DE102014006357B3

DE102014006357B3 - Druckluftsystem mit Sicherheitsfunktion und Verfahren zum Betreiben eines solchen Druckluftsystems

Info

Publication number: DE102014006357B3
Application number: DE102014006357.7A
Authority: DE
Inventors: Josef Sauer; Alexander Vargas; Manfred Jainczyk; Eckhard Roos; Peter Beil
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2034-05-01
Also published as: US20170051768A1; CN106233000A; US10066651B2; WO2015165561A1; CN106233000B

Abstract

Es werden ein Druckluftsystem (1) mit Sicherheitsfunktion und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Druckluftsystems (1) vorgeschlagen. Das Druckluftsystem (1) enthält zwei Arbeitsventile (2, 3), die jeweils wahlweise eine einen Verbraucher (V) belüftende Belüftungsstellung oder eine den Verbraucher (V) entlüftende Entlüftungsstellung einnehmen können. Beide Arbeitsventile (2, 3) sind ausgangsseitig redundant unter Zwischenschaltung einer Abtrenneinrichtung (15) an den Verbraucher (V) angeschlossen. Die Abtrenneinrichtung (15) erlaubt es, unter Beibehaltung der Belüftung des Verbrauchers (V) das eine oder das andere der Arbeitsventile (2, 3) abzutrennen, um es einer Überprüfung seiner Schaltfunktion zu unterziehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckluftsystem mit Sicherheitsfunktion, mit einem ersten und einem zweiten Arbeitsventil, die beide jeweils einen Arbeitsanschluss und einen mit der Atmosphäre verbundenen oder verbindbaren Entlüftungsanschluss aufweisen, wobei die beiden Arbeitsanschlüsse in fluidischer Parallelschaltung an ein und denselben mit einem Verbraucher verbindbaren oder verbundenen Verbraucherausgang des Druckluftsystems angeschlossen sind, wobei jedes Arbeitsventil in eine seinen Arbeitsanschluss mit seinem Entlüftungsanschluss verbindende Entlüftungsstellung schaltbar ist und wobei die beiden Arbeitsventile gleichzeitig ihre Entlüftungsstellung einnehmen können. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Druckluftsystems.
Ein in dem vorstehenden Sinne ausgebildetes Druckluftsystem ist aus der EP 1 645 755 B1 bekannt und enthält als besonderen Aspekt eine Sicherheitsfunktion, die ein sogenanntes zweikanaliges Entlüften eines an den Verbraucherausgang angeschlossenen Verbrauchers sicherstellt. Dies bedeutet, dass einem Verbraucher, beispielsweise einer Anlage in der Automatisierungstechnik, für die Entlüftung zwei redundante Arbeitsventile zur Verfügung stehen, sodass bei Ausfall eines Arbeitsventils dennoch eine sichere Entlüftung mit Hilfe des anderen Arbeitsventils gewährleistet ist. Im Falle der EP 1 645 755 B1 ist die Sicherheitsfunktion in eine Softstartvorrichtung des Druckluftsystems integriert, mit deren Hilfe die Druckluftversorgung eines Verbrauchers wahlweise eingeschaltet oder abgeschaltet werden kann, wobei beim Einschalten ein sanfter Druckaufbau gewährleistet ist und wobei das Abschalten mit einer verbraucherseitigen Entlüftung einhergeht.
Auch aus der EP 1 266 147 B1 ist ein mit Druckluft betreibbares fluidtechnisches System bekannt, das über eine Sicherheitsfunktion verfügt.
Bestehende Sicherheitsnormen verlangen eine zyklische Überprüfung der Gewährleistung der zweikanaligen Entlüftung eines Druckluftsystems. Dies vor dem Hintergrund, dass verschiedenste Fehlerszenarien denkbar und bekannt sind, die zu einem Ausfall beider Kanäle beziehungsweise beider Arbeitsventile führen können. Zu erwähnen ist hier beispielsweise ein Festkleben der Dichtung des Ventilgliedes mit daraus resultierender Unmöglichkeit eines Umschaltens des Arbeitsventils oder der Bruch einer Rückstellfeder mit daraus resultierendem Blockieren der momentanen Schaltstellung des Arbeitsventils. Diese Problematik ist besonders ausgeprägt bei Druckluftsystemen, die zum Betreiben von über einen sehr langen Zeitraum dauerhaft eingeschalteten und mit Druckluft zu versorgenden Verbrauchern eingesetzt werden. Hier tritt aber auch das zusätzliche Problem auf, dass eine Betriebsunterbrechung des Verbrauchers zum Zwecke einer Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Arbeitsventile kaum tolerierbar ist, weil damit auch eine Unterbrechung eines von dem Verbraucher durchgeführten Prozesses verbunden ist.
Man hat daher auch schon in Erwägung gezogen, die Arbeitsventile bei laufendem Betrieb zu überprüfen, indem sie nur so betätigt werden, dass das Ventilglied lediglich kurzzeitig einen begrenzten Teilhub ausführt. Dadurch findet nur eine geringfügige Entlüftung statt, die den Verbraucher nur wenig stört. Bei sensiblen Verbrauchern kann aber auch eine solche Teilhubüberprüfung zu einer Störungsmeldung und eventuellen Betriebsunterbrechung führen. Außerdem lässt die Teilhubüberprüfung keine Aussage dahingehend zu, dass das Arbeitsventil tatsächlich in der Lage ist, bei Bedarf vollständig in die Entlüftungsstellung umzuschalten.
Insofern besteht eine wesentliche Aufgabe der Erfindung darin, Maßnahmen zu treffen, die eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit der zweikanaligen Entlüftung ohne Störung oder Unterbrechung des Betriebes eines angeschlossenen Verbrauchers ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Druckluftsystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,

– dass jedes Arbeitsventil auch einen mit einer Druckluftquelle verbundenen oder verbindbaren Speiseanschluss aufweist und wahlweise in eine seinen Arbeitsanschluss mit seinem Speiseanschluss verbindende Belüftungsstellung oder in seine Entlüftungsstellung schaltbar ist,
– dass der in der Entlüftungsstellung durch jedes Arbeitsventil für eine Druckluftströmung freigegebene Entlüftungsquerschnitt größer ist als der in der Belüftungsstellung freigebbare maximale Belüftungsquerschnitt,
– dass in die Verbindung zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen und dem Verbraucheranschluss eine Abtrenneinrichtung eingeschaltet ist, die ein zeitweiliges fluiddichtes Abtrennen wahlweise des Arbeitsanschlusses des ersten Arbeitsventils oder des Arbeitsanschlusses des zweiten Arbeitsventils von sowohl dem Verbraucheranschluss als auch dem Arbeitsanschluss des jeweils anderen Arbeitsventils ermöglicht und dabei eine Fluidverbindung zwischen dem Verbraucheranschluss und dem nicht abgetrennten Arbeitsanschluss aufrechthält,
– und dass den beiden Arbeitsventilen Schaltfunktions-Überprüfungsmittel zugeordnet sind, die in der Lage sind, die Schaltfunktion zumindest desjenigen Arbeitsventils zu überprüfen, dessen Arbeitsausgang durch die Abtrenneinrichtung momentan vom Verbraucheranschluss und vom Arbeitsausgang des anderen Arbeitsventils abgetrennt ist, während dieses andere Arbeitsventil seine Belüftungsstellung einnimmt.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass bei ununterbrochener Belüftung des Verbraucheranschlusses ein die Funktion der Arbeitsventile überprüfender Prüfvorgang durchgeführt wird, bei dem ausgehend von einem Betriebszustand, in dem beide Arbeitsventile die Belüftungsstellung einnehmen, zuerst das erste Arbeitsventil und dann das zweite Arbeitsventil durch die Abtrenneinrichtung vom Verbraucheranschluss und vom jeweils anderen Arbeitsventil abgetrennt wird, wobei das jeweils abgetrennte Arbeitsventil, während das andere Arbeitsventil unter Beibehaltung der Belüftungsstellung mit dem Verbraucheranschluss verbunden bleibt, im Rahmen einer Testbetriebsaktion in die Entlüftungsstellung umgeschaltet wird und das korrekte Umschalten mit Hilfe der Schaltfunktions-Überprüfungsmittel verifiziert wird.
