MODUL 3 · PNEUMATSKO UPRAVLJANJE
Nastavna jedinica 3.3
Logičke, vremenske i tlačne funkcije
Signal u pneumatici ima samo dva stanja, a od njih se ventilima grade logičke funkcije I, ILI i NE, memorija, kašnjenje i tlačno ovisni prijelazi. U ovoj jedinici povezujete Booleov logički račun s ventilima i upoznajete dvoručno upravljanje kao sigurnosnu funkciju.
- ostvariti logičke funkcije I, ILI i NE pneumatskim ventilima
- primijeniti osnovna pravila Booleova logičkog računa i sastaviti tablicu istine
- objasniti memoriju bistabilnim razvodnikom i pneumatsko samodržanje
- razlikovati kašnjenje ukapčanja i kašnjenje iskapčanja vremenskog člana
- primijeniti proslijedni tlačni ventil za tlačno ovisno upravljanje
- objasniti dvoručno upravljanje kao sigurnosnu funkciju
- izračunati izlaz logičkog izraza i broj stanja u tablici istine
Binarni signal i osnovne logičke funkcije
Pneumatski signal je binaran: u upravljačkom vodu tlak ili postoji ili ne postoji. Stanje s tlakom označavamo s 1, stanje bez tlaka s 0. Točna vrijednost tlaka pritom nije važna: signal od 4 bar ili od 6 bar jednako je „1“, dokle god je dovoljan da prebaci pilot razvodnika. Zato se pneumatska upravljanja opisuju istim jezikom kao digitalni sklopovi, a osnovne su tri logičke funkcije: I, ILI i NE. Na slici 3.9 prikazani su ventili koji ih ostvaruju.
Funkcija I (konjunkcija) daje izlaz 1 samo kad su oba ulaza 1. Ostvaruje je ventil dvostrukog tlaka: tlak na samo jednom ulazu potisne pomični klip prema suprotnom sjedištu i sam sebi zatvori put, pa izlaz ostaje bez tlaka. Tek kad tlak djeluje s obje strane, zrak prolazi na izlaz. Ako tlakovi nisu jednaki, na izlaz prolazi niži, što je korisno znati pri traženju kvara. Funkcija I može se ostvariti i serijskim spojem dvaju razvodnika 3/2: izlaz prvoga napaja ulaz drugoga.
Funkcija ILI (disjunkcija) daje izlaz 1 kad je barem jedan ulaz 1. Ostvaruje je naizmjenični ventil: kuglica se pomakne od ulaza pod tlakom i zatvori drugi ulaz, pa zrak ne može pobjeći kroz ispuh neaktiviranog signalnog ventila. Ako su oba ulaza pod tlakom, na izlaz prolazi viši tlak.
Funkcija NE (negacija) okreće signal: izlaz je 1 kad je ulaz 0 i obrnuto. Ostvaruje je razvodnik 3/2 u mirovanju otvoren s pneumatskim pilotom. Bez signala je priključak 1 spojen s 2 i na izlazu je tlak; signal na pilotu zatvara 1 i spaja izlaz s ispuhom. Funkcija NE uvijek treba vlastito napajanje, jer izlaz daje zrak i kad na ulazu nema ničega.
| a | b | I: a · b | ILI: a + b | NE: ¬a |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
Osnove Booleova logičkog računa i tablica istine
Logičke funkcije zapisuju se Booleovim logičkim računom. Funkcija I piše se točkom (a · b), funkcija ILI znakom plus (a + b), a negacija crtom iznad slova ili znakom ¬ ispred njega (¬a). Redoslijed operacija je kao u običnom računanju: prvo negacija, zatim I, na kraju ILI, a zagrade mijenjaju redoslijed. Tablica istine nabraja sve kombinacije ulaza; za n ulaza ima 2n redaka, dakle 4 za dva ulaza i 8 za tri.
| Pravilo | Za funkciju I | Za funkciju ILI |
|---|---|---|
| s nulom | a · 0 = 0 | a + 0 = a |
| s jedinicom | a · 1 = a | a + 1 = 1 |
| s istim signalom | a · a = a | a + a = a |
| s negacijom | a · ¬a = 0 | a + ¬a = 1 |
| De Morganovo pravilo | ¬(a · b) = ¬a + ¬b | ¬(a + b) = ¬a · ¬b |
Uz to vrijedi dvostruka negacija ¬¬a = a te zakoni zamjene i razdiobe poznati iz matematike: a · (b + c) = a · b + a · c. Pravila služe za pojednostavljivanje: svaki znak u izrazu znači jedan ventil više u shemi. Izraz y = a · b + a · ¬b izgleda kao da treba dva ventila I, jedan ILI i jedan NE, a zapravo je y = a · (b + ¬b) = a · 1 = a, dakle dovoljan je izravan vod.
