DE19904042A1 - Ejektor - Google Patents

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

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.

Vakuum-Pumpen

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.

Vakuum-Gebläse

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).

Ejektoren

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.

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.

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.

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-S / INTERBUS-Loop

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 DP

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!

CAN

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

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.

INTERBUS

Vorteile:

einheitliches Übertragungsprotokoll
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

PROFIBUS

Vorteile:

Adressvergabe über den Bus
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

CAN

Vorteile:

kompatibel zu höheren Netzwerken
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

AS-Interface

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

Nachteile:

nur begrenzte Anzahl von Aktoren und Sensoren pro Netz anzuschließen
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.

Eignung der Bussysteme für Ejektoren Funktionalität

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.

Realisierbarkeit

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.

Rentabilität

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.

Möglichkeit der Busanbindung von Ejektoren

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.

Beschreibung der Möglichkeiten

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.

Bewertung der 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.

Bauformen von Kontaktbrücken für Einzelejektoren Allgemeine Überlegungen

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.

Kontaktbrücke mit externem Vakuumschalter

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).

Kontaktbrücke mit integriertem Vakuumschalter

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.

Verbindung von Kontaktbrücken bei Ejektorblöcken Ejektorblöcke

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.

Kabel zur Verbindung der Kontaktbrücken

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.

Sammelbrücke zur Verbindung der Kontaktbrücken

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.

Querkontakte

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.

Serielle Verbindung

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.

Kontaktbrücken

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.

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

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 Leitungsadapter (Fa. Siemens)

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.

AS-Interface Abzweigdose mit M12-Anschluß (Fa. Hirschmann, Festo)

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.

AS-Interface Flachkabeldose (Fa. Festo)

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.

AS-Interface Koppelmodul (Fa. Hirschmann)

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.

AS-Interface Flanschklemme für Flachkabel (Fa. Binder)

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.

Ejektorblöcke Verbindung der Einzelejektoren im Ejektorblock

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.

Multipolvariante

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.

Buskoppler

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.

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).

Kalkulationen

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

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.

GEHÄUSEUNTERTEIL

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.

Komponenten einer Kontaktbrücke ohne Busanbindung LUFTSPARAUTOMATIK

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).

VENTILKONTAKTIERUNG

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.

VAKUUMSCHALTER

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.

Komponenten einer Kontaktbrücke zum Anschluß an AS-Interface

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.

BIDIREKTIONALER BETRIEB

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.

SCHALTUNGSREALISIERUNG

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).

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.