Logičke i vremenske funkcije u elektropneumatici

Kontakt kao nositelj binarnog signala

U elektropneumatici gotovo svi signali imaju samo dva stanja: tipkalo je pritisnuto ili nije, klipnjača je na graničnoj sklopki ili nije, relej je privučen ili otpušten. Takav signal naziva se binarnim i označava se s 1 i 0. Uz uobičajenu pozitivnu logiku stanje 1 znači da na vodiču ima napona 24 V, a stanje 0 da napona nema. Kontakt je tada najjednostavniji logički element: zatvoren kontakt propušta stanje 1 dalje, otvoren ga prekida.

Za svaki kontakt treba razlikovati dvije stvari: stanje aktuatora (je li tipkalo pritisnuto, je li relej pod naponom) i stanje kontakta (vodi li struju). Radni kontakt (NO, zatvarač) vodi kad je aktuator aktiviran, pa prenosi signal nepromijenjen — to je funkcija DA ili identitet. Mirni kontakt (NC, otvarač) vodi kad aktuator nije aktiviran, pa signal obrće — to je funkcija NE. Preklopni kontakt ima oba puta i u jednom elementu nudi i signal i njegovu negaciju.

Logičke funkcije zapisuju se Booleovim izrazima. U ovoj jedinici koristi se zapis A · B za I (konjunkcija), A + B za ILI (disjunkcija) i ¬A za NE (negacija). Ponašanje funkcije potpuno opisuje tablica istine: popis svih kombinacija ulaza i pripadnih izlaza. Za n ulaza postoji 2ⁿ kombinacija, dakle 4 za dva ulaza i 8 za tri. Tablica istine vrijedi jednako za kontakte releja, pneumatske logičke ventile i naredbe PLC-a; mijenja se samo tehnika izvedbe.

Funkcije I, ILI i NE

Funkcija I daje izlaz 1 samo kad su svi ulazi 1. Električno se ostvaruje serijskim spojem radnih kontakata: struja do svitka teče samo kad su zatvoreni i prvi i drugi kontakt (staza 1 na slici 4.7.1). Tipičan primjer na napravi SL-3 je uvjet za stezanje: rukovatelj je pritisnuo start i beskontaktni senzor javlja da je lim uložen. Svaki dodatni uvjet dodaje se još jednim serijskim kontaktom — granične sklopke koje potvrđuju da su sve klipnjače uvučene, kontakt releja koji potvrđuje da je zaštitna vrata zatvorena i slično.

Funkcija ILI daje izlaz 1 kad je barem jedan ulaz 1. Ostvaruje se paralelnim spojem radnih kontakata (staze 2 i 3). Primjer je stroj kojim se može upravljati s dva mjesta: tipkalom na pultu i tipkalom na prijenosnoj upravljačkoj kutiji. Svaka paralelna grana u shemi dobiva vlastiti broj strujne staze, iako vodi do istog svitka.

Funkcija NE daje izlaz 1 kad je ulaz 0. Ostvaruje se mirnim kontaktom (staza 4): dok tipkalo S3 nije pritisnuto, relej K3 je privučen, a pritiskom na tipkalo otpušta. Kad je signal koji treba negirati napon na svitku releja, negaciju daje mirni kontakt tog releja. Relej je tako i pojačalo i invertor u jednom elementu, a jedan relej s četiri preklopna kontakta daje signal i njegovu negaciju na četiri mjesta u shemi.

Iste funkcije u pneumatici daju ventil dvostrukog tlaka (I) i naizmjenični ventil (ILI), a negaciju razvodnik 3/2 u osnovnom položaju otvoren. Električna izvedba ima nekoliko prednosti: kontakti ne troše zrak, signal putuje gotovo trenutno i na velike udaljenosti, a jedna funkcija s pet uvjeta samo je pet serijskih kontakata umjesto kaskade od četiri pneumatska ventila. Nedostatak je potreba za električnim napajanjem i zaštitom u okolinama u kojima električna iskra nije dopuštena, npr. u prostorima s opasnošću od eksplozije.

