08.04.05 - Kontrolliert anfahren, optimieren und regeln

Die Temperatur ist eine der am häufigsten gemessenen physikalischen Grüßen. Trotzdem gehören die exakte Temperaturmessung und -regelung zu den schwierigsten Aufgaben der Prozess- und Automatisierungstechnik.

Auf die Kunststofftechnik zugeschnitten: Durch das überschwingungsfreie Anfahren vermeiden die Regelbaugruppen die Dampfbildung in Extrudern und erhöhen so die Lebensdauer der Heizpatronen.

Verteilte Intelligenz: Mit ihren vielfältigen Schnittstellen können die Regelbaugruppen mit den unterschiedlichsten Systemen kommunizieren.

Das Erfassen und schnelle Ausregeln vieler Temperaturen ist deshalb für jede anspruchsvolle Applikation eine besondere Herausforderung. Um diese zu meistern, haben Gossen Metrawatt und Vipa gemeinsam zwei Baugruppen entwickelt.

Die Anforderung, immer flexiblere und produktivere Maschinen und Anlagen zu günstigeren Preisen anzubieten, stellt unter anderem an die Steuerungs- und Regelungstechnik höhere Ansprüche. Steuerungssysteme müssen immer mehr Aufgaben in kürzerer Zeit erledigen und Regler sollen einen Wert möglichst schnell erreichen und stabil halten.

Damit sich beides vereinen lässt, haben die Firmen Vipa, Herzogenaurach, und Gossen Metrawatt, Nürnberg, gemeinsam zwei Baugruppen für das kompakte, modulare Automatisierungssystem S7-300 von Siemens und das Vipa-System 300V konzipiert. Die vier- bzw. achtkanaligen Temperaturregel-Baugruppen FM355 und R355 arbeiten nach dem von Gossen Metrawatt entwickelten PDPI-Regelverhalten.

Dieses Verhalten vereint die Vorteile des PD-und des PID-Regelverhaltens, vermeidet aber deren Nachteile. Das dynamische Verhalten entspricht dem des PD-Verhaltens und der zusätzliche Integralteil bewirkt, dass die bleibende Regelabweichung vollkommen ausgeregelt wird. Dadurch erreicht man ein sehr schnelles und überschwingfreies Anfahren, da der Regler sehr stark auf eine anfängliche große Sollwertabweichung reagiert. Mit nur einer Reglereinstellung lassen sich mit einem PDPI-Regler Einwirkungen sowohl von Störgrößen als auch von Sollwertänderungen ohne Überschwingen und Pendeln ausregeln. Ein Heißkanalregler mit so einer überschwingfreien Anfahrrampe liefert ein sehr schnell schaltendes, störreduziertes Stellsignal und verhindert dadurch Dampfbildung.

Branchenspezifische Funktionalität

Dies kommt den kompakten Heizpatronen in Spritzgusswerkzeugen zu Gute. Wird das in den Werkzeugen vorhandene Material zu schnell erhitzt, wandelt sich die darin enthaltene Feuchtigkeit in Dampf um und beschädigt die Heizpatrone. Für wassergekühlte Extruderzonen wurde eigens ein Regelalgorithmus zur Kompensierung der nichtlinearen Eigenschaften der Wasserverdampfung entwickelt.

Neben den bereits implementierten Funktionen, wie dem Fahren von Sollwertrampen (getrennt für Anstieg und Absenkung) und dem Tauschsollwert, hat man spezielle Funktionen der Heißkanaltechnik integriert. Durch das Anfahren mit einem reduzierten Stellgrad und Verweilen auf einem Sollwert besteht beispielsweise die Möglichkeit hygroskopische Heizelemente auszutrocknen. Ein synchrones Hochheizen verhindert thermische Spannungen durch die Minimierung der Istwert-Differenzen.

Die Selbstoptimierung nimmt Rücksicht auf die Istwertführung sowie die Anfahrschaltung. Die zeitlich begrenzte Anhebung des Sollwertes dient zur Befreiung der zugesetzten Werkzeugdüsen von 'eingefrorenen' Materialresten und zum Durchheizen der Regelzonen.

