Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Verpackung (Station 4)

Autoren: Maleen Koslowski und Luca Berntzen

Autoren WS22/23: Nicolas-Pascal Kosellek & Hendrik Schlemmer

Dozent: Prof. Dr. Mirek Göbel

Übersicht der Verpackungsstation

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Konzept

Im Rahmen des Produktionstechnik-Praktikums des Moduls Global Production Engineering III, im 7. Semester des Studiengangs Mechatronik, wurde das MPS der Hochschule neu konzipiert. Die ursprünglichen Stationen des Systems sollten durch vier, miteinander vernetzte, Stationen ersetzt werden. Diese sollten das Fließband wiederverwenden, das laboreigene pneumatische System einbinden und durch eine jeweils eigene SPS gesteuert werden. Das Konzept der neuen Anlage besteht darin, einen HSHL-Getränkeuntersetzer aus vorgefertigten Teilen zu kommissionieren, zu kleben, zu montieren und anschließend zu verpacken. Diese Station führt letzteren Schritt aus.

Methodische Vorgehensweise

Das V-Modell in der Mechatronik

Wie in der Mechatronik üblich, fand die Vorgehensweise der Entwicklung der Gesamtanlage, sowie die, der Teilanlage,nach dem V-Modell statt. Wie in der Vorgehensweise zu sehen, werden zuerst grobe Ansprüche an das fertige System gemacht, welche nach jeder Iteration detaillierter werden. Nach der Programmierung der Systemkomponenten werden diese mithilfe von Einzelüberprüfungen, dann Baugruppentests und anschließenden Abnahmen verifiziert.

Anforderungsdefinition

Lastenheft der Verpackungsstation

In dem Lastenheft befinden sich Anforderungsdefinitionen für das fertige Produkt. Hier sind die Kategorien auf die Geometrie und das Gewicht, den Aufbau, die zu verwendenden Schnittstellen, die benutzten Werkzeuge, die Dokumentation und die Sicherheit begrenzt.

Geometrie:
Die Station passt auf einen Tisch und kann den fertigen HSHL-Untersetzer aus einer passenden Objektträgerschiene, welche auf den vorliegenden Objektträger aufgesetzt werden kann, herausziehen.

Gewicht:
Die Station ist leicht genug, um gehandhabt zu werden.

Aufbau:
Ein Druckluftzylinder schiebt den HSHL-Untersetzer von der Objektträgerschiene in den Arbeitsbereich der Station. Danach wird der Untersetzer einzeln verpackt und mit einem weiteren Druckluftzylinder in ein gemeinsames Behältnis befördert. Das System kann wegen Montagezwecken auf einer Nutenplatte des Tisches verschraubt werden.

Schnittstellen:
Alle Druckluftzylinder werden über das pneumatische System der Hochschule versorgt und alle Stationen innerhalb der MPS sind in einem gemeinsamen einstellbaren Druckluftsystem. Alle Komponenten haben, wegen den Betriebsspannungen der zu verwendenden SPS, eine Versorgungsspannung, welche etwa 24V beträgt. Die benutzten Verbindungen der Pneumatik sind standardisiert und die Verbindungen der Elektrik finden über Verbindungsklemmen statt. Das zu bearbeitende Bauteil wird sofort entgegengenommen, da es den Produktionsfluss der MPS nicht unterbrechen darf.

Werkzeuge:
Die Station ist mithilfe von Standardwerkzeugen montierbar und veränderbar. Alle CAD-Teile sind mit Solidworks modifizierbar und das SPS-Programm kann mit TIA-Portal bearbeitet werden. Die Versionsverwaltung der Daten findet mit TortoiseSVN statt.

Dokumentation:
Alle relevanten Daten sind im vorgesehenen SVN-Archiv abgelegt.

Sicherheit:

Während der Entwicklung und der Benutzung der MPS-Anlage sind alle vorherrschenden sicherheitsrelevanten Laborregeln einzuhalten.

Lastenheft

Projekt: Verpackungsstation MPS-Anlage (Station 4)
Hochschule Hamm-Lippstadt
Erstellt von: Nicolas-Pascal Kosellek und Hendrik Schlemmer

