Anwendungsdemonstration 2: 24 V Druckluftventil

Betrieben wird hier ein schnellschaltendes Druckluftventil mit 24 V Nennspannung und 25 Ω Innenwiderstand, das über eine PLC 20 ms eingeschaltet wird.

Für diese Darstellung wurde ein Nennstrom von 600 mA für das Schalten des Ventils festgelegt. Die folgenden Abbildungen zeigen jeweils links die Aufzeichnung des Stromverlaufs mit dem Oszilloskop (umgerechnet 400 mA/div) und rechts die dazu gehörigen Einstellungen in den CoE Objekten Konfigurationsdaten, DOX Settings und DOX Features. Eingetragen wird:

• Haltestrom „Hold current“: 600 mA
• Versorgungsspannung „Supply voltage“: 24 V
• Wicklungswiderstand: 25 Ω

Die Markierungen in der Oszilloskop-Aufzeichnung A bis D zeigen das Ein-/Abschalten des Ventils mit 24 V. Der Anker benötigt c.a. 5 ms bis zum Anzug und der Luftspalt geschlossen ist (A bis B). Der Erregungsstrom (I_load) von nominell 600 mA wird in der Haltephase bis D beibehalten.

Erläuterung der Oszilloskop-Aufzeichnung:

A: Einschalten des Ausgangs Beginn der Einschaltphase

B: Anzug des Ankers

D: Abschalten des Ausgangs (Ende der Einschaltphase)

F: Freigabe des Ankers

Nach dem Abschalten des Ausgangs (D) sinkt der Strom der Wicklung langsam ab. Der Zeitpunkt der mechanischen Loslösung des Ventilankers, erkennbar am Wiederanstieg der Stromkurve (F), gibt Auskunft über die benötigte Zeit des Abschaltens von ebenfalls c.a. 10 ms (t_D bis t_F).

1. Es wird die Haltephase mit geringerem Haltestrom konfiguriert

Per direkten CoE Zugriff über die TwinCAT Benutzeroberfläche wird eingetragen:

• Haltestrom „Hold current“: 400 mA
• Übererregungsstrom (Einschaltphase) „Boost current“: 600 mA
• Übererregungszeit – Ein, „Booster on time“: 10 ms

anschließend wird die Übererregung der Einschaltphase, „Boost-On“ aktiviert.

Nach der Übererregungszeit „Boost on time“ (t_A bis t_C) der Einschaltphase beginnt die Klemmeninterne PWM-Regelung der EL2212, den Haltestrom von 600 mA auf 400 mA zu reduzieren. Im weiteren Verlauf wird von dem PLC Programm der Ausgang (nach den verbliebenden) 10 ms später wieder abgeschaltet (t_C bis t_D). Durch den reduzierten Haltestrom löst auch der Anker etwas früher, wie anhand der Verringerung der Zeit t_F um etwa 1 ms zu sehen ist.

2. Aktivierung der Übererregung zum beschleunigten schalten

Zur Steigerung der Dynamik wird das 24 V-Ventil nun mit kurzzeitig 60 V Versorgungsspannung beaufschlagt. Ein doppelter Nennstromwert während der Übererregungszeit von 1200 mA wird zudem im CoE konfiguriert. Die Änderungen per CoE sind wie folgt:

• Versorgungsspannung „Supply voltage“: 60 V
• Übererregungsstrom der Einschaltphase „Boost on current“: 1200 mA

Da der Ventilanker bis zum Anzug nun statt 5 ms nur noch c.a. 2 ms benötigt (Markierung von A bis B), konnte die Übererregungszeit entsprechend verkürzt werden:

• Übererregungszeit der Einschaltphase „Booster on time“: 5 ms

Das Ergebnis ist dann wie im Folgenden zu sehen:

Nach Markierung C, dem Ende der Übererregung in der Einschaltphase wird von der EL2212 der Haltestrom wieder bis zum konventionellen Abschalten (D) auf 400 mA eingeregelt.

3. Aktivierung der beschleunigten Abschaltung

Der Wicklung des Ventils wird zum beschleunigten lösen des Ankers eine Gegenspannung von 60 V „eingeprägt“. Dazu wird zur Vorsicht die Abschaltstromschwelle konfiguriert und aktiviert, denn es könnte zu unvorhergesehener Beschädigung mechanischer Komponenten kommen. Der Strom wird intern von der EL2212 ausgewertet und führt zum vorzeitigen Abschalten des gegenläufigen Stromes. Die CoE Einträge sind wie folgt vorzunehmen:

• Abschaltstromschwelle „Current switch off threshold“: 100 mA
• Übererregungszeit – Ein, „Booster off time“: 10 ms

In der Oszilloskop-Aufzeichnung zeigt Markierung E das Ende der Übererregung in der Abschaltphase „Booster off time”. Bereits etwa 0,5 ms nach dem Abschalten des Ausgangs (D) wird bei Markierung E die eingestellte Schaltschwelle von +100 mA erreicht und die Übererregung für das Abschalten, die „Boost-Off“-Phase ist damit beendet. Der Zeitraum von t_D bis t_F entspricht dem beschleunigten Abschalten des Ventils von nur noch c.a. 3 ms gegenüber ursprünglich 10 ms.

Zusammenfassung der Ergebnisse

Die erzielte Beschleunigung liegt bereits weit im Bereich üblicher PLC-Zykluszeiten. Bei entsprechender Berücksichtigung durch Sensoren oder Tests kann die Applikation einzelne Verfahrensschritte mit kürzerer Taktzeit ausführen.

Exemplarisch sind im Folgenden die Stromverläufe für zwei weitere unterschiedliche Abschaltstromschwellen in der übererregten Abschaltphase aufgezeigt:

Je größer die Abschaltstromschwelle umso kleiner die Abschaltzeit:

Die Abschaltphase verringert sich bei einer Abschaltstromschwelle von -25 mA bis zu c.a. 2 ms. Es ist naheliegend, dass diese Einstellung einen wesentlichen Einfluss auf den Verschleiß mechanischer Komponenten ausübt; insbesondere sollte eine Beschädigung vermieden werden und die Abschaltstromschwelle daher mit besonderer Beachtung gewählt werden.

Im Folgenden ist die Übererregte Abschaltphase, der Boost-Off wiederum deaktiviert und die externe PWM mit einem Tastverhältnis von 2,5 ms/ 5 ms, d.h. 50 % aktiviert und der Stromverlauf aufgezeichnet worden:

Der Anzug und die Freigabe des Ventilankers ist wie gehabt an den Sattelpunkten des Stromverlaufs erkennbar (B und F). Da jedoch die Induktivität nicht groß genug ist, um bei dieser PWM Frequenz (200 Hz) den Strom angemessen zu glätten, sind die einzelnen Pulse am Stromverlauf erkennbar. Dennoch bleibt in diesem Beispiel der Ventilanker bis F aufgesetzt, da die mechanische Trägheit der Ventilkonstruktion eine derartige Ansteuerung ausreichend dämpft.