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Die digitale Fabrik der Technikerschule München Die digitale Fabrik der tsm ist ein funktionsfähiges Modell einer vertikal vernetzten Produktionsanlage mit den heute üblichen Steuerebenen : - ERP-Ebene (enterprise resource planing) Zentrale Betriebsdatenverarbeitung. ERP-Systeme wie z.b. SAP realisieren die betriebs- wirtschaftlich ausgerichteten Prozesse in einer Firma. Hier werden die Aufträge für die Produktionsstätten erzeugt und alle Resourcen verwaltet. - MES-Ebene (manufactoring execution system) Software setzt die Aufträge aus ERP in Fertigungsschritte für die Fertigungsanlagen um (Fertigungsmanagement) und meldet relevante Anlagendaten zurück in die ERP-Ebene (Betriebsdatenerfassung). - Prozess-Ebene Nimmt Aufträge für Fertigungsschritte entgegen und führt sie im modular aufgebauten Maschinenpark der Produktionsstätte aus. - Zulieferer (supply chain) Liefert für die Produktion nötige Bauteile zeitgerecht (just-in-time) und in modernen Anlagen mit Variantenfertigung (Losgröße 1) in der für die Fertigung benötigten Reihenfolge („just-in- sequence“). Als vertikale Kommunikationssysteme zwischen den Automatisierungsebenen arbeiten : - Webservices (XML) zwischen ERP und MES und in der supply chain - TCP/IP (Ethernet) zwischen MES und Prozess - OPC uA zwischen MES und Prozess - Profibus/net (Feldbus) innerhalb der Prozessebene auf SPS-Basis - S7-Protokoll auf Ethernet RFC1006 als Alternative zum Feldbus

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  • Die digitale Fabrik der Technikerschule Mnchen Die digitale Fabrik der tsm ist ein funktionsfhiges Modell einer vertikal vernetzten Produktionsanlage mit den heute blichen Steuerebenen :

    - ERP-Ebene (enterprise resource planing) Zentrale Betriebsdatenverarbeitung. ERP-Systeme wie z.b. SAP realisieren die betriebs-wirtschaftlich ausgerichteten Prozesse in einer Firma. Hier werden die Auftrge fr die Produktionssttten erzeugt und alle Resourcen verwaltet. - MES-Ebene (manufactoring execution system) Software setzt die Auftrge aus ERP in Fertigungsschritte fr die Fertigungsanlagen um (Fertigungsmanagement) und meldet relevante Anlagendaten zurck in die ERP-Ebene (Betriebsdatenerfassung). - Prozess-Ebene Nimmt Auftrge fr Fertigungsschritte entgegen und fhrt sie im modular aufgebauten Maschinenpark der Produktionssttte aus. - Zulieferer (supply chain) Liefert fr die Produktion ntige Bauteile zeitgerecht (just-in-time) und in modernen Anlagen mit Variantenfertigung (Losgre 1) in der fr die Fertigung bentigten Reihenfolge (just-in-sequence). Als vertikale Kommunikationssysteme zwischen den Automatisierungsebenen arbeiten :

    - Webservices (XML) zwischen ERP und MES und in der supply chain - TCP/IP (Ethernet) zwischen MES und Prozess - OPC uA zwischen MES und Prozess - Profibus/net (Feldbus) innerhalb der Prozessebene auf SPS-Basis - S7-Protokoll auf Ethernet RFC1006 als Alternative zum Feldbus

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    Dokumentation :

    Teil 1 : berblick zur Laboranlage digitale Fabrik

    1. Die Anlage als Praktikumsbasis 2. Automatisierungsstruktur 3. Aufbau des Stammwerks 4. Aufbau des Zulieferers 5. IT-Struktur 6. Produktionsablauf, Beschreibung der verschiedenen Betriebsarten

    Teil 2 : Kommunikation und allgemeine Adresskonventionen

    1. Allgemeines Kommunikationskonzept

    1.1 SPS-Ebene 1.2 ERP-Ebene und Zuliefererkommunikation 1.3 ERP-Ebene und MES-Ebene

    2. Realisierung der Anlagenkommunikation : Feldbus und Ethernet 2.1 Profibus DP 2.2 Ethernetbasierte Kommunikation

    2.3 IP-Adressbelegung

    3. Modulfunktionen und Konventionen fr die SPS-Programmierung

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    Teil 3 : Pflichtenhefte der Modulfunktionen

    Fertigungszellen (Module) im Stammwerk :

    Transportband Lineararm Vertikalarm Horizontalarm Lager und QS-Einheit

    Teil 4 : Hardwaredokumentation (Klemmenbelegung der SPS)

    4.1 Stammwerk 4.1.1 Montageband 4.1.2 Lineararm

    4.1.3 Vertikalarm 4.1.4 Horizontalarm 4.1.5 Lagereinheit 4.2 Zulieferwerk

    Teil 5 : Hinweise zur Bedienung (auch ber das Internet)

    Reiner Doll, Technikerschule Mnchen ([email protected]), Dezember 2015

    mailto:[email protected]

  • 4

    Das Labor Digitale Fabrik am Standort Bergsonstrae der Technikerschule Mnchen dient als Praktikumsbasis fr die Fcher Steuerungstechnik (SPS), Automatisierungstechnik (Industriekommunikation, Fertigungsautomatisierung) und Datenverabreitungstechnik. Ziel des Gesamtprojektes ist, den teilnehmenden Schlern (und nicht zuletzt auch den betreuenden Lehrern) praxisnahe Erfahrungen an einer realen Produktionsanlage zu ermglichen. Es handelt sich hierbei aber nicht um eine 100% funktions- und leistungsfhige Fertigungs- anlage, sondern vielmehr um ein Experimentalsystem, das Stck fr Stck durch Projektarbeiten von Schlern weiterentwickelt und am Stand der Technik gehalten wird. Kerngedanke der gesamten Anlage ist, die technische und unternehmerische Praxis eines modernen Fertigungsbetriebs, angefangen bei den betriebswirtschaftlichen Geschftsablufen ber die Produktionsautomatisierung bis hin zur Anlagenprogrammierung, realittsnah und funktionsfhig abzubilden. Dieses Bild zeigt die Struktur der zugrunde liegenden Modellfabrik : Stammwerk Firmenleitung (Bro mit ERP) Lager Halle3 Halle2 Halle1 Zulieferbetrieb

