Logische Verknüpfungen in der Pneumatik

Jede Steuerung beantwortet im Kern dieselbe Frage: Unter welchen Bedingungen soll etwas passieren? Beim pneumatischen Spannen eines Werkstücks könnte die Bedingung lauten: Der Spannzylinder fährt nur dann vor, wenn der Bediener den Starttaster drückt und gleichzeitig ein Werkstück in der Vorrichtung liegt. Zwei Bedingungen, beide müssen erfüllt sein — eine UND-Verknüpfung.

In der Pneumatik unterscheidet man zwischen zwei Rollen von Bauteilen. Ein Signalglied erzeugt oder verarbeitet ein Drucksignal — etwa ein Taster-Ventil, ein Rollenhebelventil als Endlagentaster oder ein Logikventil. Ein Stellglied ist das Ventil, das letztlich den Arbeitszylinder mit Druckluft versorgt, meist ein größeres Wegeventil. Logische Verknüpfungen spielen sich auf der Signalseite ab: Mehrere Drucksignale werden so kombiniert, dass am Ende ein einziges Steuersignal entsteht, das das Stellglied schaltet.

Ein Drucksignal kennt dabei nur zwei Zustände. Es liegt Druck an, das entspricht logisch 1, oder es liegt kein Druck an, das entspricht 0. Genau diese Zweiwertigkeit macht die Verbindung zur Booleschen Algebra so direkt: Was dort als Wahrheitstabelle steht, lässt sich in der Pneumatik mit Luftdruck nachbauen.

Wie ein einzelnes Wegeventil im Detail aufgebaut ist und wie es angesteuert wird, ist Thema eigener Beiträge. Hier geht es nur darum, wie man mehrere solcher Ventile zu einer Logik zusammensetzt.

Bei der UND-Verknüpfung muss ein Ausgangssignal nur dann anstehen, wenn alle Eingangsbedingungen gleichzeitig erfüllt sind. Logisch geschrieben: A · B = Y. Sobald auch nur eine Bedingung fehlt, fällt das Ausgangssignal weg.

In der Pneumatik gibt es dafür zwei gängige Wege.

Reihenschaltung zweier Ventile. Man schaltet zwei 3/2-Wegeventile (in Ruhestellung gesperrt) hintereinander. Die Druckluft wird in das erste Ventil eingespeist. Dessen Ausgang führt auf den Eingang des zweiten Ventils, dessen Ausgang das Steuersignal liefert. Luft kommt nur dann am Ende an, wenn beide Ventile betätigt sind. Wird eines losgelassen, ist der Weg unterbrochen. Diese Lösung ist einfach und kommt mit ohnehin vorhandenen Wegeventilen aus.

Zweidruckventil (UND-Ventil). Für die UND-Funktion gibt es ein eigenes Bauteil. Das Zweidruckventil hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Im Inneren sitzt ein verschiebbarer Kolben oder Steg. Liegt nur an einem Eingang Druck an, schiebt dieser den Steg zur Gegenseite und verschließt den Ausgang. Erst wenn an beiden Eingängen Druck ansteht, wird der Ausgang freigegeben. Liegen die beiden Eingangsdrücke unterschiedlich hoch an, gelangt der niedrigere der beiden zum Ausgang — das Ventil gibt also das schwächere Signal weiter.

Die folgende Darstellung zeigt links die Reihenschaltung zweier 3/2-Wegeventile und rechts das Symbol des Zweidruckventils nach ÖNORM ISO 1219.

Wann nimmt man was? Die Reihenschaltung genügt für einfache Fälle und spart ein Bauteil. Sobald aber dasselbe UND-Signal an mehreren Stellen gebraucht wird oder die Schaltung übersichtlich bleiben soll, ist das Zweidruckventil die sauberere Lösung, weil es die UND-Funktion in einem einzigen, klar erkennbaren Bauteil abbildet.

Bei der ODER-Verknüpfung steht das Ausgangssignal an, sobald mindestens eine Eingangsbedingung erfüllt ist. Logisch: A + B = Y. Nur wenn alle Eingänge drucklos sind, bleibt der Ausgang ohne Signal.

Der naheliegende Gedanke wäre, einfach zwei Leitungen über ein T-Stück zusammenzuführen. Das funktioniert aber nicht zuverlässig. Speist nämlich nur eine Seite Druck ein, strömt die Luft nicht nur zum gewünschten Ausgang, sondern auch in die andere, gerade drucklose Leitung. Bei vielen Wegeventilen ist in unbetätigtem Zustand der Ausgang mit der Entlüftung verbunden — die Luft strömt then über den Ausgang des nicht betätigten Ventils rückwärts ins Freie, statt am Ausgang des T-Stücks einen sauberen Druck aufzubauen.

