Pneumatische Schaltungen und Pneumatik-Schaltpläne - Basiswissen der Fluidtechnik

Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Grundlagen der Pneumatik, pneumatischen Schaltungen und Pneumatik-Schaltplänen. Pneumatik ist ein Bereich der Fluidtechnik, die sich mit Druckluft und deren Anwendung in unterschiedlichen Systemen befasst. Pneumatische Steuerungstechnik kommt in vielen Branchen und Bereichen zum Einsatz, wie zum Beispiel in der Materialhandhabung, in der Robotik oder im Transportwesen.

Was ist Pneumatik?

Pneumatik ist ein Teilgebiet der Mechanik, das sich mit dem Verhalten der Gase beschäftigt. Im speziellen handelt es sich um die Fluidtechnik, in der Druckluft oder druckluftbetriebene Systeme genutzt werden, um Bewegung und Antrieb zu erzeugen.

In typischen Druckluftanlagen hat die Luft einen Überdruck von 6 bar. In Hochdruckanlangen, wie zum Beispiel für pneumatische Anwendungen mit hohem Kraftbedarf, beträgt das Druckniveau bis zu 18 bar. In Sonderfällen kann der Druck sogar bis zu 40 bar betragen.

Es gibt zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Druckluft, die je nach Bedarf und Anforderungen genutzt werden können. So kann sie beispielsweise als Aktivluft dienen, um Stoffe und Materialien zu fördern. Auch als Prozessluft kommt sie zum Einsatz und unterstützt Trocknungsprozesse sowie weitere Verfahren. Darüber hinaus kann Druckluft an explosionsgefährdeten oder nassen Orten verwendet werden, beispielsweise für den Betrieb von Motoren oder ähnlichem. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist ein Druckluft-Exzenterschleifer in einer Lackierkabine.

Anwendungsgebiete und Applikationen für pneumatische Steuerungen

Pneumatische Steuerungen und Systeme finden ein breites Anwendungsfeld im Maschinenbau, Sondermaschinenbau und in der Serienfertigung. Die Vorteile pneumatischer Systeme liegen neben ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit auch in schnellen Reaktionszeiten und einer relativ kostengünstigen Implementierung.

Typische Anwendungsgebiete pneumatischer Steuerungen sind zum Beispiel:

• Schweißmaschinen: Die Steuerung von Schweißköpfen und Spannvorrichtungen.
• Werkzeugmaschinen: Zum Spannen oder Lösen und für den Werkzeugwechsel.
• Gießereimaschinen: Zum Öffnen oder Schließen von Formen und Entfernen von Gussteilen - zum Beispiel in Spritzgussmaschinen.
• Fördermittel und Hebezeuge: Für die Bewegung, das Heben und das Positionieren von Materialien.
• Druck- und Papiermaschinen: Zur Regulierung von Druckprozessen und der Papierpositionierung.

Was sind die Vorteile der Pneumatik?

Pneumatische Systeme bieten etliche Vorteile. Das verwendete Material, also Luft, ist praktisch überall und unbegrenzt verfügbar und über weite Strecken transportierbar.

• Speicherfähigkeit: Es ist möglich, Druckluft in entsprechenden Druckluftbehältern zu speichern. Zusätzlich können diese Druckluftbehälter auch transportiert werden.
• Temperaturbeständigkeit: Druckluft ist nahezu unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Sie eignet sich daher im Vergleich zu Flüssigkeiten wie Hydrauliköl auch für einen Betrieb unter extremeren Bedingungen.
• Umweltverträglichkeit: Entweichende Druckluft verursacht keine Umweltverschmutzungen oder Schäden.
• Einfachheit: Die pneumatischen Komponenten lassen sich einfach aufbauen. Mit ihnen können die Geschwindigkeiten und die Kräfte der Zylinder stufenlos geschaltet bzw. geregelt werden.
• Hohe Geschwindigkeit: Druckluft ist ein schnelles Arbeitsmedium. Somit können relative hohe Geschwindigkeiten und kurze Schaltzeiten erzielt werden.
• Transportfähigkeit: Druckluft lässt sich einfach in Leitungen über lange Strecken transportieren. Daher ist in der Regel nur eine Druckluftaufbereitung notwendig.
• Überlastsicherheit: Pneumatische Schaltungen und Elemente sind belastungsfähig bis zum Stillstand und somit überlastsicher gegen Druckluftspitzen.

