Planung und Bau einer Paketsortiermaschine - Grundig Akademie

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

Projektarbeit 2011/2012
Planung und Bau einer Paketsortieranlage
Johannes Rößler
Alexander Closmann
Philipp Hofer

Inhaltsverzeichnis
Seite
1.0.0 Kurzdarstellung des Projekts 1
1.1.0 Brainstorming zur Umsetzung 1
1.2.0 Auswertung des Brainstorming 1
2.0.0 Maschinenbautechnischer Bereich 2
2.1.0 Berechnungen 2-3
2.2.0 Konstruktion 4-5
2.3.0 Pneumatikplan 6
2.4.0 Montage 6-8
3.0.0 Elektrotechnischer Bereich der Projektarbeit 8
3.1.0 Dimensionierung 8
3.2.0 Planung 9
3.3.0 Aufbau 9-10
3.4.0 Programmierung 11-12
3.5.0 Inbetriebnahme 13
3.6.0 Dokumentation im Elektrotechnik bereich 13
4.0.0 Interdisziplinäre Prozessoptimierung 13
5.0.0 Kritische Reflektion 14
Abkürzungen 15
Literaturverzeichnis 15
Schriftliche Versicherung eigenständige Anfertigung 16

1.0.0 Kurzdarstellung des Projektes
Bei diesem Projekt handelt es sich um eine Paketsortieranlage, die im
Rahmen des Faches „Projektarbeit“ entwickelt und realisiert wird.
Es werden folgende Anforderungen an die Anlage gestellt:
• Automatische Paketzuführung
• Vollautomatisierter Ablauf
• Vier Sortiereinheiten
• Transportabel
• Fertigstellung 4/2012
1.1.0 Brainstorming zur Umsetzung
Aus vielen Ideen kamen drei in die engere Auswahl.
1.
Ein Förderband entnimmt Pakete aus einem Magazin, die in das Sichtfeld
eines Scanners gebracht werden und von nachfolgenden Klappen (mit
pneumatischen Zylindern angesteuert) in die jeweiligen Stationen zugewiesen
werden.
2.
Ein Rotorsystem, das die Pakete aus einem Magazin entnimmt, die Pakete an
dem Sichtfeld des Scanners vorbeiführt und anschließend über ein
Band/Rutsche den jeweiligen Stationen zuweist.
3.
Ein Pneumatikzylinder entnimmt dem Magazin ein Paket, führt es auf eine
bewegliche Scannplattform, die zum auslösen des Rutschvorgangs verwendet
wird. Durch die nachfolgende Rutsche mit pneumatisch angesteuerten
Klappen werden die Pakete den jeweiligen Stationen zugewiesen.
Die dritte Variante wurde als die Realisierbarste empfunden.
1.2.0 Auswertung des Brainstorming
Die aus dem Brainstorming entstandenen Skizzen wurden analysiert und
optimiert.
Die Skizzen befinden sich im Anhang.
1

2.0.0 Maschinenbautechnischer Bereich
2.1.0 Berechnungen
Die hier aufgeführten Berechnungen dienen dazu, die Anforderungen an die
externe Druckluftversorgung festzulegen.
2

Qges gewählt = 570l/h
Aus den Berechnungen ist ersichtlich, dass die externe Druckluftversorgung
ein Fördervolumen (bei einem Systemdruck von 6 bar) von 570l/h nicht
unterschreiten darf.
3

2.2.0 Konstruktion
Die folgenden 3D Zeichnungen wurden in Autodesk Inventor 2012 erstellt.
Aus Einzelteilen werden Unterbaugruppen erstellt, die dann zu einer
Gesamtbaugruppe zusammengefügt werden.
Hierbei ist zu überlegen mit welchen Einzelteilen und Unterbaugruppen man
beginnt, um den Zeitaufwand der gesamten Konstruktion zu minimieren und
effektiv zu arbeiten.
Die Konstruktion startet mit dem Konstruieren eines Grundgestelles.
Bild 1: Grundgestell
Dieses Gestell ist nun die Basis für alle drauffolgenden Schritte. Nun werden
weitere Baugruppen erstellt, die dann in das Grundgestell eingefügt werden.
Bild 2: Magazin
4
Bild 3: Klappeneinheit

