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. Dieses Buch 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 diesem Buch wird die Funktionsweise dieser Ventile untersucht und dargestellt. Dazu gehört das statische und dynamische Verhalten, das zum Teil in den Herstellerunterlagen beschrieben, zum Teil aber experimentell im Labor untersucht wird.
Die Funktionsweise ist mit Hilfe von Fotos bzw. zwei- und dreidimensionalen Illustrationen beschrieben, wobei nicht die normgemäße Darstellung der Komponenten, sondern eine didaktisch aufbereitete Darstellung im Vordergrund steht.
Am Beispiel der vorgesteuerten Druckminderventile wird darüber hinaus ein Simulationsmodell in der Sprache Modelica erstellt und gezeigt, wie mit Hilfe dieses Modells Parametervariationen untersucht werden können.
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
Zielsetzung und Themen
Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Aufbaus, des Betriebsverhaltens und der Simulation verschiedener pneumatischer Regelventile. Ziel ist es, durch eine detaillierte statische und dynamische Analyse ein tieferes Verständnis für die Funktionsweise dieser Komponenten zu erlangen und am Beispiel eines ausgewählten Ventils ein Simulationsmodell in der Sprache Modelica zu entwickeln, um Parametervariationen effektiv untersuchen zu können.
- Analyse typischer pneumatischer Regelventile für die Automatisierungstechnik.
- Experimentelle Untersuchung des statischen und dynamischen Verhaltens im Labor.
- Didaktische Aufbereitung der Funktionsweise durch Illustrationen und CAD-Modelle.
- Erstellung eines digitalen Simulationsmodells mit der Sprache "Modelica" und dem Werkzeug "Dymola".
- Evaluierung der Leistungsfähigkeit von Regelungsalgorithmen (P- und PI-Regler) mittels Simulation.
Auszug aus dem Buch
2.3 Der Proportionalmagnet
Der Proportionalmagnet entstand durch die Weiterentwicklung des Schaltmagneten. Anders als beim Schaltmagneten, der nur zwei diskrete Stellungen stabil einnehmen kann, ist der Proportionalmagnet für stetige Bewegungen innerhalb des Arbeitshubes geeignet. Zur Erzielung einer möglichst linearen Kennlinie wird bei Magneten der Hydraulik der Pol im Bereich des Arbeitshubes als Konus gestaltet (Bild 2. 3). Ein nicht magnetischer Zwischenring unterbricht den Magnetfluss vom Polkern zum Führungsrohr und lenkt ihn über den radialen und axialen Luftspalt zum Anker um. Im Arbeitshubbereich ist die Magnetkraft deshalb nur von der aktuellen Bestromung abhängig. Im Unterschied zum Schaltmagneten wird beim Proportionalmagneten auch die Rückbewegung ausgesteuert, also der erregende Strom reduziert statt abgeschaltet. In jedem Augenblick herrscht demnach ein Kräftegleichgewicht zwischen Magnet- und äußerer Gegenkraft.
Die Proportionalmagnettechnik verdankt ihren Durchbruch der stärkeren Verbreitung von Hydraulik-Proportionalventilen in den 60er und 70er Jahren, weil sie europäischen Herstellern eine Alternative zu den Servoventilen der amerikanischen Flugzeughydraulik bot. Nach wie vor sind die Hydraulik und in zunehmendem Maße die Pneumatik Hauptanwendungsgebiete.
Das stationäre Verhalten des Proportionalmagneten hängt von den Eigenschaften des Magnetkreises ab, der wegen des nichtmagnetischen konischen Zwischenringes relativ komplex ist (...) Bild 2. 4 stellt das magnetische Netzwerk für einen Proportionalmagneten dar.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Grundlagen der Pneumatik, ihrer Geschichte und physikalischen Grundbegriffe sowie ein Überblick über die verschiedenen Ventilarten.
2 Magnete: Analyse der elektromechanischen Umformer, ihrer Funktionsweisen sowie der spezifischen Charakteristika von Proportionalmagneten.
3 Direktgesteuertes 3-Wege-Proportional-Druckregelventil Norgren Herion VP40: Untersuchung des Aufbaus, der Funktion und der Kennlinien dieses spezifischen elektrisch angesteuerten Druckregelventils.
4 WABCO Relaisventil 973 011 000 0: Analyse eines robusten mechanisch gesteuerten Relaisventils für den Einsatz in Bremsanlagen von Nutzfahrzeugen.
5 JCI Signalumformer EP 1110-7001 (elektrisch – pneumatisch): Beschreibung der Umwandlung elektrischer Signale in pneumatische Einheitssignale mittels eines Tauchspulensystems.
6 Festo Proportional-Wegeventil MPYE – 5 – 1/8: Detaillierte Betrachtung eines direkt betätigten Proportional-Wegeventils mit lagegeregeltem Schieber.
7 Norgren Herion 3-Wege-Proportional-Druckregelventil NG 8: Umfassende Analyse und digitale Simulation eines komplexen Druckregelventils unter Einsatz der Software Dymola.
8 Zusammenfassung: Resümee der untersuchten Ventiltypen und Erkenntnisse aus der Simulationstätigkeit.
9 Literaturverzeichnis: Auflistung der verwendeten Fachliteratur und Herstellerunterlagen.
Schlüsselwörter
Pneumatik, Proportionalventil, Druckregelventil, Wegeventil, Proportionalmagnet, Simulation, Dymola, Modelica, Magnetkraft, Regelungstechnik, Massenstrom, Hysterese, Signalumformer, Automatisierungstechnik, Kennlinie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt den Aufbau, das Betriebsverhalten und die digitale Simulation von pneumatischen Regelventilen in der Automatisierungstechnik.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Themen umfassen die physikalischen Grundlagen der Pneumatik, elektromagnetische Umformer, verschiedene Bauarten von Druck- und Wegeventilen sowie die computergestützte Simulation und Regelung dieser Komponenten.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Analyse der Funktionsweise spezifischer Ventile sowie die Erstellung eines Simulationsmodells, um das Verhalten und die Parametereinflüsse theoretisch nachvollziehen zu können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es erfolgt ein kombinierter Ansatz aus theoretischer Analyse, experimentellen Messungen im Labor sowie der digitalen Modellierung und Simulation mit der Software Dymola.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Untersuchung von fünf konkreten Ventiltypen (Norgren Herion VP40, WABCO Relaisventil, JCI Signalumformer, Festo MPYE und Norgren Herion NG 8), inklusive deren Aufbau, Funktion und Kennlinien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Pneumatik, Proportionaltechnik, Ventilsteuerung, Simulation, Dymola, Regelungstechnik und physikalische Modellbildung.
Wie schneidet das Norgren Herion NG 8 in der Simulation ab?
Das Ventil zeigt eine gute statische Qualität, jedoch ist die Dynamik bei höheren Frequenzen begrenzt; zudem erwies sich der P-Regler als unzureichend, während der PI-Regler passendere Ergebnisse lieferte.
Warum ist die Wahl des Reglers für die Simulation kritisch?
Die Wahl ist kritisch, da ein einfacher P-Regler keine exakte Übereinstimmung mit den Sollwerten erlaubt, wohingegen die Wahl und Optimierung der PI-Regler-Parameter eine präzisere Verfolgung des Sollwerts ermöglicht.
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- Dipl.-Ing. (FH) Daniel Diers (Author), 2004, Aufbau, Betriebsverhalten und Simulation pneumatischer Regelventile, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/32868
