Terminaux de vannes : un composant essentiel de l’automatisation industrielle

De nos jours, l'industrie est en constante évolution et l'automatisation industrielle tend sans cesse vers une efficacité, une précision et une fiabilité accrues. Ces systèmes automatisés utilisent la technologie pneumatique, qui alimente notamment les pinces robotisées et les machines d'emballage. Conçus pour être intelligents, compacts et hautement intégrés, ces systèmes rendent obsolètes les câblages et tuyauteries traditionnels pour chaque circuit pneumatique. C'est là qu'un terminal de vannes s'avère la solution idéale pour les industries, offrant un système de contrôle pneumatique centralisé qui améliore considérablement la fiabilité et l'efficacité des lignes de production automatisées.

Si vous êtes ingénieur ou intégrateur de systèmes, cet article vous apportera toutes les connaissances fondamentales sur la mécanique, l'architecture, les avantages et les applications des terminaux de vannes afin d'optimiser les architectures de contrôle pneumatique d'une industrie.

Introduction au terminal de vanne

Dans le domaine de l'automatisation industrielle, de nombreuses industries utilisent des vannes pneumatiques pour optimiser leurs processus. Au lieu de disposer de câblages et de tuyauteries individuels pour chaque vanne de régulation directionnelle, les fabricants ont développé une solution bien plus fiable et efficace : les terminaux de vannes. L'objectif principal de ces terminaux est de permettre l'intégration de plusieurs vannes au sein d'une unité unique, compacte et parfaitement organisée.

Un terminal de vannes permet aux opérateurs de contrôler de manière centralisée plusieurs actionneurs pneumatiques, tels que des vérins, des actionneurs rotatifs et des pinces, à partir d'une seule unité. Pour garantir un contrôle centralisé efficace, ces terminaux de vannes combinent la distribution pneumatique et l'interface de commande électrique, notamment les signaux de communication pour automate programmable (PLC). L'air comprimé provenant d'un compresseur est dirigé vers le canal pneumatique requis pour exécuter la fonction souhaitée.

Avant l'introduction de ces bornes de vannes, les systèmes pneumatiques nécessitaient un câblage et des conduites d'air individuels et volumineux pour le contrôle du fonctionnement des vannes, ce qui rendait le dépannage difficile et extrêmement complexe. L'arrivée des bornes de vannes a permis de remplacer le câblage complexe et les tubes en polyuréthane désorganisés par un système centralisé beaucoup plus propre, mieux organisé et plus facile à contrôler et à mettre en œuvre.

Fonctionnement des terminaux de vannes

Dans cette section de l'article, nous explorerons le fonctionnement des terminaux de vannes qui assurent un système de contrôle pneumatique efficace, simplifiant le processus de traitement du flux d'air et du signal.

Voie pneumatique

L'ouverture ou la fermeture d'une vanne pneumatique nécessite un flux d'air. Pour qu'un terminal de vannes fonctionne, l'air comprimé pénètre dans le système par une entrée principale, puis est acheminé vers la vanne souhaitée par des canaux de conception précise. Lorsqu'un signal électrique est envoyé à un solénoïde spécifique, le tiroir ou le clapet interne se déplace vers l'orifice de travail correspondant, lequel est relié à l'actionneur pneumatique, ce qui provoque son extension, sa rétraction ou sa rotation.

Une fois la course requise effectuée par l'actionneur, l'air doit être évacué. Lors de l'évacuation, l'air retourne à l'orifice de travail puis à l'orifice de la vanne. Afin de minimiser le bruit généré par l'évacuation, l'air n'est pas évacué directement au niveau de la vanne, mais par un canal d'évacuation interne commun équipé d'un silencieux centralisé, ce qui contribue à réduire significativement le bruit au niveau du plancher.

Configurations de vannes

Les terminaux à vannes sont considérés comme très polyvalents car ils proposent plusieurs types de conception de vannes en fonction des besoins mécaniques.

• Vannes 5/2 : Ces vannes sont utilisées pour la gestion des vérins à double effet.

