Benutzerdefinierte Steuerung für die Automatisierung von Luftschleieranlagen

Luftschleier werden an Öffnungen zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Temperaturen oder Umgebungsbedingungen eingesetzt. Ein kontrollierter Luftstrom bildet eine Barriere über der Öffnung und reduziert den Luftaustausch sowie den damit verbundenen Transport von Wärme, Feuchtigkeit und Verunreinigungen. Die Leistungsfähigkeit eines Luftschleiers hängt unter anderem von der Austrittsgeschwindigkeit, dem Austrittswinkel, der Geometrie der Öffnung, den Druckverhältnissen und den Temperaturbedingungen ab. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Parameter den Ein- und Austritt von Luft durch eine geöffnete Tür direkt beeinflussen.

Typische Anwendungen sind Verladetore, Lagereingänge, Kühl- und Tiefkühlräume, Zugänge zu Produktionsbereichen sowie Übergänge zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Temperatur- oder Hygieneanforderungen. In diesen Anwendungen muss die Luftschleiersteuerung auf Faktoren wie Türöffnung, Temperatur, erforderliche Ventilatorleistung und Heizbedarf reagieren.

Für einen führenden Hersteller von Luftschleier- und beheizten Luftschleiersystemen entwickelte akYtec eine kundenspezifische OEM-Steuerung auf Basis des programmierbaren Relais PR103. Das Projekt kombiniert anwendungsspezifische Steuerungsalgorithmen, eine vereinfachte Benutzeroberfläche und eine an die Anforderungen der Geräte des Herstellers angepasste Hardwarekonfiguration.

Der Ansatz basiert auf einer etablierten Steuerungsplattform, anstatt die komplette Hardware- und Softwarearchitektur von Grund auf neu zu entwickeln. Nach Angaben von akYtec reduziert dies den Entwicklungsaufwand und ermöglicht die Herstellung eines kundenspezifischen Geräts innerhalb eines vergleichsweise kurzen Entwicklungszeitraums.

Steuerungsfunktionen für Heizung, Luftstrom und Türbetrieb
Die kundenspezifische Steuerung übernimmt die für gewerbliche und industrielle Luftschleiersysteme erforderlichen Betriebsfunktionen. Dazu gehören automatische Heizungs- und Temperaturregelung, die Regelung der Ventilatordrehzahl sowie verschiedene Betriebsarten für Türkontakte.

Die Steuerung kann außerdem Betriebszeiten, Schutzfunktionen für die Anlage, Alarme und die Überwachung von Störungen verwalten. Sie unterstützt elektrisch beheizte und wasserbeheizte Luftschleier und kann an unterschiedliche Produktfamilien innerhalb des Portfolios des OEM-Herstellers angepasst werden.

Diese Funktionen sind relevant, weil die Leistungsfähigkeit eines Luftschleiers nicht allein davon abhängt, ob der Ventilator in Betrieb ist. Untersuchungen zu Luftschleiersystemen zeigen, dass Austrittsgeschwindigkeit, Austrittswinkel und Druckunterschiede die Stabilität und Wirksamkeit des Luftstroms beeinflussen. Wind und andere äußere Störungen können die Strömungsverhältnisse an einer Öffnung ebenfalls verändern.

Bei beheizten Systemen kommt die Temperaturregelung als weiterer Faktor hinzu. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Erwärmung des Luftstroms dessen Auftrieb verändern kann und eine übermäßige Erwärmung unter bestimmten Bedingungen die aerodynamische Wirksamkeit beeinträchtigen kann. Eine koordinierte Regelung von Luftstrom und Heizung ist daher relevant, wenn das System zwischen Bereichen mit großen Temperaturunterschieden eingesetzt wird.

PR103 kombiniert Ein- und Ausgänge mit industrieller Kommunikation
Die Steuerung basiert auf dem Ethernet-fähigen Kleinsteuergerät PR103. Die Plattform ist unter anderem für Anwendungen in den Bereichen Lüftung, Heizung und Anlagensteuerung ausgelegt und verfügt neben Ethernet über zwei RS-485-Schnittstellen. Sie unterstützt Modbus TCP über Ethernet sowie Modbus RTU/ASCII über RS-485.

