Thema: Planung und Bau einer Paketsortiermaschine download/fs_techn… · Der Pneumatikplan wird in...

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GRUNDIG AKADEMIE GRUNDIG AKADEMIE GRUNDIG AKADEMIE GRUNDIG AKADEMIE Fachschule für Wirtschaft und Technik Fachrichtung Maschinenbau und Elektrotechnik ____________________________________________________________________________________________________________________________________________ Projektarbeit Thema: Planung und Bau einer Paketsortiermaschine Abgabetermin am: 20.04.2012 eingereicht von: Johannes Rößler Alexander Closmann Philipp Hofer Breitenlohe 27 Flaschenhofstr. 14a Kiefernweg 6 91186 Büchenbach 90402 Nürnberg 91186 Büchenbach MAV 4a EDV 4a MAV 4a

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GRUNDIG AKADEMIE GRUNDIG AKADEMIE GRUNDIG AKADEMIE GRUNDIG AKADEMIE

Fachschule für Wirtschaft und Technik

Fachrichtung Maschinenbau und Elektrotechnik

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

Projektarbeit

Thema:

Planung und Bau

einer

Paketsortiermaschine

Abgabetermin am: 20.04.2012

eingereicht von:

Johannes Rößler Alexander Closmann Philipp Hofer

Breitenlohe 27 Flaschenhofstr. 14a Kiefernweg 6

91186 Büchenbach 90402 Nürnberg 91186 Büchenbach

MAV 4a EDV 4a MAV 4a

Projektarbeit 2011/2012

Planung und Bau einer Paketsortieranlage

Johannes Rößler

Alexander Closmann

Philipp Hofer

Inhaltsverzeichnis

Seite

1.0.0 Kurzdarstellung des Projekts 1

1.1.0 Brainstorming zur Umsetzung 1

1.2.0 Auswertung des Brainstorming 1

2.0.0 Maschinenbautechnischer Bereich 2

2.1.0 Berechnungen 2-3

2.2.0 Konstruktion 4-5

2.3.0 Pneumatikplan 6

2.4.0 Montage 6-8

3.0.0 Elektrotechnischer Bereich der Projektarbeit 8

3.1.0 Dimensionierung 8

3.2.0 Planung 9

3.3.0 Aufbau 9-10

3.4.0 Programmierung 11-12

3.5.0 Inbetriebnahme 13

3.6.0 Dokumentation im Elektrotechnik bereich 13

4.0.0 Interdisziplinäre Prozessoptimierung 13

5.0.0 Kritische Reflektion 14

Abkürzungen 15

Literaturverzeichnis 15

Schriftliche Versicherung eigenständige Anfertigun g 16

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1.0.0 Kurzdarstellung des Projektes Bei diesem Projekt handelt es sich um eine Paketsortieranlage, die im Rahmen des Faches „Projektarbeit“ entwickelt und realisiert wird. Es werden folgende Anforderungen an die Anlage gestellt:

• Automatische Paketzuführung • Vollautomatisierter Ablauf • Vier Sortiereinheiten • Transportabel • Fertigstellung 4/2012

1.1.0 Brainstorming zur Umsetzung Aus vielen Ideen kamen drei in die engere Auswahl. 1. Ein Förderband entnimmt Pakete aus einem Magazin, die in das Sichtfeld eines Scanners gebracht werden und von nachfolgenden Klappen (mit pneumatischen Zylindern angesteuert) in die jeweiligen Stationen zugewiesen werden. 2. Ein Rotorsystem, das die Pakete aus einem Magazin entnimmt, die Pakete an dem Sichtfeld des Scanners vorbeiführt und anschließend über ein Band/Rutsche den jeweiligen Stationen zuweist. 3. Ein Pneumatikzylinder entnimmt dem Magazin ein Paket, führt es auf eine bewegliche Scannplattform, die zum auslösen des Rutschvorgangs verwendet wird. Durch die nachfolgende Rutsche mit pneumatisch angesteuerten Klappen werden die Pakete den jeweiligen Stationen zugewiesen. Die dritte Variante wurde als die Realisierbarste empfunden. 1.2.0 Auswertung des Brainstorming Die aus dem Brainstorming entstandenen Skizzen wurden analysiert und optimiert. Die Skizzen befinden sich im Anhang.

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2.0.0 Maschinenbautechnischer Bereich 2.1.0 Berechnungen Die hier aufgeführten Berechnungen dienen dazu, die Anforderungen an die externe Druckluftversorgung festzulegen.

