IO-Link-Sensoren erhöhen Lebensdauer und Verfügbarkeit der Hydraulik

Hydraulisch betriebene Maschinen und Anlagen bieten gegenüber ihren elektromotorischen Pendants auch heute oft noch Vorteile. Kein anderes System kann in kleinen Gehäusen eine so hohe Leistungsdichte erzeugen. So lassen sich Pumpen, Speicher und Aktoren vergleichsweise einfach herstellen und ohne großen Aufwand anwendungsspezifische Antriebsleistungen mit größten Kräften aufbauen. Im Zeitalter elektronischer Steuerungen mit Wartungsfunktionen und Online-Qualitätsüberwachung sind auch bei hydraulischen Aggregaten zunehmend Sensoren gefragt, die den speziellen Anforderungen der Hydraulik gerecht werden. Schließlich gehören richtig ausgelegte Hydrauliksysteme zu den robustesten Systemen im Anlagenbau. Daher müssen auch die eingesetzten Sensoren selbst unter rauesten Bedingungen ihre Widerstandsfähigkeit beweisen.

Daten wie Höchst- und Dauerbetriebsdruck sind beim Einsatz von Induktivsensoren in Extrembereichen nur Richtwerte für eine Vorauswahl. Viele Anwendungen scheiterten an der nötigen Feinabstimmung der eingesetzten Sensoren. So erlauben beispielsweise teflon- oder kunststoffbasierte Dichtsysteme oder Klebefügungen am Sensorkopf zwar hohe Drücke, oft mangelt es aber an der chemischen Beständigkeit. Hydrauliköl enthält meist Additive, die bei hohen Drücken und Temperaturen Kunststoffe auflösen können. Teflon ist dagegen zwar resistent, dafür ist es mechanisch nicht belastbar und neigt unter Druck zum Kriechen. Beides bedeutet in der Praxis, dass so ein Sensor nur eine begrenzte Anzahl von Druckzyklen übersteht. Contrinex setzt daher mit seinen S500- (Extra Distance) und den S700-Typen (Full Inox) auf besonders robust aufgebaute Technik, die für praktisch alle vorstellbaren Anwendungen geeignet ist. So bietet das rundum geschlossene, chemisch inerte Edelstahlgehäuse der S700-Typen Schutzart IP68 / IP69K für die innenliegenden Komponenten. Bei den S500-Typen (M5 bis M14) werden in einem speziellen Verfahren Keramikscheiben, Ferritkern mit Spule und die Elektronik mit Anschlusskabel komplett und dauerhaft gasdicht in das Edelstahlgehäuse eingekapselt. Damit arbeiten die IP68 Sensoren zuverlässig über viele Druckzyklen, tolerieren Dauerdrücke von 500 bar und einen Spitzendruck bis 1.000 bar bei Schaltfrequenzen von 500 bis zu 1.000 Hz. Die eingesetzten ASIC-Bausteine erlauben nun auch eine IO-Linkanbindung und damit den Zugriff auf viele Funktionen wie Signal-Timing, Temperaturüberwachung, Schaltzyklus-Zählung, Warnmeldungen etc.

Auf der Baustelle helfen Induktivsensoren die Betonförderung zu verbessern. Beton wird heute meist per Betonpumpe und Rohrleitung an Ort und Stelle gebracht. Selbst bei Hochhäusern fördern hydraulisch betriebene Pumpen den Baustoff sicher in die Höhe. Zuverlässigkeit ist dabei oberstes Gebot, denn Beton bindet je nach Mischung, Temperatur und Bewegung relativ schnell ab. Stockt der Betonfluss in Rohr oder Pumpe, härtet der Baustoff aus und die Fördereinrichtung ist unbrauchbar, teure Reparaturen oder Ersatz ist erforderlich. Eine Überwachung der Pumpeneinrichtung bringt also Vorteile. Doch die Förderung benötigt aufgrund der hohen Dichte des Betons erhebliche hydrostatische Drücke.

