Dossier Détendeurs proportionnels

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Détendeurs proportionnels
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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
Cette force électromagnétique
est utilisée pour commuter le
distributeur. (Fig.2).
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.
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. 2
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).
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).
Etant donné que le distributeur de pilotage (B) ne
gère que de faibles débits, la puissance
nécessaire est limitée.
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.
Fig. 18
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).
Borne 2
Borne 3
Borne 4
Borne 5
Borne 1
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.
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
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).
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)
Fig. 20
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.
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.
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
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. 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):
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)
Dossier Détendeurs proportionnels - 12
Applications
Test d endurance sur dossiers
Installation de dosage
Afin de contrôler la qualité du dossier des chaises
(Fig.24), celles-ci sont sollicitées par un vérin
pneumatique.
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