Ampeldemonstrator Erweiterung
| Autor: | Justin Ebbesmeier, Timo Kofler, Jannik Kemper, Maha Chraiji |
| Betreuer: | Prof. Dr. M. Wibbeke, Marc Ebmeyer |
Einleitung
Das Praktikum Produktionstechnik im Schwerpunkt Global Production Engineering findet im 7. Semester des Studiengangs Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt statt. Dabei entwickeln die Studierenden ein mechatronisches System, das mit einer Siemens-SPS gesteuert wird. Als Beispielprojekt dient ein eigens entworfener Ampel-Demonstrator.
Aufgabenstellung
Im Praktikum wurde eine bestehende Ampelanlage mithilfe einer Siemens-SPS erweitert und in ein Human Machine Interface (HMI) integriert. Ziel war es, die Steuerung der Anlage praxisnah zu digitalisieren und zusätzliche Funktionen für den Verkehrsfluss zu entwickeln.
Die Aufgaben waren:
- Digitale Ansteuerung der Ampelanlage über die SPS
- Integration der Ampelanlage ins HMI zur Bedienung und Visualisierung
- Verkehrsfluss-Steuerung mit Simulation der Fußgänger-Taster
- Vergabe von Straßennamen (Hauptstraße und Bundesstraße) zur besseren Übersicht im HMI
- Anzeige der Zustände und Detektionen direkt im HMI
Anforderungen
Damit die Ampelanlage über das HMI korrekt gesteuert werden kann, muss die Schnittstelle zwischen der Siemens-SPS und der Visualisierung eindeutig eingerichtet werden. Dazu werden die Ausgänge der Ampel (Rot, Gelb, Grün) sowie die Eingangssignale der Sensoren klar definiert und mit den entsprechenden Variablen im HMI verknüpft. Die Buttons im HMI greifen direkt auf diese Steuerungsvariablen zu, sodass durch einen Klick eine konkrete Aktion, wie beispielsweise das Umschalten der Ampel, ausgelöst wird. Gleichzeitig müssen die aktuellen Zustände der Ampel und die Detektionen der Sensoren zurückgemeldet und im HMI angezeigt werden. Nur durch diese saubere Zuordnung von Ein- und Ausgängen ist gewährleistet, dass Steuerung und Anzeige synchron laufen und die Bedienung über das HMI zuverlässig funktioniert.
Funktionaler Systementwurf
Umsetzung in das HMI
Die Ampelschaltung wurde so in das SIMATIC HMI umgesetzt, dass eine übersichtliche Bedienung und eine klare Visualisierung aller Verkehrsbereiche gewährleistet ist. In der Home-Ansicht steht dem Benutzer eine zentrale Startoberfläche zur Verfügung. Über zwei große Schaltflächen können hier die Bereiche Bundesstraße und Hauptstraße ausgewählt werden. Zusätzlich befindet sich in dieser Ansicht eine globale Stop-Taste, mit der das gesamte System jederzeit angehalten werden kann. Über diese Seite ist eine einfache Navigation zu den einzelnen Kreuzungsansichten möglich.
In den Ansichten „Kreuzung Hauptstraße” und „Kreuzung Bundesstraße” werden die Kreuzungen der Hauptstraße und der Bundesstraße detailliert und übersichtlich dargestellt. In beiden Ansichten sind jeweils alle zugehörigen Ampeln zu sehen, die für die einzelnen Fahrtrichtungen zuständig sind. In der Ansicht der Hauptstraße sind diese mit H1 bis H4 gekennzeichnet, in der Ansicht der Bundesstraße mit B1 bis B4. Die Fahrtrichtungen sind durch Pfeile visualisiert und die Fußgängerüberwege sind deutlich eingezeichnet. Durch die einheitliche Gestaltung beider Kreuzungsansichten ist ein direkter Vergleich der Verkehrsflüsse möglich, und der Bediener kann schnell zwischen den Bereichen wechseln. Diese Darstellungen eignen sich besonders zur Überwachung des aktuellen Zustands, zur Fehlersuche und zur Optimierung der Schaltlogik.
In den beiden weiteren Ansichten ist eine direkte Bedienung der Ampeln möglich. In der Ansicht für "Schaltzustände Hauptstraße" ist eine vereinfachte Darstellung der Auto- und Fußgängerampel integriert. Hier kann der Benutzer den aktuellen Zustand der Ampeln beobachten und über den eingeblendeten Fußgängertaster eine Anforderung auslösen. Die SPS verarbeitet dieses Signal und steuert entsprechend die nächste Freigabephase für Fußgänger. Ergänzt wird diese Ansicht durch eine Stop-Taste, mit der der Betrieb jederzeit unterbrochen werden kann.
