EP2854144B1 - Schaltungsanordnung für die elektrische Ansteuerung eines Ventilterminals - Google Patents

Schaltungsanordnung für die elektrische Ansteuerung eines Ventilterminals Download PDF

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EP2854144B1
EP2854144B1 EP13185912.6A EP13185912A EP2854144B1 EP 2854144 B1 EP2854144 B1 EP 2854144B1 EP 13185912 A EP13185912 A EP 13185912A EP 2854144 B1 EP2854144 B1 EP 2854144B1
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EP
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valve
actuator
voltage
circuit assembly
supply
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EP2854144A1 (de
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Karl Hermann Haydt
Walter Pflumm
Jörg Leibfarth
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Airtec Pneumatic GmbH
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Airtec Pneumatic GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement for the electrical control of a valve terminal.
  • a valve terminal is understood to mean in particular a control unit with pressure fluid valves, in particular electropneumatic valves, for the control of machine functions. More specifically, the supply of the electromagnetically controlled valves on a common base plate of the valve terminal in the center of the present invention.
  • an actuator voltage from an electrical supply circuit can be fed to each pneumatic valve.
  • the magnetic coil of each valve can be controlled by a superordinate magnetic control via a load switch assigned to each magnetic coil, such that a valve only switches when an actuator voltage is applied and the magnetic coil is actuated by the magnetic control.
  • the magnetic control is preferably a programmable logic controller (PLC).
  • the electrical supply of the valves was usually via a single input voltage via a common supply circuit.
  • This supply circuit provides the actuator voltage and feeds it via an electrical connection at the valve terminal or bus node.
  • a typical voltage is for example +24 V DC.
  • the electromagnetic valves usually sit in a row next to each other on the pneumatic base plate.
  • Each coil of the solenoid valves is driven by the above-mentioned +24 V and is connected to the neighboring solenoid coils via a common ground.
  • the control with the exemplified +24 V takes place via an electronic load switch, either in the bus node (central) or in the valve itself (decentralized).
  • the control signals come from a higher-level controller (PLC) and are transmitted to the valve terminal via a bus system.
  • PLC higher-level controller
  • Each output of the PLC is assigned a valve solenoid and thus a pneumatic control function. Whether a valve is switched on or off depends on two criteria, namely whether 1.) the power supply is switched on at all or not and 2.) the solenoid control actuates the load switch or not.
  • the actuator voltage is always applied.
  • the solenoid control via the PLC determines whether the mentioned load switch of the relevant valve is closed or opened and thus actuates the valve accordingly.
  • Each solenoid of a valve hangs on a load switch.
  • the external shutdown of the actuator voltage can be done eg via a contactor, which sits between the power supply and the input at the valve terminal. In the case of the desired shutdown or emergency stop of the machine, this supply is usually separated by 2 poles on the contactor. Conversely, the valve terminal only receives a supply voltage again, if all safety devices and the emergency stop switch have given approval.
  • DE 19918773 shows a drive unit in which a group of electro-pneumatic valves are supplied with a controlled actuating current.
  • the installer succeeds in pre-programming the behavior of each valve during maintenance or in case of an emergency stop by a kind of pre-selection by means of the selector switch. It determines whether the valve is powered by a supply circuit with the actuator voltage, which is de-energized in the case of selective shutdown or not. In the latter case, the valve will continue to be supplied with the actuator voltage even after shutdown by means of the shutdown module - for safety reasons, for example.
  • a reprogramming in case of a conversion of the provided with the valve terminal machine is very simple. Essentially, only the selector switches must be reset.
  • control of the load switch galvanically isolated from the supply circuits, which provide the actuator voltages available by means of an optocoupler. This is particularly relevant if the actuator voltages have separate masses and can be switched off in each case 2-pole. There is thus a clear separation into a magnetic control circuit (for the load switch) and actuator circuit.
  • the shutdown module is then otherwise designed as a contactor, which separates the actuator voltages 2-pole.
