1. Basketball-Spiel mit Linearachse

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Betreuer Prof. Dr. M. Wibbeke & Marc Ebmeyer

Wintersemester 25/26

Autor: Tim Hane, Marius Hoffknecht, Philipp Wahl

Einleitung

Im Rahmen des Praktikums „Produktionstechnik“ im Studiengang Mechatronik mit dem Schwerpunkt „Produktionstechnik- und Management“ soll ein Projekt der praktischen Automatisierungstechnik mit Hilfe einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)-Anlage realisiert werden. Konkret befasst sich dieses Projekt mit einer Schrittmotorachse, welche von einer Siemens Simatic SPS in Kombination eines HMI angesteuert wird. Dies ist die Hardware für das Spiel "Basketball mit Linearachse". An die Linearachse wird ein Basketballkorb angebracht. Die Linearachse soll dann von der SPS-Steuerung bewegt werden und der Spieler muss versuchen, einen kleinen Ball mit einem Ballwurfgerät so abzuschießen, dass der Ball durch den Basketballkorb fällt.

Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Das System besteht aus einer Linearachse mit einem daran befestigten Basketballkorb. Der Schrittmotor bewegt die Linearachse und das System wird über eine SPS gesteuert. Die Hauptfunktionen umfassen die Bewegungssteuerung mit definierten Fahrprofilen (Positionierung und Geschwindigkeitssteuerung) und die Spiel-Logik mit Start/Stop und verschiedenen Schwierigkeitsgraden. Das HMI ermöglicht eine benutzerfreundliche Bedieunung des Systems.

Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf gibt Aufschluss über die Daten und Signale, welche die Systemkomponenten benötigen bzw. genieren, empfangen oder aussenden. Die SPS verarbeitet digitale und analoge Signale und übermittelt dem GeckoDrive ein Step- (Schrittanzahl) und Directionsignal (Drehrichtung). Diese Signale dienen zur Ansteuerung des Motors. Die Drehsignale des Encoders werden im RS422-Protokoll ausgegeben.

Komponentenspezifikation

Die Schnittstellen, Aufgaben und Spezifikationen der ausgewählten Bauteile werden in der Komponentenspezifikation beschrieben. In diesem Projekt wurden folgende Komponenten verbaut und genutzt (Auszug aus den Datenblättern):

Hardware:

Komponenten der SPS

SPS-Aufbau

Netzteil (6)	SIMATIC ET 200SP (T.Nr. 6EP7133-6AE00-0BN0)
Steuerung (1+2)	SIMATIC CPU 1515SP PC2 (T.Nr. 6ES7677-2DB40-0AA0)
Mensch-Maschinen Schnittstelle	SIMATIC HMI Comfort Panel (T.Nr. 6AV2-124-0GC01-0AX0)
Analoges Eingangsmodul (3)	T.Nr. 6ES7134-6HB00-0DA1
Analoges Ausgangsmodul (4)	T.Nr. 6ES7135-6HB00-0DA1
Digitales Eingangsmodul (5)	T.Nr. 6ES7131-6BF00-0CA0
Digitales Ausgangsmodul (6)	T.Nr. 6ES7132-6BF00-0CA0

• SIEMENS Hutschiene
• Widerstände 1,2 kOhm um die Eingänge des GeckoDrive mit den Ausgängen der SPS beschalten zu können

Schrittmotortreiber: GeckoDrive G201X

Eingangsspannung	18-80 VDC
maximale Stromaufnahme des angeschl. Motors	7 A
Induktivität des Motors	1-50 mH
Eingangsfrequenz des Step-Input	0-200 kHz
Spannung der Inputs	3,3-5 VDC
Inputs	Spannungsversorgung, Disable, Direction, Step, Common, Current Set
Outputs	Winding A+B (1 Schrittmotor)

• Netzteil für den GeckDrive: Tisch- und Wand-Festspannungsgeräte Serie PS-500 (PS 524-05 R)

Schrittmotor: Igus NEMA 23 MOT-AN-S-060-020-056-L-D-AAAD

Nennspannung	24-48 V DC
max. Eingangsspannung	60 V DC
Nennstrom	4,2 A
Haltemoment	2,0 Nm
Schrittwinkel	1,8°
Widerstand pro Phase	0,5 Ω ± 10%
Induktivität pro Phase	1,9 mH ± 20%
Pin 1	Signal A/ (braun)
Pin 2	Signal A (weiß)
Pin 3	Signal B/ (blau)
Pin 4	Signal B (schwarz)
Pin 5	PE

Encoder

M12 8-polig	5 V DC
Impulse/Umdrehung [1/min]	500
Index	Ja
Line Treiber	RS422 Protokoll
Pin 1	Signal A (weiß)
Pin 2	Signal A/ (braun)
Pin 3	Signal B (grün)
Pin 4	Signal B/ (gelb)
Pin 5	0V (grau)
Pin 6	Signal N/ (rosa)
Pin 7	Signal N (blau)
Pin 8	5V DC (rot)

• Netzteil für den Encoder: Mean Well DR-15-5 Hutschienen-Netzteil (DIN-Rail) 5 V/DC 2.4 A 12 W 1

Bremse

M8 3-polig	24 V DC
Leistung	8 - 11 W
Haltemoment	0,4 - 2,0 Nm
Massenträgheitsmoment	0,01 - 0,07 kgcm²
Pin 1	Signal Bremse (24V) (braun)
Pin 2	Signal 0V (blau)
Pin 3	Signal - (schwarz)

Software:

• SIEMENS Totally Integrated Automation Portal (TIA-Portal) Version 15.1
• Simatic Software Pack: PLC F+HMI

GeckoDrive am 24V Ausgang der SPS betreiben

Um die Eingänge des GeckoDrives nicht zu beschädigen, mussten Widerstände an den Ausgängen des digitalen Ausgangsmoduls benutzt werden. Der Wert der Widerstände wurde mit der Formel $\frac{V_{\text{PLC}}-5}{0,016}$ berechnet, was einen Widerstandswert von 1,2kOhm ergab.

