Magnetventile vs. Lineare Aktuatoren: Die richtige Bewegungssteuerung für die industrielle Automatisierung wählen

Magnetventile (Solenoids) und lineare Aktuatoren sind Standardgeräte für industrielle Anwendungen. Im Wesentlichen steuern sie die Bewegung von Mechanismen oder Systemen, die Automatisierung erfordern. In Kombination mit einem Hauptcontroller und einem Rückmeldesignal ermöglichen sie präzisionsgesteuerte Bewegung.

 

Was ist ein Magnetventil (Solenoid)?

Der Begriff Solenoid bezeichnet in der Industrie ein Gerät, das ein Magnetfeld zum Betrieb benötigt. Es umfasst eine Leitungsspule, durch die ein elektrischer Strom fließen kann. Wenn der Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld, und ein metallischer Kolben im Inneren der Spule bewegt sich unter der Kraft des Magnetfeldes.

Wenn der Strom abgeschaltet wird, wird das Magnetfeld null. Der metallische Kolben steht nicht mehr unter der Kraft des Magnetfeldes und kann sich frei bewegen. Der Kolben ist mit einer Feder belastet, die ihn bei null Magnetfeld in seine Ausgangsposition zurückzieht.

 

Was ist ein linearer Aktuator?

Ein linearer Aktuator ist ein Gerät, das eine lineare Bewegung eines angeschlossenen mechanischen Aufbaus, meist einer Stange, erzeugt. Die lineare Bewegung wird mit einem eingebauten Motor ausgeführt, der über Zahnräder unterschiedlicher Größe und Übersetzung mit der linearen Stange verbunden ist. Während sich der Motor dreht, wandeln die Zahnräder die Drehbewegung in lineare Bewegung um.

Lineare Aktuatoren verwenden im Allgemeinen Gleichstrom (DC) bürstenbehaftete oder bürstenlose Motoren und eine DC-Stromversorgung, wie 12 VDC oder 24 VDC. DC-Motoren sind jedoch nicht zwingend erforderlich. Schrittmotoren und Induktionsmotoren können ebenfalls lineare Aktuatoren antreiben, abhängig von Last und Anwendung. Die Bewegungsrichtung des Aktuators kann einfach durch Umkehren der Polung der Stromversorgung an den Anschlüssen umgekehrt werden.

 

Abbildung 1. Ein linearer Aktuator. Bild mit freundlicher Genehmigung von Bola Systems

 

Lineare Aktuatoren enthalten Sensoren an beiden Enden (Minimum und Maximum), um den Hub der Stange an beiden Enden zu erfassen und, falls erforderlich, weitere Bewegungen zu stoppen, um Schäden an internen Komponenten zu verhindern. Die Geschwindigkeit des linearen Aktuators ist nicht hoch, aber er kann erhebliche Kraft liefern. Aus diesem Grund werden lineare Aktuatoren in Anwendungen eingesetzt, die Bewegung gegen gewichtete Gegenstände erfordern. Einige lineare Aktuatoren beinhalten auch Rückmeldesignale, die ihren Grenzbereich anzeigen.

Die lineare Stange kann sich nicht in ihre Ausgangsposition bewegen, wenn kein Strom fließt. Stattdessen benötigt sie Gleichspannung in entgegengesetzter Polarität, um die Stange zurück in die Ausgangsposition zu bewegen.

 

Vergleich von Magnetventilen und linearen Aktuatoren

Sehen wir uns einige Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Magnetventilen und linearen Aktuatoren an.

Gemeinsamkeiten

• Beide Geräte können einen anderen mechanischen Aufbau oder ein System aktivieren oder steuern.
• Beide Geräte können Bewegung mit Kraft liefern, was sie für Anwendungen geeignet macht, die einen kraftvollen, stabilen Betrieb erfordern.
• Die Ausgabe beider Geräte ist eine lineare Bewegung einer metallischen Stange.
• Sie bleiben aktiviert, solange eine angelegte Spannung anliegt; die Aktivierung stoppt, wenn die Spannung null wird.

Unterschiede

Einige Schlüsselbereiche, die Magnetventile und Aktuatoren voneinander unterscheiden, sind angelegte Spannung, Bewegungsrichtung und Rückmeldung.

Angelegte Spannung: Magnetventile benötigen Wechselstrom (AC) zur Aktivierung und Bewegung, da sie ein Magnetfeld für den Betrieb nutzen, und nur AC-Spannung kann das Magnetfeld erzeugen. Lineare Aktuatoren neigen dazu, DC-Motoren zu verwenden, die nicht mit AC-Spannung betrieben werden können.

Bewegungsrichtung: Magnetventile können nur Bewegung in eine Richtung erzeugen. Wenn keine Spannung anliegt, hört die Kraft auf, und der mechanische Kolben bleibt präsent, es sei denn, er ist mit einer Feder belastet, die ihn in seine Ausgangsposition zurückbringt.

 

Abbildung 2. Die grundlegende Bewegung eines linearen Aktuators. Bild mit freundlicher Genehmigung von Bcraig15

 

Lineare Aktuatoren können sich sowohl vorwärts als auch rückwärts bewegen. Dies wird durch Ändern der Polarität der angelegten Gleichspannung an den Aktuatoranschlüssen erreicht. Dies ermöglicht die Steuerung des angeschlossenen Aufbaus in beide Richtungen. Die Position des linearen Aktuators bleibt an seiner aktuellen Position fixiert, selbst bei Abwesenheit der angelegten Spannung.

