DE19904042A1 - Ejektor - Google Patents
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
- F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Ejektor mit wenigstens einem, insbesondere zwei Magnetventilen und einem Vakuumschalter, wobei eine Kontaktbrücke vorgesehen ist, die das bzw. die Magnetventile kontaktiert und die Elektronik des Vakuumschalters enthält.
Description
Die Erfindung betrifft einen Ejektor mit wenigstens einem, insbesondere
zwei Magnetventilen und einem Vakuumschalter.
Vakuum, im Idealfall der materiefreie Raum; in der Praxis ein Raum mit
verminderter Gasdichte, der durch Verdünnung von Gasen und Dämpfen auf
Drücke zwischen 1000 und 0 mbar beim Auspumpen (evakuieren) eines Gefäßes
entsteht.
Als Atmosphärendruck wird der Druck bezeichnet, der durch das Gewicht der
die Erde umgebenden Luftschicht auf die Erdoberfläche ausgeübt wird. Die
Masse einer Luftsäule mit einer Fläche von 1 m2 beträgt ca. 10.000 kg,
gemessen auf der Erdoberfläche. Folglich ändert sich der ausgeübte
Luftdruck in Abhängigkeit von der über dem Meeresspiegel gemessenen Höhe.
In Meereshöhe beträgt der atmosphärische Druck 1013 mbar und nimmt mit
zunehmender Höhe ab. Die Abnahme des Druckes beträgt ca. 12,5 mbar pro 100 m
Höhenzunahme. Die Änderung hängt aber wiederum von der tatsächlichen Höhe
über dem Meeresspiegel ab, da sich die Dichte der Luft mit zunehmender Höhe
auch ändert. Eine genauere Bestimmung des Druckes läßt die barometrische
Höhenformel zu.
Für die Einheit des Druckes gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Die
bisher übliche Angabe ist in bar beziehungsweise mbar. Aus dem SI-
Einheitensystem wird die Einheitsbezeichnug N/m2 (= Pa) abgeleitet, so daß
die Druckangabe in hPa beziehungsweise kPa auch üblich ist. Auch die
Einheiten atm, mmHg (Torr) und psi werden zur Angabe des Druckes verwendet.
Wird der Druck in einem geschlossenen System gegenüber dem
Athmosphärendruck verringert, so entsteht Unterdruck, Vakuum genannt. Unter
absolutem Vakuum versteht man einen Druck von 0 mbar, also 100% Vakuum. Die
Höhe des Vakuums wird meistens als Unterdruck in % angegeben, bezogen auf
den Atmosphärendruck. Das Vakuum kann aber auch absolut angegeben werden.
Das heißt, 50% Vakuum ist gleichbedeutend mit -50 kPa und auch
gleichbedeutend mit einem absoluten Druck von 51,3 kPa. Das nebenstehende
Diagramm veranschaulicht diesen Sachverhalt.
Je nach Höhe des Vakuums werden verschiedene Bereiche unterschieden:
Grobvakuum; 1 bar Unterdruck bis Umgebungsdruck
Feinvakuum; 10-3 bis 1 bar Unterdruck
Hochvakuum; 10-3 bis 10-7 bar Unterdruck
Ultrahochvakuum; kleiner 10-7 bar Unterdruck
Feinvakuum; 10-3 bis 1 bar Unterdruck
Hochvakuum; 10-3 bis 10-7 bar Unterdruck
Ultrahochvakuum; kleiner 10-7 bar Unterdruck
Zur Erzeugung eines Vakuums gibt es prinzipiell zwei verschiedene
Möglichkeiten: elektrisch oder pneumatisch. Technisch lassen sich daraus
wieder mehrere Arten der Vakuumerzeugung entwickeln.
Die Verwendung der unterschiedlichen Systeme hängt vom jeweiligen
Einsatzfall ab, und hierbei insbesondere von der Höhe des geforderten
Vakuums und vom Ansaugvolumen. Wird sowohl ein hohes Vakuum als auch ein
hohes Ansaugvermögen gefordert, ist dies mit einem großen Energieeinsatz
verbunden.
Die zur Vakuumerzeugung notwendige Energie hängt stark von der Höhe des zu
erzeugenden Vakuums ab. Soll der Unterdruck z. B. von -0.6 auf -0.9 bar
erhöht werden, bedeutet dies eine Erhöhung des Energieaufwandes um Faktor
3, eine weitere Erhöhung des Vakuums zieht einen exponentiellen
Energieanstieg nach sich. Für den jeweiligen Anwendungsfall ist es deshalb
sinnvoll den benötigten Unterdruck so gering wie möglich auszulegen, um mit
geringem Energieaufwand zu arbeiten.
Mit Vakuumpumpen können sehr hohe Unterdrücke erreicht werden bei einem
mittleren Saugvermögen. Ihr Einsatz ist besonders geeignet für die
Handhabung dichter Werkstoffe, das heißt zum Ansaugen von Werkstoffen mit
glatter, luftundurchlässiger Oberfläche. Mit Vakuum-Pumpen können
Unterdrücke bis zu -0.98 bar erreicht werden.
Neben Trockenläufern und Wasserringpumpen gibt es ölgeschmierte Pumpen, mit
denen die größten Unterdrücke zu realisieren sind. Die Anwendungen sind
manuelle Vakuum-Handhabungsgeräte, Verpackungsmaschinen und Vakuum-
Spannvorrichtungen.
Vakuumgebläse erzeugen im Gegensatz zu den Vakuumpumpen relativ geringe
Unterdrücke, haben aber ein wesentlich höheres Saugvermögen. Sie sind somit
besonders geeignet zum Ansaugen poröser und unebener Werkstücke. Die
Anwendungen sind schnelles Evakuieren großer Volumina und die Handhabung
poröser Werkstoffe (z. B. Karton, Holz).
Im Gegensatz zu den beiden oben dargestellten Vakuumerzeugern Pumpe und
Gebläse, die elektrisch betrieben werden, arbeiten Ejektoren rein
pneumatisch. Ejektoren funktionieren nach dem sogenannten "Venturi-
Prinzip", mit dem durch spezielle Düsen mittels Druckluft Unterdruck
erzeugt werden kann.
Ejektoren erreichen bei relativ geringem Ansaugvermögen hohe Unterdrücke
und sind für Anwendungen mit kurzen Taktzeiten besonders geeignet. Die
einfachsten Ejektoren kommen ohne bewegliche Teile aus und sind somit
völlig wartungsfrei. Die Anwendungen sind Industrieroboter-Anwendungen, die
Verpackungsindustrie, die Verfahrenstechnik und das Förderung von
Schüttgütern.
Ejektoren arbeiten rein pneumatisch und unterscheiden sich dadurch deutlich
von Vakuumpumpen und -gebläsen. Die Baugröße von Ejektoren ist daher,
verglichen mit den anderen genannten Vakuumerzeugern, wesentlich kleiner.
Ejektoren sind somit aufgrund ihrer geringen Masse besonders für
Anwendungen an Robotern geeignet, wo niedrige Massenträgheitmomente
gefordert sind. Aufgrund ihres Funktionsprinzipes sind Ejektoren im
Normalfall wartungsfrei, insbesondere gilt dies für einfache Ausführungen
von Ejektoren, die ohne bewegliche Teile auskommen.
Ejektoren erreichen bei einem niedrigen Saugvermögen relativ hohe Unterdrücke - Werte bis -0,99 bar - die mit denen von Vakuumpumpen vergleichbar sind. Allerdings ist der Energieaufwand zum Erreichen solcher Unterdrücke bei Ejektoren größer als bei Vakuumpumpen. Da Ejektoren dezentral angeordnet werden können, das heißt direkt beim Sauggreifer, ist die Evakuuierungszeit sehr klein und es sind kurze Taktzeiten zu realisieren.
Ejektoren erreichen bei einem niedrigen Saugvermögen relativ hohe Unterdrücke - Werte bis -0,99 bar - die mit denen von Vakuumpumpen vergleichbar sind. Allerdings ist der Energieaufwand zum Erreichen solcher Unterdrücke bei Ejektoren größer als bei Vakuumpumpen. Da Ejektoren dezentral angeordnet werden können, das heißt direkt beim Sauggreifer, ist die Evakuuierungszeit sehr klein und es sind kurze Taktzeiten zu realisieren.
Die Funktionsweise von Ejektoren ist mit der von Strahlpumpen zu
vergleichen, sie arbeiten nach dem Venturi-Prinzip. Anhand von Fig. 8 soll
die Funktion näher beschrieben werden. Öffnung A ist der Druckluftanschluß,
an den die eintretende Druckluft mit ca. 5 bar Überdruck angeschlossen wird.
Die einströmende Druckluft wird durch die Treibdüse B gepreßt und wird
aufgrund der Querschnittsverengung beschleunigt. Der Luftstrom erreicht
hierdurch Überschallgeschwindigkeit. In der Fangdüse expandiert die aus der
Treibdüse austretende Luft wieder und strömt durch den Schalldämpfer C nach
außen. Die Luft in der Kammer um die Treibdüse B wird bei diesem Vorgang
"mitgerissen", und saugt Luft aus der Öffnung D ein. Es entsteht in dem an
Öffnung D angeschlossenen Volumen Vakuum. Die aus D abgesaugte Luft tritt
zusammen mit der expandierten Druckluft durch den Schalldämpfer aus.
Mehrstufenejektoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie einfache Ejektoren, haben aber mehrere Stufen mit Treibdüsen, durch die Vakuum erzeugt wird. Sie erreichen allerdings keine so hohen Unterdrücke wie einstufige Ejektoren, haben dafür aber ein höheres Saugvermögen.
Mehrstufenejektoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie einfache Ejektoren, haben aber mehrere Stufen mit Treibdüsen, durch die Vakuum erzeugt wird. Sie erreichen allerdings keine so hohen Unterdrücke wie einstufige Ejektoren, haben dafür aber ein höheres Saugvermögen.
Neben diesen einfachen und ohne bewegliche Teile arbeitenden Ejektoren gibt
es noch sogenannte Kompaktejektoren, bei denen mehrere Funktionen in einem
Gerät zusammen gefaßt sind. Ein in den Ejektor integriertes
Rückschlagventil verhindert den sofortigen Abfall des Vakuums im Saugkreis
bei ausgefallener Druckluftversorgung. Ein Magnetventil kann zudem noch die
Druckluftzufuhr steuern, ein weiters Magnetventil kann einen Abblasimpuls
geben, mit dem das angesaugte Werkstück schneller abgesetzt werden kann.
Ein im Vakuumkreis eingebauter Vakuumschalter mißt die Höhe des Vakuums und
gibt über Schaltausgänge beim Erreichen einer eingestellten Schwelle
Signale zur Steuerung aus.
Mit einer zusätzlichen elektronischen Regelung wird ein Schaltausgang mit
dem Saugventil verknüpft und steuert dessen Zustand. Beim Erreichen der
Schaltschwelle, wenn das gewünschte Vakuum erreicht ist, schaltet das
Saugventil ab. Durch Undichtigkeiten im Saugkreis oder poröse Werkstoffe,
die angesaugt werden, fällt das Vakuum langsam ab. Wird die untere
Schaltschwelle des Vakuumschalters erreicht, schaltet das Saugventil wieder
ein und der Saugkreis wird von neuem evakuiert. Diese Regelung wird im
Folgenden mit "Luftsparautomatik" bezeichnet.
Ein Bus ist die Zusammenfassung paralleler Leitungen mit gleichartigem
Informationsgehalt, an die in einer Datenverarbeitungsanlage sämtl.
Systemkomponenten angeschlossen sind.
Durch zunehmende Automatisierung in allen Bereichen der heutigen Industrie
wächst die Anzahl der zu steuernden und dann auch zu überwachenden Prozesse
ständig. In Folge dessen werden immer mehr Aktoren und Sensoren gebraucht,
die direkt im Prozess eingesetzt werden. Mit der Zunahme von
Einzelkomponenten wächst auch der Verdrahtungsaufwand enorm. Jedes Ventil
und jeder Sensor müssen einzeln angeschlossen und auf eine zentrale
Steuerung geführt werden. Treten die zu überwachenden Einzelkomponenten in
größeren Gruppen auf, die nahe der Steuerung sitzen, ist der
Verdrahtungsaufwand geringer. Hierfür werden Lösungen angeboten, die solche
Senor- bzw. Aktorgruppen mit einem Vielpolkabel zur zentralen Steuerung
führen. Allerdings geht der Trend mehr zu dezentralen Lösungen, das heißt,
die Aktoren und Sensoren sind über die ganze Anlage verteilt, und befinden
sich immer genau dort, wo es der Prozeß erfordert. Naheliegend ist dann der
Gedanke, alle verstreut liegenden Komponenten mit einem gemeinsamen Kabel
zu verbinden, das in der Steuerung endet, die somit Zugriff auf alle
Komponenten hat. Genau dieser Gedanke ist der Ansatzpunkt für die
verschiedenen Bussysteme, die heute in der Automatisierungstechnik
eingesetzt werden. Ein solches Bussystem hat nicht nur wirtschaftliche
Vorteile im Hinblick auf den Verdrahtungsaufwand, sondern es bietet auch
weitere Vorteile wie zum Beispiel eine einfache Diagnosemöglichkeit der
einzelnen Komponenten.
Die in der Automatisierungstechnik eingesetzten Bussysteme streben eine
möglichst geringe Datenmenge an, die zwischen einzelnen Busteilnehmern und
der Steuerung ausgetauscht werden muß. Ziel hierbei ist eine möglichst
schnelle Datenübertragung, um ständig aktuelle Daten aus dem Prozeß
vorliegen zu haben und somit auf Änderungen und Fehler sofort reagieren zu
können.
Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Bussystemen, die zu
unterschiedlichem Maße in der Praxis eingesetzt werden. Die verschieden
Bussysteme unterscheiden sich teilweise stark, teilweise nur gering. Die
Bussysteme unterliegen einem ständigen Wandel, das heißt, sie werden
laufend den tatsächlichen Bedürfnissen angepaßt. Hierbei wird meist auf
eine Abwärtskompatibilität geachtet, um ältere Buskomponenten weiterhin
verwenden zu können. Im Laufe der letzten Jahre sind aber auch verschiedene
neue Bussysteme entwickelt worden, entweder als Weiterentwicklung von
vorhandenen Bussystemen oder als komplette Neuentwicklungen mit dem
Versuch, allen bekannten Anforderungen gerecht zu werden. Ziel aller
Bussysteme ist es, einen offenen Standard anzubieten, der es erlaubt, das
System nach allen Seiten leicht zu erweitern. Außerdem sollen neue Systeme
anderen Bussystemen möglichst kompatibel sein.
Jedes Bussystem hat seine eigenen Spezifikationen, die als Standard gelten.
Nach diesen Spezifikationen müssen dann die entsprechenden busfähigen
Produkte entwickelt werden. In Folge dessen sind dann Produkte
unterschiedlicher Firmen frei kombinierbar, sofern für diese Produkte der
gleiche Busstandard zugrunde gelegt worden ist. Insbesondere in großen
Anlagen der Automatisierungstechnik und Automobilindustrie, wo eine
Vielzahl unterschiedlicher Aktoren und Sensoren eingesetzt wird, ist dies
von Vorteil. Die Entwicklung der verschiedenen Bussysteme wird stark von
verschiedenen Firmen unterstützt, die ihre Produkte entsprechend den
Busspezifikationen entwickeln.
