Hallo miteinander,

ich wurde vom Verkauf hierher verwiesen.

Wir wollen eine Induktions-Lötanlage so regeln, dass der thermische (örtliche) Gradient in einem gewissen Rahmen bleibt. Dafür wollen wir insgesamt sechs Pyrometer auf verschiedene Stellen des Teils richten, den thermischen Gradienten berechnen, und dementsprechend den Strom der Maschine herunterregeln sobald der Gradient "zu groß" wird.

Jetzt wollte ich wissen, welche Hardware dafür geeignet ist.

Die Pyrometer, die wir im Auge haben, geben ihren Messwert analog als Signal von 4-20mA aus, wir wollen einen Bereich von ca. 100 bis 800°C messen, also muss die Messung des Stroms schon genau sein. Alternativ kommunizieren die Sensoren auch in RS232, was wäre da die bessere Lösung?

Aus der Messung wird dann ein PID-Regler gefüttert, der die Leistung der Induktionsmaschine "bremst" sobald es zu unterschiedlich warm wird. Die CPU muss also die Berechnungen hier durchführen können.

Die Induktionsanlage lässt sich über ein analoges Signal von 0 bis 10V steuern, also brauche ich einen möglichst fein schaltbaren analogen Ausgang.

Bin dankbar für alle Vorschläge.

Schönes Wochenende!

Hallo Brazing_Control,

Brazing_Control

.... den thermischen Gradienten berechnen, und dementsprechend den Strom der Maschine herunterregeln sobald der Gradient "zu groß" wird....

...wir wollen einen Bereich von ca. 100 bis 800°C messen, also muss die Messung des Stroms schon genau sein. ...

Aus der Messung wird dann ein PID-Regler gefüttert, der die Leistung der Induktionsmaschine "bremst" sobald es zu unterschiedlich warm wird. Die CPU muss also die Berechnungen hier durchführen können.

Die Induktionsanlage lässt sich über ein analoges Signal von 0 bis 10V steuern, also brauche ich einen möglichst fein schaltbaren analogen Ausgang.

was ist für Dich "genau" und "fein" ?

Bei einer Themperaturmessung zwischen 100 bis 800°C wirst Du wohl ohne Meßwandler nicht auskommen .

Auch die Rechenmöglichkeiten einer Logo sind recht begrenzt. Nach welcher Formel willst Du den thermischen Gradienten berechnen ?

Je nach Deinen Vorstellungen wäre es vielleicht besser eine S7 zu verwenden .

Gruß Ella_68

Ella_68

was ist für Dich "genau" und "fein" ?

Bei einer Themperaturmessung zwischen 100 bis 800°C wirst Du wohl ohne Meßwandler nicht auskommen .

Auch die Rechenmöglichkeiten einer Logo sind recht begrenzt. Nach welcher Formel willst Du den thermischen Gradienten berechnen ?

Je nach Deinen Vorstellungen wäre es vielleicht besser eine S7 zu verwenden .

Gruß Ella_68

Hallo Ella,

die ursprüngliche Aufgabenstellung hätte gerne, dass wir den Gradienten auf +/- 0,5K/cm genau kontrollieren, aber mir ist schon klar dass das weder nützlich noch mit vertretbarem Aufwand darstellbar ist. Mir würde es reichen, wenn wir den Temperaturunterschied zwischen zwei Sensoren auf ca. 10K beschränken können.

Welche Module für die Logo könnte man nehmen, die schon einen Messwandler integriert haben?

Den Gradient hätte ich jetzt ganz naiv für jede Lücke zwischen zwei Sensoren mit ΔT/Δx berechnet, wobei Δx der Abstand ist. Oder gibt's da eine besondere Formel?

motmonti

Kann es sein das die Aufgabe einfach nur hochgestochen umschrieben ist?! Ich verstehe das so das über die Temperatursensoren die Temperaturverteilung im Lötbad erfasst werden soll und entsprechend die Heizleistung angepasst. Bei 4-20mA und 100-800 Grad, kommt man auf rund 1 Grad Auflösung. Das sollte für die Aufgabe ausreichend sein. Den PI-Regler hat die Logo an Bord und ein analoges Stellsignal von 0-10V geht damit auch. Den Mittelwert aus 6-8 Analogwerten kann die Logo mit ihren begrenzten Rechenmitteln auch bilden. Also sollte das Projekt durchaus machbar sein. Logo Grundmodul plus 3-4 Analogeingangsmodule und fertig.

