سیستم‌های پنوماتیک هوای فشرده نیازمند روش‌های کنترل ایمن و دقیق برای عملگرهای خاص خود هستند. اگرچه این محیط مشابه سیستم‌های هیدرولیک یا آب فرآیندی است، اما اجرای کنترل در آنها به‌طور قابل توجهی متفاوت از مایعات است. چیزی که در هدایت هر وسیله قدرت مایع مشترک است، نیاز به شیرهایی برای کنترل نیرو، سرعت و جهت حرکت است.
آماده‌سازی هوا
شیرهای تخلیه فشار، فشار در پورت ورودی خود را با تخلیه فشار به جو کنترل می‌کنند. این شیرها معمولاً فقط در مخازن یا دستگاه‌های ذخیره‌سازی هوا، مانند انباره‌ها، استفاده می‌شوند تا از افزایش فشار بیش از حد جلوگیری کنند. بنابراین، شیرهای تخلیه فشار اغلب به عنوان شیرهای ایمنی شناخته می‌شوند و معمولاً در غیر از مرحله آماده‌سازی هوا کاربرد ندارند.
رگولاتورهای فشار
رگولاتورهای فشار در سیستم‌های پنوماتیک فشار در پایین‌دست واحد را با مسدود کردن فشار در ورودی کنترل می‌کنند. رگولاتورها در مرحله آماده‌سازی هوا و همچنین در کنترل سیلندرها و موتورها استفاده می‌شوند. حرف R در مخفف FRL به معنی رگولاتور است که در پایین‌دست مخزن دریافت‌کننده نصب می‌شود، اما قبل از مداری که فشار را تنظیم می‌کند.
گاهی اوقات، کاهش فشار در چندین مرحله لازم است، به ویژه در صورتی که یک کمپرسور و مخزن مرکزی بزرگ به ایستگاه‌های کاری مختلف تغذیه کند. یک رگولاتور می‌تواند فشار را در شبکه اصلی لوله‌کشی توزیع کنترل کند، اما گاهی اوقات هوا مستقیماً به FRL در هر ایستگاه کاری یا دستگاه هدایت می‌شود. فشار در این سرلوله اصلی می‌تواند 120 psi یا بیشتر باشد، اما یک مدار فرعی ممکن است مثلاً در 90 psi تنظیم شود. بیشتر رگولاتورها قادر به تخلیه فشار پایین‌دست هستند، که از افزایش فشار پایین‌دست به دلیل فشار ناشی از بار یا انبساط حرارتی جلوگیری می‌کند.
رگولاتورهای فشار می‌توانند به‌عنوان واحدهای مستقل عرضه شوند، اما گاهی اوقات یک فیلتر به آنها اضافه می‌شود تا دو مشکل را یک‌جا حل کند. رگولاتورها معمولاً به‌عنوان بخشی از یک مجموعه مدولار، شامل فیلتر، رگولاتور، روغن‌زن یا خشک‌کن و غیره موجود هستند و می‌توان آنها را در هر ترکیبی مونتاژ کرد. رگولاتور دارای یک پورت ورودی، پورت خروجی و یک پورت برای گیج فشار است که معمولاً به همراه آنها ارائه می‌شود.
رگولاتورهای فشار همچنین می‌توانند برای کنترل فشار در عملگرهای فردی استفاده شوند، مانند رگولاتورهای داخل خط یا رگولاتورهای نصب‌شده در پورت کاری. این‌ها معمولاً کوچک بوده و همراه با شیرهای ضد برگشت جریان معکوس ارائه می‌شوند، همان‌طور که برای عملکرد دوطرفه یک سیلندر لازم است. بیشتر از این، برخی از تولیدکنندگان رگولاتورهای فشار تفاضلی را ارائه می‌دهند که فشار تفاضلی تنظیم‌شده بین دو پورت را حفظ می‌کنند، نه صرفاً حفظ فشار پایین‌دست. باید توجه داشت که تمامی رگولاتورهای فشار قابل تنظیم هستند و معمولاً با پیچ‌ها یا دکمه‌ها قابل تنظیم هستند.
