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PROGRAMMIERBARE PNEUMATISCHE STEUERUNG
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Zur Lösung von Steuerungsaufgaben werden zunehmend Steuerungen eingesetzt,
bei denen Programmänderungen möglich sind. Diese programmierbaren Steuerungen haben
Vorteile, die sich besonders bei der Projektierung, dem Schaltungsaufbau und der
Inbetriebnahme der Steuerungen zeigen. Die Erfindung betrifft eine solche programmierbare
pneumatische Steuerung.
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Vergleichbare elektronische, durch Ausbrennen von Brücken zu programmierende
"Logik-Anordnungen" sind z.B. in den Firmen-.
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schriften FPLA, "Eine frei programmierbare Logik-Anordnung, Valvo-Brief,
Valvo, Hamburg, 25. Okt. 1976 und "PAL-programmable array logik, Handbook, Monolythic
Memories GmbH, München, beschrieben und werden als "PROM", "FPLA" oder "PAL"-Bausteine
bezeichnet. Bei diesen Bausteinen handelt es sich um einzelne integrierte Schaltkreise,
nicht aber, wie bei der Erfindung, um eine Schaltung aus einer AND-Matrix und OR/NOR-Elementen.
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Auf dem Gebiet der Fluid-Technik ist in der DE-PS 1 904 086 eine programmierbare
pneumatische Steuerung beschrieben; sie ist jedoch aufwendig, insbesondere wenn
eingangsseitig und/oder ausgangsseitig Erweiterungen möglich sein sollen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine programmierbare pneumatische Steuerung
mit einer Matrix aufzuzeigen, die in waagrechten Zeilen und in senkrechten Spalten
angeordnete Schaltelemente enthält und die in neuartiger Weise vielfältige Schaltungen
mit einfachen Mitteln zuläßt.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst, während Anspruch 2 die gegenständliche Ausführung
der
programmierbaren Schaltung und Anspruch 3 - 7 weitere besonders zweckmäßige Maßnahmen
betreffen.
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Die erfindungsgemäße programmierbare Steuerung besteht im wesentlichen
aus einer Verknüpfungsmatrix, bei der in jeder Zeile die programmierbare AND-Verknüpfung
ausführbar ist und aus die OR/NOR-Funktion erfüllenden Schaltelementen; sie ist
teilweise verbindungsprogrammierbar und teilweise speicherprogrammierbar. In der
erfindungsgemäßen Schaltung erfüllt die Verknüpfungsmatrix nicht nur - wie z.B.
bei Kreuzkanalverteilern -Zuordnungsfunktionen; vielmehr werden die in der Verknüpfungsmatrix
enthaltenen programmierbaren Schaltungen selbst als Funktionsglieder verwendet.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung erläutert: Es zeigen
- Fig. 1 und 2 mögliche programmierbare pneumatische AND-Schaltungen, die aus 2/2-
bzw. 3/2-Wegeventilen aufgebaut sind.
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- Fig. 3a u. 3b zwei verschiedene Ausführungen der Wegeventile.
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- Fig. 3c das vereinfachte Schaltzeichen für programmierbare AND-Schaltungen.
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- Fig. 4 eine aus programmierbaren AND-Schaltungen bestehende Anordnung.
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- Fig. 5 eine programmierbare Schaltung, die aus einer AND-Matrix
und OR/NOR-Elementen besteht.
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- Fig. 6 eine einfache Speicherschaltung.
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- Fig. 7 den Schaltplan eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen
Steuerung.
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Programmierbare AND-Schaltungen können fluidtechnish auf unterschiedliche
Arten realisiert werden. In den Fig. 1 und 2 werden als Beispiel programmierbare
pneumatische AND-Schaltungen vorgestellt, die aus jeweils n 2/2- bzw. 3/2-Wegeventilen
aufgebaut sind. Die Darstellung erfolgt mit den zur Beschreibung pneumatischer Schaltungen
üblichen Schaltzeichen nach DIN 24300 Blatt 4 (Entwurf).
