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Title:
REAL-TIME MONITORING OF A MULTI-ZONE VERTICAL FURNACE WITH EARLY DETECTION OF A FAILURE OF A HEATING ZONE ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/058358
Kind Code:
A1
Abstract:
The aim of the invention is to help avoid wafer losses in thermal treatment. Wafers have values of up to 150,000 euros per batch. Therefore, unplanned failure of the thermal device for treating the wafers should be avoided. The method according to the invention for monitoring the thermal device(s) (100) for receiving and controlling the temperature of wafer lots or batches of wafers uses a continuously applied measurement of a resistance value (R1) in at least one heating zone (1') of a plurality of heating zones (1', 2', 3', 4', 5') of the thermal device. The currently measured value (R1(i)) of the resistance (1) in the associated heating zone (1') is compared with a previously measured value (R1(i-1)) of the same resistance (1). A warning or an alarm (90) for the thermal device (100) is already generated when a deviation (ΔRi) of the two resistance values from the same heating zone (1') is detected by means of the comparison, said warning or alarm occurring temporally before a failure of a whole heating zone (1) of the thermal device (100). Improved ability to plan resources is a further goal.

Inventors:
GRUBER, Sven (Lessingstr. 18, Weinboehla, 01689, DE)
Application Number:
IB2018/057414
Publication Date:
March 28, 2019
Filing Date:
September 25, 2018
Export Citation:
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Assignee:
X-FAB SEMICONDUCTOR FOUNDRIES GMBH (Haarbergstrasse 67, Erfurt, 99097, DE)
International Classes:
F27B17/00; F27D21/00; G01R31/02; G01R31/28; H01L21/67; H04M3/08; H05B3/14; F27D19/00
Foreign References:
JP2006085907A2006-03-30
US20120097661A12012-04-26
JP2006165200A2006-06-22
JP2009281837A2009-12-03
JP2011108596A2011-06-02
JP2002352938A2002-12-06
US20080262791A12008-10-23
US20050056635A12005-03-17
JP2017073498A2017-04-13
US20100014749A12010-01-21
US20090237102A12009-09-24
DE3910676A11990-10-04
Attorney, Agent or Firm:
LEONHARD & PARTNER PATENTANWAELTE (Tal 30, Muenchen, 80331, DE)
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Claims:
Ansprüche .

1. Verfahren zur oder der Überwachung einer thermischen Einrichtung (100) zur Aufnahme und Temperierung von Waferlosen oder Chargen von Wafern, wobei eine dauerhaft angelegte Messung eines Widerstandswertes

(Ri) eines Widerstands (1) in zumindest einer Heizungszone ( ) von

mehreren Heizungszonen ( , 2', 3', 4', 5') der thermischen

Einrichtung (100) erfolgt;

ein jeweils aktuell gemessener Wert (Ri(i)) des Widerstands (1) in

der zugehörigen Heizungszone ( ) mit einem zuvor gemessenen

Wert (Ri(i-l)) desselben Widerstands (1) verglichen wird;

schon bei einer durch den Vergleich erfassten Abweichung (310,

ARi) der beiden Widerstandswerte (Ri(i); Ri(i-l)) aus der gleichen

Heizungszone ( ) eine Warnung oder ein Alarm (90) für die

thermische Einrichtung (100) generiert wird, der zeitlich vor einem

Ausfall einer ganzen Heizungszone ( ) der thermischen Einrichtung

(100) gelegen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dauerhafte angelegte Messung des

Widerstands erhalten wird aus einer Vielzahl von Messungen von Spannung (21) und Strom (31) am Widerstand (1) und jeweilige Berechnung des Wertes (Ri) des Widerstands (1).

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die dauerhafte angelegte Messung des

Widerstandswerts (Ri) einen zeitlichen Verlauf des Wertes (Ri(i)) des

Widerstands (1) ergibt, insbesondere der zeitliche Verlauf sich über den i-ten Abtastwert ergibt.

4. Verfahren nach zumindest Anspruch 1, wobei die erzeugte Warnung oder der erzeugte Alarm (90) für die thermische Einrichtung zu einem Austauschen des Widerstands (1) in der Heizungszone ( ) führt.

5. Verfahren nach zumindest Anspruch 1, wobei die dauerhafte angelegte Messung des Widerstandswerts (Ri) oder des Widerstands (1) sich auch auf einen zeitlichen Bereich vor dem tatsächlichen Betrieb der thermischen Einrichtung (100) erstreckt.

6. Verfahren nach zumindest Anspruch 1, wobei die durch den Vergleich erfasste Abweichung (ARi) der beiden zeitlich beabstandeten Widerstandswerte bei einem elektrischen Kontakt (Fi) von nebeneinander liegenden Stellen (1.3,1-4) der Heizwendel als Widerstand (1) vor einem den Strom unterbrechenden Bruch (320) der Heizwendel als Widerstand (1) liegen.

7. Verfahren nach zumindest Anspruch 1, wobei die durch den Vergleich erfasste Abweichung (ARi) der beiden zeitlich beabstandeten Widerstandswerte weniger als 10% des Widerstandswertes (Ri) der gesunden, unbeschädigten Heizwendel (1) beträgt.

8. Verfahren nach zumindest Anspruch 7, wobei die durch den Vergleich erfasste Abweichung der beiden zeitlich beabstandeten Widerstandswerte weniger als 7%, insbesondere weniger als 5% des Wertes der gesunden, unbeschädigten

Heizwendel (1) beträgt.

9. Verfahren nach zumindest Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei ein Bruch einer Heizwendel (1) mehr als eine Stunde nach einer Erkennung der durch den Vergleich erfassten Abweichung (ARi) der beiden zeitlich

beabstandeten und gemessenen Widerstandswerte (Ri (i), Ri (i-1)) liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 9, wobei die erfasste Abweichung (ARi) weit vor einem Ausfall der Heizungszone ( ) mit zugehörigem heizenden

Widerstand als Heizwendel (1) liegt.

11. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei in den mehreren Heizzonen oder Heizungszonen ( ,2',3',4',5') der jeweilige Widerstand dauerhaft angelegt gemessen und verglichen wird.

12. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei in mehreren Heizzonen oder Heizungszonen ( ,2',3',4',5') mehrerer Anlagen (100) der jeweilige Widerstand dauerhaft angelegt gemessen und verglichen wird.

13. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die auf Dauer angelegte

Messung auch dann arbeitet, wenn die thermische Einrichtung (100) oder deren Heizzonen ( , 2', ...) oder eine deren Heizzonen sich abkühlt oder im

Abkühlbetrieb ist oder sind.

14. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mehrere Schwellen vorgesehen sind (122,142,151), die im Zuge der Messung überwunden werden müssen, um aus den Messungen automatisiert schlusszufolgern (151a), einen Alarm (90,61,161) auszulösen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei

(a) eine Mindestzahl von Perioden der den jeweiligen Widerstand (1)

speisenden Spannung von der zugehörigen Leistungssteuerung (40), insbesondere Thyristorsteuerung, nacheinander

durchgeschaltet sein muss;

und/oder

(b) Wirkleistungen aus dem errechneten Widerstand (149) sowie

jeweils aus der gemessenen Spannung und aus dem gemessenen Strom errechnet werden und verglichen werden;

und/oder

(c) die erfasste und berechnete Widerstandsdifferenz (ARi) einem

Kontrollfenster unterworfen oder ausgesetzt wird, und die

Widerstandsdifferenz das Kontrollfenster verlassen muss.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei mindestens vier Perioden durchzuschalten sind, und/oder die berechneten Wirkleistungen im Vergleich zueinander weniger als 2% abweichen dürfen und/oder mindestens 2,5% an errechneter

Widerstandsdifferenz (ARi) erfasst worden sein muss.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine saubere RMS-Bildung für Strom und Spannung an dem oder den Widerständen die Nulldurchgänge herausgefiltert und nur eine Halbwelle, insbesondere die negativen Halbwellen für die Auswertung genutzt werden.

