VDA Modeleisenbahn Dok

8/16/2019 VDA Modeleisenbahn Dok

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VDA 2014/2015

Vordiplomarbeit Seite 1 von 55 Adriany De Mello Bösiger

Dokumentation

„SPS-gesteuerte Modelleisenbahn“ an der Höheren Fachschule Uster

Verfasser: Adriany De Mello Bösiger

Studium: Techniker Automation HF

Schule: Höhere Fachschule Uster

Datum: 04.05.2015


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Vordiplomarbeit

Seite 2 von 55 Adriany De Mello Bösiger

Vorwort

An dieser Stelle möchte ich mich recht herzlich bei allen beteiligten Personen bedanken, welche michbei der Durchführung dieses umfangreichen Projekts unterstützt haben und somit auch ihren Beitrag

zu dieser Arbeit geleistet haben.

Ein besonderer Dank geht an meinen Betreuer Toni Wohlgensinger, der mich durch seine positive Artsicher durch dieses Projekt geführt hat.

Ebenfalls einen speziellen Dank richte ich an Manfred Milojevic. Er war jederzeit bereit, mir beitechnischen Fragen aller Art zu helfen.

Vielen Dank und es hat mir wirklich Spass gemacht mit euch allen zusammenzuarbeiten!


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0 Inhaltsverzeichnis

0 Inhaltsverzeichnis ................................................................................................ 3

1

Einleitung ............................................................................................................. 5

1.1 Vordiplomarbeit 2014/2015 ........................................................................... 5 1.2 Modelleisenbahn ........................................................................................... 5 1.3 Persönliche Herausforderung ........................................................................ 5 1.4 Zusätzliche Motivation ................................................................................... 5

2 Zusammenfassung / Management Summary / Projektauftrag ............................. 6 2.1 Aufgabenstellung ........................................................................................... 6 2.2 Grundsatzbeschreibung der Anlage .............................................................. 7 2.3 Pflichtenhefte ................................................................................................. 7

2.4

Geplantes Vorgehen .....................................................................................10 3 Projektmanagement / Planung ...........................................................................12

3.1 Grobplanung .................................................................................................12 3.2 Feinplanung ..................................................................................................13 3.3 Meilensteine .................................................................................................14

4 Modellbahnbau ...................................................................................................15 4.1 Vorstudie ......................................................................................................15 4.2 Gleisplanungssoftware .................................................................................15 4.3 Modellbahnsteuerung ...................................................................................16

5 Teilprojekt 1 / Hardware- und Elektroplanung ....................................................18 5.1 Zielsetzungen ...............................................................................................19 5.2 Steuerung Einspeisung / Netzteil .................................................................19 5.3 Drehrichtung / Fahrtrichtung der Eisenbahn .................................................21 5.4 Geschwindigkeit der Eisenbahn ...................................................................22 5.5 Weichen .......................................................................................................25 5.6 Sensorik .......................................................................................................26 5.7 SPS – CPU ...................................................................................................28 5.8 Analoge Modul .............................................................................................29 5.9 Elektroplan ...................................................................................................30

5.10

Verifikation / Test ..........................................................................................31

5.11 Zielkontrolle / Überprüfung Schlusskontrolle ................................................31 6 Teilprojekt 2 / Erstellung der beiden Routenpläne und Programmvorbereitung .32

6.2 Schrittketten Vorbereitung ............................................................................33 6.3 Analogwert Verarbeitung ..............................................................................36 6.4 Zielkontrolle / Überprüfung Schlusskontrolle ................................................38

7 Teilprojekt 3 / Software und Test ........................................................................39 7.1 Zielsetzungen ...............................................................................................39 7.2 Programm .....................................................................................................40

7.3

Realisierung und Umsetzung .......................................................................41

7.4 Verifikation / Test ..........................................................................................45 7.5 Zielkontrolle / Überprüfung Schlusskontrolle ................................................46


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8 Rückblick auf das Projekt ...................................................................................47 8.1 Gesamteindruck ...........................................................................................47 8.2 Was würde ich das nächste Mal anders machen? .......................................47

9 Verzeichnisse .....................................................................................................48 9.1 Abbildungsverzeichnis ..................................................................................48 9.2 Tabellenverzeichnis ......................................................................................49 9.3 Quellenangaben ...........................................................................................50 9.4 Verwendete Software ...................................................................................51 9.5 Glossar .........................................................................................................52

10 Anhang Papierform / Ausdrucke .........................................................................53 10.1 Inhalt des Anhangs in Papierform ................................................................53

11 Anhang Datenform / CD-ROM ............................................................................54 11.1 Inhalt des Anhangs in Datenform .................................................................54

12 Bestätigungen ....................................................................................................55

12.1

Eigenständigkeitsbestätigung .......................................................................55

12.2 Einverständnis zur Weitergabe meiner Vordiplomarbeit ...............................55


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1 Einleitung

1.1 Vordiplomarbeit 2014/2015

Ich freue mich, hier mein Projekt, welches ich vom Anfang bis zum Schluss durchgeführt habe, zudokumentieren und anderen Personen möglichst verständlich und interessant näher zu bringen undvorzustellen.

1.2 Modeleisenbahn

Modelleisenbahnen stellen nach wie vor ein faszinierendes Hobby dar. Wer schaut sich nicht gerneeine naturgetreu gestaltete Modelleisenbahn an, auf der verschiedene Züge ihre Runden drehen.

Bei der konventionellen Modellbahnsteuerung war alles noch einfach: Wenn man die Spannung aufdem Gleis erhöhte fuhr die Lok schneller - wenn man die Spannung weg nahm blieb die Lok stehen.Und wenn man am Gleisbildstellpult einen Knopf drückte führte ein Kabel den Strom bis zur

entsprechenden Weiche und schaltete diese.

Meine Aufgabe wird es sein, durch den SPS Siemens S7-1200 eine ganze Modelleisenbahnanlage zusteuern. Alle Schritte müssen sicher, logisch und realisierbar sein.

1.3 Persönliche Herausforderung

Mit dieser Vordiplomarbeit will ich lernen, wie man ein Projekt von der Planung bis zum Abschlussinklusive der Dokumentation realisiert.

Technisch wird mir die Projektierung der Steuerung mit der SPS und dem Frequenzumrichter diegrösste Mühe bereiten. Die Auswahl der Komponenten und die Einhaltung der Vorschriften sind neufür mich.

Den gesamten Aufbau der SPS-Programmierung kenne ich nur von Schulaufgaben. Mein Ziel ist es,zu lernen, diesen Aufbau von Grund auf selber zu erstellen und zu gestalten.

Die persönliche Herausforderung am ganzen Projekt ist es, eine möglichst verständliche, gutstrukturierte, logisch aufgebaute automatische Anlage zu erstellen.

Ebenfalls eine Herausforderung ist es für mich, gewisse Funktionen des Textverarbeitungsprogramms„WORD 2013“ welche ich vorher überhaupt nicht gekannt habe, kennenzulernen und sinnvoll zunutzen.

Da ich selber noch nie eine Dokumentation in diesem Umfang erstellt habe, wurde ich mit vielen

Schwierigkeiten konfrontiert, welche ich aber allesamt gut lösen konnte.

1.4 Zusätzliche Motivation

In meiner Vordiplomarbeit wollte ich auch einen Teil mit meinen Kindern realisieren. Die ‚alte‘Modelleisenbahn, die mein Schwiegervater in den 1970er Jahren für seine Familie gekauft hatte,wollte ich dazu benützen.


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2 Zusammenfassung / Management Summary / Projektauftrag

2.1 Aufgabenstellung

Abbildung 1 / Aufgabenstellung


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2.2 Grundsatzbeschreibung der Anlage

2.2.1 Grundfläche 100x170cm

Die Anlage steht auf einer einzelnen Holzplatte.

2.2.2 Spurweite H0

Die Spurweite ist HO im Massstab 1:87.

2.2.3 Gleissystem – DC

Das Zweischienen-Zweileiter-System (oft auch 2L-Gleichstromsystem oder 2L-GS genannt) ist einModellgleissystem, bei dem jede Schiene ein elektrisches Potential bildet. Im Betrieb mit analogem

Strom bildet damit eine Schiene den Pluspol und die andere den Minuspol .

