Ampel-Demonstrator Erweiterung: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 5. Februar 2023, 19:45 Uhr

Autoren: Thomas Datche, Mohamed Soliman, Lukas Mücke, Markus Belsch
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer

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Einleitung

Im Rahmen des Studiengangs Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt wird im 7. Semester das Praktikum Produktionstechnik absolviert. Dieses Praktikum ist Teil der Vertiefungsrichtung Global Production Engineering. In diesem Praktum wurde uns das Projekt Ampel-Demonstrator Erweiterung zugewiesen, was wir mit Hilfe von zuvor im Studium gelernten Fähigkeiten und Wissen noch einmal erfolgreich absolvieren sollen.

Aufgabenstellung

In diesem Praktikum geht es darum, die von vorherigen Gruppen durchgeführte Arbeit mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) von Siemens fortzusetzen. Diese Ampelanlage soll mit Hilfe der eingebauten induktiven und kapazitiven Sensoren (Näherungsschalter) Fahrzeuge und Fahrradfahrer erkennen können. Dazu sollte auch mit Hilfe eines infrarot Sensors Rettungswagen(Polizei, Feuerwehr, Krankenwagen...)erkannt werden und sofort auf Grün schalten können, wenn die Ampel rot ist.

Bei der Bearbeitung dieses Projekts müssen die folgenden Punkte beobachtet, bearbeitet und dokumentiert werden:

Der Verdrahtungsplan(Abbildung 11 ^[1]und Abbildung 12 ^[2]) und die Programmierung müssen erweitert und funktionsfähig werden, dass die Sensoren reagieren und funktionieren können, wenn sie ein Fahrzeug oder einen Radfahrer erkennen.
Es ist auch wichtig, wenn ein Fahrzeug von dem Sensoren erkannt werden, die Autoampel im roten Zustand die gelbe Leuchte lange anschaltet, bis es Grün wird. Die gelbe Leuchte soll auch einmalig blinken im grünen Zustand der Ampel, wenn ein Fahrzeug vorbeifährt.
Die Verkabelung aller elektronischen Komponenten muss realisiert werden.
Die Verwendung eines Infrarot-Empfängersensors zum Empfang des vom Einsatzwagen gesendeten Signals und damit zum sofortigen Umschalten der Ampel auf Grün.
Die Dokumentation des gesamten Projekts in SVN und in Form von Wiki-Artikeln muss erstellt werden.

Vorgehensweise nach V-Modell

Um eine strukturierte Vorgehensweise bei der Bearbeitung des Projekts zu gewährleisten, wurde das Projekt nach den Richtlinien des V-Modells durchgeführt (siehe Abbildung 1 ^[3])

Der folgende Link führt zum Speicherort der Daten, die in diesem Projekt verwendet wurden TortoiseSVN^[4].

Anforderungen

Abbildung 2:Ampel-Demonstrator-Anforderungsliste

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. Ampel-Demonstrator-Anforderungsliste

Geometrie und Gewicht :

Die maximalen Abmaße sind: Breite 50cm, Länge 70cm,max Höhe 35cm. Das Gewicht des Kreuzungsdemonstrators bleibt unter 10kg.

Aufbau:

In jede Fahrtrichtung werden zwei Ampeln aufgestellt. - Jede Straße besitzt einen Fußgängerüberweg und einen Fahrradüberweg, welche von beiden Seiten überquert werden können.

- Grün für Fußgänger muss per Tastsignal angefordert werden.

- Induktive Näherungssensoren reagieren auf Fahrzeuge.

- Kapazitive Näherungssensoren reagieren auf Fahrräder.

- Alle Kabel werden sauber in einem Kabelkanal verlegt.

- Alle Kabel müssen für ein deutliches Verkabeln beschriftet werden.

- IR Empfänger werden auf jeder Ampel montiert und reagieren auf das Signal des IR Sender.

