Reflow-Ofen mit PLC Next Control AXC F 2152

Autoren: Julian Gärtner, Fabian Müller

Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer

Wintersemester: 2021/2022

Fachsemester: 7

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Einleitung

Im siebten Semester wird an der Hochschule Hamm-Lippstadt im Studiengang Mechatronik das Praktikum Produktionstechnik angeboten. In diesem Praktikum geht es um die Realisierung eines mechatronischen Projektes. Unser Thema handelt über einen Wärmeschrank, welcher ebenso als Reflow Ofen genutzt werden kann und von Grund auf aufgebaut werden soll. Hierzu soll ein einfacher Tischbackofen als Grundlage dienen, welcher dann in den kommenden Schritten umgebaut wird.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe des Praktikums war es, einen einfachen Tischbackofen zu einem Wärmeschrank umzubauen. Dieser soll unter anderem auch als Reflow-Ofen genutzt werden. Die Regelung des gesamten Systems sollte mit Hilfe der neuen Phoenix Contact Steuerung PLCnext realisiert werden. Bei der Vorbereitung und Bearbeitung dieses Projektes sind folgende Punkte zu beachten, zu bearbeiten und zu dokumentieren:

• Informieren über Wärmeschrank/Reflow Ofen/Löten
• Spezifikationen festlegen
• Passende Komponenten auswählen sowie ein Sicherheitskonzept auswählen
• mit der neuen Steuerung vertraut machen inklusive FUP-Programmierung
• Installation aller Komponenten
• Programm erstellen
• Test des gesamten Systems
• Dokumentation des gesamten Projektes in SVN und als Wiki-Artikel

Was ist ein Reflow Ofen?

Bei einem Reflow Ofen handelt es sich um einen Ofen, der das Reflow Löten ermöglicht. "Das Reflow Löten wird hauptsächlich bei der SMD Bestückung, sowie der THR Bestückung angewendet. Dabei durchläuft die bedruckte und bestückte Leiterplatte einen Lötofen mit mehreren Heizzonen, dabei wird die Lotpaste aufgeschmolzen, so dass sich Bauteile und Bauteilpads verbinden. Ein langsamer und erschütterungsfreier Abkühlprozess ist dabei ebenso wichtig wie der eigentliche Ofendurchlauf. Da sich die gesamte Baugruppe im Lötofen befindet, muss natürlich darauf geachtet werden, dass alle eingesetzten Komponenten ausreichend hitzebeständig sind. Die Lötparamter wie Temperatur und Durchlaufzeit müssen für jede Leiterplatte optimiert und angepasst werden.“ Die verschiedenen Heizzonen sollen hierbei durch eine Regelung realisiert werden, welche eine Temperaturkurve abfahren kann.

Vorgehensweise nach V-Modell

Abbildung 2: V-Modell

Damit eine strukturierte Vorgehensweise zur Bearbeitung des Projektes sichergestellt werden kann, wird dieses nach den Vorgaben des V-Modells (vgl. Abbildung 2) durchgeführt.

Die Abbildung ist hierals PNG-Datei hinterlegt.

Anforderungsdefinition

In der Anforderungsdefinition werden konkrete Eigenschaften des Systems definiert. Dies können beispielsweise Eckdaten wie Gewicht, räumliche Abmessung oder Ähnliches sein. Außerdem wird festgelegt, was die Aufgabe des Systems ist.

Maße:

Innenraummaße: Mindestens 400x300mm, um eine doppelte Euro-Karte zzgl. Reserve einlegen zu können

Aufbau:

Heizen: Es werden die Heizelemente von Ober- und Unterhitze verwendet

Kühlen: An beiden Seiten des Ofens werden externe Lüfter installiert

Sensorik: Mehrere Temperatursensoren werden im Innenraum des Ofens angebracht

Regelung: Eine stetige Regelung soll realisiert werden

Schutzbeschaltungen: Mechanisches Abschalten bei Übertemperatur, kein automatisches Widereinschalten

Steuerspannung: 0…24V DC

Betriebsspannung: 230 V AC

Software:

SPS-Software: Die Programmierung erfolgt durch PLCnext Engineer

Anzeigeelement: Eine HMI soll Temperatur- und Zeitwerte grafisch anzeigen

Eingabe von Werten: Sollwerte sollen über die HMI eingegeben werden können

Funktionaler Systementwurf

Abbildung 3: Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf stellt die Struktur des Gesamtsystems grob dar. Einzelne Baugruppen werden miteinander zu einem Gesamtsystem verknüpft. Konkrete Schnittstellen werden in diesem Schritt noch nicht angegeben.

