Einbau-Wegeventile WRC-4X, Bild: Bosch Rexroth

Die neue Einbau-Wegeventile WRC-4X erreichen Volumenströme, für die Anwender bisher die nächsthöhere Nenngröße wählen mussten, bei höherer Dynamik. Bild: Bosch Rexroth

| von Dr. Till Deubel, Bosch Rexroth

Maschinenanwender fordern heute eine immer bessere horizontale und vertikale Vernetzung von Maschinen und Anlagen. Das Ziel sind Industrie-4.0-Anwendungen mit einer durchgängigen Diagnosefähigkeit. Denn wenn Diagnose-Informationen verfügbar sind, lassen sich vorausschauende Wartungskonzepte in der Hydraulik umsetzen und so die Verfügbarkeit von Anlagen und Maschinen steigern.

Pilotventil, Bild: Bosch Rexroth
Die hohe Dynamik des Regel-Wege-Einbauventils ergibt sich durch ein neu entwickeltes, hochdynamisches Pilotventil. Dieses kombiniert die Dynamik eines Servoventils mit der Robustheit eines Schieberhülsenventils. Bild: Bosch Rexroth

Bosch Rexroth hat daher bei seinen neusten Regel-Wege-Einbauventilen nicht nur den Volumenstrom und die Dynamik verbessert, sondern auch Vernetzungs-Perspektiven geschaffen. Zum Beispiel setzt der Hersteller bei den Ventilen Buselektronik ein. Die Komponenten haben eine Multi-Ethernet-Schnittstelle und integrierte, volldigitale Elektronik (OBE).

Dies erlaubt eine Vernetzung der Ventile auch bei analoger Ansteuerung über offene Schnittstellen mit übergeordneten Steuerungen und Industrie-4.0-Umgebungen. Damit fügen sich die neuen Regel-Wege-Einbauventile in zukunftsweisende Automatisierungskonzepte ein.

Wo 4.0-Funktionen besonders nützlich sind

Im Maschinen- und Anlagenlebenszyklus spielen Industrie-4.0-Funktionen insbesondere in vier Bereichen eine entscheidende Rolle:

  • bei der Entwicklung des Maschinendesigns,
  • bei der Installation beziehungsweise dem Retrofit,
  • bei der Performance-Steigerung im Betrieb und
  • bei der Minimierung der Stillstandzeiten durch Condition Monitoring und Predictive Maintenance.

In all diesen Bereichen ergeben sich durch den Einsatz der neuen Regel-Einbau-Wegeventile Vorteile.

Simulationsdaten des Ventils liefert der Hersteller mit, ebenso wie die CAD-Modelle der Komponente.

1. Entwicklung des Maschinendesigns: Einfachere Konzeption via Open-Core-Engineering

Der Open-Core-Engineering-Ansatz mit offenen Standards und Multi-Ethernet-Schnittstellen (Echtzeitprotokolle wie Sercos, Ethercat, Ethernet/IP und Varan, Profinet RT und Powerlink) bietet den Maschinenbauern bei der Entwicklung des Designs die Möglichkeit, über eine Vielzahl von Werkzeugen auf die Regel-Einbau-Wegeventile zuzugreifen. So können neben digitalen Modellen wie CAD, Simulationen oder Digital Twin auch moderne Virtual-Engineering-Simulationstools eingesetzt werden, zum Beispiel Matlab.

Die Digitalisierung der gesamten Wertschöpfungskette bringt auch bei der Maschinen- und Anlagenkonzeption Vorteile. So kann zum Beispiel mittels Systemsimulation und den von Bosch Rexroth gelieferten Simulationsdaten und -modellen geprüft werden, wie sich das Ventil in Bezug auf dynamische Bewegung und Öffnungsgeschwindigkeit in der Anwendung verhält. Für die geometrische Integration in das Gesamtmaschinenmodell stellt der Anbieter CAD-Modelle zur Verfügung.

2. Installation und Retrofit

Moderne Konfigurationstools erlauben ein hohes Maß an Flexibilität, sowohl bei der Maschineneinrichtung als auch später im laufenden Betrieb. Bei der Inbetriebnahme vereinfachen die Wizard-Bus-Schnittstellen die Konfiguration der geprüften und ab Werk kalibrierten Ventile. Alle Regel-Wege-Einbauventile des Anbieters werden vorkonfiguriert und „ready to use“ geliefert. Optional führt die Engineering-Umgebung Indraworks DS die Techniker durch alle Schritte.

