil der Anlage, ist somit fertiggestellt.

Testfall

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt den Inbetriebnahmeprozess der Kommissionierungsanlage des HSHL Getränkeuntersetzers. Um den Testablauf durchzuführen, sind keine weiteren Software Applikationen notwendig.

Testfall im Detail

Bezeichnung: Inbetriebnahme der Kommissionierung
Erstellt von: Markman, Lütkemeier
Erstellt am: 02.01.2023
Überarbeitet am: 16.01.2023


Schritt Nr. Beschreibung Ausgangszustand Aktion(en) Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Bemerkung
Tabelle 13: Abnahmetest
Precondition 1 Druckluftverbindung herstellen Druckluft nicht vorhanden Druckluftleitung anschließen, Druckluftregler aufdrehen Druckluft ist vorhanden Anlage ist mit Druckluft versorgt i.O.
Precondition 2 Stromversorgung herstellen Netzkabel ist nicht eingesteckt Netzkabel einstecken Netzteil von SPS ist betriebsbereit SPS wird mit Strom versorgt i.O.
Precondition 3 Magazin befüllen Magazin ist leer Befüllen der Magazine Magazin ist mit mindestens einem Bauteil bestückt Magazin ist bestückt i.O.
Precondition 4 Warenträger positionieren Warenträger ist nicht auf Position Warenträger mechanisch durch das Fließband in Position bringen Warenträger bereit für Kommissionierungsprozess Warenträger auf Position und bereit i.O.
Testschritt 1 Inbetriebnahme des Kommissionierungsprozesses Anlage ist betriebsbereit SPS auf RUN setzen Ablauf des vollständigen Kommissionierungsprozesses Warenträger vollständig bestückt i.O.
Postcondition 1 Anlage herunterfahren Anlage läuft SPS auf STOP setzen SPS ist auf STOP SPS befindet sich im STOP Modus i.O.
Postcondition 2 Stromversorgung trennen Stromversorgung ist vorhanden Netzstecker ziehen SPS Netzteil ist stromlos Anlage ist spannungsfrei i.O.
Postcondition 3 Druckluftversorgung trennen Druckluft ist vorhanden Druckluftregler zudrehen, Druckluftleitung trennen Es besteht keine Druckluftverbindung mehr Druckluft= 0 bar i.O.

Originaldatei: Datei:Abnahmetest.xlsx

Bauteile

Zylinder

Es wurden drei verscheiden Druckluftzylinder in der Station verbaut:

Artikelname Bestellnummer Lieferant Preis Anzahl Komponente Beschreibung Bild
Tabelle 14: Zylinder Bauteile
300mm Zylinder DSNU-20-300-PA Festo 35,04€ 1 Entnahme Doppeltwirkender Zylinder mit 20mm Kolbendurchmesser, 300mm Hub und Magnet zur Positionserkennung im Kolben

Datenblatt

Abbildung 16: 300mm Zylinder[2]
150mm Zylinder 206111200150 Esska 67,66€ 1 Magazin 4 SMC CM2B20-150SZ:

Einfachwirkender, federrückgestellter Zylinder mit 20mm Kolbendurchmesser und 150mm Hub
Datenblatt

Abbildung 17: 150mm Zylinder[3]
100mm Zylinder 206111200100 Esska 59,50€ 3 Magazin 1 bis 3 SMC CM2B20-100SZ:

Einfachwirkender, federrückgestellter Zylinder mit 20mm Kolbendurchmesser und 100mm Hub
Datenblatt

Abbildung 18: 100mm Zylinder

Für die Befestigung und Positionserkennung wurden die folgenden Komponenten verwendet:

Artikelname Bestellnummer Lieferant Preis Anzahl Zylinder Beschreibung Bild
Tabelle 15: Bauteile
Reedkontakt SME-8M-DS-24V-K-2.5-OE Festo 13,88 € 2 Entnahme Sensor zur Erkennung der Position des Kolbens im Zylinder, über den verbauten Magneten

Datenblatt

Abbildung 19: Reedkontakt[4]
Sensorbefestigung SMBR-8-20 Festo 2,54€ 2 Entnahme Befestigung für den Sensor

