Principes de fonctionnement des circuits de commande - Cours de Mécanique des fluides avec Maxicours

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Principes de fonctionnement des circuits de commande

Les circuits de commande

L'air comprimé est l'une des principales sources d'énergie industrielle.

Il possède de nombreux avantages, offre une grande souplesse d'application et se transporte aisément.

Une installation d'air comprimé comprend :

  • un ou plusieurs compresseurs pourvus chacun d'un moteur d'entraînement ;
  • un filtre d'entrée d'air ;
  • un refroidisseur de sortie ;
  • un réservoir d'air,
  • des canalisations d'interconnexion,
  • ainsi qu'un réseau de distribution destiné à transporter l'air jusqu'aux divers points d'utilisation.

Le but d'une installation d'air comprimé est de fournir de l'air, à la pression convenable et en quantité suffisante, pour assurer un fonctionnement correct des appareils qu'elle alimente.

Dans cette étude, vous apprendrez à élaborer des schémas de circuits pneumatiques et à procéder à leur montage.

 

 

Lorsqu'un gouvernement ou une municipalité décide de faire construire de nouvelles routes, les techniciens du génie civil en font d'abord le tracé en les représentant par des traits symboliques tout en y incorporant les ponts, les passages à niveau, les viaducs et les autres éléments de construction identifiés par leur symbole particulier.

De même, les concepteurs d'automatisme pneumatique représentent les circuits pneumatiques sous forme de schémas illustrant tous les conduits et composants représentés par leur symbole distinctif.

Dans cette étude, vous apprendrez les principales règles qui régissent les circuits de commande en pneumatique par l'intermédiaire de plusieurs applications de base.

Commande directe

On dit qu'un circuit est à commande directe lorsqu'un distributeur de commande alimente directement un actionneur. La figure 3.1 présente le schéma de commande directe, d'un vérin à simple effet.

Notez sur le schéma, le symbole utilisé (deux cercles concentriques et le triangle) pour indiquer la pression d'alimentation.

Figure 3.1    Commande directe d'un vérin à simple effet.

Pour commander un vérin à simple effet, on se sert d'un distributeur 3/2. Cependant, la plupart des distributeurs de commande 3/2 ont un débit d'air assez restreint, de sorte qu'un tel montage s'avère inefficace pour fournir l'air d'alimentation à un vérin de volume considérable.

La commande directe peut seulement satisfaire avec efficacité les besoins en air comprimé d'un très petit vérin.

Pour commander un vérin à double effet, on peut se servir de deux distributeurs 3/2 à commande manuelle, ou plus simplement, d'un seul distributeur 4/2. Les deux possibilités sont présentées à la figure 3.2.

Figure 3.2    Commande directe d'un vérin à double effet.

Dans le premier cas, le montage avec deux distributeurs 3/2 crée un risque de chevauchement, car il est possible d'actionner les deux boutons-poussoirs simultanément.

Dans le second montage, l'usage du distributeur 4/2 diminue l'encombrement et élimine les risques de chevauchement. On peut aussi se servir d'un distributeur 5/2 à commande manuelle et obtenir un rendement similaire.

Pour les mêmes raisons que celles énoncées dans le cas des vérins à simple effet, la commande directe d'un vérin à double effet est à proscrire si l'on considère le volume d'air du vérin trop grand. Cet inconvénient de la commande directe s'applique aussi aux autres sortes d'actionneurs.

Un moteur pneumatique, par exemple, consomme en général plus d'air comprimé qu'un vérin, car la rotation du moteur exige un débit d'air continu. La commande directe devient donc encore moins appropriée pour les moteurs pneumatiques.

Traçage des schémas de circuits (E04-057)

Il faut faire preuve de vigilance lors du traçage des schémas de circuits et respecter les règles suivantes prescrites par la norme "Guide pour l'exécution des schémas de circuits".

Règle générale

Les schémas seront clairs et doivent permettre de suivre les circuits pour tous les mouvements et les ordres de commande au cours des différentes séquences de fonctionnement.

- Les schémas ne doivent pas tenir compte de l'implantation des appareils dans l'installation.

Tracé des schémas

Les conduites ou liaisons entre les différents appareils doivent être tracées si possible sans croisement. Les schémas doivent permettre un suivi de tous les circuits.