Funkcije NI, NILI i De Morganova pravila

Funkcija NI (negirani I) daje izlaz 0 samo kad su svi ulazi 1, a u svim ostalim slučajevima daje 1. Funkcija NILI (negirani ILI) daje izlaz 1 samo kad su svi ulazi 0. Kontaktima se ne izvode tako da se iza I ili ILI doda „NE“, nego izravno, pomoću De Morganovih pravila:

¬(A · B) = ¬A + ¬B      ¬(A + B) = ¬A · ¬B

Prvo pravilo kaže da je NI isto što i ILI negiranih ulaza, dakle paralelni spoj mirnih kontakata (staze 1 i 2 na slici 4.7.2). Drugo pravilo kaže da je NILI isto što i I negiranih ulaza, dakle serijski spoj mirnih kontakata (staza 3). U praksi je NILI vrlo čest: niz mirnih kontakata tipkala za zaustavljanje, sklopki zaštitnih vrata i releja kvara u zajedničkom vodu znači „stroj smije raditi samo ako ništa od toga nije aktivirano“.

Funkcija EX-ILI (isključivo ILI) daje 1 kad su ulazi različiti: A · ¬B + ¬A · B. Kontaktima se izvodi s dvije paralelne grane, u svakoj po jedan radni i jedan mirni kontakt, ili elegantnije s dva preklopna kontakta. Klasičan primjer je rasvjeta koja se pali i gasi s dva mjesta, a u strojarstvu nadzor para senzora koji ne smiju istodobno biti u istom stanju, npr. senzor „ventil otvoren“ i senzor „ventil zatvoren“ na zaklopci. Ako su oba 0 ili oba 1, nešto nije u redu i treba javiti kvar.

Kombinirane funkcije i njihovo pojednostavnjenje

Stvarni uvjeti rijetko su samo jedna funkcija. Postupak od zadatka do strujne staze ima tri koraka: tekst zadatka zapiše se kao logički izraz, izraz se po mogućnosti pojednostavni, a zatim se svaka operacija I pretvori u serijski, a svaka operacija ILI u paralelni spoj. Zagrade u izrazu odgovaraju granama u shemi.

Uzmimo start naprave SL-3. Ciklus smije početi ako je pritisnuto tipkalo S1 ili je uključen neprekidni rad (relej K10), i ako je lim uložen (senzor B1), i ako su sve tri klipnjače uvučene (1S1, 2S1, 3S1), i ako nije aktivan relej kvara K11. Izraz glasi:

START = (S1 + K10) · B1 · 1S1 · 2S1 · 3S1 · ¬K11

Strujna staza ima paralelni spoj S1 i K10 na vrhu, ispod njega pet serijskih kontakata — četiri radna i mirni kontakt releja K11 — i na dnu svitak releja koji daje signal za početak ciklusa. Redoslijed serijskih kontakata ne mijenja logiku, ali olakšava traženje kvara: uvjeti koji se najčešće ne ispunjavaju stavljaju se na vrh, pa se ispitnim uređajem napon prati odozgo dok ne nestane.

Pojednostavnjenje štedi kontakte i time releje. Izraz A · B + A · C traži četiri kontakta (dva puta A), a jednak je izrazu A · (B + C) koji traži tri. Tablica istine pokazuje da su oba izraza jednaka za svih osam kombinacija, a razlika u opsegu sheme vidi se odmah:

Kod većeg broja ulaza pojednostavnjenje se radi Veitch-Karnaughovom tablicom, a kod PLC-a ušteda kontakata više nije važna jer program nema ograničen broj kontakata. Čitljivost sheme i dalje jest: jednostavniji izraz lakše se provjerava i lakše popravlja.

Vremenski releji: kašnjenje ukapčanja i iskapčanja

Vremenski relej mijenja stanje kontakata s namjernim zakašnjenjem. Dvije osnovne vrste razlikuju se po tome koji brid signala odgađaju, što najbolje pokazuje vremenski dijagram na slici 4.7.3.

Kašnjenje ukapčanja, zvano i kašnjenje privlačenja (uz simbol svitka pravokutnik s križićem, na kontaktu polukrug koji označuje usporeno gibanje): kad svitak dobije napon, kontakti se prebacuju tek nakon vremena t; kad svitak izgubi napon, kontakti se vraćaju odmah. Ulazni impuls kraći od t ne prolazi. Koristi se za zadržavanje (lim ostaje pritisnut 1,5 s), za čekanje da se tlak u cilindru stabilizira i za potiskivanje kratkih smetnji s osjetnika — npr. senzor prisutnosti lima mora javljati lim barem 0,2 s prije nego što se prihvati kao uložen.