Datenblatt

Abbildung 20: Sensorbefestigung[5]
Gabelkopf SG-M8 Festo 2,21€ 4 Alle Zylinder Gabelkopf

Datenblatt

Abbildung 21: Gabelkopf[6]
Zylinderbefestigung HBN-20/25X2 Festo 3,45€ 5 Alle Zylinder Zylinderbefestigung

Datenblatt

Abbildung 22:Zylinderbefestigung[7]
Drosselrückschlagventil GRLA-1/8-QS-6-RS-D Festo 8,83€ 6 Alle Zylinder Drosselrückschlagventil

Datenblatt

Abbildung 23: Drosselrückschlagventil[8]
Induktionssensor Induktiver Näherungsschalter M8 bündig PNP DW-AD-623-M8 Contrinex 47,99€ 7 Alle Zylinder Induktionssensor

Datenblatt

Abbildung 34: Induktionssensor

Ventilstation

Zur pneumatischen Ansteuerung der Druckluftzylinder wurde eine Ventilinsel des Herstellers Festo mit der Bezeichnung CPV10-G verwendet. Mit einem Druckluftanschluss können so bis zu 16 Ausgänge gesteuert werden. Die Ventilinsel besitzt acht Steckplätze für Ventilmodule. Jedes der Module kann zwei Ausgänge schalten.

Datenblatt: Datei:MPS1-Db-Ventilinsel.pdf

Artikelname Bestellnummer Lieferant Preis Anzahl Komponente Beschreibung Bild
Tabelle 16: Ventilstation Bauteile
Ventilstation 10P-10-8A-MP-N-U-HPHP6N Festo (HSHL) 826,09€ 1 Ventilinsel Steuert die Druckluft und somit die Druckluftzylinder

Datenblatt

Abbildung 24: Ventilstation
Druckminderer LR-1/4-DB-7-MINI Festo 17,56€ 1 Ventilinsel Druckminderer: Verringert den Druck

Datenblatt

Abbildung 25: Druckminderer[9]

Für das Adapterkabel wurde ein 25-poliges Kabel verwendet, bei dem dann nicht alle Adern belegt sind.

Pin Farbe Ventilplatz Anschluss Potential
Tabelle 17: Kabelbelegung
1 Grau 1 14 24V
2 Grau-Braun 1 12 24V
3 Weiß 2 14 24V
4 Grau-Pink 2 12 24V
5 Braun 3 14 24V
6 Braun-Grün 3 12 24V
7 Grün 4 14 24V
8 Gelb 4 12 24V
9 Gelb-Braun 5 14 24V
10 Weiß-Gelb 5 12 24V
11 pink 6 14 24V
12 blau 6 12 24V
13 rot 7 14 24V
14 lila 7 12 24V
15 braun-rot 8 14 24V
16 schwarz 8 12 24V
17 weiß-schwarz
18 braun-blau
19 weiß-rot
20 weiß-grau
21 weiß-blau
22 pink-braun
23 weiß-pink
24 rot-blau 0V
25 weiß-grün 0V

SPS

Für die Steuerung der Station wurde eine Siemens SPS Simatic ET200SP Open Controller 1515SP PC2 verwendet. Diese wurde mittels TIA-Portal und FUP programmiert. Nähere Infos finden sich im Hauptartikel der Siemens-SPS.

Artikelname Bestellnummer Lieferant Preis Anzahl Komponente Beschreibung Bild
Tabelle 18: SPS Bauteile
Siemens SPS 6ES7193-6AR00-0AA0 Siemens (HSHL) unbekannt 1 SPS Siemens SPS Simatic ET200SP Open Controller 1515SP PC2: Steuert die Station
Abbildung 26: Siemens SPS
Siemens SPS Netzteil 6EP7133-6AE00-0BN0 Siemens (HSHL) unbekannt 1 SPS Siemens SPS simatic ET200SP Netzteil: Stromversorgung
Abbildung 27: Siemens SPS Netzteil[10]
BaseUnit 6ES7139-68P00-0DA0 Siemens (HSHL) unbekannt 1 SPS Siemens SPS Simatic ET200SP OBaseUnit BU15-P16+A0+2D, BU-Typ A0: Verbindung von Peripheriemodulen

