شاید بار‌ها در مورد عملکردِ منظم و اتوماتیک سیستم‌های هیدرولیکی کنجکاو بوده‌اید. احتمالاً از خود پرسیده‌اید که در یک سیستم هیدرولیک گسترده، تنظیم و کنترلِ خودکار پارامترهای مختلف مانند فشار و دبیِ سیال چگونه انجام میشود؟
امروزه با گسترش فرآیند‌های اتوماسیون صنعتی و کاهش نیروی انسانی در انجام پروسه تولیدِ محصولات، ضرورت وجود تجهیزات کنترلیِ هیدرولیکی مانند شیر تناسبی یا پروپرشنال ولو (proportional valve) زیاد شده است. در این مقاله، شیر پروپرشنال را معرفی کرده و قابلیت‌ها و کاربردهای آن را بررسی می‌کنیم.
در دوره آموزش اتوماسیون صنعتیِ تکمیلی شیر پروپرشنال را به طور کامل معرفی کرده‌ایم. در این دوره ضمن آشنایی با عملکرد این تجهیز، با کاربرد آن در مدار‌های هیدرولیکی آشنا خواهید شد. مطالب این مقاله تنها بخشی از آموزش‌های دوره اتوماسیون صنعتی تکمیلی است.
شیر تناسبی یا پروپرشنال
شیر تناسبی یا Proportional valve، نوعی شیر پرقدرتِ هیدرولیکی است که پارامترهای فشار، سرعت و دِبی یک سیستم هیدرولیک را کنترل می‌کند. این شیر معمولاً زمانی استفاده میشود که اپراتور به صورت دستی نتواند نوسانات شدید جریان و فشار را کنترل کند. در این حالت، شیر پروپرشنال طبق یک برنامه منظم، کنترل تمام خروجی‌های سیالِ هیدرولیکی را برعهده می‌گیرد.
دلیل نام‌گذاری شیرهای پروپرشنال این است که این شیرها جریانِ سیال خروجی را نسبت به ورودی الکتریکی تغییر می‌دهند؛ اما این نسبت خطی نیست. به همین دلیل، به این نوع شیر، پروپرشنال یا تناسبی می‌گویند.
این تجهیز، دِبی و فشارِ سیال را با دقت بالایی کنترل می‌کند. از لحاظ نحوه تحریک، عملکرد شیر پروپرشنال مشابه شیر برقی است و در ساختمان هر دو، یک مدار الکترونیکی وجود دارد. البته شیر پروپرشنال نمونه پیشرفته‌تری از شیر برقی است.
به عنوان مثال، این تجهیز می‌تواند مغزی شیر را در حالتی بین باز و بسته نگه دارد و با دقت بسیار بالایی دِبی و فشار خروجی را کنترل کند. شیر پروپرشنال نسبت به شیر برقی قیمت بالاتری دارد، زیرا از تکنولوژی پیشرفته‌تری در ساخت و طراحی آن استفاده شده است.
روش تحریک شیرهای پروپرشنال متفاوت است؛ اما به طور کلی، این تجهیز توسط سیگنال‌های ابزار دقیقِ ولتاژی (۱۰ تا ۱۰- ولت) یا جریانی (۲۰-۴ میلی‌‌آمپر) تحریک میشود.
شیر پروپرشنال در نقشه‌ها و مدارک ابزار دقیق مشابه شکل ۲ نشان داده میشود.
ویژگی‌های کلیدی شیر پروپرشنال
شیرهای پروپرشنال برای کاربردهایی مناسب است که در آن‌ها فشار ِخروجی متغیر (به صورت پلکانی یا پیوسته) است.
بیشتر بدانیم:
فشار خروجیِ پلکانی به این معنی است که فشار قبل از این که به مقدار دیگری افزایش/کاهش یابد، در یک مقدار معین نگه داشته میشود. در حالی که فشار خروجیِ پیوسته حالتی است که فشار به طور مداوم و با یک نرخ تنظیم شده، افزایش/کاهش می‌یابد.
- شیرهای پروپرشنال را می‌توان به هم متصل کرد. به عنوان مثال، خروجیِ یکی به عنوان ورودیِ دیگری استفاده میشود.
