Einsatz von Temperaturreglern und Mikro-SPSen zur Beschleunigung kleiner Automatisierungsprojekte

Hitze. Sie ist in vielen industriellen Prozessen wichtig, z. B. bei Verpackungsversiegelungsmaschinen, Kunststoffspritzgussverfahren, Lötöfen, Halbleiterverarbeitung usw. Jeder Prozess hat spezifische Anforderungen an das Temperaturniveau und die Regelgenauigkeit.

Die Automatisierung trägt dazu bei, ein Höchstmaß an Produktivität und Nachhaltigkeit in Industrie-4.0-Betrieben zu erreichen. Kleine Maschinen und die Wärmeverarbeitung bilden hier keine Ausnahme. Aber nicht alle Umstände verlangen nach großen, umfassenden Lösungen. Bei vielen Anwendungen kann die Performance mit relativ einfachen dedizierten Temperaturreglern und kleinen speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) verbessert werden.

Bei der Maschinenkonstruktion kann aus einer Reihe von Optionen für einfache Automatisierungsprojekte gewählt werden, darunter Heizungssteuerungen für ein- und dreiphasige Stromversorgungsumgebungen, Heizungssteuerungen mit einer Reihe von hochentwickelten Steuerungsalgorithmen und SPSen, die für kleine bis mittelgroße Automatisierungsumgebungen optimiert sind. Einige kleine Maschinen arbeiten relativ isoliert, während andere von der Anbindung an einen größeren Betrieb profitieren können.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über Leistungsregler und Optionen für Heizungsregler, einschließlich Überlegungen zu Hardware und Software. Abschließend wird ein Blick auf Fragen der Systemintegration im Zusammenhang mit Sensortechnologien für die Temperaturmessung und optimierte SPSen für kleine bis mittelgroße Maschinen geworfen und es werden beispielhafte Produkte von Omron vorgestellt.

Von der Aushärtung von Materialien wie thermofixierten Harzen und Klebstoffen bis hin zur Herstellung von Lebensmitteln und Getränken erfordern industrielle Prozesse häufig eine Temperaturkontrolle, um die Effizienz zu erhalten und die Qualität zu sichern. Industrielle Heizanlagen sind notwendig, aber Temperaturregler sind der Schlüssel.

Es gibt mehr als eine Möglichkeit, die Temperatur von industriellen Heizanlagen zu regeln. Die Betriebsprioritäten des Systems bestimmen den gewählten Ansatz. Eine einfache Spannungsregelung kann verwendet werden, wenn die Betriebskosten im Vordergrund stehen und eine weniger präzise Temperaturregelung akzeptabel ist.

Durch die Regulierung der Spannung, mit der das Heizelement versorgt wird, kann der Stromverbrauch des Heizgeräts gesteuert und die Heizleistung variiert werden. Spannungsänderungen können schnell umgesetzt werden und führen zu entsprechenden Temperaturänderungen, allerdings mit einer Verzögerung, die je nach Systemaufbau variiert. Durch die Verringerung der Spannung werden die Energiekosten gesenkt und die Temperatur verringert. Die Reaktionszeit für Temperatursenkungen kann jedoch für viele Prozesse zu lang sein, und es kann schwierig sein, die Temperatur genau zu steuern.

Jenseits der grundlegenden Spannungskontrolle

Für viele Anwendungen ist eine einfache Spannungssteuerung unzureichend. In diesen Fällen kann eine Ein/Aus-Steuerung, eine Zyklussteuerung, eine Optimalzyklussteuerung oder eine Phasensteuerung verwendet werden (Abbildung 1). Jede dieser Techniken weist eine Reihe unterschiedlicher Leistungsmerkmale auf:

• Die Phasenkontrolle bietet die beste Steuerbarkeit bei guter Größe und Kosten der Lösung sowie ein akzeptables Rauschverhalten für die meisten Anwendungen.
• Die Zyklussteuerung bietet ein gutes Regelverhalten, geringe Abmessungen und Kosten sowie ein hervorragendes Rauschverhalten. Bei der „optimalen“ Zyklussteuerung wird der Schaltzustand für jeden Halbzyklus ermittelt.
• Die Ein-/Aus-Steuerung mit Halbleiterrelais (SSR) bietet eine gute Regelbarkeit bei kleinster Baugröße, angemessenen Kosten und hervorragendem Rauschverhalten.

