Ki gondolná, hogy az elektro-pneumatikus berendezésekben működő jellegzetes, „intelligens” szelepcsoportok harminc évvel ezelőtt még különlegességnek számítottak?
Márpedig az első szelepszigetek éppen akkoriban jelentek meg az automatizálásban. A következőkben a szelepszigetek kialakulását és bő negyedszázados fejlődését tekintjük át.
A szelepszigetek születése és fejlődése
A fluidtechnika kezdeteivel együtt jelentek meg a szelepek – minden olyan eszközt ide sorolhatunk, ami nyitja-zárja bármilyen légnemű vagy folyékony közeg áramlását. Szelepnek tekinthetők már az ókori víziorgonák működtető elemei vagy a középkor virágzó borkultúrájában használt díszes hordócsapok is, persze ezek a korai alkalmazások igen távol álltak a ma iparában, közlekedési eszközeiben vagy éppen háztartásaiban használt szelepektől.
A pneumatikus és hidraulikus automatizálás újkori elterjedésével a szelepek is helyet kaptak a gépeken. A huszadik század közepétől tért hódított a sűrített levegős technológia, és egyre több pneumatikus rendszerrel ellátott berendezés épült. A kezdeti idők mechanikus működtetésű szelepei mellett később szerepet kaptak az elektromos és pneumatikus vezérlésű szelepek is. A végrehajtó elemeket működtető és gyakran vezérlési feladatokat is ellátó egységeket a gépen szétszórtan, vagy a vezérlőszekrényben külön-külön szerelték fel, ami rengeteg szerelési munkát igényelt, ráadásul nagyon sok cső és csatlakozó elem kellett a beépítéshez (pneumatikus táp, kimenetek, lefúvások és elektromos csatlakozások). A gyártók hamar felismerték, hogy érdemes a szelepeket olyan tömbökre felszerelni, amelyekben közös táp- és lefúvó csatornákat alakítanak ki, ezzel téve gyorsabbá és egyszerűbbé a beépítést. A mágnesszelepek elektromos csatlakozóit ugyanakkor továbbra is egyedileg kellett bekötni. Ez a csoportos szerelési megoldás a múlt század közepétől a nyolcvanas évek végéig uralta a szelepszerelési technológiát.
Bármilyen kézenfekvőnek megoldásnak tűnik is mai szemmel nézve, mégis csak 1989-ben született meg az első olyan, sorozatban gyártott szeleptömb, ahol a szelepmágnesek érintkezői a közös tömbbe épített elektromos aljzatokhoz illeszkedtek. A „komfortérzés” fokozása érdekében a kapcsolási állapotot jelző világító diódák is helyet kaptak a szelepek közelében, a tömb végén pedig többpólusú elektromos csatlakozó gondoskodott a gyors és egyszerű bekötésről. Maguk a tervezők sem sejtették, hogy új fejezetet nyitottak a pneumatika történetében, amikor ezt a különleges kivitelnek számító szeleptömböt megépítették és ötletesen elnevezték szelepszigetnek (ezzel is a rendszer önállóságát sugallva). A siker hatására – 01-es típusként – 1990-ben be is került a termékkatalógusba, továbbfejlesztett, nagy szériában gyártott változatával együtt, amely a mérsékelten fantáziadús „02”-es típusnevet kapta.
A felhasználók körében hamar népszerűvé váltak a szelepszigetek, mert a műszaki előnyökön túl egy új, addig szinte ismeretlen szolgáltatást is kínáltak – a „kulcsrakész” szállítást. A klasszikus szeleptömbök alkalmazásakor az egyes alaplapokat, szelepeket, szerelési elemeket külön-külön kell kiválasztani, megrendelni és összeépíteni. A szelepsziget ezzel szemben a vevő által konfigurált összeállításban készre szerelve érkezik, tartalmazza az összes szükséges szelepet, pneumatikus és elektromos csatlakozót valamint kiegészítő elemet; azonnal beépíthető, csatlakoztatható és üzembe helyezhető.