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Qges gewählt = 570l/h Aus den Berechnungen ist ersichtlich, dass die externe Druckluftversorgung ein Fördervolumen (bei einem Systemdruck von 6 bar) von 570l/h nicht unterschreiten darf.

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2.2.0 Konstruktion Die folgenden 3D Zeichnungen wurden in Autodesk Inventor 2012 erstellt. Aus Einzelteilen werden Unterbaugruppen erstellt, die dann zu einer Gesamtbaugruppe zusammengefügt werden. Hierbei ist zu überlegen mit welchen Einzelteilen und Unterbaugruppen man beginnt, um den Zeitaufwand der gesamten Konstruktion zu minimieren und effektiv zu arbeiten. Die Konstruktion startet mit dem Konstruieren eines Grundgestelles. Bild 1: Grundgestell Dieses Gestell ist nun die Basis für alle drauffolgenden Schritte. Nun werden weitere Baugruppen erstellt, die dann in das Grundgestell eingefügt werden. Bild 3: Klappeneinheit Bild 2: Magazin

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Die Abhängigkeiten werden so gesetzt, dass die Funktionalität der 3D Zeichnung zu 100% der des Originals entspricht. Bild 4: Inventor Zusammenbau Nach Fertigstellung der Konstruktion werden Werkstattzeichnungen und Stücklisten erstellt, um die Materialbestellungen und die Fertigung der Einzelteile zu ermöglichen. Bild 5: Stückliste Klappeneinheit Die Konstruktionsdaten (Inventordateien) und Werkstattzeichnung befinden sich im Anhang und auf der beigefügten CD-ROM.

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2.3.0 Pneumatikplan Der Pneumatikplan wird in dem Programm Festo Fluidsim 4.2 erstellt. Der Plan beinhaltet alle verwendeten Pneumatikelemente und stellt den Zusammenhang der einzelnen Elemente dar. Die angegebenen Einstellwerte sind als Grundeinstellung zu betrachten und werden in der Testphase justiert. 2.4.0 Montage Anhand der Zeichnungsstückliste wird das Material bestellt, mit dem das Grundgestell angefertigt wird. Bild 6: Anlage im Aufbau Nach Fertigstellung des Grundgestelles werden die Steuerungskomponenten installiert. Diese bestehen aus:

• Schaltschrank • Lichtschranken • Scanner • Wartungseinheit • Ventilinsel • Zylinder

Bild 7: Ventilinsel

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Bild 8: Pneumatikzylinder

Bild 9: Wartungseinheit Die Klappen für die Zuweisung der einzelnen Stationen werden angefertigt, montiert und eingestellt.

Bild 10: Klappenfunktion Nach erfolgreicher Montage werden erste Tests durchgeführt, um die störungsfreie Funktion der Klappen sicherzustellen. Aufgrund der Testläufe finden häufig noch einige Optimierungen an Bauteilen der Stationsbaugruppe statt. Bild11:Klappe nach Montage

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Darauffolgend wird die schwenkbare Scannplattform montiert. Zeitgleich wird das Magazin und die Vorschubeinrichtung angefertigt und montiert. Nach Fertigstellung der Grundkomponenten werden Schaltschrank, Wartungseinheit und Pneumatikelemente installiert. Die Pneumatikschläuche werden anschließen verlegt und verbunden.

3.0.0 Elektrotechnischer Bereich der Projektarbeit In diesem Teil der Auswertung der Projektarbeit wird das Gewerke der Elektrotechnik beschrieben. 3.1.0 Dimensionierung Gemäß der Vorgaben der Aufgabenstellung werden im Vorfeld alle wichtigen funktions- und sicherheitsrelevanten Bauteile ausgewählt, um deren Platz und Leistungsbedarf zu ermitteln. Bei der Anlage handelt es sich um eine ortsveränderliche Anlage nach BGV A3 die über eine Netzeinspeisung von 230V AC 50Hz verfügt die ausschließlich für ein Netzteil für die Steuerspannungserzeugung 24V DC verwendet wird. So entspricht die Anlage SELV nach DIN VDE 0100-410 und IEC 364-4-41. Demnach werden alle Betriebsmittel mit dieser Steuerspannung ausgewählt. Bei der Dimensionierung des Netzteiles werden die maximalen Verlustleistungen der Verbraucher grob in Betracht genommen. Vorhandene Betriebsmittel: Leistung max.

