Ampel-Demonstrator

Autor: Alexander Hammelbeck & Alexander Thumann

Betreuer Prof. Dr. Mirek Göbel

Einleitung

Im Rahmen des Studiengangs Mechatronik der Hochschule Hamm-Lippstadt, wird im 7.Semester das Praktikum Produktionstechnik durchgeführt. Das Praktikum ist Teil des Schwerpunktes Global Production Engineering.

In diesem Praktikum geht es um die Realisierung eines mechatronischen Systems mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) von Siemens. Diese SPS soll einen eigens entwickelten Ampel-Demonstrator steuern.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe des Praktikums war es, ein Ampelmodell zu konstruieren und dies mit einer Siemens SPS (ET200SP) zu steuern. Für die Ampelanlage ist eine Kreuzung vorgesehen. Die Kreuzung sollte außerdem von Fußgängern und Fahrradfahrern überquert werden können. An den Fußgängerüberwegen besteht die Möglichkeit ein Tastsignal abzugeben, um eine sichere Überquerung der Kreuzung zu gewähren.

Die Aufgabenstellung gliederte sich wie folgt:

Planung

• Komponentenauswahl
• Anordnung der Ampeln und Straßen auf dem Modell
• Fußgänger und Radfahrwege müssen vorhanden sein

Aufbau

• SPS Hardware aufbauen und verkabeln
• Ampelkreuzung aufbauen und verkabeln

Programmierung

• Aktorik und Sensorik implementieren und verknüpfen
• Ampelsteuerung entwickeln

Test des Kreuzungsmodells

• Programmierung durch Funktionstest am Modell testen

Dokumentation in SVN

• V-Modell-Anordnung der gesamten Unterlagen

Vorgehensweise nach V-Modell

Um strukturiert das Projekt angehen zu können, haben wir uns an die Vorgaben des V-Modells gehalten.

Das V-Modell ist im Folgenden abgebildet und die jeweiligen Unterpunkte werden ebenso erklärt.

V-Modell

Anforderungsdefinitionen

Anforderungsliste

In den Anforderungsdefinitionen wird festgelegt, welche grundlegende Dinge im Voraus an das Projekt gestellt werden und auch einzuhalten sind.

Die Anforderungsdefinitionen sind in fünf Hauptpunkte unterteilt.

• Geometrie & Gewicht
• Aufbau
• Schnittstellen
• Software & Werkzeuge
• Dokumentation

Aus dem Bild der Anforderungsliste sind die jeweiligen Bedingungen für den Ampeldemonstrator zu entnehmen.

Hyperlink zum SVN:

Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Programmierung

Komponententest

Integrationstest

Systemtest

Abnahmetest

Aufbau der Siemens SIMATIC ET200SP

Der genaue Aufbau und die Implementierung der Siemens SPS an die Software ist im folgenden Artikel beschrieben.

https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Praktikum_Siemens_SPS

CAD-Modell der Ampelanlage

Die acht Ampeln bestehen jeweils aus zwei Bauteilen, zum einen aus dem Standfuß und zum anderen aus der Säule. Der Standfuß dient einerseits zur Befestigung der Ampel auf der (50 x 50) cm großen Grundplatte und zur Halterung des Tasters. Die Säule dient als Aufnahme für die LED-Module. Beide Bauteile können formschlüssig durch leichten Druck gefügt werden, sodass eine Miniaturampel entsteht. Alle Teile wurden zuvor additiv mit Hilfe eines 3D-Druckers gefertigt. Dafür wurden die Bauteile (Standfuß und Säule) mit SOLIDWORKS konstruiert und in einem Dateiformat (STL) gespeichert, welches vom 3D-Drucker weiterverwendet werden kann.

Im Folgenden sind Darstellungen der CAD-Modelle.