Durch den Einsatz von Druckluft als Energiequelle können verschiedene mechanische Prozesse effizient betrieben werden, was eine kostengünstige Alternative zu anderen Energiesystemen darstellt.

Aufbau und Funktionsweise von pneumatischen Steuerungen

Die Druckluft wird über Ventile an den jeweils gewünschten Ort geleitet. Die in der Druckluft gespeicherte Energie wird genutzt, um Bewegungsenergie zu erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung des Luftdrucks zur Steuerung eines Zylinderkolbens in eine bestimmte Richtung.

Jede pneumatische Steuerung besteht grundsätzlich aus den folgenden Teilkomponenten:

• Drucklufterzeugung (Kompressoren)
• Druckluftaufbereitung (Luftfilter)
• Druckluftspeicher (Luftbehälter)
• Druckluftregulierung (Druckregler)
• Hauptventile (Wegeventile)
• Arbeitselemente (Zylinder)
• Sensoren und Schalter (Magnetventile, Taster)
• Schläuche und Verbindungen

Drucklufterzeugung in pneumatischen Steuerungen

Um den benötigten Arbeitsdruck zu erhalten, werden ein oder mehrere Kompressoren verwendet. Diese saugen die Luft an und verdichten sie je nach Bedarf auf einen Druck zwischen 6 und 40 bar.

Aufgrund der mechanischen und thermodynamischen Vorgänge entsteht beim Verdichtungsprozess der Druckluft eine große Wärmemenge, die aus der Druckluft abgeführt werden muss. Die komprimierte Luft wird daher durch einen Luftkühler geleitet, um die Temperatur zu senken.

Druckluftaufbereitung

Durch das Herunterkühlen der Luft sinkt jedoch auch die Fähigkeit der Luft, Wasser aufzunehmen. Beim Abkühlen der Luft wird daher häufig Wasser freigesetzt, welches Schäden im System verursachen kann. Um dies zu verhindern, wird die Luft durch einen Lufttrockner geleitet. Es gibt verschiedene Arten von Lufttrocknern, wie Kältetrockner und Adsorptionstrockner, die Feuchtigkeit aus der Luft entfernen. Um eine optimale Druckluftqualität und eine lange Lebensdauer der Druckluftanlagen zu gewährleisten, ist es ebenso wichtig, die Druckluft von Verunreinigungen zu befreien. Dafür wird die Luft durch Filter geleitet, um Verunreinigungen wie Staub, Partikel und Öl zu entfernen. Da jedoch Öl für die Schmierung von Antrieben erforderlich ist, wird die Druckluft über spezielle Öler mit Öl angereichert.

Druckluft speichern

Die aufbereitete Luft wird in Druckluftbehältern gespeichert. Dies sind Behälter, die gleichzeitig Druckschwankungen ausgleichen, wenn aus dem System Druckluft entnommen wird. Der Druckluftspeicher wird aufgefüllt, wenn der Druck unter einen bestimmten Wert fällt.

Druckluft regulieren und verteilen

Vor der Verwendung in der pneumatischen Schaltung wird der Druck der Luft durch Druckregler angepasst. Die Luft wird dann über ein Netzwerk von Rohrleitungen und Schläuchen im System verteilt. Bei der Planung des Druckluftsystems sind unterschiedliche Anforderungen zu berücksichtigen, wie zum Beispiel der Durchmesser der Leitungen. Je geringer der Durchmesser einer Rohrleitung, desto höher der Strömungswiderstand. Der Durchmesser ist so zu wählen, dass die Strömungswiderstände möglichst niedrig bleiben.

Ein weiteres Risiko in Druckluftsystemen sind Leckagen. Diese treten häufig an Verbindungen oder Verteilungen auf. Solche undichten Stellen führen zu einem ständig anhaltenden Druckluftverlust und damit zu einem erhöhten Energieverbrauch und einer reduzierten Systemleistung. Neben solchen direkten Verlusten kann es auch zu indirekten Verlusten im System kommen. Überdimensionierte Kompressoren, zu enge oder zu lange Leitungen, ungünstige Platzierung von Speichern - all dies führt zu Leistungsabfällen und Ineffizienz im System. Eine gezielte Planung der Druckluftverteilung ist daher Voraussetzung für eine optimale Robustheit und Leistungsfähigkeit des Druckluftsystems.

