Was Hydraulik-Proportionalventile zukünftig können müssen 1

Wohin die Proportionalhydraulik zukünftig denn steuern wird, offenbarte in diesem Jahr schon recht konkret die Hannover Messe. Auch wenn die tonangebenden Unternehmen zum Teil individuelle Ziele verfolgen, einige allgemein gültige Trends lassen sich dennoch ausmachen.
Autor: Franz Graf, Chefredakteur

Was müssen Hydraulik-Proportionalventile zukünftig können? Univ. Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, Leiter des Instituts für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen, antwortet: „Wenn ich als Fluidtechniker mit dieser Frage konfrontiert werde, dann gehe ich gedanklich einige Zeit zurück.

Ich erinnere mich noch an meine Studienzeit, als ich die Frage stellte, was eigentlich Proportionalventile sind, da mir nur Servoventile aus den Umdrucken bekannt waren. An dieser Stelle wird deutlich, dass vor gut drei Jahrzehnten der Begriff noch nicht Einzug gehalten hatte.

Dann erinnere ich mich im Anschluss an viele Aachener Fluidtechnische Kolloquien, bei denen die Proportionalventiltechnik im Vordergrund der Diskussionen stand. Die Entwicklung ging rasant vorwärts und ist heute bei Wege- und Cartridgeventilen fest etabliert.“

Prof. Murrenhoff erinnert sich noch, wie die Entwicklung seinen Lauf nahm. Es begann mit geräteinternen Rückführungen gefolgt von Sensoren für Wege, Drücke und auch Volumenströme, bei denen die Signale analog verarbeitet wurden.

Es folgte der Siegeszug der Digitaltechnik und heute sind Ventile mit integrierter digitaler Signalverarbeitung und Busansteuerung Stand der Technik geworden. Man spricht von On-Board-Electronics oder auch von Embedded Systems und das aus der Vergangenheit bekannte Driften von Sensoren und der Elektronik unter Temperatureinfluss gehören bei diesen Geräten der Vergangenheit an.

Aufgrund von modernen Berechnungsmethoden ist es möglich geworden, Strömungskräfte deutlich zu reduzieren und es ist heute möglich, NG-10-Ventile direkt zu betreiben. Was bleibt dann noch für die Zukunft? Prof. Hubertus Murrenhoff ist sich sicher: „Hier sind Lösungen gefragt, die eine Schaltung auf einfache Art und Weise energieeffizient machen können.

Dies muss geschehen ohne Abstriche bei der Leistungsfähigkeit hinsichtlich Auflösung, Genauigkeit und Zeitverhalten. Zur Effizienzsteigerung gehören beispielsweise integrierte Eilgangschaltungen für Differentialzylinder. Hierzu waren auf der diesejährigen Hannover Messe einige Innovationen zu sehen.

Der im weitesten Sinne dazu gehörende Gedankenschritt ist die Auflösung der einzelnen Steuerkanten, sodass bei der Regelung zusätzliche Freiheitsgrade entstehen. Im akademischen Umfeld sind hierzu interessante Lösungen vorgestellt worden und auf der 11. SICFP im Mai in Tampere sind weitere Beiträge zu diesem Thema auf dem Programm.“

Neue elektro-mechanische Umformer sind gefragt

Doch das ist noch nicht alles. Zusätzlich müssen dem Instituts-Chef zufolge aus energetischen Gründen die verlustbehafteten Vorsteuerungen entfallen, sodass neue und leistungsfähigere elektro-mechanische Umformer gefragt sind.

Ein weiteres Thema ist die Frage der kontinuierlichen Verstellbarkeit durch Digitalhydraulik. Hier können Ventile pulsmoduliert angesteuert werden oder sie werden in geeigneter Abstufung zu- und abgeschaltet. Ein weites Feld, das an vielen Forschungseinrichtungen bearbeitet wird.

Letztendlich müssen durch intelligente Verschaltungen hydraulische Kreise entstehen, die die aufgenommene Leistung über die Zyklen konstanter halten. Dies bedeutet, dass die Proportionalventile – sei es im Signal- oder Leistungskreis – im Zusammenspiel mit Hydrospeichern hier ihren Beitrag liefern müssen.

Prof. Murrenhoff fordert darüber hinaus: „Die Proportionalventile müssen als mechatronische Geräte robuster und von den Schnittstellen zur Elektrik unempfindlicher werden. Die höhere Integration in die Aktuatoren ist viel diskutiert worden, aber Lösungen sind am Markt noch nicht zu sehen.

