Parkhaus mithilfe einer Siemens SPS: Unterschied zwischen den Versionen

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'''Wintersemester 2025/2026'''
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== Einleitung ==
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Im Rahmen des Praktikums „Produktionstechnik II“ im Studiengang Ba. Mechatronik, mit dem Schwerpunkt „Global Production Engineering“, wird ein Projekt aus dem Bereich der praktischen Automatisierungstechnik mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) realisiert. In diesem Projekt wird das HSHL-Parkhaus umgesetzt, dessen Steuerung über eine Siemens Simatic SPS in Verbindung mit einem HMI-Bedienelement erfolgt. Ziel ist die automatisierte Ansteuerung und Überwachung der Parkhausfunktionen, wie z. B. das Steuern von Motoren, Sensoren und Anzeigen.
Im Rahmen des Praktikums „Produktionstechnik II“ im Studiengang Ba. Mechatronik, mit dem Schwerpunkt „Global Production Engineering“, wird ein Projekt aus dem Bereich der praktischen Automatisierungstechnik mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) realisiert. In diesem Projekt wird das HSHL-Parkhaus umgesetzt, dessen Steuerung über eine Siemens Simatic SPS in Verbindung mit einem HMI-Bedienelement erfolgt. Ziel ist die automatisierte Ansteuerung und Überwachung der Parkhausfunktionen, wie z. B. das Steuern von Motoren, Sensoren und Anzeigen.
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* Optional könnte der SVN-Ordner zur Verfügung gestellt werden, wenn man dieses System weiter entwickeln möchte.<br>
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* Basisartikel: [https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Ansteuerung_einer_Schrittmotorachse_mit_SPS_und_HMI#cite_note-4]
* Basisartikel: [https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Ansteuerung_einer_Schrittmotorachse_mit_SPS_und_HMI#cite_note-4]
→ zurück zur Übersicht: [[Praktikum Produktionstechnik]]
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Aktuelle Version vom 18. Dezember 2025, 22:26 Uhr

zurück zum Hauptartikel: Praktikum Produktionstechnik

Betreuer Prof. Dr. M. Wibbeke & Marc Ebmeyer

Wintersemester 2025/2026

Autor: Bartos Schwichtenberg

Parkhaus mit SPS und HMI






Einleitung

Im Rahmen des Praktikums „Produktionstechnik II“ im Studiengang Ba. Mechatronik, mit dem Schwerpunkt „Global Production Engineering“, wird ein Projekt aus dem Bereich der praktischen Automatisierungstechnik mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) realisiert. In diesem Projekt wird das HSHL-Parkhaus umgesetzt, dessen Steuerung über eine Siemens Simatic SPS in Verbindung mit einem HMI-Bedienelement erfolgt. Ziel ist die automatisierte Ansteuerung und Überwachung der Parkhausfunktionen, wie z. B. das Steuern von Motoren, Sensoren und Anzeigen.

Vorgehensweise nach V-Modell

Das Projekt wurde nach dem V-Modell strukturiert bearbeitet. Dabei wurden zunächst Anforderungen und Systemfunktionen definiert, anschließend die technische Umsetzung geplant und realisiert. In der abschließenden Phase erfolgte die Inbetriebnahme sowie die Überprüfung der Funktionen, sodass Entwurf und Ergebnis systematisch miteinander abgeglichen werden konnten.


Anforderungsdefinition

Zu Beginn des Projekts wurden die grundlegenden Anforderungen an das System festgelegt. Der Aufbau soll kompakt und von zwei Personen gut transportierbar sein. Außerdem soll das System sowohl digital als auch analog bedienbar sein. Entsprechend dieser Anforderungen wurde eine Einkaufsliste erstellt, um die benötigten Materialien für den Aufbau zu beschaffen.

Anforderungen

Systementwurf Funktionaler Systementwurf Technischer Systementwurf
Die gezeigten Systementwürfe (funktional und technisch) beinhalten die detaillierten Spezifikationen der im Projekt verwendeten Bauteile und Schnittstellen. Der funktionale Systementwurf beschreibt die geplanten Verbindungen der einzelnen Komponenten und deren Zusammenspiel im System. Im Fokus steht die Funktionsweise der Signalverarbeitung. Die SPS soll die Signale des digitalen oder analogen Bedienelements (HMI) empfangen und entsprechend verarbeiten. Der GeckoDrive (Motortreiber) erhält anschließend die von der SPS ausgegebenen Steuersignale und steuert damit den Schrittmotor an, welcher über eine Kupplung den Riementrieb der Linearachse antreibt. Am Motor ist ein Encoder vorgesehen, der die Drehbewegung des Motors als digitale Signale ausgibt. Der technische Systementwurf legt fest, welche Daten und Signale die Systemkomponenten benötigen, erzeugen oder austauschen. Die SPS soll dabei sowohl digitale als auch analoge Signale verarbeiten und an den GeckoDrive ein Stepsignal (Schrittanzahl) und ein Directionsignal (Drehrichtung) übermitteln. Diese Signale dienen zur Ansteuerung des Schrittmotors.

