Optimierung von Steuerungsprozessen Industrieller Bildverarbeitungssysteme

Bachelorarbeit von Stefan Schulz

Einleitung:

Das Thema der Bachelor – Thesis ist die Optimierung von Steuerungsprozessen von industriellen Bildverarbeitungssystemen bei der Firma XXX GmbH in 12345 Musterhausen.

Die Firma XXX GmbH ist ein Ingenieurbüro mit X Mitarbeitern.

Unter Verwendung von Industriestandardprodukten sowie eigenentwickelten Produkten werden individuelle Lösungen für die Industrie geschafft.

Das Unternehmen besteht aus zwei Abteilungen. Eine Abteilung realisiert Projekte in der industriellen Automation und in der anderen Abteilung werden industrielle Bildverarbeitungsprojekte realisiert.

Für den Bereich der industriellen Bildverarbeitung werden nachfolgend beschriebene Ansprüche gestellt.

Die Qualitätsansprüche in herstellenden Unternehmen steigen ständig an. Die produzierten Produkte müssen noch in der Produktionslinie inspiziert werden, um Fehler rechtzeitig zu bemerken und Ausschuss zu reduzieren.

Rückverfolgbarkeit und Kontrollfunktionen von Herstellungsergebnissen sind wichtige Bestandteile in der Qualitätskontrolle.

An automatisierte Herstellungsprozesse werden hohe Ansprüche bezüglich der Produktionsdurchlaufzeiten gestellt. Somit ist der Einsatz von Technologien, wie die industriellen Bildverarbeitungssysteme von immer höherer Bedeutung.

Als Erfassungssensor werden intelligente Kamerasysteme verwendet. Diese speziellen Kameras besitzen einen eigenen Prozessor und eigene Speichermedien.

Mit einem PC und einer zugehörigen Software ist es möglich, die passenden Parameter auf der Kamera einzustellen. Die Auswertung der Aufnahme erfolgt dann sehr schnell direkt in der Kamera.

Durch die Integration in die automatisierten Prozessabläufe müssen Steuerungen eingesetzt werden, die mit den Kameras über vorhandene Schnittstellen kommunizieren. Die Position der zu erfassenden Werkstücke wird mit Sensoren über die Steuerung erfasst. Die Zubringung der Werkstücke erfolgt über Förderbänder oder Roboterarme. Wenn das Werkstück an der richtigen Position ist, wird die Kameraaufnahme gestartet. Nach der Auswertung sendet die Kamera Informationen als digitale Signale an die Steuerung zurück. Somit erfolgt eine schnelle Prozessabfolge.

An die Steuerungen der industriellen Bildverarbeitungssysteme werden somit hohe Ansprüche gestellt.

Die Steuerungsvariante, die momentan bei der Fa. XXX eingesetzt wird, soll optimiert werden und als ein allgemein anwendbarer Standard in zukünftigen Bildverarbeitungssystemen eingesetzt werden.

Inhaltsverzeichnis:

