Elektropneumatik: Magnetventile und Relaissteuerung

Stell dir eine pneumatische Steuerung vor, bei der ein Zylinder erst ausfahren soll, wenn drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind – ein Werkstück liegt an, eine Schutztür ist zu, ein Starttaster wurde gedrückt. Rein pneumatisch braucht das eine Kette von Luftventilen, lange Schlauchwege und sorgfältig abgestimmte Drücke. Jeder zusätzliche Schlauchmeter macht die Steuerung langsamer, weil sich der Druck erst aufbauen muss. Und je mehr Logik dazukommt, desto schwerer wird der Schaltplan zu lesen.

Genau hier setzt die Elektropneumatik an. Die Idee ist einfach: Die Signalverarbeitung – also das Erfassen von Tastendrücken, das Verknüpfen von Bedingungen, das Schalten von Logik – übernimmt ein elektrischer Stromkreis. Die Arbeit, das tatsächliche Bewegen der Zylinder mit ordentlich Kraft, bleibt pneumatisch. Elektrische Signale lassen sich über dünne Drähte praktisch verzögerungsfrei über beliebige Strecken führen, sie lassen sich mit Relais und später mit einer SPS beliebig verknüpfen, und sie brauchen kaum Platz.

Damit zerfällt jede elektropneumatische Steuerung in zwei klar getrennte Bereiche:

• Steuerteil – elektrisch. Hier sitzen Taster, Schalter, Sensoren und Relais. Hier wird entschieden, was passieren soll.
• Arbeitsteil – pneumatisch. Hier sitzen die Ventile und Zylinder. Hier wird die Entscheidung in Bewegung umgesetzt.

Die Grenze zwischen beiden verläuft an einem einzigen Bauteil. Der elektrische Steuerteil endet an der Spule eines Magnetventils, der pneumatische Arbeitsteil beginnt am Luftanschluss desselben Ventils. Das Magnetventil ist the Wandler, der aus einem elektrischen Signal einen geschalteten Luftweg macht.

Ein Magnetventil ist im Grunde zwei Bauteile in einem Gehäuse: ein Elektromagnet und ein pneumatisches Wegeventil. Der Elektromagnet besteht aus einer Spule und einem beweglichen Eisenkern, dem Anker. Fließt Strom durch die Spule, entsteht un Magnetfeld, das den Anker hineinzieht. Dieser Anker ist mechanisch mit dem Ventilschieber oder einer Dichtung verbunden. Bewegt sich der Anker, schaltet das Ventil den Luftweg um. Schaltet man den Strom ab, sorgt eine Feder dafür, dass der Anker und damit das Ventil in die Ausgangsstellung zurückkehren.

So wird aus einem elektrischen Signal eine pneumatische Schaltstellung. Die Spule braucht dabei nur einen kleinen Strom, der pneumatisch geschaltete Luftstrom kann dagegen einen großen Zylinder mit voller Kraft versorgen.

Direkt und vorgesteuert

Bei einem direkt wirkenden Magnetventil bewegt der Anker den Ventilschieber unmittelbar. Das funktioniert gut bei kleinen Ventilen. Bei größeren Ventilen reicht die Magnetkraft nicht aus, um den Schieber gegen den anliegenden Luftdruck zu bewegen. Dann arbeitet man vorgesteuert: Ein kleines integriertes Vorsteuerventil wird magnetisch geschaltet und nutzt die vorhandene Druckluft, um das eigentliche Hauptventil umzusteuern. Aus elektrischer Sicht verhält sich ein vorgesteuertes Ventil genauso wie ein direktes – man legt Spannung an die Spule, das Ventil schaltet. Der Unterschied steckt im pneumatischen Innenleben.

Monostabil und bistabil

Ein wichtiger Unterschied für die Ansteuerung ist die Rückstellung:

• Ein monostabiles Magnetventil hat eine Spule und eine Rückstellfeder. Es schaltet, solange Strom fließt, und fällt beim Abschalten in die Ruhestellung zurück. Es hat also eine stabile Lage – daher der Name. Man muss das Signal dauerhaft anliegen lassen, um die Schaltstellung zu halten.
• Ein bistabiles Magnetventil – auch Impulsventil genannt – hat zwei Spulen und keine Rückstellfeder. Ein kurzer Stromimpuls auf die erste Spule schaltet es in die eine Lage, ein Impuls auf die zweite Spule in die andere. Beide Lagen sind stabil. Das Ventil bleibt in der zuletzt geschalteten Stellung, auch wenn kein Strom mehr fließt. Es merkt sich seinen Zustand.

