أساسيات التحكم الهوائي (Pneumatic)

Cheatsheet Content

مقدمة عن النيوماتيك التعريف: كلمة "نيوماتيك" (Pneumatic) مشتقة من اليونانية (pneuma) وتعني "هواء" أو "رياح". هو علم هندسي يدرس الهواء المضغوط وتدفقه واستخدامه في التحكم. التطور: تطور استخدامه في التحكم بشكل كبير بين 1941-1951 مع ظهور أنابيب بلاستيكية رقيقة وصمامات اتجاهية صغيرة. تطبيقات: يُستخدم في آلات التعبئة والتغليف، ماكينات النسيج، مصانع الأغذية والكيماويات، أعمال التعدين، إنشاء الطرق، وغيرها. مميزات وعيوب أنظمة الهواء المضغوط مميزات (Characteristics of Compressed Air): وفرة الوجود: متوفر بكميات غير محدودة وبدون تكلفة. قابلية التخزين: يمكن تخزينه في خزانات، مما يلغي الحاجة لتشغيل الضاغط باستمرار. قابلية النقل: سهل النقل عبر أنابيب لمسافات طويلة. الاستقرار والأمان: لا يتأثر بتغيرات الحرارة، آمن عند زيادة الحمل، وغير قابل للاشتعال أو الانفجار. النظافة: الهواء المضغوط نظيف وتسربه لا يسبب التلوث. الاقتصادية: عناصر التشغيل سهلة التركيب وغير مكلفة. السرعة: وسيط سريع جداً (حتى $1-2$ متر/ثانية للاسطوانات). قابلية الضبط: السرعات والقوى قابلة للضبط بشكل كبير. عيوب التحكم بالهواء المضغوط: التجهيز: يتطلب عناية كبيرة (تنقية من الغبار والرطوبة) لتجنب تآكل الأجزاء. قابلية الانضغاط: قد لا يمكن الحصول على سرعات وأزمنة ثابتة ومنتظمة دائماً. متطلبات القوى: اقتصادي لقوى معينة، محدودة بين $2000-3000$ نيوتن عند ضغط $7$ بار. ضجيج التنفس: صوت عالٍ عند تفريغ الهواء، تم الحد منه باستخدام كاتمات الصوت. التكاليف: وسيط مكلف لنقل القدرة، لكن يعوضه الأداء العالي والعناصر غير المكلفة نسبياً. متطلبات الأمن والسلامة إغلاق الهواء المضغوط فوراً عند انفصال الأنابيب. التأكد من صحة التوصيل قبل فتح الهواء المضغوط. الابتعاد عن الأسطوانات عند بدء التشغيل لتجنب الحركة المفاجئة. عدم تشغيل مفاتيح نهاية المشوار يدوياً أثناء إصلاح الأعطال. توصيل مفاتيح نهاية المشوار لتلامس طرف الكباس فقط وفي الاتجاه المحدد. لا تزيد ضغط الهواء عن الحد المسموح به ($6$ بار). فصل مصدر الهواء المضغوط قبل فك الدائرة. الخواص الفيزيائية للهواء الهواء غاز ليس له شكل محدد، يتغير شكله بأقل قوة ويأخذ شكل الحيز المحيط به. قابل للانضغاط ويميل إلى التمدد. مكونات الهواء: $78\%$ نيتروجين $21\%$ أكسجين $1\%$ غازات أخرى (ثاني أكسيد الكربون، هيدروجين، نيون، زئبق، أرجون، هيليوم). الوحدات الأساسية (النظام الدولي للوحدات SI) المقدار (الكمية) الاسم الرمز الطول (Length) متر (Meter) M الكتلة (Mass) كيلوجرام (Kilogram) Kg الزمن (Time) ثانية (Second) S التيار (Current) أمبير (Ampere) A درجة الحرارة (Temperature) كلفن (Kelvin) K التردد (Frequency) هرتز (Hertz) Hz ($1/s$) القوة (Force) نيوتن (Newton) N الضغط (Pressure) باسكال (Pascal) Pa ($N/m^2$) العمل (Work) جول (Joule) J ($N.m$) فرق الجهد (Voltage) فولت (Volt) V ($J/C$) السعة (Capacitor) فاراد (Farad) F ($C/V$) المقاومة الكهربية (Resistance) أوم المتر (Ohm Meter) $\Omega m$ المساحة (Area) متر مربع $m^2$ معدل السريان متر مكعب/ثانية $m^3/s$ وحدات إعداد الهواء المضغوط (الضواغط الهوائية Air Compressors) أنواع الضواغط (Types of air compressors): الضواغط ذات الإزاحة الموجبة (Positive Displacement Compressors): الضواغط الترددية (Reciprocating Compressors): تتكون من أسطوانة أو أكثر بها مكبس يتحرك لضغط الهواء. أنواع: مرحلة واحدة، مرحلتين، متعددة المراحل. قانون بويل للغازات: $Pv = \text{ثابت}$ (الضغط يتناسب عكسياً مع الحجم عند ثبات درجة الحرارة). الضواغط الدوارة (Rotary Compressors): الريشية (Sliding vane): عضو دوار به ريش منزلقة وعضو ثابت بأزاحة لا مركزية. اللولبية (Screw): ضواغط حلزونية. الضواغط الديناميكية (Dynamic Compressors): تحول الطاقة الحركية للهواء إلى طاقة ضغط بمروره بقرص به زعانف (Impeller). أنواع: ذات التدفق القطري (Radial flow)، ذات التدفق المحوري (Axial flow)، ذات التدفق المختلط (Mixed flow). عناصر تجفيف الهواء المضغوط: يجب تجفيف الهواء من الرطوبة ($ المبرد البيني (Intercooler): يبرد الهواء بين مراحل الضواغط الترددية لتكثيف بخار الماء. خزان الهواء (Air Receiver): يخزن الهواء المضغوط ويقلل موجات الانضغاط. يخزن الهواء للاستخدام وقت الذروة. يخفض درجة حرارة الهواء، مما يؤدي لتكثيف الماء. مبرد الإعادة (After Cooler): يوضع بين الضاغط والخزان لتبريد الهواء المضغوط. وحدات التبريد بالفريون (Refrigeration Units): تستخدم لتبريد الهواء المضغوط إذا لم يكن مبرد الإعادة كافياً. لماذا يجفف الهواء المضغوط؟ تجنب الصدأ والتآكل في الأنابيب والأسطوانات. منع احتراق التزييت داخل الأسطوانات. الحفاظ على كفاءة الصمامات. تجنب تلوث وتلف المواد الحساسة. وحدة الخدمة توضع في مدخل الهواء المضغوط عند كل آلة. وظائفها: تنقية وترشيح الهواء من الأتربة وفصل الماء، تنظيم ضغط الهواء، تشبيع الهواء ببخار الزيت لتزييت الأجزاء المتحركة. عناصر نقل القدرة النيوماتيكية خطوط التوصيل (Air Lines): خطوط إمداد الهواء المضغوط من وحدة التوليد إلى الآلات. مواسير صلبة: من الصلب المجلفن، تشبه أنابيب الماء (OD, ID). أنابيب شبه صلبة: من النحاس أو الاستانلس ستيل، سهلة الثني. الخراطيم المرنة: تستخدم للمرونة وفي الأماكن ذات الاهتزازات الشديدة، من المطاط والبلاستيك. اعتبارات عامة لشبكات الهواء: ميل الخطوط الرئيسية $1-2\%$ أفقياً في اتجاه تدفق الهواء. وصل خط الحمل بالخط الرئيسي بكوع نصف قطره $5$ أضعاف قطر خط الحمل. السماح بارتخاء الخراطيم المرنة ($5\%$ من طولها). نصف قطر انحناء الخراطيم المرنة لا يقل عن $5$ أضعاف قطرها الخارجي. أدوات التوصيل (Fittings) أدوات التوصيل