In diesem Beitrag beschreibe ich, wie es möglich ist, die in einem vorangegangenen Artikel im ELO-Magazin dargestellten Elektronikschaltungen so zu erweitern, dass das von mir entwickelte Robotermodell von einem Automatisierungsgerät oder einem Steuerrelais dazu veranlasst werden kann zu agieren.

Damit ist dieser Beitrag, wie ich finde, auch als Anregung interessant für Projekte in der Ausbildung im Elektrobereich oder in Berufsschulen, wo ein solches oder ähnliches Modell im Rahmen des Werk- bzw. Werkstattunterrichts gefertigt werden könnte.

Dieses SPS-Gerät ist mit Relaisausgängen ausgestattet. Zum Steuern des Schrittmotors mit einer Elektronikschaltung, wie ich sie in einem anderen Beitrag für das ELO-Magazin beschrieben habe, müsste z. B. für eine Rechtsdrehung des Läufers im Schrittmotor der UP-Eingang des 74LS193 abwechselnd mit dem Minuspol der Spannungsquelle ( GND, Masse) verbunden und dann diese Verbindung wieder unterbrochen werden, während der DOWN -Eingang ständig auf High-Signal liegt. Bei Linkslauf erhält der DOWN-Eingang auf die gerade beschriebene Weise das „Taktsignal", während der UP-Eingang High-Signal erhält.

Ein entsprechendes SPS-Programm, das einen Taktgeber mit Zeitstufen verwirklicht, führt zu keinem brauchbaren Ergebnis, da der Läufer des Schrittmotors auf Grund des Prellens des betreffenden Relaiskontaktes am Automatisierungsgerät unkontrollierte Bewegungen ausführt.

Dieses SPS-Gerät besitzt Halbleiterausgänge, zwischen denen und dem Masseanschluss seiner Ausgänge jeweils bei Aktivierung eine Gleichspannung von 24V ansteht, während an den Eingängen des 74L193 in einer der oben erwähnten Elektronikschaltungen zur Steuerung der Schrittmotoren des Miniroboters bei High-Signal maximal 5 V auftreten dürfen.

Zum Glück gibt es eine Lösung dieses technischen Problems mit Hilfe von Optokopplern!

Der abgebildete Licht- oder Optokoppler dient hier zur berührungslosen Übertragung der Impulse von der SPS-Seite zur Steuerung eines Schrittmotors, da der Lichtsender (Leuchtdiode) und der Lichtempfänger (Fototransistor) galvanisch voneinander getrennt sind. Bei Beleuchtung des Fototransistors über die Leuchtdiode wird dieser niederohmig (High-Zustand, etwa 5 V an R2), während er im unbeleuchteten Fall sehr hochohmig ist (Low-Zustand, etwa 0 V an R2).
Auf ähnliche Weise wie in einer Abbildung in einem Fachbuch von Siegfried Wirsum [1] wird das Ausgangssignal des Optokopplers hier über ein Gatter eines CD 4093 invertiert. Für die Ansteuerung der Schrittmotoren des Miniroboters, werden pro Motor (UP-Eingang und DOWN-Eingang) jeweils zwei der hier oben abgebildeten Teilschaltungen benötigt.

Die oben dargestellte Schaltungsvariante ist allerdings für SPS-Geräte bzw. Steuerrelais mit Relaisausgängen wegen des Prellens der Kontakte nicht brauchbar. Ich suchte also während der Beschäftigung mit meinem Miniroboterprojekt nach einer Schaltung, die sich für beide o. a. SPS-Versionen eignet.

Warum nicht die Takterzeugung für die Schrittmotorsteuerung an eine äußere Schaltung delegieren?

Der Schaltungsaufwand für die hier dargestellte Schaltungsvariante ist zwar größer als für die weiter oben abgebildete, aber sie hat den Vorteil, dass die Taktfrequenz des Generators einfach über ein Trimmpotenziometer für den jeweiligen Schrittmotor auf einen gewünschten Wert einstellbar ist, während bei der Schaltung ohne den externen Taktgenerator die Frequenz des Taktgebers im SPS-Programm durch Neuprogrammierung bestimmter Schritte für jeden Motor einzeln ausprobiert werden muss, bis sein Läufer sich so dreht, wie es der Anwender möchte.

