Direkte und indirekte Ansteuerung

Ein Pneumatikzylinder bewegt sich nicht von selbst. Damit er ausfährt, muss Druckluft auf die richtige Kolbenseite gelangen — und genau dafür sorgt ein Wegeventil, das man sich als Schalter für die Luft vorstellen kann. Es öffnet und sperrt Wege, über die die Arbeitsluft fließt. Die Bezeichnung und innere Funktion dieser Ventile ist ein Thema für sich; hier interessiert nur, wie das Schaltsignal zum Ventil kommt.

An dieser Stelle lohnt sich eine Unterscheidung, die den ganzen Beitrag trägt. In jeder Steuerung gibt es ein Steuerglied — das ist das Ventil, das den Befehl aufnimmt, etwa ein Handhebel, ein Rollenhebel oder ein Taster. Und es gibt ein Stellglied — das Ventil, das die Arbeitsluft tatsächlich zum Zylinder durchschaltet. Bei der direkten Ansteuerung fallen Steuerglied und Stellglied in einem einzigen Ventil zusammen. Bei der indirekten Ansteuerung sind es zwei getrennte Ventile, die über eine Steuerleitung verbunden sind.

Warum macht man diesen Unterschied überhaupt? Weil das Steuersignal und der Arbeitsluftstrom ganz unterschiedliche Anforderungen haben. Das Signal soll leicht auszulösen sein — niemand will mit großer Kraft an einem Hebel ziehen oder einen Taster mit Gewalt drücken. Der Arbeitsluftstrom dagegen soll kräftig sein, damit der Zylinder schnell und mit voller Kraft arbeitet. Direkt und indirekt sind zwei Antworten auf die Frage, wie man beides unter einen Hut bringt.

Bei der direkten Ansteuerung schaltet das Betätigungsventil die Arbeitsluft ohne Umweg zum Zylinder. Drückt jemand den Taster oder legt den Hebel um, fließt sofort die volle Arbeitsluft zur entsprechenden Kolbenseite. Steuerglied und Stellglied sind ein und dasselbe Ventil — der Befehl und die Leistung laufen durch denselben Weg.

Ein einfaches Beispiel: Ein doppeltwirkender Zylinder soll per Handhebel aus- und eingefahren werden. Man nimmt ein 4/2-Wegeventil mit Handhebelbetätigung, schließt den Druckluftanschluss an, führt die beiden Arbeitsanschlüsse direkt zu den Zylinderkammern und legt den Hebel um. Der gesamte Luftstrom, der den Zylinder bewegt, geht durch dieses eine Ventil.

Das folgende Schaltbild zeigt den Signalfluss bei direkter Ansteuerung. Die normgerechte Zeichnung nach ÖNORM ISO 1219 wird hier vorausgesetzt und im eigenen Beitrag zu Pneumatik-Schaltplänen ausführlich behandelt — entscheidend ist hier nur, dass Befehl und Arbeitsluft durch dasselbe Ventil laufen.

So einfach dieser Aufbau ist, so klar sind seine Grenzen. Weil das Betätigungsventil die volle Arbeitsluft führen muss, bestimmt die benötigte Zylindergröße direkt die nötige Ventilgröße. Ein Origami Zylinder braucht viel Luft pro Zeit, also ein Ventil mit großer Nennweite. Ein solches Ventil hat größere innere Querschnitte, und damit steigt auch die Kraft, die man zum Umschalten braucht. Bei einem großen handbetätigten Ventil kann das spürbar schwergängig werden.

Dazu kommt die Frage der Entfernung. Sitzt das Bedienelement weit vom Zylinder entfernt, müssen die Arbeitsleitungen über die ganze Strecke den vollen Querschnitt haben. Lange Leitungen mit großem Querschnitt sind teuer, und das in ihnen gespeicherte Luftvolumen bremst die Reaktion des Zylinders. Direkte Ansteuerung ist deshalb dort zu Hause, wo der Zylinder klein bis mittelgroß ist und das Bedienelement nahe dabei sitzt.