Die Drehimpulse des Encoders werden gemäß RS422-Protokoll ausgegeben und später zur Positionsbestimmung genutzt.


Möglicher Aufbau des Projektes mit KI erstellt

Abb. KI generierter Aufbau
Abb. Netzteilhalter
BLV-mgn-Cube: Meanwell RSP-500-24 bracket by MachBar on Thingiverse: https://www.thingiverse.com/thing:3587520
Abb. Netzteilabdeckung
Abb. Netzteilabdeckung Erweiterung

Komponentenspezifikation

In der Komponentenspezifikation werden die Schnittstellen, Aufgaben und technischen Eigenschaften der verwendeten Bauteile beschrieben. Für das geplante System sollen folgende Komponenten eingesetzt werden (basierend auf den Datenblättern der Hersteller):
In diesem Projekt wurden folgende Komponenten verbaut und genutzt (Auszug aus den Datenblättern):

Hardware:

Komponenten der SPS

SPS-Aufbau

Teile des SPS-Aufbau
Beschreibung Parameter/Nummer
SIMATIC CPU 1515SP PC2 Steuerung (1+2) T.Nr. 6ES7677-2DB40-0AA0
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
Netzteil (6) SIMATIC ET 200SP T.Nr. 6EP7133-6AE00-0BN0
SIMATIC HMI Comfort Panel T.Nr. 6AV2-124-0GC01-0AX0
  • SIEMENS Hutschiene
  • Widerstände 1,2 kOhm um die Eingänge des GeckoDrive mit den Ausgängen der SPS beschalten zu können

Anforderungen

Tabelle 1: Komponenten und Daten
Schrittmotor: Igus NEMA 23

MOT-AN-S-060-020-056-L-D-AAAD ändern zu

MOT-AN-S-060-020-056-M-D-AAAD + Parameter ändern

Parameter Encoder Parameter Bremse Parameter GekoDrive Parameter
Nennspannung 24-48 V DC Impulse/Umdrehung 1/min 500 Nennspannung 24V DC Eingangsspannung 18-80 VDC
max. Eingangsspannung 60 V DC Index Ja Leistung 8-11W maximale Stromaufnahme des angeschl. Motors 7A
Nennstrom 4,2 A Line Treiber RS422 Protokoll Haltemoment 0,4 - 2,0 Nm Induktivität des Motors 1-50mH
Haltemoment 2.0Nm Pin 1 Signal A (weiß) Massenträgheitsmoment 0,01 - 0,07 kgcm² Eingangsfrequenz des Step-Input 0-200kHz
Schrittwinkel 1.8° Pin 2 Signal A/ (braun) Pin 1 Signal Bremse (24V) (braun) Spannung der Inputs 3,3-5 VDC
Widerstand pro Phase 0,5 Ω ± 10% Pin 3 Signal B (grün) Pin 2 Signal 0V (blau) Inputs Spannungsversorgung, Disable, Direction,
Step, Common, Current Set
Induktivität pro Phase 1,9 mH ± 20% Pin 4 Signal B/ (gelb) Pin 3 Signal - (schwarz) Output Winding A+B (1 Schrittmotor)
Pin 1 Signal A/ (braun) Pin 5 0V (grau)
Pin 2 Signal A (weiß) Pin 6 Signal N/ (rosa)
Pin 3 Signal B/ (blau) Pin 7 Signal N (blau)
Pin 4 Signal B (schwarz) Pin 8 5V DC (rot)*
Pin 5 PE
Pin 6 Signal A (weiß)
Pin 7 Signal A (weiß)
Pin 8 Signal A (weiß)

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

Hinweis: Netzteil für den GeckDrive: Tisch- und Wand-Festspannungsgeräte Serie PS-500 (PS 524-05 R)[2]

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 VPLC50,016 [3] berechnet, was einen Widerstandswert von 1,2kOhm ergab.

Software:

  • SIEMENS Totally Integrated Automation Portal (TIA-Portal) Version 15.1
  • Simatic Software Pack: PLC F+HMI
  • In Heimarbeit wurde TIA16 und TIA17 getestet, durch fehlgeschlagene Lizenz war eine weiterarbeit an diesen TIA's nicht möglich,
    es wurde weiter mit TIA15 am Hochschulrechner gearbeitet.