  • the drawing figure shows an exemplary circuit arrangement for an electrical control of an electromagnetically controlled pneumatic series arrangement of valves, of which only one is represented by the reference numeral 1. All valves are seated in corresponding valve slots 11 to n.
  • the circuit arrangement has a common voltage supply via a so-called backplane 102, which is also referred to as a backplane bus.
  • the power supply comprises two supply circuits which provide two independent actuator voltages U A1 and U A2 .
  • the setter of the machine can select whether the actuator voltage U A1 or U A2 is now made available to the present valve 1. The choice is made depending on how the valve 1 should react during maintenance or in case of an emergency stop.
  • an external switch-off module 104 is connected in the supply circuit, which supplies the actuator voltage U A2 , like a 2-pole contactor. With this shutdown module 104, an external shutdown of the actuator voltage U A2 can be achieved and, for example, an emergency can be simulated.
  • This supply circuit is then de-energized.
  • the valve 1 is no longer supplied with any supply voltage in the illustrated wiring variant; the valve 1 is then energized.
  • the actuator voltage U A1 could be supplied unchanged to the valve 1.
  • the valve 1 is designed as a so-called center position valve, which is to be understood as an exemplary embodiment.
  • the valve 1 has two magnetic coils 100 and 101, wherein each magnetic coil 100 and 101, a load switch C 1 and C 2 is associated.
  • These load switches C 1 and C 2 can be controlled by a higher-level magnetic control, for example a programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • valve 1 only switches when an actuator voltage is present and the magnetic coils 100 and 101 are actuated by the magnetic control.
  • the control of the load switches C 1 and C 2 of the two supply circuits, which provide the actuator voltages U A1 and U A2 available, preferably takes place galvanically isolated by means of an optocoupler (not shown). This is of relevance if the actuator voltages U A1 and U A2 have separate masses and U A2 can be switched off in the form of a 2-pole as in the present case.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die elektrische Ansteuerung eines Ventilterminals. Unter einem Ventilterminal wird insbesondere ein Steuergerät mit Druckfluid-Ventilen, insbesondere elektropneumatischen Ventilen für die Steuerung von Maschinenfunktionen verstanden. Genauer gesagt steht die Versorgung der elektromagnetisch gesteuerten Ventilen auf einer gemeinsamen Grundplatte des Ventilterminals im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung.
  • Bei einer bekannten Schaltungsanordnung für die elektrische Ansteuerung einer elektromagnetisch gesteuerten pneumatischen Ventil-Reihenanordnung mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung über eine Backplane, also über einen Rückwandbus, ist vorgesehen, dass jedem pneumatischen Ventil eine Aktorspannung von einem elektrischen Versorgungskreis zuführbar ist. Dabei ist die Magnetspule jedes Ventils über einen jeder Magnetspule zugeordneten Lastschalter von einer übergeordneten Magnetsteuerung ansteuerbar, derart, dass ein Ventil nur dann schaltet, wenn eine Aktorspannung anliegt und die Magnetspule von der Magnetsteuerung angesteuert wird. Die Magnetsteuerung ist vorzugsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS).
  • Bislang erfolgte die elektrische Versorgung der Ventile in der Regel über eine einzige Eingangsspannung über einen gemeinsamen Versorgungskreis. Dieser Versorgungskreis stellt die Aktorspannung zur Verfügung und speist diese über einen elektrischen Anschluss am Ventilterminal oder Busknoten ein. Eine typische Spannung ist beispielsweise +24 V DC.
