Modulares mechatronisches Produktionssystem (MPS): Station Sortieren
Autor: Mareen Rehberg und Carolin Mohs
Autor: Dennis Weber und Daniel Klassen
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Göbel
Überblick
Die Station Sortieren [2] sortiert Werkstücke auf 3 Rutschen. Am Bandanfang eingelegte Werkstücke werden mit einem Reflex-Lichttaster erkannt.
Sensoren vor der Sperre erkennen die Werkstückeigenschaften (schwarz, rot, silber). Über Weichen, die mit Kurzhubzylindern über eine Umlenkmechanik bewegt werden, erfolgt das Sortieren der Werkstücke auf die entsprechenden Rutschen (siehe Abb.2). Eine Reflex-Lichtschranke überwacht den Füllstand der Rutschen.
Das Sortierband war bei Beginn des Praktikums im Wintersemester 22/23 voll funktionsfähig und die Software in Step7 programmiert. Im Rahmen des Praktikums sollten die SPS-Programme des Sortierbands und des sich vor diesem befindliche Transferbands im TIA-Portal umprogrammiert werden.
Inbetriebnahme
Als erstes wurde die Anlage nach Quickstart-Anleitung [3] der vorherigen Gruppenarbeiten gestartet. Folgende Schritte sind dort für die Station Sortieren vorgesehen. Da die Stationen Sortieren und Transferband 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 4374
- 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 (siehe Abb. 3) auf ca. 5bar aufdrehen, Druckminderer (siehe Abb. 4) an dem Transferband und Sortierband öffnen und prüfen ob ca. 4bar anliegen.   |
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 (siehe Abb. 5) einschalten, Schalter am Umrichter (vor der Anlage unten Links siehe Abb. 6) einschalten, SPS des Transferbands einschalten  |
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 (siehe Abb. 7) 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 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.
Manuelle Bedienung
Transferband und Sortieren zusammen
Die Bilder und manuelle Bedienung sind in der Beschreibung vorhanden [4].
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 Sortieren ist die nachfolgende Station von der Station Transferband. Nachdem die Teile über das Transferband gelaufen sind gehen sie über auf das Band der Station Sortieren, was das Band zum Laufen bringt.
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.
E/A-Adressen
Folgende Tabelle enthält die Ein- und Ausgangsadressen (exportiert aus dem TIA-Projekt).
| Name | Path | Data Type | Logical Address | Comment |
|---|---|---|---|---|
| Init_Pos | STEP7 classic symbols | Bool | %M74.1 | Grundstellung |
| K1 | STEP7 classic symbols | Bool | %A0.0 | Förderband an |
| Reset_OK | STEP7 classic symbols | Bool | %M74.2 | Merker Reset OK |
| S1 | STEP7 classic symbols | Bool | %E1.0 | Taster Start |
| Part_AV | STEP7 classic symbols | Bool | %E0.0 | Werkstück vorhanden |
| S4 | STEP7 classic symbols | Bool | %E1.3 | Taster Reset |
| T_Blink1 | STEP7 classic symbols | Timer | %T70 | Taktmerker Blinken 1Hz |
| 1B1 | STEP7 classic symbols | Bool | %E0.4 | Weiche 1 eingefahren |
| 1B2 | STEP7 classic symbols | Bool | %E0.5 | Weiche 1 ausgefahren |
| 1M1 | STEP7 classic symbols | Bool | %A0.1 | Weiche 1 ausfahren |
| 2B1 | STEP7 classic symbols | Bool | %E0.6 | Weiche 2 eingefahren |
| 2B2 | STEP7 classic symbols | Bool | %E0.7 | Weiche 2 ausgefahren |
| 2M1 | STEP7 classic symbols | Bool | %A0.2 | Weiche 2 ausfahren |
| 3M1 | STEP7 classic symbols | Bool | %A0.3 | Stopper einfahren |
| B2 | STEP7 classic symbols | Bool | %E0.1 | Werkstück Metall |
| B3 | STEP7 classic symbols | Bool | %E0.2 | Werkstück nicht schwarz (rot) |
| B4 | STEP7 classic symbols | Bool | %E0.3 | Rutsche voll |
| CycleEnd | STEP7 classic symbols | Bool | %M74.3 | Merker Zyklus beendet |
| Em_Stop | STEP7 classic symbols | Bool | %E1.5 | Not-Aus |
| F_Start | STEP7 classic symbols | Bool | %M74.0 | Merker Start |
| IP_N_FO | STEP7 classic symbols | Bool | %A0.7 | Station belegt |
| P1 | STEP7 classic symbols | Bool | %A1.0 | Leuchtmelder Start |
| P2 | STEP7 classic symbols | Bool | %A1.1 | Leuchtmelder Reset |
| S2 | STEP7 classic symbols | Bool | %E1.1 | Taster Stop |
| S3 | STEP7 classic symbols | Bool | %E1.2 | Taster Richten / Reset Button |
| delay1 | STEP7 classic symbols | Bool | %M74.6 | Verzögerungsmerker |
| Init_Bit | STEP7 classic symbols | Bool | %M74.5 | Merker Initialisierung |
| T_Blink2 | STEP7 classic symbols | Timer | %T71 | Taktmerker Blinken 2Hz |
| P3 | STEP7 classic symbols | Bool | %A1.2 | Leuchtmelder Q1 |
Programmstruktur
Da das Step7 Programm, mit welchem die Station Sortieren bisher lief, lauffähig war konnte sich bei der Programmierung des Programmes der Station im TIA-Portal soweit es ging an dem Step7 Programm orientiert werden. Abbildung 8 zeigt die Programmblöcke. Folgende Tabelle bezieht sich auf Abbildung 8 und erläutert die Funktionen der einzelnen Blöcke.