Es gibt also eine Reihe von Herausforderungen, die die Branche der Fluidtechnik angehen kann. Es ist gut zu wissen, dass der Wettbewerb zu anderen Antriebstechnologien die Branche ständig fordert und solange diese Herausforderung angenommen wird, müssen wir uns um die Zukunft keine Sorgen machen. Ganz im Gegenteil: Wir können sie mitgestalten.“

Auch Michael Knobloch, Direktor Marketing bei Hawe Hydraulik, hat eine klare Vorstellung davon, was Hydraulik-Proportionalventile zukünftig leisten müssen: „Je nachdem, ob Hydraulik-Proportionalventile in mobilen oder stationären Anwendungen eingesetzt werden, ergeben sich unterschiedliche Anforderungen. Generell lässt sich sagen, dass die Ventile hochperformant, in Feldbussysteme integrierbar sein und teilweise über Feedback-Funktionen verfügen müssen.

Eine hohe Regelgenauigkeit ist Voraussetzung, um Servoventile in bestimmten Bereichen abzulösen.“

Mit CANBus-Schnittstelle schnell angeschlossen

Auf der Hannover Messe haben die Münchener das Proportional-Wegeschieberventil Typ PSL mit CANBus-Schnittstelle in einer weiteren Baugröße präsentiert. Das Ventil verfügt über eine integrierte Ansteuerelektronik und hat sich Hawe zufolge in der Praxis in der geometrisch kleinsten Baugröße bereits bewährt.

Damit ist der Weg frei für Anwendungen, die einen Volumenstrom von maximal 120 l/min erfordern, beispielsweise Kommunalfahrzeuge, Mobilkrane, Schwerlastfahrzeuge und Hebebühnen.

Wandfluh setzt seit Jahren im Bereich Proportionaltechnik auf drei Standbeine: Proportionalventile, Ansteuerelektronik und Proportionalventile mit integrierter Ansteuerelektronik (DSV-Ventile). Dazu Jürg Schneider: „Ein besonderes Augenmerk wird auf das Zusammenspiel zwischen Proportionalventil und der bei uns im Hause entwickelten Ansteuerelektronik gelegt. Maximale Flexibilität und kundenspezifische Wünsche sollen dabei möglichst durch eine übersichtliche und bedienerfreundliche Parametriersoftware abgedeckt werden.

Dazu gehört auch eine Prozessdatenanzeige und ein integriertes Oszilloskop. Wir glauben daran, dass bedienerfreundliche Gesamtpakte mit einem hohen Maß an Flexibilität die Zukunft der Proportionaltechnik darstellen.“ Und noch eines: Ein großer Teil des Proportionalventileprogramms ist ebenfalls in explosionsgeschützter Ausführung verfügbar. Auch an der Erweiterung dieses Programmteils wird bei Wandfluh gearbeitet.

Proportional-Schraubventile mit Steckspule

Neu vorgestellt wurden von den Schweizern kürzlich Proportional-Schraubpatronen mit Steckspule. Durch die auswechselbare Spule wird die Logistik erheblich vereinfacht, da die Magnetspule auch nachträglich montiert werden kann. Durch die verschiedenen Varianten sind die Proportional-Schraubpatronen zu einem sehr flexiblen System geworden.

Ein Firmensprecher: „Verschiedene Stecker- und Spannungsvarianten sind ab Lager lieferbar und werden bezüglich individueller Anpassungen mit der gewohnten Wandfluh-Flexibilität ergänzt.“ Zudem wurde die Perfomance der Ventile durch die verbesserte Magnetspule erhöht. Somit können auch Umgebungstemperaturen von bis zu 70° C ohne Leistungseinbußen gefahren werden.

Mit der Verbesserung des Korrosionsschutzes der Magnetspule erreichen die Ventile je nach Ausführung eine Salzsprühfestigkeit von über 500 Stunden.

Ein besonderer Magnet für die Hannover-Messe-Besucher waren die Proportionalventile der neuesten Generation von Eaton. Das ist sicherlich den zahlreichen besonderen Merkmalen der Ventile zuzuschreiben. Sie sind ausgeführt mit offener Architektur für kundenspezifische Anwendungen und verfügen über integrierte Sensoren.

