معرفی انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی

مقاله حاضر دومین بخش از مطلب سه بخشی جامع درباره شیر برقی پنوماتیک است.

در مقاله اول به معرفی ساختار و عملکرد شیرها پرداخته شد و در مقاله بعدی به نکات مهم درباره انتخاب شیر برقی می‌پردازیم.

در این مقاله به بررسی دقیق و کامل انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی بر اساس پورت و عملکرد پرداخته شده است.

در دنیای صنعتی امروز، سیستم‌های اتوماسیون نقش تعیین‌کننده‌ای در بهینه‌سازی زمان، کاهش خطا و افزایش بهره‌وری دارند.

در قلب بسیاری از این سیستم‌ها، هوای فشرده به عنوان یک منبع انرژی پاک، قابل کنترل و نسبتاً ارزان به کار گرفته می‌شود. اما کنترل دقیق این انرژی بدون استفاده از شیرهای پنوماتیک ممکن نیست و در این میان، شیرهای برقی پنوماتیک جایگاهی کلیدی دارند.

در میان انواع مختلف شیرهای برقی، شیرهای برقی کتابی که به نام «شیرهای برقی سری V» نیز شناخته می‌شوند، به دلیل طراحی فشرده، قابلیت نصب روی منیفولد (چیدمان ردیفی)، سرعت عملکرد بالا و انعطاف‌پذیری در نصب و کنترل، بیشترین کاربرد و فراوانی مصرف را دارند.

 

هدف ما، ارائه مطالبی است که هم برای مهندسان طراح سیستم‌های پنوماتیک مفید باشد، هم برای تکنسین‌های نصب و تعمیر و هم برای مدیران فنی و تأمین قطعات که به دنبال انتخاب مناسب‌ترین شیر برقی برای پروژه‌های خود هستند.

دسته‌بندی عملکردی انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی بر اساس تعداد پورت و وضعیت

در طراحی و اجرای مدارهای پنوماتیکی، یکی از تصمیمات کلیدی، انتخاب نوع شیر کنترلی متناسب با عملکرد مورد انتظار سیستم است.

این انتخاب معمولاً بر اساس «تعداد پورت‌های شیر» و «تعداد وضعیت‌های عملکردی آن» انجام می‌شود.

در میان انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی، شیرهای مختلفی از لحاظ پورت و پوزیشن طراحی و عرضه می‌شوند که رایج‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• شیر برقی پنوماتیک 2/2
• شیر برقی پنوماتیک 3/2
• شیر برقی پنوماتیک 5/2
• شیر برقی پنوماتیک 5/3

 مبنای نام‌گذاری انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی

اصطلاح رایج x/y برای نام‌گذاری شیرها در صنعت به صورت زیر تعریف می‌شود:

• عدد اول (x): تعداد پورت‌ها یا مسیرهای ورودی، خروجی و تخلیه
• عدد دوم (y): تعداد وضعیت‌های مکانیکی عملکرد (Position)

 انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی از نظر تعداد پورت و وضعیت عملکرد

1- شیر برقی پنوماتیک 2/2: یعنی دو پورت (ورود و خروج) و دو وضعیت عملکردی (باز / بسته)

2- شیر برقی پنوماتیک 3/2: یعنی سه پورت (ورود، خروج، تخلیه) و دو وضعیت عملکردی

3- شیر برقی پنوماتیک 5/2 : یعنی پنج پورت و دو وضعیت عملکردی

4- شیر برقی پنوماتیک 5/3 : یعنی پنج پورت و سه وضعیت عملکردی

نکته: در مورد سمبل‌های نمایش اجزای سیستم پنوماتیک در مطلب جداگانه ای به تفصیل خواهیم پرداخت.

1- شیر برقی پنوماتیک 2/2 و 3/2

شیر برقی کتابی 2/2 و 3/2 بسته به نوع کاربرد در ابعاد مختلف طراحی و تولید می‌شوند. انواع کوچک این شیرها معمولاً از نوع عملکرد مستقیم (Direct-Acting) هستند که در بازار ایران با نام «شیر کبریتی» شناخته می‌شوند. همچنین برای کنترل هوای فشرده با دبی بالا و یا تحریک عملگرهای یک طرفه سایز متوسط و بزرگ از شیر کتابی 3/2 عملکرد غیر مستقیم یا پایلوت دار (Pilot-Operated) استفاده می‌شود.

