Ampel-Demonstrator Erweiterung
Autoren: Thomas Datche, Mohamed Soliman
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer
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Einleitung
Im Rahmen des Studiengangs Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 7. Semester das Praktikum in der Produktionstechnik absolviert. Dieses Praktikum ist Teil der Vertiefungsrichtung Global Production Engineering. In diesem Praktum wurde uns das Projekt Ampel-Demonstrator Erweiterung zugewiesen, was wir mit Hilfe von zuvor im Studium gelernten Fähigkeiten und Wiessen noch einmal erfolgreich absolviren sollen.
Aufgabenstellung
In diesem Praktikum geht es darum, die von vorherigen Gruppen durchgeführte Arbeit mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) von Siemens fortzusetzen. Diese Ampelanlage soll mit Hilfe der eingebauten induktiven und kapazitiven Sensoren Fahrzeuge und Fahrradfahrer erkennen können. Dazu sollte auch mit Hilfe eines infrarot Sensors Rettungswagen(Polizei, Feuerwehr, Krankenwagen...)erkannt werden und sofort auf Grün schalten können, wenn die Ampel rot ist, was aber zeitlich nicht geschafft werden könnte.
Bei der Bearbeitung dieses Projekts müssen die folgenden Punkte beobachtet, bearbeitet und dokumentiert werden:
- Der Verdrahtungsplan und die Programmierung müssen erweitert und funktionsfähig werden, dass die Sensoren reagieren und funktionieren können, wenn sie ein Fahrzeug oder einen Radfahrer erkennen.
- Es ist auch wichtig, wenn ein Fahrzeug von dem Sensoren erkannt werden, die Autoampel im roten Zustand die gelbe Leuchte lange anschaltet, bis es Grün wird. Die gelbe Leuchte soll auch einmalig blinken im grünen Zustand der Ampel, wenn ein Fahrzeug vorbeifährt.
- Die Verkabelung aller elektronischen Komponenten muss realisiert werden.
- Die Verwendung eines Infrarot-Empfängersensors zum Empfang des vom Einsatzwagen gesendeten Signals und damit zum sofortigen Umschalten der Ampel auf Grün. Allerding wurde dieser Punkt wegen Zeitmangel nicht umgesetzt.
- Die Dokumentation des gesamten Projekts in SVN und in Form von Wiki-Artikeln muss erstellt werden.
Vorgehensweise nach V-Modell
Um eine strukturierte Vorgehensweise bei der Bearbeitung des Projekts zu gewährleisten, wurde das Projekt nach den Richtlinien des V-Modells durchgeführt (siehe Abbildung 2). Der folgende Link führt zum Speicherort der Daten, die in diesem Projekt verwendet wurden TortoiseSVN[1].
Anforderungen
In der Anforderungsdefinition werden konkrete Eigenschaften des Systems definiert. Dies können beispielsweise Eckdaten wie Gewicht, räumliche Abmessung oder Ähnliches sein. Außerdem wird festgelegt, was die Aufgabe des Systems ist. Ampel-Demonstrator-Anforderungsliste
Geometrie und Gewicht :
Die maximalen Abmaße sind: Breite 50cm, Länge 70cm,max Höhe 35cm. Das Gewicht des Kreuzungsdemonstrators bleibt unter 10kg.
Aufbau:
In jede Fahrtrichtung werden zwei Ampeln aufgestellt. - Jede Straße besitzt einen Fußgängerüberweg und einen Fahrradüberweg, welche von beiden Seiten überquert werden können.
- Grün für Fußgänger muss per Tastsignal angefordert werden.
- Induktive Näherungssensoren reagieren auf Fahrzeuge.
- Kapazitive Näherungssensoren reagieren auf Fahrräder.
- Alle Kabel werden sauber in einem Kabelkanal verlegt.
- Alle Kabel müssen für ein deutliches Verkabeln beschriftet werden.
- IR Empfänger werden auf jeder Ampel montiert und reagieren auf das Signal des IR Sender.
