Dossier Détendeurs proportionnels Festo Belgium sa Rue Colonel Bourg 101 BE-1030 Bruxelles Tel.: +32 2 702 32 39 Info_be@festo.com www.festo.com
Détendeurs proportionnels Nous avons présenté le détendeur ou régulateur de pression dans le dossier du conditionnement d'air comprimé. Comme nous l'avons vu, ce distributeur a pour but de maintenir une pression constante dans une installation Si une application nécessite régulièrement différentes pressions, on est chaque fois obligé de régler la pression manuellement avec ce type de régulateur. Prenez par exemple, une installation de gonflage de pneus. Si nous voulons l'automatiser, il faudrait pouvoir, facilement, régler la pression souhaitée pour chaque pneu, sans devoir constamment régler un manodétendeur. Pour y arriver, nous utilisons des détendeurs proportionnels pilotés électriquement ou électroniquement. Ce dossier vous permettra de vous familiariser avec ce type de distributeurs. Bonne lecture Dossier Détendeurs proportionnels - 2
La bobine proportionnelle Le pilotage électrique du distributeur Nous avons analysé, dans le dossier des électrodistributeurs, comment piloter électriquement un distributeur. Le principe est très simple. Nous laissons circuler du courant dans une bobine afin de générer un champ électromagnétique (Fig. 1). Ce champ électromagnétique va exercer une force sur un piston plongeur qui se déplace ainsi vers la bobine. Cette force électromagnétique est utilisée pour commuter le distributeur. (Fig.2). Fig. 2 Pour les distributeurs avec bobines proportionnelles, on va fabriquer la bobine de telle manière que la force F exercée sur le piston plongeur est proportionnelle au courant (I ) qu'on laisse passer au travers de la bobine (Fig. 3). Fig. 3 Fig. 1 Dossier Détendeurs proportionnels - 3
Le détendeur proportionnel avec bobine proportionnelle Un régulateur de pression traditionnel (Fig.4) maintient une pression constante à la sortie 2 en veillant à ce que la force (F 2) qui exerce cette pression sur la membrane A, reste égale à la force du ressort (F 1) réglable (Fig. 4). Fonctionnement Si la pression en 2 est égale à la pression réglée, la force exercée par la pression sera égale à la force du ressort (F 2 = F 1), les clapets B et C sont fermés. Si la pression en 2 diminue, la force F 2 diminue, la membrane A se déplacer vers le bas et ouvre le clapet B pour laisser passer l'air de 1 à 2, la pression en 2 augmente. Si la pression en 2 est trop élevée, la force F 2 va augmenter et la membrane A se déplace vers le haut. Le clapet C s'ouvre, l'air peut passer de 2 à 3 ayant pour conséquence que la pression en 2 diminue. Grâce à ce fonctionnement, la pression 2 est maintenue et affiche une valeur dépendante de la force de ressort (F 1), réglée par la molette de réglage. Nous pouvons donc supposer que la pression d'alimentation de ce distributeur est proportionnelle à la force de ressort. Vous trouvez ci-dessous la présentation symbolique de ce régulateur de pression (Fig. 5). Fig. 5 Si nous remplaçons à présent la molette de réglage (Fig. 6) par une bobine proportionnelle (A), la pression de sortie de ce distributeur sera proportionnelle à la force (F ) qui est exercée par cette bobine. Nous savons, dans le cas de bobines proportionnelles, que cette force est proportionnelle au courant (I ) qui passe par la bobine, nous pouvons donc supposer que la pression de sortie d'un tel distributeur est proportionnelle au courant (I ) qui passe la bobine. Vous trouvez ci-dessous la représentation symbolique de ce régulateur de pression (Fig. 7). Comme on le remarque, le ressort du symbole précédent a été remplacé par le symbole d'une bobine. La flèche dessinée au travers de la bobine indique que la bobine est proportionnelle. Fig. 7: Symbole détendeur proportionnel Fig. 4: détendeur traditionnel Fig. 6: détendeur proportionnel. Dossier Détendeurs proportionnels - 4
Quand 0 ma de courant passe la bobine, la pression de sortie du distributeur est de 0 MPa. La pression sera maximale lorsque le courant dans la bobine atteindra son maximum (Fig. 8). La puissance de courant maximale de tels distributeurs peut rapidement atteindre 1000 ma même pour des distributeurs relativement petits. Fig. 8 Dossier Détendeurs proportionnels - 5