کنترل جریان
شیرهای کنترل جریان نیز در سیستم‌های پنوماتیک بسیار رایج هستند. انواع شیرهای کنترل جریان نسبت به شیرهای فشار یا شیرهای جهت‌دار کمتر در دسترس هستند، اما بیشتر مدارها از آنها برای تنظیم آسان سرعت سیلندر یا موتور استفاده می‌کنند. کنترل سرعت در سیستم‌های پنوماتیک پیچیده‌تر از سیستم‌های هیدرولیک است، زیرا تفاوت فشار بین پورت‌های کاری سیلندر نقش بزرگ‌تری ایفا می‌کند.
شیرهای کنترل جریان برای سیستم‌های پنوماتیک بسیار ساده هستند و معمولاً در دو پیکربندی مختلف موجود هستند که به دو روش متفاوت استفاده می‌شوند. یکی از پیکربندی‌ها صرفاً یک محدودکننده متغیر است که با استفاده از پیچ یا دکمه می‌توان اوریفیس متغیر را باز یا بسته کرد، که اغلب به آن شیر سوزنی یا شیر گلوگیر نیز گفته می‌شود. نوع دیگر یک شیر ضد برگشت را معرفی می‌کند که جریان آزاد را در یک جهت می‌دهد و در جهت مخالف جریان را محدود می‌کند. به هر دلیلی، این شیر نام “کنترل جریان” را به‌طور کامل به خود اختصاص داده است.
شیرهای کنترل جریان به دو روش مختلف استفاده می‌شوند؛ متری در یا متری خارج. متری در به معنای کنترل نرخ جریان هوا است که وارد یک موتور یا سیلندر می‌شود. هنگام متری در، سیلندر با نیروی بالا و کارآیی زیاد سریع حرکت می‌کند، اما حرکت پیستون مستعد حرکات ناپایدار و نرم است. هنگام متری خارج، سرعت سیلندر پایدارتر و تکرارپذیرتر است، اما کارآیی و نیروی دینامیکی به دلیل انرژی مورد نیاز برای عبور از شیر کنترل جریان از دست می‌رود. با این حال، بیشتر کاربردهای پنوماتیکی با استفاده از شیرهای کنترل جریان متری خارج عمل می‌کنند، زیرا معایب آنها با افزایش فشار بالادست به راحتی قابل حل است.
یک روش برای افزایش سرعت سیلندر، معمولاً برای عملکردهای جمع‌شدن سیلندر دوطرفه یا بازگشت فنری، اضافه کردن شیر تخلیه سریع به پورت کاری سمت کاپ است. زیرا سیلندرها سریع‌تر از آنچه که کشیده می‌شوند، جمع می‌شوند، به دلیل حجم‌های مختلف هوای بین دو سمت سیلندر، تخلیه هوا از سمت کاپ بدون استفاده از شیرهای بزرگ یا لوله‌کشی دشوار است. شیر تخلیه سریع مستقیماً از پورت کاری سمت کاپ به هوا تخلیه می‌کند و فشار برگشتی که هنگام جمع شدن ایجاد می‌شود را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد، که اجازه می‌دهد سرعت پیستون به‌طور بسیار سریع افزایش یابد.
شیرهای کنترل جهت‌دار
شیرهای کنترل جهت‌دار پنوماتیکی در اندازه‌ها، انواع و پیکربندی‌های مختلفی در دسترس هستند. در ابتدایی‌ترین سطح، شیر چک ساده قرار دارد که جریان آزاد را در یک جهت اجازه می‌دهد و از جریان در جهت معکوس جلوگیری می‌کند. این شیرها می‌توانند در هر جایی از بعد از دریافت‌کننده تا داخل شیر کنترل جریان نصب شوند.