ID	Typ (I = Info, A = Anforderung)	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Durchschicht von	am	Status Auftragnehmer	Kommentar Auftragnehmer	Status Auftraggeber	Kommentar Auftraggeber
001	I	1	Geometrie & Gewicht
001.1	A		Der Bauraum darf nicht größer als 100cm x 50 cm x 50 cm sein. (Tischgröße)	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert mit Einschr.		Akzeptiert
001.2	A		Die Einhaltung der Maße des Objektträgers 165mm x 110mm x 5 mm muss erfolgen.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
001.3	A		Das Gewicht darf höchstens 100 kg betragen. (Traglast Tisch)	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert	Entfernen	Akzeptiert
002	I	2	Aufbau
002.1	A		Die Grundplatte der Baugruppe muss in den Arbeitsbereich (durch einen Druckluftzylinder) geschoben werden.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
002.2	A		Die Untersetzer müssen einzeln verpackt werden.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
002.3	A		Die einzeln verpackten Untersetzer müssen in ein gemeinsames Behältnis befördert werden.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
002.4	A		Der Auswurf der verpackten Untersetzer wird) mit einem Druckluftzylinder) vorgenommen.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
002.5	A		Das System muss auf dem gegebenen Montagetisch fest verbaut sein.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK		Akzeptiert		Akzeptiert
003	I	3	Schnittstellen
003.1	A		Der Druckluftzylinder wird über die vorhandene Ventilinsel gesteuert.	Nicolas Kosellek	29.09.2022	Nicolas Kosellek	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
003.2	A		Die genutzte Systemspannung darf 24 V nicht überschreiten.	Hendrik Schlemmer	29.09.2022	Hendrik Schlemmer	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
003.3	A		Elektronische Steckverbindungen müssen mit dem SPS kompatibel sein.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
003.4	A		Das Teilsystem muss die Signale aus der "Haupt-SPS" zum Starten des Verpackens empfangen	offen	29.09.2022	offen	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
003.5	A		Das Teilsystem muss die fertige Baugruppe bei Eingang entgegen nehmen ohne einen Stau auf dem Fließband der Anlage zu verursachen.	offen	29.09.2022	offen	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
004	I	4	Software / Werkzeuge
004.1	A		Der Versuchsaufbau muss mit Standardwerkzeugen montierbar sein.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
004.2	A		Erstellte CAD-Teile müssen in SolidWorks konstruiert werden.	Hendrik Schlemmer	04.10.2022	Hendrik Schlemmer	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
004.3	A		Das anwendungsrelevante Programm muss über SPS realisierbar sein.	HS, NK	29.09.2022	offen	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
004.4	A		Das SVN-Archiv muss regelmäßig nach neustem Stand aktualiert werden.	Nicolas Kosellek	regelmäßig	Nicolas Kosellek	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
004.5	A		Die Programmierung der SPS erfolgt mit Siemens/TIA-Portal.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
004.6	A		Programmierung einer HMI Oberfläche für die Station zur Systemkontrolle / Funktionstest				29.09.2022	Akzeptiert	optional	Akzeptiert
005	I	5	Dokumentation
005.1	A		Die Beschreibung der Verpackungsstation muss in einem Wiki-Artikel verständlich erklärt sein.	HS, NK	regelmäßig	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
005.2	A		Das Projekt muss in einer Präsentation zusammengefasst werden.	HS, NK	offen	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
005.3	A		Ein vollständiger Funktionsplan mit Schaltplan und Pinbelegungen muss im SVN hinterlegt werden.	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
006	I	6	Sicherheit
006.1	A		Berührungsschutz der Verdrahtung	HS, NK	29.09.2022	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
006.2	A		Erstellung eines Sicherheitskonzepts bei Druckverlust / Spannungsabfall	HS, NK	offen	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
007	I	7	Abnahmetest
007.1	A		Dokumentation Systemtest	HS, NK	offen	HS, NK	29.09.2022	Akzeptiert		Akzeptiert
007.2	A		Externe Systemabnahme durch fachfremde Personen	HS, NK	29.09.2022	offen	05.01.2023	Akzeptiert		Akzeptiert

Funktionaler Systementwurf

Ablaufplan der Verpackungsstation

Der Ablaufplan mit Sinnbildern ist ein Ausschnitt des gesamten Ablaufplans der neuen MPS-Anlage. Nach dem Empfang des Objektträgers, inklusive Objektträgerschiene auf dem Förderband, wird dieser in den Bereich der Verpackungsstation geschoben. Die Einzelverpackungen werden, während dem Vorgang des Ausschiebens, zugeteilt und mit dem Werkstück vereint. Danach liegen die verpackten HSHL-Untersetzer geordnet in einem gemeinsamen Behältnis vor.

Ablaufplan der Verpackungsstation mit Sinnbildern

Aktualisierung WS22/23

Für die Darstellung des Funktionsablaufs innerhalb der Verpackungsstation sind die einzelnen Signalleitungen der einzelnen Komponenten in der nachfolgenden Abbildung grafisch dargestellt. Der Informationsfluss der entsprechenden Signale werden mittels Pfeilen darstellt. Somit sind die ein- und ausgehenden Signalflüsse eindeutig zu erkennen.

Funktionaler Systementwurf für die Verpackungsstation
Originaldatei: Funktionaler Systementwurf

Durch die Darstellung kann die Anzahl der notwendigen Signal Ein- und Ausgänge definiert werden. Spezifiziert werden diese in dem technischen Systementwurf. Als Grundlage für die Erstellung des funktionalen Systementwurf wurden die Erkenntnisse der vorherigen Gruppe verwendet und entsprechend weiterentwickelt.

Technischer Systementwurf

Programmablaufplan der Verpackungsstation

Im Technischen Systementwurf spielt die zeitliche Einteilung des Ablaufes eine entscheidende Rolle. Grafisch wurde dieser Systementwurf über den Lageplan aufgezeigt. Der Ablaufplan soll Klarheit über die Ereignisse und Abfragen verschaffen, welche die SPS über ihre analogen und digitalen Ein- und Ausgänge steuern soll. Das Förderband der Anlage läuft dauerhaft. Zu Anfang soll der Stopper (Zylinder 1) des Objektträgers ausgefahren werden. Sobald ein Schalter (Schalter 1), welcher die Funktion der Station steuert, aktiviert ist, wird fortgefahren. Als nächstes wird gewartet, bis der Objektträger an der Station durch den Stopper anhält und einen Sensor auslöst (Sensor 1). Ist dies der Fall, fährt ein Druckluftzylinder (Zylinder 2) aus und schiebt den HSHL-Untersetzer von der Objektträgerschiene in das Verpackungsmagazin. Wenn das Verpackungsmagazin leer ist und dementsprechend einen weiteren Sensor auslöst (Sensor 2), wird gewartet, bis dieses mit neuen Verpackungen aufgefüllt wird. Befindet sich ein Verpackungsloop im Magazin, wird die Aktion von Zylinder 2 ausgeführt und Zylinder 3 schiebt den verpackten Untersetzer aus dem Magazin heraus, in den Sammelbehälter. Daraufhin werden alle Aktoren zurückgesetzt und das Programm startet erneut. Es ist anzumerken, dass nach jeder Bewegung eines Zylinders der richtungsspezifische Sensor (Sensoren 3/4,5/6,7/8) für die Endlage ausgelesen wird, bis er den Wert der erreichten Endlage zurückgibt.

Lageplan der Verpackungsstation

Aktualisierung WS22/23

Im überarbeiteten technischen Systementwurf können die Leitungen und deren Signalweitergabe zu den einzelnen Komponenten besser nachvollzogen werden. Dieser ist detaillierter als der funktionale Systementwurf. Durch die Verwendung der unterschiedlich farbig markierten Verbindungen, bleibt der Systementwurf trotz zahlreicher Kabel übersichtlich und leicht verständlich.