1.	EINLEITUNG	1
2.	IST - ANALYSE	2
2.1	Bestandteile eines Bildverarbeitungssystems	2
2.2	Die Hardware	3
2.2.1	intelligente Kamera	3
2.2.2	Industrie (Panel-) PC	3
2.2.3	Anschlussplatine und Ein- / Ausgabe PCI Karte	4
2.3	Die Software	5
2.3.1	Bildverarbeitungs- Applikationssoftware	5
2.3.2	Kamera	6
2.3.3	Steuerungssoftware	7
2.4	Die Schnittstellen	7
2.5	Ergebnis der Ist - Analyse	9
3.	ANFORDERUNGSPROFIL	10
3.1	Komponenten der Anforderungen	10
3.1.1	Laufzeitverhalten	10
3.1.2	Programmierumgebung und Programmiersprachen	10
3.1.3	Aufrüstbarkeit	11
3.1.4	Kommunikationsschnittstellen	11
3.2	Anforderungen der Mitarbeiter	11
4.	ERSTELLUNG LASTENHEFT	13
4.1	Beschreibung Lastenheft	13
4.2	Ziele des Lastenheftes	13
4.3	Bestandteile des Lastenheftes	13
4.4	Beschreibung der Bestandteile	13
4.4.1	Offene Punkte	13
4.4.2	Projekt - Glossar	14
4.4.3	Ausgangssituation	14
4.4.4	Zielsetzung	14
4.4.5	Grobablauf Ist- und Soll - Zustand	14
4.4.6	Erläuterung der einzelnen Teilabläufe	14
4.4.7	Zusammenfassung	14
5.	PRODUKTE UND ANBIETER	15
5.1	Standardkomponenten der Produkte	15
5.1.1	Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)	15
5.1.2	Programmierung nach EN 61131	16
5.2	Weitere Komponenten der Produkte	17
5.2.1	Hardware des Steuerungssystem	17
5.2.2	Software des Steuerungssystems	17
5.3	Anbieter und Produktbeschreibungen	18
5.3.1	Firma Beckhoff	18
5.3.2	Firma B & R	19
5.3.3	Firma Siemens	20
5.4	Produktauswahl anhand eines Punktesystems	21
6.	KOSTEN / NUTZEN ANALYSE	23
6.1	Beschreibung Kosten / Nutzen Analyse	23
6.2	Beschreibung Kostenvergleichsrechnung	23
6.3	Vorgang Kostenvergleichsrechnung	23
6.4	Ergebnis Kosten / Nutzen Analyse	26
7.	PROJEKTIERUNG DES NEUEN STEUERUNGSSYSTEMS	27
7.1	Beschreibung	27
7.2	Schnittstellen Definition	29
7.2.1	digitale Ein- und Ausgänge	29
7.2.2	TTY Daten Kommunikation	30
7.2.3	Ethernet Kommunikation	30
7.3	Auswahl und Beschreibung der Hardware Komponenten	30
7.3.1	Beckhoff Embedded PC - SPS CX9000	30
7.3.2	Beckhoff serielle TTY - Klemme KS 6011	31
7.3.3	Beckhoff digitales Ein- und Ausgangsmodul KM 1014 und KM 2004	31
7.3.4	Beckhoff Endklemme	31
7.4	Ein- und Ausgabeliste	32
7.5	Schaltplan Steuerung	34
7.5.1	Inhaltsverzeichnis	34
7.5.2	Einspeisung	34
7.5.3	Übersicht SPS - Aufbau	35
7.5.4	Grundmodul XC 9000	35
7.5.5	serielle TTY - Schnittstelle	36
7.5.6	digitales Eingangsmodul	36
7.5.7	digitales Ausgangsmodul	37
7.6	Flussdiagramm	38
7.7	Beispiel Programmierung	40
7.8	Beschreibung TTY Übertragung	43
7.9	Beschreibung TCP/IP Übertragung	44
8.	BENUTZERHANDBUCH	48
9.	FAZIT	49
10.	DANKSAGUNG	49
11.	LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS	50
12.	ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS	51
13.	ABBILDUNGSVERZEICHNIS	52
14.	TABELLENVERZEICHNIS	52
15.	ANHANG	53
	Anhang 2.1 Durchführung der Informationsbeschaffung	54
	Anhang 4.1 Lastenheft	55
	Anhang 5.1 Quellen für Produkt - Anbieter	56
	Anhang 6.1 Kostenvergleich der Steuerungsvarianten	58
	Anhang 6.2 Kostenvergleich neue Steuerungslösung	59
	Anhang 6.3 Steigung Kosten/Nutzen Verhältnis	60
	Anhang 6.4 Vergleich optimierte Lösung / bisherige Lösung	61
	Anhang 8.1 Benutzerhandbuch	62

Textprobe:

Kapitel 7.9, Beschreibung TCP/IP Übertragung:

Für die TCP/IP Übertragung wird zur Realisierung eines oder mehrerer TCP/IP-Server/Clients für die CE Plattform ein extra Softwaretool benötigt. Das Softwaretool wird von der Internetseite der Beckhoff Automation GmbH : http://www.Beckhoff.de heruntergeladen, registriert und auf dem System installiert.

Alle notwendigen Bausteine bzw. Bibliotheken werden nach der Installation in das Programm eingebunden.

Der TwinCAT TCP/IP Connection Server ermöglicht die Implementierung/Realisierung eines oder mehrerer TCP/IP-Server/-Clients in der TwinCAT SPS.

Der TwinCAT TCP/IP Connection Server wird in die Liste der TwinCAT Server eingetragen. Beim TwinCAT Start wird der TCP/IP Connection Server automatisch gestartet und beim TwinCAT Stop gestoppt.

Windows CE:

Folgende Schritte werden bei der Windows CE Plattform ausgeführt.

Installieren des Produkts zunächst auf dem Programmier-PC.

ARM CPU (CX9000), TwinCAT TCP/IP Connection Server v1.0.0.44 und höher:

Nach der Installation befindet sich im Ordner: ...\\TwinCAT\\CE\\TCPIP\\ARM\\ ein Cabinet-File für das CE-Laufzeitsystem.

Danach kopiert man die darin befindliche Datei: TcTCPIPSvrCe.StrongARMV4I.CAB in einen Ordner auf dem CE-Laufzeitsystem.

Auf dem CE-System: Installation (durch einen Doppelklick auf das das Cabinet-File) der CE-Komponenten.

Rebooten des CE-Gerätes. Der TwinCAT TCP/IP Connection Server wird mit dem CE-Betriebssystem automatisch gestartet.

TCP Protokoll:

Bei dem TCP-Protokoll handelt es sich um ein verbindungsorientiertes Protokoll, analog wie bei einer Telefonverbindung, wo die Gesprächsteilnehmer die Verbindung zuerst aufbauen müssen. Das TCP-Protokoll wird dort eingesetzt, wo eine Bestätigung für die vom Client oder Server gesendeten Daten benötigt wird. Die Integrität der Daten wird vom Protokoll verwaltet, was mehr Ressourcen erfordert. Das TCP-Protokoll ist gut geeignet um größere Datenmengen zu verschicken.