هرچه شیرهای کنترل جهت‌دار پیچیده‌تر می‌شوند، بر اساس یک رویه عمومی برای نام‌گذاری مشخص می‌شوند که به تعداد موقعیت‌های قابل تنظیم شیر و تعداد پورت‌های کاری آن شیر بستگی دارد، و به‌ویژه به ترتیب ذکر شده. برای مثال، اگر یک شیر پنج پورت داشته باشد، پورت 1 برای ورودی فشار، پورت‌های 2 و 4 برای پورت‌های کاری و پورت‌های 3 و 5 برای پورت‌های خروجی هستند. یک شیر با سه موقعیت، حالت بی‌طرف، حالت توسعه و حالت بازگشتی خواهد داشت. به‌طور کلی، این یک شیر پنج‌راهی با سه موقعیت است که به آن شیر 5/3 نیز گفته می‌شود. پیکربندی‌های معمولی که در پنوماتیک‌ها دیده می‌شود شامل 5/3، 5/2، 4/2، 3/2 و گاهی اوقات شیرهای 2/2 است.
علاوه بر این، بخشی از توصیف شیرهای کنترل جهت‌دار، روش عملکرد و موقعیت‌یابی آنها است. اپراتور شیر، مکانیسمی است که نیروی لازم برای جابجایی شیر بین موقعیت‌های آن را فراهم می‌کند. اپراتور می‌تواند یک اهرم دستی، یک سلونوئید الکتریکی، یک پایلوت هوایی یا یک مکانیسم کمری باشد، به‌طور مثال. برخی از شیرها ترکیبی از این‌ها هستند، مانند شیر پایلوت سلونوئیدی که یک شیر کوچک است که انرژی پایلوتی برای جابجایی شیر اصلی فراهم می‌کند. موقعیت‌یابی هر شیر از طریق یک فنر، مانند در شیرهای 5/2 با جابجایی فنری، یا با توقف‌ها در شیرهای 5/2 با توقف انجام می‌شود.
یک شیر 5/2 با جابجایی فنری زمانی که انرژی از اپراتور آن برداشته شود، مانند قطع انرژی سیم‌پیچ یا برداشتن فشار پایلوت، به موقعیت ابتدایی خود باز می‌گردد. یک شیر 5/2 با توقف در موقعیتی که آخرین بار فعال شده باقی می‌ماند تا زمانی که اپراتور آن را دوباره تغییر دهد.
شیرهای پنوماتیکی در انواع مختلفی ساخته می‌شوند. شیرهای پاپت ساده هستند و از یک فنر برای فشار دادن سطح پاپت به نشیمنگاه خود استفاده می‌کنند. ساختار این شیرها می‌تواند فلزی به فلز، لاستیکی به فلز یا حتی با دیافراگم‌ها باشد. شیرهای پاپت معمولاً می‌توانند در یک جهت جریان داشته باشند، مانند یک شیر چک، اما برای جریان در جهت معکوس نیاز به انرژی دارند. این شیرها محدود به پیکربندی‌های پورت دو یا سه‌راهی هستند، اگرچه می‌توانند با استفاده از نصب موازی، شیرهای چهارراهی یا پنج‌راهی را شبیه‌سازی کنند. این شیرها معمولاً هدایت جریان بالایی برای اندازه خود دارند و معمولاً بسیار مقاوم در برابر آلودگی هستند.
شیرهای اسپول از یک سیلندر فلزی شیار دار استفاده می‌کنند که درون یک بدنه دقیقاً ماشین‌کاری شده حرکت می‌کند و سه تا پنج پورت در آن حفاری شده است، یا حتی در صورتی که شیر پایلوتی باشد، هفت پورت نیز ممکن است داشته باشد. شیرهای ارزان‌قیمت تنها شامل یک اسپول و بدنه هستند و به نشت داخلی مستعد هستند.
شیرهای با کیفیت بهتر از مهر و موم‌ها در بدنه یا اسپول برای جلوگیری از نشت بین پورت‌ها استفاده می‌کنند. شیرهای اسپول با کیفیت بالا با دقت ساخته می‌شوند و اغلب به فرایندهای سایشی دقیق در حین تولید نیاز دارند، و به‌دلیل تحمل‌های دقیق، معمولاً به مهر و موم کمی نیاز دارند که باعث بهبود قابلیت اطمینان و طول عمر آنها می‌شود. سایر انواع شیرهای با کیفیت بالا از یک بلوک متحرک فلزی یا سرامیکی استفاده می‌کنند که نه‌تنها کارآمد است، بلکه در برابر آلودگی نیز بسیار مقاوم است و آنها را برای محیط‌های آلوده عالی می‌کند.