Technischer Systementwurf für die Verpackungsstatio n
Originaldatei: Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Die System-SPS, welche in die MPS integriert ist, steuert einige Elemente der MPS, welche für diese Station von Bedeutung sind. Beispielsweise wird das Fließband dauerhaft befördert, oder auch der Stopper angesteuert, welcher sich vor der Verpackungsstation am Förderband befindet und den Werkstückträger an der richtigen Position hält. Alle anderen Spezifikationen des Einschubs, des Ausschubs und der Versorgungseinheit sind in den unteren Tabellen zu sehen.

Anforderungsliste Stationseinschub

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Aufgabe
	1	Druckluftzylinder	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Schiebt fertigen Untersetzer vom Förderband in Papierloop vom Magazin
001.1		Hub 200mm	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
001.2		Doppelwirkung	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
	2	Endlagesensoren	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Reedsensor erkennt den ausgefahrenen Zylinder und gibt Daten an die SPS
002.1		Versorgungsspannung 24V	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022

Anforderungsliste Stationsausschub

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Augabe
	1	Druckluftzylinder	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Schiebt die verpackten Untersetzer aus dem Magazin in den Auffangbehälter
001.1		Hub 200mm	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
001.2		Doppelwirkung	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
	2	Endlagesensoren	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Erkennt die Lage der Schubstangen
002.1		Versorgungsspannung 24V	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
002.2		Signalspannung 5V	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
	3	Lichtwellenleiter	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Gibt Signal an die SPS, wenn weniger als 2 Papierloops im Magazin verweilen
003.1		Gewinde M4	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
	4	Zylinderschubaufsatz	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Wird auf Zylinder 3 montiert, um den Ausschub zu ermöglichen
004.1		Gewinde M10	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
004.2		Breite 100mm	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
	6	Verpackungsmagazin	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Hält die Papierloops bereit und ermöglicht den problemlosen Einschub der Unter-
005.1		Kapazität von 10 Papierloops	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	setzer in die Verpackung. Kann Modular erweitert werden (5 Loops/Einheit)
	7	Auffangbehälter	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022
006.1		200mm x 200mm x 200mm	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Die fertig verpackten Teile gelangen über eine Rutsche in den Auffangbehälter

Anforderungsliste Versorgungseinheit

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Aufgabe
	1	SPS Siemens Simatic	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Steuert die gesamte Verpackunsanlage, erhält Eingangsignale, verarbeitet diese und gibt Ausgangssignale an Ventilinsel und die Gesamtanlage. Stellt allen Geräten 24V Versorgungsspannung zur Verfügung
001.1		4 digitale Eingänge 24V
001.2		1 digitaler Eingang 5V (oder analoger Eingang 24V)
001.3		3 digitale Ausgänge 24V
001.4		230V Netzspannung
001.5		Anschlussleitungen
	2	Auswertegerät Lichwellenleiter	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Erhält über die die Einheit die Versorgungsspannung und gibt als Eingangssignal Welle unterbrochen oder geschlossen
002.1		Steckverbindung
002.2		Schaltspannung 24V
	3	Ventilinsel	Schlemmer/Kosellek	26.10.2022	Steuert die Druckluftzylinder für Ein- sowie Ausschub, erhält die Signale von der SPS
003.1		mindestens 4 Digital Eingänge
003.2		mindestens 4 Pneumatik Ausgänge
003.3		Schaltspannung 24V
003.4		Zwei-Wege-System
003.5		DA 6mm Pneumatikschläuche
003.6		Hutschienenbestigungsmaterial

Artikellisten

Folgende Komponenten wurden mit SolidWorks konzeptioniert und anschließend mit 3D-Druckern der Hochschule gedruckt:

• 

  Ausschieber des Zylinder 2 Neu
  Der neue Auswerfer schiebt den fertigen Untersetzer vom Werkstückträger in das Verpackungsmagazin, ohne das Werkstück oder das Magazin zu beschädigen.

• 

  Ausschieber des Zylinder 3
  Dieser Ausschieber wird an der Kolbenstange des Zylinder 3 montiert und dient dazu, den einzeln verpackten HSHL-Untersetzer aus dem Magazin zu schieben, ohne die Verpackung oder das Magazin zu beschädigen.

• 

  Zylinderhalterung des Zylinder 2
  Diese Zylinderhalterung definiert die Position des Zylinder 2 und wird auf einem Aluminium-Profil montiert, welches sich auf der anderen Seite des Fließbandes befindet.

• 

  Zylinderhalterung des Zylinder 3
  Diese Zylinderhalterung wird auf der Nutenplatte montiert und hält jeweils ein Ende des Zylinder 3 in Position.

• 

  Verpackungsmagazin
  Das neu konzipierte und konstruierte Verpackungsmagazin besitzt die Aufgabe den fertigen Untersetzer durch den Einschub in ein Papierloop zu verpacken. Danach kann dieser durch den Auslass, über ein Gefälle, in einen Sammelbehälter rutschen. Der Lichtwellenleiter wird seitlich in das Magazin geschraubt um eine Warnung bei mangelnden Papierloops auszugeben. Zudem wurde das Magazin modular gedruckt, sodass man es beliebig erweitern/vergrößern kann.

• 

  Papierloop als Einzelverpackung
  Diese Verpackung ist an die Form des HSHL-Untersetzers angepasst und ermöglicht seine Umschließung durch eine lineare Bewegung.

• 

  Sammelbehälter als gemeinsame Verpackung
  Dieser Sammelbehälter kann an den Ausschub des Magazins gestellt werden, um die einzeln verpackten HSHL-Untersetzer versammelt zu verpacken.