Hallo motmonti,

ja, ich beschreib' das wahrscheinlich komplexer als es sein muss. Bin komplett neu im PLC-Bereich, habe bisher nur mit Raspi und Arduino gespielt. Ella meinte oben, dass ich einen Messverstärker brauch, das hatte ich auch so verstanden als ich mir angeschaut habe, wie es mit einem Arduino gehen könnte.

Zum PID, wie schnell regelt der im Grundmodul? Ich hatte mit einem Hersteller von Induktionsanlagen geredet, der meinte, sie haben davon abgesehen eine Thermokamera zur Regelung zu verwenden, weil da die Bildrate zu niedrig ist. Also brauche ich wohl deutlich über 30 Aktionen pro Sekunde.

Sorry, meinte "Messverstärker". 

Beim Projektpartner dauert das Aufheizen auf Löttemperatur über 2 Minuten, bei unserer kleineren Anlage vermutlich etwas länger. Instinktiv hätte ich gesagt, dass 3 Schaltvorgänge pro Sekunde schnell genug sind, mich irritiert nur dass eben der Induktionsanlagen-Hersteller meinte, die Kamera ist nicht schnell genug für ihre Regler.

motmonti

Selbst Messverstärker braucht es nicht! Du hast ja auch keine Kameras, sondern Infrarotsensoren , oder!? Steht dazu irgendwo wie oft die pro Sekunde messen? Per PI hast du ja auch keine Schaltvorgänge, sondern einen stetigen Regler dann mit maximal 0,3s Verzögerung.

 Danke für die Infos zur Geschwindigkeit.Die Pyrometer geben alle 10ms einen Messwert aus.

Wie genau löst der Logo denn die Temperatur auf? Wenn ich einen Bereich von 700°C messen will und das mit einer Änderung von 16mA ausgebe, dann habe ich ja pro °C einen Stromunterschied von nur 0,02 mA.

motmonti

800 Grad in 2 Minuten macht rund 7 Grad/s. Wie genau muss die Temperatur denn sein? Die Logo würde bei Annäherung an die Solltemperatur die Leistung ja schon reduzieren um eine Punktlandung zu realisieren. Das ist dann eine Abstimmungsfrage des PI-Reglers.

Ja, mit 3 Regelungen pro Sekunde kommen wir dann auf 2°C Aufheizung zwischen zwei Zyklen (im schlimmsten Fall; wenn wir über die 700°C kommen entmagnetisiert sich der Stahl, ab da geht dann das Heizen eh etwas langsamer), das sollte sich gut regeln lassen. Ich denke, wenn wir die Zieltemperatur auf ungefähr 10°C treffen und der Gradient ~5°K/cm nicht übersteigt, sind die Projektpartner zufrieden. Viel steht und fällt dann ja auch noch mit dem Design der Induktionsspule, aber das ist ne ganz andere Baustelle.

 motmonti

Wie willst du die einzelnen Zonen denn separat thermisch verändern, wenn es nur eine Wärmequelle gibt?

 Die Induktionsspule umgibt die zu verlötenden Teile. Der Gradient wird nur dadurch geregelt, dass die Leistung gedrosselt wird, sobald der Gradient zu groß wird. Dann kann wieder die Wärmeleitung das Temperaturgefälle ausgleichen, bevor wieder stärker angeheizt wird.

Wenn ich das richtig verstanden habe, wird im Grunde eine Auswertung der größten Temperaturdifferenz zwischen sechs Messpunkten gewünscht. 

Mit einer Berechnung der Gradienten kann ich nicht dienen, aber die weiteste Spreizung kann ermittelt werden. Damit kann man eventuell zurecht kommen.

Hier ein Beispiel wie so ein Programm aussehen könnte.

Entweder der Temperaturausgleich zwischen den 6 Spots erfolgt physikalisch von alleine oder eben nicht - da verändert dann EINE Heizquelle wohl auch nichts.

wenn ich nur EINE Heizquelle zum ansteuern habe ergibt sich meiner Ansicht keinerlei Einfluss auf die Differenzen von den 6 Spots ??. möglicherweise würde ein höherer Abstand eines Sensors die Mittelung unnötig machen ?

Aus der Erfahrung mit einer Sackerlschweißanlage kann die beste Regelung einen plötzlichen Lastwechsel schlecht ausgleichen ... also wenn zB eine Lichtschranke feststellt das eine Platine zum Löten kommt ... dann einen Additiven "Hub" der Heizleisung für eine bestimmte Zeit.

ernstho

Entweder der Temperaturausgleich zwischen den 6 Spots erfolgt physikalisch von alleine oder eben nicht - da verändert dann EINE Heizquelle wohl auch nichts.

wenn ich nur EINE Heizquelle zum ansteuern habe ergibt sich meiner Ansicht keinerlei Einfluss auf die Differenzen von den 6 Spots ??. möglicherweise würde ein höherer Abstand eines Sensors die Mittelung unnötig machen ?

