Osnovni elektropneumatski sklopovi i krug samodržanja

Građa osnovnog elektropneumatskog sklopa

Svaki elektropneumatski sklop, bez obzira na to koliko je velik, ima tri razine. Signalna razina daje informaciju: tipkalo koje pritisne rukovatelj, granična sklopka koju dotakne klipnjača, beskontaktni senzor koji vidi lim. Razina obrade signala odlučuje što s tom informacijom učiniti: releji, vremenski releji ili programirljivi logički kontroler (PLC) povezuju signale u logiku. Izvršna razina pretvara odluku u gibanje: svitak elektromagnetskog ventila prebacuje razvodnik, razvodnik pušta stlačeni zrak u cilindar, a klipnjača obavlja rad. Električni dio radi s malim snagama i najčešće s istosmjernim naponom 24 V, a pneumatski dio nosi energiju za rad — kod naprave SL-3 to je mreža pretlaka 6 bar.

Električni dio crta se kao shema sa strujnim stazama. Gore je vodič +24 V, dolje vodič 0 V, a između njih okomito stoje strujne staze. Svaka staza ima broj, a elementi u njoj čitaju se odozgo prema dolje: najprije kontakti (uvjeti), na dnu trošilo (svitak releja, svitak ventila, signalna žaruljica). Trošilo je uvijek spojeno na vodič 0 V, a kontakti prema +24 V; tako se kvar uzemljenja ili spoj s kućištem ne može pretvoriti u neželjeno uključenje. Ispod svakog svitka releja upisuje se mala tablica s brojevima staza u kojima se nalaze njegovi kontakti — bez nje se u većoj shemi teško nalazi gdje relej djeluje.

Oznake elemenata u ovoj jedinici slijede uobičajenu praksu: S za tipkala i ručne sklopke (S1 start, S2 stop), 1S1, 1S2 za granične sklopke na cilindru 1A1 (1S1 u stražnjem, 1S2 u prednjem krajnjem položaju), B za beskontaktne senzore, K za releje, KT za vremenske releje i 1M1, 1M2 za svitke ventila 1V1. Prvi broj u oznaci je broj upravljačkog lanca, dakle broj cilindra kojem element pripada. U starijim shemama za svitke ventila susreće se oznaka Y1, Y2; značenje je isto.

Direktno upravljanje jednoradnim i dvoradnim cilindrom

Najjednostavniji sklop ima jedno tipkalo i jedan svitak u istoj strujnoj stazi. Kad rukovatelj pritisne tipkalo S1, kroz svitak 1M1 poteče struja, elektromagnet prebaci razvodnik i cilindar krene. Kad tipkalo otpusti, svitak ostaje bez napona, opruga vraća razvodnik u osnovni položaj i klipnjača se vraća. To je direktno upravljanje: signalni element izravno napaja svitak.

Za jednoradni cilindar dovoljan je razvodnik 3/2 u osnovnom položaju zatvoren: u mirovanju je radni priključak 2 spojen s odzračnim priključkom 3 i opruga cilindra drži klipnjaču uvučenom; pod naponom svitka priključak 1 spaja se s 2 i zrak gura klip protiv opruge. Za dvoradni cilindar potreban je razvodnik 5/2 ili 4/2. U mirovanju je priključak 1 spojen s 2 pa je prednji prostor cilindra pod tlakom i klipnjača uvučena, a stražnji prostor odzračuje se kroz 4 i 5. Kad svitak prebaci razvodnik, zrak ide kroz 4 u stražnji prostor, prednji se odzračuje kroz 2 i 3, a klipnjača izlazi. Slika 4.6.1 u stazi 1 prikazuje upravo taj sklop za cilindar 1A1.

Direktno upravljanje ima tri ograničenja. Prvo, struja svitka teče kroz tipkalo. Svitak ventila snage npr. 2,5 W pri 24 V troši oko 0,10 A, što podnosi svako tipkalo, ali svitak je induktivno trošilo i pri svakom otvaranju kontakta nastaje prenapon i iskra. Zato se paralelno svitku istosmjernog ventila spaja zaštitna (slobodna) dioda ili zaštitni sklop u utikaču ventila. Drugo, jedan signal ne može istodobno djelovati na više mjesta ni ulaziti u logiku. Treće, tipkalo i svitak moraju biti u istom strujnom krugu, pa se dugi vodovi od upravljačkog pulta do ventilskog otoka opterećuju strujom trošila. Direktno upravljanje zato se koristi za pokazne sklopove, ručne naprave i ispitivanje, a u stvarnim strojevima gotovo uvijek postoji razina obrade signala.

