شیرهای کنترل پنوماتیکی ۳/۲ یکی از اجزای کلیدی در کنترل جریان هوا در کاربردهای متنوعی هستند. این کاربردها شامل سیلندرهای یک‌طرفه، راه‌اندازی عملگرهای پنوماتیکی و انجام کارهایی مثل دمیدن هوا، تخلیه فشار و ایجاد خلا می‌شود.این شیرها سه دهانه (ورودی/خروجی) و دو وضعیت دارند. عملکرد آن‌ها به این صورت است که هوا را وارد سیلندر می‌کنند و سپس آن را خارج می‌سازند. این فرآیند باعث ایجاد یک کورس کاری جدید می‌شود.
در چنین کاربردهایی وجود دهانه‌ی سوم برای خروج هوا ضروری است، و به همین دلیل، شیرهای دو راهه نمی‌توانند این نیاز را برآورده کنند.
شروع به کار شیر 3/2 پنوماتیک
شیرهای پنوماتیکی ۳/۲ می‌توانند به روش‌های مختلفی فعال شوند:
به‌صورت پنوماتیکی: یعنی با استفاده از هوای فشرده فعال می‌شوند.
به‌صورت مکانیکی: با وارد شدن نیروی فیزیکی، مثل حرکت یک اهرم یا بادامک، فعال می‌شوند؛ که این فرآیند ممکن است با یا بدون دخالت مستقیم انسان انجام گیرد.
به‌صورت دستی: توسط اپراتور انسانی، مثلاً از طریق فشار دادن یک دکمه یا پدال پا. این حالت، نوع خاصی از فعال‌سازی مکانیکی محسوب می‌شود که دخالت مستقیم انسان را در بر دارد.
به‌صورت الکتریکی (سلونوئیدی): با استفاده از یک بوبین الکتریکی فعال می‌شوند.
در این مقاله، عملکرد مدار، طراحی، نحوه کار و کاربردهای رایج شیرهای پنوماتیکی ۳/۲ بررسی می‌شود، به‌ویژه با تمرکز ویژه بر شیرهای سلونوئیدی ۳/۲.
طراحی شیرهای 2/3
شیرهای پنوماتیکی ۳/۲ در طراحی‌های مختلفی ساخته می‌شوند و از دو مکانیزم آب‌بندی رایج در آن‌ها استفاده می‌شود: نوع «پاپت» و نوع «اسپول». این شیرها را می‌توان بر اساس نحوه عملکرد و پایداری آن‌ها دسته‌بندی کرد.
بر اساس نوع عملکرد
شیرهای با عملکرد مستقیم:
در این نوع شیرها، حرکت اسپول یا پاپت به‌طور مستقیم توسط مکانیزم فعال‌ساز (اکچویتور) انجام می‌شود. یعنی خود اکچویتور باعث باز یا بسته شدن شیر می‌شود. این اکچویتورها می‌توانند شامل موارد زیر باشند:
- بوبین (سیم‌پیچ الکتریکی)
- دکمه فشاری
- اهرم دستی
- پدال پایی
شیرهای با عملکرد غیرمستقیم:
در این مدل‌ها، اسپول مستقیماً توسط بوبین حرکت نمی‌کند، بلکه فشار هوای سیستم باعث جابجایی اسپول می‌شود. برای این کار نیاز به یک شیر پیلوت جداگانه است. این شیر پیلوت معمولاً یک شیر کوچک ۳/۲ با عملکرد مستقیم است که هوای فشرده را به یک جک کوچک در داخل شیر می‌فرستد. این جک از طریق یک پیستون، فشار لازم برای جابجا کردن اسپول اصلی را فراهم می‌کند. مزیت این طراحی این است که می‌توان از یک بوبین کوچک‌تر برای فعال‌سازی شیر بزرگ‌تر استفاده کرد.
بر اساس پایداری عملکرد
شیرهای مونو‌استیبل (تک‌پایه‌ای):
این شیرها پس از رها شدن، با کمک نیروی فنر به حالت اولیه خود برمی‌گردند. معمولاً فقط یک بوبین دارند و در نبود تحریک، به وضعیت پیش‌فرض خود باز می‌گردند.
