Ausbau und Erweiterung eines Gepäckfördermodells für kleine und mittelgroße Flughäfen mit Hilfe einer SPS-Steuerung zu Demonstrationszwecken

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einführung
1.2 Motivation
1.3 Vorgehensweise

2 Grundlagen der Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)
2.1 Geschichte der SPS
2.2 Funktion der SPS
2.2.1 Grundlagen zur Funktion der SPS
2.2.2 Bauformen von SPS
2.2.3 SPS-Hardware
2.2.4 SPS-Software

3 Erweiterte Grundlagen der Fördertechnik
3.1 Förderelemente
3.2 Verzweigungen
3.3 Ringsorterâ von psb

4 Gesamtaufbau der Gepäckförderanlage
4.1 Vom Check-in zum Flugzeug an einem kleinen oder mittelgroßen
Flughafen
4.2 Der Weg des Gepäcks auf der Modellanlage

5 Darstellung des Modells
5.1 Vorhandene Elemente
5.1.1 Identifikationsstrecke
5.1.2 Zusammenführung
5.1.3 Einfaches Förderelement
5.1.4 No-Read-Element
5.1.5 Modell-Ringsorter
5.2 Nachträglich hinzugefügte Elemente
5.2.1 Allgemeine Erweiterungen
5.2.2 Erweiterungen am Ringsorter-Modell und der
Zusammenführung
5.2.3 Kurvenelement

6 Sensortechnik
6.1 Taster von Fischertechnik/SICK
6.2 Induktionssensoren von SICK
6.3 Barcodeleser von SICK

7 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
7.1 Anwendung im Maßstab 1:1
7.2 Verwendung einer SPS für den Modellprozess

8 Abschließende Betrachtung

9 Quellenverzeichnis

10 Abbildungsverzeichnis

11 Anhang

1 Einleitung

1.1 Einführung

Das Verkehrsaufkommen in der Luftfahrt, betrachtet über das vergangene Jahrhundert und wieder in den Jahren kurz nach dem 11. September 2001, nahm ständig zu. Damit ist es auch nicht verwunderlich, dass mit diesem Anstieg auch das Gepäckvolumen immer größere Ausmaße fand. So sehen sich heute kleine und mittlere Flughäfen, die früher noch wenige Passagiere und Gepäck auf den Weg an ihr Ziel brachten, in einer Situation, die sie dazu zwingt in neue Gepäckförderanlagen zu investieren. Diese Investitionen führten in den meisten Fällen zu einer Anlage, deren Basis eine „Speicherprogrammierbare Steuerung“ (SPS) bildet.

1.2 Motivation

Die oben genannten Flughäfen, insbesondere die mittlerer Größe, suchen aufgrund dieser Entwicklungen nach neuen Möglichkeiten der Gepäckförderung und –verteilung. So soll in dieser Arbeit ein neuer Weg der Förderung und Sortierung aufgezeigt und im Modell möglichst realitätsnah aufgebaut und SPS-basiert programmiert werden, damit anschaulich gezeigt werden kann, dass das hier gewählte Prinzip durchaus Ressourcen für eine spätere kommerzielle Nutzung enthält, die in diesem Bereich heute noch nicht für möglich erachtet werden.

Die Arbeit basiert auf einem Konzept aus Fischertechnik-Elementen, das in einigen Teilen in einer vorangegangen Studienarbeit errichtet wurde. Hieraus wird dann ein betriebsfähiges Modell aufgebaut, das den kompletten Bewegungsablauf der Gepäckstücke vom Check-in zum Flugzeug bzw. zu einem Zwischenspeicher zeigt. Die Programmierung erfolgt auf einem Windows95-PC, der mit einer SPS-Hardware von Bosch verbunden ist, welche die Steuerung der Anlage übernehmen soll.

1.3 Vorgehensweise

Die Grundlagen der SPS-Programmierung und der im Modell verwendeten Fördertechnik bilden den Anfang der Arbeit. Danach folgt eine Vorstellung und Beschreibung der Grundlagen der Fördertechnik insbesondere derer, die in diesem Modell zur Anwendung kommen. Dieser folgt dann die Darstellung des Gesamtaufbaus, wobei in einem folgenden Kapitel genauer auf die verwendeten Elemente eingegangen wird. Um diese auch mit einer SPS in Bewegung setzen zu können, ist eine Vielzahl von Sensoren notwendig, die dann erklärt werden. Um dann den Übergang zur „Speicherprogrammierbaren Steuerung“ zu erleichtern, wird kurz deren Funktionsweise und Einsatz in der Fördertechnik erklärt und wie eine SPS in dem hier gezeigten Modellversuch zur Anwendung kommt. In einer abschließenden Bemerkung werden dann noch Ausbaumöglichkeiten und Erweiterungen des Modells betrachtet.