- این تجهیزات قابلیت برنامه‌ریزی و عیب‌یابی دارند. بنابراین عملکرد کنترل مداوم و اتوماتیک در سیستم‌های هیدرولیک را تا حد زیادی آسان کرده‌اند.
- شیرهای پروپرشنال دقت و سرعت پاسخ‌دهی بسیار بالایی دارند.
- شیرهای پروپرشنال با توجه به کارایی منحصر به فردی که ارائه می‌دهند، مقرون به‌صرفه هستند.
انواع شیر پروپرشنال
شیر پروپرشنال برای کنترل پارامترهای هیدرولیکی مختلفی طراحی و ساخته می‌شوند. مهم‌ترین انواع شیر تناسبی عبارت‌اند از:
۱) شیر پروپرشنالِ کنترل جهت
این شیرها برای باز یا بسته کردن مسیرهای مختلف ِسیال، برای اعمال نیرو به کار می‌روند. در شیر پروپرشنالِ‌کنترل جهت، علاوه بر کنترلِ جهتِ سیال، متناسب با تغییر ولتاژ ورودی، کنترل سرعت هم انجام میشود.
۲) شیر پروپرشنال کنترل دِبی
این شیرها حجم سیال عبوری را کنترل می‌کنند و می‌توانند دبیِ سیال را تغییر دهند.
۳) شیر پروپرشنال کنترل فشار
این نوع شیرها برای محافظت از سیستم هیدرولیک در برابر افزایش یا کاهش ناگهانی فشار کاربرد دارند. علاوه بر این، در شرایطی که باید فشار به صورت متغیر اعمال شود، می‌توان از شیر پروپرشنال کنترل فشار استفاده کرد.
ساختمان شیر پروپرشنال
در شکل ۶، ساختمان یک شیر پروپرشنال را می‌بینید. در ادامه با اجزای این شیر و نحوه عملکرد آن آشنا می‌شوید.
۱- بدنه شیر
۲- اسپول
۳- سلونوئید (بوبین)
۴- مبدل LVDT
۵- کنترل الکترونیکی
۶ و ۷ – کانکتورها
یادآوری۱
با استفاده از مبدل موقعیت سنج یا Linear Variable Differential Transformer) LVDT) موقعیت دقیق اسپول را می‌توان در شیرهای پروپرشنال کنترل کرد. لذا، مسیر خروجی روغن با دقتِ بالا، تحت کنترل قرار می‌گیرد.
در این شیر، اسپول، بسته به اتصالاتِ هیدرولیکیِ مورد نیاز (P-A و B-T یا P-B و A-T) مستقیماً توسط شیربرقی سمت راست یا شیربرقی سمت چپ، حرکت می‌کند. روغن از طریق پورت P (پمپ) وارد شیر میشود، سپس از قسمت P-A یا P-B، جریان پیدا می‌کند و در نهایت از شیر به سمت عملگر می‌رود.
به همین ترتیب، روغنِ تخلیه شده از عملگر نیز مجدداً وارد شیر میشود و از طریق بخش A-T1 یا B-T2 جریان می‌یابد. پورت‌های T1 و T2 به صورت داخلی متصل هستند و پورت تخلیه T را تشکیل می‌دهند.
یادآوری۲
در سیستم‌های هیدرولیکی، سیال (که معمولاً روغن است) درون مخزن یا تانک (Tank) ذخیره میشود. در شیربرقی‌ها، پورت‌های Pump) P) و Tank) T) به ترتیب پورت‌های پمپ و تانک هستند.
کارت شیر پروپرشنال
بسیاری از شیرهای پروپرشنال برای کنترلِ بهتر خروجی‌های تحت کنترل، از کارت‌های الکترونیکی استفاده می‌کنند. این کارت‌ها، کارتِ شیر پروپرشنال یا درایورِ شیر پروپرشنال نامیده می‌شوند. کاربر با استفاده از کارت‌های شیر پروپرشنال می‌تواند اطلاعات لازم را وارد کرده و به‌راحتی خروجی مورد انتظار را از سیستم دریافت کند. این کارت‌ها مستقیماً دستورها را به بوبین (سلونوئید) منتقل کرده و سیگنال‌هایی را در بوبین فعال می‌کنند. بنابراین پس از ارسال فرمان توسط بوبین، اسپول حرکت می‌کند و دریچه‌های شیر پروپرشنال در زمانِ دقیق و به مقدارِ معین، باز و بسته خواهند شد.