A fejlődés további lépései nagy iramban követték egymást: a vezető pneumatikaelem-gyártók palettáján hamarosan megjelentek a szelepszigetek. Az elektromos be- és kimenetekkel ellátott, buszrendszerekhez illeszthető, saját beépített PLC-vel rendelkező szigetek mellett az egyes iparágak különleges igényeire is készültek különféle szabványos vagy éppen Clean Design kivitelű szelepegységek.
A fejlesztés és a funkciók bővítése mind a mai napig tart, ezzel egyre több szolgáltatást nyújtó rendszerek kerülnek a gyártók választékába. A szelepszigetek fejlesztése a pneumatikus termékfejlesztés egyik legfontosabb „húzóereje” lett. Az automatizálási iparágra általánosan jellemző irányzatok itt is nagyszerűen nyomon követhetők: a moduláris kialakítás, az egyre újabb funkciók rendszerbe integrálása és a hatékonyság növelése a teljesítmény/méret-arány folyamatos javításán keresztül. Néhány adattal is illusztrálva: a Festo első, 1/8”-os méretű, 01-es típusú szelepszigetének névleges átáramlása kb. 500 l/perc volt. Ez a sziget 8 darab 5/2-utú szeleppel felszerelve 304 x 188 x 154 mm helyet igényelt. Napjainkban egy 8 modult tartalmazó 800 l/perces átáramlású kompakt szelepegység mérete mindössze 152 x 89 x 136 mm, tehát amíg az egység pneumatikus teljesítménye több mint másfélszerese, helyigénye kevesebb, mint egynegyede az első típusénak.
Közös alaplapra épített szelepcsoport (Festo Tiger Classic)
Mit nevezünk szelepszigetnek?
Ezt a fogalmat két, funkciójában eltérő (és eredetileg különböző megnevezésű) rendszerre ma már egységesen alkalmazzák.
Szelepsziget a csak pneumatikus szelepeket és közös elektromos csatlakozó felületüket tartalmazó szelepcsoport.
Installációs terminál az a szeleprendszer, amely elektromos egységeket (ki-, bemeneteket, buszcsomópontot, és/vagy integrált vezérlést) is tartalmaz.
A szelepszigeteket a többletszolgáltatások különböztetik meg a hagyományos szeleptömböktől.
A szelepszigetek szolgáltatásai
A több, mint negyed évszázada még forradalminak számító szelepszigetek csak 5/2 utú szelepekkel, többpólusú elektromos csatlakozóval és kapcsolási állapot-kijelzéssel voltak felszerelve. Ma már az ilyen egységek a szelepsziget-családok legegyszerűbb változatait jelentik, hiszen a konfigurációs lehetőségekkel tökéletesen testre szabott elektro-pneumatikus terminálokat lehet létrehozni.
A pneumatikus rész minden, általánosan használt útszelep típussal kiépíthető. A 2/2, 3/2, 5/2 és 5/3 utú szelepek legtöbb változata a szigetekbe is beépíthető. Általában minden szelep-részegység egy-egy 5/2 vagy 5/3 utú szelepet jelent, emellett azonban érdekes újdonság, hogy – a „gyökerekhez” visszatérve – akár 2-2 darab 2/2 vagy 3/2 utú szelepet is tartalmazhat minden egyes modul. (Az 5 utú szelepek egykor 2 darab 3/2-es szelep funkciójának egyesítéséből jöttek létre – ezt választották itt ismét külön.) A hagyományos mono- vagy bistabil , illetve háromállású útszelepek mellett proporcionális szelepek is helyet kaphatnak a rendszerben.
A pneumatikus oldal sokféle kiegészítő funkcióval bővíthető, amelyek többszintű kiépítésben az alaplap és a szelep közé építhető közlapokban kapnak helyet. A végrehajtó elemek erejének beállítására nyomásszabályozó, a sebesség szabályozásához fojtó-visszacsapó szelepes közlapokat lehet választani. Különleges opciónak számítanak az üzem közbeni gyors szelepcserét lehetővé tévő kizáró („hot-swap”) közlapok. A külön táplevegővel ellátandó szelepek alá egyedi táp-alaplapok építhetők. Nagy szelepszámú szigetek esetén a lefúvást és a táplevegő-ellátást a véglapokon elhelyezett csatlakozásokon túl további, a szelepek közé beépített külön táp-csatlakozólapok segíthetik.