شیرهای بای‌استیبل (دو‌پایه‌ای):
این نوع شیرها برای هر وضعیت دارای یک بوبین هستند و به صورت پالسی (لحظه‌ای) کار می‌کنند. یعنی با وارد شدن یک پالس کوتاه، شیر به وضعیت بعدی می‌رود و در همان حالت باقی می‌ماند، بدون نیاز به برق دائمی. آن‌ها بین دو وضعیت پایدار جابجا می‌شوند.
عملکرد مداری شیرهای 3/2
شیر پنوماتیکی ۳/۲، یا همان شیر فعال‌شونده با هوا، دارای سه دهانه‌ی اتصال و دو وضعیت عملیاتی است که در شکل زیر نشان داده شده است. این دهانه‌ها عبارت‌اند از:
- ورودی هوا (P یا ۱)
- خروجی به مصرف‌کننده (A یا ۲)
- تخلیه (R یا ۳)
شیر دارای دو حالت است: باز و بسته.
در حالت باز، هوا از ورودی (P، ۱) به خروجی (A، ۲) منتقل می‌شود.
در حالت بسته، هوا از خروجی (A، ۲) به دهانه تخلیه (R، ۳) هدایت می‌شود.
اگر شیر در وضعیت بدون تحریک بسته باشد، به آن شیر نرمال بسته (NC) گفته می‌شود.
اگر در حالت بدون تحریک باز باشد، آن را شیر نرمال باز (NO) می‌نامند.
عملکرد مدار یک شیر مونو استیبل، معمولاً بسته، ۳/۲ راهه
بیشتر شیرهای ۳/۲ از نوع مونو‌استیبل هستند، یعنی وقتی تحریک نمی‌شوند، به حالت پیش‌فرض خود برمی‌گردند. این بازگشت معمولاً با استفاده از یک فنر داخلی انجام می‌شود.
در مقابل، شیرهای ۳/۲ بای‌استیبل موقعیت خود را حتی در زمان قطع برق نیز حفظ می‌کنند و برای تغییر وضعیت‌شان نیاز به یک فرمان جداگانه دارند. به همین دلیل، شیرهای بای‌استیبل را نمی‌توان به‌صورت نرمال باز (NO) یا نرمال بسته (NC) طبقه‌بندی کرد، چون آن‌ها همیشه در یک وضعیت ثابت باقی می‌مانند، مگر اینکه دستور تغییر وضعیت داده شود.
عملکردهای مختلف شیر 3/2
- شیر ۳/۲ مونو‌استیبل نرمال بسته (NC)
- شیر ۳/۲ مونو‌استیبل نرمال باز (NO)
- شیر ۳/۲ بای‌استیبل
عملکرد مداری این شیرها معمولاً با استفاده از نمادهای فنی در نقشه‌های پنوماتیکی نمایش داده می‌شود.
شیر برقی پنوماتیک سه طرفه کار می‌کند!
طراحی شیر پنوماتیک ۳/۲ راهه با عملکرد سلونوئیدی در حالت‌های بسته (چپ) و باز (راست) شامل موارد زیر است: اپراتور دستی (A)، هسته ثابت (B)، سلونوئید (C)، آرمیچر (D)، پین فشاری (E)، فنر برگشت ۱ (F)، ماسوره (G)، اتمسفر (H)، خروجی شیر (I)، منبع هوا (J)، فنر برگشت ۲ (K) و روزنه (L)
در شیر پنوماتیکی ۳/۲ که با سلونوئید (برق‌مغناطیس) کار می‌کند، اجزای اصلی و وظایف آن‌ها به شکل زیر هستند:
A – عملگر دستی: این بخش امکان کنترل دستی شیر را فراهم می‌کند.
B – هسته ثابت: یک هسته مغناطیسی ثابت که ساختار سلونوئید را کامل می‌کند.
C – سلونوئید: با دریافت جریان برق، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند.
D – آرماتور: در واکنش به میدان مغناطیسی ایجادشده توسط سلونوئید، حرکت می‌کند.
E – پین فشار (Push Pin): حرکت آرماتور را به قرقره یا اسپول منتقل می‌کند.
