Dossier Festo Belgium nv Kolonel Bourgstraat 101 BE-1030 Brussel www.festo.com
Het drukreduceerventiel of drukregelventiel In het dossier persluchtverzorging werd het drukregelventiel behandeld. Zoals we toen gezien hebben heeft dit ventiel tot doel om de druk in een installatie constant te houden. Fig. 1: Ventiel. Dit drukregelventiel is ideaal indien men op een machine steeds dezelfde druk nodig heeft. Indien een toepassing echter regelmatig andere drukken vergt is men telkens verplicht om de druk handmatig af te stellen. Neem nu een installatie dat tot doel heeft om autobanden op druk te brengen. Indien men dit zou willen automatiseren is het gewenst om op een eenvoudige manier de gevraagde bandenspanning of banddruk te kunnen instellen zonder dat men daarvoor steeds een reduceerventiel hoeft in te stellen. Om dit te kunnen bekomen maakt men gebruik van proportionele drukregelventielen die elektrisch of elektronisch gestuurd worden. Dit dossier heeft tot doel om u vertrouwd te maken met deze ventielen 2
Het proportionele drukregelventiel met proportionele spoel Elektrische sturing van een ventiel In het dossier ventielen hebben we besproken hoe we een ventiel elektrisch sturen. Het principe is vrij eenvoudig, men laat een stroom vloeien door een spoel waardoor er een elektromagnetisch veld opgewekt wordt. Dit elektromagnetische veld gaat een kracht uitoefenen op een anker dat zich daardoor naar de spoel toe beweegt. Deze elektromagnetische kracht wordt aangewend om een ventiel te schakelen. Fig. 3: Spoel Bij ventielen met proportionele spoelen gaat men de spoel zodanig vervaardigen dat de kracht F uitgeoefend op het anker proportioneel (evenredig) is met de stroom I die men door de spoel laat vloeien. Fig. 4: Spoel. Fig. 2: Spoel. 3
Het proportionele drukregelventiel met proportionele spoel Een traditioneel drukregelventiel houdt de druk aan de uitgang 2 constant door ervoor te zorgen dat de kracht F2 die deze druk uitoefent op een membraan of klep A gelijk blijft aan een ingestelde veerkracht F1. Werking Indien de druk in 2 gelijk is aan de ingestelde druk zal kracht F2 = F1, de kleppen B en C zijn gesloten. Indien de druk in 2 daalt, zal kracht F2 afnemen, het membraan A zal naar beneden toe bewegen waardoor de klep B opent en de lucht van 1 naar 2 kan stromen, de druk in 2 zal stijgen. Fig. 5: Traditioneel ventiel. Indien de druk in 2 te groot wordt zal kracht F2 toenemen waardoor het membraan A naar boven toe beweegt en de klep C opent, de lucht kan van 2 naar 3 stromen met als gevolg dat de druk in 2 zal dalen. Dank zij deze werking wordt de druk 2 steeds constant gehouden en neemt zij een waarde aan die afhankelijk is van de ingestelde veerkracht F1. Men kan dus stellen dat de uitgangsdruk van dat ventiel proportioneel (evenredig) is met de ingestelde veerkracht. De symbolische voorstelling van dit drukregelventiel vindt men hieronder Fig. 6: Symbool traditioneel ventiel. Indien men nu de instelbare veer vervangt door een proportionele spoel A, dan zal de uitgangsdruk van dat ventiel proportioneel zijn met de kracht F die door deze spoel uitgeoefend wordt. Fig. 7: Proportioneel drukregelventiel. We weten dat deze kracht bij proportionele spoelen evenredig is met de stroom I die door de spoel vloeit, men kan dus stellen dat de uitgangsdruk van zulk een ventiel proportioneel is met de aangelegde stroomsterkte I. De symbolische voorstelling van dit drukregelventiel vindt men hieronder, zoals men kan merken is de veer uit het vorige symbool vervangen door een spoel. De pijl die door de spoel getekend is duidt erop dat de spoel proportioneel is. Fig. 8: Symbool proportioneel ventiel. 4