Bei der indirekten Ansteuerung wird die Arbeit auf zwei Ventile aufgeteilt. Ein kleines, leicht zu betätigendes Signalventil — das Steuerglied — erzeugt nur ein schwaches Steuersignal. Dieses Signal läuft über eine dünne Steuerleitung zu einem größeren Ventil, dem Stellglied, das die volle Arbeitsluft zum Zylinder durchschaltet. Das kleine Signal löst also einen großen Luftstrom aus, ohne ihn selbst führen zu müssen. Diesen Vorgang nennt man Vorsteuerung.

Der Trick steckt darin, dass das Stellglied nicht von Hand, sondern durch Druckluft umgeschaltet wird. Das Signalventil leitet einen kleinen Steuerdruck auf die Steuerseite des großen Ventils, und dieser Steuerdruck verschiebt den Ventilkolben. Die Kraft zum Umschalten kommt damit aus der Druckluft selbst, nicht aus der Hand des Bedieners.

Das folgende Schaltbild zeigt den Signalfluss: ein kleines Signal vom Steuerglied über die Steuerleitung zum Stellglied, das dann die volle Arbeitsluft führt. Die normgerechte Darstellung nach ÖNORM ISO 1219 ist Sache des eigenen Schaltplan-Beitrags.

Aus dieser Aufteilung ergeben sich gleich mehrere Vorteile. Erstens ist die Betätigungskraft am Bedienelement klein und unabhängig von der Zylindergröße — egal wie groß das Stellglied ist, der Bediener drückt immer nur das kleine Signalventil. Zweitens lassen sich große Leistungen schalten, weil das Stellglied beliebig groß dimensioniert sein darf. Drittens kann das Bedienelement weit entfernt sitzen, denn über die dünne Steuerleitung läuft nur ein kleines Signal; nur die kurze Arbeitsleitung zwischen Stellglied und Zylinder braucht den vollen Querschnitt. Das macht auch eine echte Fernsteuerung möglich.

Ein besonderer Fall der indirekten Ansteuerung ergibt sich, wenn das Stellglied von zwei Seiten mit Steuerdruck beaufschlagt werden kann — ein sogenanntes Impulsventil oder doppelt vorgesteuertes Ventil. Ein solches Ventil hat eine Speicherwirkung: Es bleibt nach einem kurzen Steuerimpuls in seiner zuletzt eingenommenen Stellung, auch wenn das Signal längst wieder weg ist. Erst ein Impuls von der anderen Seite kippt es zurück. Damit kann eine Anlage ihren Schaltzustand „merken“, ohne dass ein Bediener dauerhaft einen Taster gedrückt halten muss.

Wird das Steuersignal nicht von einem Druckluftventil, sondern von einem elektrischen Magnetventil erzeugt, spricht man von Elektropneumatik. Das ist eine eigene Welt mit eigenen Bauteilen und wird gesondert behandelt; das Grundprinzip — kleines Signal steuert großen Luftstrom vor — bleibt aber dasselbe.

Die Entscheidung zwischen direkter und indirekter Ansteuerung läuft in der Praxis auf einige klare Fragen hinaus. Erstens: Wie groß ist der Zylinder, wie viel Luft braucht er? Ein kleiner Zylinder lässt sich problemlos direkt ansteuern, ein großer verlangt nach einem großen Stellglied, das man nicht mehr bequem von Hand schaltet — also indirekt. Zweitens: Wie weit liegt das Bedienelement vom Zylinder entfernt? Bei kurzen Wegen spricht nichts gegen direkt, bei langen Wegen wird die dünne Steuerleitung der indirekten Lösung zum entscheidenden Vorteil.

Drittens spielt die nötige Betätigungskraft eine Rolle. Soll ein Bediener das Ventil oft und mühelos schalten, ist ein kleines Signalventil angenehmer als ein schwergängiges großes Handventil. Viertens stellt sich die Frage nach dem Speicherverhalten: Muss die Anlage ihren Zustand halten, ohne dass jemand dauerhaft einen Taster drückt, führt der Weg über ein doppelt vorgesteuertes Impulsventil — und damit zur indirekten Ansteuerung. Und fünftens: Gibt es mehrere Steuerstellen, von denen aus derselbe Zylinder bedient werden soll, lassen sich deren kleine Signale leichter zusammenführen als mehrere große Arbeitsluftströme.

Die folgende Übersicht fasst die Entscheidungskriterien zusammen.