Warum nutzen Industriemaschinen Pneumatik statt Elektrik?
Oct 24, 2023
Warum nutzen Industriemaschinen Pneumatik statt Elektrik?
Pneumatiklösungen haben gegenüber elektrischen Lösungen besondere Vorteile hinsichtlich Leistungsdichte, Zuverlässigkeit, Hygiene, Explosionssicherheit und Feuchtigkeitsbeständigkeit. In bestimmten industriellen Situationen sind pneumatische Lösungen kostengünstiger, zuverlässiger oder sicherer als elektrische.
Wenn jedoch die oben genannten besonderen Anforderungen wie Größe und Gewicht, Widerstandsfähigkeit gegen raue Beanspruchung, Explosionsschutz und Feuchtigkeitsbeständigkeit entfernt werden, ist der elektrische Antrieb in allgemeinen Industrieszenarien praktischer:
① Die Steuerung ist sehr praktisch (Gas ist komprimierbar, Pneumatik ist zu weich und schwer zu steuern; Hydraulikdruck ist in Ordnung);
② Drähte sind bequemer und platzsparender als Rohre, und es besteht keine Notwendigkeit, über eine Abdichtung nachzudenken.
③ Das Steuerungssystem ist im Allgemeinen einfacher und bietet Kostenvorteile. Beispielsweise können mehrkanalige elektrisch angetriebene Schaltaktoren direkt von der SPS gesteuert werden, während die pneumatische Stromversorgung zunächst die SPS verwenden muss, um mehrere Magnetventile (d. h. Ventilinseln) zu steuern, und dann steuern die Magnetventile die Aktoren, wodurch ein weiteres entsteht Kontrollebene. Das System ist komplex und kostspielig.
In vielen Industrieprojekten, an denen ich beteiligt war, sind die Vorteile der Pneumatik folgende:
1. Hohe Leistungsdichte, leicht und kompakt.
Bei gleichem Systemgewicht und gleicher Systemgröße ist die Leistung, die pneumatische und hydraulische Systeme übertragen können, im Allgemeinen größer als die von elektrischen Systemen. Dies liegt vor allem daran, dass Fluidaktuatoren wie Zylinder und Hydraulikzylinder einfache Strukturen und meist Direktantriebslasten haben. Allerdings verfügen Motoren gleicher Leistung über eine große Masse an Magneten und Kupferdrähten und es muss auf die Wärmeableitung geachtet werden. Generell muss zwischen Motor und Last zusätzlicher Platz vorhanden sein. Das Volumen und das Gewicht eines Reduzierers sind im Allgemeinen größer als bei einem Gas-Flüssigkeits-Aktuator gleicher Leistung.
2. Einfach, zuverlässig und langlebig.
Der Hauptgrund ist wie unter 1 erwähnt. Im Allgemeinen ist der Übertragungsmechanismus pneumatischer Systeme einfacher als der elektrischer Systeme. Neben der unter Punkt 1 erwähnten Kompaktheit und dem geringen Gewicht bietet es noch einen weiteren Vorteil: weniger potenzielle Fehlerquellen und eine höhere Systemzuverlässigkeit.
Darüber hinaus bringt die Flüssigkeitsübertragung auch eine angeborene Fähigkeit mit sich: den Überlastungsschutz. Druckluftwerkzeuge beschädigen die Werkzeuge im Allgemeinen nicht, elektrische Schraubendreher und elektrische Bohrmaschinen brennen jedoch den Motor aus, wenn sie über einen längeren Zeitraum blockiert sind. Pneumatische und hydraulische Betätigungsgeräte sind außerdem sehr widerstandsfähig gegen mechanische Einwirkungen, wie beispielsweise eine plötzliche Bremsung. Oder wenn Sie gegen etwas stoßen, wird das Betätigungssystem selten beschädigt, aber das elektrische Antriebssystem, das vom Motor und dem Untersetzungsgetriebe angetrieben wird, beschädigt mit hoher Wahrscheinlichkeit die Zahnräder.