Als Steuerung soll eine PLCnext eingesetzt werden. Diese kommuniziert mit einem PC, welcher wichtige Daten wie Temperatur und Zeit ausgibt. Sollwerte können ebenfalls am PC eingegeben werden. Die Temperatur wird mit mehreren Sensoren im Innenraum erfasst und über Messumformer in einen Strom umgewandelt. Die Kühlung wird mittels Lüftern realisiert. Die Lüfter werden über ein Solid-State-Relais angesteuert. Dieses wird wiederum über die SPS gesteuert mit Netzspannung versorgt. Die Heizelemente werden ebenfalls über ein SSR angesteuert. Um eine Überhitzung zu vermeiden, ist ein AC-Relais in Reihe geschaltet. Das Relais schaltet bei Übertemperatur die Betriebsspannung des SSRs ab. Erfasst wird eine zu hohe Temperatur durch einen STB (Sicherheitstemperaturbegrenzer). Dieser schaltet einen Eingang an der SPS auf LOW, wenn eine eingestellte Temperatur überschritten wird. Um ein ungewolltes Wiedereinschalten zu vermeiden, ist der STB mit einem mechanischen Reset-Taster versehen.

Die Abbildung ist hierals PPTX-Datei hinterlegt.

Technischer Systementwurf

Abbildung 4: Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf stellt ebenfalls die Struktur des Gesamtsystems dar. Verglichen mit dem funktionalen Systementwurf ist der Detaillierungsgrad jedoch größer. Die Schnittstellen, welche im Folgenden realisiert werden sollen, sind hier bereits angegeben.

Die Kommunikation zwischen Steuerung und Computer wird mithilfe einer Ethernet-Leitung realisiert. Um den Reflow-Ofen zügig von der Steuerung zu trennen, ist eine SUB-D-Buchse zwischen SPS und Schaltkasten vorgesehen.

Die Abbildung ist hierals PPTX-Datei hinterlegt.

Komponentenspezifikation

Abbildung 5: Komponentenspezifikation am Beispiel der Temperaturüberwachung

Bei der Komponentenspezifikation werden technische Daten geplant und exakt angegeben. Dies umfasst beispielsweise die Ein- und Ausgänge der SPS, die Anzahl der einzelnen Bauteile, Signalbereiche usw. Als Beispiel wird hier die Komponentenspezifikation der Temperaturüberwachung angegeben.

Die vollständige Datei kann hier als Excel-Dokument heruntergeladen werden.

Komponententest

Da sich die Lieferung der Kaufteile verspätete, konnte nur wenig Hardware getestet werden. Die PT100-Widerstände für die Überwachung der Ofentemperatur wurden durchgemessen. Ihr Widerstand erhöhte sich bei externem Aufheizen in etwa gleichem Umfang. Anschließend wurden die Widerstände über einen Messumformer (LKM Typ 113) an die SPS angeschlossen und ihre Werte ausgelesen.

Integrationstest

Da wichtige Bauteile wie der Schaltschrank noch nicht geliefert wurden, konnte das Gesamtsystem noch nicht aufgebaut werden. Probehalber wurde die Kühleinheit sowie die Temperaturüberwachung verkabelt. Die Kühleinheit wird mit 230 Volt AC betrieben. Aus Sicherheitsgründen wurde diese Einheit mit einer zusätzlichen elektrischen Absicherung (LS-Schalter und RCD) versehen. Im Fehlerfall lösen diese dann aus und ein Stromausfall im gesamten Gebäudeteil kann vermieden werden. In Betrieb genommen wird das System erst, wenn das dazugehörige PID-Regler fertig programmiert wurde.