Uzmimo primjer iz pogona. Cilindar smije krenuti ako je pritisnuto tipkalo na jednom od dvaju mjesta (a ili b) i ako su zatvorena vrata zaštitne ograde (c). Izraz je y = (a + b) · c, a ostvaruje ga jedan ventil ILI čiji izlaz, zajedno sa signalom c, ulazi u ventil I. Tablica istine ima osam redaka, a izlaz je 1 u tri od njih:
| a | b | c | a + b | y = (a + b) · c |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Zapamtite
Tablica istine je provjera prije crtanja sheme: ako u njoj postoji redak u kojem je izlaz 1, a cilindar se tada ne smije gibati, izraz je pogrešan. Mnogo je jeftinije ispraviti izraz na papiru nego sklop na stroju.
Memorija i samodržanje
Logičke funkcije I, ILI i NE ovise samo o trenutnim ulazima. Upravljanje naprave treba i memoriju: signal START traje djelić sekunde, a cilindar A naprave SL-3 mora ostati izvučen i stezati lim sve dok B ne završi savijanje. U pneumatici je najjednostavnija memorija bistabilni razvodnik, prikazan na slici 3.10. Kratki signal S (postavljanje) prebaci ga u položaj u kojem je izlaz y pod tlakom, a razvodnik u tom položaju ostaje i kad S nestane. Tek signal R (brisanje) vraća ga u početni položaj.
Bistabilni razvodnik 5/2 kojim se upravlja dvoradnim cilindrom istodobno je memorija i razvodnik snage, pa u većini pneumatskih shema memorija „dolazi besplatno“. Treba, međutim, zapamtiti njegovo ponašanje kad su S i R istodobno pod tlakom: kako su površine pilota jednake, razvodnik zadržava zatečeni položaj. Ni postavljanje ni brisanje tada nema prednost, što je korijen problema preklapajućih signala iz jedinice 3.4.
Memorija se može složiti i od logičkih ventila, kao samodržanje. Izlaz y vraća se na ulaz ventila ILI zajedno sa signalom S, a u vod se ugradi ventil NE kojim upravlja R. Izraz je
y = (S + y) · ¬R
Kad se pritisne S, izlaz postane 1 i preko povratne veze sam sebe drži. Signal R prekida vezu i izlaz pada na 0. Ako su S i R istodobno 1, izlaz je 0: takvo samodržanje zove se s prevladavajućim brisanjem i sigurnije je, jer STOP uvijek ima prednost pred START. Isti krug samodržanja s relejem susrest ćete u elektropneumatici.
Pažnja
Samodržanje s logičkim ventilima gubi stanje pri nestanku tlaka, a bistabilni razvodnik ga zadržava. Pri projektiranju odlučite što je sigurnije za vaš stroj: da se nakon prekida napajanja cilindar vrati u osnovni položaj ili da zadrži položaj, npr. da stezač ne ispusti izradak.
Vremenske funkcije
Kad sljedeći korak ne smije krenuti odmah, nego nakon određenog vremena, koristi se vremenski član (pneumatski vremenski ventil). Na slici 3.11 prikazan je njegov najčešći oblik, s kašnjenjem ukapčanja. Sastoji se od prigušno-nepovratnog ventila, malog spremnika i razvodnika 3/2 u mirovanju zatvorenog s pneumatskim pilotom. Signal na ulazu 12 puni spremnik kroz prigušnicu. Tlak u spremniku raste postupno, a kad dosegne tlak prebacivanja pilota, razvodnik se prebaci i na izlazu 2 pojavi se puni tlak napajanja iz priključka 1.
Kad ulazni signal nestane, spremnik se kroz nepovratni ventil brzo isprazni, razvodnik se vrati i izlaz odmah pada. Tako nastaje kašnjenje ukapčanja: izlaz kasni za početkom signala, a završava zajedno s njim. Ako signal traje kraće od namještenog vremena, izlaz se uopće ne pojavi, što se koristi i za zanemarivanje kratkih smetnji.