Darüber hinaus können bei der Installation oder auch später über Wizards die Grundeinstellungen jederzeit verändert werden, um die Signalverarbeitung im jeweiligen Anwendungsfall anzupassen.

Zum Autor

Dr. Till Deubel ist Leiter Vertrieb Produktmanagement Industriehydraulik bei Bosch Rexroth.

Einfachere Modernisierung

Onboard-Elektronik, Bild: Bosch Rexroth
Zu den Daten, die das Ventil liefert, gehören unter anderem die Temperatur der Onboard-Elektronik, die Versorgungsspannung, die Betriebsstunden, die Regelabweichung und die Ströme in den Magneten. Bild: Bosch Rexroth

Nicht nur bei der Erstinstallation, sondern auch beim Retrofit eines Maschinen- und Anlagennetzwerks lassen sich die neuen Regel-Wege-Einbauventile einsetzen. Denn die Ventile nutzen offene Standards. Applikationsspezifische Funktionen reduzieren den Inbetriebnahme-Aufwand. Darüber hinaus sorgt das Zusammenspiel der Engineering Software Indraworks und der Wizard-gestützten Parametrierung für eine schnelle und einfache Inbetriebnahme. Und da für die Inbetriebnahme weniger Know-how erforderlich ist, reduziert sich auch der Schulungsaufwand.

So binden Sie die Ventile in jede Steuerungsumgebung ein

Automatisierungskonzept, Bild: Bosch Rexroth
Die Ventile fügen sich in zukunftsweisende Automatisierungskonzepte ein. Bild: Bosch Rexroth

Durch die beiden Schnittstellen können die neuen Regel-Wege-Einbauventile unabhängig vom Steuerungshersteller in jede Maschinenumgebung eingebunden werden: Die Multi-Ethernet-Schnittstelle unterstützt alle gängigen Echtzeitprotokolle wie Sercos, Ethercat, Ethernet/IP sowie Varan, Profinet RT und Powerlink. Die neuen Regel-Wege-Einbauventile stellen darüber hinaus OCE (Open Core Engineering) for Drives zur Verfügung. Das ist eine Schnittstelle, welche die Ansteuerung der Ventile mit Programmen wie zum Beispiel Labview ermöglicht. Damit schließt der Hersteller den Kreis vom hydraulischen Aktor bis zu IT- und cloudbasierten Anwendungen.

Aber auch bei analoger Ansteuerung ermöglicht die integrierte Elektronik (OBE) die Vernetzung mit übergeordneten Steuerungen und Industrie-4.0-Umgebungen über offene Schnittstellen. Mit allen diesen Merkmalen fügen sich die neuen Ventile in zukunftsweisende Automatisierungskonzepte ein.

3. Performance steigern im Betrieb

Vor allem bei Anwendungen, die einerseits hohe Anforderungen an Volumenstrom und Dynamik aufweisen, andererseits aber eine sensible Regelung beim Anfahren erfordern, sind leistungsstarke und intelligente Block-Einbauventile gefragt. Die neuen Regel-Wege-Einbauventile erfüllen diese Anforderungen: Dazu haben die Entwickler in aufwendiger Co-Simulationen mit Strömungsanalysen und Festigkeitsberechnungen die Kanalgeometrien so verbessert, dass die Volumenströme bei gegebenen Nenngrößen und im Vergleich zur Vorgängergeneration um mehr als 80 Prozent gesteigert wurden.

Die neuen Ventile erreichen durchgängig Werte, für die bislang jeweils die nächst größere Ausführung notwendig war. Dadurch können Maschinenhersteller nun bei gleichen Anforderungen eine kleinere und damit wirtschaftlichere Baugröße verwenden oder bei gleichen Baumaßen wie bisher mehr Leistung nutzen.

Die Ventile sind zunächst in den Nenngrößen 32, 40 und 50 verfügbar und decken damit Nenn-Volumenströme bis 2.700 Liter pro Minute (bei Δp=5 bar) ab. Versionen mit den Nenngrößen 63 bis 100 werden in den nächsten 24 Monaten marktreif sein, eine Drei-Wege-Ventilvariante ab 2022.

