Grundlagen Pneumatik

Niederdruck: < 1bar

Normaldruck: 6 - 8 bar / max. 10 bar (Industriepneumatik)

Hochdruck: > 10 bar

• bei manchen Ventilen Mindestdruck von 1,5 - 2,5 bar

• max. 10 bar aus Sicherheitsgründen (hohe pot. Energie)

• Wartungseinheit

• Schläuche

• Ventile

• Aktoren

• Sensoren

• Steuerung (z.B. SPS, Relaissteuerung,…)

• Sensor / Aktor - Kommunikation (IO-Link,…)

• Kondensatablass

• Filter

• Druckregelventil

• Manometer

( - in Ausnahmefällen ein Öler)

Standardmäßige “Lebenslang-Schmierung” in den Ventilen

• günstige Arbeitskomponenten

• einfache Realisierung von Linearbewegungen

• geringe Wartungskosten

• Arbeitsmedium “Luft” ist in großen Mengen verfügbar

• hohe Arbeitsgeschwindigkeiten

• keine Rückleitungen notwendig

• bei Leckage keine Umweltverschmutzungen

• Überlastsicher

• keine Probleme in explosionsgefährdeten Umgebungen

  
  

• hohe Kosten für Drucklufterzeugung

• niedriger Wirkungsgrad ( < 10%)

• Gefährdungspotential (gerade bei hohen Drücken)

• Lärmemission

• gute Aufbereitung der Druckluft notwendig

• geringe Energiedichte

• langsamer Kraftaufbau (Kompressibilität)

• das Halten einer Position gegen eine Kraft nur mit Regelung mögl.

Ein Normkubikmeter ist die Menge eines Gases, die im Normzustand einen Kubikmeter Raum einnimmt.

technischer Normzustand:

=> 20°C und Atmosphärendruck mit zugehöriger Dichte, Gaskonstante, rel. Feuchte

physikalischer Normzustand:

=> 0°C, Atmosphärendruck,…, rel. Feuchte 0%

• allgemeine Gasgleichung

  p*V / p0V0 = mRT / m0*R*T0

=> kürzen und umstellen!

1. Automobilindustrie

2. Chemieindustrie

3. Verpackungsindustrie

4. Lebensmittelindustrie

5. …

• Luftverdichtung: 1 -> 6 bar => 20°C -> ca. 215°C

• Abkühlen: p = const. => 215°C -> 20°C

• Expansion der Luft: 6 -> 1 bar => 20°C -> -97°C !!!!!

  Achtung! Deutlich unter Taupunkt von Luft => Kondesat!

• Geräuschemission

• Gefahr durch peitschende Schläuche

• platzende Schläuche/Behälter/…

• Eindringen von Luft in Blutbahn führt zum Tod!

• hohe Kompressibilität -> hohe Energiespeicherfähigkeit

• lastabhängige Bewegung

• niedrige Viskosität -> geringe Strömungsverluste

• Geschwindigkeiten von 10-40 m/s in langen Leitungen verlustfrei möglich

• Wassergehalt abhängig von Druck und Temperatur

• Vereisungsgefahr bei expandierender Luft

• Pneumatik 6 ~ 8 bar

• Hydraulik 210 - 420 bar

  Pp/Ph = 8/420 => ca. 1/50

  Hydraulik hat 50mal höhere Kraftdichte!

Ziel:

• für berührungslose Messungen von Abständen und Durchmessern

Einsatzgebiet:

• automatisierte Messungen

• berührungslose Messungen bei epfindlichen Teilen

Funktionsweise:

• besteht aus Düse und Messdorn

• aus Düse kommt Druckluft

• wenn man näher an die zu messende Oberfläche kommt, ändert sich der Druck in der Düse

• diese Druckänderung wird gemessen und in ein el. Signal gewandelt

• Es wird hier ausschließlich mit dem Absolutdruck gerechnet

• bei Vergleichen wird der Massenstrom herangezogen, da Dichteunterschiede bei Temp.-Schwankungen vorkommen

Manometeranzeige an Rohrleitung zeigt einen Überdruck von 6 bar;

darauf muss der Atmosphärendruck dazugerechnet werden um den Absoluten Druck zu bekommen.

