Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit PHOENIXCONTACT AXC 1050
Autoren: Niklas Rohlfs; Connor Royle
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Einleitung
Im Studiengang Mechatronik der Hochschule Hamm-Lippstadt findet im 7. Semester im Studienschwerpunkt „Global Production Engineering“ das Modul „Global Production Engineering III“ statt. Einen Teil dieses Moduls bildet das Praktikum Produktionstechnik. Im Praktikum sollen die Achsen einer 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine mit unterschiedlichen Automationshardwares angesteuert werden. Der folgende Artikel beschäftigt sich mit der Ansteuerung der Achsen mittels einer SPS von Phoenix Contact, nämlich der Phoenix Contact AXC 1050 (vgl. Abb.1[1]). Das Thema wurde im Wintersemester 2019/2020 erstmalig von Niklas Rohlfs und Connor Royle bearbeitet.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe des Projektes war es, die Achsen der 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine mit der Phoenix Contact AXC 1050 anzusteuern. Hierzu sollten von einer anderen Gruppe Koordinaten durch einen zentralen Steuerungsalgorithmus in Matlab als String per RS232 an die AXC 1050 gesendet werden. Die Verarbeitung der Koordinaten mitsamt der Berechnung der Verfahrwege sollte dann durch die AXC 1050 geschehen, welche dann zudem die entsprechenden Ausgangssignale an die Schrittmotortreiber der 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine weitergeben sollte. Die Aufgabenstellung gliederte sich in diverse Teilaufgaben:
- Allgemeines
- Einarbeitung in das Projekt (Datenblätter lesen etc.)
- Umsetzbarkeit mit vorhandenem Material prüfen
- Benötigte Materialien bestellen
- Bearbeitung der Aufgaben nach dem V-Modell
- Aufbau
- Hardwareaufbau mit Kommunikationsmodul erstellen
- Aufbau der Optokopplerschaltung zur Umwandlung von 24V auf 5V
- Beschriften aller Kabel
- Datenübertragung
- RS232-Datenübertragung herstellen
- Strings über RS232 empfangen und einlesen
- Programmierung
- Einlesen der Koordinaten aus dem empfangenen String
- String zerlegen (Trennung von Soll- und Ist-Position sowie Vorschub)
- Berechnung der Schritt- und Richtungswerte aus der Differenz von Ist zu Soll
- Schalten der digitalen Ausgänge
- Diagonalfahrten ermöglichen (x und y sollen auch bei unterschiedlicher Fahrstrecke gleichzeitig ankommen)
- Dokumentation
- Dokumentation des eigenen Projektfortschritts in SVN (Anforderungsliste, Funktionaler Systementwurf, etc.)
- HSHL-Wiki-Eintrag erstellen
Versuchsdurchführung
Das Vorgehen des Projekts hat sich am V-Modellorientiert. Dementsprechend sollten, nachdem die Anforderungen und Teilaufgaben definiert wurden, Systementwürfe erstellt werden. Erst dann folgte die Entwicklungsphase und nach dieser sollten Tests der Komponenten und des Systems anstehen. Mit dieser Vorgehensweise wird verhindert, dass zu Beginn bereits voreilig entwickelt wird, weshalb viele vermeidbare Fehler gar nicht erst enstehen.
Funktionaler Systementwurf
Beim funktionalen Systementwurf (vgl. Abb.2[2])soll das Gesamtsystem lösungs- und hardwareneutral dargestellt werden. Somit erhält man eine gute erste Übersicht über die Zusammenhänge der einzelnen Komponenten im Gesamtsystem. In diesem Fall wird ein erstelltes CAD-Modell in eine CAM-Software geladen, welche G-Code Befehle erzeugt. Mit dem jeweiligen Steuerungsprogramm, in diesem Fall der Phoenix Contact SPS, werden die übergebenen Strings dann eingelesen und geben die notwendigen Informationen über die zu tätigen Verfahrwege und Geschwindigkeiten dann an die Schrittmotortreiber weiter, welche die Schrittmotoren der jeweiligen Achsen ansteuern.
