Niskie ciśnienie w układzie sprężonego powietrza, błaha awaria, która zatrzymuje proces

|

Czasem dla projektanta zderzenie się ze światem utrzymania ruchu może być bolesne. Zwłaszcza dla jego ambicji, gdy prosta usterka maszyny uniemożliwia rozpoczęcie pracy od 20 minut. Projektantom czasem trudno odnaleźć się w realiach utrzymania ruchu, ponieważ w parku maszynowym często należy zdiagnozować usterki, które rzadko pojawią się podczas uruchamiania nowych instalacji.

Wyobraźmy sobie, że otrzymujemy zgłoszenie awarii maszyny. Wstępnie zdiagnozowana usterka to niepoprawne działanie układu sterowania instalacją sprężonego powietrza maszyny. Dla osób, które wdrażają się w świat układów sterowania chciałem wspomnieć, że przy użyciu instalacji sprężonego powietrza energia w postaci powietrza transportowana jest do urządzeń wykonawczych maszyny. Powietrze jest sprężone w układzie co oznacza, że w rurach panuje ciśnienie większe niż atmosferyczne, które jest równoważne z poziomem 1013 hPa, co w przeliczeniu wynosi 101,3 kPa.
Najniższe ciśnienie zmierzone kiedykolwiek na poziomie morza wynosiło 870 hPa, a najwyższe na powierzchni Ziemi – 1083,8 hPa. [1]

Ciśnienie o wartości większej niż 101,3 kPa nazywamy nadciśnieniem. Ciśnienie o wartości niższej niż 101,3 kPa nazywamy podciśnieniem. Prostym przykładem urządzenia generującego podciśnienie jest odkurzacz. Natomiast w przemyśle do wytwarzania nadciśnienia stosuje się sprężarki powietrza, które zasysają powietrze z atmosfery i je sprężają. Dzięki tym urządzeniom zamieniamy energię elektryczną w energię mechaniczną, która umożliwia działanie siłownika pneumatycznego lub pozwala na otwarcie zaworu.

Zamiana energii elektryczną w energię mechaniczną następuje, ponieważ silnik zużywa prąd elektryczny do wytworzenia siły, która następnie napędza szereg łopatek w celu sprężania powietrza do zbiornika.

Zaletą maszyn i urządzeń z napędem pneumatycznym jest odporność na przeciążenia i wysoki moment rozruchowy. Narzędzia pneumatyczne na przykład takie jak klucze pneumatyczne stosowane są często w strefach zagrożenia wybuchem.

Ciąg dalszy problemu niepoprawnego działania układu sprężonego powietrza:

Maszyna, w której wystąpiła usterka została wyposażona w ciśnieniowy zawór bezpieczeństwa. Taki typ zaworu powinien pełnić rolę zaworu głównego. Do realizacji tego zadania montowane są zawory typu 3/2.
W jednym położeniu zawór ten łączy zbiornik powietrza z układem maszyny zaś w drugim położeniu zamyka te połączenie i odpowietrza układ maszyny w celu zachowania bezpieczeństwa.
Kolejnym parametrem opisującym właściwości zaworu jest pozycja położenia, którą przyjmuje zawór, gdy nie działają na niego żadne sygnały sterujące. Dla zaworów bezpieczeństwa stosuje się typ NC, czyli normalnie zamknięty. To oznacza, że przez zawór nie przepływa sprężone powietrze, gdy na zawór nie działa sygnał sterujący. Symbol zaworu 3/2 na poniższym rysunku został dodatkowo wyposażony w krańcówkę, którą można podłączyć do sterownika w celu kontrolowania położenia zaworu.
Budowa zaworu i rozwiązanie problemu
Zawór bezpieczeństwa (część mechaniczna) wyposażony jest w cewkę (część elektryczna). Z tego powodu zespół tych urządzeń nazywa się elektrozaworem (ang. solenoid valve). W celu sterowania zaworem należy uzwojenie cewki podłączyć do układu wyjść sterownika.
W sytuacji, gdy sterownik generuje sygnał sterujący to następuje przepływ prądu przez cewkę elektrozaworu. Przepływający prąd zgodnie z prawami fizyki wytwarza pole elektromagnetyczne, które działając jak magnes powoduje przesunięcie tłoka zaworu. Umożliwia to przepływ powietrza z kanału 1 do kanału 2 zasilając tym samym maszynę w nośnik energii.
W przypadku gdy sterownik wystawi logiczne „0” wtedy prąd nie przepływa a w następstwie nie wytwarzane jest pole elektromagnetyczne co skutkuje, że sprężyna pociąga tłok do kanału 1. Maszyna tym samym pozbawiana jest nośnika energii a dostarczone już powietrze uwolnione jest do atmosfery Ziemi.
Problem polegał na tym, że pomimo, że sterownik na wyjściu wystawiał sygnał „1” to układ instalacji sprężonego powietrza maszyny był jednocześnie zasilany i odpowietrzany. Zawór znajdował się w pozycji pośredniej. Wartość napięcia sterującego było prawidłowe, więc jedna z zakładanych przyczyn została wyeliminowana.