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Die Wegeventile der programmierbaren Schaltungen können sowohl mechanisch
als auch strömungsmechanisch betätigt werden. Sie besitzen 2 Schaltstellungen a
und b. In unbetätigtem Zustand nimmt jedes Ventil die Schaltstellung a aufgrund
der Wirkung einer Feder ein. Die einzelnen Ventile der programmierbaren AND-Schaltungen
können in der Schalt stellung b mechanisch arretiert werden. Ist ein Ventil arretiert,
so entspricht dies der Vorgabe des zugeordneten Auswahlsignals x' dessen Wert im
H-Bereich liegt.
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Jedes der n 2/2-Wegeventile, aus denen die in Fig. 1 vorgestellte
Schaltung besteht, ist über eine Leitung mit einer Fluidquelle und dem Ausgang z
verbunden. Befinden sich die Ventile in der Schaltstellung a, so münden die Leitungen
über die Ventile in die Umgebung. Der Strömungswiderstand des Ausgangs z ist gegenüber
dem der Leitungen und der in der Schaltstellung a befindlichen Ventile groß. Dementsprechend
unterscheidet sich der am Ausgang z meßbare Druck nur geringfügig vom Umgebungsdruck
und der Wert des Ausgangssignals z liegt im L-Bereich. Befinden sich alle Ventile
in der Schalt stellung b - wozu bei allen Ventilen der Wert des Eingangssignals
xi im H-Bereich liegen oder der Schaltkörper des Ventils in der Schaltstellung b
arretiert sein muß - so kann das aus der Quelle strömende Fluid nicht mehr in die
Umgebung gelangen. Hierdurch baut sich am Ausgang z ein wesentlich über dem Umgebungsdruck
liegender Druck auf und der Wert des Ausgangssignals z liegt im H-Bereich.
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Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung besteht aus n 3/2-Wegeventilen, die
über eine Leitung miteinander verbunden sind. Das eine Ende der Leitung ist an eine
Fluidquelle angeschlossen und das andere Ende stellt den Ausgang z dar. Befindet
sich mindestens eines der Ventile in der Schaltstellung a, so entspricht der Druck
am Ausgang z dem Umgebungsdruck. Der Wert des Ausgangssignals z liegt im L-Bereich.
Sind alle Ventile in der Schaltstellung b, so ist der Ausgang z mit der Fluidquelle
verbunden - der Wert des Ausgangssignals z liegt im H-Bereich.
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Bei den in den Fig. 1 und 2 vorgestellten Schaltungen entspricht die
Freigabe des beweglichen Teils des Schaltelements einem Auswahlsignal X'i, dessen
Wert bei AND-Schaltungen im L-Bereich liegt. Eine Möglichkeit zur manuellen Vorgabe
der im H-Bereich liegenden Werte von Auswahlsignalen xti wird in den Fig. 1,2 u.7
durch das Betätigungssymbol - mechanische Raste - aufgezeigt.
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In den Fig. 3a und 3b werden schematisch 2 gerätetechnische Ausführungen
der programmierbaren AND-Schaltung vorgestellt.
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Bis auf die Art der Programmierung entsprechen diese den aus Wegeventilen
aufgebauten Schaltungen nach den Fig. 1 und 2.
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Die in Fig. 3a gezeigte Ausführung der programmierbaren AND-Schaltung
besteht aus Schieberventilen, bei denen zur Programmierung die Werte der Auswahlsignale
xti über Stössel eingegeben werden können. Ein niedergedrückter Stössel entspricht
einem Auswahlsignal x' dessen Wert im H-Bereich liegt. Durch ein Loch in der Platte
wird die Arretierung des Schiebers in der Schaltstellung b aufgehoben. Ein Loch
in der Platte entspricht also dem im L-Bereich liegenden Wert eines Auwahlsignals
x i.
