IT201800004796A1 - Pneumatic modules and system for proportional control - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda moduli penumatici ed un sistema per il controllo proporzionale di pressione o flusso.
Sono già noti diversi prodotti per eseguire specificatamente compiti di pneumatica proporzionale. Ad esempio, sono già disponibili sul mercato le seguenti valvole di controllo:
- valvole proporzionali a 2/2 vie per fornire un flusso variabile;
- valvole di controllo pressione a 2 vie con sensore di misura integrato e circuito elettronico ad anello chiuso;
- valvole di controllo pressione a 3 vie con sensore di misura integrato e circuito elettronico ad anello chiuso.
In funzione dello specifico compito all’interno di un’applicazione, queste valvole possono essere utilizzate come prodotti standalone o necessitano di essere combinate con, o sopra, collettori addizionali. Inoltre, per l’applicazione specifica di un controllo di flusso ad anello chiuso, sensori di flusso esterni devono essere combinati individualmente con valvole e circuiti elettronici.
Per scambiare dati di processo tra queste combinazioni, sono disponibili diversi protocolli di comunicazione digitale su bus, che richiedono di essere connessi da cavi dedicati e controllati da dispositivi master di bus di campo.
Uno scopo della presente invenzione è quello di integrare alcune funzioni di controllo proporzionale, come quelle sopra menzionate, in un sistema modulare e impilabile. Un altro scopo dell’invenzione è quello di fornire un sistema di controllo proporzionale in cui moduli pneumatici sono interconnessi senza cablaggi esterni o dispositivi di comunicazione dedicati esterni.
Questi scopi sono conseguiti con un modulo pneumatico master secondo la rivendicazione uno, un modulo master - slave secondo la rivendicazione 7 e con un sistema secondo la rivendicazione 11. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.
Le caratteristiche e i vantaggi dei moduli e del sistema secondo l’invenzione risulteranno comunque evidenti dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle allegate figure, in cui:
- le figure 1 e 1a sono viste prospettica e di lato di un modulo pneumatico master secondo l’invenzione;
- la figura 1b è un diagramma a blocchi della funzione di controllo di flusso ad anello chiuso del modulo master;
- le figure 2 e 2a sono una vista prospettica e una vista di lato di un modulo pneumatico slave adatto ad essere connesso al modulo master della figura 1;
- le figure 3, 3a e 3b sono viste prospettica, di fianco e frontale di un modulo master-slave secondo l’invenzione;
- la figura 4 è un diagramma a blocchi del modulo master-slave; e
- la figura 5 è un esempio sistema impilabile formato da due moduli master-slave.
Le figure 1, 1a e 1b mostrano un modulo pneumatico master 1 per un controllo proporzionale di pressione o flusso. Il modulo master 1 comprende un corpo valvola di modulo master 10 in cui sono ricavati busggi per un flusso di aria in pressione. In una forma di realizzazione, il corpo valvola di modulo master 10 ha una forma a parallelepipedo rettangolare.
Questi busggi collegano una porta d’ingresso pneumatica master 12 ad una prima porta di uscita pneumatica master 14 per una connessione pneumatica diretta ad un carico ed una seconda porta di uscita pneumatica master 16 per una connessione pneumatica a una porta d’ingresso pneumatica di un modulo slave che può essere collegato al modulo master, e che sarà di seguito descritto.
Una elettrovalvola proporzionale master 18 è montata su un corpo valvola di modulo master 10. In una forma di realizzazione, l’elettrovalvola proporzionale master 18 è montata su una faccia 10a del corpo a parallelepipedo 10, per esempio su una delle basi minori.
L’elettrovalvola proporzionale master 18 è adatta ad alimentare le prima e seconda porte di uscita pneumatica master 14, 16 con un flusso regolato di aria in pressione che entra nel modulo master attraverso la porta d’ingresso pneumatica 12.
Il modulo master 1 comprende inoltre un sensore di pressione relativa 20 per rilevare la pressione del flusso regolato di aria in pressione a valle dell’elettrovalvola proporzionale master 18.
L’elettrovalvola proporzionale master 18 è comandata elettricamente da un’unità di controllo elettronica 22, per esempio implementata con un microprocessore. L’unità di controllo elettronica 22 è inoltre configurata per comandare un elettrovalvola slave proporzionale o on/off di un rispettivo modulo slave.
In una forma di realizzazione, le elettrovalvole proporzionali master e slave sono comandate da rispettivi drivers PWM 24, 24’.
