เหตุใดหน่วยปั๊มไฮดรอลิกไฟฟ้าจึงต้องใช้สวิตช์ควบคุมการเปิด-ปิดตามแรงดัน

หน่วยขับเคลื่อนไฮดรอลิกที่ใช้ปั๊มแบบปริมาตรคงที่ทำงานร่วมกับวาล์วปล่อยแรงดัน ถ้าพิจารณาจากมุมมองด้านพลังงาน คือเครื่องจักรที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้กลายเป็นความร้อนโดยผ่านขั้นตอนเพิ่มเติม ปั๊มยังคงหมุนต่อเนื่อง น้ำมันยังไหลต่อเนื่อง และวาล์วปล่อยแรงดันก็ยังคงปล่อยน้ำมันกลับเข้าสู่ถังเก็บอย่างต่อเนื่องภายใต้แรงดันที่ตั้งไว้ ไม่มีสิ่งใดเกิดขึ้นอย่างมีประโยชน์เลยนอกจากน้ำมันจะร้อนขึ้นเรื่อย ๆ และมิเตอร์วัดไฟฟ้าจะหมุนต่อไปอย่างไม่หยุดหย่อน สวิตช์ควบคุมแรงดันแบบเปิด-ปิดอัตโนมัติจะหยุดวงจรนี้ชั่วคราว โดยมันตรวจวัดแรงดันในระบบและสั่งให้คอนแทคเตอร์ของมอเตอร์ตัดหรือจ่ายไฟให้มอเตอร์ตามความจำเป็น ส่วนประกอบตัวนี้มีขนาดเล็กและราคาถูกเมื่อเทียบกับปั๊มหรือมอเตอร์ แต่ผลที่ตามมาจากการไม่ติดตั้งมัน หรือตั้งค่าการทำงานผิดพลาด กลับไม่เล็กน้อยและไม่ถูกเลย

วาล์วปล่อยแรงดันไม่ได้ควบคุมการใช้พลังงาน แต่ทำหน้าที่สลายพลังงานออกไป

วาล์วปล่อยแรงดันส่วนเกินทำหน้าที่ป้องกันวงจรจากความดันเกินขีดจำกัด นั่นคือหน้าที่หลักของมัน มันไม่ใช่ตัวควบคุมแรงดันในเชิงการจัดการพลังงาน เมื่อปั๊มแบบปริมาตรคงที่ยังคงทำงานต่อไปหลังจากแอคทูเอเตอร์หยุดนิ่งหรือคลิปป์ปิดสนิท ปริมาตรน้ำมันทุกลิตรต่อนาทีที่เกินความต้องการของโหลดจะไหลผ่านวาล์วปล่อยแรงดันส่วนเกินที่ตั้งค่าไว้ ซึ่งการไหลนั้นจะเปลี่ยนเป็นความร้อนในอัตราที่สัมพันธ์โดยตรงกับผลคูณของแรงดันและอัตราการไหล ในการศึกษาชุดระบบไฮดรอลิกสำหรับการยึดชิ้นงาน (clamping powerpack) โดยกาตทิงเงอร์และชวิมเมอร์ที่เวเบอร์-ไฮดรอลิก พบว่ามอเตอร์ทำงานประมาณร้อยละหกสิบของรอบเวลาทั้งหมด 483 วินาที และส่วนใหญ่ของช่วงเวลาที่มอเตอร์ทำงานนั้น น้ำมันไหลผ่านวาล์วปล่อยแรงดันส่วนเกินหลัก ทำให้อุณหภูมิน้ำมันคงตัวอยู่ที่ประมาณ 90 องศาเซลเซียส แม้ว่าแรงดันขณะยึดชิ้นงานจะอยู่เพียงราว 80 บาร์เท่านั้น ปรากฏการณ์นี้คือลักษณะเด่นของปั๊มที่ยังคงหมุนต่อโดยไม่มีคำสั่งหยุดที่ขึ้นอยู่กับแรงดัน

