Composants des circuits électropneumatiques

 Composants des circuits électropneumatiques

Avec l'avènement de l'automatisation, il est devenu essentiel d'adapter les dispositifs de commande des circuits pneumatiques de manière à rendre compatibles leurs signaux avec ceux des automates programmables.

En utilisant l'électricité comme source de commande de certains composants pneumatiques, on a créé la gamme des composants électropneumatiques.

En plus de l'explication du phénomène magnétique dans un bobinage, cette étude contient une présentation des principaux composants qui servent à élaborer un schéma de circuit à commande électropneumatique.

Principe du champ magnétique

Selon le principe de l'électromagnétisme, une bobine constituée de plusieurs spires de fil de cuivre produit un champ magnétique à l'intérieur de son noyau lorsqu'elle est parcourue par un courant I.

De plus, on a découvert que les lignes de force magnétiques traversent plus facilement une barre de fer doux que l'air libre. Donc, en ajoutant cette barre, on renforce l'action magnétique. La figure 5.5 montre la circulation d'un champ magnétique dans une bobine soumise à une excitation électrique.

Figure 5.5    Circulation d'un champ magnétique.

Si l'on permet à la barre de fer (tige) de se déplacer, elle suivra les lignes de force ; plus les lignes de force magnétiques seront fortes, plus la tige aura une force de poussée élevée, permettant ainsi de transformer l'énergie électrique en mouvement linéaire mécanique.

Ce phénomène est à l'origine, entre autres, des solénoïdes, des bobines de relais et d'électrovannes, autant en courant alternatif (c.a.) qu'en courant continu (c.c.).

Bobine

Une bobine est constituée d'un enroulement de fil de cuivre continu, qu'on appelle aussi bobinage. Un bobinage doit être considéré comme une charge pour un circuit, au même titre qu'une lampe témoin, car il consomme de l'énergie.

Un bobinage soumis à une alimentation présente donc une chute de tension à ses bornes.

Généralement les tension d'alimentation des bobines en courant alternatif (c.a.) sont de 6, 12, 24, 48, 120, 240, 480 et 600 V.

Celles en courant continu (c.c.) sont de 6, 12, 24, 48, 110, 220 et 440 V.

Solénoïde ou électro-aimant - Principe

Un solénoïde est constitué d'un plongeur, d'une bobine et d'une structure.

A l'état de repos, le plongeur est généralement repoussé par un ressort, de sorte qu'il y a un espace entre la structure et le plongeur. Comme aucune alimentation n'excite la bobine, il n'y a pas de lignes de force qui tentent d'attirer le plongeur (figure 5.6a).

Figure 5.6    États du solénoïde.

Lorsque la bobine est sous tension (figure 5.6b), des lignes de force sont créées. Les lignes de force de la structure et du plongeur subissent une attraction. Le plongeur se déplace alors jusqu'à la structure et les deux parties du solénoïde deviennent soudées ensemble par une force magnétique.

Tant que l'alimentation de la bobine reste présente, le solénoïde demeure actionné. Il suffit de couper l'alimentation de la bobine pour que le plongeur reprenne sa position de repos grâce à l'action du ressort de rappel.

Sous l'effet du déplacement du plongeur, une tige permet d'actionner un mécanisme quelconque. Ce principe est à l'origine du fonctionnement des électrodistributeurs et des relais.

Électrovanne

L'électrovanne est un relais d'interface permettant de transformer un signal d'entrée électrique en un signal de sortie pneumatique, figure 5.7. Elles sont généralement du type compact avec la bobine montée directement sur le corps de vanne. Le noyau mobile coulisse dans un tube autour du quel se trouve la bobine.

On obtient ainsi des vannes compactes et parfaitement hermétiques.

Figure 5.7    L'électrovanne : relais d'interface.

Principe de fonctionnement (figure 5.8)

Une électrovanne est composée de deux parties élémentaires :

1. Une tête électromagnétique (électro-aimant) et son noyau mobile (plongeur).

2. Une vanne dont l'orifice est obturé par un clapet ou un pointeau.

L'ouverture et la fermeture de la vanne sont fonction de la position du noyau mobile qui se déplace sous l'effet du champ magnétique engendré par la mise sous tension de la bobine.

Figure 5.8    Électrovanne et principe de fonctionnement.

Dans une électrovanne à commande directe, le noyau plongeur est relié mécaniquement au clapet qui ouvre ou ferme l'orifice de la vanne selon que la bobine est alimentée ou non.

Le fonctionnement ne dépend ni du débit ni de la pression, que celle-ci soit nulle ou atteigne le maximum admissible.

COMMANDES PNEUMATIQUES

Électrodistributeurs

On appelle électrodistributeur un distributeur pneumatique commandé à l'aide d'un signal électrique. Sur le marché, il en existe plusieurs modèles, surtout pour la distribution de puissance.