Rückmeldung: Magnetventile erlauben nicht, die Kolbenposition zu verfolgen, noch kann Positionsrückmeldung implementiert werden, da die Bewegung in einer einzigen Stufe mit einer Maximalposition erfolgt. Stattdessen liefert die Rückmeldung vom extern angebrachten Aufbau oder mechanischen System den Status des Magnetventils und kann dieses überwachen.

Lineare Aktuatoren können direkte Rückmeldung über ihre Bewegung basierend auf ihren Minimal- und Maximalgrenzpositionen liefern. Die gesamte Bewegung kann auch mit externen Sensoren und Steuerkreisen verfolgt werden. Fortgeschrittene Versionen können auch integrierte Positionsrückmeldungsfunktionen ohne externe Komponenten oder Schaltungen haben.

 

Industrielle Anwendungen von Magnetventilen und linearen Aktuatoren

Sehen wir uns einige industrielle Anwendungen von Magnetventilen und linearen Aktuatoren an.

 

Magnetventile

Ventile: Magnetventile können in Kombination mit Ventilen eingesetzt werden, als Magnetventile (Solenoid Valves). Diese sind in industriellen Anwendungen üblich, wo Flüssigkeiten wie Wasser und Dampf involviert sind. Sie schalten Ventile EIN und AUS und bieten eine effektive Möglichkeit, die Flüssigkeitszufuhr ohne menschliches Eingreifen umzuschalten.

 

Abbildung 3. Magnetventile werden für industrielle Kälteanlagen verwendet. Bild mit freundlicher Genehmigung von Danfoss

 

Typische Anwendungsbereiche für Magnetventile umfassen Geräte für Lebensmittel & Getränke, Pharmazie, HLK und Versorgung.

Schütze und Relais: Die Magnetspule wird auch häufig in Schützen und Relais verwendet, die in der Entwicklung elektrischer und elektronischer Schaltungen eingesetzt werden. Die Magnetspule ist mit den Kontakten verbunden und kann diese schließen oder öffnen. Die Spule wird durch die externe Versorgungsspannung energisiert und de-energisiert, die normalerweise vom Hauptcontroller oder der SPS (PLC) kommt.

Bei Normally-Open (NO)-Kontakten werden die Kontakte geschlossen, wenn die Spule energisiert wird, und verbinden die Quellspannung mit den Anschlusskontakten. Ebenso werden bei De-Energisierung der Spule die Kontakte geöffnet, wodurch die Quellspannung von der Quelle getrennt wird. Bei Normally-Closed (NC)-Kontakten verhält es sich umgekehrt.

Verriegelungsmechanismus: Magnetspulen können auch als Verriegelungsmechanismus in der Fertigungsindustrie genutzt werden. Die Magnetspule aktiviert eine Verriegelung, wenn sie energisiert ist, und deaktiviert sie, wenn sie de-energisiert ist. Verriegelungsmechanismen können in verschiedenen Maschinenteilen eingesetzt werden, um Produktsicherheit oder Personensicherheit zu gewährleisten. Während die Maschine in Betrieb ist, aktiviert die Verriegelung und beschränkt den Zugriff auf bewegliche oder gefährliche Teile.

Beispielsweise beschränkt in Durchreicheboxen der Pharmaindustrie ein Verriegelungsmechanismus das Öffnen der Tür für einen bestimmten Zeitraum und verhindert das gleichzeitige Öffnen beider Seiten.

 

Lineare Aktuatoren

Sehen wir uns einige Anwendungsbereiche für lineare Aktuatoren an.

HLK: Lineare Aktuatoren sind ein integraler Bestandteil von HLK-Komponenten wie Luftbehandlungsgeräten (AHU), da die HLK-Regelung Änderungen verschiedener Parameter erfordert, wie Gebläsedrehzahl und Kaltwasserversorgung. In AHU öffnen und schließen lineare Aktuatoren Luftklappen, um den Luftstrom im Versorgungsbereich zu steuern.

Verpackungsmaschinen: Lineare Aktuatoren werden in Verpackungsmaschinen eingesetzt und beginnen, pneumatikbasierte Hubsysteme zu ersetzen. Sie führen viele Funktionen aus, einschließlich Einlegen und Verpacken.

Lineare Aktuatoren eignen sich am besten für Verpackungsvorgänge, da sie Funktionen mit Kraft ausführen können, was sie befähigt, gewichtete Gegenstände zu handhaben. Ihre Hubhöhe kann je nach Verpackungsanforderungen variieren, was die Verwendung von Objekten unterschiedlicher Abmessungen und Größen ohne Umrüstung ermöglicht. Dies hilft Maschinenbetreibern, Umrüstzeiten zu reduzieren und die Produktivität zu steigern. Weitere Vorteile sind einfache Reinigung und Wartung.

Die Entwicklung von SPS und Automatisierungssystemen hat es Maschinenherstellern ermöglicht, kosteneffektive und effiziente Maschinen anzubieten, was zum Gesamterfolg aller Branchen beiträgt. Automatisierungssysteme allein sind jedoch nicht ausreichend. Es erfordert mechanische Komponenten, die gemäß Prozessanforderungen agieren, mit einem Automatisierungssystem kompatibel sind und entsprechend kommunizieren können.

Magnetventile und lineare Aktuatoren sind zwei von vielen solchen mechanischen Komponenten. Sie werden in diversen Branchen eingesetzt, um Prozessparameter mit dem neuesten Automatisierungssystem zu liefern. Sie haben Herstellern ermöglicht, auf effiziente Systeme umzusteigen, indem sie weniger energieeffiziente und produktive Komponenten ersetzten.