Le elettrovalvole proporzionali master e slave sono comandate in base ad un segnale di pressione fornito dal sensore di pressione relativa 20, in modo da implementare un controllo ad anello chiuso di flusso o pressione. L’unità elettronica di controllo 22 è inoltre configurata per implementare un’interfaccia di comunicazione digitale su bus per uno scambio di dati con altri moduli master. In una forma di realizzazione, viene utilizzato un protocollo Can-bus per la comunicazione su bus digitale.
Il modulo master 1 è provvisto di un connettore elettronico d’ingresso master di tipo maschio 26 e di un connettore di uscita master di tipo femmina 28 per ricevere e trasmettere segnali elettronici analogici e digitali.
Il sensore di pressione relativa 20 e l’unità di controllo elettronica 22 sono montati su una scheda elettronica a circuito stampato 30.
Il connettore elettronico d’ingresso master di tipo maschio e il connettore di uscita master di tipo femmina 26, 28 sono montati su lati opposti paralleli della scheda elettronica a circuito stampato 30 del modulo master.
In una forma di realizzazione, il modulo master 1 comprende inoltre, a valle dell’elettrovalvola proporzionale master 18, un ugello o orifizio 32 per un controllo di flusso del flusso regolato di aria in pressione. In particolare, la combinazione del sensore di pressione relativa 20 e dell’ugello o orifizio 32 permette di eseguire, in aggiunta al controllo pressione, un controllo di flusso semplificato.
In una forma di realizzazione, il modulo master 1 è inoltre provvisto di un sensore di pressione differenziale 34 per rilevare la differenza di pressione a monte e a valle dell’ugello o orifizio 32.
Preferibilmente, il sensore di pressione differenziale 34 è anche operativamente connesso all’unità di controllo elettronica 22, per esempio per eseguire un controllo di flusso completo in anello chiuso.
In una forma preferita di realizzazione, i connettori elettronici di ingresso e di uscita master 26,28 e la scheda elettronica a circuito stampato 30 sono configurati per ricevere e trasmettere segnali di alimentazione e segnali di comunicazione bus digitali. In una forma di realizzazione, l’alimentazione elettrica per i componenti elettronici della scheda a circuito stampato 30 (5 V) è separata dall’alimentazione elettrica dell’elettrovalvola proporzionale (per esempio 12 V o 24 V).
In una forma di realizzazione l’interfaccia elettronica del modulo master comprende inoltre un terminale per inserire un setpoint analogico e un terminale per l’uscita di un segnale di retroazione.
In accordo con una forma di realizzazione, la scheda elettronica a circuito stampato 30 del modulo master è direttamente connessa ai terminali elettrici 18’ di un solenoide 18a dell’elettrovalvola proporzionale master 18.
La scheda elettronica a circuito stampato master 30 si estende parallelamente al corpo valvola del modulo master 10.
In una forma di realizzazione, la scheda elettronica a circuito stampato master 30 è supportata dai terminali elettrici 18’ e, sul lato opposto, da colonne di supporto 19 che si estendono dal corpo valvola del modulo master 10.
In aggiunta, i connettori elettronici d’ingresso e uscita 26,28 sono configurati per essere connessi alla scheda elettronica a circuito stampato di un altro modulo pneumatico master o di un modulo slave in modo tale che tutte le schede elettroniche a circuito stampato giacciano in uno stesso piano.
Al fine di permettere un accostamento fianco a fianco di moduli master, o di un modulo master e di un modulo slave, come verrà descritto in seguito, la porta d’ingresso pneumatica master 12 e la prima porta di uscita pneumatica master 14 sono formate in una faccia 10b del corpo valvola modulo master 10 opposta all’elettrovalvola proporzionale master (figura 5) o in una faccia 10c opposta alla scheda elettronica a circuito stampato 30 (figure 1, 1a). La seconda porta di uscita pneumatica master 16 è ricavata (10d) in una delle facce laterali del corpo valvola del modulo master perpendicolare alla scheda elettronica a circuito stampato 30.
In una forma di realizzazione, la seconda porta di uscita pneumatica master 16 è divisa in due condotti di uscita 16a e 16b: un primo condotto di uscita 16a bybus l’elettrovalvola proporzionale master 18 ed è direttamente connesso alla porta d’ingresso 12; il secondo condotto di uscita 16b è collegato all’uscita dell’elettrovalvola proporzionale master 12, come mostrato nella figura 4. In questo modo, è possibile scegliere tra una connessione pneumatica serie o parallelo tra il modulo master 1 e il rispettivo modulo slave. Infatti, se il primo condotto di uscita 16a è tappato e il secondo condotto di uscita 16b è lasciato aperto, si ottiene un funzionamento serie dell’assieme master - slave. Se il primo condotto di uscita 16a è aperto il secondo condotto di uscita 16b è tappato, si ottiene un funzionamento parallelo al fine di raddoppiare la capacità di flusso.
