Modulares mechatronisches Produktionssystem (MPS): Station Transferband

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Abb. 1: Station Transferband

Autor: Mareen Rehberg und Carolin Mohs
Autor: Timo Malchus und Stefan Großecoßmann (Inbetriebnahme Wintersemester 2021/22)
Autor: Daniel Klassen und Dennis Weber ( Übertrag in TIA, Verbesserung der Kameratechnik)

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Göbel

Überblick

Abb. 2: Programmablaufplan Transferband

Die Station Transferband (siehe Abb. 1) befördert Werkstücke von der Station Montieren nach der Montage auf eine Rutsche, die zum Band der Station Sortieren führt.

Am ersten Modul wird geprüft, ob der Zylinder einen Deckel hat. Die Ankunft eines Teils wird mittels Lichtschranke abgefragt, damit das Band stoppt. Dann wird durch einen Sensor der vorhanden Deckel geprüft, wenn der Zylinder keinen Deckel besitzt wird dieser aussortiert. Dafür hält das Band vor der entsprechenden Rutsche und ein Schieber schiebt den Zylinder vom Band in den Speicher. Der Speicher wird durch einen Sensor überwacht. Sind die Speicher voll, wird das Teil aufgehalten und ein Blinklicht geht an. Der Werker muss die Speicher dann entleeren, damit die Produktion weiter geht. Nur Gutteile werden zur Station Sortieren weiter gelassen.

Inbetriebnahme

Als erstes wurde die Anlage nach Quickstart-Anleitung der vorherigen Gruppenarbeiten gestartet. Folgende Schritte sind dort für die Station Transferband vorgesehen. Da die Stationen Transferband und Sortieren nicht unabhängig voneinander funktionieren müssen beide in Betrieb genommen werden. Die Inbetriebnahme kann durch die beschriebenen Precondition 1 bis 5 in dem Abschnitt #Inbetriebnahmetest durchgeführt werden.

Vorbereiten der Anlage

• Alle Not-Aus Schalter entriegeln

Einschalten der Anlage

• Druckluftversorgung herstellen (Kugelhahn / Wartungseinheiten öffnen)
• Spannungsversorgung herstellen (FI / Steckerleiste einschalten)
• Hauptschalter am Fließband einschalten und "Controller on" betätigen
• SPS der Station Transferband über Netzschalter einschalten und warten bis SPS hochgefahren ist
• SPS der Station Sortieren über Netzschalter einschalten und warten bis SPS hochgefahren ist

• Prüfen ob Wahlschalter der SPS auf "run" steht

Inbetriebnahmetest

Verwendete Daten

Hier wird alles aufgelistet inkl. Datum/Versionnummer, was zur Ausführung des Testfalls notwendig ist.

• SVN-Projektarchiv: Station Transferband und Station Sortieren in Version 12345
• Wikiartikel: Station Transferband oder Station Sortieren vom 08.01.2023

Die Testfälle im Detail

Die Tabelle zu den Testfällen lässt sich über den Knopf "Ausklappen" anzeigen.

Bezeichnung: Funktionstest der Sortierung vom Transferband und Sortierband
Erstellt von: Dennis Weber, Daniel Klassen
Erstellt am: 26.12.2022
Testinstanz: Versuch am Transferband und Sortierband

