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Berufsbildende Schulen Technikerschule Elektrotechnik Friedenstraße Fachrichtung Wilhelmshaven Information und Kommunikation Wilhelmshaven 2007

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Berufsbildende Schulen Technikerschule Elektrotechnik Friedenstraße Fachrichtung Wilhelmshaven Information und Kommunikation

Wilhelmshaven 2007

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen

Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort 1 1.1 Einleitung 2 1.2 Das Team 3

2 Projektablauf 4 2.1 Pflichtenheft 4 2.2 Zeitplan 5 3 Sicherheitshinweise 6 3.1 Allgemein 6 3.2 Elektrik 6 3.3 Pneumatik 6 3.4 Mechanik 6 4 Beschreibung und Eigenschaften der

verwendeten Soft- und Hardware 7 4.1 Software 7 4.2 Hardware 8 4.3 Stromversorgungsbaugruppe PS 307 9 4.4 Zentralbaugruppe CPU 315-2 DP 10 4.5 Elemente der CPU 11 4.5 Digitale Eingabebaugruppe SM 321 12 4.6 Digitale Ausgabebaugruppe SM322 13 4.7 Analogein/ausgabebaugruppe SM 334 14 4.8 Simulatorbaugruppe SM 374 15 4.9 MPI Schnittstelle 16 5 Technische Daten der verwendeten

Hardware 17 5.1 Stromversorgungsbaugruppe PS 307 17 5.2 Zentralbaugruppe CPU 315-2 DP 18 - 19 5.3 Digitale Eingabebaugruppe SM 321 20 5.4 Digitale Ausgabebaugruppe SM 322 21 5.5 Analogein/ausgabebaugruppe SM 334 22 5.6 Simulatorbaugruppe SM 374 23

Projekt 2007

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6 Erstellung der Anwendersoftware 24 6.1 Strukturierte Programmierung 24 6.2 Organisationsbaustein (OB) 24 6.3 Funktionsbaustein (FB) 24 6.4 Funktion (FC) 24 6.5 Datenbaustein (DB) 24 6.6 Systemfunktionsbaustein (SFB) 25 6.7 Systemfunktion (SFC) 25 6.8 Systembaustein (SDB) 25 7 Programmieren in Step 7 26 - 27 7.1 Programmablauf 27 7.2 Anwenderprogramm Station Prüfen 28 - 48 8 Analogwertverarbeitung 49 8.1 Einleitung 49 8.2 Beispielprogramm 50 - 51 9 Funktionsbeschreibung 52 9.1 Einleitung 52 9.2 Richtvorgang 52 9.3 Schrittbetrieb 52 9.4 Automatikbetrieb 53 - 54 9.5 Stop-Funktion 55 9.6 Not-Aus-Funktion 55 9.7 Erstinbetriebnahme 56 10 PROFIBUS 57 10.1 Protokollarchitektur 58 10.1.1 Profibus - FMS 58 10.1.2 Profibus - DP 58 10.1.3 Profibus - PA 58 10.2 Profibus Aufbau 59 10.3 Profibus - DP 60 10.4 Profibus Gerätetypen 61 10.4.1 DP Master (Klasse 1) 61 10.4.2 DP Slave 61 10.4.3 DP Master (Klasse 2) 61 10.4.4 DP Konfigurationsgeräte 61 10.5 Anlegen eines Profibus Projektes 62 - 66 10.6 Profibus Erweiterung 67

Projekt 2007

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11 WinCC 68 11.1 Allgemein 68 11.2 Anlegen eines Projektes mit WinCC 68 11.3 Visualisierungsansicht für die Station Prüfen 69 12 Bedienungsanleitung 70 13 Probleme 71 14 Quellen 72 15 Schriftliche Erklärung zur selbstständigen Arbeit 73 16 Schlusswort 74 17 Abbildungsverzeichnis 75 I Anhang 76 II Mechanischer Aufbau 76 III Mechanischer Aufbau Seitenansicht 77 IV Schaltpläne 78 V Aufbauplan 78 VI Stromlaufplan Einspeisung 79 VII Stromlaufplan Not-Aus 80 VIII Stromlaufplan Versorgung SPS 81 IX Stromlaufplan SPS Eingänge 82 - 83 X Stromlaufplan SPS Ausgänge 84 - 85 XI Stromlaufplan Analog Potentiometer 86 XII Stromlaufplan Bedienpult 87 XIII Verbindungsplan SPS Board 88 XIV Pneumatikplan 89 - 90 Projekt 2007

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen 1 Vorwort

Liebe Leserinnen und Leser,

Als angehende Elektrotechniker - Fachrichtung Information und Kommunikation an der Berufsbildenden Schule Friedenstrasse in Wilhelmshaven erstellten die Autoren, im Rahmen einer Projektarbeit, diese schriftliche Dokumentation. Es wird Ihnen ein Einblick in die Entwicklung, den Aufbau und die Realisierung eines Projektes gegeben. Weiterführend erhalten die Leserinnen und Leser Informationen und technische Details aus der Automatisierungstechnik, hier speziell Speicher Programmierbare Steuerungen. Anhand von Beispielen können versierte Interessenten kleine Programme selbst erstellen und testen.

Die Autoren wünschen viel Spaß beim Lesen

Andreas Brandt Jens Stuckas

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1.1 Einleitung

Mit zunehmender Entwicklung von Relais - und Schützsteuerungen in der Industrie wurden diese immer größer und dadurch auch anfälliger für Fehler. In diesem Zusammenhang entstanden die ersten Konzepte einer Speicher Programmierbaren Steuerung ( SPS ). Geschichtlich liegt der Ursprung in den Anfängen der 70´ziger Jahre in den USA. In Europa hielten die ersten Steuerungen um 1972 Einzug. Die Aufgaben umfassen den Betrieb von Maschinen, Vorrichtungen und Prozessen sowie das beeinflussen, überwachen von Automatisierungsabläufe und diese einzuleiten und zu beenden. Es kann gesagt werden, dass es sich im Prinzip um ein Gerät handelt, dass über spezielle Ein - und Ausgabeschnittstellen Fertigungsprozesse steuert. Eine robuste Ausführung, vielfältige Erweiterungskomponenten und eigene Softwaretools sind nur ein paar Merkmale, die eine SPS auszeichnen. SIEMENS, MITSUBISHI, AEG oder ROCKWELL sind heutzutage führende Hersteller dieser Geräte. Um die komplexe Verarbeitung, Programmierung einer Speicher Programmierbaren Steuerung zu verstehen, sind Kenntnisse aus der Elektrotechnik sowie Digitaltechnik von Nöten. Das in dieser Dokumentation vorgestellte Projekt bezieht sich auf das Programmieren mit der SIMATIC S7 - 300. Auf grundlegenden Funktionen, Anweisungen und Handhabungen in der Programmierung wird nicht tief greifend eingegangen.

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1.2 Das Team

A. Brandt J. Stuckas

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Mit Beginn der Projektphase, wurden die einzelnen Teilbereiche unter den Teammitgliedern besprochen und sinnvoll nach dem jeweiligen Kenntnisstand aufgeteilt. Hierbei stand zu jeder Zeit das Projekt im Mittelpunkt. Herr A. Brandt war verantwortlich für die Programmierung und Herr J. Stuckas erstellte die Dokumentation. Auch wenn hier eine Aufgabenverteilung vorlag, wurde bei Problemlösungen, Erstellung der Dokumentation sowie der Programmierung die Zusammenarbeit praktiziert.

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2 Projektablauf

2.1 Pflichtenheft

Bevor die Station 'Prüfen' ihren Verarbeitungsprozess starten kann, soll von der Station 'Verteilen' das Werkstück durch einen Schwenkarm übergeben werden. Dieses Werkstück soll auf den Hubtisch gelegt werden. Je nach Material des Werkstückes, sollen die unterschiedlichen Näherungsschalter (induktiver, kapazitiver und optischer) angesprochen werden. Der Hubtisch fährt bis an den magnetischen bzw. induktiven Näherungsschalter (Endlage „Oben“) heran. Dort soll durch einen analogen Messvorgang die Stärke des Werkstücks bestimmt werden. Befindet sich ein Werkstück mit der richtigen Höhe auf dem Hubtisch wird der Ausstoßzylinder, der sich am Hubtisch befindet, angesprochen und übergibt dieses Werkstück über die Rutsche an die Station „Bearbeiten“. Wird bei der Analogmessung eine zu geringe Höhe festgestellt, soll das Werkstück zwar weitergegeben werden, aber als Ausschuss „markiert“ werden. Befindet sich nach der Messung ein zu hohes Werkstück auf dem Hubtisch, dann soll der Tisch wieder nach unten fahren und der Ausstoßzylinder soll das Werkstück in die untere Rutsche ablegen, auf der sich bis zu 3 Teile ansammeln können.

Profibus Unter Verwendung des Profibus, soll eine Vernetzung der Station 1 bis 4 erstellt werden. Die Konfigurationsparameter für die Programmierung sind frei wählbar, da keine explizite Aufgabenstellung vorhanden ist.

