شیر قفل‌کننده یا لاک آپ ولو چیست ؟ کاربرد و راهنمای خرید

در سیستم‌های کنترل پنوماتیکی، حفظ موقعیت شیر کنترلی هنگام افت یا قطع جریان هوای ابزار دقیق، یکی از الزامات مهم در بسیاری از فرآیندهای صنعتی محسوب می‌شود و یک روش تخصصی برای این کار، استفاده از شیر قفل‌کننده پنوماتیک یا لاک آپ ولو (Lock-up Valve) است. این قطعه‌ی کوچک اما به شدت مهندسی شده، یکی از تجهیزات جانبی اکچویتور است که با تشخیص افت فشار هوای تغذیه، مسیر سیگنال پنوماتیکی را می‌بندد و فشار موجود در اکچویتور را حفظ می‌کند. نتیجه‌ی این کار، باقی ماندن اکچویتور و شیر کنترلی در موقعیت خود پیش از بروز خطا است.

شیر قفل‌کننده پنوماتیک در کنار تجهیزاتی مانند پوزیشنر، اکچویتور و شیر برقی به‌کار می‌رود و بسته به طراحی سیستم می‌تواند برای اکچویتورهای سینگل اکت یا دابل اکت یا در مدل‌های سه پورته برای استفاده از مسیر هوای جایگزین استفاده شوند. با توجه به اهمیت این تجهیز در کنترل خطوط پنوماتیک، در این مطلب با لاک آپ ولو، اجزا و کاربردهای تخصصی آن آشنا می‌شوید.

لاک آپ ولو چیست؟

شیر قفل‌کننده یا لاک آپ ولو، یک شیر پنوماتیکی حساس به فشار است که در مسیر سیگنال هوای فشرده بین تجهیزات کنترلی و اکچویتور قرار می‌گیرد. وظیفه‌ی اصلی آن، ایزوله کردن سیگنال فشار در زمان افت فشار هوای تغذیه است.

در حالت عادی، فشار هوای ورودی از نقطه‌ی تنظیم لاک آپ ولو بالاتر است. بنابراین مسیر عبور سیگنال باز می‌ماند و سیگنال پنوماتیکی پوزیشنر بدون اختلال به اکچویتور می‌رسد. اما اگر فشار هوای تغذیه از مقدار تنظیم شده کمتر شود، مکانیزم داخلی شیر عمل کرده و مسیر سیگنال را مسدود می‌کند. در نتیجه، هوای موجود در اکچویتور محبوس شده و اکچویتور در موقعیت فعلی خود باقی می‌ماند.

به همین دلیل هم می‌توان لاک آپ ولو را می‌توان نوعی تجهیز حفاظتی و کنترلی برای حفظ موقعیت اکچویتور در زمان افت یا قطع هوای ابزار دقیق دانست. البته باید توجه داشت که شیر قفل‌کننده خودش کنترل ولو نیست بلکه یک تجهیز جانبی شیرآلات پنوماتیک به‌شمار می‌رود که در مدار پنوماتیکی اکچویتور یا مجموعه‌ی کنترل ولو نصب می‌شود.

شیوه عملکرد لاک آپ ولو

مکانیزم عملکرد این تجهیز بر مقایسه‌ی نیروی ناشی از فشار هوا با نیروی فنر تنظیم‌کننده استوار است. در یک نمونه‌ی متداول مانند SAMSON Type ۳۷۰۹، فشار هوای تغذیه روی دیافراگم اثر می‌گذارد و این نیرو با نیروی فنر تنظیم شده مقایسه می‌شود. تا زمانی که فشار در محدوده‌ی مجاز باشد، مسیر سیگنال باز است. اما هنگامی که فشار به کمتر از مقدار تنظیم شده برسد، نیروی فنر غالب شده و مسیر سیگنال بسته می‌شود.