La commande des circuits électropneumatiques fait plutôt appel aux composants électriques.

On compte principalement deux sortes d'électrodistributeurs :

- à commande électrique ;

- à commande électropneumatique.

Commande électrique

Sur un électrodistributeur à commande électrique, l'action de la tige reliée au plongeur du solénoïde agit directement sur le tiroir du distributeur. Autrement dit, la force du champ magnétique déplace le tiroir de l'électrodistributeur.

A la figure 5.9, un solénoïde sert à activer le distributeur. Pour que le distributeur demeure enclenché, il faut maintenir une tension aux bornes du solénoïde, sans quoi le ressort placé du côté opposé du solénoïde replacera le tiroir du distributeur à l'état de repos.

Le modèle d'électrodistributeur illustré se classe parmi les distributeurs monostables, car il est muni d'un ressort de rappel.

Figure 5.9    Distributeur à pilotage électrique.

A l'instar des distributeurs pneumatiques conventionnels, il existe aussi des modèles dits bistables, car ils ont la capacité de mémoriser leur état.

Comme ils sont actionnés par un solénoïde de chaque côté, une seule impulsion électrique suffit à déplacer leur tiroir. Il n'est donc pas nécessaire de garder les solénoïdes sous tension.Un électrodistributeur à double pilotage conserve sa position jusqu'à ce qu'il reçoive l'ordre contraire provenant du solénoïde placé du côté opposé.

La figure 5.10 montre un distributeur à commande électrique et rappel électrique.

Figure 5.10    Distributeur à commande électrique et rappel électrique.

Commande électropneumatique

L'expression "commande électropneumatique" signifie que par le déplacement du noyau, le solénoïde ouvre le passage à l'air comprimé afin de piloter le tiroir du distributeur. Autrement dit, c'est l'air qui déplace le tiroir du distributeur sous la commande d'un signal électrique.

La figure 5.11 montre le déplacement du tiroir d'un distributeur à commande électropneumatique et rappel électropneumatique.

Figure 5.11   Distributeur à commande et rappel électropneumatique.

Notez qu'avec ce genre de distributeur, il faut absolument que la pression de l'air d'alimentation soit présente avant l'application du signal de commande électrique.

Dans le cas contraire, si l'on applique le signal électrique avant l'air d'alimentation, le distributeur ne pourra s'activer. Comme le champ magnétique ne sera pas suffisant pour déplacer le noyau, la bobine aura tendance à chauffer ce qui endommagera le solénoïde.

Comme il est presque impossible de distinguer, à première vue, un distributeur à commande électrique d'un autre à commande électro-pneumatique, on vérifie le symbole du distributeur et l'on s'assure de toujours alimenter les circuits électropneumatiques en air avant de mettre les circuits de commande sous tension.

Cette pratique permet d'éviter les dommages accidentels aux électrovannes.

Distributeur à tiroir multifonction à commande pneumatique et électropneumatique

Multifonction

Les distributeurs multifonctions sont équipés de deux joints sélecteurs de pilotage situés à la partie supérieure, coté commande et coté rappel. Chaque sélecteur peut occuper deux positions pour réaliser l'alimentation interne ou externe des organes de commande ou de rappel, pneumatique ou électropneumatique.

L'alimentation externe permet d'utiliser les distributeurs sur fluides de 0 à 12 bar et sur le vide. Le joint comporte un index avec flèche qu'il suffit de positionner dans l'encoche de la plaque signalétique, face au schéma correspondant au pilotage souhaité (voir ci-dessous).

Toute modification de fonction est aisément réalisable. Les distributeurs sont livrés avec les sélecteurs positionnés pour réaliser les schémas tels que représentés dans les tableaux de sélection du matériel. La figure 5.12 vous présente cette version de distributeur multifonction.

Figure 5.12    Distributeur multifonction.

La figure 5.13 vous présente les circuits de pilotage pneumatique suivant la sélection alimentation interne ou externe :

• Alimentation interne : l'électrovanne est constamment sous pression. Lorsque la bobine de l'électrovanne est alimentée en courant (signal électrique) le tiroir commute.

• Alimentation externe :

- l'électrovanne sera opérante si une pression est appliquée à l'orifice (12) ou (14) de pilotage.

- pour assurer le pilotage du tiroir, il doit être réuni deux conditions : un signal pneumatique et un signal électrique.

Figure 5.13    Commande électropneumatique : alimentation interne et externe.

Relais

Un relais est un appareil électromagnétique constitué d'une bobine entourant un noyau en fer doux et de un ou plusieurs contacts. Le courant traversant la bobine est isolé du courant qui traverse les contacts. Le seul lien entre la bobine et l'armature du contact mobile est électromagnétique.