A sűrítettlevegő-csatlakozások is igény szerint meghatározhatók. A préslevegő-kimenetek lehetnek a szelepeken vagy az alaplapon. A táp-, a lefúvó és a munkacsatlakozások rendelhetők csatlakozóelemmel vagy menetes csatlakozóval, így a felhasználó tetszés szerint illeszthet menetes elemet vagy csövet a szelepszigethez.
A különböző alkalmazási területek eltérő kialakítású szeleprendszereket igényelnek. Azokban az iparágakban, ahol a szabványos elemek alkalmazása alapkövetelmény, ISO szelep- és szelepsziget-szabványok szerinti egységeket használnak. Az élelmiszer- és gyógyszeriparban könnyen tisztítható, vegyszerálló szelepszigetekre van szükség. Miniatűr elemeket igényelnek az elektronikai ágazat gépgyártói.
A korszerű installációs terminálok elektromos szolgáltatásait nehéz lenne felsorolni. A kezdetek egyszerű villamos jelbemenetei mára már olyan összetett „tudású” egységekké váltak, amelyek egyes vezérlési alapfunkciókat is képesek ellátni, ezzel megkönnyíthetik a központi vezérlőegység és a programozó dolgát. Ilyen – többek között – a digitális bemenetek jelkésleltetése, -hosszabbítása és -megszakítása vagy az analóg egységek skálázási funkciója. Ugyancsak a terminálba illeszthető modulok kezelik a decentralizált szelepsziget-rendszerek leágazásait.
A rendszer kommunikációs feladatait is a szelepterminál elektromos oldala látja el. A szigetek fejlesztése szorosan követi az ipari buszrendszerek bővülését és változásait, így amint széles körben elterjed egy újabb kommunikációs rendszer, azonnal megjelenik a hozzá illeszthető szelepsziget-bővítmény.
Az installációs terminálok autonóm egységgé fejleszthetők a moduláris elektromos rendszerbe beépített vezérlővel. Ekkor a rendszer a szó szoros értelmében vett „szigetté” válik, ami mintegy önálló életre kelve végezhet el komplex részfeladatokat. A saját vezérlésével kezeli és feldolgozza a bemeneteihez csatlakozó érzékelők jeleit, kiadja az elektromos kimenetek és a szelepek működtetési parancsait, valamint összehangolja a saját tevékenységét a fölérendelt, magasabb szintű rendszerrel. Így képes lehet arra is, hogy még kommunikációs hiba esetén is önálló vezérléssel, biztonságosan befejezze a rá bízott részfeladatokat.
A felsoroltakon túl minden felhasználó számára fontos szolgáltatás az, hogy az igény szerint konfigurált, gyártóműben készre szerelt és kipróbált szelepszigeteket kulcsrakészen veheti át, ami az egyik legdrágább termelési tényező, az idő megtakarítását segíti elő.
Az első nagy sorozatban gyártott szelepsziget (Festo 02)
A szelepszigetek felépítési jellemzői
A szelepszigetek – szerkezeti kialakításukat tekintve – fix, kompakt vagy moduláris felépítésűek lehetnek.
A fix kiépítésű egységek a hagyományos szeleptömb-struktúrát követik, ahol a tervezés és konfigurálás során megadott szelepszámnak megfelelő méretű, közös alaptömbre épülnek fel a szelepmodulok. A tömbhöz – ritka kivételektől eltekintve – további egységek nem csatlakoztathatók, így utólagos bővítésre általában csak akkor van lehetőség, ha már a tervezéskor előrelátóan gondoskodtak tartalék szelephelyekről is.
A fix kiépítés az egyszerűbb felépítésű szelepszigetekre jellemző, ahol nincs szükség nagy szelepszámra, variálhatóságra és fontos a minél kedvezőbb ár-értékarány.
A moduláris szelepszigeteket változó számú, 1-4 szeleppel felszerelhető alaptest-modulból lehet összeállítani. Az alaplapokat vagy egymáshoz lehet építeni, vagy központi összehúzó csavarokkal lehet őket rögzíteni a rendszer véglapjai között. Az összehúzó csavaros típusok bővítéséhez természetesen az alaplapokon kívül még toldó csavarokra is szükség van.