2 Grundlagen der Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)

2.1 Geschichte der SPS

Aus der Automatisierungs- und Fördertechnik sind moderne Speicher-programmierbare Steuerungen (SPS) heute nicht mehr wegzudenken. Lösungen wie automatisierte Gepäckförderung und Sortierung wie sie auf den meisten mittleren Flughäfen der Welt möglich und auch nötig sind, wären ohne SPS nicht realisierbar. Wo früher starre Schaltkreissysteme auf Basis von Verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS) dominierten, trifft man heute fast nur noch auf SPSen. Bis zu diesem Zeitpunkt bestimmten die Schaltkreissysteme (VPS) das Bild, deren Steuerungsaufgaben durch Hardware-Verbindungen zwischen einfachen logischen Schaltkreisen gelöst wurden. Sie benötigten, um ihre Aufgabe zu lösen, eine Menge Platz und waren aufgrund von mühsamen Umbauarbeiten sehr unflexibel.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Entwicklung von der VPS zur SPS [SIE05/1]

Mit Auftreten der ersten SPS wandelte sich das Bild grundlegend. Sie war starkstromnah ausgeführt und konnte so mit gleichen Werkzeugen und Leitungen an jede Schützsteuerung angeschlossen werden. Ihr größter Nutzen war ihre hardware-unabhängige Änderbarkeit; sie bezog sich nur noch auf die Software und nicht mehr auf einen ganzen Raum. Auf dem Siegeszug der SPS wurden fortan Anlagen für die verschiedensten Anwendungen mit unterschiedlichen Stromstärken und Spannungen hervorgebracht, und die Prozessorentwicklung beschleunigte auch die Reaktionszeiten der SPS [SIE05/2]. So wird in der oben dargestellten Grafik die Entwicklung der SPS über die Jahrzehnte am Beispiel der Firma Siemens gezeigt.

Aber die Herkunft der SPS aus der verbindungsprogrammierten Steuerung brachte auch Nachteile. So versuchten anfangs viele Hersteller, die ihren früheren VPS-Kunden die neue Technik näher bringen wollten, diese mit altertümlichen Stromlaufplänen zu überzeugen, um so die SPS zu programmieren. So ergab sich ein Sammelsurium an Programmierweisen der verschiedenen Hersteller. Es unterblieb eine Standardisierung ähnlich der PC-Welt.

Es setzten sich zwar Programmierarten wie Funktionsplan, Kontaktplan und Anweisungsliste durch, doch der Kunde muss heute noch ein großes Maß an Flexibilität beweisen, um zwischen den unterschiedlichen Herstelleranlagen wechseln zu können.

Seit Beginn der 90er Jahre wurde unter Federführung der International Electrotechnical Commission (IEC) der sogenannte IEC-Standard „IEC-1131“ erarbeitet. Dabei werden neben den „herkömmlichen“ Programmiersprachen [...] die zusätzlichen Sprachen „Strukturierter Text“ und „Ablaufsprache“ angeboten. Hierbei kann der Anwender, je nach Vorbildung und Kenntnisstand die ihm angenehmste Programmiersprache wählen. Die verschiedenen Sprachen sind teilweise ineinander überführbar und können im Rahmen eines Projektes beliebig gemischt werden [WEL99].

Allerdings ist diese Norm nicht verbindlich sondern allenfalls eine Richtlinie. Den Herstellern bleibt es überlassen, wie viel sie davon verwirklichen oder in ihre Programme mit einbinden.

2.2 Funktion der SPS

2.2.1 Grundlagen zur Funktion der SPS

Im Grunde basiert die SPS-Programmierung auf einer Verbindung von Eingängen, die Signale empfangen, und Ausgängen, die Spannungen und Ströme aufgrund des eingeschriebenen Programms ausgegeben. Eine Speicher-programmierbare Steuerung ist nach der internationalen Norm IEC-1131:

„Ein digitales, elektronisches System, das über einen Programmspeicher zur internen Speicherung der Anweisungen des Anwenderprogramms verfügt, welches die Festlegung der anwendungsspezifischen, vom System auszu-führenden Operationen enthält.“

Diese Art der Steuerung ist somit unabhängig von der Steuerungsaufgabe.

Eine SPS arbeitet ihr Programm Schritt für Schritt ab. Der Programmablauf einer SPS muss somit zyklisch ablaufen. Wird während des Betriebes also eine Änderung des Programms vorgenommen, so muss dieses erneut gestartet werden, damit diese Änderung auch erkannt wird. Weil sich ein Eingangssignal während der Programmabarbeitung ändern kann, muss das Signal am Anfang des Zyklus in einem Speicher abgelegt werden, damit es nicht zu zwei verschiedenen Ergebnissen kommt, falls das Eingangssignal zweimal verwendet wird. Auch die Ausgangssignale werden gespeichert und erst nach Beendigung des Durchlaufs ausgegeben. Selten kann es zu einer sog. Alarmbearbeitung kommen, wenn nämlich direkt auf ein Ein- oder Ausgangssignal zugegriffen wird.

Bei der SPS-Programmierung ist es wichtig, zwei Zeiten unterscheiden zu können.