Schnittstellen:
- Die SPS muss an einem Standard-Steckdosen-Anschluss an 230V AC mit 50Hz angeschlossen werden können.
- SPS-Display wird mit SPS per 24V DC und LAN verbunden.
- Verbindung zwischen Kreuzung und SPS mittels mehrpoliger Steckverbindung.
- Die elektrischen Kreuzungskomponenten werden mittels Reihenklemmen zusammengefasst.
Software:
- SPS wird mittels TIA-Portal 15.1 programmiert.
Dokumentation:
- Wochenbericht wird bearbeitet und auf dem neuesten Stand gebracht.
- Beschreibung des Ablauf
- Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Bedienung
- Funktionsplan für Schaltplan und Verkabelung
- Wiki-Seite erstellen
Funktionaler Systementwurf
Mit Hilfe der TIA-Portal 15.1 Software konnte die Ampelanlage erfolgreich funktionieren. Die Signale werden von der Steuerungseinheit(SPS) empfangen und bearbeitet. Das wiederholt sich, bis ein Stop-Befehl eintritt.
Technischer Systementwurf
Bei dem technischen Systementwurf wurde auf einer genaueren und detaillierteren Beschreibung und Darstellung des Systems. Um ein besseres Verständnis für das System zu bekommen, wurden ganzen Funktionen der Ampelanlage wurden als Funktionspackete hinterlegt und im technischen Systementwurf dargestellt.
Komponentenspezifikation
Bezeichnung der Bauteile
Bei der Komponentenspezifikation wird jede Funktion detailliert beschrieben und wie der Ablauf dieser Funktion aussieht. Bei der Ampelanlage müssen zuerst die ganzen Bauteile, Sensoren und Leuchten bezeichnet werden. Dazu gehört auch eine Pin-Belegung, die später detaillierter erklärt wird. Bei den SPS-Adressen handelt es um die Eingänge und Ausgänge in der SPS-Anlage. Hier wurden die Eingänge für die induktiven Sensoren einzeln definiert. Allerdings wurde für bei den kapazitiven Sensoren die Signale kombiniert, um einen einheitlichen Ablauf zu schaffen.
Darstellung der Sensoren
In Abbildung 6 ist die eine Darstellung der Sensoren an der Ampelanlage zu sehen. Da sind die Orte der verschiedenen Sensoren dargestellt. Hier ist ein fertiges Konzept für den Einbau und die Funktionsweise der Sensoren an der Kreuzung. In Abbildung 7 ist es der mit rot markierte Ort, wo die induk.Sensoren eingebaut werden, zu sehen.
Darstellung der Ampelphasen
Um die Aufgabe des Projekt erfüllen zu können, muss zuerst verstanden, wie die Ampelanlage funktioniert. Bei der Erweiterung des Ampel-Demonstrator mit den induktiven und kapazitiven Sensoren wurde auf die Ampelphasen geachtet, dass die Ampel einen funktionsfähigen und sicheren Ablauf hat.
Umsetzung (HW)
Anschlusspläne
Vor der Montage des Induktiven Näherungsschalters und des kapazitiven Sensors, ist es wichtig zu wissen, welche Funktion bzw. welche elektrische Schaltpläne der Verbindungen sie haben. Diese Funktion ist oft auf dem Etikett oder der Verpackung des Sensors Wie in der Abbildung 9 und Abbildung 10 angegeben. So unterscheidet man beim Induktiven Näherungsschalter SMT-8M-A, für T-Nut 3 Funktionen:
• PNP, Schließer
• NPN, Schließer
• NPN, Öffner Bei dem kapazitiven Sensor C18P/BP-1A gibt es auch Drei Funktionen:
• PNP-NO+NC
• NPN-NO+NC
• AC-NO+NC
Wenn das Signal eine positive Spannung ist, redet man von PNP (Plusschaltend). Wenn das Signal eine negative Spannung ist, redet man von NPN(Minus/Negativschaltend). Schließer bedeutet normal geöffnet oder „Normaly on“ (NO). Öffner bedeutet normal geschlossen oder „Normaly close “ (NC).
