Automatische Belüftung eines Modellhauses mithilfe einer Phoenix Contact AXC 1050 SPS

Autor: Jendrik Terharen und Christoph Jutz
Betreuer Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer

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Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Planung und Umsetzung eines Projektes zur automatische Belüftung eines Modellhauses mit einer Phoenix Contact AXC 1050 SPS. Das Projekt fand im Rahmen des Praktikum Produktionstechnik im Wintersemester 20/21 des Bachelorstudiengangs Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt statt.

Aufgabenstellung und Zielsetzung

Die Aufgabe bzw. das Ziel des Projektes bestand darin, ein Modellhaus zu entwickeln und zu bauen, welches, mithilfe von einem Temperatur- und Feuchtigkeitssensor sowie zwei Lüftern und einem Fenster, automatisch belüftet werden kann. Alle Komponenten sollten dabei über die Phoenix Contact AXC 1050 SPS angesteuert werden.

SVN

Für die Dokumentenverwaltung wird ein Subversion verwendet. Damit ist eine automatische Versionsverwaltung möglich, sodass Änderungen in Dokumenten fortlaufend dokumentiert werden. Außerdem ist es damit möglich, auf die Dokumente von verschiedenen Endgeräten aus zuzugreifen. Der benutzte Client ist TortoiseSVN. Zum Projektordner gelangt man hier.

Vorgehensweise

Die Planung und Umsetzung des Projekts orientiert sich am V-Modell (vgl. Abbildung …). Durch die Abarbeitung der einzelnen Punkte lässt sich das Projekt strukturiert planen, umsetzen und anschließend testen. Diese Punkte sind die Anforderungsdefinition, der funktionale Systementwurf, der technische Systementwurf, die Entwicklung und Programmierung, der Komponententest, der Integrationstest, der Systemtest und der Abnahmetest.

Abbildung 1: V-Modell

Anforderungsdefinition

In der Anforderungsdefinition werden alle Anforderungen, die an das Projekt und dessen Umsetzung gestellt werden, dokumentiert. Die Anforderungen für dieses Projekt unterteilen sich in die Punkte Geometrie & Gewicht, Aufbau, Schnittstellen, Software / Werkzeuge und Dokumentation:

• Geometrie & Gewicht:
  • Das Modellhaus muss so gestaltet sein, dass es mithilfe von zwei Personen über Treppen oder unter Benutzung eines Fahrstuhl transportiert werden kann.
  • Die maximalen Abmaße des Hauses sind: Länge 50 cm, Breite 37 cm, Höhe 35,082 cm
  • Alle Bauteilzeichnungen müssen mit CAD in SolidWorks erstellt werden.

• Aufbau:
  • Es müssen die Temperatur und die Raumfeuchtigkeit gemessen werden.
  • Es müssen 2 Lüfter verwendet werden, und zwar so, dass einer frische Luft in das Haus hinein und der andere die alte Luft aus dem Haus heraus befördert.
  • Es muss ein Fenster eingebaut werden, welches sich mit einem Motor öffnen und schließen lässt.
  • Das Haus muss nach den Zeichnungsvorlagen gebaut werden.

• Schnittstellen:
  • Das Gerät (die SPS) muss an einem Standard-Steckdosen-Anschluss an 230V AC mit 50Hz (Deutschland) angeschlossen werden können.
  • Alle Komponenten müssen über die Phoenix Contact AXC 1050 SPS angesteuert werden.

• Software / Werkzeuge:
  • Die Programmierung muss in PC Worx erfolgen.

• Dokument:
  • Der Aufbau muss im HSHL-Wiki dokumentiert werden mit dem Mindestinhalt:
  • Beschreibung des Aufbaus
  • Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Bedienung
  • Funktionsplan (was ist mit wem wie verkabelt), Schaltplan, Pinbelegung

Die Anforderungsliste für das Projekt ist hier verlinkt.

Funktionaler Systementwurf

Im funktionalen Systementwurf sind alle Komponenten dargestellt die für das Erreichen des Projektziels benötigt werden (siehe Abbildung ...). Auf der einen Seite sind das der Temperatur- und der Feuchtigkeitssensor sowie drei verschiedene Schalter und auf der anderen Seite die beiden Lüfter, welche ein- und ausgeschaltet werden und das Fenster, welches durch einen Servomotor geöffnet bzw geschlossen wird. Alle Komponenten sind mit der SPS verbunden und werden über diese angesteuert. Der funktionale Systementwurf lässt sich hier wiederfinden.

Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf besitzt den gleichen Aufbau wie der funktionale Systementwurf. Allerdings sind hierbei die Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten genau definiert (siehe Abbildung ...). Der Link zum technischen Systementwurf befindet sich hier.

Komponentenspezifikation

Bei der Komponentenspezifikation werden alle verwendeten Komponenten detailliert dargestellt und in einem Schaltplan veranschaulicht, welche Komponente wie mit der SPS verbunden ist. Die Komponentenspezifikation kann hier eingesehen werden.

Verwendete Komponenten

Nachfolgend werden alle Komponenten beschrieben, die in diesem Projekt verwendet wurden.

SPS

Die verwendete SPS ist die Phoenix Contact AXC 1050. Neben der CPU besitzt sie jeweils ein Modul für digitale Eingänge, digitale Ausgänge und analoge Ein- und Ausgänge. Außerdem werden im Projekt die Schalter 1, 2 und 3 verwendet (siehe Abbildung ...).

Im Folgenden werden die für das Projekt wichtigsten Kenndaten der verwendeten Module aufgelistet sowie die einzelnen Datenblätter verlinkt.

• Digitales Eingangsmodul (I/O Modul – AXL F DI16/1 1H – 2688310): (zur Herstellerseite)
  • Besitzt 16 digitale Eingänge
  • Nenneingangsspannung beträgt 24 V DC
  • Eingangsspannungsbereich „0“-Signal: -3 V DC bis 5 V DC
  • Eingangsspannungsbereich „1“-Signal: 11 V DC bis 30 V DC

• Digitales Ausgangsmodul (I/O-Modul - AXL F DO16/1 1H – 2688349): (zur Herstellerseite)
  • Besitzt 16 digitale Ausgänge
  • Versorgungsspannung: 24 V DC
  • Ausgangsspannung: 24 V DC

• Analoges Ein- und Ausgangsmodul (I/O-Modul - AXL F AI2 AO2 1H – 2702072): (zur Herstellerseite)
  • Besitzt 4 analoge Eingänge und 4 analoge Ausgänge
  • Versorgungsspannung: 24 V DC
  • Auflösung des A/D-Wandlers: 16 Bit
  • Eingangssignal Strom: 0 mA bis 20 mA, 4 mA bis 20 mA, -20 mA bis 20 mA
  • Eingangssignal Spannung: 0 V bis 10 V, -10 V bis 10 V, 0 V bis 5 V, -5 V bis 5 V
  • Ausgangssignal Strom: 0 mA bis 20 mA, 4 mA bis 20 mA, -20 mA bis 20 mA
  • Ausgangssignal Spannung: 0 V bis 10 V, -10 V bis 10 V, 0 V bis 5 V, -5 V bis 5 V

Temperatursensor

Als Temperatursensor wird ein NTC 10k verwendet (siehe Abbildung ...). Dieser bietet eine Temperaturmessung von 0 °C bis 70 °C mit einer Toleranz von ±2 K bei 0 °C und ±5 K bei 70 °C. Die genauste Temperaturmessung erfolgt bei 25 °C. Zum Auslesen der Temperaturmesswerte wird ein Spannungsteiler verwendet, welcher, bei Temperaturen über 0 °C, Spannungen bis 10 V ausgibt, da die SPS nur Analogwerte von 0 bis 10 V auslesen kann. (zum Datenblatt)

Feuchtigkeitssensor

Der verwendete Feuchtigkeitssensor HIH-4000-001 der Firma Honeywell (zum Datenblatt) wird mit einer minimalen Spannung von 4 V DC bzw. einer maximalen Spannung von 5,8 V DC versorgt. Gemessen werden kann die relative Luftfeuchtigkeit von 0 bis 100 %. Der Sensor besitzt drei Leitungen: eine für die Versorgungsspannung, eine für Masse und eine für die Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung steigt nahezu linear mit einer größer werdenden Luftfeuchtigkeit (siehe Abbildung ...).

Axiallüfter

Die verwendeten Axiallüfter der Firma Sunon werden mit 24 V DC betrieben. Die maximale Umdrehungszahl beträgt 7000 Umdrehungen pro Minute bei einer Geräuschentwicklung von 25,5 dB und einem maximalen Luftdurchsatz von 15,13 m³/h. Die Lüfter sind jeweils 40 mm lang, 40 mm hoch und 20 mm breit. Das Datenblatt zu den Lüftern lässt sich hier finden.