Diese Unterscheidung bestimmt später, wie viele Signale und welche Art von Schaltung man braucht. Ein monostabiles Ventil verlangt ein gehaltenes Signal, ein bistabiles kommt mit kurzen Impulsen aus.

Die Anschlüsse der Wegeventile selbst – also ob es sich um ein 3/2-, 5/2- oder anderes Ventil handelt – werden in einem eigenen Beitrag zu den Wegeventilen ausführlich behandelt. Für die Elektropneumatik ist vor allem die elektrische Seite wichtig: die Spule, ihr Anschluss und ob das Ventil ein oder zwei davon hat. Die Spulen werden üblicherweise mit Y und einer Nummer bezeichnet, also Y1, Y2 und so weiter.

Im Schaltplan wird ein Magnetventil pneumatisch wie ein normales Wegeventil dargestellt, an der Betätigungsseite trägt es zusätzlich das Symbol für die magnetische Betätigung – ein Rechteck mit einem diagonalen Strich.

Der Steuerteil ist ein ganz normaler Stromkreis, meist mit niedriger Steuerspannung wie 24 V Gleichspannung. Drei Bauteilgruppen tauchen hier immer wieder auf.

Taster geben ein Signal nur, solange man sie betätigt. Lässt man los, fallen sie in ihre Ausgangslage zurück. Es gibt sie als Schließer (im Ruhezustand offen, beim Drücken geschlossen) und als Öffner (im Ruhezustand geschlossen, beim Drücken geöffnet). Ein Schalter dagegen rastet ein und behält seine Stellung, bis man ihn wieder umlegt.

Manche Kontakte vereinen beides als Wechsler: ein gemeinsamer Anschluss, der im Ruhezustand mit dem Öffner-Kontakt verbunden ist und beim Betätigen auf den Schließer-Kontakt umspringt.

Das Relais ist das eigentliche Arbeitspferd der klassischen elektropneumatischen Steuerung. Es ist im Kern selbst ein kleiner Elektromagnet: Eine Spule zieht bei Stromfluss einen Anker an, der einen oder mehrere Kontakte betätigt. Der entscheidende Punkt ist, dass die Spule und die Kontakte elektrisch voneinander getrennt sind. Ein kleines Signal an der Spule kann damit mehrere Kontakte gleichzeitig schalten, und diese Kontakte können in einem anderen Stromkreis liegen als die Spule.

Daraus ergeben sich die drei Hauptaufgaben des Relais im Steuerteil:

• Signalvervielfältigung – ein Eingangssignal schaltet über mehrere Relaiskontakte gleichzeitig mehrere Stellen.
• Trennung der Stromkreise – der schwache Steuerstromkreis (z. B. ein empfindlicher Sensor) wird vom stärkeren Stromkreis der Ventilspulen getrennt.
• Logik – durch Reihen- und Parallelschaltung von Relaiskontakten lassen sich UND- und ODER-Verknüpfungen sowie Verriegelungen aufbauen.

Im Schaltsymbol nach IEC 60617 wird die Relaisspule als Rechteck gezeichnet, die zugehörigen Kontakte erscheinen an anderer Stelle im Plan und tragen dieselbe Bezeichnung wie die Spule.

Ein Sonderfall, der häufig auftaucht, ist die Selbsthaltung: Ein Relais hält sich über einen eigenen kontakt selbst unter Strom, nachdem ein kurzer Startimpuls gegeben wurde. Damit lässt sich aus einem kurzen Tastendruck ein dauerhaftes Signal machen – wichtig, um ein monostabiles Ventil im Dauerbetrieb anzusteuern. Die Selbsthaltung ist ein eigenes, größeres Thema und wird gesondert ausführlich behandelt; hier genügt das Prinzip.