La distribution est divisée en sous-ensembles ou chaînes homogènes. Ces chaînes sont disposées l'une à coté de l'autre ou l'une en dessous de l'autre en tenant compte de la technologie pneumatique utilisée et numérotées en continu. Les appareils d'une même chaîne de distribution sont ordonnés dans le sens du flux d'énergie, exemple position de vérins (1C, 2C…).

Les circuits liés sont représentés sur un même plan. Les circuits indépendants peuvent-être représentés sur des plans séparés.

Pour des ensembles très importants dessiner chaque chaîne de distribution sur une feuille avec des repérages de correspondance aux points de raccordement entre les feuilles, exemple :

  • folio 1 : schéma d'implantation ;
  • folio 2 : Grafcet ;
  • folio 3 : schéma d'utilisation (les énergies) ;
  • folio 4 : circuit de commande : les capteurs de commande ;
  • folio 5 : circuit de commande : traitement de l'information ;
  • folio 6 : circuit de puissance.

- Les circuits de commande et les circuits de puissance pneumatique peuvent être représentés sur un même schéma suivant l'importance de l'installation.

- Si un élément de commande n'est pas lié sur le schéma à son action, son action sur le milieu (exemple de came) est schématisée par une ligne.

- Dans le cas ou un organe est actionné dans un seul sens, exemple galet escamotable, ajouter une flèche au repère pour indiquer le sens du mouvement (figure 3.3).

Figure 3.3    Organe actionné dans un seul sens.

Appareils et circuits pneumatiques

Les appareils sont de préférence disposés de gauche à droite et de haut en bas, dans l'ordre des opérations ou de réalisation d'une fonction :

à gauche, le contrôle et la commande (capteurs, boutons-poussoirs…) ;

au centre, la commande (l'automatisme logique) ;

à droite, la distribution de puissance et l'utilisation (distributeurs, réducteurs de débit, vérins, moteurs…).

La partie alimentation sera représentée séparément sur le même plan ou sur un plan différent.

Règle relatives aux appareils

- Les appareils seront représentés en utilisant la représentation symbolique fonctionnelle (NF Iso 1219-1).

- Les symboles qui se répètent dans un schéma peuvent-être représentés par un rectangle numéroté. Le symbole correspondant est indiqué à part.

- Les appareils sont représentés chacun dans la position fonctionnelle qu'ils occupent à l'état initial de l'installation tel qu'il découle du diagramme de fonctionnement ou d'une description du cycle figurant sur le schéma. L'état initial s'entend après mise sous pression et avant que ne commence le cycle de fonctionnement.

- Chaque appareil est identifié par un code de désignation et les orifices de raccordement sont repérés.

Si l'on examine la figure 3.2b, on remarque que le vérin occupe la "position tige rentrée" au départ. L'air circule de 1 vers 2 pour arriver du côté de la tige du vérin. L'actionnement du distributeur conduira l'air d'alimentation côté fond du vérin et la tige sortira.

La figure 3.4 vous présente deux possibilités de schéma. Les conduites représentées en ligne directe permettent une lecture plus facile et rapide. Pour l'élaboration il faut tenir compte de la symbolisation du distributeur en respectant le repérage des orifices de sortie 4 et 2 pour l'alimentation du vérin à double effet. Pour cet exemple les conditions du tracé sont les suivantes :

à la position repos (état initial), la tige du vérin est rentrée, le rappel par ressort assure la liaison entre l'orifice 1 et l'orifice 2 (pilotage 12) ;

à la position commande, l'action sur le bouton-poussoir du distributeur, assure la liaison entre l'orifice 1 et l'orifice 4 (pilotage 14), la tige du vérin sort.

Figure 3.4    Traçage d'un schéma à l'état initial.

 

Avantages de la commande indirecte

Dans les systèmes pneumatiques industriels, les pré-actionneurs sont généralement situés près des actionneurs qu'ils alimentent. Une autre technique consiste à regrouper les pré-actionneurs sous le pupitre de commande où se trouvent les dispositifs à commande manuelle. La commande indirecte permet donc de placer à des endroits différents les distributeurs de puissance et ceux de commande.