Hier: Pabs = 7 bar

• b bei Luft => 0,528

  Der Wert sagt aus, dass bei dem kritischem Druckverhältnis P2/P1 = 0,528 gerade die Schallgeschwindigkeit im engsten Düsenquerschnitt (A2) erreicht wird.

  Eine weitere Absenkung des Druckverhältnisses bringt keine weitere Erhöhung der der Austrittsgeschwindigkeit!

• P2/P1 > b = 0,528 unterkritischer Bereich P2 = Pa

• P2/P1 = b = 0,528 Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt

• P2/P1 < b = 0,528 überkritischer Bereich -> Schallgeschw.

  dann gilt: P2 = b * P1

Ideale Gasgleichung liefert:

• p*Q = m. *R*T

Zum Vergleichen ist der Massenstrom m. heranzuziehen, R = bekannt!

=> Es werden noch der Druck p und die Temperatur T benötigt!

1. Druck

2. Temperatur

…mit steigender Temperatur. Da bei höheren Temperaturen die Wasser-Moleküle mehr Energie haben um in die Gasphase überzugehen. => Wassergehalt der Luft steigt!

…steigendem Druck. Bei Erhöhung des Drucks wird die Menge des Wasserdampfs, der bei einem bestimmten Sättigungsdruck vorhanden sein kann, weniger!

=> Wassergehalt fällt mit steigendem Druck!

Signalüberschneidung

…muss immer vermieden werden.

bei monostabilen Ventilen kommt es zu keiner Signalüberschneidung

• Schlitzzylinder

• Bandzylinder

• Magnetgekoppelter Zylinder

Bei Reed-Sensoren ist ein Magnetfeld erforderlich!

(Read-Näherungssensor)

In den Endlagen eines Kolbens werden die Read-Sensoren angebracht. Auf dem Kolben wird ein Magnet angebracht.

Wenn der Magnet den Sensor passiert, schließt sich der Kontakt und es fließt ein Strom.

• einfacher Aufbau

• große Bandbreite an Strömen/Spannungen schaltbar

• keine Berührung zwischen Magnet und Sensor (Reibungsfrei)

Monostabile Ventile, da diese bei Ausfall der Druckluftversorgung eine eindeutige Stellung haben.

• 2 entsperrbare Rückschlagventile

Zeitverzögerungsventil

-> größerer Durchfluss beim Flachsitzventil

• Kipprollenventile verwenden

• Kaskadensteuerung

• Taktkettensteuerung

• kontunuierlicher Förderstrom

• große Volumenströme mgl.

5 - 40 µm

Der Massenstrom bleibt trotzdem konstant, da die Düse im überkritischem Bereich liegt und nur der Ausgangsdruck abgesenkt wurde!

Durch die Erhöhung des Eingangsdrucks steigt proportional auch der Massenstrom bzw. der Durchfluss.

Weitere Möglichkeit ist die Vergößerung des Querschnitts.

• Darstellung: Q mit dem Index N

• Druck p0 und Temperatur T0 liegen zugrunde

• Verschleiß an Dichtungen und beweglichen Teilen

• Korrosion

• Kondensatansammlung => Auswaschen der Schmierung

  
  

• induktiver Sensor

• kapazitiver Sensor

• Reedkontakt

Begrenzung des Anlagen-Nenndrucks auf ein Minimum

• Elastizitätsmodul Luft “E”

• Druck im Zylinder “p”

• Querschnittsfläche des Zylinders

• Volumen

• c = (A²n*p)/V

• c = (A²*E)/V

1. Querschnittsfläche A erhöhen

2. Druck p erhöhen

3. Volumen V verkleinern

Pneumatischer Leitwert C

Für Reed-Sensoren wird ein Kolben mit Permanentmagnet benötigt.

• schlechter Wirkungsgrad

• Energiekosten

Der Massenstrom wird größer, da die Dichte zunimmt.

1. Verkürzung der Entlüftungszeit führt zu einem schnelleren Kolbenrückhub => höhere Arbeitsgeschwindigkeiten möglich

2. Sie werden so nah wie möglich am zu entlüftenden Bauteil angeordnet -> kurzer Weg => kleine Zeiten

   …oft direkt am Zylinder.