A moduláris szelepsziget-rendszerek rugalmasan illeszthetők a változó igényekhez és lehetővé teszik a legbonyolultabb konfigurációk összeállítását is. A fejlettebb változatoknál több szelepméret is alkalmazható egyetlen szelepszigeten belül, így nem kell a legnagyobb fogyasztóhoz méretezni a teljes egységet.
A kompakt szelepszigetek nem követik a hagyományos alaplapos felépítés szabályait. Ezekben az egységekben az egyedi szelepmodulok közvetlenül a közös pneumatikus csatlakozásokat is tartalmazó véglapok közé vannak beépítve. Az elektromos csatlakozólap átfogja a szelepeket, így mindig előre meghatározott méretű elektromos egység tartozik egy adott számú szelepet tartalmazó szigethez. A kompakt szelepszigetek tehát átmenetet képeznek a fix és a moduláris típusok között, mert a pneumatikus egységek modulárisan bővíthetők ugyan, de a közös elemek (elektromos vagy pneumatikus csatlakozólapok) előre meghatározott méretűek, így ezeket minden bővítéskor cserélni kell. Az alaplapok elhagyásával kis helyszükségletű és rendkívül jó átáramlású egységek jöttek létre.
A kompakt egységeket főleg decentralizált rendszerekben, kis szelepszámú állomásokban alkalmazzák.
A szelepszigetek alkalmazási elvei
A centralizált rendszerekben (szinte) minden elektro-pneumatikus elem egyetlen vezérlőszekrényben helyezkedik el. Ez a kiépítés még nagyszámú szelep és elektromos ki-/bemenet esetén is jól alkalmazható, ha a pneumatikus perifériák (végrehajtó elemek, érzékelők) közel vannak a központi szekrényhez. A rendszer általában egyetlen busz-csomópontot használ, ami így optimálisan kihasználható. Az üzembe helyezés és karbantartás egyszerű és gyors lehet, mivel minden vezérlési egység egy helyen van.
A decentralizált struktúra esetén a vezérlés elemei kisebb alrendszereket alkotnak, amelyek a nagyobb kiterjedésű automatizált berendezések különböző pontjain találhatók. Többnyire egyetlen busz-csomópont elegendő a teljes rendszer kommunikációjához a fölérendelt vezérléssel, a központi egység és az alrendszerek közötti adatforgalom pedig a rendszerre jellemző belső buszon keresztül zajlik. Körültekintő kiépítés esetén nincs szükség hosszú pneumatikus vezetékekre a szelepszigetek és a hengerek között.
A közvetlen integráció is egyfajta decentralizált felépítés. Alkalmazásával a különböző egységek szabadon kombinálhatók az ipari buszhálózat segítségével. A rendszer elemei külön-külön önálló busz-csomópontokkal rendelkeznek és közvetlenül a központi buszrendszeren kommunikálnak. Ez a megoldás nagy szabadságot ad a tervezéshez, mivel nincsenek alá- és fölérendelt kapcsolatok az állomások között és az egyes szelepszigetek célszerűen „szétszórhatók” a berendezésen.
A mindennapi gyakorlat természetesen ennél bonyolultabb: akár egyetlen berendezésen is előfordulhatnak egyidejűleg különböző struktúrák, illetve azok keverékei. Például gyakran találkozhatunk olyan, nagy szelepszámú központi terminállal ellátott vezérlőrendszerrel, amelyhez szatellit-rendszerben több decentralizált alrendszer is csatlakozik.
Az automatizálás jövőjének találgatásakor sokan szembeállítják egymással az elektromos és pneumatikus rendszereket. Nyilvánvaló, hogy mindkét területnek megvannak a maga előnyei és hátrányai, hívei és ellenzői. Az igazság valószínűleg ebben a kérdésben is valahol a két véglet között van: nem egymás helyett, hanem a két rendszert gondos mérlegelés alapján együtt alkalmazva születik a legjobb megoldás. A fejlett elektronika és a korszerű pneumatika egyesül a szelepszigetekben, amelyek még sokáig elmaradhatatlan részei lesznek az automatizálás világának.
Szerző: Radvány Miklós, Festo Kft.