فناوری شیرهای تناسبی
شیرهای تناسبی به عنوان شیرهای جریان و جهت‌دار شناخته می‌شوند که برای اندازه‌گیری جریان و کنترل جهتی که جریان در آن اندازه‌گیری می‌شود، استفاده می‌شوند. شیرهای تناسبی از مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای تغییر جریان استفاده می‌کنند در حالی که ولتاژ را ثابت نگه می‌دارند.
تغییر جریان باعث تغییر نیروی میدان مغناطیسی می‌شود و به تبع آن، میزان جابه‌جایی اسپول یا پاپت درون بدنه شیر را تغییر می‌دهد که اندازه دهانه‌ای که برای عبور سیال باز می‌شود را تغییر می‌دهد و در نتیجه جریان محدود می‌شود. یک مقاومت متغیر ساده می‌تواند جریان را محدود کند اما کارآمد نیست و نمی‌تواند مزایای کنترل‌کننده PWM را فراهم کند.
طراحی‌های قدیمی شیرهای تناسبی از شیرهای اسپول با شیارهای اندازه‌گیری و سیم‌پیچ‌های آماده برای PWM برای تغییر بی‌نهایت موقعیت اسپول استفاده می‌کردند. سطح عملکرد این شیرها به اندازه قابل توجهی رضایت‌بخش نبود اما ارزان‌ترین گزینه برای تغییر همزمان جریان و جهت بود. از آنجا که هیچ‌گونه راهی برای کنترل دقت در برابر تغییرات افت فشار وجود نداشت، نرخ جریان واقعی درون شیرهای تناسبی با تغییرات جریان، فشار سیستم و فشار بار تغییر می‌کرد.
برای این‌که شیرهای تناسبی عملکردی نزدیک به شیرهای سروو مبتنی بر موتور داشته باشند، نیاز به کنترل الکترونیکی پیشرفته بود. از آنجا که یک شیر تناسبی با سیم‌پیچ استاندارد به نیروهای جریان حساس بود، روش بازخورد برای حفظ موقعیت اسپول در وضعیت مورد نظر ضروری شد.
ترانسدیوسرهای تفاضلی خطی به کمک آمدند تا موقعیت اسپول را تا فواصل میکروسکوپی نظارت کنند. سیگنال ترانسدیوسر به الکترونیک داخلی شیر بازخورد می‌دهد و زمانی که اسپول در موقعیت دلخواه خود قرار نداشته باشد، شیرها خروجی PWM را به سیم‌پیچ مناسب تنظیم می‌کنند تا آن را به موقعیت مورد نظر بازگردانند.
شیرهای تناسبی به‌طور قابل توجهی پیشرفت کرده‌اند. پاسخ فرکانسی، دقت و هیسترزیس آنها به عملکرد شیرهای فلاپر نزدیک می‌شود و گاهی حتی از آن فراتر می‌رود. در واقع، نسل جدیدی از شیرها به نام “پاسخ بالا” (High Response) به وجود آمده‌اند که شیرهای تناسبی را به عملکرد نزدیک به شیرهای سروو رسانده‌اند.
شیرهای با پاسخ بالا اصطلاح نسبتاً جدیدی هستند که برای توصیف شیرهایی استفاده می‌شود که عملکرد آنها متغیر، دینامیک و قدرتمند است. قبلاً تنها شیرهای سروو با تکنولوژی‌هایی مانند موتور گشتاوری به عنوان شیرهای با پاسخ بالا شناخته می‌شدند، اما با گسترش الکترونیک مدرن، بازخورد و برنامه‌نویسی، شیرهای تناسبی این شکاف را پر کرده‌اند.
اکنون برخی از شیرهای تناسبی با شیرهای سروو مقایسه‌پذیر هستند. طراحی‌های جدید می‌توانند شامل شیرهای کنترل جریان تناسبی الکترونیکی با جداکننده‌های رسانه‌ای خود شامل باشند. با استفاده از موقعیت‌ها یا مراحل مختلف، این شیرها می‌توانند خروجی جریان را دقیقاً تنظیم کنند و نیاز به انرژی کمی برای حفظ موقعیت دلخواه دارند، که این امر موجب صرفه‌جویی در انرژی می‌شود.