• 

  HMI-Halterung
  Dieser konstruktive Halter, dient zur Halterung der HMI-Bedienpanels zur Steuerung der Station.

Folgende Artikel, Bauteile sowie Befestigungsteile wurden von der Hochschule zur Verfügung gestellt:

Bezeichnung	Lieferant	Bestellnummer und Preis	Anzahl	Einsatz	Information	Bild
Simatic ET200SP Open Controller 1515SP PC2	Siemens	unbekannt	1	Steuerung der Station	Weitere Informationen: Hauptartikel der Siemens-SPS Der Controller der speicherprogrammierbare Steuerung hat sie Funktion die Daten der Verpackungsanlage zu verarbeiten und zu steuern. An dem Controller werden die Steckelemente mit den Eingängen und Ausgängen angeschlossen.	SPS Controller
Ventilinsel CPV-10	FESTO	unbekannt 826,09€	1	Steuerung der Druckluft	Datenblatt Die Ventilinsel besteht aus mehreren Ventilen. Mit dem Programm werden die Ventile gesteuert, sodass die anliegende Druckluft zu den Pneumatikzylindern geleitet werden kann. Die angesteuerten Ventile werden mittels einer LED angezeigt.	Ventilinsel
Reedkontakt SME-8M-DS-24V-K-2.5-OE	FESTO	unbekannt 13,88 €	4	Positionslage des Zylinderkolbens	Datenblatt Die Reedkontakte werden an den Pneumatikzylindern befestigt. Der induktive Sensor schließt einen Kontakt, sobald der Zylinder die jeweilige Endlage erreicht hat. Der Stromfluss wird als Eingangssignal an die SPS weitergegeben. So kann die Position, also die Endlage, des Zylinderkolbens erkannt werden.	Reedkontakt
Multipolstecker	CONEC	unbekannt	1	Kommunikation zwischen SPS und Ventilinsel	Weitere Information: Der Stecker wurde selbst montiert und gelötet. Die Leitung, der Stecker, sowie das Gehäuse wurden aus dem HSHL-Bestand genommen. Die Leitung dient als Verbindungs-/ Kommunikationsschnittstelle zwischen der Ventilinsel und der SPS.	Multipolstecker
Normteile (Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben)	-	unbekannt	-	Befestigung aller Komponenten	Weitere Informationen: Die Normteile wurden für die Befestigung der Komponenten verwendet. Alle Befestigungsmaterialien wurden aus dem Bestand der HSHL genommen.	Befestigungsmaterial
T-Nutenplatte	unbekannt	unbekannt	2	Befestigung der Verpackungsstation auf dem Labortisch	Weitere Information: Die T-Nutenplatten wurden aus dem Bestand der HSHL entnommen. Die T-Nutenplatten wurden auf einer Multiplexplatte mittels Schrauben befestigt. Diese wurde mittels Aluminiumprofilen unterseitig verschraubt.	Profilplatte
Reihenklemmen	Phönix-Contact	unbekannt	4	Versorgungsspannung der REED-Kontakte	Weitere Information: Die Reihenklemmen wurden aus dem Bestand der HSHL entnommen und mittels einer Hutschiene in der Verpackungsstation befestigt.	Reihenklemme

Folgende Artikel wurden zusätzlich gekauft:

In der Liste Baukasten Automatisierung sind alle zugekauften Artikel aufgelistet, die nun zum Bestand der HSHL gehören.

Bezeichnung	Lieferant	Bestellnummer und Preis	Anzahl	Einsatz	Information	Bild
Univer KL200-32-200M Profilzylinder Hublänge: 200 mm	UNIVER	583691 - YD 65,54€	2	Ein-/ und Ausschub der Untersetzer	Datenblatt Die Pneumatikzylinder werden für den Ein- und Ausschub der Untersetzer in die Verpackungsstation und wieder heraus genutzt. Die Zylinder sind mit der Ventilinsel verbunden und werden darüber angesteuert. Wie Sie angesteuert werden ist im Programm vestgelegt.	Profilzylinder
Contrinex Lichtwellenleiter LFP-2002-020 621 000 207	CONTRINEX	155943 - YD 29,40€	1	Magazinstand ermitteln	Datenblatt Der Lichtwellenleiter leitet rotes Licht weiter, das von dem Lichtwellenleiterverstärker ausgegeben wird. Ist die Lichtschranke unterbrochen, durch die Verpackungsloops, wird kein Signal weitergegeben. Ist die Lichtschranke nicht unterbrochen, also das Magazin leer, kann dies als Signal ausgelesen werden. Dann muss erst das Magazin aufgefüllt werden.	Lichtwellenleiter
Contrinex Lichtwellenleiterverstärker LFK-3060-103 620 000 913 hellschaltend, dunkelschaltend, Trimmer, Umschalter	CONTRINEX	155925 - YD 78,98€	1	Magazinstand auswerten	Datenblatt Der Lichtwellenleiterverstärker gibt das rote Licht aus, welches über die Lichtwellenleiter zum Magazin geleitet wird. Sobald der Empfänger das rote Licht des Senders erkennt, wird ein Signal an einen SPS-Eingang weitergegeben.	Auswerteinheit Lichtwellenleiter
FESTO Steckverbinder	FESTO	186107 2,60 €	4	Aufnahme für Pneumatikschläuche für Ventilinsel	Datenblatt Aufgrund von einer zöllischen Schlauchaufnahme innerhalb der Ventilinsel in Komibination mit einem metrischen Pneumatikschlauch, kam es zu Undichtigkeiten innerhalb der Steckverbinder. Durch den Austausch der Steckverbinder konnte das Problem behoben werden.	Festo Steckverschraubung

Elektronik

I/O-Module der SPS

Die Siemens-SPS besteht aus dem Controller, dem Prozessor und einem erweiterbarem Bus für Module. Die, hier verwendete, SPS besitzt auf ihrem Rückwandbus sechs einzelne I/O-Module. Das erste ist ein Analog-Output-Modul. Das zweite und dritte Modul sind Analog-Input-Module. Das dritte und vierte sind Digital-Input-Module. Die letzten beiden sind Digital-Output-Module. Die einzelnen Pins dieser Module können über Adressen im TIA-Portal Variablen zugeordnet werden. Die erste Ziffer beschreibt dabei das Modul und die Zweite nach dem "." beschreibt den Pin des Moduls. Alle verwendeten Aktoren und Sensoren werden durch diese Module eingelesen, beziehungsweise ausgegeben.

