Bild: AdobeStock_Matthias Buehner.jpg

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Für manche sind elektronische Leistungsverstärker ein notwendiges Übel zur Steuerung von Proportionalventilen. Tatsächlich sind es aber auch diejenigen Komponenten, welche die Weiterentwicklung in der Hydraulik und der Steuerungstechnik vorantreiben. Das zeigt die Entwicklungsgeschichte dieser Komponenten. Eins ist allerdings bis heute immer gleich geblieben: Die Standardansteuerung dieser Leistungsverstärker ist analog (mal plus/minus zehn Volt und mal vier bis 20 Milliampere). Ist es nicht Zeit, dies zu ändern?

Die heutigen Leistungsverstärker gibt es in vielfältigen Bauformen. Mal im klassischen Europakartenformat, mal als Snap-On Modul, mal als Steckerverstärker, mal integriert in Proportionalventilen (On-Board-Elektronik), aber auch integriert in verschiedenen SPSen.

Je nach Anforderungen hat jede Bauform ihre Vor- und Nachteile. Auf breiter Ebene haben sich heute die On-Board-Elektronik und die Snap-On-Modultechnik durchgesetzt. Das Europakartenformat ist durch den mechanischen Aufbau bedingt zu teuer, Steckerverstärker sind relativ einfach aufgebaut, aber auch eine preiswerte Alternative zur On-Board-Elektronik, besonders bei einmagnetigen Ventilen. Die meisten Leistungsverstärker, die integriert in SPSen sind, haben diverse technische Einschränkungen und die Einsatzmöglichkeit muss vorab genau beurteilt werden.

On-Board-Elektronik versus Snap-On-Technik

PAM-199-P-ETC - Bild: W.E.St.
Der PAM-199-P-ETC hat eine integrierte Ethercat-Schnittstelle. Damit erfolgt die Parametrierung direkt über die SPS, was bei einem Austausch des Leistungsverstärkers die Stillstandszeit verringert. Bild: W.E.St.

Die On-Board-Elektronik erleichtert den Einsatz, da eine optimierte Elektronik zusammen mit dem Ventil als eine Einheit geliefert und somit eine Austauschbarkeit im Wartungsfall ohne Fachpersonal möglich ist. Aber es sind auch meist sehr teure Einheiten, da die Elektronik und das Elektronikgehäuse auf kritische Umgebungsbedingungen hin ausgelegt sein müssen. Weiterhin sind der 6+PE-Stecker plus das typische siebenpolige Kabel auch nicht wirklich preisgünstig. Viele dieser On-Board-Elektroniken (abhängig vom Hersteller) bieten gleichzeitig eine Möglichkeit der kundenspezifischen Parametrierung. Steht die einfache Austauschbarkeit im Wartungsfall im Vordergrund, so sollte auf diese Möglichkeit verzichtet werden, da durch eine anwendungsspezifische Parametereinstellung der technische Vorteil der On-Board-Elektronik konterkariert wird.

Die Snap-On-Technik bietet das beste Preis-Leistungs-Verhältnis, die höchste Flexibilität und den besten Funktionsumfang, der heute für den Einsatz von Proportionalventilen wichtig ist. Neben dem platzsparenden Einsatz im Schaltschrank und der einfachen Verkabelung zum Ventil mit einem oder zwei DIN-Würfelsteckern, der direkten und kurzen Verbindung zur SPS sind alle neueren Snap-On-Module digital aufgebaut und bieten eine erweiterte Funktionalität, wie sie mit der älteren, analogen Elektronik nicht möglich war. Ein weiterer und mit der wichtigste Vorteil der digitalen Realisierung besteht in der Möglichkeit, die Parametersätze zu speichern und zu drucken und so den Austausch (besonders bei Serienanwendungen) zu erleichtern.

Dither

Oft falsch interpretiert
Die PWM-Frequenzeinstellung wird bei vielen Produkten und bei vielen Hydraulikherstellern auch als Dithereinstellung bezeichnet. Hierdurch kommt es oft zu Fehlinterpretationen.