De uitgangsdruk van het ventiel zal 0 MPa bedragen bij 0 ma stroomafname en maximaal zijn bij maximale stroomafname van de spoel. Fig. 9: PI-grafiek. De maximale stroomafname van zulke ventielen kan snel oplopen tot 1000 ma voor relatief kleine ventielen. 5
Het voorgestuurd proportioneel drukregelventiel Voor grotere ventielen zou de stroomafname bij gewone proportionele drukregelventielen snel te grote waarden aannemen, om die reden zal men ventielen voor grotere debieten uitvoeren met een voorsturing. Deze ventielen bestaan uit twee drukregelventielen, een voor grotere debieten vervaardigd drukregelventiel A en een klein stuurventiel B. Vermits het stuurventiel B slechts kleine debieten moet doorlaten wordt de maximale stroomafname van dit ventiel beperkt. Werking Het hoofdventiel A wordt geregeld door de stuurdruk p die een kracht F uitoefent die proportioneel is aan deze stuurdruk. Hierdoor zal de uitgangsdruk 2 van het hoofdventiel steeds proportioneel zijn met de stuurdruk p. De stuurdruk p wordt geregeld door een klein proportioneel drukregelventiel. Fig. 11: Luchtgestuurd ventiel. Fig. 10: Symbool proportioneel ventiel. 6
Het proportionele drukregelventiel met geïntegreerde elektronische sturing Het nadeel van de hiervoor beschreven proportionele ventielen is dat men niet zeker is dat de druk aan de uitgangspoort van het ventiel overeenkomt met de druk die men verwacht had. Een ander nadeel is dat men deze ventielen niet rechtstreeks vanuit een PLC kan aansturen omdat de gevraagde stroomsterkte van de proportionele spoel te groot is. Om dit te verhelpen worden de moderne proportionele drukregelventielen voorzien van een bijkomende geïntegreerde sturing. Deze proportionele drukregelventielen bestaan uit een proportioneel drukregelventiel A, een druksensor B en de nodige elektronica C. In functie van de gewenste uitgangsdruk op 2 gaat men naar ingang W een aangepast elektrisch stuursignaal sturen. De druksensor B meet de uitgangsdruk van het proportionele drukregelventiel A en zet deze om in een analoog signaal. Dit analoge signaal wordt teruggekoppeld naar de geïntegreerde elektronische module C die de gewenste druk (signaal W) vergelijkt met de effectief gemeten uitgangsdruk. Indien de uitgangsdruk niet overeenstemt met de gewenste waarde zal de elektronische module het ventiel bijsturen tot de uitgangsdruk effectief overeenstemt met de gewenste druk. Het analoge uitgangssignaal van de druksensor wordt eveneens naar buiten gebracht via de aansluiting X, dit signaal kan dan eventueel teruggekoppeld worden naar een PLC of andere externe elektronische sturing Omdat het ingangssignaal W slechts een stuursignaal is moet de elektronische module apart met 24VDC gevoed worden (niet afgebeeld op het symbool) Fig. 12: MPPES. Voor grotere ventielen zal men deze proportionele drukregelventielen eveneens uitvoeren met een voorsturing. Een proportioneel drukregelventiel met geïntegreerde elektronische sturing A stuurt daarbij een hoofdventiel B aan. De uitgangsdruk van ventiel B is dan proportioneel aan de uitgangsdruk van ventiel A zoals reeds eerder aangehaald. Fig. 13: Symbool Proportioneel drukregelventiel met elektronische sturing. 7