Der Umgebungstemperaturbereich von –20 bis 60 Grad Celsius sorgt für ein breites Einsatzspektrum der Ventile. Ebenso spielt die Hydrauliksteuerung eine wichtige Rolle, um die Anlagenperformance zu steigern. Damit werden einzigartige Leistungswerte erreicht – im Volumenstrom ebenso wie in der Dynamik.

Einsatz in Pressen, Druckgieß- und Spritzgießmaschinen

Die neuen Block-Einbauventile WRC-4X zielen vor allem auf Anwendungen wie Pressen, Druckgieß- oder Spritzgießmaschinen mit hohen Anforderungen an Volumenstrom und Dynamik: Dank aufwendiger Co-Simulationen mit Strömungsanalysen und Festigkeitsberechnungen haben die Entwickler die Kanalgeometrien so verändert, dass die Volumenströme bei gegebenen Nenngrößen deutlich höher sind als zuvor. Was die Dynamik angeht, beginnen die Sprungantwortzeiten je nach Volumenstrom bei unter zehn Millisekunden. Die Kombination dieser beiden Merkmale in der Komponente ermöglicht es Maschinenbauern beispielsweise, die Leistungsfähigkeit von Einspritzachsen verbessern und damit die Produktivität ihrer Spritzgießmaschinen zu erhöhen.

4. Minimierung der Stillstandszeiten durch Condition Monitoring

Die neuen Regel-Wege-Einbauventile sind Industrie-4.0-fähig. Sie verfügen über analoge Schnittstellen und Multi-Ethernet-Schnittstellen, was die Einbindung in alle gängigen Steuerungsstrukturen ermöglicht. Der Sollwert für die Ventilöffnung wird in Echtzeit über eine der Schnittstellen vorgegeben. Nicht-echtzeitkritische Maschineninformationen für Condition Monitoring, Predictive Maintenance und die Prozessoptimierung können direkt via Multi-Ethernet übermittelt werden oder, bei analoger Sollwertvorgabe, über eine zusätzliche digitale Schnittstelle, die grundsätzlich mit an Bord ist.

Es ist also möglich, den Zustand permanent zu überwachen und somit im Bedarfsfall rechtzeitig einzugreifen, um Ausfälle zu verhindern. Zudem können wichtige Informationen zur Prozessüberwachung direkt aus dem Ventil herausgelesen und ausgewertet werden. Status-Monitoring gehört hier genauso dazu, wie Diagnoseeinschätzungen der Prozessvariablen. Mit diesen Informationen können Betreiber die Prozessqualität und Produktqualität verbessern.

Ausblick

Auch Remote Maintenance gehört zu den unmittelbaren Zukunftsanforderungen, für die diese Ventile heute praktisch schon gerüstet sind. Jedoch stellen die systemsicherheits- und datenschutztechnischen Vorgaben aktuell noch die größten Hürden für eine Implementierung dieser Funktionen in eine reale Industrieumgebung dar.

Auf einen Blick

Die neuen Regel-­Wege­-Einbauventile WRC-4X zeichnet sich durch hohen Volumenstrom und große Dynamik aus. Sie eignen sich insbesondere für anspruchsvolle Applikationen, beispielsweise Spritzgießmaschinen. Der Hersteller hat die Kanalgeometrien verbessert, sodass Maschinenhersteller jetzt bei gleichen Anforderungen an den Volumenstrom eine kleinere Baugröße verwenden können oder es steht bei gleichen Baumaßen wie bisher mehr Leistung zur Verfügung.

Die komplett digitale OBE und offene Schnittstellen ermöglichen eine nahtlose Integration in Industrie-4.0­-Netzwerke. Damit sind die neuen Ventile voll Industrie-4.0­-fähig, mit durch den Anwender konfigurierbaren Parametern. Dies zahlt sich bei der Inbetriebnahme und im Betrieb aus, zum Beispiel durch Predictive Maintenance.

Screenshot Bosch-Rexroth-Video, Bild: Bosch-Rexroth
Das Unternehmen hat bei der Entwicklung des Ventils zahlreiche Strömungssimulationen durchgeführt. Dadurch steigerten die Ingenieure den Volumenstrom bei gleichbleibender Druckfestigkeit von 420 bar auf allen Anschlüssen. Bild: Screenshot Bosch-Rexroth-Video

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