المقلوظة (Threaded Connectors): تستخدم مع مواسير الصلب، مصنوعة من الصلب أو سبائك النحاس، تستخدم شرائط إحكام الرباط. الوصلات السريعة (Quick Connect Couplings): تستخدم مع الخراطيم المرنة، تتميز بسرعة التجميع والفك دون تسرب للهواء (تحتوي على صمام لا رجعي). عناصر الفعل (الحركة) الأسطوانات الهوائية (Pneumatic Cylinders): أهم عناصر الفعل للحصول على حركة خطية، ترددية، أو زاوية. أسطوانات أحادية الفعل (Single-acting Cylinders): تعطي قوة دفع في اتجاه الذهاب فقط. تحتوي على فتحة واحدة لدخول وخروج الهواء. يعود المكبس بفعل ياي الإرجاع عند انقطاع الهواء. أسطوانات ثنائية الفعل (Double-acting Cylinders): تعطي قوة دفع في اتجاهي الذهاب والعودة. تحتوي على فتحتين: فتحة غرفة المكبس وفتحة غرفة العمود. تتقدم الأسطوانة بدخول الهواء لغرفة المكبس، وتتراجع بدخوله لغرفة العمود. أسطوانة خطية (Linear drive): تستخدم للحركة الأفقية. أسطوانة متعددة المواضع: للحصول على أكثر من موضع تشغيل بالتحكم في ذراعي الأسطوانة. أسطوانة ثنائية الفعل بذراعي دفع: لدفع مزدوج في شوطي الذهاب والعودة. أسطوانة تلسكوبية: للحصول على أشواط كبيرة، تتكون من مكابس متداخلة. أسطوانة تخمد في اتجاه الذهاب: لخفض السرعة في نهاية الشوط لمنع التصادم. أسطوانة تكبير الضغط: للاستخدامات التي تتطلب ضغطاً كبيراً جداً بمعدل تدفق صغير. أسطوانة دوارة: تعطي زوايا دورانية أقل من $360^\circ$ في الاتجاهين. المحركات الهوائية (Air Motors): تفضل على المحركات الكهربائية في القدرات الصغيرة (أقل من $30$ حصان) للأسباب التالية: سعرها وتكاليف تشغيلها منخفضة نسبياً. أكثر أماناً في الأماكن الخطرة (لا شرر كهربائي). لا تحتاج لحماية ضد زيادة الأحمال وعزم بدء تشغيلها كبير. أحجام وأوزان صغيرة، سهلة الصيانة. سهولة التحكم في سرعاتها بالصمامات الخانقة اللارجعية. تستخدم كبادئات لبعض محركات الديزل والتوربينات الغازية. رموز المحركات الهوائية (حسب الوظيفة): محرك هوائي بسرعة ثابتة، يدور في اتجاه واحد: (رمز محرك بدائرة وبداخله سهم واحد) محرك هوائي بسرعة ثابتة، يدور في اتجاهين: (رمز محرك بدائرة وبداخله سهمان متعاكسان) محرك هوائي بسرعة متغيرة، يدور في اتجاه واحد: (رمز محرك بدائرة وبداخله سهم واحد وخط مائل للتغير) محرك هوائي بسرعة متغيرة، يدور في اتجاهين: (رمز محرك بدائرة وبداخله سهمان متعاكسان وخط مائل للتغير) عناصر التحكم النيوماتيكية صمامات التحكم في التدفق/الاتجاه (Directional Control Valves) تصمم لتوجيه الهواء المضغوط لتشغيل أو إيقاف عناصر الفعل. تسمى الصمامات حسب عدد الفتحات ومواضع التشغيل. يرمز لكل صمام بمستطيل مقسم إلى مربعات (أوضاع التشغيل). تحدد مسارات التدفق بأسهم. يستخدم حرف $T$ للإشارة إلى فتحة مغلقة. توصل خطوط رأسية بأطراف التوصيل في الوضع الابتدائي. رموز أنواع مختلفة من الصمامات: صمام $2/2$ (وضعي تشغيل وفتحتين): رمز