La commande indirecte permet aussi d'adapter la source d'alimentation aux besoins précis d'un équipement. Voici quelques possibilités :

- raccordement de l'air de commande et de l'air de puissance à des sources différentes ;

- réglage de la pression de l'air exemple P1 = 6 bars du circuit de puissance à une pression élevée ;

- réglage de la pression de l'air exemple P2 = 3 bars du circuit de commande à une pression plus faible ;

- lubrification de l'air de puissance ;

- air de commande sans lubrification.

La figure 3.8 résume ces différentes possibilités.

Figure 3.8     Réglage de la pression de l'air d'un équipement industriel.

 

Commande indirecte

La commande indirecte permet, entre autres, de résoudre le problème de consommation d'air des actionneurs en faisant usage d'un distributeur de puissance. C'est la raison pour laquelle on appelle les distributeurs de puissance pré-actionneurs.

Vérin à simple effet

Dans un circuit de commande indirecte, le distributeur de commande envoie un signal de commande au pré-actionneur. Le pré-actionneur, généralement conçu selon le principe de construction à tiroir, se charge alors de fournir toute la quantité d'air nécessaire au fonctionnement efficace de l'actionneur. La figure 3.5 montre la commande indirecte d'un vérin à simple effet.

Figure 3.5    Commande indirecte d'un vérin à simple effet.

La manœuvre du distributeur de commande (SM) libère le passage de 1 vers 2 et transmet le signal de pilotage 12 au pré-actionneur (1D). Le pré-actionneur fournit alors l'air d'alimentation pour faire sortir la tige du vérin.

Remarquez l'usage d'un trait pointillé sur le circuit de la figure 3.5. Ce trait pointillé représente une canalisation d'un signal de commande. Au contraire, les traits pleins identifient les canalisations de l'air d'alimentation ou celles du circuit de puissance.

Par ailleurs, le fonctionnement du montage de la figure 3.5 dépend du réglage de la pression d'alimentation. Pour que le pré-actionneur devienne actionné, il faut que la pression du signal de pilotage 12 soit en mesure de combattre la force de rappel du ressort.

En pratique, certains distributeurs sont munis d'un ressort de rappel pouvant exercer une force équivalente à une pression de 3 bars (300 kPa). Dans ce cas, si la pression d'alimentation est inférieure à 3 bars, le pré-actionneur ne peut être activé, et le vérin demeure immobile même si l'on presse le bouton-poussoir. Il faudra une pression supérieure à 3 bars pour assurer le fonctionnement normal du circuit.

Vérin à double effet

La commande indirecte d'un vérin à double effet fait appel à un distributeur de puissance muni d'un double pilotage pneumatique. La figure 3.6 montre le schéma de branchement avec un distributeur 5/2. On aurait aussi pu utiliser un distributeur 4/2 et obtenir un fonctionnement semblable.

Figure 3.6    Commande indirecte d'un vérin à double effet.

Lorsque le distributeur de sortie 1SM est actionné, l'impulsion de pilotage 14 fait déplacer le tiroir du distributeur 5/2 (1D) qui sert de pré-actionneur. La tige du vérin amorce son mouvement de sortie. Arrivée en fin de course avant, la tige du vérin conserve sa position sortie jusqu'à ce qu'une impulsion émise par le distributeur de rappel 2SM arrive à l'orifice 12 du pré-actionneur (1D) et ramène le tiroir à sa position initiale.

Comme le pré-actionneur de la figure 3.6 ne possède aucun ressort de rappel, on dit qu'il est de type bistable. Une seule impulsion suffit pour déplacer son tiroir et ainsi transmettre l'énergie nécessaire à l'actionneur.

Vérin à rappel automatique

La propriété "bistable" de la commande indirecte permet d'effectuer des montages munis de vérins à rappel automatique. La façon la plus simple de réaliser la commande automatique consiste à prévoir le rappel du vérin en fonction d'un déplacement. On se sert alors d'un capteur de fin de course pour détecter la position voulue de la tige du vérin. On utilise communément un galet comme commande du capteur de fin de course, comme le montre la figure 3.7.

Figure 3.7    Commande indirecte avec capteur.

Le schéma de montage de la figure 3.7 indique clairement que la position dessinée d'un composant peut être très différente de son implantation réelle dans le montage.

Comme le capteur à commande par galet sert à détecter le déplacement de la tige du vérin, on le fixe en réalité en bout de course de la tige du vérin. Par contre, on dessine ce distributeur dans la partie gauche du schéma et on indique sa position réelle dans le montage par un rectangle de repère.

