اتوماسيون توسط سيستمهاي نتوماتيك

۱-۱- مقدمه
در اين فصل به معرفي سيستمهاي نتوماتيك مورد استفاده در خطوط توليدي اتوماتيك مي پردازيم. در اين نگارش تنها به اصول كلي طراحي و اجزاء مهم سيستمهاي نتوماتيك پرداخته خواهد شد كه مقدمه لازم جهت آشنائي تخصصي با اين سيستمها را براي يك مهندس كنترل فراهم مي آورد.
لغت نيوماتيك(Pneumatic)( كه به صورت پنوماتيك مطابق با برداشت از تلفظ اين لغت به زبان

آلماني نيز در صنايع كشور مصطلح مي باشد) از ريشه يوناني(Pneumos) به معني تنفس گرفته شده است. استفاده از هوا فشرده در سيستمهاي صنعتي به ابتداي انقلاب صنعتي به ابتداي انقلاب صنعتي بر مي گردد و در ابتداي قرن بيستم به عنوان ابزار اصلي اتوماسيون سيستمهاي توليدي مورد استفاده قرار گرفته است. يك سيستم نيوماتيك شامل عملگرها يا جكهاي نيوماتيك،

شيرهاي نتوماتيك يا الكترونيوماتيك، سنسورهاي نيوماتيك، سيستم هاي انتقال نيوماتيك و سيستم توليد فشار هوا مي باشد. در ابتداي اين فصل به توضيحي مختصر درباره برخي از اين اجزاء پرداخته و سپس طرحهاي اتوماسيون توسط سيستمهاي نيوماتيك را بررسي مي نمائيم.

۲-۱- اجزاء سيستم نيوماتيك
۱-۲-۱- انواع شيرهاي نيوماتيك
شيرهاي استفاده شده در سيستمهاي نيوماتيك بمنظور كنترل سه كميت فيزيكي زير بكار مي روند.
۱- كنترل وضعيت جريان ۲- كنترل فشار هوا ۳- كنترل ميزان جريان هوا
شير كنترل وضعيت(directional valve) وسيله اي است كه متناظر با دريافت يك سيگنال ورودي به صورت نيوماتيكي يا الكتريكي جهت عبور هواي فشرده را تغيير
مي دهد و يا جريان يافتن يا متوقف شدن هواي فشرده در يك مسير را كنترل مي كند. اين شير كنترلي مهمترين جزء سيستم نيوماتيك در طراحي منطق سيستم هاي اتوماسيون
مي باشد. اين نوع از شيرهاي كنترلي توسط كميات زير طبقه بندي مي گردند:
۱- تعداد پورتهاي نيوماتيك ورودي و خروجي(۲، ۳، ۴ يا ۵)
۲- تعداد وضعيتهاي كنترل شونده حركتي شير(۱، ۲ يا ۳)

۳- نحوه تحريك شير(دستي، نيوماتيكي يا برقي)
۴- مشخصات طراحي شير همانند ابعاد پورتهاي ورودي و خروجي، دبي شير و…
شكل زير اجزاء داخلي يك شير كنترلي و نحوه آب بندي آن توسط O-ring را نشان مي دهد. عضو اصلي شير كه وظيفه كنترل جهت حركت جريان را به عهده دارد سوزن

شير يا Spool نام دارد.

