Elektromagnetski ventili

Elektromagnetski ventil kao spojnica dvaju dijelova

U modulu o pneumatskim komponentama razvodnik je aktivirala ruka, noga, mehanički valjčić ili tlak zraka. U elektropneumatici aktuator je elektromagnet: svitak s kotvom koja se u magnetskom polju pomakne i prebaci razvodnik. Takav se element naziva elektromagnetski ventil (u pogonu često „magnetni ventil"). S pneumatske strane to je običan razvodnik 3/2, 5/2 ili 5/3, s priključcima 1, 2, 3, 4 i 5 i istim položajima kao i ranije. S električne strane to je trošilo od nekoliko vata u strujnoj stazi, crtano kao pravokutnik s kosom crtom i označeno slovom Y.

Sila koju mali elektromagnet može razviti ograničena je: kotva mase nekoliko grama, hod od milimetra ili dva i snaga od jednog do nekoliko vata daju silu reda veličine nekoliko njutna. Tolika sila dovoljna je da se otvori malo sjedište, ali ne i da se pomakne klip razvodnika s brtvama kroz koje prolazi zrak za cilindar od 50 mm. Iz toga proizlazi osnovna podjela: direktno upravljani ventili, kod kojih magnet sam pokreće zaporni element, i predupravljani (servo) ventili, kod kojih magnet otvara samo mali pomoćni ventil, a glavni razvodnik prebacuje stlačeni zrak.

Direktno upravljani i predupravljani ventili

Kod direktno upravljanog ventila kotva svitka je ujedno zaporni element. Na slici 4.5.1 prikazan je razvodnik 3/2 u mirovanju zatvoren (NC): opruga pritišće kotvu s brtvom na sjedište priključka 1, a priključak 2 spojen je kroz uzdužni kanal oko kotve s odzrakom 3. Kad svitak dobije napon, kotva se podigne, otvori sjedište 1 i istodobno zatvori odzrak 3 na gornjem kraju: zrak teče od 1 prema 2.

Tlak zraka pritišće kotvu na sjedište silom F = p · A. Za sjedište promjera 1,5 mm (A ≈ 1,77 mm²) pri 6 bar ta je sila samo oko 1,1 N, a za sjedište od 6 mm (A ≈ 28,3 mm²) već oko 17 N. Magnet mora nadvladati oprugu i silu tlaka, pa direktno upravljani ventili imaju mala sjedišta i mali protok. Rabe se kao pomoćni ventili, za male cilindre, za vakuum i za niske tlakove. Njihova je prednost da rade od 0 bar, jer im za rad ne treba tlak zraka.

Predupravljani ventil sastoji se od dva dijela. Gore je mali direktno upravljani ventil 3/2, ventil predupravljanja (pilot). Dolje je glavni razvodnik, najčešće s klipom i brtvama. Pilot se napaja zrakom iz priključka 1 glavnog ventila (unutarnje predupravljanje). Kad svitak dobije napon, pilot pusti zrak na čelo klipa glavnog razvodnika, a taj tlak klip prebaci — sila je sada p · A klipa, npr. za klip promjera 12 mm pri 6 bar oko 68 N, dovoljno za pouzdano prebacivanje i uz trenje brtvi. Magnet tako može biti malen i štedljiv, a ventil ipak ima velik protok.

Monostabilni i bistabilni ventili

Monostabilni ventil ima jedan svitak i povratnu oprugu (mehaničku ili zračnu). Dok svitak ima napon, ventil je u aktiviranom položaju; kad napon nestane, opruga ga vraća u osnovni. Za upravljanje to znači da naredba mora trajati cijelo vrijeme dok cilindar treba biti izvučen, pa upravljanje mora signal zapamtiti relejem u samodržanju ili u PLC-u.