Indirektno upravljanje preko releja i vrste ventila

Kod indirektnog upravljanja tipkalo ne napaja svitak ventila, nego svitak releja. U stazi 2 slike 4.6.1 tipkalo S2 uključuje relej K1, a u stazi 3 radni kontakt releja K1 uključuje svitak 1M1. Na prvi pogled dobiven je samo jedan element više, no relej donosi bitne prednosti: signalni krug (tipkalo, vod, ulaz) odvojen je od kruga trošila, jedan relej ima dva, četiri ili više kontakata pa jedan signal može djelovati na više mjesta, kontakti releja podnose veće struje od tipkala, a od kontakata releja slaže se logika — serijski spoj za I, paralelni za ILI, mirni kontakt za NE. Relej je i mjesto na kojem se signal može zapamtiti, o čemu govori odjeljak o samodržanju.

Na izvršnoj strani postoje dvije vrste elektromagnetskih ventila i njihova razlika određuje cijelu električnu shemu.

Ni jedna vrsta nije općenito bolja. Monostabilni ventil daje predvidljivo ponašanje pri nestanku napona ili pritisku na tipkalo za hitno zaustavljanje, ali traži električno pamćenje. Bistabilni ventil pojednostavnjuje električnu shemu i čuva položaj kad napon nestane, što je važno kod stezanja: cilindar A naprave SL-3 ne smije otpustiti lim samo zato što je nestalo napajanje. Izbor je stoga tehnološka odluka koja se donosi prije crtanja sheme, a ne tijekom njega.

Automatski povrat klipnjače graničnom sklopkom

Rukovatelj ne bi trebao sam procjenjivati kad je klipnjača stigla do kraja hoda. Tu informaciju daje granična sklopka 1S2 postavljena u prednjem krajnjem položaju: kad je klipnjača dotakne, njezin kontakt promijeni stanje.

S bistabilnim ventilom rješenje je izravno. Tipkalo S1 u jednoj stazi daje impuls svitku 1M1 i klipnjača izlazi; radni kontakt granične sklopke 1S2 u drugoj stazi napaja svitak 1M2 i ventil se prebacuje natrag. Klipnjača se uvlači čim dođe do kraja, a tipkalo S1 dovoljno je samo kratko pritisnuti. Postoji jedna zamka: ako rukovatelj drži S1 pritisnutim i nakon što je klipnjača stigla do 1S2, oba su svitka pod naponom istodobno. Većina bistabilnih ventila tada zadržava zatečeni položaj ili daje prednost svitku koji je prvi dobio napon, pa klipnjača ostane vani dok se tipkalo ne otpusti. To je najjednostavniji primjer blokirajućeg signala, a rješava se tako da se u stazu svitka 1M1 serijski doda mirni kontakt granične sklopke 1S2 ili radni kontakt sklopke 1S1 (klipnjača uvučena) kao uvjet za start.

S monostabilnim ventilom isto rješenje ne radi: svitak 1M1 mora biti pod naponom cijelim hodom izvlačenja, a tipkalo je pritisnuto samo trenutak. Potrebno je da relej „zapamti“ da je start dan i da tu naredbu obriše granična sklopka. Upravo to radi krug samodržanja.

Krug samodržanja

Samodržanje je spoj u kojem relej sam sebi drži napon: paralelno tipkalu S1 spoji se radni kontakt istog releja K1. Kad se S1 pritisne, K1 privuče, njegov radni kontakt zatvori paralelnu granu i relej ostaje pod naponom i kad se S1 otpusti. Da bi se relej mogao isključiti, u krug se dodaje mirni kontakt tipkala S2 (stop) ili neki drugi uvjet koji prekida strujni put. Relej sa samodržanjem je električna memorija od jednog bita: stanje 1 postavlja se tipkalom S1, a briše tipkalom S2.

Ovisno o mjestu tipkala S2 postoje dvije izvedbe prikazane na slici 4.6.2. Obje jednako rade dok se tipkala pritišću jedno po jedno; razlikuju se kad su S1 i S2 pritisnuta istodobno.

U izvedbi a) dominantnog isključivanja mirni kontakt S2 nalazi se u zajedničkom vodu ispred paralelnog spoja S1 i K1, pa prekida oba strujna puta. U izvedbi b) dominantnog uključivanja S2 je serijski samo s kontaktom samodržanja, a S1 izravno napaja svitak, pa pritisnut start drži relej bez obzira na stop. Za naredbe koje pokreću gibanje u strojarstvu se gotovo uvijek bira dominantno isključivanje: kad rukovatelj u nedoumici pritisne oba tipkala, stroj mora stati. Dominantno uključivanje ima smisla za funkcije kojima se nešto održava, npr. rad ventilatora za odsis ili stezanje koje ne smije popustiti dok ga rukovatelj izričito drži.