Schnittstellen:

- Die SPS muss an einem Standard-Steckdosen-Anschluss an 230V AC mit 50Hz angeschlossen werden können.

- SPS-Display wird mit SPS per 24V DC und LAN verbunden.

- Verbindung zwischen Kreuzung und SPS mittels mehrpoliger Steckverbindung.

- Die elektrischen Kreuzungskomponenten werden mittels Reihenklemmen zusammengefasst.

Software:

- SPS wird mittels TIA-Portal 15.1 programmiert.

Dokumentation:

- Wochenbericht wird bearbeitet und auf dem neuesten Stand gebracht.

- Beschreibung des Ablauf

- Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Bedienung

- Funktionsplan für Schaltplan und Verkabelung

- Wiki-Seite erstellen

Funktionaler Systementwurf

Mit Hilfe der TIA-Portal 15.1 Software konnte die Ampelanlage erfolgreich funktionieren. Die Signale werden von der Steuerungseinheit(SPS) empfangen und bearbeitet. Das wiederholt sich, bis ein Stop-Befehl eintritt.

Technischer Systementwurf

Bei dem technischen Systementwurf wurde auf einer genaueren und detaillierteren Beschreibung und Darstellung des Systems. Um ein besseres Verständnis für das System zu bekommen, wurden ganzen Funktionen der Ampelanlage wurden als Funktionspackete hinterlegt und im technischen Systementwurf dargestellt.

Komponentenspezifikation

Bezeichnung der Bauteile

Bei der Komponentenspezifikation wird jede Funktion detailliert beschrieben und wie der Ablauf dieser Funktion aussieht. Bei der Ampelanlage müssen zuerst die ganzen Bauteile, Sensoren und Leuchten bezeichnet werden. Dazu gehört auch eine Pin-Belegung, die später detaillierter erklärt wird. Hier wurde die Arbeit von der vorherigen Gruppe weitergeführt und mit mit den Sensoren erweitert. Bei den SPS-Adressen handelt es um die Eingänge und Ausgänge in der SPS-Anlage. Hier wurden die Eingänge für die induktiven Sensoren einzeln definiert. Allerdings wurde für bei den kapazitiven Sensoren die Signale kombiniert, um einen einheitlichen Ablauf zu schaffen.

Darstellung der Sensoren

In Abbildung 6 ^[5] ist eine Darstellung der Sensoren an der Ampelanlage zu sehen. Da sind die Orte der verschiedenen Sensoren dargestellt. Hier ist ein fertiges Konzept für den Einbau und die Funktionsweise der Sensoren an der Kreuzung. In Abbildung 7 ^[6] ist es der mit rot markierte Ort, wo die induktiven Sensoren eingebaut werden, zu sehen.

Darstellung der Ampelphasen

Um die Aufgabe des Projekt erfüllen zu können, muss zuerst verstanden, wie die Ampelanlage funktioniert. Bei der Erweiterung des Ampel-Demonstrator mit den induktiven und kapazitiven Sensoren wurde auf die Ampelphasen geachtet, dass die Ampel einen funktionsfähigen und sicheren Ablauf hat.

Umsetzung (HW)

Anschlusspläne

Vor der Montage des Induktiven Näherungsschalters und des kapazitiven Sensors, ist es wichtig zu wissen, welche Funktion bzw. welche elektrische Schaltpläne der Verbindungen sie haben. Diese Funktion ist oft auf dem Etikett oder der Verpackung des Sensors Wie in der Abbildung 9 ^[7] und Abbildung 10 ^[8] angegeben. So unterscheidet man beim Induktiven Näherungsschalter SMT-8M-A, für T-Nut drei Funktionen:

• PNP, Schließer

• NPN, Schließer

• NPN, Öffner

Bei dem kapazitiven Sensor C18P/BP-1A gibt es auch Drei Funktionen:

• PNP-NO+NC

• NPN-NO+NC

• AC-NO+NC

Wenn das Signal eine positive Spannung ist, redet man von PNP (Plusschaltend). Wenn das Signal eine negative Spannung ist, redet man von NPN(Minus/Negativschaltend). Schließer bedeutet normal geöffnet oder „Normaly on“ (NO). Öffner bedeutet normal geschlossen oder „Normaly close “ (NC).

