Ein Proportionalventil ist ein Stetigventil, das mit Hilfe eines Proportionalmagneten ein Ventil stetig öffnet oder schließt. Im Gegensatz zu Ein- und Ausschaltventilen eröffnen moderne Pneumatik-Proportionalventile ein weites Anwendungsfeld für die Regelung von Druck, Durchfluss, Kraft, Geschwindigkeit und Weg- oder Winkelpositionen. Für die Auswahl des richtigen Proportionalventils reicht es, wenn Konstrukteure die folgenden fünf Fragen beantworten:
- 1. Welche Regelungsstrategie will ich einsetzen?
- 2. Welche spezifischen Anforderungen stellt die Anwendung?
- 3. Welche Ventilkonstruktion erfüllt die Anforderungen?
- 4. Kann ich durch digitale Inbetriebnahme die Inbetriebnahme beschleunigen?
- 5. Ist das Ventil vernetzbar, um zukunftssicher IIoT und Industrie 4.0 zu unterstützen?
Offen, geschlossen oder kaskadierend?
Proportionalventile können in offenen, geschlossenen oder kaskadierenden Regelkreisen betrieben werden. Maßgeblich ist die Anwendung. Soll ein einmal eingestellter Wert unverändert über einen langen Zeitraum bei mäßigen Genauigkeitsanforderungen beibehalten werden, reicht meist ein offener Regelkreis ohne Rückmeldung.
Bei veränderlichen Werten und höheren Genauigkeitsanforderungen erfüllt nur ein geschlossener Regelkreis die Anforderungen. Im Closed Loop vergleicht eine Elektronik kontinuierlich über einen Sensor den Soll- mit dem Ist-Wert. Sie schließt intern den Regelkreis und erhöht die Wiederholgenauigkeit und schafft die Flexibilität für veränderbare Sollwerte. So können bei Abfüllprozessen Proportionalventile den Durchfluss so regeln, dass sie zu Beginn die Behälter mit einer großen Menge befüllen, um die Zykluszeit zu minimieren. Gegen Ende des Taktes verringert das Ventil den Durchfluss, um ein Überschwappen durch Verwirbelungen zu verhindern.
Ein dritte Regelungsvariante ist die kaskadierende Regelung, die zusätzlich zum geschlossenen Regelkreis mit dem Soll-/Ist-Vergleich des Drucks oder der Durchflussmenge weitere, prozessbezogene Parameter erfasst und in die Regelalgorithmen aufnimmt. Sensoren erfassen Temperatur, Durchfluss, Druck, Kraft oder Position und melden die Ergebnisse an eine Logik, die daraus verfeinerte Prozess-Sollwerte errechnet.
Auf den Einzelfall kommt es an
Für Konstrukteure ist immer die konkrete Anwendung mit ihren speziellen Rahmenbedingungen entscheidend für die weitere Eingrenzung des geeigneten Ventils. Hier geht es um den vorgegebenen Eingangsdruck und den maximal ansteuerbaren Ausgangsdruck, die benötigte Durchflussmenge, Medien- und Umgebungstemperaturen sowie Umgebungsbedingungen wie Vibrationen, verfügbarer Bauraum oder das Vorhandensein gefährlicher Stoffe. Auf jeden Fall müssen Konstrukteure schon hier das Verhalten bei einem Stromausfall berücksichtigen.
Welche Bauart darf es sein?
Unter den verschiedenen Bauarten decken zwei den Großteil aller Anwendungen ab: Vorgesteuerte und direktgesteuerte Proportional-Magnetventile. Bei vorgesteuerten Ventilen wird Druckluft in eine Pilotkammer gedrückt, die über eine Membran auf einen Kolben einwirkt, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen. Diese Ventilart ist besonders kostengünstig und eignet sich für Anwendungen mit einem statischen Druckpunkt und längeren Zykluszeiten. Auf der anderen Seite bestehen sie aus mehr mechanischen Einzelteilen, die durch die Produktionsstreuung die Varianz innerhalb der Serie erhöhen.