شكل ۱-۱ اجزاء داخلي يك شير كنترل وضعيت
در اينجا مي توانيم تعدادي از شيرهاي كنترل وضعيت مورد استفاده متداوب در سيستمهاي اتوماسيون را با توجه به وظيفه اي كه انجام مي دهند( و نه با تكيه به اصول طراحي شير) طبقه بندي كنيم.
الف) شير ۲*۲(دو در دو به معناي دو پورت ورودي- خروجي و دو وضعيتي)
همانگونه كه در شكل ۲-۱ ملاحظه مي شود ساختار داخلي اين شير به گونه است كه در صورت عدم تحريك آن جريان ورودي هوا(پورت ۱) نسبت به پورت خروجي(۲) كاملا مسدود مي باشد و لذا اين شير در حالت نرمال قطع يا(NC) مي باشد. در صورت تحريك شير، جريان هوا بين پورت ورودي(۱) و خروجي(۲) برقرار مي شود. نمايش اين شير در مدارهاي نيوماتيك به فرم زير مي باشد:

شكل ۲-۱ شير كنترل وضعيت ۲*۲ و شماتيك نمايش آن در مدارهاي نيوماتيك
ب) شير ۲*۳(سه ورودي- خروجي، دو وضعيتي)
انواع اين نوع شير كنترل وضعيت به فرم سوزني(spool) و كفشكي(Poppet) در شكل زير نمايش داده شده اند. همانگونه كه در شكل ملاحظه مي شود ورودي هواي فشرده از پورت(۱) يا مسدود بوده(N.C.) و يا با تغييرات وضعيت Spool به خروجي پورت(۲) در شكل آورده شده است.
پ) شير كنترل وضعيت ۲*۴ يا ۳*۴

اين نوع شير غالبا بصورت ديسكي طراحي شده و عملا امكان اتصال پورت ورودي(۱) به خروجي(۲) و پورت ورودي(۳) به خروجي(۴) را در يك وضعيت و اتصال(۱) به(۴) و(۲) به (۳) را در وضعيت ديگر مهيا مي كنند. در حالت سه وضعيتي حالتي پيش بيني شده است كه كليه پورتها مسدود مي باشند. شكل زير نحوه عملكرد اين شير را بصورت شماتيك نمايش داده و با استفاده از يك جك نيوماتيك ۲ طرفه نحوه استفاده از اين شير در يك مدار نيوماتيكي مشخص گرديده است.

شكل ۳-۱ شير كنترل وضعيت ۲*۳

شكل ۳-۱ يك نوع شير كنترل وضعيت ۳*۴ و نحوه نمايش سمبوليك آن در نقشه هاي نيوماتيك
ت) شير كنترل وضعيت ۲*۵ يا ۳*۵
اين شير مهمترين و پركاربردترين شير كنترل وضعيت در سيستمهاي نيوماتيكي است كه جهت كنترل حركت جكها يا موتورهاي نيوماتيكي استفاده مي شود. شكل زير نمايشي از ساختار اين نوع شير و شماتيك نمايش آن در نقشه هاي نيوماتيك را به تصوير مي كشد. همانگونه كه در شكل مشاهده مي شود، در وضعيت خنثي شير حركت جك متوقف گرديده زمانيكه دسته شير بصورت دستي در وضعيت چپ قرار گيرد جريان از مخزن پرفشار(ورودي) به پيشاني جك منتقل شده و جك در جهت بسته شدن حركت مي كند بهمين ترتيب در وضعيت راست، جريان به پشت جك هدايت شده و جك باز خواهد شد.

شكل ۴-۱ يك نوع شير كنترل وضعيت ۳*۵ و نحوه نمايش سمبوليك آن در نقشه هاي نيوماتيكي
۲-۲-۱- نحوه فعال سازي شيرهاي كنترلي
شيرهاي كنترل وضعيت به صورتهاي مختلف قابل فعال سازي مي باشند، نوع ساده تحريك توسط اپراتور و بصورت دستي صورت مي پذيرد. همچنين از نيروي مكانيكي ناشي از حركت در سيستمهاي تمام اتوماتيك به صورت تحريك نيوماتيك يا پيلوت و يا تحريك الكتريكي است كه در زير به آن مي پردازيم.

الف) تحريك دستي
شكل ۵-۱، انواع متدهاي تحريك دستي شيرهاي كنترلي توسط اپراتور را به نمايش مي گذارد.

