Ampeldemonstrator Erweiterung
| Autor: | Justin Ebbesmeier, Timo Kofler, Jannik Kemper, Maha Chraiji |
| Betreuer: | Prof. Dr. M. Wibbeke, Marc Ebmeyer |
Einleitung
Das Praktikum Produktionstechnik im Schwerpunkt Global Production Engineering findet im 7. Semester des Studiengangs Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt statt. Dabei entwickeln die Studierenden ein mechatronisches System, das mit einer Siemens-SPS gesteuert wird. Als Beispielprojekt dient ein eigens entworfener Ampel-Demonstrator.
Aufgabenstellung
Im Praktikum wurde eine bestehende Ampelanlage mithilfe einer Siemens-SPS erweitert und in ein Human Machine Interface (HMI) integriert. Ziel war es, die Steuerung der Anlage praxisnah zu digitalisieren und zusätzliche Funktionen für den Verkehrsfluss zu entwickeln.
Die Aufgaben waren:
- Digitale Ansteuerung der Ampelanlage über die SPS
- Integration der Ampelanlage ins HMI zur Bedienung und Visualisierung
- Verkehrsfluss-Steuerung mit Simulation der Fußgänger-Taster
- Vergabe von Straßennamen (Hauptstraße und Bundesstraße) zur besseren Übersicht im HMI
- Anzeige der Zustände und Detektionen direkt im HMI
Anforderungen
Damit die Ampelanlage über das HMI korrekt gesteuert werden kann, muss die Schnittstelle zwischen der Siemens-SPS und der Visualisierung eindeutig eingerichtet werden. Dazu werden die Ausgänge der Ampel (Rot, Gelb, Grün) sowie die Eingangssignale der Sensoren klar definiert und mit den entsprechenden Variablen im HMI verknüpft. Die Buttons im HMI greifen direkt auf diese Steuerungsvariablen zu, sodass durch einen Klick eine konkrete Aktion, wie beispielsweise das Umschalten der Ampel, ausgelöst wird. Gleichzeitig müssen die aktuellen Zustände der Ampel und die Detektionen der Sensoren zurückgemeldet und im HMI angezeigt werden. Nur durch diese saubere Zuordnung von Ein- und Ausgängen ist gewährleistet, dass Steuerung und Anzeige synchron laufen und die Bedienung über das HMI zuverlässig funktioniert.
Funktionaler Systementwurf
Umsetzung in das HMI
Die Ampelschaltung wurde so in das SIMATIC HMI umgesetzt, dass eine übersichtliche Bedienung und eine klare Visualisierung aller Verkehrsbereiche gewährleistet ist. In der Home-Ansicht steht dem Benutzer eine zentrale Startoberfläche zur Verfügung. Über zwei große Schaltflächen können hier die Bereiche Bundesstraße und Hauptstraße ausgewählt werden. Zusätzlich befindet sich in dieser Ansicht eine globale Stop-Taste, mit der das gesamte System jederzeit angehalten werden kann. Über diese Seite ist eine einfache Navigation zu den einzelnen Kreuzungsansichten möglich.
In den Ansichten „Kreuzung_H” und „Kreuzung_B” werden die Kreuzungen der Hauptstraße und der Bundesstraße detailliert und übersichtlich dargestellt. In beiden Ansichten sind jeweils alle zugehörigen Ampeln zu sehen, die für die einzelnen Fahrtrichtungen zuständig sind. In der Ansicht der Hauptstraße sind diese mit H1 bis H4 gekennzeichnet, in der Ansicht der Bundesstraße mit B1 bis B4. Die Fahrtrichtungen sind durch Pfeile visualisiert und die Fußgängerüberwege sind deutlich eingezeichnet. Durch die einheitliche Gestaltung beider Kreuzungsansichten ist ein direkter Vergleich der Verkehrsflüsse möglich, und der Bediener kann schnell zwischen den Bereichen wechseln. Diese Darstellungen eignen sich besonders zur Überwachung des aktuellen Zustands, zur Fehlersuche und zur Optimierung der Schaltlogik.
In den beiden weiteren Ansichten ist eine direkte Bedienung der Ampeln möglich. In der Ansicht für die Hauptstraße ist eine vereinfachte Darstellung der Auto- und Fußgängerampel integriert. Hier kann der Benutzer den aktuellen Zustand der Ampeln beobachten und über den eingeblendeten Fußgängertaster eine Anforderung auslösen. Die SPS verarbeitet dieses Signal und steuert entsprechend die nächste Freigabephase für Fußgänger. Ergänzt wird diese Ansicht durch eine Stop-Taste, mit der der Betrieb jederzeit unterbrochen werden kann.
Die Ansicht für die Bundesstraße ist gleich aufgebaut und erlaubt ebenfalls die direkte Simulation einer Fußgängeranforderung über den Taster. Auch hier werden die Zustände der Fahrzeug- und Fußgängerampeln in Echtzeit dargestellt. Durch die klare und einheitliche Gestaltung beider Ansichten ist eine einfache und intuitive Bedienung gewährleistet.
Durch die Strukturierung des HMI in Start-, Übersichts- und Detailansichten wird zudem eine logische und benutzerfreundliche Bedienoberfläche geschaffen. Die Integration der Siemens-SPS ermöglicht eine zuverlässige Echtzeitdarstellung aller Zustände und bildet die ideale Grundlage für Tests, die Inbetriebnahme und die Analyse der Ampelschaltung.
Komponententest
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
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