Der hier beschriebene Einsatz von Bussystemen bezieht sich hauptsächlich
auf die unterste Ebene eines Prozesses, also direkt auf Aktoren und
Sensoren; diese Ebene wird Feldebene genannt. Auf dieser Ebene ist die
auszutauschende Datenmenge pro Busteilnehmer sehr gering, die Anzahl der
Busteilnehmer selbst ist aber sehr hoch. Dies zeigt, wie wichtig eine
schnelle Datenübertragungsrate ist, um alle Busteilnehmer ständig unter
Kontrolle zu haben. Die Daten der einzelnen Busteilnehmer werden in einer
Steuerung verarbeitet, die dann wiederum an ein zentrales Rechnersystem
angeschlossen wird. In dieser höheren Ebene stehen ebenfalls Bussysteme zur
Verfügung, die die einzelnen Steuerungen wieder untereinander verbinden.
Die Übertragung der Daten geschieht auf der Feldebene im allgemeinen
seriell. Das heißt, die Daten werden nacheinander auf der selben Leitung
transportiert. Vorteil dieses seriellen Übertragungssystems ist die geringe
Anzahl an Leitungen, die zur Verbindung der Teilnehmer des Bussystems
benötigt werden. Theoretisch sind zwei Leitungen ausreichend. Manche
Bussysteme arbeiten aber mit mehr als zwei Leitungen, um bessere
Möglichkeiten zur Diagnose oder Energieversorgung der Teilnehmer zu haben.
Der Erfindung liegt die nachfolgende Aufgabe zugrunde. Die Vakuumerzeugung
mit sogenannten Ejektoren, die nach dem Venturi-Prinzip arbeiten, ist schon
lange bekannt. Die Industrie arbeitet heute vielfach mit Ejektoren, die
über Magnetventil gesteuert werden und mit einem Vakuumschalter
ausgestattet sind.
Der Vakuumschalter und die beiden Magnetventile werden bisher mit einzelnen
Kabeln direkt zur Steuerung geführt und dort verdrahtet. Bei größeren
Anlagen, in denen viele Ejektoren eingesetzt werden, nimmt der
Verdrahtungsaufwand mit jedem Ejektor zu und somit auch die Kosten zur
Installation.
Ziel der Erfindung ist die Minimierung des Aufwandes zum elektrischen
Anschluß von Ejektoren mit Vakuumschaltern an eine übergeordnete Steuerung
unter Berücksichtigung der Möglichkeit eines direkten Busanschlusses der
Ejektoren.
Da die Ejektoren in industriellen Anlagen, insbesondere in der
Automobilindustrie, eingesetzt werden, müssen die geltenden Vorschriften
und Bestimmungen berücksichtigt werden. Ejektoren werden nicht nur einzeln
eingesetzt sondern werden häufig zu Blöcken, aus bis zu sechs
Einzelejektoren bestehend, zusammen gefaßt, die dann über einen gemeinsamen
Druckluftanschluß versorgt werden.
Die Neuentwicklung muß folgende Bedingungen erfüllen:
gemeinsame Kontaktierung von Magnetventilen und Vakuumschalter
nur ein gemeinsames Anschlußkabel
Bauform und Baugröße an den Ejektor angepaßt (nicht größer!)
Möglichkeit des direkten Anschlusses des Ejektors an Feldbussysteme
einfaches Kunststoffgehäuse zur Aufnahme von Steckern und benötigter Elektronik
Berücksichtigung der Blockbildung aus Einzelejektoren
Kostenvorteil gegenüber der bisherigen Anschlußart.
gemeinsame Kontaktierung von Magnetventilen und Vakuumschalter
nur ein gemeinsames Anschlußkabel
Bauform und Baugröße an den Ejektor angepaßt (nicht größer!)
Möglichkeit des direkten Anschlusses des Ejektors an Feldbussysteme
einfaches Kunststoffgehäuse zur Aufnahme von Steckern und benötigter Elektronik
Berücksichtigung der Blockbildung aus Einzelejektoren
Kostenvorteil gegenüber der bisherigen Anschlußart.
In einer Konzeptionsphase sind grundsätzliche Möglichkeiten zur Erreichung
des geforderten Ziels entwickelt und anschließend bewertet worden. Die
ersten Entwürfe haben die geeignetsten Vorschläge aufgenommen und
verfeinert, so daß durch eine systematische Vorgehensweise ein Konzept
vorgestellt werden kann das alle geforderten Ziele erfüllt.
Aus der Vielzahl von unterschiedlichen Bussystemen müssen ein oder mehrere
Bussysteme ausgewählt werden, die zum Einsatz für Ejektoren geeignet sind.
Dazu werden vor allem die Bussysteme der Feldebene näher betrachtet, die
sich in der industriellen Praxis durchgesetzt haben und eine breite
Anwendung im Bereich der Sensoren und Aktoren finden. Ziel der folgenden
Analyse ist eine Gegenüberstellung der einzelnen Bussysteme und eine
Bewertung im Hinblick auf die Möglichkeit, Ejektoren an das jeweilige
Bussystem anzubinden. Neben den technischen Vor- und Nachteilen der
einzelnen Bussysteme und deren Eignung im Hinblick auf Funktionalität einer
Anbindung von Ejektoren soll auch die tatsächliche Realisierbarkeit
untersucht werden. Das heißt, es muß überprüft werden, ob ein theoretisch
geeignetes Bussystem auch tatsächlich in beziehungsweise an einen Ejektor
integriert werden kann. Zudem muß auch eine Kostenbetrachtung gemacht
werden, die in Gegenüberstellung zu den Vor- und Nachteilen eine
wirtschaftliche Bewertung zuläßt. Besonders wichtig ist hier die
Aufsplittung in verschiedene Ejektor-Gruppen, das heißt Einzelejektor oder
Ejektorblock, da die verschiedenen Bussysteme in bestimmten Kombinationen
Vor- und Nachteile aufweisen. Auch die Kostenbetrachtung ist stark von der
jeweiligen Ejektor-Gruppe abhängig.
Näher betrachtet und unten aufgeführt sind die Feldbussysteme
INTERBUS-S
INTERBUS-Loop
PROFIBUS DP
CAN (und Derivate)
AS-Interface,
die nachfolgend beschrieben werden.
INTERBUS-Loop
PROFIBUS DP
CAN (und Derivate)
AS-Interface,
die nachfolgend beschrieben werden.
Das INTERBUS-Sytem wurde 1987 als Standard Sensor-/Aktorbus am Markt
eingeführt. Es wurde speziell für den Einsatz in der industriellen
Senorik/Aktorik entwickelt mit dem gleichzeitigen Ziel einer durchgängigen
Vernetzung aller Ebenen. Das heißt, mit INTERBUS können alle Komponenten
einer komplexen Anlage miteinander verbunden werden, vom einfachen
Endschalter über dezentrale Steuerungen bis hin zum Leitrechner der
Gesamtanlage. Die gesamte Vernetzung erfolgt mit dem gleichen Kabel und
einem durchgängigen Übertragungsprotokoll. Für einzelne Sensoren und
Aktoren mit geringem Datendurchsatz bietet sich INTERBUS-Loop zur
Verbindung der Einzelgeräte an. Dies erlaubt eine einfache Erweiterung des
INTERBUS-Systems nach unten hin unter Berücksichtigung 100%iger Protokoll-
Kompatibilität.
Mittlerweile werden von mehr als 700 Herstellern Geräte mit INTERBUS-
Schnittstelle angeboten. Bis 1997 wurden mehr als 1,7 Millionen Feldgeräte
weltweit mit INTERBUS vernetzt. INTERBUS ist damit der weltweit
verbreitetste Feldbus-Standard.
PROFIBUS ist in der Feldbusnorm EN 50 170 standardisiert und gehört zu den
führenden offenen Feldbussystemen. PROFIBUS wird in der Fertigungs
prozeß- und Gebäudeautomatisierung eingesetzt. In über 100.000 Aplikationen
sind ca. 2 Millionen PROFIBUS-Geräte zum Einsatz gekommen. Am Markt sind
über 1000 Produkte zur Integration in PROFIBUS-Netze erhältlich, von denen
ein Großteil zertifizierte Produkte sind. PROFIBUS unterscheidet drei
Varianten, die untereinander aber kompatibel sind. PROFIBUS-DP ist für den
Einsatz in Automatisierungssystemen mit dezentraler Peripherie ausgelegt
und ist besonders für zeitkritische Anwendungen geeignet. PROFIBUS-PA ist
speziell für die Verfahrenstechnik entwickelt, wohingegen PROFIBUS-FMS eine
universelle Lösung für Kommunikationsaufgaben in der Zellebene darstellt.
Die weiteren Betrachtungen beziehen sich nur auf PROFIBUS-DP!
Entwickelt wurde CAN ursprünglich für die störsichere Vernetzung in
Kraftfahrzeugen. Heute findet CAN aber auch in industriellen Bereichen
breite Anwendung insbesondere auf Grund der hohen Übertragungsrate über
kurze Entfernungen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Bussystemen, bei
denen jeder Teilnehmer eine feste Adresse hat, verwendet CAN die sogenannte
objektorientierte Adressierung. Das heißt, Nachrichten selbst werden mit
einem bestimmten Namen versehen, der dann auf dem Bus abgefragt werden
kann. Bis 1997 wurden bereits mehr als 20 Millionen CAN-Knoten weltweit
installiert und die Zahl nimmt ständig zu.
Neben Standard-CAN gibt es noch auf CAN basierende, höhere
Protokollschichten. CANopen ist zum Einsatz in komplexen Fertigungsanlagen
konzipiert worden und ermöglicht neben dem Datenaustausch in der Leitebene
auch die Integration von Aktoren und Sensoren über ein Netzwerk. CAN
Kingdom ist haupsächlich für Maschinensteuerungen entwickelt, wohingegen
DeviceNet als low-cost-Verbindungsnetzwerk für Geräte wie Endschalter,
Durchflußmesser oder Motorschalter vorgesehen ist. Daneben gibt es noch die
beiden Protokollschichten CAN Application Layer (CAL) und Smart Distributet
System (SDS). Die folgenden Angaben beziehen sich auf standard CAN.
AS-Interface wurde 1990 konzipiert, um einen Ersatz für den üblichen
Kabelbaum zu schaffen. Heute gibt es eine Vielzahl von Produkten, die die
erfolgreiche Einführung von AS-Interface belegen. Ziel bei der Konzeption
dieses neuen Systems war eine einfache Vernetzung einfacher binärer Aktoren
und Sensoren mit nur einem Kabel, über das sowohl Energie als auch Daten
transportiert werden können. Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von
intelligenten Aktoren und Sensoren, die über AS-Interface miteinander
verbunden werden können. Auch analoge Geräte können mit in das AS-
Interface-Netz eingebunden werden. Zur Anbindung herkömmlicher Aktoren und
Sensoren in das AS-Interface-Netz stehen Module zur Verfügung. Mehr als 60
Herstellerfirmen bieten AS-Interface-fähige Produkte an. Die Tabelle 1
zeigt eine Übersicht der untersuchten Bussysteme.
Eine ausführliche Übersichtstabelle mit den wichtigsten technischen Daten
der aufgeführten Bussysteme befindet sich in Tabelle 4.
Die verschiedenen Bussysteme, die hier untersucht werden, sind vor allem in
ihrer Art der Datenübertragung und der Netzwerktopologie teilweise sehr
unterschiedlich. Aber auch im Bezug auf Installation und Diagnosemöglich
keiten unterscheiden sich die einzelnen Bussysteme teilweise deutlich. Ein
direkter Vergleich ist daher nicht möglich. Eine genauere Bewertung kann
erst vorgenommen werden, wenn die genaue Anwendung feststeht und die
einzelnen Eigenschaften direkt miteinander verglichen werden können.
Im Folgenden sollen nur einige grundsätzliche Vor- und Nachteile kurz aufgeführt werden, die für die Bussysteme charakteristisch sind. Die Auflistung ist in keiner Weise vollständig und soll keine Wertung der Bussysteme darstellen. Es wird hier auch nicht auf den speziellen Einsatz für Ejektoren eingegangen.
Im Folgenden sollen nur einige grundsätzliche Vor- und Nachteile kurz aufgeführt werden, die für die Bussysteme charakteristisch sind. Die Auflistung ist in keiner Weise vollständig und soll keine Wertung der Bussysteme darstellen. Es wird hier auch nicht auf den speziellen Einsatz für Ejektoren eingegangen.
Vorteile:
einheitliches Übertragungsprotokoll
schnelle, einfache Projektierung
einfache Installation
kostensparende Wartung und Inbetriebnahme
weniger Schulungsaufwand
internationale Akzeptanz
keine Adressierung der Busteilnehmer
schnelle, einfache Projektierung
einfache Installation
kostensparende Wartung und Inbetriebnahme
weniger Schulungsaufwand
internationale Akzeptanz
keine Adressierung der Busteilnehmer
Nachteile:
teure Steckverbindungen
geschirmte Leitungen
mindestens fünfadrige Kabel und Steckverbinder
benötigt Busabschlußwiderstände
geschirmte Leitungen
mindestens fünfadrige Kabel und Steckverbinder
benötigt Busabschlußwiderstände
Vorteile:
Adressvergabe über den Bus
große Anzahl anzuschließender E/A's
zweiadriges Buskabel
umfangreiche Diagnosefunktionen
große Anzahl anzuschließender E/A's
zweiadriges Buskabel
umfangreiche Diagnosefunktionen
Nachteile:
zusätzliche Energieversorgung der Slaves nötig
Programmierung der Slaves erforderlich
kein durchgängiges System von der Feldebene bis zur Leitebene
benötigt aktive Busabschlußwiderstände
Programmierung der Slaves erforderlich
kein durchgängiges System von der Feldebene bis zur Leitebene
benötigt aktive Busabschlußwiderstände
Vorteile:
kompatibel zu höheren Netzwerken
hohe Nutzdatenrate
schnelle Datenübertragung
kann sehr viele Busteilnehmer verwalten
hohe Nutzdatenrate
schnelle Datenübertragung
kann sehr viele Busteilnehmer verwalten
Nachteile:
komplexes System; erfordert meist einen Mikrocontroller
viele verschiedene Protokollvarianten
Programmierung der Busteilnehmer nötig
nicht speziell für die Feldebene konzipiert
viele verschiedene Protokollvarianten
Programmierung der Busteilnehmer nötig
nicht speziell für die Feldebene konzipiert
Vorteile:
einfache Planung (nur noch ein Kabel)
Hardware Einsparung (Kabel, Stecker, E/A-Karten)
Reduzierte Installationskosten (Durchdringungstechnik)
einfache Inbetriebnahme (integrierte Diagnostik, keine Verbindungsfehler)
einfache Wartung (problemloser Geräteaustausch)
einfacher Anlagenumbau
Hardware Einsparung (Kabel, Stecker, E/A-Karten)
Reduzierte Installationskosten (Durchdringungstechnik)
einfache Inbetriebnahme (integrierte Diagnostik, keine Verbindungsfehler)
einfache Wartung (problemloser Geräteaustausch)
einfacher Anlagenumbau
Nachteile:
nur begrenzte Anzahl von Aktoren und Sensoren pro Netz anzuschließen
nur in der untersten Feldebene geeignet
keine Kommunikation der Slaves untereinander möglich
nur in der untersten Feldebene geeignet
keine Kommunikation der Slaves untereinander möglich
Über Marktanteile der einzelnen Bussysteme am Gesamtmarkt läßt sich keine
genaue Aussage treffen. Zum einen lassen sich die einzelnen Bussysteme
nicht alle einer bestimmten Kategorie zuordnen, innerhalb der ein
eindeutiger Vergleich vorgenommen werden könnte. Die hier untersuchten
Bussysteme finden zwar alle Einsatz im Feldbereich industrieller Anlagen,
die meisten Bussysteme werden aber zusätzlich auch in höheren Ebenen der
Vernetzung bis hin zur Kommunikation auf der Leitebene eingesetzt. Ein
zweiter Punkt, der eine Gegenüberstellung der Marktanteile
unterschiedlicher Bussysteme nicht zuläßt, ergibt sich aus der Tatsache,
daß die Bussysteme von unterschiedlichen Firmen verschieden stark
unterstützt werden. Marktanalysen von Firmen, die Bussysteme oder
Komponenten zum Aufbau eines Bussystems vertreiben, sind in den meisten
Fällen nicht geeignet, um einen absoluten Vergleich zu erhalten.