همانگونه که قبلاً در مقاله «معرفی ساختار و عملکرد شیر برقی پنوماتیک» اشاره شد شیرهای برقی سایز کوچک (شیر کبریتی) به دلیل محدودیت دبی عبوری باد، برای تحریک شیرهای دیگر و یا کنترل عملگرهای کوچک (جک پنوماتیک یک‌طرفه کوچک) استفاده می‌شوند. ویژگی اصلی شیرهای کبریتی، سرعت عملکرد بالا و عدم نیاز به فشار باد تحریک و قابلیت عملکرد در فشارهای پایین (از فشار صفر) است.

ویژگی اصلی شیرهای کبریتی، سرعت عملکرد بالا و عدم نیاز به فشار باد تحریک و قابلیت عملکرد در فشارهای پایین (از فشار صفر) است.

شیر برقی کبریتی 2/2

ویژگی‌های اصلی شیر برقی پنوماتیک 2/2 (Two-Port, Two-Position) عبارتند از:

• پورت‌ها: یک ورودی (P)، یک خروجی (A)
• عملکرد: دو وضعیت – باز و بسته
• تحریک: به‌صورت مستقیم و توسط حرکت هسته بوبین
• ساختار طراحی: فاقد اسپول، پایلوت یا اجزای مکانیکی پیچیده
• کاربرد: کنترل سیگنال‌های پنوماتیکی کم‌فشار، تغذیه شیرهای دیگر، قطع و وصل باد مدارهای فرعی

در اغلب انواع شیرهای 2/2 وضعیت پیش فرض شیر در حالت بسته است. با اعمال فرمان برقی به بوبین، شیر باز می‌شود و به محض حذف فرمان، شیر به حالت بسته برمی‌گردد. به این نوع از شیرها، نرمال بسته یا به اختصار (NC) می‌گویند.

برای مصارف خاص که نیاز است مسیر عبور باد در حالت عادی باز بوده و در شرایطی موقتأ بسته شود، از شیرهای برقی 2/2 نرمال باز (NO) استفاده می‌شود. در این شیرها مسیر عبور باد در حالت عادی باز بوده و با تحریک بوبین، بسته می‌شود.

شیر برقی کبریتی 3/2 

ویژگی‌های اصلی شیر برقی پنوماتیک 3/2 (Three-Port, Two-Position, Direct-Acting) عبارتند از:

• پورت‌ها: یک ورودی (P)، یک خروجی (A)، یک تخلیه (R)
• عملکرد: دو وضعیت – تغذیه یا تخلیه یک مسیر هوای فشرده
• تحریک: به‌صورت مستقیم و توسط حرکت هسته بوبین
• ساختار طراحی: بدنه کوچک، فاقد اسپول، فاقد مجموعه پایلوت (بدون نیاز به حداقل فشار عملکرد)
• مزایا: ابعاد فشرده، سرعت پاسخ بالا، قیمت اقتصادی
• محدودیت: ظرفیت دبی پایین، عدم امکان کنترل عملگرهای بزرگ

شیر برقی کتابی 3/2  پایلوت‌دار  

ویژگی‌های اصلی شیر برقی 3/2 پایلوت‌دار (Three-Port, Two-Position, Pilot-Operated) عبارتند از:

• پورت‌ها: یک ورودی (P)، یک خروجی (A)، یک تخلیه (R)
• عملکرد: دو وضعیت – تغذیه یا تخلیه یک مسیر هوای فشرده
• تحریک: به‌صورت غیر مستقیم و توسط مکانیزم پایلوت
• ساختار طراحی: بدنه متوسط یا بزرگ، دارای اسپول و مجموعه پایلوت
• کاربرد: کنترل عملگر (جک پنوماتیک) یک طرفه، تغذیه و تخلیه باد ورودی تجهیزات پنوماتیک و …
• مزیت: تنوع سایز و قابلیت استفاده برای دبی‌‌های متوسط و بالا
• محدودیت: نیاز به حداقل فشار تحریک (1.5bar) برای عملکرد مناسب