شكل ۵-۱ انواع متدهاي تحريك دستي شيرهاي كنترلي
ب) تحريك مكانيكي
شكل زير، متدهاي تحريك مكانيكي شيرهاي كنترلي را به تصوير مي كشد.

شكل ۶-۱ انواع متدهاي تحريك مكانيكي شيرهاي كنترلي

پ) تحريك نيوماتيكي يا پيلوت
از يك خط فرمان نيوماتيك يا هواي فشرده نيز براي جابجا كردن سوزن شير(Spool) و يا كفشك آن(Poppet) مي توان بهره جست. شكل زير نحوه استفاده مستقيم از تحريك پيلوت، تحريك الكترونيوماتيك آن و يا تحريك ديافراگمي آنرا نمايش مي دهد.

 

 

شكل ۷-۱ انواع متدهاي تحريك نيوماتيكي يا پيلوت شيرهاي كنترل
ت) تحريك الكتريكي
تحريك الكتريكي توسط يك سلف يا سلونوئيد صورت مي پذيرد. غالبا اين نوع شيرها را سلونوئيد- ولو مي نامند. تحريك در اين نوع شيرها مي تواند بصورت كاملا الكتريكي بوده و يا از فشار هوا نيز براي حركت Spool به علاوه تحريك الكتريكي استفاده شود كه در اينصورت جهت حركت Spool استفاده مي گرديد و برگشت آن توسط نيروي فنر و يا يك سلونوئيد ديگر صورت مي گرفت، اما با توجه به وجود منبع قدرت قابل استفاده و در دسترس فشار هوا، مي توان توان مكانيكي لازم جهت به حركت درآوردن Spool را بخصوص در شيرهاي بزرگ از آن تامين نمود. شكل ۸-۱ يك نوع شير ۲*۳ كه بدين ترتيب كنترل مي شود را نمايش مي دهد.

شكل ۸-۱ يك نوع شير ۲*۳ كه از تحريك الكترو- نيوماتيك استفاده مي كند
در اين طرح نيروي الكتريكي حاصل از سلونوئيد تنها براي جابجائي كوچكي از Spool استفاده شده و پس از اينكه Spool جابجائي اندكي انجام داد، فشار هواي پيلوت به حركت آن جهت مسدود شدن پورت(۳) و انتقال جريان هوا از(۱) به (۲) وارد عمل
مي شود. نمايش مداري اين نوع شير و شيرهاي دوطرفه ۲*۵ و ۳*۵ كه از اين نوع تحريك استفاده مي كنند در شكل زير آورده شده است.

شكل ۹-۱ نمايش مداري شيرهاي تحريك شونده الكترو- نيوماتيكي
۳-۲-۱- عملگرهاي نيوماتيكي
انواع عملگردهاي نيوماتيكي به سه دسته زير تقسيم مي گردند.
۱- عملگرهاي خطي(جكها)
۲- عملگرهاي دوراني(موتورها)

۳- عملگرهاي نيم دوراني(داراي محدوديت در دوران مي باشند)
كه انواع اين گونه عملگرها در زير توضيح داده خواهند شد.
الف) جكهاي يك محوره- يك طرفه
در اين نوع جكها تنها يك پورت فشار هواي ورودي وجود دارد كه با اتصال آن به جك، آنرا در جهت باز شدن تحريك مي كند. فشار هواي طرف ديگر مستقيما به هواي آزاد منتقل شده و حركت جمع شدن جك توسط نيروي فنر تامين مي شود. شكل زير اين نوع جك را نمايش مي دهد. به دليل امتداد يافتن محور جك تنها در يك امتداد به اين جك يك محوره گفته

شده و به علت وجود تحريك يك جهته آن به آن يك طرفه اطلاق
مي شود.