Die Datenblätter der induktiven Näherungsschalter können unter diesem Link^[9] gelesen und heruntergeladen werden.

Die Datenblätter der Kapazitiven Näherungsschalter können stattdessen unter diesem Link^[10] gelesen und heruntergeladen werden.

Abbildung 9:Verbindungsplan des induktiven Sensors.PNG

BN, BK BU und WH stehen hier für den Code, der die Farben der verschiedenen Kabel bezeichnet, aus denen der Näherungsschalter besteht. Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Kabelcodes und die entsprechenden Farben.

Farbcode	Kabelfarbe
BN	Braun
BK	Schwarz
BU	Blau
WH	Weiß

Schaltpläne

Die Verdrahtung sollten mit der Software See Electical erstellt werden, aber leider wurden die Seriennummer und das Lizenzierungspasswort, die angefordert worden waren, nicht per E-Mail verschickt.Deswegen wurde der Schaltplan mit der kostenlosen Software TinyCAD erstellt, welche hier^[11] heruntergeladen werden kann.

Bei der bearbeitung des Kabelbaums traten mehrere Schwierigkeiten auf, da dieser komplett analog nachverfolgt, verstanden und anschließend analysiert werden musste. Somit musste viel Zeit aufgebracht werden, den Kabelbaum zu verstehen und auf Optimierungen zu prüfen. Nach der Einigung auf entsprechende Optimierungen konnten wir unsere Dokiumentation dementsprechend darauf aufbauen. Nach der Erfolgreichen Anbringung wurde die Ampel mit dem nun besseren Setting wieder in Betrieb gesetzt.

Umsetzung (SW)

Die Quelldateien für die Programmierung der Sensoren können hier Link^[12] eingesehen werden.

Variablen definieren

Der Ampel-Demonstrator wurde mittels TIA-Portal 15.1 Programmiert. Bei der Programmierung der Anlage wurde auf einen richtigen Ablauf geachtet. Der erste Schritt bei der Programmierung war die Definition der verschiedenen Variablen für die Sensoren und ihrer Merker. Die Funktion der Merker im Programm ist die sofortige Erkennung des Signals vom Sensor und das sofortige anschalten eines Zählers. Daraufhin schaltet sich die Ampel nach einer bestimmten Zeit.

Rücksetzung mittels SR-Flipflop

Die Rücksetzung des Zählers beim Programm konnte mithilfe von Flip-Flop Baustein erfolgen ( Abbildung 14 ^[13] )

Mit der Operation "Flipflop setzen rücksetzen" können Sie das Bit eines angegebenen Operanden abhängig vom Signalzustand an den Eingängen S und R setzen oder rücksetzen. Wenn der Signalzustand am Eingang S "1" und am Eingang R "0" ist, wird der angegebene Operand auf "1" gesetzt. Wenn der Signalzustand am Eingang S "0" und am Eingang R "1" ist, wird der angegebene Operand auf "0" zurückgesetzt.

Der Eingang R dominiert den Eingang S. Bei einem Signalzustand "1" an beiden Eingängen S und R wird der Signalzustand des angegebenen Operanden auf "0" zurückgesetzt. Bei einem Signalzustand "0" an beiden Eingängen S und R wird die Operation nicht ausgeführt. Der Signalzustand des Operanden bleibt in diesem Fall unverändert. Der aktuelle Signalzustand des Operanden wird auf den Ausgang Q übertragen und kann an diesem abgefragt werden.