Zum einen die Zykluszeit: sie setzt sich zusammen aus der Bearbeitungszeit des Anwenderprogramms und des Systemprogramms. Bei der Bearbeitung des Anwenderprogramms ist wiederum auf die Programmlänge, die Art der Befehle und die Taktfrequenz der CPU zu achten. Aufgrund der zyklischen Abarbeitung erreicht man eine vorherbestimmte schnelle Reaktion auf Prozessereignisse, ohne dass die Speicherprogrammierbare Steuerung echtzeitfähig ist. Als durch-schnittliche Bearbeitungszeit für 1000 Anweisungen wird normalerweise eine Zeit von 0,1-20 ms veranschlagt.

Zum anderen die Reaktionszeit: Sie ist die Zeitspanne, die auftritt, wenn das Signal zwischen Eingang und Ausgang verarbeitet wird. Dabei ist es wichtig, an welcher Stelle des Bearbeitungszyklus das Programm steht. So kann es zu Reaktionszeiten von 100-200 ms kommen, die ob ihrer Größe aber nicht tragbar sind. Da aber die Reaktionszeit direkt von der Zykluszeit abhängt, kann der Programmierer diese ohne weiteres beeinflussen.

2.2.2 Bauformen von SPS

Heute werden auf dem Weltmarkt die unterschiedlichsten Bauformen von SPS angeboten. Das Angebot reicht von kleinen Kompaktanlagen mit bis zu 256 Ein- und Ausgängen bis zu großen Einzellösungen mit mehr als 1024 Ein- und Ausgängen. Doch das weitaus größte Feld bestreiten die mittleren Anlagen, die ihre Stärke in ihrer Modularität ausspielen. So sind diese Anlagen äußerst flexibel und lassen sich schnell den Gegebenheiten der zu steuernden Aufgabe anpassen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Modular aufgebaute Simatic S7 von Siemens [SIE05/1]

2.2.3 SPS-Hardware

Charakteristisch für jedes informationsverarbeitende System ist die Aufteilung in drei Funktionsblö />

Ausgabebaugruppe

Stellbefehle aus dem Rechner der SPS werde hier wieder zurück an die zu steuernde Maschine gegeben. Auch hier kann die Signalart zwischen digital und analog gewählt werden. Das besondere einer SPS ist, dass hier auch verstärkte Signale ausgegeben werden können, um somit direkt Motoren ansteuern zu können. Somit ist ein zusätzlicher Schritt zur Verstärkung nicht mehr notwendig, da diese Aufgabe schon von der Ausgabebaugruppe gelöst wurde.

2.2.4 SPS-Software

Die SPS-Software gliedert sich auf in Betriebssystem und Anwenderprogramm. Um dem Prozessor das automatische Arbeiten zu ermöglichen, ist das Betriebssystem fundamental notwendig. Zusammen mit dem Prozessor bestimmt es die Einsatzbereiche der SPS in der Form, dass von der SPS nur die dort organisierten Funktionen und Leistungen genutzt werden können. Normalerweise stellt der Hersteller das Betriebssystem zur Verfügung.

Programmerstellung

Die Grundlage für jedes Programm bilden einzelne Anweisungen, die die CPU in ihrer Maschinensprache (Bit-Code) verarbeitet. Die Erstellung diese Codes ist für den Anwender meist sehr umständlich. Um dieses Problem zu lösen, haben sich deshalb, wie oben schon erwähnt, mehrere Programmiersprachen durchgesetzt. Diese sind sehr anschaulich und relativ leicht zu erlernen. Um diese halbwegs menschenverständliche Sprache der Maschine zur Verfügung zu stellen, muss diese von einem Compiler übersetzt werden.

Im folgenden Bild werden die grundlegenden Bitverknüpfungen dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Grundlegende Bitverknüpfungen [PTL 1]

Die Programmiersprachen teilen sich grundsätzlich in grafische und textuelle Sprachen auf. Zu den grafischen Sprachen zählen der Kontaktplan (KOP), der Funktionsplan (FUP) und die Ablaufsprache (AS), die Anweisungsliste (AWL) und der strukturierte Text (ST) teilen sich das Feld der textuellen Sprachen.

SPS-Sprachen

Der Funktionsplan, die Funktionsbausteinsprache oder auch die Funktionssprache basieren auf idealisierten Symbolen, sog. Logiksymbolen, die über Verbindungslinien miteinander verbunden sind. Dabei handelt es sich um eine problemorientierte Darstellung, die ohne Bezug auf die schaltungstechnische Verwirklichung auskommt. Daher ist sie für die Inbetriebnahme sehr anschaulich.

Eine problemorientierte Darstellung, also nah an der Schaltstruktur früherer Schaltpläne, ist die Darstellung durch den Kontaktplan. Auch hier werden die logischen Funktionen durch einfache Symbole am Bildschirm dargestellt. Links und rechts des Bildschirms befinden sich Stromschienen und dazwischen Schalterelemente wie Öffner, Schließer und Spule. Sie werden verbunden durch Strompfade.

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