Abbildung 1: Leistungsschaltoptionen für die Steuerung von industriellen Heizanlagen. (Bildquelle: Omron)

Implementierung der Phasensteuerung und der optimalen Zyklussteuerung

Omron bietet mehrere Optionen für die Implementierung von Ein-/Aus-Regelung, Phasenregelung oder optimaler Zyklusregelung, darunter das Modell G3PW-A245EU-S, das für Betriebsspannungen von 100 V_AC bis 240 V_AC ausgelegt ist; andere Modelle sind für den Betrieb von 400 V_AC bis 480 V_AC erhältlich.

Diese Steuerungen verfügen über eine Erkennung für das Ausbrennen des Heizelements, die die Betriebszeit des Systems erhöht. Ein RS-485-Kommunikationsanschluss wird zur Einstellung von Variablen und zur Überwachung des Laststroms verwendet.

Die G3PW-Steuergeräte unterstützen eine vollständige Laufzeitüberwachung und eignen sich für den Einsatz mit Lasten mit konstantem oder variablem Widerstand.

Mehrkanalige Leistungsregler

Die Mehrkanal-Leistungsregler der Serie G3ZA unterstützen dreiphasige Heizgeräte und bieten eine optimale Zyklussteuerung für drei Phasen. Bei der Verwendung mit Nulldurchgangs-SSRs unterstützt er den Betrieb mit geringer Rauschleistung. Eine Steuereinheit kann bis zu 8 SSRs steuern. Darüber hinaus ist eine Sanftanlauffunktion für Lampenheizungen verfügbar (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Mehrkanal-Leistungsregler G3ZA unterstützen die optimale dreiphasige Zyklussteuerung. (Bildquelle: Omron)

Für dreiphasige Heizgeräte wurde eine dreiphasige optimale Zyklussteuerung hinzugefügt. Das Modell G3ZA-4H203-FLK-UTU ist für den Betrieb mit 100 V_AC bis 240 V_AC ausgelegt und verfügt über RS-484-Anschlussmöglichkeiten. Andere Modelle sind für den Betrieb von 400 V_AC bis 480 V_AC erhältlich.

Temperaturregler für die Systemintegration

Temperaturregler wie der EJ1N-TC4A-QQ können mit Leistungsreglern wie den Mehrkanalreglern der Serie G3ZA verbunden werden. Sie verfügen über Eingänge für Temperatursensoren sowie über Anschlüsse für die System-SPS. Die Einheit kann Thermoelemente, Platin-Widerstands-Temperaturfühler (RTDs) und analoge Eingangssignale verarbeiten.

Zu den Funktionen gehört die automatische Abstimmung (AT), die bei der Implementierung einer Proportional-Integral-Digital-Regelung (PID) helfen kann. Die automatische Abstimmung kann zur manuellen Bestimmung der PID-Konstanten nach der Sprungantwortmethode verwendet werden. Bis zu 16 Temperaturregler können über einen einzigen DeviceNet-Kommunikations-Hub angeschlossen werden.

Wärmemanagement-Software

EJ1N-Temperaturregler lassen sich mit dem Softwarepaket EST2-2C-MV4 für die Thermo-Unterstützung nutzen. Diese Software ermöglicht die Bearbeitung und den Stapeldownload von Parametern von einem PC aus und beschleunigt so die Konfiguration und Inbetriebnahme.

Außerdem unterstützt es die Trendüberwachung von bis zu 31 Steuereinheiten. Zu den Parametern, die überwacht werden können, gehören Prozesswerte (PVs), Systemwerte (SVs), manipulierte Werte (MVs), PID-Parameter und der Ein/Aus-Status von Alarmen.

Zu den unterstützten logischen Operationen gehören das Setzen von Eingängen von externen Eingängen (Ereigniseingängen) oder des Temperaturstatus, das Senden von Werten an externe Steuer- oder Hilfsausgänge und das Ändern des Betriebszustands mit Ein/Aus-Verzögerungen.

Verbesserte PID-Regelung

Die PID-Regelung kann für Temperaturregelungsanwendungen sehr nützlich sein. Leistungsregler wie die Mehrkanalregler der Serie G3ZA mit schnell schaltenden Halbleiterrelais können zusammen mit Temperaturreglern, die PID-Algorithmen verwenden, die für die Einhaltung der erforderlichen Temperaturtoleranzen erforderliche feinkörnige Steuerung bieten.

