Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit Siemens SIMATIC S7-300 SPS

Einleitung

Im Rahmen des Studiengangs Mechatronik der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 7. Fachsemester das Praktikum Produktionstechnik angeboten. Dieses Praktikum ist Teil des Fach-Moduls Global Production Engineering. In diesem Praktikum geht es um die Verwirklichung eines mechatronischen Produktionssystems(MPS) mittels Speicher Programmierbare Steuerung (SPS), sowie die Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse im Rahmen des Hauptprojektes "Aufbau einer 3-D-Bearbeitungsmaschine".

Aufgabenstellung

Das Thema Ansteuerung einer Schrittmotor-Achse mit Siemens SIMATIC S7-300-CPU313C ist ein Teilthemengebiet des Projekts 3-D-Bearbeitungsmaschine und wurde von Stefan Schweins, Jonas Rüschenschmidt, sowie im darauffolgenden Jahr von Hendrik Pabst und Ziad Abuelkhair bearbeitet.

Die Aufgabe des Praktikums war es, eine 3-D Bearbeitungsmaschine zu konstruieren und drei Achsen mit verschiedener Steuerungshardware anzusteuern. Ebenfalls sollten Bearbeitungskoordinaten für Werkstücke übermittelt werden können.

Die Aufgabe bestand darin, die Ansteuerung einer Zahnriemenachse mit Schrittmotor durch den Einsatz von einer speicherprogrammierbaren Steuerung, - kurz SPS, SIMATIC S7-CPU300-313C des Unternehmen Siemens zu realisieren.

Zur Ansteuerung des Schrittes, der Bremse und der Fahrtrichtung der Achse wird zusätzlich ein Schrittmotor-Controller names "Gecko-Drive" verwendet .

Aufbau Siemens SIMATIC S7-300-CPU313C

Die SIMATIC S7-300 SPS ist speziell für innovative Systemlösungen in der Fertigungsindustrie konzipiert – z. B. in der Automobil- oder Verpackungsindustrie. Hier ist der modulare Controller als universelles Automatisierungssystem die optimale Lösung für Anwendungen im zentralen und dezentralen Aufbau. Neben der Standard-Automatisierung, z.B. die Steuerung von Aktoren an Produktions- und Fertigungsanlagen, lassen sich auch Sicherheitstechnik und Motion Control Systeme integrieren.

Die SIMATIC S7-300 Serie ermöglicht einen Platz sparenden und modularen Aufbau. Das vielfältige Baugruppenspektrum kann aufgabenspezifisch für zentrale Erweiterungen oder den Aufbau dezentraler Strukturen verwendet werden und ermöglicht eine kostengünstige Ersatzteilhaltung.

Bei der Programmierung einer SPS ist es von entscheidender Bedeutung, die CPU313C mit der Software STEP 7 bekannt zu machen. Das ist wichtig, damit die Software weis welche Hardware (SPS) im Einsatz ist um zum Beispiel mögliche Adressen für Ein- und Ausgänge freizugeben . Bevor eine Steuerung (SPS), in Verbindung mit der Software STEP 7, in Betrieb genommen werden kann, muss die vorhandene Hardware in dieser konfiguriert werden. Das SPS-System kann ohne eine Hardwarekonfiguration der SPS und der dazugehörigen Baugruppen nicht in Betrieb genommen werden. Informationen zur ganzheitlichen Hardwarekonfiguration sind unter folgendem Link zu finden: http://www.sps-lehrgang.de/hardwarekonfiguration/

SIMATIC S7-300 besteht grundsätzlich aus folgenden Baugruppen wie Das Bild rechts zeigt:

Stromversorgung PS:

Die PS setzt die Netzspannung (AC 120/230V) in DC 24V-Betriebsspannung um und ist für die Versorgung der S7-300 so wie derLaststromversorgung DC 24V-Laststromkreise zuständig.

Zentralbaugruppe CPU:

Die CPU führt das Anwendungsprogramm aus, versorgt den S7-300 Rückwandbus mit 5V, kommuniziert über die MPI-Schnittstelle mit anderen Teilnehmern eines MPI-Netzes. Außerdem verfügt die CPU313C über ٍStatusanzeigeelemente die wichtigsten werden in der folgenden Tabelle beschrieben.