+/- 14 VDC etwa 260 mA

2.2.4 Schienenprofilhöhe – 2.5mm

Die Schienenprofilhöhe ist in den NEM (Normen Europäischer Modellbahnen) definiert. Die

Spurweite H0 wird in NEM 120 einer Schienenprofilhöhe von 2,5 mm empfohlen.

2.3 Pflichtenhefte

2.3.1 Grundsätzliches

Der Zug soll vollumfänglich über die SPS gesteuert werden. Das heisst, es wird sowohl dieGeschwindigkeit als auch die Fahrtrichtung durch die SPS vorgegeben.

2.3.2 Strecke

Die Anlage besteht aus:

- 2 Hauptstrecken als Oval Format – HS1 und HS2 - sind rot markiert

und

- 2 Nebenstrecken aus der inneren Hauptstrecke – SP und SWS - sind gelb markiert

2.3.3 Weichen

Die Strecken sind durch 6 Weichen verbunden. Diese werden mit einem Doppelspulen-Antriebgeschaltet. Sie sind grün markiert.

2.3.4 Drehrichtung / Fahrtrichtung der Eisenbahn

Die Fahrtrichtung dieses Zweischienen-Zweileiter-Systems wird durch Polaritätswechsel gesteuert.Das heisst, wenn die Fahrspannung positiv ist, fährt der Zug vorwärts und wenn die Fahrspannungnegativ ist, fährt der Zug rückwärts.


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2.3.5 Geschwindigkeit der Eisenbahn

Bei der konventionellen Modellbahnsteuerung, fährt die Lok schneller, wenn man die Spannung aufdem Gleis erhöht, wenn man die Spannung wegnimmt, bleibt die Lok stehen.

Diese Analog-Werte sollen über SPS gesteuert werden.

2.3.6 Sensorik

Sensoren sollen melden, wenn der Zug Runden gefahren ist und wie viele und sie sollen melden,wenn der Zug an der Endstelle angekommen ist.

Sensoren sind blau markiert.

2.3.7 Plan der Schienen Anlage

Abbildung 2 - Plan der Schienen Anlage

2.3.8 Entwicklung

Die Lok muss zwei verschiedene Strecken fahren.

2.3.8.1 Erste Strecke

Die Route wird durch die Start-Taste ‚EIN‘ bedient werden.

Die Reise beginnt und endet in der „Strecke Parking“ SP.

Die Geschwindigkeit soll durch externe Potentiometer gesetzt werden. Dieser Analogwert wird in SPSCPU gelesen und bearbeitet.


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2.3.8.2 Zweite Strecke

Die Route wird durch die Start-Taste ‚EIN_AUTO‘ bedient werden

Die Reise beginnt und endet in der „Strecke Werkstatt“ SWS.

Die Geschwindigkeit soll nur durch das Programm TIA-Portal gesetzt werden. Das heisst, auf das

externe Potentiometer kann kein Einfluss genommen werden.

2.3.8.3 Gemeinsam

Bei beiden Routen sollen die Züge mehrere Weichen durchfahren und die Fahrrichtung wechseln.

Die Reset-Taste ‚AUS‘ ist für beide Routen gültig.

2.3.9 Bedienung / Tasten

Das Bedienungspult besteht nur aus:

- Start-Taste - ‚EIN‘ und ‚EIN_AUTO‘, - Reset-Taste – ‚Aus‘ - Geschwindigkeit-Potentiometer

Alle weiteren Befehle sollen vollumfängliche über SPS gesteuert werden.

2.3.10 Bild des Bedienungspultes

Abbildung 3 - Bedienungspult

Ein/Auto Taster

AutomatikModus

Aus Taster

Reset

einstellbareGeschwindigkeit

Manuel Modus

Ein Taster

ManuelModus


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2.3.11 Bild der Anlage

Abbildung 4 - Anlage

2.4 Geplantes Vorgehen

Das Projekt wurde von mir in drei Hauptphasen unterteilt:

- Vorbereitungs- und Abklärungsphase- Realisierungsphase- Abschlussphase.

2.4.1 Phase 1 / Vorbereitung und Abklärung

In dieser Phase beschäftige ich mich hauptsächlich mit Terminabsprachen, Kontakten mit denverschiedensten Personen und ich organisiere entsprechende Unterlagen, Programme und zusätzlichbenötigten Informationen zu meinem Projekt.

Die Kontrolle und der Test meiner ‚sehr‘ alter Modelleisenbahn gehören auch dazu. Auch dieWiederherstellung der Züge und Geleise wird für die erfolgreiche Entwicklung des Projekts sehrwichtig sein.

Das Ziel ist es, in dieser Phase einen soliden Grundstein für den Projektstart zu legen.


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2.4.2 Phase 2 / Realisierung

Diese Phase stellt den Hauptbestandteil meines Projekts dar.

Hier teile ich sämtliche Aktivitäten an meiner Anlage in zwei Teile auf.

- Teil 1 / Hardware und Elektroplanung

Wiederherstellung der Lokomotiven, Weichen und GleiseElektrischer Aufbau der Steuerung als Prototyp

- Teil 2 / Erstellung der beiden Routenpläne und Programm-VorbereitungSchrittketten vorbereitenBerechnungenLösungssuche

- Teil 3 / Software und TestSoftware schreibenTests

Softwarelösung für Vorführzwecke

2.4.3 Phase 3 / Abschluss

In der Abschlussphase beschäftigte ich mich mit der Thematik zur Erstellung derHauptdokumentation, dem Vorbereiten der Präsentation und dem „finish“ meines Projektes.

Ebenfalls werden noch Rücksprachen mit meinem Betreuer geführt.


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3 Projektmanagement / Planung

3.1 Grobplanung

Die Grobplanung für mein Projekt führte ich bereits aus, als ich den Vorschlag für meineVordiplomarbeit verfasste. Die Vorgabe von ca. 150 Stunden Aufwand rechnete ich grob in Wochen

um und kam da auf einen ungefähren Zeitaufwand von 4 Wochen à 40 Stunden bei einer ungefähren Arbeitszeit von etwa 8 Stunden pro Tag. Da ich keine grosse Erfahrungen und Routine im BereichElektroplanung und SPS Programmierung habe, und die deutsche Sprache nicht meineMuttersprache ist, schätzte ich diesen Aufwand für meinen Fall als nicht realistisch ein.

Deswegen habe ich in der Planung etwa 50 Stunden mehr eingeplant.

In der folgenden Tabelle ist ersichtlich, wie ich die grobe Planung der Stunden auf die wichtigsten Aktivitäten verteilt und abgeschätzt habe. Es ist klar, dass gewisse Stunden eher knapp, anderewiederum zu grosszügig geplant sind, aber es geht ja auch nur um eine grobe Einteilung, welchespäter präzisiert werden kann.

Tätigkeit: Geschätzter

Zeitaufwand:

[h]

Besondere Risiken: Bemerkungen:

Softwarekonzept undProgrammierung derSoftwarelösung fürVorführzwecke.

55 Keine genügendeRoutine und Erfahrungvorhanden

Fleissarbeit

Erstellen desElektroschemas und des

Schienen-Plans

20 EPLAN Version mussverlängert werden.

Keine genügendeRoutine und Erfahrungvorhanden

Allgemeine Forschung undBesprechungen

30 MangelndeVorkenntnissen über dasThema

Es sind einige Termineabzusprechen.

Zeitaufwandsehr grosszügig

Hardware – Montage,Verkabelung

20 Keine genügendeRoutine und Erfahrung

vorhanden

Fleissarbeit

Allgemeine Testläufe undInbetriebnahmen

20 UnvorhergeseheneProbleme,Funktionsstörungen,Hardware usw.

an der Anlagedurchzuführen

Dokumentation desProjekts erstellen

55 Bearbeitungszeit undUmfang nichtunterschätzen

hohe Aufmerksamkeit

Total Stunden 200

Tabelle 1 / Grobplanung


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3.2 Feinplanung

Nachdem mein Vorschlag angenommen wurde und ich mein Projekt wie gewünscht durchführendurfte, erstellte ich eine Feinplanung, in welcher sämtliche Punkte eingetragen wurden, welche fürmeine Arbeit relevant waren.

