Hallo,
ich habe hier ein vollkommen elektromechanisch aufgebautes System für
einen Linearantrieb, der drei definierte Stellungen anfahren kann, die
über einen Stufenschalter angewählt werden.
Der Linearantrieb besteht aus einem Spindelantrieb und einem
Gleichstrommotor. Dieser wird von zwei Relais mit je 2 Umschaltkontakten
angesteuert, wobei die Relais jeweils das Drehen in einer Richtung
auslösen (Verschaltung ähnlich H-Brücke).
Die Positionsrückmeldung erfolgt über vier Mikroschalter mit je einem
Umschaltkontakt. Es gibt zwei Schienen mit verschiedenen Vertiefungen,
die mit dem Antrieb verfahren. Die vier Mikroschalter tasten diese mit
einem Hebel und einer Rolle ab.
Ansonsten gibt es nur noch den einpoligen Stufenschalter mit drei
Positionen (1-auf-3) und drei LEDs zur Anzeige der aktuellen Position.
Es soll nun diese "Steuerung" durch eine elektronische ersetzt werden,
wobei die Mikroschalter möglichst durch drei Optokoppler für die drei
möglichen Positionen oder eine andere Art von Positionsgeber
(Seilzugpoti etc.) ersetzt werden sollen. Grund ist die mechanische
Anfälligkeit des Systems, da sich die Schaltpunkte der Mikroschalter
durch Verschleiß ändern oder Relais verschleißen und ausfallen. Eine
Forderung ist aber, dass keine Software oder programmierbare Logik zum
Einsatz kommt. D.h., es geht nur mit diskreter, hartverdrahteter Logik.
Ich würde jetzt einen geeigneten Motortreiber mit Überstromschutz
verwenden, Optokoppler (oder einen analogen Positionsgeber mit
Fensterdiskriminator) und dann irgendwie eine Logikschaltung aus Gattern
zusammenstricken. Könnt ihr mir dabei helfen? Oder gibt es vielleicht
auch eine andere Möglichkeit der Umsetzung?
Hier die "Wahrheitstabelle" der vier Mikroschalter im aktuellen System:
Da würde ich mir doch glatt mal die Verschaltung der Relais ansehen.
Denn dort steckt die Logik ja offenbar drinnen und näherungsweise kann
man einen Transistor als Ersatz für ein Relais ansehen. Kommt eben auf
die genaue Relaisverschaltung an. Bei einem Relais mit Umschaltkontakten
könnten das dann durchaus auch 2 Transistoren sein, von denen der eine
sperrt und der andere geöffnet ist.
Eventuell könnte es auch notwendig sein, so ein Relais als einen oder
zwei Optokoppler anzusehen. Das Prinzip ist da wie dort ja das gleiche:
mit einem Strom an einem Eingang wird ein anderer Stromfluss ermöglicht
oder unterbunden.
Jochen schrieb:> ich habe hier ein vollkommen elektromechanisch aufgebautes System für> einen Linearantrieb,> Es soll nun diese "Steuerung" durch eine elektronische ersetzt werden,
Dafür nimmt man typisch eine SPS.
Jochen schrieb:> Mikroschalter möglichst durch drei Optokoppler
Da wäre noch zu überlegen wieviel Schmutz im Spiel ist. Opto-Lösungen
mögen keinen Staub und Schmutz.
Jochen schrieb:> Oder gibt es vielleicht> auch eine andere Möglichkeit der Umsetzung?
Klar gibt es die, die wären auch viel flexibler, aber die hast du ja
ausgeschlossen. Da soll wohl ein System auf dem Stand der 50er Jahre des
vorigen Jahrhunderts um 20 Jahre "modernisiert" werden.
Sind Analogschaltungen auch verboten? Dann kannst du sowas wie ein
Seilzugpoti gleich vergessen.
Georg
Ein paar Fragen:
- wie lang ist der Verfahrweg?
- wie genau soll positioniert werden?