Weitere Daten

Abbildung 28: Base Unit
Analog Output Modul 6ES7135-6HB00-0DA1 Siemens (HSHL) unbekannt 1 SPS Siemens SPS simatic ET200SP Analog Output Modul 2*U/I: Analoge Ausgänge

Weitere Daten

Siehe BaseUnit
Analog Input Modul 6ES7134-6HB00-0DA1 Siemens (HSHL) unbekannt 2 SPS Siemens SPS simatic ET200SP Analog Input Modul 2* U/I 2-/4- wire: Analoge Eingänge

Weitere Daten

Siehe BaseUnit
Digital Input Modul 6ES7131-6BF00-0CA0 Siemens (HSHL) unbekannt 2 SPS Siemens SPS simatic ET200SP Digital Input Modul 8* 24VDC: Digitale Eingänge

Weitere Daten

Siehe BaseUnit
Digital Output Modul 6ES7132-6BF00-0CA0 Siemens (HSHL) unbekannt 2 SPS Siemens SPS simatic ET200SP Digital Output Modul 8*24V DV/0,5A: Digitale Ausgänge

Weitere Daten

Siehe BaseUnit


Metallbauteile

Die Basis der Station besteht aus einer großen Aluminium-Nutenplatte. Zur Verbindung der einzelnen Komponenten und primär zu stabilen Montage wurde Aluminiumplatten gefertigt. Diese wurden im Vorhinein mit SolidWorks geplant und anschließend wurden darüber technische Zeichnungen erstellt. In diesen befinden sich Gewinde für die direkte Verschraubung der Komponierten. Des Weiteren wurden Aluminium-Profile in der Komponente "Entnahme" verwendet: Zum einen wurden T-Profile (20mm x 20mm x 1,5mm) zur Führung des WTs und weiterer Bauteile eingesetzt, zum anderen ist zur Umsetzung eines verstellbaren und damit flexibel nutzbaren Anschlags ein Standard-BOSCH-Profil verwendet worden.

  • Magazin 1 bis 3 Zylinderplatte

    Magazin 1 bis 3 Zylinderplatte

  • Magazin 4 Zylinderplatte und Entnahme

    Magazin 4 Zylinderplatte und Entnahme

Orignaldateien:

3D-Druckteile

Durch die umfangreiche Planung der Station im CAD mittels SolidWorks konnte die Möglichkeit der Fertigung durch additiver Verfahren genutzt werden. Somit konnten von vornherein die Bauteile auf diese Fertigungsart ausgelegt und optimiert werden. Durch die Fertigung mittels 3D-Druck konnten die Bauteile optimal auf die Bedürfnisse ausgelegt werden und trotzdem kostengünstig und schnell gefertigt werden. Somit wurde ein Großteil der Komponenten individuell konstruiert und in diesem Verfahren gefertigt. Im Folgenden können die Bauteile bewundert werden.