Zuerst wollte ich meine Terminplanung mit dem Programm MS Project 2010 realisieren. Von diesemVorhaben bin ich aber abgekommen, da der Plan, welcher mit diesem Programm erstellt wurde, vielzu gross, zu unübersichtlich und auch viel zu detailliert dargestellt wurde. Demzufolge erstellte icheine „einfache“ EXCEL Tabelle mit allen nötigen Angaben.

Das gesamte Projekt wurde gemäss Terminplanung abgewickelt und bearbeitet. Ebenfalls wurde eineZeitkontrolle mit Soll/Ist Vergleich integriert.

In diesem Abschnitt wird nur kurz beschrieben, wie die entsprechenden Felder und Bezeichnungenauf meinem Terminplan zu interpretieren sind. Es müssen keine Texte und Zahlen herausgelesenwerden können, dies kann im Anhang gemacht werden. Dort befindet sich der gesamte Projektplan inleserlicher Grösse.

Tabelle 2 / Feinplan

Legende:

1. Auflistung der verschiedenen Tätigkeiten. Ein Block wird jeweils am Ende mit einem Meilenstein abgeschlossen.

2. Zeitkontrolle Soll/Ist

3. Legende für die Bedeutung der Einfärbungen.

4. Terminplan mit Unterteilung der Zeit in Kalenderwochen. Farbliche Markierungen analog der Legende.

4

3

2

1

1


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3.3 Meilensteine

Für das ganze Projekt habe ich mir sechs Meilensteine gesetzt, welche ich in den folgenden Abschnitten einzeln und detailliert beschreiben werde.

3.3.1 Meilenstein 1 / Abklärungen

Das Ziel war es, mit diesem Meilenstein die Abklärungsphase erfolgreich abzuschliessen. Das heisst,nach Erreichen dieses Meilensteins waren die wichtigsten Punkte gesetzt und auch eine positiveZusage der Schulleitung der HFU über mein Vorhaben war vorhanden.

3.3.2 Meilenstein 2 / Vorbereitungen

Das Ziel dieses Meilensteins war es, die alte analoge Modellbahn betriebsbereit zu haben.

3.3.3 Meilenstein 3 / Elektroplanung

Die Aktivitäten zum Erreichen dieses Meilensteins haben überwiegend die Elektro- undHardwareplanung betroffen.

Überarbeitungen am Schema erfolgten.

Ziel dieses Meilensteins war es, ein Elektroschema der Anlage zu haben.

3.3.4 Meilenstein 4 / Testläufe

Das Ziel dieses Meilensteins war es, die Aufgabensammlung an der Anlage durchzuspielen und auf

Mängel und/oder Fehler zu testen.

3.3.5 Meilenstein 5 / Software

Das Ziel war es, das Programm zu schreiben.

Die Variablen mussten definiert, alle FBs, FCs und DBs erstellt und in OB aufgerufen werden.

Laden und Testen des Programms gehörte auch zu diesem Meilenstein.

3.3.6 Meilenstein 6 / Dokumentation ProjektDieser Meilenstein umfasst den Abschluss des Projektes. Wurde dieser erreicht, ist dieDokumentation fertig geschrieben und auch die Präsentation vorbereitet. Die Vordiplomarbeit wendetsich dem Ende zu und ist abgabebereit.


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4 Modellbahnbau

4.1 Vorstudie

Bevor ich überhaupt begann mit Papier und Bleistift, bzw. mit dem PC, Geleise zu zeichnen, wollte ichmir ein paar Fragen beantworten, welche den Verlauf der Planung und den anschliessenden Bau

stark beeinflussen könnten.

Ich habe hier deshalb einen Fragenkatalog zusammengestellt:

Räumlichkeiten Wie gross ist der gesamte Raum, in dem die Modellbahn Platz finden muss?

Wie kann ich die Anlage transportieren?

Was muss neben der Modellbahn sonst noch Platz auf den Grundplatten finden?

Vorhandenes Ist schon Roll- und/oder Gleismaterial vorhanden?

Welches Material ist schon vorhanden?

Kann ich Bauelemente ersetzen?Technisches Welche Spurweite muss ich benützen?

Welches Gleissystem ist geeignet (Zweileiter/Mittelleiter)?

Welches Stromsystem ist geeignet (Analog/Digital/PC)?

Wie soll die Steuerung der Weichen/Signale erfolgen (Analog/Digital/PC)?

Wird ein Automatikbetrieb gewünscht?

Vorlieben/Persönliches Welche Tätigkeiten sollen mit der Modellbahn vor allem ausgeführt werdenkönnen (Anlagenbau / Modellbau / Fahrbetrieb / Rangieren / Automatikbetrieb /Landschaftsgestaltung)?

Wie lange sollen die Züge werden?

Gleisplan Gibt es bereits Vorstellungen von einem Gleisplan?

Tabelle 4 / Modellbahnbau – Vorstudie

Nach dem Ausfüllen des Fragenkataloges kann ich mir Gedanken über die zu wählendePlanungssoftware machen.

4.2 Gleisplanungssoftware

4.2.1 Hauptstudie / Konzept und Entscheidungsfindungen

Ich habe viele Ideen zu meiner Geleise-Planung im Kopf. Einmal aufgezeichnet, stelle ich dann jeweilsfest, dass nicht alles so passt, wie ich mir das vorgestellt habe.

Um meine Ideen zu visualisieren, habe ich mir drei Planungssoftwaretypen angesehen. Alle habenihre Vorteile, alle haben ihre Nachteile.


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Folgende Software habe ich mehr oder weniger recherchiert und verglichen:

Variante

Nummer

Software: Vorteile: Nachteile:

1 AnyRail Einfach zu bedienen Flex-Gleis-Handling

nur rudimentärNur für Windows

2 Wintrack Einfach zu bedienen

Ausgereiftes Flex-Gleis-Handling

3D-Ansicht

Nur für Windows

Teuerstes getestetesProdukt

3 XTrackCAD Kostenlos

Ist für Windows, Linux und OS Xverfügbar

Flex-Gleis-Handlingnur rudimentär

Die Bedienung iststark

gewöhnungsbedürftigTabelle 5 / Konzepte für das Gleisplanungssoftware

4.2.1.1 Entscheidung

Für die Erstellung meines Gleisschemas habe ich die Variante Nummer 2 bevorzugt und ausgewählt.

4.2.1.2 Begründung meiner Entscheidung

Damit ich ein gut strukturiertes und übersichtliches Gleisschema als Resultat erhalte, wäre es falsch,hier die kostenlose Variante zu wählen, nur um Geld zu sparen.

Die Software WinTrack ist logisch strukturiert und einfach zu bedienen. WinTrack ist eine „teure“Software, aber ich habe ich im Internet bei „Ricardo“ eine gute Gelegenheit gefunden, sodass dieserPunkt nicht mehr ins Gewicht fällt.

4.3 Modellbahnsteuerung

4.3.1 Stromsystem

Eins vorweg: Das Stromsystem bei der Modellbahn hat nichts zu tun mit dem Schienensystem.

Gleichstrom-System

Das Gleichstrom-System basiert darauf, dass der eine Leiter ein höheres elektrisches Potenzial(Spannung) aufweist als das andere. Um in die andere Richtung zu fahren wird das Potenzialgewechselt. Die maximale Spannung ist 14V=. Bei H0 wird das analoge Gleichstrom-System fastausschliesslich auf Zweileiter-Gleisen eingesetzt.

http://www.anyrail.com/http://www.anyrail.com/http://www.wintrack.de/http://www.wintrack.de/http://www.xtrkcad.org/http://www.xtrkcad.org/http://www.xtrkcad.org/http://www.wintrack.de/http://www.anyrail.com/


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5 Teilprojekt 1 / Hardware- und Elektroplanung

Es soll die Hardware- und Elektroplanung der gesamten Anlage ausgeführt werden. Diese umfasstsowohl das Zeichnen eines Elektroschemas, als auch die Beschriftung der ganzen Anlage.

Abbildung 6 / Hardware - Verbindung


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5.1 Zielsetzungen

Nachfolgend sind die Ziele dieses Teilprojekts ersichtlich.