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

2.3.0 Pneumatikplan
Der Pneumatikplan wird in dem Programm Festo Fluidsim 4.2 erstellt.
Der Plan beinhaltet alle verwendeten Pneumatikelemente und stellt den
Zusammenhang der einzelnen Elemente dar. Die angegebenen Einstellwerte
sind als Grundeinstellung zu betrachten und werden in der Testphase justiert.
2.4.0 Montage
Anhand der Zeichnungsstückliste wird das Material bestellt, mit dem das
Grundgestell angefertigt wird.
Bild 6: Anlage im Aufbau
Nach Fertigstellung des Grundgestelles werden die Steuerungskomponenten
installiert. Diese bestehen aus:
• Schaltschrank
• Lichtschranken
• Scanner
• Wartungseinheit
• Ventilinsel
• Zylinder
6
Bild 7: Ventilinsel

Bild 8: Pneumatikzylinder
7
Bild 9: Wartungseinheit
Die Klappen für die Zuweisung der einzelnen Stationen werden angefertigt,
montiert und eingestellt.
Bild 10: Klappenfunktion
Nach erfolgreicher Montage werden erste Tests durchgeführt, um die
störungsfreie Funktion der Klappen sicherzustellen. Aufgrund der Testläufe
finden häufig noch einige Optimierungen an Bauteilen der Stationsbaugruppe
statt.
Bild11:Klappe nach Montage

Darauffolgend wird die schwenkbare Scannplattform montiert. Zeitgleich wird
das Magazin und die Vorschubeinrichtung angefertigt und montiert. Nach
Fertigstellung der Grundkomponenten werden Schaltschrank, Wartungseinheit
und Pneumatikelemente installiert. Die Pneumatikschläuche werden
anschließen verlegt und verbunden.
3.0.0 Elektrotechnischer Bereich der Projektarbeit
In diesem Teil der Auswertung der Projektarbeit wird das Gewerke der
Elektrotechnik beschrieben.
3.1.0 Dimensionierung
Gemäß der Vorgaben der Aufgabenstellung werden im Vorfeld alle wichtigen
funktions- und sicherheitsrelevanten Bauteile ausgewählt, um deren Platz und
Leistungsbedarf zu ermitteln. Bei der Anlage handelt es sich um eine
ortsveränderliche Anlage nach BGV A3 die über eine Netzeinspeisung von
230V AC 50Hz verfügt die ausschließlich für ein Netzteil für die
Steuerspannungserzeugung 24V DC verwendet wird. So entspricht die Anlage
SELV nach DIN VDE 0100-410 und IEC 364-4-41. Demnach werden alle
Betriebsmittel mit dieser Steuerspannung ausgewählt.
Bei der Dimensionierung des Netzteiles werden die maximalen
Verlustleistungen der Verbraucher grob in Betracht genommen.
Vorhandene Betriebsmittel: Leistung max.
Barcodescanner SICK CLV412-1010 3 Watt
Lichtschranke SICK WL12G-P530 2,4 Watt
Lichtschranken SICK Div. 6 Watt
SPS Wago 750-841 2 Watt
SPS Karten 750-XXX 11 Watt
Serielle Schnittstelle Wago 750-650 1,3 Watt
Signalsäule Werma 848.X00.55 24V DC 4 Watt
LED Summer Quitierschalter Werma 450.300.55 2 Watt
Ventilinsel und Betriebsmagnetventil Bosch 10 Watt
I = P / U = 41,7 Watt / 24 Volt = 1,74A
8
41,7 Watt
Aufgrund des maximalen Strombedarfs von 1,74A wird ein Schaltnetzteil mit
5A Nennstrom auswählt, es bietet Reserven für etwaige Erweiterungen. Der
Wert 1,74A dient hier nur als grobe Orientierungshilfe, um z.B. ein 2A Netzteil
auszuschließen wenn z.B. eine Erweiterung mit Touchpanel dazu kommt.
Der ausgewählte Steuerschrank besitzt Schutzklasse II und ist so groß
dimensioniert, dass noch Reserve auf der Hutprofilschiene ist.