Aansluiting van het proportionele drukregelventiel met proportionele spoel en geïntegreerde elektronische sturing De aansluiting van proportionele drukregelventielen met geïntegreerde elektronische sturing is wel iets complexer dan dat van een traditioneel proportioneel drukregelventiel. Naast de aansluiting van de spoel moet ook de aansluiting van de elektronische componenten voorzien worden. Een typisch aansluitschema van zulk een proportioneel ventiel vindt u hieronder. (referentie: aansluitschema van het MPPES proportioneel drukregelventiel van Festo uitgerust met een standaard 8-polige stekker) Fig. 14: Aansluiting MPPES. Aansluitklem 1: ongebruikt Aansluitklem 2: GND (0V) Aansluitklem 3: GND (0V) Aansluitklem 4: W in, wenswaarde Aansluitklem 5: ongebruikt Aansluitklem 6: X out, gemeten waarde door de geïntegreerde druksensor Aansluitklem 7: separate 24VDC voeding voor het vermogen van de spoel Aansluitklem 8: GND (0V) 8
Het proportionele drukregelventiel met interne 2/2 pilootventielen Drukregeling aan de hand van 2/2 ventielen Een minder conventionele manier om een druk te regelen is om gebruik te maken van twee 2/2 ventielen. Hieronder zien we een cilinder die verbonden is met twee parallel geschakelde 2/2 ventielen. Ventiel 1V2 dient voor de beluchting van de cilinder, ventiel 1V1 voor zijn ontluchting. Bij het aansturen van de spoel 1Y2 zal ventiel 1V2 schakelen en zal de druk in cilinder 1A stijgen. Bij het aansturen van de spoel 1Y1 zal ventiel 1V1 schakelen en de cilinderdruk dalen. Werking Het ventiel wordt geregeld door de stuurdruk p die een kracht F uitoefent die proportioneel is aan deze stuurdruk. Hierdoor zal de uitgangsdruk 2 van het hoofdventiel steeds proportioneel zijn met de stuurdruk p. De stuurdruk p wordt geregeld door de twee 2/2 ventielen 1V1 en 1V2. Fig. 16: Proportioneel ventiel. Deze ventielen moeten uitgerust worden met een elektronische sturing die de gewenste afgeleverde druk meet en bijstuurt. Fig. 15: Drukregelventiel. Dit principe wordt aangewend in proportionele drukregelventielen met interne 2/2 pilootventielen. Twee 2/2 ventielen regelen de druk van een drukgestuurd drukregelventiel. Het volledige ventiel bestaat uit een luchtgestuurd drukregelventiel A, een 2/2 ventiel B die de stuurdruk p op A laat toenemen, een 2/2 ventiel C die deze stuurdruk laat afnemen, een druksensor D en de nodige elektronica E. 9
In functie van de gewenste uitgangsdruk op 2 gaat men naar ingang W een aangepast elektrisch signaal sturen. De druksensor D meet de uitgangsdruk van het luchtgestuurde drukregelventiel A en zet deze om in een analoog signaal. Dit analoge signaal wordt teruggekoppeld naar de geïntegreerde elektronische module E die de gewenste druk (signaal W) vergelijkt met de effectief gemeten uitgangsdruk. Indien de uitgangsdruk niet overeenstemt met de gewenste waarde zal de elektronische module de 2/2 ventielen bijsturen tot de uitgangsdruk effectief overeenstemt met de gewenste druk. Aansluiting van het proportionele drukregelventiel met 2/2 pilootventielen De aansluiting van deze proportionele drukregelventielen is vergelijkbaar met deze van proportionele drukregelventielen met proportionele spoel. Een typisch aansluitschema van zulk een proportioneel ventiel vindt u hieronder. (referentie: aansluitschema van het MPPE proportioneel drukregelventiel van Festo uitgerust met een standaard 8-polige stekker) Het analoge uitgangssignaal van de druksensor wordt eveneens naar buiten gebracht via de aansluiting X, dit signaal kan dan eventueel teruggekoppeld worden naar een PLC of andere externe elektronische sturing Aangezien het ingangssignaal W slechts een stuursignaal is moet de elektronische module apart met 24VDC gevoed worden (niet afgebeeld op het symbool) Fig. 18: Aansluiting MPPES. Aansluitklem 1: bijkomende X in, aansluitpunt dat toelaat om eventueel een externe druksensor aan te sluiten * Aansluitklem 2: GND (0V) Aansluitklem 3: GND (0V) Aansluitklem 4: W in, wenswaarde Aansluitklem 5: 10V uitgangssignaal dat eventueel kan aangewend worden voor de voeding van een externe potentiometer Aansluitklem 6: X out, gemeten waarde door de geïntegreerde druksensor Aansluitklem 7: separate 24VDC voeding voor het vermogen van de spoel Aansluitklem 8: GND (0V) Fig. 17: Symbool proportioneel ventiel. * Bij het aansluiten van een externe druksensor zal het ventiel zowel de waarde van de geïntegreerde sensor als deze van de extern aangestuurde sensor in rekening brengen voor het bijsturen van het ventiel. 10
Keuze van een proportioneel drukregelventiel Proportioneel drukregelventiel met proportionele spoel versus proportioneel drukregelventiel met 2/2 pilootventielen Indien men continu variërende drukken vraagt in de machine is het raadzaam om proportionele ventielen met een proportionele spoel te kiezen. Indien men hier proportionele drukregelventielen met 2/2 pilootventielen zou gebruiken zouden de 2/2 ventielen immers continu schakelen met een vroegtijdige slijtage van de 2/2 ventielen tot gevolg. Fig. 19: Diagram. Voor toepassingen met verschillende maar niet continu variërende drukken kiest men beter voor proportionele drukregelventielen met 2/2 pilootventielen. Gewenst drukregelbereik Proportionele drukregelventielen kunnen voor verschillende drukregelbereiken beschikbaar zijn. Fig. 20: Diagram. Het is belangrijk om in functie van de te automatiseren toepassing het correcte drukregelbereik te bepalen. Indien men bijvoorbeeld een toepassing heeft die een maximale druk vergt van 0,4MPa (4bar) is het beter om een drukregelventiel te kiezen met een drukregelbereik van 0 0,6 MPa dan een ventiel met drukregelbereik van 0 10 MPa. Debiet Het gekozen drukregelventiel moet voldoende debiet kunnen leveren. Indien men immers een te klein ventiel heeft voor de gekozen toepassing zal de gewenste druk nooit kunnen aangehouden worden. Hieronder vindt u een de terug hoe de uitgangsdruk (p2) kan evolueren in functie van het uitgangsdebiet van een ventiel. (referentie: MPPE-3-1/4-6 ventiel van Festo, drukbereik van het ventiel: 0 0,6 MPa) Zoals men uit de grafiek kan uitmaken zal bij 0,2 Mpa (2bar) de druk slechts constant blijven bij een debiet dat de 2200 l/min niet overschrijdt (1). Fig. 21: MPPE14 6 bar. Bij 0,4 MPa (4bar) zal de druk reeds beginnen dalen bij een debiet van ongeveer 1800 l/min (2)en bij 0,6 MPa (6bar) zal slechts een constante druk kunnen gehandhaafd blijven bij debieten lager dan 1600 l/min (3). Men kan dus stellen dat dit ventiel slechts geschikt is voor debieten kleiner dan 1600 l/min. 11
Het stuursignaal Proportionele drukregelventielen met proportionele spoel zonder geïntegreerde elektronica kunnen enkel via een stroomsignaal gestuurd worden. Zoals vroeger aangehaald kan dit stroomsignaal variëren van 0 tot 1000 ma naar gelang het gekozen ventiel. Bij proportionele drukregelventielen met geïntegreerde elektronische sturing wordt in functie van de gewenste uitgangsdruk op het ventiel een aangepast elektrisch stuursignaal gestuurd naar de aansluitklem W. Dit stuursignaal kan naargelang het gekozen ventiel een spanningssignaal (0 10 V) of een stroomsignaal zijn (4 20 ma). 12