Barcodescanner SICK CLV412-1010 3 Watt

Lichtschranke SICK WL12G-P530 2,4 Watt

Lichtschranken SICK Div. 6 Watt

SPS Wago 750-841 2 Watt

SPS Karten 750-XXX 11 Watt

Serielle Schnittstelle Wago 750-650 1,3 Watt

Signalsäule Werma 848.X00.55 24V DC 4 Watt

LED Summer Quitierschalter Werma 450.300.55 2 Watt

Ventilinsel und Betriebsmagnetventil Bosch 10 Watt

41,7 Watt I = P / U = 41,7 Watt / 24 Volt = 1,74A Aufgrund des maximalen Strombedarfs von 1,74A wird ein Schaltnetzteil mit 5A Nennstrom auswählt, es bietet Reserven für etwaige Erweiterungen. Der Wert 1,74A dient hier nur als grobe Orientierungshilfe, um z.B. ein 2A Netzteil auszuschließen wenn z.B. eine Erweiterung mit Touchpanel dazu kommt. Der ausgewählte Steuerschrank besitzt Schutzklasse II und ist so groß dimensioniert, dass noch Reserve auf der Hutprofilschiene ist.

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3.2.0 Planung Die Planungsunterlagen von dem Stromlaufplan werden in Eplan Electric P8 erstellt. Eigens für diese Projektarbeit wird ein Normblatt (Plotrahmen) und ein Titel / Deckblatt, das ein Zusammenhang mit der fiktiven Firma J.A.P die, die Projektarbeitsgruppe widerspiegeln soll, erstellt. Um das Normblatt zu erstellen wird ein vorhandenes Normblatt abgeändert. Das Titel/Deckblatt wird ebenfalls der fiktiven Firma J.A.P angepasst. Um die Übersichtlichkeit zu wahren wird im Vorfeld noch die Gliederung des Eplan Projekts und den letztendlich gedruckten Seiten mit Hilfe der Anforderungen an die Plan- Dokumentation skizziert Gliederung des E-plan Projektes: – Titel/Deckblatt Seite 0 – Inhaltsverzeichnis Seite 0.a – Kabelliste Seite 0.b – Legende Seite 0.c Ansichtszeichnungen Schaltschrank Seite 0.d – Stromlaufpläne Schaltschrank Seite 1...10 – Klemm- und Steckerplan Schaltschrank Seite 11 Zunächst wird ein neues Projekt angelegt und Stammdaten eingefügt, unter anderem das zuvor erstellte Normblatt und Titel/Deckblatt hinzugefügt. Die Ortskennzeichen werden festgelegt nach DIN61346. Bei dieser Anlage =PS+N01 für den Schaltschrank, PS steht für Paketsortieranlage. Die erste Seite wird erstellt, eine Grafikseite für den Schaltschrankaufbau. Hier werden die Grafiken des Schaltschranks und der Betriebsmittel eingefügt und der tatsächliche Platzbedarf ermittelt. Auf der nächsten Seite wird mit den Stromlaufplänen in der aufgelösten Darstellung angefangen, hier wird auf eine logische und nachvollziehbare Reihenfolge geachtet, die auch die Anordnung auf der Montageplatte mit einbezieht. Mit Symbolen und Makros wird das Arbeiten vereinfacht. Die Legende beinhaltet: – Drahtfarben für die interne Verdrahtung – Erklärung der Aderfarben Abkürzungen – Erklärung der verwendeten Betriebsmittelkennzeichnung Diese wird händisch ergänzt. Die anderen sogenannten Formularseiten werden dann erzeugt und von dem Programm automatisch erstellt. 3.3.0 Aufbau Anhand des zuvor erstellten Plans wird als erstes die Montageplatte des Steuerkastens vorbereitet. Hutprofilschienen, Verdrahtungskanäle werden montiert und anschließend wird die Montageplatte mit Betriebsmittel und Klemmen bestückt.

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Die seitliche Flanschplatte wird vorbereitet. Das Kabeldurchführsystem und die zwei D-Sub Buchsen angeordnet und ausgeschnitten. Die Buchsen werden vorbereitet und Drähte nach Plan angelötet. Weil es sich hier um eine Einzelanfertigung handelt, ist Löten die günstigere Variante, im Normalfall wird eine Buchse mit Klemmanschluss verwendet. Im nächsten Schritt wird verdrahtet und die Sensor / Aktorkabel angeschlossen. Bild 12: Schaltschrank in der Bauphase

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3.4.0 Programmierung Als Programmiersystem wird CoDeSys nach IEC 61131-3 verwendet, weil die Firma Wago dieses herstellerunabhängige Entwicklungstool verwendet. Als erstes wird ein neues Projekt erstellt. Anschließend wird das Zielsystem, welcher Controller verbaut ist, festgelegt und die Steuerungskonfiguration ausgewählt, welche Hardwareteile verbaut sind.