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    TEIL 1 : Beschreibung der Laboranlage

    1. Die Anlage als Praktikumsbasis und im Internetbetrieb

    Das Labor Digitale Fabrik ermglicht Schlern und Lehrern der Technikerschule Mnchen, praxisnahe Erfahrungen in den Fachbereichen Automatisierung, Datenverarbeitung, Steuerungstechnik und Betriebswirtschaftslehre zu sammeln. Die praktische Arbeit an dieser Anlage nimmt in den beteiligten Fchern breiten Raum ein. Die Anlage wird durch jhrlich stattfindende Projektarbeiten kontinuierlich weiterentwickelt und so auf dem Stand der Technik gehalten. Daneben ist es mglich, auch auerhalb der Unterrichtszeit ber ein Webinterface an der Anlage zu arbeiten und die ablaufenden Funktionen per WebCam zu betrachten. Dies soll in Zukunft auch durch Onlinekurse und einbettende Webangebote (Wiki, Forum etc..) begleitet werden.

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    2. Struktur der Automatisierung

    Die erforderliche Anpassung der Anordnung an den Stand der Technik erfolgte zuletzt durch Angliederung eines externen Zulieferers und die Anbindung an betriebswirtschaftliche Ablufe. Bild 2 zeigt die heute bliche Darstellung einer Unternehmensstruktur :

    Enterprise Resource Planing : Frher Warenwirtschaftssystem Betriebswirtschaftliche Unternehmenssoftware (z.b. SAP, hier AvErp) Manufactoring Execution System : Fertigungsnahe Prozessleittechnik SCADA-Systeme Prozessautomation in der Fertigungshalle : Maschinensteuerung SPS usw..

    Bild 2 : Dreischichtenmodell einer Unternehmensstruktur

    Dieses Modell wird nun erweitert durch Einbeziehung der Zulieferkette (supply chain), die heute einen wesentlichen Bestandteil moderner Fertigungsablufe darstellt :

    Neben unabhngigen ERP-Systemen in jedem Werk : Kommunikation mit Zulieferern : just in time just in sequence

    Unternehmen 1 : Stammwerk Unternehmen 2 : Zulieferer Bild 3 : Dreischichtenmodell mit Zulieferbetrieb

  • 7

    3. mechanischer Aufbau Stammwerk

    Das Labor flexible Fertigung befindet sich im Raum 13.25 am Standort Bergsonstrae der Technikerschule Mnchen. Die Fertigung im Stammwerk besteht aus einer Produktionsanlage fr Trme aus jeweils 3 verschiedenfarbigen Metallzylindern (ca. 50 x 10 mm). ber verschiedenfarbige Zylinder in den 3 Lagern der Fertigungsmodule ergeben sich 27 Produktvarianten (verschiedenfarbig zusammengesetzte Trme), die in Losgre 1 gefertigt werden. Der Wertschpfungsprozess findet im Stammwerk entlang einer Fertigungsstrae mit 3 Fertigungsmodulen, einer Qualittssicherungseinheit und einem Auslieferungslager an einem zentralen Transportband statt.

    Bild 4 : mechanischer Aufbau des Stammwerks

  • 8

    4. mechanischer Aufbau Zulieferer

    Angegliedert ist der Zulieferer. Dies ist ein unabhngiges Bestckungssystem, das ber eine Transporteinheit (Landstrae) eines der Module des Stammwerks just-in-time und just-in-sequence mit Materialsequenzen fr je eine Charge ( 3 Trme) versorgt.

    Bild 4b : mechanischer Aufbau des Zulieferers und Anbindung ans Stammwerk

    Landstrae

    Fertigungszelle 1

    im Stammwerk

    Zulieferer

    Werkstor

    Fertigung

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    5. IT-Struktur ERP-Ebene : Win2003-Enterprise Server (Hardware : HP-Netserver LH4r) Open source ERP-System ADEMPIERE Datenbanken ORACLE und mySQL Firewall Apache Webserver (Webservices)

    MES-Ebene : Je ein Win2008- Server in Stammwerk und Zulieferwerk

    Visual Studio Express 2010 mit VB .net MES-Funktion mit eigenentwickelter Software (VB .net) Graphische Bedienschnittstelle, Prozessvisualisierung.

    Prozess-Ebene : Win2003 Server zur SPS-Programmierung aus dem Web und 25 Labor-PC im Raum 13.25 - Stammwerk :

    Zellebene : (DP-Master) S7 315pn/dp (koordiniert (verkettet) die Fertigungsmodule

    Feldebene : (DP-Slaves) 5x S7 315pn/dp (Mechaniksteuerung) Kommunikation ber Profibus DP, Profinet CBA oder ISO-on-TCP

    - Zulieferer :

    Simatic S7 300 Kommunikation ber OPC Alternativ : Soft-SPS in Codesys (objektorientiert) Kommunikation ber EtherCAT - virtuelle Fertigungszellen :

    In der Versuchsphase existieren 2 virtuelle Fertigungszellen, die funktions- und belegungsidentisch mit 2 realen Zellen aus dem Stammwerk arbeiten. (Simulation Wildlife). Diese werden objektorientiert aus je einer UML-basierten Codesys- Soft-SPS gesteuert.

