Elektropneumatski sustav i električni simboli

Od pneumatskog prema elektropneumatskom upravljanju

U modulu o pneumatskom upravljanju cijela je logika sklopa bila izvedena zrakom: signal je bio tlak u vodu, granični ventil javljao je krajnji položaj, a naizmjenični ventil i ventil dvostrukog tlaka izvodili su funkcije ILI i I. Takav sklop radi pouzdano i bez struje, ali čim broj koraka naraste, shema postaje gusta, vodova je mnogo, a svaka promjena redoslijeda znači novo cijevljenje. Signal koji putuje zrakom k tome je spor: tlak se u upravljačkom vodu od nekoliko metara diže desetke milisekundi, a pri dugim vodovima i više.

Elektropneumatski sustav rješava taj problem podjelom posla. Sustav ima dva energetska dijela. Električni upravljački dio prima signale od tipkala, graničnih sklopki i senzora, obrađuje ih relejima ili programirljivim logičkim upravljačem (PLC) i daje naredbe u obliku napona na svitku ventila. Pneumatski izvršni dio ostaje onakav kakav poznajete: pripremna grupa, razvodnici, prigušni i nepovratni ventili, cilindri i motori. Na granici između ta dva svijeta stoji elektromagnetski ventil — razvodnik kojim umjesto zraka ili ruke upravlja elektromagnet.

Električni se signal širi vodičem praktički trenutačno, lako se grana, pamti, broji i uspoređuje, a vodiči su tanki i jeftini. Zrak zato preuzima ono u čemu je dobar: brzo linearno gibanje, jednostavno ograničenje sile regulatorom tlaka, otpornost na preopterećenje i rad u prašnom ili vlažnom okolišu. Ta podjela ne umanjuje pneumatiku: sve što ste naučili o dimenzioniranju cilindara, potrošnji zraka i prigušivanju vrijedi i dalje, samo se upravljački dio seli u razvodni ormar.

Građa sustava i napajanje 24 V DC

Tok signala u elektropneumatskom sustavu prati isti obrazac kao u svakom upravljanju: ulaz → obrada → izlaz. Ulazni ili signalni elementi su tipkala, sklopke, granične sklopke, reed-sklopke na cilindrima te induktivni, kapacitivni i optički senzori. Obradu signala preuzimaju releji, vremenski releji, brojila ili PLC. Izlaz su svici elektromagnetskih ventila, a uz njih i signalne žarulje, zujala i pokazivači. Tek iza svitka počinje pneumatski dio, u kojem razvodnik propušta zrak u cilindar, a cilindar svojim krajnjim položajem djeluje na novi signalni element i zatvara petlju.

Upravljački dio napaja se gotovo uvijek istosmjernim naponom 24 V. Razlozi su praktični i sigurnosni. Napon od 24 V pripada području vrlo niskog napona: kad ga daje napajanje sa sigurnosnim odvajanjem od mreže (sustavi SELV ili PELV), dodir vodiča ne ugrožava čovjeka u normalnim uvjetima. Istosmjerni svitak ne brunda, ne treba mu kratkospojni prsten, struja mu je stalna i ne ovisi o tome je li kotva privučena. Senzori, releji, PLC ulazi i izlazi te ventilski otoci proizvode se ponajprije za 24 V DC, pa se svi elementi mogu napajati iz jednog izvora.

Izvor je mrežno napajanje (ispravljač) koje pretvara 230 V AC u stabiliziranih 24 V DC. Napajanje ima zadanu nazivnu struju, npr. 2,5 A ili 5 A, a na izlazu se razvod štiti osiguračima ili zaštitnim prekidačima po skupinama trošila. Jedan pol, 0 V, u pravilu se uzemljuje (PELV), čime se olakšava otkrivanje spoja s masom. Mrežni dio (230 V) nalazi se u razvodnom ormaru iza zaštitnog pokrova i njime se bave osobe ovlaštene za rad na električnim instalacijama.

Prednosti i ograničenja elektropneumatike

Elektropneumatika nije uvijek bolja od čiste pneumatike. Za jednostavnu napravu s jednim cilindrom i ručnim ventilom struja je suvišna, a u prostorima opasnim od eksplozije ili ondje gdje struje nema pneumatsko upravljanje ostaje prvi izbor. Čim sklop ima tri ili više cilindara, uvjete, brojanje ili povezivanje s ostatkom linije, električna obrada signala postaje isplativija. Tablica sažima usporedbu.