Schritt Nr.	Beschreibung	Ausgangszustand	Aktion(en)	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Bemerkung
Precondition 1	Druckluft einschalten	Kein Druck auf der Druckluftleitung	Druck an den Druckluftanschluss auf ca. 5bar aufdrehen, Druckminderer an dem Transferband und Sortierband öffnen und prüfen ob ca. 4bar anliegen. Drucklufthauptanschluss Position Drucklufthauptanschluss Position	Druckluft auf den Schläuchen ist vorhanden	Die Zylinder sollten eingefahren sein	i.O.
Precondition 2	Transferband hochfahren	Transferband ist aus/stromlos	Notaus entriegeln, Schalter an der Steckdosenleiste einschalten, Schalter am Umrichter (vor der Anlage unten Links) einschalten, SPS des Transferbands einschalten Position der Steckdosenleiste Position des Umrichters	SPS Startet, Kamera führt Selbsttest aus (Blitz), Anlage ist betriebsbereit, SPS-Status ist auf grün (siehe LED RUN), Reset blinkt	Anlage ist betriebsbereit, SPS-Status ist auf grün (siehe LED RUN), Reset blinkt	i.O.
Precondition 3	Transferband in Automatikmodus bringen	Transferband läuft nicht, Reset blinkt	Stop auf Bedienpanel (Bp) betätigen, Reset auf Bp betätigen, 10 Sekunden warten, Start auf Bp betätigen	Reset hört auf zu blinken, Start leuchtet, Förderband läuft an	Transferband ist bereit um Kolben zu sortieren	i.O.
Precondition 4	Sortierband hochfahren	Sortierband ist aus/stromlos	SPS des Sortierbands einschalten	SPS Startet, Anlage ist betriebsbereit, SPS-Status ist auf grün (siehe LED RUN), Reset leuchtet	Anlage ist betriebsbereit, SPS-Status ist auf grün (siehe LED RUN), Reset leuchtet	i.O.
Precondition 5	Sortierband in Automatikmodus bringen	Reset leuchtet	Stop auf Bp betätigen, Reset auf Bp betätigen, 10 Sekunden warten, Start auf Bp betätigen	Reset hört auf zu leuchten, Start leuchtet nicht	Sortierband ist bereit um Kolben zu sortieren	i.O.
Testschritt 1	Kolben ohne Deckel aussortieren	Transferband im Automatikmodus	Kolben ohne blauen Deckel über die Rutsche auf das Transferband auflegen	Kolben wird über das Transferband zur Kamera beweget, Förderband stoppt unter der Kamera, Kamera macht ein Foto, Kein Deckel wird erkannt, Druckluftzylinder sortiert den Kolben aus, Transferband läuft weiter	Kolben ohne Deckel wurde aussortiert, Förderband läuft weiter	i.O.
Testschritt 2	Kolben mit Deckel ohne RFID Chip aussortieren	Anlage ist betriebsbereit	Kolben mit blauem Deckel ohne RFID Chip auf das Transferband auflegen Kolben mit Deckel am Start des Transferbands	Kolben wird über das Transferband zur Kamera beweget, Transferband stoppt unter der Kamera, Kamera macht ein Foto, Deckel wird erkannt, Transferband läuft weiter, Transferband stoppt unter RFID Chip Leser, RFID Chip wird nicht erkannt, Druckluftzylinder sortiert den Kolben aus, Transferband läuft weiter	Kolben mit Deckel ohne RFID Chip wurde aussortiert, Förderband läuft weiter	i.O.
Testschritt 3	Roter Kolben mit Deckel und RFID Chip wird am Sortierband sortiert	Anlage Sortierband und Transferband im Automatikmodus	Roten Kolben mit blauem Deckel und RFID Chip auf das Transferband auflegen	Kolben wird über das Transferband zur Kamera beweget, Transferband stoppt unter der Kamera, Kamera macht ein Foto, Deckel wird erkannt, Transferband läuft weiter, Transferband stoppt unter RFID Chip Leser, RFID Chip wird erkannt, Transferband läuft weiter, Sortierband startet, Stopperzylinder blockiert Kolben für kurze Zeit, Stopperzylinder fährt ein, 1. Sortierzylinder ausgefahren, Kolben wird an erster Rutsche aussortiert	Roter Kolben mit Deckel und RFID Chip wurde an erster Rutsche des Sortierbands aussortiert, Sortierband läuft weiter	i.O.
Testschritt 4 ( Nicht möglich, kein Silber Kolben mit RFID Chip vorhanden!!!)	Silber Kolben mit Deckel und RFID Chip wird am Sortierband sortiert	Anlage Sortierband und Transferband im Automatikmodus	Silber Kolben mit blauem Deckel und RFID Chip auf das Transferband auflegen	Kolben wird über das Transferband zur Kamera beweget, Transferband stoppt unter der Kamera, Kamera macht ein Foto, Deckel wird erkannt, Transferband läuft weiter, Transferband stoppt unter RFID Chip Leser, RFID Chip wird erkannt, Transferband läuft weiter, Sortierband startet, Stopperzylinder blockiert Kolben für kurze Zeit, Stopperzylinder fährt ein, 2. Sortierzylinder ausgefahren, Kolben wird an zweiter Rutsche aussortiert	Silber Kolben mit Deckel und RFID Chip wurde an zweiter Rutsche des Sortierbands aussortiert, Sortierband läuft weiter	i.O.
Testschritt 5	Schwarzer Kolben mit Deckel und RFID Chip wird am Sortierband sortiert	Anlage Sortierband und Transferband im Automatikmodus	Schwarzer Kolben mit blauem Deckel und RFID Chip auf das Transferband auflegen	Kolben wird über das Transferband zur Kamera beweget, Transferband stoppt unter der Kamera, Kamera macht ein Foto, Deckel wird erkannt, Transferband läuft weiter, Transferband stoppt unter RFID Chip Leser, RFID Chip wird erkannt, Transferband läuft weiter, Sortierband startet, Stopperzylinder blockiert Kolben für kurze Zeit, Stopperzylinder fährt ein, Kolben wird an dritter Rutsche aussortiert	Schwarzer Kolben mit Deckel und RFID Chip wurde an dritter Rutsche des Sortierbands aussortiert, Sortierband läuft weiter	i.O.
Postcondition 1	Transferband und Sortierband herunterfahren	Transferband und Sortierband im Automatikmodus	Sortierband Bp Stop betätigen, Transferband Bp Stop betätigen, Druckluft an Haupthahn abdrehen, Druckminderer an beiden Stationen abdrehen, SPS des Sortierbands ausschalten, Umrichter des Transferbands ausschalten, SPS-Transferband ausschalten, Steckdosenleiste ausschalten	Druckluft = 0bar bei Druckminderer von Transferband und Sortierband, SPS aus (alle LEDs aus), Steckdosenleiste leuchtet nicht	Druckluft = 0bar bei Druckminderer von Transferband und Sortierband, SPS aus (alle LEDs aus), Steckdosenleiste leuchtet nicht	i.O.