18. Bildschirmdarstellung zur Überwachung mehrerer thermischer

Einrichtungen (100) oder zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche, mit

(i) einem Konfigurations-Fensterbereich (211) zur Darstellung von

technischen Parametern der thermischen Einrichtungen (100) in der

Form eines ersten Feldes (321) mit Segmenten (221a,221b) zur

Konfiguration von Abtastrate und Anzahl der Abtastwerte, einem zweiten Feld (222) zur Vorgabe von Fenstergrößen für berechnete Widerstandswerte und einem dritten Feld (224,224a) zur

Aktivierung oder Abschaltung von Heizzonen ( , 2',...) in den

thermischen Anlagen (100), sowie einem vierten Feld (223) zur

Zu- oder Abschaltung von ganzen thermischen Anlagen;

(ii) einem Mess- und Erfassungs-Fensterbereich (212) zur Darstellung

von technischen Messwerten einer der thermischen Anlagen (100) in

Form von zumindest drei sichtbar angeordneten weiteren Feldern (230,232,91), eines für tatsächliche oder errechnete Messwerte

(23a), insbesondere den berechneten Widerstandswert jeder

Heizzone dieser thermischen Anlage (100), ein Feld (91) für

Alarmmeldungen (90) und ein Feld zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von berechneten Widerstandswerten (Ri(i)).

19. Bildschirmdarstellung nach Anspruch 18, wobei mehrere Mess- und Erfassungs- Fensterbereiche (212a,212b) vorgesehen sind und jede einer thermischen

Anlage (100) zugeordnet ist.

20. Thermische Einrichtung mit einer Überwachungseinrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorigen Verfahrensansprüche, zur Überwachung von thermisch behandelten Waferlosen oder Chargen von Wafern, insbesondere mit einer Bildschirmdarstellung nach Anspruch 18 oder 19.

21. Thermische Einrichtung nach Anspruch 20, wobei eine Berechnungseinrichtung und ein Vergleicher (54) vorgesehen ist, wobei

in der Berechnungseinrichtung (140) jeweils ein aktuell gemessener

Wert (Ri(i)) des Widerstands (1) der zugehörigen Heizungszone ( )

mit einem zuvor gemessenen Wert (Ri(i-l)) desselben Widerstands

(1) vergleichbar ist. Thermische Einrichtung nach Anspruch 21, wobei bereits bei einem durch den Vergleicher erfassten Abweichung (310, ARi) der beiden Widerstandswerte aus der gleichen Heizungszone ( ) eine Warnung oder ein Alarm (90) für die thermische Einrichtung (100) veranlassbar oder generierfähig ist, der zeitlich vor einem Ausfall einer oder der ganzen Heizungszone (1) in der thermischen Einrichtung (100) gelegen ist.

Thermische Einrichtung nach Anspruch 22, wobei der Vergleicher (144,54) Differenzbildner ist.

Description:
Echtzeit Monitoring eines Mehrzonen-Vertikalofens

mit fruehzeitiger Erkennung eines Ausfalls eines

Heizzonen-Elements

DDiiee EErrffiinndduunngg bbeeffaasssstt ssiicchh mmiitt eeiinneerr EEcchhttzzeeiittüübbeerrwwaacchhuunngg vvoonn HHeeiizzuunnggsseelleemmeenntteenn iinn eeiinneemm MMeehhrrzzoonneenn--VVeerrttiikkaallooffeenn,, zz..BB.. ddeemm FFüünnff--ZZoonneenn--OOffeenn AAllpphhaa88SSEE vvoonn TTEELL ((TTookkyyoo EElleeccttrroonn LLiimmiitteedd)).. DDiiee hhoohhee TTeemmppeerraattuurr eerrggiibbtt ssiicchh aauuss WWeerrtteenn oobbeerrhhaallbb vvoonn 550000°°CC,, ddiiee iinn ddeerr tthheerrmmiisscchheenn EEiinnrriicchhttuunngg ((AAnnsspprruucchh 11)) wwäähhrreenndd ddeess aakkttiivveenn BBeettrriieebbss hheerrrrsscchheenn;; vvggll.. EEqquuiippmmeenntt DDaattaasshheeeett,, TTEELL--AAllpphhaa--88SSEE,, AAuugguusstt 22000044,, aabbggeerruuffeenn aamm 2233.. SSeepptteemmbbeerr

Bei Wafern betrifft US 2010/14749 (Turlure, STM) einen Waferofen (dort Seite 10, Spalte 3, Abs. 45, 46), in dem ein Temperatursensor 29 angeordnet ist. Wenn die gemessene Temperatur einen Schwellenwert übersteigt, der von der dort angebrachten Kamera 26 vorgegeben wird, wird der Ofen zu heiß, oder ist er zu heiß, und die Kamera, die der Wafer-Positionierung dient, könnte beschädigt werden. Eine Erkennung eines Fehlerfalls des Ofens für Wafer ist hier nicht beabsichtigt (und auch unmöglich).

US 2009/237102 AI (Lou, Star Technologies) beschreibt eine Heizeinrichtung für Halbleiter und besitzt eine Temperaturkontrolle, um die Temperatur des Ofens zu steuern. Dazuhin werden Testsignale für die Halbleiter in dem Ofen bereitgestellt.

DE 39 10 676 AI (Pierburg, Lösing) betrifft in einem fern liegenden Fachgebiet eine Messeinrichtung für Luftmassenstrom, dies bei Verbrennungs-Kraftmaschinen, also Fahrzeugen. Betriebsbedingte Messfehler, z.B. durch Ablagerungen oder Alterung, sollen vermieden werden. In zeitlichen Abständen erfolgen Messungen, deren Ergebnis verglichen wird mit der Folge einer dadurch veranlassten Korrektur, vgl. dort Spalte 5, Zeile 40 bis 51 oder Spalte 1 ab Zeile 52 oder für ohmsche Widerstände die Spalte 4,

Zeile 12 ff.

Die beanspruchte Erfindung betrifft hingegen eine Überwachung der eingangs genannten einzelnen Heizzonen (in denen jeweils zumindest ein Heizelement liegt) auf vorzeitigen Verschleiß, und somit auch aller Heizzonen gemeinsam. Auch mehrere Anlagen mit jeweils mehreren Heizzonen.

Aktuell gibt es keine Möglichkeit einen vorzeitigen Ausfall einer Heizungszone

(= Heizzone) zu erkennen. Somit besteht ein hohes Risiko für einen Waferverlust von 150 Wafer pro Anlage. Beim japanischen Anlagenhersteller Tokyo Electron (TEL) gibt es nur ein Verfahren der Erkennung eines tatsächlichen Ausfalls einer Heizungszone. Diese Art von thermischer Überwachung, welche den Fehler durch ein Abfallen der Temperatur erkennt, und ein Temperaturalarm an der Anlage generiert, wird auch von anderen Herstellern angeboten.

Die genannte Heizung von TEL ist ein vertikaler 5-Zonen Heizer, welcher im Bereich von 600°C bis 1.150°C betrieben wird. Durch die vertikale Anordnung und die hohen

Temperaturen verformen sich die einzelnen, eben angeordneten Wendel (Wicklungen) mit der Zeit und es kann zu einer Berührung von zwei benachbarten Abschnitten einer Wicklung innerhalb einer Zone (siehe Figur 1) kommen. Durch diesen Effekt verringert sich der Widerstand um einige Prozent und nach gewisser Zeit kommt es an dieser Stelle dann zum Bruch der Wicklung.

Es besteht bisher nicht die Möglichkeit im Standby oder im Prozess der Anlage einen Heizungsausfall der fünf Zonen vorzeitig zu detektieren. In der Vergangenheit traten mehrere Fälle eines Ausfalls auf. Diese Ereignisse traten zum einen während des Prozesses auf, mittels Generierung eines Temperaturalarms (führt zum

Prozessabbruch), aber auch im Standby trat ein solcher Abbruch auf.

Beim Ausfall im Standby konnte der Prozess der Temperierung der Wafer dennoch gestartet werden, da kein Alarm an der Anlage generiert wurde. Der mit wertvollen Wafern vorbeladene Prozess startete und wurde dann durch einen Temperaturalarm abgebrochen.

Jeder Prozessabbruch hat einen Produktionsverlust von zumindest 150 Wafern

(300.000 EUR Verlustkosten), eines ganzen Loses (oder Charge) und eine lange NichtVerfügbarkeit von circa 12 Tagen der Anlage zur Folge.

Ausgehend von dem vorstehend erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung das folgende technische Problem zugrunde ... Es geht der Erfindung um die Vermeidung von Waferverlusten mit Werten von bis zu 150.000 EUR pro Charge. Auch soll kein ungeplanter Ausfall der thermischen Einrichtung mehr eintreten und eine bessere Planbarkeit von Ressourcen entstehen.

Die beanspruchte Erfindung (Anspruch 1 oder Anspruch 18 oder Anspruch 20) erkennt frühzeitig einen Verschleiß (Berührung der Elemente oder Bereiche der

Heizungswicklung oder das Auftreten einer punktuellen Leitstelle in der

Heizungswicklung), um den Waferverlust zu minimieren oder ganz zu vermeiden und die Verfügbarkeit von Personal und Material besser planen zu können.