Le détendeur proportionnel pré piloté Pour de plus grands régulateurs de pression proportionnels, la puissance du courant va rapidement atteindre des valeurs trop élevées. C'est la raison pour laquelle nous utilisons des distributeurs pré pilotés pour les débits plus élevés. Ces distributeurs se composent de deux distributeurs (Fig.9), un régulateur de pression (A) conçus pour les débits plus élevés et un petit distributeur de pilotage (B). Etant donné que le distributeur de pilotage (B) ne gère que de faibles débits, la puissance nécessaire est limitée. Le fonctionnement (Fig.10) Le distributeur principal (Fig. 10) est réglé par la pression de pilotage (p) qui exerce une force (F ), proportionnelle à cette pression de pilotage. De ce fait, la pression de sortie 2 du distributeur principal sera toujours proportionnelle à la pression de pilotage (p). La pression de pilotage (p) est réglée par un petit régulateur de pression proportionnel (fonctionnement : voir page précédente). Fig. 9 Fig. 10 Dossier Détendeurs proportionnels - 6
Le détendeur proportionnel à commande électronique intégrée L'inconvénient des distributeurs proportionnels décrits ci-dessus est que nous ne sommes pas sûrs que la pression de sortie du distributeur corresponde à la pression que nous attendions. Un autre inconvénient est que nous ne pouvons pas piloter ces distributeurs directement à partir d un API étant donné que la consommation en courant de la bobine proportionnelle est trop élevée. Pour y remédier, les régulateurs de pression proportionnels modernes sont équipés d'un pilotage intégré complémentaire (Fig.11). Fig. 11: Détendeur proportionnel à commande électronique intégrée FESTO type MPPES-3-1/8-... Les régulateurs de pression proportionnels sont composés d'un distributeur de pression proportionnel (A), d'un capteur de pression (B) et de l'électronique nécessaire (C) (Fig. 12). En fonction de la pression de sortie souhaitée en 2 nous allons piloter vers l'entrée W un signal de commande électrique adapté. Le capteur de pression (B) mesure la pression de sortie du régulateur de pression proportionnel (A) et le convertit en un signal analogique. Ce signal analogique est soumis au module électronique intégré (C) qui compare la pression souhaitée (signal W) avec la pression de sortie effectivement mesurée. Si la pression de sortie ne correspond pas à la valeur souhaitée, le module électronique corrigera le distributeur jusqu'à ce que la pression de sortie corresponde avec la pression souhaitée. Le signal de sortie analogique du capteur de pression peut également être récupéré par le raccordement X, ce signal peut éventuellement être utilisé par un API ou une autre commande électronique externe. Puisque le signal d'entrée W n'est qu'un signal de commande, le module électronique doit être alimenté séparément en 24 VDC (n'est pas représenté sur le symbole) Fig. 12: MPPES. Pour de plus grands distributeurs, nous allons utiliser ce régulateur de pression proportionnel avec un pré pilotage (Fig. 13). Un régulateur de pression proportionnel avec une commande électronique intégrée (A) actionne un distributeur principal (B). La pression de sortie du distributeur (B) est alors proportionnelle à la pression de sortie du distributeur A comme déjà cité précédemment. Fig. 13: Symbole Détendeur proportionnel à commande électronique intégrée. Dossier Détendeurs proportionnels - 7
Le raccordement d un détendeur proportionnel à bobine proportionnelle et commande électronique intégrée Le raccordement des régulateurs de pression proportionnels avec une commande électronique intégrée (Fig.14) est un rien plus complexe. Le raccordement des composants électroniques doit également être prévu, en plus du raccordement de la bobine. Vous trouverez ci-dessous un schéma de raccordement typique d'un tel distributeur proportionnel. Référence : schéma de raccordement du régulateur de pression proportionnel MPPES de Festo équipé d'une fiche 8 pôles standard. Fig. 14 Borne 1 inutilisé Borne 2 GND (0V) Borne 3 GND (0V) Borne 4 Win, valeur souhaitée Borne 5 inutilisé Borne 6 Xout, valeur mesurée par le capteur de pression intégré Borne 7 alimentation séparée 24VDC pour la puissance de la bobine Borne 8 GND (0V) Dossier Détendeurs proportionnels - 8
Le détendeur proportionnel à distributeurs pilotés 2/2 internes Régulation de pression à l aide de distributeurs 2/2 Pour régler une pression, d'une manière moins conventionnelle, on peut utiliser deux distributeurs 2/2. Nous voyons ci-dessous (Fig. 15) un vérin qui est relié par deux distributeurs 2/2 connectés en parallèle. Le distributeur 1V2 sert à l'alimentation du vérin, le distributeur 1V1 pour son échappement. En pilotant la bobine 1Y2 le vérin 1V2 va commuter et la pression dans le vérin 1A va augmenter. Fonctionnement (Fig.16) Le distributeur est réglé par la pression de commande (p) qui exerce une force (F ) proportionnelle à celle-ci. De ce fait, la pression de sortie 2 du distributeur principal sera toujours proportionnelle à la pression de commande (p). La pression de commande p est réglée par les deux distributeurs 2/2 1V1 et 1V2 (Fig. 16). Le distributeur 1V2 fera augmenter la pression de commande (p), le distributeur 1V1 fera diminuer la pression de commande (p) En pilotant la bobine 1Y1 le distributeur 1V1 commutera et la pression du vérin diminuera. Fig. 16 Ce distributeur doit être équipé d'une commande électronique qui mesure et régule la pression souhaitée. Fig. 15 Ce principe est utilisé dans les régulateurs de pression proportionnels avec des distributeurs de commande 2/2 internes. Deux distributeurs 2/2 régulent la pression d'un détendeur à pilotage pneumatique. Dossier Détendeurs proportionnels - 9
