Inhaltsverzeichnis
1. Regelung aller drei Grundgrößen der Pneumatik
2. Anwendungsbeispiele
3. Dank unterschiedlicher Schnittstellen flexibel
4. MODULARE STEUERUNG
Die Pneumatik mit der ihr eigenen Komplexität aufgrund der Kompressibilität des Mediums wird häufig noch als rein schaltende Technologie angesehen, obwohl mittlerweile leistungsfähige und sehr präzise proportionalpneumatische Komponenten preisgünstig verfügbar sind. Daher bieten sich mittels proportionalpneumatischer Regelungen interessante Lösungsmöglichkeiten für eine Vielzahl von Anwendungsfeldern, beginnend in der klassischen Industrieautomation bis hin zu hochpräzisen medizinischen Geräten.
Die 3 Regelgrößen pneumatischer Steuerungen
- Druckregelungen können als 2– oder 3-Wege Regler ausgeführt sein, je nach den anwendungsspezifischen Gegebenheiten bezüglich der Entlüftung des druckgeregelten Volumens. Der „Systematik der hydraulischen Widerstandsschaltungen“ (BAC01) folgend, die selbstverständlich auch auf pneumatische Schaltungen angewandt werden kann, handelt es sich hierbei um eine Ein- oder Zweikantensteuerung. In beiden Fällen arbeitet das Regelventil meist nahe dem Öffnungspunkt, um geringste Mengen Fluid zu- oder abzuführen und den Druck im Lastvolumen somit zu regeln. Im Gegensatz zur Hydraulik, in der eine symmetrische, antiparallele Ansteuerung der beiden Steuerkanten unproblematisch ist, sind die Steuerkanten in der Pneumatik sinnvollerweise zu trennen, um der Unsymmetrie aufgrund unterschiedlicher Druckabfälle beim Be- und Entlüften Rechnung zu tragen. Weiterhin sollten in der Pneumatik Sitzventile verwendet werden, da ein metallisch dichtendes Kolbenschieberelement im Gegensatz zur Hydraulik zu hohe Leckagen und ein abgedichteter Kolben zu hohe Reibung aufweist.
- Volumenstromregelungen sind 2-Wege-Regelungen, bei denen das Regelventil dem geforderten Volumenstrom gemäß eine Position zwischen 0 und 100% seines Arbeitshubes einnehmen und diese halten bzw. gegenüber Eingangs- oder Lastdruckschwankungen leicht variieren muss. Eine einzelne Steuerkante reagiert hier im Zusammenspiel mit dem gemessenen Massenstrom, der unter Einbeziehung der Dichte des zu regelnden Mediums in einen Volumenstrom umgerechnet werden kann.
- Positionsregelungen von Linearzylindern sind in der Pneumatik die kritischsten Regelungen, da sie die Eigenschaften eines Volumenstromreglers während des Verfahrens mit denen eines Druckreglers beim Positionieren verknüpfen müssen. Sowohl die Kolben- als auch Stangenseite des Zylinders müssen über eine 3-Wege Funktion mittels Zweikantensteuerung beeinflussbar sein. Hierbei sollten idealerweise alle 4 Steuerkanten unabhängig voneinander steuerbar sein, damit der Bewegungsvorgang in jeder Situation ideal kontrollierbar ist (SCH01). Weiterhin bietet dies die Möglichkeit, die Öffnungshübe der Einzelkanten elektronisch an das Flächenverhältnis des Zylinders anzupassen und somit einen spiegelsymmetrischen Kraftverlauf zu erzielen (SCH02). Ist die Anwendung dynamisch weniger anspruchsvoll, kann auf einer Seite des Zylinders ein mechanischer 3-Wege Druckregler als fixes Element zur Erzeugung einer „Federkraft“ genutzt werden. Mittels dieser „single-ended“ Positionierung sind für die meisten Anwendungsfälle genügend genaue Positionierungen von ca. 1/100 des Zylinderhubes erzielbar. Allerdings steht in dieser Betriebsart nicht die volle Kraft des Zylinders zur Verfügung. Benötigt man diese bzw. reicht die Dynamik nicht aus, muss die „double-ended“ Variante, also eine vollständig proportionale Vierkantensteuerung, gewählt werden.
Regelung aller drei Grundgrößen der Pneumatik
Der Open Frame Modular Proportional Controller von Camozzi ist ein Lösungsansatz in Form eines Baukastensystems, der Drücke von –1 bis 10 bar und Volumenströme von 0 bis 150 l/min anwendungsspezifisch regeln und die Regelung der Grundgrößen Druck-, Volumenstrom und Position kombinieren kann. Als Basis-Steuerelement einer Einzelkante dienen direktgesteuerte 2/2 Wege Proportionalventile der Serie AP, die in Nennweiten von 1,0 bis 2,4 mm verfügbar sind. Durch Serienschaltung zweier solcher Ventile ist eine 3/3 Wege Funktion realisierbar, die mechanisch entkoppelte Steuerkanten aufweist. Eine Kombination zweier solcher 3/3 Wege Funktionen ergibt somit eine vollständig entkoppelte Vierkantensteuerung.
