Open-Loop-Steuerung
Open-Loop bedeutet, dass diese Durchflusskontrollart ohne Sensoren und damit ohne Ist-Wert-Abgleich arbeitet. Man verlässt sich auf Datenblattangaben oder Erfahrungswerte.
Warum nicht gleich Closed-Loop?
Closed-Loop-Steuerungen haben den Vorteil eines Ist-Sollwert-Abgleichs mit einem Sensor. Bei Durchflussregelungen wird aufgrund der höheren Kosten eines Durchflusssensors oft abgewogen, ob sich eine Open-Loop-Steuerung nicht auch realisieren lässt.
| Open-Loop | Closed-Loop | |
|---|---|---|
| Istwert | kein Sensor | Druck-, Durchfluss- oder Wegsensor |
| Genauigkeit | typisch 3–5 % | deutlich enger, abhängig vom Sensor |
| Kosten | niedrig (Ventil + PWM) | höher durch Sensor und Regelung |
| Störungen | Druck, Temperatur, Hysterese bleiben stehen | werden ausgeregelt |
Closed-Loop lohnt sich, wenn der Prozess die Abweichung nicht verträgt. Für viele Dosier- und Geschwindigkeitsaufgaben reicht Open-Loop mit sauberer PWM-Ansteuerung.
Das Proportionalventil
Das Proportionalventil ist ein modifiziertes direktgesteuertes Sitzventil. Es enthält Stick-Slip-freie Dichtungen. Das Ventilinnere wurde modifiziert, um einen "Schwebezustand" des Stössels zu ermöglichen. Zusätzlich wurde die Spule angepasst, um das PWM-Signal optimal zu handhaben.
Ansteuerung mit PWM
Es existieren mehrere Ansteuerungsarten für Proportionalventile. Die PWM-Lösung wird bevorzugt, da sie die stabilste ist. PWM (Puls-Weiten-Modulation) ist eine Steuerung, bei der die gewählte Spannung (z.B. 24V) in einem Zeitraum (z.B. während 50%) unterbrochen und wieder eingeschaltet wird. Dies verringert die Durchschnittsspannung während der gesamten Zeitperiode. Dadurch verringert sich der Strom proportional, was zu einer Verringerung der Magnetkraft im Ventil führt. Die Magnetkraft beeinflusst den Ventilanker, der beim Proportionalventil den Durchfluss steuert. Eine PWM-Steuerung ist einfach in der eigenen Steuerung zu implementieren, meist werden Frequenzen von 500-1000 Hz verwendet.
PWM praktisch umsetzen
- Frequenz meist 500–1000 Hz; zu niedriges PWM hörbar und unruhig, zu hohes PWM erzeugt mehr Verlustleistung in der Elektronik.
- Duty Cycle bestimmt die mittlere Spannung und damit die Magnetkraft.
- Strommessung im Treiber kompensiert die Spulenerwärmung: Bei gleichbleibendem Duty Cycle steigt der Strom, sobald der Widerstand der warmen Spule sinkt.
- Ein fertiges PWM-Modul für Magnetventile ist oft robuster als eine selbst gebaute Spannungsregelung.
Alternativen (Potentiometer, reine Spannungsregelung) erzeugen mehr Wärme und sind ungenauer. Deshalb bleibt PWM die bevorzugte elektrische Ansteuerung für Proportionalventile.
Alternative Ansteuerungsarten
Der Strom kann auch direkt mit einem Potentiometer gesteuert werden, jedoch ist diese Methode in der Praxis ungenauer und produziert mehr Wärme als die PWM-Steuerung.
Eine weitere Möglichkeit ist die direkte Spannungsregelung ohne PWM-Signal. Auch hier zeigt die Erfahrung, dass diese Methode ungenauer ist als eine PWM-Steuerung.
Genauigkeit der Open-Loop-Steuerung
Für eine möglichst genaue Sollwert-Erreichung müssen elektrische Ansteuerung und Proportionalventil aufeinander abgestimmt werden. Es existieren verschiedene Störfaktoren und Variablen. Eine Genauigkeit von etwa 3-5% kann erreicht werden, je nach Ventil und Ansteuerung. Die Hysterese bei den meisten Ventilen beträgt 5-10%, wird aber meist nicht kompensiert.
Minimierung elektrischer Variablen
Bei der elektrischen Steuerung muss die Proportionalventil-Spulen-Erwärmung kompensiert werden. Die Spule erwärmt sich mit der Zeit bis zu einem gewissen Punkt. Die Ventilspule kann bis 80°C an der Oberfläche erreichen. Durch die höhere Temperatur steigt der elektrische Widerstand in der Spule. Bei konstanter Spannung sinkt der Strom, die Magnetkraft nimmt ab und der Durchfluss weicht vom Sollwert ab. Deshalb sollte die PWM-Steuerung den Strom messen und nachführen, statt nur den Duty Cycle festzuhalten.
Minimierung pneumatischer Variablen
Auf der pneumatischen Seite ist es wichtig, den Druck möglichst genau einzustellen. Normalerweise reicht ein Membrandruckregler aus. Ein Präzisionsdruckregler ist meist nicht erforderlich. Der Durchfluss am Eingang des Proportionalventils muss höher sein als der maximale Sollwert am Ventilausgang. Empfehlenswert ist ein Sicherheitsfaktor von 2x.
Fazit
Eine Proportionalventil-Steuerung mit Open-Loop ist nicht ganz einfach, aber mit dem richtigen Know-how durchaus machbar. Es kann sich wirtschaftlich lohnen, die Open-Loop-Variante der Closed-Loop-Variante vorzuziehen. Mit dieser Methode kann eine Genauigkeit von 3-5% erreicht werden.
Häufige Fragen
Wie steuert man ein Proportionalventil elektrisch an?
Üblich ist PWM mit 500–1000 Hz auf die Ventilspule. Der Duty Cycle setzt die mittlere Spannung; eine Stromregelung hält die Magnetkraft trotz Spulenerwärmung konstant.
Wann reicht Open-Loop, wann braucht man Closed-Loop?
Open-Loop reicht, wenn 3–5 % Abweichung akzeptabel sind und Vordruck plus Durchflussreserve stimmen. Closed-Loop mit Sensor ist nötig, wenn Last, Druck oder Temperatur stark schwanken.
Welche PWM-Frequenz ist für Magnetventile üblich?
In der Pneumatik sind 500–1000 Hz ein praxisnaher Bereich. Die genaue Frequenz hängt von Spuleninduktivität und Treiber ab; der Strom, nicht nur die Spannung, sollte geführt werden.