شیرهای برقی 3/2 از نظر منطق عملکردی در دو نوع عرضه می‌شوند:

1- نرمال بسته (Normally Closed – NC)

2- نرمال باز (Normally Open – NO)

شیر برقی پنوماتیک 3/2 نرمال بسته:

• در حالت عادی: مسیر P به A بسته است، A به R وصل می‌شود.
• در حالت تحریک الکتریکی: مسیر P به A باز، A از R جدا می‌شود.

شیر برقی پنوماتیک 3/2 نرمال باز:

• در حالت عادی (بدون تحریک): مسیر P به A باز است.
• در حالت تحریک: مسیر P بسته شده و A به R وصل می‌شود.

اغلب شیرهای برقی 3/2 از نوع نرمال بسته (NC) هستند و این بدان معنی است که در حالت عادی، ورودی باد بسته و سمت مصرف‌کننده تخلیه و بدون فشار است. با اعمال فرمان برقی و تحریک بوبین، مسیر باد به سمت مصرف‌کننده باز می‌شود و با قطع فرمان بلافاصله هوای فشرده سمت مصرف‌کننده تخلیه می‌شود.

 ۲. شیر برقی پنوماتیک 5/2 و 5/3 

این گروه از شیرها که اغلب در ابعاد متوسط و بزرگ ساخته می‌شوند، دارای اسپول متحرک و محفظه پایلوت هستند و عملکرد آن‌ها بر اساس تحریک غیرمستقیم (Pilot Operated) صورت می‌گیرد.

ساختار این شیرها به‌گونه‌ای طراحی شده که بتوانند جابجایی دقیق و پیوسته سیلندرهای دوطرفه را با دقت بالا و فشار کاری مناسب انجام دهند.

شیر برقی کتابی 5/2  

• پورت‌ها: یک پورت ورودی (P)، دو پورت خروجی (A,B) ، دو پورت تخلیه (R,S)

شیر برقی پنوماتیک 5/2 (Five-Port, Two-Position) از پر مصرف‌ترین انواع شیر برقی کتابی است که به طور وسیعی در انواع مدارات پنوماتیک مورد استفاده قرار می‌گیرد و بسته به منطق عملکردی مورد نیاز در دو نوع تک بوبین و دو بوبین عرضه می‌گردد.

شیر برقی کتابی 5/2 تک بوبین

در شیر برقی پنوماتیک 5/2 تک بوبین، در یک وضعیت عملکردی جابجایی اسپول توسط فرمان برقی اعمال می‌شود و با حذف تحریک برقی، اسپول با نیروی فنر به موقعیت قبلی بازگشته و وضعیت عملکردی شیر به حالت اولیه باز می‌گردد.

شیر برقی 5/2 دو بوبین

در شیر برقی پنوماتیک 5/2 دو بوبین، تغییر وضعیت عملکردی شیر، با اعمال فرمان برقی از بوبین‌های طرفین شیر صورت می‌گیرد. بر این اساس، موقعیت اسپول پس از دریافت هر فرمان تغییر یافته و تا اعمال فرمان بوبین مقابل در همان وضعیت باقی می‌ماند.

شیر برقی کتابی 5/3 

شیر برقی پنوماتیک 5/3 (Five-Port, Three-Position) ظاهری مشابه شیرهای 5/2 دارند، لیکن در این شیرها سه موقعیت عملکردی وجود دارد.

این شیرها به صورت استاندارد دو بوبین هستند. تحریک هر بوبین اسپول را به سمت مقابل جابجا می‌کند و در حالت بدون تحریک، اسپول با نیروی فنرهای برگشت به موقعیت وسط شیر بر می‌گردد.

در واقع اسپول شیر در سه وضعیت مسیر باد را کنترل می‌کند. دو وضعیت مشابه شیر برقی 5/2 است که بسته به اینکه اسپول به کدام سمت شیر جابجا شده باشد، هوای فشرده به یکی از دو خروجی A یا B هدایت می‌شود.

