ZU DEN KURSEN!

- Pneumatische Steuer- und Regeleinrichtungen

Kursangebot | | Pneumatische Steuer- und Regeleinrichtungen

Pneumatische Steuer- und Regeleinrichtungen

01. Was versteht man unter Pneumatik?

Pneumatik ist die Lehre vom Gleichgewicht ruhender und strömender Luft. In der Technik findet die Druckluft Anwendung zum Antrieb und zur Steuerung von Maschinen sowie zur Überwachung von Fertigungsanlagen.

02. In welche Gruppen werden die Bauglieder einer pneumatischen Steuerung unterteilt?

  1. Antriebsglieder (Zylinder, Motoren)

  2. Signalglieder (Auslösung der Schaltschritte)

  3. Stellglieder (Ventile zur Signalverknüpfung)

  4. Versorgungsglieder (Aufbereitungseinheit, Hauptventil).

03. Welche Anwendung findet die Pneumatik in der Fertigungstechnik?

  • Druckluftzylinder (Linearantriebe) werden zum Spannen, Zuführen, Verschieben und Auswerfen von Werkstücken eingesetzt.

  • Druckluftmotoren werden

    • als rotierende Antriebe zum Schrauben, Schleifen und Bohren sowie

    • als schlagende Antriebe zum Meißeln, Stanzen und Nieten verwendet.

  • Druckluft wird

    • mithilfe von Düsen zum Ausblasen von Werkstücken,

    • zum Fördern von Schüttgütern,

    • in der Oberflächenbehandlung zum Sandstrahlen und Farbspritzen,

    • in der Längenprüftechnik für pneumatische Mess- und Prüfgeräte sowie

    • für die Erzeugung von Unterdruck zum Bewegen und Transportieren von Bauteilen genutzt.

04. Welche Vorteile bietet die Anwendung von Druckluft in der Fertigung?

Vorteile der Druckluftanwendung:
Luft ist einfach zu verdichten, zu speichern und zu verteilen. Es ist keine Rückleitung erforderlich.
Pneumatikbauteile sind äußerst robust, leicht zu reparieren und haben ein geringes Gewicht.
Es sind Kolbengeschwindigkeiten bis 3 m/s möglich. Druckluftmotoren erreichen Drehzahlen bis zu 30.000 1/min, kleine Turbinen sogar bis zu 450.000 1/min.
Geschwindigkeiten und Kräfte lassen sich stufenlos einstellen.
Mit Druckluft angetriebene Vorrichtungen und Werkzeuge sind überlastsicher und verfügen über ein hohes Anfahrmoment.
Fahrbare Verdichter ermöglichen einen flexiblen Einsatz.
Druckluft kann ohne Gefahr in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden.

05. Welche Nachteile beschränken den Einsatz der Druckluft?

Nachteile, die den Einsatz der Druckluft beschränken:
Wegen der niedrigen Drücke (bis 10 bar) und der Kompressibilität der Luft sind nur relativ geringe Kolbenkräfte erreichbar.
Die Bewegungen sind stark lastabhängig.
Kleine, konstante Kolbengeschwindigkeiten und Motordrehzahlen sind nicht möglich.
Ölnebel in der Abluft belasten die Umwelt. Ausströmende Druckluft verursacht Lärm. Schmutz, Wasser und Öl müssen abgeschieden werden (Kosten).
Leckagen führen zu einem Anstieg der Energiekosten.
Erzeugung und Verteilung von Druckluft sind sehr teuer. Außerdem ist der Wirkungsgrad niedrig, daher ist Pneumatik eine sehr teure Energieform.

06. Aus welchen Baueinheiten ist eine Pneumatikanlage aufgebaut?


>> 1.4.3.4

Jede Pneumatikanlage besteht aus

  • einer Druckerzeugungsanlage (VerdichterZu den Verdichterbauarten vgl. ausführlich unter 1.4.3.4.),

  • einer Aufbereitungseinheit und

  • einer Steuerungseinheit mit Signal-, Steuer-, Stell- und Antriebsgliedern.