F – فنر برگشت ۱: وقتی سلونوئید خاموش می‌شود، آرماتور را به حالت اولیه بازمی‌گرداند.
G – اسپول (قرقره): وظیفه هدایت جریان هوا درون شیر را بر عهده دارد.
H – اتمسفر (محیط بیرون): خروجی هوا به فضای بیرونی از طریق این پورت انجام می‌شود.
I – خروجی شیر: هوای فشرده پس از عبور از شیر از این نقطه خارج می‌شود.
J – ورودی هوا: هوای فشرده از این پورت وارد شیر می‌شود.
K – فنر برگشت ۲: به بازگرداندن اسپول به موقعیت اولیه کمک می‌کند.
L – روزنه عبور هوا: مسیر عبور هوا در داخل بدنه شیر.
وقتی سلونوئید (C) فعال می‌شود، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که باعث حرکت آرماتور (D) می‌شود. این حرکت از طریق پین (E) به اسپول (G) منتقل می‌شود و باعث باز یا بسته شدن روزنه (L) می‌گردد. در این حالت، هوای فشرده از طریق ورودی (J) وارد شیر شده و از خروجی (I) خارج می‌شود.
وقتی سلونوئید از کار می‌افتد (یعنی جریان برق قطع می‌شود)، فنرهای برگشت (F و K) آرماتور و اسپول را به حالت اولیه خود بازمی‌گردانند. این عمل باعث قطع جریان هوا شده و هوای باقی‌مانده از طریق خروجی تخلیه (H) به بیرون هدایت می‌شود.
نکته: همه شیرهای سلونوئیدی ۳/۲ لزوماً دارای تمام اجزای فوق نیستند. طراحی دقیق هر شیر بسته به شرکت سازنده و کاربرد موردنظر متفاوت است. مثلاً در برخی مدل‌ها، آرماتور و اسپول به‌صورت یکپارچه ساخته می‌شوند و دیگر نیازی به پین مجزا نیست.
تنوع در کاربرد و ملاحظات محیطی شیرهای پنوماتیکی
اگر بدنه شیر با استاندارد NAMUR طراحی شده باشد، می‌توان آن را مستقیماً روی عملگرهایی نصب کرد که آن‌ها نیز مطابق با همین استاندارد ساخته شده‌اند. برای صرفه‌جویی در فضا و نظم‌دهی بهتر، می‌توان از منیفولد استفاده کرد و چندین شیر ۳/۲ را کنار هم در یک منیفولد قرار داد. حتی می‌توان شیرهای مختلفی مانند ۳/۲ و ۵/۲ را در یک منیفولد ترکیب کرد، البته این موضوع بستگی به نوع طراحی منیفولد دارد.
از سوی دیگر، محیطی که شیر در آن استفاده می‌شود بسیار مهم است. در شرایط سخت صنعتی یا حضور مواد شیمیایی خورنده، باید از شیرها و آب‌بندی‌هایی استفاده کرد که مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند. همچنین شیرهای خاصی برای اتاق‌های تمیز (Clean Room)، محیط‌های ATEX (ضد انفجار) و صنایع غذایی طراحی شده‌اند.
جالب است بدانید که با استفاده از فقط یک ورودی و یک خروجی در شیر ۵/۲، می‌توان عملکرد یک شیر ۳/۲ را شبیه‌سازی کرد. همچنین با استفاده از دو شیر ۲/۲ نیز می‌توان یک عملکرد مشابه شیر ۳/۲ ایجاد کرد.
کاربردهای معمول شیرهای ۳/۲
شیرهای ۳/۲ در بسیاری از عملیات‌ها کاربرد دارند، از جمله:
- کنترل محرک‌های پنوماتیکی
- دمیدن هوا (Blow-off)
- تخلیه فشار
- ایجاد خلا
کنترل یک جک تک‌عملگره
در یک سیلندر (جک ) تک‌عملگره فقط یک پورت برای ورود و خروج هوا وجود دارد. وقتی هوای فشرده وارد این پورت می‌شود، جک در یک جهت حرکت می‌کند. بازگشت آن به وضعیت اولیه از طریق نیروی فنر داخلی انجام می‌شود. شیر ۳/۲ در این کاربرد، یا محفظه هوا را پر می‌کند یا آن را به جو تخلیه می‌کند.