Der PR103 ist in Varianten mit sechs digitalen Eingängen, vier schnellen digitalen Eingängen, sechs analogen Eingängen und entweder bis zu zehn digitalen Ausgängen oder acht digitalen Ausgängen plus zwei analogen Ausgängen erhältlich. Die vier schnellen Eingänge können Impulssignale mit einer Frequenz von bis zu 100 kHz verarbeiten.

Die analogen Eingänge unterstützen unter anderem 4–20 mA, 0–10 V, Pt1000 und NTC/PTC-Signale sowie weitere konfigurierbare Signaltypen. Dadurch können Temperatursensoren und andere analoge Feldgeräte direkt an die Steuerung angeschlossen werden, ohne dass zwangsläufig ein separates Signalumwandlungsgerät erforderlich ist. Die angegebene maximale Aktualisierungsrate der analogen Eingänge beträgt 1 ms.

Die Steuerung kann außerdem mit bis zu zwei PRM-Erweiterungsmodulen ausgebaut werden. Für Programmierung und Konfiguration stehen MicroUSB, Ethernet und RS-485 zur Verfügung. Die Steuerungslogik wird mit der Programmierumgebung akYtec ALP entwickelt. Eine integrierte Echtzeituhr ermöglicht unter anderem zeitgesteuerte Betriebsfunktionen.

Der PR103 arbeitet mit einer Nennversorgungsspannung von 24 V DC und einem angegebenen Versorgungsspannungsbereich von 9 bis 30 V. Der zulässige Umgebungstemperaturbereich reicht von -40 °C bis +55 °C. Das für die Montage auf einer DIN-Schiene ausgelegte Gerät misst 123 × 108 × 58 mm und verfügt über ein Gehäuse der Schutzart IP20.

Für einen OEM-Hersteller von Luftschleiern ermöglicht die Kombination aus digitalen Eingängen, analogen Temperatureingängen, Ausgängen und industriellen Kommunikationsschnittstellen die Integration von Funktionen wie Türkontaktüberwachung, Temperaturmessung, Ventilatorsteuerung, Heizungssteuerung und Kommunikation mit übergeordneten Automatisierungssystemen in eine gemeinsame Steuerungsarchitektur.

OEM-Anpassung von der Software bis zur Hardware
Das Projekt zeigt ein Entwicklungsmodell, bei dem eine standardisierte Automatisierungsplattform die Grundlage für die Steuerungshardware bildet, während die OEM-spezifischen Funktionen durch Anpassungen an Software, Benutzeroberfläche und Hardware umgesetzt werden.

akYtec gibt an, dass der Zeitraum von der ersten Anfrage bis zu einem kundenspezifischen, einsatzbereiten Gerät typischerweise etwa zwei Monate beträgt. Das Unternehmen bietet Ausführungen ohne akYtec-Kennzeichnung sowie Varianten mit kundenspezifischer Kennzeichnung an.

Das OEM-Angebot umfasst außerdem Softwareänderungen, Anpassungen der Gerätealgorithmen und die Entwicklung kundenspezifischer Leiterplatten. Dadurch kann die Anpassung über die reine Programmierung hinausgehen, wenn die Standardkonfiguration der Steuerung die Anforderungen eines Geräteherstellers nicht vollständig erfüllt.

Für Hersteller, die mehrere Luftschleiermodelle produzieren, kann anwendungsspezifische Software zudem ermöglichen, eine gemeinsame Hardwareplattform für unterschiedliche Betriebsanforderungen zu konfigurieren. Der Umfang dieser Wiederverwendung hängt von der Ein- und Ausgangskonfiguration, der verwendeten Heiztechnik, den Sensoren, den Stellgliedern und den Kommunikationsanforderungen der jeweiligen Produktfamilie ab.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und einen Wettbewerbsvergleich, die in der ursprünglichen Produktankündigung nicht enthalten waren.