مربعين متجاورين بفتحتين. صمام $3/2$ مفتوح طبيعياً (NO): رمز مربعين بـ $3$ فتحات، في الوضع الطبيعي مفتوح. صمام $3/2$ مغلق طبيعياً (NC): رمز مربعين بـ $3$ فتحات، في الوضع الطبيعي مغلق. صمام $4/2$ (وضعي تشغيل وأربع فتحات): رمز مربعين بـ $4$ فتحات. صمام $5/2$ (وضعي تشغيل وخمس فتحات): رمز مربعين بـ $5$ فتحات. صمام $5/3$ (ثلاثة أوضاع تشغيل وخمس فتحات): رمز ثلاث مربعات بـ $5$ فتحات. عناصر إدخال الإشارة (وسائل تشغيل الصمام) إشارة ضغط هوائية (Pneumatic Actuation): سهم يشير إلى الصمام. ضاغط / زر ضغط (Push Button): دائرة صغيرة. مفتاح نهاية المشوار (Limit Switch Roller): مثلث مع عجلة. يعمل في اتجاهين. يعمل في اتجاه واحد (Idle Return Roller). رافعة (Lever Operated): شكل رافعة. ضاغط (بالقدم) (Foot Pedal): شكل قدم. ملف كهربي (Solenoid): شكل ملف. ياي إرجاع (Spring Return): شكل ياي. الضواغط والمفاتيح اليدوية (Push Buttons - Switches) المفتاح الانضغاطي: يغير وضع الصمام ويظل على هذا الوضع حتى يتم الضغط عليه مرة أخرى. الضاغط (Push Button): يغير حالة الصمام فقط أثناء الضغط عليه، ويعود لوضعه الطبيعي عند إزالة الضغط. أنواع الضواغط: تشغيل (ON)، إيقاف (OFF)، طوارئ (Emergency). أنواع المفاتيح: انضغاطية، دوارة ذات موضعين، دوارة ذات ثلاث مواضع، دوارة ذات قفل. مفاتيح نهاية المشوار الميكانيكية (Limit Switches) تستخدم للتحكم في الأجسام المتحركة أو الحركة المتكررة. عند ضغط عنصر الفعل للمفتاح، يتحول الصمام NO إلى مغلق، و NC إلى مفتوح. صمامات التحكم في الضغط (Pressure Control Valve) تتحكم في ضغط الهواء المضغوط. صمامات الأمان (تفريغ الضغط) (Relief Valves): تحدد القيم العظمى للضغط. تستخدم في خزانات الهواء لمنع زيادة الضغط عن الحد الآمن. يمكن ضبطها يدوياً. صمامات تنظيم الضغط (Pressure Regulators): بدون فتحة تصريف: تقلل ضغط الهواء الداخل ($P1$) والخارج ($P2$). إذا زاد الضغط عند $P2$ (لتوقف الاستهلاك)، يقطع الصمام مرور الهواء ويعود الضغط للقيمة المقننة بعد استهلاكه. بفتحة تصريف: تقلل ضغط الهواء الداخل من فتحة $1$ والخارج من فتحة $2$. إذا زاد الضغط عند $2$، يقطع الصمام التدفق ويسمح بمرور الهواء من الحمل إلى الهواء الجوي، مما يحقق استقرار الضغط. صمامات التتابعية (Sequence Valves): تسمح بمرور الهواء المضغوط عندما يصل الضغط عند المدخل للحد المعاير عليه. تشبه صمامات الأمان في التصميم مع اختلاف الوظيفة. الصمامات اللارجعية (Check Valves) تسمح بمرور الهواء المضغوط في اتجاه واحد وتمنع سريانه في الاتجاه الآخر. رموز الأنواع المختلفة: الرمز $1$: صمام لا رجعي بياي. الرمز $2$: صمام لا رجعي بإشارة تحكم (Pilot-operated)، يحتوي على ثلاث فتحات (دخول، خروج، تحكم). الرمز $3$: صمام تفريغ سريع (Quick exhaust valve)، يتكون من صمام لا رجعي عادي وصمام لا رجعي بإشارة تحكم موصلين معاً.