Osnove pneumatskog upravljanja: shema, oznake, dijagram put–korak

Upravljanje i regulacija

Svaka automatizirana naprava mora u pravom trenutku pokrenuti pravi izvršni element. Kad cilindar A naprave SL-3 stegne lim, cilindar B smije krenuti tek kad je stezanje završeno. Kad B savije rub, mora se vratiti prije nego što A otpusti lim, a izbacivač C smije gurnuti komad tek kad su oba cilindra uvučena. Skup postupaka kojima se osigurava takav tijek zove se upravljanje. U pneumatici ga ostvarujemo ventilima koji propuštaju ili zatvaraju put stlačenom zraku, a podatke o stanju stroja dobivamo od tipkala, graničnih ventila i senzora.

U nazivlju automatizacije razlikuju se dva srodna, ali bitno različita pojma. Upravljanje je postupak u kojem ulazne veličine djeluju na izlazne po unaprijed zadanom pravilu, a izlazna veličina se ne mjeri radi usporedbe sa zadanom vrijednošću. Tok signala je tada otvoreni krug (upravljački lanac): signal ide od ulaza prema izlazu i ne vraća se. Regulacija je postupak u kojem se regulirana veličina neprekidno mjeri, uspoređuje sa zadanom vrijednošću, a razlika (regulacijsko odstupanje) djeluje tako da se veličina vrati na zadanu. Tok signala je zatvoreni krug s povratnom vezom.

Dobar primjer regulacije već poznajete iz pripremne grupe. Regulator tlaka namješten na 6 bar neprekidno „osjeća“ izlazni tlak na membrani: kad potrošnja naraste i tlak padne, sila opruge nadvlada silu tlaka, ventil se otvori više i tlak se vrati. Nitko ne mora ništa pritisnuti. Suprotno tome, ručni zaporni ventil na razvodnoj mreži samo je upravljanje: otvorite ga i zrak teče, ali ventil ne zna koliki je tlak iza njega.

Pneumatska upravljanja s graničnim ventilima u praksi se često zovu „upravljanja u zatvorenom krugu“, jer granični ventil javlja da je klipnjača stigla u krajnji položaj. Stručno je točnije reći da je riječ o slijednom upravljanju ovisnom o putu: granični ventil ne mjeri odstupanje od zadane vrijednosti, nego samo potvrđuje da je korak završen i dopušta sljedeći. Brzina, sila i položaj između krajnjih točaka pritom nisu regulirani. Prema tome što pokreće sljedeći korak razlikujemo upravljanje ovisno o putu (granični ventil ili senzor položaja), ovisno o vremenu (vremenski član) i ovisno o tlaku (proslijedni tlačni ventil). Pneumatski signal je gotovo uvijek binaran: tlak u vodu postoji (1) ili ne postoji (0).

Struktura pneumatske sheme

Pneumatska shema nije crtež stroja nego prikaz toka energije i signala. Zato se elementi u njoj raspoređuju po razinama prema zadaći koju obavljaju, a ne prema tome gdje su ugrađeni. Tok ide odozdo prema gore: na dnu je izvor energije, na vrhu izvršni elementi koji obavljaju rad. Na slici 3.1 prikazano je pet razina uobičajene sheme.

• Energetski dio — izvor stlačenog zraka (kompresor ili priključak mreže), pripremna grupa s pročistačem, regulatorom i po potrebi zauljivačem, glavni zaporni ventil i ventil za postupno punjenje. U shemi naprave obično se crta samo simbol izvora i pripremne grupe.
• Signalni elementi — daju ulazne signale: tipkala START i STOP, prekidači, granični ventili s valjčićem, pneumatski senzori blizine. Oni „javljaju“ što se događa.
• Procesni elementi — obrađuju signale: ventil I (ventil dvostrukog tlaka), ventil ILI (naizmjenični ventil), vremenski član, proslijedni tlačni ventil, memorijski ventil. Oni „odlučuju“.
• Upravljački elementi — razvodnici snage (najčešće 5/2 ili 3/2) koji prema dobivenom signalu propuštaju zrak velikog protoka prema cilindru. Oni „izvršavaju odluku“ i pojačavaju signal.
• Izvršni elementi — cilindri, zakretni cilindri i pneumatski motori, zajedno s prigušno-nepovratnim ventilima koji im namještaju brzinu. Oni obavljaju rad.

Ista logika poznata je iz računalstva kao niz ulaz – obrada – izlaz. Signalni elementi su ulaz, procesni elementi obrada, a upravljački i izvršni elementi izlaz. Nisu uvijek zastupljene sve razine. Kod izravnog upravljanja ručni razvodnik 3/2 istodobno je signalni i upravljački element, a procesnih elemenata uopće nema. Kod složene naprave kakva je SL-3 procesna razina sadrži nekoliko ventila I, ILI i vremenski član, pa shema bez jasnog razvrstavanja postaje nečitka.