Die Überlastschutzfunktion des Flüssigkeitsübertragungssystems beruht auf zwei Aspekten: 1. Die Flüssigkeit ist von Natur aus flexibel und elastisch und das System verfügt über natürliche Pufferfähigkeiten. 2. Der Flüssigkeitskreislauf ist im Allgemeinen mit Flüssigkeitsschutzkomponenten wie Überdruckventilen ausgestattet, die automatisch Schutzmaßnahmen ergreifen, um die maximale Leistung des Systems automatisch zu klemmen.
Die angeborene Fähigkeit des Überlastschutzes verbessert die Zuverlässigkeit des Systems weiter. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass pneumatische und hydraulische Geräte im Allgemeinen stärker und langlebiger sind als elektrische Geräte.
3. Gesundheit findet vor allem in den Bereichen Ernährung und Medizin statt.
Motoren erfüllen im Allgemeinen nicht die Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen für Lebensmittel und Arzneimittel: verschiedene Isolierfarben, Klebstoffe und Seltenerdlegierungen. Es gibt auch verschiedene unterstützende elektrische Geräte, Kabel, elektronische Steuerungen und Anschlüsse. Unterstützende mechanische Getriebeausrüstung, Untersetzungsgetriebe und Getriebekomponenten. Zusätzlich zu den verschiedenen Materialien in Elektrogeräten, die giftig riechen, erfüllen auch die verschiedenen Schmierfette, Dichtungen und Klebstoffe in Maschinen nicht die Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheitsstandards.
Aufgrund der Einschränkungen der Materialwissenschaft ist es von Natur aus schwierig, mit bestehenden elektromechanischen Systemen Lebensmittel- oder sogar Pharmasicherheit zu erreichen, wenn sie die Leistungsanforderungen erfüllen sollen: Giftige Materialien sind schwer zu umgehen. Wenn Sie es tun müssen, können Sie sich nur auf die Abdichtung verlassen: Versiegeln Sie alle Geräte, die nicht aus sicheren Materialien hergestellt werden können, und verwenden Sie für exponierte Teile Materialien in Lebensmittel- und Arzneimittelqualität.
Diese Art von Produktionslinien laufen jedoch kontinuierlich, und viele Produktionslinien laufen sogar 24 Stunden lang ununterbrochen. Können diese Dichtungen einer derart intensiven Nutzung standhalten und gleichzeitig die Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheit erfüllen? Beispielsweise muss die Wellendichtung eines Motors mit Zehntausenden von Umdrehungen nicht nur eine gute Leistung erbringen, äußerst zuverlässig sein und einem Dauerbetrieb rund um die Uhr standhalten, sondern auch die im gesamten Dichtungssystem verwendeten Materialien müssen lebensmittelecht und langlebig sein Arzneimittelqualität. Es ist sehr schwierig, die Anforderungen an die Lebensmittel- und Arzneimittelqualität zu erfüllen, und selbst wenn dies erreicht werden kann, ist es immer noch sehr teuer.
Pneumatische MaschinenIm Allgemeinen werden Edelstahl oder Aluminiumlegierung, mehrere Dichtungsringe und mehrere Kunststoffrohre verwendet. Es sind nicht viele Arten von Materialien erforderlich und elektrische Anforderungen wie Isolierung und Magnetismus werden nicht berücksichtigt. Die mechanischen Anforderungen an Dichtungen aufgrund der intermittierenden Einwirkung sind nicht so hoch. Es ist anspruchsvoll in Bezug auf die Materialien und es ist für das gesamte System einfacher, die Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen für Lebensmittel und Arzneimittel zu erfüllen. Es ist derzeit die ausgereifteste Lösung.