Standfuß Ampel

Säule Ampel

Bemaßung Ampel

SPS-Programmierung mit TIA-Portal

Die Programmierung des Ampel-Demonstrators wurde mit einer Siemens SPS ET200SP und der dazugehörigen TIA-Portal Software realisiert. Zu beginn der Programmierung mussten alle Ein- bzw. Ausgänge und Merker implementiert werden. Die Implementierung wurde in der PLC Variablentabelle durchgeführt. Hier wurde jedem Ein-/Ausgang und Merker ein Name zugewiesen sowie eine Adresse. Die Variablentabelle ist in folgender Abbildung dargestellt.

PLC-Variablentabelle

Ein- und Ausgänge implementieren

Merker implementieren

Übersicht Bausteine

Das Programm für den Ampeldemonstrator besteht aus mehreren Bausteinen, dem Organisationsbaustein (OB1), Startupbaustein (OB100) und vier Funktionsbausteinen (FC3-6) (vgl. Abbildung Übersicht Bausteine).

Übersicht Bausteine

Organisationsbaustein OB1

Der Organisationsbaustein (OB1) ruft die einzelnen Funktionen (FC3-6) nacheinander im Intervall von 150 Millisekunden auf. Die Funktionen wurden für eine bessere Programmübersicht aufgeteilt und haben demnach alle eine unterschiedliche Aufgabe. Die Programmierung des Organisationsbausteins ist dem folgendem Bild zu entnehmen.

Organisationsbaustein OB1

Startup-Baustein OB100

Der Startup-Baustein (OB100) ist ein besonderer Organisationsbaustein. Er wird nur einmalig zum Programmstart aufgerufen und aktiviert sich selber. Dieser wird dafür genutzt, um in die Schrittkette der Ampelsteuerung zu gelangen und den Zähler bei Programmstart zu nullen. Sobald die Schrittkette aktiv ist, wird der Startup-Baustein deaktiviert. Die Programmierung des OB100 ist dem folgendem Bild zu entnehmen.

Startup-Baustein OB100

Funktionsbaustein FC3

Die vier Funktionsbausteine steuern den Ablauf des Ampel-Demonstrators. Der erste Funktionsbaustein FC3 enthält einen Zähler, welcher zyklisch von 0 bis 110 zählt. Der Wert des Zählers ist eine Bedingung für die jeweiligen Schritte der Schrittkette. Der Ablauf der Schrittkette und demnach auch der Ablauf der Schaltreihenfolge der Auto- bzw. Fußgängerampeln wird vom Zähler gesteuert. Weitere Informationen zum Zähler, sind dem folgendem Programmausschnitt zu entnehmen.

Zähler 0-110

Funktionsbaustein FC4

Der zweite Funktionsbaustein FC4 enthalt die Merkerbausteine M1 bis M6, welche jeweils für einen Schritt der Schrittkette stehen. Die Merker werden zu bestimmten Zeitpunkten durch den Zähler aus FC3 gesetzt und auch wieder zurückgesetzt. Sie bilden die Schrittkette für die Steuerung der Autoampeln und Fußgängerampeln. Ist ein Merker aktiv, setzt er unter bestimmten Bedingungen in FC5 oder FC6 einen Ausgang auf eins oder null. Nähere Informationen zu den einzelnen Merkern und deren Setztbedingungen, sind den folgenden Abbildungen M1 bis M6 zu entnehmen.

M1

M2

M3

M4

M5

M6

Funktionsbaustein FC5

Der dritte Funktionsbaustein FC5 enthält die Ausgabebausteine für die Autoampeln. Die Setz- und Rücksetzbedingungen sind den Programmausschnitten zu entnehmen.

Bundesstraße rot

Bundesstraße gelb

Bundesstraße grün

Hauptstraße rot

Hauptstraße gelb

Hauptstraße grün

Funktionsbaustein FC6

Der vierte Funktionsbaustein FC6 enthält die Ausgabebausteine für die Fußgängerampeln. Die Setz- und Rücksetzbedingungen sind den Programmausschnitten zu entnehmen.

Bedingung und Setzbefehl Fußgängerampel Bundesstraße rot

Bedingung und Setzbefehl Fußgängerampel Bundesstraße grün

Bedingung und Setzbefehl Fußgängerampel Hauptstraße rot

Bedingung und Setzbefehl Fußgängerampel Hauptstraße grün