Bild 13: Steuerungskonfiguration dieser Anlage Da es sich bei der 750-841 um einen SPS-Controller mit Ethernet Anbindung handelt wird mit einem Wago-Programm die IP-Adresse festgelegt. Die Symbolischen Namen werden in der Globalenvariablendeklaration den Ein- und Ausgängen zugeordnet. Diese Namen machen das Programm übersichtlicher und ersparen einige Kommentare.

Die Vorbereitungen sind abgeschlossen. Nun wir der erste Baustein angelegt. „Der erste Baustein, der in einem neuen Projekt angelegt wird, trägt automatisch den Namen PLC_PRG. Dort startet die Ausführung (entsprechend der main-Funktion in einem C-Programm), und von hier aus können andere Bausteine aufgerufen werden (Programme, Funktionsblöcke und Funktionen).“

(3S-Smart Software Solutions GmbH , Wie wird ein Programm strukturiert? Programmhilfe in CoDeSys V2.3.9.24 / 28-Okt-2010)

In diesen Fall ist der PLC_PRG Programmbaustein in der AWL Sprache. Aus diesem Baustein werden die anderen Programmbausteine aufgerufen. Der Baustein für das Automatikprogramm ist in ST (Strukturierter Text) geschrieben. Diese Hochsprache eignet sich, um z.B. Flexibilität in Abläufen besser zu integrieren.

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Bild 14: Programm in ST mit Codesys Im Programmbaustein mit dem Automatikprogramm wird eine Ablaufsteuerung über eine CASE-Anweisung und ein Merkerbyte für die Schrittnummer realisiert. In dem Programmbaustein Signal und Hand wird FUP als Sprache verwendet. In dem Baustein Signal wird die Signalsäule und der Quitierschalter angesteuert. In Hand wir die Handsteuerung realisiert. Im Programmbaustein Kontrolle ist in ST und kontrolliert zeitlich das Automatikprogramm In der Visualisierung des Programms Codesys wird eine Grafik erstellt die dem Aufbau der Anlage entspricht und dort werden Schaltfelder mit Programmvariablen verbunden. Farbfelder, die mit zwei Farben hinterlegt sind, können zum Visualisieren von Zuständen verwendet werden.

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3.5.0 Inbetriebnahme Vor der tatsächlichen Inbetriebnahme wird die Anlage nach DIN VDE 0100-600 besichtigt und begutachtet „Beim Besichtigen sollen äußerlich erkennbare Mängel und Schäden an Betriebsmitteln und offensichtliche Installationsfehler festgestellt werden. Die Anlagenteile, die Schutzzwecken dienen, sind besonders zu beachten und eingehend zu besichtigen“ (Gerhard Kiefer, VDE 0100 und die Praxis, VDE Verlag, 13. Auflage, Seite 353) Mit Hilfe einer zuvor angefertigten Checkliste werden die einzelnen Kontrollpunkte abgearbeitet. So werden eventuelle Fehler nicht übersehen, aber um das zu erreichen, muss die Checkliste alle möglich eintretenden Fehlerfälle auflisten. 3.6.0 Dokumentation im Elektrotechnikbereich Es werden alle schriftlichen Unterlagen gesammelt wie z.B. Datenblätter und Bedienungsanleitungen. Je nach Vorgaben des Kunden wird dann die Dokumentation vorbereitet. Bei diesem Projekt werden alle Dokumente auf CD vorzüglich im PDF Format gesammelt.

4.0.0 Interdisziplinäre Prozessoptimierung Im Laufe der Testphase werden die Sensoren, der Barcodescanner und die Lichtschranken ausgerichtet. Der Ablauf des Programms wird zeitlich noch optimiert. Endlagendämpfungen und Drosselventile werden prozessorientiert eingestellt. Die Prozessoptimierung ergab:

- Pakete werden zuverlässiger gescannt - Abläufe werden zeitlich verkürzt

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5.0.0 Kritische Reflektion Nach Abschluss des Projekts haben sich folgende Erkenntnisse herauskristallisiert: Die Paketsortierung über eine Rutsche ist kostengünstig, aber nicht immer vorteilhaft. Durch ein Bandsystem, wäre die Bauhöhe geringer, jedoch steigen die Kosten durch die aufwändigere Steuerung. Für eine bessere Verarbeitung von Barcodes wäre ein Omidirektionaler Barcodescanner besser geeignet, dieses Problem wird durch eine genaue Ausrichtung des Magazins und des Schiebers auf den Scanner gelöst. Die Klappenbleche könnten versteift werden ggf. mit einer Kantung. Die Position der Ampel könnte zur besseren Sichtbarkeit noch einmal überdacht werden. Zur besseren Visualisierung könnte ein Touchpanel an der Anlage angebracht werden, im Moment wird durch ein externes Gerät visualisiert. Das Nachladen des Magazins ist unvorteilhaft, könnte automatisiert werden oder durch ein Wechselsystem ersetzt werden.