Niepełny zakres wiedzy teoretycznej na temat budowy powyższego zaworu może skutkować przemyśleniami, że zawór uszkodził się poprzez zablokowanie tłoka w suwaku. Po części jest to prawidłowa odpowiedź, lecz przyczyną zablokowania nie jest mechaniczne zatarcie tłoka a roboczy zakres pracy elektrozaworu.

Na etapie projektowania lub w sferze utrzymania ruchu należy zwrócić szczególną uwagę czy wartość ciśnienia znajdującego się w instalacji powietrza mieści się w zakresie ciśnienia roboczego (ang. Operating pressure range) danego urządzenia

Zakres ciśnienia roboczego dla zaworu, z którym przyszło mierzyć się wynosił od 0,25 do 0,7 MPa, czyli od 2,5 bar do 7 bar.

Dla prawidłowej pracy elektrozaworu wymagane jest, aby ciśnienie nie było wyższe lub niższe od zakresu ciśnienia roboczego. Wyższe ciśnienie może uszkodzić elektrozawór. Natomiast niskie ciśnienie wiąże się z brakiem energii do wykonania zamierzonej funkcji. Podczas usterki tłok zaworu był przyciągany przez cewkę, lecz za niskie ciśnienie w układzie powodowało, że siła przyciągania była niewystarczająca co powodowało niepełne przesuniecie tłoka w położenie przepływu.

Skutkiem tego było jednoczesne działanie zasilania maszyny w sprężone powietrze oraz odpowietrzania jej. Problem został naprawiony w momencie zwiększenia ciśnienia do poziomu wyższego niż 2,5 bar.
Jeżeli zastanawiasz się, dlaczego na powyższym rysunku zainstalowano szeregowo dwa elektrozawory to wiedz, że wykonane jest w ramach bezpieczeństwa. Oba elektrozawory otwierają się i zamykają się jednocześnie. W chwili gdy jeden z nich uszkodzi się to drugi zabezpiecza sprawność układu realizując zamknięcie dopływu medium powietrza.

Podsumowanie
Po przeczytaniu publikacji można podsumować, że to błaha usterka. Zgadzam się i uważam, że każda usterka jest błaha w sytuacji, gdy posiada się wiedzę i trzeźwy umysł, który umożliwia szybką reakcję. Nikt z nas nie urodził się z bagażem doświadczeń. Każdy z naukowców również musiał ciężko pracować spędzając wiele godzin na badaniach i eksperymentach. Dlatego zachęcam wszystkich do poszerzania swoich horyzontów naukowych, aby stać się w przyszłości inżynierem na miarę swoich oczekiwań. Jeżeli zdarzają się Tobie błędy to nie zamartwiaj się, ponieważ nie ma porażek. Jest tylko nauka, dzięki której kolejne błędy będą znacznie szybciej wyeliminowane

LITERATURA:
[1] https://www.szkolnictwo.pl/szukaj,HPa
[2] Schmid D. Mechatronika. Wydawnictwo REA
[3] Materiały dydaktyczne producenta komponentów pneumatyki SMC