Ausgangssituation
Ein Unternehmen aus dem Bereich der schweren Industrieautomation wandte sich an TPS Elektronik, um eine in die Jahre gekommene Schutzplattform in Stromverteilerschränken zu modernisieren. Die Altlösung basierte auf einem veralteten Leistungsschalterfeld-Design (circuit breaker panel design), das seit mehr als 20 Jahren im Einsatz war.
Das ursprüngliche System wies mehrere Einschränkungen auf:
- Die Leistungsschalter-Systemauslegung (circuit breaker system design) entsprach nicht mehr den aktuellen Sicherheits- und Monitoring-Anforderungen.
- Mechanische Komponenten waren verschlissen, und die Auslegung des Leistungsschalters (design of circuit breaker) erlaubte keine neuen Schutzfunktionen.
- Die eingebettete Steuerlogik bot weder Skalierbarkeit noch Fehlertoleranz.
- Es existierten keine digitalen Konstruktionsdaten—nur ein einzelnes Mustergerät war verfügbar.
Der bisherige Lieferant konnte Produktion und Upgrades nicht mehr unterstützen. Der Kunde beauftragte daher TPS Elektronik mit einer vollständigen Retrofit-Leistungsschalter-Auslegung (retrofit circuit breaker design), die Elektronik, Mechanik und Embedded-Software abdeckt.
Technische und konstruktive Herausforderungen
Das Projekt erforderte einen multidisziplinären Ansatz:
- Neudefinition der Schutzlogik mittels eines modernen Circuit-Breaker-Software-Entwurfsmusters (circuit breaker software design pattern).
- Schulung des Engineering-Teams des Kunden dazu, was das Circuit-Breaker-Entwurfsmuster ist (what is circuit breaker design pattern), insbesondere in verteilten Steuerumgebungen.
- Umsetzung sowohl des Hardware-Schutzes—bei dem ein Leistungsschalter dazu ausgelegt ist (a circuit breaker is designed to), Fehlerströme sicher zu unterbrechen—als auch der Software-Resilienz anhand des Konzepts Entwurfsmuster »Circuit Breaker« (design pattern circuit breaker).
- Unterstützung moderner ECAD- und MCAD-Workflows, einschließlich Altium Designer PCB-Layout, Cadence Allegro PCB-Design und fortgeschrittener mechanischer Modellierung.
Die Lösung von TPS Elektronik
TPS Elektronik lieferte eine vollständige End-to-End-Neuentwicklung über Elektronik, Mechanik und Embedded-Systeme hinweg.
1. Elektronik-Design und PCB-Layout
- Entwicklung eines neuen Schutz-Controllers mit Hochgeschwindigkeitslogik und Überwachungsschaltungen.
- Erstellung eines vollständigen Altium Designer PCB-Layouts gemäß internen Richtlinien aus dem Altium Designer PCB-Layout-Tutorial, um das EMV-Verhalten zu verbessern.
- Optimierung der Hochstromführung nach Best Practices für PCB-Layout in Altium Designer.
- Für Varianten mit hoher Lagenzahl Einsatz von Cadence Allegro PCB-Design, unterstützt durch interne Expertise mit Cadence Allegro PCB Designer und verifiziert anhand eines formalen Cadence Allegro PCB-Design-Tutorial-Workflows.
2. Embedded-Software und FPGA-Regelung
- Implementierung der Schutzlogik mit modernen FPGA-Embedded-Software-Design-Tools für schnelle Fehlererkennung und deterministische Reaktion.
- Anwendung des Circuit-Breaker-Entwurfsmusters in der Embedded-Firmware zur Fehlerisolation und -wiederherstellung.
- Übertragung des Konzepts auf verteilte Überwachungssoftware mittels Circuit-Breaker-Entwurfsmuster in Microservices (circuit breaker design pattern in microservices), um System-Resilienz sicherzustellen.
3. Mechanik- und Gehäusekonstruktion
- Neukonstruktion des Leistungsschalter-Gehäuses und der Betätigungsmechanismen mit Mechanism Design in SolidWorks.
- Anwendung von Prinzipien des SolidWorks Mechanical Design, um Wärmeabfuhr und Wartungsfreundlichkeit zu verbessern.
- Verifizierung der Baugruppen anhand der Standards für SolidWorks Associate Mechanical Design und SolidWorks Professional Mechanical Design.
- Modellierung bewegter Teile und Auslösemechanismen mittels fortgeschrittener SolidWorks Mechanism Design-Simulationen.
4. Systemintegration und Retrofit
- Bereitstellung einer vollständigen Retrofit-Leistungsschalter-Auslegung (retrofit circuit breaker design), sodass der neue Controller in bestehende Felder passt.
- Aufwertung des gesamten Leistungsschalterfeld-Designs (circuit breaker panel design) ohne Änderung der Feldverdrahtung zur Minimierung von Stillstandzeiten.
Ergebnisse
Die Zusammenarbeit zwischen TPS Elektronik und dem Kunden führte zu messbaren Verbesserungen:
- Verbesserte Sicherheit und Zuverlässigkeit: Die neue Leistungsschalter-Systemauslegung (circuit breaker system design) erfüllte moderne industrielle Schutzstandards.
- Höheres EMV-Niveau: Optimierte Leiterführung in Altium Designer PCB-Layouts und Cadence Allegro PCB-Design reduzierte Emissionen deutlich.
- Software-Resilienz: Der Einsatz des Entwurfsmusters »Circuit Breaker« (design pattern circuit breaker) und von Circuit-Breaker-Designmustern in Microservices (circuit breaker design pattern microservices) verhinderte kaskadierende Ausfälle.
- Verlängerte Produktlebensdauer: Die Retrofit-Leistungsschalter-Auslegung ermöglichte die Weiternutzung vorhandener Infrastruktur.
- Schnellere Fehlerreaktion: Die FPGA-basierte Regelung mit FPGA-Embedded-Software-Design-Tools verkürzte die Auslösezeit um über 40 %.
Fazit
Dieser Kundenfall zeigt die Fähigkeit von TPS Elektronik, komplexe, multidisziplinäre Lösungen für industrielle Schutzsysteme zu liefern. Durch die Kombination einer fortschrittlichen Leistungsschalterfeld-Auslegung (circuit breaker panel design), einer robusten Implementierung des Circuit-Breaker-Software-Entwurfsmusters und einer modernen Leistungsschalter-Systemauslegung (circuit breaker system design) verwandelte TPS Elektronik ein Legacy-Produkt in eine zukunftsfähige Plattform.
Von hochperformanter PCB-Entwicklung mit Altium Designer PCB-Layout und Cadence Allegro PCB-Design über präzise Gehäusekonstruktion mit SolidWorks Mechanical Design bis hin zu resilienter Steuerungslogik mit FPGA-Embedded-Software-Design-Tools lieferte TPS Elektronik eine vollständige Modernisierungslösung.
Durch diese Partnerschaft erreichte der Kunde ein zuverlässiges, skalierbares und normenkonformes System—und untermauerte damit die Rolle von TPS Elektronik als vertrauenswürdiger Engineering-Partner für die Entwicklung moderner Leistungsschalter- und Schutzsysteme.