Die einzige Möglichkeit eine Übersicht zu bekommen ist der Vergleich von
hergestellten, busfähigen Einzelgeräten oder am Markt angebotenen
Gerätetypen. Die im Folgenden aufgeführten Zahlen wurden von den Vereinen
der jeweiligen Bussysteme veröffentlicht. Besonders beim CAN-Bus ist aber
zu beachten, daß nur ein kleiner Teil der CAN-Slaves im industriellen
Feldbereich eingesetzt ist. Der größte Teil ist in Kraftfahrzeugen aller
Art und sonstigen Verkehrsmitteln eingesetzt. INTERBUS-Loop, als
Untersystem des INTERBUS wird nicht berücksichtigt, da ein Vergleich
aufgrund der neuen Markteinführung nicht sinnvoll erscheint, Tabelle 2.
Im Vergleich dazu soll noch das Ergebnis einer vom amerikanischen
Marktforschungsunternehmen ARC durchgeführten Marktstudie zum Thema
Feldbusse dargestellt werden. Veröffentlicht wurde diese Studie in der
Zeitschrift Elektronik 7/1997 im Franzis Verlag. Über die Anteile von AS-
Interface sind keine Angaben gemacht worden. (Die Werte sind nur ungefähr
übernommen, verschiedene CAN-Protokolle sind unter dem Begriff CAN
zusammengefaßt), was in Fig. 11 dargestellt ist.
Die erarbeiteten technischen Eigenschaften der verschiedenen Bussysteme
werden im Folgenden auf die Anwendbarkeit für Ejektoren untersucht. Es wird
somit eine Übersicht geschaffen, die aufzeigt, welches Bussystem überhaupt
für die Anbindung von Ejektoren geeignet ist. Hier wird nur überprüft, ob
die Anzahl von Ein- und Ausgängen, die ein entsprechendes Busankoppelmodul
zur Verfügung stellt, für die unterschiedlichen Ejektorkombinationen
ausreicht. Nicht benutzte Ein- und Ausgänge der Busankoppelmodule werden
hier nicht gewertet, weder im Hinblick auf optimierte Baugröße noch in
wirtschaftlicher Sicht.
Für Einzelejektoren ist der Einsatz aller Bussysteme denkbar, da maximal
zwei Eingänge und zwei Ausgänge pro Ejektor benötigt werden. Dies ist
allerdings auch die maximale Anzahl von Ein- und Ausgängen die das
Bussystem INTERBUS-Loop zur Verfügung stellt. Das heißt, für Anwendungen
mit mehreren Ejektoren ist die Verwendung von INTERBUS-Loop nicht mehr
möglich. AS-Interface kann bis zu vier Eingänge und 4 Ausgänge verwalten
und ist somit für Anwendungen mit mehr als zwei Ejektoren nur eingeschränkt
verwendbar. INTERBUS, PROFIBUS und CAN-Bus können aufgrund ihrer großen
Anzahl von Ein- und Ausgängen in allen Anwendungen eingesetzt werden.
Eine detaillierte Auflistung der Einsatzmöglichkeiten der verschiedenen
Bussysteme ist in Tabelle 11 wiedergegeben.
Von der Vielzahl an theoretisch möglichen Ejektorkombinationen an
verschiedenen Bussystemen ist aber tatsächlich nicht jede Kombination auch
technisch realisierbar. Besondere Schwierigkeiten treten bei der Forderung
auf, die gesamte Elektronik in beziehungsweise an den Ejektor zu
integrieren. Die erforderliche Elektronik für die unterschiedlichen
Bussysteme variiert zum einen zwischen den einzelnen Bussystemen selbst
und sie ist teilweise noch von der gewünschten Anzahl zu steuernder
Ejektoren und Vakuumschalter abhängig. Zur Ansteuerung der Magnetventile
können unter Umständen noch Treiberschaltungen nötig sein, die die Baugröße
der Gesamtelektronik erhöhen und außerdem eine zusätzliche
Energieversorgung der busfähigen Ejektoren verlangen.
Die Integration der gesamten Elektronik, die zur Busanbindung eines
beziehungsweise mehrere Ejektoren benötigt wird, ist für einen Ejektor nur
bei den beiden Bussystemen INTERBUS-Loop und AS-Interface möglich. Werden
mehrere Ejektoren als Ejektorblock an ein Bussystem angeschlossen, steht
mehr Platz für die Elektronik zur Verfügung, so daß theoretisch alle
Bussysteme zum Einsatz kommen können.
In Tabelle 22 sind die einzelnen Ejektorkombinationen aufgeführt und
entsprechend der Realisierbarkeit bewertet.
Im Abschnitt Rentabilität soll untersucht werden, in wie weit sich die
verschiedenen Bussysteme im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit zum Einsatz
in Ejektoren beziehungsweise Ejektorblöcken eignen. Nicht alle theoretisch
möglichen Kombinationen sind auch wirtschaftlich sinnvoll. Beim Einsatz
eines Slave-IC mit einer minimalen Portanzahl von 32 ist es nicht sinnvoll,
nur einen Ejektor damit zu betreiben. Über 85% der Nutzkapazität des Slave-
Chips würden hierbei verschenkt. Auch für den Preis bleibt dies nicht ohne
Auswirkung, da die Kosten für die Platinenentwicklung und Herstellung mit
zunehmenden Anschlüssen steigen. Die Chip-Kosten selbst spielen hierbei
eine untergeordnete Rolle. Mit zunehmender Anzahl der anzuschließenden Ein-
und Ausgänge steigt auch die Baugröße der Elektronik, was insbesondere bei
Einzelejektoren zu berücksichtigen ist.
Die größte Ausnutzung der vom Slave-IC zur Verfügung gestellten Ports wird
beim Einsatz von INTERBUS-Loop auf einem einzelnen Ejektor mit
Vakuumschalter erreicht. Die Kapazität von AS-Interface wird bei dieser
Kombination nur zu 50% ausgenutzt, beim Einsatz von zwei Ejektoren mit
Vakuumschalter allerdings auch zu 100%. Der Einsatz von INTERBUS, PROFIBUS
und CAN lohnt sich erst bei Ejektorblöcken mit vier oder mehr Ejektoren, da
die angebotenen Slave-ICs über mindestens 16 Eingänge und 16 Ausgänge
verfügen.
Die prozentuale Ausnutzung der Ports von verschiedenen Slave-ICs bei
unterschiedlicher Anzahl von Ejektoren ist in Tabelle 33 aufgeführt. Die
Prozentzahlen in der Tabelle ergeben sich aus dem Verhältnis der Anzahl
benötigter Portbits zur Anzahl vorhandenen Portbits. Ein Einzelejektor
benötigt zum Beispiel zwei Ausgangsports zur Ansteuerung der beiden
Magnetventile und zusätzlich zwei Eingangsports zur Auswertung des
Vakuumschalters. Bei einer zur Verfügung stehenden Anzahl von 32 Portbits
ergibt sich daraus eine Ausnutzung der Kapazität von 12,5%. Werden aber 6
Ejektoren über den gleichen Slave-Chip verwaltet, wird dieser bereits zu
75% ausgenutzt.
Bei der Erstellung der Übersicht über die verschiedenen Feldbussysteme
wurden die technischen Eigenschaften aufgeführt und gegenüber gestellt. Ein
Teilaspekt dabei war die Eignung der Bussysteme zum Einsatz für Ejektoren.
Dabei wurde die theoretische Eignung und die voraussichtliche
Realisierbarkeit untersucht, ohne genauere technische Konzepte
ausgearbeitet zu haben.
Der folgende Teil soll an diesem Punkt ansetzen und einige Möglichkeiten
der technischen Realisierung zur Anbindung von Ejektoren an ein Bussystem
aufzeigen. Der entscheidende Schritt hierzu ist die Konzeption einer
Kontaktbrücke, die die gesamte elektrische und elektronische Verbindung
zwischen Ejektor und Bussystem aufnehmen soll. Die busspezifischen
Besonderheiten werden hierbei noch nicht berücksichtigt, das heißt, es wird
nicht überprüft, ob die verschiedenen Möglichkeiten auch tatsächlich mit
allen vorgestellten Bussystemen realisierbar sind. Vielmehr soll untersucht
und aufgezeigt werden, wie eine Anbindung von Ejektoren an ein Bussystem
möglich ist und für welche Ejektorsysteme sich die einzelnen Möglichkeiten
besonders eignen. Es wird unterschieden zwischen Einzelejektoren und aus
Einzelejektoren aufgebauten Ejektorblöcken, die mit einen Busanschluß
ausgerüstet werden sollen. Eine abschließende Bewertung der einzelnen
Möglichkeiten soll die Vor- und Nachteile gegenüberstellen.
Aus Gründen der kompakten Bauform des Ejektors soll versucht werden, die
zur Busanbindung benötigte Elektronik auf dem Ejektor so anzuordnen, daß
die seitlichen Abmessungen nicht vergrößert werden. Dies ist besonders
wichtig, wenn die gleichen Ejektoren auch zu Blöcken zusammengefaßt werden.
Die gesamte Elektronik und die Kontaktstifte zur Kontaktierung der
Magnetventile werden in ein Kunststoffgehäuse, der Kontaktbrücke,
zusammengefaßt.
Neben der auf dem Ejektor integrierten Elektronik gibt es noch die
Möglichkeit, die Elektronik in einem separaten Gehäuse seitlich am Ejektor
unterzubringen. Allerdings wird dabei auch eine Kontaktbrücke benötigt, die
alle Einzelkontakte der Magnetventile und des Vakuumschalters auf einen
gemeinsamen Anschluß führt, denn sonst würden nach wie vor drei Einzelkabel
gebraucht.
Für den Anschluß von Ejektorblöcken an ein Bussystem gibt es neben den
Möglichkeiten der internen beziehungsweise externen Elektronik noch die
Überlegung, ab der Ejektorblock modular aufbaubar sein soll oder nicht. Das
heißt, bei einem modularen Ejektorblock kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt
noch ein weiterer Ejektor mit Kontaktbrücke ergänzt werden. Dagegen sieht
der starre Ejektorblock eine Verbindung aller Ejektoren mit einer
gemeinsamen Kontaktbrücke vor, die auch die Elektronik zur Busanbindung
beinhalten kann. Fig. 12 veranschaulicht die genannten Möglichkeiten.
Im Hinblick auf die Einführung einer Busanbindung für Ejektoren sollen die
vorgestellten Lösungsmöglichkeiten kurz bewertet werden. Es soll auch
berücksichtigt werden, daß unter Umständen die Ejektoren mit Schnittstellen
zu verschiedenen Bussystemen angeboten werden sollen. Deshalb wird bei der
Bewertung auch auf die Austauschbarkeit der Buselektronik geachtet.
Der Einzelejektor ist besonders für dezentrale Aufgaben geeignet, wo
tatsächlich nur ein Ejektor benötigt wird. Insbesondere zur Minimierung der
Länge von Vakuumleitungen sollten die Ejektoren dicht am Sauger plaziert
werden, um so auch die Zeit zum Evakuieren möglichst klein zu halten.
Eine Integration der Elektronik in den Ejektor ist beim Einzelejektor
besonders günstig, da zusammen mit der Elektronik eine kompakte Baugruppe
vorliegt, die einen minimalen Raum beansprucht.
Für die unterschiedlichen Bussysteme muß allerdings immer eine eigene
Kontaktbrücke angeboten werden. Bei vielen Bussystemen werden durch diese
Art der Busanbindung von nur einem Ejektor wertvolle Ressourcen nicht
ausgenutzt, da ein Ejektor maximal zwei Ein- und zwei Ausgänge benötigt.
Die Slave-Bausteine bieten meist ein Vielfaches davon an.
Bei der Verwendung von solchen busfähigen Einzelejektoren ist es auf Grund
der oben genannten Einsatzgebiete nicht sinnvoll, einen Ejektorblock
aufzubauen. In Folge dessen muß für Anwendungen, bei denen mehrere
Ejektoren am gleichen Platz benötigt werden, ein zusätzlicher, busfähiger
Ejektorblock angeboten werden.
Ein starrer Ejektorblock besteht aus maximal sechs Einzelejektoren, die
über eine gemeinsame Kontakteinheit miteinander verbunden sind. Besonders
für Anwendungen mit vielen Ejektoren an einem zentralen Platz bietet sich
diese Lösungsmöglichkeit an. Der starre Aufbau läßt eine relativ einfache
und kostengünstige Kontaktierung der Ventile zu, da keine Querverbindungen
zwischen den einzelnen Ejektoren benötigt werden. Allerdings muß für jede
Blockgröße eine eigene, der Anzahl anzuschließender Ejektoren angepaßte
Kontakteinheit entwickelt und bereitgestellt werden. Sollen alle Ejektoren
und Vakuumschalter getrennt gesteuert und abgefragt werden können, ist bei
größeren Ejektorblöcken die Elektronik aufwendiger, beim Einsatz bestimmter
Bussysteme ist eine große Anzahl von Ejektoren gar nicht mehr getrennt zu
verwalten.
Modulare Ejektorblöcke vereinen einen Teil der Vorteile von Einzelejektoren
als auch Vorteile starrer Ejektorblöcke. Durch die Möglichkeit des
modularen Aufbaus kann entweder nur ein Ejektor in dezentralen Anwendungen
zum Einsatz kommen oder eine Kombination von bis zu sechs Ejektoren, die
über einen gemeinsamen Busanschluß gesteuert werden. Späteren Erweiterungen
steht mit diesem modularen System nichts im Wege. Es bleibt aber auch hier
zu berücksichtigen, daß die Einzelejektoren mit ihren Kontaktbrücken
untereinander verbunden werden müssen, um alle Anschlüsse zentral zur
weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen zu haben.