• präzisere Einstellung der Ein- und Ausfahrgeschwindigkeiten

• gleichmäßigere Bewegungen möglich

• Würde man die Zuluft drosseln, dann würde man auch die Kraft die der Zylinder aufbringen kann begrenzen!

• Die Dämpfung des Zylinders bei Lastwechsel ist einstellbar

  
  

Zuluftdrosselung

• Weg-Ventile (lenken den Luftstrom)

• Strom-Ventile (steuern den Durchfluss)

• Sperr-Ventile (sperren den Durchfluss in eine Richtung)

• Druck-Ventile (begrenzen bzw. regeln den Druck)

• bei hohen Geschwindigkeiten

• Zylindergeschwindigkeit

• Durchfluss

• Kolbendurchmesser

• Innendurchmesser der Leitungen

mit kleiner Kraft wird eine große Kraft geschaltet!

… für unter Druck stehende Lasten sind entsp.bare RSV sinnvoll, da sie die Zylinderbewegungen verhindern.

Dichtungen mit geringer Reibung verwenden -> Verbrennungsgefahr

Kolbenstangenlose Zylinder, wie z.B.:

• Schlitzzylinder

• Bandzylinder

• magnetgekoppelte Zylinder

Es müssen im Realfall Reibungskräfte mit berücksichtigt werden.

1. Signalgeschwindigkeiten

2. Anwenderfreundliche Programmierung mit SPS

Merke: Das was in der Mitte steht, zählt. PNP => negative Richtung.

Der Sensor muss vom Ausgang aus nach unten auf die 0V-Schiene angeklemmt werden.

Merke: Das was in der Mitte steht,zählt. NPN => positive Richtung!

Der Sensor muss vom Ausgang aus nach oben auf die 24V-Schiene angeklemmt werden.

1. Optisch

2. Kapazitiv

• Eingangssignal

• Einzelbit

• liegt an Adresse 0.0 vor

Variablen dürfen nicht mit einer Zahl beginnen.

Isotherme Zustandsänderung

• Zylinder ist nicht zwischen zwei Luftpolstern eingespannt

• stark lastabhängiges Verhalten

• Kraft die der Zylinder aufbringen kann wird beeinflusst

1. Funktionsbausteinsprache

2. Kontaktplan

3. Ablaufsprache

1. Anweisungsliste

2. Strukturierter Text

Bei gleichzeitiger Betätigung von EIN & AUS setzt sich der dominierende Teil durch.

• Kompressoren mit kleinst nötigem Druck betreiben

• Leckagen vermeiden

• möglichst kleiner Differenzdruck im Filter

• Kompressoren nach Arbeitszeit ausschalten

Einstellung der Endlagendämpfung

1. Einzelverdrahtung

2. Feld-BUS-System

3. Multipolkabel

1. kapazitiver…

2. Iínduktiver…

3. optischer… Sensor

1. dominierend AUS: 1 steht unten beim R

2. dominierend EIN: 1 steht oben beim S

Am Zylinder-Eingang montiert:

• schnelles Einfahr-Verhalten

Am Zylinder-Ausgang montiert:

• schnelles Ausfahr-Verhalten

• Relais können eingesetzt werden, um eine niedrige elektrische Steuerspannung in ein Signal umzuwandeln, das höhere Lasten schaltet.

• galvanische Trennung von Steuer- und Laststromkreis

0,484

Er dient als Vergleichswert, da man aufgrund der Kompressibilität von Luft und der Abhängigkeit von Druck und Temperatur, nicht mit Volumenströmen rechnen kann.

In einem strukturierten Text, Anweisungen in eine Liste schreiben.

• Strukturierter Text

• Anweisungsliste

Wenn ich den Kontaktplan plane, verschägt es mir die Ablaufsprache.

• Kontaktplan

• Ablaufsprache

• FBS

1. Explosionsgefährdete Räume

2. bei einfachen Anwendungen

1. Höhere Zuverlässigkeit (weniger Verschleiß durch mechanisch bewegte Teile)

2. Kleinerer Installationsaufwand bei umfangreichen Steuerungen

3. bei Nutzung von SPS sind sehr komplizierte Abläufe möglich

4. Bewegungsabläufe & Taktzeiten besser einstellbar

5. bessere Abfrage- und Überwachungsmöglichkeiten durch Endlagensensoren

1. Wirkweise der Steuerung ist anwenderfreundlich im Programm festgelegt

2. geringer Verdrahtungsaufwand

3. Änderungen sind leicht im Programm realisierbar

   => keine neue Verdrahtung notwendig!