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Originaldatei: Datei:Funktionaler Systementwurf Phoenix Original.pptx
Technischer Systementwurf
Nach dem funktionalen Systementwurf wird zudem ein technischer Systementwurf (vgl. Abb.3[3]) erstellt. Bei diesem werden die Schnittstellen zwischen den Systemen konkretisiert.
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Originaldatei: Datei:Technischer Systementwurf Phoenix Original.pptx
Einarbeitung in Hard- und Software
Um den funktionalen und technischen Systementwurf erstellen zu können und die Entwicklung zu starten, war es zu Beginn des Projekts wichtig, sich mit der verwendeten Hardware und Software vertraut zu machen. Die Einarbeitung erfolgte hierbei zu einem großen Teil über die vorhandenen Datenblätter und Beispielprogramme in SVN, in denen Informationen über die SPS und deren Module sowie über PCWorx zu finden waren. Die wichtigsten Dokumente sind in folgendem SVN-Ordner zu finden:
Hardware
Im Produktionstechnik-Labor war zu Beginn des Praktikums bereits eine funktionsfähige SPS-Station vorhanden. Eine genauere Beschreibung der Station zeigt der Artikel Phoenix Contact AXC Trainer 1050 PN. Dort finden sich zudem die Datenblätter der Steuerung sowie des Digitaleingabe- und Digitalausgabemoduls.
Mit dem vorhandenen Aufbau konnte das Projekt allerdings nicht vollständig realisiert werden, sondern es mussten noch einige wenige Teile zusätzlich beschafft werden. Hierbei handelte es sich zum einen um ein Kommunikationsmodul der Firma Phoenix Contact. Dieses Modul soll die Kommunikation über RS232 mit anderen Geräten ermöglichen. Zum anderen handelte es sich um Optokoppler, mit denen eine Optokopplerschaltung gebaut werden kann. Diese Schaltung wird benötigt, um die Schrittmotorentreiber anzusteuern. Sie dient dazu, die Ausgangssignale richtig zu dimensionieren, da die Ausgänge der SPS 24V betragen, die Schrittmotortreiber jedoch mit einer Spannung von 3,3V-5V arbeiten.
Nähere Informationen zum Kommunikationsmodul und den Optokopplern lassen sich in den folgenden Datenblättern finden:
Software
Zur Programmierung der AXC 1050 wird das Software-Tool PCWorx genutzt. PCWorx ist die durchgängige Engineering-Software für alle Steuerungen von Phoenix Contact. Sie vereint die Programmierung nach IEC 61131 mit der Feldbuskonfiguration sowie der Anlagendiagnose.
Weil es zu Projektbeginn einige Schwierigkeiten bei der Verbindungsherstellung zwischen PCWorx und der SPS gab, erfolgt hier ein Tipp:
Wir empfehlen bei der Einarbeitung nicht das Dokument PC_WORX_Quickstart.pdf zu verwenden, da dieses sehr ausführlich ist und viele für das Projekt nicht benötigte Informationen beinhaltet. Stattdessen empfehlen wir die Einarbeitung mit dem Artikel Erstellen eines Projektes in PC Worx. Im Artikel wird ein schneller und verständlicher erster Einblick in die Arbeit mit der Software PCWorx gegeben.
Hilfestellung für Studenten die sich gar nicht mit einer SPS auskennen:
Erstellt zunächst ein Projekt in PCWorx und geht dort die alten Digitaltechnik-Aufgaben oder das Quickstart_Lauflicht bzw. Quickstart_Moving_Light (SVN Link) von Phoenix Contact durch, um ein Gefühl für PCWorx und die SPS zu entwickeln.