موقعیت عملکردی سوم، حالت قرار گیری اسپول در وسط شیر است. در این حالت و بسته به منطق کاربری مورد نیاز، سه حالت مختلف عملکرد برای شیر تعریف می‌شود. لذا شیرهای کتابی 5/3 در سه تیپ مختلف طراحی و عرضه می‌شوند و هنگام انتخاب شیر، حتماً باید به نوع کاربرد و منطق عملکرد مورد نیاز توجه شود.

انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی 5/3 از نظر منطق عملکرد

1- شیر برقی وسط بسته (Closed Center)
یکی از انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی 5/3 نوع وسط بسته است. به این معنی که در وضعیت وسط (بدون تحریک)، همه پورت‌ها بسته می‌مانند. این حالت برای ایجاد امکان توقف جک در موقعیت دلخواه (قفل موقعیت) مناسب است. در واقع با قطع تحریک شیر، جک پنوماتیک در هر موقعیتی که هست باقی می‌ماند چرا که مسیر ورود و تخلیه باد جک هر دو بسته است.

2- وسط تخلیه (Exhaust Center)
در شیر برقی پنوماتیک 5/3 وسط تخلیه، با قطع تحریک هر یک از بوبین ها، مسیر ورود باد (P) بسته شده و هر دو مسیر خروج باد (A,B) به پورت‌های تخلیه متصل می‌شوند. در واقع با برگشت اسپول به وضعیت میانی شیر، هوای فشرده از هردو سمت عملگر (جک پنوماتیک) تخلیه شده و جک پنوماتیک در هر موقعیتی که باشد بی بار (آزاد) می‌شود.

3- وسط تحت فشار (Pressure Center)
این نوع از شیرهای 5/3 تقریباً مشابه نوع وسط بسته است با این تفاوت که در وضعیت میانی اسپول، ورودی باد (P) به هر دو خروجی (A,B) وصل می‌شود. منطق عملکرد شیر بدین گونه است که با قطع تحریک هر یک از دو بوبین، هر دو سمت عملگر تحت فشار قرار می‌گیرند و عملگر در هر موقعیتی که باشد با قدرت در همان وضعیت باقی می‌ماند. این نوع شیر 5/3 برای مواقعی که نیاز به تثبیت موقعیت جک پنوماتیک حین کار وجود دارد مناسب است.

معادل‌سازی حروف و شماره‌گذاری پورت‌ها بر اساس استاندارد ISO

در برخی برندهای اروپایی و آسیایی، برای نامگذاری پورت‌های شیرهای برقی به جای حروف S, R, B, A, P از اعداد استاندارد استفاده می‌شود.

شناخت این معادل‌ها به هنگام انتخاب شیر و همچنین زمان اتصال شیلنگ‌های باد به شیر اهمیت زیادی دارد.

نکته: برای جلوگیری از اشتباه در اتصال صحیح، به شماره حک‌شده روی بدنه شیر اعتماد کنید، نه صرفاً حروف روی نقشه مدار.

نکته پایانی این بخش از بحث

شناخت دقیق انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی از منظر تعداد پورت و وضعیت عملکرد، یک پیش‌نیاز ضروری برای طراحی صحیح مدارهای پنوماتیکی است.

هر مدل از این شیرها بسته به تعداد وضعیت، نحوه فرمان‌پذیری، شرایط توقف و تخلیه، نوع عملگر و منطق عملکرد سیستم، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد.

انتخاب هوشمندانه شیر مناسب به‌جای استفاده از مدل‌های از پیش تعیین‌شده یا صرفاً ارزان‌تر، تفاوتی کلیدی در پایداری، ایمنی و عملکرد بهینه و بلندمدت سیستم‌های پنوماتیکی ایجاد خواهد کرد.

 بوبین و ولتاژ در شیر برقی پنوماتیک کتابی

در شیرهای برقی کتابی، بوبین (Solenoid Coil) بخش اصلی تحریک‌کننده است که فرمان الکتریکی را به نیروی مغناطیسی تبدیل می‌کند.