4. komfortable Diagnosemöglichkeiten

1. Wirkweise durch Verdrahtung einzelner Schaltelemente

2. wird mit Relais oder Schützen realisiert

3. großer Verdrahtungsaufwand => mühselige Fehlersuche

4. nur für kleine Steuerungsaufgaben geeignet

5. wird oft als Ergänzung zur SPS verwendet, z.B. für Sicherheitseinrichtungen (NOT-AUS)

1. hohe Lebensdauer, da keine Berührungen stattfinden und nicht durch äußere Betätigungskraft geschaltet

2. zuverlässiges Schaltverhalten

1. Hall-Sensor

2. Magnetostriktiver Sensor

Kapazitiver Näherungsschalter

Einweg-Lichtschranke:

• Sender und Empfänger des Lichts separat angeordnet

  => es werden Reflexionen vermieden!

ca. 3 - 5 Cent/Normkubikmeter

Gesamtwirkungsgrad < 10%

Teflon:

• -80 bis +220 °C

• für hohe Geschwindigkeiten

Schlitzzylinder

1. Durchschnittlicher Luftverbrauch

   • benötigt für Kompressor- und Hauptversorgungsauslegung

   • benötigt für Berechnung der Energiekosten

2. Spitzenluftverbrauch

   • benötigt für Auslegung von Ventilen, Schläuchen,…

   • er hängt von der höchst möglichen Zylindergeschwindigkeit ab

Der Stick-Slip-Effekt in der Pneumatik beschreibt das ruckartige Wechseln zwischen Haftung und Gleitreibung, was zu ungleichmäßiger Bewegung führt. Dies kann die Leistung und Lebensdauer pneumatischer Systeme beeinträchtigen. Um den Effekt zu minimieren, können geeignete Schmierung, optimierte Druckregelung und der Einsatz reibungsarmer Materialien oder Komponenten hilfreich sein.

Er tritt nicht bei Balgzylindern auf.

• robuster Geräteaufbau

• analoge und digitale Ein- und Ausgänge

• Kommunikation mit anderen Rechnern durch BUS-Systeme mgl.

• einfache Programmierung mit PC oder separatem Gerät

• verschiedene Anwendungsorientierte Programmiersprachen

• schnelle Funktionswechsel durch Programmänderung

• serielle Arbeitsweise

Bei größeren Leitungslängen können falsche Messwerte herauskommen, da mit zunehmender Länge der elektrische Widerstand höher wird.

Folge => Spannungsabfall durch höheren el. Widerstand

Außerdem: geringer Geschwindigkeit bzw. Auflösung

• hoher Standartisierungsgrad

• 20m Leitungslänge problemlos möglich

• Sensoren UND Aktoren können angeschlossen werden

• gleichzeitige Verfügbarkeit von analogen und binären Signalen

• mehrere Signale über eine Leitung übertragbar

1. vorderer Teil: Netzwerkadresse

2. hinterer Teil: Geräteadresse

Netzwerkanteil der IP-Adresse muss gleich sein.

Nein!

1. beim Abschalten können große Spannungen entstehen

2. SPS können nur kleine Leistungen schalten (Motoren haben zu große Ströme)

Lösung: SPS steuert ein Relais/Schütz an, der wiederrum schaltet den Motor.

• Dimmer einer Lampe

• Temperaturmessungen

• Lautstärkeregler

• Taster 2 steuert 2M1

• Taster 3 steuert 1M1

=> 1. Anweisung wird überschrieben und gilt nicht mehr!

< 0,1 bar

P = dp*Q

Leistung= Druckverlust * Volumenstrom

• Schnellentlüftungsventile

• kurze Zuleitungen

• großer Leitungsdurchmesser

• Druck erhöhen

1. Druck erhöhen

2. Querschnittsfläche erhöhen

3. Zylindervolumen minimieren

1. Zylinder ist pneumatisch nicht so gut eingespannt

2. Stick-Slip-Effekt tritt auf