Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt anhand der SIEMENS S7-200CN SPS und des K-TP178Micro Touchscreens die Anwendung von SIEMENS SPS und HMI in Kombinationsverpackungsmaschinen. Er gliedert sich in fünf Teile: Einleitung, technische Anforderungen, Hardwarekonfiguration, Programmierung und Schlussfolgerung. Schlüsselwörter: SPS, HMI, Frequenz-Drehzahl-Anpassung. I. Einleitung: Im Alltag ist es oft notwendig, einzelne Artikel in unterschiedliche Mengen (z. B. 3, 4, 6, 8, 12 usw.) aufzuteilen und in Kombinationsverpackungen zu verpacken, um den Verkauf oder Transport zu erleichtern. Die Kombinationsverpackungsmaschine HW-800H wurde entwickelt, um dieser Marktnachfrage gerecht zu werden und basiert auf der Struktur ähnlicher ausländischer Modelle. II. Technische Anforderungen: Die mechanische Struktur der modularen Verpackungsmaschine HW-800H besteht im Wesentlichen aus sechs Teilen: einem Tragrahmen, einem Zuführ- und Fördermechanismus, einem Siegel- und Schneidemechanismus, einem Auswurfmechanismus sowie einem oberen und unteren Folienzuführungsmechanismus. Der Tragrahmen dient hauptsächlich der Montage und Unterstützung der verschiedenen Funktionsmechanismen und muss daher technisch ausreichend steif und tragfähig sein. Nachdem der Zuführ- und Fördermechanismus die verpackten Artikel entsprechend der vorgegebenen Menge und Verpackungsform an die gewünschte Position transportiert hat, fährt der Schiebezylinder vorwärts und schiebt die zu verpackenden Artikel in Auswurfrichtung. Gleichzeitig führen die oberen und unteren Folienzuführungsmotoren die Folie mit der entsprechenden Geschwindigkeit zu. Sobald der Schiebezylinder seine vordere Position erreicht hat, fährt er schnell zurück. Der Siegel- und Schneidemechanismus verschweißt und schneidet die Verpackung mit Schrumpffolie, und die Verpackungsmaschine beginnt den nächsten Arbeitszyklus. Um diese technischen Anforderungen zu erfüllen, wird die Bewegungssteuerung hauptsächlich durch drei frequenzgeregelte Motoren und acht Zylinder realisiert. Ein Motor treibt den Zuführmechanismus an, die beiden anderen die obere und untere Folienzuführung. Die acht Zylinder sind koordiniert, um die verpackten Artikel zu positionieren und zu transportieren sowie die Folie zu verschweißen und abzuschneiden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss das elektrische Steuerungssystem folgende Funktionen aufweisen: 1. Es muss sowohl einen automatischen als auch einen manuellen Betriebsmodus ermöglichen. Im manuellen Modus ermöglicht es die einfache Einstellung der Geräteparameter und die individuelle Steuerung jedes Bewegungsmechanismus, um die Funktionalität zu testen und die Wartung zu erleichtern. Im Automatikmodus führt die Maschine alle Funktionen selbstständig und ohne Eingriff aus und stoppt automatisch mit Alarm bei Folienmangel, Folienbruch oder falscher Objektanordnung. 2. Sie verfügt über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Einstellung und Anzeige von Geräteparametern, die jederzeit an unterschiedliche Verpackungsgegenstände und Anordnungen angepasst werden können. 