Bereits ausgelesen werden konnte die Temperaturüberwachung. Die PT100-Widerstände sind jeweils an einen Messumformer angeschlossen, welcher das Spannungssignal in Ströme zwischen 4 und 20 mA umwandelt. Diese Strome werdem durch das SPS-Programm in Temperaturen umgerechnet. Anschließend werden die Temperaturen durch die HMI angezeigt. Zu sehen ist, dass ein Offset vorhanden ist. Der Sensor 1 zeigt bei Zimmertemperatur eine zu niedrige Temperatur an. Dies sollte in Zukunft durch eine Kalibrierung beseitigt werden.

Programmierung/Entwicklung

Montageplatte

Abbildung 6: Montageplatte des Reflow Ofens

Die Abbildung zeigt die Montageplatte des Reflow-Ofens. Die dazugehörige PPTX-Datei kann hier heruntergeladen werden.

Bauteilstückliste

Tabelle 1: Bauteilstückliste des Reflow-Ofens

Name	Stückzahl	Lieferant	Bestellnummer	Stückpreis	Produktlink
EBM Papst 4656 ZW Axiallüfter 230 V/AC 152 m³/h (L x B x H) 119 x 119 x 38 mm	2	Conrad	1926451 - VQ	55,99 €	https://www.conrad.de/de/p/ebm-papst-4656-zw-axialluefter-230-v-ac-152-m-h-l-x-b-x-h-119-x-119-x-38-mm-1926451.html
TurboTronic by Z-Line Minibackofen Mini Backofen (35L) mit Drehspieß und Umluft, Vintage/Retro Pizzaofen, Timer, Grill, 1600W, schwarz	1	Otto	S0J1K0NHI7FP2	86,99 €	https://www.otto.de/p/turbotronic-by-z-line-minibackofen-mini-backofen-35l-mit-drehspiess-und-umluft-vintage-retro-pizzaofen-timer-grill-1600w-schwarz-rot-tuerkis-beige-S0J1K0NH/#variationId=S0J1K0NHITYF
Heraeus Nexensos W-EYK 6 PT100 Platin-Temperatursensor -40 bis +500 °C 100 Ω 3850 ppm/K	3	Conrad	172412 - VQ	15,15 €	https://www.conrad.de/de/p/heraeus-nexensos-w-eyk-6-pt100-platin-temperatursensor-40-bis-500-c-100-3850-ppm-k-172412.html
D-SUB ST 50 D-SUB-Stecker, 50-polig, Lötkelch	1	Reichelt	D-SUB ST 50	0,99 €	https://www.reichelt.de/de/de/d-sub-stecker-50-polig-loetkelch-d-sub-st-50-p7014.html?r=1
D-SUB BU 50 D-SUB-Buchse, 50-polig, Lötkelch	1	Reichelt	D-SUB BU 50	0,99 €	https://www.reichelt.de/d-sub-buchse-50-polig-loetkelch-d-sub-bu-50-p6978.html?&nbc=1&trstct=lsbght_sldr::7014
EATON LS-Schalter C2	1
EATON LS-Schalter B10	1
Crydom Solid State Relais	2
Sicherheitstemperaturbegrenzer Jumo EM-5	1
Messumformer LKM Typ 113	2
RCD Everflourish Electrical	1

Die unteren Bauteile in Tabelle 1, bei welchen keine Lieferanten etc. angegeben sind, sind selbst beschaffte Teile. Die dazugehörige Excel-Datei kann hier heruntergeladen werden.

Schaltplan

Hier sind die fertigen Schaltpläne für Stromversorgung der Anlage sowie für den Anschluss der beiden Temperatursensoren. Die restlichen Anschlüsse an die Ein- und Ausgänge der SPS müssen noch vermerkt werden, da diese bislang noch nicht definiert sind. Ebenso muss noch eine Zeichnung für das Verbindungskabel mit dem 50-Poligen Stecker angefertigt werden.

Abbildung 7: Spannungsversorgung des Reflow Ofens

Abbildung 8: Laststromkreis des Reflow Ofens

Abbildung 9: Steuerstromkreises des Reflow Ofens

Abbildung 10: Anschlüsse der PLCNext des Reflow Ofens

Diese beiden Abbildungen zeigen einen Auszug des Schaltplans des Reflow Ofens. Zu beachten ist im Laststromkreis (Abbildung 8), dass die Solid State Relais V1 und V2 als Rechtecke gezeichnet wurden. Dies geschah, da das tatsächliche Symbol in keiner der Bibliotheken aufzufinden war. Außerdem sind im Steuerstromkreis (Abbildung 9) noch nicht alle Ein- und Ausgänge angegeben. Dies muss im weiteren Projektverlauf nachgeholt werden.