Bei der grundlegenden PID-Regelung besteht ein Kompromiss zwischen dem schnellen Erreichen des Betriebssystemwerts mit einem messbaren Überschwingen oder der Minimierung des Überschwingens, jedoch mit einem langsameren Hochfahren auf den Systemwert. Außerdem gibt es einen Kompromiss zwischen dem Erreichen des Systemwerts und der Reaktion auf Störungen des tatsächlichen Prozesswerts, der von einem Sensor gemessen wird. Ein besseres Ansprechen auf Prozesswert-Änderungen geht oft mit einer schlechteren Systemwert-Hochlaufperformance einher.

Um diese Performanceeinbußen auszugleichen, hat Omron einen verbesserten PID-Algorithmus namens 2-PID (PID mit zwei Freiheitsgraden) entwickelt. Die werkseitigen PID-Voreinstellungen sind für die meisten Heizanwendungen geeignet und unterstützen Reaktionen mit minimalem Überschwingen. Bei 2-PID kann die Reaktionsgeschwindigkeit auf Änderungen des Systemwerts eingestellt werden, und der Regler stellt den PID-Algorithmus automatisch so ein, dass eine optimale Reaktion auf Störungen des Prozesswerts erfolgt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die 2-PID-Temperaturregelung von Omron (unteres Diagramm) kombiniert gutes Störverhalten (rechts) mit gutem Sprungverhalten (links). (Bildquelle: Omron)

Die 2-PID-Regelung ist in den E5CC-Temperaturreglern von Omron enthalten, z. B. im E5CC-QX3A5M-003. Diese Steuerungen können auch eine einfache Ein/Aus-Steuerung für weniger anspruchsvolle Anwendungen realisieren.

Die große weiße Prozesswertanzeige zeigt den Prozesswert und die kleinere grüne Systemwertanzeige zeigt den gewünschten Wert an (Abbildung 4). Die optionale Managementsoftware CX-Thermo unterstützt die schnelle Programmierung. Für einfache Anwendungen können diese Steuerungen Zeitgeberfunktionen und grundlegende logische Operationen mit Hilfe einer SPS realisieren.

Abbildung 4: E5CC-Temperaturregler zeigen Prozess- und Systemwerte deutlich an. (Bildquelle: DigiKey)

Die RS-485-Schnittstelle unterstützt Modbus-Kommunikation oder das Omron-eigene CompoWay/F. Diese Steuerungen akzeptieren eine Vielzahl von Eingängen, darunter:

• 12 Arten von Thermoelementen
• PT100- oder JPt100-RTDs
• Stromeingangssignale von 4 bis 20 mA oder 0 bis 20 mA
• Spannungseingangssignale von 1 bis 5 V, 0 bis 5 V oder 0 bis 10 V

Adaptive PID-Regelung zur Störungsunterdrückung

Die adaptiven Temperaturregler NX-TC heben die PID-Regelung auf die nächste Stufe und können sich an die Betriebsbedingungen in Echtzeit anpassen. Die adaptive Steuerung ermöglicht eine Selbstoptimierung der Steuerungseinstellungen aufgrund von Prozessänderungen. Darüber hinaus verfügen diese Steuerungen über integrierte Funktionen für Verpackungsversiegelungsanwendungen und wassergekühlte Kunststoffextruder. Für einfache Anwendungen kann eine einfache Ein/Aus-Steuerung implementiert werden.

Die Störungsunterdrückungsfunktion (DSF) arbeitet in Verbindung mit der PID-Regelung, um Temperaturabfälle zu unterdrücken, die durch routinemäßige und vorhersehbare Störungen in Anwendungen auftreten könne. Beispielsweise:

• Abscheideanlagen, bei denen die Temperatur in der Kammer sinkt, wenn Gas eingeleitet oder Material durch eine offene Tür zugeführt oder entnommen wird
• Wafer-Prober, wenn Strom an den Wafer angelegt wird, was zu einem Temperaturanstieg führt
• Formsysteme, bei denen die Temperatur der Form beim Einspritzen des Harzes sinkt

DSF unterdrückt automatisch positive und negative Temperaturausschläge, die durch vorhersehbare Ereignisse verursacht werden. Die DSF wird durch Triggersignale vor der Störung ausgelöst und addiert oder subtrahiert zum manipulierten Wert. Diese automatische Abstimmung passt die Vorwärtskopplung (FF), die FF-Betriebszeit und die FF-Wartezeit an und kann die Zeit zum Erreichen der Temperaturstabilisierung um bis zu 80 Prozent verkürzen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die DSF-verstärkte PID-Regelung kann die Wartezeit für die Temperaturstabilisierung um bis zu 80 Prozent reduzieren. (Bildquelle: Omron)

NX-TC-Einheiten wie das 2-kanalige NX-TC2405 zur Ansteuerung von SSRs sind auf Skalierbarkeit optimiert. Das Sysmac Studio von Omron kann für die Programmierung der Steuerung mehrerer Heizkreise oder Standorte verwendet werden, wenn mehrstufige Heiz-/Kühlprozesse implementiert werden.

