Pneumatische 5/2- und 4/2-Wege-Ventile - Wie sie funktionieren

Pneumatische 5/2- und 4/2-Wege-Ventile - Wie sie funktionieren

Abbildung 1: 5/2-Wege-Pneumatik-Magnetventil

Abbildung 1: 5/2-Wege-Pneumatik-Magnetventil

Schaltungsfunktion

Das 5/2-Wege-Pneumatikventil hat fünf Anschlüsse und zwei Zustände. Es hat einen Druckanschluss (P,1), zwei Anschlüsse (A,2) und (B,4), die mit dem zu steuernden Gerät verbunden sind, und zwei Auslassanschlüsse (EA,3) und (EB,5). . Die zwei Zustände des Ventils sind:

  • Druckanschluss (P,1) ist mit Anschluss (A,2) verbunden, während Anschluss (B,4) über den Entlüftungsanschluss (EB,5) entlüftet
  • Druckanschluss (P,1) ist mit Anschluss (B,4) verbunden, während Anschluss (A,2) über Anschluss (EA,3) entlüftet.

Anschlussbezeichnungen

Unterschiedliche Hersteller verwenden unterschiedliche Anschlussbezeichnungen. Es gibt auch eine Standardbezeichnung: ISO-1210-1. Diesen Standard möchten wir in unseren Artikeln so weit wie möglich beibehalten. Der ISO-Standard verwendet Nummern, um die verschiedenen Ports zu bezeichnen. Einige Hersteller verwenden jedoch Buchstaben, um die Anschlussbezeichnungen etwas zu verdeutlichen.

Im Beispiel ist der ISO-Anschluss 1 auch mit dem Buchstaben P von „pressure“ bezeichnet, der der Anschlusspunkt für die Druckleitung ist. Die Auslassanschlüsse (oder Arbeitsanschlüsse) mit den ISO-Bezeichnungen 2 und 4 sind alternativ mit den Buchstaben A und B bezeichnet. Die entsprechenden Auslassanschlüsse haben die ISO-Bezeichnungsnummern 3 und 5. Die alternativen Buchstabenbezeichnungen dieser Anschlüsse sind jeweils EA und EB, was Entlüftung von A und Entlüftung von B bedeutet Anschlussnummer 3 (ISO) ist alternativ mit dem Buchstaben R (Relief) gekennzeichnet

Ventilsymbol eines monostabilen 5/2-Wegeventils mit ISO und alternativer Anschlussbezeichnung

Ventilsymbol eines monostabilen 5/2-Wegeventils mit ISO und alternativer Anschlussbezeichnung

Das 4/2-Wege-Pneumatikventil hat vier Anschlüsse und zwei Zustände. Der Unterschied zwischen den beiden Ventiltypen liegt in der Anzahl der Auslassöffnungen:

  • Ein 5/2-Wege-Pneumatikventil hat zwei unabhängige Entlüftungsanschlüsse
  • Ein 4/2-Wegeventil hat nur einen gemeinsamen Auslassanschluss
Ventilsymbol eines monostabilen 4/2-Wegeventils mit ISO und alternativer Anschlussbezeichnung

Ventilsymbol eines monostabilen 4/2-Wegeventils mit ISO und alternativer Anschlussbezeichnung

Das bedeutet, dass beide Anschlüsse (A,2) und (B,4) mit dem Auslassanschluss (R,3) verbunden sind. Der zusätzliche Entlüftungsanschluss des 5/2-Wegeventils bietet zusätzliche Steuermöglichkeiten. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit in beide Richtungen eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs eingestellt werden, indem die Durchflussrate durch jeden Auslassanschluss einzeln mit Drosselventilen gesteuert wird.

