Synchronisierung pneumatischer Komponenten für maximale Effizienz

In der industriellen Automatisierung wird Effizienz oft als Spezifikation auf Komponentenebene behandelt. Ingenieure können einen hocheffizienten Stellantrieb oder ein Ventil mit geringer Wattzahl auswählen und davon ausgehen, dass das System effizient arbeitet. Allerdings können auch Maschinen, die mit effizienten Teilen gebaut wurden, überschüssige Energie verbrauchen, wenn diese Komponenten nicht synchronisiert wurden.

Energieverluste in der Pneumatik sind oft eher auf die Systemarchitektur als auf den Ausfall einzelner Komponenten zurückzuführen. Ein effizienter Aktuator kann nicht optimal arbeiten, wenn er durch einen engen Schlauch gespeist oder durch ein überdimensioniertes Ventil gesteuert wird. Energieeinsparungen werden daher durch die Harmonisierung der gesamten pneumatischen Kette erreicht, um Einschränkungen und Totvolumen an jeder Schnittstelle zu minimieren. Dieser Artikel skizziert einen Ansatz für die Auslegung von Pneumatiksystemen auf Systemebene und zeigt, wie die Synchronisierung von sechs wichtigen Komponentenkategorien die Energieeffizienz verbessern kann.

Verringerung des anfänglichen Druckabfalls durch bessere Vorbereitung

Die Effizienz des Systems beginnt bereits bei der Luftaufbereitung. Unterdimensionierte oder verstopfte Luftaufbereitungsanlagen können einen Druckabfall verursachen. Wenn ein Filterregler aufgrund einer Durchflussbegrenzung einen Druckabfall verursacht, muss der Kompressor mit einem höheren Druck arbeiten, um diesen Widerstand zu überwinden. Eine solche Bewegung führt dazu, dass die Energie nur dazu verwendet wird, Luft durch eine Beschränkung zu drücken, anstatt die Last zu bewegen.

Der erste Schritt in einem synchronisierten System ist eine Hochstrom-Luftaufbereitungsanlage. Der in Abbildung 1 gezeigte Filterregler der MS-Serie (MS6-LFR) von Festo wurde entwickelt, um diese anfängliche Einschränkung zu minimieren. Mit einem normalen Nenndurchfluss von 4000 l/min (normiert nach DIN 1343) sorgt der MS6-LFR für eine gleichmäßige Versorgung der nachgeschalteten Komponenten, auch bei Bedarfsspitzen.

Abbildung 1: Der Filterregler MS6-LFR kombiniert Filtration mit hohem Durchfluss (4000 l/min) mit präziser Druckregulierung zur Beseitigung von Einlassengpässen. (Bildquelle: Festo)

Der Regler verfügt außerdem über einen Regelbereich von 0,5 bar bis 12 bar, so dass der Basisdruck der Maschine genau auf das erforderliche Niveau eingestellt werden kann. Für den gleichen Zweck bietet der LRP-Präzisionsregler (Abbildung 2) eine maximale Druckhysterese von 0,02 bar für Anwendungen, die eine hohe Stabilität erfordern und einen konstanten Systemdruck gewährleisten.

Abbildung 2: Der Präzisionsregler LRP-1/4-4 bietet eine Hysterese von 0,02 bar für eine hochstabile Druckregelung in sensiblen Anwendungen. (Bildquelle: Festo)

Beide Regler verfügen außerdem über eine sekundäre Entlüftung. Erhöht sich der Druck hinter dem Ventil (z. B. durch äußere Kräfte auf ein Stellglied), lässt der Regler den überschüssigen Druck ab und verhindert so einen Gegendruck, der die Bewegung behindert. Der Einsatz eines Reglers, der einen gleichmäßigen Durchfluss gewährleistet, hält den Druck in der Hauptleitung auf dem erforderlichen Mindestniveau und senkt so den Gesamtenergieverbrauch.

Optimierung des Energieverbrauchs durch Regulierung am Bedarfspunkt (Point-of-Use)

Viele Systeme versorgen die gesamte Maschine mit dem Druck, den ihr einziger, anspruchsvollster Antrieb benötigt. Wenn zum Beispiel eine schwere Presse 6 bar benötigt, wird oft der gesamte Kreislauf mit 6 bar beaufschlagt, selbst bei leichten Spann- oder Rückhüben, die nur 3 bar benötigen. Dadurch werden fast 50% der Energie für diese leichteren Aufgaben verschwendet.

Bei der dezentralen Regelung werden mit dem Druckregler MS2-LR Druckzonen direkt am Bedarfspunkt eingerichtet, wie in Abbildung 3 dargestellt. Der Regler ist kompakt (Größe 2) und kann Durchflussmengen bis zu 350 l/min bewältigen, was ihn ideal für die Isolierung bestimmter Maschinengruppen macht. Mit anderen Worten: Durch die Installation eines MS2-LR vor Ort kann der Hauptverteiler mit 6 bar versorgt werden, während ein bestimmter Zweig für leichtere Aufgaben auf 3 bar heruntergeregelt wird.

