Entwicklung von industriellen Bedienfeldern

Der Kunde

Eines großes europäisches Unternehmen, das industrielle Steuerungen und andere Automatisierungsgeräte entwickelt und produziert.

Die Herausforderung

Der Kunde hatte sich an Promwad gewandt, um ein industrielles Bedienfeld für seine Produktlinie von Geräten zu entwickeln.

Projektaufgaben:

• Industriedesign
• mechanischer Entwurf
• Hardware-Entwurf
• Software-Entwicklung
• Prüfstand für Funktionstests

Wir sollten zwei Optionen für die Gestaltung von industriellen Bedienfeldern anbieten:

• Bedienfeld mit großem grafischem Farbdisplay
• Bedienfeld mit kleiner Symbolanzeige

Das Projekt stellte hohe Anforderungen an den Betrieb:

• Temperaturbereich für Betrieb und Wartung: von -30 bis +70 °C
• Gesamte durchschnittliche MTBF des Geräts: mindestens 125000 Stunden
• Lebensdauer: mindestens 25 Jahre
• EMV-Prüfung: Betrieb bei durchschnittlicher elektromagnetischer Feldstärke gemäß CO34.35.311-2004
• Schutzart an der Frontseite: mindestens IP54

Die Lösung

1. Industriedesign

Wir haben beim mechanischen Entwurf besonders darauf geachtet, dass Risiken reduziert werden, und zu diesem Zweck ein 3D-Modell der Anzeigetafel entworfen. Danach haben wir das Layout der Leiterplatte unter Berücksichtigung der Anforderungen an das Gehäusedesign erstellt. Zum Schluss wurden die 3D-Modelle des Gehäuses und der Platine überprüft und abgeglichen.

Dank der vorgefertigten 3D-Modelle war es ein Leichtes, das Layout der Teile zu erstellen und die Montage zu testen. Die Testergebnisse zeigten jedoch, dass einige Konstruktionsänderungen erforderlich waren.

Unsere Designer haben das vordere Tastenfeld modifiziert: Jetzt ist es möglich, die Verfügbarkeitsoption zu wählen, da Tasten und LEDs auf eine unabhängige Platine verlegt wurden, die über eine Stiftleiste mit dem Bedienfeld verbunden ist. Diese Art der Verbindung garantiert einen sicheren Transport auch unter rauen Bedingungen wie z.B. Vibrationen.

Insgesamt hat der Kunde dadurch die Möglichkeit, die gewünschte Konfiguration und Anordnung der Bedientasten und LEDs zu wählen.

Nach der endgültigen Genehmigung des Designs haben wir Prototypen hergestellt und die Konstruktionsunterlagen für die Start der Serienproduktion erstellt.

2. Mechanischer Entwurf und PCB-Design

Beim Schaltungsentwurf mussten die folgenden Anforderungen an die Komponenten berücksichtigt werden:

• MTBF von mindestens 125000 Std
• Verfügbarkeit von Ersatzkomponenten anderer Anbieter

Wir haben die Komponentenbasis für das Projekt dem Produktionsstandort angepasst, um die Kosten zu senken. Für den gleichen Zweck haben wir eine einseitig bestückte Platine mit minimalem Formfaktor realisiert.

Die Platine basiert auf einem Sitara ARM-basierten Prozessor, der von Texas Instruments entwickelt wurde.

Für den Arbeitsspeicher wurde ein DDR2-Chip mit 128 Mbyte ausgewählt, für den ROM ein 128 Mbyte-NAND-Flash.

Bei der Entwicklung der Platine haben wir auf zwei Merkmale geachtet:

• Verfügbarkeit von zwei Bestückungsmethoden: Einbau eines 8-Bit-OLED-Bildschirms oder eines vollwertigen TFT-Displays
• Platzierung der Komponenten auf eine Seite der Platine, um die Kosten für die Serienproduktion zu optimieren

Die PCB-Designer haben die Integrität der Hochfrequenzsignale und die Einhaltung der EMV-Anforderungen überprüft. Dazu wurden Wellen- und Differenzwiderstände berechnet.