Auf diese Weise ist die Zweikanaligkeit, also das sichere Entlüften des Verbrauchers auch bei Versagen der Entlüftungsfunktion eines der beiden Arbeitsventile, garantiert, wobei gleichzeitig eine redundante, zweifachen Entlüftungsmöglichkeit gewährleistet ist, ohne die Druckluftversorgung, das heißt Belüftung des angeschlossenen Verbrauchers unterbrechen zu müssen. Jedes Arbeitsventil bietet die Möglichkeit, in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung den angeschlossenen Verbraucher wahlweise zu belüften oder zu entlüften. Dementsprechend kann jedes Arbeitsventil sowohl in eine Belüftungsstellung als auch alternativ in eine Entlüftungsstellung geschaltet werden. Indem die Entlüftungsleistung jedes Arbeitsventils größer ist als die maximale Belüftungsleistung, kann eine sichere Entlüftung selbst dann gewährleistet werden, wenn nur eines der Arbeitsventile in die Entlüftungsstellung umschaltet und das andere Arbeitsventil aufgrund einer Funktionsstörung in der Belüftungsstellung verharrt. Und schließlich ermöglicht die in die Verbindung zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen und dem Verbraucheranschluss eingeschaltete Abtrenneinrichtung ein gewolltes selektives Abtrennen jedes Arbeitsventils vom Verbraucher und vom anderen Arbeitsventil, sodass dieses abgetrennte Arbeitsventil hinsichtlich einer korrekten Schaltfunktion überprüft werden kann, ohne die durch das andere Arbeitsventil gewährleistete Druckluftversorgung des Verbrauchers zu beeinträchtigen. Auch die sonstige Funktionsfähigkeit des zur Entlüftung genutzten Kanals, beispielsweise die Durchlässigkeit eines angeschlossenen Schalldämpfers, kann auf diese Weise ohne Funktionsbeeinträchtigung des Verbrauchers geprüft werden. Den Arbeitsventilen zugeordnete Schaltfunktions-Überprüfungsmittel sind in der Lage, die korrekte Schaltfunktion des abgetrennten beziehungsweise abgekoppelten Arbeitsventils zu überprüfen, während das andere Arbeitsventil die Belüftungsstellung beibehält und für die uneingeschränkte Druckluftversorgung des Verbrauchers sorgt.
Ein bevorzugter Überprüfungszyklus hinsichtlich der Funktionsfähigkeit der beiden Arbeitsventile startet in einem Zustand, in dem die beiden Arbeitsventile jeweils die Belüftungsstellung einnehmen. Dies ist auch der regelmäßige Normalbetriebszustand des Druckluftsystems, bei dem der Verbraucher redundant durch beide Arbeitsventile hindurch belüftet wird. Hiervon ausgehend wird durch entsprechende Betätigung der Abtrenneinrichtung zuerst das eine Arbeitsventil vom Verbraucheranschluss und vom anderen Arbeitsventil abgetrennt, sodass nur noch das andere Arbeitsventil die Belüftung des Verbrauchers übernimmt. Das abgetrennte Arbeitsventil wird dann zu einer Testbetriebsaktion veranlasst, bei der es vollständig in die Entlüftungsstellung umgeschaltet wird. Das korrekte Umschalten wird mit Hilfe der zugeordneten Schaltfunktions-Überprüfungsmittel verifiziert. Dann wird dieses abgetrennte Arbeitsventil wieder in die Belüftungsstellung zurückgeschaltet. Hieran schlieft sich dann mit vergleichbarer Vorgehensweise ein Abkoppeln und Überprüfen des anderen der beiden Arbeitsventile an.
Auf diese Weise kann die volle Entlüftungsfunktion beider Arbeitsventile, also die sicherheitsgerichtete Funktion, getestet werden, ohne den Betrieb des angeschlossenen Verbrauchers zu unterbrechen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Eine besonders kostengünstig ausgebildete Abtrenneinrichtung enthält ein ODER-Ventil, das über zwei Eingangsanschlüsse verfügt, die jeweils mit dem Arbeitsanschluss eines der beiden Arbeitsventile verbunden sind. Ein Ausgangsanschluss des ODER-Ventils dient zum Anschluss des Verbrauchers. Das ODER-Ventil schaltet selbsttätig aufgrund der an den beiden Arbeitsanschlüssen und folglich an den beiden Eingangsanschlüssen anstehenden Druckdifferenz um. Somit kann das Umschalten des ODER-Ventils durch die Schaltstellung der beiden Arbeitsventile beeinflusst werden. Soll ein Arbeitsventil vom Verbraucher und vom anderen Arbeitsventil abgetrennt werden, genügt es, es in die Entlüftungsstellung umzuschalten, sodass am zugeordneten Eingangsanschluss ein Druckabfall auftritt, der zur Folge hat, dass das ODER-Ventil den zugeordneten Eingangsanschluss verschließt. Somit kann die Schaltfunktion des abgetrennten Arbeitsventils überprüft werden, wobei unmittelbar das Umschalten in die Entlüftungsstellung als Testbetriebsaktion genutzt werden kann, deren korrekte Funktionsfähigkeit durch die Schaltfunktions-Überprüfungsmittel verifiziert werden kann.
Eine verbesserte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abtrenneinrichtung als ein unabhängig von den an den Arbeitsausgängen anstehenden Fluiddrücken betätigbares Mehrstellungsventil ausgebildet ist. Das Mehrstellungsventil hat eine Neutralstellung, in der es eine gleichzeitige Fluidverbindung beider Arbeitsanschlüsse mit dem Verbraucheranschluss freigibt, sodass bei einer gleichzeitigen Belüftungsstellung der beiden Arbeitsventile eine redundante Druckluftversorgung des Verbrauchers gewährleistet ist. Dies stellt die normale Betriebsstellung des Mehrstellungsventils dar. Sollte eines der Arbeitsventile aufgrund eines Funktionsfehlers in die Entlüftungsstellung schalten, kann daraus eine Sicherheitsabschaltung des angeschlossenen Verbrauchers abgeleitet werden, der dann nicht mehr in ausreichendem Maße mit Druckluft versorgt wird, weil die Entlüftungsleistung des in der Entlüftungsstellung befindlichen Arbeitsventils größer ist als die Belüftungsleistung des in der Belüftungsstellung befindlichen Arbeitsventils. Soll die korrekte Zweikanaligkeit der Entlüftung überprüft werden, kann das Mehrstellungsventil aus der Neutralstellung wahlweise in eine erste oder in eine zweite Abtrennstellung umgeschaltet werden, in der es jeweils eines der beiden Arbeitsventile vom Verbraucher und vom anderen Arbeitsventil fluiddicht abkoppelt und dabei weiterhin eine durchgängige Fluidverbindung zwischen dem anderen Arbeitsventil und dem Verbraucher gewährleistet, sodass selbiger uneingeschränkt belüftet bleibt. Das derart abgetrennte Arbeitsventil kann dann einer Testbetriebsaktion unterzogen werden, bei der mit Hilfe der zugeordneten Schaltfunktions-Überprüfungsmittel die Funktionsfähigkeit des Umschaltens überprüfbar ist.
Das als Abtrenneinrichtung genutzte Mehrstellungsventil ist vorzugsweise ein Dreistellungsventil. Es verfügt zweckmäßigerweise über eine die Neutralstellung bildende stabile Mittelstellung, aus der es zur Erzielung der einen oder anderen Abtrennstellung in entweder die eine oder die andere Richtung auslenkbar ist, wobei es so lange ausgelenkt bleibt, wie ein Betätigungssignal anliegt. Bevorzugt wird ein monostabiles 3/3-Wegeventil als Abtrenneinrichtung genutzt.
Die Schaltfunktions-Überprüfungsmittel enthalten zweckmäßigerweise Positionsdetektionsmittel, mit deren Hilfe eine Positionsänderung des Ventilgliedes des betreffenden Arbeitsventils erfassbar ist. Beispielsweise handelt es sich um einen Positionssensor, der anspricht, wenn das Ventilglied des Arbeitsventils eine die Entlüftungsstellung sicher definierende Schaltstellung einnimmt.
Auch Druckdetektionsmittel eignen sich zur Nutzung als Schaltfunktions-Überprüfungsmittel. Solche Druckdetektionsmittel sind derart in das Druckluftsystem integriert, dass sie auf eine Druckänderung des am Arbeitsanschluss anstehenden Fluiddruckes ansprechen. Wird das Arbeitsventil aus der Belüftungsstellung in die Entlüftungsstellung umgeschaltet, tritt ein Druckabfall am Arbeitsanschluss auf, den die Detektionsmittel registrieren können. Es versteht sich, dass die Druckdetektionsmittel nicht unmittelbar am Arbeitsanschluss selbst positioniert sein müssen, sondern an beliebiger Stelle des Entlüftungskanalstranges angeschlossen sein können.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Prüfung einer korrekten Entlüftungsfunktion besteht darin, jedem Arbeitsventil einen Kontroll-Luftspeicher zuzuordnen, der während der Belüftungsstellung gefüllt wird oder gefüllt ist und der in der Entlüftungsstellung durch das betreffende Arbeitsventil hindurch entlüftet wird. Zugeordnete Detektionsmittel sind in der Lage, in der Entlüftungsstellung des Arbeitsventils eine zeitabhängige Druckänderung oder einen Durchfluss der beim Entlüften auftretenden Druckluft-Entlüftungsströmung zu erfassen. Anhand der Messwerte kann dann durch Vergleich mit Referenzwerten festgestellt werden, ob der für die Entlüftung genutzte Kanalstrang offen ist und/oder ob eventuell eine Funktionsstörung des Arbeitsventils vorliegt und/oder ob ein am Entlüftungsanschluss angebrachter Schalldämpfer möglicherweise verstopft ist.