Eine Integration der Elektronik scheint aus Gründen der kompakten Bauart
des Gesamtsystems auf jeden Fall sinnvoll. Die Außenmaße der Ejektoren
würden dadurch kaum verändert, und ein modularer Zusammenbau wäre weiterhin
auf engstem Raum möglich.
Der besondere Vorteil einer extern angebrachten Elektronik liegt aber in
der busunabhängigen Kontakteinheit. Für Einzelejektor, starren oder
modularen Ejektorblock können immer die gleichen Kontakteinheiten zur
Kontaktierung der Ventile und Vakuumschalter verwendet werden. Auch für
Anwendungen, bei denen die Ejektoren nicht an ein Bussystem angeschlossen
werden sollen, können solche Kontakteinheiten eingesetzt werden und mit
einem mehrpoligen Kabel verbunden werden.
Bisher wurden grundsätzliche Überlegungen angestellt, die Möglichkeiten des
Anschlusses von Ejektoren an Bussysteme aufzeigen und die spezielle Eignung
je nach Anwendungsfall untersucht haben. Die Konzepte haben die Verwendung
der üblicherweise eingesetzten Vakuumschalter vorausgesetzt. Das heißt, der
Vakuumschalter mit nach außen geführten Anschlüssen ist auf dem Ejektor
montiert und muß mit der Kontaktbrücke verbunden werden. Dies kann entweder
über ein Kabel geschehen, oder die Kontaktbrücke muß so ausgeführt werden,
daß die Anschlüsse des Vakuumschalters beim Einbau direkt kontaktiert
werden. Beide Möglichkeiten erfordern einen zusätzlichen Aufwand bei der
Kontaktierung und sind somit mit zusätzlichen Kosten verbunden.
Die daraus folgenden Überlegungen sehen eine komplette Integration des
Vakuumschalters in die Kontaktbrücke vor. Besondere Vorteile sind die
dadurch erreichbare, kleinere Bauform des Gesamtsystems und vor allem die
Einsparung des Gehäuses einschließlich Stecker des bisherigen
Vakuumschalters. Als Kosten des Vakuumschalters sind dann nur noch reine
Materialkosten anzusetzen anstatt der bisherigen Herstellkosten des
kompletten Vakuumschalters. Das Konzept sieht also vor, nur die Elektronik
des Vakuumschalters (Sensor, Auswerteelektronik mit Mikrocontroller und
Anzeige mit Tastatur) direkt in das Gehäuse der neu zu entwickelnden
Kontaktbrücke zu integrieren.
Allerdings kann bei einer totalen Integration des Vakuumschalters nur ein
Typ angeboten werden, das heißt, es können aufgrund der Variantenvielzahl
nicht Kontaktbrücken mit mechanischem, elektronischem und digitalem
Vakuumschalter entwickelt werden. Aufgrund der zunehmenden Digitalisierung
in allen Bereichen der Automatisierungstechnik scheint der Einsatz des
digitalen Vakuumschalters in Kontaktbrücken für Ejektoren jedoch
gerechtfertigt.
Im Folgenden sollen die beiden Möglichkeiten einer Kontaktbrücke - mit
separat angeschlossenem beziehungsweise integriertem Vakuumschalter - näher
untersucht werden und anhand erster Skizzen eine mögliche Realisierung
betrachtet werden. Auf Grund der beengten Platzverhältnisse (maximale
Baubreite der Kontaktbrücke ist 22 mm) müssen alle Aussparungen in Gehäuse
und Platine berücksichtigt werden, um eine realistische Abschätzung der
Realisierungsmöglichkeiten durchführen zu können.
Die beiden Magnetventile sind mit einer "Handhilfsbetätigung" ausgestattet,
die ein manuelles Schalten ohne Spannung erlauben. Diese
Handhilfsbetätigung muß auch bei aufgesetzter Kontaktbrücke frei zugänglich
sein, was eine Aussparung je Magnetventil in der Kontaktbrücke erfordert.
Zudem müssen zwei weitere Bohrungen für Befestigungsschrauben vorgesehen
werden. Eine fünfte Aussparung berücksichtigt die Einstellschraube für den
Abblasimpuls, die ebenfalls bei aufgesetzter Kontaktbrücke von oben frei
zugänglich sein muß.
Die einfachste Form einer Kontaktbrücke dient lediglich zur Kontaktierung
der Magnetventile. Sie führt deren Kontakte zusammen mit denen des
Vakuumschalters auf einen gemeinsamen, mehrpoligen Stecker. Der
Vakuumschalter wird über ein Kabel an die Kontaktbrücke angeschlossen, der
Kabeleingang kann entweder mit einer PG-Verschraubung ausgeführt oder mit
dem Gehäuse vergossen werden.
Die Platine ist nur mit wenigen Bauteilen bestückt, die zur
Schutzbeschaltung und für die Luftsparautomatik benötigt werden, und
zusätzlich LEDs, die den Schaltzustand der Magnetventile anzeigen.
Zum direkten Anschluß des Ejektors kann diese Kontaktbrücke noch mit einer
weiteren Platine ausgerüstet werden, die die gesamte Elektronik zur
Steuerung des Busbetriebes enthält. Das Gehäuse bleibt dasselbe, lediglich
muß der mehrpolige Stecker gegen einen buspezifischen Stecker ausgetauscht
werden (Fig. 13).
Die Integration des Vakuumschalters in die Kontaktbrücke erfordert ein
größeres Gehäuse, um die gesamte Elektronik aufnehmen zu können. Da der
Drucksensor mit dem Ejektor verbunden sein muß, sollte die Kontaktbrücke so
gebaut sein, daß die bisherige Anschlußstelle im Ejektor unverändert weiter
benutzt werden kann. Neben der einfachen Platine zur Kontaktierung der
Magnetventile wird noch mindestens eine weitere Platine benötigt, die
sämtliche Baugruppen des Vakuumschalters beinhaltet. Die Position im
Gehäuse muß so gewählt werden, daß die digitale Anzeige mit Bedientasten
von außen sichtbar ist. Als Anschluß ist in der einfachen Variante
ebenfalls ein mehrpoliger Stecker vorgesehen, in der Busvariante
entsprechend ein busspezifischer Stecker (Fig. 14).
Die gezeigten Varianten sind Möglichkeiten zur Realisierung einer
Kontaktbrücke für Einzelejektoren. Als einfachste Möglichkeit bietet sich
die erste Variante mit extern angeschlossenem Vakuumschalter an, da
insbesondere der Entwicklungsaufwand sehr gering gehalten werden kann. Die
Variante mit integriertem Vakuumschalter bietet sich aufgrund ihrer
kompakten Bauweise an; die Kontaktbrücke hat dann nur einen Stecker nach
außen.
Für welches Bussystem Einzelejektoren mit integrierter Elektronik angeboten
werden sollen, muß zum einen anhand der Marknachfrage, zum anderen anhand
der Entwicklungskosten entschieden werden. Außerdem ist der Einsatz nicht
aller Bussysteme für Einzelejektoren geeignet, da teilweise große Teile der
angebotenen Ressourcen der Protokollchips ungenutzt. Besonders geeignet für
Einzelejektoren sind die beiden Sensor-Aktor-Feldbussysteme AS-Interface
und INTERBUS-Loop.
Neben den Einzelejektoren gibt es auch die Möglichkeit, Ejektoren in Blöcke
zusammenzufassen. Die einzelnen Ejektoren werden auf eine gemeinsame
Druckluftschiene geschraubt und über einen zentralen Druckluftanschluß
versorgt. Maximal können sechs Ejektoren zu einem Ejektorblock
zusammengefaßt werden. Die Blockgröße ist somit variabel und wird nach
Kundenwunsch konfiguriert. Übliche Konfigurationen sind Ejektorblöcke mit
drei, beziehungsweise fünf Einzelejektoren pro Block.
Für die Busanbindung bedeutet dies, daß auch die Kontakteinheiten flexibel
in der Baugröße sein müssen, um allen geforderten Konfigurationen gerecht
werden zu können. Eine starre Blockbildung ist aufgrund der hohen
Variantenvielzahl und den damit verbundenen Kosten nicht zu realisieren,
obwohl dies vom mechanischen Aufbau und dem damit erhöhten Platzangebot
geeignet wäre. Anzustreben ist daher ein völlig modularer Aufbau eines
Ejektorblocks aus Einzelejektoren, unter Verwendung der Kontaktbrücken von
Einzelejektoren zur Kontaktierung der Magnetventile. Die größte
Schwierigkeit hierbei ist aber die elektrische Verbindung der
Kontaktbrücken untereinander, mit der Forderung an eine Schutzart von
mindestens IP65.
Bei der Verbindung der Einzelkontaktbrücken muß es das Ziel sein, alle
Kontakte der Ventile und Vakuumschalter auf einen gemeinsamen Anschluß
zusammenzuführen. An diesen Anschluß kann entweder ein Mehrpolkabel
angeschlossen oder ein Modul mit der entsprechenden Elektronik zur
Busanbindung angekoppelt werden (Tabelle 3).
Zur Verbindung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die im Folgenden
näher ausgeführt werden. Alle Überlegungen bezüglich der Blockbildung und
dessen Busanbindung setzt Einzelkontaktbrücken mit integriertem
Vakuumschalter voraus. Die Überlegungen betreffen somit hauptsächlich die
elektrische Verbindung der Einzelkontaktbrücken untereinander.
Die einfachste Möglichkeit zur Verbindung der Einzelkontaktbrücken ist die
Verwendung einzelner Kabel. Das heißt, die Kontakte einer jeden einzelnen
Kontaktbrücke werden mit einem eigenen Kabel auf das gemeinsame
Elektronikmodul geführt und dort entsprechend den Anforderungen verdrahtet.
Das Elektronikmodul muß allerdings so ausgeführt sein, daß die maximale
Anzahl von sechs Kabeln mit je acht Einzeladern eingeführt werden kann. Der
Einsatz einer Platine im Elektronikmodul ist hier vorzusehen, um den
mehrpoligen Stecker einfach anzuschließen und die gemeinsamen Leitungen
aller Kontaktbrücken zusammenzufassen (Versorgungsspannung). Außerdem
können noch LEDs zur Statusanzeige der Magnetventile auf dieser Platine
vorgesehen werden.
Bei dieser Art der Verbindung können die Kontaktbrücken mit 8-poligen
Steckern ohne zusätzliche Komponenten direkt verwendet werden. Allerdings
wird für jede Kontaktbrücke ein konfektioniertes Kabel mit Buchse benötigt;
das Gesamtbild des Ejektorblocks wird dadurch nicht verbessert.
Ein zweiter Ansatz ist die Verbindung der einzelnen Kontaktbrücken mit
einer sogenannten Sammelbrücke. Das heißt, entlang des Ejektorblocks wird
eine Kontaktierung geschaffen, die die einzelnen Kontaktbrücken miteinander
verbindet und alle Kontakte getrennt zu einem zentralen Anschluß führt. An
diesen zentralen Anschluß kann entweder ein Vielpolkabel direkt zur
Steuerung oder ein Busanschlußmodul angeschlossen werden.
Für diese Lösung ist allerdings für jede Größe von Ejektorblock eine eigene
Sammelbrücke notwendig, die der Anzahl zu verbindenden Einzelejektoren
angepaßt ist. Eine wirklich modulare Lösung mit nur wenig verschieden
Teilen zum Aufbau von Ejektorblöcken ist so nicht zu realisieren.
Anstatt der starren Sammelbrücke gibt es noch die Möglichkeit der
Verbindung von Einzelejektoren in einem Ejektorblock über ein flexibles
vielpoliges Flachkabel, das an jeder Kontaktbrücke eingesteckt wird und so
die einzelnen Kontakte der Ejektoren auf einen gemeinsamen Anschluß führt.
Vorteil hierbei ist die einfache Handhabung und die Unabhängigkeit von der
Ejektorgröße. Das heißt, es müssen nicht unterschiedliche Größen von
Sammelbrücken bereit gestellt werden, sondern das Flachkabel kann je nach
Anwendung beliebig zugeschnitten werden. Bei Verwendung von geschirmten
Flachkabel kann ein Gehäuse über die Querverbindung der Ejektoren
voraussichtlich ganz entfallen. Allerdings kann mit dieser einfachen
Ausführung nur eine Schutzart von < IP40 des Gesamtsystems erreicht werden.
Um die gleichen Kontaktbrücken mit Mehrpolstecker zu verwenden, wie sie
bei Einzelejektoren eingesetzt werden, sollte das Gehäuse unverändert
bleiben. Es liegt daher nahe, eine Verbindung im Ejektorblock über den
Mehrpolstecker herzustellen, nicht aber mit einer starren Brücke, wie oben
dargestellt, sondern über einzelne Aufsatzstecker mit seitlichen
Querkontakten. Damit sind die Vorteile nur einer Kontaktbrücke mit denen
der absoluten Modularität im Ejektorblock ideal kombiniert. Ob diese
theoretisch günstige Möglichkeit auch technisch sinnvoll und vor allem auch
kostengünstig zu realisieren ist, kann zum bisherigen Standpunkt nicht
sicher gesagt werden.
Eine ähnliche Lösung stellt die Verbindung der Kontaktbrücken über
seitliche Kontakte dar. Die Kontaktbrücken werden hierbei beim Zusammenbau
der Einzelejektoren zum Ejektorblock automatisch elektrisch verbunden, es
bedarf keiner weiteren Bauteile mehr. Ein weiterer großer Vorteil ist die
völlige Modularität, da ein Ejektorblock mit diesem System aus beliebig
vielen (max. 6) Einzelejektoren aufgebaut und auch zu einem späteren
Zeitpunkt erweitert werden kann.
Die Realisierung allerdings ist wesentlich schwieriger als die einer
Sammelbrücke, da die Kontakte auf sehr geringem Raum innerhalb der
Kontaktbrücke untergebracht werden müssen. Zudem muß die Verbindung einfach
zu handhaben sein und unempfindlich gegenüber mechanischen Störeinflüssen
wie Vibration ausgeführt werden. Ein solch modularer Aufbau verlangt auch,
daß die Kontaktbrücken im montierten Zustand der Ejektoren von oben
aufgesteckt und auch wieder abgenommen werden können. Das heißt, die
Kontakte dürfen nicht seitlich gesteckt werden müssen. Außerdem können
Kontaktbrücken mit solchen Querkontakten nicht direkt für Einzelejektoren
verwendet werden.
Für einen Ejektorblock mit Multipanschluß, das heißt kein Busanschluß,
müssen alle Kontakte der Einzelejektoren wieder auf einen gemeinsamen
Anschluß mit zentralem Stecker geführt werden. Dies bedeutet, daß auch hier
ein Elektronikmodul als Abschluß eines Ejektorblockes benötigt wird.
Bei einem Maximalausbau eines Ejektorblockes werden 26 Einzelkontakte
benötigt, die durch alle Kontaktbrücken geschleift werden müssen.
