Terminaux de vannes vs collecteurs : principales différences que les ingénieurs doivent connaître

A Le terminal de vannes est une évolution du collecteur de vannes . Si les collecteurs de vannes sont toujours utilisés dans les applications industrielles modernes, leur rôle a évolué : d'un centre de contrôle, ils sont devenus des dispositifs de distribution de fluides fiables pour les débits importants et l'isolation mécanique. En comparaison, les terminaux de vannes sont des dispositifs de contrôle qui ont évolué de l'analogique au numérique. En intégrant l'électronique embarquée aux collecteurs mécaniques, les terminaux de vannes optimisent l'encombrement du système, améliorent l'efficacité énergétique et réduisent le coût du cycle de vie.

Cet article explore les principales différences entre les deux composants essentiels de tout réseau pneumatique. Il fournit des informations clés précieuses pour les ingénieurs. À la fin de sa lecture, vous saurez précisément où et quand utiliser les terminaux de vannes et les collecteurs dans votre application.

Que sont les terminaux de vannes dans les systèmes pneumatiques ?

Définition

Les terminaux de vannes constituent un centre de commande centralisé qui autorise ou bloque le flux de fluide. Ils fonctionnent en fournissant le débit souhaité à leurs orifices grâce à des signaux numériques provenant d'un dispositif informatique. Ils représentent l'élément essentiel des systèmes pneumatiques industriels modernes.

Éléments du terminal de vanne

• Interface de bus de terrain : convertit les informations réseau en commandes de vannes.

• Bloc de connexion électrique : Point d'entrée des câbles d'alimentation et de communication.

• Contrôleur embarqué : pour une commande autonome, certains terminaux de vannes sont équipés d’automates programmables.

• Connexion multipoints : Connexion alternative au bus de terrain.

• Bloc collecteur : Structure mécanique abritant tous les ports et canaux.

• Électrovannes : dispositifs électromagnétiques qui dirigent le flux d'air.

• Alimentation en air pilote : assiste l’électrovanne en cas de pression très élevée ou très basse en aval.

• Commandes manuelles : Bouton/interrupteur mécanique pour déclencher une coupure de courant.

• Capteurs : Instruments de mesure permettant de surveiller la pression, les débits et les niveaux de vide.

• Orifices d'échappement : Les points de ventilation sont généralement équipés de silencieux pour réduire le bruit.

• Voyants d'état à LED : Voyants de diagnostic indiquant l'alimentation, la communication et l'actionnement.

• Plaques d'obturation : couvercles pour les emplacements de vannes inutilisés.

Types de terminaux de vannes

Les terminaux de vannes se déclinent en différentes formes, fonctionnalités et configurations de commande. On peut les diviser en trois grandes catégories :

• Par mode de communication : multipôle, bus de terrain, IO-Link et contrôle intégré

• Par configuration physique : modulaire et compacte

• Par fonctionnalité : 5/2, 3/2 et 5/3 voies ou mixtes

Qu'est-ce qu'un collecteur dans les systèmes pneumatiques ?

Définition

Il s'agit d'une interface de vanne et d'un dispositif mécanique qui achemine l'air ou un fluide à travers son boîtier métallique. Des passages internes sont usinés dans le collecteur. Il supporte une pression de 6 000 psig et est apprécié pour son format compact par rapport à un réseau de tuyauterie.

Éléments du collecteur de soupapes

• Bloc collecteur : Il s'agit du bloc métallique qui contient le réseau de distribution des fluides.

• Orifice d'entrée commun : point d'entrée pour l'alimentation en air comprimé ou en fluide.

• Points de travail : points de raccordement des actionneurs et des vérins.

• Orifices d'échappement : orifices permettant d'évacuer l'air ou le fluide usé vers le réservoir ou l'atmosphère.

• Faces de montage individuelles des vannes : emplacement de montage de vanne autonome.

• Galeries internes : tunnels à l'intérieur du bloc collecteur pour acheminer les fluides.

• Barres de liaison ou boulons d'assemblage : une tige tendue qui maintient les sections du collecteur ensemble.

• Plaques d'extrémité : capuchons métalliques qui scellent l'extrémité des galeries internes.