Bewegung und Kraftübertragung

In pneumatischen Schaltungen arbeiten verschiedene Komponenten zusammen, um Bewegungen zu erzeugen und Kraft zu übertragen. Ventile steuern die Richtung, den Druck und den Fluss der Druckluft. Pneumatische Antriebe, wie zum Beispiel Zylinder oder Druckluftmotoren, führen die eigentliche Arbeit in einer pneumatischen Schaltung aus. Sie wandeln die in der Druckluft enthaltene Energie in mechanische Bewegung um. Durch die Druckluft wird der Kolben im Inneren des Zylinders bewegt, wodurch Kraft - meist in linearer Richtung - übertragen wird.

Die mechanische Arbeit wird von speziellen Arbeitsgliedern verrichtet, welche hauptsächlich in Form von Pneumatikzylindern vorliegen - zum Beispiel als Pneumatische Greifer.

Förderanlagen in der Industrie bewegen bzw. transportieren Material zu verschiedenen Zielorten in der Produktion oder Lagerhaltung. Pneumatische Fördersysteme verwenden komprimierte Luft, um Materialien oder Komponenten wie zum Beispiel Granulate, Pulver oder Schüttgut durch Rohrleitungen für die weitere Verarbeitung oder Entsorgung zu transportieren. Solche Systeme kommen in unterschiedlichen Produktionsstufen zum Einsatz, da sie den Materialtransport vereinfachen und erleichtern.

Allgemeiner Aufbau eines Pneumatik-Schaltplans

Pneumatik-Schaltpläne sind grafische Darstellungen von pneumatischen Steuerungen. Sie zeigen die Funktion und Verbindung der einzelnen Bauteile einer pneumatischen Anlage.

Pneumatik-Schaltpläne enthalten Versorgungselemente, Stellglieder und Arbeitselemente. Versorgungselemente sind für die Bereitstellung der Druckluft verantwortlich, sowie für die Aufbereitung, Speicherung und Verteilung der Druckluft. Stellglieder sind die Steuerelemente in einem pneumatischen Schaltplan. Dazu gehören zum Beispiel Wegeventile, Druckventile oder Sperrventile. Sie bestimmen den Fluss und die Richtung der Druckluft. Arbeitselemente sind die Komponenten, die die physische Arbeit in der Schaltung verrichten. Sie wandeln die in der Druckluft gespeicherte Energie in mechanische Bewegung um. Zylinder, Motoren oder Aktuatoren sind Arbeitselemente.

Generell sind die Schaltungen so angeordnet, dass der Energiefluss von unten nach oben fließt, also von der Energieversorgung der Druckluftquelle bis zum Arbeitselement. Die Druckluftquelle ist demnach das erste bzw. unterste Element und das Arbeitselement das oberste bzw. das letzte Element.

Anwendungsbeispiel mit Pneumatik-Schaltplan

In dem folgenden, praxisnahen Anwendungsbeispiel soll eine Kolbenstange ausgefahren (Endlage) und nach einer definierten Zeit wieder eingefahren werden (Ausgangslage). In der Praxis werden aus Sicherheitsgründen meist 2 Handtaster dafür eingesetzt, um ein unbeabsichtigtes Ausfahren des Kolbens zu vermeiden.

Die Anwendung besteht grundlegend aus folgenden Bauteilen:

• 1 x Doppeltwirkender Pneumatikzylinder mit der Kolbenstange (1 A)
• 2 x Handtaster mit Wegeventilen (1S1 und 1S2)
• 1 x Druckspeicher mit Zeitverzögerungsventil (1V3) mit Drosselventil
• 1 x Zweidruckventil (1V1)
• 1 x Wechselventil (1V2)
• Impulsventile und Wegeventile

• Das Zweidruckventil 1V1 funktioniert wie eine logische Und-Schaltung - nur wenn beide Handtaster 1S1 und 1S2 gleichzeitig betätigt werden, gelangt Druckluft weiter zum Impulsventil 1V4.
• Das Impulsventil 1V4 wird von der ankommenden Luft geschaltet und mit Druckluft beaufschlagt.
• Das Impulsventil 1V4 betätigt das Wegeventil 1V5.
• Durch die Schaltstellung des Wegeventils 1V5 gelangt jetzt die Druckluft in den doppeltwirkenden Pneumatikzylinder 1 A und lässt dort die Kolbenstange ausfahren (Endlage). Die Kolbenstange verbleibt zunächst in der Endlage.

