Piezoelektryczne zawory pneumatyczne: precyzja, moc i ograniczenia konstrukcyjne
Zawory piezopneumatyczne zapewniają niewielką siłę podtrzymującą i precyzyjne sterowanie proporcjonalne, ale nie są uniwersalnymi zamiennikami elektrozaworów. Ten przewodnik omawia elektronikę ster...
Piezoelektryczne zawory pneumatyczne przechodzą ze specjalistycznych urządzeń do obsługi gazów do kompaktowych zespołów regulacji ciśnienia i przepływu. Ich zalety są oczywiste: małe siłowniki, bardzo niski pobór mocy podczas podtrzymywania, niewielkie wydzielanie ciepła i precyzyjny ruch proporcjonalny. Błędem jest jednak uznanie tych zalet za dowód, że zawór piezoelektryczny może zastąpić dowolny elektrozawór 24 VDC.
W praktyce zawór, elektronika sterująca, tor gazu, czujnik i pętla regulacji tworzą jeden zaprojektowany układ. Dobór należy zaczynać od wymaganej funkcji i zachowania w przypadku awarii, a nie od nazwy siłownika.
Jak piezoelektryczny bender porusza gniazdem zaworu
Piezoelektryczna ceramika odkształca się po przyłożeniu pola elektrycznego. W pneumatycznym benderze ceramika jest połączona z elementem nośnym, dzięki czemu niewielkie odkształcenie przekłada się na użyteczny ruch końcówki. Ruch ten może unosić element uszczelniający nad gniazdem lub regulować otwór. Większe napięcie zazwyczaj powoduje większe ugięcie i przepływ w zakresie roboczym urządzenia.
Bender sterowany napięciem zapewnia niewielki, powtarzalny ruch przy gnieździe zaworu. Materiały dostarczone przez firmę Festo i zachowane w sieci CDN PLC ProTech.
Firma Festo opisuje siłownik jako obciążenie pojemnościowe: energia jest potrzebna głównie do jego naładowania lub rozładowania, natomiast do utrzymania stanu naładowania potrzebny jest niewielki prąd podtrzymania albo nie jest on potrzebny wcale. Wewnętrzne napięcie piezoelektryczne może być znacznie wyższe niż napięcie zasilania panelu 24 VDC, dlatego wymagane są specjalnie zaprojektowane układy elektroniczne.
Interfejs elektryczny nie jest zwykłą cewką elektrozaworu
Wiele produktów komercyjnych ukrywa stopień wysokiego napięcia wewnątrz sterownika, który przyjmuje zasilanie 24 VDC oraz polecenie analogowe, cyfrowe lub komunikacyjne. Inżynierowie nie powinni sterować nieobudowanym elementem piezoelektrycznym bezpośrednio z wyjścia PLC. Należy sprawdzić impedancję wejściową, skalowanie polecenia, separację, charakterystykę EMC, czas rozładowania oraz stan uzyskiwany po utracie zasilania.
Zachowanie w przypadku awarii zależy od urządzenia. Niektóre naładowane siłowniki mogą przez pewien czas utrzymywać przemieszczenie; zintegrowana elektronika może je aktywnie rozładowywać, a siły sprężyny lub pneumatyczne mogą ustalać inny stan. Nie należy wyciągać wniosków o działaniu „fail open”, „fail closed” ani „ostatnia pozycja” wyłącznie na podstawie zastosowania technologii piezoelektrycznej.
Gdzie zawory piezoelektryczne przewyższają konwencjonalne układy wykonawcze
Precyzyjne dozowanie gazu, kompaktowa proporcjonalna regulacja ciśnienia, sterowanie pilotowe i kolektory o dużej gęstości zabudowy korzystają z niskiego wydzielania ciepła oraz małego stałego zapotrzebowania na energię elektryczną. Typowymi przykładami są urządzenia medyczne i laboratoryjne, ale zastosowania przemysłowe obejmują również obsługę elektroniki, testy szczelności, regulację naprężenia i delikatne pozycjonowanie pneumatyczne.
Regulacja w pętli zamkniętej łączy element dozujący z czujnikiem ciśnienia lub przepływu. Dobór urządzenia sprzężenia zwrotnego i kondycjonowania sygnału jest równie ważny jak dobór zaworu; przewodnik PLC ProTech po torze sygnałowym pomiarów przemysłowych i sterowania wyjaśnia źródła błędów między przetwornikiem a sterownikiem. Odpowiedni sprzęt zastępczy można również przejrzeć w kolekcji przetworników podczas definiowania strony sprzężenia zwrotnego modernizowanego układu.