De ce fait, le relais permet à un circuit d'en commander un autre, quel que soit leur niveau de tension. Par exemple, un relais muni d'une bobine à 120 V (c.a.) peut faire circuler une tension de 24 V (c.c.) par l'intermédiaire de ses contacts afin de commander un électro-distributeur dont la ou les bobines fonctionnent en courant continu.

Un relais peut être actionné à partir :

• d'un bouton-poussoir électrique,
• d'un contact à pression,
• d'un compteur,
• d'un interrupteur de position (capteur de fin de course),
• du contact d'un autre relais.

La figure 5.14 montre le principe de fonctionnement d'un relais et ses principaux composants.

Figure 5.14    Principe de fonctionnement d'un relais.

Lorsqu'un courant traverse la bobine, il en résulte un champ magnétique qui attire l'armature du contact mobile vers la bobine. Le relais devient énergisé et les contacts prennent la position contraire :

- les contacts NO se ferment ;

- les contacts NF s'ouvrent.

Un relais peut avoir un seul ou plusieurs contacts. Lorsque la bobine n'est plus sous tension, un ressort de rappel ramène les contacts dans leur position dite normale (initiale).

La figure 5.15 montre un modèle de relais enfichable avec l'identification des broches de connexion.

Figure 5.15    Relais enfichable.

Interrupteur de position

Les interrupteurs de position ont pour fonction de transmettre un signal électrique sous l'action d'une force mécanique. Ils peuvent être à contact normalement ouvert (NO) ou normalement fermé (NF). On peut voir, à la figure 5.16, quelques uns des moyens de commande des interrupteurs de position.

Ces interrupteurs de position s'utilisent pour détecter la position de la tige des vérins, ils sont encombrants et ont tendance à se dérégler relativement.

Figure 5.16    Commutateurs électromécaniques.

La figure 5.17 présente un modèle de commutateur encastrable dans le bâti d'un cylindre spécialement conçu à cet effet. Lorsque la tige arrive en fin de course, une dénivellation soulève le plongeur et actionne le commutateur. On peut fixer ce genre de commutateur aux deux extrémités d'un vérin.

Le fonctionnement d'un tel système s'avère très fiable malgré le coût d'achat un peu plus élevé du vérin.

Figure 5.17   Interrupteur de position encastré.

Les symboles utilisés pour représenter l'un ou l'autre des interrupteurs de position dans un schéma électrique apparaissent dans le tableau de la figure 5.18. On peut ajouter une flèche au symbole pour indiquer qu'un commutateur est actionné en position de départ.

Figure 5.18    Symboles des interrupteurs de position.

Détecteurs de position magnétiques

Sans contredit, les détecteurs de position magnétiques sont à l'heure actuelle les plus performants sur le marché pour effectuer la commande des circuits électropneumatiques. Ils ont la capacité de détecter la présence du piston d'un vérin. Ils s'installent aussi très facilement sur le pourtour du cylindre.

On peut se procurer l'ensemble d'un vérin et d'un détecteur de position magnétique à très bon marché et s'en servir autant pour les circuits à courant continu que ceux à courant alternatif.

Le détecteur de position agit comme un simple contact. Le capteur détecte la présence du piston et transmet le signal au circuit de commande figure 5.19a.

Figure 5.19   Détecteur de position à commande magnétique installé sur un vérin.

Lorsqu'on installe le détecteur magnétique sur un vérin, il est possible de vérifier la position de détection à l'aide d'un ohmmètre sans avoir recours à une autre alimentation.

Il suffit de fixer solidement le détecteur tout près de l'extrémité du vérin lorsque l'ohmmètre indique une continuité entre les bornes du détecteur. De plus, certains modèles sont munis d'une deL (LED) pour indiquer plus facilement la position de la tige du vérin sur un équipement, figure 5.19b.

En résumé sur les composants des circuits électropneumatiques

- Les solénoïdes fonctionnent suivant le principe de l'électromagnétisme. Sous l'effet d'un champ magnétique, une tige de fer doux se déplace et crée un travail.

- Les solénoïdes fonctionnent soit en courant continu, soit en courant alternatif, et doivent être considérés comme une charge pour un circuit.

- Les relais sont constitués d'une bobine et de plusieurs contacts (NO et NC).

- Les relais peuvent réaliser diverses fonctions à l'intérieur d'un circuit de commande.

- Un distributeur pneumatique commandé par électrovanne s'appelle distributeur à commande électropneumatique.

- Les interrupteurs de position mécaniques ont pour fonction de transmettre un signal électrique sous l'action d'une action mécanique.

- Les détecteurs de position magnétiques servent à détecter la présence du piston d'un vérin. Ils sont peu encombrants, très performants et leur prix est abordable.

Cette étude vous a permis de connaître les principaux composants utilisés en électro-pneumatique.

Une étude traite de la manière de brancher ces composants pour réaliser des systèmes électropneumatiques.