Bistabilni ventil ima dva svitka i nema opruge. Kratak impuls na svitak Y1 prebaci ga u jedan položaj, a impuls na Y2 u drugi. Između impulsa ventil pamti posljednji položaj, i to trenjem ili zapornom oprugom. Naredba stoga smije biti kratka, a svitak ne mora biti trajno pod naponom. Ako oba svitka dobiju napon istodobno, pobjeđuje onaj koji je prvi uključen ili položaj ostaje nedefiniran; upravljanje to mora spriječiti međusobnim blokiranjem.

Izbor nije pitanje ukusa nego sigurnog stanja pri nestanku napona. Kad struja nestane, monostabilni se ventil vrati u osnovni položaj, a bistabilni ostane gdje je bio. Na napravi SL-3 uzmimo ovako:

To je primjer, a ne pravilo za sve naprave. Zaključak se donosi analizom rizika: za neke je naprave sigurnije da se sve zaustavi na mjestu (ventil 5/3 sa zatvorenim srednjim položajem), za druge da se sve odzrači (5/3 s odzračenim srednjim položajem). Pravilo koje vrijedi uvijek: nakon povratka napona i tlaka nijedan cilindar ne smije sam krenuti, pa se kod bistabilnih ventila pri pokretanju mora provjeriti u kojem su položaju.

Simboli i oznake elektromagnetskih ventila

U pneumatskoj shemi elektromagnetski ventil crta se kao i svaki razvodnik: kvadrati za položaje, strelice za smjer protoka, priključci 1 do 5 na položaju mirovanja. Aktuator se crta uz rub kvadrata: elektromagnet kao pravokutnik s kosom crtom, predupravljanje kao dodatni pravokutnik s trokutom (prazan trokut za zrak), opruga kao cik-cak crta. Ručno pomoćno aktiviranje crta se kao mali aktuator uz elektromagnet. Uz aktuator se upisuje oznaka svitka, Y1, Y2 i dalje, ista kao u električnoj shemi.

Aktuatori razvodnika označavaju se i prema putu koji otvaraju: strana koja spaja 1 s 4 nosi oznaku 14, a strana koja spaja 1 s 2 oznaku 12. Na bistabilnom ventilu cilindra A svitak Y1 je na strani 14 (A+), a Y2 na strani 12 (A−). U većim shemama oznaci svitka dodaje se broj cilindra, a novije sheme umjesto slova Y rabe slovo M (npr. 1M1, 1M2 za dva svitka ventila prvog cilindra), a u električnoj shemi svaki se svitak crta u vlastitoj strujnoj stazi, dolje uz 0 V.

Svitci: 24 V DC ili 230 V AC, snaga i ručno aktiviranje

Svitak se izrađuje za zadani napon, najčešće 24 V DC, a rjeđe 230 V AC, 110 V AC ili 12 V DC. Napon je otisnut na svitku i mora odgovarati napajanju — svitak od 24 V na 230 V izgori u trenu, a svitak od 230 V na 24 V ne privuče. Tablica sažima razlike.

Snaga svitka pojedinačnog ventila na 24 V DC obično je 1 do 4 W, a svitak ventilskog otoka često ispod 1 W. U računima ove jedinice uzimamo 1,5 W, odnosno 62,5 mA. Svitci su građeni za trajni rad (100 % uključenosti), ali se pri tome zagriju i do 40 K iznad okoline; vruć svitak nije znak kvara. Neke izvedbe imaju elektroniku za smanjenje snage držanja: pri privlačenju troše punu snagu, a nakon nekoliko desetaka milisekundi samo dio nje.

Električni priključak je utikač (npr. oblik s tri kontakta i zaštitnim vodičem ili okrugli M8/M12) u kojem su često svjetleća dioda i zaštitni sklop protiv prenapona, kao u jedinici 4.3. Svjetleća dioda pokazuje da napon postoji na utikaču, a ne da je ventil prebacio — to je važno pri traženju kvara.

