Kaskadenschaltung

Stell dir zwei Zylinder vor, die nacheinander arbeiten sollen. Jeder wird über ein speicherndes 5/2-Wegeventil angesteuert – ein Signal an der einen Seite fährt aus, ein Signal an der anderen Seite fährt zurück. Die Signale kommen typischerweise von Rollenhebelventilen, die in den Endlagen der Zylinder betätigt werden.

Das Problem: Ein Rollenhebelventil bleibt betätigt, solange der Zylinder in seiner Endlage steht. Es liefert also ein Dauersignal. In einem mehrgliedrigen Ablauf kommt es dadurch vor, dass an einem Steuerventil gleichzeitig das Setz- und das Rücksetzsignal anliegen. Das Ventil bekommt widersprüchliche Befehle und der Ablauf blockiert oder reagiert nicht mehr eindeutig. Dieses Phänomen heißt Signalüberschneidung und wird in einem eigenen Beitrag ausführlich behandelt – hier reicht: Sie ist der Grund, warum man bei mehr als einem Zylinder eine durchdachte Steuerung braucht.

Die Grundidee der Kaskadenschaltung ist einfach: Wenn nie zwei widersprüchliche Signale gleichzeitig Druck haben dürfen, dann schaltet man die Druckluft so um, dass zu jedem Zeitpunkt nur ein Teil der Signalleitungen versorgt wird. Ein Signal, dessen Leitung gerade drucklos ist, kann nicht stören – auch wenn das zugehörige Rollenventil noch betätigt ist.

Der erste Schritt ist immer derselbe: Du schreibst den gewünschten Bewegungsablauf als Buchstabenkette an. Jeder Zylinder bekommt einen Buchstaben (A, B, C …). Ausfahren ist „+“, Einfahren ist „−“.

Ein typischer Ablauf mit zwei Zylindern sieht so aus:

A+ B+ B− A−

Zylinder A fährt aus, B fährt aus, B fährt wieder ein, A fährt wieder ein. Jetzt wird der Ablauf in eine Gruppe je Abschnitt geteilt. Es gilt eine einzige Regel:

In einer Gruppe darf jeder Buchstabe nur einmal vorkommen. Sobald ein Buchstabe ein zweites Mal auftaucht, beginnt eine neue Gruppe.

Wenden wir das an:

Gruppe I: A+ B+

Gruppe II: B− A−

In Gruppe I kommen A und B je einmal vor – passt. Beim nächsten Schritt taucht B zum zweiten Mal auf (B−), also beginnt Gruppe II. Dort kommen B und A wieder je einmal vor. Ergebnis: zwei Gruppen.

Die Zahl der Gruppen ist die zentrale Größe der ganzen Schaltung, denn:

Anzahl der Gruppen = Anzahl der benötigten Versorgungsleitungen.

Jede Gruppe bekommt ihre eigene Druckluftleitung. Solange eine Gruppe „dran“ ist, führt nur ihre Leitung Druck. Schau dir noch ein Beispiel an:

A+ B+ C+ C− B− A−

Bei Schritt 4 wiederholt sich C, also Gruppenwechsel. Auch hier: zwei Gruppen. Es gibt aber genauso Abläufe mit drei oder mehr Gruppen – je verschachtelter die Reihenfolge, desto mehr Wechsel.

Jetzt zur Hardware. Jede Gruppe hat ihre eigene Versorgungsleitung. Zu jedem Zeitpunkt darf aber nur eine dieser Leitungen Druck führen – sonst hätten wir das Signalproblem wieder. Diese Umschaltung übernehmen speichernde Wegeventile, die Gruppenumschaltventile.

Ein Umschaltventil ist ein bistabiles Ventil, in der Regel ein 5/2- oder 4/2-Wegeventil. Es leitet die Druckluft entweder zur einen oder zur anderen Gruppenleitung. Mehrere dieser Ventile werden kettenförmig hintereinander geschaltet – das gibt der Schaltung ihren Namen: Die Versorgung läuft wie eine Kaskade von Stufe zu Stufe weiter.

Wichtig ist die Zahl der Umschaltventile:

Anzahl Umschaltventile = Anzahl Gruppen − 1

Bei zwei Gruppen genügt ein Umschaltventil, bei drei Gruppen sind es zwei, bei vier Gruppen drei. Der Grund ist anschaulich: Mit einem bistabilen Ventil kannst du zwischen zwei Leitungen umschalten. Für jede zusätzliche Gruppe brauchst du eine weitere Umschaltstelle. Eine Gruppenleitung ist immer „direkt“ versorgt, alle weiteren werden über die Ventilkette erreicht.