Es besteht die Möglichkeit, jedem Arbeitsventil einen eigenen Kontroll-Luftspeicher zuzuordnen oder aber beiden Arbeitsventilen einen Kontroll-Luftspeicher gemeinsam zuzuordnen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des Druckluftsystems, bei dem der Kontroll-Luftspeicher an den Arbeitsanschluss des Arbeitsventils angeschlossen ist, sodass er stets dann mit Druckluft gefüllt wird, wenn das Arbeitsventil die Belüftungsstellung einnimmt. Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass das Arbeitsventil zusätzlich zu dem Arbeitsanschluss über einen gesonderten Befüllanschluss verfügt, an den der Kontroll-Luftspeicher angeschlossen ist und der mit dem Speiseanschluss verbunden ist, wenn sich das Arbeitsventil in der Entlüftungsstellung befindet. In diesem Fall wird vorzugsweise ein 4/2-Wegeventil als Arbeitsventil verwendet, während sich ansonsten ein 3/2-Wegeventil als Arbeitsventil empfiehlt.
Bevorzugt sind der Abtrenneinrichtung Eigenfunktions-Überprüfungsmittel zugeordnet, durch die die Abtrennfunktion der Abtrenneinrichtung überprüfbar ist, während beide Arbeitsventile die Belüftungsstellung einnehmen. Besonders in Verbindung mit einer von einem Mehrstellungsventil gebildeten Abtrenneinrichtung können solche Eigenfunktions-Überprüfungsmittel vorteilhaft eingesetzt werden.
Mit Hilfe der Eigenfunktions-Überprüfungsmittel wird bei einer bevorzugten Verfahrensweise vor dem Ausführen einer sich auf ein Arbeitsventil beziehenden Testbetriebsaktion eine Überprüfung der korrekten Funktionsfähigkeit des Mehrstellungsventils durchgeführt. Hierbei wird im in die Belüftungsstellung geschalteten Zustand beider Arbeitsventile das Mehrstellungsventil ausgehend von der Neutralstellung zunächst in die eine Absperrstellung und wieder zurück in die Neutralstellung und dann in die andere Absperrstellung und wieder zurück in die Neutralstellung umgeschaltet. In beiden Absperrstellungen des Mehrstellungsventils bleibt der Verbraucheranschluss belüftet, weil er mit einem nicht abgetrennten Arbeitsventil verbunden ist, das die Belüftungsstellung einnimmt. Die Eigenfunktions-Überprüfungsmittel enthalten vorzugsweise Positionsdetektionsmittel, die auf die Positionsänderung eines Ventilgliedes der Abtrenneinrichtung ansprechen. Beispielsweise handelt es sich um mindestens einen Positionssensor, der detektieren kann, wenn das Ventilglied der Abtrenneinrichtung eine die erste Absperrstellung und/oder die andere Absperrstellung vorgebende Schaltstellung einnimmt.
Nachdem verifiziert wurde, dass die Abtrenneinrichtung korrekt funktioniert, liegt ein sicherer Kanal beziehungsweise ein sicheres Ventil vor. Anschließend kann dann die als gesichert verifizierte Abtrenneinrichtung durch Umschalten in die eine oder andere Absperrstellung mit dem einen oder anderen Arbeitsventil verknüpft werden, um hinsichtlich des anderen Arbeitsventils die oben erwähnte Überprüfung der Schaltfunktion vorzunehmen.
Das Druckluftsystem ist zweckmäßigerweise mit einer elektronischen Steuereinrichtung ausgestattet, an die die diversen Ventile und Überprüfungsmittel angeschlossen sind. Die elektronische Steuereinrichtung kann bei ununterbrochener Belüftung des Verbraucheranschlusses einen die Funktion der Arbeitsventile überprüfenden Prüfvorgang hervorrufen. Bei diesem Prüfvorgang wird ausgehend von einem Betriebszustand, in dem beide Arbeitsventile die Belüftungsstellung einnehmen, zuerst das eine und dann das andere Arbeitsventil durch die Abtrenneinrichtung vom Verbraucheranschluss abgetrennt, wobei das jeweils abgetrennte Arbeitsventil im Rahmen einer Testbetriebsaktion betätigt und mit Hilfe der Schaltfunktions-Überprüfungsmittel einer Schaltfunktionsüberprüfung unterzogen wird. Das andere Arbeitsventil bleibt dabei mit dem Verbraucheranschluss verbunden und hält die Belüftung des Verbrauchers aufrecht.
Die beiden Arbeitsventile sind bevorzugt vom elektrisch betätigbaren Typ. Entsprechendes gilt für ein die Abtrenneinrichtung bildendes, aktiv umschaltbares Mehrstellungsventil. Es kann sich dabei um direkt elektrisch betätigbare Ventile oder auch um elektropneumatisch vorgesteuerte Ventile handeln. Die elektrische Betätigung kann insbesondere auch derart ausgelöst werden, dass das betreffende Ventil selbst mittels eines Fluiddruckes umschaltbar ist, der von einem gesondert installierten Steuerventil geliefert wird, das seinerseits elektrisch betätigbar ist.
Je nach Verwendungszweck des Druckluftsystems kann es mit weiteren als den geschilderten Ventilen und/oder sonstigen fluidtechnischen Einrichtungen ausgestattet sein. Bevorzugt wird das Druckluftsystem im Rahmen eines sogenannten Einschaltventils genutzt, das einem Verbraucher in Form einer pneumatischen Anlage vorgeschaltet ist und mit dessen Hilfe die dem Verbraucher zuzuführende Druckluft eingeschaltet oder abgeschaltet werden kann. Insbesondere in diesem Zusammenhang kann das Druckluftsystem auch mit einer sogenannten Softstartfunktion ausgestattet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 die Schaltung eines erfindungsgemäßen Druckluftsystems bevorzugten Aufbaus, und
2 die Schaltung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckluftsystems.
Die in der Zeichnung illustrierten Schaltungen implementieren jeweils ein sicherheitsgerichtetes Druckluftsystem 1 mit einem sogenannten zweikanaligen Aufbau. Die Druckluftsysteme 1 sind in vorteilhafter Weise so aufgebaut, dass sie in jeder Betriebssituation zweikanalig abschalten können, um die sichere Entlüftung eines angeschlossenen Verbrauchers V zu gewährleisten. Auch während eines Prüfvorgangs zum Prüfen der Funktionsfähigkeit der Ventiltechnik kann das Druckluftsystem zu keiner Zeit auf eine Einkanaligkeit zurückfallen.
Die weitere Beschreibung bezieht sich gemeinsam auf alle illustrierten Druckluftsysteme 1, sofern im Einzelfall keine abweichenden Ausführungen gemacht werden.
Das Druckluftsystem 1 ist bei den Ausführungsbeispielen als ein sogenanntes Einschaltventil realisiert, mit dessen Hilfe die Druckluftzufuhr zu einem Verbraucher V wahlweise eingeschaltet oder abgeschaltet werden kann. Im eingeschalteten Zustand sorgt das Druckluftsystem 1 für eine Belüftung des Verbrauchers V, also für eine Speisung mit Druckluft, die der Verbraucher V bei seinem Betrieb benötigt. Im abgeschalteten Zustand des Druckluftsystems 1 wird der Verbraucher V sicher entlüftet, sodass er keine unerwünschten Aktionen ausführen kann.
Bei dem Verbraucher V handelt es sich um eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen oder Maschinen, die mit Druckluft betrieben werden, wobei es sich auch um eine oder mehrere unter Verwendung von Druckluft betriebene Anlagen handeln kann. Zu denken ist beispielsweise an eine Fertigungs- und/oder Montagevorrichtung im Bereich der Automatisierungstechnik.
Das Druckluftsystem 1 enthält zwei Arbeitsventile 2, 3, die im Folgenden auch als erstes Arbeitsventil 2 und zweites Arbeitsventil 3 bezeichnet werden. Exemplarisch handelt es sich bei den Arbeitsventilen 2, 3 um 3/2-Wegeventile, wobei alternativ allerdings auch Ventile mit anderer Funktionalität verwendbar sind.
Die Arbeitsventile 2, 3 sind elektrisch betätigbar. Es kann sich dabei um elektrisch direkt betätigbare Ventile oder um elektropneumatisch vorgesteuerte Ventile handeln. Bei einer elektropneumatisch vorgesteuerten Bauart ist jedem Arbeitsventil 2, 3 mindestens ein elektrisch betätigbares Vorsteuerventil zugeordnet, das in Baueinheit mit dem Arbeitsventil 2, 3 ausgeführt oder auch als individuelles Vorsteuerventil in dem Druckluftsystem 1 integriert sein kann.
Bevorzugt handelt es sich bei den Arbeitsventilen 2, 3 um monostabile Ventile, die in elektrisch unbetätigtem Zustand eine durch Federmittel 4 vorgegebene Grundstellung einnehmen. Bei einem Stromausfall ist dadurch sichergestellt, dass die Arbeitsventile 2, 3 in die definierte Grundstellung zurückschalten.