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. Wurde neu überarbeitet im Projekt vom 12.2025 und als Grafik eingefügt.

Zum Einsatz kommt der Mikrokontroller.

Stromlaufplan
SEE Electrical 7 Stromlaufplan Seite 1 SEE Electrical 7 Stromlaufplan Seite 2

Schrittmotor, GeckoDrive, Bremse, Encoder - überarbeitet 12.2025 Eingänge und Ausgänge der SPS - überarbeitet 12.2025


Entwicklung im TIA Portal - Möglichkeit der Programmierung nach Projekt von Ansteuerung einer Schrittmotorachse mit SPS und HMI

Link: https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Ansteuerung_einer_Schrittmotorachse_mit_SPS_und_HMI#cite_note-4
Autoren: Matthias Stork, Lukas Kriete - Wintersemester 20/21 -

Hinweis: Die Textformatierung ist angepasst.

Erstellung der Hardware im TIA-Portal

Programmierung im TIA Portal

Variablen

Als erstes werden die PLC-Variablen in dem TIA-Portal erstellt. Dieses sind die Eingänge und Ausgänge, die mit den Ein- und Ausgangskarten eingelesen werden können.

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.

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.

Komponententest


Vom Parkhaus konnte nicht durchgeführt werden, siehe Fazit.


Um die verbauten Komponenten zu testen, wurde zunächst eine Sichtprüfung der Anlage durchgeführt. Die richtige Auswahl der Betriebsmittel und Sicherheitseinrichtungen und der Schutz gegen direktes Berühren wurden überprüft. Da ein Not Aus zu diesem Zeitpunkt nicht vorhanden war, konnte dieser nicht getestet werden. Im Anschluss wurden die ausgegebenen Spannungen der verschiedenen Netzteile mit Hilfe eine Spannungsmessgeräts überprüft.

Der GeckoDrive wird über ein externes Netzteil mit 24V versorgt, der Encoder mit 5V, was im Stromlaufplan kenntlich gemacht wurde. Die Anlage wurde nun des Plan entsprechend verdrahtet, so dass weitere Tests durchgeführt werden konnten.

Mit Hilfe eines Oszilloskops wurde der Spannungsverlauf des Schrittmotors und des Encoders überprüft. Beide lieferten die erwarteten Rechtecksignale.

Ein einfaches SPS-Programm, welches ein Drehrichtungssignal (Direction) und ein Schrittsignal (Step) an den GeckoDrive übermittelte, diente zur Überprüfung der korrekten Funktion des Schrittmotors. Die Bremse des Motors wurde zunächst durch den Direktanschluss an das 24V Netzteil danach durch Beschaltung über einen digitalen Ausgang der SPS auf Funktion geprüft. Die Bremse stoppt den Motor sobald keine Spannung anliegt. Der Signalverlauf wurde mittels der Beobachtungsfunktion des TIA-Portals überwacht.

Limitationen der SPS - Auslesen des Encoders

Maximale Verfahrgeschwindigkeit

Aufgrund der Limitationen ist eine maximale Verfahrgeschwindigkeit von 5,71mm pro Sekunde realisierbar, was maximal 162 Steps pro Sekunde entspricht.

Integrationstest

Bedienungsanleitung

Hinweis: Eigen-Grafik vom HMI ist ein Entwurf wie diese Steuerung aussehen kann.

Benutzeroberfläche des HMI

Der Benutzer bedient die Anlage ausschließlich über das Interface des HMI. Die dargestellte Schrittmotorachse wird in Echtzeit aktualisiert und zeigt somit immer die aktuelle Position des Schlittens an.

  1. Der Benutzer trägt einmalig die aktuelle Position des Schlittens in das entsprechende Feld im Interface ein. Die Achse ist nun einsatzbereit.
  2. Der gewünschte Verfahrweg des Schlittens kann nun eingetragen werden oder mit Hilfe der [+] [-] Schaltflächen in 5cm-Schritten eingestellt werden.
  3. Nach Eingabe des Verfahrwegs muss nun die Fahrtrichtung durch Druck auf die Schaltfläche [Links] oder [Rechts] ausgewählt werden.
  4. Die Schaltfläche [Stop] hält den Motor umgehend an und muss zum Deaktivieren erneut gedrückt werden.

Sollte die eingegebene Endposition das Achsenlimit von 0 bzw. 100cm unter- oder überschreiten, verfährt der Schlitten bis zur maximal möglichen Position und stoppt dort automatisch. Wird eine Soll-Position von 0cm eingegeben, fährt der Motor im Handbetrieb, d.h. solange die Richtungstaste gedrückt ist, verfährt der Motor.

