Impianti elettropneumatici

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1 1 IMPIANTI ELETTROPNEUMATICI Impianti elettropneumatici Nel campo degli azionamenti di tipo industriale viene fatto largo impiego di attuatori di tipo pneumatico, ovvero da cilindri che eseguono movimenti lineari o circolari azionati da un fluido che in genere è aria. La dimensione dei cilindri è legata alla forza che questi devono sviluppare. A sinistra un attuatore di tipo lineare, a destra un attuatore di tipo rotativo I cilindri presentano una camera a tenuta d aria divisa in due parti da un diaframma collegato allo stelo. Facendo entrare aria in pressione da un lato della camera si ottiene lo spostamento dello stelo. Il ritorno dello stelo nella posizione di partenza si può invece ottenere attraverso due sistemi differenti: - Con una molla che, compressa nella fase precedente di movimento, riporta lo stelo nella posizione di partenza quando l aria accumulatasi nella prima parte del movimento viene rilasciata in atmosfera. In questo caso si parla di cilindri a semplice effetto. - Caricando di aria il lato opposto della camera e lasciando sfogare in atmosfera libera l aria contenuta nella camera riempita in precedenza. Questo avviene nei cilindri a doppio effetto. Quali differenze applicative esistono tra i due tipi di cilindri? I cilindri a semplice effetto si impiegano quando è richiesto uno sforzo unicamente nel verso di uscita dello stelo: se, ad esempio, volessimo costruire una macchina per pressare le lattine o necessitassimo di realizzare un braccio che spinge dei pezzi in una determinata posizione o ancora volessimo creare una pinza pneumatica, il cilindro lavorerebbe solo nella fase di uscita dello stelo mentre non compirebbe nessun lavoro in fase di rientro (quindi la molla deve vincere uno sforzo minimo). Quelli a doppio effetto si impiegano invece nel caso occorra compiere del lavoro sia nel verso di uscita dello stelo sia nel verso di rientro. Un caso di questo tipo potrebbe essere il comando della porta automatica di un autobus che richiede lo stesso sforzo in apertura e in chiusura. I cilindri a semplice effetto richiedono un circuito di comando più semplice di quelli a doppio effetto. Comando dei cilindri e valvole A fianco è rappresentato un cilindro a semplice effetto comandato da una valvola 3/2. La valvola 3/2 è una valvola che può assumere due posizioni e che presenta 3 vie (cioè tre fori dai quali l aria può passare). Il cerchietto con il pallino nero rappresenta l entrata (il carico) dell aria, il triangolino rappresenta la via di scarico dell aria compressa in atmosfera. Le frecce indicano il verso di passaggio dell aria; il carico e lo scarico rimangono fissi nella rappresentazione. Nello schema A la valvola è azionata e dal punto di carico l aria viene inviata al cilindro che muove il suo stelo verso l esterno. Quando viene rilasciata l elettrovalvola, questa si sposta nella nuova posizione che prevede la chiusura del carico dell aria (la T rappresenta quindi un tappo) e il collegamento della camera del cilindro al libero scarico; la molla provvede perciò a riportare lo stelo A sinistra un cilindro a semplice effetto, a destra un cilindro a doppio effetto