3. Die Folienzuführungsgeschwindigkeiten oben und unten sind konstant und stufenlos einstellbar, die Temperatur beim Folienversiegeln und -schneiden liegt innerhalb von ±2 °C. 4. Die Arbeitszyklusgeschwindigkeit beträgt 20–30 Zyklen/Minute, was hohe Stabilität und Zuverlässigkeit aller Steuerungskomponenten erfordert. III. Hardwarekonfiguration: Basierend auf den oben genannten Steuerungsanforderungen und unter Berücksichtigung von Faktoren wie Maschinenfortschritt, Zuverlässigkeit und Kosten wurde entschieden, die SIEMENS S7-200 CPU226 CN SPS und das K-TP178Micro HMI als zentrale Steuerungseinheiten für das Steuerungssystem dieser Anlage einzusetzen. Das Blockdiagramm der Hardwarekonfiguration ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Hardwarestruktur HMI. Der K-TP178Micro ist der neueste dedizierte Touchscreen von SIEMENS für die SPS S7-200. In Verbindung mit der S7-200-Hardware ermöglicht er die einfache Realisierung von Datenaufbereitung, Archivierung und PID-Selbstoptimierung. Er ist speziell für chinesische Anwender konzipiert und kombiniert Touchscreen- und Tastenbedienung für eine schnelle Bedienung. Dank kurzer Systemstart- und Reaktionszeiten, 1024 KB Speicherplatz, Tastentönen und fünf Online-Sprachoptionen erfüllt er vielfältige Anwendungsanforderungen. Die gewählte SPS ist das Modell CPU226 CN aus der S7-200 CN-Serie, die von SIEMENS im Dezember 2005 eingeführt wurde, ergänzt durch ein EM235CN-Erweiterungsmodul mit vier analogen Eingängen und einem analogen Ausgang. Die S7-200 CN übernimmt die hervorragende Qualität und überlegene Leistung der S7-200 und deckt ein breites Anwendungsspektrum ab – vom einfachen Relaisaustausch bis hin zur komplexen Automatisierungssteuerung. Die Anwendungsbereiche sind äußerst breit gefächert und umfassen alle industriellen und zivilen Bereiche der automatischen Überwachung und Automatisierungssteuerung. Dabei bietet das System eine außergewöhnliche Kosteneffizienz. Die CPU226 CN ist die Kernkomponente des Steuerungssystems. Sie erfasst den aktuellen Betriebszustand der Anlage über den digitalen Eingang (DI) und die Einstellinformationen des HMI und steuert die Aktoren der Anlage über den digitalen Eingang (DO) gemäß den vorprogrammierten Funktionen an. Ihre Stabilität und Zuverlässigkeit wirken sich direkt auf die Effizienz und Leistung der Anlage aus. Die Temperatursignale für die linke und rechte Siegelseite werden mittels eines Temperaturtransmitters in 0-20-mA-Signale umgewandelt und an den Analogeingang des Erweiterungsmoduls EM235 gesendet. Nach der A/D-Wandlung werden sie mit dem Temperatur-Einstellsignal des HMI verglichen. Die interne PID-Funktion der SPS steuert den Ein-/Aus-Zustand des Heizelements und erreicht in der Praxis eine Temperaturgenauigkeit von ±2 °C. Die über das HMI eingestellten Signale für die obere und untere Folienzuführungsgeschwindigkeit werden von der SPS digital verarbeitet und anschließend per D/A-Wandlung in 0-10-V-Signale umgewandelt. Diese Signale werden an die analogen Eingänge zweier SINMCS G110 0,37-kW-Frequenzumrichter gesendet, um die stufenlos zwischen 0 und 20 m/min einstellbaren oberen und unteren Folienvorschubgeschwindigkeiten zu steuern. Die S7-200 CPU226 CN verfügt über zwei PPI-Kommunikationsschnittstellen, die eine Vernetzung über handelsübliche zweiadrige, geschirmte Twisted-Pair-Kabel ermöglichen. Die Kommunikationsgeschwindigkeiten erreichen bis zu 187,5 kbit/s, und es können bis zu 31 SPSen, Programmiergeräte oder HMIs der Serie S7-200 CN gleichzeitig angeschlossen werden, wodurch ein einfaches und praktisches Kommunikationsnetzwerk entsteht. Es ist besonders wichtig