-
Die
Erfindung betrifft ein Bedienelement zur Einstellung eines Messwertaufnehmers
für die Automatisierungstechnik, insbesondere für
einen berührungslos arbeitenden Näherungsschalter
oder Grenzstandschalter und ein Verfahren zur Einstellung seines
Schaltabstandes und seiner Schaltfunktion. Vorzugsweise wird ein
kapazitiver Näherungsschalter betrachtet. Messwertaufnehmer
kann aber auch ein induktiver, magnetischer, optischer oder Ultraschall-Näherungsschalter
oder ein Füllstands-Grenzschalter sein.
-
Bei
einem großen Teil dieser Geräte wird der Schaltabstand
mit einem Potentiometer eingestellt. Die Einstellung erfolgt entweder
grob mit einem einfachen, oder relativ feinfühlig mit einem
mehrgängigen Potentiometer.
-
Durch
diese Analogeinstellung war der qualifizierte Bediener in der Lage,
eine präzise Einstellung vorzunehmen. Dem standen allerdings
die vergleichsweise hohen Kosten für ein hochwertiges Potentiometer
und die mechanische Integration des Bauelements gegenüber.
Ein weiterer Nachteil war die fehlende Skala bei Verwendung eines
mehrgängigen Potentiometers, so dass der Bediener die Potentiometerstellung
nicht erkennen konnte.
-
Im
Gegensatz hierzu waren eingängige Potentiometer, die eine
einfache Erkennung der Einstellung erlaubten, weniger verbreitet,
weil die Einstellung entweder nur grob und unpräzise vorgenommen werden
konnte oder der Dynamikbereich, in dem der Schaltabstand eingestellt
werden konnte, stark eingeschränkt war.
-
In
neuerer Zeit, insbesondere seit dem nahezu flächendeckenden
Einsatz von Mikrocontrollern, hat sich die Teach-in-Funktion weit
verbreitet; d. h. der Näherungsschalter wird vorzugsweise
durch einen Tastendruck direkt auf den aktuellen Zustand des zu
erkennenden Objekts oder den aktuellen Hintergrund, also die Einbaubedingungen,
abgeglichen. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Näherungsschalter
in einen Lernmodus versetzt werden. Dabei wird der Sensor in beliebiger
oder auch in einer bestimmten Reihenfolge mit dem zu erkennenden Objekt
und/oder mit dem zugehörigen Hintergrund konfrontiert.
-
Der
im Gerät befindliche Mikrocontroller analysiert die Messwerte,
und berechnet nach einem dort hinterlegten Algorithmus die bestmögliche
Einstellung für den Schaltpunkt und evtl. auch die Hysterese.
Nach einem erfolgreichen Einstellvorgang werden die neuen Betriebsparameter
abgespeichert, und der Näherungsschalter geht in seinen
Betriebsmodus über. Bei unzureichendem Signalabstand zwischen
Objekt und Hintergrund wird je nach Ausgestaltung die bisherige
Einstellung beibehalten oder die bestmögliche Einstellung
berechnet, bei der das Gerät noch zuverlässig
arbeiten kann. Wenn nötig kann eine Bestätigung
für den erfolgreichen Einstellvorgang und/oder eine Fehlermeldung
beispielsweise durch eine blinkende LED-Anzeige ausgegeben werden.
-
Prinzipiell
lässt sich ein Näherungsschalter mit Hilfe einer
oder mehrerer Tasten bei einem entsprechend optimiertem Abgleichalgorithmus
genauer einstellen, und mehr Betriebssicherheit erreichen als mit
der manuellen Einstellung.
-
Das
liegt daran, dass die genauen Grenzen für Objekt und/oder
Hintergrund für die Berechnung der Schaltpunkte vorhanden
sind. Eine manuelle Einstellung erfolgt immer nur auf einen Zustand.
Zusätzlich werden über Bedienelemente, z. B. Tasten,
weitere Funktionen, darunter auch eine Öffner/Schließer-Programmierung,
zur Verfügung gestellt. Eine derartige Funktion wird bei
Geräten mit Potentiometer z. B. bei Gleichspannungsgeräten
oft über die Polung der Versorgungsspannung realisiert.
Nachteilig ist, dass diese Einstellung nach der Installation nicht mehr
ohne weiteres geändert werden kann. Bei Wechselspannungsgeräten
ist diese Art der Programmierung überhaupt nicht möglich
-
In
Applikationen, in denen sich die Umgebungseinflüsse und
evtl. Verschmutzungen mit der Zeit deutlich ändern können,
zeigt die manuelle Einstellung, vorzugsweise mit einem mehrgängigen
Potentiometer, Vorteile. Eine deutliche Änderung der Umgebungseinflüsse
muss entweder vorgehalten oder nachjustiert werden können.
Bei einem Näherungsschalter mit der Teach-in-Funktion lässt
sich die vorzuhaltende Betriebssicherheit nicht individuell einstellen
und eine spätere Nachjustage ist im Vergleich zur Einstellung
mit dem Potentiometer relativ komplex und für weniger qualifizierte
Bediener problematisch.
