Carlo Gavazzi

Infrarotheizungen präzise steuern

5. Mai 2022, 8:54 Uhr | Michael Schultze
Infrarotheizungen präzise steuern
© Carlo Gavazzi

Um Fertigungsbetriebe, die industrielle Heizungsanwendungen nutzen, bei der Ausrichtung auf Industrie 4.0 zu unterstützen, sind Systeme hilfreich, die diese speziellen Heizungslasten präzise uschalten können und auch das komplette Monitoring des Lastkreises übernehmen.

Infrarotheizungen ermöglichen in der Fertigung das Nutzen von Erwärmung für Be- und Verarbeitungsprozesse: In der Glasindustrie werden Infrarotstrahler zum Verformen von Glas eingesetzt, in der Medizintechnik für Sterilisations- und in Anlagen zur Halbleiterherstellung für Sinterprozesse. Weitere Einsatzgebiete finden sich in der Automobilindustrie für Klebe- und Lacktrocknungsprozesse (Coating) sowie in der Verpackungsindustrie in Schrumpftunnelanlagen. Infrarotstrahler ergänzen oder ersetzen das Spektrum herkömmlicher Bearbeitungsmöglichkeiten und unterstützen die Entwicklung neuartiger Werkstoffe und Bearbeitungsverfahren. Dabei arbeiten sie energieeffizienter als andere Heiztechniken, da Infrarotstrahlen die zu erwärmenden Objekte direkt erreichen und sich gezielt auf die zu bearbeitenden Stellen ausrichten lassen.

Heizungen überwachen und steuern

Infrarotheizungen präzise steuern
Das NRG-System besteht aus einer Steuereinheit und mehreren Halbleiterrelais. Die Steuereinheit agiert als Gateway eines Subsystems mit maximal 32 Halbleiterrelais und als Master, über den jedes einzelne Halbleiterrelais in der Kette über den internen Bus angesteuert und ein- oder ausgeschaltet werden kann.
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Fehlfunktionen oder Ausfälle bei den Heizungen werden meist erst sichtbar, wenn das produzierte Teil nicht den Qualitätsvorgaben entspricht. Daher ist die zuverlässige, präzise und reproduzierbare Regelung der Temperatur entscheidend für die Vermeidung von Ausschuss. Allerdings ist der Aufbau eines geschlossenen Regelkreises, der die Funktion der IR-Strahler permanent überwacht, oft schwierig oder kostspielig. Um Ausfälle aufgrund von Fehlern und Funktionsstörungen zu reduzieren, hat Carlo Gavazzi das NRG-System entwickelt. Es setzt sich aus einer Steuereinheit und bis zu 32 Halbleiterrelais zusammen, die über einen internen RS485-Bus kommunizieren. Proprietäre interne Bus-Kabel mit Kommunikations-, Versorgungs- und Autokonfigurationsleitungen verbinden die Steuereinheit mit dem ersten und dieses mit den weiteren Halbleiterrelais in der Bus-Kette; an den letzten Anschluss wird ein Abschlusswiderstand angeschlossen.

Predictive Maintenance und Fernwartung

Das System ermöglicht durch eine vollständige Überwachung die vorbeugende und geplante Wartung und verhindert so ungeplante Produktionsausfälle. Da sich anbahnende Störungen frühzeitig identifizieren lassen, kann eine Revision der Anlage oder Maschine geplant erfolgen. Anwender können beispielsweise die Veränderung des Innenwiderstandes von Heizelementen und damit deren Alterung erkennen. Beim Erreichen eingestellter Grenzwerte wird eine Meldung generiert, so dass Heizelemente ausgetauscht werden können, bevor sie ausfallen. In Verbindung mit der SPS (oder dem IPC) besteht zudem die Möglichkeit der Fernwartung, da alle Messdaten hierhin übertragen werden. Die Option der Fernwartung ermöglicht Betreibern vor Ort den Support durch den Anlagen- oder Maschinenbauer aus der Ferne.

Steuereinheit und Halbleiterrelais

Infrarotheizungen präzise steuern
Die Steuereinheit mit einer Baubreite von 35 mm ist mit zwei RJ45-Ports für die SPS-seitige Schnittstelle, einem RCRGN-Kabelanschluss für den internen Bus sowie einem 24-VDC-Versorgungsanschluss ausgestattet. LEDs zeigen den Gerätestatus an: die Versorgungsspannung an der Steuereinheit sowie Fehler in den Kommunikationsverbindungen.
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Die NRG-Steuereinheit fungiert als Gateway für die Ethernet-, Modbus-, Profinet- oder Ethercat-Kommunikation und ermöglicht den Datenaustausch mit SPS oder IPC für die Schaltprozesse sowie für die Übermittlung der Überwachungs- und Diagnoseinformationen. Überwacht werden Strom, Spannung, Frequenz, Leistung sowie Energieverbrauch der Last. Als Diagnosedaten der Halbleiterrelais und der geschalteten Last stehen Informationen zu Netzverlust, Lastverlust, Lastabweichung und Übertemperatur, einem Kurzschluss im Lastkreis des Halbleiterrelais und seinem Zustand außerhalb der eingestellten Grenzwerte zur Verfügung. Zudem werden für jedes Schaltgerät die Anzahl der Schaltungen, die Betriebszeit sowie der Stromverbrauch erfasst. Damit lassen sich die Betriebsstunden und der Leistungsverbrauch der geschalteten Heizung genau aufzeichnen.

Bei den Halbleiterrelais handelt sich um eine Serie von fünf verschiedenen 1-poligen Geräten. Ihre Implementierung erfolgt per Autokonfiguration, was 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, so dass sich die Fehlersuche vereinfacht.

Die Halbleiterrelais liefern die Daten der überwachten Prozessvariablen. Jedes einzelne Halbleiterrelais in der Kette lässt sich direkt von der SPS/ dem IPC aus ansteuern, netzsynchron im Spannungsnulldurchgang ein- oder ausschalten oder aber über Phasenanschnitt mit einer Auflösung in 1-%-Schritten präzise steuern. Zudem hält eine automatische Netzspannungskompensation die an die Last abgegebene Ausgangsleistung durch die Anpassung der Regelstufe an die Spannungsschwankungen stabil. Kompensiert wird proportional zu dem Sollwert, der vom Hauptregelsystem der Heizung vorgegeben wird. Ein Algorithmus berechnet den Kompensationsfaktor auf Basis einer vom Benutzer eingestellten Referenzspannung. Eine Sanftanlauf-Funktion, die entweder als Anlaufzeit oder aber mit einer einstellbaren maximalen Stromgrenze programmiert werden kann, begrenzt den beim Einschalten der kalten Infrarotheizungen sehr hohen Einschaltstrom.

Betriebsmodi für die Leistungsregelung

Neben der direkten Steuerung können Anwender zwischen den Betriebsmodi Pulspaket-, Vollwellen- und erweiterte Ganzwellensteuerung wählen, mit denen sich für jedes Halbleiterrelais und damit jeden Heizungskanal im System definierte Stellgrößen vorgeben lassen. Die unterschiedlichen Modi entlasten SPS/ IPC und verringern den Kommunikationsaufwand über den Feldbus.

Infrarotheizungen präzise steuern
Der Autor: Michael Schultze ist Marketing Manager bei Carlo Gavazzi in Darmstadt.
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Bei der Pulspaketsteuerung kann die Zeitbasis in einem Bereich von 0,1 bis 10 s festgelegt werden. 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 1-%-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 gleichmäßig, so dass auf eine positive Halbwelle immer eine negative folgt. Damit wird eine Gleichstrombelastung der Versorgung verhindert. Ihr Vorteil gegenüber der Pulspaketsteuerung besteht in der geringeren Beanspruchung der Heizungen, da die Leistungszufuhr gleichmäßiger erfolgt und infolgedessen die Temperaturwechsel geringer ausfallen.

Ein weiterer Betriebsmodus ist die Phasenanschnittsteuerung in 1-%-Schritten. 


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