Servomotor

Der verwendete Servomotor HS-65 MG wird mit einer Spannung von 4,8 V bis 6 V betrieben. (zur Herstellerseite)

Schaltplan

In Abbildung ... lässt sich erkennen, welche Komponenten mit den Eingängen der SPS verbunden sind. Diese sind zum einen drei Schalter, welche mit DI0.0, DI0.1 und DI0.2 verbunden sind. Der Temperatursensor (NTC 10k) ist über den Spannungsteiler mit AI0.0 und AI1.0 und der Feuchtigkeitssensor mit AI0.1 und AI1.1 verbunden.

Abbildung ... zeigt die Verbindungen der Ausgänge der SPS mit den Lüftern und dem Servomotor. Lüfter 1 ist an DO0.0 und Lüfter 2 an DO0.1 angeschlossen. Der Servomotor ist an einen Mikrocontroller angeschlossen, da dieser den Servomotor mit dem benötigten PWM-Signal versorgt. Der Mikrocontroller wiederum ist mit DO0.2 der SPS verbunden.

Planung und Entwicklung des Hauses

Foto vom Haus

CAD-Modell des Hauses

Aktuelles Modell mit Link zum SVN

Technische Zeichnungen des Hauses

(Zeichnungen mit den aktuellen Maßen überarbeiten)

Programmierung

Die Programmierung der SPS erfolgt in PC Worx mit der Funktionsbausteinsprache FBS. Zunächst wird jedoch der Programmablauf erläutert, der in einem

Programmablaufplan für die automatisierte Belüftung

Bevor mit der Programmierung begonnen wurde, wurde überlegt und geplant wie das Programm ablaufen soll. Im Programm sollen kontinuierlich die Werte des Temperatur- bzw. Luftfeuchtigkeitssensors überwacht werden. Ist die Temperatur größer als 26 °C, soll das Fenster geöffnet und die Lüfter angeschaltet werden. Sobald die Temperatur anschließend unter 20 °C fällt, soll das Fenster wieder geschlossen und die Lüfter wieder ausgeschaltet werden. Ist die Luftfeuchtigkeit größer als 65%, soll das Fenster geöffnet und die Lüfter angeschaltet werden. Wenn die Luftfeuchtigkeit anschließend kleiner als 40% ist, soll das Fenster wieder geschlossen und die Lüfter wieder ausgeschaltet werden. Diese Hysterese soll verhindern, dass das Fenster bzw. die Lüfter, bei schwankender Temperatur um 26 °C bzw. Feuchtigkeit um 65%, ständig geöffnet und geschlossen wird bzw. die Lüfter an- und ausgeschaltet werden. Bei Bedarf können die Lüfter und das Fenster auch manuell geöffnet bzw. geschlossen werden. Dies wird im Abschnitt "Programm" näher erläutert. Erstellt wurde der Programmablaufplan mit der Software PaP-Designer, welche hier heruntergeladen werden kann.

Neues Projekt in PC Worx anlegen und Verbindung der SPS mit dem PC aufbauen

In diesem Abschnitt wird schrittweise erklärt, wie ein neues Projekt in PC Worx angelegt und die Verbindung der SPS mit dem PC aufgebaut wird, um anschließend mit der Programmierung starten zu können:

Projekt anlegen und speichern:

1. Es empfiehlt sich das Programm mit Administrator-Rechten zu starten, da es sonst zu Problemen und Abstürzen des Programms, beim Anlegen eines neuen Projekts, kommen kann.
2. Unter „Datei“ den Befehl „Neues Projekt“ auswählen, die Steuerung „AXC 1050 Rev. > 01/2.10“ wählen und das Projekt speichern.
3. Im Menüband auf den Button „Buskonfiguration klicken“. Anschließend im rechten Fenster „Gerätedetails“ bei „Domain Postfix“ den PROFINET-Gerätenamen angeben (hier: Lueftung.de).
4. Im Menüband unter „Extras -> PROFINET Konfiguration“ die Netzwerke des PC auswählen und mit „OK“ Bestätigen.

