Heizungslasten via Profinet-Schnittstelle schalten

Vorausschauend Fehlerquellen erkennen: Mit dem NRG-System von Carlo Gavazzi Heizungslasten über eine Profinet-Schnittstelle präzise und schnell schalten.

Die Carlo Gavazzi GmbH hat mit dem NRG-System ein intelligentes „Frühwarnsystem“ im Programm, mit dem sich Lasten industrieller Heizungsanwendungen via Profinet-Schnellstelle präzise steuern lassen. Daten werden erfasst und analysiert, um Störfunktionen zu vermeiden.

Bei industriellen Heizungsanwendungen ist die zuverlässige, präzise und reproduzierbare Regelung der Temperatur entscheidend für die Qualität des Endproduktes. So beispielsweise auch bei Infrarotheizungen. Sie werden immer häufiger in Fertigungsprozessen in der Industrie eingesetzt. So kommen moderne Klebe- oder Lackierprozesse nicht mehr ohne gezielte Erwärmung oder Aushärtung durch Infrarotstrahler aus. Fehlfunktionen bei einem IR-Strahler oder einer Infrarotheizung werden jedoch meist erst dann sichtbar, wenn das produzierte Teil nicht den Qualitätsvorgaben entspricht. Hier ist es oft 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.

Diese Ausfälle in den industriellen Heizprozessen lassen sich durch eine frühzeitige Erkennung von Fehlern und Funktionsstörungen reduzieren. Grundlage für die vorausschauende Wartung ist die ständige Erfassung und Analyse der Daten der verschiedenen Anlagenkomponenten. Bei elektronischen Schaltelementen wird dafür ein integriertes Diagnose- und Überwachungssystem benötigt. Diese Überwachungsmöglichkeit stellt das NRG-System von Carlo Gavazzi zur Verfügung. Es beruht auf den Halbleiterschützen der Serie RGC1A, die um eine Kommunikationsschnittstelle erweitert wurden, so dass die Messwerte der Last und der Funktionen der Module in Echtzeit erfasst und an die Steuerung übermittelt werden können.

Ein NRG-System setzt sich aus einer NRG-Steuereinheit, dem NRGC, und bis zu 32 NRG-Schaltmodulen, den RGC1A60CM..EN, zusammen, die über einen internen RS485-BUS kommunizieren. Die Module liefern die Daten der überwachten Prozess-Variablen. Das NRGC stellt als Gateway die Verbindung zwischen den Modulen und der SPS her und ermöglicht die Kommunikation. Proprietäre interne BUS-Kabel, die die Kommunikations-, Versorgungs- und Autokonfigurationsleitungen tragen, verbinden den Controller mit der ersten und diese mit den weiteren Modulen in der BUS-Kette; an den letzten Anschluss wird ein Abschlusswiderstand angeschlossen.

Angeboten wird die Steuereinheit NRGC zunächst mit Feldbus-Schnittstelle für Modbus. Inzwischen wurde eine neue Version NRGC PN mit Industrial-Ethernet-Schnittstelle für Profinet IO ergänzt. Beide Systeme bieten die Möglichkeit, über den internen BUS jedes einzelne Halbleiterschütz in der Kette anzusteuern und zu schalten.

Die NRC-Steuereinheit NRGC-PN für Profinet hat eine Baubreite von 35 mm und ist mit zwei RJ45-Ports für die Profinet-Schnittstelle, einem RCRGN-Kabelanschluss für den internen BUS sowie einem 24-VDC-Versorgungsanschluss ausgestattet. An der Frontseite ermöglicht eine Test-Taste die Überprüfung des internen BUS. LEDs zeigen den Gerätestatus an: die Versorgungsspannung am NRGC-PN, 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 NRGC PN in die Profinet-Welt möglich.

Die NRG-Halbleiterschütze der Serie RGC1A60CM..EN bilden die Schaltelemente und Überwachungssysteme des NRG-Systems. Es handelt sich um fünf verschiede 1-polige Halbleiterschütze mit einer Baubreite ab 17,8 mm für einen Laststrom von 30 A bis 70 mm Baubreite für einen Laststrom von 65 A, bei bis zu 600 VAC Lastspannung. Neben einem Netzanschluss und einem Anschluss für die Heizungslast weisen sie einen Anschluss für das Referenzsignal L1 oder N für die Spannungsmessung sowie zwei Anschlüsse für den internen BUS auf.

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, so dass sich Fehler wie Lastverlust, ein offener Lastkreis durch Netzausfall (beispielsweise Sicherung ausgelöst), Unterbrechung oder Kurzschluss des Thyristors unterscheiden lassen und sich die Fehlersuche vereinfacht.

Um in der Großserienfertigung Kosten zu optimieren, sind die Schaltmodule auch als einzelne Halbleiterrelais-Typen RGS1A60CM50KEN, RGS1A60CM92KEN und RGS1A60CM92GEN verfügbar und können auf einen gemeinsamen Kühlkörper oder ein Kühlsystem montiert werden.

Die Funktion der Halbleiterschütze wird durch die Kommunikation mit dem NRGC-PN überwacht. Die Steuereinheit agiert dabei als Profinet-Gateway eines Subsystems mit maximal 32 Halbleiterschützen. Sie sammelt 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.

Mit 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 kann der Anwender zwischen weiteren Betriebsmodi wählen, mit denen er für jedes Halbleiterschütz und damit jeden Heizungskanal im System definierte Stellgrößen vorgeben kann. 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 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 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 gleichmäßig, so dass 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.

Das NRG-System mit Profinet-Schnittstelle unterstützt Fertigungsbetriebe, die industrielle Heizungsanwendungen nutzen, bei der Ausrichtung auf Industrie 4.0. Mit dem NRG-System kann der Anwender Daten in Echtzeit im laufenden Betrieb auslesen, die ihm die Früherkennung von Störungen und die vorbeugende Wartung zur Verhinderung von Stillstand- und Ausfallzeiten ermöglicht. Eindeutige Diagnosen vereinfachen und beschleunigen dabei die Fehlersuche. Über die Profinet Schnittstelle können sie die Halbleiterschütze zudem direkt über den BUS steuern. So wird eine sehr hohe Regelgüte und eine konstant hohe Qualität der Endprodukte erreicht. Die exakte Messung der Energiekosten jedes Produktionsprozesses verbessert die Ermittlung der Stückkosten.

Michael Schultze/db