- wie schnell ist der Antrieb ca (m/s)?
- warum wird eine programmierbare Steuerung kategorisch ausgeschlossen?
Es ist sicher machbar, das diskret aufzubauen, eine programmierbare
Steuerung erleichtert die Arbeit aber evtl. sehr.
Das Ding muss zugelassen werden (u.a. Zuverlässigkeits-Analyse) und da
vervielfachen ein µC oder programmierbare Logik den Aufwand - kommt
nicht in Frage.
Ich denke auch mal in Richtung Fensterdiskriminator.
Das von dir angesprochene Poti stellt die aktuelle Position zur
Verfügung, der Schalter gibt den Umschaltpunkt des Diskriminators vor.
Je nachdem meldet der 'zu hoch', 'zu tief' oder 'passt' und das
wiederrum schaltet den Motortreiber auf Rechtslauf, Linkslauf bzw.
Stillstand.
Nachteil: Ein Poti zur Positionsabnahme ist wieder ein potentielles
Verschleissteil.
oszi40 schrieb:> Jochen schrieb:>> Mikroschalter möglichst durch drei Optokoppler>> Da wäre noch zu überlegen wieviel Schmutz im Spiel ist. Opto-Lösungen> mögen keinen Staub und Schmutz.
Wenn bei einem Optokoppler zwischen LED und Fototransistor Schmutz ist,
dann ist das Gehäuse kaputt... ;-)
Jochen schrieb:> Ich würde jetzt einen geeigneten Motortreiber mit Überstromschutz> verwenden, Optokoppler (oder einen analogen Positionsgeber mit> Fensterdiskriminator) und dann irgendwie eine Logikschaltung aus Gattern> zusammenstricken.
Sagen wir mal so: Die 2 Relais als H-Brücke, die 4 Umschalter zur
Positionsrückmeldung und der 3-polige Schalter zur Sollwertvorgabe tat
es bisher auch, eine extra Logik scheint nicht vorhanden gewesen sein.
Deine Lichtschranken (störanfällig) oder Hallsensoren (zuverlässiger)
oder induktiven Näherungssensoren (am zuverlässigsten aber teuer)
brauchen nun bloss einen Umschaltausgang, weitere Logikbausteine sind
offenbar nicht notwendig wenn du die bisherige intelligente Schaltung
nachbaust.
Als Umschalter könnte ein CD4053 dienen.
npn schrieb:> Wenn bei einem Optokoppler zwischen LED und Fototransistor Schmutz ist,> dann ist das Gehäuse kaputt... ;-)
... und der Gabelkoppler gibt den Löffel ab.
oszi40 schrieb:> npn schrieb:>> Wenn bei einem Optokoppler zwischen LED und Fototransistor Schmutz ist,>> dann ist das Gehäuse kaputt... ;-)>> ... und der Gabelkoppler gibt den Löffel ab.
Da hast du natürlich recht. Ich ging von einem normalen Optokoppler aus.
Sorry, ich nehme alles zurück :-)
npn schrieb:> Da hast du natürlich recht. Ich ging von einem normalen Optokoppler aus.> Sorry, ich nehme alles zurück :-)
Na ja, wie willst du mit einem 'normalen' Koppler eine Position
detektieren?
Deine Relais haben bestimmt auch noch eine gegenseitige
Verriegelungsschaltung um bei einem Sensorfehler zu vermeiden, daß beide
Richtungen gleichzeitig eingeschaltet werden können.
1. Schritt sollte sein die genaue Schaltung herauszufinden. Dein
Diagramm ist so nicht vollständig, da fehlt was passiert wenn der Motor
nicht auf Stellung 1 startet, sondern auf Stellung 2 oder 3.
Das ist ein Zustandsautomat.
Als Sensoren würde ich, wie MaWin schon vorgeschlagen hat, induktive
Näherungssensoren nehmen.
> - wie lang ist der Verfahrweg?