Aktoren

Die verwendete Ventilinsel öffnet Ventile, sobald eine Spannung auf dem jeweiligen Pin des Multipolsteckers liegt. Die Ventilinsel stellt jeweils zwei digitale Eingänge für jeden angschlossenen doppelwirkenden Pneumatikzylinder bereit. Beschriftet ist jeder Eingang mit einer 12, welche hier für das Ausfahren eines Zylinders steht und einer 14, welcher hier für das Einfahren eines Zylinders zuständig ist.

Sensoren

Jeder Zylinder hat zwei angebrachte digitale Sensoren, um zu bestimmen, ob sich der Kolben in seiner Endlage befindet. Das dient dazu, Störungen der Station zu vermeiden und den Programmablauf variabel zu halten. Ein weiterer Sensor ist an dem Förderband angebracht, um die Präsenz des Objektträgers zu untersuchen. Der letzte Sensor befindet sich an dem Verpackungsmagazin und stellt sicher, dass sich noch mindestens ein Papierloop in ihm befindet.

Die Verbindung der SPS mit der System-SPS

Der Sensor, welcher für die Erkennung des Objektträgers verantwortlich ist, ist, zusammen mit den beiden Input- und den beiden Output-Signalen für Zylinder 1, an die System-SPS der MPS-Anlage angeschlossen. Die Kommunikation der Bauteile mit der System-SPS findet zwar statt, ist aber für die Anwendung der Verpackungsstation irrelevant. Das liegt daran, dass die System-SPS die digitalen Signale in beide Richtungen weiterleiten soll. Das bedeutet für das Programm, welches auf der SPS der Station läuft, dass es diese Sensoren und Aktoren, genau so betrachtet, als wären diese direkt mit ihr verbunden. Die SPS der Station greift auf diese Bauteile also nur indirekt über zwei digitale Ausgänge für Zylinder 1 und drei digitale Eingänge für die die Sensoren für Zylinder 1 und den Objektträger zu. Das setzt aber voraus, das das Programm der System-SPS das Weiterleiten der Signale auch umsetzt.

Elektrischer Schaltplan der Verpackungsstation

Bezeichnung	Art	Art der Spannung	Adresse der SPS	Index auf Multipolstecker	Anschluss am Bauteil	Kabelfarbe
Masse der Ventilinsel	Leitung	analog	-	24	-	gelb
Zylinder 1 auf	Aktor	digital	MPS	-	System-SPS (unbekannte Adresse)	grün
Zylinder 1 zu	Aktor	digital	MPS	-	System-SPS (unbekannte Adresse)	blau
Zylinder 2 ausfahren	Aktor	digital	E8.3	17	hinten	braun / pink
Zylinder 2 einfahren	Aktor	digital	E8.4	18	vorne	grau / pink
Zylinder 3 ausfahren	Aktor	digital	E8.5	19	hinten	weiß / pink
Zylinder 3 einfahren	Aktor	digital	E8.6	20	vorne	grau / braun
Zylinder 1 ausgefahren	Sensor	digital	MPS	-	System-SPS (unbekannte Adresse)	rot
Zylinder 1 eingefahren	Sensor	digital	MPS	-	System-SPS (unbekannte Adresse)	braun
Zylinder 2 ausgefahren	Sensor	digital	A4.2	-	vorne	rot
Zylinder 2 eingefahren	Sensor	digital	A4.3	-	hinten	blau
Zylinder 3 ausgefahren	Sensor	digital	A4.0	-	vorne	grün
Zylinder 3 eingefahren	Sensor	digital	A4.1	-	hinten	gelb
Objektträger ist vorhanden	Sensor	digital	E9.1	-	System-SPS (unbekannte Adresse)	gelb
Papierloop ist nicht vorhanden	Sensor	analog	E8.2	-	vorne	schwarz

Pneumatik

Zylinder 1 wird über eine eigene Ventilinsel von der Bandanlage angesteuert. Die Ansteuerung der Zylinder 2 und 3 wird, mithilfe von Druckluft, durch eine gemeinsame FESTO Ventilinsel erreicht. Zylinder 1, 2 und 3 sind doppelwirkend und besitzen deshalb keine Federrückstellung. Das bedeutet, für das Einfahren der Zylinder wird ein weiteres Ventil benötigt. Drosselrückschlagventile werden bei Zylinder 2 und Zylinder 3 verwendet, um ein zu schnelles Ausfahren und damit eine Beschädigung der Bauteile zu verhindern, wobei die Einfahrbewegung der Zylinder nicht gedrosselt wird.

Pneumatikplan der Verpackungsstation

Programmierung

Die Programmierung der Station wurde mit dem Programm "TIA Portal" vorgenommen. Die Programmiersprache, die verwendet wurde, heißt FUP. Die Abkürzung bedeutet "Funktionsplan". Allgemein wird FUP aber auch als "Funktionsbausteinsprache" bezeichnet. Die Sprache ermöglicht eine übersichtliche Programmierung mit Logikgattern. Die Funktion der 4. Station wurde in vier Netzwerke aufgeteilt, um die vier Funktionsphasen zu verdeutlichen. Der Objektträger wird angehalten, der Untersetzer in die Station und in den Verpackungsloop geschoben und anschließend aus der Station, in einen Auffangbehälter geschoben. Zuletzt wird der Ablauf resettet, um einen Zyklusneustart zu beginnen.