WinCC Unter Verwendung der Visualisierungssoftware (WinCC 5.1) soll eine einfache grafische Bedien- und Beobachtungsplattform für die Station „Prüfen“ erstellt werden.

Projekt 2007 Seite 4

Abb.1 Werkstück Abb.2 Hebearm Abb.3 Näherungs- Abb.4 Messvorgang Abb.5 Obere Rutsche von Station 1 schalter

Abb.6 Rundteller Abb.7 Obere und Station 3 untere Rutsche

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2.2 Zeitplan

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3 Sicherheitshinweise

!Folgende Hinweise sollten Sie im Interesse Ihrer eigenen Sicherheit beachten!

3.1 Allgemein:

• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Elementen, insbesondere auch alle Hinweise zur sicheren Handhabung

3.2 Elektrik:

• Herstellen bzw. abbauen von elektrischen Verbindungen nur im Spannungslosen Zustand

3.3 Pneumatik:

• Überschreiten Sie nicht den zulässigen Druck von (8 bar)

• Schalten Sie die Druckluft erst ein, wenn Sie alle Schlauchverbindungen hergestellt und gesichert haben

• Seien Sie beim Einschalten der Druckluft besonders vorsichtig. Zylinder können selbsttätig aus- oder einfahren

3.4 Mechanik:

• Greifen Sie nur im Stillstand; respektive im Spannungslosen Zustand in die Station

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4 Beschreibung und Eigenschaften der verwendeten Soft- und Hardware

4.1 Software Simatic S7 V5.1 + SP6

Beschreibung

Simatic S7 ist eine Programmiersoftware zum Programmieren und Projektieren von SIMATIC Controllern. Sie unterstützt den Anwender in allen Phasen des Erstellungsprozesses von Automatisierungslösungen, z.B.:

• Einrichten und Verwalten von Projekten

• Konfigurieren und Parametrieren von Hardware und Software

• Verwaltung von Symbolen

• Programmerstellung für Simatic S7 Zielsysteme

• Test der Automatisierungsanlage

• Diagnose bei Anlagenstörungen

S7 Professional besteht aus

• dem Step 7 - Basispaket mit den bewährten Programmiersprachen KOP, AWL und FUP

• S7 - GRAPH zur graphischen Schrittkettenprogrammierung,

• S7 – SCL, die Hochsprache, mit der selbst komplexeste Aufgaben problemlos zu bewältigen sind und

• S7 – PLCSIM zur offline – Simulation der Automatisierungslösung

Eigenschaften

• STEP 7 Professional enthält alle Programmiersprachen, die dem internationalen Standard IEC 61131-3 entsprechen.

• Mit STEP 7 Professional können sowohl die SPS basierten Controller SIMATIC S7 und C7 als auch der Controller für PC – based Automation SIMATIC WinAC projektiert und programmiert werden.

• Der Anwender ist damit frei in der Auswahl seiner Hardwareplattform und nutzt auch bei gemischten Konfigurationen die gleiche Software.

• STEP 7 Professional ist ablauffähig unter den Betriebssystemen MS Windows 95/98/Me/NT 4.0/XP Professional und ist an deren grafische und objektorientierte Arbeitsweise angepasst.

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4.2 Verwendete Hardware

• Die S7 300 Hardwarekomponenten sind auf eine Profilplatte montiert.

• Die S7 wird zur Entwicklung für Programmabläufe verwendet.

Auf einer Hutprofilschiene sind die Hardwarekomponenten der einzelnen Steuerungsgruppen in Modulbauweise montiert. Dieses macht die Behebung von Störungen leichter. Unterhalb sind die E/A Anschlüsse für die Verbindung zum Tisch Prüfen.

Abb.8 Module der SPS

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4.3 Stromversorgungsbaugruppe PS 307

Beschreibung

Die Stromversorgungsbaugruppe erzeugt aus der Netzspannung die Spannung für die elektronischen Baugruppen des Automatisierungsgerätes. Die Höhe dieser Spannung beträgt 24 V Gleichspannung. Spannungen für Signalgeber, Stellgeräte und Leuchtmelder, die über 24 V liegen ( 24...220 V ), liefern zusätzlich dafür vorgesehene Netzgeräte bzw. Steuertransformatoren.

Eigenschaften

• Ausgangsstrom 2 A

• Ausgangsnennspannung DC 24 V, geregelt, kurzschluss und leerlauftest

• Anschluss an einphasiges Wechselspannungsnetz

• sichere elektrische Trennung

• kann als Laststromversorgung verwendet werden

Abb.9 Stromversorgungsbaugruppe PS 307

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4.4 Zentralbaugruppe CPU 315-2 DP

Beschreibung

Die von den Signalen kommende Spannung wird auf die Anschlussleiste der Eingabebaugruppe geschaltet. In der CPU (Zentralbaugruppe) bearbeitet der Prozessor das im Speicher stehende Programm und fragt dabei ab, ob die einzelnen Eingänge des Gerätes Spannung führen oder nicht. Abhängig von diesem Zustand an den Eingängen und von dem im Speicher stehenden Programm weist der Prozessor die Ausgabebaugruppe an, auf die entsprechenden Anschlüsse der Anschlussleiste Spannung zu schalten. Wiederum abhängig vom Spannungszustand an den Anschlüssen der Ausgabebaugruppen werden die angeschlossenen Stellgeräte bzw. Leuchtmelder ein – oder ausgeschaltet.

Eigenschaften

DP Master *

48 kByte Arbeitsspeicher

80 kByte integrierter Ladespeicher RAM; erweiterbar mit Memory Card von 16 kByte bis 512 kByte, in der CPU programmierbar bis 256 kByte

Geschwindigkeit: ca. 0,3 ms pro 1000 Binäranweisungen

* Ein Master, der sich nach EN 50170 Volume 2 (europäische Feldbusnorm)

Profibus mit dem Protokoll DP verhält, wird als DP Master bezeichnet.

Abb.10 CPU 315-2 DP

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen 4.5 Elemente der CPU

-Hardware- oder Softwarefehler

-Busfehler (nur CPU`s mit DP-Schnittstelle)

-5V Versorgung für CPU und S7-300-Bus ist ok. -Force-Auftrag ist aktiv -CPU im RUN; LED blinkt im Anlauf mit 2 Hz; im HALT mit 0,5 Hz -CPU im STOP bzw. im HALT oder Anlauf;

LED blinkt bei Urlöschanforderung mit 0,5 Hz, während des Urlöschens mit 2 Hz.

BUSF -Hardwarefehler; Konfigurationsfehler, Kurz- schluß im Profibus

Betriebsart RUN -Die CPU bearbeitet das Anwenderprogramm Betriebsart STOP -Die CPU bearbeitet kein Anwenderprogramm Urlöschen -Tast-Stellung des Betriebsartenschalters für das Urlöschen der CPU. Das Urlöschen per Betriebs-

artenschalter erfordert eine spezielle Bedienungs- reihenfolge.

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SF BF DC5V FRCE RUN STOP

RUN STOP MRES

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4.6 Digitale Eingabebaugruppe SM 321

Beschreibung

Die Digitaleingänge formen die externen binären Signale aus dem Prozess in den internen Signalpegel des Automatisierungsgerätes um. Den Signalzustand der Eingänge zeigen grüne LED an. Die Eingänge der Baugruppen sind auch für den Anschluss von 2-Draht Näherungsschaltern geeignet.

Eigenschaften

• 16 Eingänge Potential getrennt in Gruppen zu 16

• Eingangsspannung DC 24 V

• geeignet für Schalter und 2-/3-/4-Draht – Näherungsschalter (Beros)

Abb.11 Digitale Eingabebaugruppe SM 321

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4.7 Digitale Ausgabebaugruppe SM 322

Beschreibung

Die Digitalausgänge formen den internen Signalpegel in die externen, für den Prozess benötigten Signalpegel um. Den Signalzustand der Ausgänge zeigen grüne LED an. Die Ausgänge der Baugruppen sind für den Anschluss von z.B. Magnetventilen, Schützen und Kleinmotoren innerhalb der zulässigen Daten geeignet.

Eigenschaften

• 16 Ausgänge potentialgetrennt in Gruppen zu 8.

• Ausgangsstrom 0,5 A

• Lastnennspannung DC 24 V

• Geeignet für Magnetventil, Gleichstromschütze und Meldeleuchten

Abb.12 Digitale Ausgabebaugruppe SM 322

Projekt 2007 Seite 13

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4.8 Analogein/ausgabebaugruppe SM 334

Beschreibung

Die Analogeingabebaugruppen formen die analogen Signale aus dem Prozess in die internen Signalpegel der Automatisierungsgeräte um. Diese Baugruppe ist für den Anschluss von Stromgebern geeignet. Die Signalleitungen werden mit den entsprechenden Frontsteckern angeschlossen. Sie lassen sich auf dem Beschriftungsfeld kennzeichnen. Die Baugruppen lassen sich mit dem Hardwarekonfigurator Der Programmiersoftware vollständig parametrieren. Eine hardwareseitige Konfigurierung ist nicht nötig.