| Programmbaustein | Funktion | Programmiersprache |
|---|---|---|
| P_Init [OB100] | Zurücksetzen aller Ausgangsbytes und Setzten des Initialisierungs-Merkers. Ein OB100 (Organisationsbaustein 100) wird einmalig beim (Neu-)Start und noch vor dem MainOB (OB1) ausgeführt. | KOP/FUP |
| P_Org [OB1] | Haupt (Main) Baustein. Ruft alle FCs und FBs auf. Abfrage der Grundstellung. | KOP/FUP |
| P_EmBlink74 [FC74] | Programmierung der Taktmerker für Meldeleuchten bei Not-Aus | KOP/FUP |
| P_EmS71 [FC71] | Rücksetzten von Ausgangsbytes und Merkern bei Not-Aus | KOP/FUP |
| P_Stop72 [FC72] | Rücksetzten von Ausgangsbytes und Merkern bei Stopp | KOP/FUP |
| P_Auto70 [FB70] | Schrittkette gemäß PAP | Graph |
| P_A70D [DB70] | Datenbaustein für FB70 | - |
Bei der Programmierung der Schrittkette wurde sich an der vorhandenen Schrittkette aus dem S7-Programm orientiert. Abbildung 9 zeigt die Schrittkette aus dem FB70. S1 ist der Initialisierungsschritt in dem die Schrittkette startet. Im rechten Zweig, beginnend mit der Transition T1, befindet sich die Abfrage, dass die Station nicht resetet ist. In diesem Fall leuchtet die Reset Leuchte (S2). Wenn dann die Reset Taste betätigt wird (S2), verfahren die Aktuatoren in die Grundstellung (S3). In T3 wird die Grundstellung durch die Reed-Kontakte an den Zylindern, überprüft. In S4 wird der Merker, dass der Reset erfolgreich war gesetzt und in den S5 (Grundstellung OK) gesprungen. Dann wird abgefragt, ob die Lampe P1 (Start) schon leuchtet (T8) oder nicht (T6). Wenn sie bereit leuchtet, läuft das Band bereits und S6 (Förderband starten) und T7 (Förderband läuft) können übersprungen werden. In S7 wird sichergestellt dass die Rutschen frei sind. Im Abzweig mit den Transitionen T13 (Rutsche nicht voll) und T9 (Rutsche voll) wird abgefragt, ob die Rutschen voll sind. Falls die Rutsche voll ist, wird so lange gewartet bis die Rutsche geleert wurde (T10) und es wird zurück in S7 gesprungen. Falls die Rutschen nicht innerhalb einer bestimmten Zeit geleert werden, schaltet die Anlage auf Stopp (T12). Falls T13 (Rutsche nicht voll) erfüllt ist wird in S10 ein Merker, dass die Station belegt ist resetet. In T14 wird überprüft, ob sich ein Teil in der Lichtschranke am Anfang des Bandes befindet. Dann fährt der Kolben gegen den Stopperzylinder (S11). In T15 wird der Fall abgefangen, dass der Kolben während der Erkennung entnommen wird. In S12 wird 2 Sekunden gewartet, damit der Reflexionssensor die Zeit hat zu bestimmen, um welche Farbe es sich bei dem Kolben handelt. Je nach dem ob ein roter (T17), ein silberner (T20) oder ein schwarzer (T23) Kolben vorliegt, wird die entsprechende Weiche ausgefahren, um die Kolben auf die richtige Rutsche zu befördern. Die Farberkennung erfolgt über die Lichtreflexion des entsprechenden Kolbens und einen induktiven Sensor. Wenn der induktive Sensor ein metallisches Material erkennt, kann rot und schwarz ausgeschlossen werden, da nur der silberne Kolben eine dünne metallische Beschichtung besitzt. Der rote Kolben reflektiert mehr Licht als der schwarze, weshalb bei einer hohen Reflexion und keinem Signal des induktiven Sensors von einem roten Kolben ausgegangen werden kann. Am Beispiel des roten Kolbens wird zuerst die Weiche ausgefahren (S14) und anschließend die Endlage dieser überprüft (T18). Dann wird der Stopper Zylinder, der den Kolben bis jetzt aufgehalten hat, eingefahren (S15). In T19 wird überprüft, ob das Teil in der Rutsche angekommen ist. In S19 werden alle Aktuatoren zurück in die Grundstellung gefahren und es wird an den Anfang (S5) der Schrittkette gesprungen, um ein weiteres Teil abzugfertigen (siehe Abb. 9 & Abb. 10).
Ausblick
Da die Programmierung der SPS-Software im TIA-Portal 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 Sortierband
1. Das Blinken der Tasten auf dem Bedienpanel müssen im SPS-Programm noch angepasst werden.
Unterlagen
Die Unterlagen zur Station Sortieren befinden sich gesammelt in SVN.
Aktuelle Dokumentation liegt im Unterordner Wintersemester 2022-23.
Das SPS-Programm geschrieben im TIA-Portal liegt hier im SVN.
Literatur
- ↑ Datei: Datei:Sortieren Programmablaufplan.zip (Originaldatei)
- ↑ Funktion: Datei:Handbuch Sortieren.pdf (Originaldatei), Festo Didactic GmbH & Co. KG, mitgeliefert bei Auslieferung des Produktionssytems
- ↑ Funktion: Datei:Quick-Start-Anleitung MPS500.pdf (Originaldatei), Studentenarbeit im GPE Praktikum, erstellt bei vorheringen Gruppenarbeiten
- ↑ Datei: Datei:Manuelle Bedienung MPS.pdf