-
Ein
weiterer Aspekt besteht darin, dass der Bedienungsablauf bei der
automatischen Einstellung eines Gerätes über eine
serielle Tasteneingabe von manchen Nutzern abgelehnt wird.
-
In
der
DE 19822744 C1 wird
ein elektronischer Näherungsschalter beschrieben, bei dem
die Einstellung der Schaltgrenzen entweder über ein Potentiometer
oder über einen Einlernvorgang möglich ist. Der
Einlernvorgang wird ausgelöst, wenn bei bestimmten Potentiometerstellungen,
z. B. in den beiden Endlagen, ein Überstromzustand am Lastausgang
simuliert wird. Die Stellung des Potentiometers dient dabei als
Auswahlkriterium für den einzustellenden Parameter. Der
im Gerät befindliche Mikrocontroller fragt sowohl die Überstrom- Überwachungseinrichtung
als auch die Potentiometerstellung ab. Selbstverständlich
werden die eingelernten bzw. eingestellten Schaltgrenzen im Mikrocontroller
gespeichert. Als Alternative wird die Überwachung des bei 4-Leiter-Nährungsschaltern
zusätzlich vorhandenen Kontrollausgangs angegeben.
-
Der Übergang
vom eingelernten zum frei einstellbaren Wert über das Potentiometer
erfolgt dadurch, dass das Potentiometer aus einer seiner Endstellungen
heraus auf einen neuen Wert eingestellt wird. Da die Einstellung
des Potentiometers während des Einlernvorgangs (Teachin)
vom Mikrocontroller gespeichert wurde, können Veränderungen
leicht erkannt und in die entsprechenden Steuerbefehle umgesetzt
werden.
-
Nachteilig
sind der zusätzlich benötigte Taster zur Realisierung
des Überstromes, sowie die doch relativ umständliche
Handhabung. Damit ein unbeabsichtigter Überstrom am Lastausgang
nicht den Lernmodus und die evtl. damit verbundene Änderung
der Empfindlichkeitseinstellung auslöst, darf ein solcher Näherungsschalter
keinesfalls in der Potentiometer-Endstellung betrieben werden.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, den widersprüchlichen Wünschen
nach einer präzisen manuellen Einstellung des Näherungsschalters
und der Erweiterung der Einstellmöglichkeiten mit einem
einfachen Bedienelement durch den qualifizierten Bediener zu entsprechen,
sowie eine Visualisierung der Einstellung zu gewährleisten.
-
Die
Einstellung soll unter Vermeidung der o. g. Nachteile, insbesondere
ohne den Eingriff in den Lastkreis oder die Versorgungsspannung,
erfolgen können.
-
Natürlich
sollen auch der Materialeinsatz und die am Gerät benötigte
Bedienoberfläche gering gehalten werden. Daraus resultiert
die Aufgabe, möglichst ohne zusätzliche Bedienelemente
auszukommen. Versehentliche Änderungen der einmal eingestellten
Parameter sollen möglichst verhindert werden.
-
Lösung der Aufgabe:
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst. Hierbei handelt es sich um eine Kombination aus
manueller und halbautomatischer Einstellung. Die manuelle Einstellung
erfolgt über ein eingängiges Bedienelement.
-
Der
Einstellbereich und/oder die Einstellgenauigkeit sowie weitere Parameter
wie eine Öffner/Schließer-Programmierung werden
mit Hilfe der in das Bedienelement integrierten Tastenfunktion eingegeben.
-
Erfindungsgemäß werden
die Randbereiche in der Nähe der Endanschläge
des Bedienelementes derart ausgebildet, dass ein Rückstellelement
eine rücktreibende Kraft erzeugt, die dem Verbleib des
beweglichen Teils des Bedienelements in diesen Bereichen entgegenwirkt.
Weiterhin wird durch eine halbautomatische Einstellung eine Lupenfunktion
geschaffen, die innerhalb der durch einen Einlernvorgang bzw. durch
eine Werksvoreinstellung gesetzten Grenzen eine präzise
Einstellung von Hand zulässt.
-
Im
Gegensatz zu den bekannten Potentiometern mit Endlagenschaltern
bzw. rastenden Potentiometern bleibt der erfindungsgemäße
Endlagenschalter nur so lange in seiner Position, wie ein Drehmoment
auf ihn einwirkt. Das rücktreibende Moment wird vorzugsweise
mechanisch durch eine Feder oder ein Elastomer erzeugt. Es können
aber auch magnetische oder elektrische Kräfte zur Anwendung kommen.
-
Die
Lage des beweglichen Teils des Bedienelements wird durch eine im
Gerät befindliche Steuereinheit anhand der elektrischen
Werte des Bedienelementes erkannt. Da das rücktreibende
Moment den unbeabsichtigten Verbleib des beweglichen Teils des Bedienelements
in den Randbereichen verhindert, kann eine versehentliche Änderung
der vorgenommenen Einstellungen praktisch ausgeschlossen werden.