  • 10

    6. Produktionsablauf Produktionsablauf im berblick (unterlegt: Automatisierungsdreieck) :

    Der Kunde bestellt am ERP-System Produkte aus der vorgegebenen Produktpalette. Losgre 1 : jedes Produkt kann individuell anders aufgebaut sein. Das ERP-System erstellt Stcklisten, Vorkalkulation, Fertigungsauftrge usw Die Disposition erstellt Auftrge zur Befllung von Lagern im Hauptwerk und Forecasts an den Zulieferer. Fertigungszeitplne werden erstellt (Zulieferer, Lagerbestand usw..). Die Fertigung wird schlielich freigegeben. Hierzu werden Fertigungsauftrge mit fortlaufenden Auftragsnummern (ID) am Webportal fr Stammwerk und Zulieferer bereitgestellt Nach Ablauf der Fertigung werden die ntigen betriebswirtschaftlichen Schritte (Rechnungstellung, Disposition, Lieferscheine, Nachkalkulation, Fakturierung usw..) durchgefhrt. Der Zulieferer mu die Materialien fr eine Charge (3 Bauteile) zum richtigen Zeitpunkt (just in time) und in der fr die Fertigung bentigten Reihenfolge (just in sequence) bereitstellen. Er holt die Information (Forecast) vom Webportal des ERP-Systems und fertigt die Sequenz. Dann wird gewartet bis die Lieferfreigabe (Sequence-Call) erfolgt. Daraufhin wird ausgeliefert. Die MES-Systeme im Stammwerk und beim Zulieferer koordinieren den Ablauf der Fertigung, indem Sie die Prozessebene mit Fertigungsschritten beauftragen, die sich aus den Fertigungsauftrgen aus ERP ergeben. Das MES-System im Stammwerk fhrt die zeitliche Koordinierung der einzelnen Fertigungsmodule in der Feldebene durch (Verkettung). Die Anlage kann mit einem festen Anlagentakt gefahren werden (starre Kopplung) oder mit frei laufenden Fertigungsmodulen (lose Kopplung). Auftrge werden entweder von MES vorgegeben (Push-Prinzip) oder mttels der RFID-gesttzten Produktidentifizierung direkt aus der ERP-Datenbank gelesen (siehe Pull-Prinzip, e-Kanban) Die Fertigungsmodule fhren SPS-gesteuert die ntigen mechanischen Ttigkeiten aus.

  • 11

    Produktionsablauf im Detail (Betriebsarten) Sinn der verschiedenen Betriebsarten ist es, in Praktika im Unterrichtsbetrieb die mglichen Varianten der Anlagenfhrung kennenzulernen.

    Betriebsart 1 : Prozessablauf bei starrer Kopplung der Prozessmodule In dieser Betriebsart wird die gesamte Fertigung auf Prozessebene von einem gemeinsamen Anlagentakt gesteuert. Alle Fertigungsschritte werden im Stammwerk ausgefhrt (Fertigungstiefe 100%, kein Zulieferer). Die Fertigung ist in Chargen zu 3 Produkten organisiert, jede Charge hat einen Serienanlauf und auslauf.

    Betriebsart 2 : starre Kopplung mit Anbindung eines Zulieferers In dieser Betriebsart wird die gesamte Fertigung von einem gemeinsamen Anlagentakt wie oben gesteuert. Die Fertigungstiefe betrgt aber nicht 100%, ein Teil der ntigen Fertigungsablufe wird an einen Zulieferbetrieb ausgelagert (supply chain). Dieser liefert just-in-time und just-in-sequence. Betriebsart 3 : lose Kopplung mit Zulieferer, RFID-gefhrt mit Produkt-ID Keine Steuerung durch einen gemeinsamen Anlagentakt. Die Module laufen unabhngig voneinander. Ein Teil der ntigen Fertigungsablufe ist an einen Zulieferer ausgelagert (supply chain). An den Modulen wird aus einem RFID-Tag am zu bearbeitenden Werkstck eine Produkt-ID ausgelesen, mit deren Hilfe aus der zentralen Datenbank der Anlage der bentigte Auftrag fr das Modul eingeholt werden kann.

  • 12

    TEIL 2 : Kommunikationsprotokolle und allgemeine Adresskonventionen 1. Kommunikationskonzept 1.1 Handshakeprinzip

    Timing-Diagramm des Kommunikationsprotokolls :

    READY

    START

    AUFTR. x y

    ACK.

    BUSY

    ERROR

    Zeit Bild 5 : Timingdiagramm der Kommunikation

    Das Kommunikationsprotokoll beschrieben als Text (Requester A / Responder B): B : (Responder) meldet mit READY ihre Bereitschaft (bei Power-On) A : (Requester) legt die Auftragsinformation an A : legt den START-Befehl an B : quittiert mit ACKNOWLEDGE den START B : zeigt durch BUSY=1 die laufende Mechanikaktion an A : setzt bei eingegangenem ACKNOWLEDGE den Start zurck B : setzt bei erkanntem START=0 ACKNOWLEDGE zurck (=0) A : wartet auf BUSY=0 Bei Fehlfunktion (z.b. Lager leer) luft das Modul trotzdem weiter (hat Vorteile fr Testbetrieb..), setzt aber ERROR. Dieser kann von MES oder manuell (Starttaste) quittiert werden. Bei Auftrag = 0 (Nullauftrag) wird der Handshake abgewickelt, aber keine Mechanikaktion gestartet.

  • 13

    1.2 Fertigungsinformation von ERP zu MES : Fertigungsauftrge : Liste mit anstehenden Auftrgen am Webportal von ERP, wird von

    Stammwerk und Zulieferer (MES1 und MES2) zyklisch gelesen (polling) : (Zahl, 6-stellig) (Zahl, 0..3) (Zahl, 0..3)

    (Zahl, 0..3) < Lagerplatz> (Zahl, 0..4)

    (0 : Auftrag vorhanden 1: Auftrag nicht vorhanden)

    Zulieferersteuerung von ERP zu MES in Betriebsart 2 und 3 : Sequence-Call : Lieferfreigabe fr Zulieferer, wird von MES1 an ERP geschrieben, und von

    MES2 an ERP zyklisch gelesen (polling). Nach Herstellen einer Sequenz wird von MES2 der Status fr die bereitstehende Sequenz auf wait gesetzt. Nach Auslieferung bis zur Fertigstellung der nchsten Sequenz wird der Status Impossible gesetzt. Die Sequenz-ID ist stets die Produkt-ID des dritten Produkts einer Sequenz