Ručno pomoćno aktiviranje je malo tipkalo ili zakretni vijak na ventilu predupravljanja kojim se ventil prebaci bez struje. Rabi se pri puštanju u pogon i traženju kvara: ako cilindar krene ručnim aktiviranjem, pneumatski dio je ispravan i kvar je u električnom. Izvedba s tipkalom vraća se sama, a izvedba sa zapinjanjem ostaje uključena dok se ne vrati.

Ventilski otoci

Kad stroj ima više elektromagnetskih ventila, ne ugrađuju se pojedinačno, svaki sa svojim dovodom zraka i svojim kabelom, nego se slažu u ventilski otok (ventilski blok, ventilski terminal). Ventili sjede jedan do drugog na zajedničkoj osnovnoj ploči koja ima zajednički kanal dovoda 1 i zajedničke kanale odzraka 3 i 5. Na svakom mjestu izlaze samo radni priključci 2 i 4 prema cilindru. Električni priključak je zajednički: višepolni utikač s po jednim vodičem za svaki svitak i zajedničkim 0 V, ili modul industrijske sabirnice kojim otok s PLC-om razgovara preko jednog kabela.

Prednosti ventilskog otoka su očite pri montaži i održavanju: manje cijevi, manje vijčanih spojeva, jedan kabel umjesto desetak, svjetleće diode za sve svitke na jednom mjestu i zamjena pojedinog ventila bez odspajanja cijevi. Na slobodna mjesta ugrađuju se slijepe ploče, a otok se kasnije lako proširuje. Pojedina mjesta mogu dobiti međuploče s regulatorom tlaka, nepovratnim ventilom ili zasebnim dovodom zraka drugog tlaka.

Zajednički odzrak ima i nedostatak: ako je prigušivač na izlazu 3/5 zapušen, protutlak u zajedničkom kanalu djeluje na sve ventile i može usporiti ili čak pomaknuti cilindar drugog ventila. Zato se prigušivači otoka redovito provjeravaju, a cilindri kojima brzina mora biti točna dobivaju prigušne ventile uz cilindar, a ne prigušenje odzraka na otoku.

Računski prikaz: struja ventilskog otoka i tlak predupravljanja

Monostabilni svitci troše struju cijelo vrijeme dok je cilindar u aktiviranom položaju, a bistabilni samo za vrijeme impulsa. Trajna struja otoka je zbroj struja monostabilnih svitaka koji mogu biti uključeni istodobno, a vršna struja dobiva se kad se tome doda po jedan svitak svakog bistabilnog ventila (dva svitka istog ventila ne smiju imati napon istodobno). Uz to se provjerava je li radni tlak barem jednak minimalnom tlaku predupravljanja.

I_tr = n_m · P / U     I_max = (n_m + n_b) · P / U     p ≥ p_min

Ventilski otok naprave SL-3 ima dva monostabilna ventila (Y3, Y4) i jedan bistabilni (Y1, Y2), svitke od 1,5 W. Jedan svitak troši 62,5 mA. U najnepovoljnijem slučaju trajna struja je 2 · 62,5 = 125 mA, a vršna, dok traje impuls na bistabilni ventil, 187,5 mA ili 4,5 W. Po redoslijedu A+ B+ B− A− C+ C− svitci Y3 i Y4 zapravo nikad nisu uključeni istodobno, pa je stvarna trajna struja 62,5 mA; račun za najnepovoljniji slučaj ostavlja rezervu za ručni rad i pogreške u programu. Pri radnom tlaku od 6 bar i minimalnom tlaku predupravljanja od npr. 2,5 bar rezerva je 3,5 bar. Kad bi se za mekše savijanje tlak za cilindar B spustio regulatorom na 2 bar ispred ventila, predupravljani ventil više ne bi pouzdano radio: regulator se tada stavlja iza ventila, u vod prema cilindru, ili se ventil napaja vanjskim predupravljanjem.

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:

• V15 Elektropneumatika — direktno upravljanje dvoradnim cilindrom · 2 sata
• V17 Indirektno upravljanje dvoradnim cilindrom — bistabilni ventil · 2 sata