Moderne Klebe- oder Lackierprozesse sind Beispiele für Fertigungsprozesse, die Infrarotheizungen nutzen, denn sie kommen nicht ohne gezielte Erwärmung oder Aushärtung durch Infrarotstrahler aus. Fehlfunktionen bei einem IR-Strahler oder einer Infrarotheizung werden jedoch zumeist erst sichtbar, wenn das produzierte Teil nicht den Qualitätsvorgaben entspricht. Oft ist es hier aber schwierig oder kostspielig, einen geschlossenen Regelkreis aufzubauen, der die Funktion der Heizung permanent überwacht. Große Heizflächen oder komplizierte Formen mit einer Vielzahl von kleinen Heizpatronen können aus Kostengründen nur partiell über einen Temperaturfühler überwacht werden. Der Ausfall einer einzelnen Heizung wird ebenfalls oft erst am Ergebnis erkannt.

Solche Ausfälle in industriellen Heizprozessen lassen sich jedoch durch eine frühzeitige Erkennung von Fehlern und Funktionsstörungen reduzieren – vorausgesetzt, die Daten der verschiedenen Anlagenkomponenten werden kontinuierlich erfasst und analysiert. Bei elektronischen Schaltelementen bietet sich für das Condition Monitoring ein integriertes Diagnose- und Überwachungssystem an, wie es beispielsweise das ‚NRG‘-System von Carlo Gavazzi zur Verfügung stellt. 
Das System beruht auf Halbleiterschützen, die um eine Kommunikationsschnittstelle erweitert wurden, sodass die Messwerte der Last und der Funktionen der Module in Echtzeit erfasst und an die Steuerung übermittelt werden können. 

Der modulare Systemaufbau

Ein NRG-System setzt sich aus einer Steuereinheit, dem NRGC, und bis zu 32 Schaltmodulen, den RGC1A60CM..EN, zusammen, die über einen internen RS485-Bus kommunizieren. Die Schaltmodule liefern die Daten der überwachten Prozess-Variablen. Die Steuereinheit stellt als Gateway die Verbindung zwischen den Modulen und der SPS her und ermöglicht die Kommunikation. Proprietäre interne Buskabel tragen die Kommunikations-, Versorgungs- sowie Autokonfigurationsleitungen und verbinden den Controller mit dem ersten Modul und dieses mit den weiteren Modulen in der Bus-Kette; an den letzten Anschluss wird ein Abschlusswiderstand angeschlossen. 
Es gibt die Steuereinheit mit Feldbus-Schnittstelle für Modbus sowie mit Industrial-Ethernet-Schnittstelle für Profinet IO. Beide Systeme bieten die Möglichkeit, über den internen Bus jedes einzelne Halbleiterschütz in der Kette anzusteuern und zu schalten. 
Die Steuereinheit für Profinet ist mit zwei RJ45-Ports für die Profinet-Schnittstelle, einem Kabelanschluss für den internen Bus sowie einem 24-V(DC)-Versorgungsanschluss ausgestattet. Eine Test-Taste an der Frontseite ermöglicht die Überprüfung der Funktion des internen Bus. LEDs zeigen den Gerätestatus an: die Versorgungsspannung an der Steuereinheit, Fehler im Profinet-System und Profinet-Bus sowie den Status des internen Bus. Alarmzustände wie Konfigurationsfehler, Fehler in den Kommunikationsverbindungen sowie interne Fehler werden durch unterschiedliche Blinksequenzen angezeigt. Mit Hilfe der GSD-Datei ist eine einfache und schnelle Einbindung der Steuereinheit in die Profinet-Welt möglich.

Der Halbleiterschütz

Die ‚NRG‘-Steuereinheit (links) agiert als Profinet-Gateway eines Subsystems mit maximal 32 Halbleiterschützen und als Master, über den jedes einzelne Halbleiterschütz in der Kette über den internen Bus angesteuert und netzsynchron im Spannungsnulldurchgang ein- oder ausgeschaltet werden kann.

