Analoges Retrofit-Modul für bestehende Heizungssteuerungen
Serienreifes Retrofit-Modul, das eine neue digitale Heizungsregler-Plattform um konfigurierbare 4–20-mA- und 0–10-V-Schnittstellen erweitert und damit die Kompatibilität zu bestehenden Maschinen erhält.
- Übernahme einer frühen PCB-Version mit Designfehlern und umfassendes Redesign nahezu aller Bereiche bis zur finalen Serienversion
- Konfigurierbare 4–20-mA- / 0–10-V-Ein- und Ausgänge zur Rückwärtskompatibilität mit bestehenden Maschinen
- Erweiterung des proprietären UART-Protokolls und Entwicklung der PIC24-Firmware für Analog-I/O, digitale Steuerung und Alarmfunktionen
- 4-Lagen-PCB für die Integration in das bestehende Reglergehäuse ohne mechanisches Redesign
- Entwicklung von Prototyp, Inbetriebnahme, Programmieradapter und Flash-Software für die Produktion, Prüfaufbau, Dokumentation und ERP-Integration
- Serienprodukt: mehr als 1.000 Einheiten produziert und mehr als 500 verkauft
Ausgangssituation
Ein bestehender Heizungsregler sollte abgekündigt und vollständig durch eine neue, deutlich leistungsfähigere Reglerplattform ersetzt werden. Die neuen Regler verfügten jedoch nicht mehr über die analogen Schnittstellen, die von bereits installierten Maschinen verwendet wurden.
Der neue Regler musste deshalb die Schnittstellen und das Betriebsverhalten bereitstellen, die diese Maschinen vom bisherigen Produkt erwarteten. Dafür wurde ein separates Retrofit-Modul entwickelt, das 4–20 mA, 0–10 V und digitale I/O ergänzt und intern über UART mit dem neuen Regler kommuniziert.
Meine Rolle
Ich übernahm die erste Version des Moduls und entwickelte sie bis zum finalen Serienstand weiter.
Das ursprüngliche Grundkonzept war bereits vorhanden, die erste PCB-Version enthielt jedoch Designfehler und erforderte eine umfassende Überarbeitung. Im Zuge des Redesigns wurden nahezu alle Bereiche der Platine überarbeitet, darunter Bauteilauswahl, Analogschaltung, Schutzbeschaltung und PCB-Layout.
Meine Verantwortung ging dabei deutlich über das eigentliche Hardware-Redesign hinaus: Schaltungsüberarbeitung, Bauteilauswahl, 4-Lagen-PCB-Layout, Prototypenaufbau und Inbetriebnahme, PIC24-Firmware, Erweiterung des Kommunikationsprotokolls, Verifikation, Programmierhardware und Flash-Software für die Produktion, Dokumentation sowie die Integration in die ERP-/Stücklistenstruktur des finalen Reglerprodukts.
Analogschnittstellen
Das Modul basiert auf einem PIC24FJ128GA702 und kommuniziert über UART mit dem Hauptregler auf Basis eines dsPIC33EP256GP504.
Für den Analogausgang speist der im PIC24FJ128GA702 integrierte DAC eine präzise Op-Amp-/Stromschleifenstufe, die das maschinenseitige Signal erzeugt. Über einen physischen Schalter kann zwischen 0–10-V-Spannungsausgang und 4–20-mA-Stromausgang gewählt werden.
Auch der Analogeingang ist umschaltbar und wird über den im PIC24FJ128GA702 integrierten ADC erfasst. Im 0–10-V-Modus wird das Signal über einen Spannungsteiler aufbereitet. Im 4–20-mA-Modus wandelt ein präziser 250-Ω-Widerstand den Schleifenstrom in eine messbare Spannung um. Der Eingang kann vom Hauptregler beispielsweise als externer Sollwert für die Regeltemperatur oder die Begrenzungstemperatur verwendet werden.
Zusätzliche digitale Ein- und Ausgänge übernehmen maschinenseitige Funktionen, darunter einen SSR-Ausgang sowie digitale Steuereingänge.