Die Funktion der Station Transferband war gegeben. Was genau die Aufgabe der Station ist, ist aufgrund der fehlenden Dokumentation erst einmal unklar gewesen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Da für die Station Transferband keine Sensoren eingestellt werden müssen, kann nach der Quickstart-Anleitung vorgegangen werden.

Vorbereiten der Anlage

• Alle Not-Aus Schalter entriegeln

Einschalten der Anlage

• Druckluftversorgung herstellen (Kugelhahn / Wartungseinheiten öffnen)
• Spannungsversorgung herstellen (Stecker einstecken, Steckerleiste einschalten)
• Hauptschalter am Fließband einschalten und "Controller on" betätigen
• SPS der Station Transferband über Netzschalter einschalten und warten bis SPS hochgefahren ist
• SPS der Station Sortieren über Netzschalter einschalten und warten bis SPS hochgefahren ist

• Prüfen ob Wahlschalter der SPS auf "run" steht

Richtvorgang

• Station Transferband richten ("Reset" betätigen)
• Station Sortieren richten ("Reset" betätigen)

Starten der Anlage

• Station Transferband starten
• Station Sortieren starten

Manuelle Bedienung

Transferband und Sortieren zusammen

Die Funktion der Stationen Transferband und Sortieren sind aufgrund fehlender bzwl mangelhafter Dokumentation unbekannt. Legen Sie die einfachwirkenden Zylinder und Grundkörper aufs Band und versuchen Sie die Kriterien herauszufinden, nach denen aussortiert wird.

Bilder sind in der Beschreibung vorhanden .

Hinweis:

Wenn ein Lager voll ist, stoppt das Band und „Q2“ blinkt auf. Das Lager muss ausgeleert werden. Danach kann mit „Start“ die Produktion fortgeführt werden.

Schnittstellendokumentation

Die Station Transferband funktioniert nur in Kombination mit dem Automatikbetrieb des Station Montieren und der Station Sortieren. Um die Stationen später zu vereinzeln müssen zuerst die Schnittstellen dokumentiert werden.

