Intelligente Peripheriemodule Kein Umweg mehr: Ventilelektronik einfach sparen

Autor / Redakteur: Willi Gagsteiger* / Sariana Kunze

Proportionalventile werden meist mit einem Analogsignal angesteuert, um die Ventilposition vorzugeben. Die Ventilelektronik wandelt dafür die Steuerinformation in ein Stellsignal um. Dieser Umweg kann mit einer Steuerung, deren Ausgangsmodul bereits ein Stellsignal liefert, eingespart werden.

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Im Peripheriesystem Simatic ET 200SP von Siemens können unterschiedliche Funktionen feinmodular kombiniert werden, wie zum Beispiel die Ansteuerung von Proportionalventilen.
Im Peripheriesystem Simatic ET 200SP von Siemens können unterschiedliche Funktionen feinmodular kombiniert werden, wie zum Beispiel die Ansteuerung von Proportionalventilen.
(Bilder: Siemens)

Ventile sind aus der Automatisierungstechnik nicht wegzudenken. Sie kommen in vielen Größen, Bauformen und für unterschiedliche Medien zum Einsatz. Grundsätzlich kann zwischen Schaltventilen und Proportionalventilen unterschieden werden. Während Schaltventile nur die zwei Zustände Auf und Zu kennen, erlauben die Proportionalventile eine kontinuierliche Verstellung und ermöglichen so Zwischenstellungen für eine variable Kontrolle des Prozesses und der Abläufe.

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Für Schaltventile reicht meist ein Digitalausgang, um den Zustand zu steuern. Dabei liefert die Ausgangsbaugruppe der Steuerung typischerweise einen Strom von 0,5 bis zu 2 A bei 24 V, was häufig ausreicht, um die Mechanik im Ventil zu bewegen. Somit ist keine Leistungsverstärkung nötig. Proportionalventile benötigen dagegen eine Ansteuerung mit einem kontinuierlichen Sollwert, um die Zwischenwerte vorgeben zu können. In der Automatisierungstechnik stehen für diesen Zweck in nahezu allen Systemen Analogausgänge zur Verfügung mit Ausgangsgrößen von zum Beispiel 0 bis 10 Volt oder 4 bis 20 mA. Diese Ausgangsbaugruppen sind dafür ausgelegt, mit ihrer Stellgröße die Information für den Sollzustand des Aktors zu liefern, während in der Regel nicht genügend Energie zur Verfügung steht, um die Mechanik eines Ventils tatsächlich in die benötigte Stellung zu bewegen.

Getaktetes Signal mit variablem Tastgrad

Diese Aufgabe übernimmt dann eine weitere elektronische Komponente, die das Analog-Signal aufnimmt und so umsetzt, dass das Ventil bewegt wird. Dazu wird die Gleichspannung aus der Versorgung gepulst auf die Spule im Ventil geschaltet, deren Kern dadurch eine Kraft erfährt. Die relative Einschaltdauer der Pulse, also das zeitliche Verhältnis zwischen der Ein-Phase und der kompletten Periode bestimmt diese Kraft und erlaubt es so, die Auslenkung genau zu steuern. Durch die Induktivität der Spule und die Trägheit der Mechanik wird aus dem getakteten Steuersignal ein stabiler, mittlerer Sollwert. Das Technologiemodul TM Pulse 2x24V von Siemens aus der Peripheriefamilie Simatic ET 200SP gibt direkt ein getaktetes Signal mit variablem Tastgrad aus und bietet damit die Möglichkeit, den Umweg über Analogausgang und Ventilelektronik einzusparen. Mit einem Strom von bis zu 4 A lassen sich auf diese Weise kostengünstigere Ventile einsetzen, die gänzlich ohne eigene Elektronik auskommen.

Mit Dithering eine Haftreibung vermeiden

Aber das TM Pulse kann noch mehr. Der Sollwert, der von der SPS vorgegeben wird, wird mit einer leicht oszillierenden Bewegung überlagert, die symmetrisch um den Sollwert liegt und den Durchfluss durch das Ventil im Mittel nicht verändert. Für eine optimale Anpassung an das Ventil und an den Anwendungsfall kann diese überlagerte Bewegung (das Dithering) in ihrer Frequenz im Bereich von 50 bis 500 Hz verändert werden. Die Amplitude lässt sich frei an die mechanischen Gegebenheiten anpassen und im laufenden Betrieb ein- und ausschalten. Der Zusammenhang zwischen dem Strom in der Spule und der ausgeübten Kraft ist konstant, aber der ohmsche Widerstand der Spule kann sich durch Temperatureinflüsse verändern. Deshalb kann bei Bedarf der Sollwert nicht auf die relative Einschaltdauer bezogen werden, sondern auf den tatsächlich fließenden Strom in Relation zum normierten Nennstrom. Das Modul misst den Strom und regelt dann die Einschaltdauer selbstständig entsprechend dem Stromsollwert. Die Steuerung eines Proportionalventils ist nicht die einzige Betriebsart, die dieses universell einsetzbare Modul zu bieten hat. Weitere Betriebsarten lassen sich durch Parametrierung einstellen und ermöglichen weitere Anwendungen. Ein-/Ausschaltverzögerung: Der Zustand eines Digitaleingangs auf der Baugruppe wird mit einer definierten Verzögerung an den Ausgang weitergegeben. Die Verzögerung kann dabei für die fallende und für die steigende Flanke getrennt vorgegeben werden. Eine einstellbare, reproduzierbare Reaktionszeit ist die Folge. Durch den starken Ausgang mit 2 oder 4 A kann zusätzlich die Verstärkung eines Digital-Signals erreicht werden.

Frequenzausgabe: Die Vorgabe eines Taktes als Periodendauer oder als Frequenz ist im Prinzip gleichwertig. Je nach Einsatzfall und Wertebereich ist die eine oder die andere Variante komfortabler. Diese Betriebsart unterstützt die Vorgabe als Frequenz in Hz.

Impulsausgabe: Wenn nur ein einzelner Impuls gebraucht wird, lässt sich die Länge des Pulses auf eine Mikrosekunde genau definieren und ausgeben, um zum Beispiel mit einem Schaltventil zu dosieren.

Impulskette: Kommt es auf die Zahl der ausgegebenen Impulse an, verwendet man die Betriebsart Impulskette, die eine abgezählte Anzahl von Pulsen mit definierter Frequenz ausgibt.

Pulsweitenmodulation (PWM): Das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal lässt sich für Aufgaben verwenden, die über die Ansteuerung eines Ventils hinausgehen.

DC-Motor: Ein variabel gepulstes Signal mit bis zu 4 A lässt sich dazu verwenden, um einen bürstenbehafteten DC-Motor drehzahlvariabel zu betreiben. In dieser Betriebsart lässt sich die Polarität umkehren, damit auch in Gegenrichtung gefahren werden kann.

Das TM Pulse verfügt bei einer Baubreite von 20 mm über zwei unabhängige Kanäle. Jeder Kanal kann einen Strom von bis zu 2 A treiben. Bei Bedarf lassen sich die beiden Kanäle zu einem Kanal zusammenfassen und es kann ein Aktor mit einem Strombedarf von bis zu 4 Ampere betrieben werden. Das TM Pulse ist im Engineering Framework TIA Portal von Siemens integriert und wie das ganze System Simatic ET 200SP über Gerätestammdaten projektierbar.

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* *Willi Gagsteiger, Product Manager, Factory Automation, Digital Factory, Siemens

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