Anzeige	Bedeutung	Erläuterung
SF(rot)	Fehlersammlung	diagnosefähige Baugruppen zeigen hier einen Sammelfehler an
BF(rot)	Busfehler(falls vorhanden)	Anzeige von Störungen am BROFIBUS DP
BAF(rot)	batteriefehler	Anzeige, wenn Pufferbatterie nicht genug Spannung liefert oder ganz fehlt
DC5V(grün)	DC5V Versorgung für CPU und Rückwandbus	Anzeige für funktiostüchtige interne 5V-Versorgung der CPU
RUN(grün)	Betriebszustand RUN	Blinken bei Anlauf der CPU-statische Anzeige, wenn CPU im RUN-Zustand ist
STOP(gelb)	Betriebszustand STOP	statische Anzeige, wenn CPU im STOP-Zustand ist

Signalbaugruppen(SM):

Das SM pass unterschiedliche Signalpegel der Prozesssignale an die S7-300 an. Es verfügt über Digitalein-/-ausgabebaugruppen sowie Analogein-/-ausgabebaugruppen. Diese müssen mit 24V Betriebsspannung versorgt werden im folgrndem findet man vertiefendee Links zur verwendeten S7-300

Verdrahtung &Spannungsversorgung der SM-Baugruppen

In der Steuerungstechnik wird häufig eine Gleichspannung von 24V als "Steuerungsspannung" verwendet. Ein Spannungspegel von 24V an einer Eingangsklemme bedeuten somit den Signalzustand "1" für den Eingang. Entsprechend bedeuten 0V den Signalzustand "0". Das Bild rechts zeigt die Verkablung zur Versorgung der Digitalein-/-ausgabebaugruppen mit DC-24V.

Verwendete Software Step7

Kommunikation zwischen SPS und Rechner

Bei der Einrichtung der Hardware muss zunächst eine Verbindung zwischen der SPS und dem Rechner mit der Software STEP 7 hergestellt werden. Dazu wird ein Multimaster-Kabel verwendet, welches die RS 232 Schnittstelle der SPS-CPU mit der USB-Schnittstelle des Rechners verbindet (siehe Abbildung unten).

Diese Verbindung ist wichtig, um Programm-Daten aus der Software STEP 7 in die SPS zu laden und ebenfalls die SPS auslesen zu können. Beim Auslesen können sowohl schon vorhandene Programme ausgelesen werden, als auch Signalzustände z.B. von der Sensorik am Eingangsmodul der SPS. Dafür steht die Funktion "Lesen" in der Software STEP 7 zur Verfügung. Die SPS besitzt einen internen Speicher und einen Slot für eine SD (Secure Digital)-Speicherkarte.

Komplikationen und letzter Stand

Zum Anfang der Programmierung wurde eine Test-Software geschrieben um zu überprüfen, ob Ein- und Ausgänge der SPS geschaltet (1 oder 0) werden. Beim laden der Test-Software in die SPS gab es ein Problem mir der Kommunikation zwischen dem Rechner und der SPS. Als Fehlermeldung wurde folgender Text ausgegeben: "Die Systemdaten können nicht auf die Baugruppe CPU 313C der Station SIMATIC 300 geladen werden".

Daraufhin wurde der Kontakt zum Siemens Support gesucht, da einer erneute Hardwarekonfiguration fehlschlug. Der wissenschaftliche Mitarbeiter Herr B. Eng. Asaad Al-Suleihi hält den Kontakt zum Siemens Support.

Mail an Siemens Support:

"Geehrter Siemens Support,

wir haben in einem Praktikum unseres Studiengangs Mechatronik ein Projekt, in dem die Studierenden mit einer Siemens SPS (313-5BG04-0AB0) arbeiten. Die Verbindung der SPS mit dem Computer erfolgt über ein USB PC Adapter und soll als Programmierschnittstelle genutzt werden.

Unser Problem tritt bei dem Ladevorgang der Hardwarekonfiguration in die Baugruppe auf. Es wird dann folgende Fehlermeldung ausgegeben:

Die Systemdaten können nicht auf die Baugruppe CPU 313C - (R0/S2) der Station SIMATIC 300(1) geladen werden. Schauen Sie unter Details nach oder versuchen Sie die Ursache im Diagnosepuffer der Baugruppe zu ermitteln.

Die Hilfe-Angaben wurden bereits ausprobiert.

In der Anlage befindet sich auch der aktuelle Screenshot des Problems. Das Problem taucht nur bei der Nutzung ohne SD-Karte auf. Wenn eine SD-Karte eingesetzt wird, wird die Hardware nicht in dem Fenster "Teilnehmeradresse auswählen" erkannt."

Zusammenfassung und Ausblick

Durch Informationen aus den Datenblättern des GeckoDrive, der SPS und des Schrittmotors konnte als erste Praktikumsaufgabe der Schaltplan erstellt werden. Ebenfalls wurde die Hardwarekonfiguration in der Software STEP 7 nach Informationen des SPS-Lehrgangs (siehe Link SPS-Lehrgang) durchgeführt und eine Test-Software geschrieben.

Durch das Kommunikationsproblem zwischen der SPS und der Software STEP 7 wurde die Bearbeitung der Aufgabe mit der Hardware SPS beendet.

Als Ausblick kann gesagt werden, dass durch eine Lösung des Kommunikationsproblems seitens des Siemens Supports eine weiteren Bearbeitung der Ansteuerung eines Schrittmotors durch die SPS möglich ist.

Autor: Stefan Schweins (Diskussion) 11:29, 14. Feb. 2014 (CET)