Ampel-Demonstrator

Abbildung 1: Ampeldemonstrator

Autoren: Alexander Hammelbeck & Alexander Thumann

Betreuer Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer

Wintersemester 20/21

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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. Die Ampelanlage soll den Verkehrsfluss für Autos, Fußgänger und Fahrradfahrer regeln. Die Grünphase der Fußgänger soll durch ein Tastsignal angefordert werden. Des Weiteren sollen Fahrzeuge durch entsprechende Sensorik erkannt werden (Näherungssensoren). Bei der Bearbeitung dieses Projektes sind folgende Punkte zu beachten, zu bearbeiten und zu dokumentieren:

• Ampeldemonstrator muss im Vorfeld genau geplant werden
• Kreuzungsaufbau muss von Grund auf neu erstellt werden
• Gehäuse für Ampelanlagen konstruieren
• Verdrahtung aller elektronischen Komponenten
• Siemens SPS muss aufgebaut, verdrahtet und implementiert werden, sodass diese die Kreuzung steuert
• Dokumentation des gesamten Projektes in SVN und als Wiki-Artikel

Vorgehensweise nach V-Modell

Abbildung 2: V-Modell

Damit eine strukturierte Vorgehensweise zur Bearbeitung des Projektes sichergestellt werden kann, wird dieses nach den Vorgaben des V-Modells (vgl. Abbildung 2) durchgeführt.

Zur Datenabspeicherung wurde der Client TortoiseSVN verwendet. Die nachfolgenden Punkte sind als Link zum SVN hinterlegt.

Anforderungsdefinition

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

Funktionaler Systementwurf

• Lösungsneutraler Entwurf des Ampel-Demonstrators

Technischer Systementwurf

• Definition der Schnittstellen und die Zerlegung des Systems in überschaubarere Teilsysteme

Komponentenspezifikation

• Funktion der einzelnen Komponenten sowie deren Schnittstellen untereinander

Programmierung/Entwicklung

• Grafcet-Entwicklung
• CAD-Modell der Ampel erstellen und additiv fertigen
• Programmierung der gesamten Ampelanlage
• E-Pläne erstellen

Komponententest

• Inbetriebnahme der Komponenten
• Fehlersuche und Behebung
• Programmverbesserung

Integrationstest

• Test, ob die Komponenten wie geplant miteinander kommunizieren

Systemtest

• Test, ob das implementierte System mit den spezifischen Anforderungen übereinstimmt

Abnahmetest

• Test, ob das Projekt wie gewünscht umgesetzt worden ist

CAD-Modell der Ampelanlage

Die acht Ampeln bestehen jeweils aus zwei Bauteilen, zum einen aus dem Standfuß (vgl. Abbildung 3) und zum anderen aus der Säule (vgl. Abbildung 4). 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 (generative Fertigung) mit Hilfe eines 3D-Druckers gefertigt. Dafür wurden die Bauteile (Standfuß und Säule) mit SOLIDWORKS konstruiert und in einem entsprechendem Dateiformat (STL) gespeichert, welches vom 3D-Drucker weiterverwendet werden kann.

Im Folgenden sind die Darstellungen der CAD-Modelle zu erkennen. Die Originaldateien können hier eingesehen werden.

Abbildung 3: Standfuß Ampel

Abbildung 4: Säule Ampel

Abbildung 5: Bemaßung Ampel

Ampeldemonstrator - Planung & Aufbau

Die Aufgaben, welche zur Planung und zum Aufbau des Ampel-Demonstrators gehören, sind in den nächsten Unterpunkten aufgelistet:

Planung

• Komponenten auswählen und auflisten für HSHL-interne Bestellung
• Maßstabsgetreue Skizze der Kreuzung anfertigen (mit allen Fahrwegen und Ampelpositionen)
  • Größe der Holzplatte definieren (dient als Grundplatte für Kreuzungsaufbau)
  • Bemaßungen der Fahr- und Fußgängerwege sowie der Grünflächen