Die Analogschnittstellen verfügen über Schutz- und Filtermaßnahmen gegen Überspannung, Verpolung und ESD sowie über Filterung, Strombegrenzung und Eingangsschutz. Präzisionswiderstände mit 0,1 % Toleranz ermöglichten die für die Anwendung erforderliche Genauigkeit ohne separaten Kalibrierprozess.
PCB & mechanische Integration
Das komplette Modul musste in das bestehende Reglergehäuse integriert werden, ohne die Mechanik des Produkts zu verändern.
Die finale Ausführung verwendet eine kompakte 4-Lagen-Leiterplatte, die über ein flexibles Flachbandkabel mit dem Hauptregler verbunden und darüber auch mit Spannung versorgt wird. Gleichzeitig musste das Modul einfach montier- und demontierbar bleiben, während die Umschaltung zwischen Strom- und Spannungsschnittstelle über physische Schalter zugänglich blieb.
Firmware & Kommunikation
Ich erweiterte das bestehende proprietäre UART-Protokoll um neue Frames, die speziell für den Datenaustausch zwischen Heizungsregler und Analogmodul entwickelt wurden.
Die PIC24-Firmware übernimmt die Kommunikation, die analogen und digitalen Ein-/Ausgänge sowie die lokale Überwachung verschiedener Betriebszustände.
Ein Summer signalisiert unterschiedliche Zustände über verschiedene Alarmmuster. Dazu gehören unter anderem:
- Kommunikationsausfall von mehr als fünf Sekunden
- Erreichen der Begrenzungstemperatur
- Fehlerzustand des Hauptreglers
Verifikation
Die zentrale Anforderung war die Rückwärtskompatibilität: Aus Sicht des Kunden sollten sich Maschinen mit dem Retrofit genauso verhalten wie mit dem abgekündigten Regler.
Die Verifikation erfolgte schrittweise vom einzelnen Schaltungsteil bis zum vollständigen System:
Simulation → Oszilloskop- und Multimetermessungen → Tests mit elektronischer Last → Stromschleifenmessungen → dedizierter Prüfaufbau → Integration mit realen Reglern und Maschinen
Der Prüfaufbau arbeitete mit umschaltbaren, bekannten Spannungs- und Widerstandswerten, um die verschiedenen Schnittstellenkonfigurationen gezielt anzusteuern und erwartetes Verhalten mit den gemessenen Ergebnissen zu vergleichen.
Produktionsüberführung
Neben der Produktentwicklung übernahm ich auch die Entwicklung der notwendigen Werkzeuge für eine reproduzierbare Serienfertigung.
Dazu gehörten ein Nadelkontakt-Programmieradapter für das Flashen in der Produktion, eine eigene Flash-Software sowie die erforderliche Produktionsdokumentation.
Anschließend wurde das Modul in die ERP-Struktur des Unternehmens integriert, sodass es gemeinsam mit den entsprechenden Heizungsreglern als vollständiges Produkt gefertigt und vertrieben werden konnte.
Ergebnis
Mit dem Retrofit-Modul konnte der bisherige analoge Heizungsregler vollständig abgekündigt werden, ohne Maschinen und Kunden zu verlieren, die weiterhin auf dessen analoge Schnittstellen angewiesen waren.
Statt zwei Reglergenerationen parallel weiterzuführen, konnte die neue Plattform sowohl für neue Anwendungen als auch für den bestehenden Maschinenbestand eingesetzt werden.
Das Design ging erfolgreich in Serie: Mehr als 1.000 Einheiten wurden produziert und mehr als 500 verkauft.
Das Projekt ging damit deutlich über ein PCB-Redesign hinaus: Ich übernahm einen fehlerbehafteten frühen Entwicklungsstand, entwickelte daraus serienreife Hardware, implementierte Firmware und Kommunikation, verifizierte das rückwärtskompatible Verhalten und entwickelte die Werkzeuge und Dokumentation für eine zuverlässige Fertigung.
Technologien
PIC24FJ128GA702 dsPIC33EP256GP504 Embedded C UART integrierter DAC/ADC Operationsverstärker 4–20 mA 0–10 V Digital I/O 4-Lagen-PCB Produktionstest
Galerie