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Bei der in Fig. 1 vorgestellten programmierbaren AND-Schaltung kann
über jedes 2/2-Wegeventil das aus einer Fluidquelle in die
Verbindungsleitung
der Ventile strömende Fluid in die Umgebung ausfließen. Liegt der Wert eines Auswahlsignals
xti im H-Bereich, so nimmt das Ventil i die Schaltstellung b ein. Die Verbindung
zwischen der Fluidquelle und der Umgebung über das Ventil i ist gesperrt. Diese
Unterbrechung kann auch durch Verschließen des Ventilanschlusses, über den das Fluid
in die Umgebung ausfließt, bewirkt werden. Der verschlossene Ventilanschluß entspricht
der Vorgabe des H-Pegels des Auswahlsignals xti. Diese Art der Vorgabe von Auswahlsignalen
xl. liegt der 1 1 in Fig. 3b gezeigten Ausführung der programmierbaren AND-Schaltung
zugrunde, die aus Membranelementen, entsprechend der DE-PS 25 23 951, besteht.
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Das Verschließen der Eingänge x'i erfolgt durch elastische Plättchen
(Dichtelemente 10), die von einer Platte 11 auf die Eingänge x'i gepresst werden.
Wird angenommen, daß zunächst alle Eingänge xti durch Plättchen verschlossen sind
(die Werte aller Auswahlsignale x1. liegen im H-Bereich), so müssen bei der Programmierung
diejenigen Plättchen entfernt werden, die Auswahlsignalen xl entsprechen, deren
Werte im L-Bereich liegen.
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In Fig. 3c wird das vereinfachte Schaltzeichen für programmierbare
AND-Schaltungen vorgestellt. Bei der programmierbaren AND-Schaltung bedeutet gerätetechnisch
ein Kreis im Schnittpunkt einer Eingangsleitung xi mit der Ausgangsleitung zj, daß
der Schaltkörper des entsprechenden Ventils nicht arretiert ist und das Ventil seine
Schaltfunktion erfüllen kann. Ein Kreis im Schnittpunkt einer Eingangsleitung xi
mit der Ausgangsleitung zj entspricht bei der programmierbaren AND-Schaltung dem
im L-Bereich liegenden Wert des Auswahlsignals xti. Kein Kreis im Schnittpunkt einer
Eingangsleitung xi mit der Ausgangsleitung Zå bedeutet gerätetechnisch, daß der
Schaltkörper des entsprechenden Ventils arretiert ist. Durch Kreise markierte Eingangssignale
xi werden "entlang" einer Ausgangsleitung zj "AND"-verknüpft.
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Aus einer elementaren, kombinatorischen Schaltung wie sie die AND-Schaltung
darstellt, und Invertern lassen sich die anderen
elementaren, kombinatorischen
Schaltungen die OR-, NOR- und NAND-Schaltungen aufbauen. Die zugrundeliegenden schaltungsalgebraischen
Gesetzmäßigkeiten sind die "De Morganschen Regeln".
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Die Lösung einer Steuerungsaufgabe ist nur in seltenen Fällen mit
einer einzigen programmierbaren AND-Schaltung möglich. Zum Aufs'au von programmierbaren
Steuerungen ist es daher zweckmäßig, einige programmierbare AND-Schaltungen zu einer
Schaltung zusammenzufassen. Derartige Anordnungen werden als AND-Matrizen bezeichnet
und bestehen jeweils aus m AND-Schaltungen mit n Eingängen. Jedes Eingangsignal
xi wird jeder programmierbaren Schaltung j über den jeweiligen Eingang xij zugeführt.
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Fig. 4 zeigt eine aus programmierbaren AND-Schaltungen bestehende
Anordnung. Dem Schaltzeichen liegt das in Fig. 3c eingeführte, vereinfachte Schaltzeichen
der programmierbaren AND-Schaltung zugrunde. Wie bei den programmierbaren AND-Schaltungen
entspricht bei der AND-Matrix ein Kreis im Schnittpunkt einer Eingangsleitung xi
mit einer Ausgangsleitung zj dem im L-Bereich liegenden Wert des Auswahlsignals
xtij.