Der Schaltplan kann hier heruntergeladen werden.

Human Machine Interface

Abbildung 11: Human Machine Interface des Reflow Ofens

Die dazugehörige PPTX-Datei kann hier heruntergeladen werden.

PLCnext Control AXC F 2152 und Programmierung

Für die ersten Schritte mit der PLCnext Control AXC F 2152 wurde eine exakte Anleitung entworfen, welche sich unter der Schnellstart-Anleitung im Wiki für PLCnext befindet. Hierbei wird auf die Einrichtung und die Verbindung der Steuerung mit dem PC eingegangen, sowie das Programmieren mit FUP an einem Beispiel erklärt.

Auf der folgenden Abbildung ist die Temperaturauswertung zu erkennen. Der analoge Eingang hat eine maximale Auflösung von 16-Bit, was 32768 Messpunkten entspricht. Der PT 100 liefert einen Spannungswert von 0-10 V, wobei der Messumformer diesen in 4-20 mA umwandelt. Dies hat den Vorteil, dass auch längere Messstrecken ohne größere Messabweichungen erreicht werden können. Ebenso bietet 4-20 mA den Vortei, einen Drahtbruch sowie einen Defekt des Sensors sofort zu erkennen. Der Eingangswert (Messwert_2) wird hierbei von einer DINT in eine Gleitkommazahl REAL umgewandelt. Druch eine spezielle Rechnung (siehe Abbildung 12) wird diese dann in mA und in °C umgewandelt. Dies gilt für beide Temperaturmessungen.

Abbildung 12: Temperaturrechnung von Eingangswert in mA und °C

Bei der Schaltung auf Abbildung 13 handelt es sich um eine redundante Sicherheitsschaltung mit einem Relais und dem Sicherheitstemperaturbegrenzer, welche mit der Steuerspannung 24V DC betrieben werden. Durch betätigen des "Start" wird der Sicherheitskreis aktiviert und das Relais schaltet, sodass der Stromfluss von dem Solid-State Relais und der Heizung nicht unterbrochen ist. Bei dem Versuchsaufbau wurde jedoch erst einmal der Axiallüfter verwendet, da der Heizstab ein höherer Sicherheitsrisiko darstellt. Der Sicherheitstemperaturbegrenzer (Abbildung 14) lässt sich stufenlos von 50 bis 300°C einstellen. Überschreitet dieser die eingestellte Temperatur, wird ein STB interner Öffner betätigt und der Sicherheitskreis wird unterbrochen. Nach dem auslösen des STB´s muss dieser manuell durch einen grünen Raster am Gehäuse wieder eingeschaltet werden, was dem unbeabsichtigtem Wiedereinschalten vorbeugt. Ebenso muss ein "Reset" Button auf der HMI gedrückt werden, damit die in der Steuerung hinterlegte Schaltung den Sicherheitskreis wieder einschaltet. Erst dann schaltet das Relais wieder und die Heizung wird in betrieb genommen. Diese beiden mechanischen und elektrischen Sicherheitskreise sind redundant von einander und können somit für eine maximale Sicherheit garantieren.

Abbildung 13: Redundante Sicherheitsschaltung des Reflow Ofens

Abbildung 14: Sicherheitstemperaturbegrenzer STB

Bei PLCnext Engineer ist es möglich, im Gegensatz zu TIA Portal von Siemens, das Komplette Programm in der Main zu schreiben. Da dies jedoch bei wachsendem Programm zu unübersichtlich wird, lassen sich Funktionsbausteine und Funktionen erstellen. Ein Funktionsbaustein wird durch die Main initiiert und wird danach immer wieder durch den Cycle aufgerufen. Um die Funktion zu starten, muss diese einen Eingangsparameter erhalten. Ebenso erhält man nach interner Berechnung in der Funktion dann einen Ausgangsparameter, welcher zum Beispiel bei einem PID-Regler verwendet werden kann.