3.2.0 Planung
Die Planungsunterlagen von dem Stromlaufplan werden in Eplan Electric P8
erstellt. Eigens für diese Projektarbeit wird ein Normblatt (Plotrahmen) und ein
Titel / Deckblatt, das ein Zusammenhang mit der fiktiven Firma J.A.P die, die
Projektarbeitsgruppe widerspiegeln soll, erstellt. Um das Normblatt zu
erstellen wird ein vorhandenes Normblatt abgeändert. Das Titel/Deckblatt wird
ebenfalls der fiktiven Firma J.A.P angepasst.
Um die Übersichtlichkeit zu wahren wird im Vorfeld noch die Gliederung des
Eplan Projekts und den letztendlich gedruckten Seiten mit Hilfe der
Anforderungen an die Plan- Dokumentation skizziert
Gliederung des E-plan Projektes:
– Titel/Deckblatt Seite 0
– Inhaltsverzeichnis Seite 0.a
– Kabelliste Seite 0.b
– Legende Seite 0.c
Ansichtszeichnungen Schaltschrank Seite 0.d
– Stromlaufpläne Schaltschrank Seite 1...10
– Klemm- und Steckerplan Schaltschrank Seite 11
Zunächst wird ein neues Projekt angelegt und Stammdaten eingefügt, unter
anderem das zuvor erstellte Normblatt und Titel/Deckblatt hinzugefügt. Die
Ortskennzeichen werden festgelegt nach DIN61346. Bei dieser Anlage
=PS+N01 für den Schaltschrank, PS steht für Paketsortieranlage.
Die erste Seite wird erstellt, eine Grafikseite für den Schaltschrankaufbau. Hier
werden die Grafiken des Schaltschranks und der Betriebsmittel eingefügt und
der tatsächliche Platzbedarf ermittelt.
Auf der nächsten Seite wird mit den Stromlaufplänen in der aufgelösten
Darstellung angefangen, hier wird auf eine logische und nachvollziehbare
Reihenfolge geachtet, die auch die Anordnung auf der Montageplatte mit
einbezieht. Mit Symbolen und Makros wird das Arbeiten vereinfacht.
Die Legende beinhaltet:
– Drahtfarben für die interne Verdrahtung
– Erklärung der Aderfarben Abkürzungen
– Erklärung der verwendeten Betriebsmittelkennzeichnung
Diese wird händisch ergänzt.
Die anderen sogenannten Formularseiten werden dann erzeugt und von dem
Programm automatisch erstellt.
3.3.0 Aufbau
Anhand des zuvor erstellten Plans wird als erstes die Montageplatte des
Steuerkastens vorbereitet.
Hutprofilschienen, Verdrahtungskanäle werden montiert und anschließend
wird die Montageplatte mit Betriebsmittel und Klemmen bestückt.
9

Die seitliche Flanschplatte wird vorbereitet. Das Kabeldurchführsystem und
die zwei D-Sub Buchsen angeordnet und ausgeschnitten. Die Buchsen
werden vorbereitet und Drähte nach Plan angelötet. Weil es sich hier um eine
Einzelanfertigung handelt, ist Löten die günstigere Variante, im Normalfall wird
eine Buchse mit Klemmanschluss verwendet.
Im nächsten Schritt wird verdrahtet und die Sensor / Aktorkabel
angeschlossen.
Bild 12: Schaltschrank in der Bauphase
10

3.4.0 Programmierung
Als Programmiersystem wird CoDeSys nach IEC 61131-3 verwendet, weil die
Firma Wago dieses herstellerunabhängige Entwicklungstool verwendet. Als
erstes wird ein neues Projekt erstellt. Anschließend wird das Zielsystem,
welcher Controller verbaut ist, festgelegt und die Steuerungskonfiguration
ausgewählt, welche Hardwareteile verbaut sind.
Bild 13: Steuerungskonfiguration dieser Anlage
Da es sich bei der 750-841 um einen SPS-Controller mit Ethernet Anbindung
handelt wird mit einem Wago-Programm die IP-Adresse festgelegt.
Die Symbolischen Namen werden in der Globalenvariablendeklaration den
Ein- und Ausgängen zugeordnet. Diese Namen machen das Programm
übersichtlicher und ersparen einige Kommentare.
Die Vorbereitungen sind abgeschlossen. Nun wir der erste Baustein angelegt.
„Der erste Baustein, der in einem neuen Projekt angelegt wird, trägt automatisch den
Namen PLC_PRG. Dort startet die Ausführung (entsprechend der main-Funktion in
einem C-Programm), und von hier aus können andere Bausteine aufgerufen werden
(Programme, Funktionsblöcke und Funktionen).“
(3S-Smart Software Solutions GmbH , Wie wird ein Programm strukturiert? Programmhilfe in CoDeSys
V2.3.9.24 / 28-Okt-2010)
In diesen Fall ist der PLC_PRG Programmbaustein in der AWL Sprache. Aus
diesem Baustein werden die anderen Programmbausteine aufgerufen.
Der Baustein für das Automatikprogramm ist in ST (Strukturierter Text)
geschrieben. Diese Hochsprache eignet sich, um z.B. Flexibilität in Abläufen
besser zu integrieren.
11