Abbildung 3: Der Druckregler MS2-LR bringt die Druckregelung direkt an den Aktuator. (Bildquelle: Festo)

Im Gegensatz zu einfacheren Reglern verfügt der MS2-LR über eine Rücklauffunktion und eine Sekundärentlüftung. Dadurch wird sichergestellt, dass der Überdruck beim Rückhub oder bei der Entlüftung des Systems schnell abgebaut werden kann, was eine pneumatische Blockierung verhindert und die Sicherheit gewährleistet.

Das Modell MS2-LR-QS6-D6-AR-BAR-B (Abbildung 4) verfügt über ein integriertes Manometer, mit dem der Bediener visuell überprüfen kann, ob die Zone mit ihrer reduzierten, energieeffizienten Einstellung arbeitet. Für ein noch geringeres Gewicht (28,3 g) bietet die A8-Variante einen vorbereiteten Anschluss für kundenspezifische Messgeräte.

Abbildung 4: Die integrierte Überwachung ermöglicht die sofortige Überprüfung von energiesparenden Druckzonen. (Bildquelle: Festo)

Minimierung des Totvolumens bei der Luftübertragung

Schläuche zwischen dem Ventil und dem Antrieb sind eine bedeutende Quelle für Energieverluste. Das Volumen in den Schläuchen muss bei jedem Zyklus mit Druck beaufschlagt und entlastet werden. Dieses Totvolumen verbraucht Druckluft, ohne Arbeit zu verrichten. Außerdem erhöhen Undichtigkeiten in den Rohrleitungen die Grundlast des Kompressors.

Die Übertragungseffizienz wird durch Materialauswahl und geometrische Optimierung erreicht.

• Integrität des Materials: PUN-H-Schläuche werden aus hydrolysebeständigem TPE-U (Polyurethan) hergestellt. Im Gegensatz zu Standard-PVC, das sich im Laufe der Zeit zersetzen und undicht werden kann, behält PUN-H seine Flexibilität und Dichtungsintegrität in verschiedenen Umgebungen bei, mit einem Betriebstemperaturbereich von -35°C bis +63°C. Die glatte Innenwand minimiert die Reibung und fördert die laminare Strömung.
• Geometrische Strategie: Die Platzierung der Ventile näher an den Aktuatoren und deren Verbindung mit abgelängten Schläuchen reduziert die pro Zyklus benötigte Luftmenge. Die PUN-H-Serie ermöglicht die Identifizierung von Schaltkreisen durch Farbcodierung, wobei die schwarzen und blauen Varianten einen überragenden Mindestbiegeradius von 9,7 mm für ein enges Verlegen bieten. Beachten Sie, dass die naturfarbene Variante einen etwas größeren Biegeradius (14 mm) hat, so dass die Produktauswahl auf den verfügbaren Platz zur Installation abgestimmt werden sollte.

Optimierung der Ventilauswahl für höhere Energieeffizienz

Ventile werden manchmal nach der Größe der Ports und nicht nach den Durchflusseigenschaften ausgewählt. Überdimensionierte Ventile versorgen kleine Zylinder mit einer zu großen Luftmenge, was zu Ineffizienz führt. Umgekehrt verlangsamt ein restriktives Ventil den Aktuator und veranlasst die Bediener, den Druck zu erhöhen, um dies auszugleichen. Das Ventil sollte ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Verbrauch herstellen.

Das in Abbildung 5 dargestellte VUVG-Magnetventil wurde für diesen Zweck entwickelt.

• Verhältnis von Durchfluss zu Größe: Das VUVG bietet eine hohe Durchflussrate (z. B. 660 l/min für die Größe 14 mm) in einem kompakten Design und treibt Lasten an, ohne eine Einschränkung zu verursachen.
• Geschwindigkeit und Präzision: Mit einer Umschaltzeit von 8 ms (für die bistabile Variante) und einer maximalen Schaltfrequenz von 2 Hz bietet das VUVG eine schnelle Reaktion. Diese Präzision trägt dazu bei, einen Überdruck in der Leitung zu verhindern, der durch ein verzögertes Schließen des Ventils verursacht wird.
• Geringer Stromverbrauch: Die VUVG-Spule verbraucht 0,8 W (bei 24 V DC). In Kombination mit der Schutzart IP65 gewährleistet es Zuverlässigkeit in industriellen Umgebungen, ohne übermäßigen Strom zu verbrauchen.