Pravila crtanja i označavanja

Da bi shemu mogao pročitati svatko tko je nije crtao, pridržavamo se nekoliko pravila koja proizlaze iz norme ISO 1219 i dobre prakse:

1. Shema se crta odozdo prema gore po razinama sa slike 3.1: izvor dolje, cilindri gore.
2. Elementi se crtaju u početnom položaju: naprava je pod tlakom, spremna za start, a klipnjače su u položaju iz kojeg ciklus počinje. Granični ventil koji klipnjača u početnom položaju drži pritisnutim crta se kao aktiviran.
3. Shema ne prikazuje stvarni raspored elemenata. Granični ventil 1S3 može biti fizički ugrađen uz vrh klipnjače, ali se crta dolje, u signalnoj razini, a na klipnjači se samo crticom i oznakom označi mjesto na kojem se aktivira.
4. Radni i opskrbni vodovi crtaju se punom crtom, upravljački (pilotski) vodovi isprekidanom crtom. Spoj vodova označava se točkom, a križanje bez točke nije spoj.
5. Izvršni elementi crtaju se s lijeva na desno redom kojim se prvi put gibaju u ciklusu, a ispod svakoga njegov upravljački lanac.
6. Vodovi se crtaju vodoravno i okomito, s što manje križanja. Duljina crte ne govori ništa o stvarnoj duljini cijevi.

Na slici 3.2 prikazana je jednostavna shema koja poštuje sva navedena pravila. Cilindar 1A1 izvlači se kad je pritisnuto tipkalo 1S1 i kad je klipnjača uvučena, što javlja granični ventil 1S2. Oba signala spaja ventil I 1V2 i vodi na priključak 14 razvodnika 1V1. Kad klipnjača stigne naprijed, granični ventil 1S3 daje signal na priključak 12 i cilindar se vraća.

Za označavanje elemenata u praksi se koriste dva sustava. Slovno-brojčani sustav sastoji se od broja upravljačkog lanca, slova vrste elementa i rednog broja. Lanac 0 je energetski dio zajednički svim cilindrima, lanac 1 pripada prvom cilindru, lanac 2 drugom i tako dalje. Starija i još raširena brojčana oznaka piše 1.0 za cilindar, 1.1 za razvodnik snage, a signalne elemente numerira tako da parni brojevi (1.2, 1.4) djeluju na izvlačenje, a neparni (1.3, 1.5) na uvlačenje. Za projektiranje redoslijeda gibanja najpraktičniji je slovni sustav: cilindri su A, B, C, a granični ventili nose malo slovo cilindra i broj položaja — a0 javlja da je A uvučen, a1 da je izvučen.

Opis gibanja: od tehnološke sheme do skraćenog zapisa

Prije crtanja pneumatske sheme mora biti potpuno jasno što naprava treba raditi. Za to postoji nekoliko međusobno dopunjujućih oblika opisa. Prvi je tehnološka shema (položajni plan): pojednostavljeni crtež radnog mjesta na kojem se vide izradak, položaj cilindara i smjer njihova gibanja. Tehnološka shema naprave SL-3 prikazana je na slici 3.3.

Drugi oblik je pisani opis po koracima. On je razumljiv i naručitelju koji ne čita sheme, pa je dobar temelj ugovora o izradi naprave. Za SL-3 glasi ovako:

1. Radnik umetne lim do graničnika i pritisne tipkalo START.
2. Cilindar A izvlači se i steže lim uz stol (A+).
3. Kad je A izvučen, cilindar B izvlači se i savija rub lima preko ruba stola (B+). U prednjem položaju zadržava se 1 s da se smanji povratno opruženje lima.
4. Cilindar B vraća se u početni položaj (B−).
5. Kad je B uvučen, cilindar A otpušta lim (A−).
6. Kad je A uvučen, cilindar C izbacuje savijeni komad (C+) i odmah se vraća (C−).
7. Naprava je ponovno u početnom položaju i čeka novi start.

Treći oblik je skraćeni zapis, u kojem se svaki pomak piše kao slovo cilindra i predznak: plus za izvlačenje, minus za uvlačenje. Ciklus SL-3 zapisuje se kao A+ B+ B− A− C+ C−. Istodobna gibanja pišu se jedno ispod drugoga ili u zagradi, npr. A+ (B+ C+). Čekanje se upisuje uz korak, npr. B+ t = 1 s. Skraćeni zapis je kompaktan i nužan za metode projektiranja iz jedinica 3.4 do 3.6, ali ne pokazuje ni vremena ni uvjete prijelaza, pa uvijek treba i dijagram.

Dijagram put–korak i dijagram put–vrijeme

Dijagram put–korak najvažniji je grafički opis pneumatskog upravljanja. Za svaki cilindar crta se po jedan redak. Vodoravna os sadrži korake, a okomita položaj klipnjače: 0 je uvučeni, 1 izvučeni položaj. Korak je stanje između dviju promjena; u trenutku promjene jedan ili više cilindara prelazi iz jednog krajnjeg položaja u drugi, što se crta kosom crtom. Posljednji korak jednak je prvome, pa se na kraju dijagrama ponovno piše broj 1. Dijagram put–korak za SL-3 prikazan je na slici 3.4.

