Hydrauliksteuerung mit Parker: Pumpenantriebe, Positionierung und Energieeinsparung

Hydraulik bewegt in der Industrie nach wie vor die schwersten Lasten — Pressen, Druckguss- und Spritzgießmaschinen, Werkzeugmaschinen, Prüfstände. Verändert hat sich jedoch die Steuerung drumherum. Eine Pumpe, die den ganzen Tag unter Volllast läuft, und ein Zylinder, der über Endschalter positioniert wird, verschwenden Energie, Zeit und Material. Mit moderner Elektronik positioniert dasselbe Hydrauliksystem auf Bruchteile eines Millimeters, hält einen Druck exakt und nimmt nur so viel Leistung auf, wie der Prozess tatsächlich braucht. Dieser Beitrag zeigt, wie Parker das auf zwei Ebenen löst — an der Pumpe und an der Achse — und welche Produkte aus unserem Sortiment Sie jeweils dafür brauchen.

Zwei Stellen, an denen Hydraulik intelligenter wird

Jede Hydraulikmaschine hat eine Leistungsquelle (die Pumpe mit ihrem Motor) und Verbraucher (Zylinder und Hydromotoren, die über Ventile bewegt werden). Elektronische Regelung lohnt sich an beiden Stellen:

• An der Pumpe stellt ein Frequenzumrichter die Pumpendrehzahl so ein, dass sie genau den Volumenstrom oder Druck liefert, den die Maschine in diesem Moment braucht — statt einer Konstantpumpe, deren überschüssiges Öl weggedrosselt und in Wärme umgesetzt wird.
• An der Achse schließt ein Regler den Regelkreis für Position, Kraft oder Druck jedes Zylinders und steuert das Proportional- oder Servoventil hunderte Male pro Sekunde an.

Die Pumpe: drehzahlvariabel mit dem Parker AC30V

Der Frequenzumrichter Parker AC30V kann eine eigene Hydraulik-Regelungsapplikation ausführen (Parker-Applikation RA502134U003, Firmware 1.4.1 oder neuer). Der Umrichter ist dann nicht nur ein Drehzahlregler für den Motor — er wird zur Steuerung des Hydraulikaggregats selbst. Der Volumenstrom wird in L/min eingegeben, der Druck in kPa und das Pumpenfördervolumen in Litern pro Umdrehung; die Drehzahl berechnet der Antrieb selbst. Vier Regelungsarten decken die typischen Hydraulikkreise ab:

• Speicherregelung (Accumulator) — hält einen Hydrospeicher zwischen einer unteren und einer oberen Druckgrenze geladen, die entweder von zwei Druckschaltern oder von einem Drucktransmitter kommen. Fällt der Druck, erhöht der Antrieb den Volumenstrom (einstellbare Q-Kompensation mit Verzögerung, Rampe und Maximum).
• VFPC-Regelung (variabler Volumenstrom, druckkompensiert) — für Pumpen mit mechanischem Druckregler: Der Antrieb folgt einem Volumenstromsensor und hält eine einstellbare Volumenstromreserve, sodass die Pumpe nur so schnell dreht wie nötig.
• „Q“-Regelung — Volumenstromsteuerung im offenen Kreis: Der Antrieb rechnet den geforderten Volumenstrom anhand des Fördervolumens pro Umdrehung in Pumpendrehzahl um. Ein Volumenstromsensor ist nicht erforderlich.
• „P“-Regelung — Druckregelung im geschlossenen Kreis mit PID-Regler, Drucksollwert und Drucktransmitter, mit Kompensation der statischen Pumpenverluste sowie des mechanischen und volumetrischen Wirkungsgrads.

Die Applikation kümmert sich auch um das Aggregat: Eingänge für Ölstand und Öltemperatur stoppen den Antrieb nach einer einstellbaren Verzögerung, bis zu vier Ausblendfrequenzbänder halten die Pumpe von mechanischen Resonanzen fern, und das Display zeigt Pumpendrehzahl, Last, Volumenstrom, Druck, den Hydraulikstatus und die verbrauchte Energie in kWh. Analogausgänge melden Pumpendrehzahl-Sollwert und Pumpenlast an die Maschinensteuerung; Relais melden „in Betrieb“ und „keine Störung“.

Woher die Energieeinsparung kommt

Eine Konstantpumpe liefert ihren vollen Volumenstrom auch dann, wenn die Maschine wartet, eine Position hält oder nur einen Bruchteil des Volumenstroms braucht. Der Überschuss fließt über ein Druckbegrenzungs- oder Drosselventil zurück in den Tank und wird zu Wärme — die anschließend wieder weggekühlt werden muss. Ein drehzahlvariabler Pumpenantrieb senkt die Drehzahl genau in diesen Phasen: Beim Halten und im Leerlauf dreht die Pumpe langsam oder steht, beim Eilhub beschleunigt sie. Die Maschine erhält dieselbe hydraulische Leistung mit weniger elektrischer Energie und weniger Wärme im Öl. Wie viel Sie einsparen, hängt vom Arbeitszyklus der Maschine ab; je länger die Pausen und Teillastphasen, desto größer der Effekt.