Aufbau von PCWorx
PCWorx ist in fünf Arbeitsbereiche (vgl. Abb.4[4])aufgeteilt:
(Von links nach rechts)
- Arbeitsbereich IEC-Programmierung,
- Arbeitsbereich Buskonfiguration,
- Arbeitsbereich Prozessdatenzuordnung,
- Arbeitsbereich Projektvergleich und
- Arbeitsbereich FDT (Field Device Tool).
Die drei wichtigen Arbeitsbereiche hierbei sind:
- Die IEC-Programmierung zum Programmieren, Funktionen erstellen, etc.
- Die Buskonfiguration für die Kommunikation mit der SPS und den angeschlossenen Modulen
- Die Prozessdatenzuordnung für das Zuweisen der vorher definierten Variablen an die Steckplätze der Module
HTerm
Mit der kostenfreien Software HTerm wird eine serielle Kommunikation über die RS232-Schnittstelle ermöglicht. Die Software hilft beim einrichten und prüfen der Schnittstelle.
Entwicklung
Hardwareaufbau
Anschließend galt es, den Hardwareaufbau fertig zu stellen und das beschaffte Kommunikationsmodul in das Board zu integrieren und anzuschließen, um eine RS232-Kommunikation zu ermöglichen. Das Kommunikationsmodul und das zugehörige Bussockelmodul, mit welchem die interne Busverbindung aufgebaut wird, konnten mittels eines Push-In-Anschlusses in das Board integriert werden. Mit Hilfe der im Datenblatt vorgegebenen Pinbelegung konnten die benötigten Datenleitungen zur RS232-Kommunikation (RxD, TxD, CTS, DTR, GND) in die jeweiligen Pins im Kommunikationsmodul platziert werden (Originaldatei: Datei:Pinbelegung am Kommunikationsmodul Original.pptx). Mit einem Nullmodelkabel konnte dann der Anschluss an den PC hergestellt werden, sodass der Hardwareaufbau komplett war (vgl. Abb.6).
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Die Originaldatei findet sich in der gleichen Datei wie der technische Systementwurf: Datei:Technischer Systementwurf Phoenix Original.pptx
Nach der Fertigstellung des Aufbaus ist es zu einem internen Kommunikationsfehler (Busfail) innerhalb der SPS gekommen. Es bestand laut Fehlermeldung keine Kommunikationsverbindung der Module untereinander. Als erste Maßnahme wurde das komplette Board nochmals auseinandergebaut und die internen Verbindungen der Bussockelmodule überprüft. Nach dem erneuten Zusammenbau trat das Problem allerdings weiterhin auf. Als nächste Maßnahme wurde die SPS mittels des Reset-Buttons auf Werkseinstellungen zurückgesetzt. Somit konnte das Problem gelöst werden.
Zudem sollte wie bereits erwähnt eine Optokopplerschaltung entworfen und gebaut werden, um die Schrittmotortreiber ansteuern zu können. Die Planung hierzu erfolgte gemeinsam mit der Gruppe Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit Siemens SIMATIC S7-300 SPS, da diese eine solche Schaltung ebenfalls benötigt. Der Aufbau und Test der Schaltung erfolgte durch die Siemens-Gruppe, da diese im Projekt bereits weiter fortgeschritten war. Ein Bild der Schaltung ist im Artikel dieser Gruppe zu finden.
Programmablaufplan
Erste Ideen zur Gestaltung des Programms anhand der selbst erstellten Anforderungen.
Zunächst wird eine Verbindung per RS232 benötigt um den benötigten G-Code zu erhalten. Danach soll der G-Code in Soll- und Istpostion unterschieden werden, um die Referenzen für den Verfahrweg der Fräse zu berechnen. Anschließend soll diese weiter an die einzelnen Motortreiber der Achsen weitergeleitet werden.
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Funktionsbaustein zur seriellen Datenübertragung
Da eine Datenübertragen über RS-232, bei der 3-D Bearbeitungsmaschine, gewünscht wird bestand das Problem wie dieses in PCWorx zu realisieren ist. Phoenix Contact stellt glücklicherweise zwei Beispiele kostenlos zu verfügen (welche auch auf SVN zu Verfügung stehen unter PCWORX_Beispiele).