Armin Heyer auf der Messe: „Die offene Architektur bietet dem Anwender die Möglichkeit, in zentralisierten und verteilten Regelsystemen zu arbeiten.“ Die Ventile basieren Eaton-Angaben zufolge auf der bewährten KB-Servo-Proportionalventil-Technologie und bieten vier Stufen in einem modularen Design.

Sie regeln genau das, was von der Anwendung gefordert wird. Im ersten Schritt stehen die beiden Ventilgrößen mit einem maximalen Durchfluss von 75 und 180 l/min zur Verfügung. Die Sprungantwortzeiten werden mit 8 und 18 ms angegeben. Umfassende LED-Anzeigen, Feldbus-Kommunikation und eingebaute Druck-/Temperatursensoren sorgen für leichte Diagnose.

Die Anwendungsbereiche sind vielschichtig: Holzverarbeitung, Zellstoff- und Papierherstellung, Kunststoff-Spritzgießmaschinen, Windkraftanlagen, Umformtechnik, Metallerzeugung. Bezüglich der weiteren Proportionalventil-Entwicklung sieht Parker Hannifin im Wesentlichen drei Trends:  

  • Mehr Integration ins Ventil. Um den Schaltungsaufwand zu reduzieren, werden mehr Funktionen in das Ventil integriert werden, wie beispielsweise die Umschaltung zwischen Rückspeise- und Standardschaltung.
  • Höhere Leistungsgrenzen: Bei der Auslegung von Hydrauliksystemen stellt die Berücksichtigung von Leistungsgrenzen den Projektingenieur vor Schwierigkeiten. Kräftigere Antriebe und intelligente Vorsteuerkonzepte schaffen Komponenten, die einfach zu projektieren sind.
  • Mehr Diagnosefähigkeit: Condition Monitoring ist ein wichtiger Trend. Die Diagnosefähigkeit über Feldbus-Schnittstellen stellt einen geeigneten Lösungsansatz dar.

Jede Menge neue Ventiltechnik zum Anfassen präsentierte auch Parker auf der kürzlich zu Ende gegangenen Hannover Messe. Nachfolgend nur ein kleiner Auszug: Das Unternehmen rundete das Angebot an DFplus-Ventilen mit Voice Coil Drive durch die neue Ventilserie D30FP ab.

Zudem wurde das inzwischen markterprobte Hybridventil D1FZP in den Nenngrößen 16, 25 und 32 vorgestellt. Und schließlich konnten die Besucher die Erweiterung der Produktreihen D1FB (NG06) und D3FB (NG10) um eine CANopen-Schnittstelle kennenlernen.

Bosch Rexroth verzeichnet bei Regelventilen mehr und mehr Anfragen nach Ventilen mit integrierter Elektronik. Einem Firmensprecher zufolge besteht die Herausforderung darin, diese Technologie für Einsatzbereiche zugänglich zu machen, die aufgrund der Umgebungsbedingungen aktuell noch Ventilen mit externen Elektroniken vorbehalten sind.

Dazu hat Rexroth, beispielsweise bei der Serie 4WRTE, die Einsatzmöglichkeiten bei hoher Luftfeuchtigkeit sowie erhöhter Vibrationsbelastung weiter ausgebaut. In die Zukunft gerichtet ist auch das, was Rexroth mit dem neuen integrierten Achsregler auf der Messe als eine weitere Ergänzung des fein skalierbaren Automationsbaukastens gezeigt hat.

Die 1-Achs-Motion-Control vereinfacht die Automatisierung durch offene Schnittstellen zu den verbreiteten ethernetbasierten Echtzeitprotokollen Sercos III, EtherCAT und Varan sowie durch integrierte Best-in-Class-Hydraulik-Regler. Für das Engineering stellt IndraWorks speziell auf hydraulische Funktionen zugeschnittene Reglerdialoge und Parametrierungen bereit.  

Die dezentrale Baugruppe kombiniert eine auf den robusten Betrieb optimierte Steuerungselektronik inklusive Software, Drucksensorik und einer Ventilplattform in NG 10 für den schaltschranklosen Einsatz. Sie schließt den Regelkreis dezentral und verringert damit den Verkabelungsaufwand deutlich.

Über die Multi-Ethernet-Anbindung übernehmen die Motion Controls die harte Echtzeitregelung dynamischer Bewegungsaufgaben bei höchster Transparenz und durchgängigem Datenfluss. Sie unterstützen sowohl den Open-Loop als auch den Closed-Loop-Betrieb.