Kašnjenje iskapčanja, zvano i kašnjenje otpuštanja (uz simbol svitka ispunjeni pravokutnik, polukrug na kontaktu okrenut suprotno): kontakti se prebacuju odmah kad upravljački signal dođe, a vraćaju se tek t nakon što signal nestane. Kraći impuls tako se produljuje na najmanje t. Primjer na napravi SL-3: nakon što cilindar C izbaci savijeni lim, mlaznica za ispuhivanje ostaje otvorena još 2 s da odnese strugotine i ulje s alata. Kod elektroničkih releja s kašnjenjem iskapčanja napajanje releja mora ostati priključeno i nakon nestanka upravljačkog signala, jer mjerenje vremena treba energiju; zato takvi releji imaju zaseban upravljački ulaz.

Suvremeni elektronički vremenski releji najčešće su višefunkcijski: preklopkom se bira kašnjenje ukapčanja, kašnjenje iskapčanja, impuls zadane duljine ili takt (naizmjenično uključivanje i isključivanje), a vrijeme se namješta potenciometrom u nekoliko raspona. Pri puštanju u pogon zato treba provjeriti ne samo namješteno vrijeme nego i odabranu funkciju: relej koji je iz skladišta stigao namješten na impuls ponaša se posve drugačije od onoga što pokazuje shema.

Električno dvoručno upravljanje

Kod preša, naprava za savijanje i sličnih strojeva ruke rukovatelja ne smiju biti u opasnom području dok se alat giba. Dvoručno upravljanje to osigurava tako da rukovatelj mora obje ruke držati na dva tipkala, razmaknuta toliko da se ne mogu pritisnuti jednom rukom ili rukom i laktom. Upravljanje mora ispuniti tri uvjeta: gibanje počinje samo ako su oba tipkala pritisnuta gotovo istodobno (uobičajena granica je 0,5 s), gibanje prestaje čim se otpusti bilo koje tipkalo, a novi ciklus moguć je tek kad su oba tipkala otpuštena.

Na slici 4.7.4 staze 1 i 2 napajaju vremenski relej KT1 (kašnjenje ukapčanja, 0,5 s) čim je pritisnuto bilo koje tipkalo — funkcija ILI. Staza 3 napaja relej K1 preko serijskog spoja drugih radnih kontakata S1 i S2 (funkcija I) i mirnog kontakta KT1. Ako je drugo tipkalo pritisnuto unutar 0,5 s od prvoga, K1 privuče i preko radnog kontakta u stazi 4 samodrži se usporedno s KT1. Kad KT1 nakon 0,5 s otvori svoj mirni kontakt, K1 ostaje uključen preko samodržanja dok su oba tipkala pritisnuta. Otpuštanjem bilo kojeg tipkala K1 otpušta i svitak 1M1 monostabilnog ventila ostaje bez napona. Ako rukovatelj drži jedno tipkalo stalno pritisnutim, KT1 ostaje uključen, njegov mirni kontakt otvoren i K1 se ne može ponovno uključiti — time je zabranjeno „zaglavljeno“ tipkalo.

Računski prikaz: tablica istine za zadani izraz

Odaberite logički izraz i stanja ulaza A, B i C. Prikaz računa izlaz Y za odabranu kombinaciju, broji koliko od svih kombinacija daje Y = 1 i navodi koliko radnih (NO) i mirnih (NC) kontakata treba za izvedbu u jednoj strujnoj stazi bez pojednostavnjenja. Za izraze s dva ulaza C se ne koristi.

Za početno odabrani izraz (A · B) + C i ulaze A = 1, B = 0, C = 1 izlaz je Y = 1, jer je grana s kontaktom C zatvorena. Izraz daje 1 za pet od osam kombinacija, a izvodi se s tri radna kontakta (staze 4 i 5 na slici 4.7.2). Primijenjeno na SL-3: ako je A tipkalo start, B senzor lima, a C relej neprekidnog rada, vidi se odmah da je izraz loše postavljen, jer neprekidni rad pokreće ciklus i bez uloženog lima. Pravi izraz je (A + C) · B, koji daje 1 za samo tri kombinacije. Tablica istine tako otkriva pogrešku u zadatku prije nego što je shema nacrtana.

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:

• V19 Logička funkcija ILI u elektropneumatici · 2 sata
• V20 Logička funkcija I u elektropneumatici · 2 sata
• V22 Vremenski relej s kašnjenjem ukapčanja · 2 sata