La commande électronique intégrée Le distributeur complet (Fig.17) se compose d'un régulateur de pression piloté (A), de deux distributeurs 2/2 (B et C), d'un capteur de pression (D) et l'électronique nécessaire (E). Nous envoyons un signal électrique adapté sur l'entrée W en fonction de la pression de sortie souhaitée en 2. Le capteur de pression (D) mesure la pression de sortie du régulateur de pression piloté (A) et le convertit en un signal analogique. Ce signal analogique est envoyé au module électronique intégré (E) qui compare la pression souhaitée (signal W) avec la pression de sortie effective mesurée. Le raccordement d un détendeur proportionnel à distributeurs pilotés 2/2 internes Vous trouvez, ci-dessous, un schéma de raccordement typique d'un tel distributeur proportionnel. Référence : schéma de raccordement du régulateur de pression proportionnel MPPE de Festo équipé d'une fiche 8 pôles standard (Fig.18). Si la pression de sortie ne correspond pas avec la valeur souhaitée, le module électronique commandera les distributeurs 2/2 jusqu'à ce que la pression de sortie corresponde effectivement avec la pression souhaitée. Le signal de sortie analogique du capteur de pression est également récupéré par le raccordement X, ce signal peut éventuellement être utilisé par un API ou par une autre commande électronique externe. Etant donné que le signal d'entrée W n'est qu'un signal de commande, le module électronique doit être alimenté séparément en 24VDC (n'est pas représenté sur le symbole). Fig. 18 Borne 1 Borne 2 Borne 3 Borne 4 Borne 5 Borne 6 Borne 7 Borne 8 Xin, complémentaire, point de raccordement qui autorise éventuellement le raccordement d'un capteur de pression externe * GND (0V) GND (0V) Win, valeur souhaitée 10V signal de sortie qui peut éventuellement être utilisé pour l'alimentation d'un potentiomètre externe Xout, valeur mesurée par le capteur de pression intégré alimentation séparée de 24VDC pour la puissance de la bobine GND (0V) * Lors du raccordement d'un capteur de pression externe, le distributeur prendra en compte tant la valeur du capteur intégré que celle du capteur externe piloté pour la régulation du distributeur. Fig. 17: Symbole détendeur proportionnel. FESTO type MPPE-3-... Dossier Détendeurs proportionnels - 10
Le choix du détendeur proportionnel Le type de distributeur Si nous avons continuellement besoin de pressions variables à la machine (Fig. 19), il est conseillé de choisir des distributeurs proportionnels avec une bobine proportionnelle. Si nous utilisons ici des régulateurs de pression proportionnels avec pilotage par distributeurs 2/2, les distributeurs 2/2 commuteraient en continu avec une usure précoce de ceux-ci comme conséquence. Fig. 19 Pour des applications qui nécessitent différentes pressions qui ne changent pas en continu, il vaut mieux choisir des régulateurs de pression proportionnels avec pilotage par distributeurs 2/2 (Fig. 20). Fig. 20 La plage de réglage de pression souhaitée Les régulateurs de pression proportionnels sont disponibles pour différentes plages de pression. Il est important de déterminer la plage de pression correcte en fonction de l'application à automatiser. Si par exemple nous avons une application qui nécessite une pression maximale de 0,4MPa (4bar), il vaut mieux choisir un distributeur de pression avec une plage de réglage de pression de 0 0,6 MPa qu'un distributeur avec une plage de réglage de pression de 0 10 MPa. Le débit souhaité Le distributeur de pression doit fournir un débit satisfaisant. En effet, si nous avons un distributeur trop petit pour l'application choisie, on ne pourra jamais garder la pression souhaitée. Vous pouvez voir sur le graphique (Fig. 21) comment la pression de sortie (p2) évolue en fonction du débit de sortie d'un distributeur. (Référence : distributeur MPPE-3-1/4-6 de Festo) Comme on peut le voir sur le graphique, la pression, à 0,2 Mpa (2bar), ne restera constante que lorsque le débit ne dépassera pas les 2200 l/min (1). Fig. 21 A 0,4 MPa (4bar), la pression commencera déjà à diminuer lors d'un débit d'environ 1800 l/min (2) et