Jedes der beiden Arbeitsventile 2, 3 hat zumindest einen Speiseanschluss 5, einen Entlüftungsanschluss 6 und einen Arbeitsanschluss 7. Jedes Arbeitsventil 2, 3 kann wahlweise eine aus der Zeichnung ersichtliche Entlüftungsstellung oder eine Belüftungsstellung einnehmen. Zum Umschalten zwischen den beiden Stellungen kann mindestens ein Ventilglied 8 des betreffenden Arbeitsventils 2, 3 bewegt und umpositioniert werden. Bei dem Ventilglied 8 handelt es sich beispielsweise um einen Ventilschieber.
Der Entlüftungsanschluss 6 ist bevorzugt ständig mit der Atmosphäre verbunden. In der Zeichnung ist ein an den Entlüftungsanschluss 6 angeschlossener Schalldämpfer 12 illustriert, durch den hindurch die Abluft schallgedämpft zur Atmosphäre ausströmen kann. Je nach Aufbau des Druckluftsystems 1 können zwischen dem Entlüftungsanschluss 6 und der Atmosphäre weitere fluidtechnische Mittel eingeschaltet sein, was beim Ausführungsbeispiel jedoch nicht der Fall ist.
Der Speiseanschluss 5 ist mit einer Druckluftquelle P verbunden. Bevorzugt sind die Speiseanschlüsse 5 beider Arbeitsventile 2, 3 an eine gemeinsame Druckluftquelle P angeschlossen. Das Druckluftsystem 1 kann über ein Systemgehäuse verfügen, an dem pneumatische Schnittstellenmittel vorhanden sind, an denen sich die Druckluftquelle P zur Verbindung mit den beiden Speiseanschlüssen 5 mechanisch fluiddicht anschließen lässt.
Mit einem doppelstrichpunktierten Symbol 13 soll verdeutlicht werden, dass das Druckluftsystem 1 über nicht abgebildete Ventile und/oder fluidtechnische Mittel verfügen kann, die in die Verbindung zwischen die Speiseanschlüsse 5 und die Druckluftquelle P eingeschaltet sind. Diese Mittel können insbesondere dazu dienen, eine Softstartfunktion zu realisieren. Beim konkreten Ausführungsbeispiel ist dies nicht der Fall, hier stehen die Speiseanschlüsse 5 direkt durchgängig mit der bevorzugt externen Druckluftquelle P in Verbindung.
Der Arbeitsanschluss 7 jedes Arbeitsventils 2, 3 ist an einen Verbraucherausgang 14 angeschlossen, an den im Betrieb des Druckluftsystems 1 der bereits erwähnte Verbraucher V angeschlossen ist. Dabei liegt eine fluidische Parallelschaltung zwischen dem Verbraucher V und einerseits dem Arbeitsanschluss 7 des ersten Arbeitsventils 2 sowie dem Arbeitsanschluss 7 des zweiten Arbeitsventils 3 vor. Mit anderen Worten ist der Verbraucher V parallel mit beiden Arbeitsanschlüssen 7 verbunden, wobei allerdings in die Verbindung zwischen diesen drei Anschlüssen eine fluidtechnische Abtrenneinrichtung 15 eingeschaltet ist, die in der Lage ist, eine Fluidverbindung zwischen dem Verbraucher V und den beiden Arbeitsanschlüssen 7 in noch zu beschreibender Weise wahlweise fluiddicht zu verschließen oder freizugeben.
In der aus der Zeichnung ersichtlichen Entlüftungsstellung eines Arbeitsventils 2, 3 liegt eine offene Fluidverbindung zwischen dem Arbeitsanschluss 7 und dem Entlüftungsanschluss 6 vor, während gleichzeitig der Speiseanschluss 5 verschlossen ist. In dieser Entlüftungsstellung wird daher der Verbraucher V, sofern dies die Abtrenneinrichtung 15 zulässt, durch das in der Entlüftungsstellung befindliche Arbeitsventil 2, 3 hindurch zur Atmosphäre entlüftet.
Die Abtrenneinrichtung 15 hat einen mit dem Arbeitsanschluss 7 des ersten Arbeitsventils 2 fluidisch verbundenen ersten Eingangsanschluss 16 und außerdem einen mit dem Arbeitsanschluss 7 des zweiten Arbeitsventils 3 fluidisch verbundenen zweiten Eingangsanschluss 17. Sie verfügt außerdem über einen Ausgangsanschluss 18, der bevorzugt zugleich den Verbraucheranschluss 14 bildet. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 16 und dem Arbeitsanschluss 7 des ersten Arbeitsventils 2 verläuft ein erster Verbindungskanal 22, während ein zweiter Verbindungskanal 23 eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Eingangsanschluss 17 und dem Arbeitsanschluss 7 des zweiten Arbeitsventils 3 herstellt.
In der Entlüftungsstellung des ersten Arbeitsventils 2 bildet der erste Verbindungskanal 22 gemeinsam mit dem sich anschließenden, zur Atmosphäre führenden Kanalabschnitt einen ersten Entlüftungskanal 24. In entsprechender Weise bildet der zweite Verbindungskanal 23 in der Entlüftungsstellung des zweiten Arbeitsventils 3 gemeinsam mit dem sich an ihn anschließenden und ebenfalls zur Atmosphäre führenden Kanalabschnitt einen zweiten Entlüftungskanal 25. Nimmt ein Arbeitsventil 2, 3 seine Entlüftungsstellung ein, ist der Verbraucher V durch den dann offenen Entlüftungskanal 24, 25 hindurch zur Atmosphäre entlüftbar, wobei die dabei auftretende Druckluftströmung als Druckluft-Entlüftungsströmung bezeichnet werden kann.
Ist ein Arbeitsventil 2, 3 in die Belüftungsstellung umgeschaltet, sorgt es für eine fluidische Verbindung zwischen dem zugeordneten Speiseanschluss 5 und dem zugeordneten Arbeitsanschluss 7, während der ebenfalls zugeordnete Entlüftungsanschluss 6 abgetrennt ist. Auf diese Weise kann Druckluft im Rahmen einer Druckluft-Belüftungsströmung ausgehend von der Druckluftquelle P durch das betreffende Arbeitsventil 2, 3 hindurch zum zugeordneten Eingangsanschluss 16, 17 der Abtrenneinrichtung 15 und schließlich zur Versorgung des Verbrauchers V zum Verbraucheranschluss 14 strömen.
Die beiden Arbeitsventile 2, 3 sind bevorzugt so ausgelegt, dass die Entlüftungsstellung die Grundstellung bildet.
Die beiden Arbeitsventile 2, 3 sind unabhängig voneinander umschaltbar und unabhängig voneinander in entweder der Entlüftungsstellung oder der Belüftungsstellung positionierbar. Die hierzu erforderliche elektrische Ansteuerung übernimmt eine zweckmäßigerweise zu dem Druckluftsystem 1 gehörende elektronische Steuereinrichtung 26. In der Zeichnung sind von der elektronischen Steuereinrichtung 26 zu den elektrisch aktivierbaren Antriebseinrichtungen 27, 28 der beiden Arbeitsventile 2, 3 führende erste und zweite Ansteuerleitungen 27a, 28a strichpunktiert angedeutet.
Durch entsprechende Ansteuerung der beiden Arbeitsventile 2, 3 lassen sich unter anderem Betriebszustände des Druckluftsystems 1 einstellen, bei denen beide Arbeitsventile 2, 3 die Belüftungsstellung einnehmen oder bei denen beide Arbeitsventile 2, 3 die Entlüftungsstellung einnehmen.
Sowohl die Druckluft-Belüftungsströmung als auch die Druckluft-Entlüftungsströmung, die zwischen dem Verbraucher V und den Arbeitsventilen 2, 3 auftritt, tritt durch die fluidtechnische Abtrenneinrichtung 15 hindurch. Bei der fluidtechnischen Abtrenneinrichtung 15 handelt es sich insbesondere um ein Ventil, wobei unterschiedliche Ausprägungen möglich sind, worauf im Folgenden noch eingegangen wird.
Die Abtrenneinrichtung 15 des in 1 illustrierten Druckluftsystems 1 ist als ein ODER-Ventil 15a konzipiert. Es enthält ein Steuerventilglied 32, das gemäß Doppelpfeil 33 zwischen zwei Abtrennstellungen umschaltbar ist, wobei die jeweils eingenommene Abtrennstellung von der momentan an den beiden Eingangsanschlüssen 16, 17 und folglich von der an den Arbeitsanschlüssen 7 der beiden Arbeitsventile 2, 3 anstehenden Druckdifferenz abhängt. Ist der am ersten Eingangsanschluss 16 anstehende Fluiddruck größer als der Fluiddruck am zweiten Eingangsanschluss 17, schaltet das ODER-Ventil 15a in die illustrierte erste Abtrennstellung, in der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 16 und dem Ausgangsanschluss 14 freigegeben ist und in der gleichzeitig diese beiden Anschlüsse 16, 14 vom zweiten Eingangsanschluss 17 fluiddicht abgetrennt sind. Mithin ist in der ersten Abtrennstellung der Verbraucheranschluss 14 einschließlich des daran angeschlossenen Verbrauchers V mit dem Arbeitsanschluss 7 des ersten Arbeitsventils 2 fluidisch verbunden und gleichzeitig vom Arbeitsanschluss 7 des zweiten Arbeitsventils 3 abgetrennt.