Ograniczenia przepływu i ciśnienia decydują o możliwości skalowania rozwiązania
Mały bender zapewnia ograniczony skok i siłę. Producenci mogą łączyć elementy, stosować stopnie pilotowe lub optymalizować geometrię gniazda, ale każdy projekt nadal ma znamionowy zakres ciśnienia, przepływ nominalny, określoną szczelność i wymagania dotyczące medium. Zawór piezoelektryczny dobrany do precyzyjnego przepływu pilotowego nie nadaje się automatycznie do odpowietrzania dużego siłownika.
Należy porównać pełny zakres pracy: zmienność ciśnienia zasilania, objętość po stronie odbiornika, wymagany czas reakcji, cykl pracy, dopuszczalny przeciek oraz ciśnienie dostępne przy minimalnym ciśnieniu instalacji pneumatycznej. W przypadku pętli zamkniętej trzeba uwzględnić również zakres czujnika i częstotliwość aktualizacji sterownika.
Czyste medium i stabilna mechanika mają znaczenie
Niewielkie szczeliny dozujące są wrażliwe na cząstki stałe, kondensat, olej i osady. Należy potwierdzić filtrację, punkt rosy, kompatybilność z medium i orientację montażową. Zawór działający prawidłowo przy czystym, suchym powietrzu może dryfować lub przeciekać po zainstalowaniu za niewłaściwie konserwowanym głównym przewodem instalacji.
Materiały piezoelektryczne wykazują również histerezę, pełzanie i zależność od temperatury. Zintegrowane produkty kompensują te zjawiska w różnym stopniu. Inżynierowie powinni zweryfikować powtarzalność po rozgrzaniu, w całym zakresie temperatury otoczenia oraz po oczekiwanej liczbie cykli, a nie tylko w jednym warunku laboratoryjnym.
Uruchamiaj regulator jako pętlę
Rozpocznij od zaworu w stanie bez zasilania i zweryfikuj rzeczywisty stan pneumatyczny. Podawaj polecenia stopniowo, wykonując pomiary i rejestrując ciśnienie zasilania, ciśnienie lub przepływ po stronie odbiornika, sygnał elektryczny oraz czas reakcji. Przetestuj utratę polecenia, utratę zasilania 24 VDC, zablokowany wylot, spadek ciśnienia zasilania, awarię czujnika oraz działanie awaryjne komunikacji.
Jeśli urządzenie jest proporcjonalne, dostrój zewnętrzną pętlę dopiero po potwierdzeniu działania ewentualnej wewnętrznej pętli regulacji. Dwa agresywne regulatory działające na to samo ciśnienie mogą powodować oscylacje. Udostępnij sterownikowi PLC lub systemowi nadrzędnemu zmienne diagnostyczne i limity alarmowe producenta.
Opinia redakcji: kupuj sterowaną funkcję, nie sam siłownik
PLC ProTech uważa zawory piezoelektryczne za dobre rozwiązanie tam, gdzie kluczowe znaczenie mają wydzielanie ciepła, zużycie energii, rozmiar urządzenia i precyzja regulacji proporcjonalnej. Konwencjonalne elektrozawory i regulatory mechaniczne nadal są lepsze w wielu zastosowaniach wymagających dużego przepływu, odporności lub prostego działania w trybie włącz/wyłącz.
Najlepsze porównanie dotyczy kompletnych funkcji przy wymaganym przepływie i wymaganym stanie awaryjnym. Porównywanie bendera piezoelektrycznego z samą cewką elektrozaworu pomija elektronikę, pomiary, filtrację i konserwację, które decydują o rzeczywistej wartości w całym cyklu życia.
FAQ
Czy wyjście PLC może bezpośrednio sterować zaworem piezoelektrycznym?
Zwykle nie bezpośrednio nieobudowanym elementem piezoelektrycznym. Należy użyć sterownika producenta lub zintegrowanego sterownika zaworu, który przyjmuje określony interfejs 24 VDC, analogowy lub komunikacyjny.
Czy zawory piezoelektryczne nie pobierają energii, gdy są otwarte?
Siłownik może wymagać niemal zerowego prądu podtrzymania, ale zintegrowana elektronika, czujniki i komunikacja nadal pobierają energię. Do doboru szafy należy wykorzystać specyfikację kompletnego produktu.
Czy zawory piezoelektryczne zawsze działają proporcjonalnie?
Nie. Napęd piezoelektryczny umożliwia ruch proporcjonalny, ale produkty mogą być projektowane do funkcji przełączania, sterowania pilotowego, regulacji ciśnienia lub regulacji przepływu. Należy potwierdzić określoną charakterystykę przejściową.
Jakie jest główne ryzyko instalacyjne?
Zastosowanie technologii poza jej znamionowym zakresem przepływu, ciśnienia, czystości medium lub wymaganym stanem awaryjnym. Niewielkie zanieczyszczenie albo niewłaściwy sterownik mogą mieć większe znaczenie niż teoretyczna sprawność siłownika.