Das SPS-Gerät schaltet z. B. den oberen der beiden Ausgänge ein. Dies hat zur Folge, dass am Ausgangswiderstand des Optokopplers oben eine Spannung von etwa 5 V abfällt(High-Zustand). Nur wenn am Ausgang des Taktgenerators gerade auch High-Signal auftritt, wird der Takt an den Eingang UP des 74LS193 weitergeleitet, während zwischen dem anderen Eingang und Masse eine Spannung von etwa 5 V (High-Zustand) festzustellen ist. Wird der SPS-Ausgang unten eingeschaltet, wird das Taktsignal an den DOWN-Eingang weitergeleitet während zwischen dem UP-Eingang des Ics und Masse etwa 5 V(High-Signal) gemessen werden können.
Die Widerstände und die Kondensatoren (R6 und C2, R7 und C3) dienen nach einem Fachbuch von Ufermann [2] der Entprellung. Erst als ich diese in die Schaltung eingefügt hatte, konnte ich auch ein SPS-Gerät mit Relaiskontakten zur Steuerung der beiden Schrittmotoren verwenden.
Diese Schaltung oben mit den beiden Optokoppler-Eingängen muss pro Schrittmotor einmal vorhanden sein.
Optokoppler können z. B. bei Conrad [3] , Reichelt [4] u. a. bestellt werden. Sie werden bei diesen Firmen in verschiedene Ausführungen angeboten. Die Anschlussbilder und Daten von Optokopplern sind in Datenblättern dargestellt, die im Internet an verschiedenen Adressen kostenlos heruntergeladen werden können.

Ab sofort soll das SPS-Gerät auch den Taktgenerator für die Leuchtdiode sowie den Magnet-Greifer schalten können.

Wird der SPS-Ausgang oben eingeschaltet, fällt am Widerstand R2 eine Spannung von etwa 5 V (High-Zustand) auf. Der Taktgenerator wird eingeschaltet, während Low-Signal (SPS-Ausgang abgeschaltet) ihn anhält. Beim Einschalten des SPS-Ausgangs unten wird der Magnet-Greifer eingeschaltet.

Wird zur Steuerung ein Automatisierungsgerät mit Halbleiterausgängen verwendet, können diese jeweils direkt mit den Eingängen (Vorwiderstände von 2,2 k experimentell ermittelt ) der Optokoppler verbunden werden, da sie beim Einschalten jeweils etwa eine Spannung von 24 V abgeben.

Bei einem SPS-Gerät mit Relaiskontakten muss bei jedem dieser Kontakte jeweils eine Anschlussklemme an +24V liegen, während die andere an einen Optokopplereingang angeschlossen ist. Bei beiden SPS-Versionen muss der Masseanschluss des SPS-Geräts mit dem Masseanschluss der Optokoppler der Schaltung zur Schrittmotorsteuerung verbunden sein.

Die oben ausgeführten Schaltungen sind nicht perfekt und können sicher noch verbessert und ergänzt werden. Sie sollen der Leserin/dem Leser des ELO-Magazins als Anregung für die Herstellung ähnlicher Modelle dienen.

Ich empfehle aus Gründen der Sicherheit für die Ansteuerung des Miniroboters oder eines ähnlichen Projekts durch ein SPS-Gerät oder ein Steuerrelais nur eine Version für 24V/DC (Gleichspannung) zu verwenden.

Jens Uetrecht weist, wie ich finde, in seinem Fachbuch zu modernen Steuerrelais [5] mit Recht darauf hin, dass bei AC-Geräten auf Grund der Anschlussspannung für das Steuerrelais bei unsachgemäßem Anschluss die Gefahr eines Stromschlags besteht.

SPS-Geräte und Steuerrelais sind, soweit es mir bekannt ist, ähnlich aufgebaut, daher sind die Anschlussanweisungen des jeweiligen Herstellers unbedingt zu beachten!

Für Geräte mit 12 V /DC Betriebsspannung müssen die Werte der Vorwiderstände vor den Optokopplern der Schaltung zur Schrittmotorsteuerung passend berechnet werden.

Dieses Steuerrelais von Moeller [6] für 24 V /DC besitzt Halbleiterausgänge.

Auch dieses SPS-Gerät von Moeller[6] für 24VDC ist mit Halbleiterausgängen ausgestattet.

Von Siemens [7] gibt es neben SPS-Geräten auch die Steuerrelais mit der Bezeichnung „LOGO!" für DC 24 V bzw. DC 12/24 V mit Relais- oder Transistor-Ausgängen. Diese Geräte werden z. B. auch von Conrad [3] angeboten.

Mit welchem einfachen SPS-Programmbeispiel kann ich ausprobieren, ob mein Miniroboter richtig angesteuert wird?

Mit der EASY-Software von Moeller[6] lässt sich z. B. diese Datei erzeugen und an das angeschlossene 800er EASY-Gerät zur Erprobung übertragen.

Die Eingänge I01 und I02 steuern die Drehung des Roboters über Q01 und Q02 , die Eingänge I03 und I04 die Bewegung des Roboterarms über Q02 und Q03, Eingang I04 das Blinken der Leuchtdiode über Q04 und Eingang I05 den Magnet-Greifer über Q05, wenn die Ausgänge mit den Eingängen der Optokoppler der oben dargestellten Schaltungen zur Schrittmotorsteuerung und Steuerung des Magnet-Greifers sowie des Taktgenerators der Leuchtdiode verbunden sind.
Sind Schalter an die Eingänge des EASY-Geräts angeschlossen , wird z. B. als Hilfe eine Maske mit den Bezeichnungen „Drehung Rechts", „Links" , Arm „Auf", „Ab" usw. in ihrer Nähe angebracht, und schon können alle Funktionen des Robotermodells ausprobiert werden.