Abbildung 15: Erstellen eines neuen Funktionsbausteins und implementierung

Der Pt100 ist als Zweileiter Widerstand an den Messumformer angeschlossen und wird lediglich an der Input-Seite einmal gebrückt (siehe Abbildung 17). Der Messumformer wird dann mit einer 24V DC Spannungsversorgung versehen (+). Der (-) liefert daraus ein Signal von 4-20mA. Dieser kann daraufhin von der Steuerung ausgelesen werden. Hierbei muss man darauf achten, dass dieser richtig an das jeweilige Analogmodul angeschlossen wird. Der entsprechende Eingang braucht daraufhin noch einen GND des selben Potenzials (siehe Abbildung 16). Des Weiteren müssen in der Software die Ausgänge für 4-20mA freigegeben werden. Der aktuelle Aufbau eines Lüfters mit einem Solid-State Relais (SSR) inklusive des Sicherheitstemperaturbegrenzung wurde auf einer Holzplatte installiert. Diese können durch die vor konfektionierten Kabel angeschlossen werden. Für das PWM Signal, welches zu Regelung der SSR gedacht ist, muss ein ARDUINO zwischen die Steuerung und des SSR geschaltet werden. Der ARDUINO kann hierbei durch einen einfachen Input des Signals, welches durch einen PID Regler erzeugt wird, ein PWM Signal erzeugen.

Abbildung 18: Testaufbau der Sicherheitsstrecke mit Lüfter

Abbildung 17: Aufbau Temperaturmessung mit PT100 und dem Messumformer LKM113

Abbildung 16: Anschluss der Messeinheit an die PLXnext

Die Abbildung 16 ist hierals PPTX-Datei hinterlegt.

Zusammenfassung

Das Praktikum Produktionstechnik wurde im Studiengang Mechatronik (Schwerpunkt GPE) im siebten Semester durchgeführt. Die Aufgabe bestand darin, ein Projekt eigenständig zu planen und anschließend zu realisieren. Die Lernaufgabe des Praktikums wurde voll erfüllt. Zwar konnte das Projekt nicht vollständig zu einem Abschluss gebracht werden, der Lerneffekt war jedoch trotzdem sehr groß. Anhand des V-Modells konnte der Reflow Ofen strukturiert geplant werden. Die anfänglich "langsame" Planung anhand der einzelnen Schritte zahlte sich später aus, denn aufwändige Revisionen konnten vollständig vermieden werden.

Abbildung 19: Status des Gesamtsystems anhand des Strukturdiagramms

Abbildung 20: Status des Gesamtsystems anhand des V-Modells

Die Abbildung 19 zeigt den aktuellen Status des Gesamtsystems (Stand: 09.01.2022). Die Baugruppen "Temperaturüberwachung" und "Sicherheitskreis" wurden bereits fertiggestellt (montiert, programmiert und in Betrieb genommen). Die "Kühleinheit" ist vollständig montiert. Die "Heizeinheit" wurde abgesehen von der elektrischen Absicherung noch nicht realisiert. Der Regler muss noch ausgelegt werden und anschließend kann das System in Betrieb genommen werden. Vor dem Einschalten sollte das System vom Professor / von einem wissenschaftlichen Mitarbeiter begutachtet werden. Erste Funktionen der HMI wurden bereits Programmiert. Werte können eingelesen und analog/digital angezeigt werden. Außerdem kann das Programm via Button gestartet und gestoppt werden. Das Interface muss in Zukunft noch weiter verbessert werden.

Abbildung 19 und 20 können hier heruntergeladen werden.

Ausblick und Aufgaben

In den folgenden Semestern könnten folgende Aufgaben durchgeführt werden:

• Fertigstellen des PLCnext Engineer Programms
  • Fertigstellen des PID-Reglers
  • Fertigstellen der HMI
  • Abfahren einer Temperaturkurve soll ermöglicht werden
• Montage des Systems mit allen Elektrobauteilen
• Weiteres Vorgehen nach V-Modell
  • Komponententest
  • Integrationstest
  • Systemtest
  • Abnahmetest