Erfindungsgemäß erfolgt dazu eine dauerhafte Messung des Widerstands (Erhalten aus Messungen von Spannung und Strom) jeder Heizungszone. Der aktuelle Wert des Widerstands wird mit dem vorherigen Wert verglichen. Schon bei einer geringen Abweichung im Widerstandswert wird ein Alarm (eine Warnung) für die Anlage generiert, zeitlich noch weit vor einem Ausfall einer ganzen Heizwicklung.

Die Erfindung nutzt den Effekt, dass eine Echtzeiterfassung in den einzelnen Heizzonen dauerhaft implementiert ist und somit frühzeitig ein Kontakt innerhalb der Wicklung erkannt wird, bevor es endgültig zum Wicklungsbruch kommt. Das sind der erwartete Fehler (der bereits als Alarmmeldung ausgegeben wird) und der reale Fehler (der als Wicklungsbruch kommt).

Auch eine Erfassung eines erwarteten Fehlers vor dem eigentlichen Betrieb, in dem sog. Standby Modus, ist möglich (Anspruch 5). Tritt hier die Fehlererwartung auf, wird erst gar nicht eingeschaltet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das Risiko des Waferverlusts deutlich minimiert werden kann, indem bei Detektion eines bevorstehenden Ausfalls, die Anlage bereits angehalten wird und z. B. der Fünf-Zonen Heizer vorbeugend ausgetauscht werden kann, oder auch einzelne Heizzonen erneuert werden, oder die thermische Einrichtung gar nicht gestartet wird, bevor eine Reparatur nicht erfolgt ist.

Die beanspruchte Bildschirmdarstellung (z.B. Anspruch 20)ermöglicht eine

übersichtliche Überwachung mehrerer thermischer Einrichtungen und erlaubt dem Benutzer eine sofortige Erkennung des Systemzustands, auch wenn eine große Vielzahl von Anlagen oder darin enthaltenen Widerständen zu überwachen sind.

Auch zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ist die

Bildschirmdarstellung (effizient) geeignet.

Sie hat einen Konfigurations-Fensterbereich zur Darstellung von technischen

Parametern der thermischen Einrichtungen und einen Mess- und Erfassungs- Fensterbereich zur Darstellung von technischen Messwerten berechneten Werten einer der thermischen Einrichtungen, bevorzugt mehrere eigenständige letztere

Fensterbereiche, von denen jeweils eine nur einer thermischen Anlage zugeordnet ist. Mehrere Anlagen sind auf diese Weise individuell auf dem Bildschirm vertreten, aber nicht ineinander vermengt.

Die jeweiligen abhängigen Ansprüche werden hier einbezogen.

Auf die Figuren (auch Bilder) wird für konkrete Beispiele der Erfindung verwiesen, indes sind diese Beispiele nicht so zu lesen, dass sie zwingende Elemente enthalten, die in die insoweit primaten Ansprüche aufzunehmen sind oder dort notwendig erscheinen. Das wiederum bedeutet nicht, dass die Beispiele keine Offenbarungen enthalten würden, die sich für eine Ergänzung der Ansprüche eignen.

Auch wenn nicht an jeder Stelle und in jedem Satz der Begriff "insbesondere" oder "beispielsweise" zu lesen ist, mag der geneigte fachmännische Leser die folgend gegebenen Beispiele der beanspruchten Erfindung bitte so verstehen, als Beispiele mit beispielhaften Elementen, Werten und Funktionen.

Nicht beschriebene Elemente sind nicht so zu verstehen, dass ihr Vorhandensein disclaimed wird. Ist nur ein Beispiel für ein Element, einen Wert oder eine Funktionen offenbart, kann dieses dennoch in nahe liegender Weisen vom Fachmann des Gebiets abgewandelt werden.

Auf die Figuren (auch Bilder) wird für Beispiele der Erfindung verwiesen, stellen sie folgendes dar ...

Figur 1 Beispiel eines Wicklungskontakts eines Widerstands 1 in einer Heizzone .

Figur 2 Ein Prinzip-Schaltbild der Heizung (in der Anlage 100)

mit mehreren Heizzonen 1', 2', ... , 5'.

Figur 2a Schaltbild der Heizung auf der Hochvoltseite

(HV-Eingang) des Hochvolt- Trafos HT 110.

Figur 3 Beispiel eines Spannungswandlers 21 aus der Gruppe 20 von Spannungswandlern.

Figur 4 Beispiel eines Stromsensors 31 aus der Gruppe 30 von

Strom-Wandlern.

Figur 5 Acht-Slot Erfassung mit Modulen ml bis m7 für sieben

Anlagen 100.

Figuren 6 Elektrischer Schaltplan der Anlage im Beispiel, auf 4

Seiten in Figuren 6-1, 6-2 bis 6-4 aufgeteilt.

Figur 6a Blockschaltbild der Widerstandsmessung und Anlagen- Überwachung.

Figuren 6b Ablaufplan einer programmtechnischen Lösung der

Widerstandsmessung und Anlagen-Überwachung, aufgeteilt auf zwei Blätter 6b-l und 6b-2.

Figur 7 Messung von Spannung und Strom mittels Oszilloskop.

Figuren 8 Software-Register als Bildschirmdarstellung,

Startseite 211 für ein USER-Interface, aufgeteilt auf zwei Blätter 8-1 und 8-2.

Figur 9 Software-Register als Bildschirmdarstellung,

Anlagenseiten 212, 212a... als USER-Interface(s).

Figuren 10 Software-Register als Bildschirmdarstellung, History- Daten-Auswertung 213, aufgeteilt auf zwei Blätter 10-1 und 10-2.

Figuren 11 Software-Register als Bildschirmdarstellung, History-

Daten-Drift einlesen 236, aufgeteilt auf zwei Blätter 11-1 und 11-2. Figur 12 Software-Register als Bildschirmdarstellung, UI- Aus wertung 214.

Figuren 13 vorzeitige Detektion eines ersten Wicklungskontakt- Events 310, aufgeteilt auf zwei Blatt 13-1 und 13-2.

Figur 14en vorzeitige Detektion eines zweiten Wicklungskontakt- Events 310', aufgeteilt auf zwei Blätter 14-1 und 14-2.

Eine vergrößerte Darstellung einer Wicklung, also eines Widerstands 1 als Heizwendel in gewickelter, ebener Form, ist in Figur 1 verdeutlicht. Hier soll ein Wicklungskontakt Fi gezeigt werden, der im Bereich eines entstehenden Wicklungsschadens F (im Kreis) durch Berühren von zwei benachbarten Heizdrahtabschnitten (in schwarz und dunkel zu sehen) entstanden ist.

Bevor ein solcher Schaden entsteht, soll die hier beschriebene Erfindung, insbesondere die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele in der Lage sein, diesen Schaden als entstehenden Schaden vorherzusehen.

Das Zentrum der Wendel ist nicht dargestellt, es ist oben, etwa in doppelter Höhe des Bildes anzunehmen. Der Ausschnitt ist an einem unteren (rechten) Randbereich gezeigt und es wird anhand des Widerstands 1 in der Heizzone 1' eine solche Wendel erklärt. Der Heizdraht ist durchgängig ein Stück, welches sich wicklungs- oder wendeiförmig um ein Zentrum nach außen wendelt.

Radial gerichtete Stege, hell in der Figur 1 ersichtlich, stabilisieren die Lage dieses dunkel dargestellten Heizdrahts. Zwischen zwei jeweiligen radial benachbarten

Abschnitten des Heizdrahts (im Bild dunkel zu sehen) liegt ein isolierender Werkstoff (im Bild hell). Im Randbereich sind einzelne bezifferte Abschnitte dieses Heizdrahtes zu erkennen. Die Abschnitte 1.4, 1.3, 1.2 und 1.1 sind benachbarte Abschnitte des

Heizdrahts, also der Wicklung insgesamt. Der äußerste Draht- oder Leitungsabschnitt 1.1 führt unter allen Stegen 1.10 bis 1.14 durch. Er beginnt im Bild links, unter Steg 1.10 führt sich nach rechts fort, und gelangt zum Steg 1.11, 1.12, dann zu den

nächstfolgenden Stegen 1.13 und 1.14.

Die Stege haben in etwa gleiche umfängliche Abstandswinkel, sind aber in ihrer

Längserstreckung (in radialer Richtung) nicht gleichermaßen lang, sondern

abwechselnd kürzer und länger, wie im Bild zu erkennen.