Eigenschaften

• 4 Eingänge; 2 Ausgänge

• Auflösung 8 Bit

• Messbereich wahlweise von 0 bis 10 V oder von 0 bis 20 mA

• Ausgabebereich wahlweise von 0 bis 10 V oder von 0 bis 20 mA

• beliebige Wahl zwischen Spannung und Strom

• potentialgebunden zur CPU

• potentialgetrennt zur Lastspannung

Abb.13 Analogein/ausgabebaugruppe SM 334

Projekt 2007 Seite 14

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4.9 Simulatorbaugruppe SM 374

Beschreibung

Die Baugruppe wird anstelle einer Digitalein- oder Digitalausgabebaugruppe in die S7 – 300 montiert. Der Anwender hat damit die Möglichkeit, durch Setzen der Eingänge den Programmablauf zu beeinflussen. Die CPU liest die gesetzten Eingangssignalzustände der Simulatorbaugruppe und bearbeitet sie im Anwenderprogramm. Als Ergebnis werden die Ausgangssignalzustände an die Baugruppe gesandt und dort über LED's angezeigt. Sie erlauben Rückschlüsse über den Programmablauf.

Eigenschaften

• Zur Simulation von Gebersignalen über Schalter

• Simulation von 16 Eingängen oder 16 Ausgängen

• Zur Anzeige von Signalzuständen an Ausgängen über LED

• 8 Eingänge und 8 Ausgänge (mit jeweils der gleichen Anfangsadresse)

• Funktion mit Schraubendreher einstellbar

• Statusanzeige für die Simulation von Ein – oder Ausgängen

Abb.14 Simulatorbaugruppe SM 374

Projekt 2007 Seite 15

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4.10 MPI Schnittstelle

Beschreibung

Mehrpunktfähige Schnittstelle für Simatic S7. Programmiergeräteschnittstelle von Simatic S7. Sie ermöglicht den gleichzeitigen Betrieb von mehreren Programmiergeräten, Text Displays, Operator Panels an einer oder mehreren Zentralbaugruppen (CPU's). Mit dem MPI – Adapter kann man von einem PC oder einem Notebook aus mit der Programmiersoftware oder Visualisierungssoftware direkt über die serielle Schnittstelle auf S7 Steuerungen zugreifen. Der MPI – Adapter setzt die Daten von der RS232 – Schnittstelle auf den MPI – Bus um.

Die Übertragungsgeschwindigkeit der seriellen Schnittstelle wird automatisch erkannt, möglich sind 9,6 Kbit/s bis 19,2 Kbit/s. Die MPI Schnittstelle, die wir verwendet haben, arbeitet mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 19,2 Kbit/s.

Abb.15 MPI Adapter an USB Kabel Abb.16 MPI und Profibus Schnittstelle

Projekt 2007 Seite 16

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5 Technische Daten der verwendeten Hardware 5.1 Stromversorgungsbaugruppe PS 307

Projekt 2007 Seite 17

Maße und Gewicht

Abmessungen 50 x 125 x 120 B x H x T (mm) Gewicht ca. 420 g

Eingangsgrößen Eingangsspannung -Nennwert AC 120 V/230 V Netzfrequenz -Nennwert 50 Hz oder 60 Hz -zulässiger Bereich von 47 Hz bis 63 Hz Eingangsstrom Nennwert - bei 230 V 0,5 A - bei 120 V 0,8 A Einschaltstrom (bei 25°C) 20 A I²t (bei Einschaltstromstoß) 2,2 A²s

Ausgangsgrößen

Ausgangsspannung -Nennwert DC 24 V -zulässiger Bereich 24 V ± 5%, leerlauf- fest -Hochlaufzeit max. 2,5 s Ausgangsstrom -Nennwert 2 A nicht parallel- schaltbar

Kuzschlußschutz elektronisch, nicht spei- chernd von 1,1 bis 1,3 x

I N

Restwelligkeit max. 150 mVss

Kenngrößen

Schutzklasse nach I, mit Schutzleiter IEC 536 Bemessung der Isolation -Nennisolationsspannung (24 V gegen L1) AC 250 V -geprüft mit DC 2800 V Sichere elektrische nach DIN VDE 0106, Trennung Teil 101 Überbrückung von Netzausfällen (bei 93 V bzw. 187 V) min. 20 ms -Wiederholrate min 1 s

Wirkungsgrad 83 %

Leistungsaufnahme 58 W

Velustleistung typ. 10 W

Diagnose

Anzeige Ausgangs- ja, grüne LED spannung vorhanden

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5.2 Zentralbaugruppe CPU 315-2 DP

Projekt 2007 Seite 18

Leistungsmerkmale

Arbeitsspeicher 48 kByte Ladespeicher - integriert 80 kByte RAM - erweiterbar bis 512 kByte FEPROM (Memory Card); in CPU pro- grammierbar bis 256 kByte Geschwindigkeit ca. 0,3 ms pro 1000 Binäranweisungen Merker 2048 -Remanenz einstellbar von MB 0 bis MB 255 -voreingestellt 16 Merkerbytes rema- nent (von MB 0 bis MB 15) Zähler 64 -Remanenz einstellbar von Z 0 bis Z 63 -voreingestellt 8 Zähler remanent (von Z 0 bis Z 7) Zeiten (werden nur 128 im OB1Aktualisiert) -Remanenz einstellbar von T 0 bis T127 -voreingestellt keine Zeiten remanent Datenbereich, remanenter 8 DB`s, max. 4096 Datenbytes insgesamt remanent max. Summe aller 4736 Byte remanenten Daten

Taktmerker 8 (1 Merkerbyte); frei wählbare Adresse eines Merkerbytes (Merker, die zur Taktgewinnung im Anwender Programm genutzt werden können) Lokaldaten -insgesamt 1536 Byte -je Prioritätsklasse 256 Byte Schachtelungstiefe 8 je Prioritätsklasse; 4 zusätzliche inner- halb eines Syn- chronfehler OBs Digitale Eingänge 1024 Digitale Ausgänge 1024 Analoge Eingänge 128 Analoge Ausgänge 128 Prozessabbild 0 bis 127 -Eingänge E 0.0 bis E 127.7 -Ausgänge A 0.0 bis A 127.7 DP Adreßraum 2 kByte mit SFC 14 DPRD_DAT`, bzw. SFC 15 DPWR_DAT`davon 512 Byte mit Lade- und Transferbefehlen Baustein -OB`s 14 -FB`s 128 -FC`s 128 -DB`s 127 -SFC`s 40

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Projekt 2007 Seite 19

Uhr Hardware-Uhr Betriebsstundenzähler 1 -Wertebereich 0 bis 32767 Stunden -Granulariat 1 Stunde -remanent ja MPI - Teilnehmerzahl max. 32 Teilnehmer Übertragungsge- 187,5 kBaud schwindigkeit -Entfernung ohne Repeater 50 m mit 2 Repeatern 110 m mit 10 Repeatern in 9100 m Reihe DP - Schnittstelle -anschließbare DP - Slave 64 -Übertragungsgeschwindigkeit bis 12 MBaud -Entfernung abhängig von der Baudrate Ausbau max. 32 Baugruppen auf 4 Baugruppen- trägern

Technische Daten

Nennspannung DC 24 V(-10%/+15%) Stromaufnahme aus 24 V typ. 0,9 A (im Leerlauf) Einschaltstrom 8 A I²t 0,4 A²s Externe Absicherung für LS-Schalter, 2 A, Typ Versorgungsleitung B oder C (Empfehlung) Verlustleistung typ. 10 W Abmessungen B x H x T 80 x 125 x 130 (mm) Gewicht 0,53kg (ohne Memory Card und Pufferbatte- rie bzw. Akku) Pufferzeit mit Puffer- ca. 5 Jahre batterie Pufferzeit mit Akku für Echtzeituhr -bei 25° C typ. 120 h -bei 60° C typ. 60 h Ladezeit des Akku typ. 1 h

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5.3 Digitale Eingabebaugruppe SM 321

Projekt 2007 Seite 20

Maße und Gewicht

Abmessungen 40 x 125 x 120 B x H x T (mm) Gewicht ca. 200g

Baugruppenspezifische Daten

Anzahl der Eingänge 16 Leitungslänge -ungeschirmt max. 600 m -geschirmt max. 1000m

Spannungen, Ströme, Potentiale

Lastnennspannung L + DC 24 V -Verpolschutz ja Anzahl der gleichzeitig ansteuerbaren Eingänge -waagerechter Aufbau bis 60° C 16 -senkrechter Aufbau bis 40° C 16 Potentialtrennung -zum Rückwandbus ja (Optokoppler) -zwischen den Kanälen nein Zulässige Potentialdifferenz -zwischen den M-Anschlüssen - der Gruppen -zwischen Eingang (M-An- DC 75 V schluß) und zentralem Er- AC 60 V dungspunkt -Isolation geprüft mit DC 500 V Stromaufnahme -aus Rückwandbus max. 25 mA -aus L + max. 1 mA Verlustleistung der Baugruppe typ. 3,5 W