 

Wegen des "Skin-Effekts" heizt die Spule die Randbereiche der Lötteile schneller auf als die Mitte, wo quasi keine Feldlinien mehr durch laufen. Wenn also die Randbereiche schneller warm werden und dadurch der thermische Gradient zu groß wird, müssen wir also die Heizung runterstellen, bis die Wärmeleitung Zeit hatte, Wärme aus den Randbereichen in die Mitte zu transportieren. Das müsste doch funktionieren, oder übersehe ich hier etwas?

ernstho

Aus der Erfahrung mit einer Sackerlschweißanlage kann die beste Regelung einen plötzlichen Lastwechsel schlecht ausgleichen ... also wenn zB eine Lichtschranke feststellt das eine Platine zum Löten kommt ... dann einen Additiven "Hub" der Heizleisung für eine bestimmte Zeit.

Sorry, ich verstehe nicht ganz. Was ist ein Additiver Hub?

Hallo Brazing_Control,

sehr interessant dieses Thema zu verfolgen. Dazu hätte ich noch auf Deiner Beschreibung eine Überlegung:

Brazing_Control

Wegen des "Skin-Effekts" heizt die Spule die Randbereiche der Lötteile schneller auf als die Mitte, wo quasi keine Feldlinien mehr durch laufen. Wenn also die Randbereiche schneller warm werden und dadurch der thermische Gradient zu groß wird, müssen wir also die Heizung runterstellen, bis die Wärmeleitung Zeit hatte, Wärme aus den Randbereichen in die Mitte zu transportieren. Das müsste doch funktionieren, oder übersehe ich hier etwas?

Eigendlich müßte man nur den Istwert der Regelung vom Randbereich für Heizung nutzen. Ein Wärmefluß zur Mitte besteht ja so lange wie es eine Differenz gibt. Die anderen Sensoren überwachen die anderen Meßpunkte, die sich nicht im Randbereich befinden. Erst wenn alle Themperaturen gleich sind wird ein Ausgangssignal für den weiteren Prozess ausgegeben. .

Gruß Ella_68

Brazing_Control

 

ernstho

Entweder der Temperaturausgleich zwischen den 6 Spots erfolgt physikalisch von alleine oder eben nicht - da verändert dann EINE Heizquelle wohl auch nichts.

wenn ich nur EINE Heizquelle zum ansteuern habe ergibt sich meiner Ansicht keinerlei Einfluss auf die Differenzen von den 6 Spots ??. möglicherweise würde ein höherer Abstand eines Sensors die Mittelung unnötig machen ?

 

Wegen des "Skin-Effekts" heizt die Spule die Randbereiche der Lötteile schneller auf als die Mitte, wo quasi keine Feldlinien mehr durch laufen. Wenn also die Randbereiche schneller warm werden und dadurch der thermische Gradient zu groß wird, müssen wir also die Heizung runterstellen, bis die Wärmeleitung Zeit hatte, Wärme aus den Randbereichen in die Mitte zu transportieren. Das müsste doch funktionieren, oder übersehe ich hier etwas?

ernstho

Aus der Erfahrung mit einer Sackerlschweißanlage kann die beste Regelung einen plötzlichen Lastwechsel schlecht ausgleichen ... also wenn zB eine Lichtschranke feststellt das eine Platine zum Löten kommt ... dann einen Additiven "Hub" der Heizleisung für eine bestimmte Zeit.

 

Sorry, ich verstehe nicht ganz. Was ist ein Additiver Hub?

 Additiver Hub ... damit meine ich das zum Ausgangs-Regelsignal - also wenn zB 630 (6,3V) nach dem PI Regler herauskommt zu diesen für zB 10sec den Additiven Wert von 200 dazugibt - die Heizung wird dann für 10sec mit 8,3V angesteuert. Es soll etwa soviel Energie addiert werden welche durch die Temperatur-Belastung entzogen wird. (die Regelung soll das gar nicht mitbekommen)

Die ersten Sackerl wurden mit der richtigen Temperatur verschweißt - bis die Regelung und die Thermische Verzögerung auf die Temperaturbelastung gegensteuert dauert es zu lange, sodass bis zur "Aufhohlung" der Temperaturbelastung einige Sackerl zuwenig verschweißt waren. Spätere Sackerl wurden wieder richtig verschweißt, aber bei einer folgenden Pause kam es dann zu einer Übertemperatur. Dh war nur eine kurze Pause ... war es zuviel.