U dijagramu se odmah vidi nekoliko važnih činjenica. Cilindar A izvučen je od koraka 2 do koraka 5, dakle dok B obavlja cijeli svoj hod naprijed i natrag. Cilindar C giba se tek kad su A i B mirni u položaju 0. Nijedna dva cilindra ne gibaju se istodobno, pa je ukupno šest pomaka i šest koraka. Dijagram put–korak ne ovisi o brzini: sve kose crte imaju isti nagib bez obzira traje li hod pola sekunde ili dvije.

Kad su vremena važna, primjerice pri usklađivanju s robotom ili trakom, crta se dijagram put–vrijeme. Vodoravna os tada je vrijeme u mjerilu, a nagib kose crte pokazuje brzinu klipnjače. Za SL-3 uzmimo vremena hodova: A 0,5 s, B 1,1 s, C 0,6 s u svakom smjeru, zadržavanje B u prednjem položaju 1 s. Iz toga slijede prosječne brzine: A 50 mm / 0,5 s = 100 mm/s, B 100 mm / 1,1 s ≈ 91 mm/s, C 80 mm / 0,6 s ≈ 133 mm/s. Dijagram je prikazan na slici 3.5.

Iz dijagrama put–vrijeme izravno se čita da gibanja naprave traju 5,4 s, a ostatak takta od 6,6 s otpada na ručno vađenje gotovog komada i umetanje novog lima. Takav dijagram odmah pokazuje gdje se isplati tražiti ubrzanje: skraćivanje hoda cilindra C za 0,1 s gotovo ništa ne mijenja, dok bi dodavač lima skratio takt za više od polovine.

Dijagram funkcija

Dijagram funkcija proširuje dijagram put–korak. Ispod redaka izvršnih elemenata dodaju se retci za razvodnike snage i signalne elemente, a signalne crte sa strelicama pokazuju koji signal izaziva koji korak. Tako iz jednog crteža vidimo i što se giba i zašto. Na mjestu gdje se dvije signalne crte spajaju označava se logička veza (I ili ILI), tako da se vidi traži li korak oba signala ili je dovoljan jedan. U dijagramu funkcija označavaju se i tipkala START i STOP te vremenski članovi s upisanim vremenom.

Za složenije slijedove, s grananjem i usporednim granama, danas se koristi i GRAFCET prema normi IEC 60848, koji je zajednički jezik pneumatike, elektropneumatike i programirljivih logičkih kontrolera. Za pneumatske slijedove s nekoliko cilindara dijagram funkcija sasvim je dovoljan.

Stanja graničnih ventila po koracima prikladno je sažeti u tablicu. Za SL-3 ona izgleda ovako (1 znači da je granični ventil aktiviran):

Pogledajte pozorno retke 1 i 5 te retke 2 i 4. Stanja graničnih ventila u njima su jednaka, a sljedeći pomak je različit. Granični ventili sami, dakle, ne mogu odlučiti treba li u koraku 5 krenuti C+ ili ponovno A+, ni treba li u koraku 4 krenuti A− ili ponovno B+. Naprava mora „pamtiti“ u kojem je dijelu ciklusa. Upravo taj problem, preklapanje signala, rješavaju metode VDMA, kaskadna i taktna iz sljedećih jedinica.

Računski prikaz: trajanje ciklusa i učinak naprave

Trajanje ciklusa zbroj je trajanja svih hodova koji se ne odvijaju istodobno, svih zadanih čekanja i vremena ručnih radnji. Za SL-3, u kojoj se nijedna dva cilindra ne gibaju istodobno, vrijedi:

t_c = 2 · t_A + 2 · t_B + 2 · t_C + t_z + t_r

gdje je t_A, t_B, t_C vrijeme jednog hoda (uzimamo da su izvlačenje i uvlačenje jednako duga), t_z zadržavanje B u prednjem položaju, a t_r vrijeme ručnog vađenja i umetanja. Broj ciklusa u minuti je z = 60 / t_c. Promijenite vrijednosti i pratite kako se mijenja učinak.

Za zadane vrijednosti t_c = 2 · 0,5 + 2 · 1,1 + 2 · 0,6 + 1,0 + 6,6 = 12,0 s, što je upravo zadani takt od 12 s, odnosno 5 ciklusa u minuti i 300 komada na sat. Strojno vrijeme iznosi 5,4 s, tj. 45 % ciklusa. U smjeni od 8 sati teorijski je moguće 2400 komada; stvarni broj je manji zbog zastoja i odmora radnika, pa se u planiranju uzima faktor iskorištenja, npr. 0,85, što daje oko 2040 komada. Uz potrošnju od oko 3,52 Nl po ciklusu naprava pri 5 ciklusa u minuti troši oko 17,6 Nl/min stlačenog zraka, bez gubitaka u cijevima. Primijetite da je najveća pojedinačna stavka ručni rad: ako se t_r skrati na 3 s, ciklus pada na 8,4 s, a učinak raste na oko 7,1 ciklusa u minuti.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.