Theoretisch können die Kontaktbrücken am Ende eines Ejektorblockes nur mit
sechs Kontakten ausgeführt sein, alle Folgenden müssen dann jeweils vier
weitere Kontakte besitzen. Tatsächlich ist dies aber bei den geringen
Stückzahlen aus Kostengründen nicht zu realisieren.
Um die Kontaktzahl in einer Kontaktbrücke trotzdem zu reduzieren, ist die
Verwendung einer seriellen Verbindung der Kontaktbrücken untereinander
denkbar. Dies erfordert den Einsatz eines Controllers in jeder
Kontaktbrücke, der die Kommunikation der einzelnen Kontaktbrücken steuert
und überwacht. Allerdings eignet sich dieses System nur im Zusammenhang mit
einem Buskoppler, der die Signale der seriellen Übertragung zwischen den
Kontaktbrücken entsprechend dem gewünschten Busprotokoll umsetzt. Für
Ejektorblöcke, die nicht an ein Bussystem angeschlossen werden sollen,
sondern über ein Mehrpolkabel direkt mit einer Steuerung verbunden werden
sollen, eignet sich diese Ausführung nicht.
Es wurden grundsätzliche Überlegungen angestellt, wie Ejektoren an ein Bus
system angebunden werden können. Es sind auch bereits Vorschläge zu
Bauformen von Kontaktbrücken vorgestellt worden, die prinzipielle
Möglichkeiten des Aufbaus eines Ejektors mit Kontaktbrücke aufgezeigt
haben.
Während der Konzeptionsphase hat sich auch gezeigt, daß die geplante
Kontaktbrücke mit integrierter Buselektronik in gleicher Bauform auch ohne
Buselektronik für gewöhnliche Ansteuerung verwendet werden kann. Die
Vorteile der gemeinsamen Kontaktierung der beiden Magnetventile und die
Integration des Vakuumschalters können somit auch genutzt werden.
Die Entwürfe berücksichtigen zunächst auch noch die Kontaktbrücke ohne
integrierten Vakuumschalter, da eine Entscheidung, welche Kontaktbrücke
entwickelt werden soll, auch von den damit verbundenen Kosten abhängig ist.
Es werden hier beide Formen der Kontaktbrücke untersucht, das heißt mit
integriertem und extern angeschlossenem Vakuumschalter. Die Möglichkeit der
zusätzlichen Integration der Buselektronik wird ebenfalls untersucht. Mit
diesem Konzept ist es möglich, eine Busanbindung auch nachträglich noch zu
ermöglichen; die gesamte andere Elektronik ist busunabhängig und somit für
alle Ejektoren identisch. Wird keine Platine zur Busanbindung des Ejektors
benötigt, können die beiden anderen Platinen einfach mit einem
Zwischenstecker verbunden werden. Kontaktbrücken ohne Buselektronik sollen
mit einem mehrpoligen Stecker ausgerüstet sein, Kontaktbrücken mit
Buselektronik müssen einen speziellen Busstecker haben (Fig. 15).
Für die Gehäuseform gibt es aufgrund der verschiedenen Varianten 2
Ausführungen. Die beiden Varianten mit extern angeschlossenem
Vakuumschalter können mit einem kleineren Gehäuse ausgeführt werden als die
beiden Varianten mit integriertem Vakuumschalter. Die Integration einer
Buselektronik ändert an der Gehäuseform nichts (Fig. 16 und 17).
Die Einzelkontaktbrücke ohne integrierte Buselektronik - unabhängig davon
ob mit integriertem oder extern angeschlossenem Vakuumschalter - muß sechs
Kontakte nach außen führen. Neben der Versorgungsspannung für den
Vakuumschalter (24 V, 0 V) sind noch zwei Eingänge für die Magnetventile und
zwei Ausgänge des Vakuumschalters über die Brücke zu führen. Für den
Anschluß der Kontaktbrücke gibt es zwei prinzipielle Möglichkeiten: Die
erste Möglichkeit sieht einen runden Mehrpolstecker vor, der in die
Kontaktbrücke integriert ist, so daß eine kompakte Einheit entsteht. Bei
der zweiten Möglichkeit wird das Anschlußkabel mit angespritztem Stecker
direkt in das Gehäuse eingebaut und verklebt. Die Anschlüsse können dann
entweder mit einem mehrpoligen Kabel direkt zur übergeordneten Steuerung
geführt werden, oder sie werden beim Einsatz auf Ejektorblöcken auf ein
gemeinsames Busanschlußmodul geführt. Im Hinblick auf den Einsatz der
Kontaktbrücken auf Ejektorblöcken wird die Variante mit eingebautem Stecker
bevorzugt, da bei Kontaktbrücken mit eingebautem Kabel die Möglichkeit der
Blockverbindung mit einer Sammelbrücke oder Querkontakten entfällt.
Die zweite Möglichkeit verwendet einen Kabelstumpf, der fest ins Gehäuse
montiert ist und nach außen einen mehrpoligen Stecker zur Verfügung stellt.
Das Kabel wird bei der Montage auf der Platine im Innern der
Einzelkontaktbrücke angelötet und durch das Gehäuse nach außen geführt. Um
den geforderten Schutzgrad von IP65 zu erreichen, muß das Kabel mit dem
Gehäuse verlebt/vergossen werden. Der am Kabel angespritzte Stecker kann
dann zur weiteren Verdrahtung verwendet werden, der Gesamtschutzgrad der
dadurch entstandenen Verbindung muß auch IP65 aufweisen.
Betrachtet man den Einsatz der Einzelkontaktbrücken auf Ejektorblöcken,
ergeben sich wiederum andere Vor- und Nachteile der beiden oben
vorgestellten Möglichkeiten. Ein in die Einzelkontaktbrücke eingebauter
Stecker verlangt bei einem maximalen Ausbau eines Ejektorblocks von sechs
Einzelejektoren sechs Kabel mit mindestens einem Stecker. Ist das
Elektronikmodul zur Busankopplung auch mit Buchsen zum Stecken eines Kabels
ausgestattet, sind kurze konfektionierte Kabel mit beidseitig angespritzten
Steckern beziehungsweise Buchsen nötig.
Die Fig. 18 stellt diesen Sachverhalt dar und zeigt die Unterschiede der
Materialkosten im Bezug auf Kabel und Steckverbinder auf.
Bei den beiden Varianten, die einen externen Anschluß des Vakuumschalters
vorsehen, muß das Kabel des Vakuumschalters durch das Gehäuse der
Einzelkontaktbrücke geführt werden. Die Durchführung muß so gestaltet sein,
daß auch an dieser Stelle ein Schutzgrad von mindestens IP65 gewährleistet
ist. Es bietet sich an, das Kabel mit dem Gehäuse zu verkleben. Die
Verbindung des Kabels mit der Platine kann über Lötung erfolgen, um Kosten
für zusätzliche Schraub- oder Klemmkontakte zu sparen.
Bei Kontaktbrücken ohne Buselektronik müssen alle Kontakte parallel auf
einen gemeinsamen Anschlußstecker geführt werden. Wichtige Merkmale bei der
Auswahl dieses Steckverbinders sind:
Polzahl mindestens 6:
Für eine Einzelkontaktbrücke ohne Buselektronik ist ein Steckkontakt mit mindestens sechs Polen vorzusehen. Für die Versorgung des Vakuumschalters, die beiden Steuersignale der Magnetventile und die beiden Ausgänge des Vakuumschalters werden je zwei Kontakte benötigt. Das Bezugspotential für die 24-V-Versorgungsspannung des Vakuumschalters und die Magnetventile ist identisch.
Schutzart mindestens IP65:
Da die Ejektoren vielfach im Automobilbereich eingesetzt werden und somit rauhen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, sind die Anforderungen an den Schutzgrad hoch. (Eine Schutzart von IP65 bedeutet staubdicht und gegen Strahlwasser geschützt; vgl. Seite 26.)
Gehäuseeinbau:
Der verwendete Stecker muß in das Gehäuse eingebaut werden können, und auch mit dem Gehäuse so verbunden sein, daß der Schutzgrad IP65 vom Gesamtsystem gewährleistet wird. Ein Einbaustecker zur Montage von der Gehäuseinnenseite ist hier besonders geeignet, da dieser Stecker nach dem Einbau von außen mit einer Mutter befestigt werden kann. Die Ausrichtung des Steckers kann über eine im Gehäuse angespritzte Nase geschehen.
kleine Abmessungen:
Eine besondere Herausforderung stellt die Baugröße des Steckers dar, da der vorhandene Platz auf einer Einzelkontaktbrücke sehr begrenzt ist. Zudem muß der Stecker aber auch mechanisch stabil und leicht zu handhaben sein.
elektrische Verbindung:
Die Kontaktierung auf der Platine kann entweder direkt mit Kontaktstiften oder über Kabel, die auf die Platine gelötetet werden müssen, erfolgen. Eine direkte Montage mit Lötstiften kann Probleme bei der mechanischen Stabilität verursachen, da Platine und Gehäuse dann starr miteinander verbunden sind. Vibration könnte die Lötverbindung beschädigen.
marktüblich (kein Spezialstecker):
Wichtig ist der Einsatz von Steckern, die am Markt leicht zu beziehen sind.
Polzahl mindestens 6:
Für eine Einzelkontaktbrücke ohne Buselektronik ist ein Steckkontakt mit mindestens sechs Polen vorzusehen. Für die Versorgung des Vakuumschalters, die beiden Steuersignale der Magnetventile und die beiden Ausgänge des Vakuumschalters werden je zwei Kontakte benötigt. Das Bezugspotential für die 24-V-Versorgungsspannung des Vakuumschalters und die Magnetventile ist identisch.
Schutzart mindestens IP65:
Da die Ejektoren vielfach im Automobilbereich eingesetzt werden und somit rauhen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, sind die Anforderungen an den Schutzgrad hoch. (Eine Schutzart von IP65 bedeutet staubdicht und gegen Strahlwasser geschützt; vgl. Seite 26.)
Gehäuseeinbau:
Der verwendete Stecker muß in das Gehäuse eingebaut werden können, und auch mit dem Gehäuse so verbunden sein, daß der Schutzgrad IP65 vom Gesamtsystem gewährleistet wird. Ein Einbaustecker zur Montage von der Gehäuseinnenseite ist hier besonders geeignet, da dieser Stecker nach dem Einbau von außen mit einer Mutter befestigt werden kann. Die Ausrichtung des Steckers kann über eine im Gehäuse angespritzte Nase geschehen.
kleine Abmessungen:
Eine besondere Herausforderung stellt die Baugröße des Steckers dar, da der vorhandene Platz auf einer Einzelkontaktbrücke sehr begrenzt ist. Zudem muß der Stecker aber auch mechanisch stabil und leicht zu handhaben sein.
elektrische Verbindung:
Die Kontaktierung auf der Platine kann entweder direkt mit Kontaktstiften oder über Kabel, die auf die Platine gelötetet werden müssen, erfolgen. Eine direkte Montage mit Lötstiften kann Probleme bei der mechanischen Stabilität verursachen, da Platine und Gehäuse dann starr miteinander verbunden sind. Vibration könnte die Lötverbindung beschädigen.
marktüblich (kein Spezialstecker):
Wichtig ist der Einsatz von Steckern, die am Markt leicht zu beziehen sind.
Aufgrund der obigen Überlegungen hat eine ausführlich Recherche folgendes
Ergebnis erbracht:
Flanschstecker M12 × 1; 6-polig
Flanschstecker M12 × 1; 8-polig
Flanschstecker M9 × 1; 7-polig
Flanschstecker M12 × 1; 8-polig
Flanschstecker M9 × 1; 7-polig
Der Flanschstecker M12 × 1, 6-polig entspricht am besten den Anforderungen
zum Einsatz in einer Einzelkontaktbrücke, allerdings ist dieser Stecker am
Markt nicht üblich, und sollte daher nicht verwendet werden.
Der Flanschstecker M12 × 1, 8-polig ist bis auf die Polzahl mit dem 6-
poligen identisch, scheint sich aber am Markt durchzusetzen. Die
Steckverbindung weist im eingebauten Zustand Schutzgrad IP67 auf und ist
von den Abmessungen zum Einbau in eine Einzelkontaktbrücke noch geeignet.
Allerdings ist bisher kein Stecker mit Lötstiften am Markt erhältlich,
sondern nur mit angespritzten Kabelenden. Diese Ausführung, M12 × 1, 8-
polig wird mittlerweile von mehreren führenden Steckerherstellern
angeboten.
Der Flanschstecker M9 × 1,7-polig ist nicht zum Einsatz in der
Automatisierungstechnik gedacht, sondern ist ein Stecker aus der
Meßtechnik. Die geringeren Abmessungen und die Polzahl wären für den
Einsatz in einer Einzelkontaktbrücke geeignet, seine bisher übliche
Verbreitung aber spricht einem Einsatz auf Ejektoren entgegen. Dieser
Stecker wird auch nur von einem Hersteller angeboten.
Zum bisherigen Stand scheint einem Einsatz des 8-poligen M12-Steckers nicht
entgegenzustehen (Fig. 19). Die weiteren Entwürfe sehen diesen Stecker
auch vor.
Die Varianten mit integrierter Buselektronik sollen direkt an eine
Busleitung angeschlossen werden können. Das heißt, es soll ohne Adapter
mäglich sein, das Buskabel direkt anzubringen. Der Einsatz von speziellen
Steckverbindern in den Kontaktbrücken ist daher vorgesehen. Die schmale
Baubreite des Ejektors erlaubt allerdings nicht den Einsatz aller
Steckverbindungen, die am Markt üblich sind.
Die unten aufgeführten Steckverbindungen und Anschlußelemente sind speziell
für den Einsatz in AS-Interface-Netzen entwickelt worden. Sie dienen zum
direkten oder indirekten Anschluß von Busteilnehmern (Slaves) an das
Bussystem.
AS-Interface Leitungsadapter
AS-Interface Abzweigdose mit M12-Anschluß
AS-Interface Flachkabeldose
AS-Interface Koppelmodul
AS-Interface Flanschklemme
AS-Interface Abzweigdose mit M12-Anschluß
AS-Interface Flachkabeldose
AS-Interface Koppelmodul
AS-Interface Flanschklemme
Der Adapter ist zum Gehäuseeinbau ausgelegt und verfügt über ein Gewinde
mit Sicherungsmutter. Mit dem Dichtring wird im eingebauten Zustand ein
Schutzgrad von IP65 erreicht. Nach unten, ins Gehäuseinnere, werden zwei
Lötstifte oder Kabel geführt. Nach oben steht ein Anschluß zum direkten
Einklemmen der AS-Interface-Flachleitung zur Verfügung, Die minimale
Baugröße hat aber einen Außendurchmesser von 26 mm und ist somit zum Einsatz
auf einem Einzelejektor mit nur 22 mm Breite nicht geeignet.
Beim Einsatz dieser Abzweigdose ist im Gehäuse der Kontaktbrücke ein
Rundstecker M12 × 1 vorzusehen. Im Gegensatz zur normalen Ausführung ohne
Buselektronik ist hier nur ein zweipoliger Stecker nötig. Die Abzweigdose
wird auf diesen Stecker geschraubt. In die Unterseite der Abzweigdose kann
dann das AS-Interface-Flachkabel eingepresst werden. Die Baugröße der
Abzweigdose erlaubt den Einsatz auf Einzelkontaktbrücken, hat allerdings
den Nachteil, daß ein zusätzliches Bauteil zum Anschluß an das AS-
Interface-Netz benötigt wird.
