Leuchtendes Grün. Testeinrichtung für Steuergeräte von Pflanzenleuchten
Sehr viele Gemüsesorten, wie Tomaten, werden nahezu ausschließlich unter Glas oder in Folientunneln angebaut. Der Anbau von Gemüse hat sich inzwischen zu einem Hightech-Geschäft entwickelt. Es wird dabei nichts dem Zufall überlassen. Nicht planbare Einflüsse, wie Wetterkapriolen, dürfen keine Rolle mehr spielen. Das alles unter der Vorgabe von hohen Erträgen in bester Qualität bei möglichst geringen Kosten. Nicht nur die Zufuhr von Wasser und Nährstoffen wird genau gesteuert, auch beim Licht hat die Technik die Oberhand. In großen Gewächshäusern brennen bis zu 10.000 Metall- und Natriumdampflampen und verlängern, selbst wenn die Sonne schon untergegangen ist, den Tag. Mit 2.500 Brennstunden pro Jahr sorgen sie für optimale Lichtverhältnisse für die Pflanzen.
Diese Entladungslampen weisen hohe Anteile im blauen und roten Spektralbereich auf, das ergibt eine möglichst intensive, photosynthetisch aktive Strahlung. Der Blauanteil verhindert wucherndes Längenwachstum und der Rotanteil unterstützt die Reifephase. Die Lichtausbeute dieser Lampen ist hoch bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch. Das wirkt sich positiv auf die Produktivität aus wie auch die langen Wartungsintervalle bei einer mittleren Lebensdauer von ca. 10.000 Stunden.
Die Teststation mit Adapter für den Prüfling und Monitor für die Benutzerführung. Auf dem Bildschirm zu sehen: Das Oszillogramm des Zündimpulses für die Lampe. (Foto: MCD Elektronik GmbH)
Stromversorgung mit Intelligenz
Die Lampen werden mit elektrischen Leistungen zwischen 250 und 600 W angeboten. Metall- und Natriumdampflampen benötigen einen Zündimpuls von ca. 3,2 kV. Ein deutscher Hersteller dieser Speziallampen entwickelt und produziert in Zusammenarbeit mit einem Zulieferer die Netzgeräte für seine Planzenleuchten. Das Netzteil stellt nicht nur die Betriebs- und Zündspannungen bereit, sondern ist zugleich ein intelligentes Steuergerät, das die Lampe auf der Basis verschiedener Einflussgrößen, wie z.B. der aktuellen Sonneneinstrahlung, so steuert, dass ein Optimum von Strahlleistung und Energieverbrauch erreicht wird.
Für den Test dieser Steuergeräte suchte der Lampenhersteller einen Partner, der für die Produktion ein vollautomatisches Testsystem entwickelt. Für den Mess- und Prüftechnikspezialist MCD Elektronik, ein Unternehmen das vornehmlich Automotive-Projekte durchführt, war es eine interessante Herausforderung mit ungewöhnlichen Randbedingungen. Der Prüfling wird direkt an der Teststation programmiert und im Anschluss überprüft. Je nach Stromversorgungsmodell gelangen unterschiedliche Testmodi zur Anwendung. Dazu gehören Auswertungen, wie Strom- und Spannungsmessungen, aber auch das Auslesen und Auswerten von EEPROM Daten. Zudem wird ein Zündtest durchgeführt, bei dem die Zündspannung und ihre Frequenz gemessen und ausgewertet werden.
Das Blockdiagramm der Testeinrichtung. (Foto: MCD Elektronik GmbH)
Das Beste vom Markt für effektive Tests
Alle Komponenten sind in einem kompakten Test-Rack untergebracht. Die Adaption für den Prüfling ist separat und beinhaltet vor allem das Nadelbett zur Kontaktierung der Steuerungsplatine. Eine Besonderheit ist die Hochspannungsprüfung mit 3 kV. Dafür mussten im Adapter Sicherheitsvorrichtungen eingebaut werden mit den nötigen Sicherheitsabständen zu Signalleitungen. Auf einem Industrierechner sind die MCD-Softwareprodukte Prüfsoftware ‚TestManager CE‘‚‘ Toolmonitor PicoScope‘ und die Steuerprogramme für die Prüfplatzelektronik installiert. Über RS 232 Schnittstellen kommuniziert die Steuerung mit den Komponenten des Prüfstandes. Ein DC-Netzteil versorgt die Adaption mit Betriebsspannung. Der Prüfling wird über eine steuerbare AC-Quelle versorgt. Mit dem integrierten ‚PicoScope‘ können Signalwechsel, die an den CPU-LEDs auftreten, abgetastet und mit dem dafür spezialisierten MCD Toolmonitor ausgewertet werden. Ein Puls-Generator von Rigol erzeugt die Kurvenform zur Erzeugung des Zündimpulses. Über ein Multimeter mit Multiplexer von Keysight werden die vom Prüfling generierten Ausgangssignale erfasst und an den TestManager übergeben.