2 2 IMPIANTI ELETTROPNEUMATICI alla posizione di partenza. Nei circuiti pneumatici puri lo spostamento della valvola 3/2 come in figura A viene fatto manualmente, mentre in quelli elettropneumatici lo spostamento avviene alimentando una bobina elettrica (in questo caso la valvola si chiama elettrovalvola). Come i cilindri, anche le valvole possono tornare alla posizione iniziale attraverso due sistemi: - con una molla. In questo caso se la valvola è stata spostata manualmente (quindi è un pulsante pneumatico) basta non fare più pressione con le dita per ottenere il ritorno della stessa alla posizione iniziale. Se invece è stata azionata attraverso una bobina elettrica, sarà sufficiente togliere il segnale di comando per farla tornare alla posizione di partenza. Queste valvole sono chiamate monostabili; - con un azionamento manuale in direzione opposta alla precedente, nel caso di valvola ad azionamento diretto, oppure alimentando una seconda bobina (avendo disalimentato la precedente), nel caso di azionamento elettrico. Queste valvole prendono il nome di bistabili. Da ricordare quindi che le valvole monostabili tornano allo stato iniziale non appena cessa la causa che le ha fatte muovere (pressione manuale o segnale elettrico). Quelle bistabili invece si muovono con un primo segnale, rimangono nella nuova posizione anche quando si toglie il segnale, richiedono infine un nuovo segnale a un altro dispositivo di comando per tornare nella posizione iniziale e in questa rimangono anche togliendo il secondo segnale. Qui sono rappresentate invece le valvole 5/2, ovvero a 5 vie e 2 posizioni. Come le valvole 3/2 si impiegano nell azionamento di cilindri a semplice effetto, così le valvole 5/2 si impiegano nell azionamento di cilindri a doppio effetto perché permettono di caricare aria in un lato della camera mentre viene svuotato l altro. In figura A la valvola è in posizione tale da caricare il lato sinistro della camera del cilindro per far fuoriuscire lo stelo mentre il lato destro della camera scarica in aria libera. In figura B la valvola è spostata in modo tale da fare il lavoro inverso. Per il comando dei cilindri a doppio effetto è possibile impiegare anche valvole 4/2, ovvero valvole a 4 vie e due posizioni, tuttavia la configurazione più utilizzata prevede, come già detto, l abbinamento di valvole 5/2 ai cilindri a doppio effetto.

3 3 IMPIANTI ELETTROPNEUMATICI Riassumendo Cilindri A semplice effetto Si utilizzano quando il lavoro da compiere è solo in una direzione, tipicamente quella che prevede l uscita dello stelo. Rientro garantito da una molla A doppio effetto Si utilizzano quando il lavoro deve essere compiuto sia in occasione dell uscita dello stelo sia quando questo rientra Tipo Lineare Lo stelo esegue un movimento lineare Rotativo L albero esegue un movimento circolare normalmente compreso tra 0 e 180 Valvole 3/2 Valvole a 3 vie e 2 posizioni. Si usano per pilotare cilindri a semplice effetto 5/2 Valvole a 5 vie e 2 posizioni. Si usano per pilotare cilindri a doppio effetto Comando valvole Manuale Il comando delle valvole avviene manualmente. Tipico degli impianti pneumatici Elettrico Il comando delle valvole avviene elettricamente. Tipico degli impianti elettropneumatici Tipologia valvole Monostabili La valvola cambia posizione quando viene applicato un segnale elettrico (o viene azionata manualmente) e torna nella posizione iniziale al cessare del segnale (o quando viene rilasciata) Bistabili La valvola cambia di posizione quando viene applicato un segnale elettrico (o viene azionata manualmente), rimane nella posizione al cessare del segnale (o dell azione manuale), torna nella posizione iniziale (e la mantiene) applicando un segnale a un altro dispositivo di pilotaggio. Produzione e utilizzo dell aria La produzione dell aria avviene attraverso i compressori. A seconda della modalità con la quale viene prodotta l aria compressa, questi possono essere alternativi o rotativi. Il tipo alternativo è costituito da un motore e da un gruppo pompante che aspira l aria e la spinge nel serbatoio. Un pressostato ferma il funzionamento del compressore quando questo raggiunge la pressione massima di funzionamento (che deve essere inferiore a quella di collaudo del serbatoio) e lo riavvia quando scende sotto un valore minimo. Valori indicativi di queste pressioni possono essere 7 bar per il livello inferiore e 11 bar per quello superiore. Tali valori comunque variano in funzione delle dimensioni del Compressore alternativo con serbatoio per l accumulo compressore e del suo serbatoio. Il compressore alternativo è piuttosto rumoroso; i modelli rotativi possiedono una pompa dell aria centrifuga che risulta essere decisamente meno rumorosa e quindi vengono impiegati spesso quando si vuole limitare il rumore nel luogo di installazione. Il costo dei compressori rotativi risulta più elevato di quelli alternativi. L aria compressa contiene normalmente una elevata dose di umidità (acqua) che, se inviata nei cilindri, li può danneggiare. Per questo motivo è importante inserire all inizio della conduttura dell aria compressa un filtro che tolga l umidità all aria: questo ha la forma di un bicchiere nel quale si accumula l acqua; l aria in uscita risulta così priva di umidità. Nel punto di utilizzazione si inserisce di norma un gruppo di regolazione e lubrificazione.

