Reflow-Ofen mit PLC Next Control AXC F 2152

Autoren: Julian Gärtner, Fabian Müller

Betreuer Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer

Wintersemester 2021/2022

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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 Reflow Ofen, welcher von Grund auf auf gebaut werden soll. Hierzu soll ein einfacher Tischbackofen als Grundlage dienen, welcher dann in den kommenden Schritten umgebaut wird.

Was ist ein Reflow Ofen?

Bei einem Reflow Ofen handelt es sich wieder Name schon sagt 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.“[1] Die verschiedenen Heizzonen sollen hierbei durch eine Regelung realisiert werden, welche eine Temperaturkurve abfahren kann.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe des Praktikums war es, einen einfachen Tischbackofen zu einem Reflow Ofen umzubauen. 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 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

Vorgehensweise nach 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.

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

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.

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.

Komponentenspezifikation

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.

Programmierung/Entwicklung

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.

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 versehen (LS-Schalter und RCD). Im Fehlerfall lösen diese dann aus und ein Stromausfall im gesamten Raum 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.

Systemtest

Abnahmetest

Zusammenfassung

Was ist das Ergbnis? Das Ergebnis dieses Artikels ist eine Vorlage, mit der Nutzer des Wikis schnell und leicht eigene Artikel verwirklichen können. Diese Vorlage ist Bestandteil der Anleitungen aus den How-To's.

Ausblick

Was kann/muss noch verbessert werden?

Literaturverzeichnis

[1] gardow-engineering.de, Reflow Löten, https://www.gardow-engineering.de/glossary/reflow-löten.html, 30.12.2021