Das ODER-Ventil 15a schaltet ohne zusätzliche spezielle Ansteuerung von sich aus in die zweite Abtrennstellung, wenn der am Ausgang beziehungsweise am Arbeitsanschluss 7 des zweiten Arbeitsventils 3 anstehende Fluiddruck größer ist als derjenige am Ausgang des ersten Arbeitsventils 2. In diesem Fall liegt dann eine offene Fluidverbindung zwischen dem Verbraucheranschluss 14 und dem Arbeitsanschluss 7 des zweiten Arbeitsventils 3 vor, während gleichzeitig der Arbeitsanschluss 7 des ersten Arbeitsventils 2 sowohl vom Verbraucher V als auch vom zweiten Arbeitsventil 3 fluiddicht abgetrennt ist.
Mithin lässt sich die Schaltstellung des ODER-Ventils 15a über die Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen 7 vorgeben, die sich wiederum mit Hilfe der Schaltstellung der beiden Arbeitsventile 2, 3 vorgeben lässt. Um an einem der Eingangsanschlüsse 16, 17 einen hohen Druck anzulegen, wird das zugeordnete Arbeitsventil 2 oder 3 in die Belüftungsstellung geschaltet. Um einen niedrigen Druck anzulegen, ist das zugeordnete Arbeitsventil 2, 3 lediglich in die Entlüftungsstellung umzuschalten.
Befinden sich beide Arbeitsventile 2, 3 gleichzeitig in der Belüftungsstellung, wird der Verbraucher V je nachdem, wie sich das Steuerventilglied 32 ausrichtet, über das erste Arbeitsventil 2 und/oder über das zweite Arbeitsventil 3 mit Druckluft versorgt. Gleiches gilt für die Entlüftung in dem Fall, dass beide Arbeitsventile 2, 3 in die Entlüftungsstellung geschaltet werden.
Bei dem in 2 illustrierten Druckluftsystem 1 ist die Abtrenneinrichtung 15 als ein Mehrstellungsventil 15b ausgebildet, wobei es sich insbesondere um ein Dreistellungsventil handelt. Das Mehrstellungsventil 15b kann eine in 2 illustrierte Neutralstellung einnehmen, in der es vergleichbar einem T-Stück wirkt und die beiden Eingangsanschlüsse 16, 17 parallel mit freiem Durchgang mit dem Ausgangsanschluss 18 verbindet. Im Normalbetrieb des Druckluftsystems der 2 bleibt das Mehrstellungsventil 15b in dieser Neutralstellung positioniert. Nehmen beide Arbeitsventile 2, 3 die Belüftungsstellung ein, erfährt der Verbraucher V eine gleichzeitige Belüftung durch beide Arbeitsventile 2, 3 hindurch. Ebenso wird der Verbraucher V in diesem Fall gleichzeitig durch beide Arbeitsventile 2, 3 hindurch entlüftet, wenn beide Arbeitsventile 2, 3 in die Entlüftungsstellung umgeschaltet werden.
Ersichtlich sind beide Druckluftsysteme 1 zumindest in Bezug auf die Entlüftungsfunktion und vorzugsweise auch in Bezug auf die Belüftungsfunktion zweikanalig ausgeführt. Der Verbraucher V ist also redundant belüftbar und auch redundant entlüftbar. Vor allem die redundante Entlüftungsmöglichkeit ist von besonderer Relevanz, da sie dafür sorgt, dass das Druckluftsystem 1 den einschlägigen anspruchsvollen Sicherheitsnormen entspricht. Selbst wenn eines der Arbeitsventile 2 oder 3 ausfallen sollte, sodass einer der beiden Entlüftungskanäle 24, 25 ausfallen sollte, verbleibt weiterhin ein Entlüftungskanal 24 oder 25 für eine sichere Entlüftung des Verbrauchers V.
In sicherheitstechnischer Hinsicht ist dabei auch bedeutsam, dass der in der Entlüftungsstellung durch jedes Arbeitsventil 2, 3 für eine Druckluft-Entlüftungsströmung freigegebene Entlüftungsquerschnitt größer ist als der in der Belüftungsstellung maximal freigebbare Belüftungsquerschnitt. Dies erreicht man am einfachsten dadurch, dass die internen Ventilkanäle der Arbeitsventile 2, 3 entsprechend unterschiedlich dimensioniert werden und der für die Entlüftungsströmung verantwortliche Ventilkanal einen größeren Querschnitt hat als der für die Belüftungsströmung verantwortliche Ventilkanal. Selbstverständlich kann die Anpassung an unterschiedliche Strömungsquerschnitte auch an anderer Stelle in dem für die Belüftung und/oder in dem für die Entlüftung genutzten Kanalverlauf des Druckluftsystems 1 vorgenommen werden.
Vorzugsweise wird das Druckluftsystem 1 zur Belüftung des Verbrauchers V derart betrieben, dass beide Arbeitsventile 2, 3 zur gleichen Zeit ihre Belüftungsstellung einnehmen. Sollte nun aufgrund einer Fehlfunktion oder eines Schadens eines der Arbeitsventile 2, 3 unbeabsichtigt in die Entlüftungsstellung schalten oder unbeabsichtigt in der Belüftungsstellung hängen bleiben, so sorgt das einzige in die Entlüftungsstellung umgeschaltete Arbeitsventil 2 oder 3 aufgrund des größeren Entlüftungsquerschnitts für eine Entlüftung des Verbrauchers V, obwohl durch das belüftende Arbeitsventil hindurch Druckluft – allerdings mit geringerer Strömungsrate – eingespeist wird. Somit kann der Verbraucher V sicherheitsbedingt abschalten, bis der Fehler behoben ist. Es ist gewährleistet, dass der Verbraucher V nicht mit nur einem funktionsfähigen Arbeitsventil 2 oder 3 betrieben wird.
Die Abtrenneinrichtung 15 hat den Zweck, ohne Unterbrechung der Belüftung des Verbraucheranschlusses 14 und folglich des daran angeschlossenen Verbrauchers einen Prüfvorgang zur Prüfung der korrekten Funktionsweise der Arbeitsventile 2, 3 zu ermöglichen. Bei einem solchen Prüfvorgang wird ausgehend von dem eben geschilderten Betriebszustand, in dem beide Arbeitsventile 2, 3 die Belüftungsstellung einnehmen, zuerst das erste Arbeitsventil 2 und dann das andere Arbeitsventil 3 durch die Abtrenneinrichtung 15 vom Verbraucheranschluss 14 und vom jeweils anderen Arbeitsventil 3, 2 abgetrennt und in diesem fluidisch abgetrennten Zustand in Bezug auf seine Schaltfunktion überprüft. Trotz der Abtrennung eines der Arbeitsventile 2, 3 wird der Verbraucher V dabei weiterhin ausreichend mit Druckluft versorgt, weil seine Verbindung zu dem durch die Abtrenneinrichtung 15 nicht abgetrennten Arbeitsventil 2, 3 offen ist.
Bei dem in 1 illustrierten Druckluftsystem 1 kann das Abtrennen des einen oder anderen Arbeitsventils 2, 3 einfach dadurch provoziert werden, dass das abzutrennende Arbeitsventil 2, 3 in die Entlüftungsstellung umgeschaltet wird. Dadurch wird an seinem Arbeitsanschluss 7 und an dem zugeordneten Eingangsanschluss 16 oder 17 ein Druckabfall hervorgerufen, der das Steuerventilglied 32 zum Umschalten in eine Abtrennstellung veranlasst, in der der Kanalstrang, in den das in die Entlüftungsstellung umgeschaltete Arbeitsventil 2, 3 eingeschaltet ist, drucklos ist.
Bei dem in 2 illustrierten Druckluftsystem 1 findet das fluiddichte Abtrennen beziehungsweise Abkoppeln des gewünschten Arbeitsventils 2, 3 durch eine gesteuerte Fremdbetätigung des Mehrstellungsventils 15b statt. Das Mehrstellungsventil 15b enthält mindestens ein im Rahmen einer Umschaltbewegung 35 zwischen verschiedenen Schaltstellungen umschaltbares Steuerventilglied 34 und kann auf diese Weise außer in der bereits erwähnten Neutralstellung auch noch in zwei unterschiedlichen Abtrennstellungen positioniert werden. Die Neutralstellung liegt zweckmäßigerweise zwischen den beiden Abtrennstellungen, sodass das Umschalten zwischen den beiden Abtrennstellungen die zumindest kurzzeitige Einnahme der Neutralstellung voraussetzt.