Ako se prigušno-nepovratni ventil okrene, spremnik se puni brzo, a prazni polako. Izlaz se tada pojavi odmah, a nestaje s kašnjenjem nakon prestanka ulaznog signala: to je kašnjenje iskapčanja. Uporabom razvodnika 3/2 u mirovanju otvorenog dobivaju se negirane inačice obiju funkcija. Vrijeme se namješta vijkom prigušnice, a u katalozima proizvođača uobičajeni su rasponi od djelića sekunde do nekoliko desetaka sekundi.
Za grubu procjenu vremena kašnjenja može se uzeti da je protok kroz prigušnicu približno stalan dok je apsolutni tlak u spremniku manji od oko polovine apsolutnog tlaka napajanja. Tada je vrijeme punjenja spremnika volumena V do tlaka prebacivanja ps
t ≈ V · ps / (1,013 · Qn)
Uzmimo spremnik od 20 cm³ i tlak prebacivanja 3 bar. Za zadržavanje cilindra B naprave SL-3 od 1 s prigušnica mora propuštati oko 3,55 Nl/min; ako se pritvori na 0,5 Nl/min, kašnjenje naraste na oko 7,1 s. Procjena je približna, a stvarno vrijeme uvijek se namješta i provjerava na napravi štopericom.
Tlačno ovisno upravljanje proslijednim ventilom
Kašnjenje zadano vremenom ne zna je li posao stvarno obavljen. Ako cilindar A naprave SL-3 zapne ili je lim deblji, B može krenuti prije nego što je lim dobro stegnut. Pouzdanije je pratiti tlak: dok se klipnjača giba slobodno, tlak u prostoru iza klipa je nizak, a kad stezna čeljust nalegne na lim, tlak brzo raste prema tlaku napajanja. Taj porast prepoznaje proslijedni tlačni ventil (redoslijedni ventil), prikazan u shemi na slici 3.12.
Proslijedni ventil je spoj tlačnog ventila s podesivom oprugom i razvodnika 3/2. Tlak iz voda koji puni cilindar vodi se na njegov pilot. Dok je taj tlak manji od namještenog, opruga drži razvodnik zatvorenim. Kad ga dosegne, razvodnik se otvori i propusti signal, u shemi na slici 3.12 na priključak 12, pa se cilindar vraća. Isti signal može pokrenuti i sljedeći cilindar.
Za SL-3 to znači sljedeće: ako proslijedni ventil namjestimo na 5 bar, cilindar B smije krenuti tek kad cilindar A (Ø32 mm, površina klipa 804 mm²) steže lim teorijskom silom od oko 402 N. Pri punom tlaku od 6 bar sila bi bila oko 483 N. Namještena vrijednost mora biti dovoljno ispod tlaka napajanja, inače mali pad tlaka u mreži zaustavlja napravu, a dovoljno iznad tlaka potrebnog za slobodno gibanje, inače ventil prebaci prerano.
Zapamtite
Upravljanje ovisno o putu javlja da je klipnjača stigla, upravljanje ovisno o vremenu da je prošlo zadano vrijeme, a upravljanje ovisno o tlaku da je postignuta sila. Kod stezanja, prešanja i utiskivanja sila je ono što se stvarno traži.
Dvoručno upravljanje kao sigurnosna funkcija
Kod naprava u kojima se ruka radnika nalazi blizu mjesta rada, kakva je naprava za savijanje, gibanje opasnog alata smije krenuti samo ako su obje ruke izvan opasne zone. To osigurava dvoručno upravljanje: dva tipkala razmaknuta tako da se ne mogu pritisnuti jednom rukom, laktom ili tijelom, a gibanje traje samo dok su oba pritisnuta.
Najjednostavnije rješenje, dva tipkala spojena ventilom I, nije dovoljno. Radnik može jedno tipkalo trajno zablokirati, pa naprava radi pritiskom samo na drugo, a jedna ruka je slobodna u opasnoj zoni. Zato sigurno dvoručno upravljanje mora ispuniti i sljedeće zahtjeve:
- oba tipkala moraju se pritisnuti gotovo istodobno, u pravilu unutar 0,5 s; ako razmak bude dulji, izlaza nema;
- otpuštanjem bilo kojeg tipkala gibanje se prekida ili cilindar vraća;
- novi ciklus moguć je tek kad su otpuštena oba tipkala;
- kvar jednog elementa ne smije dovesti do samovoljnog pokretanja.