Programmierung des induktiven Sensors

Aufbauend auf der Arbeit vorherigen Gruppe, wo die Ausgänge und die Grundbausteine der Ampel definiert wurden, wurden die Bausteine für die Sensoren erweitert und programmiert. Bei der Programmierung der Bausteine wurde an der Programmierung von der vorherigen Gruppen orientiert. Die Programmierung der induktiven Sensoren wurde ausgelegt, dass bei der Erkennung eines Fahrzeugs das Signal vom Sensor an die SPS Anlage geschickt, wo bestimmte Bedingungen geprüft werden, ob der Merker jetzt angeschaltet werden soll oder nicht. Wenn der Zeit Intervall zwischen den bestimmten Werten liegt, wird der Merker getriggert und die Ampel schaltet auch zusätzlich auf Gelb, bis die Ampel auf Grün schalten kann. Die Programmierung des Netzwerks dient für einen normalen Ablauf und einer normalen Schaltung der Ampel, wenn ein Signal ankommt oder nicht.

Es wurde einen zusätzlichen Netzwerk (Abb.10) eingefügt, für die Erkennung der Funktionalität des Sensors. Bei der roten Phase der Ampel schaltet die gelbe Leuchte lange, wenn ein Fahrzeug erkannt wird. Allerdings blinkt nur die gelbe Leuchte ganz kurz bei der grünen Phase der Ampel ,wenn ein Fahrzeug erkannt wird bzw. vorbeifährt. Die Rücksetzung des Zählers beim Programm konnte mit Hilfe von Flip-Flop Baustein erfolgen. Die Funktionalität des Sensors wurde so ausgelegt, dass bei dem Empfang eines Signals des

Programmierung vom induktiven Sensors.png

Programmierung des kapazitiven Sensors

Es wurde für die kapazitiven Sensoren ein effizientes und praktisches Konzept entwickelt, in dem die Variablen des kapazitiven Sensors bei dem Taster Netzwerk integriert werden. Durch die ODER-Gate schaltet die Fußgängerampel bei Fußgänger und Fahrradfahrer auf Grün bzw. bei einem Signal kapazitiven Sensor oder dem Taster an der Ampel. Bei der Programmierung wurde an der Programmierung von der vorherigen Gruppe orientiert, wo wir uns für eine Schnelle und effektive Lösung für die Integration des Sensors in der Ampelanlage entschieden haben. Die Sensor Variable wurde im Netzwerk des Fußgänger-Tasters gespeichert. Dieses Konzept dient dazu, dass wenn ein Signal vom Taster oder vom kapazitiven Sensor ankommt, die Fußgänger Ampel, die auch für den Radweg da ist, auf grün schaltet. Wie bei dem induktiven Sensor werden hier Bedingungen geprüft, sobald das Netzwerk durchgeführt wird. Die Fußgängerampel auf der Bundesstraße. Sie schaltet grün wenn:

- eine Grünanforderung mittels Tastsignal oder des kapazitiven Sensors von einem Fußgängerüberweg der Bundesstraße eingegangen ist,

- der Zählwert zwischen 61 und 96 liegt.

Einbindung des IR-Sensors

Im Wintersemester 2022/23 erfolgte die Einbindung des IR(Infrarot)-Sensors an die Ampelanlage. Grundidee war es, einen Krankenwagen mittels IR-LED auszurüsten und ebendieses Signal über einen entsprechenden IR-Empfänger aufzunehmen. Die Ampelanlage sollte derart umprogrammiert werden, dass wenn der Krankenwagen in die Nähe der Ampel fährt, die Straße auf der der Krankenwagen sich befindet (Bundesstraße oder Hauptstraße) sofort Grün bekommt, und die andere Straße Rot. Somit soll der Krankenwagen im Notfall eine Ampel sicherer und schneller überqueren können. Zur Einbindung dieser Funktion sind folgende Dinge zu beachten:

Um ein stabiles IR-Signal übertragen zu können, muss die IR-LED mit einer entsprechenden Frequenz gepulst senden, die Frequenz ist abhängig vom jeweiligen Empfängermodul. Die meisten IR-Empfängermodule sind auf Frequenzen im Bereich 34-58 kHz ausgelegt. Unser Modul war laut Datenblatt auf 56kHz ausgelegt, bei Austestungen ergab sich, dass ein weiter Toleranzbereich gegeben ist (bis knapp 40kHz konnte noch ein Signal empfangen werden, aber nur sehr unzuverlässig). Die Frequenzgebung wurde mittels NE555 als astabile Kippstufe und einem Frequenzgebermodul (siehe Einkaufsliste IR-Sensor und Abbildungen 20 und 21) realisiert. Das Multisim Modell im Unterkapitel "Krankenwagen" gibt Aufschluss über die korrekte Verdrahtung.

Das Empfängermodul durfte bis max. 5V betrieben werden. Es sendet am Ausgangspin auch nur ein Signal von max. 5V wenn es etwas empfangen hat. Man kann den Ausgangspin dieses Empfängers nicht einfach an die SPS anschließen, da die SPS jegliche Spannungen bis 5V als "LOW" Signal interpretiert. Somit besteht hier Bedarf nach einer OPV Schaltung (Operationsverstärker, wir benutzten den LM358), um die Ausgangsspannung zu verstärken. Das zugehörige Multisim Modell ist in Abbildung 23 zu sehen.

Die bisherigen Funktionen der Ampelanlage sollten beibehalten werden. Dadurch ergibt es nur Sinn, das bestehende Programm beizubehalten und möglichst wenige softwaretechnische Änderungen vorzunehmen. Bei Austestungen ergab sich, dass es am elegantesten wäre, eine derartige Schaltung zu realisieren, dass wenn der Krankenwagen vorbeifährt ein "HIGH"-Signal (!über 5V) für einen Zeitraum von 10 Sekunden gehalten wird. Diese Schaltverzögerung/Hysterese wäre im TIA-Portal deutlich komplexer umzusetzen gewesen. Also wurde hinter die OPV-Schaltung nochmals ein NE555 als monostabile Kippstufe realisiert (siehe Abbildung 23).

Abbildung 23: Multisim Modell der OPV Schaltung

Der Krankenwagen

Der Krankenwagen wurde mittels 3D-Druck realisiert. Dadurch konnten die Abmessungen nach Belieben gewählt werden. Damit die Räder sich drehen wurde auf Gewindeeinsätze zurückgegriffen. Seitlich befindet sich ein Loch für die IR-LED, oben sind ein Schalter sowie 2 blaue LEDs angebracht. Als Spannungsversorgung dient eine 9V Batterie. Wird der Schalter umgelegt, so leuchten die blauen LEDs und die IR-LED auf. Die blauen LEDs dienen lediglich der Verifizierung, dass der Krankenwagen eingeschaltet ist und die IR-LED in einer Frequenz von ca. 56kHz sendet. Ohne die blauen LEDs gäbe es kein visuelles Signal, dass die IR-LED sendet. Man müsste immer wieder mit einer Kamera (bspw. die auf dem eigenen Smartphone) überprüfen, ob die IR-LED auch tatsächlich sendet. In Abbildung 27 ist die Verschaltung innerhalb des Krankenwagens zu sehen. Der Ausganspin der Verschaltung geht in das (in der Stückliste aufgeführte) Frequenzgeneratormodul. Ebendieses Frequenzgeneratormodul ist auf 56kHz eingestellt.

Softwareanpassungen für den IR-Sensor

Der IR-Sensor wurde an der Bundesstraße angebracht (BIRS2). Wenn [(M2 und Ampel-Hauptstraße-Rot) oder BIRS2] aktiv sind, dann schaltet die Ampel an der Bundesstraße auf Grün. Also wenn ein Signal vom IR-Sensor empfangen wurde, unabhängig davon in welchem Merker das Programm sich gerade befindet. (Abbildung 30)

Nun muss allerdings noch die Ampel auf der Hauptstraße auf ROT geschaltet werden. Dies erfolgt in Abbildung 29. Die Erweiterung funktionierte analog zur vorherigen: Hinter die bisherigen Bedingungen (M1 UND HA-Grün Nicht) wurde ein "ODER" mit BIRS2 gesetzt - "Wenn (... bisherige Bedingungen) ODER BIRS2 getriggert wurde" --> setze die Ampel auf der Hauptstraße auf Rot. Somit konnte die Funktion des Umschaltens der Ampel unabhängig von irgendwelchen Merkern oder zeitlichen Einschränkungen erfolgen.

