Infrarotheizungen 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 NIR Halogen Infrarot-Strahler oder einer Infrarotheizung werden jedoch meist erst 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.
Aufbau des modularen Systems
Ein NRG-System setzt sich aus einer Steuereinheit und bis zu 32 Schaltmodule zusammen, die über einen internen RS485-BUS kommunizieren. Die Module liefern die Daten der überwachten Prozessvariablen. 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 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 Halbleiterschütze der Serie bilden die Schaltelemente und Überwachungssysteme. 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.
Überwachung über Profinet
Die Funktion der Halbleiterschütze wird durch die Kommunikation mit dem NRGC-PN überwacht. 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. 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 mit einer Auflösung bis zu einer Halbwelle vorgeben kann. Die Betriebsmodi entlasten die SPS und verringern den Kommunikationsaufwand über Profinet.
Fazit
Das NRG-System mit Profinet-Schnittstelle unterstützt Fertigungsbetriebe, die industrielle Heizungsanwendungen nutzen, bei der Ausrichtung auf Industrie 4.0. Mit dem 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.