Takve zahtjeve ispunjava gotovi blok za dvoručno upravljanje, koji u jednom kućištu sadrži ventile I i ILI, vremenski član i memoriju. Zahtjevi za naprave za dvoručno upravljanje propisani su normom ISO 13851, a potrebnu razinu sigurnosti određuje procjena rizika stroja. Sklop sastavljen od pojedinačnih ventila koristi se u nastavi da bi se razumjelo načelo, ali se na stvarnim strojevima ugrađuje ispitani blok.
Pažnja
Dvoručno upravljanje štiti samo radnika koji ga pritišće. Druga osoba uz stroj nije zaštićena, pa se uz njega predviđaju i zaštitna ograda, svjetlosna zavjesa ili druga zaštita prema procjeni rizika.
Računski prikaz: izlaz logičkog izraza i tablica istine
Odaberite logički izraz i stanja ulaza a, b i c. Računski prikaz daje izlaz y za odabrane ulaze, broj redaka tablice istine u kojima je izlaz 1 te najmanji broj logičkih ventila kojima se izraz ostvaruje. Signal c ne utječe na izraze u kojima se ne pojavljuje.
Za odabrani izraz i stanja ulaza računa se izlaz y, broj redaka tablice istine s izlazom 1 i najmanji broj logičkih ventila.
Za izraz y = (a + b) · c i ulaze a = 1, b = 0, c = 1 izlaz je 1: pritisnuto je tipkalo na prvom mjestu i vrata su zatvorena. Promijenite c na 0 i izlaz pada na 0 bez obzira na tipkala. U osam redaka tablice istine izlaz je 1 tri puta, a sklop traži dva ventila, jedan ILI i jedan I. Izraz y = a · ¬b ostvaruje se jednim razvodnikom 3/2 u mirovanju otvorenim, kojemu se na priključak 1 umjesto napajanja dovede signal a, a na pilot signal b: izlaz postoji dok je a prisutan, a b nije.
Ključni pojmovi
| Pojam | Značenje |
|---|---|
| Binarni signal | signal sa samo dva stanja: tlak postoji (1) ili ne postoji (0) |
| Ventil dvostrukog tlaka | ventil I; izlaz ima tlak samo kad su oba ulaza pod tlakom |
| Naizmjenični ventil | ventil ILI; izlaz ima tlak kad je pod tlakom barem jedan ulaz |
| Tablica istine | popis svih 2n kombinacija ulaza i pripadnih izlaza |
| Samodržanje | povratna veza izlaza na ulaz koja drži izlaz i nakon nestanka signala START |
| Kašnjenje ukapčanja | izlaz se pojavi nakon zadanog vremena od početka ulaznog signala |
| Kašnjenje iskapčanja | izlaz nestane nakon zadanog vremena od prestanka ulaznog signala |
| Proslijedni ventil | tlačni ventil s razvodnikom 3/2 koji propušta signal pri namještenom tlaku |
| Dvoručno upravljanje | sigurnosna funkcija koja traži gotovo istodoban pritisak obaju tipkala |
Provjeri se
Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.
Pitanje 1 od 4
Koji ventil ostvaruje logičku funkciju I?
Ventil dvostrukog tlaka propušta signal samo kad su oba ulaza pod tlakom.
Pitanje 2 od 4
Koliko redaka ima tablica istine za izraz s tri ulaza?
Broj redaka je 2 na n-tu, za tri ulaza 2 · 2 · 2 = 8.
Pitanje 3 od 4
Po čemu se kašnjenje iskapčanja razlikuje od kašnjenja ukapčanja?
Kod kašnjenja iskapčanja spremnik se puni brzo, a prazni kroz prigušnicu, pa izlaz traje dulje od ulaza.
Pitanje 4 od 4
Zašto dva tipkala spojena samo ventilom I nisu sigurno dvoručno upravljanje?
Sigurno dvoručno upravljanje traži i gotovo istodoban pritisak obaju tipkala, u pravilu unutar 0,5 s.
Odgovoreno 0 od 4.
Vježbe uz jedinicu
Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe: