Kaskadna metoda

Zašto kaskadna metoda

U jedinici o VDMA metodi vidjelo se da granični ventil koji je još aktiviran može držati upravljački signal na jednoj strani impulsnog razvodnika baš u trenutku kad druga strana treba prebaciti razvodnik. Takav blokirajući signal zaustavlja slijed: razvodnik dobiva dva suprotna signala i ostaje u starom položaju. Blokirajući signal može se ukloniti graničnim ventilom s praznim hodom (valjčić koji djeluje samo u jednom smjeru), vremenskim članom ili dodatnim memorijskim razvodnikom. Prva dva rješenja ovise o brzini gibanja i o mehaničkom podešavanju, pa su u pogonu nepouzdana. Treće rješenje, primijenjeno sustavno, daje kaskadnu metodu.

Ideja je jednostavna. Signalna mreža ne napaja se iz jednog zajedničkog voda, nego iz nekoliko vodova grupa. U svakom trenutku pod tlakom je samo jedan vod grupe, a svi ostali su odzračeni. Granični ventil koji se napaja iz odzračenog voda ne može dati signal, čak i ako ga klipnjača drži pritisnutim. Ako se slijed podijeli tako da suprotna gibanja istog cilindra nikad ne dobivaju signal iz istog voda, dva suprotna signala na istom razvodniku ne mogu se pojaviti istodobno. Blokirajući signal time je isključen već po načinu gradnje sheme, a ne naknadnim popravkom.

Vodove grupa napaja niz impulsnih razvodnika 5/2 koji se zove kaskada, jer tlak prolazi s razvodnika na razvodnik kao voda niz stepenice. Kaskadni razvodnici su memorija upravljanja: pamte koja je grupa aktivna i prebacuju se tek kad posljednje gibanje grupe potvrdi svoj završetak. Metoda je u potpunosti pneumatska, ne treba električnu energiju i pogodna je za eksplozijski ugrožene prostore, vlažne pogone i jednostavne naprave s dva do četiri cilindra.

Podjela slijeda u grupe

Podjela u grupe polazi od zapisa slijeda gibanja (na primjer A+ B+ B− A− C+ C−) i od dijagrama put–korak. Pravilo je jedno: unutar jedne grupe svako se slovo smije pojaviti samo jednom. Drugim riječima, isti cilindar u jednoj grupi smije napraviti samo jedno gibanje, ili izvlačenje ili uvlačenje. Čim se u zapisu naiđe na slovo koje u tekućoj grupi već postoji, tu počinje nova grupa. Tako se dobiva najmanji mogući broj grupa za zadani redoslijed, jer se nijedna granica ne postavlja prije nego što je nužno.

Postupak podjele korak po korak:

1. Napišite slijed gibanja u jednom retku, redom kojim se gibanja izvode.
2. Krenite od prvog gibanja i dodajte mu sljedeća gibanja sve dok se ne pojavi slovo koje je već u grupi.
3. Ispred tog gibanja povucite okomitu crtu: ovdje završava grupa I i počinje grupa II.
4. Nastavite na isti način do kraja slijeda i označite grupe rimskim brojevima I, II, III…
5. Usporedite slova posljednje i prve grupe. Ako nemaju nijedno zajedničko slovo, posljednja se grupa može pripojiti prvoj, jer se ciklus ponavlja i posljednja gibanja neposredno prethode prvima.

Primijenimo postupak na napravu SL-3 za savijanje lima. Cilindar A steže lim, cilindar B savija, cilindar C izbacuje gotov komad; redoslijed je A+ B+ B− A− C+ C−. Prva grupa počinje s A+, dodaje se B+. Sljedeće gibanje je B−, a slovo B već je u grupi, pa grupa I glasi A+ B+. Grupa II počinje s B−, dodaju se A− i C+ (slova A i C u toj grupi još ne postoje). Posljednje gibanje C− ne može u grupu II jer je C već ondje, pa čini grupu III. Formalna podjela je A+ B+ | B− A− C+ | C−, tj. tri grupe.