Status, Alarme, Diagnose

Statusanzeige ja, grüne LED pro Kanal Alarme nein Diagnosefunktionen nein Daten zur Auswahl eines Gebers

Eingangsspannung -Nennwert DC 24 V -für Signal 1 von 13 bis 30 V -für Signal 0 von -3 bis 5 V Eingangsstrom - bei Signal 1 typ. 7 mA Eingangsverzögerungszeit -parametrierbar nein -bei 0 nach 1 von 1,2 bis 4,8 ms -bei 1 nach 0 von 1,2 bis 4,8 ms Anschluß von 2-Draht-BEROs möglich -zulässiger Ruhestrom ≤ 1,5 mA

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen

5.4 Digitale Ausgabebaugruppe SM 322

Projekt 2007 Seite 21

Maße und Gewicht

Abmessungen 40 x 125 x 120 B x H x T (mm) Gewicht ca. 190g

Baugruppenspezifische Daten

Anzahl der Eingänge 16 Leitungslänge -ungeschirmt max. 600 m -geschirmt max. 1000m

Spannungen, Ströme, Potentiale

Lastnennspannung L + DC 24 V -Verpolschutz nein Summenstrom der Ausgänge (je Gruppe) -waagerechter Aufbau -bis 20 °C max. 4 A -bis 60 °C max. 2 A -senkrechter Aufbau bis 40 °C max. 2 A Potentialtrennung -zum Rückwandbus ja (Optokoppler) -zwischen den Kanälen ja In Gruppen zu 8 Zulässige Potentialdifferenz -zwischen den M-Anschlüssen DC 75 V der Gruppen AC 60 V -zwischen Eingang (M-An- DC 75 V schluß) und zentralem Er- AC 60 V dungspunkt -Isolation geprüft mit DC 500 V Stromaufnahme -aus Rückwandbus max. 80 mA -aus L + (ohne Last) max. 120mA Verlustleistung der Baugruppe typ. 4,9 W

Status, Alarme, Diagnose

Statusanzeige ja, grüne LED pro Kanal Alarme nein Diagnosefunktionen nein Daten zur Auswahl eines Aktors

Ausgangsspannung -bei Signal 1 min. L + (-0,8 V) Ausgangsstrom -bei Signal 1 Nennwert 0,5 A zulässiger Bereich von 5 mA bis 0,6 A -bei Signal 0 Reststrom max. 0,5 mA

Lastwiderstandsbereich 48 Ω bis 4 k Ω Ausgangsleistung -Lampenlast max. 5 W Parallelschalten von 2 Aus- gängen -für logische Verknüpfung möglich (nur Ausgän- ge der gleichen Grup- pe) -zur Leistungserhöhung nicht möglich Ansteuern eines Digital- einganges möglich Schaltfrequenz -bei ohmscher Last/Lam- penlast max. 100 Hz -bei induktiver Last max. 0,5 Hz nach IEC 947-5-1, DC 13 Begrenzung (intern) der induk- typ. L + (-48 V) tiven Abschaltspannung auf Kurzschlußschutz des Aus- ja, elektronisch ganges -Schaltschwelle typ. 1 A

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5.5 Analogein/ausgabebaugruppe SM 334

Projekt 2007 Seite 22

Daten zur Auswahl eines Gebers

Eingangsbereiche (Nenn- 0 bis 10 V/100 k Ω

werte)/Eingangswiderstand 0 bis 20 mA/50 Ω Zulässige Eingangsspannung 20 V für Spannungseingang (Zer- störgrenze) Zulässiger Eingangsstrom 40 mA für Stromeingang (Zerstör- grenze) Anschluß der Signalgeber -für Spannungsmessung möglich -für Strommessung als 2-Draht-Meßumformer nicht möglich als 4-Draht-Meßumformer möglich -für Widerstandsmessung nicht möglich Analogwertbildung für die Ausgänge

Auflösung (incl. Übersteu- 8 Bit erungsbereich Zykluszeit (alle Kanäle) 5 ms Einschwingzeit -für ohmsche Last 0,3 ms -für kapazitive Last 3,0 ms -für induktive Last 0,3 ms -Ersatzwerte aufschaltbar nein Störunterdrückung, Fehlergrenzen für die Ausgänge

Übersprechen zwischen den < 40 dB Ausgängen Gebrauchsfehlergrenze (im gesamten Temperaturbereich, bezogen auf Ausgangsbereich) -Spannung ± 0,6 % -Strom ± 1,0 %

Grundfehlergrenze (Ge- brauchsfehlergrenze bei 25 °C, bezogen auf Ausgangsbereich) -Spannung ± 0,4 % -Strom ± 0,8 % Temperaturfehler (bezogen auf ± 0,005 %/K Ausgangsbereich) Linearitätsfehler (bezogen auf ± 0,05 % Ausgangsbereich Wiederholungsgenauigkeit (im ± 0,05 % eingeschwungenen Zustand bei 25 °C, bezogen auf den Aus- gangsbereich Ausgangswelligkeit (bezogen ± 0,05 % auf den Ausgangsbereich) Daten zur Auswahl eines Aktors

Ausgangsbereiche (Nennwerte) 0 bis 10 V Bürdenwiderstand

-bei Spannungsausgängen min. 5 k Ω - kapazitive Last max. 1 Fµ

-bei Stromausgängen max. 300 Ω - kapazitive Last max. 1 mH Spannungsausgang -Kurzschlußschutz ja -Kurzschlußstrom max. 11 mA Stromausgang -Leerlaufspannung max. 15 V Anschluß der Aktoren -für Spannungsausgang 2-Leiteranschluß möglich 4-Leiteranschluß nicht möglich (Meßleitung) -für Stromausgang möglich 2-Leiteranschluß

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5.6 Simulatorbaugruppe SM 374

Projekt 2007 Seite 23

Maße und Gewicht

Abmessungen 40 x 125 x 110 B x H x T (mm) Gewicht ca. 190 g Baugruppenspezifische Daten

Simulation wahlweise von 16 Eingängen 16 Ausgängen 8 Ein- und Aus- gängen

Spannungen, Ströme, Potentiale

Stromaufnahme aus Rückwand- max. 80 mA bus Verlustleistung der Baugruppe typ. 0,35 W Status, Alarme, Diagnose

Statusanzeige ja, grüne LED pro Kanal Alarme nein Diagnosefunktionen nein

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen 6 Erstellung der Anwendersoftware 6.1 Strukturierte Programmierung

Das Programm unterteilt man bei umfangreichen Steuerungsaufgaben in kleine, überschaubare und nach Funktion geordnete Programmbausteine. Das hat den Vorteil, Programmteile einzeln austesten zu können und sie bei Funktionieren zu einer Gesamtfunktion zusammenzuführen. Step 7 bietet dafür folgende Anwenderbausteine an.

6.2 Organisationsbaustein (OB)

Ein OB wird vom Betriebssystem zyklisch aufgerufen und bildet die Schnittstelle zwischen Anwenderprogramm und Betriebssystem. Im OB wird dem Steuerwerk des Automatisierungsgeräts (AG) über Bausteinaufrufbefehle mitgeteilt, welche Programmbausteine es bearbeiten soll.

6.3 Funktionsbaustein (FB)

Der FB verfügt über einen zugeordneten Speicherbereich. Wenn ein FB aufgerufen wird, kann ihm ein Datenbaustein (DB) zugeordnet werden. Auf die Daten in diesem Instanz-DB kann über Aufrufe aus dem FB zugegriffen werden. Ein FB kann verschiedenen DBs zugeordnet werden. Weitere FBs und FCs können über Bausteinaufrufbefehle in einem Funktionsbaustein aufgerufen werden.

6.4 Funktion (FC)

Eine FC besitzt keinen zugeordneten Speicherbereich. Die lokalen Daten einer Funktion sind nach der Bearbeitung der Funktion verloren.

6.5 Datenbaustein (DB)

DBs werden verwendet, um Speicherplatz für Datenvariablen bereitzustellen. Es gibt 2 Typen von Datenbausteinen, Globale DBs, wo alle OBs, FBs und FCs die gespeicherten Daten lesen oder selbst Daten in den DB schreiben können, und Instanz-DBs, die einem bestimmten FB zugeordnet sind.

Projekt 2007 Seite 24

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Systembausteine für Standard- und Systemfunktionen Bei Systembausteinen handelt es sich um fertige Funktionen, die in der CPU hinterlegt sind. Diese Bausteine können vom Anwender aufgerufen und im Programm genutzt werden.

6.6 Systemfunktionsbaustein (SFB)

Im Betriebssystem der CPU hinterlegter und vom Anwender aufrufbarer Funktionsbaustein.

6.7 Systemfunktion (SFC)

Im Betriebssystem der CPU hinterlegte und vom Anwender aufrufbare Funktion.

6.8 Systembaustein (SDB)

Speicherbereich im Programm, der von verschiedenen STEP-7-Tools (z.B. S-7-Configuration, Communication Configuration …) erstellt wird, um Daten für das Automatisierungssystem zu speichern.