Programmierung bei Übernahme

• 

  Netzwerk 1: Ansteuerung Zylinder 1: Objektträger stoppt
  Die Bool'sche Variable #Initial_Call beschreibt den Start der SPS. Die Variable Zyklus_Neustart definert, dass sich alle Komponenten in ihrer Ausgangsposition befinden und alle programminternen Variablen dementsprechend gesetzt sind. Sind diese Beiden genannten Bedingungen erfüllt, wird die Variable Zyklus_Neustart auf FALSE gesetzt. Ist das passiert, soll der Zylinder 1 ausgefahren werden, um das Stoppen des ankommenden Objektträgers zu gewährleisten. Dazu dient der SR (= SET/RESET- Flip-Flop), welcher die Variable Zylinder_1_ausfahren auf TRUE setzen soll, damit der entsprechende Output-Port der SPS aktualisiert wird. Da innerhalb des Programms davon ausgegangen wird, dass wir keinen Zugriff auf die Positionssensoren des Zylinder 1 haben, wird ein Erreichen seines ausgefahrenen Zustandes mit dem Setzen der Variable Zylinder_1_ausgefahren, angenommen, da dieser, seiner Bauform entsprechend, unmittelbar nach seiner Ansteuerung, ausgefahren sein sollte. Die beiden benannten Variablen werden mithilfe des Flip-Flops zurückgesetzt, sobald die Variable Zylinder_3_ausgefahren bekannt gibt, dass der Neustart des Programms erfolgen kann. Das Zurücksetzen des Flip-Flops findet aus dem Grund nicht über die Variable Zyklus_Neustart statt, dass dieser sich gleichzeitig setzen und zurücksetzen würde. Die Variable Zylinder_3_ausgefahren ist vor der Variable Zyklus_Neustart gesetzt (siehe Netzwerk 4) und kann den Flip-Flop deshalb nicht sofort nach Aktivierung dieses Netzwerks zurücksetzen.

• 

  Netzwerk 2: Ansteuerung Zylinder 2: Stationseinschub

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  Netzwerk 3: Ansteuerung Zylinder 3: Stationsausschub

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  Netzwerk 4: Zyklusneustart

Programmierung WS22/23

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  Netzwerk Nr.1 und Nr.2: Bauteil einschieben
  Netzwerk Nr.1
  Der Start des Verpackungsvorgangs erfolgt, sobald der Werkstückträger auf Position ist und Zylinder 2 und 3 eingefahren ist. Dies stellt eine sichere Ausgangsposition zum Verpackungszyklus dar. Zudem ist ein Signal von der Bandanlage kommend erforderlich, sodass die UND-Bedingung erfüllt ist. Nach dem erfolgreichen Eingang der Signale wird der Verpackungszyklus gestartet. Nach dem Starten wird eine Variable für den aktiven Verpackungszyklus gesetzt, sodass die Bandanlage den aktuellen Zustand erkennt. Daraufhin wird der Zylinder 2 ausgefahren. Dies geschieht durch Ansteuerung des Ventils in der FESTO-Ventilinsel.
  Netzwerk Nr.2
  Sobald der Zylinder 2 komplett ausgefahren ist und der Zustand für das Ausfahren aktiv ist, wird der Zustand negiert. Mittels der Negierung wird das Ventil zum Ausfahren des Zylinders geschlossen, sodass die Druckluft nicht über dieses entweichen kann. Im Nachfolgenden wird das Ventil zum Einfahren des Zylinders geöffnet und die Druckluft eingeleitet. Das Einfahren des Zylinders 2 ist aufgrund des begrenzten Platzes im Verpackungsmagazin notwendig, sodass keine Kollision mit dem Auswerfer des Zylinders 3 entsteht.
  
  Durch die Netzwerke Nr.1 und Nr.2 werden die ersten sechs Schritte gemäß dem Programmablaufplan ausgeführt. Diese beinhalten die ersten sechs Schritte ab Start bis zum Einschieben des Untersetzers in den Papierloop im Magazin.

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  Netzwerk Nr.3 und Nr.4: Bauteil auswerfen
  Netzwerk Nr.3
  In dem Netzwerk Nr. 3 wird, analog zu dem Netzwerk Nr. 2 der Zustand des Zylinders negiert, sodass dieser erfolgreich eingefahren ist. Überprüft wird das erfolgreiche einfahren mittels einer UND-Bedingung, wobei zusätzlich der REED-Kontakt abgefragt wird.
  Netzwerk Nr.4
  Das Ausfahren des Zylinders 3 erfolgt analog zu den Netzwerken Nr.2 und Nr.3.
  
  Durch die Netzwerke Nr.3 und Nr.4 wird der verpackte Untersetzer in einen Sammelkarton geschoben (Schritt 8), wie in dem Programmablaufplan dargestellt.

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  Netzwerk Nr.5 und Nr.6: Zylinder zurücksetzen
  Netzwerk Nr.5
  Das Negieren des Zustandes von Zylinders 3 erfolgt analog zu den Netzwerken Nr.2,Nr.3 und Nr.4.
  Netzwerk Nr.6
  Nach dem erfolgreichen Einfahren des Zylinders 3, erfolgt die Signalübergabe an die Bandanlage. Dieses Signal gibt der Bandanlage die Erlaubnis, dass der Werkstückträger weiterfahren darf und ein neuer zugeführt werden kann.
  
  Durch die Netzwerke Nr.5 und Nr.6 werden die Zylinder in Grundstellung gefahren, wie im Schritt 9 des Programmablaufplan dargestellt.

Variablentabelle

In der nachfolgenden Tabelle sind die exportierten Variablen aus dem TIA-Portal aufgeführt.