Beide Funktionen sind sehr unterschiedlich aufgebaut, mit Hilfe des Supports von Phoenix Contact wurde für das geplante Projekt dieses vorgeschlagen (Abb.8).
Die Beispiel-Funktion enthält jeweils ein Block zum Senden (RS232_SEND), Empfangen (RS232_RECEIVE) und zum Initiieren (RS232_INIT) der Daten (Infos zu den Blöcken sind über den Hilfe-Reiter in PCWorx zu finden).
Außerdem gibt es noch die Parameterungs-Einstellungsfeld (oben rechts), um die Daten in dem gewünschten Format zu senden wird dies in der Bibliothek befindliche Datei rs232types, verändert.
Probleme:
Die Idee war erst den ONBOARD_INPUT_BIT0 per Schalter ein HIGH zu geben, um die Daten zu Initiieren und dann per HTerm eine Nachricht zu senden und auf dem gleichen weg zu empfangen. Dies klappe soweit nicht. Man konnte evtl. eine Nachricht verschicken (welches nicht nachgewiesen werden konnte) aber nicht empfangen.
Somit haben war die nächste Idee jeweils nur den RS232_SEND und den RS232_RECEIVE Block zu betrachtet. Indem man an den jeweiligen DATA_COUNT auf einen Ausgang setzt um zusehen ob eine Nachricht auch wirklich versendet bzw. empfangen wird. Dies klappe nur bedingt. Bei dem SEND block wurden die Nachrichten mit dem gewünschten Feedback gesendet und bei dem RECEIVE Block wurden hingegen nicht alle Nachrichten aufgefasst.
Zusammenfassung und Ausblick
Insgesamt lässt sich festhalten, dass das Projekt eine interessante und sehr herausfordernde Aufgabe war für uns war. Da das Projekt erstmals durchgeführt wurde, gab es keine Vorarbeiten vorheriger Jahrgänge, weshalb eine lange und intensive Einarbeitungsphase benötigt wurde, um die Phoenix Contact AXC 1050 SPS und ihre dazugehörigen notwendigen Module zu verstehen.
Die größte Herausforderung stellte für uns der Kommunikationsaufbau über RS232 dar, hier konnte wie beschrieben keine fehlerfreie Kommunikation aufgebaut werden. Die Aufgabenstellung des Projekts konnte somit nicht vollständig erfüllt werden, nachfolgende Gruppen finden allerdings einen fertigen Hardwareaufbau sowie eine angefangene Programmierung und einen Programmablaufplan vor.
Das Projekt kann von nachfolgenden Gruppen insofern fortgeführt werden, dass eine funktionsfähige RS232 Kommunikation aufgebaut wird, sodass Strings fehlerfrei eingelesen und verarbeitet werden können. Zudem steht noch die Berechnung der Verfahrwege sowie das entsprechende Schalten der Ausgänge und die abschließenden Tests aus.
Trotz des nicht fertigen Arbeitsergebnisses konnten einige Lernerfolge verbucht werden. Insbesondere sind hierbei die Erfahrungen im Umgang mit einer SPS zu nennen, welche vorher nicht vorhanden waren. Zudem konnte die Arbeit mit dem V-Modell erlernt werden und es wurde der Umgang mit SVN aufgefrischt und verbessert.
Weblinks und Literatur
- zip-Ordner mit nützlichen Dateien: Medium:Phoenix_zip-Ordner.zip
SVN Links
HSHL-Wiki
- 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine
- SPS
- Phoenix Contact AXC 1050
- Zentraler Steuerungsalgorithmus für ein 3-Achs-CNC-Bearbeitungszentrum
- Broadcast mit RS232
- Erstellen eines Projektes in PC Worx
Quellen
→ zurück zur Übersicht: 3-D-Bearbeitungsmaschine (Projekt des Schwerpunkts GPE im Studiengang MTR)