Bild 14: Programm in ST mit Codesys
Im Programmbaustein mit dem Automatikprogramm wird eine Ablaufsteuerung
über eine CASE-Anweisung und ein Merkerbyte für die Schrittnummer
realisiert.
In dem Programmbaustein Signal und Hand wird FUP als Sprache verwendet.
In dem Baustein Signal wird die Signalsäule und der Quitierschalter
angesteuert.
In Hand wir die Handsteuerung realisiert.
Im Programmbaustein Kontrolle ist in ST und kontrolliert zeitlich das
Automatikprogramm
In der Visualisierung des Programms Codesys wird eine Grafik erstellt die dem
Aufbau der Anlage entspricht und dort werden Schaltfelder mit
Programmvariablen verbunden. Farbfelder, die mit zwei Farben hinterlegt sind,
können zum Visualisieren von Zuständen verwendet werden.
12

3.5.0 Inbetriebnahme
Vor der tatsächlichen Inbetriebnahme wird die Anlage nach DIN VDE 0100-
600 besichtigt und begutachtet
„Beim Besichtigen sollen äußerlich erkennbare Mängel und Schäden an
Betriebsmitteln und offensichtliche Installationsfehler festgestellt werden. Die
Anlagenteile, die Schutzzwecken dienen, sind besonders zu beachten und eingehend
zu besichtigen“
(Gerhard Kiefer, VDE 0100 und die Praxis, VDE Verlag, 13. Auflage, Seite 353)
Mit Hilfe einer zuvor angefertigten Checkliste werden die einzelnen
Kontrollpunkte abgearbeitet. So werden eventuelle Fehler nicht übersehen,
aber um das zu erreichen, muss die Checkliste alle möglich eintretenden
Fehlerfälle auflisten.
3.6.0 Dokumentation im Elektrotechnikbereich
Es werden alle schriftlichen Unterlagen gesammelt wie z.B. Datenblätter und
Bedienungsanleitungen. Je nach Vorgaben des Kunden wird dann die
Dokumentation vorbereitet. Bei diesem Projekt werden alle Dokumente auf CD
vorzüglich im PDF Format gesammelt.
4.0.0 Interdisziplinäre Prozessoptimierung
Im Laufe der Testphase werden die Sensoren, der Barcodescanner und die
Lichtschranken ausgerichtet. Der Ablauf des Programms wird zeitlich noch
optimiert. Endlagendämpfungen und Drosselventile werden prozessorientiert
eingestellt.
Die Prozessoptimierung ergab:
- Pakete werden zuverlässiger gescannt
- Abläufe werden zeitlich verkürzt
13

5.0.0 Kritische Reflektion
Nach Abschluss des Projekts haben sich folgende Erkenntnisse
herauskristallisiert:
Die Paketsortierung über eine Rutsche ist kostengünstig, aber nicht immer
vorteilhaft. Durch ein Bandsystem, wäre die Bauhöhe geringer, jedoch steigen
die Kosten durch die aufwändigere Steuerung.
Für eine bessere Verarbeitung von Barcodes wäre ein Omidirektionaler
Barcodescanner besser geeignet, dieses Problem wird durch eine genaue
Ausrichtung des Magazins und des Schiebers auf den Scanner gelöst.
Die Klappenbleche könnten versteift werden ggf. mit einer Kantung.
Die Position der Ampel könnte zur besseren Sichtbarkeit noch einmal
überdacht werden.
Zur besseren Visualisierung könnte ein Touchpanel an der Anlage angebracht
werden, im Moment wird durch ein externes Gerät visualisiert.
Das Nachladen des Magazins ist unvorteilhaft, könnte automatisiert werden
oder durch ein Wechselsystem ersetzt werden.
14