Die fertigen Zylinder kommen von der Station Montieren auf das Transferband. Dies geschieht durch den Roboter. Nach dem Testen der Zylinder werden diese an die Station Montieren weiter gegeben.

Einleitung

Im Wintersemester 2022/23 werden im Schwerpunkt GPE verschiedene Projekte im Bereich Robotik und Automatisierungstechnik durchgeführt. Eines dieser Projekte besteht in der automatisierten Montagelinie und anschließenden Sortieranlage für Pneumatikzylinder. Sie wurde im Wintersemester 19/20 und 21/22 bereits hier beschrieben.

Die Anlage ist Teil der letzten Produktionsschritte in der MPS - Anlage. Dort erfolgt einerseits der Weitertransport der fertig montierten Zylinder, die der Mitsubishi Roboter hergestellt hat, sowie eine Qualitätsprüfung und eine Einteilung nach Farbe in verschiedene Magazine. Die Anlage ist seit längerer Zeit nicht mehr in Betrieb gewesen. Die Aufgabe ist es daher, die Anlage wieder zu aktivieren und eine Bestandsaufnahme über dessen Zustand zu machen, sowie mögliche Verbesserungen im System vorzunehmen.

Die Gruppe aus dem WS 21/22 hat sich mit der Herstellung einer Stromversorgungseinheit für den Mitsubishi-Roboter RV-2AJ beschäftigt. Da bei einem Stromausfall wichtige Sensordaten verloren gehen, die erst mit viel Handarbeit wieder hergestellt werden können, gilt es eine Überbrückungslösung zu schaffen, sodass der Datenverlust verhindert wird. Dieses Projekt wird jedoch im Artikel Modulares mechatronisches Produktionssystem (MPS): Station Roboter (Unterkapitel 2.5.2 Erweiterung Akkumanagement-System) detailliert beschrieben und erklärt.

Die Gruppe aus dem WS 22/23 hat sich mit der Optimierung des Kameramoduls des Transferbandes (Hardware- und Softwareseitig) und der Umprogrammierung der Steuerungssoftware des Transfer- und Sortierbandes beschäftigt. Dabei konnten erfolgreich die alten Step7 SPS-Programme im TIA-Portal umprogrammiert werden.

Struktur und Funktion der Anlage

Zu Anfang des Projekts im WS 21/22 wurde die Anlage in einem vernachlässigten Zustand vorgefunden. Sämtliche Komponenten waren verstaubt, die Leitungen lagen unsortiert und durcheinander auf dem mobilen Wagen, auf dem das System installiert ist. Erster Schritt ist daher, sich einen Überblick über die Struktur und den Aufbau der Anlage zu verschaffen.

Sehr wichtig ist zunächst der Funktionsablauf des Steuerungsprogramms, um ein Verständnis vom produktionstechnischen Ablaufs der Anlage zu erhalten. Zentrale Bestandteile sind ein Kamerasensor (Modell SBOI-Q-R1C) der Firma Festo, ein RFID-Sensor der Firma Turck (TN-CK40-H1147), sowie Lichtschranken, Reflexsensoren und zwei Zylinder, die die Aussortierung der fehlerhaften Bauteile übernehmen. Bekannt sind in jedem Fall die Eingangsgrößen: Es liegen fertig montierte Pneumatikzylinder vor, die vom Mitsubishi-Roboter auf das Transportband übergeben werden. Es können die Farben silber, schwarz und rot eingeben werden. Zusätzlich enthalten einige Zylinder einen RFID-Chip. Ist keiner enthalten, wird der Zylinder als fehlerhaft aussortiert.

Der Output des Prozesses umfasst drei Register, in die einwandfreie Zylinder den Farben entsprechend sortiert vorliegen sollen.

Reparatur des Transportbandes

Durch die lange Stillstandszeit der Förderelemente hat sich das Bandmaterial verzogen, sodass sich das Band trotz laufenden Motor nicht bewegt hat. Daher war eine Demontage der Spanneinrichtung notwendig, um das Band wieder funktionstüchtig zu machen.