Welche Systembausteine zur Verfügung stehen, ist von CPU zu CPU verschieden und kann den STEP-7-Referenzhandbüchern entnommen werden.

Projekt 2007 Seite 25

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7 Programmieren in Step 7

Dem Anwender werden zur Programmierung folgende Werkzeuge, durch die Software Step7, zur Verfügung gestellt. - Projekt - Manager für das Verwalten von Projekten - Symbol - Tabelle zum Festlegen der globalen Variablen - Hardware - Konfiguration zum Parametrieren und Konfigurieren der

verwendeten Hardwarekomponenten - Online - Funktion zum Beobachten/Steuern von Variablen und zur

Diagnose von Fehlermeldungen - Programmiersprachen Anweisungsliste (AWL), Kontaktplan (KOP) und

Funktionsplan (FUP) - weiterhin wurde S7 - Graph installiert zum Erstellen einer Ablaufkette

Der Projekt - Manager

Abb.17 SIMATIC - Manager mit Objekthierarchie

Projekt 2007 Seite 26

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen

Dieses Projekt / Programm wurde in den Programmiersprachen FUP sowie Graph entwickelt und umgesetzt. Da durch die Übersichtlichkeit der Darstellung dieser Methoden eine einfache Programmierung und gute Fehleranalyse möglicht ist, fiel die Wahl auf FUP und Graph. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Abläufe leicht nachvollziehbar sind. Das Programm wurde auf einem handelsüblichen Computer entwickelt. Um dieses auf die verwendete CPU zu übertragen, ist ein Adapter zur Kommunikation notwendig gewesen. Die Wahl fiel auf das Multi Point Interface (MPI / USB), welches auch für die Software WinCC als Schnittstelle benötigt wurde.

Abb.18 MPI Adapter

7.1 Programmablauf

Das S7 - Programm ist modular aufgebaut, d.h. dass nur die Programmteile von der CPU abgearbeitet werden, welche aufgrund der Voreinstellung durch den Programmierer festgelegt wurden. In der nachfolgenden Grafik ist der Aufbau dargestellt und zeigt eine typische strukturierte Programmierung. Anschließend sind die einzelnen Bausteine mit Kommentaren aus dem entwickelten Programm eingefügt.

Abb.19 Strukturierte Programmierung

Projekt 2007 Seite 27

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7.2 Anwenderprogramm Station Prüfen

Auf den nachfolgenden farblichen Seiten ist das Anwenderprogramm mit den dazugehörigen Bausteinen hinterlegt. Hierzu gehören die Symboltabelle, der Organisationsbaustein, die einzelnen Funktionen sowie die Schrittkette in Graph. Hinweis: Abweichende Seitenzahlen sind durch Softwarebedingte Einschränkungen entstanden.

Projekt 2007 Seite 28

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen 8 Analogwertverarbeitung 8.1 Einleitung

Neben den binären Signalen von Schaltern spielen in der Steuerungstechnik auch die analogen Werte eines Prozesses eine wichtige Rolle. Analoge Signale zeichnen sich im Gegensatz zu den binären durch einen kontinuierlichen Wertebereich eines Signals innerhalb definierter Grenzen aus. Analoge Werte sind beispielsweise Spannung, Strom, Druck, Temperatur, etc. Zu Ihrer Erfassung bzw. Erzeugung werden analoge Baugruppen, Sensoren und Aktoren eingesetzt. Da eine SPS Steuerung aber nur mit digitalen Größen arbeiten kann, werden die benötigten Signale über einen Umsetzer in die entsprechende Richtung gewandelt:

Das Modul „Messen“ der Station Prüfen besteht aus einem analogen Sensor zur Dickenmessung der Werkstücke. Das Funktionsprinzip beruht auf einem Linearpotentiometer mit Spannungsteilerabgriff.

Der analoge Meßwert muß über eine SPS mit analogen Eingängen oder von einem AD-Wandler weiterverarbeitet werden.

Abb.20 Analog Sensor

Projekt 2007 Seite 49

Damit analoge Eingangsgrößen eines Prozesses von der SPS weiter verarbeitet werden können, benötigt man eine Baugruppe mit analogen Eingängen. Diese setzt die analogen Signale in die für die SPS interpretierbare binäre/duale/digitale Signale um.

Damit binäre Signale von der SPS in analoge Ausgangsgrößen umgewandelt werden können, benötigt man eine Baugruppe mit analogen Ausgängen. Diese setzt die binären Signale der Steuerung in den Prozess beeinflussende analoge Größen um.

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen 9 Funktionsbeschreibung 9.1 Einleitung

Die Funktionsbeschreibung zeigt dem Betreiber der Anlage einen nachvollziehbaren Prozessablauf. Weiterhin dient sie der Fehleranalyse bei auftretenden Störungen. Nachfolgend ist die Beschreibung in die Abschnitte Automatikbetrieb, Schrittbetrieb (Manuell), Richtvorgang, Not-Aus-Funktion und Stop-Funktion unterteilt.

9.2 Richtvorgang

Durch betätigen des Tasters „Richten“, fährt der Hubtisch nach unten bis an den Endlagenschalter heran. Es wird überprüft ob sich ein Werkstück auf dem Hubtisch befindet. Ist dies der Fall, fährt der Auswurfzylinder aus und das Werkstück wird in die untere Rutsche übergeben. Wenn sich kein Werkstück auf dem Hubtisch befindet, ist der Grundzustand hergestellt und die Anlage ist bereit (Taster „Start“ blinkt). Durch betätigen des Tasters „Start“ ist die Anlage betriebsbereit.

9.3 Schrittbetrieb

Durch Umlegen des Schalters „Automatik“ auf „Manuell“ wird der Station mitgeteilt, dass nach jedem Betätigen des Tasters „Start“ ein Schritt abgearbeitet wird. Es ist hilfreich den Online – Modus der Simatic - Software zu verwenden, um die Schrittkette zu verfolgen.

! Die Betriebsart „Manuell“ ist nur von Wartungstechnikern auszuführen !

Projekt 2007 Seite 52

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9.4 Automatikbetrieb

Um einen in der richtigen Reihenfolge ablaufenden Prozess zu beschreiben, muss vorher ein Grundzustand definiert werden. - Schalter steht auf Automatik / Eingang E1.3 nicht gesetzt - Anzeige „Automatik“ ist ein / Ausgang A5.3 ist gesetzt

Grundzustand: Der Hebetisch ist unten (E0.3) und es befindet sich kein

Werkstück in der Anlage (E0.0 - E0.2 nicht gesetzt). Dies ist gleichzeitig die Freigabe für die Station 1 zur Übergabe.

Bei der Übergabe des Werkstücks von der Station 1 auf den Hebetisch wird der Endlagenschalter „unten“ -2B2 angesprochen und der Eingang E 0.3 ist gesetzt. Die Sperrung für eine weitere Werkstückübergabe ist aktiv. Zudem ist der Auswerfzylinder -2B3 nicht ausgefahren. Dabei ist der Eingang E0.5 gesetzt. Durch die Näherungsschalter E 0.0/-2B5, E0.1/-2B6 und E 0.2/-2B7 wird erkannt welche Farbe das Werkstück hat und aus welchem Material es besteht. Sobald sich ein Werkstück im Hebetisch befindet, spricht der Näherungsschalter -2B6 an und setzt den Eingang E 0.1. Wurde ein rotes Werkstück übergeben, spricht zusätzlich der Näherungsschalter -2B5 an und setzt den Eingang E 0.0. Bei einem Werkstück aus Metall sprechen alle drei Schalter an. Hierbei sind dann die Eingänge E0.0 - E0.2 gesetzt. Ist das Werkstück schwarz ist nur der Eingang E0.1 gesetzt. Nach einer Zeitverzögerung von 2 sek. wird der Ausgang A4.1 gesetzt und der Hubtisch fährt in die obere Endlage. Hier wird der Endlagenschalter -2B1 angesprochen und der Eingang E0.4 wird gesetzt. Nach einer weiteren Zeitverzögerung von 500 ms beginnt das Einlesen des Analogwertes über den Sensor in den Eingang PEW 288. Das Ergebnis wird verglichen, zwischengespeichert und nach Übergabe an die Station 3 nach deren Rückmeldung beim Herunterfahren gelöscht. Das im Hebetisch befindliche Werkstück wird mit dem Auswerfzylinder -2B4 durch das Setzen des Ausgangs A4.2 ausgeworfen. Jedoch erfolgt dieses nur wenn eine Freigabe von der Station 3 vorhanden ist. Zur Demonstration ist diese Freigabe mit dem Eingang E12.0 ODER - verknüpft um eine Freigabe zu simulieren! Hat das Werkstück die Anlage verlassen, fährt der Auswerfzylinder in die hintere Endlage (E0.5 ist gesetzt).Jetzt wird der Ausgang A4.0 gesetzt und der Hebetisch bewegt sich wieder in die untere Endlage. Ist der Grundzustand erreicht, kann ein neues Werkstück übergeben werden.