Die Achse: geregelte Positionierung mit PAC120 und PACHC

Für die Zylinder selbst bietet Parker ein modulares System, das im Schaltschrank auf eine 35-mm-Hutschiene aufgerastet wird:

• PAC120 — der Parker Automation Controller für Hydraulik. Eine kompakte Steuerung mit CODESYS V3.5 (IEC 61131-3), echtzeitfähigem EtherCAT-Master, Webvisualisierung und OPC UA, die unter Linux RT auf einem 1-GHz-Prozessor i.MX6 läuft. An die Linien- oder Zellensteuerung wird sie als PROFINET-IO/IRT-Slave (PAC120-PWP01), EtherNet/IP-Adapter (PAC120-PWE01) oder EtherCAT-Slave (PAC120-PWT01) angebunden; eine CAN-Schnittstelle ist integriert.
• PACHC — das elektrohydraulische Regelmodul: die Karte, die den PAC120 zum Hydraulik-Achsregler macht. Jedes PACHC-460-01 regelt 1–2 Hydraulikachsen in Position, Kraft oder Druck, einschließlich der Ablösung zwischen Positions- und Kraftregelung, mit einem Reglertakt von 250 µs. Es hat 4 Analogeingänge (0–10 V, optional 0/4–20 mA, 12 Bit) für Druck- und Kraftsensoren, 4 Analogausgänge (±10 V, optional 0/4–20 mA, 16 Bit) für die Ventile und eine digitale Positionsrückführung für SSI, EnDat 2.1 und Inkrementalgeber (RS422, 5/24 V).
• PACIO — das Remote-I/O-System für den Rest der Maschine: digitale und analoge Ein- und Ausgänge, Temperatur- (Pt/Ni) und Zählermodule, Buskoppler und Extender. Die Module teilen sich denselben EtherCAT-E-Bus, sodass lokale und dezentrale I/O für das Programm gleich aussehen.

Die Module werden einfach neben der Steuerung auf der Schiene aneinandergereiht. Ein PAC120 regelt bis zu 20 Hydraulikachsen — zwei pro PACHC-Modul. Über ein PACIO-Extendermodul kann der PAC120 auch weitere EtherCAT-Geräte ansteuern, zum Beispiel eine von einem Parker-Antrieb betriebene Pumpe oder EtherCAT-Ventile, sodass Pumpe und Achsen von einer Steuerung aus laufen.

Software, die die Inbetriebnahme verkürzt

Programmiert wird in einer Umgebung für Logik, I/O, Visualisierung und Motion. Parker liefert eine Bibliothek mit Motion-Funktionen und kostenlose Applikationsvorlagen — Gleichlauf von 2 Achsen, Gleichlauf von 4 Achsen, Ablöseregelung Position/Kraft und eine Satztabelle —, sodass typische Press- und Positionieraufgaben nicht von Grund auf neu geschrieben werden müssen. Alle Geräteparameter werden ausfallsicher im Flash gespeichert. Für Maschinen mit Siemens-SPS stellt Parker eine GSDML-Gerätebeschreibung und Funktionsbausteine für das TIA Portal bereit, sodass sich der PAC120 als PROFINET-Gerät in eine bestehende S7-Architektur einfügt. Ebenso gut kann der PAC120 als eigenständige Maschinensteuerung arbeiten.

Was der Achsregler der Maschine bringt

• kürzere Zykluszeiten dank schneller, präziser Positionsregelung statt Endschaltern und langsamer Schleichgänge
• höhere Prozessgenauigkeit und Wiederholbarkeit — Position, Kraft und Druck im geschlossenen Regelkreis
• weniger Ausschuss, weil Kraft und Position in jedem Zyklus exakt reproduziert werden
• geringerer Energieverbrauch und einfache Anbindung an andere Systeme über PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP und OPC UA

Typische Anwendungen

• Hydraulikpressen — positionsgeregeltes Pressen und kraftgeregeltes Halten mit Ablöseregelung
• Druckguss- und Spritzgießmaschinen
• Werkzeugmaschinen, Spann- und Vorschubachsen
• Gleichlaufzylinder — 2 oder 4 Hydraulikachsen im Gleichlauf
• Hydraulikaggregate mit Speichern, bei denen die Pumpe nur laufen soll, wenn Öl gebraucht wird

Welches Produkt für welche Aufgabe

Preise, Dokumentation und Hilfe bei der Auswahl

Alle hier genannten Produkte finden Sie in unserem Shop mit Listenpreisen, technischen Daten und der vollständigen Parker-Dokumentation — Kataloge, Betriebsanleitungen, Konformitätserklärungen, EPLAN-Makros und, sofern Parker sie veröffentlicht, 3D-Daten — im Reiter Dokumentation des jeweiligen Produkts. Sie sind unsicher, welche Kombination zu Ihrer Maschine passt? Schicken Sie uns eine kurze Beschreibung der Aufgabe, und wir helfen Ihnen bei der Auswahl von Antrieb, Steuerung und Modulen.

Produkte in diesem Beitrag

• Frequenzumrichter Parker AC30V — Pumpenantriebe mit der Hydraulik-Regelungsapplikation
• Parker Automation Controller PAC120 — Hydraulik- (PAC120-P…) und Motion-Versionen (PAC120-M…)
• Elektrohydraulisches Regelmodul Parker PACHC — 1–2 Hydraulikachsen pro Modul
• Remote-I/O-System Parker PACIO — Buskoppler, Extender, Digital-, Analog-, Temperatur- und Zählermodule
• Motion-Controller Parker PAC340 — für größere Maschinen mit elektrischen und hydraulischen Achsen