Ansteuerung einer Schrittmotorachse mit SPS und HMI

Einleitung

Im Rahmen des Praktikums „Produktionstechnik“ im Studiengang Mechatronik mit dem Schwerpunkt „Global Production Engineering“ 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.

Vorgehensweise nach V-Modell

Anforderungsdefinition

Die Anforderungsdefinition legt verbindliche Anforderungen an ein zu entwickelndes System dar. Zu Projektbeginn wurde ein von zwei Personen gut transportierbarer Aufbau, welcher sowohl eine digitale, als auch eine analoge Bedienbarkeit ermöglichen soll, festgelegt. Eine Einkaufsliste zur Bestellung der benötigten Materialien wurde der Anforderungsdefinition entsprechend erstellt.

Systementwurf

Die Systementwürfe (funktional und technisch) beinhalten die detaillierten Spezifikationen der im Projekt verwendeten Bauteile und Schnittstellen.

Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf gibt Aufschluss über die Verbindungen der jeweiligen Komponenten. Hierbei steht die Funktionsweise im Fokus.

Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf gibt Aufschluss über die Daten und Signale, welche die Systemkomponenten benötigen bzw. genieren, empfangen oder aussenden.

Komponentenspezifikation

Die Schnittstellen, Aufgaben und Spezifikationen der ausgewählten Bauteile werden in der Komponentenspezifikation beschrieben. In diesem Projekt wurden folgende Komponenten verbaut und genutzt:

Hardware:

SIEMENS Hutschiene
SPS-Netzteil: SIMATIC ET 200SP
Speicherprogrammierbare Steuerung: SIMATIC CPU 1515SP PC2 6ES7677-2DB40-0AA0
Mensch-Maschinen Schnittstelle: Siemens SIMATIC HMI Comfort Panel 6AV2-124-0GC01-0AX0
Kommunikationsmodul SIMATIC CP340
Analoges Eingangsmodul
Analoges Ausgangsmodul
Digitales Eingangsmodul
Digitales Ausgangsmodul
Schrittmotortreiber GeckoDrive G201x
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
Widerstände 1,2 kOhm um die Eingänge des GeckoDrive mit den Ausgängen der SPS beschalten zu können
Mean Well DR-15-5 Hutschienen-Netzteil (DIN-Rail) 5 V/DC 2.4 A 12 W 1

Software:

SIEMENS Totally Integrated Automation Portal (TIA-Portal)
Simatic Software Pack: PLC F+HMI

Sammelordner Datenblätter

Entwicklung

Konfiguration im TIA-Portal

Programmierung

Komponententest

Um die verbauten Komponenten zu testen, wurde zunächst eine Sichtprüfung der Anlage durchgeführt und im Anschluss die ausgegebenen Spannungen der verschiedenen Netzteile mit Hilfe eine Spannungsmessgeräts überprüft.

Der GeckoDrive wird über ein externes Netzteil mit 24V versorgt, der Encoder mit 5V. Die Bremse des Motors wurde durch den Direktanschluss an das 24V Netzteil auf Funktion geprüft.

Mit Hilfe eines Oszilloskops wurde der Spannungsverlauf des Schrittmotors und des Encoders überprüft. Beide lieferten die erwarteten Rechtecksignale.

Integrationstest

Bedienungsanleitung

Der Benutzer bedient die Anlage ausschließlich über das Interface des HMI. Die dargestellte Schrittmotorachse wird in Echtzeit aktualisiert und zeigt somit immer die aktuelle Position des Schlittens an.

Der Benutzer trägt die aktuelle Position des Schlittens in das entsprechende Feld im Interface ein. Die Achse ist nun einsatzbereit.
Die gewünschte Endposition des Schlittens kann nun eingetragen werden oder mit Hilfe der [+] [-] Schaltflächen in 5cm-Schritten eingestellt werden.
Nach Eingabe der Soll-Position muss nun die Fahrtrichtung durch Druck auf die Schaltfläche [Links] oder [Rechts] ausgewählt werden.
Die Schaltfläche [Stop] hält den Motor umgehend an und muss zum Deaktivieren erneut gedrückt werden.

 Sollte die eingegebene Endposition das Achsenlimit von 0 bzw. 100cm unter- oder überschreiten, verfährt der Schlitten bis zur maximal möglichen Position und stoppt dort automatisch.
 Wird eine Soll-Position von 0cm eingegeben, fährt der Motor im Handbetrieb, d.h. solange die Richtungstaste gedrückt ist, verfährt der Motor.