Zusätzlich zur DSF-PID-Regelung unterstützen diese Regler die Ein-/Aus-Regelung und verfügen über eine Funktion zur Erkennung von Fehlern auf Grund des Ausbrennens von Heizelementen. Sie umfassen EtherNet/IP und EtherCAT für die Netzwerkanbindung und können eine Vielzahl von Thermoelement- oder RTD-Sensoreingängen aufnehmen.

Man kann nicht optimieren, was man nicht misst

Leistungsschaltanwendungen, Temperaturregler und Thermomanagement-Software können in einem Informationsvakuum keine optimale Performance erbringen. Temperatursensoren liefern die Betriebsdaten, die es den Steuerungen und der Software ermöglichen, ihre Aufgaben zu erfüllen. Es steht eine breite Palette von Temperatursensortechnologien zur Verfügung, darunter:

• Thermistoren funktionieren als temperaturabhängige Widerstände. Sie haben in der Regel eine Wiederholbarkeit und Stabilität von etwa ±0,1°C. Das Modell E52-THE5A-0/100C hat einen Betriebstemperaturbereich von -50°C bis 300°C.
• Ein Temperatursensor vom Typ K ist ein Thermoelement mit Chromel- und Aluminiumleitern. Sie können als Tauchsensoren, Oberflächensensoren oder in anderen Ausführungen konfiguriert werden. Das Modell E52-CA1GTY 2M hat einen Betriebstemperaturbereich von 0°C bis 300°C.
• RTD-Sensoren sind hochpräzise und eignen sich aufgrund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen für raue Industrieumgebungen. Der Platin-pt100-RTD-Sensor E52-P6DY 1M ist für den Betrieb von -50°C bis 250°C ausgelegt.
• Berührungslose Infrarotsensoren (IR-Sensoren) wie der ES1-LW100-N können die Temperatur eines Zielbereichs mit einem Durchmesser von 35 mm in einem Abstand von 1000 mm messen. Sie sind für Temperaturen bis zu 1000°C ausgelegt.

Verknüpfung zu einem System

Bei der Entwicklung von kleinen bis mittelgroßen Maschinen mit bis zu 320 I/Os können die SPSen der Serie CPE2 von Omron verwendet werden. Die Kommunikationsfähigkeiten dieser kleinen SPSen unterstützen die Datenübertragung von Maschine zu Maschine (M2M) und die Integration in das industrielle Internet der Dinge (IIoT).

Mit einem Betriebstemperaturbereich von -20°C bis +60°C eignen sich die SPSen CPE2 für verschiedene industrielle Anwendungen wie Verpackungs- und Versiegelungsmaschinen, Abfüll- und Verschließmaschinen, Metall- oder Kunststoffbearbeitungswerkzeuge, Kunststoffformmaschinen und Kleinteilmontage. Das Modell CP2E-N30DR-D hat 18 Eingänge und 12 Ausgänge und kann mit 100 bis 240 V_AC oder 24 V_DC betrieben werden. Es kann mit dem 7-Zoll-Farb-Touchscreen-HMI NB7W-TW01B zu einer kompletten Systemlösung kombiniert werden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Steuereinheit CP2E-N30DR-D von Omron und 7"-Farb-Touchscreen-HMI NB7W-TW01B. (Bildquelle: Omron)

Fazit

Der Umgang mit Wärme ist ein wesentlicher Aspekt vieler industrieller Prozesse. Es erfordert die Auswahl und Integration von Leistungsreglern und Heizungsreglern mit optimierten Algorithmen. Temperatursensoren sind ein weiteres wichtiges Teil des Wärmemanagement-Puzzles. Schließlich kann bei der Entwicklung auf kleine SPSen zurückgegriffen werden, um die M2M-Kommunikation und die Integration in das IIoT zu unterstützen.