การปรับปรุงในงานวิจัยนั้นไม่ได้ใช้ปั๊มตัวใหม่ หรืออัปเกรดให้สามารถเปลี่ยนอัตราการจ่ายได้ แต่เป็นการติดตั้งแอคคิวมูเลเตอร์ขนาดเล็กที่พอร์ตความดัน และต่อสวิตช์ควบคุมความดันแยกตัวเข้ากับคอนแทคเตอร์ของมอเตอร์ เพื่อให้ปั๊มเริ่มทำงานอีกครั้งก็ต่อเมื่อความดันในแอคคิวมูเลเตอร์ลดลงต่ำกว่าค่าเกณฑ์ที่ตั้งไว้บนสวิตช์เท่านั้น เวลาที่มอเตอร์ทำงานจริงจึงลดลงเหลือเพียงไม่กี่รอบสั้นๆ ต่อหนึ่งรอบการทำงานโดยรวม การวัดค่าการใช้พลังงานพบว่าลดลงจาก ๙๖ วัตต์-ชั่วโมง เป็น ๑๑ วัตต์-ชั่วโมง ต่อหนึ่งรอบ และอุณหภูมิของน้ำมันหล่อลื่นคงที่อยู่ที่อุณหภูมิห้อง แทนที่จะสูงถึง ๙๐ องศาเซลเซียส สวิตช์ตัวนี้ทำหน้าที่ที่วาล์วปล่อยแรงดันไม่สามารถทำได้ นั่นคือ หยุดการจ่ายพลังงานเพื่อสร้างแรงดันที่ไม่ได้ถูกใช้งานจริง

สวิตช์ควบคุมความดันกับวงจรปลดแรงดันแก้ปัญหาคนละประเภท

ควรแยกสวิตช์เปิด-ปิดออกจากวาล์วปล่อยแรงดันหรือวงจรปล่อยแรงดัน เนื่องจากทั้งสองส่วนมักถูกกล่าวถึงร่วมกัน และมีหน้าที่ทับซ้อนกันบางประการ แต่ทำงานบนส่วนต่าง ๆ ของระบบ วาล์วปล่อยแรงดันจะเบี่ยงเบนกระแสไหลของปั๊มไปยังถังที่ความดันต่ำ ในขณะที่ปั๊มยังคงหมุนอยู่ ส่วนสวิตช์ควบคุมแรงดันแบบเปิด-ปิดจะตัดพลังงานไฟฟ้าออกจากมอเตอร์ ส่วนแรกช่วยประหยัดพลังงานไฮดรอลิกโดยลดการตกของแรงดันผ่านปั๊ม ส่วนหลังช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าโดยหยุดการทำงานของเครื่องขับเคลื่อนหลัก

การเปรียบเทียบแนวทางทั้งสองแบบในระบบจ่ายพลังงานแบบปริมาตรคงที่ ทำให้เห็นความแตกต่างได้ชัดเจน

แถวที่สามคือจุดที่สวิตช์ควบคุมการเริ่ม-หยุดแสดงคุณค่าที่แท้จริง ในกรณีของเวเบอร์-ไฮดรอลิก สวิตช์ความดันนี้แทนคำสั่งสตาร์ทมอเตอร์แบบกำหนดตามเวลาจากตัวควบคุมเครื่องจักรระดับสูงกว่า ตัวควบคุมนั้นสั่งให้มอเตอร์สตาร์ทก่อนเหตุการณ์การหนีบหรือปลดหนีบทุกครั้ง และสั่งหยุดมอเตอร์ตามตัวจับเวลาที่ตั้งตายตัว โดยไม่คำนึงว่าความดันจะมีอยู่แล้วหรือไม่ สวิตช์ตัวนี้ทำให้มอเตอร์ตอบสนองต่อความต้องการไฮดรอลิกที่แท้จริง แทนที่จะตอบสนองตามตารางเวลา

ช่วงความคล่องตัว (deadband) คือการปรับค่าที่กำหนดว่า สวิตช์นี้จะเป็นประโยชน์หรือสร้างปัญหา

สวิตช์ความดันแบบเริ่ม-หยุดไม่ทำงานที่ความดันค่าเดียว แต่มีความดันตัดออก (cut-out pressure) ซึ่งเป็นจุดที่มอเตอร์หยุดทำงาน และมีความดันตัดเข้า (cut-in pressure) ซึ่งเป็นจุดที่มอเตอร์เริ่มทำงานใหม่ ความต่างระหว่างสองค่านี้เรียกว่า เดดแบนด์ (deadband) หรือบางครั้งเรียกว่า ดิฟเฟอเรนเชียล (differential) หรือ ฮิสเตอรีซิส (hysteresis) หากตั้งค่าเดดแบนด์แคบเกินไป ปั๊มจะทำงาน-หยุดทำงานซ้ำๆ อย่างรวดเร็ว (short-cycle) ทุกครั้งที่มีการรั่วเล็กน้อยหรือการหดตัวจากความร้อนทำให้ความดันลดลงต่ำกว่าจุดตัดเข้า ในทางกลับกัน หากตั้งค่าเดดแบนด์กว้างเกินไป ความดันในระบบจะผันผวนมากจนถึงขั้นตัวขับเคลื่อน (actuator) หรือแคลมป์ (clamp) อาจไม่ได้รับความดันที่จำเป็นก่อนที่มอเตอร์จะเริ่มทำงานอีกครั้ง

