Elektronik für die Kugelbahn

Das Unperfekthaus hat seit Mitte des Jahres 2014 eine fassadengroße Kugelbahn.

Das Kugelfördergefäß

Zum Betrieb ist ein Elektromotor mit Zugseil und Kugelfördergefäß vorhanden. Daraus können am höchsten Punkt der Kugelbahn zwei Bälle entlassen werden. Die Bälle durchlaufen dann verschiedene Röhren und Aktionsstationen, während das Fördergefäß motorgetrieben nach unten fährt und die Bälle, die die Bahn durchlaufen haben, wieder aufnimmt und nach nach oben transportiert. Für den Motor wurde eine dazu eine elektronische Schaltung in einem IP65-Gehäuse gebaut. Das Gehäuse wird aber nicht dem Wetter ausgesetzt, sondern befindet sich in einem regendichten und von unten gut belüfteten Schaltkasten. Zweck der Schaltung ist es, Start, Stop und Drehrichtung des Motors situationsgerecht einzustellen. Es gibt eine Ruheposition etwa auf halber Höhe der Kugelbahn wo das Fördergefäß verharrt, wenn gerade keine Transportaktivität gefordert ist. Ist das Fördergefäß auf Ruheposition, bleibt das so beliebig lange, bis ein Interessent die Kugelbahn starten will, Der braucht dann nichts weiter zu tun, als eine von mehreren über die Balkone verteilten Starttasten zu drücken. Dann läuft ohne weiteres Zutun eines Menschen ein vollständiger Zyklus ab. Die einzelnen Phasen sind:

• Bereitschaftsbetrieb: Die Elektronik überwacht den Stromfluss an den Starttasten.

• Ein von einer Starttaste ausgehender Strompuls wird registriert. Der Motor wird gestartet und es beginnt eine Fahrt des Fördergefäßes vom Haltepunkt auf halber Höhe bis zum Umkehrpunkt ganz oben.

• Am oberen Umkehrpunkt betätigt das Fördergefäß einen Kontakt. Die Elektronik stoppt sofort den Motor. Das Fördergefäß verharrt am oberen Umkehrpunkt. Bei jeder Anfahrt zum Umkehrpunkt wird das Fördergefäß gekippt und gibt zwei Bälle, die transportiert wurden frei. Sie rollen an den Start der Kugelbahn und weiter durch alle Stationen des Röhrensystems mit diversen Aktionspunkten.

• 2 Sekunden später: Umschaltung der Motorstromrichtung. Das geschieht vorteilhaft in während der Motor stillsteht.

• 2 weitere Sekunden später: Start des Motors zur Abwärtsfahrt. Die Elektronik richtet es ein, dass der Motor mit gleichbleibender Umdrehungsgeschwindigkeit 80 Sekunden durchläuft. In dieser Zeit gelangt das Ballfördergefäß an den unteren Umkehrpunkt und nimmt dabei von dort die beiden Bälle auf, die zwischenzeitlich die Kugelbahn durchlaufen haben. Ohne Änderung der Motordrehrichtung beginnt danach wieder eine Aufwärtsfahrt, weil sich das Zugseil nach der vollständigen Abwicklung wieder neu aufwickelt.

• Während der Aufwärtsfahrt erreicht das Fördergefäß den Haltekontaktschalter. Die Elektronik bemerkt den Haltekontakt-Strom und stoppt den Motor.

• Die Elektronik geht in den Bereitschaftsbetriebszustand und überwacht den Stromfluss an den Starttasten. Der Zyklus ist beendet, der Anfangszustand der Anlage ist wieder erreicht.

Betriebssicherheit:

Gegen einige mögliche und eventuell gefährliche Fehlfunktionen wurden bei der Konstruktion der Steuerungselektronik Vorkehrungen getroffen, deren Aufwand dem des für den regulären Betrieb nötigen nahezu gleichkommt. Bei den nachstehend beschriebenen Fehlfunktionen wird der Motor (wenn er nicht schon stillsteht) abgeschaltet.

• G1 Gefahr ungewollter Motorstillstand: Die Motordrehung wird mit einem Hallsensor TLE4935L (Einzelheiten weiter unten) überwacht. Wenn sich das Zugseil des Fördergefäßes verhakt, oder ein Spielkind das Fördergefäß festhält, kann sich der Motor oder die Wickeltrommel für das Zugseil nicht mehr drehen. Wichtig ist, dass in diesem Fall der Motorstrom in wenigen Sekunden abgeschaltet wird. Dazu wurden an der Wickeltrommel zwei Magnete befestigt. Die Magnete müssen in unterschiedlicher Polung an der Trommel befestigt sein.  Bei jeder Umdrehung der Trommel kommt einmal ein magnetischer Südpol dem Hall-Sensor nahe., danach ein Nordpol. Der Spannungpegel am Signalausgang des Hallsensors ändert sich bei jeder Magnetannäherung signifikant. Die Elektronik registriert diese Signalflanken. Ohne Magnetfeld ändert der Hallsensor seinen Zustand nicht.  Vier  Sekunden nach der letzten registrierten Signalflanke schaltet die Elektronik den Motor aus. Also hören die  Motordrehungen auf, wenn die Elektronik 4 Sekunden oder länger keine Signalflanke registriert. Das ist der Sicherheitsmechanismus.
  