Am inneren Rand des Abschnitts 1.3 liegt die Isolierzone 1.6. Die Stege stützen sich auf die zwischen den Heizdraht-Abschnitten liegenden Isolierzonen (heller dargestellt). Noch weiter innen liegt die nächste Isolierzone 1.5, an dem Abschnitt 1.4 des Heizdrahts innen angrenzend. Im rechts folgenden Abschnitt zwischen den radialen Stegen 1.12 und 1.13 setzen sich die zuvor beschriebenen Leitungsabschnitte 1.4, 1.3, 1.2 und 1.1 des Heizdrahts fort.

Erkennbar ist in diesem Zwischensteg-Bereich, dass sich die Isolierung 1.6 deutlich verbreitert (Abschnitt 1.6'), also die Abschnitte 1.3 und 1.4 der Heizwendel sich weiter voneinander entfernen, um dann im folgenden Zwischensteg-Abschnitt, der mit OCF gekennzeichnet ist, hinsichtlich des Abschnitts 1.4 nach außen deutlich zu verschieben, so weit, dass in dem eingekreisten Fehlerbereich F eine Berührung Fi der beiden

Leitungsabschnitte 1.3 und 1.4 im Zwischensteg-Abschnitt OCF erfolgt.

Dieser lokale Fall der Berührung, der dazu führt, dass eine Umfangswendel (ca. 360°) kurzgeschlossen ist, führt zu einem Fehlerfall. Dieser Fehlerfall kann sich so auswirken, dass die ganze Heizwendel 1 ausfällt, wenn an der einen Stelle Fi eine übermäßige Erhitzung eintritt, die bis zu einem Leitungsbruch führen kann.

Zu erkennen ist dies in dem gestrichelten Gebiet F'(am linken Rand). Es ist ein

(kommender) weiterer Fehlerfall, der die Draht-Abschnitte 1.1. und 1.2 betrifft.

Ausführungsbeispiele der Hardware werden folgend beschrieben.

Ein Prinzipschaltbild des Aufbaus ist mit Figur 2 verdeutlicht.

Eine Spannung an jedem der Widerstände 1 bis 5 wird mittels jeweils eines optisch potential-getrennten Spannungswandlers 20 (aus Figur 3) direkt an jeder Heizungszone 1' bis 5' gemessen. Eine Stromerfassung 30 jeder Zone 1' bis 5' wird über jeweils einen kontaktlosen Hall-Stromsensor (aus Figur 4) zwischen Phase A bis E und SCR-Einheit 40 (Thyristorblock oder Heizer- Steuerung) realisiert. Figur 2 zeigt jeweils eine Gruppe 20, 30 von Wandlern, wobei zwei der Wandler 21, 31 einer Zone 1' zugeordnet sind. Jeweils eine Stromerfassung 31 und ein Spannungswandler 21 (gemeinsam auch "Wandler" benannt) bilden die Messwerte des Widerstands 1 einer Heizzone 1' ab. Gleiches für die Zone 2' (Wandler 22, 32) und weitere.

Durch die kontaktlosen Messungen kommt es im Fehlerfall eines Sensors zu keiner Beeinflussung der Heizungszonen. Beide Sensortypen (Stromsensoren 30,

Spannungssensoren 20) verwenden eine ±15V Gleichspannung als potential-getrennte Versorgungsspannung.

Zur Auswertung der Signale von Strom und Spannung wird ein 8-Slot Gehäuse für Module ml bis m7 verwendet, wobei in jedem Modul ein Analog-Erfassungsbereich 30a für Strom und ein Analog-Erfassungsbereich 20a für Spannung vorgesehen ist. Das Acht- Slot-Gehäuse ist im beispielsweisen Aufbau ein NI-cDAQ 9188 von National Instruments. Es nimmt die 7 Analogeingangsmodule (16 Analogeingänge pro Modul) und ein Solid- State-Relais Modul 60 mit acht SSR- Relais 61 bis 68 auf (siehe Figur 5).

Mit dieser Hardware können sieben Heizer je fünf Zonen von unterschiedlichen Anlagen gleichzeitig überwacht werden (also sieben Heizanlagen 100 aus Figur 2 mit je zumindest fünf Zonen) .

Über die Relais 60 kann eine Verbindung zu einer jeweiligen thermischen Anlage 100 hergestellt werden, um einen Alarm 90 zu generieren.

Die elektrische Verdrahtung der Hardware wird gemäß Figuren 6 sichtbar (Beispiel einer (gesamten) Anlage 100 von denen sieben in der hier vorgeschlagenen Ausbaustufe vorhanden sein können). Die Anlage 100 ist auf vier Blatt verteilt, die so zusammen zu legen sind, wie rechts oben für Figur 6 auf Blatt 6-1 gezeigt. Je nach Systemzustand sind es dann vier Figuren oder eine Figur. An jeder Anlage befindet sich ein elektrischer Schaltkasten, in welchem die Spannungswandler 20 und die Spannungsversorgung 80 mit ±15V (DCV) implementiert sind.

Um Störeinflüsse zu vermeiden, können Entstör-Kondensatoren an den Stromsensoren 30 eingebunden sein, da diese direkt in der Nähe von Leistungstransformatoren in der Anlage montiert sind. Zusätzlich können abgeschirmte mehradrige Kabel verwendet werden.

Für den Abgriff der Spannungen können nicht entflammbare Leitungen verwendet werden.

Die zuvor summarisch dargestellte Gesamtanlage 100 soll in den einzelnen

Komponenten genauer erläutert werden, wobei Bezugszeichen verwendet werden.

Zuvor waren summarisch die Stromsensoren 30 erwähnt, die in Figur 2 vor dem

Thyristorblock 40 zu sehen sind. Es handelt im Beispiel für die fünf Zonen 1', 2', 3', 4' und 5' der thermischen Anlage 100 um fünf bidirektionale Thyristoren, die auch als Triac geschaltet sein können. Generell waren sie zuvor als Heizer-Steuerung bezeichnet worden. Ihre Ansteuerung entspricht üblicher Vorgehensweise und soll hier nicht näher erläutert werden. Die Wirkung ihrer Ansteuerung indes schon.

Die fünf Zonen 1' bis 5' sind in der thermischen Anlage 100 von Figur 2 zu erkennen, sie sind dort mit fünf Widerständen 1 bis 5 gekennzeichnet, von denen j eder Widerstand in einer Zone gelegen ist. Die Widerstände heißen so, wie die Zonen, also Widerstand 1 in der Zone 1', Widerstand 2 in der Zone 2', Widerstand 3 in der Zone 3', Widerstand 4 in der Zone 4' und Widerstand 5 in der Zone 5'. Nachdem diese Widerstände in dem Beispiel alle in Reihe geschaltet sind, kann auch von einem oberen Widerstand (Top) und einem unteren Widerstand (Bottom) gesprochen werden. Im Heizer 100 sind sie entsprechend angeordnet. Mit Blick auf Figur 1 ist jeder Widerstand, Z.B. Widerstand 1, als Wendel (Heizwendel) ausgebildet.

Die Spannungen an den Widerständen, also jede Spannung an jedem Widerstand wird über die genannten Spannungssensoren 20 ermittelt. Hier ist ein Spannungssensor 21 in der Heizzone 1' am Widerstand 1 vorgesehen. Alle weiteren Spannungssensoren 22, 23, 24 und 25 entsprechen den Heizzonen 2', 3', 4' und 5', bzw. den zugehörigen

Widerständen 2, 3, 4 und 5.

Jeder Thyristor im Thyristorblock 40, respektive ein jeweiliges gegenparalleles Paar an Thyristoren, beispielsweise 41, steuert einen Widerstand an, im Beispiel den

Widerstand 1 (die Heizwendel 1) in der Heizzone 1'. Hier ist ein Strom IA eingezeichnet, der von der (später) zu erläuternden potenzialfreien sekundären Lastspannung A über die Strommessung 31, die bidirektional geschalteten Thyristoren 41, die zugehörige Leitung zu BN dann in die Heizzone 1' durch den Widerstand 1 und am Ende heraus über die Anschlussleitung AN fließt. Dieser Strom ist ein Wechselstrom und er entstammt einer Spannung, die im Folgenden anhand von Figur 2a erklärt wird.

Diese Spannung A hat eine Phase und einen Nullleiter AN, die hier mit "Top" benannt sind. Sie entstammen einer Wicklung auf einem gemeinsamen Trafokern, von welchen Wicklungen es im Beispiel fünf gibt. Diese Wicklungen und deren Ausgänge aus jeweils Phase und Nullleiter, jeweils potenzialfrei, sind mit A, B, C, D und E benannt. Sie werden an die zugehörigen Phaseneingänge A, B, C, D und E des Thyristorblocks 40

angeschlossen (jeweils die Phase) und der jeweilige Nullleiter AN, BN, CN USW. an den jeweiligen Nullleiter AN, BN, CN, USW. in Figur 2.

