Rozdzial 11 - sterowanie elektropneumatyczne PDF

Preview

Summary

sterowanie elektropneumatyczne...

Description

11. STEROWANIE ELEKTROPNEUMATYCZNE 11.1. Wstęp Połączenie sterowania elektrycznego i pneumatycznego stwarza możliwości wykorzystania zalet obu systemów. W sterowaniu elektropneumatycznym po stronie elektrycznej, stanowiącej część informacyjną, realizowane jest przetwarzanie i przenoszenie sygnałów sterujących, zaś po stronie pneumatycznej, stanowiącej część energetyczną, przenoszenie strumienia mocy i sterowanie odbiornikiem. Przejście ze strony elektrycznej na pneumatyczną odbywa się w przetwornikach elektropneumatycznych typu e/p. Takim przetwornikiem jest zawór rozdzielający elektropneumatyczny. Niezależnie od budowy i wielkości zawór rozdzielający obok funkcji przetwornika spełnia także funkcję wzmacniacza, np. sygnał elektryczny o niewielkiej mocy - rzędu kilku W - jest przetwarzany w strumień mocy rzędu kW, który jest zależny od natężenia przepływu i ciśnienia czynnika roboczego. Do budowy układów elektrycznych stosowane są elektromagnesy, przekaźniki, przyciski, wyłączniki krańcowe, czujniki położenia i ciśnienia i inne elementy sterowania elektrycznego, jak też elementy i urządzenia elektroniczne. Zasadniczą zaletą sterowania elektropneumatycznego jest szybkość przenoszenia sygnałów na znaczne odległości. Szybkość przesyłu informacji po stronie elektrycznej, w połączeniu z szybkością działania napędu pneumatycznego, umożliwia w praktyce sterowanie przebiegiem szybkich procesów produkcyjnych. Przy wyborze rodzaju sterowania, pomiędzy czysto pneumatycznym a elektropneumatycznym, należy uwzględnić następujące czynniki:  odległość pomiędzy sterowanymi elementami,  ilość elementów łączonych ze sobą,  kombinacja połączeń,  prostota budowy i konserwacji,  możliwość programowania,  koszty inwestycji i eksploatacji. 11.2. Zawory rozdzielające elektropneumatyczne Zadaniem zaworów rozdzielających w napędach pneumatycznych jest łączenie lub zamykanie dróg przepływu sprężonego powietrza, co umożliwia z kolei sterowanie kierunkiem ruchu odbiorników. Ważną cechą każdego zaworu rozdzielającego jest rodzaj sterowania (np. ręczne, elektryczne, pneumatyczne, elektropneumatyczne), który jest przyporządkowany do zaworu i nie zależy od jego budowy czy funkcji. Jednakowe sterowanie może być przyporządkowane zaworom rozdzielającym 2, 3, 4 czy 5 drogowym, zarówno dwu jak i trójpołożeniowym. Zawory elektropneumatyczne przesterowywane są za pomocą elektromagnesu, dlatego też określa się je często jako zawory elektromagnetyczne. Do budowy zaworów elektropneumatycznych stosuje się cewki elektromagnesów zasilane prądem stałym lub przemiennym. Stosowane napięcia zestawiono w tabl.11.1. Najczęściej jednak stosowane są cewki elektromagnesów zasilane prądem stałym o napięciu 12 V lub 24 V o poborze

mocy odpowiednio 1,8 W lub 3,6 W. W tym przypadku, jako nadajniki sygnału do bezpośredniego sterowania zaworem mogą być stosowane sygnały z przycisków ręcznych, wyłączników krańcowych, czujników położenia czy ciśnienia oraz sterowników elektronicznych. Tablica 11.1 Napięcia cewek elektromagnesów Prąd stały [ V] Prąd przemienny [ V ] 6 12 12 24 24 48 48 110 110 220

Ze względu na niewielką moc elektromagnesu sterowanie bezpośrednie stosuje się w zaworach rozdzielających małych, o przekroju nominalnym kanałów przepływowych do 6 mm, nie wymagających dużej siły do przesterowania suwaka bądź grzybka. Przykład konstrukcji zaworu rozdzielającego elektropneumatycznego sterowanego bezpośrednio pokazano na rys.11.1. W stanie beznapięciowym cewki 6 sprężyna 5 przesuwa suwak 4 w położenie prawe, dzięki czemu uzyskuje się połączenie kanałów PB i A-S. Po wzbudzeniu cewki rdzeń elektromagnesu przesuwa suwak w lewo łącząc kanały P-A i B-R.