• G2 Gefahr der zu geringen Zugseilspannung: Wenn das Zugseil abreißt oder wenn sich das Fördergefäß bei einer Abwärtsfahrt verhakt, ist dringend geboten, dass der Motor abgeschaltet wird. Daher wurde ein spezieller Schalter in die Anlage eingebaut, der von selbst einen Kontakt schließt, wenn die Seilspannung abnorm gering wird. Das gespannte Seil hält ein Gewichtsstück vom Schalter fern. Ein lockeres Seil lässt das Gewicht über einen Hebel auf einen Schalter drücken. Wenn dieser Fall eintritt, schaltet die Elektronik den Motorstrom ab.

• G3 Gefahr des ausbleibenden Haltsignals: Normal gelangt das Fördergefäß nach Ende des Arbeitsablaufs zum Schalter an der Halteposition und betätigt ihn. Ist dieser Schalter oder die Zuleitung zur Elektronik defekt oder die Anlage produziert aus anderen Gründen kein wirksames Haltsignal mehr, könnte es geschehen, dass das Fördergefäß ewig auf und nieder weiterläuft. Daher wurde in der Software eingestellt, dass bei ausbleibendem Haltsignal fünf Minuten nach dem Start der Motorstrom abgeschaltet wird.

Wenn die Elektronik eine Notabschaltung aus den genannten Gründen G1...G3 durchführt, bringt sie gleichzeitig zugeordnete LED's L1...L3 zu dauerndem Leuchten. Durch diese am Schaltkasten angebrachten Signalleuchten kann das Wartungspersonal die eingetretene Fehlfunktion nachträglich erkennen. Wenn - eventuell nach einer Reparatur - die Bedingungen für den Weiterbetrieb der Kugelbahn gegeben sind, kann eine Reset-Taste am Schaltkasten gedrückt werden. Danach kann die Kugelbahn wieder gestartet werden, auch wenn sie nicht an der Halteposition steht.

Schaltpläne der Kugelbahnelektronik
Zuerst der Schaltplan des Prozessors MSP430F1232 von Texas Instruments,
danach der Schaltplan der Peripherie und Leistungselektronik

Schaltplan prozessor.svg  :

Schaltplan kik_append_sch_Inkscape_opt.svg :

Amerkungen  zu den Schaltplänen:
Die Schaltpläne erscheinen im ersten Moment recht verschwommen. Zur genauen Betrachtung ist eine stärkere Vergrößerung empfehlenswert.
Dazu mit der rechten Maustaste auf den Schaltplan klicken und die Option "Grafik anzeigen" wählen. Das Bild der so angezeigten Grafik kann jetzt mit der Tastenkombination <Strg> und <+>  vergrößert werden. Es wird beim Vergrößern nicht pixleig, da es sich um eine Vektorgrafik handelt (Dateiendung svg).

Schaltpläne des Projektes Physik und Elektronik wurden in der Vergangenheit meist mit der Freeware-Version des Programms Eagle von Cadsoft hergestellt. Freeware-Eagle hat eine Einschränkung. Es gestattet nur die Entwicklung von Platinen bis zur Größe 80mmx100mm. Die Platine der Kugelbahn sollte von dieser Beschränkung frei sein. Daher wurde sie mit der GPL-Software Kicad entworfen. Der Einsatz einer neuen Software ist zunächst riskant. Kicad erwies sich aber hinreichend stabil und praktikabel bedienbar, so dass das Programm auch für künftige Entwicklungen eine Option darstellt.

Als Betriebsystem für Kicad wurde Knoppix 7.1 oder 7.3 verwendet. Zur Installation unter dieser Umgebung wurden Debian-Pakete heruntergeladen:

kicad_0.20120526+bzr3261-1_i386.deb
kicad-common_0.20120526+bzr3261-1_all.deb
zlib-bin_1%3a1.2.7.dfsg-13_i386.deb