Der Heiztransformator 110 (HT 110) hat eine primäre hohe Eingangsspannung, die zwischen 300V und 600V liegen kann, bevorzugt bei 380V Nenn-Wechselspannung liegt. Die zugehörige Eingangsschaltung aus drei Phasen U, V und W wird an drei Wicklungen Wl, W2 und W3 in einer Dreieckschaltung angeschlossen, die auf einem gemeinsamen Kern gewickelt sind. Dieser Trafokern hat auf der Sekundärseite fünf potenzialfreie Sekundärwicklungen, die zu der Anzahl der Heizzonen in der thermischen Anlage 100 passen.

Jede Sekundärwicklung versorgt eine Heizzone und nachdem die Heizzonen mit ihren Widerständen in Reihe geschaltet sind, kann auch mit jeder Wicklung über den

Thyristorblock 40 und die darin vorhandenen bidirektionalen Thyristoren eine individuelle Heizung der jeweiligen Zone erfolgen. Die in Figur 2a eingezeichneten Schalter schalten die Heizzonen und ihre Versorgungsspannung ein, sie werden hier summarisch als "Sch" benannt, und finden sich in Figuren 6 im Figurenquartett links unten wieder. Die dort eingezeichneten Spannungen entsprechen den Spannungen A bis E (von oben nach unten). Rechts sind die Thyristoren des Thyristorblocks 40 zu sehen.

Die Strompegel der Versorgung des Heiztrafos 110 sind an die Stromverträglichkeit der Widerstände 1 bis 5 angepasst. Sie betragen zwischen 30A und 55A. Auch die

Spannungen der Sekundärwicklungen des Heiztrafos 110 sind zugehörig angepasst und betragen zwischen 75V bis 165V. Die Widerstände in den Heizzonen haben Werte zwischen 1,8Ω bis 4,5Ω im mittleren Temperaturbereich und zwischen 0,25Ω und 0,9Ω im hohen Temperaturbereich.

Die Ströme können bis zu 150A betragen. Die Widerstände können bis unter 1Ω als Widerstandswert haben.

Es soll zur Koordinierung der nachfolgenden Erklärung nochmals verdeutlicht werden, dass die Heizzone 1' den Widerstand 1 (als physischen oder gegenständlichen

Widerstand) besitzt. Er ist als Wendel ausgebildet, wie es in Figur 1 zu sehen ist. Sein betrieblicher Wert (hier Widerstandswert benannt) beträgt Ri.

Die Heizzone 1' ist in diesem Beispiel die obere Heizzone "Top" und hat die

Spannungsmessung am physischen Widerstand 1 mit dem Sensor 21. Im gezeigten Beispiel fließt in diesem Widerstand 1 mit dem Widerstandswert Ri der Strom IA. Der Widerstandswert, der über die Spannungsmessung 21 und die Strommessung 31 ermittelt wird, beträgt berechnet Ri, wobei in einer fortlaufenden Messung mehrere Widerstandswerte "ermessen" und berechnet werden, da sich der ohmsche Wert des Widerstands 1 ändert und demzufolge sich mehrere gemessene Widerstandswerte als i-te Messwerte der laufenden Messung ergeben, so Ri(i), Ri(i+1), wobei i=l bis n. n ist ein Vielfaches der Abtastzeit (genauer ... des Abtastintervalls).

Gleiches gilt für die Heizzone 2' mit dem physischen Widerstand 2 und seinem ohmschen Widerstandswert R 2 , fortlaufend über der Zeit als R 2 (i), wobei i=l bis n. In gleicher Weise ist die Erklärung auf die anderen drei Widerstände 3, 4 und 5 aus Figur 2 zu übertragen, jeweils mit den passenden Indizes 3, 4 bzw. 5.

Physisch sind die Spannungswandler 20 in Figur 3 dargestellt, als Aufsteckgehäuse (für eine nicht gezeigte Aufschnapp-Schiene). Sie haben Eingangsanschlüsse und

Ausgangsanschlüsse, die potenzialfrei sind. Für die Stromsensoren 30 zeigt Figur 4 ein Beispiel eines Stromsensors 31, der potenzialfrei den Strom misst, der beispielsweise dem bipolaren Thyristor 41 aus dem Thyristorblock 40 zugeführt wird.

Mehrere Stromsensoren werden verwendet, im Beispiel sind es fünf, entsprechend den fünf Zonen für eine thermische Anlage 100. Werden mehrere Anlagen verwendet, so sind es entsprechend mehr Stromsensoren. Im Beispiel weiter vorne sind es sieben Anlagen 100.

Nachdem die Anzahl der Stromsensoren 30 und der Spannungssensoren 20 sehr umfangreich werden kann, sind zur Auswertung der gemessenen Signale von Strom und Spannung Eingangsmodule vorgesehen, im Beispiel diejenigen von Figur 5 als 8-Slot Gehäuse 30a (für Strom) und 20a (für Spannung), dargestellt in Figur 6. Hier sind es die genannten sieben Anlagen zu im Beispiel jeweils fünf Heizzonen.

Nachdem 16 Analogeingänge pro Modul verfügbar sind, können auch mehr Heizzonen pro Modul aufgenommen werden, als hier im Beispiel verschaltet worden sind. Hier werden fünf Eingänge für Stromsignale und fünf Eingänge für Spannungssignale verwendet, im Beispiel der Figur 6 sind es in einem physischen Modul ml die

funktionellen Bereiche 30a (für Strom) und 20a (für Spannung). So kann eine

thermische Anlage 100 einem Modul zugeordnet werden.

Aus der Figur 6a ist ein schematisches Blockschaltbild (als Schaltung) zu ersehen, wie es für eine Zone und einen darin angeordneten Widerstand realisiert sein kann.

Werden mehrere Zonen überwacht, kann dieses Schema auch auf mehrere Zonen übertragen werden, oder mehrdimensional so betrachtet werden, dass jeder

Funktionsblock 50, 52, ... so oft vorhanden ist, wie es Widerstände in einer thermischem Anlage zu messen gibt, und zwar entweder in einer thermischen Anlage 100 oder auch anlagenübergreifend, wenn mehrere Anlagen, beispielsweise sieben Anlagen mit jeweils fünf Heizzonen, überwacht werden.

Hier soll für Zone 1' in der thermischen Anlage 100 die Überwachung anhand der Figur 6a erläutert werden.

Anhand der Spannungsmessung 21 und anhand der Strommessung 31 wird ein zeitlich jeweils zugeordneter Messwert erfasst, der zum Zeitpunkt i vorliegt (i ist eine

fortlaufende Variable der digitalen Erfassung und kann auch "time stamp" genannt werden). Bei Wechselspannung handelt es sich bevorzugt um Effektivwerte, nicht um Momentanwerte. Beide gemessenen Signale, die Spannung und der Strom zum Zeitpunkt i, werden der Recheneinheit 50 zugeführt, um daraus einen Widerstandswert Ri(i) zu errechnen, der zugehörig zu einem Zeitwert als time stamp i gehört. Diese Messung und diese Berechnung erfolgt dauerhaft während des Betriebs der Anlage 100 und die fortlaufend dabei ermittelten Widerstandswerte Ri(i) werden in dem Zwischenspeicher 52 abgelegt. Dieser Zwischenspeicher 52 gibt den aktuellen Wert und einen vorhergehenden Wert, insbesondere den unmittelbar vorhergehenden Wert aus und speist damit einen Vergleicher oder einen Differenzbildner 54.

Die beiden Widerstandswerte Ri(i) und Ri(i-l) werden subtrahiert oder in ihrem Wert verglichen und es wird das Vergleichsergebnis, insbesondere die Differenz ARi(i), dieser beiden Werte ausgegeben. Allgemein sind es die Widerstandswert-Differenzen ARj(i), bei j=l bis m, wobei im Beispiel m=5 für fünf Heizzonen steht.

Die Ausgabe der Differenz ARj(i) erfolgt an einen Schwellenwert-Schalter 56, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Differenzwerts AR anspricht (auch als Fenster mit Obergrenze und Untergrenze bezeichnet) und der Schwellenwert-Schalter 56 gibt ein Signal an eines 61 der SSR Relais 60 ab, das ein Alarmsignal 90 auslöst. Die mehreren SSR Relais 60 sind in Figur 6 zu sehen, eines davon, das SSR 61 ist hier bei einer

Heizwendel 1 der thermischen Anlage 100 aktiv.