  • Die elektromagnetischen Ventile sitzen üblicherweise in einer Reihenanordnung nebeneinander auf der pneumatischen Grundplatte. Jede Spule der Elektromagnet-Ventile wird mit den genannten +24 V angesteuert und ist gemeinsam mit den Nachbar-Magnetspulen über eine gemeinsame Masse angeschlossen. Die Ansteuerung mit den beispielhaft genannten +24 V erfolgt über einen elektronischen Lastschalter, entweder im Busknoten (zentral) oder im Ventil selbst (dezentral). Die Steuersignale kommen von einer übergeordneten Steuerung (SPS) und werden über ein Bussystem an das Ventilterminal übertragen. Jedem Ausgang der SPS ist ein Ventilmagnet und damit eine pneumatische Steuerfunktion zugeordnet. Ob ein Ventil ein- oder ausgeschaltet ist, hängt demnach dabei von zwei Kriterien ab, nämlich ob 1.) die Spannungsversorgung überhaupt eingeschaltet ist oder nicht und 2.) die Magnetsteuerung den Lastschalter betätigt oder nicht.
  • Im normalen Arbeitsbetrieb ist die Aktorspannung immer angelegt. Die Magnetsteuerung über die SPS legt dann fest, ob der erwähnte Lastschalter des betreffenden Ventils geschlossen oder geöffnet ist und betätigt damit das Ventil entsprechend. Jede Magnetspule eines Ventils hängt an einem Lastschalter.
  • Es treten aber auch Zustände auf, bei denen ein elektrisches Schalten des Ventils unterbunden werden soll, um ein versehentliches Ansteuern eines pneumatischen Antriebs zu verhindern. Dies kann z.B. für Wartungsarbeiten an der Maschine notwendig sein oder aber im Falle eines Not-Halts, wenn sich etwa Personen im Gefahrenbereich eines Antriebes befinden.
  • In einem solchen Fall kann durch das gewollte Abschalten der Aktorspannung von außen wirksam verhindert werden, dass sich der Schaltzustand des Ventils von unbetätigt (geschlossen) in betätigt (geöffnet) ändern kann. Die Magnetspule erhält dann keine Energie mehr und verharrt im Ruhezustand.
  • Dem Konstrukteur der Maschine und dem Einrichter obliegt es dabei, dass die pneumatische Funktion des Ventils so gewählt wird, dass der energielose Zustand möglichst einer gefahrlosen Stellung des Antriebes entspricht.
  • Das externe Abschalten der Aktorspannung kann z.B. über ein Schütz erfolgen, das zwischen Netzteil und dem Eingang am Ventilterminal sitzt. Im Falle des gewünschten Abschaltens oder Not-Halts der Maschine wird diese Versorgung üblicherweise 2-polig am Schütz getrennt. Umgekehrt erhält das Ventilterminal nur dann wieder eine Versorgungsspannung, wenn alle Sicherheitseinrichtungen und der Not-Aus-Schalter eine Freigabe gegeben haben.
  • Die Nachteile eines derzeitigen sogenannten 1-Kreissystems liegen auf der Hand: So sind immer alle Ventile von einer Abschaltung betroffen. Dies kann im Betrieb einer Maschine aber unter Umständen zu problematischen Situationen führen. Beispielhaft sei eine Spannvorrichtung genannt, die pneumatisch aktiv ein Werkstück festspannt bzw. festhält. Im Falle einer Zwangsabschaltung würde das Ventil in den Ruhezustand (geschlossen, entlüftet) fallen und der Zylinder der Spannvorrichtung würde einfahren.
  • Um dies zu vermeiden, wäre es wünschenswert, dass bestimmte Ventile bei einer externen Abschaltung nicht energielos geschaltet werden, sondern in Betrieb bleiben.
  • Dies ist aber nur möglich, wenn neben der einen Aktorspannung noch eine weitere Aktorspannung zur Verfügung steht, die separat geschaltet werden kann.