فرآیند را می‌توان در چند مرحله خلاصه کرد:

۱. شرایط عادی سیستم

در شرایط عادی، هوای ابزار دقیق فشار کافی برای باز نگه داشتن مسیر لاک آپ ولو را فراهم می‌کند. بنابراین سیگنال خروجی پوزیشنر به عملگر منتقل می‌شود و اکچویتور مطابق فرمان سیستم حرکت می‌کند.

۲. افت فشار هوای تغذیه

اگر فشار هوای ابزار دقیق به دلایلی مانند مشکل در کمپرسور، شبکه هوای ابزار دقیق، رگولاتور یا لوله‌کشی کاهش یابد، فشار اعمال شده به مکانیزم حساس به فشار لاک آپ ولو نیز کاهش پیدا می‌کند.

۳. رسیدن فشار به نقطه‌ی تنظیم

هنگامی که فشار از Set Pressure تعیین شده پایین‌تر برود، نیروی فنر بر نیروی ناشی از فشار هوا غلبه می‌کند و مکانیزم داخلی شیر به وضعیت قفل (Lock) می‌رود. در طراحی‌های ی مانند SAMSON، این وضعیت باعث قطع مسیر سیگنال و حفظ فشار موجود در عملگر می‌شود.

۴. حفظ موقعیت اکچویتور

با مسدود شدن مسیر، فشار موجود در بخش فعال اکچویتور تخلیه نمی‌شود و اکچویتور تا زمان برطرف شدن شرایط خطا، در موقعیت خود باقی می‌ماند. به همین دلیل اصطلاح قفل در آخرین وضعیت (Lock-in-Last Position) برای چنین کاربردی استفاده می‌شود.

۵. بازگشت فشار هوا

پس از بازگشت فشار هوای تغذیه به محدوده‌ی مناسب، لاک آپ ولو می‌تواند دوباره مسیر پنوماتیکی را برقرار کند. در برخی طراحی‌ها، بازنشانی به‌صورت خودکار انجام می‌شود؛ برای مثال Fisher ۳۷۷ پس از افزایش فشار تغذیه به بالاتر از نقطه‌ی Trip تنظیم مجدد (Reset) می‌شود.

اجزای اصلی لاک آپ ولو

هرچند ساختار دقیق لاک آپ ولو به سازنده و مدل بستگی دارد، اما یک طراحی متداول می‌تواند شامل اجزای زیر باشد:

• بدنه
• دیافراگم حساس به فشار
• فنر تنظیم
• پیچ تنظیم نقطه عملکرد
• پیستون یا پلاگ
• سیت
• مسیرهای ورودی و خروجی
• مسیر تخلیه
• اورینگ‌ها و آب‌بندی‌ها

برای نمونه، مستندات فنی سری SMC IL201/IL211/IL220 اجزایی مانند دیافراگم، پیستون، فنر تنظیم، فنر شیر، شیر پیستونی و اورینگ را برای این خانواده نشان می‌دهند. در مدل‌های دارای بوستر، ساختار داخلی پیچیده‌تر است. برای نمونه، در Type ۳۷۰۹ SAMSON، کنترل هد و بوستر برای انتقال سیگنال و فراهم کردن ظرفیت هوای بالاتر با یکدیگر کار می‌کنند.

انواع لاک آپ ولو

لاک آپ ولو را می‌توان بر اساس نوع اکچویتور و نحوه عملکرد در مدار پنوماتیک دسته‌بندی کرد.

لاک آپ ولو برای اکچویتور سینگل اکت

در اکچویتورهای یک‌طرفه یا سینگل‌ اکت (Single Acting)، هوا در یک جهت برای حرکت اکچویتور استفاده می‌شود و معمولاً فنر نیروی بازگشت را تأمین می‌کند. لاک آپ ولو در این سیستم می‌تواند با قطع مسیر سیگنال، فشار پنوماتیکی موجود را حفظ کند تا عملگر در وضعیت مورد نظر باقی بماند. سری‌های مختلف شیر قفل‌کننده برای اکچویتورهای Single Acting ارائه می‌شوند.