شكل ۱۰-۱ يك نوع جك يك محور- يك جهته
ب) جكهاي ديافراگمي يك طرفه
زمانيكه نياز به نيروهاي زياد ولي جابجائي مختصر داشته باشيم از انواع ديافراگمي جكها استفاده مي شود. شكل زير شماتيك اجزاء داخلي اين نوع جك را نمايش مي دهد.

شكل ۱۱-۱ يك نوع جك ديافراگمي يك طرف
پ) بالشتك هوائي(Air Bellows)
اين نوع عملگرها از سيستمهاي تعليق فعال اتومبيل به صنايع اتوماسيون وارد شده اند. در واقع مطابق شكل ۱۲-۱ اين نوع عملگرها از بالشتكهاي لاستيكي(يا ورقهاي فلزي) تشكيل شده اند كه در اثر اعمال فشار هوا منبسط شده و ايجاد جابجائي در امتداد قائم(مطابق شكل) مي نمايند. از اين نوع عملگرها در جائي كه نيروي زياد و جابجائي كم مورد نظر است استفاده مي شود.

شكل ۱۲-۱ يك نوع عملكرد بالشتك هوائي
ت) جكهاي دو طرفه
اين جكها مانند جكهاي يك طرفه مي باشند با اين تفاوت كه از هر دو طرف مي توانند مورد تحريك واقع شوند. اين نوع جكها متداولترين عملگرهاي مورد استفاده در
سيستم هاي اتوماسيون مي باشند و بسته به دو نوع كاربرد مي توانند يك محوره و يا دو محوره طراحي گردند.


شكل ۱۳-۱ يك نوع عملگر جك دو طرفه
ث) محركهاي نيم دوراني(مولدهاي گشتاور)
در صورتي كه حركت دوراني مورد نياز باشد مي توان با يك سيستم انتقال شانه دندانه، حركت مستقيم هر نوع جك را به حركت دوراني تبديل كرد. با توجه به كورس محدود هر جك ميزان حركت دوراني در اين نوع محرك ها نيز محدود بوده و بدين علت به آنها محركهاي نيمه دوراني اطلاق مي شود. شكل زير مكانيزم ايجاد حركت دوراني را در اين نوع محركها نمايش مي دهد.

 

شكل ۱۴-۱ يك نوع محرك نيمه دوراني يا مولد گشتاور
ج) محركهاي دوراني
انواع متعددي از اين نوع محركها موجودند كه مي توان به گونه ها زير اشاره نمود:
موتورهاي دريچه اي(Vane Motor)
1- موتورهاي پيستوني راديال
۲- موتورهاي دنده اي
شكل زير موتورهاي دريچه اي و پيستوني را بصورت شماتيك نمايش مي دهد.

شكل ۱۵-۱ گونه هاي موتورهاي دريچه اي و پيستون راديال نيوماتيك
جدول زير مشخصات اينگونه موتورها را با هم مقايسه مي كنند.

شكل ۱۶-۱ جدول مقايسه موتورهاي نيوماتيكي
۳-۱- كنترل وضعيت جكهاي نيوماتيك
در اين بخش به نحوه طراحي سيستمهاي نيوماتيك كه جهت كنترل حركت يك يا چند محرك نيوماتيكي و بمنظور انجام بخشي از يك پروسه اتوماتيك توليدي استفاده
مي شود، مي پردازيم.
۱-۳-۱- كنترل حركت يك جك يك طرفه
توسط يك شير كنترل ۲*۲(N.C) مي توان براحتي حركت لازم يك جك يك طرفه را تامين كرد. دياگرام كنترلي اين مجموعه در زير نمايش داده شده است.