  • Bei den bislang üblichen Ventilterminals wurde dies dadurch erreicht, dass die Versorgungsspannung an einer definierten Stelle der Grundplatte aufgetrennt und durch einen zusätzlichen Einspeisestecker eine zweite Spannungszone aufgebaut worden ist. Diese Vorgehensweise nennt man auch Segmentierung, die jedoch die folgenden Nachteile aufweist:
    • es können immer nur eine genau bekannte Anzahl von Ventilen in den Zonen der ersten und zweiten Aktorspannung betrieben werden,
    • ein Ventil kann nur durch physikalischen Umbau von der einen Aktorspannungszone in die andere Aktorspannungszone verschoben werden,
    • der Anwender kann in einer Spannungszone Ventile für die eine Aktorspannung nicht mit Ventilen für die zweite Aktorspannung mischen, und
    • die Flexibilität am Einbauort eines bestimmten Ventiltyps ist gering.
  • DE 19918773 zeigt eine Antriebseinheit, in der eine Gruppe von elektropneumatischen Ventilen mit einem gesteuerten Betätigungsstrom versorgt werden.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen, also eine Schaltungsanordnung für die elektrische Ansteuerung einer elektromagnetisch gesteuerten pneumatischen Ventil-Reihenanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die wesentlich flexibler ist als die erwähnte Segmentierung bei Einrichtung oder Veränderungen an der mit dem Ventilterminal auszustattenden bzw. ausgestatteten Maschine.
  • Gelöst wird diese Aufgabe bei einer eingangs genannten Schaltungsanordnung dadurch, dass wenigstens zwei Versorgungskreise vorgesehen sind, die wenigstens zwei voneinander unabhängige Aktorspannungen zur Verfügung stellen, die an jeder Stelle der Backplane zur Verfügung stehen, von denen jeweils eine jedem Ventil wahlweise über einen jedem Ventil zugeordneten manuellen Wahlschalter zuführbar ist, und dass wenigstens eine der Aktorspannungen durch ein externes Abschaltmodul selektiv abschaltbar ist.
  • Mit dieser Anordnung gelingt es dem Einrichter, das Verhalten jedes Ventils bei Wartungsarbeiten oder im Falle eines Not-Halts vorzuprogrammieren durch eine Art Präselektion mittels der Wahlschalter. Er bestimmt, ob das Ventil von einem Versorgungskreis mit der Aktorspannung versorgt wird, der im Fall der selektiven Abschaltung spannungslos gemacht wird oder nicht. Im letzteren Fall wird das Ventil auch nach Abschaltung mittels des Abschaltmoduls weiterhin mit der Aktorspannung versorgt - etwa aus Sicherheitsgründen.
  • Eine Umprogrammierung im Falle eines Umbaus der mit dem Ventilterminal versehenen Maschine ist denkbar einfach. Es müssen im wesentlichen nur die Wahlschalter neu gesetzt werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist also ein System geschaffen worden, welches im Gegensatz zu den bisherigen verwendeten System mit zwei Aktorspannungen äußerst flexibel einsetzbar ist.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Ansteuerung des Lastschalters von den Versorgungskreisen, welche die Aktorspannungen zur Verfügung stellen, galvanisch getrennt mittels eines Optokopplers erfolgt. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die Aktorspannungen getrennte Massen haben und jeweils 2-polig abgeschaltet werden können. Es erfolgt so eine klare Trennung in einen Magnetsteuerkreis (für den Lastschalter) und Aktorkreis.
  • Bevorzugt ist das Abschaltmodul dann im Übrigen als Schütz ausgebildet, welches die Aktorspannungen 2-polig abtrennt.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert. Diese zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
  • Die Zeichnungsfigur zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung für eine elektrische Ansteuerung einer elektromagnetisch gesteuerten pneumatischen Reihenanordnung von Ventilen, von denen nur eines mit dem Bezugszeichen 1 dargestellt ist. Alle Ventile sitzen in entsprechenden Ventilsteckplätzen 11 bis n. Die Schaltungsanordnung verfügt über eine gemeinsame Spannungsversorgung über eine sogenannte Backplane 102, die auch als Rückwandbus bezeichnet wird.