شیرهای تناسبی در بسیاری از موارد دقیقاً شبیه شیرهای اسپول هستند که از آنها ساخته شده‌اند—شیرهای کارتریج یا شیرهای CETOP، به‌عنوان مثال، از شیرهای “بنگ-بنگ” آنها قابل تمایز نیستند. اسپول‌های شیر تناسبی نیاز به شیارهای اندازه‌گیری دارند تا حتی تغییرات کوچک در موقعیت شیر اجازه دهند حجمی از سیال محدود شده عبور کند. سیم‌پیچ‌های شیر تناسبی باید سیگنال‌های ورودی توان خود را به یک میدان مغناطیسی متغیر ترجمه کنند که پیستون را به حرکت درآورد و در نتیجه اسپول را به درجات مختلف جابه‌جا کند.
سیگنال مدولاسیون عرض پالس (PWM) تولید شده توسط کنترل‌کننده الکترونیکی شیر ولتاژ ثابت را حفظ می‌کند که مدت زمان روشن بودن سیگنال را تغییر می‌دهد. با تغییر عرض پالس، کنترل‌کننده شیر اساساً جریان ورودی به شیر را تغییر می‌دهد تا قدرت میدان مغناطیسی را کنترل کند و در نتیجه جریان خروجی اندازه‌گیری شده از شیر را تنظیم کند.
ملاحظات نصب شیرهای پنوماتیکی
شیرهای جهت‌دار پنوماتیکی در پیکربندی‌های نصب استاندارد و غیر استاندارد موجود هستند. شیرهای غیر استاندارد به‌طور خاص توسط تولیدکننده طراحی و ساخته می‌شوند، به‌طوری‌که آرایش پورت‌ها، سبک عملگر و گزینه‌های نصب آنها منحصر به‌فرد هستند. این شیرها می‌توانند به‌صورت خطی، نصب‌شده روی صفحه زیرین یا به‌صورت انبوه در ردیف‌های بخش‌های مختلف نصب شوند. از آنجا که هر تولیدکننده روش نصب خاص خود را دارد، بهترین کار این است که محصولی را برای کاربرد خود تحقیق و انتخاب کنید.
خوشبختانه، بیشتر تولیدکنندگان مجموعه‌هایی از شیرهای استاندارد دارند که مناسب با یک یا چند مشخصه هستند، مانند ISO 5599-1 با پورت‌های بیضی گود که در آن پورت‌ها به‌طور منظم چیده شده‌اند. این بدان معناست که شیر یک تولیدکننده ممکن است به‌راحتی روی صفحه زیرین یا مانفولد تولیدکننده دیگری نصب شود. پورت‌ها و اتصالات الکتریکی در اکثر شیرها استاندارد شده‌اند. پورت‌های NPT معمولاً استفاده می‌شوند، اما بسیاری از شیرهای جدید با اتصالات فشاری قفل در خود صفحه زیرین عرضه می‌شوند. اتصالات الکتریکی برای شیرهای استاندارد اغلب از نوع DIN، مینی-DIN یا اتصالات باس میدانی هستند که این امر کارکرد دوازده شیر را تنها با یک اتصال ساده می‌سازد.
نتیجه گیری
در نهایت، شیرهای پنوماتیکی با انواع مختلف خود، نقش حیاتی در کنترل جریان هوا و جهت حرکت در سیستم‌های پنوماتیک دارند. از شیرهای کنترل جریان ساده تا مدل‌های پیشرفته متناسب (Proportional) که عملکردی مشابه شیرهای سرووال دارند، هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. انتخاب صحیح نوع شیر و روش نصب مناسب می‌تواند به بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها، افزایش دقت و کاهش مصرف انرژی کمک کند. با توجه به استانداردهای موجود و پیشرفت‌های تکنولوژیکی، امروز این شیرها به ابزاری بسیار کارآمد در صنایع مختلف تبدیل شده‌اند که قادرند نیازهای دقیق و پیچیده را برآورده کنند.