Projekt 2007 Seite 53

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Wurde bei dem Einlesen des Analogwertes ein zu hohes Werkstück festgestellt, findet keine Übergabe an die Station 3 statt. Es wird stattdessen der Ausgang A 4.0 gesetzt und der Hebetisch bewegt sich in die untere Endlage. Dort angelangt wird der Auswerfzylinder durch das Setzen des Ausgangs A4.2 betätigt und das Werkstück ausgestoßen. Tritt dieser Fall 3mal auf, d.h. es sind 3 Werkstücke auf der unteren Rutsche, stoppt die Anlage. Angezeigt wird dieses über ein Blinken (Ausgang A5.2 / Anzeige „untere Schiene voll“).Nach dem Freiräumen und dem Betätigen des „Reset“ -Taster muss Start gedrückt werden. Danach ist die Anlage ebenfalls bereit für ein neues Werkstück. Alle Meldeanzeigen werden durch unterschiedliche Blinkfrequenzen angezeigt, je nach Wichtigkeit der Meldungen.

- Richten => 2 Hz - Start => 1 Hz - Reset => 2.5 Hz

Weiterführend besteht die Möglichkeit sich einen weiteren detaillierten Programmablauf aus dem mitgelieferten Ausdruck des Anwenderprogramms aufzeigen zu lassen.

Wichtig : Änderungen im Programm, sowie an der Anlage dürfen nur von Wartungstechnikern oder den Programmentwicklern vorgenommen werden.

Projekt 2007 Seite 54

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9.5 Stop-Funktion

Wird der Stop - Taster betätigt, durchläuft die Anlage einen kompletten Zyklus der Ablaufkette und verbleibt dann im Grundzustand. Der Start - Taster blinkt. Um die Anlage wieder betriebsbereit zu schalten, muss START betätigt werden.

Abb.21 STOP Taster

9.6 NOT-Aus-Funktion

Durch Betätigen des Not-Aus Schalters wird das Anwenderprogramm sowie die Anlage sofort gestoppt. Das Anwenderprogramm springt in den Initialzustand. Nach Entriegelung des Not-Aus Schalters und Quittierungs- Tasters wird geprüft, ob sich ein Werkstück in der Anlage befindet. Ist dies der Fall, wird es als Ausschuss markiert und an der unteren Position des Hebezylinders ausgestoßen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass nach Betätigen des Not-Aus Schalters das Anwenderprogramm / die Anlage den vorher beschriebenen Richtvorgang abarbeitet.

Abb.22 Not-Aus Schalter

Projekt 2007 Seite 55

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9.7 Erstinbetriebnahme

Vor der ersten Inbetriebnahme befindet sich die FESTO Station Prüfen mit dem verwendeten Automatisierungsgerät im folgenden Zustand:

Die Spannungsversorgung ist eingeschaltet, der NOT AUS Schalter ist betätigt, der Wahlschalter Aut./Man. steht auf Automatik und das Automatisierungsgerät befindet sich im Stop Zustand. Des Weiteren befindet sich kein Werkstück in der Anlage. Um die Station für den Verarbeitungsprozess betriebsbereit zu schalten, wird durch Betätigen des Wahlschalters an der CPU Baugruppe das Automatisierungsgerät in den RUN Zustand versetzt. Dieser Zustand wird durch eine LED angezeigt.

Nach Herausziehen des NOT-AUS Schalters, der dadurch entriegelt wird, muss anschließend der „Quittierungs“ Taster betätigt werden. Zu diesem Zeitpunkt sind 2 Zustände möglich.

1. Die Anlage befindet sich im Grundzustand. Dann blinkt der „Start“ Taster

2. Die Anlage befindet sich nicht im Grundzustand, dann blinkt der „Richten“ Taster

Im ersten Fall ist wie folgt vorzugehen. Durch Betätigen des „Start“ Tasters erlischt das Blinklicht und die Start Anzeige leuchtet. Die Anlage ist jetzt betriebsbereit für den Automatik Betrieb.

Der zweite Fall ist mit einem Richtvorgang verbunden. Dieser wird anschließend näher erläutert. Nach Betätigen des „Richten“ Tasters steuert die Anlage sich selbstständig in den Grundzustand. Danach wird wie im ersten Fall beschrieben vorgegangen um den Zustand Betriebsbereit der Anlage zu erhalten. Sind alle Bedienungsschritte ausgeführt worden, kann mit dem Verarbeitungsprozess begonnen werden.

Projekt 2007 Seite 56

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen 10 PROFIBUS

Der Einsatz von seriellen Feldbussystemen in der Automatisierungstechnik bietet dem Anwender einige Vorteile gegenüber den konventionellen Automatisierungsstrukturen. Zum einem eine mögliche Kostenersparnis durch reduzierten Verkabelungsaufwand und zum anderem die Vielzahl der verfügbaren Feldgeräte. Entsprechend wurde im Jahre 1987 das Verbundprojekt PROFIBUS von der deutschen Industrie initiiert (-DIN E 19245 [2] PROFIBUS-) .Zum internationalen Standard wurde die nationale Norm 1996 (EN 50170).Die PROFIBUS - Protokollarchitektur basiert auf dem OSI (-Open Systems Interconnection-) - Referenzmodell.

Abb.23 Das ISO / OSI - Modell für Kommunikationsstandards

Das im Bild dargestellte ISO/OSI Modell für Kommunikationsstandards besteht aus 7 Layern (Schichten) und lässt sich in zwei Klassen, der anwenderorientierten Layer 5 bis 7 und der netzorientierten Layer 1 bis 4 einteilen. Die Layer 1 bis 4 beschreiben den Transport der zu übertragenden Daten von einem Ort zum anderen, während die Layer 5 bis 7 dem Anwender den Zugriff auf das Netz-/Bussystem in entsprechender Form zur Verfügung stellen.

Projekt 2007 Seite 57

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10.1 Protokollarchitektur

PROFIBUS existiert in drei Varianten. Durch die Vorgaben des Pflichtenheftes stand die Verwendung des PROFIBUS – DP im Vordergrund.

10.1.1 PROFIBUS-FMS

(Fieldbus-Message-Specification) zur Vernetzung von Steuerungen wird ab 2007 nicht mehr normiert sein.

10.1.2 PROFIBUS-DP

(Dezentrale Peripherie) zur Ansteuerung von Sensoren und Aktoren durch eine zentrale Steuerung in der Fertigungstechnik. Hier stehen insbesondere auch die vielen Standarddiagnosemöglichkeiten im Vordergrund. Weitere Einsatzgebiete sind die Verbindung von "verteilter Intelligenz", also die Vernetzung von mehreren Steuerungen untereinander (ähnlich PROFIBUS-FMS). Es sind Datenraten bis zu 12 MBit/sec auf verdrillten Zweidrahtleitungen und/oder Lichtwellenleiter möglich.

10.1.3 PROFIBUS-PA

(Prozess-Automation) wird zur Kontrolle von Messgeräten durch ein Prozessleitsystem in der Prozess- und Verfahrenstechnik eingesetzt. Diese Variante des PROFIBUS ist für explosionsgefährdete Bereiche (Ex-Zone 0 und 1) geeignet. Hier fließt auf den Busleitungen in einem eigensicheren Stromkreis nur ein schwacher Strom, so dass auch im Störfall keine Funken entstehen können. Der Nachteil dieser Variante ist die langsamere Datenübertragungsrate.

Projekt 2007 Seite 58

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10.2 PROFIBUS Aufbau

Der PROcess-Field-BUS ist in der europäischen Feldbusnorm EN 50170 beschrieben. Er steht in drei Spezifikationen zur Verfügung.

• FMS: Field Message Specification, Ursprung des Profibus, Multimaster

(geringe Verbreitung). • DP: Decentral Peripherie, wird häufig in Produktionsmaschinen eingesetzt. • PA: Process Automation, Erweiterung von DP, um den Bus eigensicher zu

machen und in explosionsgefährdeten Anlagen (Chemie Industrie, Lackierereien …) einsetzen zu können.

Abb.24 Profibus Kabel

Abb.25 Profibus Datenleitung A und B

Projekt 2007 Seite 59

Die Daten des Profibusses werden über ein 2-adriges geschirmtes twisted pair Kabel mit RS485-Physik (Differenzsignal-Übertragung) übertragen. Jeder Busteilnehmer hat an der DATA-A Leitung einen Pull-Down-Widerstand und an DATA-B einen Pull-Up-Widerstand von je 390R. Die beiden Endteilnehmer müssen den Abschlusswiderstand zwischen DATA-A und DATA-B (220R) eingeschaltet haben. Die Widerstände sind in den Steckverbindungen integriert. Die Leitungslänge in einem Bussegment kann 400m (500kbit/s) und 100m (12Mbit/s) betragen. Durch Repeater kann man die Leitungslänge vergrößern. Als Anschlüsse kommen 9.pol.-D-SUB-Steckverbinder, 5.pol.-M12-Steckverbinder oder Spezial-LWL-Steckverbinder zum Einsatz. Die Reichweite mit LWL vergrößert sich auf

Der PROFIBUS wird in Linienstruktur aufgebaut, wobei durch Zwischenschalten eines Repeaters von diesem eine weitere Linie abgehen kann. Die enden der Linien sind mit einem Abschlußwiderstand versehen.