Die eingespeiste Abweichung AR definiert die Ansprechempfindlichkeit und zeigt an, ob sich ein Fehlerfall F, veranlasst durch eine Berührung von zwei benachbarten Heizdraht- Abschnitten im Bereich Fi anbahnt oder schon im Entstehen ist. Der Alarm 90 auf diesen erkannten Fehlerfall wird also generiert, noch weit vor einem Ausfall einer ganzen Heizwicklung oder Heizwendel 1, die hier als Beispiel in Figur 6a und in Figur 1 herangezogen wurde.

Mit der Messung und Berechnung eines fortlaufenden Widerstandswertes kann frühzeitig der Kontakt innerhalb einer Wicklung (besser: Wendel) erkannt werden, bevor es zu einem endgültigen Wicklungsbruch oder endgültig zu einem

Wicklungsbruch kommt.

Zugeordnete Maßnahmen sind möglich, z. B. wird die Anlage nicht angeschaltet, bevor eine Reparatur erfolgt ist. Die Anlage kann vor einem Ausfall auch bereits angehalten werden und die gesamte Heizeinrichtung aus allen vorhandenen, insbesondere fünf Zonen erneuert werden. Eine weitere Möglichkeit ist, das Starten der thermischen Anlage zu sperren, wenn im Standby-Modus die Überwachung erfolgte und der kommende tatsächliche Fehlerfall (der sich anbahnende Wicklungsbruch) erkannt wird (als den Alarm generierender "Fehlerfall" der Überwachung).

Softwarerealisierung (programmtechnische Realisierung) wird folgend erklärt. Eine Messdatenerfassung und Überwachung kann ebenso per programmtechnisch erfolgen, was Figuren 6b erläutern. Der programmierte technische Ablaufplan ist 190. Er arbeitet mit realen Messwerten aus einem Betriebsablauf (nach Art eines einem technischen Gebiet zuzuordnenden Prozessrechners, der keine abstrakten Daten bearbeitet, und daher keine "Datenverarbeitungsanlage als solche" ist).

Die Erfassung der Strom- und Spannungssignale (also der Messwerte) wird gleichzeitig mit 5.000 Werten/sec pro Analogeingang über alle Anlagen 100 realisiert,

programmierte Funktion 110. Ein Messintervall beträgt 4 sec, was insgesamt 20.000 Werten pro Analogeingang entspricht. Das komplette Messdatenpaket kann über ein Netzwerk, z.B. per Ethernet (nicht dargestellt) an eine mit (technischer) Software programmierte Steuerung übermittelt werden, welche die Funktion der als Schaltung dargestellten Figur 6a implementiert oder im Software-Ablaufplan 190 erfasst ist.

Filter und Auswertung...

Die Temperaturregelung jeder einzelnen Heizungszone übernimmt die

Thyristorsteuerung 40 der jeweiligen Anlage 100. Diese schaltet je nach

Leistungsvorgabe (0% bis 100%) mehrere Spannungsperioden für eine gewisse Anzahl an Millisekunden durch (Beispiel siehe Figur 7).

Um eine saubere RMS Bildung 130 (Root Mean Square, RMS, Effektivwert) für Strom und Spannung zu realisieren, werden die Nulldurchgänge durch einen dafür

programmierten Filter herausgefiltert (sh. Figur 12 mit den Stufen 241a in den

Nulldurchgängen von U und I) und es werden nur die negativen Halbwellen für die Auswertung genutzt, Funktion 125. Dies da die Heizzonen sich in der positiven

Halbwelle je nach Leistung gegenseitig beeinflussen können und so zu einem

unsauberen Signal führen könnten.

In der Funktion 122 kann kontrolliert werden, ob eine Mindestzahl von Perioden vorhanden ist, z.B. fünf Perioden. Wenn nicht, dann werden diese Daten ignoriert, Verzweigung 122a. Dies ist insbesondere sinnvoll, da beim Abkühlen der Heizung die Leistung kleiner 3% sein kann und dadurch eine nicht genügende Anzahl an Rohdaten (erster Schwellenwert) für eine optimale RMS Bildung vorliegen könnten.

Nach der RMS Bildung 130 wird der Widerstandswert jedes Heizungselement nach dem Ohm'schen Gesetz mit der Funktion 140 ermittelt und mit Zeitstempel in eine passende Datei, insbesondere eine Textdatei abgespeichert.

Anschließend wird der Leistungsverlauf mit der Funktion 142 aus dem ermittelten Widerstandswert mit den quadratischen Werten aus Spannung und Strom kontrolliert, um zusätzlich auszuschließen, dass das Signal gestört ist. Wenn die Differenz bei dem Vergleich 144 größer als eine Vorgabe ist (ein zweiter Schwellenwert), werden die gemessenen Daten (des Messintervalls) der betroffenen Heizungszone ebenfalls ignoriert, Verzweigung 144a, Funktion 145.

Alarmgenerierung...

Nachdem die Prozessdaten (keine "Daten als solche") ermittelt worden sind, werden diese durch eine Alarmroutine ausgewertet. Dabei wird der aktuelle Widerstandswert mit dem letzten Wert in der Funktion 150 verglichen. Bei einer Abweichung außerhalb eines Bereiches (z.B. ±2.5% als Fenster AR in Prozent), als dritter Schwellenwert, kommt es nach der Abfrage 151 über die Verzweigung 151a zur Alarmgenerierung 90 durch die Schaltung eines SSR-Relais der zugehörigen Anlage mit der Funktion 161.

Auch andere Alarmgenerierungen sind möglich, ebenso potentialgleiche, nicht zwingend nur über ein potentialfreies SSR Relais.

Zusätzlich werden die Rohdaten abgespeichert, um im Nachhinein eine Analyse der Signalverläufe durchführen zu können. Es kann ebenfalls ausgewertet werden, ob das Thyristorpaar für die positive oder negative Halbwelle defekt ist. Dies wird in dem Ablauf ermittelt und in Textform angezeigt.

Bislang nicht erwähnt im Ablaufplan war die Funktion 120, mit dem eine Skalierung (oder eine Normierung) der gemessenen Rohdaten erfolgt. Dadurch kann die

anschließende Berechnung mit vernünftig großen Werten arbeiten, ggf. sogar ohne die verschiedenen Stromhöhen von unterschiedlichen Zonen berücksichtigen zu müssen. Durch eine Normierung können Ströme zwischen 30A und 60A so zugeschnitten werden, dass sie für die folgende Berechnung und Fehlererfassung gleiche

Maximalwerte oder gleiche Effektivwerte haben. Für eine Fehlererfassung mit der Funktion 150 kommt es auf eine Abweichung in Prozent an.

So kann der Differenzwiderstand ARabsoiut auf den vorigen oder aktuellen Messwert Rj(i) oder Rj(i-l) bezogen werden, um prozentual als AR re iativ ausgedrückt zu werden, also für die i-te Messung der Zone j ergibt sich {Rj(i) - Rj(i-1)}/Rj(i). Es entsteht AR re iativ in der Funktion 150.

Bei einer Abweichung außerhalb der Schwellenwerte, von z.B. ±2.5% als Fenster ARreiativ, wird der Pfad 151a im Ablauf eingeschlagen, sonst Verzweigung 151b, die zurück zur Funktion 110 führt, wie auch die abzweigenden Rückwege 122a und 145a als Folgen nicht erreichter Schwellenwerte. Die verschiedenen eingefügten Schwellenwerte sollen nochmals herausgegriffen werden. Sie dienen der Verifizierung eines Ergebnisses, das nicht einfach so als

Alarmfehlerfall über 151, 151a und die Alarmgenerierung 161 angenommen wird, sondern mehrere Plausibilitätsprüfungen durchlaufen kann, ob es sich wirklich um einen echten Fehler (im Sinne eines erwarteten realen Fehlers) handelt, nicht nur einen unglücklichen Messwert oder eine Störgröße.

(a) Die Anzahl der Perioden in der Abfrage 122 sorgt dafür, dass hinreichend

Messergebnisse vorhanden sind. Nachdem die Thyristorsteuerung 40 mit einer hier im Beispiel angenommenen Pulspaket-Steuerung arbeitet, also immer eine ganze Sinuswelle durchlässt und eine oder mehrere Sinuswellen sperrt, können bei kleinen Leistungen, z.B. kleiner als 3%, viele Vollwellen von 360°ausgetastet werden und nur eine oder wenige Vollwellen durchgeschaltet sein,

beispielsweise eine durchgeschaltete Vollwelle und fünf gepauste Vollwellen. Bei höheren Strömen werden beispielsweise acht Vollwellen durchgeschaltet und zwei Vollwellen gepaust. Letzteren Fall würde die Abfrage 122 befürworten und sagen, dass ausreichend Messwerte für eine Effektivwertberechnung vorhanden sind. Dies ist ein erster Kontrollschritt hier auch abstrakt "erster Schwellenwert" genannt.