Prinzipskizze: Aufbau einer Pneumatikanlage

imported

07. Wie wird Druckluft erzeugt?


>> 1.4.3.4

Ein Verdichter saugt aus der Atmosphäre Luft an und verdichtet sie. Die durch die Verdichtung erwärmte Luft wird anschließend abgekühlt. Das dabei entstehende Kondenswasser (Luftfeuchtigkeit) wird abgeleitet. Ein Teil der für die Drucklufterzeugung aufgewendeten Energie kann durch Reibung und Wärme nicht genutzt werden. Bei sehr großen Leitungslängen ist es ökonomisch sinnvoll, mehrere dezentrale Druckluftanlagen einzusetzen.

08. Wie wird die Druckluft aufbereitet?


>> 1.4.3.4

Die Luft erwärmt sich beim Verdichten sehr stark und muss daher zwischen den einzelnen Verdichtungsstufen und nach dem Verdichter gekühlt werden. Das dabei anfallende Kondenswasser im Nachkühler und im Druckluftspeicher leitet man über einen Kondensatabscheider ab. Die Anforderungen an die Druckluftqualität ist je nach Anwendungsfall sehr hoch; daher ist meist eine weitere Drucklufttrocknung unumgänglich. Jede Temperaturverringerung der Druckluft führt zu weiterem Kondensatanfall mit dem Ergebnis, dass der Schmierfilm an Ventilen, Werkzeugen und pneumatischen Bauteilen ausgewaschen wird und sich in der Folge Korrosion einstellt.

09. Welche Anforderungen werden an die Qualität der Druckluft gestellt?

Die Druckluft muss folgende Anforderungen erfüllen:

  • frei von flüssigen und festen Bestandteilen sein

  • möglichst konstanten Druck aufweisen

  • schmiermittelhaltig zum Schmieren der pneumatischen Bauteile sein

  • nicht schmiermittelhaltig sein, wenn die pneumatischen Bauteile dauergeschmiert sind.

10. Welche Funktion haben Lufttrocknungseinheiten?


>> 1.4.3.4

In vielen Fällen wird der Luft mithilfe von Hochleistungstrocknern nach der Entnahme aus dem Druckluftspeicher noch einmal ein wesentlicher Teil der Restfeuchtigkeit entzogen. Es werden dabei drei TrocknungsverfahrenVgl. ausführlich unter 1.4.3.4/09. ff. eingesetzt:

  • Kühlverfahren

  • Adsorptionsverfahren

  • Absorbtionsverfahren.

11. Welche Anforderungen werden an das Druckluftnetz gestellt?


>> 1.4.3.4

Folgende Anforderungen müssen erfüllt sein:

  • Ausreichende Durchflusskapazität

  • gut geplantes und verlegtes Druckluftnetz

  • geringe Druckverluste

  • minimale Luftleckage (Kosten).

Rohrleitungen sind verzugsfrei zu verlegen und dürfen nicht zweckentfremdet eingesetzt werden. Das Abfließen von Kondenswasseransammlungen ist immer zu gewährleisten. Gute Luftqualität erhöht das Leistungsvermögen, die Lebensdauer der Anlage und verringert die Servicekosten.

16. und aus welchen Bauteilen besteht sie?

Um Reste von Kondenswasser, Schmutz sowie Rost nicht zum Druckluftverbraucher gelangen zu lassen, ist es erforderlich, an jeder Druckluftentnahmestelle noch einmal eine Aufbereitungseinheit (Wartungseinheit) zu installieren. Sie besteht aus den folgenden Bauteilen:

  • Absperrventil (Kugelventile öffnen und schließen nur mit geringen Druckstößen)

  • Druckfilter zum Filtern von Verunreinigungen und Abscheiden von Wasser; während des Betriebs sind die Filter auf Verschmutzung zu kontrollieren; vorteilhaft ist eine automatische Entleerung.

  • Druckluftregler, der den eingestellten Betriebsdruck unabhängig von Druckluftschwankungen im Netz annähernd konstant hält.

  • Schmiergerät (Nebelöler), das nach dem Venturiprinzip arbeitet. Der dabei entstehende Ölnebel gelangt mit der aufbereiteten Druckluft zum Pneumatikgerät. Der Nebelöler ist nach Vorschrift einzustellen und es sind die vorgeschriebenen Öle zu verwenden. Weiterhin ist zu kontrollieren, ob das Gerät bei Betrieb Öltropfen absondert.