Belegung des 9pol. D-Sub-Anschlusses: Datenleitung.A [RxD/TxD-N] (8) Datenleitung.B [RxD/TxD-P] (3) Schirm (1) DGnd (5) VP +5V (6)

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10.3 Profibus-DP

Profibus-DP verwendet die Layer 1 und 2 sowie das User Interface, Layer 3 bis 7 sind nicht ausgeprägt. Durch die schlanke Architektur wird eine schnelle Datenübertragung erreicht. Der Direct Data Link Mapper (DDLM) stellt den Zugang zu Layer 2 dar. Die nutzbaren Anwendungsfunktionen sowie das System- und Geräteverhalten der verschiedenen PROFIBUS-DP Gerätetypen sind im User-Interface festgelegt. Diese für den schnellen Nutzdatenaustausch optimierte PROFIBUS- Variante ist speziell für die Kommunikation zwischen Automatisierungssystemen und den dezentralen Peripheriegeräten in der Feldebene zugeschnitten.

Abb.26 Protokollarchitektur von Profibus DP

Projekt 2007 Seite 60

PROFIBUS-DP

PNO-Profile für DP-Geräte

Grundfunktionen Erweiterte Funktionen

DP User Interface Direct Data Link Mapper

(DDLM)

Layer 7 (Application) n i c h t a u s g e p r ä g t

Layer 3 bis 6 n i c h t a u s g e p r ä g t

Layer 2 (Link) Data Link Layer Fieldbus Data Link (FDL)

Layer 1 (Physik) Physical-Layer (RS485/LWL

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10.4 Profibus Gerätetypen 10.4.1 DP-Master (Klasse1)

Dieser DP-Master tauscht mit dem DP-Slave zyklisch Nutzdaten aus. 10.4.2 DP-Slave

Der DP-Slave tauscht nur mit dem DP-Master Nutzdaten aus, der ihn vorher parametriert und konfiguriert hat. Ein DP-Slave ist in der Lage, lokale Diagnose- oder Prozessereignisse an den DP-Master weiterzumelden.

10.4.3 DP-Master (Klasse2)

Als DP Master (Klasse2) werden Programmier-, Diagnose- und Bus- Mangementgeräte bezeichnet, die außer den bereits genannten DP-Master-Funktionen (Klasse1) noch weitere spezielle Funktionen unterstützen.

10.4.4 DP-Konfigurationsgeräte

Eine Kombination zwischen den genannten DP-Gerätetypen innerhalb einer Baugruppe, DP Master (Klasse 1) und (Klasse 2) sowie DP-Slave, ist möglich und in der Praxis auch realisiert. Typische Kombinationen sind z.B.

• DP-Master (Klasse 1) mit DP-Master (Klasse 2) • DP-Slave mit DP Master (Klasse 1)

Projekt 2007 Seite 61

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10.5 Anlegen eines Profibus Projektes

Die Realisierung des dezentralen Datenaustausches zwischen den Stationen 1 - 4 wird in diesem Projekt durch die PROFIBUS - Variante DP erreicht. Hier speziell durch das Master-Slave-Verfahren, welches dem Master (aktiver Teilnehmer) ermöglicht, der gerade die Sendeberechtigung besitzt, die ihm zugeordneten Slave - Geräte (passive Teilnehmer) anzusprechen. Der Master ist in der Lage, Nachrichten/Daten an die Slaves zu übermitteln bzw. Nachrichten/Daten von den Slaves abzuholen. Dieser Vorgang läuft in einer zyklischen Reihenfolge ab.

Abb.27 Master-Slave-Verfahren

Projekt 2007 Seite 62

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Die bereits vorhandene Konfiguration der einzelnen Stationen wird weitestgehend übernommen und um die PROFIBUS - Konfiguration erweitert. Hierzu ist es hilfreich vorab ein Beispielprojekt anzulegen um die späteren Abläufe innerhalb der dezentralen Vernetzung zu verstehen. Um eine möglichst übersichtliche Anordnung und Konfiguration der Stationen zu erhalten, wurde das Software - Tool NetPro aus der Simatic - Software benutzt. Dieses Tool stellte während der Erstellung einen nicht zu unterschätzenden Vorteil dar. Nach dem Öffnen konnte durch einen Doppelklick, der jeweiligen Station, direkt die Hardwarekonfiguration aufgerufen werden. Somit bot sich ein bequemes Einstellen aller vier Stationen, die für dieses Projekt benötigt wurden. Während des ersten Versuches zwei Stationen miteinander in Verbindung zu bringen, traten auch die ersten schwerwiegenden Probleme auf. Durch umfangreiche Fehleranalyse ist eine defekte DP - Schnittstelle an der CPU 315-2 DP der Station 2 festgestellt worden. Der Austausch mit einer baugleichen, funktionierenden CPU gestaltete sich sehr einfach, da sich das Hutschienensystem und der Baugruppenaufbau von Siemens sich als sehr praktisch erwiesen. In den nachfolgenden Abbildungen wird die Erstellung des Projektes (hier die Hardware – Konfiguration) dargestellt und erläutert.

Bereits projektiertes Projekt öffnen und 3 weitere Stationen Simatic - 300 einfügen

Abb.28 Simatic Manager, vorhandenes Projekt öffnen

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Am Beispiel der Station 2 (Slave) und der Station 1 (Master) wird die Hardwarekonfiguration erklärt. Es wird nochmals darauf verwiesen, dass diese Einstellungen nur von versierten Benutzern durchzuführen sind.

1. Hardwarekonfiguration durch Doppelklick öffnen (Station 2) und verwendete Hardware aus dem Baugruppenkatalog auswählen und einsetzen.

2. Nach dem Einfügen der Profilschiene, der Stromversorgungsbaugruppe öffnet sich ein weiteres Fenster beim Einfügen der CPU. Hier wird die PROFIBUS - Adresse vergeben und das Netz eingestellt. Da die Station 2 als Slave fungieren soll bleibt das Subnetz auf „nicht vernetzt“. Mit „OK“ wird das Fenster geschlossen. Jetzt werden die Eingabe - und Ausgabebaugruppen eingefügt, welche sich ebenfalls im Hardwarekatalog befinden.

Für dieses Projekt sind das die folgenden Baugruppen: - Digitaleingabebaugr. DI16 24V, 6ES7 321-1BH01-0AA0 - Digitalausgabebaugr. DO16 24V/0.5A, 6ES7 322-1BH01-0AA0 - Analogein-/ausgabebaugr. AI4/8Bit+AO2/8Bit, potentialgebunden

6ES7 334-0CE01-0AA0

Sind die Baugruppen eingefügt, kann mit der Konfiguration für das PROFIBUS - Netz begonnen werden.

Projekt 2007 Seite 64

Abb.29 Simatic Manager, Auswahl der Hardware aus dem Baugruppenkatalog

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3. Durch Doppelklick auf „DP“ wird das Fenster mit den Eigenschaften -DP- aufgerufen. Die PROFIBUS - Einstellungen können jetzt vorgenommen werden.

Abb.30 Simatic Manager, Einstellung und Konfiguration vornehmen

4. Unter Betriebsarten die CPU auf DP - Slave stellen und dann unter Konfiguration gehen. Hier können die Kommunikationsparameter des Slaves eingegeben werden. Ist dies geschehen mit „OK“ bestätigen. Das Fenster schließt sich. Jetzt ist die Konfiguration des Slaves soweit abgeschlossen und

muss nur noch gespeichert sowie übersetzt werden . Danach die Hardwarekonfiguration schließen.

Dieser Vorgang wurde bei allen Slave - Stationen angewandt. Beachtet wurde hierbei die Verwendung der unterschiedlichen Hardwarekomponenten der einzelnen Stationen. Um das PROFIBUS - Netz in diesem Projekt fertig zustellen, musste jetzt die Konfiguration des Masters vorgenommen werden.

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Durch Doppelklick auf das PROFIBUS - Symbol das Tool NetPro öffnen.

Abb.31 Net Pro Tool

Durch Doppelklick auf die jeweilige Station die Hardwarekonfiguration öffnen. Hierbei wurde zuvor festgelegt das die Station 1 der Master ist und die Stationen 2 - 4 als Slave eingebunden werden. Die Adressen für den PROFIBUS wurden wie folgt vergeben : Station 1 (Master) => Profibusadresse 3 Station 2 (Slave) => Profibusadresse 2 Station 2 (Slave) => Profibusadresse 4 Station 2 (Slave) => Profibusadresse 5 Dies ist notwendig um eine eindeutige Kommunikationsebene zu erhalten. !! Es ist auf jeden Fall notwendig die Slaves als erstes zu konfigurieren, da sonst keine Anbindung an das PROFIBUS - Netz möglich ist !! Weiterhin sollten auch die übersetzten Hardwareeinstellungen auf jede Station übertragen werden sobald eine Änderung erfolgt. Auch hierbei wird erst an die Slaves gesendet und dann zum Master. Durchaus empfehlenswert ist ein Testprogramm, welche die spätere Kommunikation über den PROFIBUS erprobt.