Aufbau

Abbildung 6: SPS-Aufbau

• SPS Hardware aufbauen und verkabeln
  • Digitale und analoge Ein-und Ausgänge mit 24 V / DC Spannung versorgen
  • 230 V / 50 Hz AC Zuleitung für SPS anschließen
• Layout der Kreuzung erstellen
  • Grundplatte zuschneiden
  • Folierung der Wege auf der Grundplatte
  • Grünflächen kleben
  • Kantenschutz anbringen
  • Kabelkanal montieren
  • Reihenklemmen montieren
  • Standfüße montieren
  • Zusätzliche Holzplatte für 50 poligen Sub-D Anschlussblock anbringen
  • 50 poligen Sub-D Anschlussblock montieren
• Ampelkreuzung aufbauen und verkabeln
  • Schaltdrähte verlegen und verlöten
  • Widerstände vor LED-Module löten
  • 50 poligen Sub-D Stecker verlöten
  • Additiv gefertigten Ampelgehäuse montieren und Taster anschließen

Schaltpläne

Der Schaltplan wurde mit der kostenlosen Software SEE Electrical erstellt, welche hier heruntergeladen werden kann. Die Dateien können unter diesem Link eingesehen werden.

Abbildung 7: Pinbelegung 50-poliger Sub-D Stecker & Sub-D Anschlussblock	Abbildung 8: Verdrahtungsplan LED`s Autoampel	Abbildung 9: Verdrahtungsplan LED`s Fußgängerampel Bundesstraße
Abbildung 10: Verdrahtungsplan LED`s Fußgängerampel Hauptstraße	Abbildung 11: Verdrahtungsplan Induktiver Sensoren	Abbildung 12: Verdrahtungsplan aller Taster

SPS-Programmierung mit TIA-Portal V15.1

Vorbereitungen für die Programmierungen

Bevor die Funktionen des Ampel-Demonstrators in der Software von Siemens TIA-Portal V15.1 programmiert werden können, müssen alle Komponenten (Ein- und Ausgänge) ein bestimmten Namen und eine Adresse erhalten. Dafür wurden alle Komponenten des Systems aufgelistet (vgl. Abbildung 13) und anschließend zusammengefasst, da viele Komponenten (bspw. die vier Autoampeln auf der Bundesstraße) gleich schalten. Die zusammengefasste Liste ist in Abbildung 14 dargestellt. Die Originaldateien sind über diesen Link erreichbar.

Abbildung 13: Auflistung der Komponenten

Abbildung 14: Kreuzung Bezeichnungen

Des Weiteren muss der Ablauf des Programms im Vorfeld definiert werden. Dafür wurde ein handschriftliches Diagramm erstellt, welches die Schaltreihenfolge der Ampeln über der Zeit darstellt. Das Ampelsystem für die Autos hat sechs unterschiedliche Schaltzustände. Diese werden im STEP 7 Programm als Merker M1 bis M6 gespeichert. Das Diagramm ist in Abbildung 15 dargestellt. Die sechs unterschiedlichen Schaltzustände sind blau gekennzeichnet.

Abbildung 15: Ampelphasen

Mit Hilfe des Ampelphasendiagramms (vgl. Abbildung 15) wurde ein Ablaufplan (vgl. Abbildung 16) in der kostenlosen Software PapDesigner erstellt, welcher als Programmiergrundlage dient. Das Programm kann hier heruntergeladen werden. Die Originaldatei ist unter diesem Link gespeichert.

Abbildung 16: Ablaufdiagramm Ampelphasen

PLC-Variablentabelle

Die Programmierung des Ampel-Demonstrators wurde mit einer Siemens SPS ET200SP und der dazugehörigen TIA-Portal Software (Version 15.1) realisiert. Zu beginn der Programmierung mussten alle Ein- bzw. Ausgänge und Merker implementiert werden. Die Implementierung wurde in der PLC Variablentabelle (vgl. Abbildung 17/18) durchgeführt. Hier wurde jedem Ein-/Ausgang und Merker ein Name zugewiesen sowie eine Adresse.

