Izrada sheme u EDA i CAD alatima

Od crteža do baze podataka

Električnu shemu moguće je nacrtati i u običnom CAD programu za 2D crtanje: crte, krugovi i tekst složeni tako da izgledaju kao kontakti, svici i stezaljke. Takav crtež čovjek čita bez teškoća, ali program o njemu ne zna ništa — ne zna da je pravokutnik s oznakom -K1 svitak releja, da kontakt u stazi 6 pripada tom istom releju ni da je vodič koji ide prema -X1:5 isti potencijal kao onaj na ulazu upravljača. Svaka izmjena tada se unosi ručno na više mjesta, a popisi se prepisuju iz crteža. Upravo tu nastaje većina pogrešaka u elektrotehničkoj dokumentaciji.

Specijalizirani programi za električne sheme (npr. EPLAN, SEE Electrical, QElectroTech) i EDA alati za elektroniku (npr. KiCad) rade drukčije. Svaki simbol na shemi objekt je s identitetom: ima oznaku referentnog elementa po IEC 81346, priključne točke s brojevima, pripadnost uređaju i tehničke podatke. Svaka spojna crta je veza između dviju priključnih točaka i nosi potencijal. Shema je zato samo jedan pogled na bazu projekta, a sastavnica, plan stezaljki ili popis kabela drugi su pogledi na iste podatke.

Iz toga slijedi osnovno pravilo rada: podatak se unosi jednom, na jednom mjestu, i to u shemu ili u svojstva uređaja. Popisi se ne uređuju rukom — generiraju se ponovno nakon svake izmjene. Tko ispravi broj stezaljke u popisu, a ne u shemi, stvorio je dva različita projekta.

Struktura projekta: stranice, okviri i zaglavlja

Projekt se u programu otvara prije prve crte, a prvo se određuje njegova struktura. Po IEC 81346 najviša razina je aspekt funkcije (=) i aspekt mjesta (+). Za pozicionirnu os to je =PS1 za sustav i +ORM za upravljački ormarić, pa svaka stranica i svaki uređaj nasljeđuje tu oznaku. Kad se kasnije doda upravljačka ploča na stroju (npr. +PLT), program razlikuje -S3 u ormariću od -S3 na ploči bez da itko mijenja crtež.

Stranice projekta imaju vrstu, a vrsta određuje što se na njoj smije nalaziti i kako se broji. Uobičajeni slijed za manji ormarić je:

Okvir (predložak stranice) sadrži obrub, numeraciju strujnih staza po gornjem rubu i zaglavlje. Numeracija staza je temelj adresiranja: položaj elementa zapisuje se kao stranica.staza, npr. /4.3 znači stranica 4, staza 3. Zaglavlje je u okviru povezano s podacima projekta i stranice: naziv i oznaka projekta, opis stranice, broj stranice i ukupan broj stranica, inačica i datum izmjene upisuju se u svojstva, a program ih ispisuje u polja. Ručno upisan tekst u zaglavlju pogreška je oblika, jer se neće osvježiti s promjenom inačice.

Knjižnice simbola i uređaja

Program razlikuje dvije vrste zapisa u knjižnici, i to razlikovanje treba usvojiti od početka.

• Grafički simbol je crtež funkcije u duhu IEC 60617: zatvarajući kontakt, svitak releja, motor, stezaljka. Simbol ima priključne točke i pravila, npr. da je kontakt dio releja, ali ne zna koji je to proizvod.
• Uređaj (artikl) je stvarni proizvod: proizvođač i kataloška oznaka iz kataloga proizvođača, tehnički podaci (napon svitka, nazivna struja, gubici snage), kontaktna slika s brojem i vrstom kontakata, dimenzije za montažni pogled i podaci za narudžbu.

Na shemu se postavlja simbol, a zatim mu se dodjeljuje uređaj. Sigurnosni relej -K1 tada zna da ima npr. tri zatvarajuća i jedan otvarajući kontakt, pa program ne dopušta da se na shemi upotrijebi pet zatvarajućih. Jedan simbol, primjerice svitak releja, služi stotinama uređaja; jedan uređaj s više funkcija, poput upravljača -A1, prikazuje se s više simbola na različitim stranicama (napajanje, ulazi, izlazi), a svi nose istu oznaku.