Entwicklung

Erstellen eines Stromlaufplans mit SEE Electrical

Die verwendeten Komponenten wurden in einem Stromlaufplan dargestellt und den Datenblättern entsprechend verbunden. Der Stromlaufplan wurde mit der Software SEE Electrical 7 erstellt.

• 
  SEE Electrical 7 Stromlaufplan Seite 1 (Schrittmotor, GeckoDrive, Bremse, Encoder)
• 
  SEE Electrical 7 Stromlaufplan Seite 2 (Eingänge und Ausgänge der SPS)

Entwicklung im TIA Portal

Programmierung im TIA Portal

SPS-Programm

Im folgenden wird anhand der selbst programmierten Funktionsbausteines "AnsteuerungMotor" die Funktionsweise der Ansteuerung erklärt. Dieser Baustein kann für die analoge und digitale Steuerung verwendet werden.

• 
  Der Funktionsbaustein "Ansteuerung_Baustein" dient zur Ansteuerung des Motors mithilfe von Eingaben des HMIs. Dieser wird links mit den Eingängen und rechts mit den Ausgängen verknüpft. Gesteuert wird dieser Baustein mit den Tastern des HMIs. So wird für den linken Taster das Signal der HMI von dem linken Taster verknüpft. Die Soll- Position ist die Position, die in dem HMI vorgeben wird. Zu dieser Position wird der Schrittmotor verfahren. Die Länge der Schrittmotorachse beträgt 110 cm. Damit der Schlitten nicht an das linke und rechte Ende verfahren wird, werden die obere und untere Grenze mit den Positionen 90 cm und 10 cm angegeben. Dadurch kann der Schlitten nur zwischen den Grenzen 10 cm und 90 cm verfahren werden.
• 
  Die Verfahrrichtung des Motors abhängig von HMI-Eingabe steuern: Der Motor verfährt, je nach betätigtem Taster, in eine bestimmte Richtung. Die Steps werden hierzu über die Soll-Position berechnet, welche über einen festen Faktor von Distanz in Zentimeter in Steps umgerechnet wird (1cm entspricht ca. 285 Steps).
• 
  Einhaltung der Grenzen prüfen: Es wird geprüft, ob die aktuelle Position die Grenzen der Schrittmotorachse einhält und der Stop-Taster nicht aktiv ist. Ist dies der Fall, verfährt der Motor mit einer Verzögerung von 2ms zwischen den Steps in die gewünschte Richtung.
• 
  Schlitten nach links verfahren lassen bei zeitgleicher Aktualisierung der Ist-Position: Da der Motor nach links verfährt, muss von der aktuellen Position der Verfahrweg subtrahiert werden. Um Rundungsfehler zu vermeiden, passiert dies nicht nach jedem Step, sondern erst nach dem 28ten Steps.
• 
  Schlitten nach rechts verfahren lassen bei zeitgleicher Aktualisierung der Ist-Position: Da der Motor nach rechts verfährt, muss von der aktuellen Position der Verfahrweg subtrahiert werden. Um Rundungsfehler zu vermeiden, passiert dies nicht nach jedem Step, sondern erst nach dem 28ten Steps.

Alle verbauten Komponenten müssen im TIA-Portal korrekt ausgewählt und konfiguriert werden. Hierbei sind die in der Hardwareliste angegebenen Teilenummern zur eindeutigen Identifizierung der Komponenten von großer Bedeutung.

Fazit

Die Schrittmotorachse kann mit einer ansprechenden Bedienoberfläche über das HMI gesteuert werden. Der GeckoDrive-Schrittmotortreiber erhält hierzu von der SPS die Informationen zur Drehrichtung und Anzahl der auszuführenden Motorschritte. Die Achse lässt sich über eine Strecke von 100cm verfahren. Der Benutzer hat die Möglichkeit den Schlitten auf 0,1cm genau zu positionieren und kann auf dem Display jederzeit die aktuelle Position des Schlittens ablesen.

Lessons Learned

• Bearbeitung eines Projekts nach Vorgabe des V-Modells
• Dimensionierung und Verdrahtung von Komponenten nach Datenblattvorgabe
• Inbetriebnahme und Programmierung einer Speicherprogrammierbaren Steuerung von Siemens
• Dokumentation eines umfangreichen Projekts

Blick in die Zukunft

Da der Großteil der bestellten Komponenten nicht rechtzeitig geliefert worden ist, fehlt dem Projekt die analoge Ansteuerung. Diese könnte in der Zukunft implementiert werden, wodurch auch die Limitation der SPS in Bezug auf die Verfahrgeschwindigkeit des Motos umgangen werden könnte. Über den GeckoDrive soll laut Datenblatt eine Einstellbarkeit der Geschwindigkeit durch Anschluss eines Potentiometers möglich sein. Neben dem Handbetrieb und Geschwindigkeitsregelung des Motors kann auf dem analogen Bedienelement der Not-Aus untergebracht werden.

Eine Halterung für die SPS und das HMI würden sowohl die Handhabung als auch den Transport der Anlage deutlich vereinfachen.

Quellen

SVN Projektordner

ZIP-Archiv mit allen notwendigen Daten zum Nachbau

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