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Die AND-Matrix kann durch eingangsseitiges Vor- und/oder ausgangsseitiges
Nachschalten von Invertern in die OR-, NOR- und NAND-Matrix umgewandelt werden.
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Fig. 5 zeigt eine programmierbare Schaltung, die aus einer AND-Matrix
und OR/NOR-Elementen besteht. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß sie sehr einfach
aufgebaut ist und in jeder Richtung erweitert werden kann.
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In der Praxis werden Steuerungsaufgaben üblicherweise als Disjunktion
konjunktiv verknüpfter Eingangssignale beschrieben.
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So lautet z.B. eine mögliche Aufgabenstellung: Ein Pneumatikzylinder
soll ausfahren, wenn der Wert des Signals z2 im H-Bereich liegt.
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Dies soll der Fall sein, wenn entweder
1. der Wert
des Eingangssignals x1 im H-Bereich und der Wert des Eingangssignals X2 im L-Bereich
oder 2. der Wert des Eingangssignals x2 im L-Bereich und x, im H-Bereich liegt oder
7. der Wert des Eingangssignals X4 im H-Bereich liegt.
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Die in Fig. 5 vorgestellte programmierbare Steuerung ist so programmiert,
daß sie diese Aufgabe löst. Die Schaltung besteht aus einer AI\JD-Matrix, der eingangsseitig
OR/NOR-Elemente mit jeweils 2 Eingängen vor- und ausgangsseitig nachgeschaltet sind.
Von den OR/NOR-Elementen werden die Eingangssignale xi der Steuerung angepaßt und
gleichzeitig wie die Ausgangssignale z;, soweit notwendig, invertiert.
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Zur Programmierung können neben der Programmierung der AND-Matrix
die Ausgänge der OR/NOR-Elemente durch Leitungen mit den Eingängen der AND-Matrix
oder der anderen OR/NOR-Elemente verbunden werden. Die Programmierung der in Fig.
5 gezeigten Schaltung ist so ausgeführt, daß von den ausgangsseitigen OR/NOR-Elementen
die disjunktive Verknüpfung der von der AND-Matrix ausgeführten konjunktiven Verknüpfungen
erfolgt.
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Durch Signalrückführungen können auch mit dieser Schaltung Ablauf
steuerungen aufgebaut werden. Fig. 6 zeigt eine einfache Speicherschaltung. Die
Programmierung der AND-Matrix wurde von Fig. 5 übernommen - die Verbindungsprogrammierung
jedoch abgeändert. Das Ausgangssignal z2 wird der Schaltung nunmehr als Eingangssignal
zugeführt. Der Speicher wird gesetzt, wenn der Wert des Signals x1 im H-Bereich
und der Wert des Signals x2 im L-Bereich liegt. Ist dies der Fall, so wird über
eine Selbsthaltung (Rückftihrung des Signals Z2) das Ausgangssignal z2 so lange
gespeichert, wie der Wert des Signals x2 im L-Bereich liegt.
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Der in Fig. 7 vorgestellte Schaltplan zeigt eine Ausführungsform
der
programmierbaren pneumatischen Schaltung, die mit einer AND-Matrix aufgebaut ist.
Die AND-Matrix besteht aus )n programmierbaren AND-Schaltungen mit jeweils n Eingängen.
Die m + n OR/NOR-Elemente sind aus jeweils einem Wechselventil und einem 5/2-Wegeventil
mit Federrückstellung aufgebaut. Zur Programmierung der AND-Matrix lassen sich die
3/2-Wegeventile in der Schaltstellung b einzeln von Hand arretieren. Dies entspricht
der Vorgabe eines Ersatzsignals x'ij, dessen Wert im H-Bereich liegt. Zur Verbindungsprogrammierung
können die Ausgänge xi oder xi der eingangsseitigen 5/2-Wegeventile über mit Schnellkupplungen
ausgerüsteten Leitungen mit den Eingängen b, xi der AND-Matrix und ebenso die Ausgänge
zj und Zj der ausgangsseitigen 5/2-Wegeventile mit den Eingängen xz; bzw. xi verbunden
werden.
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