لاک آپ ولو برای اکچویتور دابل اکت

در اکچویتور دابل اکت (Double Acting)، حرکت رفت و برگشت با فشار هوای دو طرف اکچویتور انجام می‌شود، بنابراین طراحی لاک آپ ولو باید متناسب با مدار دوطرفه باشد. بدین ترتیب لاک آپ ولو می‌تواند مسیرهای پنوماتیکی مربوط به اکچویتور را در وضعیت مشخص نگه دارد.

لاک آپ ولو سه‌پورته

برخی مدل‌ها به جای صرفاً مسدود کردن مسیر، هنگام وقوع خطا مسیر جریان را تغییر می‌دهند. از جمله در سری SMC IL220، این عملکرد با سه پورت انجام می‌شود. در شرایط عادی مسیر ورودی ۱ به خروجی برقرار است و هنگام فعال شدن قفل، این مسیر بسته شده و مسیر ورودی ۲ به خروجی برقرار می‌شود. این نوع طراحی زمانی اهمیت پیدا می‌کند که مدار نیازمند تغییر مسیر تأمین هوا پس از وقوع خطا باشد.

محل نصب لاک آپ ولو

محل نصب لاک آپ ولو به طراحی مدار و عملکرد مورد انتظار بستگی دارد. در یک چیدمان متداول، این تجهیز در مسیر سیگنال پنوماتیکی بین پوزیشنر و عملگر قرار می‌گیرد. می‌توان آن را به‌یصورت زیر نمایش داد:

در برخی مدل‌ها نیز امکان اتصال مستقیم لاک آپ ولو به پوزیشنر وجود دارد که باعث کاهش طول لوله‌کشی و ابعاد مجموعه می‌شود.

نصب لاک آپ ولو همراه با سلونوئید ولو

لاک آپ ولو می‌تواند در مجموعه‌ی شامل شیر برقی نیز استفاده شود. در چنین حالتی، ترتیب نصب تجهیزات اهمیت زیادی دارد، زیرا محل قرارگیری شیر قفل‌کننده نسبت به سلونوئی ولو تعیین می‌کند که هنگام وقوع خطا کدام عملکرد اولویت داشته باشد. برای نمونه، یکی از موقعیت‌های قرارگیری بین سلنوئید ولو و عملگر است. در این چیدمان، عملکرد قفل بر عملکرد Fail-Safe ایجاد شده توسط شیر برقی اولویت دارد.

کاربردهای لاک آپ ولو

لاک آپ ولو بیشتر در سیستم‌هایی استفاده می‌شود که تغییر ناخواسته‌ی موقعیت شیر پس از افت هوای ابزار دقیق می‌تواند بر فرآیند اثر بگذارد. مهم‌ترین کاربردها عبارت‌اند از:

حفظ موقعیت شیر کنترلی هنگام قطع هوای ابزار دقیق

اصلی‌ترین کاربرد لاک آپ ولو، نگه داشتن اکچویتور در موقعیت موجود پس از افت یا قطع فشار هوای تغذیه است. این ویژگی برای فرآیندهایی اهمیت دارد که حرکت ناخواسته شیر می‌تواند شرایط فرآیند را تغییر دهد.

استفاده در سیستم‌های کنترل فرآیند

لاک آپ ولو یکی از تجهیزات جانبی کنترل ولوهای پنوماتیکی است و در کنار پوزیشنر و اکچویتور برای ایجاد یک عملکرد مشخص در شرایط خطا به کار می‌رود.

استفاده در مدارهای دارای سلونوئید ولو

در مدارهایی که شیر برقی وظیفه‌ی ایجاد فرمان قطع اضطراری یا Fail-Safe را دارد، لاک آپ ولو می‌تواند بخشی از منطق عملکرد اضطراری باشد. انتخاب محل نصب این دو تجهیز باید بر اساس عملکرد مورد انتظار در شرایط خطا صورت بگیرد.