Aufgrund der Arbeitsweise der geplanten Schaltung passieren während des Schaltens mehrere Dinge zeitgleich.

• Durch das anfängliche Betätigen der Handtaster gelangt gleichzeitig Druckluft in das Wechselventil 1V2 - das Wechselventil dient gleichzeitig als Rückhalteventil.
• Druckluft befüllt den Druckspeicher 1V3 - der Druckspeicher hat ein Zeitverzögerungsventil.
• Sobald der Druckspeicher 1V3 gefüllt ist, schaltet die freigegebene Druckluft das Impulsventil 1V4und dadurch das Wegeventil 1V5 zurück in ihre Ausgangstellungen.
• Durch die Schaltstellung des Wegeventils 1V5 gelangt jetzt die Druckluft in den doppeltwirkenden Zylinder 1 A und lässt dort die Kolbenstange einfahren (Ausgangsstellung).
• Um den Kolben wieder auszufahren, müssen beide Handtaster „losgelassen“ und neu betätigt werden.

Die Kennzeichnung der Elemente des Schaltplans erfolgt dabei gemäß des Kennzeichnungsschlüssels nach DIN ISO 1219-2. Je nach Anwendungsfall können die in der Norm enthaltenen Symbole entsprechend zusammengesetzt werden. In der nachfolgenden Übersicht sind einige Beispiele dargestellt.

Namensgebung von Wegeventilen

Die Beschreibung der Wegeventile erfolgt nach der Anzahl der Anschlüsse, der Anzahl der Schaltstellungen und dem Durchflussweg. Wegeventile sind mit zwei Nummern versehen. Die erste gibt an, wie viele Anschlüsse das Ventil hat, und die zweite Nummer gibt die Anzahl der Schaltstellungen an. Ein 3/2-Wegeventil, zum Beispiel, verfügt über drei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen. Am häufigsten kommen in der Praxis 2/2-, 3/2-, 5/2- und 5/3-Wegeventile zum Einsatz.

Gruppierung und Aufbau von Wegeventilen

Pneumatische Aktoren (zum Beispiel Zylinder, usw.) werden von Pneumatikventilen gesteuert. Die Funktion der Ventile besteht darin, die Wirkrichtung, die Geschwindigkeit (über die Durchflussmenge) und die Kraft zu regeln.

Wegeventile sind eines der wichtigsten Elemente pneumatischer Steuerungen. Sie dienen dazu, die Durchflussrichtung zu bestimmen und den Weg für das Medium freizugeben bzw. zu sperren. Sie werden zum Beispiel zum Betätigen und Steuern von Zylindern, Ventilen oder Druckluftwerkzeugen verwendet. Wegeventile können nach unterschiedlichen Kriterien gruppiert werden:

• Nach dem grundlegenden Aufbau: Nach dem Aufbau kann man zwischen Kolbenschieberventilen und Sitzventilen unterscheiden.

• Nach der Art der Betätigung: Wegeventile lassen sich mechanisch, manuell, pneumatisch oder elektrisch betätigen.

• Nach der Anzahl der Stellungen: Es gibt monostabile, bistabile, Drei- oder Mehrstellungsventile. Wie der Begriff andeutet, hat das Ventil bei monostabiler Konstruktion eine und bei bistabilem Aufbau zwei stabile Stellungen (Ruhestellung des Ventils).

• Nach der Anzahl der Anschlüsse und der Stellungen: Im Hinblick auf Anschlüsse und Stellungen unterscheidet man zwischen 2/2-, 3/2-, 3/3-, 4/2-, 5/2-, 4/3- und 5/3-Wegeventilen

• Nach der Schaltposition in der Grundstellung: Je nach Anzahl der Anschlüsse und Stellungen werden 2/2- und 3/2-Wegeventile dahingehend unterschieden, dass sie in der Grundstellung geöffnet oder geschlossen sind. Bei 3/3-, 4/3- und 5/3-Wegeventilen unterscheidet man zwischen geschlossener, geöffneter und entlüfteter Mittelstellung.

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