    (Zahl, 6-stellig) (String : wait oder impossible)

  • 14

    2.1 Kommunikationskonzept in Profibus DP : (vgl. 3.6 Seite 20) Prozessmaster (Master-SPS) band linear

    vertikal

    MES

    horizontal

    lager

    Bild 6 : Kommunikationsberblick Stammwerk in Profibus DP

    A0.0 ready

    A0.1 ack

    A0.2 busy

    E0.0 start

    EB1 auftrag

    A0.0 ready

    A0.1 ack

    A0.2 busy

    E0.0 start

    EB1 auftrag

    A0.0 ready

    A0.1 ack

    A0.2 busy

    E0.0 start

    EB1 auftrag

    A0.0 ready

    A0.1 ack

    A0.2 busy

    E0.0 start

    EB1 auftrag

    A0.0 ready

    A0.1 ack

    A0.2 busy

    E0.0 start

    EB1 auftrag

    E0.0

    E0.1

    E0.2

    A0.0

    AB1

    E10.0

    E10.1

    E10.2

    A10.0

    AB AB11

    E20.0

    E20.1

    E20.2

    A20.0

    AB21

    E30.0

    E30.1

    E30.2

    A30.0

    AB31

    E40.0

    E40.1

    E40.2

    A40.0

    AB41

    DB 10

    start_master

    ready_master

    ack_master

    busy_master

    koppel_master

    lin1

    lin2

    vert1

    vert2

    vert3

    hor1

    hor2

    hor3

    lager1

    lager2

    lager3

    lager4

    MES

  • 15

    2.1 Kommunikationskonzept in Ethernet TCP/IP :

    (vgl. 3.6 Seite 20)

    Alle Module identisch :

    MES

    Bild 8 : Kommunikationsberblick Stammwerk mit Ethernet-basierten Protokollen (native TCP/IP, OPC uA)

    (Auftragsdefinition siehe unten bei

    den Modulpflichtenheften)

    MES

    DB20 DBX0.0 Start DBX0.1 Ready DBX0.2 Acknowl. DBX0.3 Busy DBX0.4 Error DBX0.5 Action BYTE 1 Auftrag BYTE 2 Errorbyte

  • 16

    2.3 Adressvergabe in TCP/IP : Alle Adressen sind IP im Labornetz der Technikerschule : 1.0.0.0 / 8

    bersicht Anlage IP-Adressen bzw. MAC Adressen Stationen

    Touchpanel

    Wago Klemmen Lampen

    RFID-Controller : 1.0.20.1 / 8

    2.4 Adressvergabe in Profinet : (vgl. 3.6 Seite 20) Als Ausgangsadressbereich fr die Profinet-Devices wird in den Modul-SPS das Ausgangsbyte 10 reserviert : A10.0 : grn A10.1 : gelb A10.2 : rot

  • 17

    3. Gertefunktionen und Programmierkonventionen fr SPS und PC : 3.1 ERP Das ERP-System dient als zentraler Informationsknoten auf IT-Ebene. Auftrge werden manuell an einer Bedienschnittstelle (Webshop oder Eingabemaske) eingegeben und fr die Anlage zentral redundanzfrei (kein zweiter Speicherort !) in der Systemdatenbank abgelegt. Die Kommunikation mit MES1 und MES2 erfolgt ber Webservices. Spter hinzukommende betriebswirtschaftliche Funktionen (das eigentliche ERP..) sind noch nicht zu berblicken. Hier werden noch keine Konventionen festgelegt.

    3.2 MES1 (Stammwerk) starre Kopplung (Unterrichtsbetrieb): MES1 holt sich am ERP-System Auftrge fr Chargen von je 3 Produkten (Trmen). Hierzu wird vom ein VBScript (Stub) getriggert, das die Kommunikation ausfhrt. Ist die gelesene Auftragsnummer grer als die des zuletzt bearbeiteten Auftrags, wird der Auftrag bernommen. Der Produktauftrag wird im MES-Programm in Fertigungsschritte zerlegt. Fr jeden Fertigungsschritt werden die SPS einmal mit einem Timinghandshake gestartet, dazu werden die Fertigungsinfos fr alle Module (Slaves) bergeben. Wenn alle SPS das Ende eines Fertigungsschritts melden, beginnt der nchste. lose Kopplung (Projektbetrieb) : Das Band luft dauernd, MES scannt die RFID-Reader an den Modulen. Bei neuer gelesener ID wird der dazugehrige Auftrag aus ERP gelesen, dann die SPS des Moduls unabhngig von der Restanlage sofort mit Handshake gestartet. Die Fllmenge der Pufferlager mu programmtechnisch oder mit Sensorik berwacht werden, bei vollem Puffer mu das Vorgngermodul warten.

    3.3 MES2 (Zulieferer)

    MES2 holt sich am ERP-System Sequenzauftrge (siehe MES1) Die Zuliefersequenz aus 3 Bauteilen wird in 3 Fertigungsschritten auf das Transportband bestckt. Zu jedem Fertigungsschritt wird die Zulieferer-SPS einmal mit einem Timinghandshake initiiert. Nach Beendigung der 3 Fertigungsschritte (Charge liegt am Werkstor bereit) wird der Sequenzstatus auf wait gesetzt und auf die Lieferfreigabe von MES des Stammwerks gewartet (Polling am Webportal des ERP).

  • 18

    3.4 SPS im Zulieferwerk : Jeder Fertigungsschritt (je ein Teil) wird durch einen Handshake von MES 2 gestartet. Ein Fertigungsschritt beinhaltet die Bestckung eines Teils aufs Transportband und Transport zum Werkstor. Ist der Teileauftrag = 0, wird die bisher gefertigte Sequenz entsorgt (Transport nach links). Ein leeres Lager wird MES2 als Fehler gemeldet der Fertigungsvorgang bricht ab (Busy=0). Der Auftrag Auslieferung bewirkt das ffnen des Werkstors und die Auslieferung der gesamten Sequenz. Danach schliet das Tor wieder.