Schaltpläne
Der Schaltplan wurde mit der kostenlosen Software TinyCAD erstellt, welche hier[2] heruntergeladen werden kann. Die Dateien können unter diesem Link[3] eingesehen werden.
Umsetzung (SW)
Herstellung einer Verbindung mit der SPS
Variablen definieren
Der Ampel-Demonstrator wurde mittels TIA-Portal 15.1 Programmiert. Bei der Programmierung der Anlage wurde auf einen richtigen Ablauf geachtet. Der erste Schritt bei der Programmierung war die Definition der verschiedenen Variablen für die Sensoren und ihrer Merker. Die Funktion der Merker im Programm ist die sofortige Erkennung des Signals vom Sensor und das sofortige anschalten eines Zählers. Daraufhin schaltet sich die Ampel nach einer bestimmten Zeit.
Rücksetzung mittels SR-Flipflop
Die Rücksetzung des Zählers beim Programm konnte mithilfe von Flip-Flop Baustein erfolgen
Mit der Operation "Flipflop setzen rücksetzen" können Sie das Bit eines angegebenen Operanden abhängig vom Signalzustand an den Eingängen S und R setzen oder rücksetzen. Wenn der Signalzustand am Eingang S "1" und am Eingang R "0" ist, wird der angegebene Operand auf "1" gesetzt. Wenn der Signalzustand am Eingang S "0" und am Eingang R "1" ist, wird der angegebene Operand auf "0" zurückgesetzt.
Der Eingang R dominiert den Eingang S. Bei einem Signalzustand "1" an beiden Eingängen S und R wird der Signalzustand des angegebenen Operanden auf "0" zurückgesetzt. Bei einem Signalzustand "0" an beiden Eingängen S und R wird die Operation nicht ausgeführt. Der Signalzustand des Operanden bleibt in diesem Fall unverändert. Der aktuelle Signalzustand des Operanden wird auf den Ausgang Q übertragen und kann an diesem abgefragt werden.
Programmierung des induktiven Sensors
Die Programmierung der induktiven Sensoren wurde ausgelegt, dass bei der Erkennung eines Fahrzeugs das Signal vom Sensor an die SPS Anlage geschickt, wo bestimmte Bedingungen geprüft werden, ob der Merker jetzt angeschaltet werden soll oder nicht. Es wurde einen zusätzlichen Netzwerk (Abb.10) eingefügt, für die Erkennung der Funktionalität des Sensors. Bei der roten Phase der Ampel schaltet die gelbe Leuchte lange, wenn ein Fahrzeug erkannt wird. Allerdings blinkt nur die gelbe Leuchte ganz kurz bei der grünen Phase der Ampel ,wenn ein Fahrzeug erkannt wird bzw. vorbeifährt. Die Rücksetzung des Zählers beim Programm konnte mit Hilfe von Flip-Flop Baustein erfolgen
Programmierung vom induktiven Sensors.png
Programmierung des kapazitiven Sensors
Es wurde für die kapazitiven Sensoren ein effizientes und praktisches Konzept entwickelt, in dem die Variablen des kapazitiven Sensors bei dem Taster Netzwerk integriert werden. Durch die ODER-Gate schaltet die Fußgängerampel bei Fußgänger und Fahradfahrer auf Grün bzw. bei einem Signal kapazitiven Sensor oder dem Taster an der Ampel.
Bei der Programmierung des kapazitiven Sensors haben wir uns für eine Schnelle und effektive Lösung für die Integration des Sensors in der Ampelanlage. Die Sesor Variable wurde im Netzwerk des Fußgänger-Tasters gespeichert. Dieser Konzept dient dazu, dass wenn ein Signal vom Taster oder vom kapazitiven Sensor ankommt, die Fußgänger Ampel, die auch für den Radweg da ist, auf grün schaltet.
Komponententest
Zusammenfassung & Lessons Learned
Ausblick
Literatur
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