Das Problem war also nur wenn immer wieder Pausen sind und dann wieder etliche Sackerl kommen.    

Durch Temperatur - Laufzeiten kann die beste Regelung nur bedingt berücksichtigen. 

Abgesehen das die fertige PI Regelung der Logo keinen Differenzialanteil hat (kein PID - Regler) wäre das sowieso viel schwieriger hinzubekommen.

Fraglich ist also ob deine "Belasung" Pausen hat oder nicht und ob mit Sensor erkannt werden kann ob etwas daherkommt.

Zur Temperaturverteilung: es ist ja wohl ein kontinuierliches Heizen - zu starke Erhöhung der Heizung würde dann in den Randbereichen eine Übertemperatur ergeben ? oder geht es hier nur um die "Freigabe" ?

Danke für die Erklärung, muss ich probieren ob so etwas bei uns Sinn macht. Es kommt ja eigentlich nie "schlagartig" ein kaltes Objekt in die Heizzone wie bei deinem Prozess, es soll nur manchmal die Leistung runtergeregelt werden, wenn die Randzonen zu heiß im Vergleich zur Mitte werden. Also so etwa, mit aus der Luft gegriffenen Werten:

Zeitpunk = 0

• Solltemperatur für den Prozess 760°C
• Pyrometer 1 (Rand) meldet 20°C, Pyrometer 2 (15mm weiter Richtung Mitte) meldet 20°C
• Unterschied Ist-Soll-Temperatur = 740°C
• Reglerausgang aus PID, vor Prüfen des Gradienten: 100%
• Gradient = 0k/cm (OK)
• Analogausgang == 10V (100%)
  

Zeitpunk = 10s (Der Rand heizt sich auf)

• Solltemperatur immer noch 760°C
• Pyrometer 1 = 100°C, Pyrometer 2 = 60
• Reglerausgang aus PID vor Prüfung des Gradienten: 100% (sind immer noch weit vom Arbeitspunkt entfernt)
•  Gradient = (100°C-60°C)/1,5cm = 26,6K/cm (Nicht OK, abbremsen)
• Reglerausgang == 5V

Zeitpunkt = 120s (Arbeitstemperatur erreicht)

• Solltemperatur immer noch 760°C
• Pyrometer 1 = 760°C, Pyrometer 2 =760°C
• Reglerausgang aus PID: 5% (zum Warmhalten während das Lot sich verteilt)
  
• Gradient = 0 k/cm (OK)
• Reglerausgang == 0,5V

Zeitpunkt = 150s (Ab jetzt kann das Lot abkühlen, aber nicht zu schnell)

• Solltemperatur 730°C
• Pyrometer 1 = 760°C, Pyrometer 2 =760°C
• Reglerausgang aus PID: 0% (jetzt nicht mehr warmhalten)
• Gradient = 0 k/cm (OK)
• Reglerausgang == 0V

Wenn es soweit funktioniert, wäre ich super zufrieden. Ein Bonus wäre es, wenn ich beim Abkühlen auch den Gradient steuern könnte:

Du brauchst LOGO!Soft Comfort V8.4 (muss erworben werden)

Als Übergangslösung LOGO!Soft Comfort V8.4 Demo 

Downlodadseite

Hallo,

ich bin jetzt endlich an dem Punkt, dass wir einen Pyrometer angeschlossen haben. Danke nochmal für den Denkanstoß, der hat uns schon viel geholfen.

Bei dem Programm ist mir aufgefallen, dass die Messung des Stroms in B001 skaliert wird, und dann nochmal in B002. Warum muss man das so machen? Außerdem verstehe ich nicht, warum B001 als Eingangswert 4-20mA nimmt, obwohl man anscheinend den Sensor-Messwert erst mit einem 500 Ohm Widerstand auf 0-10V umskalieren muss. Der B002 nimmt dann ja auch 0-10V als Eingangswert.

Danke im Voraus!

Danke für die Erklärungen.

Wir probieren gerade, über ein AM2-Analogmodul den 4-20mA Strom des Pyrometers direkt auszulesen. Verstehe ich das richtig, dass ich dafür den Analogverstärker-Block B002 und B004 einfach herauslassen kann? Außerdem wollte ich noch fragen, wie ich die Ober- und Untergrenzen des Messbereichs anpasse, um das Programm ans Pyrometer anzugleichen . Kann man dafür einfach die Werte des Blocks anpassen und die Skalierung des Analogverstärkers passt sich automatisch dafür passend an?