In der ersten Abtrennstellung, in der das Mehrstellungsventil 15b in 2 nach links bewegt worden ist, steht der Arbeitsanschluss 7 des ersten Arbeitsventils 2 nach wie vor in Fluidverbindung mit dem Verbraucheranschluss 14, während der zweite Eingangsanschluss 17 und mithin der Arbeitsanschluss 7 des zweiten Arbeitsventils 3 sowohl vom Verbraucheranschluss 14 als auch vom Arbeitsanschluss 7 des ersten Arbeitsventils 2 fluiddicht abgetrennt ist. In der zweiten Abtrennstellung des Mehrstellungsventils 15b, in der das Mehrstellungsventil 15b beziehungsweise dessen Steuerventilglied 34 in 2 ausgehend von der Neutralstellung nach rechts bewegt worden ist, liegt eine Fluidverbindung zwischen dem Arbeitsanschluss 7 des zweiten Arbeitsventils 3 und dem Verbraucheranschluss 14 vor, während das erste Arbeitsventil 2 beziehungsweise dessen Arbeitsanschluss 7 sowohl vom Verbraucheranschluss 14 als auch von dem zweiten Eingangsanschluss 17 und mithin vom zweiten Arbeitsventil 3 fluiddicht abgetrennt ist.
Diese Schaltfunktion lässt sich besonders einfach mit Hilfe eines Mehrstellungsventils 15b realisieren, das entsprechend dem Ausführungsbeispiel als 3/3-Wegeventil ausgebildet ist. Bevorzugt handelt es sich um ein Ventil, bei dem die Neutralstellung eine stabile Grundstellung ist, bei der es sich bevorzugt um eine Mittelstellung handelt, die durch Federmittel 36 gehalten wird. Hiervon ausgehend kann das Mehrstellungsventil 15b zweckmäßigerweise monostabil in wahlweise die erste Arbeitsstellung oder die zweite Arbeitsstellung ausgelenkt werden, was mit Hilfe zweier dem Mehrstellungsventil 15b zugeordneter Antriebseinrichtungen 37 möglich ist, die elektrisch betätigbar sind. Jede der beiden Antriebseinrichtungen 37 ist über eine elektrische Ansteuerleitung 37a, 37b an die elektronische Steuereinrichtung 26 angeschlossen und kann durch diese nach Bedarf aktiviert und deaktiviert werden.
Die Antriebseinrichtungen 37 sind bevorzugt von einer der Bauarten, wie sie anhand der Antriebseinrichtungen 27, 28 der Arbeitsventile 2, 3 erläutert wurden. Bevorzugt handelt es sich um elektromagnetische Antriebseinrichtungen 37 oder um elektrisch betätigbare Vorsteuerventile. Das Mehrstellungsventil 15b kann von direkt elektrisch betätigbarer Bauart sein oder auch von einer elektropneumatisch vorgesteuerten Bauart.
Jedem Arbeitsventil 2, 3 sind Schaltfunktions-Überprüfungsmittel 38 zugeordnet, die in der Lage sind, die korrekte Schaltfunktion des betreffenden Arbeitsventils 2, 3 zu überprüfen. Die Schaltfunktions-Überprüfungsmittel 38 sind in Form beliebiger geeigneter Detektionsmittel beziehungsweise Sensormittel realisiert. In den Ausführungsbeispielen sind zwei mögliche Arten solcher Schaltfunktions-Überprüfungsmittel 38 gezeigt, die wie abgebildet gleichzeitig oder auch alternativ zueinander vorhanden sein können.
Zum einen handelt es sich um Positionsdetektionsmittel 38a, die auf die beim Umschalten stattfindende Positionsänderung des Ventilgliedes 8 des zugeordneten Arbeitsventils 2, 3 ansprechen und anhand einer Positionsdetektion des Ventilgliedes 8 feststellen können, ob das betreffende Arbeitsventil 2, 3 korrekt umgeschaltet hat oder nicht.
Eine andere Art der Schaltfunktions-Überprüfungsmittel 38 sind Druckdetektionsmittel 38b, die auf eine beim Umschalten des zugeordneten Arbeitsventils 2, 3 auftretende Druckänderung des am Arbeitsanschluss dieses Arbeitsventils 2, 3 anstehenden Fluiddruckes ansprechen. Die Druckdetektionsmittel 38b sind bevorzugt direkt an den Arbeitsanschluss 7 oder an den zugeordneten ersten oder zweiten Verbindungskanal 22, 23 angeschlossen. Die Druckdetektion basiert darauf, dass der am Arbeitsanschluss 7 herrschende Luftdruck in der Belüftungsstellung des Arbeitsventils 2, 3 wesentlich höher ist als in der Entlüftungsstellung.
Über elektrische Signalleitungen 39a, 39b sind die Schaltfunktions-Überprüfungsmittel 38 der beiden Arbeitsventile 2, 3 signaltechnisch mit der elektronischen Steuereinrichtung 26 verbunden.
Die Abtrenneinrichtung 15 ist zweckmäßigerweise mit Eigenfunktions-Überprüfungsmitteln 42 ausgestattet, mit denen die korrekte Schaltfunktion der fluidtechnischen Abtrenneinrichtung 15 überprüfbar ist. Auch diese Eigenfunktions-Überprüfungsmittel 42 sind bevorzugt Sensormittel beliebiger geeigneter Art. Beim Ausführungsbeispiel ist lediglich das Mehrstellungsventil 15b mit solchen Eigenfunktions-Überprüfungsmitteln 42 ausgestattet, sodass das in 2 illustrierte Druckluftsystem 1 hinsichtlich der Eigensicherheitsüberprüfung über eine höhere Qualität verfügt als das in 1 illustrierte, demgegenüber kostengünstigere Druckluftsystem 1.
Beispielsweise handelt es sich bei den Eigenfunktions-Überprüfungsmitteln 42 um Positionsdetektionsmittel 38a, die auf die beim Umschalten des Steuerventilgliedes 34 auftretende Positionsänderung ansprechen und die insbesondere in der Lage sind, zu detektieren, ob das Mehrstellungsventil 15b bei Erhalt eines entsprechenden Betätigungssignals korrekt in die erste oder die zweite Abtrennstellung umschaltet oder umgeschaltet hat. Die Eigenfunktions-Überprüfungsmittel 42 sind über mindestens eine elektrische Signalleitung 42a vorzugsweise ebenfalls an die elektronische Steuereinrichtung 26 angeschlossen.
Das Druckluftsystem 1 ermöglicht unter Beibehaltung einer zweikanaligen Eigensicherheit die Überprüfung der Funktionsfähigkeit der beiden Arbeitsventile 2, 3 ohne eine Beeinträchtigung der Belüftung beziehungsweise Druckluftversorgung des an den Verbraucheranschluss 14 angeschlossenen Verbrauchers V.
Die Arbeitsventile 2, 3 werden abwechselnd funktionsmäßig überprüft, und zwar in einem Betriebszustand des Druckluftsystems 1, in dem das zu überprüfende Arbeitsventil 2, 3 vom Verbraucheranschluss 14 und von dem in der Belüftungsstellung befindlichen anderen Arbeitsventil 3, 2 fluiddicht abgekoppelt ist. Ein solcher Betriebszustand ist mittels der Abtrenneinrichtung 15 vorgebbar, indem diese in entweder die erste Abtrennstellung oder die zweite Abtrennstellung geschaltet wird.
Der eigentliche Funktionsprüfvorgang besteht darin, dass das in dem genannten Sinne abgetrennte Arbeitsventil 2, 3 im Rahmen mindestens einer Testbetriebsaktion aus der bis dahin eingenommenen Belüftungsstellung in die Entlüftungsstellung umgeschaltet wird. Mit Hilfe der zugeordneten Schaltfunktions-Überprüfungsmittel 38 wird dabei das korrekte Umschalten verifiziert. Die Positionsdetektionsmittel 38a stellen dabei fest, ob das Ventilglied 8 umschaltet und/oder umgeschaltet hat. Die Druckdetektionsmittel 38b verifizieren den korrekten Umschaltvorgang anhand des am Arbeitsanschluss 7 anstehenden Fluiddruckes, der bei korrekter Schaltfunktion auf Atmosphärendruck absinken muss, wenn das zugeordnete Arbeitsventil 2, 3 in die Entlüftungsstellung umgeschaltet wurde. Nach der Testbetriebsaktion wird das geprüfte Arbeitsventil 2, 3 wieder in die Belüftungsstellung zurückgeschaltet, sodass anschließend das andere Arbeitsventil 2, 3 in entsprechender Weise überprüft werden kann. Das momentan nicht im Prüfmodus befindliche und nicht abgetrennte Arbeitsventil 2, 3 stellt dem Verbraucher V die für dessen Betrieb erforderliche Druckluft zur Verfügung.
Da bei dem Druckluftsystem 1 der 1 das Umschalten der Abtrenneinrichtung 15 unmittelbar durch das Umschalten eines der Arbeitsventile 2, 3 in die Entlüftungsstellung hervorgerufen wird, nutzt man hier unmittelbar diesen Umschaltvorgang des betreffenden Arbeitsventils 2, 3 als Testbetriebsaktion. Bei dem Druckluftsystem 1 der 2 hingegen wird die Testbetriebsaktion eines Arbeitsventils 2, 3 erst ausgelöst, nachdem zuvor das Mehrstellungsventil 15b in die entsprechende Abtrennstellung umgeschaltet wurde.