Nummer Beschreibung der Ziele Art des

Ziels[MUSS]

Art des

Ziels[WUNSCH]

Gewichtung

[1-3]

1=hoch / 3=tief

1 Technische Ziele

1.1 Das Schema ist strukturiert zu erstellen. X 1

1.2 Das Schema muss erweiterbar sein. X 1

1.3 Das Schema soll ein Inhaltsverzeichnis enthalten. X 3

1.4 Das Schema soll einen Klemmenplan enthalten. X 2

1.5 Referenzkennzeichen, Betriebsmittelkennzeichen

Es ist die gültige Norm (EN 81346-2) zu verwenden.

X 3

2 Terminliche Ziele

2.1 Einhaltung Terminplan / Meilenstein 3 / Abschluss inKW17/15

X

3 Persönliche Ziele

3.1 Saubere und vollständige Hardware undElektroplanung durchführen.

X

3.2 Zeitplan einhalten. X

Tabelle 7 / Zielsetzungen Teilprojekt 1

5.2 Steuerung Einspeisung / Netzteil

5.2.1 Alt Netzteil - Modellbahn Fahrregler

5.2.1.1 Typenschild

Das bestehende Netzteil liefert eine Ausgangsspannung von 12.5 Volt. Je nachdem auf welche Seiteder Drehknopf betätigt wird, ist diese Spannung an den beiden Ausgangsklemmen positiv odernegativ.

Abbildung 7 / Alt: Netzteil Anschlüsse


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Abbildung 8 / Typenschild - Alt Netzgerät

5.2.1.2 Ausgangstrom

Aus der Leistung (3.2 VA) geht ein Strom von 0.256A hervor.

5.2.2 Neue Netzgeräte

Der Zug soll vollumfänglich über die SPS gesteuert werden. Das heisst, es wird sowohl dieGeschwindigkeit als auch die Fahrtrichtung durch die SPS vorgegeben.

Der SPS arbeitet mit 24VDC und die Modelleisenbahn arbeitet mit etwa 12VDC.

Deswegen habe ich zwei Netzteile gebraucht.

Abbildung 9 / Netzgerät Weidmüller

Abbildung 10 / Netzgerät Siemens


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5.3 Drehrichtung / Fahrtrichtung der Eisenbahn

5.3.1 Alt - über Modellbahn Fahrregler

Wird der Drehknopf auf die rechte Seite gedreht, ist die Ausgangsspannung positiv und der Zug fährtvorwärts.

Wird der Drehknopf auf die linke Seite gedreht, ist die Ausgangsspannung negativ und der Zug fährtrückwärts.

Befindet sich der Drehknopf in der Mittelstellung, werden am Ausgang 0V gemessen.

Abbildung 11 / Alt Netzgerät

5.3.2 Neu - über SPS

Die Drehrichtung soll über die SPS, mittels Umschaltrelais realisiert werden. Das heisst, es wird einRelais mit einem digitalen Ausgang angesteuert, welches dann schlussendlich einenPolaritätswechsel der Fahrspannung realisiert.

Wird das Relais nicht angesteuert, ist die Fahrspannung positiv und der Zug fährt vorwärts. Ist dasRelais angesteuert, ist die Fahrspannung negativ und der Zug fährt rückwärts.


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5.3.3 Prinzip

Digitalausgang

SPS

24VDC

K1

______________

0VDC

Ausgang = 0Drehrichtung

vorwärts

Ausgang = 1Drehrichtung

rückwärts

Abbildung 12 / COMAT Relais

SPS Analogausgang

0 – 10 V+ -

*1

+ - „Drehzahlsteller“

*1 __________

_____

___ ___ COMATK1 ----------- Relais für

UmschaltungVorrichtung

*2

Anschluss Gleis

*1 Spannung hat immer gleiche Polarität

*2 Spannung hat je nach Schaltstellung vonK1 eine andere Polarität

Tabelle 8 / Drehrichtung Prinzip

5.4 Geschwindigkeit der Eisenbahn

5.4.1 Alt - über Modellbahn Fahrregler

Die Geschwindigkeit ist abhängig, wie weit der Drehknopf auf die entsprechende Seite gedreht wird.Eine grössere Spannung hat demzufolge eine grössere Geschwindigkeit zur Folge.

5.4.2 Analog - über SPS

Je grösser die ausgegebene Spannung des analogen Ausgangs der SPS ist, umso schneller fährt der

Zug.


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Die Vorgabe kann wahlweise auch über einen analogen Eingang erfolgen, bei welchem einPotentiometer angeschlossen ist. Diese Vorgabe kann im Programm mit der entsprechendenBetriebsart verknüpft werden und so einfach aktiv oder passiv geschaltet werden.

Im Gegensatz zu einem binären Signal, das nur die beiden Signalzustände „Spannung vorhanden +24V“ und „Spannung nicht vorhanden 0V“ annehmen kann, können analoge Signale innerhalb einesbestimmten Bereichs beliebig viele Werte annehmen.

Für den Modellbahn-Geschwindigkeitsanaloggeber im Manuel-Modus, ein Potentiometer bei AnalogeEingang geeignet ist. Je nach Stellung des Drehknopfes kann hier bis zum maximalen Wert einbeliebiger Widerstand eingestellt werden.

Die analogen Grössen werden mit Hilfe eines Messumformers in elektrische Spannungen, Strömeoder Widerstände umgewandelt.

Der Widerstandbereich von meiner Potentiometer (0 bis 2000Ω) soll über einen Messumformer ineinen Spannungsbereich von 0 bis +10VDC umgewandelt werden.

Für die Automatik-Modus, der analog grosse soll mit SPS verarbeitet werden. In diese Fall, dieserPotentiometer hat keine Einfluss.

Aus den SPS bekomme ich 24VDC, bei Analog Eingang kann ich maximal 10VDC ausgeben.

Um diese Spannungswert erreichen, einer zusätzlich Widerstand vor meiner Potentiometer ist genug.

Nachfolgend sind die Berechnungen ersichtlich.

Vorgabe Geschwindigkeit(mit Potentiometer)

__ __

SPS

Analogeingang0 – 10 V(Poti)

SPSAnalog Eingang

10V

24VR1=U1 /I

I=U2 /RR1 = 14V / 0.005A

2800Ω I = 10V / 2000Ω 0.005A

14V - U1 10V - U2

Widerstand Potentiometer

R1 R2Tabelle 9 / Berechnung – Widerstand

5.4.3 Problematik

Da der Strom bei einem analogen Ausgang sehr beschränkt ist, ist es nicht möglich, dieGeschwindigkeit der Eisenbahn direkt über die Spannung des analogen Ausgangs zu steuern.

Hier wird ein elektronisches Bauteil benötigt, welches einen grösseren Strom liefert. DieEingangsspannung und die Ausgangsspannung sollten proportional zueinander stehen und wennmöglich zwischen 0-10V (Eingang) und 0-12.5V (Ausgang) liegen. Es ist aber auch nicht tragisch,wenn der Ausgang „nur“ eine Spannung von 0-10V liefern kann.


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5.5 Weichen

5.5.1 Ansteuerung von magnetgetriebenen Weichenantrieben

Diese Antriebe enthalten zwei Spulen, die im Gehäuse meist hintereinander angeordnet sind. Wirdeine der Spulen unter Strom gesetzt, schaltet der Antrieb um. Außerdem sind zwei Endlagenschalter

eingebaut, die die Stromzufuhr zu den Spulen abschalten, wenn die jeweilige Endposition erreicht ist.Der Antrieb hat drei Anschlusspole für die Steuerspannung; einen gemeinsamen 0-Pol und für jedeSpule einen.

Abbildung 14 / Weichen Spulen

5.5.2 Steuerung durch SPS

SPS

A0.0 A0.1 A0.2 A0.3 A0.4 A0.5 A1.024V

5K1 5K2 5K3 5K4 5K5 5K6 5K8

- ____________________________________________________

Abbildung 15 / SPS Ausgange – Weichen

W e i c h e 1

W e i c h e 2

W e i c h e 3

W e i c h e 4

W e i c h e 5

W e i c h e 6

W e i c h e n

F r e i g e b e n


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Abbildung 16 / Weichen Verbindung

5.6 Sensorik5.6.1 Nebenstrecke Signalisierung / Endschalter

Die Nebenstrecken sollen gegenseitig unabhängig sein.