Genau dieses Problem löst das Wechselventil (ODER-Ventil). Es hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Im Inneren sitzt ein bewegliches Sperrelement, meist eine Kugel oder ein Teller. Kommt von einer Seite Druck, drückt er das Sperrelement auf die gegenüberliegende Öffnung und verschließt sie. Dadurch gelangt die Luft zum Ausgang, kann aber nicht durch den drucklosen zweiten Eingang entweichen. Steht an beiden Eingängen Druck an, wird das Element ohnehin auf eine Seite gedrückt und beide Signale erreichen den Ausgang.

Das Wechselventil ist damit das pneumatische Gegenstück zur ODER-Funktion: Es leitet jedes ankommende Signal zum Ausgang weiter und verhindert gleichzeitig, dass dieses Signal über den nicht aktiven Zweig verloren geht.

UND und ODER sind die beiden Verknüpfungen, die man am häufigsten braucht. Drei weitere Funktionen runden das Bild ab. Sie werden hier nur knapp behandelt, weil ihr Schwerpunkt in anderen Themen liegt.

Die NICHT-Verknüpfung kehrt ein Signal um: Liegt am Eingang Druck an, ist der Ausgang drucklos, und umgekehrt. Pneumatisch erreicht man das mit einem in Ruhestellung geöffneten Ventil, also einem 3/2-Wegeventil, das in unbetätigtem Zustand durchlässt und beim Betätigen sperrt. Solange niemand betätigt, steht am Ausgang Druck an. Wird betätigt, fällt der Ausgang weg. Damit lässt sich zum Beispiel die Bedingung „solange kein Werkstück die Lichtschranke unterbricht“ abbilden.

Eine Speicherfunktion merkt sich einen Zustand, auch wenn das auslösende Signal längst wieder weg ist. Realisiert wird das über ein bistabiles Wegeventil, das nach einem kurzen Steuerimpuls in seiner Stellung bleibt, bis ein Impuls von der Gegenseite es zurückschaltet. Wie ein solches Ventil angesteuert wird und wie daraus eine Selbsthaltung entsteht, gehört in den Bereich der Ventilansteuerung.

Eine Zeitverzögerung verbindet ein Drosselrückschlagventil mit einem kleinen Luftspeicher: Die Luft kann nur gedrosselt nachströmen, sodass sich der Druck im Speicher langsam aufbaut und ein nachgeschaltetes Ventil erst nach einer einstellbaren Verzögerung umschaltet. So entsteht ein pneumatisches Zeitglied.

Diese Funktionen lassen sich mit UND und ODER kombinieren und ermöglichen damit auch komplexere Bedingungen — etwa „starte, wenn Taster A und Taster B betätigt sind, aber nicht, solange die Schutztür offen ist“.

In der Praxis steht selten eine einzelne UND- oder ODER-Bedingung allein. Meist müssen mehrere Funktionen zusammenwirken. Der Weg von der Aufgabe zur fertigen Schaltung lässt sich in drei Schritten gehen.

Erstens formuliert man die Bedingung in klaren Worten. Beispiel: Eine Bohrvorrichtung soll vorfahren, wenn der Bediener beide Starttaster gleichzeitig drückt — oder wenn der Einrichter seinen separaten Einrichttaster betätigt.

Zweitens überträgt man das in eine Boolesche Form. Mit den Tastern A und B sowie dem Einrichttaster E ergibt sich:

Y = (A · B) + E
Y … Steuersignal zum Stellglied
A · B … beide Starttaster gleichzeitig (UND)
+ E … oder Einrichttaster (ODER)

Drittens wählt man die Bauteile passend zur Formel. Das UND zwischen A und B wird durch ein Zweidruckventil gebildet. Dessen Ausgang wird zusammen mit dem Signal von E auf ein Wechselventil geführt — das bildet das ODER. Der Ausgang des Wechselventils ist das fertige Steuersignal Y, das das Stellglied schaltet.

Beim Lesen eines fertigen Schaltplans geht man den umgekehrten Weg: Man erkennt an den Symbolen, welche Bauteile verbaut sind, verfolgt die Signalwege von den Eingängen zum Ausgang und liest daraus die logische Bedingung heraus. Pneumatische Schaltzeichen sind dabei einheitlich nach ÖNORM ISO 1219 genormt, sodass ein Plan unabhängig vom Hersteller verständlich bleibt. Die Zuordnung der Symbole und der vollständige Aufbau eines normgerechten Schaltplans sind eigene Themen.

Mit diesem Vorgehen lassen sich auch umfangreichere Steuerungen aufbauen. Solange die Aufgabe sauber in UND-, ODER- und NICHT-Bausteine zerlegen wird, ist die Übersetzung in eine Ventilschaltung am Ende eine reine Fleißaufgabe.