Sada provjera spajanja: grupa III sadrži samo slovo C, a grupa I slova A i B. Zajedničkog slova nema, pa se C− smije pripojiti ispred A+. Konačna podjela je C− A+ B+ | B− A− C+, dakle dvije grupe. Uštedjeli smo jedan kaskadni razvodnik, a upravljanje je jednako sigurno. Slika 3.5.1 prikazuje dijagram put–korak s ucrtanim grupama.

Nekoliko primjera pokazuje kako se pravilo ponaša u različitim slijedovima.

Posljednji redak je varijanta naprave SL-3 s dvostrukim savijanjem (cilindar B savija dvaput za redom). Ponavljanje gibanja istog cilindra brzo povećava broj grupa, jer svako ponovljeno gibanje traži novu grupu. To je jedan od razloga zbog kojih se za duge slijedove s ponavljanjem bira taktna metoda (jedinica 3.6).

Kaskadni razvodnici i sabirni vodovi grupa

Broj kaskadnih razvodnika određen je brojem grupa: broj kaskadnih razvodnika = broj grupa − 1. Za dvije grupe dovoljan je jedan impulsni razvodnik 5/2, za tri grupe potrebna su dva, za četiri tri razvodnika. Kaskadni razvodnik mora biti impulsni (bistabilni), s pneumatskim upravljanjem na obje strane i bez opruge, jer mora zadržati položaj i nakon što upravljački signal nestane.

Izlazi kaskade vode se u sabirne vodove grupa, koji se na shemi crtaju kao vodoravne crte ispod ili iznad signalnih elemenata, jedna ispod druge, označene rimskim brojevima. Iz svakog sabirnog voda napajaju se granični ventili te grupe, a iz njega se izravno napaja i prvo gibanje grupe. Prvo gibanje grupe ne treba granični ventil: čim vod grupe dobije tlak, signal odlazi na glavni razvodnik cilindra. Uvjet za to gibanje već je ispunjen, jer je grupa aktivirana tek kad je završilo posljednje gibanje prethodne grupe.

Kaskada s dvije grupe

Kod dvije grupe jedan razvodnik 5/2 napaja vod grupe I kroz priključak 4 ili vod grupe II kroz priključak 2 (slika 3.5.2). Signal e1 dolazi s graničnog ventila koji potvrđuje posljednje gibanje grupe I i prebacuje kaskadu na grupu II. Signal e2 dolazi s graničnog ventila posljednjeg gibanja grupe II i vraća kaskadu na grupu I. Kada razvodnik prebaci, vod koji je bio pod tlakom odzračuje se kroz priključak 3 ili 5, pa svi granični ventili te grupe gube napajanje.

Kaskada s tri grupe

Za tri grupe razvodnici se spajaju u niz (slika 3.5.3). Donji razvodnik V2 napaja se izravno iz mreže. Njegov jedan izlaz napaja vod grupe III, a drugi izlaz napaja ulaz gornjeg razvodnika V1. Razvodnik V1 dijeli taj zrak na vod grupe I ili vod grupe II. Budući da V1 dobiva zrak samo preko V2, istodobno pod tlakom može biti samo jedan vod, bez obzira na položaj pojedinog razvodnika.

Prebacivanje ide ovim redom: signal e1 (kraj grupe I) prebacuje V1 na grupu II; signal e2 (kraj grupe II) prebacuje V2 na grupu III, čime V1 ostaje bez zraka. Vod grupe III ujedno upravlja lijevom stranom razvodnika V1 i vraća ga u položaj za grupu I dok je bez tlaka, pa se ne stvara nikakav tlačni udar. Signal e3 (kraj grupe III) vraća V2 u položaj koji napaja V1, a V1 je već spreman, pa tlak odlazi u vod grupe I. Isti se obrazac nastavlja za četiri i više grupa: svaki novi razvodnik dodaje se na dno niza.