ข้อมูลการตั้งค่าสวิตช์ที่เผยแพร่สามารถบ่งบอกถึงช่วงความดันที่ใช้งานได้จริง สำหรับสวิตช์วัดความดันเชิงอุตสาหกรรม มักจะมีช่วงความดันที่ไม่ตอบสนอง (deadband) ตั้งแต่ค่าคงที่ต่ำสุดจนถึงประมาณร้อยละ 45 ของค่าความดันที่ตั้งไว้ (set point) เป็นแนวทางปฏิบัติทั่วไปในการออกแบบหน่วยขับเคลื่อนไฮดรอลิก คือ เริ่มต้นด้วย deadband ที่ร้อยละ 10 ถึง 15 ของความดันที่ตัดออก (cut-out pressure) แล้วจึงขยายช่วงนี้ออกหากการนับจำนวนรอบการทำงาน (cycle counting) แสดงว่ามีการเริ่มทำงานบ่อยเกินไป ค่าที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับปริมาตรของแอคคิวมูเลเตอร์ อัตราการรั่วของวาล์วตรวจสอบ (check valve leakage) และขอบเขตความแปรผันของความดันที่กระบวนการข้างปลายน้ำสามารถยอมรับได้ สวิตช์วัดความดันที่สามารถทำงานเชิงกลด้วยความต่างของความดัน 0.5 บาร์ ไม่ได้หมายความว่าจะต้องตั้งค่าให้แคบขนาดนั้นในระบบที่ทำงานที่ความดัน 200 บาร์

แบริ่งและคอนแทคของมอเตอร์มีความสำคัญต่อความถี่ของการเริ่มต้น

การเริ่มต้นทุกครั้งจะดึงกระแสล็อกโรเตอร์เป็นระยะเวลาสั้นๆ ก่อนที่มอเตอร์จะถึงความเร็วปกติ กระแสดังกล่าวสร้างความร้อนในขดลวดสตาเตอร์และแรงเครียดจากความร้อนในแท่งโรเตอร์ ผู้ผลิตมอเตอร์ระบุจำนวนครั้งที่อนุญาตให้เริ่มต้นต่อชั่วโมงไว้ และขีดจำกัดเหล่านี้มีเหตุผลที่ชัดเจน การติดตั้งสวิตช์ความดันที่มีค่าเดดแบนด์แคบเกินความจำเป็นอาจทำให้มอเตอร์ทำงานเกินขีดจำกัดการเริ่มต้นโดยไม่มีใครสังเกตเห็น จนกระทั่งคอนแทคเตอร์เชื่อมติดกันหรือขดลวดเสียหาย

ตรรกะเดียวกันนี้ใช้ได้กับขั้วต่อของสวิตช์ความดันเองด้วย สวิตช์กลไกที่ใช้ไมโครสวิตช์แบบสแนปแอ็กชันมีอายุการใช้งานทางไฟฟ้าจำกัด และการเริ่มต้นมอเตอร์แต่ละครั้งจะทำให้ขั้วต่อเหล่านี้ทำงานซ้ำหนึ่งรอบ โดยทั่วไปแล้วสวิตช์มักไม่ใช่จุดอ่อนที่สุด แต่จะกลายเป็นจุดอ่อนเมื่อตั้งค่าเดดแบนด์แคบมากจนปั๊มต้องเริ่มทำงานใหม่ทุกไม่กี่วินาที การติดตั้งแอคคิวมูเลเตอร์ขนาดเล็กหรือปรับค่าดิฟเฟอเรนเชียลให้กว้างขึ้นเพียงเล็กน้อยจะมีต้นทุนต่ำกว่าการเปลี่ยนคอนแทคเตอร์อย่างสม่ำเสมอ สวิตช์จึงควรได้รับการพิจารณาเป็นอุปกรณ์ควบคุมที่มีรอบการทำงาน (ดิวตี้ไซเคิล) ไม่ใช่เซนเซอร์แบบพาสซีฟ