zu beachten, dass Siemens-Frequenzumrichter sehr strenge Anforderungen an die technischen Parameter des Motors stellen. Vor der Inbetriebnahme des Motors müssen die technischen Parameter des Frequenzumrichters (P0304–P0311) gemäß den Angaben auf dem Typenschild des Motors korrekt eingestellt und eine Schnellinbetriebnahme durchgeführt werden. Andernfalls kann die Betriebsstabilität des Motors beeinträchtigt oder es können sogar Bauteile beschädigt werden. IV. Die Programmierung umfasst im Wesentlichen zwei Teile: das Anwendungsprogramm für die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und das SPS-Steuerungsprogramm. 1. HMI-Anwendungsprogramm: Die HMI ist die zentrale Steuerungsoberfläche für die Betriebsparameter der Anlage. Sie besteht aus fünf Bereichen: Arbeitsbildschirm, Parametereinstellungsbildschirm, manueller Bildschirm, Betriebsstatusanzeige und Hilfeinformationen. Der Arbeitsbildschirm ist der am häufigsten verwendete Bildschirm für die Bedienung der Anlage und zeigt verschiedene Hauptschalter, die aktuelle Siegel- und Schneidetemperatur, die obere und untere Folienzuführungsgeschwindigkeit sowie weitere Betriebsparameter und Statusinformationen an. Über den Parametereinstellungsbildschirm werden die Betriebsparameter der Anlage festgelegt. Der manuelle Bildschirm dient der manuellen Bedienung der verschiedenen beweglichen Teile der Anlage im manuellen Modus, um deren Bewegungsfunktionen zu testen. Die Hilfeinformationen unterstützen die Benutzer bei der Bedienung der Anlage und der Behebung von Störungen. 2. SPS-Steuerungsprogramm: Aufgrund der Kenntnis des oben beschriebenen Produktionsprozesses und der Steuerungsanforderungen sowie der Tatsache, dass diese Maschine keine besonderen Steuerungsanforderungen stellt, ist das SPS-Steuerungsprogramm sehr einfach und schnell zu entwickeln. Das Steuerungsprogramm umfasst sechs Bereiche: Not-Aus- und Sicherheitssteuerung, manuelle Steuerung, automatische Steuerung, Verriegelungssteuerung, PID-Temperaturregelung sowie Anzeige von Fehler- und Alarminformationen. Diese sechs Steuerungsprogramme sind unabhängig, aber dennoch aufeinander abgestimmt und arbeiten zusammen, um die Steuerungsaufgaben zu erfüllen und die Steuerungsanforderungen zu gewährleisten. V. Fazit Die Praxis hat gezeigt, dass das oben beschriebene Steuerungsschema, angewendet auf die Montage- und Verpackungsmaschine vom Typ HW-800H, eine hervorragende Steuerungsleistung, einen stabilen und zuverlässigen Betrieb, eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle sowie eine bequeme und schnelle Änderung der Anlagenprozessparameter aufweist. Es wird bereits in Serie gefertigt und ist für die Anwendung in anderen mittelgroßen und kleinen Steuerungsanwendungen geeignet. Konfigurationssoftware: 1. STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP3 2. Wincc Flexible 2005 Referenzen: 1. „S7-200 Systemhandbuch“ SIEMENS; 2. „K-TP178Micro“ Bedienungsanleitung SIEMENS; Autorenbiografien: 1. Nie Junming, Arbeitseinheit: Shenzhen Shenji Electromechanical Co., Ltd., Adresse: Raum 1514-1518, Chuangzhan Center, Shennan Avenue 6007, Shenzhen, Provinz Guangdong, 518001, China. Tel.: 0755-83867482, Fax: 0755-83867233. 2. Xue Guiqing, Arbeitseinheit: Shenzhen OCT Happy Valley Tourism Co., Ltd., Adresse: OCT, Shenzhen, Provinz Guangdong, 518053, China. Tel.: 13714139579, Fax: 755-27495079