صنایع فرآیندی

این تجهیز در سیستم‌های کنترل صنعتی مانند واحدهای نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها، صنایع شیمیایی و سایر فرآیندهایی که از کنترل ولو پنوماتیکی استفاده می‌کنند، کاربرد گسترده‌ای دارد. با این حال انتخاب آن باید بر اساس فلسفه‌ی کنترلی و الزامات ایمنی هر فرآیند انجام شود.

تفاوت لاک آپ ولو با شیر برقی و Quick Exhaust Valve

در بسیاری از کاربردها، ممکن است این سه تجهیز در یک مجموعه‌ی پنوماتیکی کنار یکدیگر دیده شوند، اما وظایف یکسانی ندارند.

در نتیجه، لاک آپ ولو را صرفاً نوعی سلونوئید ولو یا شیر قطع‌کننده‌ی سریع نیست بلکه عملکرد اصلی آن به تشخیص فشار و حفظ وضعیت پنوماتیکی پس از رسیدن فشار به نقطه‌ی تنظیم مرتبط است.

نکات مهم خرید لاک آپ ولو

انتخاب لاک آپ ولو باید بر اساس مشخصات مدار پنوماتیکی و عملکرد مورد انتظار انجام شود. مهم‌ترین پارامترهای خرید عبارت‌اند از:

۱. نوع اکچویتور

ابتدا مشخص کنید که اکچویتور Single Acting است یا Double Acting. لاک آپ ولو باید با ساختار مدار عملگر کاملاً سازگار باشد. برخی از سازندگان مدل‌های اختصاصی برای هر یک از این دو نوع ارائه می‌کنند.

۲. فشار تنظیم

فشار تنظیم (Set Pressure) یکی از مهم‌ترین پارامترهای انتخاب لاک آپ ولو است و تعیین می‌کند که در چه فشاری، تجهیز از حالت عادی به وضعیت قفل منتقل شود.

این مقدار باید با فشار مورد نیاز اکچویتور و حداقل فشار قابل قبول سیستم هماهنگ باشد. برای مثال در برخی مشخصات صنعتی، توصیه می‌شود که مقدار تنظیم قفل بالاتر از حداقل فشار هوای مورد نیاز اکچویتور در نظر گرفته شود.

۳. فشار ورودی و فشار مجاز

حداکثر فشار سیگنال و فشار کاری لاک آپ ولو باید با مدار موجود سازگار باشد. برای مثال، در سری SMC IL201/IL211/IL220 حداکثر فشار سیگنال ۱.0MPa و حداکثر فشار مدار قطع‌شونده ۰.7MPa است. این اعداد مربوط به همان خانواده محصول هستند و نمی‌توان آن‌ها را به‌عنوان مقدار عمومی برای همه‌ی لاک آپ ولوها در نظر گرفت.

۴. ظرفیت عبور هوا

در اکچویتورهایی با حجم هوای بالا، ظرفیت عبور لاک آپ ولو اهمیت زیادی دارد. برخی مدل‌ها دارای بوستر هستند تا امکان استفاده از ظرفیت هوای بالاتر فراهم شود.

۵. سایز و نوع اتصالات

رزوه و نوع اتصال باید با لوله‌کشی و تجهیزات اطراف سازگار باشد. در مدل‌های مختلف ممکن است اتصالاتی مانند G و NPT یا Rc ارائه شود.

۶. جنس بدنه

برای محیط‌های صنعتی مختلف، جنس بدنه اهمیت زیادی دارد. برای مثال بسیاری از لاک آپ ولوها در نسخه‌های آلومینیومی و فولاد ضد زنگ ارائه می‌شوند.

۷. دمای محیط

دمای کاری مجاز باید با شرایط محل نصب مطابقت داشته باشد. در مدل‌های مختلف محدوده‌ی دما یکسان نیست، بنابراین باید مقدار درج شده در دیتاشیت هر مدل اختصاصاً بررسی شود.