• Soupapes 3/2 : Elles sont appliquées aux cylindres à simple effet pour effectuer la fonction de purge.

• Vannes 5/3 : Ces vannes sont idéales pour maintenir une position centrale, comme la fermeture, l'ouverture, l'évacuation ou la pressurisation, ou pour maintenir une position intermédiaire qui doit arrêter ou maintenir la charge.

Composants des terminaux de vannes

Pour que les terminaux de vannes fonctionnent correctement, certains composants clés et une architecture fonctionnant comme un système garantissent l'efficacité et les performances prévues.

La base du collecteur (sous-plaque)

La plaque de base sert de support à tous les composants. Ces plaques sont généralement fabriquées dans un métal très résistant et léger, comme l'aluminium anodisé ou un plastique technique de haute qualité, assurant ainsi la structure des vannes. De plus, les passages internes permettent d'acheminer l'air d'alimentation et d'échappement vers les vannes concernées, sans nécessiter de tuyauterie d'alimentation individuelle.

Électrovannes pneumatiques

Les électrovannes pneumatiques sont les pièces mobiles situées sur le dessus des socles. Lorsqu'elles reçoivent des signaux électroniques, elles s'ouvrent ou se ferment instantanément pour laisser passer l'air. L'avantage principal de ces vannes modernes réside dans leur très faible consommation d'énergie et leur capacité à fonctionner efficacement sur de nombreux cycles, ce qui leur confère une longue durée de vie. Ces systèmes permettent aux utilisateurs de les combiner avec des vannes de différentes tailles afin de réaliser diverses fonctions et de s'adapter à des débits variables.

Interfaces de commande et de communication électriques

Les signaux électriques jouent un rôle important à l'ère de l'Industrie 4.0, où l'automatisation devient de plus en plus indispensable pour l'ouverture et la fermeture des vannes, grâce aux commandes émises par le contrôleur principal qui régule le débit d'air. Voici quelques exemples de connexions standard :

• Connecteurs multipoints : par exemple, les connecteurs D-SUB à 25 broches permettent de câbler tous les solénoïdes sur une seule prise.

• Bus de terrain et Ethernet industriel : ces nœuds sont dotés de terminaux avancés tels que PROFINET, EtherNet/IP ou EtherCAT, établissant la connexion aux commandes de l’opérateur sur le réseau de l’usine.

• Intégration IO-Link : grâce à l’intégration IO, l’opérateur peut modifier à distance la configuration de la vanne, obtenir des données sur la pièce défectueuse et permettre l’intégration avec le réseau de l’usine.

Avantages de l'utilisation des terminaux de vannes

L'utilisation de terminaux de vannes présente de nombreux avantages en termes d'exploitation et d'automatisation pour l'industrie. En voici quelques-uns :

• Optimisation de l'espace : Grâce à un système de vannes pneumatiques centralisé commandé par des terminaux de vannes, l'espace occupé par le système de commande pneumatique est considérablement réduit, ce qui rend la conception de la machine beaucoup plus compacte.

• Réduction du temps d'installation et de câblage : le câblage de plusieurs solénoïdes individuels peut être long comparé au câblage d'un seul connecteur multipoints ou d'un câble Ethernet, ce qui réduit le temps d'assemblage global et les coûts de main-d'œuvre.

• Diagnostic et maintenance améliorés : les terminaux de vannes intelligents avec intégration E/S aident à dépanner tout problème survenant sur la chaîne de production sans nécessiter une présence physique sur le terrain, ce qui permet de réduire les temps d’arrêt dans les industries.

• Efficacité énergétique : Grâce à une vanne centralisée beaucoup plus proche de l'actionneur, la longueur de la tuyauterie est réduite, ce qui diminue également le volume mort de l'air et donc l'énergie consommée pour la pressurisation et la compression de l'air.