این نیروی مغناطیسی، مکانیزم داخلی شیر را فعال کرده و باعث تغییر مسیر جریان باد می‌شود. انتخاب صحیح بوبین از نظر ولتاژ، نوع جریان، کیفیت ساخت و استاندارد حفاظتی، نقش مهمی در پایداری عملکرد، ایمنی سیستم و عمر مفید شیر دارد.

دسته‌بندی انواع شیر برقی پنوماتیک کتابی بر مبنای ولتاژ بوبین از رایج‌ترین و مهم‌ترین تقسیم‌بندی‌ها در این محصول به شمار می‌رود.

1- ولتاژهای متداول بوبین و معیار انتخاب

بوبین‌های شیر برقی کتابی معمولاً در ولتاژهای زیر تولید می‌شوند:

• جریان مستقیم (DC) : DC12V ,DC24V
• جریان متناوب (AC) : AC24V ,AC110V ,AC220V

شیر برقی 220 ولت، شیر برقی 24 ولت و شیر برقی 12 ولت پنوماتیک، رایج‌ترین ولتاژهای شیر برقی هستند که در ادامه به مقایسه آن‌ها می‌پردازیم.

معیار انتخاب ولتاژ در شیر برقی پنواتیک کتابی

1- اگر سیستم کنترل شما مبتنی بر PLC  یا تابلوهای مدرن صنعتی است، ولتاژ DC24V به دلیل ایمنی بالاتر، مصرف کمتر و نویز الکتریکی کمتر، انتخاب مناسبی است.

2- برای تابلوهای ساده و سیستم‌های غیر PLC، ولتاژ AC220V یا AC110V معمول‌تر است، زیرا می‌توان آن را مستقیماً از برق شهر تغذیه کرد.

نکته مهم: همیشه باید تلرانس ولتاژ بوبین را در نظر گرفت. بیشتر بوبین‌ها قابلیت تحمل ±10٪ ولتاژ نامی را دارند. ولتاژ نامناسب می‌تواند باعث داغ شدن بوبین یا جذب ناقص هسته شود.

۲. مقایسه بوبین AC و DC

3- استانداردهای حفاظتی و کیفیت ساخت بوبین

اغلب شرکت‌های معتبر، انواع بوبین شیر برقی پنوماتیک را با استانداردهای زیر تولید می‌کنند:

• IP65 : استاندارد محافظتی نشانگر مقاومت در برابر گردوغبار و پاشش آب، مناسب برای محیط‌های صنعتی
• : 100%ED نشان‌دهنده قابلیت کارکرد مداوم بدون وقفه
• CE  : نشان استاندارد کیفیت اروپا و تضمین‌کننده رعایت نکات فنی و کیفی در تولید بوبین

4- نکات نصب و نگهداری بوبین

1- قبل از نصب یا بازکردن بوبین، برق را کامل قطع کنید.

2- در نصب بوبین DC، به قطب مثبت و منفی توجه کنید. (به ‌ویژه در بوبین‌هایی که LED یا دیود داخلی دارند.)

3- از شیلنگ‌کشی و سیم‌کشی منظم و دور از منابع حرارتی استفاده کنید.

4- اگر بوبین بیش از حد داغ می‌شود، ولتاژ و شرایط تهویه بررسی شود.

5- برای جلوگیری از نفوذ رطوبت، از کانکتورهای استاندارد با آب‌بندی مناسب استفاده کنید.

نکات پایانی این بخش از بحث

بوبین، قلب الکترومغناطیسی شیر برقی کتابی است. انتخاب ولتاژ مناسب، رعایت استانداردهای حفاظتی و نصب صحیح، همگی در عملکرد پایدار، افزایش طول عمر و جلوگیری از توقف‌های ناخواسته سیستم نقش دارند.
یک بوبین مناسب، نه‌تنها عملکرد شیر را تضمین می‌کند، بلکه از آسیب‌های پرهزینه به سایر بخش‌های سیستم پنوماتیک جلوگیری می‌نماید.