Iz slike se vidi i glavni nedostatak kaskade: zrak za vod grupe I prolazi kroz sve kaskadne razvodnike u nizu, a zrak za posljednju grupu samo kroz jedan. Svaki razvodnik unosi mali pad tlaka i vrijeme prebacivanja, pa s porastom broja grupa odziv upravljanja postaje sve sporiji, a tlak na vodu grupe I sve niži.

Postupak crtanja sheme korak po korak

Kaskadna shema crta se uvijek istim redoslijedom. Ako se koraci poštuju, shema radi već pri prvom spajanju, a svaki signal ima jasno određen izvor.

1. Tehnološki opis i slijed. Zapišite zadatak riječima, odredite cilindre (slova A, B, C…) i zapišite slijed gibanja. Nacrtajte dijagram put–korak.
2. Podjela u grupe. Podijelite slijed prema pravilu jednog slova u grupi i provjerite spajanje posljednje i prve grupe.
3. Broj kaskadnih razvodnika. Odredite ga kao broj grupa − 1 i nacrtajte kaskadu s onoliko sabirnih vodova koliko ima grupa.
4. Energetski dio. Na vrhu sheme nacrtajte cilindre u početnom položaju, ispod njih glavne impulsne razvodnike 5/2 i, gdje treba, prigušno-nepovratne ventile za brzinu.
5. Granični ventili. Uz svaki cilindar označite položaje graničnih ventila (a0, a1, b0, b1…) i nacrtajte ih u signalnom dijelu, iznad sabirnih vodova.
6. Prva gibanja grupa. Upravljački priključak glavnog razvodnika za prvo gibanje svake grupe spojite izravno na vod te grupe.
7. Gibanja unutar grupe. Za svako sljedeće gibanje u grupi granični ventil prethodnog gibanja napajajte iz voda te grupe, a njegov izlaz vodite na glavni razvodnik.
8. Prebacivanje grupa. Granični ventil posljednjeg gibanja svake grupe, napajan iz voda te grupe, spojite na kaskadu kao signal za prebacivanje na sljedeću grupu.
9. Start i početni uvjeti. Tipkalo START ugradite u seriju (logičko I) sa signalom koji pokreće prvo gibanje ciklusa koje čeka pokretanje. Predvidite postavljanje kaskade u početni položaj pri uključenju.
10. Označavanje i provjera. Označite sve elemente i priključke, provjerite da se svaki granični ventil napaja iz voda grupe u kojoj djeluje, i simulirajte ciklus na papiru ili u programu za simulaciju.

Najčešća greška u koraku 7 je napajanje graničnog ventila iz glavnog voda umjesto iz voda grupe. Shema tada izgleda ispravno, ali blokirajući signal se vraća, jer taj granični ventil daje signal i kad njegova grupa nije aktivna.

Primjer: kaskadno upravljanje naprave SL-3

Naprava SL-3 radi s mrežom od 6 bar pretlaka; cilindar A je Ø32/12 mm s hodom 50 mm, B je Ø50/20 mm s hodom 100 mm, C je Ø25/10 mm s hodom 80 mm. Konačna podjela je C− A+ B+ | B− A− C+, pa je potreban jedan kaskadni razvodnik K i dva sabirna voda. U mirovanju je aktivna grupa I, svi su cilindri uvučeni, a naprava čeka pritisak na START.

Signali za sve naredbe čitaju se iz tablice. Oznaka „·" znači logičko I, ostvareno serijskim spajanjem graničnog ventila i tipkala (izlaz jednog napaja drugi).