Im Gehäuse des Slaves muß ein entsprechender Stecker montiert sein, der als
Aufnahme für die Flachkabeldose dient. Die Flachkabeldose stellt nach oben
auch eine Schnittstelle für das AS-Interface-Flachkabel zur Verfügung.
Aufgrund der sehr schmalen Bauform ist diese Steckverbindung für den
Einsatz auf Einzelejektoren gut geeignet, allerdings handelt es sich um ein
firmenspezifisches System und erfordert Spezialteile, die in das Gehäuse
der Kontaktbrücke mit eingegossen werden müssen.
Es handelt sich um ein vorkonfektioniertes Modul zum Anschluß einzelner AS-
Interface Slaves an das AS-Interface-Flachbandkabel. Auf der einen Seite
des Kabels ist zum von Sensoren oder Aktoren eine Rundsteckbuchse M12 × 1
angespritzt, auf der anderen Seite ist eine Verteilung von diesem Rundkabel
auf das AS-Interface-Flachkabel realisiert. Auf Grund seiner Abmessungen
von 30 × 40 mm ist der Einsatz des Koppelmoduls jedoch nur für Einzellösungen
denkbar.
Ähnlich des AS-Interface-Leitungsadapters ist die Flanschklemme aufgebaut,
allerdings mit dem großen Vorteil, daß die Bauform wesentlich kleiner ist.
Die Befestigung im Gehäuse geschieht über ein PG9-Gewinde mit einem
Außendurchmesser von 15 mm und ist somit zum Einsatz auf der geplanten
Kontaktbrücke geeignet. Der obere Teil der Flanschklemme ist speziell zur
Aufnahme des AS-Interface-Flachkabels konstruiert, das ohne Werkzeug
angeschlossen werden kann (Fig. 20).
Aus den vielen theoretischen Möglichkeiten zur Realisierung einer.
Kontaktbrücke sind durch verschiedene Auswahlverfahren nur noch wenige
übriggeblieben, die auch tatsächlich realisierbar sind. Verschiedene
Entwürfe haben gezeigt, daß auf Grund der begrenzten Baugröße der
Kontaktbrücke nicht alle Konzepte realisierbar sind. Im Folgenden wird der
Entwurf einer Kontaktbrücke mit integriertem Vakuumschalter vorgestellt,
der auch Grundlage für die Konstruktion sein wird.
Das Gehäuse wird aus Kunststoff gespritzt und sollte wegen der Platinen,
die im Gehäuseinnern eingebaut werden, aus zwei Hälften bestehen. Das
Gehäuseoberteil besitzt zwei durchgehende Kanäle, die zur manuellen
Betätigung der Magnetventile benötigt werden. Die Seitenwände der Kanäle
sind ganz geschlossen und haben keine Verbindung mit dem Gehäuseinneren.
Zur Befestigung der Einzelkontaktbrücke sind zwei weitere Öffnungen
vorgesehen, durch die die Befestigungsschrauben gesteckt werden. Diese
Bohrungen sind mit dem Gehäuseinneren offen verbunden und müssen mit
Dichtscheiben an den Schraubenköpfen versehen werden. Die größte Bohrung
ist für den Anschlußstecker vorgesehen, der mit dem Gehäuseoberteil
verschraubt werden muß. Die Position des Steckers ist aufgrund seiner Größe
festgelegt, da die anderen Bohrungen funktional bedingt festliegen und kein
anderer Platz zur Verfügung steht. Um die Einstellschraube des
Abblasimpulses frei zu halten, wird eine seitliche Aussparung in der
Kontaktbrücke vorgesehen.
Das Gehäuseunterteil führt die beiden Kanäle des Gehäuseoberteils fort und
hat im Boden ebenfalls zwei Bohrungen zur Durchführung der Befestigungs
schrauben. Gehäuseunterteil und Gehäuseoberteil müssen nach der Montage vor
Platine und Stecker dicht verklebt werden (Ultraschallschweißen).
Die Platinengröße ist, wie die Gehäusegröße, in erster Linie von den Maßen
des Ejektors abhängig. Die Maße sind noch um die Wandstärke des Gehäuses
kleiner als die Außenmaße des Gehäuses selbst.
In der Platine sind Aussparungen für die beiden Kanäle zur
Handhilfsbetätigung vorzusehen, ebenso wie die beiden Bohrungen zur
Durchführung der Befestigungsschrauben. Um diese beide Bohrungen sind drei
Schlitze in der Platine vorzusehen, durch die die Flachkontakte der
Magnetventile geführt werden.
Da die gesamte Elektronik nicht auf einer Platine untergebracht werden
kann, sind entweder mehrere, miteinander verbundenen Platinen oder eine
flexible Platine erforderlich.
Grundsätzlich muß die Elektronik mit einer Schutzbeschaltung und LEDs zur
Statusanzeige der Magnetventile ausgestattet sein. Die Variante mit
integriertem Vakuumschalter muß zudem noch die für diese Funktionen
erforderliche Elektronik beinhalten.
Bereits in der Konzeptionsphase sind erste Überlegungen zur Blockbildung
angestellt worden. Der generelle Aufbau eines Ejektorblocks aus
Einzelejektoren ist festgelegt. Die nachfolgenden Untersuchungen gehen von
einer Verbindung über je ein Kabel pro Ejektor aus.
Da die Blockbildung aus Einzelejektoren mit aufgesetzter Kontaktbrücke auch
Auswirkungen auf die einzelne Kontaktbrücke hat, darf die spätere Verwendung
im Ejektorblock bei der Entwicklung aber nicht ganz außer Acht gelassen
werden. Die Überlegungen bezüglich der Kontaktbrücke haben dies, soweit zum
derzeitigen Kenntnisstand möglich, berücksichtigt.
Die erste Stufe bei Ejektorblöcken ist die Entwicklung einer sogenannten
Multipolvariante. Das heißt, alle Kontakte der Einzelkontaktbrücken, von den
Magnetventilen und Vakuumschaltern werden einzeln nach außen zur Verfügung
gestellt. Vorteil für den Kunden ist die wesentlich einfachere Verdrahtung des
Ejektorblocks. Durch die Verwendung gemeinsamer Leitungen für die
Spannungsversorgung können zudem Leitungen eingespart werden. Bei einem
Maximalausbau eines Ejektorblocks aus sechs Einzelejektoren kann die Anzahl
der Einzeladern von bisher 48 auf 26 reduziert werden. Außerdem muß nur noch
ein Kabel vom Ejektorblock zur Steuerung geführt werden. Die Funktion und die
Art der Ansteuerung des Ejektorblocks bleiben unverändert, das heißt, jedes
Magnetventil und jeder Ausgang der Vakuumschalter muß diskret mit der
Steuerung verdrahtet werden.
Unabhängig von der Art der Verbindung der Kontaktbrücken untereinander
brauchen alle möglichen Varianten ein Modul, in dem die von den Kontaktbrücken
ankommenden Kontakte zusammengefaßt werden. Bei der einfachsten Variante
(Multipolanschluß) bedeutet dies, daß alle Leitungen der Versorgungsspannung
im Modul zusammengefaßt und auf den gemeinsamen Anschluß des zentralen
Anschlußsteckers geführt werden müssen. Die ersten Entwürfe gehen von der
einfachsten Variante der Blockbildung mit Kontaktbrücken aus, also der
Zusammenführung aller Einzelkontakte über Kabel auf das Modul. Das Gehäuse muß
so ausgelegt sein, daß maximal sechs Leitungen eingeführt werden können, eine
Platine zur Verbindung aller Kontakte gleichen Potentials, die auch
gleichzeitig mit dem Anschlußstecker bestückt ist, aufnehmen kann, und
genügend groß ist, um eben diesen Anschlußstecker mit maximal 26
Kontaktstiften zu integrieren.
Beim Entwurf des Gehäuses muß bereits hier die Variante mit Busanbindung
beachtet werden, da das Gehäuse so ausgelegt sein sollte, daß die gesamte
Elektronik zur Busanbindung integriert werden kann. Zudem müssen zusätzliche,
busspezifische Anzeigen, Schalter und Stecker berücksichtigt werden.
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten für ein Gehäuse: Zukaufgehäuse aus
Aluminium beziehungsweise Kunststoff oder Eigenentwicklung als
Kunststoffgehäuse.
Prinzipiell gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten der Verwendung von fertigen
Gehäusen, die den funktionellen Anforderungen entsprechen. Allerdings müssen
aufgrund der vielen Kabeldurchführungen und Stecker relativ große Gehäuse
gewählt werden, die dann entsprechend bearbeitet werden müssen.
Vorteilhaft bei der Eigenentwicklung eines Gehäuses für den Anschluß des
Ejektorblockes mit einem Mehrpolkabel und im späteren Ausbau an ein Bussystem
ist die Möglichkeit der optimalen Anpassung des Gehäuses an den Ejektorblock.
Insbesondere die Form kann so gestaltet werden, daß sie optisch zum
Gesamtblock paßt. Die Anschlüsse für Kabel können bei einer Eigenentwicklung
auch optimal gestaltet werden.
Die Form und Größe des Gehäuses wird sehr stark durch die Größe und Anzahl de
Anschlußstecker beeinflußt. Wie in der oben dargestellten Zeichnung
ersichtlich, werden für die Kabel der Kontaktbrücken sechs Einführungen
benötigt. Hierfür gibt es zwei prinzipielle Möglichkeiten. Die erste
Möglichkeit sieht die Verwendung von M12-Buchsen vor, die zweite Möglichkeit
den Einsatz von einfachen PG-Verschraubungen zur Durchführung der Kabel.
Aufgrund der Kosten kommt voraussichtlich nur die Variante mit PG-
Verschraubungen in Frage, obwohl die Montage und Austauschbarkeit bei der
Variante mit eingesetzten Buchsen wesentlich einfacher ist. Auf die Größe des
Gehäuses hat diese Entscheidung aber keinen Einfluß, da beide Durchführungen
von der Baugröße her sehr ähnlich sind.
Bei der Multipolvariante kommt noch der Multipolstecker hinzu, der in das
Gehäuse eingebaut werden muß. Aufgrund der maximalen Kontaktzahl von 26 bei
Ejektorblöcken ist der Einsatz eines 25-poligen D-Sub-Steckers nicht ideal, d.
nicht 100% der Einzelkontakte getrennt zur Steuerung geführt werden können.
Allerdings ist der theoretisch mögliche Maximalausbau eines Ejektorblocks aus
sechs Einzelejektoren bisher noch nicht vorgekommen. Außerdem wurden in den
bisher verkauften Ejektorblöcken nie alle Ventile einzeln angesteuert, obwohl
die Ejektoren unterschiedliche Saugkreise evakuieren, die dann aber gemeinsam
abgeblasen werden. Das heißt, die Ansteuerung der Abblasventile geschieht in
der Regel gemeinsam. Bei einer Neuentwicklung sollten jedoch keine
Einschränkungen bezüglich der Flexibilität gemacht werden, der Einsatz, des 25-
poligen D-Sub-Steckers ist daher nur als Übergangslösung zu sehen.
Besonders wichtig bei allen Steckverbindern beziehungsweise Kabeldurchführungen
ist die Einhaltung der geforderten Schutzart von mindestens IP65, deren
Erfüllung speziell bei den D-Sub-Steckverbindern nicht ohne weiteres möglich
ist.
Der zweite Schritt in der Entwicklung von Ejektorblöcken ist deren
Busanbindung. Jeder Ejektorblock soll dann, an Stelle des oben ausgeführten
Multipolsteckers, mit einem Busanschlußstecker ausgerüstet sein. Die
Verbindungsmöglichkeiten zwischen Kontaktbrücken und Elektronikmodul bleiben
die gleichen. Das Elektronikmodul, das in der Multipolvariante nur die
einzelnen Kontakte zusammengefaßt hat, wird dann mit einer entsprechenden
Buselektronik ausgestattet.
Eine Anbindung von Ejektorblöcke ist an folgende Bussysteme vorgesehen:
INTERBUS-S. PROFIBUS DP, CANopen und AS-Interface. Für Ejektorblöcke, die an einem AS-Interface-Netz betrieben werden sollen, ist jedoch kein zusätzlicher Buskoppler erforderlich, da ein solcher Ejektorblock aus AS-Interface-fähigen Kontaktbrücken aufgebaut werden kann.
INTERBUS-S. PROFIBUS DP, CANopen und AS-Interface. Für Ejektorblöcke, die an einem AS-Interface-Netz betrieben werden sollen, ist jedoch kein zusätzlicher Buskoppler erforderlich, da ein solcher Ejektorblock aus AS-Interface-fähigen Kontaktbrücken aufgebaut werden kann.
Wie bereits oben erwähnt, soll für alle Varianten - ob mit oder ohne
Busanbindung - das gleiche Gehäuse zur Unterbringung der Elektronik verwendet
werden. Das heißt, auch hier müssen zuerst alle Kabel der Kontaktbrücken
zusammengeführt werden. Sie können dann mit der entsprechenden Elektronik
ausgewertet werden, die das Busprotokoll verwaltet.
Zusätzlich muß bei Elektronikmodulen mit Buselektronik, den sogenannten
Buskopplern, eine separate Spannungsversorgung vorgesehen werden, die die
nötige Energie zur Betätigung der Magnetventile und Versorgung des
Vakuumschalters zu Verfügung stellt. Ein Großteil der Bussysteme benötigt
neben den Datenleitungen des Busprotokolls eine zusätzliche Spannungs
versorgungsleitung, da Daten und Energie getrennt geführt werden müssen.
Folglich muß für die Spannungsversorgung ein zusätzlicher Stecker im Gehäuse
vorgesehen werden, eventuell noch einige LEDs zur Anzeige bestimmter
Busfunktionen. Auch hier würde sich der Einsatz eines selbst entwickelten
Gehäuses eignen, um den buspezifischen Anforderungen auf einfache Weise
gerecht werden zu können.
Neben den oben genannten Möglichkeiten der Einführung aller Kabel der
Kontaktbrücken über Stecker oder PG-Verschraubungen brauchen Buskopppler
anstatt des Mehrpolsteckers einen beziehungsweise zwei Busanschlußstecker.
INTERBUS-S benötigt einen 9-poligen D-Sub-Stecker und eine 9-polige D-Sub-
Buchse zur Busanbindung. Zur Anbindung an ein PROFIBUS-Netz wird ebenfalls
eine 9-polige D-Sub-Buchse benötigt. CANopen spezifiziert keine speziellen
Anschlußstecker, somit ist entweder der Einsatz eines 9-poligen D-Sub-Steckers
oder eines 5-poligen M12 × 1-Rundsteckers denkbar.
Der Anschluß der Versorgungsspannung kann über beliebige, den elektrischen
Anforderungen entsprechende Stecker geschehen. Wichtige Forderung ist auch
hier die Einhaltung der Schutzart von mindestens IP65.