Aansturen van een proportioneel drukregelventiel met geïntegreerde elektronica Elektronische sturing Het proportionele drukregelventiel kan rechtstreeks aangestuurd worden door een PLC of andere elektronische sturing met analoge uitgang. Om het ventiel aan te sturen is een 0 10V of een 0 20 ma uitgangssignaal nodig in functie van het gekozen ventiel. Potentiometer Voor eenvoudige sturingen waar men van op afstand de druk manueel wil instellen maakt men gebruik van een potentiometer met 0 10V uitgangssignaal. Instelling aan de hand van een instelwaardemodule (D/A omvormer) Indien men verschillende vaste drukken nodig heeft en men beschikt niet over een PLC of andere elektronische sturing met analoge uitgangen kan men gebruik maken van een instelwaardemodule. Deze module zet digitale 24VDC signalen om in vooraf ingestelde analoge 0 10V uitgangssignalen. Doordat Digitale signalen omgezet worden in Analoge signalen noemt men deze module ook een D/A omvormer. De analoge uitgangssignalen van de module kunnen rechtstreeks aangesloten worden op het proportionele drukregelventiel (aansluiting op W in, wenswaarde). Hieronder ziet u een afbeelding van zulke module die toelaat om 6 digitale signalen om te zetten in 6 vooraf bepaalde analoge signalen. De instelling van de verschillende analoge signalen gebeurd aan de hand van 6 afzonderlijke potentiometers. Fig. 22: MPZ (ref: instelwaardemodule type MPZ-1-24DC-SGH-6-SW van Festo). De aansluiting van deze module is als volgt: De klemmen 31-35 + 11 worden bijvoorbeeld aangesloten op PLC uitgangen en sturen de 6 vooraf ingestelde analoge uitgangen: Aansluitklem 31: sturing van instelwaarde 1 (SP1) Aansluitklem 32: sturing van instelwaarde 2 (SP2) Aansluitklem 33: sturing van instelwaarde 3 (SP3) Aansluitklem 34: sturing van instelwaarde 4 (SP4) Aansluitklem 35: sturing van instelwaarde 5 (SP5) Aansluitklem 11: sturing van instelwaarde 6 (SP6) Aansluitklem 13: 0V aansluiting Aansluitklem 21: 0V aansluiting Aansluitklem 23: 10V uitgangssignaal dat eventueel kan aangewend worden voor de voeding van een externe potentiometer Aansluitklem 24: aarding Aansluitklem 41: 0V aansluiting Aansluitklem 42: 0 10V uitgang, hierop sluit men de wenswaarde W in van het proportionele ventiel aan Aansluitpunt 44: aarding Aansluitpunt 45: 24VDC voeding (de overige klemmen worden niet gebruikt) De instelschroeven SP1-SP6 zijn de handmatige instelling van de 6 gewenste instelwaarden. 10: groene LED, aanduiding dat de module actief is 20: gele LED, aanduiding van de actieve analoge uitgang Fig. 23: MPZ. 13
Toepassingen Duurzaamheidstest voor stoelruggen Om de duurzaamheid van stoelen na te gaan worden stoelruggen volgens een vooraf bepaald verloop belast door een cilinder. Fig. 24: Stoelentest. Dit kan op een eenvoudige wijze door de druk in de cilinderkamer volgens een vooraf bepaalde curve te laten variëren. De meest voor de hand liggende sturing is deze met een PLC met analoge sturing. Doseerinstallatie Een silo voedt een transportband aan granulaten. Om het aanvoerdebiet van de granulaten aan te passen aan de gewenste productie moet de opening van de schuif onderaan de silo geregeld kunnen worden. Het openen en sluiten van de schuif gebeurd aan de hand van een pneumatische spier waarvan de verplaatsing afhankelijk is aan de voedingsdruk. Vermits deze voedingsdruk kan variëren in functie van de gevraagde productie maakt men gebruik van een proportioneel drukregelventiel. Vermits de druk in de kamer niet continu varieert en slechts een aantal vooraf bepaalde waarden kan innemen maakt men hier gebruik van een proportioneel drukregelventiel met 2/2 pilootventielen. De sturing kan op een eenvoudige manier gebeuren aan de hand van een instelwaardemodule. Fig. 25: drukverloop stoel. Omdat de druk in de cilinderkamer hier continu varieert zal men opteren om de druk te regelen aan de hand van een proportioneel drukregelventiel met proportionele spoel. Fig. 26: Doseerinstallatie. 14