In der Adaption befindet sich neben einer Steuerungsbaugruppe der Differenztastkopf des PicoScopes und das Programmiergerät MK2 von Atmel. Damit wird in den ersten Schritten des Prüfablaufs ein programmierbarer Logikbaustein mit der Testsoftware programmiert. Sodann werden mit Hilfe des Keysight Multimeters Spannungs- und Strommessungen durchgeführt.
Der Anbau von Gemüse wird sehr präzise gesteuert. Die Teststation von MCD Elektronik sorgt für reibungslose Funktion. (Foto: Shutterstock/MCD)
Alles kommt auf den Prüfstand
Das Netzgerät erzeugt primär die Versorgungsspannungen für die Hochdrucklampe, führt aber mit seinem Prozessor auch anspruchsvolle Steuerungsaufgaben durch. Dazu gehören die notwendigen Sicherheitsfunktionen einschließlich eines Funk-Kommunikationssystems mit über 70 Protokollen. Für sehr große Gewächshäuser mit einer großen Anzahl von Leuchten können mehrere Steuergeräte miteinander vernetzt werden, um eine homogene Ausleuchtung zu gewährleisten. Bei der Ansteuerung der Lampen wird über Sensoren auch die Umgebungshelligkeit gemessen. Beim Test wird dazu ein Profil auf dem Steuergerät abgefahren, mit dem der Tagesablauf der Sonne in einem Gewächshaus simuliert wird. Die Arbeitsstunden der Lampen und unterschiedliche Fehlermeldungen gespeichert. Man kann durch einen Fernzugriff die Zustände der Lampen und des Steuergerätes kontrollieren und den Unterhalt der Beleuchtung ökonomisch steuern.
Der Testablauf ist komplett automatisiert. Nachdem der Werker den Prüfling in den Adapter eingelegt und den Deckel geschlossen hat, wird mithilfe des Scanners der Barcode des Prüflings gescannt. Anhand der Typbezeichnung erfolgt das Aufspielen der Testsoftware und die Testabfolge beginnt. Auf dem Steuergerät befinden sich mehrere Transformatoren. Mit einem davon wird die Zündspannung von ca. 3,2 kV erzeugt, um die Lampe zu starten. Der Zündfunke mit einer Frequenz von 200 kHz dauert ca. 100 ms. Nach dem Zündtest wird die Anzahl der Zündungen ausgelesen. Spannung und Frequenz werden von einem Kompakt-Oszillograf des britischen Herstellers ‚Pico Technology‘ ermittelt. Der Oszi tastet ebenfalls Signalwechsel, die an den CPU-LEDs auftreten, ab. Eine Variante der MCD eigenen Software ‚Toolmonitor‘ steuert den Oszillograf unter der einheitlichen Bedienoberfläche des Prüfplatzes. Der gesamte Testvorgang dauert ca. eine Minute. Der Werker bekommt allerdings erst die Freigabe zum Entnehmen des Prüflings aus der Adaption, wenn dieser entladen ist.
Prüf- und Funktionsumfang:
- Strom- und Spannungsmessungen
- Funktions- und Bauteilprüfung
- Programmierung der Prüflinge mit Hilfe eines Atmel MK2-Geräts
- Nutzung, Einstellung und Auswertung von unterschiedlichen Testmodi
- Auslesen, Analysieren und Archivieren von EEPROM-Daten
- Zündtest-Messung mit 3 kV und Frequenzauswertung
Das Nadelbett für die Steuerungsplatine. (Foto: MCD Elektronik GmbH)
Hintergrund:
Der Gemüsebau ist mit einem Produktionswert von fast 1,82 Mrd. Euro die wirtschaftlich wichtigste Sparte im deutschen Gartenbau. Auf einer Grundfläche (ohne Mehrfachnutzung) von knapp 105.000 ha produzierten 2012 etwa 7.220 Betriebe Gemüse. Die Produktion findet sowohl in hochspezialisierten Gemüsebaubetrieben als auch in landwirtschaftlichen Betrieben statt. (Quelle: ZBG Branchenbericht 2014)
Autor: Dipl. Ing. Joachim Tatje