100 mm mechanisch möglich, 80 mm genutzt
> - wie genau soll positioniert werden?
+/- 2,5 mm
> - wie schnell ist der Antrieb ca (m/s)?
7 mm/s bei Volllast, 11 mm/s ohne Last
> - warum wird eine programmierbare Steuerung kategorisch ausgeschlossen?
Zulassung, siehe oben
Weil die Frage bestimmt noch kommt: Im aktuellen System ist der Motor
mit einem 10 A Sicherungsautomaten abgesichert, max. Strom laut
Datenblatt bei Volllast 16 A. Die Einschaltdauer ist aber immer nur
wenige Sekunden mit langen Pausen dazwischen (5 Min. minimal).
Jochen schrieb:> Das Ding muss zugelassen werden (u.a. Zuverlässigkeits-Analyse) und da> vervielfachen ein µC oder programmierbare Logik den Aufwand
Die logische Funktionalität ist exakt umrissen und nicht sehr groß.
Dementsprechend ist der Aufwand für die vollständige Analyse ebenfalls
exakt bestimmbar (und auch nicht sehr groß).
Damit spielt es dann auch keinerlei Rolle, ob die Sache mit
Klapper-Relais, TTL-Gattern oder in Form eines µC-Programms realisiert
wird. In jedem Fall ist eine vollständige Prüfung der Funktion mit
relativ geringem Aufwand möglich. Man könnte sogar den gleichen
Prüfstand für alle Implementierungen gleichermaßen verwenden, wenn die
Sensoren und Aktoren die gleichen bleiben.
Also ganz klar: eine typische Schutzbehauptung eines vollkommen
Ahnungslosen.
Nein, definitiv nicht. SPS geht nicht, weil
- Größe (viertel Schuhkarton inkl. Steuerung)
- Masse (< 1.000 Gramm, sollte eher leichter als schwerer werden)
- 12 V Spannungsversorgung aus Akku, kein "Ruhestrom" des Systems
akzeptabel bis auf die 15 mA für die eine leuchtende Positions-LED.
> Also ganz klar: eine typische Schutzbehauptung eines vollkommen> Ahnungslosen.
Nein. Bei Software / Complex Hardware ist genau vorgegeben, welche Arten
von Dokumenten wie erzeugt werden müssen und wie getestet werden soll.
Keinerlei Abkürzungen möglich. Bei einer einfachen diskreten Schaltung
kommt man in der Regel mit einem Schaltplan, genaue Spezifikation der
Bauteile, Funktionsbeschreibung, rechnerische Zuverlässigkeitsanalyse /
Fehlerbaum aus. Überhaupt nicht zu vergleichen.
Jochen schrieb:> Zuverlässigkeits-AnalyseJochen schrieb:> - Größe (viertel Schuhkarton inkl. Steuerung)> - Masse (< 1.000 Gramm, sollte eher leichter als schwerer werden)
Soll das Ding in ein Flugzeug?
Jochen schrieb:> Das Ding muss zugelassen werden (u.a. Zuverlässigkeits-Analyse) und da> vervielfachen ein µC oder programmierbare Logik den Aufwand
Inwiefern? Welcher Mehraufwand? Es wird doch dadurch nicht komplizierter
oder umfangreicher?
So eine einfache Schaltung würde ich auf jeden Fall mit CMOS-Gattern
machen.
Dachte zwar im ersten Moment daran einen FPGA-IC einzusetzen, aber das
wäre mit Kanonen auf Spatzen geschossen. Mit einer Hand voll Gattern
bekommst Du das hin. Die Relais würde ich nicht austauschen.
Und wie MaWin geschrieben hat, würde ich auch für mag. Nährungsschalter
plädieren. Ist einfach betriebssicherer.
Zeichne Dir doch einfach die komplette Verschaltung auf und poste sie
hier,
dann bekommst Du mit Sicherheit einige gute Lösungsansätze.
Bernd K. schrieb:> Inwiefern? Welcher Mehraufwand? Es wird doch dadurch nicht komplizierter> oder umfangreicher?