So, wir sind inzwischen ein gutes Stück weiter gekommen. Unser momentanes Programm ist im Anhang.

Zur Erläuterung:

Gemessen werden zwei Temperaturen, Temperatur Ecke (Te) und Temperatur Mitte (Tm). Die Temperaturdifferenz wird durch den Abstand dividiert und ergibt damit den Temperaturgradienten.

Gleichzeitig wird die Temperatur Te an einen PI-Regler übermittelt, der die gemessene Temperatur mit dem Setpoint für das Löten vergleicht (momentan zu Testzwecken 120°C) und als Ausgangssignal ein 0-10V Signal erzeugt, welches die Intensität des Stroms der Maschine steuert.

Der Gradient soll 10°/cm nicht übersteigen, weshalb wir das Ausgangssignal des Reglers noch mit dem Modifikator abschwäschen: Modifikator = (Gradient - 10) * 100

Sobald die Temperatur Te den Setpoint von 120°C erreicht, schaltet das Programm auf die Abkühlphase um. Hier werden Timer gestartet, die alle 30 Sekunden einen neuen, niedrigeren Setpoint an den PI-Regler liefern. Der Gradient wird jetzt anders herum berechnet, da das Teil ja außen schneller abkühlt als innen. Der Modifikator wird natürlich trotzdem noch verwendet, da wir auch beim Abkühlen die Temperaturverteilung uniform halten wollen.

Am Ende der Abkühl-Phase muss das Programm von Hand abgeschaltet und wieder angeschaltet werden, um es zu resetten.

Jetzt hier unsere Fragen:

• Die Cursor-Funktion wird verwendet, um das Programm an/auszuschalten. In der Praxis funktioniert es aber nicht wie erwartet, die Logo lässt sich damit nicht ein/ausschalten. Was fehlt uns da noch?
• Hat jemand einen besseren Vorschlag, wie wir die Abkühlphase gestalten können? Die vielen Timer machen das Programm unübersichtlich.
• Wie kann man, außer mit der Cursor-Funktion, nach dem letzten Abkühl-Schritt den Setpoint wieder auf die ursprüngliche Temperatur setzen? Wenn möglich, würde ich gerne einen physischen Knopf einbinden, mit dem man das Programm starten und resetten kann.

Vielen Dank für den Vorschlag.

• Sobald der Zielwert (z.B. 120°C) erreicht ist, wird der Sollwert für den Ausgang kontinuierlich abgesenkt. In unserem Beispiel wird der Sollwert auf 120°C gesetzt. Wenn die Temperatur an der Kante 120°C erreicht, wird ein 2-Minuten-Timer gestartet, der den Sollwert kontinuierlich bis auf 35°C absenkt, solange der Timer läuft.
• Ein weiterer Sollwert (hier z.B. 85°C), der eigentlich an den PI-Regler übergeben werden soll, wird im Programm gar nicht verwendet.
• Die Temperatur wird nicht gehalten, sondern nur schrittweise abgesenkt, es gibt also keine Haltezeiten auf bestimmten Temperaturniveaus. Ich denke, für die thermische Homogenität wäre das Halten besser, oder?
  
• Wenn die niedrigste Temperatur erreicht ist, wird der PI-Regler wieder auf 120°C mit maximalem Ausgang gesetzt, wodurch der gesamte Prozess von vorne startet.

• Die Temperatur soll nach Erreichen von 120°C mindestens 2 Minuten gehalten werden, bevor der nächste Sollwert an den PI-Regler übergeben wird.
• Insgesamt benötigen wir mindestens fünf Haltewerte für die Temperatur (hier: 120°C für 2 Minuten, 100°C für 5 Minuten, 80°C für 5 Minuten, 50°C für 5 Minuten und 30°C für 5 Minuten).
• Wenn die niedrigste Temperatur (hier 30°C) erreicht ist, soll der PI-Regler entweder auf 0 gesetzt werden oder der Prozess abgeschaltet werden.
• Wir haben deshalb ursprünglich die Cursor-Funktion als Schalter verwendet. Falls wir stattdessen einen externen Taster an einen LOGO-Eingang anschließen, sollte damit der Prozess gestartet oder nach Erreichen der letzten Solltemperatur (30°C) abgeschaltet werden können.