Iz tablice se vidi da je glavna prednost elektropneumatike fleksibilnost. Na napravi SL-3 za savijanje lima redoslijed A+ B+ B− A− C+ C− mogao bi se izvesti i čistom pneumatikom, kaskadnom ili taktnom metodom. Ako se kasnije doda brojanje izradaka, kontrola prisutnosti lima prije stezanja i signal za robot koji odnosi gotov dio, pneumatski bi sklop narastao za desetak ventila, a elektropneumatski za nekoliko releja ili nekoliko redaka programa. Ograničenje je u tome što sustav sada ovisi o dva izvora energije: kvar napajanja jednako zaustavlja napravu kao i pad tlaka, pa se dijagnostika mora obaviti na obje strane.

Električni simboli

Električna shema koristi simbole iz niza normi IEC 60617, a oznake elemenata slijede sustav slovnih oznaka (u praksi se susreću i starije i novije oznake). Kao i u pneumatskoj shemi, simbol prikazuje funkciju, a ne izgled: isti simbol NO kontakta crta se za mali pomoćni relej i za veliki kontaktor. Sve se crta u stanju mirovanja: napajanje uključeno, nijedno tipkalo nije pritisnuto, svici nisu pod naponom, cilindri su u početnom položaju.

Radni kontakt (NO, engl. normally open) u mirovanju je otvoren i zatvara se kad se aktivira. Mirni kontakt (NC, normally closed) u mirovanju je zatvoren i otvara se aktiviranjem. Preklopni kontakt ima zajednički priključak i dva kraja: u mirovanju je spojen s mirnim, a aktiviranjem prelazi na radni. Vodite računa da se kod preklopnog kontakta mirni krug najprije otvori, a tek onda zatvori radni — u kratkom trenutku oba su otvorena.

Tipkalo djeluje samo dok ga držite pritisnutog; opruga ga vraća u mirovanje. Sklopka (prekidač) ostaje u položaju u koji je postavljena, što se u simbolu označava zapornim ili zakretnim aktuatorom. Svitak releja crta se kao pravokutnik s priključcima A1 i A2, a svitak elektromagnetskog ventila kao pravokutnik s kosom crtom, kako bi se na prvi pogled razlikovao od releja. Žarulja je krug s ukriženim crtama.

U ovoj jedinici i u jedinicama 4.2 do 4.5 rabe se kratke oznake iz tablice (Y1, B1, K1), koje se još uvijek često susreću u pogonu. Novije sheme prema nizu normi IEC 81346 svitak ventila označuju slovom M, a ispred oznake stavljaju broj cilindra ili upravljačkog lanca: 1M1 i 1M2 su dva svitka ventila prvog cilindra, 1B1 i 1B2 njegovi senzori. Obje su oznake ispravne dok su dosljedne u cijeloj dokumentaciji jednog stroja.

Priključci kontakata imaju dvoznamenkaste oznake. Prva znamenka je redni broj kontakta na elementu, druga funkcija: 1–2 mirni kontakt, 3–4 radni kontakt, a kod preklopnog 1 zajednički, 2 mirni i 4 radni. Tako je 13–14 prvi radni kontakt, 21–22 drugi mirni, a 31–32–34 treći preklopni. Svitak releja uvijek nosi oznake A1 (plus) i A2 (minus).

Električna shema strujnih krugova

Za elektropneumatiku se najčešće crta shema strujnih krugova (shema strujnih staza). Njezina su pravila jednostavna i vrijede u svakom pogonu:

• Gore se crta vodoravna tračnica +24 V, dolje vodoravna tračnica 0 V.
• Između njih crtaju se okomite strujne staze, s lijeva nadesno, redom kojim se odvija rad. Staze se označavaju brojevima iznad gornje tračnice.
• U svakoj stazi signalni elementi i kontakti stoje gore, a trošilo (svitak releja, svitak ventila, žarulja) dolje, uz tračnicu 0 V. Trošila se ne spajaju u niz.
• Svi elementi prikazani su u stanju mirovanja, a kontakti releja crtaju se u stazi u kojoj djeluju, ne kraj svitka.
• Ispod svakog svitka releja crta se tablica kontakata: popis njegovih kontakata s brojem staze u kojoj se svaki nalazi. Tako se iz svitka lako pronađe gdje djeluje.