Selbstständige Optimierung

Neben Zweipunkt-, Dreipunkt-, Schritt-und Stetigregelung in einer Ausführung sind die autarken Regel-Baugruppen auch als Kaskaden-, Differenz-, Umschalt- und Heißkanalregler verwendbar. Für verschiedene Anwendungen, wie einem Werkzeugwechsel, kann man einen zweiten Parametersatz im Regler speichern. Die Inbetriebnahme der Baugruppen gestaltet sich sehr einfach. Sie lassen sich innerhalb kürzester Zeit konfigurieren und passen sich durch Selbstoptimierung an die jeweilige Regelstrecke an.

Die Adaption der Regelparameter ist für jeden Kanal zu jedem Zeitpunkt aus startbar. Innerhalb von nur 100 ms werden für alle vier bzw. acht Kanäle neue Stellgrößen gebildet und die Heizströme ohne Unterbrechung des Regelzyklusses überwacht.
Alle gängigen Thermoelemente, Pt100 in Zwei- bzw. Dreileitertechnik und für Gleichstrom bzw. -Spannung, kann man an die Messeingänge anschließen. Sie werden auf Fühler- oder Leitungsbruch, Verpolung oder Kurzschluss überwacht. Bei Störungen sind Fremdspannungen bis 230 VAC zulässig. Damit Stellglieder auch über größere Distanzen angesteuert werden können, gibt es Regelmodule mit und ohne Stellausgänge.

Auch die binären Ein-/Ausgänge lassen sich frei zuordnen. Über analoge Ausgänge kann man die proportionalen Stellglieder ansteuern. Alle Ausgänge sind kurzschlussfest und einzeln bis 500 mA belastbar.

Sicherheit von Anfang an

Die Baugruppen besitzen einige Überwachungsfunktionen wie Heizkreis-, Heizstrom- und Grenzwertüberwachung (Anfahrunterdrückung/Alarmspeicherung), das Verhalten bei Fühlerbruch sowie die Überwachung der binären Ausgänge oder eines Gerätefehlers. Werden die vorgegebenen Grenzwerte überschritten, generieren sie eine Meldung als kanalspezifischen Alarm, als Sammel oder Gruppenalarm. Mit der Datenlogger-Funktion ist es im Fehlerfall möglich, die Ist- und Stellwerte zu bewerten.

Für alle Kanäle speichert der Datenlogger je 3600 Ist- und Stellwerte. Der Abtastzyklus lässt sich zwischen 0,1 und 600 s einstellen, so dass sich eine Aufzeichnungsdauer von 6 Minuten bis zu 25 Tagen ergibt. Auch für die Alarme gibt es einen Speicher. Er enthält bis zu 100 Einträge über den Kanal- oder Gerätefehlerstatus sowie die Ausgangsfehler mit dem zugehörigen Zeitstempel.

Die Mapping-Funktion dient als Testhilfe zur richtigen Verdrahtung der Heizung bzw. der Fühler. Mit ihr kann man die Zuordnung der Anschlüsse bereits vor dem ersten Hochheizen bei der Inbetriebnahme durchführen. über mehrere Phasen lässt sich dabei prüfen, ob die Temperaturänderungen der einzelnen Kanäle zu den Stellsignalen passen.

Wird ein Fehler vom Gerät erkannt, bleiben alle Stellausgänge inaktiv, bis jemand den Fehler quittiert. Auch mit Parametersätzen ist ein Austausch der Regelbaugruppe im Servicefall problemlos möglich, da die Parameter zusätzlich in der CPU hinterlegt sind. Beim Anfahren vergleicht die Baugruppe die Parametersatz-ID mit der entsprechenden Aktualisierung.

Visualisierung und Konfiguration im Netzwerk

Das Softwaretool 355Config ermöglicht eine vollständige Konfiguration und Parametrierung über die Import- und Export-Funktion (WLD-Datei) in ein S7-Projekt im Simatic-Manager. Hantierungsbausteine zur Kommunikation über den Rückwandbus stehen für CPUs von Siemens und Vipa (auch Speed7) kostenlos zur Verfügung.

Neben einer Online-Visualisierung der zyklisch anfallenden Werte, u. a. Istwerte, Stellgrößen, Heizströme und Alarme, ist auch die Konfiguration von Prozessgrößen, wie Sollwerte, Verzugszeiten, Rampen und Fehlerdiagnose, über die CPU-Schnittstellen MPI, Profinet, Ethernet TCP/IP, Profibus-DP und CANopen möglich. Die benutzerfreundliche Bedienoberfläche für die Touch Panel-Bedienung lässt sich kundenspezifisch an die Applikationsumgebung anpassen.