  • *Nase für Entnahme
    • Nase für Entnahme
  • *Stütze der Entnahme
    • Stütze der Entnahme
  • *Zylinderbefestigung der Entnahme
    • Zylinderbefestigung der Entnahme
  • *Magazingehäuse für Magazin 1 bis 3
    • Magazingehäuse für Magazin 1 bis 3
  • *Stütze des Magazin 1 bis 3
    • Stütze des Magazin 1 bis 3
  • *Schieber des Magazin 1 und 2
    • Schieber des Magazin 1 und 2
  • *Schieber des Magazin 3
    • Schieber des Magazin 3
  • *Magazingehäuse für Magazin 4
    • Magazingehäuse für Magazin 4
  • *Stütze rechts Magazingehäuse 4
    • Stütze rechts Magazingehäuse 4
  • *Stütze links Magazingehäuse 4
    • Stütze links Magazingehäuse 4
  • *Stütze für Zylinder des Magazin 4
    • Stütze für Zylinder des Magazin 4
  • *Halterung des Zylinders des Magazin 4 (Teil 1)
    • Halterung des Zylinders des Magazin 4 (Teil 1)
  • *Halterung des Zylinders des Magazin 4 (Teil 2)
    • Halterung des Zylinders des Magazin 4 (Teil 2)
  • *Schieber des Magazin 4
    • Schieber des Magazin 4
  • *Klemme zur Organisation von Druckluftschläuchen
    • Klemme zur Organisation von Druckluftschläuchen
  • *Adapter für Verschraubung Durchmesser 6mm Länge 10mm
    • Adapter für Verschraubung Durchmesser 6mm Länge 10mm
  • *Adapter für Verschraubung Durchmesser 6mm Länge 20mm
    • Adapter für Verschraubung Durchmesser 6mm Länge 20mm
  • *Adapter für Verschraubung Durchmesser 8mm Länge 10mm
    • Adapter für Verschraubung Durchmesser 8mm Länge 10mm
  • *Adapter für Verschraubung Durchmesser 8mm Länge 20mm
    • Adapter für Verschraubung Durchmesser 8mm Länge 20mm
  • *HMI Halterung
    • HMI Halterung
  • *Halterung Induktionssensor Zylinder MM3
    • Halterung Induktionssensor Zylinder MM3
  • *Halterung Induktionssensor Zylinder MM5
    • Halterung Induktionssensor Zylinder MM5

Im folgenden Ordner befeinden sich die Originaldateien:

  1. Datei:Druckteile.zip
  2. Datei:3D Druckteile Induktionssensoren.zip

Verwendete Software

  • SolidWorks: Erstellung des CAD-Modells und Konzipierung der Druckteile
  • TIA Portal V15: Einrichtung und Programmierung der SPS
  • PapDesigner: Konzipierung des Programms
  • Microsoft Office: Dokumentation
  • Verdrahtungsplan: QElectroTech

Erweiterungsmöglichkeiten

Die MPS-Station 1 wurde von vornherein dahingehend konzipiert, dass diese Möglichkeiten zur Erweiterung für die kommenden Semester bietet. Diese Erweiterungen bieten sowohl Potenzial im mechanischen, elektronischen sowie auch im Softwarebereich und somit die ideale Grundlage für das Praktikum Produktionstechnik im Studiengang Mechatronik. Im Folgenden sind einige Erweiterungsmöglichkeiten enthalten.

  • Füllstandsensoren für die Magazine
  • Nachfüllmechanismus für die Magazine
  • Kommunikation mit der Haupt SPS über BUS-Schnittstelle
  • HMI in die fertige Halterung montieren
  • grafische Füllstandsanzeige über das HMI
  • kamerabasierte Überprüfung des Warenträgers
  • Erweiterung der Magazine zur Farbauswahl des Logos über das HMI

Literatur

  1. ↑ Eigene Darstellung eines V-Modells - in Anlehnung dieser Grafik
  2. ↑ https://i.ebayimg.com/images/g/U~4AAOSwPSNfimkj/s-l1600.jpg
  3. ↑ https://www.tsisolutions.us/ecomm_images/items/large/smbr-8-20.jpg
  4. ↑ https://media.rs-online.com/t_large/F1215825-03.jpg
  5. ↑ https://www.tsisolutions.us/ecomm_images/items/large/smbr-8-20.jpg
  6. ↑ https://www.landefeld.com/shop/media/festo/produkte/d15000100125251.jpg
  7. ↑ https://www.kiowa.co.uk/SupplyImages/WF00213/P_C5DF78A94B564A5A9326D8554713803E_pp.jpg
  8. ↑ https://www.amazon.de/197581-grla-1-8-qs-6-rs-d-Einweg-Control-Ventil/dp/B00RW7FCSO
  9. ↑ https://www.festo.com/de/de/a/539682/?q=LR-1_4-DB-7~:festoSortOrderScored
  10. ↑ https://mall.industry.siemens.com/mall/de/WW/Catalog/Product/6EP7133-6AE00-0BN0

→ Alle wichtigen Dateien zum Nachbau des Projektes finden Sie unter Datei:MPS-1 Datensammlung.zip

→ zum Hauptartikel: Mechatronisches Produktionssystem zur Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers

→ zum Artikel des Praktikums: Praktikum Produktionstechnik

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