Rys.11.1. Zawór rozdzielający elektropneumatyczny typu 5/2 sterowany bezpośrednio: a) schemat konstrukcyjny, b) symbol graficzny Zawór rozdzielający elektropneumatyczny sterowany pośrednio składa się z dwóch zaworów, które tworzą zwartą konstrukcję (rys.11.2 i 11.3). Zawór wstępny (pilot), sterowany bezpośrednio elektromagnesem, służy do przesterowania zaworu głównego sterowanego pneumatycznie z linii zasilania. Na schematach pneumatycznych zamiast schematu funkcjonalnego złożonego z dwóch zaworów (rys.11.2b i 11.3b) rysuje się

symbol graficzny uproszczony, na którym pokazany jest układ połączeń zaworu głównego oraz sposób jego sterowania (rys.11.2c i 11.3c). Zawory rozdzielcze elektropneumatyczne mogą być mono- lub bistabilne. W zaworze monostabilnym jedno z położeń funkcjonalnych jest wymuszone przez sprężynę powrotną (rys.11.2). Zawór pozostaje przesterowany dopóty, dopóki elektromagnes znajduje się pod napięciem.

Rys.11.2. Zawór rozdzielający elektropneumatyczny sterowany pośrednio, monostabilny: a) przekrój, b) schemat funkcjonalny, c) symbol graficzny

Rys.11.3. Zawór rozdzielający elektropneumatyczny sterowany pośrednio, bistabilny: a) przekrój, b) schemat funkcjonalny, c) symbol graficzny Zanik sygnału zamierzony lub przypadkowy powoduje przesterowanie zaworu w położenie wymuszone sprężyną i powrót siłownika do pozycji wyjściowej (rys.11.4a). W przypadku pneumatycznych uchwytów, zacisków, imadeł itp. może to powodować zwolnienie przedmiotu, czy narzędzia. Zawór bistabilny pozostaje w zadanym położeniu, utrzymywanym siłami tarcia w uszczelnieniach, aż do chwili kiedy pojawi się sygnał sterujący z przeciwnej strony

(rys.11.3). Zastosowanie zaworu do sterowania siłownikiem (rys.11.4b) nie wywołuje przypadkowych ruchów w stanach zaniku napięcia w układzie zasilania elektrycznego. Zawory rozdzielające elektropneumatyczne Tabela 11.2.

Na rynku dostępne są zawory rozdzielające elektropneumatyczne wielu firm, a każda z nich oferuje wiele różnych rozwiązań konstrukcyjnych i funkcjonalnych. Przykładowo wybrane symbole graficzne zestawiono w tabl.11.2. Rys.11.4.Sterowanie elektropneumatyczne siłownikiem: a) zaworem monostabilnym, b) zaworem bistabilnym 11.3. Elektryczne czujniki położenia W pneumatycznych układach napędowych maszyn, pracujących w cyklu automatycznym, występują liczne wielkości, które w czasie trwania procesu produkcyjnego powinny być mierzone i przetwarzane na odpowiednie sygnały sterujące pracą maszyn. W urządzeniach sterowanych w zależności od drogi niezbędne są czujniki położenia, sygnalizujące aktualne położenie elementu wykonawczego. W układach pneumatycznych z elektrycznym układem sterowania znajdują zastosowanie zarówno wyłączniki krańcowe mechaniczne, jak też bezdotykowe czujniki położenia: zbliżeniowe, indukcyjne, optyczne lub pojemnościowe. a) Wyłącznik elektryczny

Rys.11.5. Wyłącznik drogowy mechaniczno-elektryczny: a) z dźwignią i rolką, b) z dźwignią łamaną i rolką

krańcowy

mechaniczno-

Na rys.11.5 pokazano widok i symbol wyłącznika krańcowego z dźwignią i rolką. Zwarcie styków następuje po ugięciu dźwigni wywołanym krzywką. Powrót dźwigni zapewnia rys. 11.5a zwiera styki dla obu kierunków ruchu stawiony na rys. 11.5b zwiera styki tylko dla jednego

b) Przełącznik zbliżeniowy Przełącznik zbliżeniowy służy do bezdotykowego sygnalizowania położenia, w którym sygnał elektryczny wywołany jest polem magnetycznym. Na rys.11.6 pokazano przełącznik zamontowany na siłowniku. Siłownik może być wyposażony w jeden lub więcej przełączników.