(b) Ein zweiter Schwellenwert liegt in der Kontrolle von Wirkleistung über Strom und Spannung. Ist der Widerstand in der Funktion 140 berechnet worden, kann mit ihm auch die an der Anlage oder an der Zone abgegebene Wirkleistung berechnet werden, und zwar sowohl über Spannung, wie auch über Strom. Beide berechnete Prozesswerte der Wirkleistung stehen zur Verfügung und helfen, Störungen zu erkennen. Dieses soll als zweiter Schwellenwert benannt werden, der nicht ein wirklicher Schwellenwert ist, sondern nur eine Schwelle oder Schaltschwelle, die verhindern soll, dass Störungen weiter gegeben werden oder Störungen als Fehlalarme ausgelöst werden.

(c) Ein dritter Schwellenwert liegt in der Abfrage 151. Hier wird der zu erfassenden Differenz des gemessenen und des vorher gemessenen Widerstandswerts (oder eines noch früher gemessenen Widerstandswerts) ein Mindestmaß an

Abweichung zugeordnet, das es zu erfüllen gibt, um einen Fehler über die Alarmroutine 151, 151a und 161 als wirklichen Alarm 90 auszulösen

Einer, zwei davon oder alle drei Schwellenwerte helfen, die Sicherheit und

Zuverlässigkeit der Fehlererkennung zu verbessern und fehlgehende Alarme

weitestgehend bis nahezu vollständig zu vermeiden. Es mag dabei in Erinnerung bleiben, dass ein Abschalten der Anlage mit der Gefahr verbunden ist, die darin enthaltenen Wafer zu verlieren. Gerade deshalb soll eine frühzeitige Erkennung möglich sein, gleichzeitig aber auch eine zuverlässige Erkennung erreicht werden. Aus der Regelungstechnik ist es bekannt, dass ein System, um so empfindlicher es reagiert, desto störanfälliger es sich im Betrieb darstellt. Diese beiden Kriterien gemeinsam zu erfüllen, realisiert die mehrfache Vorhaltung von oben so genannten Schwellen, die überwunden werden müssen, wenn ein Alarm 161 tatsächlich ausgelöst werden muss.

Geeignete Werte sind für die Mindestzahl von Perioden die Zahl von mindestens fünf aufeinander folgende Spannungsperioden. Eine geeignete Zahl für die Kontrolle der Wirkleistung (berechnet über den Strom) und zum Vergleich der Wirkleistung

(berechnet aus der Spannung), jeweils mit dem zuvor berechneten Widerstandswert, liegt in einem Bereich von weniger als 5%, bevorzugt weniger als 2%. Ein geeigneter Wert für das Fenster oder Kontrollfenster, welches die Widerstandsdifferenz für den Fehlerfall verlassen muss, liegt bei ±2,5%. Hier ist anzumerken, dass die Schwelle (also das Fenster) nicht zu groß gewählt sein darf, um keinen Fehlerfall zu verpassen oder einen solchen auszublenden, andererseits aber auch nicht zu klein zu wählen ist, um zu häufig einen Fehlerfall anzunehmen, von denen nur wenige tatsächliche Fehlerfälle sind, wie sie in Figur 1 im Gebiet F dargestellt sind (oder sich im Gebiet F' anbahnen).

Funktionale Softwareoberfläche (GUI, Bedienpanel)

Die GUI (Grafic User Interface) kann aus mehreren Registerkarten 210 aufgebaut sein. Auf der Startseite 211 (siehe auch Figur 8) können folgende Eigenschaften eingestellt werden ...

Zur Konfiguration 221 des Messsystems ...

• Abtastrate, Feld 221a

• Anzahl der Werte, Feld 22 lb

• Zeitintervall, Feld 221c, für die Darstellung und Abspeicherung des Graphen (in Stunden, eingestellt sind 24h)

• Alarmgrenzen, Feld 222, Plus/Minus in Prozent, als der genannte dritte

Schwellenwert, in Form von acht Fenstern

• Datenerfassung aktivieren/deaktivieren, Feld 223, je Anlage 10

• Einzelne Heizungszonen (Heizzonen) aus der Alarmauswertung funktionell herausnehmen, Feld 224.

Die auf der Startseite mit dem Reiter 211 definierten Informationen 200 einer

Gesamtanlage mit im Beispiel acht thermischen Anlagen PHOT-0400 bis PHOT-1400 soll aus der abstrakten Umschreibung oben hier konkreter herausgestellt werden. Das Messsystem wird bei 221 (im Unterreiter) konfiguriert. Die Grenzen (der dritte Schwellenwert) werden in dem Unterreiter 222 konfiguriert oder bestimmt und zwar nach +/- Grenzen, so dass die hier eingestellten Grenzen von ±2,5% für beispielsweise PHOT-0400 einen Bereich angeben, innerhalb dessen keine Warnung oder kein Alarm ausgegeben wird.

Ohne einen gesonderten Reiter, unmittelbar auf der Bedienoberfläche, ist Feld 223 mit graphisch aktivierbaren Tasten oder Gebieten, bei dem die acht genannten Anlagen als zur Datenerfassung aktiviert eingeschaltet sind. Im unteren Bereich der graphischen Darstellung ist die Auswertung im Unterreiter 224, wobei jede Anlage von PHOT-0400 bis PHOT-1400 im Gebiet 224a mit all ihren Zonen abgebildet ist, hier jeweils fünf Zonen (Bottom, CTR1, CTR2, CTR3 und Top).

Diese graphische Registerkarte, aufgerufen über den Reiter 211 verfügt also über die Eigenschaften der Konfiguration des Messsystems, der Konfiguration der Grenzen, der Alarmauswertung und zusätzlich einem Feld, welches die Datenerfassung an jeder der mehreren thermischen Anlagen aktiviert.

In besonderer Weise sind hier alle sinnvollen Daten zur Konfiguration des Systems vorgehalten und optisch visualisiert. Wichtige Kriterien sind die Einstellung der

Fenstergrößen für die Widerstandsdifferenzen in den einzelnen Anlagen, innerhalb derer jeweils keine Warnung erfolgt. Auch können ganze Zonen oder gar ganze Anlagen aus der Warnung herausgenommen werden, durch Aktivieren oder Abschalten im Feld mit dem Reiter 224. Eine solche Auswertung schafft es, eine große Vielzahl von

Prozessdaten zu überblicken, erkennbar an der Abtastrate 221a, der Anzahl der

Samples 221b und dem vorgegebenen Zeitintervall, für den die Messwerte als Graphen gespeichert werden sollen. Dennoch wird eine funktionell leicht zu erfassende Übersicht erreicht, die es einem Benutzer ermöglicht, die Anlage(n) und ihre Fehlerfälle zu überwachen, voreinzustellen und ebenso zu aktivieren, wie auch zu deaktivieren.

Die nachfolgenden Registerkarten 212, 212a, 212b,... (sh. Figur 9) sind den Anlagen PHOT-0400, PHOT-0500 ... usw. zugeordnet. Auf diesen werden die aktuell ermittelten Daten angezeigt und die Widerstandswerte werden grafisch dargestellt. Im Textfeld Alarmmeldung 91 wird der Alarmfall 90 ausgeschrieben.

Im Register History 213 (dazu Figur 10) können die Widerstandswerte der einzelnen Anlagen aus der Vergangenheit eingelesen werden.

Die Widerstandsänderung (dazu Figur 11) kann auch über der Zeit angeschaut werden, da zu jedem Zeitintervall der Mittelwert gebildet und gespeichert wird. Unter einer U-I-Auswertung (dazu Figur 12) können die Rohdaten von Spannung und Strom im Fehlerfall angeschaut werden.

Die funktionelle Erkennung in den folgenden Reitern 212, 212a, 212b, usw. soll hier anhand der Figur 9 verdeutlicht werden. Jede Anlage ist hier konkreter abgebildet und hat einen Chart 232 zur Darstellung des Widerstandsverlaufs über der Zeit. Es soll hier nur der Reiter 212 erläutert werden, in gleicher weise sind die Reiter 212a, 212b ausgebildet und funktionell realisiert. Verlässt der Benutzer die Startseite des

Reiters 211, wird durch Anklicken des Reiters 212 die Anlage PHOT-400 visuell dargestellt.