Die bisherigen Überlegungen sind davon ausgegangen, daß beim Anschluß eines
Ejektorblocks an ein Bussystem ein Buskoppler benötigt wird. Dieser besteht
aus einem an den Ejektorblock angebauten Gehäuse und einer darin eingebauten
Elektronik. Eine Entwicklung der benötigten Buselektronik für verschiedene
Bussysteme und eines geeigneten Gehäuses ist kurzfristig aber nicht zu
realisieren, nicht zuletzt wegen der zu geringen Stückzahlen.
Für mittelfristige Lösungen ist daher an den Einsatz zugekaufter Komponenten
zu denken. Von verschiedenen Herstellern werden Module angeboten, die zum
Anschluß von Sensoren und Aktoren gedacht sind, und die dann Schnittstellen zu
verschiedenen Bussystemen bereitstellen. Von den angebotenen Funktionen
entsprechen solche Module genau den Anforderungen, die an Buskoppler für
Ejektorblöcke gestellt werden. Die Module werden aus einzelnen Ein- und
Ausgabebaugruppen zusammengestellt und alle Kontakte auf einen Buskoppler
geführt. Buskoppler werden für die gängigsten Bussysteme angeboten und können
je nach Kundenwunsch eingesetzt oder zu einem späteren Zeitpunkt auch
ausgetauscht werden, ohne die Verdrahtung zu ändern. Allerdings sind diese
Module für den Schaltschrankeinbau gedacht und besitzen daher nur eine
Schutzart von IP20. Das bedeutet für den Einsatz in Kombination mit
Ejektorblöcken, daß diese Module in separate Gehäuse der geforderten Schutzart
integriert werden müssen (Fig. 21).
In der Konzeptionsphase sind viele Möglichkeiten für Kontaktbrücken
aufgezeigt worden, sowohl für Einzelejektoren als auch Ejektorblöcke.
Hauptsächlich aufgrund technischer Kriterien sind die Möglichkeiten
beurteilt, und die günstigsten Lösungsmöglichkeiten vorausgewählt worden.
Die weitere Ausarbeitung in der Entwurfsphase und vor allem die weitere
Selektion basiert neben den technischen Kriterien auch stark auf
wirtschaftlichen Kriterien. Die Grundlage bilden hier Vorkalkulationen, die
ihrerseits schon gewisse technische Vorgaben voraussetzen.
Grundlage der Kalkulationen sind zum einen Preise für Kaufteile, zum
anderen geschätzte Kosten für Werkzeuge und Entwicklung. Die Vorkalkulation
erhebt daher keinen Anspruch auf Richtigkeit und Vollständigkeit, das
heißt, die ausgerechneten Kosten können sich vor allem aufgrund anderer
Werkzeug- und Entwicklungskosten ändern.
In Fig. 18 sind die geschätzten Kosten für Bauteile, Entwicklung und
Werkzeuge aufgeführt und entsprechend den in der ersten Zeile genannten
Stückzahlen umgerechnet als Kosten pro Stück (mit einer angenommenen
Amortisationszeit von zwei Jahren).
Die Entwicklungskosten für die Elektronik (ohne Buselektronik) und die
Werkzeugkosten für das Gehäuse können auf die Gesamtstückzahl der
Kontaktbrücken umgelegt werden. Diese Gesamtstückzahl setzt sich aus der
Anzahl Kontaktbrücken für Einzelejektoren und der Anzahl Kontaktbrücken für
Ejektorblöcke zusammen. Ejektorblöcke können in Konfigurationen von zwei
bis sechs Einzelejektoren auftreten, der Schwerpunkt liegt bei
Ejektorblöcken aus fünf Einzelejektoren. Bei der Ermittlung der Stückzahl
an Kontaktbrücken wird daher von einer mittleren Anzahl von vier
Einzelejektoren pro Ejektorblock ausgegangen. Die angenommene Stückzahl
Ejektorblöcke von 100 bedeutet also 400 Einzelejektoren mit Kontaktbrücke.
Für die Kalkulation des extern an den Ejektorblock anzuschließenden
Elektronikmoduls sind die nebenstehend angeführten Kosten als Grundlage
genommen werden. Allerdings ist bereits aus den Stückpreisen ersichtlich,
daß eine Eigenentwicklung von Elektronik und Gehäuse bei den geringen
Stückzahlen nicht wirtschaftlich ist. Eine auf diesen Zahlen basierende
Kalkulation ist daher von vornherein nicht sinnvoll.
Können die Stückzahlen nicht wesentlich erhöht werden, zum Beispiel durch
eine Kooperation mit anderen Herstellern ähnlicher Komponenten im
Pneumatikbereich, muß, der Einsatz von zugekauften Komponenten näher
untersucht werden.
Durch die Integration des digitalen Vakuumschalters und vor allem durch die
Integration der Luftsparautomatik auf eine Elektronik kann eine hohe
Wertschöpfung erreicht werden. Die Kosten für das Gehäuse des bisher
eingesetzten Vakuumschalters entfallen. Bei der Luftsparautomatik ist die
Kostenersparnis noch wesentlich größer, da die unterschiedlichen Varianten
nicht mehr durch verschiedene Anschlußkabel realisiert werden, sondern die
Auswahl geschieht über den mehrpoligen Anschlußstecker der immer selben
Kontaktbrücke. Bisher wird die Platine der Luftsparautomatik zusammen mit
vier Kabeln verlötet und anschließend vergossen, in der Ausführung für die
geplante Kontaktbrücke werden die wenigen Bauteile mit auf die Hauptplatine
integriert; das Vergießen entfällt ganz.
Die derzeitigen Herstellkosten einer Luftsparautomatik von ungefähr 50,- DM
können mit der Integration beider Varianten auf die Bauteilekosten der
Elektronik, das sind voraussichtlich weniger als 4,- DM, reduziert werden.
Aus der Variantenvielzahl zur Realisierung einer Busanbindung von
Ejektoren, wie sie in den ersten Überlegungen und in der Konzeptionsphase
vorgestellt wurden, ist in der Entwurfsphase bereits eine gewisse Auswahl
getroffen worden. Diese Varianten sind jetzt zu Entwürfen ausgearbeitet
worden und sollen im Folgenden kurz bewertet werden.
Die ersten Entwürfe beschreiben eine Kontaktbrücke, die den externen
Anschluß eines beliebigen Vakuumschalters vorsieht. Es handelt sich hierbei
hauptsächlich um die gemeinsame Kontaktierung beider Magnetventile von
Einzelejektoren und der Zusammenführung der Kontakte auf einen zentralen
Stecker. Zwar wird die Forderung nur eines Anschlußkabels erfüllt, es wird
aber zum Anschluß des Vakuumschalters an die Kontaktbrücke noch eine kurze
Verbindungsleitung benötigt.
In der zweiten Variante sieht diese Kontaktbrücke die Integration einer
Buselektronik vor, unter deren Verwendung ein Ejektor direkt an das
entsprechende Bussystem angeschlossen werden kann.
Der zur Verfügung stehende Platz in einer solchen Kontaktbrücke ist sehr
beschränkt und die Integration der gesamten Elektronik für verschiedene
Bussysteme nicht möglich.
Zwei weitere Möglichkeiten sehen die Integration des Vakuumschalters in die
Kontaktbrücke vor. Die Kontaktierung der Ventile und Zusammenführung aller
Kontakte auf einen gemeinsamen Stecker bleibt nach wie vor Bestandteil der
Kontaktbrücke. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Varianten entfällt
hier die externe Verbindung des Vakuumschalters mit der Kontaktbrücke, da
die gesamte Elektronik des Vakuumschalters in der Kontaktbrücke enthalten
ist. Zusätzliche Kosten für Stecker und Kabel entfallen somit komplett.
Nachteil dieser Varianten ist die Beschränkung auf nur einen
Vakuumschalter, da nicht drei verschiedene Kontaktbrücken mit drei
verschiedenen, integrierten Vakuumschaltern angeboten werden können.
Die busfähige Variante sieht wiederum die Integration der kompletten
Buselektronik vor, was bei dieser Variante, aufgrund des erhöhten
Platzangebotes in der Kontaktbrücke, möglich ist (Fig. 22).
Das Gesamtkonzept sieht die Entwicklung nur einer Kontaktbrücke vor, die
sowohl für Einzelejektoren als auch für Ejektorblöcke verwendbar sein soll.
Daneben soll die Kontaktbrücke optional mit einer Buselektronik zum
Anschluß des Ejektors an AS-Interface auszustatten sein.
Für Ejektorblöcke ist die Verwendung der gleichen Kontaktbrücken geplant.
Die Kontaktbrücken sind standardmäßig mit einem digitalen Vakuumschalter
ausgestattet.
Es ergeben sich somit folgende Entwicklungsziele:
Kontaktbrücke mit integriertem Vakuumschalter ohne Busanschluß
Kontaktbrücke mit integriertem Vakuumschalter mit Busanschluß für AS- Interface
Ejektorblock mit zentralem Multipolstecker
Ejektorblock mit Busanschluß für AS-Interface (diese Kombination ergibt sich automatisch aus den Kontaktbrücken für Einzelejektoren mit Busanschluß für AS-Interface)
Ejektorblock mit Busanschluß für INTERBUS-S, PROFIBUS DP und CANopen
Kontaktbrücke mit integriertem Vakuumschalter mit Busanschluß für AS- Interface
Ejektorblock mit zentralem Multipolstecker
Ejektorblock mit Busanschluß für AS-Interface (diese Kombination ergibt sich automatisch aus den Kontaktbrücken für Einzelejektoren mit Busanschluß für AS-Interface)
Ejektorblock mit Busanschluß für INTERBUS-S, PROFIBUS DP und CANopen
Ziel ist die Verwendung nur eines Gehäuses für alle Varianten, um die
Werkzeugkosten auf eine größere Stückzahl umlegen zu können. Eventuell kann
auch für alle Varianten die gleiche Platine verwendet werden, die dann
entsprechend mit der Buselektronik bestückt wird oder nicht.
Neben Ejektoren, die direkt an ein Bussystem angeschlossen werden können,
soll es aber auch weiterhin Ejektoren geben, die parallel zu einer
übergeordneten Steuerung verdrahtet werden. Das heißt insbesondere für die
Konstruktion, daß beide Variante berücksichtigt werden müssen, und zwar so,
daß mit minimalem Aufwand ein Maximum an Flexibilität erreicht wird.
Bereits in der Konzeptions- und Entwurfsphase sind verschiedene Skizzen
entstanden, die als Grundlage für die nachfolgende Konstruktion dienen
sollen. Die Konstruktion allerdings kann nicht mehr alle angedachten
Entwürfe von Varianten berücksichtigen, sondern konzentriert sich auf eine
Lösung. Diese Lösung ist das Ergebnis der Auswahl der vorgestellten
Möglichkeiten zum Einsatz von Kontaktbrücken für Ejektoren, sowohl mit
Busanbindung als auch ohne.
Aufgrund dieses Ergebnisses wird folgender Lösungsansatz in der
konstruktiven Phase weiter verfolgt:
Für die beiden Befestigungsschrauben der Kontaktbrücke sind zwei Dome in der
Gehäusedecke vorgesehen, durch die die Schrauben gesteckt werden. Der
Schraubenkopf schließt bündig mit der Gehäuseoberkante ab und erzeugt,
zusammen mit einer Flachdichtung, einen wasserdichten Verschluß der Öffnung.
Zur manuellen Betätigung der Magnetventile sind durchgehende Stutzen
vorgesehen, die keine Öffnung zum Inneren der Kontaktbrücke haben, und somit
keine Dichtung erfordern.
Außerdem muß eine große Bohrung in der Gehäusedecke mit Durchmesser 15 mm zum
Einbau des Steckers vorgesehen werden. Der erforderliche Schutzgrad von
mindestens IP65 wird hier durch das Einlegen eines O-Ringes bei der
Steckermontage erreicht. Die genannte Bohrung ist sowohl für einen
Mehrpolstecker (M12 × 1, 8-polig) als auch einen Anschlußstecker für AS-
Interface passend, so daß keine verschiedenen Werkzeugeinsätze benötigt werden.
Bei der angestrebten Lösung mit integriertem Vakuumschalter
benötigt das Gehäuse einen Durchbruch für die Digitalanzeige, der entsprechend
der bisherigen Lösung mit externem Vakuumschalter an der Schmalseite des
Gehäuses vorgesehen ist. Zusätzlich werden Betätigungselemente der Taster zur
Einstellung des Schalters benötigt. Diese Betätigungselemente werden als
federnde Elemente ausgeführt, die direkt mit dem Gehäuse verbunden sind und
somit keine direkten Durchbrüche in der Gehäusewandung darstellen. Im Bereich
der Digitalanzeige und der Taster ist zur Abdeckung eine bedruckte Folie
vorgesehen, die in eine Vertiefung des Gehäuses geklebt wird.
Das Gehäuseunterteil, als Gegenstück zum Gehäuseoberteil konstruiert, ist
auch mit den entsprechenden Durchgangsöffnungen für die Handhilfsbetätigung
der Magnetventile ausgerüstet. Zur Durchführung der Befestigungsschrauben sind
im Unterteil ebenfalls zwei Öffnungen vorgesehen, die aber nicht wie die
Öffnungen im Oberteil vertieft und abgesetzt sind. Die Abdichtung des Gehäuses
ist zusammen mit dem Ejektor vorgesehen. Das heißt, das Gehäuse wird zusammen
mit den Flachdichtungen der Magnetventilen montiert, so daß der gesamte
Kontaktbereich der Ventile geschützt ist.
Da der Vakuumschalter mit in das Gehäuse integriert werden soll, steht der
Platz der bisher für den Vakuumschalter benötigt wurde, auf dem Ejektor zur
Verfügung. Das Gehäuseunterteil wird daher abgesetzt sein, um den gesamten,
zur Verfügung stehenden Raum auszunutzen. Im unteren Bereich dieses Absatzes
wird bei der Variante mit integriertem Vakuumschalter der Drucksensor
angebracht, der eine direkte Verbindung zum Vakuumkreislauf im Ejektor
benötigt. Die Abdichtung erfolgt hier mit einem O-Ring. Da es sich bei dem
Sensor um einen Relativdrucksensor handelt, der als Reverenz Atmosphärendruck
verlangt, ist im Gehäuse der Kontaktbrücke ein Nippel vorgesehen, der einen
Druckausgleich ermöglicht. Durch den Anschluß eines Luftschlauches der in
trockener Umgebung endet, ist die Schutzart IP65 wieder gewährleistet.
Die Verbindung des Oberteils mit dem Unterteil kann über eine Nut-Feder-
Verbindung geschehen, die beim Zusammenbau die Position fixiert und
gleichzeitig durch die überlappenden Kanten einen erhöhten Schutzgrad bietet.
Mit einem Reibschweißverfahren werden die beiden Gehäusehälften dauerhaft
verklebt.
Insbesondere aufgrund der LEDs, die den Schaltzustand der Magnetventile
anzeigen, ist ein teilweise transparentes Gehäuse vorzuziehen, das ausreichend
lichtdurchlässig ist. Geeignet ist die Verwendung von Polycarbonat (PC), das
auch mechanisch ausreichend stabil ist, und industriellen Ansprüchen gerecht
wird.