Abkürzungen:
AWL – Anweisungsliste (Assembler ähnliche SPS Programmiersprache)
CoDeSys - Controller Development System
DIN - Deutsche Institut für Normung e. V.
D-Sub - D-Subminiature (Bauform eines Steckersystems für
Datenverbindungen)
FUP - Funktionsplan (Funktionsbausteinsprache grafischer Editor für SPS-
Programmierung)
IEC - International Electrotechnical Commission (Internationale
Elektrotechnische Kommission)
JAP - Johannes Rößler, Alexander Closmann, Philipp Hofer
SLEV - Safety Extra Low Voltage (Schutz durch Kleinspannung)
ST – Strukturierter Text (Hochsprache ähnlich Pascal für die SPS-
Programmierung)
VDE - Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.
Literaturverzeichnis:
Zu Kapitel 2:
Roloff Matek Maschinenelemente, Vieweg + Tuebner, 19. Auflage, ISBN 978-3-8348-0689-5
Tabellenbuch Metall, Europa Lehrmittel, 45. Auflage, ISBN 978-3-8085-1675-1
Bedienungsanleitung Ventilinsel, Rexroth Bosch Group, R499050015-BDL-001-AD/06.2010
Zu Kapitel 3:
SPS-Programmierung mit ST, Karl Schmitt, Vogel Fachbuch, 1. Auflage, ISBN 978-3-8343-
3251-6
VDE 0100 und die Praxis, Gerhard Kiefer, VDE Verlag, 13. Auflage, ISBN 978-3-8007-3130-5
Speicherprogrammierbare Steuerungen, Matthias Seitz, Hanser Verlag, 2. Auflage,
ISBN 978-3446-41431-0
Tabellenbuch Elektrotechnik, Europa Lehrmittel, 21. Auflage, ISBN 978-3-8085-3217-3
Handbuch Eplan Electric P8, Bernd Gischel, Hanser Verlag, 3. Auflage, ISBN-13: 978-3-4464-
2474-6
Codesys Programmhilfe , 3S-Smart Software Solutions GmbH, CoDeSys V2.3.9.24 / 28-Okt-
2010
15

Erklärung
Ich Johannes Rößler versichere durch meine Unterschrift, dass ich die mit Teile:
- Kapitel 1,2
- Konstruktion und Werkstattzeichnungen
- Aufbau und Montage
- Berechnungen
- Schriftliche Zusammenfassung
der vorstehenden Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt, alle Stellen, die ich
wörtlich oder annähernd wörtlich aus Veröffentlichungen entnommen, als solche kenntlich
gemacht und mich auch keiner anderen als der angegebenen Literatur oder sonstiger
Hilfsmittel bedient habe. Die Arbeit hat in dieser oder in ähnlicher Form noch keiner anderen
Prüfungsbehörde vorgelegen.
Ort, Datum, Unterschrift
Ich Alexander Closmann versichere durch meine Unterschrift, dass ich die mit Teile:
- Inhaltsverzeichnis
- Kapitel 1,3, 4 und 5
- Aufbau und Montage
- Gebrauchsanweisung
- Stromlaufpläne
- SPS-Programmierung
- Schriftliche Zusammenfassung
der vorstehenden Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt, alle Stellen, die ich
wörtlich oder annähernd wörtlich aus Veröffentlichungen entnommen, als solche kenntlich
gemacht und mich auch keiner anderen als der angegebenen Literatur oder sonstiger
Hilfsmittel bedient habe. Die Arbeit hat in dieser oder in ähnlicher Form noch keiner anderen
Prüfungsbehörde vorgelegen.
Ort, Datum, Unterschrift
Ich Philipp Hofer versichere durch meine Unterschrift, dass ich die mit Teile:
- Deckblatt
- Kapitel 1,2, 4 und 5
- Konstruktion und Werkstattzeichnungen
- Aufbau und Montage
- Schriftliche Zusammenfassung
der vorstehenden Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt, alle Stellen, die ich
wörtlich oder annähernd wörtlich aus Veröffentlichungen entnommen, als solche kenntlich
gemacht und mich auch keiner anderen als der angegebenen Literatur oder sonstiger
Hilfsmittel bedient habe. Die Arbeit hat in dieser oder in ähnlicher Form noch keiner anderen
Prüfungsbehörde vorgelegen.
Ort, Datum, Unterschrift