Drei größere Felder sind ersichtlich, die tatsächlichen Prozessdaten (Messdaten und berechnete Werte) im Feld 230, Alarmmeldungen 90 im Feld 91 (aktuell sind keine Alarme eingeblendet, die Anlage läuft also fehlerfrei), und ein visuell das Verständnis unterstützender Chart von zumindest vier Widerstandsverläufen 232 über der Zeit, wobei zwei Widerstände im zeitlichen Verlauf übereinander liegen können, zwischen 4,25 Ohm und 4,5 Ohm.

Im tatsächlichen Messfenster 230 sind für diese Anlage PHOT-400 für die dort vorgesehenen fünf Zonen (Bottom, CTR1, CTR2, CTR3, und Top) alle dort vorhandenen physikalischen Größen sichtbar, der berechnete Widerstand, die erfasste Spannung, der gemessene Strom, die errechnete Wirkleistung. Eine visuelle Anzeige, z.B. ein LED- Symbol kann symbolisieren, ob ein Alarm aktiv ist und die schon erfolgten Alarme können zusätzlich in einem kleineren Fenster für jede der fünf Zonen dargestellt werden.

Die Individualisierung jeder thermischen Anlage auf der Abbildung ermöglicht es dem Benutzer, sowohl sehr konkret bis ins Detail Geschehnisse des Prozesses

nachzuvollziehen, wie auch sehr abstrakt übergeordnet Messungen und andere

Ergebnisse des oder der Prozesse(s) zu überblicken, dargestellte Ergebnisse visuell auszuwerten, und dies sehr schnell vorzunehmen. Greift man das Beispiel des

Reiters 212 auf, vervielfacht um die hier dargestellten weiteren sieben Anlagen

PHOT-0500 bis PHOT-1400, so wird leicht ersichtlich, welche Datenmengen hier so aufzubereiten sind, dass sie vom Benutzer einfach erfasst und ausgewertet werden können. Davon unabhängig ist freilich die automatische Auswertung zu einem

Alarmereignis, die aber von den Einstellungen der Parameter auf der Startseite 211 der GUI abhängt.

Die Konfigurationen sind auf der Startseite 211 konzentriert. Die Anlagenergebnisse auf den Registerkarten 212, 212a, ... mit zugehöriger Alarmmeldung 90 für eine jeweilige Anlage und innerhalb der Anlage für alle dort vorhandenen Zonen, im Beispiel fünf Zonen je Anlage 10 in der Gesamtanlage 100.

Optional kann auch eine Fehlermeldung der Thyristoreinheit 40 (als Beispiel von Leistungsschaltern) unter die Alarme gefasst werden, nicht nur die Erfassung einer zu Schaden kommenden Widerstandswendel.

Die Reiter 213 (Figur 10 und 11) sowie die UI-Auswertung 214 (in Figur 12) dienen der Kontrolle und der nachträglichen Betrachtung einer Fehlerentwicklung. Oft ist es sinnvoll, den genauen Hergang der Fehlerentstehung nachträglich nochmals abzubilden und anzuschauen, oft ist es auch hilfreich zu analysieren, warum ein Fehler erkannt wurde oder wie er erkannt wurde und nicht zuletzt ist es sinnvoll, einen versehentlich gemeldeten Alarm auch zu analysieren, warum dieser erkannt wurde, obwohl er nicht hätte erkannt werden sollen. All diesen Aufgaben dienen die Aufzeichnungen der Vergangenheit (History, Reiter 213) und die Aufzeichnungen der Messungen des Drifts des Widerstandes, wie er sich langfristig verhält. Dazu wird zum Beispiel nach der Figur 11 der Mittelwert pro Tag eingetragen, wobei die dargestellte Skalierung der x-Achse zwischen zwei vertikalen Abschnitten jeweils in den Figuren 9, 10 und 11 immer größer wird. Wird in Figur 9 noch eine Skalierung der x-Achse mit 2min unterteilt (für eine jeweilige Anlage im Reiter 212, 212a, 212b), so wird die History- Darstellung im Reiter 213 schon auf 2h pro Skaleneinheit vergrößert und der Drift über eine noch längere Zeit mit 2 Monaten skaliert.

Die Messdaten werden immer weiter verdichtet, so dass sie auch langfristige Aussagen und Bewertungen zulassen, ebenso wie kurzfristige Feststellung im Minuten-Raster.

Die ausgelagerten Daten können über Feld 235 eingelesen werden (eine Textdatei ist vorgesehen, diese Daten zur Verfügung zu stellen). Auch können Drift-Daten über das Feld 236 eingelesen werden, wie es Figur 11 veranschaulicht, jeweils anlagenbezogen, Funktionsfeld 237. Das Einlesen der Drift-Daten über einen längeren Zeitraum von mehr als einem Tag (die History-Daten der Figur 10 bilden ungefähr einen Tag mit 24 Stunden ab), ist über das Raster von zwei Monaten der Figur 11 erreichbar und die Chart-Drift- Daten 234'.

Alle hier beschriebenen Felder sind Touch-Sensitiv oder Click-Sensitiv, um eine zugeordnete Aktion auszulösen.

Der Überwachung und Kontrolle dient auch eine dem Widerstandswert vergleichbare Aufzeichnung des Spannungsverlaufs über das aktivierbare Feld 240. Der dabei aufscheinenden Spannungsverlauf 241 ist auf der x-Achse über die Anzahl der

Datensamples skaliert. Es fällt auf, dass die Nulldurchgänge ausgeblendet sind, was zuvor anhand der Figur 6b mit der Funktion 121 erläutert war. Eine dieser Stellen ist mit 241a herausgegriffen. Es versteht sich, dass bei notwendigen vier oder fünf Perioden zur Berechnung eines Wertes eines Effektivwertes der Spannung und eines entsprechenden Wertes für den Strom wesentlich mehr Datensamples für die Spannung und den Strom für die UI- Auswertung gespeichert, und zwar dauerhaft gespeichert werden, als das für die History 213 des Widerstandswerts aller Anlagen der Fall ist.

Aus Figuren 13 und 14 geht hervor, wie zuvor angesprochen, dass eine vorzeitige Detektion eines Wicklungskontakts möglich war, als erstes Event in Figuren 13 und als zweites Event in Figuren 14 benannt.

Der Nachweis wird hier anhand der History und des zugehörigen Reiters 213 geführt, mit der anhand des zuvor beschriebenen funktionellen Ablaufs aus der Figur 10 nachträglich und rückschauend noch einmal analysiert werden kann, was geschehen ist. Es wird ein Zeitraster von 2h angenommen und abgebildet, wie es auch die Figur 10 zeigt, wobei über das funktionelle Auswahlfeld 237 für den Alarmfall der Figur 13 die Anlage PHOT-0900 dargestellt wird.

Für den zweiten Event in Figur 14 ist die Anlage PHOT-1000 im funktionellen

Auswahlfeld 237 angewählt und in beiden Darstellungen wird eine Skalierung von 2h pro Skalenraster verwendet.

In einer Ausschnitts-Vergrößerung ist in Figur 13 der zeitliche Bereich 300 heraus vergrößert als 300', um den Beginn des Fehlerfalls (eine Widerstandsänderung um 7% tritt auf) zum Zeitpunkt 310 zu verdeutlichen. Das Brechen des Widerstands ist bei 320 nach 5h als realer Fehlerfall gezeigt. Die Alarmgenerierung bei beobachtetem

(kommendem) realen Fehlerfall ist indes zeitlich früher und wird vom System bereits als Fehlerfall eingestuft, bevor der reale Fehler das thermische System ausfallen lässt (und die Charge der Beladung unbrauchbar macht).

In einer vergleichbaren Ausschnitts-Vergrößerung ist bei Figur 14 der zeitliche

Bereich 300 heraus vergrößert als 300", um den Beginn des zweiten Events

(Fehlerfall 2) zu verdeutlichen (auch hier trat eine Widerstandsänderung um 7% zum Zeitpunkt 310' auf). Das Brechen des Widerstands ist bei 320' nach 3,5h als ein zweiter realer Fehlerfall gezeigt. Die Alarmgenerierung war 3,5h zuvor bereits erfolgt. Nachweis der vorzeitigen Erkennung ...

Seit der Installation der Heizerüberwachung an den internen Anlagen der Anmelderin konnten zwei Ereignisse der frühzeitigen Erkennung eines Wicklungskontaktes (erstes Event und zweites Event) nachgewiesen werden (dargestellt in Figuren 13 und 14).

In beiden Fällen gab es eine Widerstandsänderung von circa 7% und circa 3,5h bzw. 5h später kam es zu einem Wicklungsbruch (einem Bruch der Heizwendel in der thermischen Anlage).

Die Produktionslose wurden durch die Alarmmeldung(en) an den Anlagen gerettet.