Im folgenden Schema siehst du das Prinzip für zwei Gruppen: Die Druckluft kommt von der Wartungseinheit auf den Versorgungsanschluss P des Gruppenumschaltventils und wird von dort – je nach Schaltstellung – entweder auf Leitung I oder Leitung II geschaltet. Die jeweils andere Leitung wird gleichzeitig entlüftet. Die pneumatischen Steuersignale (Pilotsignale) schalten das Umschaltventil umschalten.

Jetzt setzen wir alles am durchgehenden Beispiel zusammen:

A+ B+ B− A−

Schritt 1 – Gruppen einteilen. Wie in Kapitel 2 gezeigt:

Gruppe I: A+ B+
Gruppe II: B− A−

Zwei Gruppen, also zwei Versorgungsleitungen und ein Umschaltventil.

Schritt 2 – Endlage-Ventile zuordnen. Jeder Zylinder hat zwei Endlagen, abgefragt über je ein Endlageventil (Rollenhebelventil, ausgeführt als 3/2-Wegeventil):

a0 = A eingefahren, a1 = A ausgefahren
b0 = B eingefahren, b1 = B ausgefahren

Diese Ventile werden aus der jeweils aktiven Gruppenleitung versorgt – das ist der Kern der Kaskade. Ein Endlageventil kann nur dann ein Signal weitergeben, wenn seine Gruppenleitung gerade Druck führt.

Schritt 3 – Signale den Gruppen zuordnen. Man geht den Ablauf durch und überlegt, welches Endlagesignal den nächsten Schritt auslöst:

Schritt 4 – Umschaltbedingungen. Das Osteuropäische Signal einer Gruppe schaltet immer auf die nächste Gruppe um. Hier:

• b1 ist das letzte Signal der Gruppe I → schaltet das Umschaltventil auf Gruppe II.
• a0 ist das letzte Signal der Gruppe II → schaltet zurück auf Gruppe I (Zyklusende, bereit für den nächsten Start).

Schritt 5 – Start und Ausgangslage absichern. Damit die Anlage nur dann anläuft, wenn alle Zylinder wirklich in der Ausgangsstellung stehen, wird das Startventil (Starttaster) mit dem Endlageventil a0 in Reihe geschaltet – eine UND-Verknüpfung. Erst wenn a0 betätigt ist (A eingefahren, also Grundstellung erreicht) UND der Starttaster gedrückt wird, gelangt das Signal zum Pilotanschluss, der Gruppe I aktiviert. Damit ist sichergestellt: Ein Anlauf aus einer beliebigen Zwischenstellung ist nicht möglich, und nach dem letzten Schritt a0 steht die Kaskade sauber für den nächsten Zyklus bereit. Für Dauerlauf legt man den Starttaster auf Dauersignal, für Einzelzyklus betätigt man ihn pro Durchlauf einmal.

Schritt 6 – Verschaltung. Die Arbeitsventile der Zylinder bekommen ihre Setz- und Rücksetzsignale jetzt jeweils aus der richtigen Gruppenleitung über die zugeordneten Endlageventile. Weil eine Gruppenleitung drucklos ist, während die andere arbeitet, kann kein Endlageventil der inaktiven Gruppe stören. Die Signalüberschneidung ist damit konstruktiv ausgeschlossen.

Der folgende Schaltplan zeigt die fertige Verschaltung nach ÖNORM ISO 1219 – mit beiden 5/2-Hauptventilen, allen vier Endlageventilen als 3/2-Rollenhebelventile, dem angetriebenen Umschaltventil und den Steuerleitungen (gestrichelt):

Die Kaskade ist robust und sicher signalüberschneidungsfrei – und genau dafür wurde sie entwickelt. Bei zwei oder drei Gruppen ist sie übersichtlich und gut nachvollziehbar.

Mit steigender Gruppenzahl kippt das Bild. Jede zusätzliche Gruppe bringt ein weiteres Umschaltventil und damit eine weitere Stufe in der Kette. Die Druckluft muss durch immer mehr Ventile, was zu spürbarem Druckabfall und längeren Schaltzeiten führt. Außerdem wird der Schaltplan schnell unübersichtlich. Als Faustregel gilt die Kaskade bis etwa drei, maximal vier Gruppen als sinnvoll. Darüber greift man besser zu anderen Verfahren.

Das wichtigste Alternativverfahren ist die Schrittkette (Taktstufenverfahren), bei der jeder Schritt eine eigene Speicherstufe bekommt und immer nur die aktuelle Stufe aktiv ist. Sie skaliert deutlich besser auf viele Schritte. Die Schrittkette wird in einem eigenen Beitrag behandelt – hier genügt der Hinweis, dass sie bei langen oder verzweigten Abläufen die bessere Wahl ist.