à 0,6 MPa (6bar), la pression ne pourra être maintenue que lors de débits de moins de 1600 l/min (3). Nous pouvons donc supposer que ce distributeur n'est approprié que pour des débits plus petits que 1600 l/min. Le signal de commande Les régulateurs de pression proportionnels avec bobine proportionnelle sans électronique intégrée ne peuvent être pilotés que par un signal électrique. Comme cité précédemment, ce signal électrique peut varier de 0 à 1000 ma selon le distributeur choisi. Sur les régulateurs de pression proportionnels à commande électronique intégrée, un signal de commande électronique adapté est envoyé à la borne de raccordement W. Ce signal de commande peut être, selon le distributeur choisi, une tension (0 10 V) ou un courant (4 20 ma). Dossier Détendeurs proportionnels - 11
Le pilotage d'un régulateur de pression proportionnel à électronique intégrée Le pilotage électronique Le régulateur de pression proportionnel peut être piloté par un PLC ou une autre commande électronique avec une sortie analogique. Pour piloter un distributeur, un signal de sortie de 0 10V ou de 0 20 ma est nécessaire en fonction du distributeur choisi. Potentiomètre Pour des commandes simples, pour lesquelles on veut régler la pression manuellement à distance, on utilise un potentiomètre avec un signal de sortie de 0 10V. Réglage à l'aide d'un module de consigne (convertisseur D/A) Si nous avons besoin de différentes pressions fixes et que nous ne disposons pas d'un API ou d'une autre commande électronique avec sorties analogiques, nous pouvons utiliser un module de consigne. Ce module convertit des signaux numériques 24VDC en signaux de sorties analogiques prédéterminés entre 0 10V. Comme les signaux numériques sont convertis en signaux analogiques, nous appelons ce module un convertisseur D/A. Les signaux de sorties analogiques du module peuvent être directement connectés sur le régulateur de pression proportionnel (raccordement sur valeur souhaitée Win). Vous voyez ci-dessous, une illustration d'un tel module qui permet la permutation de 6 signaux numériques en 6 signaux analogiques déterminés d'avance (Fig. 22). Le réglage des différents signaux analogiques se fait à l'aide de 6 potentiomètres individuels. Fig. 22: module de consigne (Convertisseur D/A) FESTO type MPZ-1-24DC-SGH-6-SW Le raccordement de ce module se fait comme suit (Fig. 23): Les bornes 31-35 + 11 sont raccordées sur par exemple des sorties API qui pilotent les 6 sorties analogiques réglées d'avance : Borne 31 pilotage de la valeur réglable 1 (SP1) Borne 32 pilotage de la valeur réglable 2 (SP2) Borne 33 pilotage de la valeur réglable 3 (SP3) Borne 34 pilotage de la valeur réglable 4 (SP4) Borne 35 pilotage de la valeur réglable 5 (SP5) Borne 11 pilotage de la valeur réglable 6 (SP6) Borne 13 raccordement 0V Borne 21 raccordement 0V Borne 23 signal de sortie 10V qui peut éventuellement être utilisé pour l'alimentation d'un potentiomètre externe Borne 24 mise à la terre Borne 41 raccordement 0V Borne 42 sortie 0 10V, ici nous raccordons la valeur souhaitée Win du distributeur proportionnel Borne 44 mise à la terre Borne 45 alimentation 24VDC (les autres bornes ne sont pas utilisées) Les vis de réglage SP1-SP6 servent au réglage manuel des 6 valeurs de sortie souhaitées. 10 : LED verte, indication que le module est actif 20 : LED jaune, indication de la sortie analogique active Fig. 23 Dossier Détendeurs proportionnels - 12
Applications Test d endurance sur dossiers Afin de contrôler la qualité du dossier des chaises (Fig.24), celles-ci sont sollicitées par un vérin pneumatique. Installation de dosage Un silo alimente un convoyeur en granulats (Fig.26). L ouverture du tiroir du silo, qui se fait à l aide d un muscle pneumatique dont le déplacement est fonction de la pression d alimentation, doit pouvoir être adapté en fonction de la production désirée. Puisque la pression d alimentation du vérin doit pouvoir varier, on utilise un détendeur proportionnel. Fig. 24 La pression d alimentation du vérin doit suivre une courbe prédéfinie (Fig.25) afin que la variation de la charge dans le temps soit connue. Fig. 26 Fig. 25 Etant donné que la pression doit varier en continu, on optera pour un détendeur proportionnel avec bobine proportionnel. La commande la mieux adaptée sera celle avec un API muni d une sortie analogique. La pression dans le vérin ne change pas en continu mais pourra avoir plusieurs consignes prédéterminées. Dans ce cas on optera pour un détendeur proportionnel à distributeurs pilotes 2/2 internes. La commande peut se faire d une manière simple en utilisant un module de consigne (convertisseur D/A). Dossier Détendeurs proportionnels - 13