Elektrohydraulische Pumpenregelung HPC von Rexroth

Pumpenregelungen – simpel oder intelligent?

Regelpumpen haben einen festen Platz in der Hydraulik. Ihr Vorteil: Sie stellen nur soviel Förderstrom bzw. Leistung zur Verfügung, wie für die vorgegebene Bewegungsaufgabe nötig ist. Doch welche Pumpenausführung eignet sich für welche Anwendung? Mechanisch-hydraulisch oder elektrohydraulisch? Wo liegen die Unterschiede?

Pumpenregelfunktionen von Rexroth

Bild 1: Pumpenregelfunktionen

Die Vor- und Nachteile der beiden Pumpenregelungstypen lassen sich gut am Beispiel einer Volumensteuerung in einer Ziehpresse erklären. Der hydraulische Antrieb des Zylinders basiert auf einer Verstellpumpe, die im offenen Kreislauf arbeitet. Das Fördervolumen beträgt 250 cm3, der Nenndruck 350 bar. Das mechanische Eingangssignal wird hydraulisch verstärkt. Auf die Pumpe kommen dabei drei typische Regelaufgaben zu: Förderstromregelung (N- bzw. S-Funktion), Leistungsregelung (LR-Funktion) und Druckregelung (G-Funktion).

 

01) Mechanisch-hydraulisch: einfach, aber limitiert

Das mechanische Eingangssignal vom Handhebel wird hydraulisch verstärkt. In diesem Fall wird der Volumenstrom per Load-Sensing geregelt. Dabei wird der Pumpenschwenkwinkel unabhängig von der am Verbraucher auftretenden Last durch ein Load-Sensing-Ventil nachgeführt, das auf ein Δp von 20 bar eingestellt ist. Die Geschwindigkeit am Verbraucher bleibt somit konstant.

Der Nachteil: Die Drosselung des Volumenstroms am Pumpenausgang geht mit einer Verlustleistung einher, die sich vollständig in Wärme umwandelt und den Kühlbedarf erhöht. Vorteilig ist dagegen der einfache Aufbau, der nicht einmal eine Steuerölpumpe benötigt, da die Verstellenergie dem Hochdruck entnommen wird. Aufgrund des stetigen Δp von 20 bar ist ferner auch die Stromregelung bei kleinen Drücken möglich.

Leistungsregler steigern Komplexität

Der Bedarf für eine zusätzliche Steuerölpumpe ist dann gegeben, wenn die Ziehpresse – etwa aus sicherheitstechnischen Gründen – einen Volumenstrom Null bei kleinem Gegendruck (maximal 4 bar) voraussetzt. Es sind weitere Komponenten für die Realisierung des Leistungsregler notwendig.

 

02) Elektrohydraulische Pumpenregelung

Datenerfassung und Abgleich durch Regelelektronik Eleganter ist demgegenüber ein elektrohydraulisches System mit nur einem schnellen Regelventil an der Pumpe und ergänzender Regelelektronik. Die geregelten Größen (Weg, Kraft und Geschwindigkeit) entsprechen den analogen hydraulischen Größen Volumenstrom und Druck.

Das Prinzip: Ein Schwenkwinkelaufnehmer auf dem Stellkolben und ein separater bzw. angebauter Druckaufnehmer erfassen die Ist-Werte von Förderstrom und Druck. Nach Vergleich mit den vorgegebenen Sollwerten führt die Steuerung alle Aufgaben der Strom-, Druck- und Drehmomentenbegrenzung aus und gibt eine Sollwertgröße an das Ventil. Bild 2 zeigt verschiedene Pumpenregelsysteme, die jeweils autarke Subsysteme bilden und über entsprechende Schnittstellen an die Maschinensteuerung angeschlossen werden.

Heute stehen bereits eine Vielzahl von Motion Controls und NC-Steuerungen für hydraulische Aktoren zur Verfügung. Sie umfassen schaltschranklose Einachsregler, bei denen die Steuerelektronik komplett im Ventil integriert ist, bis hin zu schaltschrankbasierten
Mehrachsregelern für komplexe Aufgaben. Darüber hinaus verbessern intelligente Pumpenregler die Systemleistung. Diese Steuerungen kommunizieren über die etablierten Feldbusse oder Ethernet-Protokolle mit übergeordneten Systemen und können mit diesen offenen Standards vollständig in Industrie 4.0-Architekturen eingebunden werden – damit ist die intelligente, vernetzbare Hydraulik vollständig Industrie 4.0 fähig.