In una forma di realizzazione, la scheda elettronica a circuito stampato 30 ha sostanzialmente la stessa larghezza del corpo valvola di modulo master 10.
Le figure 2, 2a mostrano un modulo slave 200 adatto ad essere collegato a e comandato da un rispettivo modulo master 1 in modo da formare un modulo master - slave 300.
Il modulo slave 200 comprende un corpo valvola di modulo slave 210 in cui sono ricavati busggi per un flusso di aria in pressione. Questi busggi collegano una porta d’ingresso pneumatica slave 212 ad una porta di uscita pneumatica slave 214.
Il modulo slave 200 può essere provvisto di un’elettrovalvola proporzionale slave 218 o di un’elettrovalvola on/off slave 2180. In ogni caso, l’elettrovalvola slave 218; 2180 è collegata tra la porta d’ingresso pneumatica slave 212 e la porta di uscita pneumatica slave 214. Ognuna delle elettrovalvole proporzionali o on/off 218; 2180 è comandata da un segnale di controllo fornito dal modulo master 1.
Il modulo slave 200 è provvisto di un connettore elettronico d’ingresso slave di tipo maschio 226 adatto ad essere collegato in modo rilasciabile al connettore di uscita master di tipo femmina 28 del modulo master e ad un connettore di uscita slave di tipo femmina 228 adatto ad essere collegato in modo rilasciabile al connettore elettronico d’ingresso master di tipo maschio 26 o ad un altro modulo master 1.
I connettori elettronici slave ingresso e di uscita 226,228 sono adatti a ricevere e trasmettere segnali elettronici analogici e digitali, in particolare segnali di alimentazione e segnali di comunicazione bus digitali.
Il connettore elettronico ingresso slave di tipo maschio 226 ed il connettore di uscita slave di tipo femmina 228 sono montati su lati opposti paralleli della scheda elettronica a circuito stampato slave 230, in modo tale che la scheda elettronica a circuito stampato master 30 e la scheda elettronica a circuito stampato slave 230 giacciano sullo stesso piano.
Inoltre, il corpo valvola slave 210 ha una faccia laterale 210d in cui è ricavata la porta d’ingresso pneumatica slave 212 e che è adatta ad andare riscontro con una faccia laterale 10d del corpo valvola master, in modo tale che la seconda porta di uscita pneumatica master 16 e la porta d’ingresso pneumatica slave 212 possano essere direttamente ed ermeticamente collegate, per esempio con l’interposizione di un elemento di tenuta 40.
In una forma preferita di realizzazione, il corpo valvola di modulo slave 210 ha la stessa forma esterna e le stesse dimensioni del corpo valvola del modulo master 10.
In una forma di realizzazione, la scheda elettronica circuito stampato slave 230 ha sostanzialmente la stessa larghezza del corpo valvola di modulo slave 210.
In una forma preferita di realizzazione, l’intero modulo slave 200 ha la stessa forma esterna e le stesse dimensioni del modulo master 1.
Le figure 3, 3a e 3b mostrano il modulo master 1 e il modulo slave 200 collegati tra loro per formare un modulo master - slave 300.
Come spiegato sopra, il modulo master 1 ed il modulo slave 200 sono posizionati fianco a fianco in modo tale che la seconda porta di uscita pneumatica master 16 sia allineata e in comunicazione diretta con la porta d’ingresso slave 212, senza l’interposizione di alcun elemento di connessione esterno, oltre all’elemento di tenuta.
Il modulo master 1 e il modulo slave 200 sono collegati dall’accoppiamento di rispettivi connettori elettrici 28,226.
In una forma di realizzazione, l’elettrovalvola proporzionale master 18 è una valvola 2-vie e l’elettrovalvola slave 218; 2180 è anch’essa una valvola 2-vie.
Pertanto, il modulo master 1 da solo può realizzare funzioni 2-vie, mentre il modulo master - slave 300 può eseguire funzioni 3-vie.
I moduli master 1 e/o i moduli master - slave 300 possono essere collegati per formare un sistema 400 di moduli di controllo impilabili.