  • Vorliegend umfasst die Spannungsversorgung zwei Versorgungskreise, die zwei voneinander unabhängige Aktorspannungen UA1 und UA2 zur Verfügung stellen. Über einen manuellen Wahlschalter 103 kann der Einrichter der Maschine auswählen, ob dem vorliegenden Ventil 1 nun die Aktorspannung UA1 oder UA2 zur Verfügung gestellt wird. Die Wahl wird in Abhängigkeit davon getroffen, wie das Ventil 1 bei Wartungsarbeiten oder im Falle eines Not-Halts reagieren soll.
  • Vorliegend ist in den Versorgungskreis, welcher die Aktorspannung UA2 liefert, ein externes Abschaltmodul 104 wie ein 2-poliger Schütz geschaltet. Mit diesem Abschaltmodul 104 kann eine externe Abschaltung der Aktorspannung UA2 erzielt werden und beispielsweise ein Notfall simuliert werden. Dieser Versorgungskreis ist dann spannungslos. Abhängig von der Schalterstellung des Wahlschalters 103 wird dem Ventil 1 nun in der dargestellten Verschaltungsvariante keinerlei Versorgungsspannung mehr zugeführt; das Ventil 1 ist dann energielos. In der anderen Schalterstellung des Wahlschalters 103 würde hingegen die Aktorspannung UA1 unverändert dem Ventil 1 zugeführt werden können.
  • Vorliegend ist das Ventil 1 als sogenanntes Mittelstellungsventil ausgeführt, was lediglich als Ausführungsbeispiel zu verstehen ist. Aus diesem Grunde weist das Ventil 1 zwei Magnetspulen 100 und 101 auf, wobei jeder Magnetspule 100 und 101 ein Lastschalter C1 und C2 zugeordnet ist. Diese Lastschalter C1 und C2 sind von einer übergeordneten Magnetsteuerung, beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ansteuerbar.
  • Die Verschaltung ist nun so, dass das Ventil 1 nur dann schaltet, wenn eine Aktorspannung anliegt und die Magnetspulen 100 und 101 von der Magnetsteuerung angesteuert werden.
  • Die Ansteuerung der Lastschalter C1 und C2 von den beiden Versorgungskreisen, welche die Aktorspannungen UA1 und UA2 zur Verfügung stellen, erfolgt bevorzugt galvanisch getrennt mittels eines Optokopplers (nicht dargestellt). Dies ist von Relevanz, wenn die Aktorspannungen UA1 und UA2 getrennte Massen haben und UA2 wie vorliegend 2-polig abgeschaltet werden kann.

Claims (3)

  1. Schaltungsanordnung für die elektrische Ansteuerung einer elektromagnetisch gesteuerten pneumatischen Ventil-Reihenanordnung mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung über eine Backplane (102), bei der jedem pneumatischen Ventil (1) eine Aktorspannung von einem elektrischen Versorgungskreis zuführbar ist und die Magnetspule (100, 101) des Ventils (1) über einen jeder Magnetspule (100, 101) zugeordneten Lastschalter (C1, C2) von einer übergeordneten Magnetsteuerung ansteuerbar ist, derart, dass ein Ventil (1) nur dann schaltet, wenn eine Aktorspannung anliegt und die Magnetspule (100, 101) von der Magnetsteuerung angesteuert wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens zwei Versorgungskreise vorgesehen sind, die wenigstens zwei voneinander unabhängige Aktorspannungen (UA1, UA2) zur Verfügung stellen, die an jeder Stelle der Backplane (102) zur Verfügung stehen, von denen jeweils eine jedem Ventil (1) wahlweise über einen jedem Ventil (1) zugeordneten manuellen Wahlschalter (103) zuführbar ist, und
    wenigstens eine der Aktorspannungen (UA1, UA2) durch ein externes Abschaltmodul (104) selektiv abschaltbar ist.
  2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Lastschalters (C1, C2) von den Versorgungskreisen galvanisch getrennt mittels eines Optokopplers erfolgt.
  3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschaltmodul (104) ein Schütz ist, welches die Aktorspannungen (UA1, UA2) 2-polig abtrennt.
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