© Carlo Gavazzi

Die Halbleiterschütze bilden die Schaltelemente und Überwachungssysteme des Systems. Es handelt sich um fünf verschiedene 1-polige Halbleiterschütze für einen Laststrom von 30 bis 65 A (bei bis zu 600 V(AC) Lastspannung). Neben einem Netzanschluss und einem Anschluss für die Heizungslast besitzen sie einen Anschluss für das Referenzsignal L1 oder N für die Spannungsmessung sowie zwei Anschlüsse für den internen Bus. Über einen Port wird das erste Halbleiterschütz in der Bus-Kette des Subsystems mit der Steuereinheit verbunden, der zweite Port dient dem Anschluss der folgenden Halbleiterschütze. Die Implementierung erfolgt per Autokonfiguration, die eine schnelle Einrichtung bei Erstintegration oder Austausch erlaubt und Fehleinstellungen vermeidet. Eine fehlerhafte Konfiguration ist dabei ausgeschlossen. LEDs auf der Frontseite der Module zeigen den Status von geschalteter Last, Kommunikation und Alarm an. Über die Blinksequenz lässt sich die Art des Alarms erkennen, sodass sich Fehler, wie Lastverlust, ein offener Lastkreis durch Netzausfall (zum Beispiel Sicherung ausgelöst), Unterbrechung oder Kurzschluss des Thyristors, unterscheiden lassen und die Fehlersuche sich vereinfacht. 

Die Funktion der Halbleiterschütze wird durch die Kommunikation mit der Steuereinheit überwacht. Als Profinet-Gateway eines Subsystems mit maximal 32 Halbleiterschützen sammelt sie über die Kommunikationsschnittstelle der Halbleiterschütze die Daten der überwachten Messgrößen in Echtzeit und übermittelt sie an die SPS. Überwacht werden Strom, Spannung, Frequenz, Leistung, Energieverbrauch der Last und Betriebsstunden. Als Diagnosedaten der Halbleiterschütze und der geschalteten Last stehen Informationen zu Netzverlust, Lastverlust, Lastabweichung und Übertemperatur, einem Kurzschluss im Lastkreis des Halbleiterschützes und seinem Zustand außerhalb der eingestellten Grenzwerte zur Verfügung. Erfasst werden zudem für jedes Schaltgerät die Anzahl der Schaltungen, die Betriebszeit und der Stromverbrauch. Damit lassen sich die Betriebsstunden und der Leistungsverbrauch der geschalteten Heizung genau erfassen.

Steuerung über Profinet

Michael Schultze ist Marketing Manager bei Carlo Gavazzi in Darmstadt.

© Carlo Gavazzi

Mit der Überwachung allein ist es bei Heizanwendungen nicht getan. Damit durch die Optimierung des Regelprozesses Ausschuss reduziert werden kann, müssen Halbleiterschütze auch präzise steuerbar sein. Via Profinet kann über den Controller als Master jedes einzelne Halbleiterschütz in der Kette über den internen Bus angesteuert und netzsynchron im Spannungsnulldurchgang ein- oder ausgeschaltet werden. Neben der direkten Steuerung können Anwender zwischen weiteren Betriebsmodi wählen, mit denen sie für jedes Halbleiterschütz und damit jeden Heizungskanal im System definierte Stellgrößen vorgeben können. Die Betriebsmodi entlasten die SPS und verringern den Kommunikationsaufwand über Profinet. So wird im Ein-Aus-Modus auf der Ebene der Steuereinheit die Schaltfunktion aller RGC1A60CM..EN-Module in der Kette einzeln direkt von der SPS gesteuert. 

Die weiteren Betriebsmodi Pulspaketsteuerung, Vollwellensteuerung und erweiterte Ganzwellensteuerung ermöglichen eine gezielte Leistungsregelung der Last. Bei der Pulspaketsteuerung lässt sich die Zeitbasis in einem Bereich von 0,1 bis 10 s festlegen. Dabei bestimmt der Steuerungswert den prozentualen Anteil der Einschaltdauer. Bei einem Steuerungswert von 10 % wird der Ausgang für 10 % der Zeitbasis eingeschaltet und für 90 % ausgeschaltet. Die Steuerung in Vollwellensteuerung basiert auf einem Steuerungswert von 0 bis 100 % in Ein-Prozent-Schritten und einer festen Zeitbasis von 100 Ganzwellen (2 s bei 50 Hz). Diese Schaltfunktion verteilt die Einschaltzyklen der Ganzwellen möglichst gleichmäßig über die Zeitbasis. Die erweiterte Ganzwellensteuerung arbeitet nach demselben Prinzip wie die Vollwellensteuerung, verteilt jedoch Halbwellen gleich-mäßig, sodass auf eine positive Halbwelle immer eine negative folgt. Damit wird 
eine Gleichstrombelastung der Versorgung verhindert. Der Vorteil der gleichverteilten Pulse und der erweiterten Ganzwellensteuerung gegenüber der Pulspaketsteuerung besteht in der geringeren Beanspruchung der Heizungen, da die Leistungszufuhr gleichmäßiger erfolgt und infolgedessen die Temperaturwechsel geringer ausfallen. Bei den erweiterten Ganzwellen ist zudem das visuelle Flimmern bei Infrarotstrahlern deutlich schwächer ausgeprägt als bei gleichverteilten Vollwellen oder gar einer Pulspaketsteuerung.