Bevorzugt wird jeweils ein dahingehender Testzyklus abgewickelt, dass zuerst das erste Arbeitsventil 2 und dann das zweite Arbeitsventil 3 durch die Abtrenneinrichtung 15 vom Verbraucheranschluss 14 und vom jeweils anderen Arbeitsventil 3, 2 abgetrennt wird, wobei das jeweils abgetrennte Arbeitsventil 2, 3, während das nicht abgetrennte Arbeitsventil 3, 2 unter Beibehaltung der Belüftungsstellung mit dem Verbraucheranschluss 14 verbunden bleibt, im Rahmen einer Testbetriebsaktion in die Entlüftungsstellung umgeschaltet und das korrekte Umschalten mit Hilfe der Schaltfunktions-Überprüfungsmittel 38 verifiziert wird.
Durch schnelles Umschalten der Abtrenneinrichtung 15 lassen sich Druckeinbrüche am Verbraucheranschluss 14, die den Betrieb des angeschlossenen Verbrauchers V beeinträchtigen könnten, problemlos vermeiden. Es besteht aber auch die vorteilhafte Möglichkeit, an den Ausgangsanschluss 18 der Abtrenneinrichtung 15 und folglich an den Verbraucheranschluss 14 ein Puffervolumen anzuschließen, das bei der durch das Umschalten der Abtrenneinrichtung 15 eventuell bedingten kurzzeitigen Unterbrechung der Belüftungsströmung die erforderliche Druckluftversorgung des angeschlossenen Verbrauchers V aufrechterhält. Dieses Puffervolumen wird bevorzugt normalerweise vom Verbraucheranschluss 14 her mit Druckluft gespeist.
Bei dem Druckluftsystem 1 der 2 besteht die vorteilhafte Möglichkeit, vor dem Prüfen der beiden Arbeitsventile 2, 3 die Abtrenneinrichtung 15 ihrerseits auf korrekte Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Bevorzugt gehört zu jedem Überprüfungszyklus, dass vor dem Überprüfen der beiden Arbeitsventile 2, 3 die Funktionsfähigkeit der Abtrenneinrichtung 15 beziehungsweise des Mehrstellungsventils 15b überprüft wird. Hierzu wird das Mehrstellungsventil 15b ausgehend von der in 2 illustrierten Neutralstellung zunächst in die erste Abtrennstellung und dann wieder zurück in die Neutralstellung umgeschaltet, und wird anschließend in die zweite Abtrennstellung und wieder zurück in die Neutralstellung geschaltet. Die Funktionsprüfung des Mehrstellungsventils 15b erfolgt, wenn beide Arbeitsventile 2, 3 die Belüftungsstellung einnehmen, sodass die Zweikanaligkeit gewährleistet ist.
Erst nachdem verifiziert wurde, dass das Mehrstellungsventil 15b korrekt funktioniert, erfolgt die selektive Prüfung der beiden Arbeitsventile 2, 3, wobei wiederum die Zweikanaligkeit gewährleistet ist.
Die Funktionsprüfung der Abtrenneinrichtung 15 erfolgt unter Verwendung der oben erläuterten Eigenfunktions-Überprüfungsmittel 42.
Von Vorteil bei beiden Druckluftsystemen 1 ist, dass die Arbeitsventile 2, 3 hinsichtlich des vollständigen Ventilhubes überprüfbar sind, sodass eine sichere Aussage über die Funktionsfähigkeit getroffen werden kann, ohne die Belüftung des Verbrauchers V zu beeinträchtigen.
Eine sichere Entlüftung kann unter Umständen auch dadurch beeinträchtigt sein, dass der Fluiddurchgang durch den Entlüftungskanal 24, 25 behindert ist, beispielsweise durch einen verstopften Schalldämpfer 12. Um auch diesbezüglich eine Überprüfung vornehmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn jedem Arbeitsventil 2, 3 ein in 2 strichpunktiert angedeuteter Kontroll-Luftspeicher 43, 44 zugeordnet ist, der mit Druckluft gefüllt ist, bevor das betreffende Arbeitsventil 2, 3 in die Entlüftungsstellung umgeschaltet wird und der in der Entlüftungsstellung des betreffenden Arbeitsventils 2, 3 durch dieses Arbeitsventil 2, 3 hindurch entlüftbar ist.
Exemplarisch ist jedem Arbeitsventil 2, 3 ein eigener Kontroll-Luftspeicher 43, 44 zugeordnet, der in ständiger Fluidverbindung mit dem Arbeitsanschluss 7 steht, indem er beim Ausführungsbeispiel an den ersten beziehungsweise zweiten Verbindungskanal 22, 23 angeschlossen ist. Folglich wird der Kontroll-Luftspeicher 43, 44 stets dann mit Druckluft gefüllt und gefüllt gehalten, wenn das zugeordnete Arbeitsventil 2, 3 sich in der Belüftungsstellung befindet. Wird dann für eine Prüfaktion das abgetrennte Arbeitsventil 2, 3 in die Entlüftungsstellung geschaltet, wird das im zugeordneten Kontroll-Luftspeicher 43, 44 enthaltene Luftvolumen durch das in der Entlüftungsstellung befindliche Arbeitsventil 2, 3 hindurch entlüftet. Diese Entlüftungsströmung ist durch strichpunktiert angedeutete Detektionsmittel 45 detektierbar und durch die elektronische Steuereinrichtung 26 auswertbar, an die die Detektionsmittel 45 zweckmäßigerweise elektrisch angeschlossen sind.
Die Detektionsmittel 45 sind insbesondere so ausgebildet, dass sie eine zeitabhängige Druckänderung oder einen Durchfluss der aus dem Kontroll-Luftspeicher 43, 44 heraus stattfindenden Druckluft-Entlüftungsströmung erfassen können. Anhand eines Vergleiches mit abgespeicherten Referenzwerten lässt sich dann ermitteln, ob die Entlüftungszeit verglichen mit einer korrekten Entlüftungszeit zu lang ist, was einen Rückschluss auf einen verstopften Schalldämpfer oder dergleichen zulässt. Mit Hilfe eines Durchflusssensors lässt sich unmittelbar verifizieren, ob die Strömungsrate der Entlüftungsströmung noch ausreichend hoch ist oder ob sie herabgesetzt ist, was ebenfalls einen Hinweis auf eine Verstopfung liefert.
Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Arbeitsanschlüsse 7 der beiden Arbeitsventile 2, 3 an einen gemeinsamen Kontroll-Luftspeicher 43, 44 angeschlossen, wobei dann durch eine geeignete Ventiltechnik dafür Sorge getragen wird, dass sich die beiden Arbeitsanschlüsse 7 nicht gegenseitig beeinflussen.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, die Arbeitsventile 2, 3 so auszubilden, dass sie ausgangsseitig außer dem Arbeitsanschluss 7 auch noch einen diesbezüglich separaten Befüllanschluss aufweisen, der im Wechsel mit dem Arbeitsanschluss 7 mit der Druckluftquelle P oder mit der Atmosphäre verbunden wird. In diesem Fall ist der Kontroll-Luftspeicher 43, 44 in der Belüftungsstellung des zugeordneten Arbeitsventils 2, 3 entlüftet und wird in der Entlüftungsstellung des Arbeitsventils 2, 3 belüftet, das heißt befällt. Dies geschieht zweckmäßigerweise mit einem beiden Arbeitsventilen 2, 3 gemeinsam zugeordneten Kontroll-Luftspeicher. Die korrekte Durchlässigkeit des Schalldämpfers 12 wird somit immer dann geprüft, wenn das Arbeitsventil 2, 3 in die Belüftungsstellung schaltet und dabei den zugeordneten Kontroll-Luftspeicher entlüftet. Es versteht sich, dass in diesem Fall die Detektionsmittel 45 derart in das Kanalsystem integriert sind, dass auch tatsächlich die Druckluft-Entlüftungsströmung erfasst werden kann.