Pumpenregelsysteme mit offenem Kreislauf (li.) und mit geschlossenem Kreislauf (re.) von Rexroth

Bild 2: Pumpenregelsysteme mit offenem Kreislauf (li.) und mit geschlossenem Kreislauf (re.)

 

Elektrohydraulische Pumpenregelung HPC (re.) und Axialkolbenpumpe mit HS5-Verstellung (li.) von Rexroth

Bild 3: Elektrohydraulische Pumpenregelung HPC (re.) und Axialkolbenpumpe mit HS5-Verstellung (li.) von Rexroth

03) Entscheidungshilfe: Auswahl der Regelungsart

Ob letztlich die mechanisch-hydraulische oder elektrohydraulische Variante die bessere Wahl für die jeweilige Anwendung darstellt, hängt zunächst von der zu regelnden physikalischen Größe ab. Volumenstrom und Druck lassen sich auf beide Arten regeln. Für eine Begrenzung des Drehmoments erfordert die mechanisch-hydraulische Methode jedoch einen zusätzlichen Leistungsregler, der den Volumenstrom bei gleichbleibendem Druck verändert und gleichzeitig die Komplexität der Hydraulik erhöht.

Master-Slave-Pumpenkombinationen

Eine für viele Anwendungen interessante Master-Slave Pumpenkombination ist ausschließlich mit einer elektrohydraulischen Regelung machbar, erlaubt aber kombinierte Pumpensysteme mit besonderen Eigenschaften. Hält etwa die Masterpumpe durch früheres Ausschwenken der Pumpe ab einem gewissen Zeitpunkt einen bestimmten Volumenstrom vor, kann sie bereits beim Loslaufen des
Motors auf vollem Schwenkwinkel stehen und ins System fördern, was wiederum die Geschwindigkeit und Präzision der Anwendung erhöht.

Wie dynamisch und akkurat soll die Pumpe sein? Weitere Entscheidungskriterien bilden die geforderte Dynamik und Präzision. Ist etwa eine besonders hohe Dynamik mit bis zu 80ms gewünscht, bietet sich eine primärgeregelte Pumpe an. Bezüglich Präzision überzeugen elektrohydraulische Regelsysteme mit einer Wiederholgenauigkeit von <= 0,2 % beim Druck und einer Linearitätsabweichung beim Schwenkwinkel von <= 1 %. Im Vergleich dazu bringen es mechanisch-hydraulische Regelungen auf etwa +/- 1,5 % Wiederholgenauigkeit beim Druck und eine Linearitätstoleranz von 2,5 bis 7 % von Vgmax. Alle Werte gelten für eine konstante Betriebstemperatur von 50°.

Fazit

Die Stärke der mechanisch-hydraulischen Pumpenregelung liegt in ihrer Einfachheit. Allerdings überzeugt sie auch nur in entsprechend eindeutigen Anwendungsfällen. Mit steigenden Anforderungen hinsichtlich Funktion, Präzision und Energieeffizienz führt kein Weg an elektrohydraulischen Regelsystemen vorbei, die eine bedarfsgerechte Druck und Förderstromregelung mit hoher Regelgüte erlauben. Weil sich digitale Regelelektronik mit integrierter Multi-Ethernet-Schnittstelle darüber hinaus in verschiedenste Strukturen einfügen kann, schafft sie letztendlich auch die Voraussetzungen für die zunehmend geforderte Vernetzung im Sinne von Industrie 4.0.

Sie wollen mehr über eine elektrohydraulische Pumpenregelung erfahren: www.boschrexroth.de/hpc

Entscheidungshilfe zur Auswahl der Pumpenregelungsart - Rexroth

Infografik: Entscheidungshilfe zur Auswahl der Pumpenregelungsart

 

Über den Autor:

Martin Endres ist Fachreferent im Bereichs Vertrieb, Produktmanagement & Marketing für die Industriehydraulik bei der Bosch Rexroth AG. Hier übernahm er die Aufgabe „Motion Control für hydraulische Antriebe“ Nach dem Elektro-Studium 1994, arbeitete er als Systemeingenieur im Außendienst und nahm weltweit analoge und digitale Regelsysteme für elektrohydraulische Antriebe in Betrieb. 2005 wechselte er in vertriebliche Produktmanagement.

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