Thyristorsteller Analoge Ansteuerung von Leistungsstellern über digitale Ausgänge

Autor / Redakteur: Olaf Kammerer* / Gerd Kucera

In Anwendungen, in denen elektrische Leistung variabel geregelt werden muss, kommen Leistungssteller zum Einsatz. Doch die Kosten der zur Ansteuerung benötigten Peripherie (etwa analoge Ein- und Ausgänge an der SPS oder Profibus-Module) übersteigen nicht selten den Preis der Steller. Eine Alternative zu bekannten Methoden ist die Ansteuerung mittels digitalem seriellem Datentelegramm.

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In industriellen Applikationen übernimmt typischerweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) das Ein- und Ausschalten des Leistungsstellers. Das geschieht entweder mit einem analogen Steuersignal von zwischen 0 und 10 V, einem Signal über einen Industriebus wie Profibus-DP oder Modbus oder über einen digitalen Ausgang der Steuerung. Sobald aber ein Steller aufgrund der für die Applikation benötigten Regelgenauigkeit von 0 bis 100% gestellt werden muss, kommt üblicherweise nur die analoge Ansteuerung mit 0 bis 10 V oder die Ansteuerung über einen Industriebus in Frage.

Die analoge Ansteuerung von Leistungsstellern braucht teure analoge Ein- und Ausgänge an der SPS (Archiv: Vogel Business Media)

Beide Verfahren sind relativ aufwändig und verursachen (für analoge Ein- und Ausgänge an der SPS bzw. die Profibus-Module) schnell Kosten im vierstelligen Bereich. Oft ist diese Lösung dann für den Prozess überdimensioniert, insbesondere bei Batch- bzw. taktenden Prozessen, bei denen Stellwerte nicht kontinuierlich, sondern beispielsweise nur alle 2 s übertragen werden müssen. Hier bietet sich der Einsatz des seriellen Datentelegramms TransDil an, das eine Regelung zwischen 0 und 100% Leistung bei ähnlich niedrigen Kosten wie beim reinen ein- und ausschalten erlaubt.

Erhöhte Anforderungen an Genauigkeit und Stellgeschwindigkeit

Die einfachste Variante, die als Leistungsschalter bezeichnet wird, ist ein nullpunktschaltendes Halbleiterrelais bzw. Thyristorschalter, angesteuert mit z.B. einer SPS im Pulsweitenbetrieb (PWM). Diese Schaltungsvariante ist allerdings nur bei relativ trägen Lasten wie Widerstandsheizungen einsetzbar, bei denen die Auszeiten den Prozess nicht negativ beeinflussen. Sobald erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit und Stellgeschwindigkeit gestellt sind, müssen Thyristorsteller eingesetzt werden (bzw. mit einer Ansteuerung versehene momentanschaltende Halbleiterrelais). Hier werden als Steuerverfahren (neben der Pulsweitenmodulation, die natürlich auch möglich ist) vorzugsweise die Pulspaketsteuerung (auch: Impulsgruppenbetrieb) oder der Phasenanschnitt eingesetzt.

Die Alternative Sinussteller für besonders kritische Anwendungen

Der Phasenanschnitt ist dabei die genaueste und eine weit verbreitete Methode, um Leistung variabel zu stellen. Jedoch ist beim Phasenanschnitt immer genau die Einhaltung der EMV-Normen zu prüfen, was typischerweise stets im Verbund mit der jeweiligen Anlage oder Maschine erfolgt. Sollte es sich um eine besonders kritische Anwendung handeln, stehen als Alternative auch Sinussteller zur Verfügung, bei denen es sich um Leistungssteller handelt, die direkt die Amplitude stellen und so die Probleme der steilen Schaltflanken beim Phasenanschnitt vermeiden (allerdings basieren sie auf IGBT-Technologie, was wiederum mit höherer Verlustleistung, Kosten und Platzbedarf einhergeht).

Vorteilhafte Thyristortechnik statt IGBT-Lösung

Thyristorschalter und Thyristorsteller stehen für große Lastbereiche (bis 500 kW) als fertige Module zur Verfügung. Ein weiterer Vorteil der Thyristortechnik ist die geringe Verlustleistung im Vergleich zu IGBT-Lösungen. Dennoch ist eine Kühlung unumgänglich, die normalerweise über Aluminiumkühlkörper gewährleistet wird. Dabei kommt eine reine Konvektionslüftung, aktive Lüftung mit Lüftern oder eine Flüssigkeitskühlung in Frage. Welche Variante im konkreten Fall gewählt wird, ist sowohl von der Last als auch von Nebenbedingungen (wie verfügbarer Platz oder Umgebungstemperatur) abhängig.

Darüber hinaus zeichnen sich Thyristorsteller durch quasi Wartungsfreiheit bei einer Lebensdauer von einigen Jahrzehnten aus. Deshalb ist bei einer Investitionsentscheidung neben den Anschaffungskosten auch immer eine Betrachtung der Total Cost of Ownership (TCO) zu empfehlen.