Dieses Programmbeispiel zur Steuerung des Robotermodells beinhaltet vier Puls-Zeitglieder, wie sie in den SPS-Fachbüchern von Heinrich Lepers [8] und von Matthias Seitz [9] beschrieben sind. Solange die Uhr läuft, bleibt der zugeordnete Ausgang eingeschaltet. Danach wird er ausgeschaltet. Außerdem sind zwei RS-Flip-Flops zum Ein- bzw. Ausschalten des Magnet-Greifers und des Taktgenerator für die Leuchtdiode vorhanden. Das verwendete SPS-Gerät muss 8 Eingänge und 6 Ausgänge besitzen.

Wie lassen sich die Zeitkonstanten der Puls-Zeitglieder dieses SPS-Programms bestimmen?

Das Robotermodell wird im ausgeschalteten Zustand in eine Anfangsposition gedreht. So schaltet z. B. einer der Mikroschalter aufgrund der Kerbe am Rand der Scheibe, die den Roboterkörper trägt (im Bild oben links neben den Leitungen des Motors). Dies kann die Anfangsposition für die Drehung sein. Im Falle der Bewegung des Roboterarms durch den Linear-Positionierantrieb von der Firma Oppermann [10] ist dies z. B. die oberste Position, die dieser erreichen kann (im Bild oben rechts). Dort befindet sich z. B. ein anderer Mikroschalter.

Anschließend wird mit einer Stoppuhr die Zeit ermittelt, die seit dem Einschalten des Motors vergeht, bis der gewünschte Drehwinkel erreicht ist.
Ebenso vergeht eine bestimmte Zeit seit dem Einschalten des Schrittmotors im Linearantrieb, bis die gewünschte Position des Roboterarms erreicht ist. Im Bild sind mögliche Positionen durch Pfeilspitzen markiert. Die ermittelten Zeiten werden dann als Zeitkonstanten der Puls-Zeitglieder ins SPS-Programm übernommen.

Das SPS-Programm zur Steuerung des Robotermodells kann so gestaltet werden, dass sich der Roboter zuerst in eine Grundposition dreht, und dann seinen Arm in eine Grundposition bringt, bevor weitere Aktionen ausgeführt werden.
Die gewünschten Bewegungen des selbstgestalteten Robotermodells, wie Drehen, Armbewegung, Magnet-Greifer zur Aufnahme eines Teils einschalten, Armbewegung, Drehen, Armbewegung sowie Magnet-Greifer zur Ablage des transportierten Teils ausschalten usw. laufen nach dem Start des SPS-Programms nacheinander ab.

Es gibt sicher Robotermodelle zu kaufen, die perfekter aussehen, viel mehr können, viel exakter funktionieren als der Miniroboter, der Gegenstand meiner 4 Beiträge im ELO-Magazin ist.

Allerdings können die Erfahrungen bei der Planung, aus den gegebenen Teilen etwas herzustellen, was einem Roboter ähnlich ist, bei der Erprobung und Ergänzung vorgefundener Schaltpläne, bei der Fehlersuche, beim Messen, Prüfen, bei der Erstellung einfacher Programme zur Steuerung usw. nicht in einem Geschäft gekauft oder z. B. irgendwo im Internet bestellt werden, und dies ebenso wenig wie der Stolz, die Freude über das Erreichte und der Ansporn, im Rahmen seiner Fähigkeiten kreativ zu sein und weitere Dinge zu entwickeln.

Ich möchte Sie als Leserin / Leser durch meine Beiträge zum Selbstbau anregen. Schauen Sie sich bitte auch die anderen Seiten des ELO-Magazins an, wo Sie wertvolle Hinweise finden sowie die Internetseiten von Burkhard Kainka [11]!

Literatur, Internetseiten:

[1] Siegfried Wirsum „Experimente mit digitalen Schaltgliedern", RPB 92, Franzis-Verlag, 1980

[2] Ufermann „CMOS Bauanleitungen", RPB 199, Franzis-Verlag, 1986

[3] www.conrad.de

[4] www.reichelt.de

[5] Jens Uetrecht „Steuer- und Logik-Relais in der modernen Elektrotechnik, Franzis-Verlag, 2001

[6] www.moeller.net

[7] www.siemens.com/automation

[8] Heinrich Lepers „SPS Programmierung nach IEC 61131-3", Franzis-Verlag, 2005

[9] Matthias Seitz „Speicherprogrammierbare Steuerungen", Fachbuchverlag Leipzig, 2003

[10] Von der Firma Oppermann (www.oppermann-electronic.de) habe ich am 03.04.08 per E-Mail erfahren, dass noch Linear-Positionierantriebe mit Schrittmotor des Typs EPT 2032 lieferbar sind.

[11] www.b-kainka.de