Der Baukasten besteht folglich aus nur zwei Grundmodulen, dem Mastermodul und dem Slavemodul:
- dem Mastermodul (Bild 2), welches neben dem 2/2 Wege Proportionalventil alle für eine 2-Wege Regelung notwendigen weiteren Elemente enthält: Einen leistungsfähigen Mikrocontroller, einen Relativdrucksensor im Arbeitsanschluss sowie einen Differenzdrucksensor, der den Druckabfall über einer einschraubbaren Kalibrierdüse misst, und somit als Massenstromsensor nutzbar ist.
- dem Slavemodul (Bild 3), welches pneumatisch seriell oder parallel an das Mastermodul ansteckbar ist und somit eine 3/3 Wege Funktion oder eine Boosterfunktion des Masters erlaubt.
Die Regelung der zuvor erläuterten Grundgrößen ist somit wie folgt möglich:
Man erkennt, dass bei der double ended Positionsregelung zwei Master-Slave Kombinationen benötigt werden. Diese müssen gegenseitig Informationen austauschen können, da die Positionsregelung eine antiparallele Ansteuerung der Steuerkantenpaare der Kolben-und Stangenseite des Zylinders erfordert. Dies wird mittels eines CANopen Busses realisiert, welcher bis zu 128 Mastermodule miteinander verbinden kann und der über die Slavemodule durchgeschleift wird.
Die Möglichkeit zur internen Kommunikation eröffnet nun weitere Möglichkeiten des Baukastens. Es können alle Grundfunktionen miteinander verkoppelt und somit anwendungsspezifische Funktionsblöcke realisiert werden (Bild 4).
Anwendungsbeispiele
Für Handlingsaufgaben bietet sich die Kombination aus Positions- und Druckreglern an, um mit Greifern bestückte Zylinder diverse Positionen anfahren und kraftgeregelt unterschiedliche Werkstücke aufnehmen zu können.
Für den medizintechnischen Bereich der Anaesthesie und der Beatmungstechnik stellt beispielsweise die Zusammenschaltung mehrerer Volumenstromregler dar, die durch unterschiedlich hinterlegte Mediendichten diverse Gase mischen können. Diese Gemische können durch zusätzlich eingebundene Druckregler auf beliebige Ausgangsdrücke geregelt werden.
Dank unterschiedlicher Schnittstellen flexibel
Alle im Verbund befindlichen Module können über ihre individuelle Busadresse von der Leitebene aus erreicht werden, aber auch mit jedem anderem, im Verbund befindlichen Modul, Daten austauschen und abgleichen. Das ermöglicht wiederum die Implementierung von Expertenalgorithmen, die zur Ermittlung von Daten zur vorbeugenden Wartung dienen können und somit den gesamten Baukasten im Sinne der Industrie 4.0 / IoT nutzbar machen. Die bereitzustellenden Daten sind kundenspezifisch adaptierbar und können die Notwendigkeiten der Anwendung individuell abbilden. Mittels am Markt verfügbarer Buskonvertermodule ist der Baukasten an eine Vielzahl von Feldbussystemen ankoppelbar. Neben dem CANopen Protokoll bietet Camozzi eine integrierte IO-Link-Schnittstelle, einen analogen Ein- und Ausgang sowie RS485 und RS232 Schnittstellen in Form von aufsteckbaren Interface Modulen für die Mastermodule an. Die Vielfalt trägt den diversen Anforderungen unterschiedlichster Marktsegmente Rechnung, bewahrt jedoch die Grundidee eines modularen Konzepts. eve
Details zum Open Frame Modular Proportional Controller: hier.pro/CVmfZ
Messe Motek 2019: Halle 8, Stand 302
Camozzi Automation GmbH
Porschestraße 1
73095 Albershausen
Telefon: +49 7161 91010-0
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Vertreten durch:
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Marco Camozzi
Lodovico Camozzi
PLUS
MODULARE STEUERUNG
- Durchflusssteuerung mittels Drucksensoren: Wird nur der Master genutzt, kann ein Zwei-Wege-Volumenstromregler in geschlossenem Kreislauf hergestellt werden. Die Verwendung der Master-Slave Kombination ermöglicht die Realisierung eines 3-Wege-Stromventils mit gleichen Eigenschaften.
- Die Nutzung der Master-Slave-Kombination ermöglicht eine Druckregelung.
- Positionsregelung in geschlossenem Kreislauf für Pneumatikzylinder: Die Nutzung der Master-Slave-Kombination ermöglicht die Positionsregelung durch Einlesen des Positions-Istwertes.