Pročitajmo shemu na slici 4.1.3. U mirovanju su sva tri kruga otvorena. Pritiskom na S1 zatvara se staza 1 i svitak K1 dobiva napon. Relej privlači kotvu, a njegovi radni kontakti u stazama 2 i 3 zatvaraju se: svitak Y3 dobiva napon i razvodnik cilindra B se prebacuje, a žarulja H1 svijetli. Kad otpustite S1, relej otpada i sve se vraća u mirovanje. Tablica ispod K1 kaže da relej ima radne kontakte u stazama 2 i 3, a da mirnih kontakata u ovoj shemi nema. U većem sklopu, s dvadeset staza, upravo ta tablica štedi vrijeme pri traženju kvara.

Električna i pneumatska shema čitaju se zajedno. Veza među njima su oznake: svitak Y3 u električnoj shemi i elektromagnet Y3 na razvodniku u pneumatskoj shemi isti su element. Jednako tako reed-senzor B4 nacrtan je u pneumatskoj shemi kao oznaka kraj krajnjeg položaja cilindra B, a u električnoj kao kontakt u stazi koju uključuje. Zato oznake moraju biti jednake u obje sheme i u samom stroju, na naljepnicama vodiča i elemenata.

Shema strujnih krugova i ljestvičasti dijagram PLC-a

Kada obradu signala umjesto releja preuzme programirljivi logički upravljač, logika se često piše ljestvičastim dijagramom (engl. ladder diagram, LD). On je izravni potomak sheme strujnih krugova, samo zakrenut za 90°: tračnice su okomite, lijeva predstavlja plus, desna minus, a strujne staze postaju vodoravne prečke (engl. rungs) koje se izvode odozgo prema dolje. Kontakt se crta kao dvije usporedne crtice, mirni s kosom crtom između njih, a svitak kao par zagrada.

Sličnost je velika, ali ne i potpuna. U shemi strujnih krugova sve staze djeluju istodobno, jer struja teče svim zatvorenim krugovima u isto vrijeme, a releji imaju svoje vlastito kašnjenje. U PLC-u se prečke izvode jedna za drugom, u ciklusu programa (tipično nekoliko milisekundi): upravljač najprije pročita sve ulaze, zatim izvede prečke redom i na kraju postavi izlaze. Redoslijed prečki zato može utjecati na rezultat, što kod releja ne postoji.

Druga razlika tiče se mirnih kontakata. U releju NC je fizički kontakt; u PLC-u je to samo naredba da se ispita je li ulaz u stanju 0. Tipkalo STOP koje je u polju izvedeno kao mirni kontakt (radi sigurnosti pri prekidu vodiča) daje na ulazu PLC-a stanje 1 dok nije pritisnuto, pa se u programu ispituje radnim kontaktom. Ta zamka česta je greška početnika koji ljestvičasti dijagram prepisuju iz sheme releja znak po znak.

Računski prikaz: struja svitaka i izbor napajanja

Svaki svitak na napajanju 24 V DC troši snagu P i struju I = P / U. Otpor svitka tada je R = U² / P. Za svitak ventila od 1,5 W to je I = 1,5 / 24 = 0,0625 A = 62,5 mA i R = 384 Ω; za svitak pomoćnog releja od 0,8 W I ≈ 33 mA i R = 720 Ω. Senzori troše svoju vlastitu struju (reda veličine 10 do 20 mA), a signalna žarulja od 1,2 W 50 mA. Zbrojem struja svih trošila koja mogu biti uključena istodobno dobiva se potrebna struja napajanja, a na nju se dodaje rezerva za kasnija proširenja, starenje i udarne struje pri uključivanju.

I_uk = n_Y · P_Y / 24 V + n_K · P_K / 24 V + I_ost

Za napravu SL-3 uzmimo četiri svitka ventila po 1,5 W (Y1 i Y2 bistabilnog ventila cilindra A te Y3 i Y4 monostabilnih ventila cilindara B i C), šest pomoćnih releja po 0,8 W te senzore i dvije žarulje s ukupno 190 mA. Ako se računa najnepovoljniji slučaj, kad su sva trošila uključena istodobno, ukupna je struja 0,25 + 0,20 + 0,19 = 0,64 A, a snaga 15,4 W. Uz rezervu od 30 % potrebno je 0,83 A, pa bi zadovoljilo napajanje nazivne struje 1 A. To je činjenica računa. Preporuka iz prakse jest ipak uzeti napajanje od 2,5 A: razlika u cijeni mala je, a ostaje prostor za PLC, dodatne senzore i sigurnosni relej koji će se na napravu vjerojatno dodati.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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