Przełącznik składa się z kontaktronu 1 wtopionego w blok z żywicy syntetycznej. Elastyczne styki kontaktronu wykonane są z ferromagnetycznego materiału (żelazo - nikiel). Jego styki zostają zwarte pod wpływem zbliżenia pola magnetycznego, które w przypadku siłowników wytwarzane jest przez magnes stały 2 wbudowany w tłok 3. Przełącznik jest normalnie otwarty, zwiera się wskutek działania pola magnetycznego i zamyka obwód elektryczny.

Rys.11.6. Przełącznik zbliżeniowy (kontaktronowy) zabudowa na siłowniku pneumatycznym

c) Czujnik indukcyjny

Rys.11.7. Czujnik indukcyjny - schemat konstrukcyjny; 1 – obudow 2- kabel, 3 - dioda LED, 4 - pokrywa, 5 – układ hybrydowy, 6 – folia osłonowa, 7 - opór wyrównawczy, 8 - tuleja cewki

Działanie czujnika indukcyjnego, pokazanego na rys.11.7, polega na indukowaniu prądów wirowych w metalu zbliżonym do czułej powierzchni czujnika, znajdującej się w przedniej części obudowy. Indukowanie prądów wirowych odbywa się kosztem energii pola magnetycznego wytworzonego wokół czoła czujnika przez obwód indukcyjny generatora wysokiej częstotliwości. Układ progowy kontroluje amplitudę generowanego napięcia, które maleje wraz ze zbliżaniem metalu. Przełączenie obwodu wyjściowego sygnalizowane jest diodą LED. d) Czujnik optyczny Czujniki optyczne są elementami, których działanie polega na wysyłaniu wiązki promieni świetlnych przez nadajnik i ich odbieraniu przez odbiornik. Reagują one na obiekty, które znajdują się na drodze przebiegu światła. W większości czujniki optoelektroniczne wykorzystują modulowane światło z zakresu bliskiej podczerwieni.

W czujnikach optoelektroniczno-odbiciowych nadajnik i odbiornik umieszczone są we wspólnej obudowie. Reagują one na obiekty wprowadzone w strefę działania czujnika. Część promieni podczerwonych emitowanych przez nadajnik, napotykając na przeszkodę, odbija się od niej i trafia do odbiornika, gdzie po wzmocnieniu służy do wytworzenia sygnału wyjściowego. 11.4. Projektowanie elektropneumatycznych układów sterowania Projektowanie układów elektropneumatycznych polega na doborze elementów pneumatycznych i elektrycznych, a następnie ich połączeniu w układ elektropneumatyczny, tak aby uzyskać zamierzone działanie. W układach sekwencyjnych praca elementów wykonawczych odbywa się w określonej kolejności, w kolejnych taktach. Przejście do kolejnego taktu jest uwarunkowane zakończeniem poprzedniego. Niezbędne są zatem elementy wejściowe przetwarzające informacje o stanie (położeniu) elementów wykonawczych. Tok projektowania układu elektropneumatycznego obejmuje:  opisanie pracy układu (np. sporządzenie cyklogramu),  dobór elementów wykonawczych (siłowników jedno- lub dwustronnego działania ew. wahadłowych),  dobór przetworników e/p (zaworów rozdzielających elektropneumatycznych),  dobór elementów wejściowych przetwarzających informacje o stanie elementów wykonawczych (np. czujników położenia),  sporządzenie schematu połączeń układu pneumatycznego,  sporządzenie schematu połączeń układu elektrycznego. W dalszej części zostanie omówione jedynie projektowanie elektrycznego układu sterowania, którego rezultatem jest schemat połączeń. Do sterowania elektropneumatycznego najczęściej wykorzystywane są układy elektryczne zbudowane z elementów o działaniu przekaźnikowym, zwane też układami przełączającymi. Do sporządzania schematów układów elektrycznych stosuje się symbole graficzne, których wybór zestawiono w tabl.11.3. Układ przełączający można zaprojektować metodą:  intuicyjną - opartą na znajomości układów elementarnych,  algorytmiczną - opartą na algorytmie postępowania,  analityczną - opartą na algebrze Boole'a. Rozpatrując podstawowe przypadki sterowania siłowników pneumatycznych można utworzyć szereg elementarnych układów elektrycznych. Ich znajomość pozwala na opracowanie stosunkowo prostych układów napędowych, złożonych z kilku siłowników jedno- i dwustronnego działania. W układach pokazanych na rys.11.8 po naciśnięciu przycisku S i podaniu napięcia na cewkę elektromagnesu Y zostaje przesterowany zawór rozdzielający i rozpoczyna się wysuw tłoczyska siłownika, który trwa dopóki wciśnięty jest przycisk. Po jego zwolnieniu i odwzbudzeniu elektromagnesu, zawór samoczynnie powraca w położenie wyjściowe, a tłoczysko wykonuje ruch powrotny, co obrazuje poniżej wykres drogi.