Name	Datentyp	Adresse (TIA-Portal)	Kommentar
Zylinder_1_ausfahren	Bool	%Q4.0	Signal von der SPS Bandanlage
Sensor_1_Objektträger	Bool	%I8.0	Signal von der SPS Bandanlage
Zylinder_2_ausfahren	Bool	%Q4.2
Zylinder_1_einfahren	Bool	%Q4.1
Zylinder_2_einfahren	Bool	%Q4.3
Zylinder_3_ausfahren	Bool	%Q4.4
Zylinder_3_einfahren	Bool	%Q4.5
Schalter	Bool	%I8.1
Sensor_LWL	Bool	%I8.2
Zylinder_2_eingefahren	Bool	%I8.3
Zylinder_2_ausgefahren	Bool	%I8.4
Zylinder_3_eingefahren	Bool	%I8.5
Zylinder_3_ausgefahren	Bool	%I8.6
Zylinder_1_ausgefahren	Bool	%I8.7
Zyklus_Neustart	Bool	%I9.0	Signal zur Bandlage

Die Originaldatei ist im SVN-Verzeichnis unter: Variablentabelle_Export_aus_TIA.xlsx

Komponententest

Die Komponenten konnten einzeln getestet werden. Die Ventilinsel, die zum Steuern der Pneumatikzylinder verwendet wird, konnte per Hand geschaltet werden. Die Schaltvorgänge wurden per LED-Licht an der Ventilinsel angezeigt. Dadurch konnte sichergestellt werden, dass die Eingänge an der SPS, die mit der Ventilinsel verbunden ist, richtig gewählt und verdrahtet wurden. Die SPS-Steuerung wurde ebenfalls einem Komponententest unterzogen. Die festgelegten Eingänge und Ausgänge wurden angesteuert. Auch hier konnte durch das Aufleuchten von den LED-Leuchten an den Ein-/ und Ausgängen reflektiert werden, ob die Verdrahtung richtig ist und die Kommunikation funktioniert.

Mittels der Ansteuerung der Pneumatikzylinder, wurden die REED-Kontakte ausgerichtet. Die Ausrichtung erfolgte in den jeweiligen Endpositionen der Zylinder. Der Komponententest der REED-Kontakte wurde erfolgreich abgeschlossen. Durch eine visuelle Darstellung des Schaltzustandes der REED-Kontakte, wurden die Endlagen überprüft.

Integrationstest

Innerhalb des TIA-Portals wurde die Ansteuerung der Ventilinsel mittels des Bausteins Forcen überprüft. Hierfür wurden die einzelnen Adressen, welche den Ausgängen der SPS entsprechen, angesteuert. Das Forcen setzt diese auf den Zustand 0 oder 1. Dies entspricht dem Zustand geschaltet oder nicht geschaltet. Der Ventilblock hat die Pneumatikzylinder entsprechend geschaltet.

Für die Überprüfung der REED-Kontakte, wurden die entsprechenden Variablen eingesehen. Dies geschah während der Ansteuerung der Pneumatikzylinder. Ein entsprechender Zustandswechsel in den jeweiligen Endlagen wurde erfolgreich erkannt.

Systemtest

Innerhalb des Systemtest, wurden die einzelnen Netzwerke der Programmierung getestet. Hierbei wurden noch einzelne Komplikationen innerhalb des Ablaufes festgestellt, sodass ein Gesamtsystemtest nicht durchführbar war.

Der Gesamtsystemtest wurde noch nicht durchgeführt, aufgrund von folgenden Komplikationen während der Programmierung:

• Nicht vorhandenes Startsignal der Bandanlage
• Keine Funktionsfähigkeit der zusammenhängenden Netzwerke der Programmierung

Abnahmetest

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt den Inbetriebnahmeprozess der Verpackungsstation.

Verwendete Daten

Für die Inbetriebnahme der Verpackungsstation ist die folgende Datei notwendig:

TIA-Programm Verpackungsstation MPS-Anlage_20221103.ap15
Fileversion: 4153
SVN-Archiv: https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/MPS_HSHL_Untersetzer/4_Verpackung/05_Entwicklung/Verpackungsstation MPS-Anlage_20221103/
Das TIA-Programm ist kompatibel zu dem TIA-Portal 15.

Testfall im Detail

Bezeichnung: Inbetriebnahme der Verpackungsstation in der MPS-Anlage
Erstellt von: Kosellek, Schlemmer
Erstellt am: 03.01.2023