    3.5 SPS im Stammwerk : Starre Kopplung : Jeder Fertigungsschritt wird durch einen Handshake von MES 1 gestartet. Ein Fertigungsschritt beinhaltet die Bestckung eines Teils an jeder Station oder bei Nullauftrag keine Aktion an der jeweiligen Station und einem nachfolgenden Schritt des Transportbands. Lose Kopplung : Die Module werden genau wie bei starrer Kopplung durch Handshake gesteuert, nur die Steuerlogik ndert sich. Das Band luft stndig durch. Fehlerbehandlung : Die Module werden fr Fertigungsbetrieb mit dem Projekt MES2016.zip aus S7 geladen. Dann kann entweder ein normaler Fertigungsbetrieb laufen : Schalter auf MANUELL, oder vollautomatischer Betrieb : Schalter auf AUTO. Im Normalbetrieb bleiben die Module bei leeren Materaillagern stehen, die rote Lampe am Bedienwinkel leuchtet. Der Bediener mu das leere Lager befllen und mit START quittieren. Im Vollautomaik-Betrieb laufen die Module auch bei leeren Lagern einfach weiter, um Testlufe aus dem Internet auch in dieser Situation zu ermglichen

  • 19

    3.6 Konventionen fr die SPS-Programmierung Festgelegte Adressbereiche fr Speicher, Funktions- und Datenbausteine usw. :

    Kommunikation : Adressen 0 -99

    Mechaniksteuerung : Adressen 100-199 A124.6 E125.3

    Interne Funktionen : Adressen 0 - 99

    OB1

    OB62

    FC72

    DB100

    FB100

    z.b. DB 10

  • 20

    Allgemeine Konventionen fr die SPS- Programmierung:

    - Programme in Funktionsblcken als bibliotheksfhige FB mit Variablendefinition.

    - Arbeitsdaten in DB mit symbolischen Adressen, keine Merker !

    Allgemeine Vorschriften fr die Funktionen der Module :

    - Das Handshakesignal READY ist mit der grnen Meldeleuchte zu visualisieren

    - Das Handshakesignal BUSY ist mit der gelben Meldeleuchte zu visualisieren

    - Das Signal ERROR (z.b. Lager leer) ist mit der roten Meldeleuchte durch Blinken zu visualisieren, die Mechanik luft wenn mglich weiter. Der Fehler wird durch Drcken der Starttaste zurckgesetzt.

    - Die Mechanikfunktion ist durch den Baustein FB 100 zu realisieren

    - Die Handshakefunktion am Bussystem ist durch den Baustein FB 10 zu realisieren

    - Die Kommunikation zwischen FB100 und FB10 wird durch ein Signal ACTION

    realisiert, das vom Handshakebaustein bei eintreffendem Startsignal auf 1 und vom

    Mechanikbaustein nach Beenden der Mechanikfunktion wieder auf 0 gesetzt wird.

    - ACTION und der Fertigungsauftrag werden im Datenbaustein DB20 gespeichert, dieser

    dient bei Betrieb ber Ethernet TCPIP oder Profinet CBA auch als Kommunikations-

    schnittstelle :

    DB20.DBX0.0 Start DB20.DBB 1 Auftrag DB20.DBX0.1 Ready DB20.DBB 2 Errorbyte DB20.DBX0.2 Acknowledge DB20.DBX0.3 Busy DB20.DBX0.4 Error DB20.DBX0.5 Action

  • 21

    Klassenbibliothek tsmClassLib2016 :

    Zur Vereinfachung der Programmierung an der Anlage steht diese Klassenbibliothek bereit. Sie finden sie als .dll Dateien auf \\r2d2\filer.

    Die Klassen werden in folgender Form beschrieben :

    Name

    Attribute

    Methoden

    Name : sps_modul

    Attribute : ip (String)

    auftrag (Byte)

    status (String)

    error_type (string)

    Methoden : start_modul()

    lies_status()

    reset_error()

  • 22

    SPS-Bedienung ber OPCuA mit dem Ignition Gateway :

    serveradress mes1, 62.245.200.166

    module_name band, linear, vertikal, horizontal, lager

    order Dezimalwert des Auftragbits : 1, 2, 4 .. jeweils nur ein Bit setzen !

    state not connected, ready, running,error

    start_module() startet Modul mit einem Standardhandshake

    read_state() liest den aktuellen Betriebszustand aus dem Modul

    write_order() schreibt Auftrag in SPS

    minimales Anwendungsbeispiel : Imports tsmClassLib2016 Public Class spstest Private vertikal As New ignition_opc_module Private Sub Button1_Click() Handles Button1.Click vertikal.serveradress = "mes1" vertikal.module_name = vertikal

    vertikal.order = 2 vertikal.start_module()

    Do vertikal.read_state() Loop Until vertikal.state = "ready" End Sub End Class

    Name : ignition_opc_module

    Attribute : serveradress (String)

    module_name (String)

    state (string)

    order (byte)

    Methoden : start_modul()

    read_state()

    write_order()

    disconnect()

  • 23

    SPS-Bedienung ber OPCuA mit dem Kepware-Server :

    serveradress mes2, 62.245.200.166

    plant stammwerk, zulieferer

    module_name band, linear, vertikal, horizontal, lager / sps (bei zulieferer)

    order Dezimalwert des Auftragbits : 1, 2, 4 .. jeweils nur ein Bit setzen !

    state not connected, ready, running, error

    start_module() startet Modul mit einem Standardhandshake

    read_state() liest den aktuellen Betriebszustand aus dem Modul

    read_errorbyte() liest das Fehlerbyte (DB20.DBB2)

    write_order() schreibt Auftrag in SPS

    Bemerkung zu den Fehlerinformationen :

    Im Status state bedeutet error, da das Modul gestoppt hat, weil kein Material vorhanden war.

    Im Byte errorbyte stehen Flags, die Aussagen ber volle Puffer o.. zulassen.