Abbildung 28 zeigt die Bedingungen für ein Umschalten auf Gelb. - Auch hier musste BIRS2 eingebunden werden, da die Ampel ansonsten zyklisch weitergeschaltet hätte und es Phasen gegeben hätte, an denen an der Hauptstraße ROT konstant geleuchtet hätte und GELB immer wieder aufgeflackert wäre.

Komponententest

Die einzelnen Module bzw. Komponenten werden getestet
Inbetriebnahme der Komponenten
Fehlersuche und Korrektur
Programmverbesserung

Abnahmetest

Um die Ampelanlage zu testen bitte den Anweisungen im nebenstehenden Dokument folgen. (Dokument enthält 2 Seiten, bitte auf Bild klicken) Der Abnahmetest erfolgte am 5.01.23 durch eine zugeloste Gruppe. Diese Arbeitsanweisung ist als "kleine Version" oder "altrenativ-Version" zum vorgegebenen Abnahmetest in Excel-Form. Es ist jedoch kein falsches Dokument, da auch hier der korrekte Gebrauch dargestellt und beschrieben wird. Es handelt sich somit um einen ausformulierten Abnahmetest.

Der Abnahmetest in Form der Excel-Vorgabe findet man hier. Dieser Test ist spezifischer als die vorangestellte Arbeitsanweisung. Datei:Abnahmetest.xlsx

Ergebnisse

Durch das Praktikum Produktionstechnik konnte das Grundwissen für die SPS-Programmierung und die Funktionsweise des kapazitiven und induktiven Sensors verstanden werden. Im Zuge der Erweiterung um den IR-Sensor wurden Schaltungsaufbau und Simulation in Multisim wiederholt. Außerdem wurde der Umgang mit einem Oszilloskop zur besseren Schaltungsauslegung geübt. Die Gesamtaufgabe des Praktikums war das Ausrüsten der Ampelanlage mit drei verschiedenen Sensoren ( kapazitiven, induktiven und IR). Die induktiven Sensoren erkennen sofort jedes Fahrzeug, welches bei der Ampel anhält oder vorbeifährt. Die kapazitiven Sensoren erkennen sofort die Radfahrer und der Merker wird auf der Stelle getriggert. Die Ampelanlage erkennt zuverlässig, wenn ein Krankenwagen vorbeigefahren ist und schaltet die einzelnen Ampeln korrekt um.

Ausblick

Die Aufgaben einer potentiellen zukünftigen Gruppen wäre die Erweiterung der Ampelanlage um weitere Sensoren. Oder aber das Einprogrammieren weiterer Funktionen über die bestehenden Sensoren. Wenn eine Einbindung des IR-Sensors an alle 4 Seiten der Ampel erfolgen soll, so muss die Aufnahme für den IR-Sensor oder den IR-Sender (Krankenwagen) überarbeitet werden. Bei unseren Austestungen ergab sich, dass wenn 2 IR-Sensoren im 90° Winkel zueinander stehen (z.B. Haupt,- und Bundesstraße) und der Krankenwagen sendet, beide IR-Sensoren etwas Empfangen. Dies liegt am relativ weiten Streubereich des IR-Senders. Dagegen müsste als konstruktiv (z.B. 3D-Druck) eine Art Abfangschirm an den einzelnen IR-Sensoren realisiert werden.

Literatur

Weblink

Homepage von Festo

datasensing