Eine Endkontrolle soll melden, wenn der Zug an der Endstelle SP oder SWS angekommen ist und dieSpannung auf dieser Strecke ausgeschaltet werden muss.

Abbildung 17 / Endschalter im AnlageAbbildung 18 / Endschalter

Der Micro-Schalter, auch als Schnappschalter bezeichnet, wird in diesem Fall vorrangig alsEndschalter eingesetzt.


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5.6.2 Bewegungsüberwachung des Zuges

Der Zug muss durch zwei verschiedene Strecken fahren. Für die Routenplanung muss ich immerwissen, wo der Zug ist, wann er in eine andere Richtung fahren muss, wann und wie die Weichengeschaltet werden müssen.

Die Sensoren können die Zugbewegung überwachen und die Rückmeldungsimpulse zur SPS

schicken.

5.6.2.1 Konzept der Sensoren

Folgend habe ich die Lösungsmöglichkeiten aufgelistet, welche für diesen Punkt in Frage kommenwürden.

Variante

Nummer

Beschreibung: Vorteile: Nachteile:

1 Induktive Sensor

Induktive Näherungssensoren sindHalbleitergeräte zur Erfassungmetallischer Objekte.

-unempfindlich gegenstaubige und schmutzige

Umgebungseinflüsse-keine Farbabhängigkeit

-keine blinde Zone

-erkennen nur die Anwesenheit metallischer

Objekte-der Schaltabstand istkürzer als bei anderenSensortechnologien

2 Infrarot Reflex Miniatur-Lichtschranke5720

Sender und Empfänger befinden sich hierparallel zueinander in einemgemeinsamen Gehäuse. Das Lichtsignalwird an den auf der gegenüberliegendenSeite angebrachten Reflektorzurückgeworfen. Kleine

Reflexlichtschranken werden auch alsReflexkoppler bezeichnet, sie arbeiten oftmit auf bewegten Teilen angebrachtenreflektierenden, selbstklebendenFolienmarken.

-Die WirkungverschiedenartigerreflektierenderObjektmaterialien ist sehrunterschiedlich

-Zuverlässige Erkennungkleiner Objekte

-Erkennung von Objekten

in einem festen Abstand

-Reflexionsvermögen:

Das Ansprechverhalteneines Lichttasters wirdsehr stark vomReflexionsvermögen derOberfläche des zuerkennenden Objektesbeeinflusst.

-Glänzende Oberflächen:

Es kann schwierig sein,glänzende Objekte zuerkennen, die sich nichtin einem senkrechtenWinkel befinden

3 Reedschalter

Ein Reedschalter besteht aus zweiKontaktzungen aus ferromagnetischemMaterial, die hermetisch dicht in ein

Glasrohr eingeschmolzen sind. DieKontaktzungen-Enden überlappen sich insehr kleinem Abstand. Bei Annäherungeines ausreichend starken Magnetfeldesnehmen beide Kontaktzungen eineentgegengesetzte magnetische Polaritätan und schließen dadurch den Kontakt.

- berührungslosesSchalten

- günstiger Preis

- benötigen keineStromversorgung

- sehr zuverlässigeKontaktgabe

- FerromagnetischeMaterialien (z.B.Schrauben) in derNähe der Testspulekönnen die Messwerte

verfälschen.

- Starke Belastungenauf den Glaskörperoder dieLeitungsenden könnenzu Schäden führen.

Tabelle 11 / Konzepte für das Sensoren

5.6.2.2 Entscheidung

Für die Erstellung meiner Sensoren habe ich mich ganz klar für die Variante Nummer 3 entschieden.


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5.6.2.3 Begründung meiner Entscheidung

Nicht nur der Preis war der Grund meiner Entscheidung. Der Reed-Schalter hat eine einfache Ausrichtung und eine niedrige Fehlermöglichkeit.

Für die Betätigung von Reed-Kontakten ist ein vielseitiger und starker Magnet geeignet.

5.7 SPS – CPU

5.7.1 Automatisierungssystem SIMATIC S7-1200

Das Automatisierungssystem SIMATIC S7-1200 ist ein modulares Kleinsteuerungssystem für denunteren und mittleren Leistungsbereich. Es gibt ein umfassendes Baugruppenspektrum zur optimalen

Anpassung an die Automatisierungsaufgabe. Die S7-Steuerung besteht aus einer Stromversorgung,einer CPU und einer Ein- bzw. Ausgangsbaugruppe für digitale und analoge Signale. Gegebenenfallskommen noch Kommunikationsprozessoren und Funktionsmodule für spezielle Aufgaben wie z.B.

Schrittmotoransteuerung zum Einsatz.

Das SIMATIC S7-1200 System beinhaltet drei unterschiedliche CPU.

5.7.2 CPU 1214C AC/DC/RELAIS 6ES7214-1BG31-0XB0 115 V/AC, 230 V/AC

Zum SPS-Steuerungsmodul Siemens CPU 1214C AC/DC/RELAIS 6ES7214-1BG31-0XB0 115 V/AC,230 V/AC kann ein Signal Board hinzugefügt werden, um digitale oder analoge I/O zu erweitern, ohnedie Steuerung physikalisch zu vergrößern. Signal Module können an der rechten Seite der CPUangebracht werden, um die digitale oder analoge I/O-Kapazität zu erweitern.

5.7.3 Kurzübersicht

Abbildung 19 - CPU 1214C

1

2

3

4


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Legende:

1. Stromanschluss

2. Steckbarer Klemmenblock für die Anwenderverdrahtung (hinter den Abdeckklappen)

3. Status-LEDs für die integrierten E/A

4. PROFINET-Anschluss (auf der Unterseite der CPU). Für die Kommunikation mit einem Programmiergerät verfügt dieCPU über einen integrierten PROFINET-Port. Über ein PROFINET-Netzwerk kann die CPU mit HMI-Bediengerätenoder anderen CPUs kommunizieren

5.7.4 Schaltplan

Abbildung 20 / Schaltplan CPU

5.8 Analoge Modul

5.8.1 Analogausgabe - SB 1232, 1 AO

Werden analoge Grössen mit einer SPS verarbeitet, so muss der eingelesene Spannungs-, Strom-oder Widerstandswert in eine digitale Information umgewandelt werden. Diese Wandlung bezeichnetman als Analog – Digital – Wandlung (A/D Wandlung).

Diese elektrischen Spannungen, Ströme oder Widerstände werden dann an einer Analogbaugruppeangeschlossen die diese Signale digitalisiert.

Dies bedeutet, wenn ich den Spannungswert in den Gleisen (Geschwindigkeit meines Zugs) geregelthaben möchte, muss ich den Analogwert verarbeiten und regeln. Beim SPS S7-1200 / CPU 1214 Cgibt es nicht verwendete analoge Eingänge. Deswegen sind die Module - Analogausgabe, SB 1232, 1

AO nötig.


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Abbildung 21 / Analogausgabe, SB 1232, 1 AO

5.9 Elektroplan

5.9.1 Elektroschema

Das Elektroschema wurde wie geplant mit dem Zeichnungsprogramm EPLAN Education 2.3 Versionumgesetzt. Jedes Betriebsmittelkennzeichen (BMK) ist eindeutig vergeben und kommt nur einmal vor.

Dass Schema ist eine Beilage meines Projektes.Im folgenden Bild ist die Struktur meines Elektroschemas ersichtlich.

Abbildung 23 / Struktur Elektroschema

Abbildung 22 / Programm Eplan Version


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5.10 Verifikation / Test

5.10.1 Prüfen des Elektroschemas

Das Elektroschema wurde geprüft, indem es mehrfach durchgesehen und genau auf kleine Detailsgeachtet wurde. Beschriftungen, Adressierungen und auch Blattnummerierungen wurden genau

durchgeschaut und kontrolliert. Prüfen aller Beschriftungen an der Anlage.