    Minimales Anwendungsbeispiel : Imports tsmClassLib2016 Public Class spstest Private vertikal As New kepware_opc_module Private Sub Button1_Click() Handles Button1.Click vertikal.serveradress = "mes2" vertikal.plant = "stammwerk" vertikal.module_name = "vertikal"

    vertikal.order = 2 vertikal.start_module()

    Do vertikal.read_state() Loop Until vertikal.state = "ready" End Sub End Class

    Name : kepware_opc_module

    Attribute : serveradress (String)

    module_name (String)

    plant (String)

    state (string)

    order (byte)

    errorbyte(byte)

    Methoden : start_modul()

    read_state()

    read_errorbyte()

    write_order()

    disconnect()

  • 24

    RFID-Bedienung ber einen Webservice am Mes1-Portal :

    serveradress mes1, 62.245.200.166

    id Nr. des Fertigungsmoduls (1=lin, 2=vert, 3=hor, 4=lager)

    wert gelesener oder zu schreibender Wert, statusmeldung (fehler, ok)

    schreib_tag() schreibt Wert auf den Tag

    lies_tag() liest Wert vom Tag

    pruefe_tag() prueft, ob Tag in Erfassungsbereich vorhanden (fehler,ok)

    Anwendungsbeispiel : Imports tsmClassLib2016 Public Class rfidtest Private lin As New rfid_reader Private Sub Button1_Click() Handles Button1.Click lin.serveradress = "mes1" lin.id = 1

    lin.lies_wert() textbox1.text = lin.wert End Sub End Class

    Name : rfid_reader

    Attribute : serveradress (String)

    id (Byte)

    wert (string)

    Methoden : lies_tag()

    schreib_tag()

    pruefe_tag()

  • 25

    ERP-Bedienung ber den Webservice am ERP-Portal :

    serveradress erp2015, 1.0.0.4, 62.245.200.166

    id Produkt-ID des Produkts (laufende Nummer als String)

    teil Auswahl der zu lesenden Info : unten, mitte, oben, lager

    auftrag Ausgabe der Variante fr gewhltes Bauteil (1, 2, 3, beim lager auch 4)

    fehler Ausgabe von lies_fehler : 0 > alles ok, 1-> Auftrag nicht vorhanden

    sc Wert des Sequence-Call (1 : vorhanden, 0 : nicht vorhanden)

    lies_teil() liest aus ERP-Datenbank (Bestckungsliste) den Auftrag fr Bauteil

    lies_fehler() liest aus ERP-Datenbank, ob ein Auftrag mit dieser id vorhanden

    schreib_sc() schreibt Sequence-Call (=1)

    lies_sc () liest Sequence-Call

    entferne_sc() setzt den Sequence-Call zurck (=0)

    Anwendungsbeispiel : Imports tsmClassLib2016 Public Class erptest Private horauftrag As New erp_connect Private Sub Button1_Click() Handles Button1.Click horauftrag.serveradress = erp2015 horauftrag.id = 2

    horauftrag.teil = oben horauftrag.lies_teil()

    textbox1.text = horauftrag.auftrag End Sub End Class

    Name : erp_connect

    Attribute : serveradress (String)

    id (String)

    teil (String)

    fehler(Byte)

    auftrag(Byte)

    Methoden : lies_teil()

    lies_fehler

    schreib_sc

    lies_sc

  • 26

    Dokumentation der Fertigungsmodule im Stammwerk 3.7 Transportband

    Bild : Transportband mit optischem Sensor und Stoppzylinder.

    Bild 7 : Transportband Die Station wird mit dem Standardprotokoll (Handshake) der Anlage gesteuert . -Betrieb bei loser Kopplung : Das Band luft im Dauerbetrieb. Bauteile knnen so bei Betrieb in loser Kopplung vor den Modulen zu einem Puffer auflaufen, und werden durch Zurckziehen der Stopper vereinzelt. Die Auftrge (Teil_Lin bis Teil_Hor) bewirken die ffnung der entsprechenden Stopper-Sperre fr 1 Produkt. Die Stopperffnungszeit fr die Freigabe eines Produkts (Turms) mu ber den Inkrementgeber gesteuert werden. -Betrieb bei starrer Kopplung : Das Band luft bis zur nchsten Station (Taktfertigung) Auftragsbyte DB20.DBB1: 1 =Bit 0: Teil_Linearmodul vereinzeln

    2= Bit 1 : Teil_Vertikalmodul vereinzeln 4= Bit 2: Teil_Horizontalmodul vereinzeln 8= Bit 3 : Bandlauf an, vorwrts 16 =Bit 4 : Band stop 32= Bit 5 : Alle Stationen ein Teil freigeben (vereinzeln) 64= Bit 6: Fahrt bis zum nchsten Modul (starre kopplung)

    Fehlerbyte DB20.DBB2 : 1 = Bit 0 : Puffer an Vertikalmodul voll 2 = Bit 1 : Puffer an Horizontalmodul voll Eine Feinpositionierung durch Mechanikumbau ist nicht zulssig !! Jede abweichende Funktion ist nicht Pflichtenheftkonform und damit unzulssig !!

  • 27

    3.8 Lineararm

    Bild : Station Lineararm

    Bild 8 : Lineararm Die Station wird mit dem Standardprotokoll (Handshake). der Anlage gesteuert . Ausgehend vom Referenzpunkt (frei whlbar) wird das angeforderte Bauteil auf das Transportband abgelegt. Unmittelbar nach Ablegen kann BUSY rckgesetzt werden. Auftragsbyte DB20.DBB1: Bit 0: Teil 1

    Bit 1: Teil 2 Fehlermeldung bei leerem Teilelager : DB20.DBX0.4 (siehe Fehlerbehandlung unten)

    Fehlerflags (bei Zulieferbetrieb wichtig) : DB20.DBX2.0 : Lager 1 belegt

    DB20.DBX2.1 : Lager 2 belegt

    Fehlerbehandlung bei leergelaufenen Lagern : Rote Strungslampe leuchtet ! Schalter auf Betrieb MANUELL : Leeres Lager befllen, dann Modul mit der START-Taste wieder starten Schalter auf Betrieb AUTO : Modul arbeitet weiter, um bei Remotezugriff die Anlage nicht zu behindern Es darf nur jeweils ein Bauteil auf das Band gelegt werden ! Jede abweichende Funktion ist nicht Pflichtenheftkonform und damit unzulssig !