13. Welche Funktion haben Antriebsglieder und welche Arten gibt es?

Die pneumatischen Antriebsglieder wandeln pneumatische Energie (Druckenergie) in mechanische Energie (Bewegungsenergie) um.

Nach DIN ISO 1219 werden die Antriebsglieder unterschieden in:

  • Druckluftzylinder für geradlinige Bewegungen

  • Druckluftmotoren ohne begrenzten Schwenkbereich

  • Druckluftmotoren mit begrenztem Schwenkbereich

  • Druckübersetzer (ein pneumatischer Druck X wird in einen höheren Druck Y umgewandelt)

  • Pneumatischer Muskel (Schlauch, der sich unter Druck verkürzt); Anwendung: Spann- und Greiftechnik, für Sortieraufgaben.

Alle Antriebsglieder sind fast wartungsfrei. Trotzdem ist für den jeweiligen Anwendungsfall die geeignete konstruktive Bauart auszuwählen.

14. Welche Besonderheiten weisen Druckluftzylinder auf und welche Schäden können ggf. entstehen?

Druckluftzylinder führen geradlinige Bewegungen aus. Ihr Haupteinsatzgebiet ist das Heben, Verschieben und Spannen von Werkstücken. Man unterscheidet grundsätzlich einfachwirkende und doppeltwirkende Zylinder. Sonderbauarten sind Mehrstellungszylinder, doppeltwirkende Mehrfachzylinder, Flach- und Einschraubzylinder.

Bei Druckluftzylinder kann es beim Abbremsen großer Massen zu harten Endlageanschlägen und damit zu Schäden an Arbeitszylindern kommen. Durch den Einsatz von Zylindern mit Endlagendämpfung und deren korrekte Einstellung können nachhaltige Schäden vermieden werden.

Bei größerem Hub (lange Ausfahrwege) und einer Schwenkbefestigung kann es zu unzulässigen Knickbelastungen der Kolbenstange kommen. Um dies zu vermeiden ist ggf. ein Arbeitszylinder mit stärkerem Kolbenstangendurchmesser notwendig. Auch eine ungenügende Ausrichtung und Befestigung des Arbeitszylinders kann zu unzulässigen Belastungen führen.

15. Welche Besonderheiten weisen Druckluftmotoren auf und welche Schäden können ggf. entstehen?

Druckluftmotoren (z. B. Lamellenmotor) sind sehr robust und unter Beachtung ihrer konstruktiven Eigenschaften wie Drehzahl und Drehmoment sehr langlebig. Sie besitzen einen einfachen Aufbau und werden als Werkzeugantrieb wegen ihrer Überlastsicherheit sowie ihres Gewichtsvorteils auch für hochtourige Antriebe benutzt. Trotzdem können bei einer Reparatur Schäden durch Nichtbeachten der Einbauvorschriften sowie durch fehlerhaften Einbau des Abtriebs (Kupplungen, Riementrieb, Zahnräder) auftreten. Zu beachten sind immer der richtige Drehsinn und der Arbeitsdruck.

16. Welche Funktion haben pneumatische Ventile und welche Hauptarten gibt es?

Ventile sind Energiesteuerelemente. Sie steuern Start und Stopp des Energieflusses sowie Flussrichtung, Druck und Durchflussmenge. Man unterscheidet folgende pneumatische Ventilarten:

Pneumatische Ventile
BauartenFunktion
Wegeventile… bestimmen Start, Stopp und Durchflussrichtung der Druckluft.
 Sitzventile:
  • Kugelsitzventile
  • Tellersitzventile
… haben eine kurze Ansprechzeit, sind nicht schmutzempfindlich und müssen mit hohen Nennweiten vorgesteuert werden.
Schieberventile… haben eine längere Ansprechzeit, sind schmutzempfindlich und benötigen geringe Betätigungskräfte.
Sperrventile… bestimmen die Richtung der Druckluft.
 Rückschlagventile… sperren den Durchfluss in eine Richtung und öffnen ihn in die andere.
Wechselventile… haben zwei Eingänge und einen Ausgang (Funktion der ODER-Verknüpfung).
Zweidruckventile… haben zwei Steueranschlüsse und einen Ausgang (Funktion der UND-Verknüpfung).
Stromventile… bestimmen die Durchflussmenge.
 Drosselventile… reduzieren die Durchflussmenge.
Drosselrückschlagventile… sind eine Kombination von Drossel- und Rückschlagventil.
Verzögerungsventile… sind eine Kombination von Drosselrückschlagventil, 3/2-Wegeventil und Speicher.
Schnellentlüftungsventile… ermöglichen die schnelle Entlüftung von Leitungen.
Druckventile… bestimmen den Druck.
 Druckregelventile… ermöglichen die Reduzierung des Primärdrucks.
 Druckbegrenzungsventile… sind Sicherheitsventile, die eine Überschreitung des zulässigen Drucks vermeiden.