Zastosowanie w miejscu przycisku impulsowego przycisku z podtrzymaniem S (rys.11.9) powoduje, że po jego naciśnięciu tłoczysko zostaje wysunięte i pozostaje w tym położeniu do chwili, aż przycisk nie zostanie zwolniony. Podobny efekt można uzyskać poprzez zastosowanie zaworu rozdzielającego bistabilnego i dwóch przycisków impulsowych S1 i S2 (rys.11.10).

Rys.11.8. Sterowanie siłownikiem pneumatycznym w układzie z zaworem rozdzielającym monostabilnym za pomocą przycisku ręcznego: a) układ z siłownikiem jednostronnego działania, b) układ z siłownikiem dwustronnego działania, c) schemat elektryczny

Rys.11.9. Sterownie siłownikiem pneumatycznym w układzie z zaworem rozdzielającym monostabilnym za pomocą przycisku z podtrzymaniem: a) układ z siłownikiem jednostronnego działania, b) układ z siłownikiem dwustronnego działania, c) schemat elektryczny W przypadku konieczności uruchomienia siłownika z dwóch miejsc wykorzystuje się układ połączeń realizujący alternatywę (rys.11.11a). Natomiast gdy występuje konieczność uzyskania ruchu po podaniu dwóch sygnałów jednocześnie (np. z dwóch przycisków ręcznych), wtedy stosuje się układ połączeń realizujący koniunkcję (rys.11.11b). Przerwanie ruchu można uzyskać przyciskiem rozwiernym realizującym funkcję negacji (rys.11.11c).

Rys.11.10. Sterowanie siłownikiem pneumatycznym w układzie z zaworem rozdzielającym bistabilnym za pomocą przycisku impulsowego: a) układ z siłownikiem jednostronnego działania, b) układ z siłownikiem dwustronnego działania, c) schemat elektryczny

Do sterowania przebiegiem ruchu położenia (rys.11.12).

w zależności od drogi stosuje się czujniki

Rys.11.11. Układ połączeń elektrycznych realizujących funkcje: a) alternatywy, b)koniunkcji, c) negacji.

Rys.11.12. Sterowanie siłownikiem dwustronnego działania w zależności od drogi w układzie z zaworem rozdzielającym bistabilnym typu 5/2: a) schemat pneumatyczny, b) cyklogram pracy, c) schemat elektryczny z przyciskiem S i czujnikiem położenia a1

W położeniu wysuniętym czujnik położenia a1 generuje sygnał wyjściowy załączający elektromagnes Y2 i tym samym po przesterowaniu zaworu rozdzielającego w położenie wyjściowe rozpoczyna się samoczynny powrót tłoka do położenia początkowego. W obwodach elektrycznych sterowania elektropneumatycznego znajdują zastosowanie przekaźniki. Przekaźniki są łącznikami, które posiadają zestyki zwierne i rozwierne, które zostają przełączone i utrzymane w zadanym stanie pod działaniem elektromagnesu. Otwieranie zestyków zwiernych oraz zamykanie rozwiernych następuje

pod działaniem sprężyny po przerwaniu zasilania elektromagnesu. Przekaźniki mogą być wyposażone dodatkowo w przekaźnik czasowy realizujący zwłokę w przełączeniu zestyków po wzbudzeniu bądź po odwzbudzeniu. Przekaźniki stosuje się najczęściej do wzmocnienia impulsu sterującego (prąd w uzwojeniu elektromagnesu przekaźnika wynosi kilka setnych ampera) i przesterowania swoich zestyków, z których każdy może znajdować się w innym obwodzie elektrycznym. Przykład układu sterowania zaworem rozdzielającym elektropneumatycznym, bistabilnym z zastosowaniem przekaźników pokazano na rys.11.13. Wciśnięcie przycisku S powoduje wzbudzenie elektromagnesu przekaźnika K1, zwarcie jego zestyku k1 i przepływ prądu przez elektromagnes Y1 zaworu rozdzielającego. Bistabilny zawór pozostaje przesterowany do czasu zadziałania czujnika położenia a1, wzbudzenia cewki przekaźnika K2, zwarcia zestyku k2 i przesterowania zaworu wskutek przepływu prądu przez elektromagnes Y2.

