Modulares mechatronisches Produktionssystem (MPS): Station Transferband

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Station Transferband

Autor: Mareen Rehberg und Carolin Mohs
Autor: Timo Malchus und Stefan Großecoßmann (Inbetriebnahme Wintersemester 2021/22)

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Göbel

Überblick

Programmablaufplan Transferband

Die Station Transferband 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.

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

Richtvorgang

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

Starten der Anlage

• Station Transferband starten
• Station Sortieren starten

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.

Inbetriebnahme Wintersemester 2021/2022

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:

Fall 1: Das Transportband wird eingeschaltet, aber nicht das Sortierband: Erzeugung eines Produktstaus vor dem Sortierband Fall 2: Das Transportband wird ausgeschaltet, aber nicht das Sortierband: Das Sortierband läuft unnötig weiter Fall 3: Wenn bei einem Band der Not-Aus gedrückt wird, läuft das andere Band trotzdem weiter - Sicherheitstechnisch nicht sinnvoll Fall 4: 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 zum Vorschein traten. Das Programm wurde nach dem Trial an Error Prinzip 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 auslöst. 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 soweit sehr gut.

Aus diesen Gründen haben wir uns dazu entschieden, den Fokus größtenteils auf das Transportband zu richten.

To Dos für die Einheit Sortierband

1. Eingänge und Ausgänge an der SPS identifizieren/festlegen 2. Programmablaufplan um die Interaktion zwischen Transportband und Sortierband ergänzen

Anmerkung: Da an der Sortier-SPS kein Profibus-Modul angeschlossen ist, wird die Hardware-Konfiguration hier einfacher als am Transportband.

To Dos am Transportband

1. Das Profibus-Modul richtig einbinden - Bis jetzt wird eine Fehlermeldung ausgegeben 2. E/A Adressen der Geräte am Profibus-Modul identifizieren - Einbindung in das SPS-Programm 3. Inbetriebnahme des Kamerasensors 4. Inbetriebnahme des RFID Sensors 5. Herstellen einer Verbindung zwischen der Transportband-SPS und der Sortierband-SPS; am besten über die bereits verfügbaren

  Aus- und Eingänge neben den Bedienelementen 

6. Programmierung der Transportband-SPS in Anlehnung an den Programmablaufplan

Aus diesen Gründen haben wir uns 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.

Als eine Schwierigkeit hat sich dabei herausgestellt, dass sich das vorhandene Programm nicht ohne weiteres von der SPS auf das TIA-Portal übertragen lässt.

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. Möchte man das Programm aus dem Gerät in das TIA Portal laden, so können die Bausteine nur teilweise geladen werden. Es wird eine Fehlermeldung ausgeben, nach der das Laden von S7 GRAPH Funktionsbausteinen nicht möglich ist. Da die restlichen Programmbausteine nur unzureichend kommentiert sind und nur wenig Aufschluss über das Gesamtprogramm ergeben, muss es neu geschrieben werden. (Trotzdem liegt ein Back-Up des ursprünglichen Programms im SVN unter xyz ab).

Programmierung der SPS

Die Programmierung der Steuerungssoftware ist für das Gesamtsystem sehr umfangreich und ist zeitlich nicht so vorangeschritten, dass eine komplette Fertigstellung möglich war. Das Programm an sich ist deswegen noch nicht lauffähig. Die Programmierung ist jedoch soweit vorangeschritten, dass der äußere Rahmen, sprich die Funktions-, Organisations- und Datenbausteine inklusive der Hardwarekonfiguration fertig sind. Zudem sind zwei Variablentabellen eingefügt worden. Unter "PLC Variablen" findet sich die Variablentabelle. In ihr sind die Sensoren und Aktoren mit ihren konkreten Bit- und Byteadressen an der SPS hinterlegt. Es gilt lediglich, die E/A Adressen hinzuzufügen, die mit dem Profibus-Modul gekoppelt sind.

In einem Globalen Datenbaustein "Data", der unter den regulären Programmbausteinen abgelegt ist, sind rein symbolische Variablen abgelegt. Diese Variablen werden in der Programmierung verwendet und erst in der Funktion "Befehlsausgabe" FC 1 den entsprechenden Variablen in der Standard-Variablentabelle zugewiesen. Dies bietet den Vorteil, unabhängig von der aktuellen Pinbelegung das Gesamtprogramm bereits fertig stellen zu können, ohne den genauen Anschluss der Geräte kennen zu müssen. Das Anwendungsprogramm wird damit teilweise (Hardware-Konfig muss sein) unabhängig von der Pinbelegung und kann universeller eingesetzt werden.

Hardwarekonfiguration und Einbindung des Profibus Moduls

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.

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.