شكل ۱۷-۱ كنترل حركت يك جك يك طرفه
جك يك طرفه در اين طرح، در حالت نرمال شير توسط نيروي فنر به حالت كاملا جمع خود بر مي گردد، و در حالتي كه توسط اپراتور و بصورت دستي شير كنترل تحريك گردد، اين جك باز خواهد شد. اين ساده ترين مدار يك سيستم نيوماتيك كه توسط اپراتور كنترل مي شود را نشان مي دهد. معمولا در دياگرام نيوماتيكي تنها حالت نرمال شير نمايش دده مي شود و حالت تحريك شده آن از شكل قابل انتزاع مي باشد.
۲-۳-۱- كنترل حركت يك جك دو طرفه
براي ايجاد حركت يك جك دو طرفه در دو جهت، مي توان از ۲ شير ۲*۲ استفاده نمود و يا مطابق شكل زير تنها از يك شير ۲*۵ بهره جست.

 

شكل ۱۸-۱ كنترل حركت يك جك دو طرفه توسط شير ۲*۵
مطابق شكل در صورتيكه شير در حالت نرمال قرار گرفته باشد جك در حال بسته حركت كرده و با تحرك شير، جك در جهت باز شدن حركت خواهد نمود و با قطع تحريك شير، جك حالت موضعي خود متوقف سازيم، مي بايست مطابق(شكل ۱۹-۱) از يك ۳*۵ استفاده نمود. در اين طرح از شيرهاي مقاومتي در خروجي شير كنترل استفاده شده است تا حركت رفت و برگشت با سرعت قابل تنظيمي صورت پذيرد.
۳-۳-۱- كنترل شير با استفاده از فشار پيلوت
در طراحي سيستمهاي نيوماتيك، با توجه به انرژي و توان مورد نياز در هر كاربرد، اندازه متناسب اينگونه جكها و شيرها انتخاب مي گردد. براي انجام عمليات با توان بالا مسلما ابعاد جكها و شيرهاي كنترلي آن متناظرا بزرگ شده و فشار مورد نياز نيز افزايش مي يابد.


شكل ۱۹-۱ كنترل حركت يك جك دو طرفه با شير ۳*۵
بدين ترتيب همانند طراحي سيستمهاي قدرت در مدارهاي الكتريكي مي توان مدار فرمان را از مدار قدرت جدا نمود و شيرها و جكهاي اصلي را در مدار قدرت قرار داده و توسط شيرهاي فرمان با ابعاد فشار كاري كوچكتر، شيرهاي اصلي را كنترل نمود. بدين ترتيب خطوط فشار قوي در سيستم كوتاه گرديده و امنيت سيستم بالا مي رود و همچنين امكان نصب كليه شيرهاي فرمان در يك محل(اتاق كنترل) بوجود مي آيد. شيرهاي كنترل فرمان همانگونه كه قبلا بيان گرديد مي تواند از نوع تحريك دستي، مكانيكي يا الكترونيوماتيكي انتخاب گردد، در صورتيكه شير كنترل حركت اصلي توسط فشار پيلوت ايجاد شده از خروجي شيرهاي فرمان به حركت در مي آيد. شكل زير يك نمونه از طراحي سيستم بدين صورت را به نمايش مي گذارد كه در آن خطوط فشار پيلوت با خطوط نقطه چين و بمنظور حركت شير اصلي بكار گرفته شده اند.

شكل ۲۰-۱ عملكرد يك جك دو طرفه توسط شيرهاي كنترل و فرمان پيلوت
در صورتيكه شير كنترلي VA توسط اپراتور(يا نيروي مكانيكي پيستون جك اصلي) تحريك گردد، جك در جهت باز شدن عمل كرده و با تحريك شير VB، جك جمع خواهد شد. اگر به هر علتي هر دو شير VA , VB فرمان تحريك گردند در دو طرف شير اصلي فشار پيلوت اعمال خواهد شد كه بسيار نامطلوب مي باشد. در اين حالت گفته
مي شود كه “سيگنال حبس شده” يا Trapped Signal بوجود آمده است. يكي از اصول طراحي سيستمهاي نيوماتيكي اطمينان از عدم ايجاد سيگنال حبس شده در مدار
مي باشد.
براي رفع اين مشكل مي توان از يك شير كنترلي و يك شير كنترلي اصلي ۲*۵كه توسط فنر به حالت نرمال بر مي گردد، مطابق شكل زير استفاده نمود. در اين طرح همان عمليات بالا با ايجاد فرمان بر روي يك شير ايجاد خواهد شد و هرگز سيگنال حبس شده در مدار بوجود نخواهد آمد.