Il sistema 400 comprende un bus di comunicazione digitale 410, almeno un modulo master pneumatico 1 e/o almeno un modulo pneumatico master - slave 300, ogni modulo master 1 o ogni modulo master - slave 300 scambiando dati attraverso il bus di comunicazione digitale 410.
Nel sistema 400, almeno due moduli master identici 1 sono direttamente collegati tra loro attraverso i connettori elettrici master di uscita 28 e ingresso 26. Nel sistema 400, un modulo master 1 è elettricamente collegato al connettore elettronico di uscita slave 228 di modulo slave 200 di un modulo master - slave 300. In questo caso, il modulo slave 200 agisce da ponte per trasmettere al modulo master 1 a valle almeno un segnale elettrico del bus di comunicazione digitale 410.
Per riassumere, tale sistema di moduli di controllo impilati può includere:
- moduli master con elettrovalvola proporzionale, sensori e unità di controllo;
- moduli slave con solo elettrovalvola proporzionale o on/off.
Il sistema può eseguire:
- funzioni 2-vie solo con modulo master;
- funzioni 3-vie con modulo master e modulo slave; - operazioni in serie o in parallelo, selezionabili secondo necessità;
- controllo pressione per il tramite di sensori di pressione relativa;
- controllo di flusso semplificato per il tramite dell’ugello e sensore di pressione relativa;
- controllo di flusso totale per il tramite dell’ugello e sensori di pressione relativa e differenziale;
- controllo di posizione per il tramite di sensori esterni di retroazione;
- loro combinazioni.
Per quanto riguarda il controllo di posizione per il tramite di un sensore di retroazione esterno, per esempio, attraverso l’uso combinato di un modulo master - slave collegato al lato stelo di un cilindro pneumatico e di un modulo master - slave collegato al lato tubo del cilindro, è possibile controllare questo cilindro in modalità di posizionamento ad anello chiuso attraverso la lettura di un segnale d’ingresso analogico che contiene informazioni sulla posizione del cilindro e un’intercomunicazione attraverso il bus di comunicazione digitale tra i due moduli master-slave.
Alle forme di realizzazione dei moduli e del sistema secondo l’invenzione un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Modulo master pneumatico per un controllo proporzionale di pressione o flusso, comprendente: - un corpo valvola di modulo master in cui sono ricavati passggi per il flusso di aria in pressione, detti passaggi collegando una porta d’ingresso pneumatica master ad una prima porta di uscita pneumatica master per un collegamento pneumatico diretto ad un carico e ad una seconda porta di uscita pneumatica master per un collegamento pneumatico ad una porta d’ingresso pneumatica di un modulo slave collegabile al modulo master; - una elettrovalvola proporzionale master adatta ad alimentare la prima e la seconda porta di uscita pneumatica master con un flusso regolato di aria in pressione che entra nel modulo master attraverso la porta d’ingresso pneumatica; - un sensore di pressione relativa per rilevare la pressione del flusso regolato di aria in pressione a valle dell’elettrovalvola proporzionale master; - un’unità di controllo elettronica adatta a comandare l’elettrovalvola proporzionale master e un’elettrovalvola slave proporzionale oppure on/off di un rispettivo modulo slave in funzione di un segnale di pressione fornito dal sensore di pressione relativa, l’unità di controllo elettronica essendo inoltre configurata per implementare un’interfaccia di comunicazione bus digitale per uno scambio di dati con altri moduli master; - un connettore elettronico d’ingresso master di tipo maschio e un connettore di uscita master di tipo femmina per ricevere e trasmettere segnali elettronici analogici e digitali, in cui il sensore di pressione relativa e l’unità di controllo elettronica sono montate su una scheda elettronica a circuito stampato, il connettore elettronico master di tipo maschio d’ingresso e il connettore di uscita master di tipo femmina essendo montati su lati opposti paralleli della scheda elettronica a circuito stampato master.
- 2. Modulo master pneumatico secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre, a valle dell’elettrovalvola proporzionale master, un ugello o orifizio per un controllo di flusso del flusso regolato dell’aria in pressione.
- 3. Modulo master pneumatico secondo la rivendicazione 2, comprendente inoltre un sensore di pressione differenziale per rilevare la differenza di pressione a monte e a valle dell’ugello o orifizio, il sensore di pressione differenziale essendo operativamente connesso all’unità di controllo elettronica.
- 4. Modulo master pneumatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, cui i connettori elettronici master d’ingresso e uscita e la scheda elettronica a circuito stampato sono configurati per ricevere e trasmettere segnali di alimentazione e segnali di comunicazione bus digitali.