Die Ventile können monostabil oder bistabil sein. Monostabile 5/2-Wegeventile gehen bei Nichtbetätigung in ihre Ruhestellung zurück. Das Ventil kehrt durch eine Feder in seine Ruhestellung zurück. Dies bedeutet, dass monostabile Ventile eine konstante Betätigung (pneumatisch, elektrisch oder manuell) erfordern, um in der betätigten Position zu bleiben. Bistabile 5/2-Wegeventile behalten ihre Position bei Stromausfall bei und erfordern eine separate Aktion, um das Ventil in eine sichere Position zu schalten.

Folgende Schaltungsfunktionen sind möglich:

  • 5/2-Wege monostabil
  • 5/2-Wege bistabil
  • 4/2-Wege monostabil
  • 4/2-Wege bistabil

5/2- und 4/2-Wege-Pneumatikventile können auf unterschiedliche Weise betätigt werden:

  • Elektrisch (Magnetventil)
  • Pneumatisch
  • Mechanisch
  • Manuell

Die Schaltungsfunktion und Ansteuerung des Ventils kann durch ein Symbol dargestellt werden. Nachfolgend sind die Schaltsymbole für 4/2-Wege- und 5/2-Wege-Magnetventile angegeben.

Schaltsymbole von 4/2- und 5/2-Wege-Pneumatikventilen

Schaltsymbole von 4/2- und 5/2-Wege-Pneumatikventilen

Design

Obwohl die Grundfunktion gleich bleibt, gibt es pneumatische 5/2-Wegeventile in unzähligen Designvariationen hinsichtlich Größe, Material, Farbe, Anschlussschnittstellen etc. Dies ist notwendig, um eine Vielzahl von Anforderungen zu erfüllen, wie z. B. medizinische Verwendung, Lebensmittelverarbeitung, staubige Umgebungen, explosionsgefährdete Umgebungen usw.

Die meisten 5/2-Wegeventile haben einen beweglichen Schieber mit Dichtungen entlang der Länge in einem Zylinder. Die Ventilanschlüsse sind mit diesem zentralen Zylinder verbunden. Durch Bewegen des Schiebers durch den Zylinder werden die Ventilanschlüsse verbunden oder blockiert. Darüber hinaus kann das Ventil direkt oder vorgesteuert betrieben werden. Beim Direktbetrieb ist der Stellantrieb direkt mit dem Schieber verbunden. Beim Vorsteuerbetrieb nutzt das Ventil den Einlassdruck, um den Schieber zu bewegen. Das Ventil enthält einen kleinen internen pneumatischen Zylinder, der die Spule betätigt. Das Befüllen und Entleeren dieses Zylinders wird durch das Stellglied, beispielsweise einen Elektromagneten, gesteuert. 5/2-Wegeventile sind in der Regel vorgesteuert. Die Hauptteile des Ventils sind:

  • Gehäuse
  • Dichtungen
  • Kolben
  • Spule

Viele 5/2-Wegeventiltypen sind mit Handhilfsbetätigung oder sogar mit Sperrmechanismus erhältlich. Die Vorteile des Verriegelungsmechanismus zeigen sich bei der Wartung – das Ventil behält die vorgesehene Position, bis die Verriegelung gelöst wird – die betätigten pneumatischen Elemente wie Zylinder oder Greifer behalten ihre Position. Eine mögliche Verwendung für die manuelle Überbrückung ist das Testen des Systems; das Ventil muss nicht elektrisch erregt werden, um betätigt zu werden. Um das Ventil zu schalten, genügt es, den Override-Taster zu drücken. Ein Nachteil eines Sperrmechanismus besteht darin, dass Bediener möglicherweise vergessen, die Sperre zu entfernen.

Bei der Auswahl eines Magnetventils muss die Art des elektrischen Anschlusses berücksichtigt werden. Einige Hersteller haben eine große Auswahl an Steckerdesigns oder verwenden Standard-DIN-Stecker, wie z. B. DIN43650 Typ A, B und C. Die Stecker sind mit verschiedenen IP-Klassen erhältlich, die angeben, wie gut der Stecker vor dem Eindringen von Wasser und Staub schützt. Eine weitere Anschlussoption ist eine Anzeigeleuchte, die nützlich sein kann, um eine Ventilfehlfunktion oder einen Stromausfall zu erkennen.