On verra un peu plus loin que les techniques d'identification des composants servent à associer la position dessinée à celle de l'implantation réelle du composant.

Les systèmes commandés en fonction d'un déplacement exigent habituellement beaucoup d'entretien, car la détection du signal nécessite un contact mécanique. L'usure, le bris ou le déplacement de l'interrupteur de fin de course peuvent interrompre le cycle de fonctionnement. Par contre, avec un minimum d'entretien préventif, c'est l'une des commandes les plus fiables.

Identification des composants

Pour faciliter la représentation graphique d'un schéma de montage, on doit disposer les composants selon le parcours réel de l'air à l'intérieur d'un système. Les appareils sont de préférence disposés de gauche à droite et de haut en bas dans l'ordre des opérations ou de réalisation d'une fonction.

La figure 3.9 montre la décomposition d'un schéma de montage en donnant l'emplacement de chacune des catégories de composants.

Figure 3.9    Disposition d'un schéma de montage.

On sait que cette disposition ne tient pas compte de l'emplacement réel des composants. On se sert plutôt d'une représentation simplifiée pour indiquer l'implantation d'un composant sur un équipement : exemple d'un capteur à commande par galet figuré par un rectangle, figure 3.7.

Figure 3.7    Commande indirecte avec capteur.

 

Code de désignation des composants (NF E48-140) - Transmissions hydrauliques et pneumatiques

Ce code de désignation des composants (figure 3.10) tient compte des recommandations CEI pour les appareils pneumo-électriques et électropneumatiques.

Figure 3.10    Code de désignation des composants.

 

Code de repérage des composants (NF E49-142) - Transmissions pneumatiques

Le repère des composants, dans les circuits pneumatiques, permet leur identification rapide lorsqu'ils sont nommés dans une notice de fonctionnement, désignés dans une nomenclature et symbolisés sur des schémas. Il facilite aussi le montage et la maintenance des équipements et des installations.

La norme donne les principales règles qui permettent d'affecter un repère à un composant en tenant compte de sa situation fonctionnelle sur les schémas ainsi que de son état ou de son action.

Code de repérage

Les repères tiendront compte :

- de la situation fonctionnelle du composant ;

- de l'état ou de l'action du composant ;

- de la situation du composant dans le schéma.

Principe

Le code comprend trois parties et utilise des chiffres et des lettres, ce que vous présente la figure 3.11.

Figure 3.11    Code de repérage des composants.

Code de l'état ou de l'action

Le code de l'état ou de l'action s'adresse :

  • aux actionneurs,
  • au pré-actionneurs,
  • aux capteurs associées,
  • aux vérins,
  • aux appareils en série ou associés avec les pré-actionneurs,
  • aux organes de service.

Le tableau que vous présente la figure 3.12 résume ce code.

Figure 3.12    Code de l'état ou de l'action.

Remarque

Pour les pré-actionneurs (distributeurs) l'on peut utiliser :

le signe + pour le pilotage provoquant la sortie de tige, exemple 1D+ (mouvement 1C+) ;

- le signe - pour le pilotage provoquant la rentrée de tige, exemple 1D- (mouvement 1C-).

Ce numéro précise aussi à quel actionneur le composant se rapporte et sur quelle phase il agit. La seule exclusion concerne le groupe d'alimentation dans lequel on applique une numérotation continue, sans distinction des chiffres décimaux pairs ou impairs. La figure 3.11 représente la numérotation d'un système composé de deux groupes.

Remarque

Lors de l'affectation du repère d'ordre fonctionnel, il est recommandé de considérer les appareils liés au fonctionnement de l'actionneur, exemple le vérin, comme un ensemble indissociable afin de faciliter la maintenance par une meilleure compréhension du schéma.

Code de repérage des conduites pneumatiques

Le code est constitué de chiffres et de lettres. Le repère sera placé le long et parallèlement au trait de tuyauterie, à proximité des points de connexion.

Tuyauteries d'utilisation

Le repère se compose d'un nombre en deux parties :

1ère partie : le numéro d'ordre fonctionnel du distributeur ;

2e partie : le numéro qui repère l'orifice du distributeur.