عملکرد شیر پروپرشنال
اصول عملکرد شیرهای پروپرشنال، اعمال فشار به وسیله سلونوئید یا بوبین‌های مغناطیسی است. سلونوئید قطعه‌ای است که با عبور جریان از سیم‌پیچ‌های خود، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. این میدان مغناطیسی، یک آهنربا (مغزی شیر) را از خود دور می‌کند (یا به سمت خود می‌کشد). سیال با دریافت نیروی این قطعه، به نقطه هدف ارسال میشود.
سیال به کمک یک فنر، نیرو را به اسپول منتقل می‌کند. هرچه جریان الکتریکی بیشتری از سلونوئید عبور کند، نیروی بیشتری در آن تولید شده و فنر بیشتر جمع میشود. شیر پروپرشنال به کمک تغییر موقعیت اسپول، فشار، دبی و جهت حرکت سیال را کنترل می‌کند.
کاربرد شیر پروپرشنال
با توجه به این که شیر پروپرشنال دقت بسیار بالایی دارد، در صنایع مختلف به طور گسترده استفاده میشود. از جمله کاربردهای شیر پروپرشنال عبارت‌اند از:
۱) کنترل پرس‌های هیدرولیک
۲) کنترل فرآیند نَوَرد فلزات در خطوط نورد
۳) کنترل کوره و خاموش کردن به‌موقع گاز
۴) کنترل باله موشک، باله هواپیماهای جنگنده و کنترل لوله توپ و تانک در صنایع نظامی
۵) استفاده در صنایع نوشیدنی برای کنترلِ میزان پُر شدن بطری‌ها
۶) استفاده در تستِ نشتی به کمک اعمال فشار حداکثری
مزایای استفاده از شیر پروپرشنال
از جمله مزایای استفاده از شیر پروپرشنال در صنایع هیدرولیک عبارت‌اند از:
- کاهش حجم سیستم هیدرولیک
- کاهش مدت زمان سیکل‌های کنترلی
- کنترل دقیق پارامترهای اصلی
- افزایش سرعت پاسخ‌دهی سیستم
- افزایش بازدهی
- افزایش ایمنی سیستم
- قطع به‌موقعِ سیستم در صورت بروز خطا
- قابلیت تکرار سیکل کنترلی
نکات مهم در انتخاب شیر پروپرشنال
هنگام خرید یک شیر پروپرشنال، پارامترها و مولفه‌های بسیار زیادی را باید در نظر بگیرید. به طور کلی موارد موثر در انتخاب شیر پروپرشنال عبارت‌اند از:
۱) تعیین پارامترهای قابل کنترل (فشار- جریان- جهت- سرعت)
۲) تعیین محدوده سرعت جریان سیال
۳) تعیین دامنه فشار ورودی و خروجی
۴) در نظر گرفتن دمای فرآیند
۵) تعیین نوع فرآیند (پلکانی- پیوسته)
۶) میزان هزینه مدنظر برای تهیه شیر پروپرشنال
۷) در نظر گرفتن میزان رطوبت و آلودگی محیطِ نصب (Pollution degree)
جمع بندی
در این مقاله برای پاسخ به سوال کلیدی شیر پروپرشنال چیست:
- تعریفی اجمالی از این تجهیز هیدرولیک ارائه دادیم؛
- با خصوصیات و قابلیت‌های آن آشنا شدیم؛
- اجزای داخلی و نحوه عملکرد آن را شناختیم؛
- با کاربردهای پروپرشنال ولو در صنعت و مزایای استفاده از آن به طور کامل آشنا شدیم.
ممنون جامع وعالی بود
سپاس از همراهی شما
عالی بود
سپاس از لطف شما مهندس مهدوی عزیز
سلام.خیلی خوب بود.درکدام قسمت از اتوماسیون تکمیلی،کارت پروپرشنال توضیح داده شده است؟
با سلام خدمت شما مهندس جان
در دوره اتوماسیون صنعتی تکمیلی فقط در مورد لودسل، PID کنترلر و انکودر صحبت میشود. اما در دوره برق صنعتی در رابطه با انواع شیر پروپرشنال توضیحاتی ارائه شده است