شکل زیر یک مدار پنوماتیکی ساده برای کنترل سیلندر (جک ) تک‌عملگره را نمایش می‌دهد.
نمایش شماتیک یک سیلندر (جک ) تک‌اثره با شیر ۳/۲
کنترل سیلندر (جک ) دو عملگره (Double-Acting Cylinder)
یک سیلندر (جک ) دو عملگره دارای دو محفظه هوا است که هرکدام پورت ورودی خاص خود را دارند. حرکت سیلندر (جک ) با پر کردن یکی از محفظه‌ها و تخلیه دیگر انجام می‌شود. معمولاً برای راه‌اندازی سیلندر دو عملگره از شیر ۵/۲ استفاده می‌شود، اما این عملکرد می‌تواند با استفاده از دو شیر ۳/۲ نیز انجام شود، که هرکدام به یکی از پورت‌های سیلندر متصل است. یکی از این شیرها می‌تواند میله پیستون را به موقعیت باز شده (a1) حرکت دهد، در حالی که شیر دیگر میله پیستون را به موقعیت اولیه خود (a0) باز می‌گرداند (شکل ۶).
مزایای استفاده از دو شیر ۳/۲ به جای شیر ۵/۲
- فشارهای مختلف: می‌توان فشارهای متفاوتی را به پورت‌های سیلندر (جک ) اعمال کرد بدون نیاز به استفاده از رگولاتور فشار بین شیر و سیلندر.
- تخلیه همزمان: هر دو محفظه هوا می‌توانند همزمان تخلیه شوند، که این امکان در شیر ۵/۲ وجود ندارد و به این ترتیب حرکت آزادانه میله پیستون فراهم می‌شود.
روش کار شیرها برای حرکت سیلندر
برای حرکت دادن پیستون از موقعیت a0 به a1 با استفاده از دو شیر NC (Normally Closed)، یکی از شیرها باید فعال شود (روشن شود، ‘1’) و دیگری غیرفعال باشد (خاموش، ‘0’). شیر غیرفعال اجازه می‌دهد که هوا فشرده از پورت (R, 3) تخلیه شود، که باعث حرکت پیستون در جهت موردنظر می‌شود.
جدول ۱: راه‌اندازی سیلندر (جک ) دو عملگره با یک شیر NC و یک شیر NO
| وضعیت شیر NC (چپ) | وضعیت شیر NO (راست) | وضعیت پیستون |
|---|---|---|
| 0 | 0 | a0 |
| 1 | 0 | وضعیت ثابت ندارد |
| 0 | 1 | حرکت آزاد بین a0 و a1 |
| 1 | 1 | a1 |
نکات مهم:
وضعیت تخلیه: حداقل یکی از دو شیر باید در وضعیت “تخلیه” (Exhaust) قرار داشته باشد تا از فشار دادن همزمان هر دو پورت سیلندر (جک ) جلوگیری شود. اگر هر دو پورت فشار داشته باشند، حرکت پیستون به عواملی مانند وضعیت قبلی پیستون، میزان فشار و نوع سیلندر (جک ) بستگی خواهد داشت.
با این روش، می‌توان حرکت دقیق و کنترل‌شده‌ای را برای سیلندر (جک )های دو عملگره ایجاد کرد و در عین حال از مزایای شیرهای ۳/۲ بهره‌برداری نمود.
جک دو طرفه با یک سوپاپ NC و یک سوپاپ NO
کنترل جک دو عملگره با دو شیر سلونوئیدی NC (Normally Closed)
در این حالت، از دو شیر پنوماتیکی ۳/۲ نوع NC استفاده می‌شود. این پیکربندی یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای کنترل دقیق سیلندرهای دو عملگره در محیط‌های صنعتی است.
| شیر NC (چپ) | شیر NC (راست) | موقعیت پیستون |
|---|---|---|
| 0 | 0 | حرکت آزاد بین a0 و a1 |
| 1 | 0 | a1 |
| 0 | 1 | a0 |
| 1 | 1 | وضعیت پایدار ندارد |
تفسیر جدول:
- (0, 0): هر دو شیر در وضعیت بسته هستند، یعنی هیچ‌کدام فشار هوا را به سیلندر (جک ) نمی‌فرستند و هر دو پورت در حالت تخلیه‌اند. نتیجه؟ پیستون آزاد است و می‌تواند بین موقعیت a0 و a1 حرکت کند (حرکت بدون مقاومت).