Knjižnica je vlasništvo tvrtke jednako kao i projekti. Preporuka iz prakse je voditi vlastitu provjerenu knjižnicu: uređaj se u nju unosi tek nakon što su podaci uspoređeni s tehničkim listom proizvođača, a svi projekti koriste samo nju. Knjižnice koje dolaze s programom ili s interneta dobar su početak, ali pogrešan broj stezaljke u knjižnici prenosi se u svaki projekt koji taj uređaj koristi.

Automatsko označavanje i unakrsne reference

Automatsko označavanje dodjeljuje oznaku referentnog elementa pri postavljanju simbola. Program zna kategoriju elementa (K za relej i sklopnik, S za sklopku i tipkalo, Q za zaštitni prekidač, X za stezaljke) i dodaje sljedeći slobodni broj. Na početku projekta odabire se jedan od dvaju načina brojenja i ne mijenja se: redni broj (-K1, -K2, -K3) ili broj prema položaju (-K4.2 za relej u stazi 2 na stranici 4). Redni je kraći i pregledniji u malim projektima kao što je PS-1; položajni pomaže u velikim projektima jer oznaka odmah kaže gdje je svitak.

Isto vrijedi za označavanje vodiča. Dva su uobičajena načela: oznaka po potencijalu (svi vodiči koji su galvanski spojeni nose istu oznaku, npr. 24V-L+ i M) i oznaka po vezi (svaki vodič između dviju točaka ima svoju oznaku, često izvedenu iz adrese). Program oznake generira i ispisuje ih na shemu i u listu ožičenja; oznake na vodičima u ormariću moraju biti jednake onima na shemi.

Unakrsna referenca povezuje dijelove istog uređaja prikazane na različitim mjestima. Ispod svitka -K1 na slici 7.5.2 stoji zrcalna slika kontakata: kontakt 13-14 nalazi se na adresi /4.6. Uz sam kontakt stoji povratna adresa /4.2, gdje je svitak. Isto vrijedi za prekidne točke potencijala: sabirnica L+ na kraju stranice 4 nosi oznaku /5.0, a na stranici 5 ista se sabirnica pojavljuje s povratnom adresom /4.9. Kad se svitak premjesti u drugu stazu, program osvježi sve adrese; u izvezenom PDF-u one su poveznice na koje se klikne.

Liste generirane iz sheme i izvoz

Kad su simboli povezani, uređaji dodijeljeni, a stezaljke i kabeli postavljeni na shemu, program iz baze generira popise. Svaki od njih ima svog korisnika u lancu izvedbe:

Plan stezaljki u pravilu je najvažniji popis za rad na terenu: serviser na stroju vidi žilu u kabelu -W3, a u planu odmah čita da je to žila 3, stezaljka -X1:7, ulaz I0.2 upravljača i senzor -B1. Zato se u plan stezaljki upisuju i rezervne stezaljke, kako bi se proširenje moglo izvesti bez preslagivanja letve.

Izvoz ovisi o primatelju. Za čitanje i arhivu izvozi se PDF s poveznicama unakrsnih referenci i knjižnim oznakama po stranicama. Za mehaničku konstrukciju i izradu montažne ploče izvozi se montažni pogled u DXF ili DWG. Popisi idu u CSV ili tablični oblik za sustav poslovnog upravljanja i nabavu. Za razmjenu s drugim inženjerskim alatima i za virtualno puštanje u rad postoje neutralni formati podataka (npr. AutomationML). Dobra praksa je da izvezeni PDF u zaglavlju nosi istu inačicu kao projekt iz kojeg je nastao.

Elektronička shema i tiskana pločica u EDA alatu

EDA alat (npr. KiCad) radi po istom načelu, ali mu je cilj tiskana pločica. Postupak ima tri stupnja.

1. Shema. Simboli dijelova (otpornik R1, svjetleća dioda D1, optoizolator, konektor) postavljaju se i povezuju. Svakom simbolu dodjeljuje se otisak kućišta (engl. footprint) — raspored i veličina lemnih površina stvarnog dijela, npr. SMD kućište 0805 ili izvodni otpornik s razmakom 10,16 mm.
2. Netlista. Program iz sheme izvodi popis mreža: svaka mreža je skup priključaka koji moraju biti spojeni (npr. mreža N1 spaja R1 izvod 2 i anodu D1). Netlista je veza između sheme i pločice; na pločici se ne smije pojaviti veza koje nema u netlisti.
3. Pločica. Otisci se razmještaju po obrisu pločice, a veze iz netliste prikazuju se kao tanke „gumene" linije koje se zamjenjuju vodljivim stazama. Provjera pravila oblikovanja (DRC) javlja premale razmake, preuske staze i nespojene mreže.