Im Allgemeinen fördern zwei lange Kolbenpumpen abwechselnd den Beton. Während die eine pumpt ist die andere im Ansaughub. Eine „Schwinge“ gleitet dabei zwischen den beiden Zylindern hin und her und verbindet die jeweiligen Kolben abwechselnd mit der Saug- und Druckleitung für den Beton. Bei Arbeitsdrücken bis zu 400 bar überwachen in den Zylindern auf der Ölseite zwei hochdruckfeste Sensoren die exakten Endstellungen der Hydraulikkolben im Zylinder. So kann der jeweilige Endhub exakt eingehalten werden; das schont Laufflächen und Dichtungen. Zum anderen kann die elektronisch überwachte Schwinge im jeweils optimalen Punkt auf den anderen Zylinder geschwenkt werden. Das verbessert die Effizienz, schont das Material und erhöht die Zuverlässigkeit. Da die S500-Extra-Distance-Sensoren etwa die dreifache Erfassungsdistanz und eine rund zehnfache Lebensdauer gegenüber marktüblichen Sensoren haben, ist damit eine zuverlässige Funktion aller Komponenten zwischen den turnusmäßigen Wartungen der mechanischen Bauteile sichergestellt. Zeit- und kostenaufwendige Sensorwechsel mit langwierigen Entlüftungsaktionen der Hydraulik entfallen.

Steter Tropfen höhlt den Stein. Modernes Wasserstrahlschneiden nutzt und beschleunigt diesen Prozess, indem es mit 6.000 bar Druck selbst durch Stein und Stahl wie durch Butter schneidet. Einsatzgebiete reichen vom Schneiden von gefrorenen Torten, über flexible Schaum- und Dämmstoffe bis hin zu spröder Keramik oder Verbundstoffen, die beim konventionellen Sägen leicht zerfasern. Um die hohen Drücke zu erzeugen, arbeiten die Anlagen meist mit einer Flügelzellenvordruckpumpe für das Hydrauliköl. Diese versorgt einen ersten Druckübersetzer, der den Öldruck auf rund 200 bar anhebt. Danach wird in einer Hochdruckpumpe mit einem Übersetzungsverhältnis von 20 bis 30:1 (Öldruck- zu Wasserdruckfläche) der Schneidedruck von 4.000 oder 6.000 bar aufgebaut. Für eine zuverlässige Funktion bei kontinuierlichem Wasserfluss ist dabei eine exakte Kenntnis der jeweiligen Kolbenstellungen wichtig. Die hochdruckfesten Sensoren erfassen dabei die Stellung der Kolben in den Druckübersetzern und ermöglichen so eine saubere Regelung bei optimaler Ausnutzung des Zylinderhubs und einem dichtungsschonenden Betrieb. Gleichzeitig werden alle qualitäts- und betriebsrelevanten Daten an die Steuerung weitergeleitet.

Wie beim Wasserstrahlschneiden ist auch in vielen anderen Anwendungen eine Umsteuerung des Ölflusses nötig. Dazu dienen sogenannte Wegeventile. Je nach Richtung gibt es unterschiedliche Ausführungen beim Steuerungskolben und dessen Bewegung. Eine moderne Variante dieser Wegeventile, die sich auch für kritische Anwendungen eignet, wird per Elektromagnet angesteuert: Dazu wird ein Steuerkolben per Federdruck in einer neutralen Sperrstellung gehalten. Je nach gewünschtem Ölstrom zieht dann ein Elektromagnet den Steuerkolben in die gewünschte Arbeitsposition. Die Endpositionen werden dann von hochdruckfesten Induktivsensoren der Typen DW-AS-503-P12 oder DW-LS-703-P12G erkannt und an die Steuerung weitergemeldet. So ist jederzeit die exakte Schaltstellung bekannt. Da Sensoren bauartbedingt praktisch unbegrenzt viele Schaltspiele vertragen und bis zu 500 bar dauerdruckbeständig sind, arbeiten die Wegeventile bei Arbeitsdrücken bis 350 bar lange Zeit wartungsfrei.

Moderne hochdruckbeständige Induktivsensoren mit IO-Linkanschluss eröffnen der Hydraulik den problemlosen Schritt in moderne vollüberwachte Industrie-4.0-Anwendungen. Gleichzeitig sinken die Wartungskosten und die Anlagenverfügbarkeit steigt. wk