۸. نحوه نصب

بررسی کنید تجهیز قرار است به‌صورت خطی، مستقیم روی پوزیشنر، روی اکچویتور یا به‌صورت ساندویچی همراه با سلونوئید ولو نصب شود. برخی مدل‌ها برای نصب مستقیم یا فشرده طراحی شده‌اند و انتخاب آن‌ها می‌تواند نیاز به لوله‌کشی اضافی را کاهش دهد.

۹. جنس آب‌بندی و سازگاری محیطی

دیافراگم، اورینگ و دیگر قطعات آب‌بندی باید با شرایط محیط و مشخصات هوای ابزار دقیق سازگار باشند. به‌عنوان نمونه، در سری SMC IL201/۲۱۱/۲۲۰ از NBR برای آب‌بندی برخی قطعات استفاده شده است.

۱۰. عملکرد مورد انتظار در شرایط خطا

پیش از خرید باید مشخص شود که در صورت افت فشار، هدف سیستم Lock-in-Last یا Fail Open یا Fail Close یا تغییر مسیر هوای تأمین است.

۱۱. قیمت

قیمت یکی از عوامل مهم در انتخاب محصولات صنعتی، از جمله لاک آپ ولو است. با این حال باید توجه داشت که به مشخصات فنی و برند محصول وابسته است. عواملی مانند برند، مدل، نوع Single یا Double Acting، جنس بدنه، نوع اتصال، فشار کاری، محدوده‌ی فشار تنظیمی، وجود بوستر، نوع نصب و شرایط محیطی می‌توانند بر قیمت نهایی تأثیر بگذارند.

نکات نصب لاک آپ ولو

برای انتخاب صحیح لاک آپ ولو، بهتر است مشخصات آن به‌صورت یک مجموعه بررسی شود. نوع اکچویتور، فشار کاری، ست پرشر، ظرفیت عبور هوا، سایز پورت، جنس بدنه و آب‌بندی، دمای محیط و شیوه‌ی اتصال به پوزیشنر یا شیر برقی، باید با شرایط واقعی سیستم مطابقت داشته باشند.

محل نصب نیز باید بر اساس منطق عملکرد مدار تعیین شود. اگر شیر قفل کننده همراه با شیر برقی استفاده می‌شود، ترتیب این تجهیزات به سادگی می‌تواند بر عملکرد سیستم هنگام خرابی اثر بگذارد. در پروژه‌های حساس، مقدار فشار تنظیمی نیز باید با حداقل فشار موردنیاز اکچویتور و الزامات فرآیند هماهنگ شود.

برندها و مدل‌های شناخته‌شده لاک آپ ولو

سازندگان بسیاری در حوزه‌ی تجهیزات کنترل و ابزار دقیق، لاک آپ ولو تولید می‌کنند. برخی از خانواده‌های شناخته شده‌ی این تجهیز عبارت‌اند از:

جمع‌بندی

لاک آپ ولو پنوماتیک، یکی از تجهیزات جانبی مهم در سیستم‌های کنترل ولو است که وظیفه‌ی آن، قطع یا تغییر مسیر سیگنال هوای پنوماتیکی در شرایط افت فشار و کمک به حفظ وضعیت اکچویتور است. در کاربرد متداول، این تجهیز بین پوزیشنر و اکچویتور قرار می‌گیرد و با رسیدن فشار هوا به کمتر از مقدار تنظیم‌شده، مسیر سیگنال را مسدود می‌کند تا اکچویتور در موقعیت خود باقی بماند.

هنگام خرید، نوع اکچویتور، فشار تنظیم، فشار کاری، ظرفیت عبور هوا، نوع و سایز اتصال، جنس بدنه و آب‌بندی، دمای کاری و نحوه نصب باید با مشخصات واقعی سیستم مطابقت داده شود. همچنین ترتیب قرارگیری در خط پنوماتیک اهمیت زیادی دارد. برای یک انتخاب صحیح و جامع، می‌توانید با کارشناسان تجهیز صنعت در ارتباط باشید و از خرید تا نصب و بهره‌برداری مشاوره بگیرید.

سؤالات متداول