Schritt Nr.	Beschreibung	Ausgangszustand	Aktion(en)	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Bemerkung
Precondition 1	Labortisch mit der Verpackungsstation zentrieren	Verpackungsstation ist nicht zur Bandanlage und dem Druckluftzylinder zum Einschub des Werkstückträgers ausgerichtet	Bremsen der Rollen des Labortisches lösen, in die Zentrierung einschieben, Bremsen an den Rollen feststellen	Verpackungsstation ist zentriert und zu dem Druckluftzylinder an der Bandanlage ausgerichtet. Die Auswerfer können die Verpackungsstation nicht beschädigen	Verpackungsstation ist ausgerichtet und kann in Betrieb genommen werden	i.O.
Precondition 2	Netzteil der Siemens SPS einschalten	Stromversorgung der Verpackungsstation nicht vorhanden	Siemens SPS Netzteil einschalten	Siemens Netzteil stellt die notwendige Spannung bereit	Stromversorgung der Verpackungsstation hergestellt	i.O.
Precondition 3	Druckluftverbindung des Druckluftzylinders an der Bandanlage herstellen	Druckluftversorgung an des Druckluftzylinders nicht vorhanden	Pneumatikschläuche von der Ventilinsel mit dem Druckluftzylinder verbinden	Druckluftzylinder wird mit Druckluft versorgt	Druckluftversorgung des Druckluftzylinders hergestellt	i.O.
Precondition 4	Druckluftversorgung der Verpackungsstation herstellen	Druckluftversorgung an der Verpackungsstation nicht vorhanden	Pneumatikschlauch von der oberen Energieversorgung an die Feste Ventilinsel befestigen, Ventil aufdrehen	Verpackungsstation wird mit Druckluft versorgt	Druckluftversorgung der Verpackungsstation hergestellt	i.O.
Precondition 4	PC und Datei vorbereiten	PC ist ausgeschaltet, SVN-Verzeichnis ggf. veraltet	Start des PCs, Update SVN Arbeitskopie (Pfad: wie oben genannt), TIA-Portal mit der oben genannten Datei ausführen	Der PC ist hochgefahren, die Anlage betriebsbereit und alle benötigten Dateien aus dem SVN Repository sind lokal gespeichert	PC ist an und die Anlage ist Betriebsbereit und kann über das TIA-Portal überwacht werden	i.O.
Testschritt 1	Einschalten des Automatikmodus der Siemens SPS	Siemens SPS ist eingeschaltet aber im STOP-Modus	Siemens SPS Schalter auf RUN-Modus schalten	Automatikbetrieb des Verpackungsmagazins gestartet	Verpackungsmagazin führt den Verpackungsvorgang automatisiert durch	n.i.O.
Postcondition 1	Verpackungsstation anhalten	Verpackungsstation im Automatikbetrieb	Siemens SPS Schalter auf STOP setzen	STOP-Modus der Siemens SPS aktiviert	Siemens SPS befindet sich im STOP-Modus	i.O.
Postcondition 2	Netzteil der Siemens SPS ausschalten	Stromversorgung der Verpackungsstation vorhanden	Siemens SPS Netzteil ausschalten	Siemens Netzteil stellt keine Spannung mehr bereit	Verpackungsstation ist Spannungsfrei	i.O.
Postcondition 3	Druckluftversorgung der Verpackungsstation trennen	Druckluftversorgung an der Verpackungsstation vorhanden	Pneumatikventil zudrehen	Verpackungsstation wird nicht mehr mit Druckluft versorgt	Druckluftversorgung der Verpackungsstation getrennt	i.O.

Ergebnis

Aufgrund der vorgegebenen Neugestaltung der Verpackungsstation, war eine grundlegende Neustrukturierung der einzelnen Komponenten notwendig. Als Basiskonstruktion dient die verschraubte T-Nutenplatte mit dem Labortisch. Auf diese wurden Bosch Systemprofile befestigt, sodass die Siemens SPS und die zusätzlichen elektronischen Komponenten mittels einer Hutschiene befestigt werden konnten. Zur besseren Bedienbarkeit, wurde die Hutschiene in einem 45°-Winkel befestigt.

Das Verpackungsmagazin und der Pneumatikzylinder wurden mittels einer weiteren Konstruktion aus Bosch Systemprofilen auf die Höhe der Bandanlage angepasst, sodass der Einschub des Untersetzers reibungslos abläuft.

Für ein übersichtliches Kabelmanagement wurde ein Kabelkanal auf der T-Nutenplatte befestigt, sodass die Leitung strukturiert und geschützt verlegt sind.

Eine Halterung für das zu integrierende Siemens Touch HMI wurde in Zusammenarbeit mit den anderen Stationen der MPS-Anlage konstruiert und wurde am letzten Praktikumstermin als 3D-Druck Bauteil bereitgestellt.

Übersicht der Verpackungsstation

Erläuterung der Verpackungsstation

Bauteilnummer	Bauteil	Funktion
1	Verpackungsmagazin	Das Magazin bildet das Herzstück der Verpackungsanlage, da dort der Untersetzer durch Ein- und Ausschuss in Papierlopps verpackt wird.
2	Ventilinsel	Wird von der SPS angesteuert und versorgt die Zylinder mit Druckluft.
3	SPS-Steuerung mit I/O Modulen	Steuert die komplette Verpackungsanlage über I/O-Module und stellt den Reed-Kontakten zusätzlich Spannung bereit.
4	Kabelkanal	Führt alle benötigten Kabel der Station sicher zu den einzelnen Komponenten, sodass es zu keinen Ausfällen aufgrund defekter Kabel kommen kann.
5	Druckluftzylinder-Einschub	Dieser Druckluftzylinder schiebt den fertig montierten Untersetzer vom Werkstückträger in das Verpackungsmagazin, sodass dieser verpackt werden kann.
6	Lichtwellenleiter	Dieser ist fest im Verpackungsmagazin verschraubt und gibt der SPS-Steuerung ein Signal, wenn nur noch zwei Papierloops vorhanden sind. Dadurch können Unterbrechungen bzw. unverpackte Untersetzer vermieden werden.
7	Spannungsversorgung Reedkontakte	Angebrachte Reihenklemmen versorgen die vier Reedkontakte mit einer konstanten Versorgungsspannung

Ergänzungsmöglichkeiten

• Aufdrucken eines "HSHL-Logos" auf den Papierloop, bevor der verpackte Untersetzer in den Auffangbehälter fällt
• Eine Zusammenfaltbare Verpackung, die mittels Aktoren um den Untersetzer gefaltet wird
• Programmierung einer HMI-Benutzeroberfläche
• Einbau eines Notaus-Schalters
• Folienverpackung anstatt Papierloop, die mittels warmer Luft um den Untersetzer schrumpft

Lernerfolge

Semesterbegleitend wurden viele Kenntnisse gewonnen:

• Frühzeitige Erstellung einer Gesamtansicht in CAD → Sehr hilfreich, weil fehlende Bauteile auffallen
• Funktionen von Netzwerken und IP-Adressen
• Programmnutzung: TIA-Portal mit der Funktionsbausteinsprache, SolidWorks Electrical, SolidWorks CAD
• Modellerstellung für den 3D-Druck
• Verständnis für Pneumatik Komponenten
• Abschätzungen des zeitlichen Aufwandes einzelner Schritte
• Systematisches Vorgehen eines Projektes
• Kommunikation mit den Anderen Gruppen → Weil gemeinsame Schnittstellen vorhanden sind
• Ausführliche Dokumentation anfertigen → Aktuellen Stand abfragen, Problemstellungen darstellen, …

Quellen