IP-Adresse vergeben und Kommunikation testen:

1. Im Arbeitsbereich „Busaufbau“ den Controller AXC 1050 192.168.0.24 auswählen und im Fenster „Gerätedetails“ auf den Reiter „IP-Vergabe“ wechseln. Anschließend im Bereich „Filter“ die Kontrollkästchen deaktivieren und den Controller „[IOC]: AXC 1050“ markieren. Auf „IP vergeben“ klicken. Unbedingt zu beachten ist, dass der IP-Adressbereich des PCs im IP Adressbereich der SPS liegt. Dies führte in diesem Projekt zu Fehlern, sodass sich die SPS nicht mit dem PC verbunden hat, bis der Fehler beseitigt wurde. Eine Tabelle für die Konfiguration der IP-Adressen an den einzelnen PCs im Labor Produktionstechnik an der HSHL befindet sich hier(Liste verlinken).
2. Im Fenster „Gerätedetails“ auf den Reiter „Kommunikation“ wechseln und auf die Schaltfläche „Testen“ klicken. Ist die Kommunikation erfolgreich, wird dies durch eine grüne Statusanzeige veranschaulicht.

PROFINET-Controller-Funktionen aktivieren:

1. Im Fenster „Gerätedetails“ auf den Reiter „Erweiterte Einstellungen“ wechseln und im linken Fenster den Unterpunkt „PROFINET Aktivierung“ auswählen. Anschließend im rechten Fenster unter „Einstellungen“ in der Drop-down-Liste den Eintrag „PROFINET Controller eingeschaltet“ auswählen und auf den Button „Senden“ klicken. Das erschienene Dialogfenster „Einstellung Kommunikationsweg“ mit „OK“ bestätigen.
2. … und im rechten Fenster im Bereich „Netzwerkeinstellungen aktivieren“ auf die Schaltfläche „Steuerung neu starten“ klicken.
3. Im Fenster „Busaufbau“ den PROFINET-Knoten des Controllers markieren und mit Rechtsklick das Kontextmenü öffnen und den Eintrag „PROFINET einlesen“ auswählen. Anschließend alle benötigten Geräte auswählen und auf den Button „Einfügen“ klicken. Im sich öffnenden Dialogfenster „PROFINET-Gerätebeschreibung auswählen“ die Bezeichnung „AXL F BK PN in der Version 01/1.01“ auswählen und mit „OK“ bestätigen.

Axioline Teilnehmer einlesen:

1. Im Fenster „Busaufbau“ unterhalb des Buskopplers den Knoten „Axioline“ markieren, mit Rechtsklick das Kontextmenü öffnen und den Eintrag „Axioline einlesen“ auswählen. Anschließend mit „OK“ bestätigen.

Im Anschluss daran kann mit der Erstellung des Programms begonnen werden. Eine ausführliche Beschreibung zum Verbindungsaufbau und zur anschließenden Programmerstellung lässt sich auch in diesem HSHL-Wiki-Artikel finden.

Verwendete FBS-Blöcke

Der Block „LT“ vergleicht zwei Eingangssignale miteinander. In diesem Fall sind das das Eingangssignal „IN4“ und eine Variable „V001“. Wenn das Eingangssignal kleiner als die Variable ist, dann wird der Ausgang des Blocks auf „1“ geschaltet.

Der Block „GT“ vergleicht ebenfalls zwei Eingangssignale miteinander. In diesem Fall sind das das Eingangssignal „IN5“ und eine Variable „V002“. Wenn das Eingangssignal größer als die Variable ist, dann wird der Ausgang des Blocks auf „1“ geschaltet.

Der „RS“ Block

Der Block „OR“ stellt eine ODER-Verknüpfung dar. Das heißt, am Ausgang liegt dann eine „1“ an, wenn an einem der beiden oder an beiden Eingängen eine „1“ anliegt.

Beim Block „NOT“ wird das Eingangssignal negiert. Das bedeutet wenn am Eingang eine „0“ anliegt, dann liegt am Ausgang eine „1“ an und umgekehrt.

Komponententest

Der Komponententest dient zur Überprüfung ob die einzelnen Komponenten funktionieren. Screenshots/Bildschirmaufnahme das wir Werte erhalten Lüfter an / Lüfter aus

Integrationstest

Beim Integrationstest wird überprüft, ob der Zusammenbau und die Integration der einzelnen Komponenten funktioniert.

Systemtest

Beim Systemtest wird überprüft, ob das System als Ganzes anforderungsgemäß ist.