- (1, 0): شیر چپ فعال شده و هوای فشرده را به پورت مربوطه در سیلندر (جک ) می‌فرستد؛ در حالی که شیر راست در حالت تخلیه قرار دارد. این ترکیب پیستون را به سمت موقعیت a1 حرکت می‌دهد.
- (0, 1): برعکس حالت قبلی، حالا شیر راست فعال است و فشار هوا را وارد می‌کند، و شیر چپ در وضعیت تخلیه است. بنابراین پیستون به موقعیت a0 بازمی‌گردد.
- (1, 1): هر دو شیر در حال ارسال فشار به سیلندر (جک ) هستند! این یعنی هر دو پورت سیلندر تحت فشار قرار می‌گیرند. این حالت ناپایدار است و نتیجه حرکت پیستون به عواملی مثل نسبت سطح دو طرف پیستون، فشارها و اصطکاک بستگی دارد. در عمل، باید از این وضعیت پرهیز شود.
استفاده از دو شیر ۳/۲ نوع NC به جای یک شیر ۵/۲ نه تنها انعطاف‌پذیری بیشتری در طراحی مدار می‌دهد، بلکه اجازه می‌دهد تا ویژگی‌هایی مثل حرکت آزاد، اعمال فشار متفاوت به دو طرف پیستون و تخلیه همزمان، پیاده‌سازی شود. با این حال، نیازمند کنترل دقیق لاجیک عملکرد شیرهاست تا از حالت‌های ناپایدار جلوگیری شود.
شیر تخلیه ۳/۲ راهه با پایلوت خارجی (چپ)، شیر اطمینان فشار با پایلوت خارجی (راست)
نماد شیر یک شیر 3/2 راهه مورد استفاده برای کاربرد خلاء: فیلتر خلاء (A)، پد خلاء (B)، فیلتر با جداکننده، تخلیه دستی (C)، پمپ خلاء
نتیجه‌گیری
شیرهای پنوماتیکی ۳/۲ به‌عنوان یکی از پرکاربردترین اجزای کنترلی در سیستم‌های پنوماتیکی، نقش حیاتی در هدایت و مدیریت جریان هوا ایفا می‌کنند. طراحی سه‌راهه و عملکرد دوحالته‌ی این شیرها باعث شده است تا انتخابی ایده‌آل برای کنترل سیلندرهای یک‌طرفه، تخلیه فشار و انجام اعمال ساده ولی دقیق در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی باشند. تنوع در روش‌های فعال‌سازی—from دستی و مکانیکی تا الکتریکی (سلونوئیدی) و پنوماتیکی—انعطاف بالایی را برای انطباق با شرایط مختلف عملیاتی فراهم می‌آورد.
در این مقاله، ضمن بررسی ساختار داخلی شیرهای ۳/۲، تفاوت میان مدل‌های مونو‌استیبل و بای‌استیبل، انواع نرمال باز و نرمال بسته، و کاربرد آن‌ها در مدارهای پنوماتیکی مورد تحلیل قرار گرفت. درک عمیق این مفاهیم به مهندسان، تکنسین‌ها و طراحان سیستم‌های اتوماسیون کمک می‌کند تا انتخابی هوشمندانه‌تر، کارآمدتر و ایمن‌تر داشته باشند.
در نهایت، انتخاب درست شیر ۳/۲ با درنظر گرفتن نیازهای عملکردی، شرایط محیطی، و نوع فعال‌سازی، می‌تواند عملکرد کلی سیستم را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد و از بروز خطاها و افت راندمان جلوگیری کند. این شیرها کوچک‌اند، اما اهمیت‌شان در موفقیت و پایداری یک سیستم کنترلی، بزرگ است.