Der PR103 ist im Bereich kompakter Automatisierung zwischen klassischen programmierbaren Relais und allgemein einsetzbaren SPS-Architekturen einzuordnen. Die Kombination aus analogen Eingängen, mehreren Kommunikationsschnittstellen und Erweiterungsmöglichkeiten macht ihn für Anwendungen geeignet, die über einfache digitale Schaltaufgaben hinausgehen.

Ein direkter Vergleich ist mit kompakten Automatisierungsplattformen wie Siemens LOGO! 9 und Schneider Electric Zelio Logic SR2/SR3 möglich, wobei sich die Produkte hinsichtlich Architektur und Funktionsumfang unterscheiden.

Der PR103 verfügt über sechs Standard-Digitaleingänge sowie vier schnelle Digitaleingänge, sechs Analogeingänge und bis zu zehn Digitalausgänge. Eine Variante bietet stattdessen acht Digitalausgänge und zwei Analogausgänge. Zusätzlich sind Ethernet mit Modbus TCP sowie zwei RS-485-Schnittstellen für Modbus RTU/ASCII integriert. Es können bis zu zwei PRM-Erweiterungsmodule angeschlossen werden.

Zelio Logic SR2/SR3 von Schneider Electric ist eine vergleichbare Kleinsteuerungsplattform für kleinere Automatisierungsanwendungen. Schneider Electric gibt bis zu 26 Ein- und Ausgänge in einem Gehäuse mit Abmessungen von 124,6 × 90 × 59 mm an. Je nach Ausführung stehen 6, 10 oder 14 digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung; analoge Ein- und Ausgänge können über Erweiterungsmodule ergänzt werden. Modbus und Ethernet werden über Kommunikationsmodule bereitgestellt und nicht über dieselbe integrierte Kommunikationskonfiguration wie beim PR103.

Siemens LOGO! 9 verfolgt einen anderen Ansatz und kombiniert eine kompakte Logiksteuerung mit integrierter Ethernet-Konnektivität und skalierbaren Ein- und Ausgängen. Siemens gibt eine Systemerweiterung auf bis zu 64 Digitaleingänge, 60 Digitalausgänge, 16 Analogeingänge und 16 Analogausgänge an. LOGO! 9 unterstützt außerdem Modbus TCP/IP und MQTT direkt und verfügt über einen integrierten Webserver für Überwachung und Visualisierung.

Der Vergleich zeigt, dass keine einzelne Spezifikation bestimmt, welche Plattform für eine Luftschleieranwendung vorzuziehen ist. Zu den relevanten Kriterien gehören Anzahl und Typ der analogen und digitalen Signale, die Möglichkeit zum direkten Anschluss von Temperatursensoren, verfügbare Ethernet- und serielle Kommunikationsschnittstellen, Erweiterungsanforderungen, Programmierumgebung und der erforderliche Umfang der OEM-Anpassung.

Für die von akYtec beschriebene Anwendung kombiniert der PR103 sechs Analogeingänge, mehrere digitale Ein- und Ausgänge, zwei RS-485-Schnittstellen und Ethernet in einer einzigen DIN-Schienen-Steuerung. Diese Konfiguration kann die Anzahl separater Schnittstellenkomponenten reduzieren, wenn ein Luftschleiersystem Temperaturmessung, Türstatusüberwachung, Ventilator- und Heizungssteuerung sowie die Kommunikation mit externen Automatisierungssystemen erfordert.

Auch die technischen Anforderungen des Luftschleiers selbst bleiben entscheidend. Veröffentlichte Untersuchungen identifizieren Austrittsgeschwindigkeit, Austrittswinkel, Druckunterschied, Temperaturdifferenz und die Geometrie der Öffnung als wichtige Faktoren für die Wirksamkeit der Luftbarriere. Der Nutzen der Steuerung liegt daher vor allem darin, das Gerät entsprechend den festgelegten Betriebsanforderungen zu koordinieren und zu regeln, nicht darin, die Wirksamkeit des Luftschleiers unabhängig von dessen mechanischer und strömungstechnischer Auslegung zu bestimmen.

Bearbeitet von Sucithra Mani, Redakteurin bei Induportals – mit Unterstützung durch KI.

www.akytec.com