Iz gotove pločice izvoze se proizvodne datoteke: Gerber datoteke po slojevima (bakar, maska, natpisi, obris), datoteka bušenja, sastavnica i datoteka položaja dijelova za strojno postavljanje. Za PS-1 to bi, primjerice, bila mala pločica za prilagodbu signala graničnih sklopki s LED indikacijom i zaštitnim diodama, montirana na DIN nosač u ormariću.

Provjera sheme: pravila i simulacija

Prije izvedbe shema se provjerava na dvije razine. Prva je provjera pravila koju program radi sam: u elektroničkom alatu to je električna provjera pravila (ERC), a u programu za električne sheme skup provjera projekta. Tipične poruke su: dvije različite oznake na istom uređaju ili ista oznaka na dva uređaja, kontakt bez svitka, više iskorištenih kontakata nego što ih uređaj ima, nespojena priključna točka, dva izlaza spojena na istu mrežu, stezaljka bez odredišta, kabel bez dodijeljenih žila. Provjera ne kaže radi li shema ono što treba, ali pouzdano otkriva formalne pogreške koje bi se inače našle tek pri ožičenju.

Druga razina je provjera funkcije simulacijom. Za elektroničke sklopove koristi se simulator temeljen na SPICE modelima: za pločicu iz primjera može se provjeriti struja kroz LED diodu pri 24 V i odabranom otporniku, ili ponašanje ulaznog filtra pri smetnjama. Za upravljačke krugove koriste se programi za simulaciju relejne logike i simulacija upravljača: logika programa -A1 izvodi se na virtualnom upravljaču, a ulazi -B1, -S1 i -S2 zadaju se ručno ili iz modela osi. Kod PS-1 tako se prije uključenja provjerava da granična sklopka -S1 zaustavlja gibanje u smjeru prema njoj, ali dopušta povratak.

Računski prikaz: stezaljke i vodiči iz broja ulaza i izlaza

Prije crtanja plana stezaljki korisno je procijeniti koliko će stezaljki i žila trebati, kako bi se odabrala duljina letve -X1 i kabeli. Dvožilni uređaj (mehanička sklopka ili tipkalo) treba dvije stezaljke: dovod L+ i povrat na ulaz upravljača. Trožilni senzor (npr. induktivni PNP) treba tri: L+, M i signal. Trošilo na izlazu (signalna svjetiljka) treba dvije: izlaz i M. Koračni motor s četiri žile, ako se spaja preko letve, dodaje četiri. Na zbroj se dodaje rezerva, obično 10–20 %, i zaokružuje prema gore.

n_st = 2 · n₂ + 3 · n₃ + 2 · n_iz + 4 · n_mot    n_rez = ⌈n_st · (1 + r/100)⌉

Svaka stezaljka na terenskoj strani prima jednu žilu, a svaka žila ima dva kraja koje treba označiti (na stezaljci i na uređaju). S unutarnje strane od stezaljke do upravljača ide još jedan vodič s dva kraja, pa je broj oznaka vodiča četiri po stezaljki.

Za PS-1 s četiri dvožilna uređaja na ulazima (-S1, -S2 na osi, -S3 i -S4 na vratima), jednim trožilnim senzorom -B1, dvjema svjetiljkama -H1 i -H2 i motorom -M1 spojenim preko letve dobiva se 2 · 4 + 3 · 1 + 2 · 2 + 4 = 19 stezaljki, a s rezervom od 20 % ⌈22,8⌉ = 23. U kabelima je 19 žila, a oznaka vodiča 76. Upravljač ima dovoljno priključaka: zauzeto je 5 od 8 ulaza i 5 od 6 izlaza, jer -T1 za korak, smjer i omogućenje troši još tri izlaza. Prvo sljedeće proširenje s dva izlaza tražilo bi dodatni izlazni modul — to je podatak koji treba zapisati u tehnički opis.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V15 Jednopolna shema razdjelnika i montažni pogled · 2 sata