4 4 IMPIANTI ELETTROPNEUMATICI Il dispositivo di regolazione è dotato di un rubinetto e di un manometro che indica la pressione dell aria in uscita: regolando il rubinetto è possibile fissare il valore massimo della pressione (generalmente notevolmente più basso rispetto alla massima prodotta dal compressore). Un valore comune di impiego dell aria nelle macchine automatiche può essere di 6 bar. Il dispositivo di lubrificazione aggiunge all aria un velo d olio idraulico al fine di lubrificare le parti interne dei cilindri e delle valvole e garantire la durata delle loro guarnizioni. A sinistra filtro aria, a destra gruppo regolazione e lubrificazione L aria viene distribuita attraverso tubazioni che possono essere in rame, acciaio o più comunemente materiale plastico. Per la distribuzione principale dell aria compressa si impiega tubo con diametro esterno pari a 10 mm. Per i cablaggi all interno delle macchine (tipicamente i collegamenti tra valvole e cilindri) si impiegano tubi con diametro di 6 e 4 mm. Per collegare tra loro i tubi, effettuare derivazioni e collegamenti tra i tubi, le valvole e i cilindri si impiegano appositi raccordi. I più impiegati sono i cosiddetti raccordi rapidi nei quali il tubo viene trattenuto meccanicamente; per estrarre il tubo occorre premere la parte mobile ed esercitare una certa pressione. Nell immagine a fianco sono rappresentati raccordi per unire tra loro due tubi, per effettuare derivazioni (raccordo a T ) e per il collegamento a vite a valvole e cilindri. Di norma il movimento dei cilindri, sia lineari sia rotativi, avviene tra due posizioni estreme. L effettivo raggiungimento delle posizioni può essere verificato inserendo dei finecorsa che vengono intercettati dal movimento. I finecorsa possono allora essere di tipo elettromeccanico tradizionale oppure essere di tipo induttivo senza parti in movimento. Nelle immagini qui sopra, nell ordine: - Finecorsa elettromeccanico. Lo stelo fuoriuscendo spinge la rotella che aziona un contatto presente all interno dell involucro. - Sensori magnetici. Avvicinando alla parte anteriore del sensore un oggetto metallico il sensore si attiva. A seconda dei modelli la distanza di rilevamento può andare da un minimo di 2 mm a un massimo di 4 mm. I sensori funzionano generalmente in corrente continua a tensioni comprese tra 10 e 30 V. - Due sensori montati su un cilindro. La parte terminale dello stelo contenuta nel cilindro spostandosi attiva alternativamente i due finecorsa calettati sul cilindro.

5 5 IMPIANTI ELETTROPNEUMATICI Un esempio di comando Lo schema seguente rappresenta il comando di due cilindri a doppio effetto attraverso due valvole 5/2 bistabili. L esempio è stato prodotto col software dimostrativo AW-SYS. Per descrivere il funzionamento occorre sapere che: - i cilindri vengono normalmente indicati con lettere maiuscole dell alfabeto (A, B, C, ecc.) - il movimento di uscita dello stelo viene indicato con il simbolo +, quindi il comando di uscita dello stelo del cilindro A sarà definito A+ - analogamente il movimento di entrata dello stelo sarà chiamato A- - i finecorsa che segnalano il raggiungimento delle posizioni estreme vengono denominati con lettere minuscole corrispondenti ai cilindri sui quali sono montati. Inoltre con la cifra 0 si indica il finecorsa che registra la posizione di stelo retratto e con la cifra 1 la posizione di stelo estratto. Si desidera che l impianto svolga la seguente sequenza: - uscita del cilindro A (movimento A+) - uscita del cilindro B (movimento B+) - rientro contemporaneo dei cilindri A e B (movimento A-/B-) Il ladder diagram è molto semplice: essendo 3 le fasi distinte, 3 saranno le linee a contatti. Ciascuna linea prevede un contatto di azionamento e una o due bobine di comando. Movimento A+: alla pressione di I0, che sarà un pulsante normalmente, aperto viene alimentata la bobina O0 che pilota lo spostamento della prima valvola. Movimento B+: quando lo stelo del cilindro A interessa il sensore a1, viene comandata l uscita O1 che pilota lo spostamento della seconda valvola. Movimento A-/B-: quando lo stelo del cilindro B interessa il sensore a2, vengono comandate le uscite O2 e O3 che riportano le due elettrovalvole nella posizione iniziale e fanno rientrare contemporaneamente gli steli dei due cilindri.