Abbildung 17: Ein- und Ausgänge implementieren

Abbildung 18: 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 19).

Abbildung 19: 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.

Abbildung 20: 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.

Abbildung 21: 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.

Abbildung 22: 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.

Abbildung 23: Merkerbaustein M1

Abbildung 24: Merkerbaustein M2

Abbildung 25: Merkerbaustein M3

Abbildung 26: Merkerbaustein M4

Abbildung 27: Merkerbaustein M5

Abbildung 28: Merkerbaustein M6

Funktionsbaustein FC5

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

Abbildung 29: Bundesstraße rot

Abbildung 30: Bundesstraße gelb

Abbildung 31: Bundesstraße grün

Abbildung 32: Hauptstraße rot

Abbildung 33: Hauptstraße gelb

Abbildung 34: Hauptstraße grün

Funktionsbaustein FC6

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

Abbildung 35: Bedingung und Setzbefehl Fußgängerampel Bundesstraße rot

Abbildung 36: Bedingung und Setzbefehl Fußgängerampel Bundesstraße grün

Abbildung 37: Bedingung und Setzbefehl Fußgängerampel Hauptstraße rot

Abbildung 38: Bedingung und Setzbefehl Fußgängerampel Hauptstraße grün

Zusammenfassung / Ausblick

Der Ampel-Demonstrator konnte im Wintersemester 20/21 weitestgehend fertiggestellt werden. Leider kam es bei der Bestellung der Näherungssensoren zu Verzögerungen. Somit konnten diese nicht eingebaut und implementiert werden. Des Weiteren ist uns im späteren Verlauf des Semesters aufgefallen, dass gelbe Blinklichter, welche Autofahrer darauf hinweisen, dass Fußgänger die Straße überqueren, fehlen, und dass die LED's der bestellten Fußgängerampeln getauscht werden müssen (gelieferter Artikel entspricht nicht dem Abgebildeten auf der Reichelt Website). Dies könnte eine Aufgabe für die nachfolgenden Studenten sein. Darüber hinaus könnte noch ein Nachtmodus mit Hilfe der Näherungssensoren programmiert werden und eine unabhängige Stromversorgung mit Schaltrelais, die bei Ausfall der SPS alle gelben Lampen des Ampel-Demonstrators blinken lassen. Im weiteren Verlauf könnte auch das HMI zur Darstellung des Ampel-Demonstrators mit eingebunden werden.

Lessons Learned

Bei der Bearbeitung des Projektes konnten Studieninhalte aus früheren Semestern, wie auch Ausbildungsinhalte wiederholt und angewendet werden. Dazu zählen:

• erarbeiten und anfertigen von Schaltplänen
• Verdrahtung nach Schaltplan durchführen
• konstruieren der Ampel mithilfe von SolidWorks (CAD-Programm)
• strukturiertes Vorgehen nach V-Modell
• Dokumentensicherungen via SVN (gleichzeitige Bearbeitung möglich)
• Programmieren der SPS via TIA-Portal

Darüber hinaus war es ein Erfolgserlebnis, die mit SolidWorks erstellten Ampeln, nach der additiven Fertigung selbst in der Hand zu halten. Es ist außerdem schön zu sehen, dass die Programmierung der Software nicht nur im Programm funktioniert, sondern auch am Modell.

Probleme / Schwierigkeiten

• Komponentenauswahl gestaltete sich durch zeitnahe Bestelldeadline schwierig
  • Modellplan musste in kurzer Zeit aufgestellt werden
  • Eine Vielzahl an Komponenten waren nötig, da das Projekt von Grund auf erstellt werden musste
• Bau des Ampeldemonstrators war sehr zeitintensiv
  • verlöten der LED´s und Widerstände
  • genaue Planung der Verkabelung
  • 3D-Druck der Ampeln sehr zeitintensiv
• Einarbeitung in TIA-Portal
  • Funktion der Ampelanlagen softwaretechnisch umzusetzen erforderte viel Recherche

Literaturverzeichnis

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