Einige 5/2-Wegeventile sind mit NAMUR-Gehäuse erhältlich. NAMUR ist ein weit verbreiteter Schnittstellenstandard, um ein Stellventil direkt auf einen Antrieb zu montieren. Durch die Verwendung eines NAMUR-Ventils kann die Anzahl der Fittings und Schläuche reduziert werden.

Einige Ventile können auf einem Verteiler montiert werden. Dies ist eine einfache Möglichkeit, mehrere pneumatische Ventile zu gruppieren und Platz, Anschlüsse und Schläuche zu sparen. Verteiler können mit Druckreglern, Rückschlagventilen usw. ausgestattet werden.

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Ein 5/2-Wegeventil kann als 3/2-Wegeventil verwendet werden, indem ein Einlass- und ein Auslassanschluss (A-EA oder B-EB) blockiert werden. Mit zwei monostabilen 3/2-Wege-Ventilen lässt sich ein bistabiles 5/2-Wege-Ventil aufbauen.

Typische Anwendungen

5/2-Wegeventile werden zur Ansteuerung von doppeltwirkenden pneumatischen Aktoren, wie z. B. Pneumatikzylinder, kolbenstangenlose Zylinder, Greifer und Drehantriebe eingesetzt. Doppelt wirkende Stellantriebe benötigen Druckluft, um sich in beide Richtungen zu bewegen. Um zu entscheiden, ob ein monostabiles oder bistabiles 5/2-Wegeventil eingesetzt werden soll, ist es notwendig, mehr über den Aufbau und die Anforderungen des Systems zu wissen.

Um zu entscheiden, welches Ventil verwendet werden kann, werden folgende Informationen benötigt:

  • Wie viele Aktuatoren sind im System?
  • Wie viele E/A-Ports sind auf der SPS verfügbar?
  • Stellantriebspositionen
  • Normale Arbeitsbedingungen
  • Sicherheitsanforderungen
Schematische Darstellung eines doppeltwirkenden Zylinders mit einstellbarer Endlagendämpfung an beiden Enden, betätigt durch ein 5/2-Wege-Monostabilventil

Schematische Darstellung eines doppeltwirkenden Zylinders mit einstellbarer Endlagendämpfung an beiden Enden, betätigt durch ein 5/2-Wege-Monostabilventil

Die Anzahl der Stellantriebe bestimmt die erforderliche Ventilanzahl: Jeder Stellantrieb bzw. jede Stellantriebsgruppe benötigt ein eigenes Regelventil. Die SPS begrenzt die Anzahl der Spulen, die erregt werden können. Monostabile Ventile (mit einer Magnetspule) erfordern weniger Verkabelung und SPS-Ausgänge als bistabile Ventile (mit zwei Magnetspulen). Einige Verteiler verfügen über eine interne Verdrahtung und einen Anschluss, der mit allen Ventilen verbunden ist, z. B. einen 25-poligen D-SUB-Anschluss. In diesem speziellen Fall konnten nur 12 bistabile Ventile im Vergleich zu 25 monostabilen Ventilen installiert werden.

Die Wahl zwischen monostabilen und bistabilen Ventilen ist oft durch Sicherheitsanforderungen motiviert. Bei manchen Maschinenkonstruktionen kann es zur Vermeidung von Maschinenschäden oder Verletzungen erwünscht sein, dass der Stellantrieb während eines Stromausfalls in die Grundposition zurückkehrt. In solchen Fällen wird ein monostabiles Ventil empfohlen. In anderen Ausführungen sind bistabile Ventile besser geeignet, wenn es darum geht, den Stellantrieb in der letzten Position zu halten.