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Abkürzungen: AWL – A nweisungsliste (Assembler ähnliche SPS Programmiersprache) CoDeSys - Co ntroller Development Sys tem DIN - Deutsche Institut für Normung e. V. D-Sub - D-Subminiature (Bauform eines Steckersystems für Datenverbindungen) FUP - Funktionsplan (Funktionsbausteinsprache grafischer Editor für SPS-Programmierung) IEC - International Electrotechnical Commission (Internationale Elektrotechnische Kommission) JAP - J ohannes Rößler, Alexander Closmann, Philipp Hofer SLEV - Safety Extra Low Voltage (Schutz durch Kleinspannung) ST – Strukturierter Text (Hochsprache ähnlich Pascal für die SPS-Programmierung) VDE - Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Literaturverzeichnis: Zu Kapitel 2: Roloff Matek Maschinenelemente, Vieweg + Tuebner, 19. Auflage, ISBN 978-3-8348-0689-5 Tabellenbuch Metall, Europa Lehrmittel, 45. Auflage, ISBN 978-3-8085-1675-1 Bedienungsanleitung Ventilinsel, Rexroth Bosch Group, R499050015-BDL-001-AD/06.2010 Zu Kapitel 3: SPS-Programmierung mit ST, Karl Schmitt, Vogel Fachbuch, 1. Auflage, ISBN 978-3-8343-3251-6 VDE 0100 und die Praxis, Gerhard Kiefer, VDE Verlag, 13. Auflage, ISBN 978-3-8007-3130-5 Speicherprogrammierbare Steuerungen, Matthias Seitz, Hanser Verlag, 2. Auflage, ISBN 978-3446-41431-0 Tabellenbuch Elektrotechnik, Europa Lehrmittel, 21. Auflage, ISBN 978-3-8085-3217-3 Handbuch Eplan Electric P8, Bernd Gischel, Hanser Verlag, 3. Auflage, ISBN-13: 978-3-4464-2474-6 Codesys Programmhilfe , 3S-Smart Software Solutions GmbH, CoDeSys V2.3.9.24 / 28-Okt-2010

Erklärung

Ich Johannes Rößler versichere durch meine Unterschrift, dass ich die mit Teile: - Kapitel 1,2 - Konstruktion und Werkstattzeichnungen - Aufbau und Montage - Berechnungen - Schriftliche Zusammenfassung der vorstehenden Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt, alle Stellen, die ich wörtlich oder annähernd wörtlich aus Veröffentlichungen entnommen, als solche kenntlich gemacht und mich auch keiner anderen als der angegebenen Literatur oder sonstiger Hilfsmittel bedient habe. Die Arbeit hat in dieser oder in ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen.

Ort, Datum, Unterschrift Ich Alexander Closmann versichere durch meine Unterschrift, dass ich die mit Teile: - Inhaltsverzeichnis - Kapitel 1,3, 4 und 5 - Aufbau und Montage - Gebrauchsanweisung - Stromlaufpläne - SPS-Programmierung - Schriftliche Zusammenfassung der vorstehenden Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt, alle Stellen, die ich wörtlich oder annähernd wörtlich aus Veröffentlichungen entnommen, als solche kenntlich gemacht und mich auch keiner anderen als der angegebenen Literatur oder sonstiger Hilfsmittel bedient habe. Die Arbeit hat in dieser oder in ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen.

Ort, Datum, Unterschrift Ich Philipp Hofer versichere durch meine Unterschrift, dass ich die mit Teile: - Deckblatt - Kapitel 1,2, 4 und 5 - Konstruktion und Werkstattzeichnungen - Aufbau und Montage - Schriftliche Zusammenfassung der vorstehenden Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt, alle Stellen, die ich wörtlich oder annähernd wörtlich aus Veröffentlichungen entnommen, als solche kenntlich gemacht und mich auch keiner anderen als der angegebenen Literatur oder sonstiger Hilfsmittel bedient habe. Die Arbeit hat in dieser oder in ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen.

Ort, Datum, Unterschrift