Abbildung 5: Das hohe Verhältnis von Durchfluss zu Größe des VUVG-Magnetventils sorgt dafür, dass das VUVG Lasten ohne Einschränkung antreibt. (Bildquelle: Festo)

Durch die Wahl eines Ventils, das auf das Volumen des Stellantriebs abgestimmt ist, wird sichergestellt, dass der Zylinder die benötigte Luftmenge erhält, ohne dass diese verschwendet wird.

Geringere Energiebelastung durch leichtere Aktoren

Schwerere bewegliche Teile erfordern mehr Kraft (und Druck), um sie zu bewegen. Die Verwendung eines überdimensionierten Zylinders erhöht also die für die Beschleunigung benötigte Energie, was dem Prinzip der Gewichtsreduzierung widerspricht. Außerdem vergrößert jeder überflüssige Millimeter in der Bohrung das Luftvolumen, das zum Füllen des Zylinders benötigt wird, was zu einer zunehmenden Energieverschwendung bei jedem Hub führt, unabhängig von der tatsächlich bewegten Last. Der Aktuator sollte für die Anwendung optimiert werden.

Der DSBC-ISO-Zylinder ist auf Leistung bei reduzierter Masse ausgelegt. Abbildung 6 zeigt den DSBC-32-25-PPVA mit einer bewegten Masse von 133 g. Er liefert eine theoretische Vorschubkraft von 483 N bei 6 bar. Dieses Kraft-zu-Gewicht-Verhältnis reduziert die zur Beschleunigung des Kolbens erforderliche Kraft im Vergleich zu schwereren Alternativen.

Abbildung 6: Der DSBC-ISO-Zylinder kombiniert eine geringe bewegte Masse mit einer effektiven Dämpfung, um die kinetische Energie optimal zu nutzen. (Bildquelle: Festo)

Die DSBC-Familie bietet pneumatische Dämpfungsoptionen, die die Effizienz verbessern. Der DSBC-32-25-PPVA verfügt über eine einstellbare Dämpfung mit einer Länge von 17 mm zum sanften Abbremsen der Last (Aufprallenergie < 0,4 J). Um die Handhabung noch weiter zu vereinfachen, bietet die DSBC-Familie auch eine selbstregulierende Variante (PPSA) an, die manuelle Einstellschrauben überflüssig macht und somit den Wartungsaufwand sowie das Risiko von Leckagen reduziert.

Minimierung der Reibung bei geführten Bewegungen

Bei Präzisionsanwendungen verringert Reibung die Effizienz. Standard-Gleitführungen erzeugen einen Widerstand und erfordern einen höheren Luftdruck, um die Haftreibung zu überwinden und die Bewegung aufrechtzuerhalten. Dies steht im Widerspruch zu dem Ziel, die Reibung zu verringern. Im Laufe der Zeit kann der Verschleiß an den Gleitkontaktpunkten die Positioniergenauigkeit beeinträchtigen und einen ungleichmäßigen Widerstand erzeugen, der das System zwingt, mehr zu arbeiten, um die Geschwindigkeit beizubehalten.

Für geführte Aufgaben verwendet der Minischlitten DGST-10-20-E1A (Abbildung 7) rollende Elemente zur Verbesserung der Effizienz.

• Umlaufkugellager: Der DGST-Schlitten verwendet eine Präzisionskugellagerführung anstelle von Gleitbuchsen. Dadurch wird der Reibungskoeffizient gesenkt, was einen sanfteren Betrieb bei Geschwindigkeiten von bis zu 0,5 m/s ermöglicht.
• Doppelkolben-Effizienz: Das Zweikolbendesign erhöht die Kraftleistung in einer kompakten Einheit. Der Schlitten liefert eine theoretische Kraft von 94 N (Vorschub bei 6 bar) bei einer bewegten Masse von 134 g.
• Integriertes Joch: Durch die Integration von Schlitten und Joch in eine starre Einheit werden Ausrichtungsfehler vermieden. Die Einheit bewältigt Lasten mit einem maximalen Drehmoment von 3 Nm und einer maximalen Kraft von 480 N und wandelt Luftdruck direkt in eine lineare Bewegung um.

Abbildung 7: Der DGST-Minischlitten verwendet Umlaufkugellager zur Verringerung der Reibung und übertrifft damit die Leistung von Gleitführungen drastisch. (Bildquelle: Festo)

Fazit

Die Optimierung eines pneumatischen Systems erfordert eher einen architektonischen Ansatz als eine Änderung einzelner Komponenten. Durch die Betrachtung des Systems als synchronisierte Kette können die Ingenieure kumulative Effizienzgewinne erzielen, die weit über die Verbesserung einzelner Teile hinausgehen. Wenn diese sechs im Artikel erwähnten Elemente aufeinander abgestimmt sind, kann die Effizienz verbessert, der Druck gesenkt, die Zykluszeiten verkürzt und die Leckagen minimiert werden. Dieses Phänomen stärkt somit die Verbindungen zwischen den Komponenten und verbessert die Gesamtleistung.