Nachfolgender Auszug aus dem TwinCAT Informationssystem beschreibt die Bausteine, die notwendig sind, um eine TCP/IP Daten Übertragung zu realisieren:

Für eine minimale TCP/IP-Client Implementierung in der SPS werden folgende Funktionsbausteine benötigt:

Fürs Aufbauen und Abbauen der Verbindung zum Remote-Server eine Instanz des FB_SocketConnect- und FB_SocketClose-Funktionsbausteins.

Für den Datenaustausch mit dem Remote-Server eine Instanz des FB_SocketSend- und/oder FB_SocketReceive-Funktionsbausteins.

Für eine minimale TCP/IP-Server Implementierung in der SPS werden folgende Funktionsbausteine benötigt:

Für das Öffnen des Listener-Sockets eine Instanz des FB_SocketListen-Funktionsbausteins.

Für das Aufbauen und Abbauen der Verbindung/-en zu den Remote-Clients eine Instanz des FB_SocketAccept- und FB_SocketClose-Funktionsbausteins.

Für den Datenaustausch mit den Remote-Clients eine Instanz des FB_SocketSend- und/oder FB_SocketReceive-Funktionsbausteins.

In jedem SPS-Laufzeitsystem, in dem ein Socket geöffnet wird, eine Instanz des FB_SocketCloseAll-Funktionsbausteins.

Die Instanzen der FB_SocketAccept- und FB_SocketReceive-Funktionsbausteine werden zyklisch (pollend) aufgerufen, alle anderen nach Bedarf.

Funktionsbausteine:

FB_SocketConnect:

Mit dem Funktionsbaustein FB_SocketConnect kann ein Local-Client über den TwinCAT TCP/IP Connection Server eine neue Verbindung zu einem Remote-Server aufbauen. Bei erfolgreicher Verbindung wird ein neuer Socket geöffnet und am hSocket-Ausgang das dazugehörige Verbindungshandle zurückgeliefert. Das Verbindungshandle wird dann z.B. von den Funktionsbausteinen FB_SocketSend und FB_SocketReceive benötigt, um mit einem Remote-Server Daten auszutauschen. Eine nicht mehr benötigte Verbindung wird mit dem Funktionsbaustein FB_SocketClose geschlossen. Es können mehrere Clients gleichzeitig eine Verbindung zum Remote-Server aufbauen. Für jeden neuen Client wird ein neuer Socket geöffnet und ein neues Verbindungshandle zurückgeliefert. Jedem Client wird von dem TwinCAT TCP/IP Connection Server automatisch eine neue IP-Portnummer zugewiesen.

FB_SocketClose:

Mit dem Funktionsbaustein FB_SocketClose wird ein geöffneter Listener-Socket, ein Local-Client-Socket oder ein Remote-Client-Socket geschlossen. Der Listener-Socket wird mit dem Funktionsbaustein FB_SocketListen, ein Local-Client-Socket mit FB_SocketConnect und ein Remote-Client-Socket mit FB_SocketAccept geöffnet.

FB_SocketSend:

Mit dem Funktionsbaustein FB_SocketSend können über den TwinCAT TCP/IP Connection Server Daten zu Remote-Clients oder Remote-Servers gesendet werden. Eine Remote-Clientverbindung muss vorher mit dem Funktionsbaustein FB_SocketAccept oder eine Remote-Serververbindung mit dem Funktionsbaustein FB_SocketConnect aufgebaut werden.

FB_SocketReceive:

Mit dem Funktionsbaustein FB_SocketReceive können über den TwinCAT TCP/IP Connection Server Daten eines Remote-Clients oder Remote-Servers empfangen werden. Eine Remote-Clientverbindung muss vorher mit dem Funktionsbaustein FB_SocketAccept und eine Remote-Serververbindung mit dem Funktionsbaustein FB_SocketConnect aufgebaut werden. Die Daten können in einem TCP/IP-Netzwerk fragmentiert (in mehreren Paketen) empfangen oder verschickt werden. Es ist also möglich, dass nicht alle Daten auf einmal mit einem Aufruf der Instanz von FB_SocketReceive empfangen werden können. Aus diesem Grund muss die Instanz zyklisch (pollend) in der SPS-Task aufgerufen werden, so lange bis alle benötigten Daten empfangen wurden. Dabei wird eine steigende Flanke, z.B. alle 100ms, an dem bExecute-Eingang erzeugt. Beim Erfolg werden die zuletzt empfangenen Daten in den Empfangspuffer hineinkopiert. Der nRecBytes-Ausgang liefert die Anzahl der zuletzt erfolgreich empfangenen Datenbytes zurück. Wenn beim letzten Aufruf keine neuen Daten gelesen werden konnten, liefert der Funktionsbaustein keinen Fehler und nRecBytes == Null.

Bei einem einfachen Protokoll in dem z.B. ein Nullterminierter String von einem Remote-Server empfangen werden soll, muss der Funktionsbaustein FB_SocketReceive z.B. so oft aufgerufen werden, bis in den empfangenen Daten die Nullterminierung erkannt wurde.