5.11 Zielkontrolle / Überprüfung Schlusskontrolle

5.11.1 Übersicht der Ziele / Teil 1

Nummer Beschreibung der Ziele Art desZiels

[MUSS]

Art desZiels

[WUNSCH]

Gewichtung

[1-3]

1=hoch /3=tief

Ziel

erreicht

Ziel

nicht

erreicht

1 Technische Ziele1.1 Das Schema ist strukturiert zu

erstellen.X 1 X

1.2 Das Schema muss erweiterbarsein.

X 1 X

1.3 Das Schema soll einInhaltsverzeichnis enthalten.

X 3 X

1.4 Das Schema soll einenKlemmenplan enthalten.

X 2 X

1.5 Referenzkennzeichen,Betriebsmittelkennzeichen

Es ist die gültige Norm (EN81346-2) zu verwenden.

X 3 X

2 Terminliche Ziele

2.1 Einhaltung Terminplan /Meilenstein 3 / Abschluss inKW17/15

X X


3.1 Saubere und vollständigeHardware und Elektroplanungdurchführen.

X X

3.2 Zeitplan einhalten. X XTabelle 12 / Zielkontrolle Teilprojekt 1


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6 Teilprojekt 2 / Erstellung der beiden Routenpläne undProgrammvorbereitung

6.1.1 Zielsetzungen


Nummer Beschreibung der Ziele Art desZiels

[MUSS]

Art desZiels

[WUNSCH]

Gewichtung

[1-3]

1=hoch /3=tief

1 Technische Ziele

1.21 Die Geschwindigkeitsbedienung bei Manuel Modussoll über einstellbare Parameter verfügen.

X 3

1.22 Im Automatikmodus müssen drei verschiedene

Geschwindigkeitsstufen enthalten sein.

X 2

1.23 Die Routenplanung soll verschiedene Varianteerhalten.

X 3

1.24 Schrittkette Vorbereitung X 1

1.25 Schrittkette Funktionsplan schreiben X

2 Terminliche Ziele


X


3.22 Zeitplan einhalten. XTabelle 13 / Zielsetzungen Teilprojekt 3


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6.2 Schrittketten Vorbereitung

6.2.1 Routenplan ersetzt

Abbildung 24 / Routenplan ersetzt

6.2.1.1 Manuel Modus

Von Strecke-Parking bis Sensor 2

Von Sensor 2 bis Sensor 1




Von Sensor 2 bis Endstrecke-Parking

6.2.1.2 Automatik Modus

Von Strecke Werkstatt bis Sensor 4 *Speed 1

Von Sensor 4 bis wieder Sensor 4 *Speed 3

Von Sensor 4 bis Sensor 3 *Speed 2 und Speed 1

Von Sensor 3 bis Sensor 4 *Speed 3

Von Sensor 4 bis Sensor 2 *Speed 3

Von Sensor 2 bis Endstrecke Werkstatt *Speed 1

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 4

Sensor 3


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6.2.2 Funktionsplan

6.2.2.1 Manuel Modus

Abbildung 25 / Funktionsplan Manuel Modus


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6.2.2.2 Automatik Modus

Abbildung 26 / Funktionsplan Schrittkette 2 - Teil 1


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Abbildung 27 / Funktionsplan Schrittkette 2 - Teil 2

6.3 Analogwert Verarbeitung

Die digitalisierten Wertebereiche sehen hier wie folgt aus:

Abbildung 28 / Digitalwertbereich


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6.3.1 Mit Drehzahlsteller arbeiten

Mit diesem Gerät wird über eine Eingangsspannung (0-5V) die Ausgangsspannung (12V) von 0 bis100% ausgegeben. Werden zum Beispiel am Eingang 2.5V vorgegeben, dann wird am Ausgang eineSpannung von 6V ausgegeben.

Abbildung 29 / Drehzahsteller im Elektroplan

Der Analogausgang kann bis 10 VDC schicken, deswegen kann der digitalisiert Wert zurWeiterarbeitung in der SPS höchsten 13824 sein.

6.3.2 Berechnung der Geschwindigkeiten

Ich möchte im Automatik Modus mit 3 verschiedenen Geschwindigkeitsstufen arbeiten.

Analogausgang Leistung Spannung in denGleisen

DigitalisierterWert

0Leistung 0 0 0

Kleinste StufeSpeed 1 2.5 VDC 50% 6 VDC ≈ 7000

Mittlere StufeSpeed 2 3.75 VDC 75% 9 VDC ≈ 9700

Höchste Stufe

Speed 3 5 VDC 100% 12 VDC ≈ 14000Tabelle 14 - Geschwindigkeitstabelle


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Nummer Beschreibung derZiele

Art desZiels

[MUSS]

Art desZiels

[WUNSCH]

Gewichtung

[1-3]

1=hoch /3=tief

Ziel

erreicht:

Ziel

nicht

erreicht:

1 Technische Ziele

1.21 Die Geschwindigkeits-bedienung bei ManuelModus soll übereinstellbare Parameterverfügen.

X 3 X

1.22 Im Automatikmodusmüssen drei verschiedeneGeschwindigkeitsstufenenthalten sein.

X 2 X

1.23 Die Routenplanung sollverschiedene Variantenerhalten.

X 3 X

1.24 Schrittkette Vorbereitung X 1 X

1.25 Schrittkette Funktionsplanschreiben

X X

2 Terminliche Ziele

2.21 Einhaltung Terminplan /Meilenstein 5 / Abschlussin KW18/15

X X


3.22 Zeitplan einhalten. X X

Tabelle 15 / Zielkontrolle 2/2 Teilprojekt 2


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7 Teilprojekt 3 / Software und Test

7.1 Zielsetzungen


Nummer Beschreibung der Ziele Art des

Ziels

[MUSS]

Art des

Ziels

[WUNSCH]

Gewichtung

[1-3]

1=hoch /3=tief

1 Technische Ziele

1.31 Programmstruktur begründen X 1

1.32 Verriegelte Betriebsarten erstellen X 3

1.33 Software Lösung für Nebenstrecken schreiben X 2

1.34 Software Lösung für Steuerung der Weichen schreiben X 1

1.35 durch Beobachtungstabelle und auf das Symbol „Brille“

Beobachten ein/aus den Zustand der Variablenbeim Testen des Programms beobachten

X

1.36 die Bausteine FCs, FBs und DBs besser verstehenund richtig auswählen

X 3

1.37 die definierten Variablen beschreiben X

2 Terminliche Ziele


X


3.31 eine gute und saubere Softwarelösung schreiben X3.3 Zeitplan einhalten X

Tabelle 16 / Zielsetzungen Teilprojekt 3


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7.2 Programm

7.2.1 Programmstruktur in den Vorgabeprojekten

Im Folgenden ist die Bausteinstruktur der SPS Programme zu erkennen, welche ich in denVorgabeprojekten aufgebaut habe.

Abbildung 30 / Aufrufstruktur Baustein

Abbildung 31 / Aufrufstruktur von PLC-1


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7.3 Realisierung und Umsetzung

7.3.1 Betriebsarten

Es wurden die folgenden Betriebsarten in die Anlage integriert, welche nacheinander beschrieben

werden:

- Handbetrieb- Automatikbetrieb – Speed 1- Automatikbetrieb – Speed 2- Automatikbetrieb – Speed 3

7.3.1.1 Handbetrieb – Manuel Modus

Der Handbetrieb ist mit Ein Taster gewählt werden und demzufolge ist die ganze Anlage in dieserBetriebsart geschaltet.

Bei Handbetrieb ist der Geschwindigkeits-Sollwert durch ein Potentiometer verstellbar.

Dieses Potentiometer befindet sich im Bedienungspult.

7.3.1.2 Automatikbetrieb – Automatik Modus

Der Automatikbetrieb ist mit Ein-Auto Taster gewählt werden und demzufolge ist die ganze Anlage indieser Betriebsart geschaltet.

Bei diesem Modus der Betriebsart ist der Geschwindigkeits-Sollwert ist nicht extern verstellbar.

Im Automatik Betrieb wurden drei verschiedene Geschwindigkeits-Varianten gesetzt.

7.3.2 Steuerung Endstrecke-Erkennung

Wenn der Zug am Ende der Nebenstrecke ankommt, soll sich diese Strecke ausschalten. Dasbedeutet, sie bekommt keine Spannung mehr.

Hier ist der Funktionsbaustein der Nebenstrecke Parking zu sehen.