Anspruchsvollere Anwendungen lassen sich oft besser mit direktgesteuerten Magnet-Proportionalventilen erfüllen. Dort bewegt der Magnet direkt den Zylinder und öffnet die Ventilöffnung entsprechend der vorgegebenen Werte. Durch die geschlossene Regelung bieten sie eine hohe Wiederholgenauigkeit. Sie erreichen außerdem deutlich mehr Schaltzyklen und damit eine erheblich höhere Lebensdauer in Kurztakt-Anwendungen.
Bei der Inbetriebnahme zählt jede Stunde
Immer noch gibt es zahlreiche Druckregelventile, die bei der Inbetriebnahme einzeln mit Schraubendreher und Gefühl eingestellt werden müssen. Techniker verändern die Einstellung des Potentiometers schrittweise, überprüfen die Ausführung in den nächsten Zyklen und optimieren weiter. Das ist zeitaufwändig und nicht reproduzierbar, weil es vom Geschick des Technikers abhängt.
Der Stand der Technik heute ist die digitale Inbetriebnahme. In der Software geben die Techniker Parameter ein und überprüfen sie beispielweise mit einer integrierten digitalen Oszilloskop-Funktion. Damit haben Techniker wesentlich mehr Einflussmöglichkeiten für hochpräzise und hochdynamische Abläufe bei einem geringeren Zeitaufwand. Sie können alle Einstellungen sichern und sie als E-Mail an den Hersteller senden, damit dieser die nächsten Ventile bereits mit exakt diesen Einstellungen ab Werk ausliefert.
Vernetzung sichert Zukunft
Endanwender aller Branchen fordern es immer stärker: Neue Anlagen, Maschinen und Module müssen vernetzbar sein, um die Vorteile des IIoT und von Industrie 4.0 zu erschließen. Es geht um die Fehlerdiagnose von beliebigen Standorten aus, das Erfassen und Melden von Verschleiß sowie um Prozessdaten. Hier bietet IO-Link aktuell das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis. Der herstellerübergreifende Standard stellt kostengünstig Punkt-zu-Punkt-Verbindungen her und macht die angeschlossenen Komponenten digital sichtbar. Anwender können mit den erfassten Daten Condition Monitoring umsetzen und ihre Prozesse verbessern.
Beispiel Aventics Sentronic-Familie von Emerson
Die Aventics Sentronic-Familie von Emerson deckt in verschiedenen Varianten unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte ab in Bezug auf höchste Präzision, geringen Energieverbrauch und einfache Inbetriebnahme sowie Diagnose. Die direktgesteuerten Proportionalventile ermöglichen die exakte Regelung von Druck, Durchfluss, Kraft, Geschwindigkeit sowie Weg- oder Winkelpositionen. Sie unterstützen geschlossene und kaskadierende Regelkreise mit kurzen Ansprechzeiten. In zahlreichen Ausführungen, von ATEX-konform bis hin zu Vakuumvarianten, decken sie die Anforderungen der meisten Anwendungen ab.
Mit einer kostenlosen Software für die Einstellung der Regelparameter sparen Techniker Zeit bei der Inbetriebnahme und der Diagnose. Der IO-Link-Anschluss vereinfacht die Inbetriebnahme weiter, da sich Sentronic-Ventile automatisch identifizieren und auch selbst konfigurieren. Im laufenden Prozess können Anwender über IO-Link Geräteparameter direkt über die SPS ändern, ohne dass eine spezielle Software erforderlich ist.
Durch die IO-Link-Kommunikation erhalten Anwender direkten Einblick in diese Ventile während des Produktionsbetriebs. Dies unterstützt die zukünftige Implementierung von Anwendungen für Industrie 4.0 und das industrielle Internet of Things (IIoT), die zur Steigerung der Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Rentabilität von Anlagen und Anlagen beitragen werden. jke
Weitere Informationen zu den Proportionalventilen von Emerson
Kontakt:
AVENTICS GmbH
Ulmer Straße 4
30880 Laatzen
Tel.: +49 511 2136 522
E-Mail: aventics@emerson.com
Website: www.aventics.com/de/