Darüber hinaus brennt es nicht durch Überlastung aus, wodurch auch ein großes Gesundheits- und Sicherheitsrisiko vermieden wird. Das Material selbst entspricht den Gesundheits- und Sicherheitsstandards. Selbst wenn etwas kaputt geht, Schlacke in das Produkt fällt oder Gas austritt, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass es aufgrund von Verunreinigungen nicht zu Qualitäts- und Sicherheitsunfällen kommt. Dies nennt man Eigensicherheit. Daher ist es mit pneumatischen Systemen einfacher und kostengünstiger, Lebensmittel- und Pharmasicherheit zu erreichen als mit elektrischen Systemen, weshalb pneumatische Komponenten in den Produktionslinien dieser beiden Branchen weit verbreitet sind.
Bei vielen elektrischen Geräten besteht theoretisch die Möglichkeit einer Funkenbildung während des Gebrauchs, etwa beim Einstecken, Herausziehen und Lösen von Anschlüssen, verschiedene Spulen erzeugen eine gegenelektromotorische Kraft und Kondensatoren auf Leiterplatten können plötzlich explodieren. Es wäre sehr gefährlich, wenn ein Brand in einer brennbaren und explosiven Umgebung, wie etwa einer Ölraffinerie oder einem Kohlebergwerk, ausbricht. Daher verfügen die in solchen Fällen verwendeten elektrischen Geräte über ein technisches Niveau, das als „Explosionsschutzniveau“ bezeichnet wird. Elektrische Geräte, die die Anforderungen dieser Stufe erfüllen, müssen speziell konstruiert sein, um sicherzustellen, dass jede elektrische Verbindung keinen Funken erzeugt, oder um sicherzustellen, dass die Zündung auch dann von der explosiven Umgebung isoliert ist, wenn sie abgedichtet und isoliert ist. Es erfordert viel Personal und Materialressourcen, um diese Designs zu erstellen und diese Testzertifizierungsstufen zu bestehen. Daher sind elektrische Geräte mit Explosionsschutz in der Regel viel teurer als gewöhnliche elektrische Geräte mit den gleichen Spezifikationen und können sogar um ein Vielfaches schlechter sein.
Solange das Gas in pneumatischen Geräten ordnungsgemäß gereinigt ist, keine brennbaren Gase vermischt sind und es nicht zu einer direkten Kollision von Metallen kommt, besteht grundsätzlich keine Möglichkeit einer Funkenbildung. Das Gleiche gilt für hydraulische Geräte. Daher kann in Situationen mit explosionssicheren Anforderungen die Verwendung von Gas- oder Hydraulikdruck als Energiequelle und die Platzierung der Pumpen, Magnetventile und anderer elektrischer Geräte, die die Aktuatoren antreiben, in einem entfernten Pumpenraum, der von der explosionsgefährdeten Umgebung isoliert ist, den Einsatz teurer Explosionen vermeiden -sichere Ausrüstung. elektrische Ausrüstung, wodurch das Ziel der Reduzierung der Systemkosten erreicht wird.
Darüber hinaus sind für einige kundenspezifische Spezialanwendungen möglicherweise keine vorgefertigten explosionsgeschützten elektrischen Geräte verfügbar. In diesem Fall ist der Gas-Flüssigkeits-Antrieb möglicherweise die einzige Option.
5. Wasserdicht und feuchtigkeitsbeständig.
Elektrische Geräte, die in industriellen Automatisierungsumgebungen verwendet werden, sind im Allgemeinen untrennbar mit Niederspannungs-Gleichstrom verbunden. Zum Beispiel das Antreiben von Magnetventilen, das Antreiben von Relais, das Antreiben kleiner Motoren und ganz zu schweigen vom Mikrocontroller selbst. Allerdings gibt es bei Gleichstrom ein großes Problem: Er ist anfällig für elektrochemische Korrosion.