Sollte die Anlage im nächsten Wintersemester wieder in Betrieb genommen werden, so kann es sein, dass dieser Fehler wieder auftritt. Er lässt sich jedoch innerhalb von 10 Minuten wieder beheben.

Aufdeckung und Verbesserung von Mängeln im SPS-Programm

Das Transportband sowie die Sortiereinheit bestehen aus zwei mechanisch und elektrisch voneinander getrennten Modulen, die jeweils eine eigene SPS und eine eigene Bedieneinheit enthalten. Beide Systeme müssen getrennt voneinander in Betrieb genommen werden und interagieren nicht miteinander, was zu folgenden Nachteilen führt:

1. Fall: Das Transportband wird eingeschaltet, aber nicht das Sortierband: Erzeugung eines Produktstaus vor dem Sortierband
2. Fall: Das Transportband wird ausgeschaltet, aber nicht das Sortierband: Das Sortierband läuft unnötig weiter
3. Fall: Wenn bei einem Band der Not-Aus gedrückt wird, läuft das andere Band trotzdem weiter - Sicherheitstechnisch nicht sinnvoll
4. Fall: Nach Drahtbruch am Not-Aus-Schalter erfolgt ein automatischer Wiederanlauf der Maschine - Darf so nicht sein (Dies lässt sich einfach testen, indem einer der Stecker des Not-Aus während des laufenden Bandes herausgezogen wird. Bei Wiedereinstecken läuft es automatisch an)

Dies sind jedoch nicht die einzigen Nachteile, die während der Erforschung des Programms im WS 21/22 zum Vorschein traten. Das Programm wurde nach dem Trial an Error Prinzip (Diese Methode ist zwar kein sonderlich guter wissenschaftlicher Standard, im Rahmen unserer Ingenieurstätigkeit und fehlender Doku (wie oben bereits erwähnt) hier jedoch ein probates Mittel) ausprobiert und getestet, mit den verschiedenen Fällen, die auftreten können, wie Zylinder mit und ohne Deckel sowie Zylinder mit und ohne RFID Chip. Diese Checks werden auf dem Transportband durchgeführt, die Unterteilung nach Farben erfolgt im Sortierband. Es hat sich gezeigt, dass der Kamerasensor nicht zuverlässig funktioniert. Legt man einen Zylinder ohne Deckel auf das Band, wird die Kamera nicht jedes Mal ausgelöst. Der RFID-Sensor hingegen funktioniert einwandfrei, auch die anschließende Sortiereinheit weißt steuerungstechnisch keine gravierenden Mängel auf und funktioniert nach unseren Tests sehr gut. Aus diesen Gründen hat sich die Gruppe im WS 21/22 zum Ziel gesetzt, das SPS-Programm, welches von der Firma Festo bereits vorgefertigt auf der Steuerung aufgespielt war, abzuändern und dabei die genannten Verbesserungsvorschläge einfließen zu lassen wobei der Fokus auf dem schwerer mit Mängeln behafteten Transportband liegt.

Im WS 22/23 konnten die Probleme mit der Deckelerkennung mittels Optimierung der Kamerasoftware behoben werden. Entsprechende Anleitungen finden sich unten in der Literatur als PDF Datei oder per QR Code auf der rechten Seite.

Programmierung der SPS

Die SPS am Transportband ist eine Siemens 315-2F PN/DP. Sie verfügt über eine MPI-Schnittstelle, einen Profibus-Anschluss sowie einen Ethernet-Anschluss. Die Kommunikation zwischen PC und SPS kann sehr einfach durch die Ethernet-Schnittstelle hergestellt werden. Die alten, teilweise fehlerbehafteten Step7-Programme, die im TIA-Portal durch schreibgeschützte oder nicht unterstützte Bausteine, nicht einsehbar waren, wurden durch vollständig im TIA-Portal programmierte Programme ersetzt. Das neue Programm für das Transferband kann hier gefunden werden.