Als Leiterplattenarchitektur wurde diejenige mit den niedrigsten Herstellungskosten gewählt.

Die DDR-Busschaltungen wurden auf die Hochgeschwindigkeitsverbindungen abgestimmt.

Für den sicheren Anschluss von externen Geräten wurde eine galvanische Trennung der entsprechenden Ports vorgenommen.

Wir haben die Platine mit einem Einbauplatz für eine Abschirmung ausgestattet, um empfindliche Elemente vor äußeren Kräften zu schützen.We equipped the board with an installation place for a shield to protect sensitive elements from external forces.

Tabelle 1. Spezifikationen der Geräteplatine

Beim Entwurf der Schaltung haben wir die Testanforderungen peripherer Boundary-Scans über die JTAG-Schnittstelle berücksichtigt. Außerdem wurde ein Möglichkeit vorgesehen, die Platine nach der Produktion auf die Qualität der Komponenten zu prüfen.

Dadurch haben wir die Zuverlässigkeit des Endprodukts erhöht - der Kunde kann Fehler bereits in frühen Phasen des Produktionsprozesses erkennen.

3. Funktionsprüfstand

Wir haben Hardware, Software und Dokumentation für das Flashen des NAND-Speichers und die Funktionsprüfung des Bedienfeldes entwickelt. Die Software zeigt erkannte Fehler an, die während des Betriebs aufgetreten sind.

Das Flashen wurde in der ersten Betriebsphase durchgeführt, gefolgt von einem Funktionstest.

Die Software erkennt automatisch, welche Option aktiv ist, und startet das entsprechende Testverfahren.

Als Ergebnis hat der Kunde einen Prüfstand erhalten.

3.1 Software für Funktionstests 

Die Software bietet eine vollständige Funktionsprüfung der Platine des Bedienfeldes: Sie scannt den Prozessor, den Speicher, das Display, die Tastatur und die externen Anschlüsse. Der Testablauf wird auf dem Display angezeigt. 

Beachten Sie, dass der gesamte Prozess "on-board" abläuft: Die Abbildung unten zeigt dies.

Vorteile eines Prüfstands:

• Flashen der Platine ab der Montagephase möglich
• Perfekte Visualisierung des Prüfprozesses
• Test werden automatisch ausgeführt, ohne Bedienereingriff
• Fehlerprotokollierung
• Einfache Skalierbarkeit

Geschäftswert

Das entworfene Gehäuse hat Schutzart IP54. Das Gerät hat die erforderlichen Prüfungen zur Einhaltung der elektrischen Sicherheitsanforderungen bestanden, ohne dass dadurch das Aussehen beeinträchtigt oder die Komplexität erhöht wurde. Das Gerät ist einfach zu montieren und hat eine geringe Dicke (etwa 2,5 cm).

Wir haben das Gehäuse so konzipiert, dass der Kunde bei Bedarf die Frontplatte mit minimalem Aufwand anpassen kann.

Der schematische Entwurf erfüllte die Anforderungen des Kunden sowohl in funktionaler als auch in technischer Hinsicht.

Die Leiterplatte wurde mit minimalen Herstellungskosten entworfen und gestattet es, verschiedene Arten von Grafikbildschirmen und Steuerungen anzuschließen.

Wir haben Montagetests, die thermische Modellierung und andere Prüfungen durchgeführt, darunter auch den JTAG/Boundary-Scan. Außerdem wurde die Dokumentation auf Konformität überprüft.

Wir haben eine vollständige Designdokumentation für alle Geräteelemente entwickelt. Sie entspricht den erforderlichen regulatorischen Dokumenten und Standards.

Dank des Produktionsteams von Promwad konnte der Kunde die Geräte erfolgreich zertifizieren und die Serienproduktion starten.