• Joints et joints toriques : Anneaux élastomères qui empêchent les fuites d'air à haute pression.

• Trous de fixation : points de fixation des collecteurs sur un châssis.

Types de collecteurs de vannes

Les types de collecteurs de vannes sont classés selon le nombre de vannes qu'ils peuvent supporter. Examinons chaque type :

• 2-Vanne : Utilisée pour le blocage et la purge de base du système.

• Système à 3 soupapes : deux soupapes servent au blocage et une à l’équilibrage. Ce système est idéal pour les applications à pression différentielle afin de protéger contre une surpression unilatérale lors du démarrage.

• 5-Vanne : Pour les configurations complètes incluant des vannes de purge pour les activités d'étalonnage ou de maintenance.

Comment fonctionnent les terminaux et les collecteurs de vannes ?

Pour comprendre le fonctionnement d'un terminal de vannes et d'un collecteur, il est nécessaire de comprendre leur rôle commun dans les systèmes pneumatiques. On peut diviser le mécanisme de fonctionnement de ces composants en deux parties principales : la partie commande électronique et la partie exécution pneumatique.

Couche de contrôle électronique

Le centre de commande du terminal de vannes reçoit des signaux d'un automate programmable via un protocole de communication, tel que Profinet ou EtherNet/IP. Un câble unique transporte ces signaux multiplexés depuis un dispositif informatique jusqu'au terminal de vannes. Un port Ethernet de ce dernier reçoit le signal et active le bus interne pour ouvrir ou fermer une électrovanne. L'activation de l'électrovanne permet à l'air pilote de circuler et de déplacer de grands tiroirs internes, amorçant ainsi le flux d'air haute pression.

Couche d'exécution pneumatique

Une fois que le dispositif électromagnétique soulève la bobine grâce à l'air comprimé pilote, les composants physiques acheminent l'air jusqu'au point désigné. Le collecteur pneumatique sous-jacent distribue l'air haute pression en toute sécurité. Il conduit l'air comprimé depuis l'entrée principale, via des galeries internes, jusqu'aux orifices de sortie prévus.

Il peut comporter des configurations de bobines 2/2, 3/2, 5/2 ou toute autre configuration. Le collecteur assure l'acheminement de l'air vers l'actionneur au volume et à la pression requis. L'air quitte ensuite le collecteur et pénètre dans l'actionneur, qui peut être une vanne pneumatique, un bras robotisé ou un vérin. Pour le cycle suivant, le collecteur dispose également d'un système d'échappement avec silencieux intégrés afin de préparer le système pour le cycle suivant.

Principales différences fonctionnelles entre les terminaux de vannes et les collecteurs

Pour comprendre la principale différence fonctionnelle, nous pouvons comparer leurs spécifications/caractéristiques dans un tableau :

Principaux avantages des terminaux de vannes et des collecteurs pneumatiques

Bornes de vannes

• Installation simplifiée : au lieu de tirer des tuyaux d’alimentation en air comprimé ou des câbles d’alimentation individuels pour chaque vanne, ces bornes les regroupent. Cela réduit les besoins en câblage et en espace.

• Encombrement réduit : au lieu d’être installés côte à côte sur un rail DIN, les borniers modernes sont conçus pour un montage en série. Cela permet une densité d’E/S élevée dans un espace réduit.

• Gain de vitesse et d'énergie : le placement du terminal de la vanne directement près de l'actionneur physique réduit le temps nécessaire à la purge, augmentant ainsi la vitesse du cycle de la machine de 30 % et réduisant de 50 % le gaspillage d'énergie.

• Diagnostic intelligent : les terminaux de vannes modernes sont équipés d’un outil de diagnostic indiquant quelle vanne présente un fil coupé ou une chute de pression. Cela permet de réduire le temps de dépannage et de maintenance.

• Polyvalence environnementale : Grâce à des caractéristiques telles que l'indice de protection IP67 robuste et la norme VDI 2083 hyper-désinfectée pour la fabrication de semi-conducteurs en salle blanche, les bornes de vannes sont hautement adaptables.