Zur Installation wird eine Konsole geöffnet, mit cd das Verzeichnis mit den obigen Paketen angewählt und mit

sudo dpkg -i *.deb

werden die Pakete problemlos installiert. Die Kicad Entwürfe können nur gut geöffnet werden, wenn vorher alle benötigten Bauteil- Bibliotheken bereitgestellt sind. Die Standard-Bibliothekten werden schon beim Installierungs-Vorgang eingebunden. Sie sind aber nur mäßig bestückt. So haben darin die C-Mos-Bausteine 4093 und 4060 gefehlt und auch für das Strom-Umpol-Relais war kein Vorbild in der Bibliothek. Daher wurden diese Bibliotheks-Bausteine im Internet gesucht und in einer privaten Bibliothek „gg_bib“ zusammengefasst. So vereinfacht sich das Öffnen von Schaltplan und Board-Layout, weil nur eine Zusatzbibliothek in den Editoren von Kicad angemeldet werden muss. Auch im Internet finden sich nicht alle gewünschten Bibliotheken. Da zeigt Kicad aber eine Stärke: Es ist recht einfach ein neues Bauteil mit dem programmeigenen Bauteileditor zu kreieren. So sind die Bauteile „CMOS 4060“ und die „Stiftleiste DIN41617“ als eigene Entwürfe in die private Bibliothek „gglib“ aufgenommen worden.

Wer die Schaltpläne in Kicad öffnen möchte, kann die Schaltpläne und die zugehörige Bibliothek gg_bib über die Links unten herunterladen und öffnen

kicHeiz-append.sch    prozessor.sch        gg_bib.lib

Auch das Board zu den beiden Schaltplänen wird hier  zum Herunterladen bereitgestellt:  kicHeiz-append.brd

Das zugehörige Board:

Das Board-Layout wurde daraufhin optimiert, dass es leicht auf einer Kupferstreifen-Lochrasterplatte aufgebaut werden kann.
Die horizontal dargestellen dicken rot-braunen Leiterbahnen sind auf der Lochrasterplatte schon vorhanden und werden gegbenenfalls in Teilstücke getrennt. Die überwiegend vertikalen Bahnen (meist grün) wurden durch Drahtbrücken oder durch Anschlussdrähte von Bauteilen realisiert. Das Foto unten vermittelt  teilweise einen Eindruck davon, wie das Board mit dieser Technik gefertigt wurde.

Es kann auch in der Kicad-SVG-Version hier heruntergeladen werden: kikHeiz_append_brd_Inkscape_optimiert.svg

Auf dem Schaltplan kicHeiz-append.sch und auch auf dem Plan des zugehörigen Boards sind rechts die Peripherieanschlüsse der Kugelbahn auf die Stiftleiste Din-41617 geführt. Es sind zu erwähnen:

Ausgänge:

• Motorstrom: Kontakte 28 und 31 : Polung wird durch Programm definiert: Spannung 12 Volt

• Alarm-LED-: Fehlende Seilspannung: Kontakte 24 (Plus), 27(Minus): LED mit externem Widerstand für 12 Volt
• Alarm-LED: Zeitüberschreitung: Kontakt 17: Minus-Pol von LED mit externem Widerstand für 12 Volt
  Dieser Alarm zeigt an, dass die Kugelbahn angehalten wurde, weil die Anlage 5 Minuten lang nicht durch das normale Zyklusende gestoppt wurde.
  
• Alarm-LED: Fehlende Hallsensorimpulse: solqange der Motor läuft, erwartet die Steuerung Hallsensorimplse. Bleiben diese aus, wird der Motor angehalten und die Alarm-LED eingschaltet. 

Eingänge:

• Hallsensor: (Typ TLE 4935L siehe unten unter Anmerkungen) Kontakte auf der Hauptplatine:  1 (Signal) , 4 (+ Anschluss des Hallsensors), GND (-Anschluss des Hallsensors)
  
• Starttaster: Kontakte 8 und 11: Polung egal. Es gibt in jeder Etage einen Starttaster. Sie sind alle parallel geschaltet.
• Halttaster: Kontakte 15 und 18: Polung egal. Der Halttaster wird vom Kugelfördergefäß betätigt, wenn es daran vorbeifährt.
• Wendetaster: Kontakte 21 und 25: Polung egal.  Der Wendetaster wird vom Kugelfördergefäß betätigt, wenn es an die höchstmögliche Stelle der Bahn gelangt.
• Resettaster: Kontakte 22 und GND. Damit wird die Kugelbahnelektronik in den Startmodus versetzt. Alarmanzeigelämpchen nach einer Störung werden gelöscht. Nach einer Störung kann das Fördergefäß an einer beliebigen Stelle stehen geblieben sein. Die Position wird mit dem Resettaster nicht verändert. Die Anlage reagiert auf den Starttaster.
  
  

Foto: Lochrasteraufbau auf Kuperstreifenlochrasterplatine  von kicHeiz-append.brd

*) Anmerkungen zum Hallsensor TLE4935L
	Die Pinbelegung ist Pin 1 Versorgungsspannung Vs Pin 2 Minuspol (GND) der Versorgungsspannung Pin3  Signalausgang des Hallsensors (Q) Vs Versorgungsgleichspannung. Diese Platine verwendet 12 Volt. Mehr Informationen im Datenblatt des Sensors: https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B400/TLE49X5L.pdf