Ansteuern des Stellers via serielles Datentelegramm TransDil

Das Ansteuern der Thyristorsteller und -schalter mit einer SPS geschieht prinzipiell mit einem analogen Stellwert, mit einer einfachen digitalen Ein/Aus-Schaltung oder mit einem Industriebus. Die Vorteile der analogen Ansteuerung bzw. des Industriebusses (aber teuer!) bei gleichzeitiger Vermeidung der Nachteile der digitalen Ein/Aus-Schaltung (fehlende Funktionalität!) verbindet das serielle Datentelegramm von Systemtechnik LEBER.

Vergleich zwischen analoger und digitaler serieller Ansteuerung

Bei der analogen Übertragung der Stellwerte benötigt man für jeden Steller einen analogen Ausgang an der SPS (und ggf. sogar je einen analogen Eingang für Rückmeldungen) sowie typischerweise einen digitalen Freigabeausgang für die gesamte Anlage. Damit wird insbesondere bei kleinen Leistungen der hohe Aufwand deutlich: Oft übersteigen die Kosten für die analogen Ausgänge die Kosten für die Steller. Im Gegensatz dazu benötigt man bei der Ansteuerung mit dem seriellen Datentelegramm nur einen digitalen Ausgang je Steller sowie ebenfalls einen digitalen Ausgang als Takt für die gesamte Anlage.

Eine Beispielrechnung hierzu zeigt die Tabelle. Es vergleicht die Kostenersparnis bei einer Anlage mit 50 Einzelstellern (beispielsweise 50 Heizzonen bei einer Elektrowärme-Applikation). Es ergibt sich bei diesem Beispiel eine Kostenersparnis von wenigstens 45 bzw. über 60%.

TransDil – ein trickreiches serielles Datentelegramm

Das serielle Datentelegramm TransDil begnügt sich mit preisgünstigen Digitalausgängen (Archiv: Vogel Business Media)

Die serielle Übertragung der analogen Stellwerte setzt ein Protokoll voraus, das vom Leistungssteller verstanden wird und über eine SPS ausgegeben werden kann. Das Protokoll TransDil erfüllt diese Voraussetzungen. Die meisten Leistungssteller des Herstellers Systemtechnik LEBER sind für die Verwendung dieses seriellen Datentelegramms ausgelegt und lassen sich dem entsprechend kostengünstig ansteuern. Für die SPS-Familie S5 und S7 von Siemens gibt es einen kostenlosen Treiber (weitere auf Anfrage).

Das serielle Datentelegramm TransDil kommt je Leistungssteller mit einer Taktleitung und einer Datenleitung aus (es bedeuten SB = Startbit/D0-D7 Datenbit/PE = Parity even/ST = Stopbit) (Archiv: Vogel Business Media)

Der Trick des Datentelegramms liegt in seiner Struktur, die eine zuverlässige und schnelle Übertragung der Stellwerte sicherstellt. Zum Übertragen der Daten muss sowohl eine Datenleitung (an Eingang 1) als auch die Taktleitung (an Eingang 2) angeschlossen sein. Für die SPS (oder den PC) wird keine spezielle serielle Hardware benötigt. Die Signale Takt und Daten werden mit normalen 24V-Digital-Ausgängen erzeugt.

Stellwerte haben eine Genauigkeit von 0,5%

Tabelle: Bis zu 60% Kostenersparnis sind möglich, wenn der Leistungssteller mittels TransDil-Datentelegramm angesteuert wird (Archiv: Vogel Business Media)

Das Protokollhandling erfolgt nach folgenden Regeln: Alle Daten werden nur bei negativen Taktwechsel gelesen und die Übertragung eines Bytes beginnt mit dem SB, gefolgt von LSB bis MSB, dann ein PE und ein ST. Das Parity ist even und nach einem PE muss mindestens ein ST kommen. Es dürfen mehrere ST zusammenhängend gesendet werden. Spätestens jedoch nach 2 s muss ein neues Telegramm gesendet werden. Wenn Takt low ist und die Datenleitung von low nach high und wieder zurück nach low wechselt, wird ein Startbit angenommen. Die Länge des Telegramms ist 1 Byte, damit haben Stellwerte eine Genauigkeit von 0,5%.

Die Taktrate ist dabei unkritisch, nur die Länge jedes Schrittes muss >18 ms sein. Der kleinste Stellwert ist 000d oder 00h und entspricht 000%, der größte Stellwert ist 255d oder 0FFh und entspricht 100%. Eine praktikable Übertragungsrate ist zwei Stellwerte pro Sekunde. Damit steht dem Anlagenplaner ein einfach implementierbares Tool zur Verfügung, das für eine Vielzahl von Applikationen geeignet ist und dabei gleichzeitig hohe Kostenersparnisse ermöglicht.

*Olaf Kammerer ist verantwortlich für Marketing bei der Systemtechnik LEBER GmbH & Co. KG, Schwaig bei Nürnberg.

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