Programmstruktur

Die Main, im TIA Portal Ob1 genannt ist das Herzstück der Steuerung und bildet die Schnittstelle zwischen dem Betriebssystem und dem Anwenderprogramm. Hier wird das reguläre Steuerungsprogramm zyklisch abgearbeitet. Für das Verständnis der zyklischen Programmbearbeitung muss man zunächst verstehen, wie der OB1 arbeitet:

Die SPS liest bei Beginn eines jeden Programmdurchlaufs die anliegenden Eingänge ein. Dies wird Prozessabbild der Eingänge genannt. Mit diesem Prozessabbild werden dann die Bausteine, die im OB1 vorliegen, der Reihe nach abgearbeitet. Das Programm springt dazu in den entsprechenden Baustein, arbeitet ihn ab und springt dann in den OB1 zurück um dann in den nächsten Baustein zu springen. Ist der gesamte OB1 einmal komplett abgearbeitet worden, so bilden die aus den logischen Operationen erstellten Verknüpfungsergebnisse das Prozessabbild der Ausgänge, welche dann angesteuert werden. Danach fängt der OB1 wieder mit dem Prozessabbild der Eingänge an und der Durchlauf beginnt von neuem. Dies ist unter zyklischer Programmbearbeitung zu verstehen.

Im OB1 ist der Rahmen des Anwenderprogramms zu finden. Zunächst wird der Funktionsbaustein "Freigabesicherheit der Steuerung" ausgeführt. Er ist in GRAPH7 programmiert und führt vor jedem Programmstart die Einstellung der Grundstellung durch. Die eigentliche Programmierung des Programmablaufs steht noch aus.

Für die Freigabesicherheit der Steuerung gelten die Anforderungen, wie sie qualitativ im Programmablaufplan hinterlegt sind. Dort sind auch alle weiteren Ablaufsteuerungen sehr detailliert aufgeführt, leider nicht in der Grafcet Sprache, dafür in PAP. Die Freigabesicherheit wird durch den Merker "Data.Freigabe" ausgeschaltet und dessen Negation eingeschaltet. Dies ist so beabsichtigt, wenn man zusätzlich den OB100 betrachtet, der das Programm bei einer Störung unterbricht. Dort wird "Data.Freigabe" auf 1 gesetzt. Egal in welchem Baustein sich das Programm befindet, wird mit dem Freigabemerker die Kette ausgeschaltet und damit auch die Betriebsfreigabe zurückgesetzt. Am Ende des OB1 wird dann "Data.Freigabe" wieder auf 1 gesetzt und die Kontrolle der Freigabe beginnt von Neuem. Solange "Data.Freigabe" immer wieder zurückgesetzt wird, bleibt die Freigabe erhalten.

In der Freigabe selbst wird dann die Betriebsfreigabe "Data.Betrieb ok" aktiviert. Sind alle relevanten Aktionen für einen sicheren Betrieb erfüllt, so wird diese Variable auf 1 gesetzt, wobei darauf zu achten ist, dass diese Aktion am Ende der Kette die Kennung N erhält. Die Auslösung des Not-Aus (und weitere sicherheits- relevanten Dinge) werden dann an die Transition mit dem Sprung zurück zum Anfang gekoppelt, sodass die Freigabe automatisch endet, wenn der Not Aus betätigt wurde.

Anschließend muss die Betriebsfreigabe noch zur Aktivierung (und Deaktivierung) der Ablaufsteuerung verwendet werden.

%OB100

Ablaufsteuerung in S7 GRAPH

Die Zylinder haben nur hinten Reedkontakte

Erst wenn bei der Sortier -SPS ein Teil vor dem band liegt geht es an

Anforderungsprofil SPS:

1.

Weiterführende Aufgaben für das nächste Semester:

1. Troubleshooting für das Profibus-Gerät 2. Ansteuerung der Sensoren und Aktoren über das Profibus-Gerät 3. Herausfinden, wie der Kamerasensor und RFID-Sensor in Betrieb genommen wird und welchen Rückgabewert er zur SPS sendet 4. Programmieren der qualitativen Ablaufsteuerung aus PAP Designer in den Funktionsbaustein xy 5. Festlegung der Eingänge und Ausgänge des Profibus - Einprogrammieren in die Standard-Variablentabelle 6. Überprüfung des Funktionsbausteins Freigabesicherheit der Steuerung auf Funktionstüchtigkeit 7. Um die SPS Sortieren mit Einbinden zu können, empfiehlt es sich, einen digitalen Ausgang der Transportband-SPS Grafcet für den Ablauf erzeugen

Die Verarbeitung des Not-Aus und Start Stopp sind im PAP nicht enthalten, müssen im OB1 und einem weiteren Programmbaustein noch verarbeitet werden

Wenn Störung : Nur Bänder aus und Reset und Start leuchten gleichzeitig mit 3 Hz. Wiederanlauf nach Reset und Start

Wenn Not Aus: Bänder aus, Hauptventil aus, und erst Stopp, dann Reset und dann Start drücken

Reflex-Sensor erkennt rot und schwarz, induktiver sensor erkennt silber

Unterlagen

Die Unterlagen zur Station Transferband befinden sich gesammelt in SVN.

Literatur

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