Abbildung 32 / Flanke auswerten


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Abbildung 33 / Endstrecken-Erkenung

7.3.3 Software / Hardware Lösung - Steuerung Weichen

Die Magnetantriebe enthalten zwei sehr empfindlichen Spulen. Die brauchen einen sehr kurzenImpuls um zu schalten.

7.3.3.1 Problematik 1

„Wann soll ich die Weichen steuern?“

Die Hardware Lösung war ein zusätzliches Relais - „Weichen Freigabe“ zu benutzen.

Die Software Lösung war einen Impuls zu diesem Relais zu schicken.

Abbildung 34 / Ansteurung für Freigabe alle Weichen


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7.3.3.2 Problematik 2

„Wie kann ich die Dauer des Impulses begrenzen und wie lang soll er sein, um die Weichen zusteuern?“

Mit Hilfe der „TP“ Timmer Anweisung konnte ich die Dauer für die Ansteuerungsfreigabe der

Weichen begrenzen und mit Tests habe ich die Länge definiert.

Abbildung 35 / Dauer für Ansteuerungsfreigabe Weiche

7.3.4 Initialisierung der Anlage

Damit die Anlage in einem kontrollierten Zustand steht, bestehen zwei verschiedeneInitialisierungssequenzen, der „Ein“ Taster wird gedrückt, oder der „Ein Auto“ Taster wird gedrückt.

Die Initialisierungssequenz hat zur Folge, dass sämtliche Steuersignale und Schrittmerkerzurückgesetzt werden. Ebenfalls werden in den Schrittketten die Weichen gesetzt.

Sieht „Beschreibung des Programmauszugs“ 7.3.3


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7.3.5 Programmierungskonzept der Schrittketten

Grundsätzlich gibt es „X“ verschiedene Möglichkeiten, eine Schrittkette zu programmieren. Ich habe

mich für die klassische Variante entschieden, um meine Softwarelösung zu schreiben. Diese Variantefunktioniert nach dem „setze Schrittmerker, rücksetze Schrittmerker“ Prinzip. Sie ist einfach zu

verstehen und auch sehr flexibel, was Erweiterungen betrifft. Auch eine Umschaltung in die Ansicht

von KOP oder FUP ist meist problemlos. Nachdem ich die kompletten Ablaufdiagramme beiderRoutenpläne erstellt hatte, konnte ich bereits mit dem Schreiben der Software beginnen.

Auf dem folgenden Bild ist ein Auszug eines Schrittes meiner Programmierung ersichtlich.

Abbildung 36 / Auszug Schrittkettenprogrammierung

Beschreibung des Programmauszugs:

Mit dem Schritt 000 wird der Initialschritt zu Manuel Modus angesteuert. Dezmzufolge ist die

geforderte Endstrecke Parking unten (E0.3) vorhanden.Mit dem Schritt 100 wird der Initialschritt zu Automatik Modus angesteuert. Demzufolge ist diegeforderte Endstrecke Werkstatt unten (E0.4) vorhanden.


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Um auch eine übersichtliche Struktur der verwendeten Schrittnummern zu erhalten, habe ich in beidenRoutenplänen nach der folgenden Aufteilung der Schrittmerker gearbeitet.

Schrittmerker / Schrittkette 1 / (Funktion 1 Manuel Modus): S000 bis S080Schrittmerker / Schrittkette 2 / (Funktion 2 jeweilige Station): S100 bis S210

7.4 Verifikation / Test

7.4.1 grober Ablauf meiner Inbetriebnahme der AnlageIch habe die Anlage mit den geforderten Funktionen erfolgreich in Betrieb genommen. Dank meinesmodularen Aufbaus des SPS Programms konnte ich die Inbetriebnahme schön Schritt für Schritt

abwickeln.Ich prüfte als erstes die Funktionen meiner Schrittkette 1. Danach wurden meine Schnittstellen unterden einzelnen Schrittketten getestet. Danach führte ich dasselbe mit Schrittkette 2 durch.

7.4.2 Prüfung aller BetriebsartenSämtliche Betriebsarten wurden einzeln durchgespielt und auf ihre Funktion geprüft.Die Anlage ist verriegelt, wenn die Anlage im Manuel Modus Inbetriebnahme ist, der Automatik Moduskonnte nicht initialisieren.Die Richtung konnte auch problemlos gesetzt werden.

7.4.3 Prüfung der SchrittkettenIm Manuel Modus wurden die Weichen genau richtig angesteuert, die Geschwindigkeit konnte durchdas externe Potentiometer geregelt werden und wenn der Zug am Ende der Strecke angekommen ist,wurde diese zurückgesetzt.Im Automatikbetrieb wurden alle Geschwindigkeits-Variationen richtig angesteuert, die Sensorenreagierten richtig, es wurde alles genau durchgearbeitet.

7.4.4 Prüfung des TimersDie Funktion des Timers wurde anhand einer durchlaufenen Runde geprüft. Er funktionierte genau.


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Nummer Beschreibung derZiele

Art desZiels

[MUSS]

Art desZiels

[WUNSCH]

Gewichtung

[1-3]1=hoch /

3=tief

Ziel

erreicht:

Ziel

nichterreicht:

1 Technische Ziele

1.31 Programmstrukturbegründen

X 1 X

1.32 verriegelte Betriebsartenerstellen.

X 3 X

1.33 Software Lösung fürNebenstrecken schreiben

X 2 X

1.34 Software Lösung fürSteuerung der Weichenschreiben

X 1 X

1.35 durchBeobachtungstabelle undauf das Symbol „Brille“

Beobachten ein/ausden Zustand der Variablenbeim Testen desProgramms beobachten

X X

1.36 die Bausteine FCs, FBsund DBs besser verstehenund richtig auswählen

X 3 X

1.37 die definierten Variablenbeschreiben

X X

2 Terminliche Ziele

2.31 Einhaltung Terminplan /Meilenstein 5 / Abschlussin KW18/15

X X


3.31 eine gute und saubereSoftwarelösung schreiben

X X

3.32 Zeitplan einhalten. X X

Tabelle 17 / Zielkontrolle Teilprojekt 3


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8 Rückblick auf das Projekt

8.1 Gesamteindruck

Der Gesamteindruck auf das Projekt ist durchaus positiv. Ich konnte mein Wissen unter Beweis

stellen. Das Gesamtresultat lässt mich sehr zufrieden sein und ich bin stolz auf die erbrachte Leistungund das vorliegende Resultat.

8.2 Was würde ich das nächste Mal anders machen?

Für mein nächstes Projekt, welches ich für meine Weiterbildung durchzuführen habe, würde ich mireines wünschen, bei welchem ich mich noch mehr auf das Schreiben von Software konzentrierenkönnte.

Dieses Projekt wird dann die Abschlussarbeit, die sogenannte Diplomarbeit der HFU darstellen.

Ansonsten würde ich wieder etwa gleich vorgehen, was die Projektdurchführung betrifft.


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9 Verzeichnisse9.1 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 / Aufgabenstellung .................................................................................. 6 Abbildung 2 - Plan der Schienen-Anlage .................................................................... 8 Abbildung 3 - Bedienungspult ..................................................................................... 9 Abbildung 4 - Anlage ................................................................................................ 10 Abbildung 5 - Feinplanung ........................................................................................ 13 Abbildung 6 / Hardware - Verbindung ....................................................................... 18 Abbildung 7 / Alt Netzteil Anschlüsse ....................................................................... 19 Abbildung 8 / Typenschild - Alt Netzgerät ................................................................. 20 Abbildung 9 / Netzgerät Weidmüller ......................................................................... 20 Abbildung 10 / Netzgerät Siemens ........................................................................... 20 Abbildung 11 / Alt Netzgerät ..................................................................................... 21 Abbildung 12 / COMAT Relais .................................................................................. 22

Abbildung 13 / Drehzahlsteller .................................................................................. 24

Abbildung 14 / Weichen Spulen ................................................................................ 25 Abbildung 15 / SPS Ausgänge – Weichen................................................................ 25 Abbildung 16 / Weichen Verbindung ........................................................................ 26 Abbildung 17 / Endschalter in der Anlage ................................................................. 26 Abbildung 18 / Endschalter ....................................................................................... 26 Abbildung 19 - CPU 1214C ...................................................................................... 28 Abbildung 20 / Schaltplan CPU ................................................................................ 29 Abbildung 21 / Analogausgabe, SB 1232, 1 AO ....................................................... 30

