Wybór zaworu pneumatycznego

Zawory są sercem pneumatycznych układów sterowania. Spośród różnych typów zaworów najczęściej stosowane są tzw. zawory kierunkowe (directional) oraz proporcjonalne (proportional). Kierunkowe zawory sterujące (directional control valves – DCVs) służą do zmiany kierunku przepływu sprężonego powietrza (lub innych odpowiednich płynów); na przykład w celu uzyskania przesuwu siłownika w wymaganym kierunku – do przodu lub do tyłu. Zawory DCVs określa się przez podanie ilości połączeń głównych oraz ilości stanów (pozycji) przełączalnych. Na przykład, określenie „zawór 3/2" dotyczy zaworu, który ma trzy końcówki podłączenia i dwa stany pracy. Oprócz ilości końcówek i ilości stanów regulacyjne zawory kierunkowe różnią się także konstrukcją mechaniczną i funkcjonalnością. Projektowane są zawory grzybkowe (kulowe oraz typu gniazdo-grzyb), suwakowe, płaskie i obrotowe przesuwane. Nawet wśród tych samych rodzajów zaworów można spotkać różne ich modele lub różnią się one materiałami, z których zostały wykonane. Na przykład zawór suwakowy może mieć pierścienie uszczelniające rozmieszczone wzdłuż suwaka lub w korpusie zaworu. Różnice w budowie zaworów wpływają na okres ich trwałości, strumień przepływu płynu, rodzaj elementów przełączających i wymaganą siłę przełączania oraz wielkość i cenę urządzenia.

Podczas gdy zawory kierunkowe stosowane są do realizacji przełączania kierunku przepływu powietrza, zawory proporcjonalne (proportional valves – PVs) służą do regulacji ciśnienia i natężenia przepływu. Konwersja sygnału wejściowego na odpowiedni sygnał wyjściowy jest najważniejszą cechą zaworów proporcjonalnych. Zawory PVs składają się zazwyczaj z dwóch elementów: pilota oraz zaworu właściwego. Pilot składa się z dwóch dwustanowych zaworków typu „2/2” lub proporcjonalnego zaworu elektromagnetycznego oraz elementów elektroniki pomiarowej i sterującej. Zawór realizuje tylko i wyłącznie zintegrowane funkcje pneumatyczne.

Do zacisków bloku sterującego podawane jest napięcie lub natężenie prądu stałego DC (np. 0-10 V lub 0-20 mA) o wartości odpowiadającej wymaganej wartości regulowanego ciśnienia. Jednocześnie, za pomocą zintegrowanego czujnika ciśnienia, mierzone jest ciśnienie rzeczywiste na „pracującym” wyjściu zaworu. Zmierzone ciśnienie porównywane jest z wartością wymaganą. W przypadku różnicy między tymi wielkościami elektronika załącza jeden z zaworów sterujących pilota odpowiednio do odchylenia wartości ciśnienia. Przepływ powietrza przez zawór sterujący powoduje zmianę otwarcia głównego zaworu regulacyjnego i w konsekwencji zmianę regulowanego ciśnienia. Zawór sterujący pozostaje w tej pozycji do czasu, aż rzeczywista wartość ciśnienia za zaworem będzie równa wartości wymaganej.

Proporcjonalne zawory regulacyjne DCVs potrafią wiecej

„Standardowe” regulacyjne zawory kierunkowe mogą przyjąć tylko dwie (skrajne) pozycje. Natomiast proporcjonalne zawory kierunkowe pozwalają także na uzyskanie pozycji pośrednich. Oznacza to, że oprócz pozycji końcowej takiej jak „OTWARTY” lub „ZAMKNIĘTY”, możliwe jest uzyskanie pozycji pośrednich, takich jak „CZĘŚCIOWO OTWARTY”.

Elementem wykonawczym, zmieniającym pozycje robocze, jest proporcjonalny zawór elektromagnetyczny. Po załączeniu układ elektroniczny zmienia napięcie przyłożone do cewki, co powoduje również zmianę pozycji tłoka sterującego, odpowiednio do zmiany siły pola elektromagnetycznego. W rezultacie poprzez zmianę położenia tłoka sterującego zmienia się przekrój przepływu powietrza. Pozwala to nie tylko na sterowanie kierunkiem przesuwu cylindra w otwartej lub zamkniętej pętli regulacji, ale również na regulowanie jego prędkości. W tym przypadku zawór spełnia tzw. funkcję przepustnicy. Przy częstotliwości przełączania wynoszącej w przybliżeniu 100 Hz zawory charakteryzują się bardzo dobrą dynamiką.

Zawory proporcjonalne znajdują szerokie zastosowanie w praktyce; na przykład przy utrzymywaniu stałej siły naprężenia podczas rozwijania materiałów. Ponadto zawory te stosowane są do precyzyjnego ustawiania pozycji tłoków w cylindrach. W takim przypadku cylinder jest wyposażony w dodatkowy czujnik położenia tłoka (encoder), który przekazuje sygnał zwrotny o aktualnej pozycji tłoka. Dla uzyskania konkretnej pozycji tłoka zawór kontroluje ilość przepływającego powietrza podawanego lub wypuszczanego z cylindra.

Frank Langro jest dyrektorem Product Management, a Frank Latino jest menedżerem do spraw produktu w Valve Terminals & Electronics, w Festo Corp. www.festo.pl

Powyższe zdjęcie zamieszczone dzięki firmie Festo — przedstawia typowy regulacyjny zawór proporcjonalny do regulacji cioenienia (PV, po lewej) oraz regulacyjny zawór kierunkowy sterowany zaworem elektromagnetycznym (DCV).