1. Basketball-Spiel mit Linearachse: Unterschied zwischen den Versionen
Keine Bearbeitungszusammenfassung |
|||
| Zeile 273: | Zeile 273: | ||
== Quellen == | == Quellen == | ||
[https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/Siemens_Schrittmotorachse/ Projektordner_SVN] | |||
Version vom 15. Januar 2026, 10:48 Uhr
zurück zum Hauptartikel: Praktikum Produktionstechnik
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:
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 berechnet [3], was einen Widerstandswert von 1,2kOhm ergab.
Umsetzung
Hardware
Der Basketballkorb wurde per SolidWorks konstruiert und anschließend im 3D-Drucker gefertigt. Das Netz wurde gehäkelt und dann am Korb befestigt. Der Korb wurde an der Linearachse befestigt und kann somit über den Motor horizontal verschoben werden. Die Verkabelung ist von unserer Vorgängergruppe übernommen, die die Linearachse erstmals angesteuert hat. Dieser Artikel baut auf den Artikel "Ansteuerung einer Schrittmotorachse mit SPS und HMI" [5] auf. Dort sind alle relevanten Einzelheiten zum Aufbau zu entnehmen.
Problemstellung
Die Problemstellung untergliedert sich bei diesem Projekt in mehrere Teile.
1. Die Zeit: In diesem Semester hatten wir in Summe fünf Termine an denen wir an dem Projekt arbeiten konnten.
2. Das Vorgängerprojekt: Wir hatten zwar Zugriff auf die Dateien der vorherigen Gruppe, allerdings war es uns nicht möglich diese zu öffnen. Der Grund lag darin, dass es sich um archivierte Dateien handelte, die zunächst endarchiviert werden mussten, bevor sie geöffnet werden konnten.
3. Die IP-Adresse der SPS: Die IPv4-Adresse der SPS änderte sich regelmäßig, obwohl die Zieladresse korrekt im Projekt hinterlegt war. Hintergrund dessen, war, dass bei dem Windows auf der SPS, welches nur über den zweiten Bildschirm, zweiten Tastatur und einer zweiten Maus angesteuert werden kann, sich die IP-Adresse in regelmäßigen Abständen selbstständig umgestellt hat. Diese Einstellung sollte eigentlich nicht aktiviert sein, sondern bei Station 6 dauerhaft auf 192.168.0.62 eingestellt sein.
4. Ausgang der SPS: Die Ausgänge der digitalen Ausgangskarte geben bei einem logischen "0"-Wert eine Spannung von 7V aus – bei einem logischen "1"-Wert werden 23V ausgegeben. Dies führt zu Leseproblemen des GeckoDrive zum Beispiel bei den Eingängen "Direction". Dieser verlangt nämlich 0V, 3,3V oder 5V.
Fazit
Unser Projektziel bestand darin, auf dem Fundament des von der Vorgängergruppe entwickelten Projekts "Ansteuerung einer Schrittmotorachse mit SPS und HMI" [6] aufzubauen. Dieses Vorprojekt, essentiell für unseren Projektstart, versprach eine funktionsfähige SPS-Schaltung zur Ansteuerung einer Linearachse. Allerdings stießen wir früh auf ein kritisches Hindernis: Die SPS-Schaltung der Vorgänger erwies sich als nicht mehr kompatibel, was eine unerwartete und bedeutende Hürde darstellte.
Die Konsequenz war, dass unsere Projektgruppe den Großteil der vorgesehenen Zeit darauf verwenden musste, die Ansteuerung der Linearachse mittels des vorhandenen Programmcodes zu realisieren – ein Unterfangen, das ursprünglich nicht in unserem Aufgabenbereich lag. Die Annahme, dass wir auf einer bereits funktionierenden Basis aufbauen könnten, traf damit nicht zu. Dieses fundamentale Problem verhinderte, dass wir unser Projekt innerhalb des geplanten Zeitrahmens zur Vollendung bringen konnten. Bis zum Abschluss des Projektes konnte keiner der Beteiligten Betreuer oder Projektmitarbeiter eine logische Erklärung für das Problem finden.