Collecteurs pneumatiques

• Prévention des fuites et conformité : L’utilisation de tuyauteries pour acheminer les fluides entraîne une augmentation du nombre de raccordements et, par conséquent, du risque de fuite. Les collecteurs permettent de réduire ce nombre, un point essentiel pour respecter les normes environnementales strictes en matière d’émissions, telles que la norme API 624.

• Autonettoyage : Les conduites alimentant les instruments peuvent s’obstruer. Ces collecteurs sont équipés de blocs de purge intégrés avec filtres qui nettoient les conduites afin de garantir un débit optimal.

• Étalonnage : Le principal avantage du collecteur de vannes est d'utiliser les configurations à 2, 3 ou 5 vannes pour isoler un instrument, purger la pression emprisonnée et étalonner le manomètre sans arrêter la ligne de processus principale.

• Conditions extrêmes : Ces appareils utilisent des joints en graphite, ce qui leur permet de fonctionner en continu à des températures allant jusqu'à 1000 °C.

Quand privilégier les bornes de vannes aux collecteurs ?

Pour bien comprendre quand investir dans un terminal de vannes plutôt que dans un collecteur, il est nécessaire d'analyser en détail les exigences du système qui justifient son utilisation. Voici les scénarios d'utilisation :

Lorsque l'application exige rapidité et intelligence

Si votre système exige des mouvements rapides et des changements de position brusques, comme la préhension, la rotation et le relâchement d'un bras robotisé, le terminal de vannes est la solution idéale. Son installation à proximité des actionneurs permet de réduire la longueur des tubes, ce qui diminue le temps de cycle et améliore le temps de réponse. Une machine sophistiquée, telle qu'un robot, peut comporter de nombreux capteurs et interrupteurs de fin de course. Les terminaux de vannes collectent les données et les transmettent à l'ordinateur central via un seul câble, évitant ainsi le câblage complexe.

Quand le système doit s'adapter et survivre

Pour une évolutivité optimale, les terminaux de vannes modulaires sont la solution idéale. Si vous prévoyez d'ajouter des vannes régulièrement, il vous suffit d'emboîter les nouveaux modules sur le bloc existant. Ces terminaux sont également équipés de systèmes de diagnostic internes qui alertent les opérateurs en cas de chute de pression, signe de fuite. De plus, leur robustesse leur permet de résister aux environnements humides et poussiéreux sans défaillance.

Conclusion

On peut conclure que les terminaux de vannes sont des dispositifs dynamiques adaptés aux systèmes pneumatiques automatisés. Les collecteurs, quant à eux, sont des dispositifs statiques robustes de par leur conception, mais dépourvus d'électronique intégrée. Ces deux types de dispositifs servent à acheminer l'air comprimé haute pression vers les appareils situés en aval. Les terminaux de vannes sont dédiés au contrôle, tandis que les collecteurs assurent la distribution de fluides à haut débit et une isolation mécanique précise. En tant qu'ingénieur, évaluez l'évolutivité, les coûts du cycle de vie et les protocoles de communication. Analysez les exigences de votre système et choisissez l'option la plus adaptée.

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FAQ

Q1 : Quelle est la principale différence d'application entre les terminaux de vannes et les collecteurs ?

Les terminaux de vannes sont des dispositifs dynamiques parfaitement adaptés à l'automatisation de l'alimentation en air comprimé. À l'inverse, les collecteurs sont des dispositifs de distribution d'air comprimé statiques et robustes, offrant des options d'isolation et d'étalonnage pour les instruments de mesure de processus.

Q2 : Les terminaux de vannes peuvent-ils gérer différents types de vannes dans une seule unité ?

Oui, ils prennent en charge les vannes mixtes 3/2 voies, 5/2 voies et 5/3 voies pour des fonctions polyvalentes telles que la commande de vérins simple ou double effet. Pour une sécurité renforcée, la vanne 5/3 voies offre un verrouillage en position intermédiaire.

Q3 : Comment les collecteurs permettent-ils de réduire les coûts d'installation ?

Les collecteurs sont des dispositifs mécaniques statiques assurant la distribution sécurisée des fluides. Ils intègrent les vannes dans un bloc unique, ce qui permet de réduire le nombre de tuyauteries et de raccords. Les coûts de main-d'œuvre et de matériaux sont ainsi réduits jusqu'à 50 %.