Uz monostabilni ventil i graničnu sklopku samodržanje daje automatski povrat. Mirni kontakt granične sklopke 1S2 stavi se u zajednički vod kao drugi uvjet isključivanja. Pritisak na S1 uključi K1, K1 se samodrži, radni kontakt K1 u zasebnoj stazi napaja 1M1 i klipnjača izlazi. Kad klipnjača dosegne 1S2, njegov mirni kontakt se otvori, K1 otpusti, 1M1 ostaje bez napona i opruga vraća ventil. Klipnjača se uvlači, 1S2 se ponovno zatvara, ali K1 ostaje isključen jer je samodržanje prekinuto. Novi ciklus počinje tek novim pritiskom na S1.

Vremensko upravljanje kašnjenjem ukapčanja

Kod savijanja lima klipnjača ne smije odmah nakon dolaska u prednji položaj krenuti natrag: lim mora ostati pritisnut neko vrijeme da se smanji elastični povrat. To zadržavanje daje vremenski relej s kašnjenjem ukapčanja KT1. Kad njegov svitak dobije napon, kontakti ne mijenjaju stanje odmah, nego tek nakon namještenog vremena t; kad svitak izgubi napon, kontakti se odmah vraćaju.

Na slici 4.6.3 staza 1 i 2 čine krug samodržanja releja K1 s dominantnim isključivanjem, ali u zajedničkom vodu sada su dva mirna kontakta: S2 (stop) i KT1. Staza 3 napaja svitak KT1 preko radnog kontakta granične sklopke 1S2, a staza 4 napaja svitak 1M1 monostabilnog ventila preko radnog kontakta K1. Tijek je sljedeći: S1 → K1 privuče i samodrži se → 1M1 pod naponom → klipnjača izlazi → 1S2 se zatvara → KT1 počinje mjeriti vrijeme → nakon t mirni kontakt KT1 se otvara → K1 otpušta → 1M1 bez napona → klipnjača se uvlači → 1S2 se otvara → KT1 gubi napon i njegov kontakt se odmah zatvara. Sklop je time spreman za sljedeći start.

Vremenski releji koji se koriste u elektropneumatici imaju raspon podešavanja npr. od 0,05 s do 10 s ili više, a ponovljivost vremena reda veličine jednog postotka. To je dovoljno za zadržavanje i čekanje, ali nije mjerenje: ako tehnologija traži da je lim stvarno savijen do kraja, uvjet mora dati granična sklopka ili tlačna sklopka, a vremenski relej samo dodaje sigurnosnu rezervu. Česta pogreška je i vremenski relej umjesto granične sklopke — „klipnjača je sigurno vani nakon 0,8 s“. To radi dok se ne promijeni tlak u mreži, podmazivanje ili masa alata; tada se ciklus nastavlja prije nego što je gibanje završeno.

Računski prikaz: vrijeme ciklusa jednog cilindra

Vrijeme ciklusa jednog cilindra zbroj je vremena izvlačenja, zadržavanja u prednjem položaju, uvlačenja i vremena odziva ventila. Vrijeme hoda je omjer hoda i srednje brzine klipa, a odziv ventila pojavljuje se dvaput (prebacivanje i povrat razvodnika). Vrijeme odziva releja, reda veličine desetak milisekundi, ovdje je uključeno u vrijeme odziva ventila.

T = s / v_i + t_z + s / v_u + 2 · t_v

Za cilindar B naprave SL-3 (hod 100 mm) uzmimo srednju brzinu izvlačenja 200 mm/s, uvlačenja 250 mm/s (manja je površina prstena, pa se isti protok zraka pretvara u veću brzinu), zadržavanje 1,5 s i odziv ventila 20 ms. Izvlačenje traje 0,5 s, uvlačenje 0,4 s, a cijelo gibanje cilindra B s zadržavanjem 2,44 s. To je oko 20 % takta od 12 s, pa ostaje dovoljno vremena za stezanje, izbacivanje i ručno ulaganje lima. Vidi se i da vrijeme zadržavanja prevladava: skraćenje zadržavanja s 1,5 s na 1,0 s donosi više nego povećanje brzine izvlačenja za četvrtinu. Brzine klipa ovdje su pretpostavljene; stvarne ovise o protoku razvodnika, promjeru cijevi i namještenosti prigušnih ventila, pa se na stroju provjeravaju mjerenjem.

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
• V16 Indirektno upravljanje dvoradnim cilindrom — monostabilni ventil · 2 sata
• V17 Indirektno upravljanje dvoradnim cilindrom — bistabilni ventil · 2 sata
• V18 Granična sklopka u elektropneumatskom sklopu · 2 sata
• V21 Krug samodržanja · 2 sata
• V27 Dijagnostika i uklanjanje kvara · 2 sata