17. Welche Information enthält zum Beispiel die Angabe „3/2-Wegeventil“?

Das Wegeventil verfügt über 3 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen. Die erste Ziffer steht also für die Anzahl der Anschlüsse, die zweite Ziffer für die Anzahl der Schaltstellungungen.

18. Welche Fehlerarten sind bei der Inbetriebnahme von Pneumatikanlagen denkbar?

  • Montagefehler

  • ungenaue Einstellungen der vorgeschriebenen Werte bei Druck- und Stromventilen

  • fehlende Dichtungen

  • vertauschte elektrische und pneumatische Anschlüsse

  • falsche Grundstellung bei Impulsventilen

  • falsche oder fehlende Spannung.

Grundsätzlich ist bei allen Pneumatikanlagen die Wartung der Bauteile und die Qualität der Druckluftaufbereitung (Luftfeuchtigkeit, Ölgehalt) ein entscheidendes Kriterium für die Zuverlässigkeit und die Vermeidung vorzeitiger Verschleißerscheinungen.

19. Welche Aufgabe haben Schaltpläne, Lagepläne und Weg-Schritt-Diagramme?

  • Der Lageplan

    zeigt in einem Schema die räumliche Anordnung der wichtigsten pneumatischen Bauglieder.

  • Schaltpläne

    zeigen die Bauglieder in ihrer Ausgangsstellung. Sie werden in der Reihenfolge des Steuerungsablaufs von unten nach oben unabhängig von ihrer tatsächlichen Lage in der Maschine angeordnet. Man verwendet genormte Bauteilsymbole (vgl. im Einzelnen, unten/19.).

  • Funktionsdiagramme

    zeigen grafisch den zeitlichen und funktionellen Ablauf der Steuerung (Schrittfolge). Damit können Zustände und Zustandsänderungen von Anlagen verdeutlicht werden. Der Funktionsplan (DIN 40719-6) war bis 2005 gültig und wurde mittlerweile durch die DIN EN 60848 (Grafcet; vgl. S. 242) ersetzt. Obwohl das Funktionsdiagramm ein nicht mehr gültiges Werkzeug ist, wird es im Maschinenbau, der Pneumatik und Hydraulik und dort speziell in der Ausbildung noch häufig benutzt.

    • Weg-Zeit-Diagramme

      zeigen die Bewegungsabläufe von Antriebsgliedern in Abhängigkeit von Weg und Zeit.

    • Weg-Schritt-Diagramme

      geben Hinweise für die Wartung und Instandsetzung (ohne Darstellung der Zeitabhängigkeit).

    • Zustands-Schritt-Diagramme

      geben einen schnellen Überblick über Funktionszusammenhänge der wichtigsten pneumatischen Bauteile und dienen dem besseren Verständnis der Steuerung.

      Sie erleichtern in Verbindung mit Schaltplänen das Einrichten, Justieren und Kontrollieren der einzelnen Schaltfunktionen bei der Inbetriebnahme sowie während des Betriebes und unterstützen die Fehlersuche.

      Das Zustands-Schritt-Diagramm zeigt die Steuerung in einzelnen Schritten:

      • Die senkrechte Koordinate zeigt die Schaltzustände der Bauglieder, z. B. bei Ventilen a/b bzw. bei Zylindern ein/aus.

      • Die waagerechte Koordinate zeigt die Zeit und/oder die Schritte des Steuerungsablaufs.

      • Funktionslinien:

        Schmale Volllinien zeigen die Bauglieder in Ruhestellung; breite Volllinien zeigen alle davon abweichenden Zustände (z. B. Zylinder fährt aus).