  • Der Dither ist ein überlagertes Zittersignal (Brummsignal), wodurch die Hysterese des Ventils reduziert wird.
  • Das Zittersignal wird durch einen Wechselstromanteil im PWM-Signal generiert. Dies kann direkt durch das PWM-Signal erfolgen oder durch ein von der PWM-Frequenz unabhängiges amplitudenmoduliertes Signal, das über die Frequenz und die Amplitude an das Ventil angepasst wird.
  • Endstufen mit niedrigen PWM-Frequenzen, typisch kleiner als 300 Hertz, generieren das Zittersignal direkt.
  • Endstufen mit hohen PWM-Frequenzen, typisch großer als 2000 Hertz, benötigen einen zusätzlichen Dither.

Welcher der beiden Lösungsansätze der bessere ist, hängt im Wesentlichen vom Ventil ab. Niedrige PWM-Frequenzen haben den generellen Nachteil, dass es zu einem relativ trägen Verhalten bei der Ventilansteuerung kommt und gleichzeitig eine zusätzlich große Totzeit durch die PWM-Frequenz (100 Hertz entspricht zehn Millisekunden Totzeit) vorhanden ist.

Bisherige Leistungsverstärker

Ein Standard-Produkt des Herstellers W.E.St. aus dieser Sparte ist die Baugruppe PAM-199-P. Das Gerät für den Hydraulikmarkt kann typische Ventile der verschiedenen Hydraulikhersteller ansteuern. Alle relevanten Parameter lassen sich flexibel einstellen. Die typischen Funktionen wie unterschiedliche Eingangssignale, Rampenbildner, Minimum-Maximum-Einstellung ohne gegenseitige Beeinflussung, Kennlinienlinearisierung und Signalüberwachungen werden ergänzt durch eine funktional erweiterte Software zur Magnetansteuerung, die sowohl eine freie PWM-Frequenzeinstellung erlaubt, als auch die Möglichkeit eines zusätzlichen unabhängigen Dithers bietet (siehe Infokasten). Neben den schon beschrieben Eigenschaften sind noch folgende Punkte nennenswert.

  • Spannungsbereich von zehn bis 30 Volt
  • USB-Schnittstelle
  • Verschiedene Modi, zum Beispiel Ansteuerung von einem Wegeventil mit zwei Magneten oder von zwei getrennten Drosselventilen
  • kurzschlussfest, übertemperaturfest

Neue Anforderungen in der Industrie 4.0

Durch die neuen Anforderungen der Industrie 4.0 ergeben sich allerdings neue Aufgaben und Möglichkeiten für Leistungsverstärker:

  • Vernetzung: Über die Busanbindung ist der Leistungsverstärker an die digitale Informationsautobahn der Automatisierung angeschlossen.
  • Informationstransparenz: Durch die Vernetzung ist der Leistungsverstärker keine undurchsichtige „Black Box“ mehr. Seine Parameter sind in der übergeordneten Maschinensteuerung ebenso sichtbar wie interne Diagnosedaten und zusätzliche Messgrößen, zum Beispiel die Versorgungsspannung. Hierdurch kann der Maschinenbetreiber Fehlfunktionen leichter erkennen und schneller beheben.
    Technische Assistenz: Die über den Bus abrufbaren Informationen bieten ein detailliertes Bild über den Zustand des Gerätes. Hier ist noch Raum für künftige Weiterentwicklungen, wie etwa Assistenten für eine noch leichtere Inbetriebnahme.
  • Dezentrale Entscheidungen: Die Sollwertaufbereitung durch Rampen und Kurvenfunktionen sind dezentrale Funktionen, ebenso wie die Magnetromregelung. Diese werden im Leistungsverstärker autonom und zeitoptimiert umgesetzt und belasten die übergeordnete Ebene nicht.

Weiterhin wird die analoge Schnittstelle durch die digitale Schnittstelle ersetzt. Dies hat zur Folge, dass es durch die standardisierte Verkabelung zu weniger Fehlern kommt und dass die Signale gleichzeitig fehlerfrei übertragen werden.

Jetzt werden Sie vielleicht sagen: „Kennen wir und ist viel zu teuer“. Die bisherigen Möglichkeiten der Feldbusankopplung – besonders wenn die Stückzahl nicht sehr hoch ist – kann als relativ teuer bezeichnet werden; nur der Can-Bus, der in vielen Mikrokontrollern integriert ist, bot bisher ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Mit der Mikrocontroller-Familie-XMC4000 kann dieses gute Preis-Leistungs-Verhältnis auf Anwendungen mit Ethernet-Ankopplungen erweitert werden.