Tijek ciklusa: pritiskom na START (uz c0) dolazi naredba A+ i lim se steže. Kad A dođe do a1, granični ventil a1 iz voda I daje naredbu B+. Kad B dođe do b1, signal e1 prebacuje kaskadu: vod I se odzračuje, vod II dobiva tlak i odmah daje naredbu B−. Granični ventil a1 je i dalje pritisnut, ali više nema napajanja, pa ne blokira razvodnik cilindra B. Nakon b0 slijedi A−, nakon a0 slijedi C+, a kad C dođe do c1, signal e2 vraća kaskadu na grupu I. Vod I odmah daje naredbu C−, izbacivač se uvlači i naprava staje na c0, čekajući novi START. Uvlačenje izbacivača događa se, dakle, automatski na kraju ciklusa, a ne na početku sljedećeg.

U formalnoj podjeli s tri grupe (A+ B+ | B− A− C+ | C−) trebala bi dva kaskadna razvodnika, a START bi se ugradio u signal c0 koji vraća kaskadu na grupu I. Obje izvedbe rade, ali spojena je jednostavnija, jeftinija i brža.

Prednosti, nedostaci i granice primjene

Kaskadna metoda je sustavna: ako se poštuju pravila podjele i napajanja, shema nema blokirajućih signala i ne treba naknadne popravke. Ipak, njezina se ograničenja moraju poznavati prije izbora metode.

Pad tlaka treba razumjeti ispravno. Vodovi grupa napajaju samo upravljačke priključke glavnih razvodnika i granične ventile, pa su protoci mali i kratkotrajni: zrak puni upravljačke vodove i komore pilota. Svaki kaskadni razvodnik ipak ima svoj otpor strujanju i svoje vrijeme prebacivanja. Kad se niz produlji, signal za grupu I stiže kasnije i s nešto nižim tlakom, a razvodnici s visokim tlakom prebacivanja (na primjer oni kojima treba barem 2 do 3 bar na pilotu) postaju nepouzdani pri niskom mrežnom tlaku. Zato se u praksi kaskada rijetko gradi s više od četiri grupe.

Za dvije do tri grupe i do četiri cilindra kaskadna je metoda najčešće najpovoljnije čisto pneumatsko rješenje. Za duge slijedove, ponovljena gibanja i potrebu za prikazom koraka bolja je taktna metoda, a za vrlo složene zadatke elektropneumatika s PLC-om (jedinice 3.6 i 3.7).

Računski prikaz: grupe, kaskada i tlak u vodu grupe I

Odaberite slijed gibanja iz popisa. Prikaz slijed dijeli u grupe po pravilu jednog slova, provjerava spajanje posljednje i prve grupe, određuje broj kaskadnih razvodnika i procjenjuje tlak i kašnjenje signala u vodu grupe I. Pad tlaka po razvodniku i vrijeme prebacivanja su pretpostavke za procjenu (uzmimo 0,2 bar i 15 ms), a ne kataloški podaci.

Za napravu SL-3 (slijed A+ B+ B− A− C+ C−, mreža 6 bar) formalna podjela daje tri grupe, a nakon spajanja posljednje i prve grupe ostaju dvije grupe i jedan kaskadni razvodnik. Vod grupe I prolazi kroz jedan razvodnik: tlak je približno 6 − 0,2 = 5,8 bar, a kašnjenje oko 15 ms, što je zanemarivo prema taktu od 12 s. Za slijed A+ B+ B− C+ C− A− spajanje nije moguće, pa su potrebne tri grupe i dva razvodnika: tlak u vodu grupe I je oko 5,6 bar, kašnjenje oko 30 ms. Varijanta s dvostrukim savijanjem (A+ B+ B− B+ B− A− C+ C−) traži četiri grupe i tri razvodnika: tlak u vodu grupe I pada na oko 5,4 bar, a kašnjenje raste na oko 45 ms. Razlike u tlaku nisu velike, ali pokazuju trend: svaka nova grupa dodaje razvodnik u niz, a shema postaje teža za praćenje.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V13 Kaskadna metoda · 2 sata