Das Bedienelement muss nicht unbedingt ein Potentiometer sein. Es
kann sich auch um ein kapazitives Bauelement (Drehkondensator) oder
einen magnetischen (Hall oder GMR, bzw. AMR), einen induktiven oder
auch einen optischen Drehgeber handeln. Prinzipiell kommen alle
Arten von Positionsgebern in Frage, bei denen einen elektrische
Größe durch ein bewegliches Element in vorgegebenen Grenzen
veränderbar ist. Diese Bauelemente werden im Folgenden
als Winkelgeber bezeichnet.
-
Ausführungsbeispiel
-
Das
erfindungsgemäße Bedienelement wird beispielsweise
als Potentiometer ausgestaltet. Es soll anhand der 1 näher
erläutert werden. Die Darstellung beruht auf einem handelsüblichen
Potentiometer mit einem Drehwinkel von weniger als 360°. Es
besteht aus einer Widerstandsbahn mit den zwei Anschlüssen 7 und 8,
sowie einem Schleifer 5 mit dem Schleiferanschluss 6.
Zusätzlich sind an den Enden der Widerstandsbahn Federelemente 2 angebracht,
die der Drehung im Randbereich 3 ein Drehmoment entgegensetzen,
so dass der Schleifer 5 ohne eine äußere
Krafteinwirkung durch den Bediener aus dem Randbereich 3 der
Widerstandsbahn verdrängt wird.
-
Diese
Tastenfunktion wird durch Halten des Schleifers 5 im linken
oder rechten Anschlag 1 entgegen der Federkraft für
eine gewisse Zeit, beispielsweise zwei Sekunden, durch eine mit
dem Bedienelement verbundene Steuereinheit 10 aktiviert.
-
Beim
Loslassen wird der Schleifer 5 durch das Federelement 2 zurückgestellt
und eine in der Steuereinheit 10 hinterlegte Funktion ausgelöst.
-
In
einem berührungslos arbeitenden Näherungsschalter
kann die Einstellung mit dem erfindungsgemäßen
Bauelement in folgender Weise durchgeführt werden.
-
Zur
Aktivierung der Lernfunktion betätigt man beispielsweise
die linke Taste, indem man den Schleifer 5 für
eine gewisse Zeit im linken Anschlag 1 des Potentiometers
hält.
-
Der
Zustand des Bedienelements wird durch eine im Gerät befindliche
Steuereinheit 10 anhand seines elektrischen Wertes erfasst
und verarbeitet. Beispielsweise kann das Potentiometer mit einer Spannung
von 5 Volt beaufschlagt sein. Schleiferspannungen kleiner als 0,1
Volt und größer als 4,9 Volt werden dementsprechend
als Randpositionen des Schleifers erkannt. Die Aktivierung der Steuerfunktion
kann durch Blinken einer LED angezeigt werden.
-
Beim
Loslassen des Schleifers 5 wird eine Messung ausgelöst,
der Messwert abgespeichert und aktuelle Einstellparameter berechnet.
Gleichzeitig wird der Näherungsschalter als Schließer
programmiert.
-
Damit
geht das Gerät in seinen Betriebszustand zurück.
Der Schaltpunkt kann nun durch Bewegen des Schleifers 5 innerhalb
des Einstellbereichs 4 des Potentiometers verändert werden.
Die Position des diesem Einstellbereich zugeordnete Schaltpunktbereichs
wird durch den eingelernten Messwert bestimmt.
-
Auf
diese Weise entsteht ein Einstellfenster mit konstanter Breite,
welches mit Hilfe der Lernfunktion über den Dynamikbereich
des Gerätes verschoben wird. (Lupenfunktion mit konstanter
Vergrößerung)
-
Durch
Betätigen der rechten Taste wird ein analoger Abgleichvorgang
ausgelöst, jedoch wird der Näherungsschalter als Öffner
programmiert.
-
In
einer anderen Ausgestaltung wird das Einlernen von zwei Zuständen
dazu verwendet, die Grenzen des Einstellbereichs vorzugeben, in
denen der Schaltabstand durch eine Bewegung des Schleifers eingestellt
werden kann. Somit wird ein Einstellfenster mit veränderlicher
Breite (Lupenfunktion mit einstellbarer Vergrößerung)
realisiert.
-
Selbstverständlich
kann der Einstellvorgang auch in anderer Reihenfolge, oder in Kombination
mit anderen Parametern erfolgen.
-
Darüber
hinaus kann das Bedienelement in seiner Eigenschaft als Taste zur
Kommunikation mit der Steuereinheit und damit zur Eingabe weiterer
Betriebsparameter verwendet werden. Beispielsweise können über
unterschiedliche Haltezeiten und/oder Pausenzeiten mit derselben
Taste mehrere Funktionen ausgelöst werden
-
- 1
- Anschlag
des Schleifers
- 2
- Federelement
- 3
- Randbereich
der Widerstandsbahn
- 4
- Einstellbereich
der Widerstandsbahn
- 5
- Schleifer
- 6
- Schleiferanschluss
- 7
- erster
Anschluss der Widerstandsbahn
- 8
- zweiter
Anschluss der Widerstandsbahn
- 9
- kapazitiver
Messwertaufnehmer
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Anzeige
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-