Gleichstromkreise, die feuchten Umgebungen ausgesetzt sind, sind anfällig für diese Situation: Feuchtigkeit kondensiert auf den Leitern und bildet lokale Lösungsansammlungen, und auf den Leitern kommt es zu elektrochemischer Korrosion, die durch Gleichspannung verursacht wird. Obwohl der Antriebsstrom am Magnetventil beispielsweise eine PWM-Welle ist, werden Sie bei einer Tiefpassfilterung feststellen, dass er eine große Gleichstromkomponente aufweist. Im Bereich der industriellen Steuerung gibt es neben dem Stromkreis nicht viele strenge Gleichströme in anderen Stromkreisen. Die meisten davon sind Wellenformsignale wie PWM. Diese Wellenformen, insbesondere die Wellenformen des Stromkreises, enthalten jedoch einen großen Gleichstromanteil und werden daher durch Feuchtigkeit beeinflusst. In der Umwelt kommt es zu elektrochemischer Korrosion. Der wahrscheinlichste Ort, an dem diese Art von elektrochemischer Korrosion auftritt, sind verschiedene Kabelverbindungen. Daher sollte bei der Verdrahtung von Gleichstromkreisen so weit wie möglich auf Schweißen zurückgegriffen werden. Das direkte Zusammenwickeln von Metalldrähten ist sehr unzuverlässig. Entweder rostet es und bricht nach ein paar Tagen, oder es kommt nach einer Weile zu schlechtem Kontakt. Im Gegenteil, der reine Wechselstromkreis weist eine starke Korrosionsbeständigkeit auf.
Bei pneumatischen und hydraulischen Geräten gibt es dieses Problem natürlich nicht. Grundsätzlich ist es von Natur aus feuchtigkeitsbeständig:
① Es ist nicht aufgeladen, es gibt kein Problem der elektrochemischen Korrosion des Elektroantriebs und es besteht keine Notwendigkeit, die Leitfähigkeit zu berücksichtigen. Alle Metallmaterialien können rostfreier Edelstahl oder eine Aluminiumlegierung sein;
② Die Innenumgebung ist mit Arbeitsmedium (Druckluft, Hydrauliköl) gefüllt und steht unter Überdruck, und der Arbeitsflüssigkeitskreislauf ist mit Trocknungs- und Entfeuchtungsgeräten (z. B. einem Kältetrockner) verbunden, sodass das Innere des Hauses dies nicht tut durch Feuchtigkeit aus der äußeren Umgebung beeinflusst werden. Beeinflusst. Daher sind viele Betätigungsmechanismen automatischer Autowaschräume hydraulisch, da sich überall Wasser befindet. Ähnlich verhält es sich in der Lebensmittelindustrie, doch um Verunreinigungen durch hydraulische Medien zu vermeiden, kommt Pneumatik zum Einsatz.
Es ist nicht so, dass elektrische Geräte nicht in feuchtigkeitsbeständige Geräte umgewandelt werden können, aber die Abdichtung hat ihren Preis: Wasserdichte Geräte sind definitiv viel teurer als nicht wasserdichte Geräte. In Verbindung mit den oben aufgeführten Vorteilen (z. B. Hygiene) kann die Pneumatik in bestimmten Anwendungsszenarien (z. B. in einigen Werkstätten für die Lebensmittelverarbeitung mit hoher Luftfeuchtigkeit) einen Kostenvorteil bieten.
Kurz gesagt, elektronische Steuerung ist ein großer Trend. Die Lösungen auf dem Markt sind umfangreich und ausgereift und werden in Zukunft noch ausgereifter und kostengünstiger. Das pneumatische System bietet nur in Einzelfällen bei besonderen Anforderungen komparative Vorteile. Solange keine besonderen Anforderungen wie Lebensmittelhygiene, Schlagfestigkeit, Explosionssicherheit und Feuchtigkeitsbeständigkeit bestehen, sollte daher bei der Auslegung der Anlage dennoch der elektrischen Anlage Vorrang eingeräumt werden.