Die Ansicht für die "Schaltzustände Bundesstraße" ist gleich aufgebaut und erlaubt ebenfalls die direkte Simulation einer Fußgängeranforderung über den Taster. Auch hier werden die Zustände der Fahrzeug- und Fußgängerampeln in Echtzeit dargestellt. Durch die klare und einheitliche Gestaltung beider Ansichten ist eine einfache und intuitive Bedienung gewährleistet.
Durch die Strukturierung des HMI in Start-, Übersichts- und Detailansichten wird zudem eine logische und benutzerfreundliche Bedienoberfläche geschaffen. Die Integration der Siemens-SPS ermöglicht eine zuverlässige Echtzeitdarstellung aller Zustände und bildet die ideale Grundlage für Tests, die Inbetriebnahme und die Analyse der Ampelschaltung.
Um die Ampelschaltung an das SIMATIC HMI anzubinden, mussten zunächst passende HMI-Variablen angelegt werden, damit das HMI die Zustände aus der SPS lesen und Bedienaktionen als Signale in die SPS zurückschreiben kann. In der Variablentabelle (siehe Bild „HMI-Variablen“) ist für jede relevante Funktion deshalb eine eigene Bool-Variable hinterlegt. Dazu gehören beispielsweise die Signale für die Fahrzeugampel der Bundesstraße (BA_rot, BA_gelb, BA_grün) sowie die Signale der Hauptstraße (HA_rot, HA_gelb, HA_grün). Zusätzlich wurden Variablen für die Fußgängerampeln und die Taster/Freigaben angelegt (z. B. HF-, BF-Variablen sowie Merker- bzw. Tastsignale wie HSTR und BSTR). Jede dieser HMI-Variablen ist über die konfigurierte HMI-Verbindung direkt mit einer entsprechenden PLC-Variable in der „Software PLC_1” verknüpft. Dadurch kann das HMI die aktuellen Zustände der Ampeln laufend aktualisieren und gleichzeitig Bedienereingaben an die SPS übergeben.
Damit ein Fußgängertaster im HMI eine Anforderung auslöst, wird der Button nicht nur grafisch dargestellt, sondern auch funktional mit einer Variable verbunden. In der Ansicht „Programm Taster“ ist im Reiter „Ereignisse“ für den Button das Ereignis „Drücken“ hinterlegt. Beim Betätigen des Tasters wird über die Funktion „Setze Variable“ eine definierte Ausgabevariable gesetzt. In unserem Beispiel wird dabei die Variable HSTR auf den Wert 1 gesetzt. Das entspricht praktisch einem echten Taster an der Anlage: Der Bediener drückt den Taster, das HMI schreibt den Wert in die SPS und die SPS erkennt somit die „Fußgängeranforderung“.
Wichtig ist dabei: Der Button schaltet nicht „direkt” die Lampen um, sondern löst nur das Anforderungssignal aus. Die eigentliche Logik, wann die Fußgängerampel umschaltet, bleibt in der SPS. Sobald die SPS das gesetzte Signal (z. B. HSTR) erkennt, wird es in der Steuerung verarbeitet und in den Ablauf der Ampelphasen eingebunden. Wenn die Bedingungen erfüllt sind, setzt die SPS die Ausgänge/Variablen für die Fußgängerampel so, dass die Anzeige im HMI von Rot auf Grün wechselt. Parallel dazu werden die Fahrzeugampeln entsprechend auf Rot bzw. in die passende Übergangsphase geschaltet, um eine sichere Überquerung zu gewährleisten.
Anschließend erfolgt die Darstellung im HMI automatisch. Da die Lampen im Bild (Autoampel/Fußgängerampel) an die jeweiligen Bool-Variablen gekoppelt sind, werden die Symbole je nach SPS-Zustand ein- und ausgeblendet bzw. eingefärbt. Sobald die SPS also beispielsweise „Fußgänger Grün“ setzt und „Fußgänger Rot“ zurücknimmt, sieht man das unmittelbar im HMI die Fußgängerampel springt von Rot auf Grün um.
Komponententest
CAD-Zeichnung
Ergebnis
Zusammenfassung
Probleme
Bei der Umsetzung des Projekts traten mehrere Schwierigkeiten auf.
Begrenzte Projektzeit
Für die Bearbeitung des Projekts standen im Semester insgesamt nur 5 Termine zur Verfügung. Dadurch war der zeitliche Rahmen sehr eng.
Netzwerkprobleme zwischen SPS und Rechner
Ein zentrales Hindernis stellte die Kommunikation zwischen dem Projekt-PC und der Siemens SPS dar. Zunächst konnte keine Verbindung aufgebaut werden, da die auf dem Computer konfigurierte IP-Adresse nicht mit der IP-Adresse der SPS übereinstimmte. Um eine erfolgreiche Kommunikation zu gewährleisten, musste ein vollständiger Termin ausschließlich für die Analyse und Korrektur der Netzwerkeinstellungen genutzt werden. Die Fortsetzung der eigentlichen Projektarbeit war erst im darauffolgenden Termin möglich.
Lessons Learned
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