Auch die enge Verwandtschaft zwischen Relais und Schütz sei nur kurz erwähnt: Ein Schütz ist im Prinzip ein für höhere Lastströme ausgelegtes Relais und wird im Bereich der Schützsteuerung eigenständig behandelt.

Jetzt fügen sich die Teile zusammen. Im Steuerstromkreis sitzen Taster und Relais, am Ende der Kette steht die Spule eines Magnetventils, und das Magnetventil bewegt den Zylinder. Wie diese Kette konkret aussieht, hängt von zwei Fragen ab: ob man direkt oder indirekt ansteuert und ob das Ventil monostabil oder bistabil ist.

Direkt oder indirekt ansteuern

Bei der direkten elektrischen Ansteuerung schaltet der Taster die Ventilspule unmittelbar. Drückt man den Taster, fließt Strom durch die Spule, das Ventil schaltet; lässt man los, fällt es zurück. Das ist die einfachste Schaltung und genügt, wenn der Taster den Spulenstrom tragen kann, die Leitung kurz ist und keine Logik nötig ist.

Bei der indirekten elektrischen Ansteuerung schaltet der Taster zunächst ein Relais, und erst ein Kontakt dieses Relais schaltet die Ventilspule. Das wirkt umständlicher, hat aber gute Gründe: Der Taster muss nur den kleinen Spulenstrom des Relais tragen, lange Leitungen lassen sich sauber trennen, und über die Relaiskontakte lässt sich beliebige Logik aufbauen – Verriegelungen, UND/ODER-Verknüpfungen und die schon erwähnte Selbsthaltung. In der Praxis wird deshalb fast alles, was über die einfachste Tipp-Funktion hinausgeht, indirekt ausgeführt.

Hier ist auf einen Begriff zu achten: In der reinen Pneumatik bezeichnen „direkte“ und „indirekte“ Ansteuerung die pneumatische Vorsteuerung eines Ventils – das ist ein eigenes Thema und wird gesondert behandelt. In der Elektropneumatik meinen wir mit denselben Wörtern den elektrischen Weg vom Taster zur Spule. Gleiche Begriffe, anderer Bezugspunkt.

Monostabiles Ventil ansteuern

Steuert man ein monostabiles 5/2-Ventil direkt mit einem Taster, fährt der Zylinder nur aus, solange der Taster gedrückt bleibt. Beim Loslassen fällt die Feder das Ventil zurück, und der Zylinder fährt wieder ein. Das ist die typische Tipp-Funktion, etwa zum vorsichtigen Einrichten.

Soll der Zylinder ausgefahren bleiben, ohne dass jemand den Taster gedrückt hält, braucht man eine Selbsthaltung: Ein Starttaster setzt ein Relais, das sich selbst hält und die Ventilspule dauerhaft mit Strom versorgt; ein Stopptaster unterbricht die Selbsthaltung. So entsteht aus zwei kurzen Tastendrücken ein gehaltenes Signal für das monostabile Ventil.

Bistabiles Ventil ansteuern

Ein bistabiles Ventil verlangt eine andere Logik. Weil es seinen Zustand selbst hält, braucht es kein Dauersignal, sondern zwei kurze Impulse: einer auf Spule Y1 fährt den Zylinder aus, einer auf Spule Y2 fährt ihn ein. Zwei Taster genügen – einer für „vor“, einer für „zurück“. Eine Selbsthaltung ist nicht nötig, weil das Ventil die Stellung von selbst behält.

Wichtig ist hier eine Verriegelung, damit nie beide Spulen gleichzeitig Strom bekommen – das würde einen undefinierten Zustand erzeugen. Solche Verriegelungen über Öffnerkontakte sind ein eigenes Thema und werden gesondert behandelt; das Grundprinzip ist, dass jeder Tastzweig den jeweils anderen blockiert, solange er aktiv ist.

Mit dem folgenden Element kannst du beide Ventiltypen ausprobieren. Drücke die Taster und beobachte, wie sich der Spulenzustand und die Zylinderstellung ändern – und vor allem, was beim Loslassen passiert.

Interaktiv: Ventilansteuerung erleben