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    3.9 Vertikalarm

    Bild : Der Vertikalarm-Roboter

    Bild 9 : Vertikalarm Wird von MES1 durch Standard-Handshake (Bild 5) gesteuert. Auftragsbyte DB20.DBB1: Bit 0: Teil 1

    Bit 1: Teil 2 Bit 2: Teil 3

    Ausgehend vom Referenzpunkt (frei whlbar) wird das angeforderte Bauteil auf das Transportband abgelegt. Unmittelbar nach Ablegen kann BUSY rckgesetzt werden. Wenn die Ablegeposition vom Dreharm oder der Referenzpunkt nicht in vorgegebener Zeit erreicht werden kann (z.b. Turm fehlerhaft zu hoch !), mu der Drehzylinder sofort kraftlos geschalten werden Fehlermeldung bei leerem Teilelager : DB20.DBX0.4 (siehe Fehlerbehandlung unten) Fehlerbehandlung bei leergelaufenen Lagern : Rote Strungslampe leuchtet ! Schalter auf Betrieb MANUELL : Leeres Lager befllen, dann Modul mit der START-Taste wieder starten Schalter auf Betrieb AUTO : Modul arbeitet weiter, um bei Remotezugriff die Anlage nicht zu behindern

    Es darf nur jeweils ein Bauteil auf das Band gelegt werden ! Jede abweichende Funktion ist nicht Pflichtenheftkonform und damit unzulssig !

  • 29

    3.10 Horizontaldreharm

    Bild : Der Horizontal-Dreharm Roboter

    Bild 10 : Horizontalarm Wird von MES1 durch Standard-Handshake (Bild 5) gesteuert. Auftragsbyte DB20.DBB1: Bit 0: Teil 1

    Bit 1: Teil 2 Bit 2: Teil 3

    Ausgehend vom Referenzpunkt (frei whlbar) wird das angeforderte Bauteil auf das Transportband abgelegt. Unmittelbar nach Ablegen kann BUSY rckgesetzt werden. Wenn die Ablegeposition vom Dreharm oder der Referenzpunkt nicht in vorgegebener Zeit erreicht werden kann (z.b. Turm fehlerhaft zu hoch !), mu der Drehzylinder sofort kraftlos geschalten werden Fehlermeldung bei leerem Teilelager : DB20.DBX0.4 (siehe Fehlerbehandlung unten) Fehlerbehandlung bei leergelaufenen Lagern : Rote Strungslampe leuchtet ! Schalter auf Betrieb MANUELL : Leeres Lager befllen, dann Modul mit der START-Taste wieder starten Schalter auf Betrieb AUTO : Modul arbeitet weiter, um bei Remotezugriff die Anlage nicht zu behindern Der Dreharm darf nur elektrisch, niemals manuell gedreht werden (Beschdigung) !! Jede abweichende Funktion ist nicht Pflichtenheftkonform und damit unzulssig !

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    3.11 Lager, Qualittssicherung und Recycling

    Bild : Die Lagereinheit mit 4 Lagern

    Bild : mechanisches Recycling

    Bild 11 : Lager und QS In der Sortieranlage werden die zuvor aufgebauten Trme in die gewhlten Lager eingebracht (oder ins Recycling ausgeschoben). Wird von MES1 anlagensynchron gesteuert und luft ohne Qualittskontrolle In dieser Betriebsart wird mit dem Standardkommunikationsprotokoll das anzufahrende Lager bergeben. Eine Qualittskontrolle findet nicht statt. Wird von MES1 durch Standard-Handshake (Bild 5) gesteuert. Auftragsbyte DB20.DBB1: Bit 0: Lager 1

    Bit 1: Lager 2 Bit 2: Lager 3

    Bit 3: Lager 4 Bit 4: Transportband einschalten

    Bit 5: Transportband ausschalten Fehlerbyte DB20.DBB2 ; Bit0 : Puffer fr Lagermodul ist voll WICHTIG : Jede abweichende Funktion ist nicht Pflichtenheftkonform und damit unzulssig !

  • 31

    4. Hardwaredokumentation der SPS-Ebene : 4.1 Stammwerk Jedes Modul verfgt zur Mechaniksteuerung ber eine an den Profibus angegliederte Slave-SPS vom Typ S7-315-2 pn/dp. Die Profibuskonfiguration ist festgelegt. Alternativ kann ber Profinet CBA kommuniziert werden oder direkt ohne Master-SPS aus MES1 ber Ethernet TCP/IP. Die Belegung der Ein-Ausgangssignale ist festgelegt und darf hardwaremig nicht verndert werden :

    4.1.1 BAND : band rck A 124.3 band vor A 124.4 z_hor A 125.2 z_lin A 125.0 z_vert A 125.1 lampe start A 124.6 lampe m/a A 124.5 schalter m/a E 124.2 taster start E 124.1 z_lin end E 124.6 z_lin ruhe E 124.5 z_vert end E 125.1 z_vert ruhe E 125.0 z_hor end E 125.4 z_hor ruhe E 125.3 Sensor lin E 124.4 Sensor vert E 124.7 Sensor hor E 125.2 Motorgeber E 124.3 Notaus E 124.0