Abbildung 22 / Programm Eplan Version .................................................................. 30 Abbildung 23 / Struktur Elektroschema .................................................................... 30

Abbildung 24 / Routenplan ersetzt ............................................................................ 33 Abbildung 25 / Funktionsplan Manuel Modus ........................................................... 34 Abbildung 26 / Funktionsplan Schrittkette 2 - Teil 1 .................................................. 35 Abbildung 27 / Funktionsplan Schrittkette 2 - Teil 2 .................................................. 36 Abbildung 28 / Digitalwertbereich ............................................................................. 36 Abbildung 29 / Drehzahsteller im Elektroplan ........................................................... 37 Abbildung 30 / Aufrufstruktur Baustein ..................................................................... 40 Abbildung 31 / Aufrufstruktur von PLC-1 .................................................................. 40 Abbildung 32 / Flanke Auswerten ............................................................................. 41 Abbildung 33 / Endstrecke-Erkenung ....................................................................... 42 Abbildung 34 / Ansteurung für Freigabe aller Weichen ............................................ 42 Abbildung 35 / Dauer für Ansteuerungsfreigabe Weiche .......................................... 43 Abbildung 36 / Auszug Schrittkettenprogrammierung ............................................... 44


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9.2 TabellenverzeichnisTabelle 1 / Grobplanung ........................................................................................... 12 Tabelle 2 / Feinplan .................................................................................................. 13 Tabelle 3 - Feinplanung ............................................................................................ 13 Tabelle 4 / Modellbahnbau – Vorstudie .................................................................... 15

Tabelle 5 / Konzepte für die Gleisplanungssoftware ................................................. 16 Tabelle 6 / Modellbahnsteuerung – Schienensystem ............................................... 17 Tabelle 7 / Zielsetzungen Teilprojekt 1 ..................................................................... 19 Tabelle 8 / Drehrichtung Prinzip ............................................................................... 22 Tabelle 9 / Berechnung – Widerstand ...................................................................... 23 Tabelle 10 / Hauptstudie – Konzept - Geschwindigkeits-Lösung .............................. 24 Tabelle 11 / Konzepte für die Sensoren ................................................................... 27 Tabelle 12 / Zielkontrolle Teilprojekt 1 ...................................................................... 31

Tabelle 13 / Zielsetzungen Teilprojekt 3 ................................................................... 32

Tabelle 14 - Geschwindigkeits-Tabelle ..................................................................... 37 Tabelle 15 / Zielkontrolle 2/2 Teilprojekt 2 ................................................................ 38 Tabelle 16 / Zielsetzungen Teilprojekt 3 ................................................................... 39 Tabelle 17 / Zielkontrolle Teilprojekt 3 ...................................................................... 46


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9.3 Quellenangaben

Folgende Unterlagen wurden für die Realisierung meines Projektes verwendet:

- HELLER, Silvia. HFU Kursunterlagen Selbst – Management : Arbeitsorganisation / Arbeitstechniken.©Copyright A. Fuchs: Ausgabe 2011

- FUCHS, Alexander . HFU Kursunterlagen Selbst – Management : Schriftliche Arbeiten erstellen.

©Copyright S. Heller: Ausgabe 2010.

- DERRER, Roland. HFU Kursunterlagen Projekt – Management . ©Rolland Derrer: Ausgabe 5.5.2014

- SCHILLIGER, Stefan. HFU Kursunterlagen Steuerungstechnik . ©Copyright HFU: Ausgabe 2013.

- ZICKERT, Gerald. Elektro – Konstruktion: Engineering mit EPLAN . 2., neu bearbeitet Auflage, ©CarlHanser Verlag 2009.

- EPLAN. Manual do Iniciante. ©EPLAN Software & Service GmbH & CO. KG. 2006.

- OERTLE, Mathias. HFU Skript SPS Grundlagen. ©Copyright HFU: Ausgabe 2013.

- OERTLE, Mathias. HFU Skript SPS Ablaufsteuerungen. ©Copyright HFU: Ausgabe 2014.

- LIEB, Ulrich. Jetzt helfe ich mir selbst: Sichere Modellbahn-Steuerung . 1. Auflage 2011, Copyright ©

by transpress Verlag.

- KRIEBEL, Hennig. Digital – Profi werden: Fahren – Schalten – Rückmelden. ©Copyright KribelVerlag.

- SIEMENS. SCE Trainer Pakete: Verwendung nur für Bildungs- / F&E-Einrichtungen. Freiverwendbar / © Siemens AG 2012. All Rights Reserved


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9.4 Verwendete Software

Folgende Softwarepakete wurden für die Realisierung meines Projektes verwendet:

- Programmierung / SPS: SIMATIC Software / TIA Portal V13

- Erstellung des Elektroschemas: EPLAN Education Version

- Erstellung des Schienenplan: WinTrack

- Erstellung Dokumentation: MICROSOFT WORD2013

- Erstellung Terminplanung: MICROSOFT EXCEL2013

- Erstellung diverse Grafiken: MICROSOFT VISIO2010

- Erstellung sämtlicher Printscreen’s: Gadwin PrintScreen / Freeware / V4.6 (2012)

- Erstellung sämtlicher PDF Dateien: PDF Creator / Freeware / V1.2.1


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9.5 Glossar

Da ich darauf geachtet habe, allgemein gut verständliche Ausdrücke zu verwenden, fällt der Teil desGlossars in meiner Dokumentation eher bescheiden aus.

SPS:

Abkürzung für speicherprogrammierbare Steuerung. Dieser Speicher kann individuell programmiertund angepasst werden. Der Ablauf eines Prozesses ist von dieser Programmierung abhängig.

Variablentabelle:

Eine Tabelle, in welcher sich verschiedene Variablen für Testzwecke erfassen lassen. Diese könnendort auch manuell gesteuert werden.

CPU:Control Prozessor Unit - Steuerrechner

FC:

Funktionsbaustein - Bausteinabkürzung für Funktionen in der Siemens SPS-Sprache


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10 Anhang Papierform / Ausdrucke

10.1 Inhalt des Anhangs in Papierform

Folgende Unterlagen wurden meiner Dokumentation in Papierform angehängt und folgen auf den

nächsten Seiten:

10.1.1 Terminplan

10.1.2 Protokolle Betreuersitzungen

10.1.2.1 Betreuersitzung 1

10.1.2.2 Betreuersitzung 2

10.1.3 Gleisplanung

10.1.4 Elektroplan - EPLAN


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11 Anhang Datenform / CD-ROM

11.1 Inhalt des Anhangs in Datenform

Folgende Unterlagen wurden meiner Dokumentation in Datenform angehängt.

- sämtliche SPS Projekte, einerseits als TIA Portal Projekt und andererseits als Ausdrucke imPDF Format

- Datenblätter und Betriebsanleitungen zu allen verbauten Hardwarekomponenten als PDF-Datei

- gesamte Dokumentation als WORD und als PDF Datei

- Elektroschema als EPLAN Projektdatei und als PDF Datei

- Terminplanung als EXCEL und als PDF Datei

- die Aufgabenstellung und die Protokolle der Betreuersitzungen als PDF Datei


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12 Bestätigungen

12.1 Eigenständigkeitsbestätigung

Hiermit bestätige ich, Adriany De Mello Bösiger, diese Vordiplomarbeit selbständig erarbeitet zu

haben. Es wurden weder irgendwelche fertigen Unterlagen verwendet, noch wurden Arbeiten durchandere Personen als durch mich ausgeführt und realisiert.

12.2 Einverständnis zur Weitergabe meiner Vordiplomarbeit

Ebenfalls darf meine Vordiplomarbeit hiermit offiziell durch die HFU, an Drittpersonen (Lehrlinge,Studenten, Lehrpersonen) weitergegeben oder auch zur Ansicht vorgezeigt werden. Auch die Datenauf der CD sind als nicht vertraulich klassifiziert.

Ort und Datum: Die Verfasserin:

VDA Modeleisenbahn Dok

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