Hardwarekonfiguration und Einbindung des Profibus Moduls

Da das neue TIA-Programm lauffähig ist, muss bei Änderungen des Programmes keine Hardwarekonfiguration erfolgen. Falls auf die vorhandene SPS in Zukunft ein neues Programm geladen werden soll, kann mit folgenden Schritten die Hardwarekonfiguration im TIA-Portal als erster Schritt durchgeführt werden. Die Hardwarekonfiguration ist sehr einfach in wenigen Schritten durchzuführen. Dazu geht man in den entsprechenden Reiter in der Projektnavigation und wählt aus dem Hardwarekatalog die gewünschte SPS aus. An dem Transportband ist eine CPU vom Typ 315-2F PN/DP eingebaut in Verbindung mit einem E/A Modul mit 16 Eingangs und 16 Ausgangs- adressen (DI16/DO16 16x24VDC/0.5A im Hardwarekatalog).

Die CPU liegt auf Steckplatz 2, das E/A Modul an Nummer 3 der Profilschiene_0. Platz 1 ist immer für das Netzteil reserviert.

Abb. 3: Aufteilung der Hardware auf der Profilschiene

Weiterhin muss das Profibus-Modul noch mit eingebunden werden. Es handelt sich um das Koppelmodul SDPL-0404D-1004 der Firma Turck mit 4 digitalen Ein- und Ausgängen. Für die Einbindung muss im Internet auf der Seite www.turck.de eine sogenannte GSD (Geräte-Stammdaten-Datei) heruntergeladen und entpackt werden. Die beigefügte .txt Datei gibt an, dass für dieses Modul die Datei TRCKFF2A.GSG im TIA-Portal eingefügt werden muss. Dies geschieht unter Extras -> Geräte-Stammdaten verwalten und der Installation der Datei. Dann taucht das Modul auf der rechten Seite im Hardwarekatalog unter "Weitere Feldgeräte" auf. Per Drag and Drop kann das Gerät eingefügt werden.

Dann muss noch das Profibus Netz hinzugefügt werden. Dazu muss in den Eigenschaften der PLC unter Profibus Schnittstelle Die Option "Neues Subnetz hinzufügen" gewählt werden. Es ist auf die richtige Wahl der Übertragungsgeschwindigkeit zu achten. Dann erscheint in der Netzsicht der Hardwarekonfiguration ein Rosa Balken. Im Koppelmodul steht "Nicht zugeordnet". Darauf ist zu klicken und die PLC als Master zu wählen und die virtuelle Profibus-Leitung erscheint weiß-rosa gestrichelt.

Damit ist die Hardwarekonfiguration normalerweise abgeschlossen. Allerdings hat sich im Zuge eines Tests mit einer anderen SPS ergeben, dass das Programm zwar die Profibus-Schnittstelle einbindet, nicht aber die konkrete Hardware-Konfiguration des Moduls, welche sich hinter der Schnittstelle verbirgt. Sobald die Profibus-Anbindung besteht, lässt sich auf der rechten Seite eine Auswahl von verschiedenen Modulgrößen und -arten auswählen. Bis jetzt konnte jedoch nicht die richtige gefunden werden.

Abb. 4: Fast fertige Hardwarekonfiguration für die Transportband-SPS mit Profibus-Schnittstelle - Unter dem Slave 1 fehlt noch die hinter der Schnittstelle liegende Hardware

Ausblick

Da mit der Programmierung im WS 22/23 abgeschlossen werden konnte, ergibt sich für die folgende Gruppe eine eventuelle Verbesserung des Leitungsmanagements durch die Anbringung eines Kabelkanals, auf das neu angebrachte Aluminium-Profil.

Zukünftige To-Do's für die Einheit Transferband

• 1. Befestigung des Transferbands auf dem Tisch, um ein verschieben zu verhindern.
• 2. Das Blinken der Bedienelemente ist im SPS-Programm anzupassen
• 3. Ein Kabelkanal ist auf der Rückseite der Tische anzubringen, um die Kabel zu verstauen.

Unterlagen

Die Unterlagen zur Station Transferband befinden sich gesammelt in SVN.

Aktuelle Dokumentation liegt im Unterordner Wintersemester 21-22 ab.

Bezüglich der SPS Programmierung mit S7 GRAPH liegt ein Tutorial hier ab.

Literatur

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