  • 32

    4.125.2 LINEAR-ARM : Lampe m/a A 125.7 Lampe Start A 125.6 Lampe Strung Rot A 125.5 Motor Links (zum band) A 124.2 Motor Rechts A 124.3 Sauger abfahren A 124.4 Vakuum Aus A 124.6 Vakuum Ein A 124.5 z_lager1 A 124.7 z_lager2 A 125.0 Vakuum OK E 124.7 z_Lager1 end E 125.5 z_Lager1 ruhe E 125.4 z_Lager2 end E 125.7 z_Lager2 ruhe E 125.6 Manuell/Auto- Schalter E 124.2 Not-Aus-Schalter E 124.0 Start Taster E 124.1 Sauger oben E 124.4 Sauger unten E 124.3 Position Lager 1 E 124.5 Position Lager 2 E 124.6 Sensor Lager 1 Material E 125.1 Sensor Lager 2 Material E 125.2 Motorgeber E 126.0 4.125.3 VERTIKAL - ARM : Arm bewegen A 124.5 lampe grn A 125.6 lampe rot A 125.5 teil1_frei A 124.2 teil2_frei A 124.3 zylinder_teil3 A 124.4 vakkum ein A 124.6 vakuum aus A 124.7 m/a schalter E 124.2 starttaster E 124.1 vakuum vorhanden E 124.5 z_ruhe E 124.6 z_end E 124.7 arm am band E 124.4 arm am lager E 124.3 teil 3 da E 125.0

  • 33

    4.125.4 HORZIONTAL-ARM : lampe start A 125.6 lampe m/a A 125.7 lampe rot A 125.5 arm links A 124.4 arm rechts A 124.5 arm runter A 124.3 lager 1 frei A 125.3 lager 2 frei A 125.4 lager 3 zylinder A 124.2 vakuum an A 125.0 vakuum aus A 125.1 z_lager3 ruhe E 125.2 z_lager3 end E 125.1 notaus E 124.5 arm ist oben E 124.3 arm ist unten E 124.2 starttaster E 124.6 m/a schalter E 124.7 motorgeber E 126.0 pos lager1 E 124.4 pos lager2 E 124.1 pos lager 3 E 124.0 vakuum da E 125.4

    4.125.5 LAGER-STATION : Band_vor A 124.3 Band rck A 124.2 Stopper A 125.0 Zylinder_1 A 124.4 Zylinder_2 A 124.5 Zylinder_3 A 124.6 Zylinder_4 A 124.7 lampe start A 125.6 lampe m/a A 125.7 lampe rot A 125.5 starttaster E 125.1 m/a schalter E 125.2 Not_Aus E 125.0 Sensor_induktiv_mitte E 124.4 Sensor_induktiv_oben E 124.5 Sensor_induktiv_unten E 124.3 Sensor_optisch_oben E 124.2 Sensor_optisch_unten E 124.0 Stopper_Grundstellung E 124.6 Stopper_offen E 124.7 Zylinder_1_Ausgefahren E 125.4 Zylinder_2_Ausgefahren E 125.5 Zylinder_3_Ausgefahren E 125.6 Zylinder_4_Ausgefahren E 125.7

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    Dokumentation der Zuliefereinheit

    Bild : Das Zulieferwerk Fertigung

    Werkstor Landstrae

    Das Modul verfgt zur Mechaniksteuerung ber eine im MES2 - Server installierte Soft-SPS. Die Programmlogik wird in Simatic S7 oder CODESYS (objektorientiert) entwickelt. Das Projekt wird dann in einen Simulator geladen und ausgefhrt. ber einen OPC-Server werden die I/ODaten (RS232-Verbindung) zur Hardwareschnittstelle Easyport kommuniziert. Easyport steuert die Prozessperipherie an. (Aufruf und Konfiguration des OPC-Servers : EZOPC starten, Kanal von Easyport nach PLCsim legen.) Kommunikationsschnittstelle zu MES2 : Standardhandshake wie auf Seite 12 beschrieben. Handshakesignale siehe Seite 16. Auftrge : DB20.DBX1.0 Anlage Leerfahren DB20.DBX1.1 Teil 1 fertigen DB20.DBX1.2 Teil 2 fertigen DB20.DBX1.3 Teil 3 fertigen DB20.DBX1.4 Sequenz ausliefern

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    Belegung der Ein-Ausgangssignale : 4.2.1 ZULIEFERWERK : Band_zum Werkstor A 124.4 Band rck (Schrott) A 124.5 Werkstor auf A 124.3 Zylinder_Lager1 A 124.2 Zylinder_Lager2 A 124.1 Zylinder_Lager3 A 124.0 lampe rot A lampe grn A starttaster E M/A-Schalter E Not_Aus E Zylinder_L1_Ruhe E 124.4 Zylinder_L1_Ausgefahren E 124.5 Zylinder_L2_Ruhe E 124.2 Zylinder_L2_Ausgefahren E 124.3 Zylinder_L3_Ruhe E 124.0 Zylinder_L3_Ausgefahren E 124.1 Motorgeber E

  • 36

    5. Programmieren an der Anlage und Bedienung (auch aus dem Internet) Legen Sie bitte keine neuen Projekte mit eigener Hardwarekonfiguration an, sondern dearchivieren Sie immer das von uns fertig konfigurierte Basisprojekt : Netzwerkumgebung > Windows-Netzwerk -> labornetz :

    \\r2d2\filer\at\

    Dieses Projekt speichern sie unter anderem Namen auf ihrer lokalen Festplatte (c:) und bearbeiten es dann. Von Zeit zu Zeit sollten sie eine Sicherungskopie auf ihr Homedirectory h: machen.

    Sie knnen die Anlage ber die lenkbare WebCam beobachten :

    http://portal.ts-muenchen.de Zugriff auf die Serverfarm von Zuhause ber das Internet : - Server stammwerk.labornetz.ts-muenchen.de (S7-Programmierung Stammwerk). Im Remotedesktop (Zubehr/Kommunikation) ihres Windows: Server = 62.245.200.166:2 Wenn die Verbindung nicht zustandekommt oder die Programme eine Lizenzverletzung melden, arbeiten bereits zu viele Teilnehmer aus dem Internet. Probieren Sies spter nochmal Vermeiden Sie Versuche, die bei Fehlern dazu fhren knnten, da Anlagenteile nicht mehr abgeschaltet werden knnen : Motoren sollten nicht weiterlaufen, die Vakuumdsen sollten nicht unntig Druckluft verbrauchen, der Anlagenscheinwerfer sollte immer abgeschaltet werden. Anlagenprobleme bitte sofort melden : [email protected]

    file://r2d2/filer/at/%20http://portal.ts-muenchen.de/