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:

SPS-Aufbau

Netzteil	SIMATIC ET 200SP (T.Nr. 6EP7133-6AE00-0BN0)
Steuerung	SIMATIC CPU 1515SP PC2 (T.Nr. 6ES7677-2DB40-0AA0)
Mensch-Maschinen Schnittstelle	SIMATIC HMI Comfort Panel (T.Nr. 6AV2-124-0GC01-0AX0)
Analoges Eingangsmodul	T.Nr. 6ES7134-6HB00-0DA1
Analoges Ausgangsmodul	T.Nr. 6ES7135-6HB00-0DA1
Digitales Eingangsmodul	T.Nr. 6ES7131-6BF00-0CA0
Digitales Ausgangsmodul	T.Nr. 6ES7132-6BF00-0CA0

SIEMENS Hutschiene
Widerstände 1,2 kOhm um die Eingänge des GeckoDrive mit den Ausgängen der SPS beschalten zu können

Schrittmotortreiber: GeckoDrive G201X

Eingangsspannung	18-80 VDC
maximale Stromaufnahme des angeschl. Motors	7 A
Induktivität des Motors	1-50 mH
Eingangsfrequenz des Step-Input	0-200 kHz
Spannung der Inputs	3,3-5 VDC
Inputs	Spannungsversorgung, Disable, Direction, Step, Common, Current Set
Outputs	Winding A+B (1 Schrittmotor)

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

Nennspannung	24-48 V DC
max. Eingangsspannung	60 V DC
Nennstrom	4,2 A
Haltemoment	2,0 Nm
Schrittwinkel	1,8°
Widerstand pro Phase	0,5 Ω ± 10%
Induktivität pro Phase	1,9 mH ± 20%
Pin 1	Signal A/ (braun)
Pin 2	Signal A (weiß)
Pin 3	Signal B/ (blau)
Pin 4	Signal B (schwarz)
Pin 5	PE

Encoder

M12 8-polig	5 V DC
Impulse/Umdrehung [1/min]	500
Index	Ja
Line Treiber	RS422 Protokoll
Pin 1	Signal A (weiß)
Pin 2	Signal A/ (braun)
Pin 3	Signal B (grün)
Pin 4	Signal B/ (gelb)
Pin 5	0V (grau)
Pin 6	Signal N/ (rosa)
Pin 7	Signal N (blau)
Pin 8	5V DC (rot)

Mean Well DR-15-5 Hutschienen-Netzteil (DIN-Rail) 5 V/DC 2.4 A 12 W 1

Bremse

M8 3-polig	24 V DC
Leistung	8 - 11 W
Haltemoment	0,4 - 2,0 Nm
Massenträgheitsmoment	0,01 - 0,07 kgcm²
Pin 1	Signal Bremse (24V) (braun)
Pin 2	Signal 0V (blau)
Pin 3	Signal - (schwarz)

Software:

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

Sammelordner Datenblätter

Entwicklung

Konfiguration im TIA-Portal

Alle verbauten Komponenten müssen im TIA-Portal korrekt ausgewählt und konfiguriert werden. Hierbei sind die in der Hardwareliste angegebenen Teilenummern zur eindeutigen Identifizierung der Komponenten von großer Bedeutung.

GeckoDrive an 24V Ausgang der SPS betreiben

Um die Eingänge des GeckoDrives nicht zu beschädigen, mussten Widerstände an den Ausgängen des digitalen Ausgangsmoduls benutzt werden. Diese wurden

Programmierung

Variablen

Variablen des HMI & Motors
Digitale Ausgänge
Analoge Eingänge, welche für das Analoge Bedienelement vorgesehen sind mit Potentiometer zur Geschwindigkeitsveränderung
Variablen, die das HMI nutzt

SPS-Programm

Ansteuerung des Motors
Verfahrrichtung des Motors abhängig von HMI-Eingabe steuern
Einhaltung der Grenzen prüfen
Schlitten nach links verfahren lassen bei zeitgleicher Aktualisierung der Ist-Position
Schlitten nach rechts verfahren lassen bei zeitgleicher Aktualisierung der Ist-Position

Komponententest

Um die verbauten Komponenten zu testen, wurde zunächst eine Sichtprüfung der Anlage durchgeführt. Die richtige Auswahl der Betriebsmittel und Sicherheitseinrichtungen und der Schutz gegen direktes Berühren wurden überprüft. Da ein Not Aus zu diesem Zeitpunkt nicht vorhanden war, konnte dieser nicht getestet werden. Im Anschluss wurden 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.

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

Ein einfaches SPS-Programm, welches ein Drehrichtungssignal (Direction) und ein Schrittsignal (Step) an den GeckoDrive übermittelte, diente zur Überprüfung der korrekten Funktion des Schrittmotors. Die Bremse des Motors wurde zunächst durch den Direktanschluss an das 24V Netzteil danach durch Beschaltung über einen digitalen Ausgang der SPS auf Funktion geprüft. Die Bremse stoppt den Motor sobald keine Spannung anliegt. Der Signalverlauf wurde mittels der Beobachtungsfunktion des TIA-Portals überwacht.

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 einmalig die aktuelle Position des Schlittens in das entsprechende Feld im Interface ein. Die Achse ist nun einsatzbereit.
Der gewünschte Verfahrweg des Schlittens kann nun eingetragen werden oder mit Hilfe der [+] [-] Schaltflächen in 5cm-Schritten eingestellt werden.
Nach Eingabe des Verfahrwegs 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.

Abnahmetest & Systemtest

Demonstration der Funktionsweise

Demonstration: Verfahrweg ist größer als die Endposition

Fazit

Die Schrittmotorachse kann mit einer ansprechenden Bedienoberfläche über das HMI gesteuert werden. Der GeckoDrive-Schrittmotortreiber erhält hierzu von der SPS die Informationen zur Drehrichtung und Anzahl der auszuführenden Motorschritte. Die Achse lässt sich über eine Strecke von 100cm verfahren. Der Benutzer hat die Möglichkeit den Schlitten auf 0,1cm genau zu positionieren und kann auf dem Display jederzeit die aktuelle Position des Schlittens ablesen.

Lessons Learned

Bearbeitung eines Projekts nach Vorgabe des V-Modells
Dimensionierung und Verdrahtung von Komponenten nach Datenblattvorgabe
Inbetriebnahme und Programmierung einer Speicherprogrammierbaren Steuerung von Siemens
Dokumentation eines umfangreichen Projekts

Blick in die Zukunft

Da der Großteil der bestellten Komponenten nicht rechtzeitig geliefert worden ist, fehlt dem Projekt die analoge Ansteuerung. Diese könnte in der Zukunft implementiert werden, wodurch auch die Limitation der SPS in Bezug auf die Verfahrgeschwindigkeit des Motos umgangen werden könnte. Über den GeckoDrive soll laut Datenblatt eine Einstellbarkeit der Geschwindigkeit durch Anschluss eines Potentiometers möglich sein. Neben dem Handbetrieb und Geschwindigkeitsregelung des Motors kann auf dem analogen Bedienelement der Not-Aus untergebracht werden.

Eine Halterung für die SPS und das HMI würden sowohl die Handhabung als auch den Transport der Anlage deutlich vereinfachen.

Quellen

→ zurück zur Übersicht: Praktikum Produktionstechnik