Die komplett montierte Kontaktbrücke wird durch zwei Schrauben direkt auf
die beiden Magnetventile des Ejektors geschraubt. Die Gewindebuchsen der
Magnetventile, die zum Befestigen der üblichen Ventilstecker vorgesehen
sind, können direkt verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, können Ejektoren, die über Magnetventile gesteuert
werden und mit einem Vakuumschalter ausgerüstet sind, mit einer
Luftsparautomatik ausgestattet werden. Diese Luftsparautomatik schaltet bein
Erreichen des eingestellten Vakuumniveaus die Druckluftversorgung solange
ab, bis die untere Schaltschwelle erreicht ist. Da es bei den Ejektoren zwei
verschiedene Varianten gibt, nämlich Ejektoren, die beim Anlegen der
Druckluft sofort Vakuum erzeugen (normally open, NO), und solche, die erst
beim Betätigen des Magnetventils Vakuum erzeugen (normally close, NC), gibt
es auch entsprechend zwei Arten der Luftsparautomatik (NO und NC).
Die Schaltungen verknüpfen nur über eine einfache Logik einen Ausgang des
Vakuumschalters mit den Magnetventilen. Die NO-Variante verwendet nur drei
Dioden, die NC-Variante braucht zusätzlich noch eine Inverterschaltung aus
Transistoren mit entsprechenden Widerständen. In der neu entwickelten
Kontaktbrücke werden beide Varianten auf der Platine bestückt, was zwar
einen Mehraufwand an Bauteilen bedeutet, aber den Vorteil nur einer Platine
für verschiedene Varianten hat. Die Auswahl, ob der Ejektor ohne
Luftsparautomatik, mit NC- oder NO-Luftsparautomatik betrieben werden soll,
kann nach der Montage über die Pinbelegung des Anschlußkabels gewählt
werden. Bei der Kontaktbrücke mit integrierter Buselektronik für AS-
Interface müssen die entsprechenden Ausgänge angesteuert werden.
Theoretisch könnte die Auswahl auch über den für den Vakuumschalter
benötigten Prozessor gesteuert werden, was allerdings eine Softwareänderung
voraussetzt. Da der Vakuumschalter aber komplett übernommen werden soll
(nach Möglichkeit das komplette Layout der Platine), ist eine Änderung nicht
vorgesehen (Fig. 23).
Die Pinbelegung des 8-poligen Steckers entsprechend der gewünschten
Funktion ist in der Tabelle 6 dargestellt.
Im Schaltplan ist die Pin-Nummer des Steckers auf den entsprechenden
Leitungen angegeben. Beide Ausgänge des Vakuumschalters werden nach außen,
das heißt auf den Stecker geführt, so daß auch bei Benutzung der
Luftsparautomatik die Schaltpunkte des Vakuumschalters bei Bedarf verwende
werden können. Die Magnetventile (Spulen) sind mit einem Varistor als
Überspannungsschutz zur Kompensation der induzierten Spannung beim
Abschalten der Spulen versehen. Eine LED mit Vorwiderstand dient zur
Zustandsanzeige der Magnetventile (Fig. 24).
Eine wichtige Funktion der Kontaktbrücke ist die Kontaktierung der
Magnetventile. Das heißt, die Flachkontakte, die aus den Magnetventile
herausragen, müssen durch einen Gegenkontakt gefaßt werden, der dann
Verbindung zur übrigen Elektronik herstellt. Beim Aufstecken der
Kontaktbrücke dringen die Flachkontakte der Magnetventile durch Schlitze im
Gehäuse und der Platine ein, und werden dabei automatisch kontaktiert. Die
Gegenkontakte sind auf der Platine aufgelötet. Pro Ventil werden drei
Kontakte benötigt, von denen der Massekontakt und PE-Kontakt auf der Platine
zusammengefaßt werden können.
In die Kontaktbrücke wird die Elektronik des bestehenden digitalen
Vakuumschalters der Firma Schmalz integriert. Die Konstruktion des
Kunststoffgehäuses hat dies berücksichtigt, so daß das komplette Layout der
Platine (flexible Platine, aus vier miteinander verbundenen und
gegeneinander im Raum versetzt angeordneten Platinen) übernommen werden
kann. Nur der Teil der flexiblen Platine, der bisher den Anschlußstecker
trägt, muß vergrößert werden, um die übrigen Bauteile der für die
Kontaktbrücke erforderlichen Elektronik aufnehmen zu können. Die Anzeige,
Bedienung und vorallem die Software des Vakuumschalters bleiben unverändert,
wodurch die Entwicklungskosten der Elektronik insgesamt auf ein Minimum
reduziert werden können.
Die Grundfunktionen der Kontaktbrücke zum Anschluß an AS-Interface sind
identisch mit denen einer Kontaktbrücke ohne Busanbindung. Das heißt, die
Magnetventile werden auf die selbe Weise kontaktiert, der Vakuumschalter ist
integriert und beide Varianten der Luftsparautomatik sind bestückt.
Der Protokollchip für AS-Interface verfügt über vier Datenports, die
wahlweise als Ein- oder Ausgänge konfiguriert werden können. Mit einer
zusätzlichen Schaltung (Umschalteinheit und Zwischenspeicher) können die
Ports aber während des Busbetriebes umgeschaltet werden (bidirektionaler
Betrieb), wodurch tatsächlich vier Eingänge und vier Ausgänge zur Verfügung
stehen. Dies ist für die Kontaktbrücke erforderlich, da auch beim Betrieb
des Ejektors über das Bussystem AS-Interface die Funktionsart der
Luftsparautomatik auswählbar sein soll. Konkret heißt das, daß die
bisherigen Anschlüsse der Pins 5-8 des 8-poligen Steckers als Ausgänge des
Protokollchips betrachtet werden, die Pins 3 und 4 als Eingänge. Die
Energieversorgung geschieht über die Busleitung.
Mittlerweile sind auch Protokollchips für AS-Interface in der Entwicklung,
die über acht Datenports verfügen und die Umschalteinheit im Chip
integriert haben. Allerdings sind diese IC's erst ab Mitte des Jahres 1999
verfügbar. Die abgebildeten IC's von American Microsystems (AMI) GmbH
verfügt zudem über ein integriertes EEPROM und die Möglichkeit zur Vor-Ort-
Programmierung des Slaves über eine IR-Schnittstelle. Der IC ist im SSOP28-
Gehäuse erhältlich.
Die Fig. 25 zeigt einen ASI3+ -IC von AMS und die Fig. 26 zeigt einen
A2SI-IC's von AMI.
Unter Verwendung des ersten AS-Interface-Protokollchips (AS2701 von Austria
Mikrosystems International, AMS) sieht das Blockschaltbild des AS-Inter
face-Slaves wie unten abgebildet aus. Die Anschlüsse "ASi +" und "ASi -"
werden auf den Busanschlußstecker der Kontaktbrücke geführt. Ein- und
Ausgänge werden intern mit den Magnetventilen und dem Vakuumschalter
verbunden (Fig. 27).
Die Schaltungsrealisierung verlangt zusätzlich noch einige Bauteile zur
Spannungsstabilisierung und Filterung durch Kondensatoren, was wegen der
hohen Anforderungen an die Symmetrie der Signale von besonderer Bedeutung
ist. Zur Entkopplung werden Drosseln mit einer Induktivität von wenigen mH
eingesetzt.
Durch den Einsatz des neu entwickelten AS-Interface ICs A2SI von AMI
(siehe oben) kann auf das EEPROM und die Umschalteinheit verzichtet werden,
da diese Funktionen im Chip integriert sind. Die Ein- und Ausgänge können
direkt an die Treiberschaltung angeschlossen werden. Der zusätzliche
Vorteil einer Programmierung der Slave-Adresse über eine IR-Schnittstelle
spricht ebenfalls für den Einsatz des A2SI. Ein Preisvergleich ist zum
jetzigen Zeitpunkt nicht möglich, da es noch keine Angaben über den neuen
IC gibt.
Der unten dargestellt Schaltplan zeigt den AS-Interface IC mit der
erforderlichen Beschaltung. Am Pin "LED" ist die sowohl die IR-Sendediode
zur Abfrage der programmierten Slave-Adresse als auch die Diode zur Anzeige
der Betriebsspannung angeschlossen (Fig. 28).
Auch bei dieser Schaltung werden zwei Drosseln zur Entkopplung benötigt.
Der Quarz braucht keine externen Kondensatoren, da diese bereits im IC
vorhanden sind.
Aufgrund des packagings ist dieser IC trotz der größeren Anzahl von
Anschlüssen in den Außenmaßen (10,2 mm × 5,2 mm) kleiner als der
ursprüngliche AS-Interface IC von AMS.
Die für die Kontaktbrücke benötigten Bauteile sind zum Teil schon während
der Entwurfsphase ausgewählt worden. Vom Kunststoffgehäuse, das für beide
Varianten der Kontaktbrücke identisch ist, sind Eigenteilzeichnungen
angefertigt worden. Da die Elektronik komplett außer Haus gefertigt werden
soll, gibt es über die einzelnen elektronischen Bauteile keine Auflistung.
Besonders wichtig war die Auswahl der Anschlußstecker, sowohl für die
Variante mit Mehrpolstecker als auch für die busfähige Variante der
Kontaktbrücke.
Sowohl der 8-polige- als auch der spezielle AS-Interface-Stecker sind mit
einem Einbaugewinde PG9 ausgeführt, so daß bei der Öffnung im Gehäuse keine
Unterscheidung vorgenommen werden muß.
Die Verschraubung der Stecker muß von außen möglich sein, weil die Mutter
für PG9 im Gehäuse nicht gedreht werden kann. Das hat den Vorteil, daß die
Gehäusewandungen gleichzeitig eine Verdrehsicherung für den eingebauten
Stecker darstellen. Ein weiterer, wichtiger Aspekt ist die Ausrichtung der
Stecker beim Einbau in das Gehäuse. Bei beiden Steckern kann eine
definierte Einbaurichtung gewährleistet werden. Der Mehrpolstecker ist fest
mit der im Gehäuse festliegenden Mutter verbunden und kann daher nach der
Montage seine Position nicht mehr ändern. Beim speziellen Stecker für AS-
Interface kann die Richtung auch bei der Montage festgelegt werden, so daß
das Kabel immer quer zum Ejektor geführt wird. Diese Anordnung ist
besonders beim Aufbau von Ejektorblöcken wichtig, da die Einzelejektoren
dann direkt mit dem AS-Interfacekabel verbunden werden können.
Beim Einsatz des speziellen Steckers zur Anbindung an AS-Interface wird
allerdings die Öffnung zur manuellen Betätigung der Magnetventile teilweise
verdeckt, was aber zum bisherigen Zeitpunkt nicht geändert werden kann, da
am Markt keine kleineren Stecker für AS-Interface erhältlich sind und die
Position des Steckers auf der Oberseite der Kontaktbrücke bleiben soll. Die
Bedienbarkeit der Magnetventile wird aber durch den Stecker nicht
beeinträchtigt.
Zur Befestigung der Kontaktbrücke auf den Ejektor werden zwei
Spezialschrauben benötigt, die folgende Eigenschaften aufweisen müssen:
M2,5 × 25: Die Länge von 25 mm ist erforderlich, da die Schrauben durch das gesamte Gehäuse der Kontaktbrücke gesteckt werden müssen. Schrauben nach DIN sind in diesen Abmessungen nicht erhältlich.
Flachkopf:
Um möglichst wenig Raum im Innern der Kontaktbrücke zu verschenken, wurde versucht, die Dome, durch die die Schrauben geführt und gehalten werden, so niedrig wie möglich zu halten. Aus Designgründen sollte der Schraubenkopf bündig mit der Gehäuseoberkante abschließen.
Teilgewinde:
Das Gewinde der Befestigungsschrauben darf sich nur über den unteren Teil der Schraube erstrecken; der obere Teil (Schaft) muß etwas verjüngt sein, damit die Schraube nach einmaligem Eindrehen in die Kontaktbrücke nicht wieder herausfallen kann (unverlierbare Schraube).
M2,5 × 25: Die Länge von 25 mm ist erforderlich, da die Schrauben durch das gesamte Gehäuse der Kontaktbrücke gesteckt werden müssen. Schrauben nach DIN sind in diesen Abmessungen nicht erhältlich.
Flachkopf:
Um möglichst wenig Raum im Innern der Kontaktbrücke zu verschenken, wurde versucht, die Dome, durch die die Schrauben geführt und gehalten werden, so niedrig wie möglich zu halten. Aus Designgründen sollte der Schraubenkopf bündig mit der Gehäuseoberkante abschließen.
Teilgewinde:
Das Gewinde der Befestigungsschrauben darf sich nur über den unteren Teil der Schraube erstrecken; der obere Teil (Schaft) muß etwas verjüngt sein, damit die Schraube nach einmaligem Eindrehen in die Kontaktbrücke nicht wieder herausfallen kann (unverlierbare Schraube).
Claims (6)
1. Ejektor mit wenigstens einem, insbesondere zwei
Magnetventilen und einem Vakuumschalter, wobei eine
Kontaktbrücke vorgesehen ist, die das bzw. die
Magnetventile kontaktiert und die Elektronik des
Vakuumschalters enthält.
2. Ejektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktbrücke an ein Bussystem anschließbar ist.
3. Ejektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Ejektoren zu einem Ejektorblock
zusammengefasst sind und der Ejektorblock mit einer
Kontaktbrücke versehen ist.
4. Ejektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke auf dem Ejektor
angeordnet ist.
5. Ejektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke seitlich am
Ejektor angeordnet ist.
6. Ejektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke mit einem externen
oder einem integrierten Vakuumschalter ausgestattet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999104042 DE19904042A1 (de) | 1999-02-02 | 1999-02-02 | Ejektor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999104042 DE19904042A1 (de) | 1999-02-02 | 1999-02-02 | Ejektor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19904042A1 true DE19904042A1 (de) | 2000-09-21 |
Family
ID=7896111
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999104042 Ceased DE19904042A1 (de) | 1999-02-02 | 1999-02-02 | Ejektor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19904042A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010057507A1 (de) * | 2008-11-21 | 2010-05-27 | Festo Ag & Co. Kg | Vakuumsteuereinrichtung |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3522111A1 (de) * | 1984-06-20 | 1986-01-16 | MYOTOKU Ltd., Tokio/Tokyo | Ejektorpumpe |
DE3818380A1 (de) * | 1987-05-30 | 1988-12-15 | Myotoku Kk | Unterdruckerzeugungsvorrichtung |
DE3915519C2 (de) * | 1989-05-11 | 1990-08-16 | Ernst Prof. Dr.Techn. Habil. 1000 Berlin De Slamecka | |
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DE19653714C1 (de) * | 1996-12-10 | 1997-12-11 | Mannesmann Ag | Einrichtung zur Übermittlung von Steuersignalen an Ventile |
-
1999
- 1999-02-02 DE DE1999104042 patent/DE19904042A1/de not_active Ceased
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