Applications des terminaux de vannes

Dans un terminal de vannes, on trouve une grande variété d'applications dans les industries où les vannes pneumatiques sont couramment utilisées. Voici quelques exemples :

Fabrication et assemblage automobile

Dans les chaînes de production et d'assemblage automobiles, le travail est automatisé et généralement réalisé par des pinces industrielles, des préhenseurs robotisés et des tables d'indexage. Pour contrôler simultanément l'ensemble de ces systèmes, on utilise des terminaux à vannes, car leur haute résistance aux vibrations et la fiabilité de la communication en font une solution idéale pour l'industrie automobile.

Emballage et palettisation

Les machines d'emballage doivent fonctionner à grande vitesse et leurs mouvements doivent être parfaitement synchronisés pour faciliter le pliage des boîtes, le remplissage des contenants et le scellage des emballages. C'est là que les terminaux à vannes constituent une excellente solution : leur temps de réponse très court et leur conception compacte les rendent particulièrement adaptés aux applications d'emballage.

Assemblage électronique

Pour l'assemblage électronique, deux aspects sont essentiels : le gain de place et la précision. Les bornes à vannes compactes et légères constituent une solution idéale, car elles peuvent être montées directement sur les bras robotisés mobiles, permettant ainsi un gain de place et une précision accrue.

Trouver le bon terminal de vanne

En matière de terminaux de vannes, de nombreuses options s'offrent à vous. Choisir le bon terminal peut faire toute la différence pour la réussite de votre projet d'ingénierie.

Exigences de dimensionnement et de débit

Les vannes pneumatiques fonctionnent grâce à un flux d'air. Les bornes d'alimentation en air doivent être capables de fournir le débit requis, généralement mesuré en CFM ou en L/min. Il est essentiel de s'assurer que le débit fourni correspond aux spécifications de l'actionneur de la vanne pneumatique. Pour le calculer :

Qreq = Qtotalfs (1+ms)

Ici:

• Qreq (Débit requis) : Il indique la taille de la vanne dont vous avez besoin, généralement mesurée en CFM ou L/min.

• Qtotal (Consommation totale d'air) : Quantité maximale d'air consommée par le système, en supposant que tous les vérins fonctionnent simultanément. Le total s'obtient en additionnant les consommations de chaque vérin.

• fs (Facteur de simultanéité) : C'est le facteur qui définit combien de cylindres s'allument en même temps.

• ms (Marge de sécurité) : Généralement de 0,2 à 0,3, définissant la marge de chute de pression pour éviter d'obtenir des vannes sous-dimensionnées.

Architecture de connectivité électrique et de contrôle

Ce facteur déterminera le mode de communication entre votre terminal et l'automate programmable. Pour la simple commande de machines simples, une connexion multipolaire 24 V CC est suffisante. En revanche, pour une automatisation basée sur les données, il est préférable d'opter pour un terminal de vannes intégrant une connectivité IO-Link ou Fieldbus. Cette solution simplifie considérablement la maintenance et le dépannage, et réduit le temps consacré au câblage individuel des électrovannes.

Évaluations environnementales

Pour les terminaux de vannes, l'indice de protection environnementale peut varier. Il est donc essentiel de choisir l'option appropriée après avoir évalué l'environnement d'utilisation. Pour un terminal installé dans une armoire de protection intérieure, un indice IP40 est suffisant. Cependant, si le terminal est monté directement sur le châssis de la machine et exposé à la poussière, au liquide de refroidissement ou aux opérations de nettoyage, il est recommandé d'opter pour des indices de protection plus élevés, tels que IP65, IP67 ou même IP69K, afin de garantir la protection des composants électroniques internes sensibles.

Considérations relatives à la sécurité et à la conformité des systèmes de terminaux de vannes

Dans tout secteur d'activité, la sécurité des opérateurs et des machines doit être la priorité absolue. Afin de garantir le respect de ces normes de sécurité, voici quelques facteurs de conformité à prendre en compte :

• Échappement sécurisé et réduction du bruit : Lors de la manipulation de vannes pneumatiques, le principal problème réside dans le niveau sonore élevé généré par l’évacuation de l’air. Par conséquent, lors du choix d’un terminal de vanne, il est essentiel de veiller à l’utilisation de silencieux de haute qualité sur les orifices d’échappement afin de protéger l’ouïe des travailleurs.