Claims

Druckluftsystem mit Sicherheitsfunktion, mit einem ersten und einem zweiten Arbeitsventil (2, 3), die beide jeweils einen Arbeitsanschluss (7) und einen mit der Atmosphäre verbundenen oder verbindbaren Entlüftungsanschluss (6) aufweisen, wobei die beiden Arbeitsanschlüsse (7) in fluidischer Parallelschaltung an ein und denselben mit einem Verbraucher (V) verbindbaren oder verbundenen Verbraucherausgang (14) des Druckluftsystems (1) angeschlossen sind, wobei jedes Arbeitsventil (2, 3) in eine seinen Arbeitsanschluss (7) mit seinem Entlüftungsanschluss (6) verbindende Entlüftungsstellung schaltbar ist und wobei die beiden Arbeitsventile (2, 3) gleichzeitig ihre Entlüftungsstellung einnehmen können, dadurch gekennzeichnet, – dass jedes Arbeitsventil (2, 3) auch einen mit einer Druckluftquelle (P) verbundenen oder verbindbaren Speiseanschluss (5) aufweist und wahlweise in eine seinen Arbeitsanschluss (7) mit seinem Speiseanschluss (5) verbindende Belüftungsstellung oder in die Entlüftungsstellung schaltbar ist, – dass der in der Entlüftungsstellung durch jedes Arbeitsventil (2, 3) für eine Druckluftströmung freigegebene Entlüftungsquerschnitt größer ist als der in der Belüftungsstellung freigebbare maximale Belüftungsquerschnitt, – dass in die Verbindung zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen (7) und dem Verbraucheranschluss (14) eine Abtrenneinrichtung (15) eingeschaltet ist, die ein zeitweiliges fluiddichtes Abtrennen wahlweise des Arbeitsanschlusses (7) des ersten Arbeitsventils (2) oder des Arbeitsanschlusses (7) des zweiten Arbeitsventils (3) von sowohl dem Verbraucheranschluss (14) als auch dem Arbeitsanschluss (7) des jeweils anderen Arbeitsventils (3, 2) ermöglicht und dabei eine Fluidverbindung zwischen dem Verbraucheranschluss (14) und dem nicht abgetrennten Arbeitsanschluss (7) aufrechthält, – und dass den beiden Arbeitsventilen (2, 3) Schaltfunktions-Überprüfungsmittel (38) zugeordnet sind, die in der Lage sind, die Schaltfunktion zumindest desjenigen Arbeitsventils (2, 3) zu überprüfen, dessen Arbeitsausgang (7) durch die Abtrenneinrichtung (15) momentan vom Verbraucheranschluss (14) und vom Arbeitsausgang (7) des anderen Arbeitsventils (3, 2) abgetrennt ist, während dieses andere Arbeitsventil (3, 2) seine Belüftungsstellung einnimmt.
Druckluftsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrenneinrichtung (15) als ein sowohl mit den beiden Arbeitsanschlüssen (7) als auch mit dem Verbraucheranschluss (14) verbundenes fluiddruckgesteuertes ODER-Ventil (15a) ausgebildet ist, das aufgrund der zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen (7) anstehenden Druckdifferenz umschaltbar ist.
Druckluftsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrenneinrichtung (15) als ein unabhängig von den an den Arbeitsausgängen (7) anstehenden Fluiddrücken betätigbares Mehrstellungsventil (15b) ausgebildet ist, das in einer Neutralstellung eine Fluidverbindung zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen (7) und dem Verbraucheranschluss (14) freigibt und das darüber hinaus alternativ in jeweils eine von zwei Abtrennstellungen umschaltbar ist, in denen es jeweils einen der beiden Arbeitsanschlüsse (7) fluiddicht vom Verbraucheranschluss (14) und vom jeweils anderen Arbeitsanschluss (7) abtrennt und gleichzeitig eine Fluidverbindung zwischen dem Verbraucheranschluss (14) und dem jeweils anderen Arbeitsanschluss (7) freigibt.
Druckluftsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfunktions-Überprüfungsmittel (38) auf eine beim Umschalten des Arbeitsventils (2, 3) auftretende Positionsänderung eines Ventilgliedes (8) des Arbeitsventils (2, 3) ansprechende Positionsdetektionsmittel (38a) enthalten.
Druckluftsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfunktions-Überprüfungsmittel (38) über Druckdetektionsmittel (38b) verfügen, die auf eine beim Umschalten des Arbeitsventils (2, 3) auftretende Druckänderung des am Arbeitsanschluss (7) anstehenden Fluiddruckes ansprechen.
Druckluftsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Arbeitsventil (2, 3) ein Kontroll-Luftspeicher (43, 44) zugeordnet ist, der in der Entlüftungsstellung durch das betreffende Arbeitsventil (2, 3) hindurch entlüftbar ist, wobei Detektionsmittel (45) vorhanden sind, durch die eine zeitabhängige Druckänderung oder ein Durchfluss der zugeordneten Druckluft-Entlüftungsströmung erfassbar ist und wobei entweder jedem Arbeitsventil (2, 3) ein eigener Kontroll-Luftspeicher (43, 44) zugeordnet ist oder beiden Arbeitsventilen (2, 3) ein gemeinsamer Kontroll-Luftspeicher zugeordnet ist.
Druckluftsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontroll-Luftspeicher (43, 44) entweder an einen Arbeitsanschluss (7) oder an einen diesbezüglich gesonderten, alternativ zu dem Arbeitsanschluss (7) mit dem Speiseanschluss (5) verbindbaren Befüllanschluss mindestens eines der Arbeitsventile (2, 3) angeschlossen ist.
Druckluftsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrenneinrichtung (15) Eigenfunktions-Überprüfungsmittel (42) zugeordnet sind, durch die die Abtrennfunktion der Abtrenneinrichtung (15) überprüfbar ist, während beide Arbeitsventile (2, 3) die Belüftungsstellung einnehmen.
Druckluftsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfunktions-Überprüfungsmittel (42) der Abtrenneinrichtung (15) über auf die Positionsänderung eines Steuerventilgliedes (34) der Abtrenneinrichtung (15) ansprechende Positionsdetektionsmittel (38a) verfügen.
Druckluftsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es über eine elektronische Steuereinrichtung (26) verfügt, durch die bei ununterbrochener Belüftung des Verbraucheranschlusses (14) ein die Funktion der Arbeitsventile (2, 3) überprüfender Prüfvorgang hervorrufbar ist, bei dem ausgehend von einem Betriebszustand, in dem beide Arbeitsventile (2, 3) die Belüftungsstellung einnehmen, zuerst das eine und dann das andere Arbeitsventil (2, 3) durch die Abtrenneinrichtung (15) vom Verbraucheranschluss (14) und vom jeweils anderen Arbeitsventil (3, 2) abgetrennt wird, wobei das jeweils abgetrennte Arbeitsventil (3,2) betätigt und durch die Schaltfunktions-Überprüfungsmittel (38) einer Schaltfunktionsüberprüfung unterzogen wird, während das andere, weiterhin die Belüftungsstellung einnehmende Arbeitsventil (2, 3) mit dem Verbraucheranschluss (14) verbunden ist.
Druckluftsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitsventile (2, 3) vom elektrisch betätigbaren Typ und insbesondere vom elektropneumatisch betätigbaren Typ sind.
Verfahren zum Betreiben eines Druckluftsystems mit Sicherheitsfunktion nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei ununterbrochener Belüftung des Verbraucheranschlusses (14) ein die Funktion der Arbeitsventile (2, 3) überprüfender Prüfvorgang durchgeführt wird, bei dem ausgehend von einem Betriebszustand, in dem beide Arbeitsventile (2, 3) die Belüftungsstellung einnehmen, zuerst das erste Arbeitsventil (2) und dann das zweite Arbeitsventil (3) durch die Abtrenneinrichtung (15) vom Verbraucheranschluss (14) und vom jeweils anderen Arbeitsventil (3, 2) abgetrennt wird, wobei das jeweils abgetrennte Arbeitsventil (2, 3), während das andere Arbeitsventil (3, 2) unter Beibehaltung der Belüftungsstellung mit dem Verbraucheranschluss (14) verbunden bleibt, im Rahmen einer Testbetriebsaktion in die Entlüftungsstellung umgeschaltet wird und das korrekte Umschalten mit Hilfe der Schaltfunktions-Überprüfungsmittel (38) verifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Testbetriebsaktion in die Entlüftungsstellung umgeschaltete Arbeitsventil (2, 3) in die Belüftungsstellung zurückgeschaltet wird, nachdem die Verifizierung des korrekten Umschaltens in die Entlüftungsstellung erfolgt ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Druckluftsystem (1), dessen Abtrenneinrichtung (15) als ein fluiddruckgesteuertes ODER-Ventil (15a) ausgebildet ist, das Abtrennen des ersten oder zweiten Arbeitsventils (2, 3) vom Verbraucheranschluss (14) dadurch hervorgerufen wird, dass das abzutrennende Arbeitsventil (2, 3) in die Entlüftungsstellung umgeschaltet wird, wobei dieses Umschalten in die Entlüftungsstellung zugleich als Testbetriebsaktion herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Druckluftsystem (1), dessen Abtrenneinrichtung (15) als ein Mehrstellungsventil (15b) ausgebildet ist, das Abtrennen des ersten oder zweiten Arbeitsventils (2, 3) vom Verbraucheranschluss (14) dadurch hervorgerufen wird, dass das Mehrstellungsventil (15b) ausgehend von der Neutralstellung in die eine oder in die andere Abtrennstellung geschaltet wird, worauf die sich auf das abgetrennte Arbeitsventil (2, 3) beziehende Testbetriebsaktion mit zugeordneter Schaltfunktions-Überprüfung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausführen einer Testbetriebsaktion das Mehrstellungsventil (15b) auf korrekte Funktionsfähigkeit geprüft wird, indem es ausgehend von der Neutralstellung zunächst in die eine und dann in die andere Absperrstellung umgeschaltet und das korrekte Umschalten mit Hilfe der Eigenfunktions-Überprüfungsmittel (42) verifiziert wird.