- 5. Modulo master pneumatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui: - il corpo valvola modulo master ha una forma a parallelepipedo rettangolare; - l’elettrovalvola proporzionale master è montata su una delle facce del corpo valvola master; - la scheda elettronica a circuito stampato master è supportata da terminali elettrici dell’elettrovalvola proporzionale master e si estende parallelamente al corpo valvola di modulo master, i connettori elettronici d’ingresso e uscita essendo configurati per essere collegati alla scheda elettronica circuito stampato di un altro modulo master pneumatico oppure di un modulo slave in modo tale che tutti le schede elettroniche a circuito stampato giacciano in uno stesso piano; - la porta pneumatica d’ingresso master e la prima porta di uscita pneumatica master sono ricavate in una faccia del corpo valvola di modulo master opposta all’elettrovalvola proporzionale master oppure alla scheda elettronica a circuito stampato; - la seconda porta di uscita pneumatica master è ricavata su una delle facce laterali del corpo valvola di modulo master perpendicolare alla scheda elettronica a circuito stampato.
- 6. Modulo master pneumatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, cui la scheda elettronica circuito stampato master ha sostanzialmente la stessa larghezza del corpo valvola di modulo master.
- 7. Modulo master-slave pneumatico per un controllo proporzionale di pressione o flusso, comprendente un modulo master secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e un modulo slave elettronicamente e pneumaticamente collegato al modulo master e comprendente: - un corpo valvola di modulo slave in cui sono ricavati passaggi per un flusso di aria in pressione, detti passaggi collegando una porta d’ingresso pneumatica slave ad una porta di uscita pneumatica slave, la porta d’ingresso pneumatica slave essendo collegata ad una seconda porta di uscita pneumatica di un modulo master; - un’elettrovalvola proporzionale slave oppure un’elettrovalvola slave on/off collegate tra la porta d’ingresso pneumatica slave e la porta di uscita pneumatica slave, dette elettrovalvola proporzionale oppure on/off essendo comandata da un segnale di controllo fornito dal modulo master; - un connettore elettronico di ingresso slave di tipo maschio collegato in modo rilasciabile al connettore di uscita master di tipo femmina del modulo master e un connettore di uscita slave di tipo femmina adatto ad essere collegato in modo rilasciabile a un connettore elettronico d’ingresso master di tipo maschio di un altro modulo master, il connettore elettronico slave d’ingresso e di uscita essendo adatto a ricevere e trasmettere segnali elettronici analogici e digitali, in cui il connettore elettronico d’ingresso slave di tipo maschio e il connettore di uscita slave di tipo femmina sono montati su lati opposti paralleli di una scheda elettronica a circuito stampato slave, in modo tale che la scheda elettronica a circuito stampato master e la scheda elettronica a circuito stampato slave giacciano nello stesso piano, e in cui il corpo valvola slave ha una faccia laterale in cui è ricavata la porta d’ingresso pneumatica slave e che va a riscontro contro una faccia laterale del corpo valvola master, in modo tale che la seconda porta di uscita master pneumatica e la porta d’ingresso slave pneumatica siano direttamente e ermeticamente collegate.
- 8. Modulo master-slave pneumatico secondo la rivendicazione 7, in cui i connettori elettronici d’ingresso e uscita slave e la scheda elettronica acircuito stampato slave sono configurati per ricevere e trasmettere segnali di alimentazione e segnali di comunicazione bus digitali.
- 9. Modulo master-slave pneumatico secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui il corpo valvola di modulo slave ha la stessa forma esterna e le stesse dimensioni del corpo valvola di modulo master.
- 10. Modulo master-slave pneumatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-9, cui la scheda elettronica a circuito stampato slave ha sostanzialmente la stessa larghezza del corpo valvola di modulo slave.
- 11. Sistema per un controllo di pressione o flusso, comprendente: - un bus di comunicazione digitale; - almeno un modulo master pneumatico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6 e/o almeno un modulo pneumatico master slave secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-10, ogni modulo master o master-slave scambiando dati attraverso il bus di comunicazione digitale.
- 12. Sistema secondo la rivendicazione 10, cui almeno due moduli master identici sono direttamente collegati tra loro attraverso i connettori elettronici d’ingresso e uscita master.
- 13. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui un modulo master è elettricamente collegato al connettore elettronico di uscita slave di un modulo slave di un modulo master-slave, detto modulo slave agendo da ponte per trasmettere al modulo master a valle almeno segnali elettrici del bus di comunicazione digitale.
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