• Zones de pression et arrêt de couple sécurisé (STO) : Certains terminaux pneumatiques avancés comportent plusieurs zones de pression isolées. Ces zones permettent d’évacuer l’air des actionneurs dangereux, tels que les presses ou les pinces de grande capacité, et de maintenir la pression d’air dans le dispositif de maintien afin d’éviter la défaillance des pièces.

• Certifications industrielles : s’assurer que les composants sont homologués et possèdent des certifications industrielles reconnues telles que les certifications CE, UKCA, UL et ISO afin de garantir la constance de la qualité de fabrication.

Conclusion

Dans presque tous les secteurs industriels automatisés, notamment ceux utilisant des bras robotisés, des pinces et des dispositifs de serrage, les vannes pneumatiques sont fréquemment employées. Or, aucun secteur ne souhaite gérer le câblage et l'installation complexes et coûteux de ces électrovannes autonomes. Un terminal de vannes résout ces problèmes en centralisant le contrôle de toutes les vannes grâce à une connexion électrique unique, simplifiant ainsi considérablement le dépannage et l'installation. Les terminaux de vannes sont désormais indispensables pour tout secteur souhaitant s'automatiser ou optimiser ses processus. Si vous êtes ingénieur, entrepreneur, directeur d'usine ou chef d'entreprise et que vous cherchez à améliorer l'automatisation de votre secteur, veillez à respecter les protocoles de sécurité et à choisir le terminal de vannes adapté à votre application industrielle en suivant les recommandations ci-dessus afin de garantir la conformité aux exigences de votre secteur.

Tout comme le choix du terminal de vannes adapté est essentiel, le choix du fabricant l'est tout autant. Si vous souhaitez moderniser votre architecture pneumatique, nous vous recommandons Titan Automation . Forts de plus de 26 ans d'expérience dans le secteur et présents dans plus de 60 pays, ils se sont forgé une réputation d'excellence en fournissant des solutions pneumatiques complètes, rapides et économiques, indispensables à l'évolution de vos systèmes automatisés.

FAQ

Q1 : Quelle est la principale différence entre un terminal de vanne et une électrovanne autonome ?

Une électrovanne autonome ne peut commander qu'un seul actionneur et nécessite donc son propre système d'alimentation en air, d'évacuation des gaz et de câblage. En revanche, un bornier permet de commander simultanément plusieurs électrovannes sur une même plaque de base, grâce à une alimentation en air et une évacuation des gaz communes, ainsi qu'à une connexion électrique centralisée. Ceci simplifie la commande et le dépannage du système.

Q2 : Puis-je mélanger des vannes de tailles ou de fonctions différentes sur le même terminal de vanne ?

Oui, de nombreux terminaux de vannes permettent l'intégration de vannes de différentes tailles, de 10 mm à 14 mm, et de différentes fonctions, notamment 3/2 voies, 5/2 voies et 5/3 voies, le tout sur la même base de collecteur.

Q3 : Quelle est la tension de fonctionnement standard des bornes de vannes industrielles ?

Les bornes de vannes industrielles que l'on trouve couramment fonctionnent en 24 V CC, ce qui est généralement la tension de fonctionnement standard des systèmes d'automatisation industrielle, des automates programmables et des circuits de sécurité.

Q4 : Les bornes de vannes sont-elles adaptées aux environnements de fabrication difficiles ?

Cela dépend du type de protection offert par le fabricant. Si vous prévoyez d'utiliser des bornes de vannes dans des environnements difficiles, recherchez les indices de protection IP65 ou IP67. Les bornes conformes à ces indices sont dotées d'un boîtier qui les protège de la poussière et des jets d'eau à basse pression, ce qui permet de les monter directement sur la machine plutôt que dans une armoire électrique séparée.