      • Signallinien

        verbinden die Funktionslinien und stellen die Abhängigkeit der einzelnen Bauglieder dar.

        Eine Pfeillinie zeigt dabei die Verbindung vom auslösenden Schaltelement zum Element, das als nächstes betätigt wird. Dadurch ist es möglich, den vollzogenen Schritt und gleichzeitig den daraus resultierenden neuen Schritt leicht zu erkennen.

      • UND-Verknüpfung:

        Die Vereinigungsstelle der Signallinien wird mit einem dicken Schrägstrich versehen.

      • ODER-Verknüpfung:

        Die Vereinigungsstelle der Signallinien wird mit einem Punkt versehen.

Funktionsdiagramm (Zustandsdiagramm, Ausschnitt):

imported

20. Welche Symbolik wird bei der Erstellung von Schaltplänen verwendet?

Die DIN ISO 1219-1: 1996-03 hat die Symbole für die Darstellung von Schaltkreisen der Pneumatik und der Hydraulik vereinheitlicht (Symbolik der FluidtechnikVgl. in den Tabellenwerken, z. B. Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 9 – 14 ff.). Dazu sind nachfolgend einige Beispiele dargestellt:

imported
Energiequelle pneumatisch hydraulisch
imported
2/2-Wegeventil mit variablem Durchflussweg
imported
Verdichter (Kompressor)
imported
3/2-Wegeventil geschlossen
imported
Hydropumpe verstellbar
imported
Filter oder Sieb

Nachfolgend ist die Benennung der Anschlussstellen nach DIN ISO 1219 wiedergegeben (in Ziffern); ergänzend wurden die alten Benennungen (in Buchstaben) mit aufgeführt:

Anschlussbezeichnungen nach DIN ISO 1219
 Benennung
NeuAlt
Druckquelle1P
Arbeitsleitung2, 4A, B
Entlüftung/Abfluss3, 5, 7R, S, T
Steueranschluss12, 14Y, Z

21. Welche Ursachen können für den Ausfall pneumatischer Anlagen vorliegen?

Zwei der häufigsten Ursachen für den Ausfall pneumatischer Anlagen sind:

  1. Schlechte Wartung, z. B.

    • unzureichende Filterwartung

    • verschmutzte Druckluft

    • das Auftreten von Kondenswasser in der Pneumatikanlage.

  2. Überhöhte Erwartungen an die Lebensdauer der Bauteile:

    Es ist deshalb sinnvoll, für den Betrieb einer pneumatischen Anlage ein Reparatur- und Wartungshandbuch zu führen. Die DV-gestützte Erfassung der Anlagedaten ermöglicht es, Wiederholungsfehler schnell zu finden und exakte Aussagen über den technischen Zustand und die Kosten der Instandhaltung zu geben.

Zu einer vollständigen technischen Dokumentation der Pneumatikanlage u. a. gehören:

  • Ausführlicher pneumatischer Wirkschaltplan

  • Funktionsdiagramme

  • Stücklisten.

Mitentscheidend ist die richtige Wahl des optimalen Instandhaltungskonzepts, z. B. ein Mix aus Ausfallbehebung sowie zustandsorientierter und vorbeugender Instandhaltung. Auf diese Weise können plötzliche Ausfälle minimiert und die Zuverlässigkeit der pneumatischen Steuerung erheblich verbessert werden.

Weiterhin können mithilfe von Fehlersuchprogrammen und systematischen Abfragen Fehlfunktionen an pneumatischen Steuerungen leichter eingegrenzt werden. Dazu ausgewählte Beispiele:

Kontrolle

  • der Verdichter und Trockner

  • des Druckluftnetzes auf Undichtheiten

  • des Steuerprogramms

  • des Leitungsnetzes auf Verstopfungen

  • der Ventile auf richtigen Einbau, Anschluss und Einstellung

  • der Filter auf Verschmutzung/Kondenswasser

  • von Stromart und Spannung (bei elektromagnetischen Ventilen)

  • auf ausreichende Schmierung der Bauteile

  • der Sicherheitseinrichtungen

  • der Sensortechnik (Einstellung, Funktion)

  • der Drücke sowie aller Einstellwerte und Vergleich mit der technischen Dokumentation.