Le repère est identique du distributeur à l'actionneur, même si des appareils sont intercalés dans le circuits. La figure 3.13 vous présente ce repérage.

Figure 3.13    Tuyauteries d'utilisation et d'alimentation.

Tuyauteries d'alimentation

Les repères des tuyauteries d'alimentation, sont par convention, composés d'une lettre et d'un nombre. En complément ou peut indiquer la pression et la dimension des tuyaux.

Exemples :

P1 = 6 bars, 6  1. (6 = Ø, 1 = 1 m)

P2 = 4 bars, 4  1. (4 = Ø, 1 = 1 m)

La figure 3.13 vous présente ce repérage.

Tuyauteries des circuits de commande

Le repère se compose de chiffres et de lettres qui correspondent au numéro d'ordre de l'appareil concerné, ce que vous montre la figure 3.14.

Figure 3.14    Tuyauteries des circuits de commande.

Nota :

Si, sur un schéma, il est nécessaire de repérer les conduites de façon à situer rapidement la nature de la conduite, le code couleurs qui suit est à respecter.

Code couleurs :

conduite de travail et d'alimentation : trait continu rouge ;

conduite de pilotage : trait interrompu rouge ;

conduite de récupération des fuites, de purge ou d'évacuation : trait interrompu bleu ;

conduite de gavage : trait continu vert ;

conduite d'aspiration : trait continu jaune ;

- conduite de retour : trait continu bleu.

Capteurs associés aux actionneurs

La figure 3.15 montre l'identification de capteurs de commande (fin de course, …) associés à un actionneur. D'après le code de l'état ou de l'action (voir figure 3.12 code de l'état ou de l'action) il faut affecter :

- 0 aux capteurs actionnés à l'état initial ;

- les autres sont numérotés dans l'ordre de la séquence ou du cycle.

Figure 3.12    Code de l'état ou de l'action.

Figure 3.15    Implantation des capteurs associés à un vérin.

Appareils en série ou associés avec les pré-actionneurs

Pour les clapets, les réducteurs de débit, les silencieux…, il faut affecter un chiffre, 1, 2, 3, 4 ou 5, à l'appareil monté en série ou associe à l'orifice du distributeur auquel il est raccordé. La figure 3.16 vous montre un exemple.

Figure 3.16    Appareils en série ou associés avec les pré-actionneurs.

 

Applications pour établir des schémas de circuits pneumatiques

Les figures qui suivent vous présentent par deux exemples la mise en œuvre des règles utilisées pour l'établissement des schémas de circuits.

Exemple n° 1 : Schéma de circuit sur une seule feuille (figure 3.17).

Figure 3.17    Schéma de circuit représenté sur une feuille.

Exemple n° 2 : Schéma de circuit sur plusieurs feuilles.

- Schéma d'implantation, folio 1/6, figure 3.18.

Figure 3.18    Schéma d'implantation (folio 1/6).

- Grafcet, folio 2/6, figure 3.19.

Figure 3.19    Grafcet (folio 2/6).

- Schéma d'utilisation, folio 3/6, figure 3.20.

Figure 3.20    Schéma d'utilisation (folio 3/6).

- Circuit de commande, capteurs de commande, folio 4/6, figure 3.21.

Figure 3.21    Capteurs de commande (folio 4/6).

- Circuit de commande, traitement de l'information, folio 5/6, figure 3.22.

Figure 3.22    Traitement de l'information (folio 5/6).

- Circuit de puissance, partie puissance, folio 6/6, figure 3.23.

Figure 3.23    Circuit de puissance (folio 6/6).

 

En résumé sur les principes de fonctionnement des circuits de commande

- La majorité des systèmes sont conçus à l'aide d'une commande indirecte afin d'alimenter avec polyvalence et efficacité l'équipement industriel.

Les distributeurs de puissance, ou pré-actionneurs, fournissent de l'air en quantité suffisante pour satisfaire les besoins des actionneurs.

- Il faut respecter les normes lors du traçage des schémas de circuits pneumatiques. Ces schémas donnent des informations sur la fonction et la catégorie des composants.

- L'identification des composants sur un schéma de circuit pneumatique facilite leur repérage sur l'équipement et simplifie les procédures de maintenance.

Une étude traite des dispositifs qui permettent de faire varier la vitesse des actionneurs.

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