Hier Ende zur Entwicklung im TIA Portal
- Möglichkeit der Programmierung nach Projekt von Ansteuerung einer Schrittmotorachse mit SPS und HMI -
Erstellung der Hardware im TIA-Portal, Programmierung im TIA Portal, SPS-Programm, Komponententest, Limitationen der SPS - Auslesen des Encoders, Maximale Verfahrgeschwindigkeit, Integrationstest, Bedienungsanleitung
Link: https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Ansteuerung_einer_Schrittmotorachse_mit_SPS_und_HMI#cite_note-4
Autoren: Matthias Stork, Lukas Kriete - Wintersemester 20/21 -

Hinweis: Die Textformatierung und Textinhalt ist ersetzt bzw. angepasst.

Abnahmetest & Systemtest

Hinweis: Hier wird das Video des Probelaufs hintugefügt.


Fazit, Lessons Learned und Blick in die Zukunft

Fazit

Im Projekt wurde ein miniaturisiertes, SPS-gesteuertes Parkhaussystem als Einzelarbeit vollständig von Grund auf geplant, aufgebaut und realisiert. Dabei handelte es sich nicht um ein vorgegebenes oder fertiges System, sondern um eine eigenständige Entwicklung.

Während der Umsetzung zeigte sich, dass zunächst zu stark auf ästhetische Aspekte, wie z. B. die Kabelführung, geachtet wurde,bevor die grundlegende Funktionalität vollständig sichergestellt war. Zudem führten Unachtsamkeiten in der Elektronik sowie fehlendes Baumaterial im Laborraum zu Verzögerungen in der Bauzeit. Zwar war entsprechendes Material im Materialraum des 1. Obergeschosses vorhanden, der Zugang war jedoch nur gemeinsam mit dem Praktikumsbetreuer möglich, der gleichzeitig mehrere Gruppen betreute. Ein gut ausgestatteter Materialschrank direkt im Laborraum hätte die Bauzeit schätzungsweise um mindestens 50 % verkürzen können. Eine funktionierende TIA Software zu Hause wäre auch deutlich hilfreicher gewesen, durch das Probieren der Instalation diverser Versionen, ging sehr viel Zeit unnötig verloren.

Insgesamt wurde deutlich, dass die angesetzten Termine für ein Projekt dieser Größenordnung knapp bemessen waren, insbesondere wenn Planung, Entwicklung und Aufbau bei null beginnen. Trotz fehlender Basissoftware in den Unterlagen konnte das System schließlich so realisiert werden, dass die Software angepasst und das Parkhaussystem funktionsfähig getestet werden kann. Insgesamt wurde deutlich, dass die angesetzten Termine für ein Projekt dieser Größenordnung knapp bemessen waren, insbesondere wenn Planung, Entwicklung und Aufbau bei null beginnen. Trotz fehlender Basissoftware in den Unterlagen konnte das System schließlich so realisiert werden, dass die Software angepasst und das Parkhaussystem funktionsfähig getestet werden kann.

Lessons Learned

  1. Umsetzung eines Projekts nach dem V-Modell (Anforderungen, Entwurf, Realisierung, Test)
  2. Auswahl, Dimensionierung und Verdrahtung der Komponenten auf Basis der Datenblätter
  3. Inbetriebnahme, Parametrierung und Programmierung einer Siemens-SPS
  4. Strukturierte Dokumentation eines umfangreichen Entwicklungs- und Aufbauprojekts

Blick in die Zukunft

Automatisierte Park- und Fördersysteme, wie sie in diesem Projekt im Miniaturmaßstab umgesetzt wurden, sind in anderen Bauformen bereits industriell realisiert und haben sich insbesondere in platzkritischen Anwendungen bewährt. Das vorliegende System zeigt, dass die grundlegenden Konzepte auch im modularen und skalierbaren Aufbau umsetzbar sind. Darüber hinaus könnten zukünftige Systeme um zusätzliche Funktionen ergänzt werden, wie beispielsweise die automatische Energieversorgung von Elektrofahrzeugen während des Parkvorgangs. Solche Konzepte werden bereits in ersten Anlagen erprobt und könnten die Effizienz und den Nutzen automatisierter Parkhaussysteme weiter erhöhen.

Projektunterlagen

Projektplan

Quellen

  • Optional könnte der SVN-Ordner zur Verfügung gestellt werden, wenn man dieses System weiter entwickeln möchte.
  • Basisartikel: [1]

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