ที่ซึ่งสวิตช์เริ่ม-หยุดไม่ใช่เครื่องมือที่เหมาะสม

มีกรณีที่สมเหตุสมผลหลายประการที่สวิตช์ความดันแบบเริ่ม-หยุดไม่ใช่ทางออกที่ถูกต้อง หากปั๊มจำเป็นต้องทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อจ่ายของไหลอย่างสม่ำเสมอให้กับวาล์วแบบสัดส่วนหรือแอคทูเอเตอร์เซอร์โว การหยุดมอเตอร์จะขัดต่อวัตถุประสงค์โดยสิ้นเชิง หากระบบไม่มีแอคคิวมูเลเตอร์และไม่มีวาล์วตรวจสอบที่สามารถรักษาระดับความดันไว้ได้หลังจากมอเตอร์หยุดทำงาน สวิตช์จะทำการสั่งให้ปั๊มเริ่มทำงานใหม่เกือบทันที ส่งผลให้เกิดการเปิด-ปิดซ้ำๆ อย่างรวดเร็ว (short cycling) แทนที่จะประหยัดพลังงาน ถ้ากระบวนการต้องการรักษาระดับความดันภายในช่วงแคบมาก สวิตช์ที่มี deadband ตามหลักปฏิบัติอาจไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านความแม่นยำได้ และระบบควบคุมความดันแบบสัดส่วนแบบปิดวงจร (closed-loop proportional pressure control) จะเหมาะสมกว่า

สวิตช์นี้ยังไม่สามารถแทนวาล์วระบายแรงดันได้ ทั้งนี้เป็นอุปกรณ์ควบคุม ไม่ใช่อุปกรณ์ความปลอดภัย จึงยังจำเป็นต้องติดตั้งวาล์วระบายแรงดันไว้ที่ความดันสูงกว่าความดันที่สวิตช์ตัดวงจร เพื่อป้องกันไม่ให้ปั๊มทำงานต่อไปอย่างไม่มีทางออกในกรณีที่สวิตช์เสียหรือคอนแทคเตอร์เกิดการเชื่อมติดกัน แม้ว่าอุปกรณ์ทั้งสองชนิดจะติดตั้งอยู่บนหน่วยเดียวกัน แต่ทำหน้าที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง และไม่ควรปรับค่าทั้งสองเพื่อชดเชยการทำงานของกันและกัน

ลักษณะของสวิตช์ควบคุมแรงดันที่ผสานเข้ากับหน่วยพลังงานได้อย่างลงตัว

ในหน่วยปั๊มไฮดรอลิกไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นอย่างเหมาะสม สวิตช์ควบคุมการเริ่ม-หยุดไม่ได้ถูกเพิ่มเข้ามาภายหลังเป็นสิ่งรอง แต่ตำแหน่งพอร์ตของมันจะตั้งอยู่ในจุดที่วัดแรงดันของระบบได้จริง ไม่ใช่บริเวณที่เป็น dead leg ซึ่งอาจกักอากาศไว้ หรือท่อที่วัดแรงดันได้เฉพาะในระหว่างการเคลื่อนที่ของแอคทูเอเตอร์เพียงครั้งเดียว ตู้ควบคุมไฟฟ้าออกแบบให้สอดคล้องกับสภาพแวดล้อมที่ใช้งาน ไม่ว่าจะเป็นพื้นที่ที่ต้องล้างด้วยน้ำ สถานที่ติดตั้งเครนกลางแจ้ง หรือเครื่องจักรกลที่มีละอองน้ำมันละเอียดลอยอยู่ในอากาศ ค่า set point และ deadband ของสวิตช์ได้รับการบันทึกไว้อย่างชัดเจน และคอนแทคเตอร์มอเตอร์มีค่าการรับโหลดสำหรับการสตาร์ทตามที่ระบุไว้

ไฮดราริท สร้างหน่วยขับเคลื่อนไฮดรอลิกโดยรวมรายละเอียดการติดตั้งเหล่านี้ไว้เป็นส่วนหนึ่งของการประกอบ แทนที่จะจัดเป็นตัวเลือกสำหรับติดตั้งในสนาม ด้านการผลิตมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะสวิตช์วัดแรงดันที่ระบุค่าได้อย่างถูกต้องแต่ติดตั้งบนแผ่นเชื่อมต่อ (manifold) ที่มีช่องรับสัญญาณแรงดันแคบเกินไป จะไม่สามารถตรวจจับแรงดันตามที่ออกแบบไว้ได้ การกลึงรูต่อ (port) อย่างสม่ำเสมอ การประกอบที่สะอาด และการทดสอบค่าแรงดันตัดออก (cut-out) กับแรงดันตัดเข้า (cut-in) อย่างเป็นทางการหลังกระบวนการผลิต คือสิ่งที่เปลี่ยนสวิตช์จากชิ้นส่วนที่ระบุในแคตตาล็อกให้กลายเป็นองค์ประกอบควบคุมที่ใช้งานได้จริง สวิตช์นั้นเรียบง่าย แต่ระบบโดยรอบต่างหากที่กำหนดว่ามันจะทำงานได้หรือไม่