Siehe oben - es muss viel mehr Papierkram erzeugt werden, sobald ein
Taktgenerator ins Spiel kommt. Genaue Vorgehensweise ist behördlich
vorgeschrieben.
OldMan schrieb:> Zeichne Dir doch einfach die komplette Verschaltung auf und poste sie> hier, dann bekommst Du mit Sicherheit einige gute Lösungsansätze.
Bin schon dabei.
Weinbauer schrieb:> FPGA eher nicht, aber eigentlich ideal für CPLD
Wenn die Zulassungsproblematik nicht wäre, würde ich genau diesen Weg
gehen.
Anbei die Verschaltung der elektromechanischen Steuerung. Links sieht
man den Stufenschalter für die gewünschte Position und die
Stellungsanzeige per LEDs. In der Mitte sind die vier Mikroschalter, die
über ein Frästeil mit Vertiefungen in den entsprechenden Stellungen wie
folgt betätigt werden:
1
S4 S3 S2 S1 Systemstatus
2
0 0 1 1 Stellung 1 (eingefahren)
3
0 0 1 0 zwischen Stellung 1 und 2
4
0 0 0 0 Stellung 2 (Mitte)
5
0 1 0 0 zwischen Stellung 2 und 3
6
1 1 0 0 Stellung 3 (ausgefahren)
"1" bedeutet Schalter betätigt
"0" bedeutet Ruhestellung (wie im Schaltplan gezeichnet)
Der Wunsch ist jetzt, die Mikroschalter und das Frästeil durch eine
verschleißfreie, elektronische Positionserfassung zu ersetzen
(Näherungssensoren, Gabellichtschranken o.ä.) und die Relais durch eine
moderne integrierte H-Brücke mit Überstromschutz. Schön wäre es, wenn
man mit weniger als vier "Erkennungselementen" auskommen könnte.
Theoretisch reichen ja zwei für vier Positionen.
Jochen schrieb:> Der Wunsch ist jetzt, die Mikroschalter und das Frästeil durch eine> verschleißfreie, elektronische Positionserfassung zu ersetzen
Ja, und? Und wozu brauchst du jetzt CPLD, FPGA, SPS und uC?
Du brauchst nicht mal Umschaltkontakte an den Positionsmeldern, denn die
LEDs können auch über Dioden entkoppelt werden.
Du kannst also deine Richtungseingänge der H-Brücke direkt an die open
collector NPN Ausgänge der Positionsmelder anschliessen, wie in der
alten Schaltung.
hallo, Jochen!
Ich würde die Steuerung so belassen, wie sie ist. Wozu soll es gut sein,
auf Transistorsteuerung überzugehen?
Die einfache und sichere Möglichkeit der Steuerung würde ich nicht
zu Gunsten einer volltransistorisierten tauschen!
Ich frage mich noch immer über den Sinn deines Threads...
Gruß
Mani
Evtl. ist ein Schaltverstärker sinnvoll, um den Mikroschaltern die volle
Last des Schaltens abzunehmen, aber sonst ist das doch alles anscheinend
robust, zuverlässig und sicherheitsrelevant.
Jochen schrieb:> Anbei die Verschaltung der elektromechanischen Steuerung.
Du kannst jetzt schon die Lebensdauer der Mikrotaster deutlich erhöhen,
indem Du Dioden in Sperrichtung parallel zu den Relais schaltest. Diese
kappen die Induktionsspannung und es entstehen keine Funken mehr an den
Tastern.
Jochen schrieb:> Der Wunsch ist jetzt, die Mikroschalter und das Frästeil durch eine> verschleißfreie, elektronische Positionserfassung zu ersetzen
Das dürfte erstmal ein mechanisches Problem sein. Such Dir eine passende
Positionserfassung aus.
Viele liefern allerdings ein digital codiertes Signal, was sich nur
schwer ohne MC auswerten läßt.
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