FH Südwestfalen

Diplomarbeit

Aufbau, Betriebsverhalten und
Simulation pneumatischer Regelventile

von

Daniel Diers

2004

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung
1.1 Allgemeines zur Pneumatik
1.1.1 Geschichtliches zur Pneumatik
1.1.2 Grundbegriffe der Pneumatik
1.1.2.1 Der Druck
1.1.2.2 Der Volumenstrom
1.2 Allgemeines zu Ventilen
1.2.1 Wegeventile
1.2.2 Druckventile

2 Magnete 
2.1 Allgemeines zu elektromechanischen Umformern 
2.2 Grundgesetze des magnetischen Feldes 
2.3 Der Proportionalmagnet  
2.4 Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02 
2.4.1 Allgemeines zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02 
2.4.2 Kennlinien zum Proportionalmagnet G RF Y 035 F20 B02 

3 Direktgesteuertes 3-Wege-Proportional-Druckregelventil Norgren Herion VP40 
3.1 Allgemeines zum direktgesteuerten 3-Wege-Proportional-Druckregelventil Norgren Herion VP40 
3.2 Beschreibung der Funktion 
3.3 Zusammenfassung 

4 WABCO Relaisventil 973 011 000 0 
4.1 Allgemeines zum untersuchten Relaisventil 
4.2 Wirkungsweise 
4.3 Kennlinien des Ventils 
4.4 Zusammenfassung 

5 JCI Signalumformer EP 1110-7001 (elektrisch – pneumatisch)  
5.1 Allgemeines zu dem elektrisch – pneumatischen Signalumformer 
5.2 Beschreibung der Funktion 
5.3 Zusammenfassung 

6 Festo Proportional-Wegeventil MPYE – 5 – 1/8 
6.1 Allgemeines zu Proportionalventilen 
6.2 Allgemeines zu dem Festo Proportional-Wegeventil MPYE – 5 – 1/8 
6.2.1 Vorteile des Ventils 
6.2.2 Allgemeine technische Daten 
6.2.3 Elektrische Daten 
6.3 Beschreibung der Funktion 
6.4 Diagramme 
6.5 Zusammenfassung .

7 Norgren Herion 3-Wege-Proportional-Druckregelventil NG 8 
7.1 Allgemeines zum Norgren Herion 3-Wege-Proportional-Druckregelventil NG 8 
7.1.1 Allgemeine Daten zum untersuchten Ventil 
7.1.2 Technische Daten des untersuchten Ventils 
7.2 Beschreibung der Funktion 
7.2.1 Die Vorstufe 
7.2.2 Die Hauptstufe 
7.3 Digitale Simulation des Ventils  
7.3.1 Die Simulationssprache „Modelica“  
7.3.2 Die digitale Simulation 
7.3.2.1 Das Simulationswerkzeug „Dymola“  
7.3.2.2 Die Modellierung 
7.3.2.2.1 Modellierung in Dymola allgemein 
7.3.2.2.2 Modellierung des Proportionalventils 
7.3.2.2.2.1 Modellierung der Vorstufe 
7.3.2.2.2.2 Modellierung der Hauptstufe 
7.3.2.2.2.3 Gesamtmodellierung 
7.3.2.3 Die Simulation und graphische Darstellung 
7.3.2.3.1 Simulation in Dymola allgemein 
7.3.2.3.2 Die Simulation des Proportionalventils  
7.3.2.3.2.1 Die Simulation der Vorstufe 
7.3.2.3.2.2 Die Gesamtsimulation 
7.4 Diagramme 
7.5 Zusammenfassung 

8 Zusammenfassung 

9 Literaturverzeichnis 

Aufgabenstellung

Thema:

 Aufbau, Betriebsverhalten und Simulation pneumatischer Regelventile

In der Automatisierungstechnik ist die Pneumatik unverzichtbar, wenn es gilt, relativ geringe Massen mit großer Geschwindigkeit über Entfernungen im Dezimeterbereich zu bewegen. Dabei ist häufig erforderlich Drücke konstant zu halten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dazu typischen Ventilen:

• Druckminderventil mit Ansteuerung durch einen Proportionalmagneten
• Vorgesteuertes Druckminderventil mit elektronischer Regelung
• Spannungs-Druck-Wandler aus der Prozessautomatisierung
• Schieberventil mit geregelter Position
• Relaisventil als Druckkopierer

In dieser Diplomarbeit soll die Funktionsweise dieser Ventile untersucht und dargestellt werden. Dazu gehört das statische und dynamische Verhalten, das zum Teil in den Herstellerunterlagen beschrieben, zum Teil aber experimentell im Labor zu untersuchen ist.

Die Funktionsweise ist mit Hilfe von Fotos bzw. zwei- und dreidimensionalen Illustrationen zu beschreiben, wobei nicht die normgemäße Darstellung der Komponenten, sondern eine didaktisch aufbereitete Darstellung erforderlich ist.

Am Beispiel der vorgesteuerten Druckminderventile ist darüber hinaus ein Simulationsmodell in der Sprache Modelica zu erstellen und zu zeigen, wie mit Hilfe dieses Modells Parametervariationen untersucht werden können.