Rys.11.13. Sterowanie siłownikiem dwustronnego działania w zależności drogi w układzie z zaworem rozdzielającym bistabilnym typu 5/2: a) schemat pneumatyczny, b) cyklogram pracy, c) schemat elektryczny z przyciskiem S, czujnikiem położenia a1 oraz przekaźnikami K1 i K2 Układ z podtrzymaniem własnego sygnału przez przekaźnik K w układzie napędowym z zaworem rozdzielającym monostabilnym pokazano na rys.11.14. Wciśnięcie przycisku impulsowego S1 ze stykami zwiernymi powoduje wzbudzenie elektromagnesu przekaźnika K, zwarcie jego zestyków i przepływ sygnału przez elektromagnes Y zaworu monostabilnego. Jednocześnie przekaźnik jest podtrzymywany przez jego własny zestyk. Dopiero wciśnięcie przycisku S2 i otwarcie zestyku rozwiernego przerywa zasilanie przekaźnika K, powoduje otwarcie styków i odwzbudzenie Y. Siłownik powraca do położenia początkowego

Rys.11.14. Sterowanie siłownikiem w układzie z zaworem rozdzielającym monostabilnym: a) schemat pneumatyczny, b) schemat elektryczny z przekaźnikiem K z samopodtrzymaniem . 11.5. Przykład układu sterowania elektropneumatycznego Przykład układu sterowania elektropneumatycznego pracą dwóch siłowników pneumatycznych pokazano na rys.11.15. Siłownik jednostronnego działania A sterowany jest bistabilnym zaworem rozdzielającym typu 3/2. Pomiędzy zaworem a siłownikiem zainstalowano zawór dławiący, który umożliwia nastawę prędkości ruchu tłoka. Siłownik dwustronnego działania B sterowany jest bistabilnym zaworem rozdzielającym 5/2. Schemat połączeń pneumatycznych pokazano na rys.11.15a. Na rys.11.15b przedstawiono cyklogram pracy. Czasy zwłoki t1 i t2 nastawiane są za pomocą przekaźników czasowych K1 i K2. Funkcjonowanie elektrycznego układu sterowania pokazano na rys.11.15c. Naciśnięcie przycisku START powoduje wzbudzenie cewki elektromagnesu Y1. Jej zasilanie spowoduje przesterowanie zaworu 3/2 i wysuw tłoczyska siłownika A. Wysunięte tłoczysko zamyka obwód czujnika położenia a1, który zasila cewkę przekaźnika K1 działającego ze zwłoką przy wzbudzaniu. Zwarcie zestyku przekaźnika K1 powoduje wzbudzenie cewki elektromagnesu Y3, która przesteruje zawór rozdzielczy 5/2 i spowoduje wysuw tłoczyska siłownika B. Wysunięte tłoczysko tego siłownika zamyka obwód czujnika b1, który zasila cewkę przekaźnika K2. Poprzez zestyk zwierny przekaźnika K2 zasilana zostaje cewka Y2, która przesteruje zawór 3/2 i tłoczysko siłownika A wykonuje ruch wycofania. Wycofane tłoczysko zamyka obwód czujnika a0, który zasila cewkę Y4. Spowoduje to przesterowanie zaworu 5/2 i wycofanie tłoczyska siłownika B.

Rys.11.15. Przykład sterowania elektropneumatycznego pracą dwóch siłowników: a) schemat pneumatyczny, b) cyklogram pracy, c) schemat elektryczny 11.6. Przebieg ćwiczenia 1. 2. 3. 4. 5.

Zapoznać się z wyposażeniem stanowiska dydaktycznego. Dla podanego cyklogramu narysować schemat układu pneumatycznego. Opracować schemat połączeń układu elektrycznego. Zmontować układ sterowania elektrycznego. Sprawdzić zgodność działania układu z podanym cyklogramem....