شكل ۲۱-۱ عملكرد يك جك دوطرفه توسط يك شير كنترل فرمان پيلوت
۴-۳-۱- كنترل اتوماتيك عمليات
با اضافه نمودن يك يا چند سنسور در مدار نيوماتيك مي توان نقطه شروع و يا پايان حركت جكها را مشخص نموده و فرمان شير كنترلي را متناسبا ايجاد نمود. بدين ترتيب كل حركت يك يا چند جك مي تواند كاملا اتوماتيك كنترل گرديده و نيازي به مداخله اپراتور جز در موارد قطع اضطراري وجود نخواهد داشت. سنسورهاي رويت حركت
مي توانند به صورت الكتريكي، نيوماتيك يا الكترونيوماتيكي در نظر گرفته شوند. در اين بخش، به بسط و توسعه سيستمهائي پرداخته مي شود كه كليه المانهاي آن كاملا نيوماتيك باشند. سيستمهاي الكتريكي در كنترل را در فصل بعد معرفي مي نمائيم كه توسط PLC كنترل مي شوند.
از شيرهاي نيوماتيك قطع و وصل(Pneumatic Trip Valve) كه مستقيما حركت پيستون را حس مي كنند مي توان بدين منظور بهره برد. از اين شيرها به منظور ايجاد فرمان كنترلي پيلوت و اجراي فرمان بعدي حركت در يك سيكل اتوماتيك استفاده مي شود. شكل زير مثالي از يك سيستم اتوماتيك را نمايش مي دهد، كه در عمل شير رولر- دار VB در زير پيستون جك در محل نمايش داده شده با مستطيل توپر VB قرار دارد، به نحويكه باز شدن كامل محور جك آن باعث تحريك اين شير مي گردد. معمولا جهت نمايش روشن تر دياگرام سيستم نيوماتيك جك را در محل نصب خود نمايش نداده بلكه به فرم شكل زير تنها محل نصب آن را با مستطيل توپر VB مشخص مي نمايند. بدين ترتيب با تحريك دستي شير VA سيلندر كاملا باز شده، شير VB را تحريك نموده كه خود باعث تغيير وضعيت شير اصلي و جمع شدن كامل جك مي شود.

شكل ۲۲-۱ عملكرد اتوماتيك يك جك دو طرفه
با استفاده از يك شير ديگر كه ابتداي كورس حركتي پيستون را مشخص مي كند، همانند شكل زير مي توان حركت سيكليك جك را به صورت اتوماتيك ايجاد نمود. در اين طرح از يك شير N.C. 2*3 به عنوان كليد روشن و خاموش سيكل استفاده شده است كه در حالت نرمال وضعيت آن بسته و حركت جك متوقف است. نحوه عملكرد شير بدين صورت است كه فرض كنيد شير VA در حالت باز(يا تحريك شده) باشد و در ابتداي حركت پيستون كاملا جمع شده و VC تحريك شده باشد. در اين صورت فشار پيلوت در جهت + فعال بوده و جك در حالت باز شدن حركت مي كند. اين حركت ادامه مي يابد تا در انتهاي كورس، VB تحريك شده و باعث فعال شدن فشار پيلوت در جهت- گردد كه اين به نوبه خود به معني حركت جك در جهت بسته شدن مي باشد، اين عمليات سيكليك تا قطع جريان اصلي توسط VA ادامه خواهد يافت.

 

شكل ۲۳-۱ عملكرد اتوماتيك سيكليك يك جك دو طرفه توسط دو شير فرمان