1 Einführung

1.1 Allgemeines zur Pneumatik

Die Pneumatik ist ein Teilgebiet der Technik, das sich allgemein mit dem Verhalten der Gase und mit der Anwendung von Druck- und Saugluft als Energieträger für Arbeitsprozesse, Steuerungen und Regelungen befasst. Pneumatische Einrichtungen dienen als Antriebe v.a. von hin- und hergehenden Bewegungen (z.B. bei Werkzeugmaschinen), als Bremsanlagen (Druckluftbremse), als Förderanlagen bei der pneumatischen Förderung von Schütt- und Stückgütern in Rohren (z.B. Rohrpost), als Druckluftwerkzeuge u.a., zur Steuerung und/oder Regelung von Arbeitsabläufen, sowie auch zur Durchführung logarithmischer Schaltfunktionen. Sie sind meist unkompliziert aufgebaut, einfach regelbar (durch Drosseln und Druckventile), wirtschaftlich und betriebssicher.

Pneumatische Bauelemente sind u.a.: Drucklufterzeuger (meist Kolbenverdichter und -speicher), Druckregler und -speicher, Druckminderventile, Regelventile und Drosseln. Wegeventile zur Steuerung sowie einfach- oder doppeltwirkende Arbeitszylinder (mit Kolben oder Membran). Mit Hilfe dieser Bauelemente lassen sich die verschiedenen Arbeits- und Steuerfunktionen ausführen. (Brockhaus Enzyklopädie, 19. Auflage)

1.1.1 Geschichtliches zur Pneumatik

Neben dem Wasser ist die Luft der älteste Energieträger, dessen sich der Mensch bedient. Vor mehr als 2000 Jahren wurde bereits Druckluft erzeugt, gespeichert und als Energieträger verwendet. (...) Bereits im 3.Jahrhundert v. Chr. entwickelten der Mechaniker Ktesibios in Alexandrien und der Mathematiker Archimedes von Syrakus druckluftbetriebene Maschinen. 

Ausführliche Unterlagen existieren aber erst seit dem 1. Jahrhundert n. Chr. durch den alexandrinischen Mechaniker Heron, von dem der in Bild 1. 1 dargestellte Tempeltürenöffner für ägyptische Priester gebaut wurde. 

Bild 1. 1: Tempeltürenöffner nach Heron 
(W. Backe/H. Murrenhoff - Grundlagen der Pneumatik (1999)

[...]

Der vor dem Tempel stehende Altar war hohl und mit einem unterirdischen, wassergefüllten Behälter verbunden. Die Hitze des Altarfeuers erwärmte die Luft im Behälter. Dadurch dehnte sich die Luft aus und drückte das Wasser über ein Rohr in den daneben aufgehängten Eimer. Durch das zunehmende Gewicht des Eimers wurde der über die verlängerten Achsen der Türen gewickelte Kettenzug bewegt, und die Türen öffneten sich. Zog sich nach Erkalten des Altars die Luft im Behälter zusammen, ergab sich ein Unterdruck, der das Wasser aus dem Eimer in den Behälter zurück saugte. Dadurch konnte das Gegengewicht die Türen wieder schließen.

Von Heron stammt auch der Entwurf einer pneumatisch angetriebenen Orgel (s. Bild 1. 2). Durch eine Windmühle als Motor wird eine Kolbenpumpe betätigt, die Luft in eine unter Wasser installierte Glocke fördert, von wo sie zu den entsprechenden Orgelpfeifen geführt wird. Diese Glocke ist der erste druckausgleichende Windkessel, der auf Ktesibios im 3. Jahrhundert zurückgeht.

Bild 1. 2: Orgel nach Heron 
(W. Backe/H. Murrenhoff - Grundlagen der Pneumatik (1999)

[...]

Nach diesen Anwendungen sind über 1000 Jahre keine weiteren Entwicklungen feststellbar. Erst im 12. Jahrhundert kam die Windmühle, deren Technik der von Philon und Heron entsprach, von Persien in den Westen. Im 17. Jahrhundert begann man sich von den bis dahin angewandten Techniken zu lösen. Bis zum 19. Jahrhundert sind vereinzelte Anwendungen der Druckluft in sehr kleinem Umfang bekannt. Am Ende des 19. Jahrhunderts begann dann eine schnelle Entwicklung, die bis in die Gegenwart anhält. Zum Beispiel wurde 1861 zum Antrieb einer Gesteinsbohrmaschine für Tunnelbauten Druckluft eingesetzt. Zur Erzeugung der Druckluft wurde von den Gebirgen kommendes Druckwasser benutzt, wobei die Verbindung mit dem Zu- bzw. Abfluss über ein Ventilsystem erfolgte.

Seit Ende des 19. Jahrhunderts gibt es in Paris eine sogenannte Druckluftzentrale, die Handwerks- und Industriebetriebe mit Druckluft versorgt. 
(W. Backe/H. Murrenhoff - Grundlagen der Pneumatik (1999)

1.1.2 Grundbegriffe der Pneumatik

In diesem Kapitel sollen die zwei wichtigen Grundbegriffe Druck und Volumenstrom kurz erläutert werden. Diese beiden Größen sind die Entscheidenden, wenn man eine Aussage über die Qualität von pneumatischen Ventilen treffen möchte.

1.1.2.1 Der Druck ¹

In der Technik werden verschiedene Druckgrößen benutzt, für die unterschiedliche Bezeichnungen gebräuchlich sind.

[....]

1 Die Kapitel 1.1.2.1 und 1.1.2.2 sind W. Backe/H. Murrenhoff – Grundlagen der Pneumatik (1999) zu entnehmen