HBF Automatisierungstechnik / Mechatronik Oberstufe
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Modell eines Freefall-Towers (fdr-pst-bgo-nki)
 
Zu erstellen ist das Modell eines Freefall-Towers. Das Modell ist (Überraschung !) im Maßstab 1:22,5 zu halten. Es sollte sich an einem kleinen Freefalltower von maximal 30 Metern Höhe orientiert werden, um die Transportfähigkeit des Endproduktes zu gewährleisten.
 
Auf Basis der durch die Schüler erstellten Spezifikation werden folgende präzisierten Forderungen an das Produkt gestellt:

Aufbau:

Der Freefall-Tower soll aus drei Ebenen bestehen:

• Unterkasten: Hierin/ hieran sollen die wesentlichen Komponenten der Steuerungstechnik angebracht sein. Es ist weiterhin auf ein genügendes Eigengewicht des Unterkastens zu achten, damit der Schwerpunkt des Freefall-Towers relativ niedrig gehalten und somit die Kippgefahr verringert wird.

• Turm: Der Turm sollte nach Möglichkeit teilmassiv und von der Grundfläche her rund gehalten werden (im Notfall kann auch ein hexagonaler Grundriss gewählt werden). Eine Lösung über einen eckigen Gittermastturm ist auch zulässig, wird aber als zu aufwändig betrachtet. Konzentrisch den Grundriss des Turms umgebend ist die Kanzel angeordnet, die in der Vertikalen beweglich, in der Horizontalen möglichst aber unbeweglich sein soll.

• Turmaufsatz: Der Turmaufsatz schließt den Turm nach oben ab. Er soll - hauptsächlich der Optik wegen - vom Grundriss her etwas größer sein als der Turm. In ihm kann der Zugseilmotor für die Kanzel eingebaut werden. Ob und wie das Zugseil/ die Zugseile innerhalb des Turms oder außerhalb des Turms verlaufen, ist der Projektgruppe freigestellt.

Folgende Betriebsmittel sind in den einzelnen Ebenen zu integrieren:

• Im oder am Unterkasten sind die Steuereinheit LOGO! von Siemens und eventuell benötigte Schütze unterzubringen. Am Unterkasten befinden sich zwei Leuchttaster "Start" und "Abbruch".

• In geeigneter Weise im oder am Turm befindet sich im oberen Bereich ein oder zwei Endlagendetektoren, des weiteren im unteren Bereich ein oder mehrere Endlagendetektoren, je nach Umsetzung der Bremsfunktion der Kanzel beim "freien Fall".

• Im oder am Turm ist zudem ein geeigneter Bremsmechanismus für die Kanzel zu integrieren. Dieser kann im Fall der Umsetzung eines echten freien Falls in Form einer Wirbelstrombremse oder auf geeignete Art und Weise mechanisch erfolgen.
   
  Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Umsetzung des Bremsmechanismus innerhalb dieses Projektes als problematisch angesehen wird. Daher ist auch ein "imitierter freier Fall" (Vertikalfahrt), bei der die Kanzel permanent mit dem Zugseil verbunden bleibt und der Zugseilmotor das Seil mit hoher Drehzahl abwickelt, absolut ausreichend.

• Am Turm befindet sich - aus optischen Gründen - eine Beleuchtung. Diese kann aus farbigen LEDs, einer LED-Lauflichtkette oder ähnlichem bestehen.

• Im Turmaufsatz befindet sich gegebenenfalls der Zugseilmotor. Sollte während der Projektarbeiten ein geeigneterer Ort zur Montage des Motors gefunden werden, steht es der Projektgruppe frei, diesen zu wählen.

Funktion:

• In der Grundstellung der Anlage befindet sich die Kanzel am unteren Ende des Turms. Sobald die Steuerungseinheit gestartet wird, soll die Beleuchtung an der Turmaußenseite eingeschaltet werden. Der Leuchtmelder "Start" beginnt zu leuchten. 

• Wird der Taster "Start" betätigt, wird unmittelbar die Aufwärtsfahrt der Kanzel gestartet. Die Fahrt beginnt sanft über eine drei Sekunden währende Beschleunigungsrampe und endet oben sanft nach einer fünf Sekunden währenden Bremsrampe. Hierbei ist besonders auf die Positionierung des oder der Endlagendetektoren zu achten, die die Abbremsung der Aufwärtsfahrt starten und beenden. Die gleichförmige Aufwärtsbewegung zwischen Beschleunigungs- und Bremsrampe ist mit einer geeigneten recht niedrigen Geschwindigkeit durchzuführen. Man orientiere sich hierzu an realen Beispielen.

• Nach dem Erreichen der oberen Endlage wird nach einer Zufallszeit zwischen 5 und 10 Sekunden schlagartig die "Fallbewegung" gestartet. Dies kann ein echter Fall oder ein "imitierter echter Fall" sein - siehe oben. In jedem Fall ist die Kanzel im unteren Bereich des Turms sanft abzubremsen, so dass sie am unteren Ende ruckfrei zum Stehen kommt.

• Während der gesamten Aufwärts- und Abwärtsfahrt blinkt der Leuchttaster "Start", um den laufenden Zyklus anzuzeigen. Zurück in der Grundstellung leuchtet der Leuchttaster wieder durchgehend.

• Während der Aufwärtsfahrt leuchtet der Leuchttaster "Abbruch".
   
  Wird der Taster während dieser Zeit betätigt, wird die Aufwärtsfahrt sofort nach einer Bremsrampe beendet und mit einer Beschleunigungsrampe eine Abwärtsfahrt mit niedriger Geschwindigkeit begonnen. Die Rampenzeiten sollen hierbei jeweils zwei Sekunden betragen.
   
  Erfolgt der Abbruch während der normalen Bremsrampe der Aufwärtsfahrt, so wird diese zu Ende geführt und danach unmittelbar mit der beschriebenen Abwärtsfahrt begonnen.
   
  Im unteren Bereich ist wiederum über eine geeignete Bremsrampe für ein sanftes Anhalten der Kanzel zu sorgen.

• Nach Auslösen eine Abbruchs blinkt der Leuchttaster "Abbruch" und der Leuchtaster "Start" erlischt. Nach Erreichen der unteren Endlage befindet sich die Anlage wieder in der Grundstellung. Der Leuchttaster "Abbruch" erlischt und der Leuchttaster "Start" leuchtet mit Dauerlicht.

Die beschriebene Funktion ist mit einer Kleinsteuerung LOGO! der Firma Siemens in Form einer Ablaufsteuerung umzusetzen. Auf Eingabe- und Ausgabeseite ist ausschließlich mit Kleinspannung zu arbeiten.