Funzionamento delle valvole pneumatiche: manuale, pilotato e a solenoide
A practical guide to manual, pilot and solenoid pneumatic valves, covering port functions, monostable and bistable behavior, PLC outputs, safe states, commissioning and fault diagnosis.
L’energia pneumatica è una fonte di energia estremamente comune per i componenti di movimento industriali. La maggior parte dei sistemi moderni utilizza controlli elettrici per le valvole che eseguono operazioni di temporizzazione e sequenziamento precise, ma in molti casi l’energia di comando proviene ancora da fonti diverse dall’elettronica di controllo digitale.
I tre metodi fondamentali di ingresso dell’energia di comando delle valvole sono l’ingresso manuale (dell’utente), i sistemi di pilotaggio pneumatico esterni e, naturalmente, i circuiti elettrici a solenoide. Alcune valvole utilizzano una combinazione di questi metodi. I vari metodi sono illustrati di seguito.
Valvole pneumatiche a comando manuale
L’ingresso manuale è una forza fisica esercitata dall’utente o il movimento meccanico diretto del sistema. Pulsanti, interruttori a pedale e leve sono le forme più comuni di ingresso dell’utente; tra queste rientra anche il comando tramite joystick, che fornisce una portata variabile, solitamente per gli attuatori idraulici. Pulsanti, leve e interruttori a pedale possono fornire qualsiasi livello di controllo, dalle semplici valvole di apertura/chiusura al funzionamento a 4 vie dei cilindri a doppio effetto.
Figura 1. Valvole pneumatiche a pulsante, a leva e con interruttore a pedale (in senso orario dall’alto a sinistra). Immagine (modificata) utilizzata per gentile concessione di ARO
Il movimento del sistema viene spesso utilizzato per attivare dispositivi di feedback destinati al sequenziamento automatico. Poiché il movimento genera attrito, questi dispositivi sono generalmente dotati di rulli con leve per ridurre al minimo l’usura. Leve a bilanciere e rulli sono attivatori comuni, proprio come quelli utilizzati negli interruttori di finecorsa per controlli elettrici analoghi. La scelta dell’elemento da utilizzare dipende dalla direzione del movimento applicato. Le leve forniscono il contatto in una sola direzione, mentre i rulli lineari possono fornire feedback indipendentemente dalla direzione del movimento.
Figura 2. Interruttori pneumatici a leva e a rullo. Immagine (modificata) utilizzata per gentile concessione di IMI Norgren
Un ingresso manuale che non viene incluso nella descrizione di un dispositivo è il piccolo sfiato manuale di scarico della pressione presente sulle valvole a solenoide, che funziona in modo simile a un dispositivo di sicurezza. La maggior parte delle valvole a solenoide include un piccolo pulsante o interruttore per questa funzione aggiuntiva.
Valvole a comando pneumatico
Un’altra categoria di valvole non elettriche utilizza l’aria come mezzo per eseguire la commutazione. Una valvola pilota utilizza un ingresso di fluido a bassa portata e spesso a bassa pressione che, quando viene attivato, esegue l’azione di commutazione. È quasi come se all’interno della valvola ci fosse un piccolo cilindro pneumatico che, a sua volta, aziona il cilindro con cursore, molto più grande.
L’utilizzo del comando pneumatico offre diversi vantaggi. Innanzitutto, può fornire una forza molto maggiore rispetto al comando manuale o a solenoide per le valvole di grandi dimensioni. La forza fornita dalla pressione del fluido può essere dell’ordine di centinaia o migliaia di psi (da 1 a 10 MPa, sebbene i valori più elevati si riscontrino solo nei sistemi idraulici). Una forza maggiore può essere necessaria per spostare il cursore della valvola contro pressioni analoghe presenti nel sistema operativo.
Figura 3. Le valvole a pilotaggio pneumatico si riconoscono dalle porte di ingresso dell’aria alle estremità della valvola, dove normalmente si troverebbe il solenoide. Immagine utilizzata per gentile concessione di Clippard
Le valvole a pilotaggio pneumatico possono inoltre essere utilizzate per creare un sistema di movimento completamente privo di controlli elettrici. Esistono anche temporizzatori pneumatici e porte per circuiti logici, quindi è del tutto possibile creare un sistema di controllo avanzato in una posizione remota, alimentato esclusivamente da un compressore d’aria.
Valvole a solenoide elettroniche
Nel mondo digitale dei PLC e degli I/O, è difficile immaginare sistemi pneumatici privi di controllo elettrico. Quasi tutti i sistemi di automazione che utilizzano movimenti pneumatici sono dotati di valvole che funzionano sfruttando il principio elettromagnetico delle bobine e dei metalli ferrosi per azionare il cursore della valvola. Questo dispositivo è chiamato “solenoide”.
I solenoidi sono generalmente modulari e rimovibili dal corpo della valvola; quando vengono energizzati, interagiscono soltanto premendo sullo stantuffo caricato a molla. La modularità consente la personalizzazione per diverse tensioni dei sistemi di controllo in corrente continua e alternata; le più comuni sono 24 V CC e 120 V CA.
Figura 4. Una valvola a solenoide singolo (a sinistra) e una valvola a doppio solenoide (a destra). Immagine (modificata) utilizzata per gentile concessione di MAC Valves
La configurazione delle valvole a solenoide consente di avere un ritorno a molla, nel qual caso si parla di “valvola a solenoide singolo”, oppure di ritornare nella posizione originale utilizzando un secondo solenoide contrapposto, nel qual caso si parla di configurazione “a doppio solenoide”.
La configurazione doppia è utile quando la valvola rimane energizzata per quasi il 50% della sua vita operativa. Se si utilizzasse un solenoide singolo, la valvola rimarrebbe energizzata a lungo, consumando elettricità. Il modello a doppio solenoide mantiene la posizione finché un impulso momentaneo non lo riporta in una delle due posizioni.
Valvole a solenoide pilotate pneumaticamente
Uno dei vantaggi delle valvole a pilotaggio pneumatico è la possibilità di fornire una forza maggiore per spostare il cursore. Possiamo sfruttare questo vantaggio mantenendo al contempo il controllo elettrico della valvola tramite il PLC. A questo scopo si utilizzano valvole a solenoide con funzionamento a pilotaggio pneumatico.
Il solenoide apre una piccola valvola, consentendo all’aria di fluire nella camera pilota. Il piccolo solenoide richiede solo una corrente e una potenza di esercizio ridotte, permettendo all’aria di entrare e spostare il cursore della valvola principale. L’unico svantaggio è la necessità di una linea aggiuntiva di alimentazione dell’aria per il pilotaggio, ma non è particolarmente difficile, poiché l’alimentazione dell’aria si trova già nelle vicinanze.
Se volessimo quindi immaginare forse la valvola di controllo pneumatica più complessa, vi presenteremmo, per la vostra meraviglia e il vostro stupore: la valvola direzionale a 4 vie e 5 porte, a doppio solenoide e pilotata pneumaticamente.
Figura 6. Una valvola a doppio solenoide, a 4 vie e 5 porte, pilotata pneumaticamente (i due tubi neri da 1/8 di pollice). Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore
Utilizzo delle valvole nelle applicazioni pneumatiche
Esistono tre categorie principali di valvole pneumatiche: a comando manuale, a pilotaggio pneumatico e a solenoide.
Oltre a questi tipi principali, esistono molte situazioni in cui due categorie vengono combinate per sfruttare i vantaggi di ciascun tipo di funzionamento, garantendo al contempo un controllo eccellente del sistema.