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10.6 PROFIBUS - Erweiterung

Hinweis: Die Änderungen sind bereits in das Anwenderprogramm integriert worden und befinden sich in dem Operationsbaustein in den jeweiligen Netzwerken beschrieben.

Abb.32 Profibus Hardwarekonfiguration

Abb.33 NetPro – Darstellung der 4 Stationen

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11 WinCC

11.1 Allgemein

WinCC ist eine PC-basierte Visualisierungsanwendung von Siemens zur Darstellung von Prozessen. Die Abkürzung WinCC steht für Windows Control Center und ist eine Software mit der eigene Bedienoberflächen zur einfachen Visualisierungen von Abläufen bis hin zu komplexen Prozessüberwachungen und Prozesssteuerungen erstellt werden können. Dazu werden in einem Grafikprogramm Objekte mit Variablen oder/und Scripten verknüpft und je nach Zustand oder Wert dargestellt. Es können zum Beispiel Messwerte visualisiert oder Zustandsmeldungen von Ventilen angezeigt werden. Gleichzeitig ist es möglich durch Benutzereingaben per Maus oder Tastatur diese Objekte zu steuern. Weiterhin können Störmeldungen, dargestellt werden, wodurch der Bediener in der Lage ist schnell auf Störungen zu reagieren. Fehlerfälle wie ein Förderbandstillstand können so recht schnell erkannt werden.

11.2 Anlegen eines Projektes mit WinCC

Der erste Schritt um mit dem Programm WinCC arbeiten zu können, setzt eine vorherige Installation voraus. Nach der Installation wird das Windows Control Center 5.1 gestartet. Es wird nun Neues Projekt angeklickt und anschließend Einzelplatz Projekt ausgewählt. Dieses wird mit OK bestätigt. Jetzt muss der Projektname angelegt werden. Auf der linken Seite steht Variablenhaushalt, worauf mit einem Rechtsklick ein neuer Treiber hinzugefügt wird. Auf der Simatic S7 Protocol Seite CHN auswählen und öffnen. Nun steht am rechten Bildrand MPI, dort muss um eine neue Verbindung zu erstellen MPI mit einem Rechtsklick angeklickt werden. Anschließend Eigenschaften anklicken. Die Automatischen Voreinstellungen werden übernommen und dann wird mit OK bestätigt. Jetzt muss am linken Bildrand die Seite Graphics Designer aufgerufen werden und mit einem Rechtsklick das Neue Bild aufgerufen werden. Nach einem Doppelklick auf Neues Bild öffnet sich nun der Graphic Designer und Objekte können eingefügt werden.

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11.3 Visualisierungsansicht für die Station Prüfen

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Abb.34 WinCC Startbild

Abb.35 WinCC Prozessabbild Abb.36 WinCC Prozessüberwachung (Kamera)

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12 Bedienungsanleitung

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13 Probleme

Während der Projektphase traten verschiedene Probleme mit der Hardware sowie bei der Erstellung der Anwendersoftware auf. Diese werden hier kurz erläutert.

1. Der bereitgestellte Rechner war den Anforderungen der Simatic Software,

aufgrund seines Alters, teilweise nicht in der Lage, Anwendungen vernünftig zu bearbeiten.

Grund hierfür war ein zu kleiner Arbeitsspeicher und eine defekte Festplatte. Durch einen Festplattencrash während der Programmierung, musste die

Festplatte ausgebaut und die Daten in Wochenendarbeit wiederhergestellt werden.

2. Bei der Verwendung der Visualisierungssoftware WinCC ist festgestellt

worden, dass die Grafikfunktion des bereitgestellten Rechners ebenfalls nicht ausreicht.

3. Die größten zeitlichen Verzögerungen entstanden durch zwei defekte

DP - Schnittstellen der verwendeten Zentralbaugruppen (CPU 315 - 2 DP) bei der Programmierung des Profibus.

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen 14 Quellen

Internetseiten

Fachbücher

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www.profibus.felser.ch www.siemens.de www.festo.com www.feldbusse.de

SPS Grundkurs mit SIMATIC S7 SPS Aufbaukurs mit SIMATIC S7 Dezentralisieren mit PROFIBUS-DP/DPV1

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen

15 Schriftliche Erklärung zur selbstständigen Arbeit

Hiermit erklären wir (Andreas Brandt und Jens Stuckas), dass wir unsere Projektarbeit unter zur Hilfenahme der angegebenen Informationsquellen selbstständig erarbeitet haben.

________________ ________________ Andreas Brandt Jens Stuckas

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen

16 Schlusswort

Dieses Projekt wurde im Rahmen der Technikerarbeit an der BBS Friedenstrasse Wilhelmshaven zum Thema „Entwicklung eines eigenständigen SPS - Programms zur Steuerung der FESTO - Station ´Prüfen´ mit Visualisierung von A. Brandt und J. Stuckas erstellt. An dieser Stelle möchten wir uns bei denen bedanken, die zum Gelingen dieses Projektes beigetragen haben. Durch eine gute Zusammenarbeit haben wir dieses Projekt mit Erfolg abschließen können. Namentlich möchten wir uns insbesondere bei Herrn Fiedler und Herrn Beckmann - Eilts bedanken. Sie waren stets bereit unsere Arbeit zu unterstützen. Für uns war es eine wichtige Erfahrung, diese Technikerarbeit durchzuführen. In der Schule kann der praktische Zusammenhang sehr oft nicht richtig erkannt werden, da sehr viel auf theoretischer Basis unterrichtet wird. Während der Projektphase konnten wir unsere Kenntnisse in der Programmiersprache Step7 wesentlich erweitern und vertiefen. Weiterhin erlernten wir den Umgang mit der PROFIBUS Variante DP und der Visualisierungssoftware WinCC.

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Projektdokumentation FESTO Station Prüfen 17 Abbildungsverzeichnis

Abb.1 Werkstücke die von den 4 Stationen bearbeitet werden 4 Abb.2 Hebearm von Station 1 4 Abb.3 Näherungsschalter, die das Material und die

unterschiedliche Farbe der Werkstücke erkennen 4 Abb.4 Messvorgang durch analogen Sensor 4 Abb.5 Obere Rutsche von Station 2 4 Abb.6 Rundteller von Station 3 4 Abb.7 Obere und Untere Rutsche von Station 2 4 Abb.8 Module der SPS Step 7 8 Abb.9 Stromversorgungsbaugruppe PS 307 9 Abb.10 Zentralbaugruppe CPU 315-2 DP 10 Abb.11 Digitale Eingabebaugruppe SM 321 12 Abb.12 Digitale Ausgabebaugruppe SM 322 13 Abb.13 Analogein/ausgabebaugruppe SM 334 14 Abb.14 Simulatorbaugruppe SM 374 15 Abb.15 MPI Adapter an USB Kabel 16 Abb.16 MPI und Profibus Schnittstelle 16 Abb.17 SIMATIC Manager mit Objekthierarchie 26 Abb.18 MPI Adapter 27

Abb.19 Strukturierte Programmierung 27 Abb.20 Analog Sensor zur Höhenmessung 49 Abb.21 STOP Taster 55 Abb.22 NOT Aus Schalter 55 Abb.23 Das ISO / OSI - Modell für Kommunikationsstandards 57 Abb.24 Profibus Leitung 59 Abb.25 Profibus Datenleitung A und B 59 Abb.26 Protokollarchitektur von Profibus DP 60 Abb.27 Master-Slave-Verfahren 62 Abb.28 SIMATIC Manager, vorhandenes Projekt öffnen 63 Abb.29 SIMATIC Manager, Auswahl der Hardware aus dem

Baugruppenkatalog 64 Abb.30 SIMATIC Manager, Einstellung und Konfiguration vornehmen 65 Abb.31 Net Pro Tool 66 Abb.32 Profibus – Hardwarekonfiguration 67 Abb.33 Net Pro – Darstellung der 4 Stationen 67 Abb.34 WinCC Startbild 69 Abb.35 WinCC Prozessabbild 69 Abb.36 WinCC Prozessüberwachung (Kamera) 69

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I. Anhang

II. Mechanischer Aufbau

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III. Seitenansicht

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IV. Schaltpläne

V. Aufbauplan

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VI. Stromlaufplan Einspeisung

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VII. Stromlaufplan Not-Aus

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VIII. Stromlaufplan Versorgung SPS

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IX. Stromlaufplan SPS Eingänge

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X. Stromlaufplan SPS Ausgänge

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Projekt 2007 Seite 85

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XI. Stromlaufplan Analog Potentiometer

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XII. Stromlaufplan Bedienpult

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XIII. Verbindungsplan SPS Board

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XIV Pneumatikplan

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Pneumatikplan

1.

2.

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