MODUL 7 · ELEKTROHIDRAULIČKI SUSTAVI
Nastavna jedinica 7.2
Tlačna sklopka i elektrohidraulički pretvarači signala
Tlačna sklopka i tlačni pretvornik pretvaraju tlak ulja u električni signal, pa upravljanje može reagirati na stvarno opterećenje, a ne samo na položaj ili vrijeme. U ovoj jedinici upoznajete mehaničke i elektroničke tlačne sklopke, histerezu, strujni signal 4–20 mA i naponski 0–10 V te temperaturne i razinske sklopke agregata.
- objasniti načelo rada mehaničke tlačne sklopke s klipom, Bourdonovom cijevi i membranom
- razlikovati sklopnu točku, točku povrata i histerezu te namjestiti sklopku s obzirom na sigurnosni ventil
- usporediti strujni signal 4–20 mA i naponski signal 0–10 V elektroničkog tlačnog pretvornika
- primijeniti upravljanje ovisno o tlaku na povrat preše HP-1
- opisati ulogu temperaturnih, razinskih i diferencijalnih tlačnih sklopki na hidrauličkom agregatu
- izračunati signal pretvornika za zadani tlak, tlak iz izmjerenog signala i sklopne točke s histerezom
Zašto upravljati ovisno o tlaku
U jedinici 7.1 preša HP-1 prelazila je iz koraka u korak prema položaju (granične sklopke) i vremenu (vremenski relej). Takvo upravljanje ne zna ništa o sili. Ako je lim deblji, alat stane prije graničnog položaja, a relej čeka signal koji nikad ne dolazi. Ako je lim tanji, alat stigne do kraja, ali sila prešanja možda nije dostignuta. Upravljanje ovisno o tlaku rješava taj problem: budući da je sila cilindra umnožak tlaka i površine, tlak u komori klipa izravna je mjera sile kojom alat djeluje na obradak.
Za pretvorbu tlaka u električni signal služe dvije skupine uređaja. Tlačna sklopka daje binarni signal: kontakt je uklopljen ili isklopljen, ovisno o tome je li tlak iznad ili ispod namještene vrijednosti. Tlačni pretvornik (pretvarač tlaka, transmiter) daje analogni signal razmjeran tlaku, najčešće struju 4–20 mA ili napon 0–10 V. Elektronička tlačna sklopka spaja oboje: mjeri tlak analogno, pokazuje ga na zaslonu i iz izmjerene vrijednosti programski tvori jedan ili dva sklopna izlaza.
Osim za upravljanje radnim ciklusom, tlačni signali služe za nadzor i zaštitu: isključenje crpke kad se napuni akumulator, dojavu kad tlak u sustavu padne ispod najmanje dopuštene vrijednosti, nadzor začepljenosti filtra i upozorenje na preopterećenje. Iste zadaće za temperaturu i razinu ulja obavljaju temperaturne i razinske sklopke.
Mehanička tlačna sklopka
Mehanička tlačna sklopka pretvara tlak u silu na mjerni element, a tu silu uspoređuje sa silom namještene opruge. Kad sila tlaka nadvlada silu opruge, mjerni element se pomakne i preko poluge ili igle prebaci mikroprekidač. Mikroprekidač gotovo uvijek ima preklopni kontakt s tri priključka: 1 je zajednički, 2 mirni (u mirovanju spojen s 1), 4 radni (spojen s 1 kad je sklopka aktivirana). Tako se ista sklopka može upotrijebiti i kao zatvarajući i kao otvarajući kontakt.
Prema mjernom elementu razlikujemo tri osnovne izvedbe.
- Klipna tlačna sklopka ima mali klip s brtvom. Robusna je, podnosi visoke tlakove i tlačne udare, pa je uobičajena u hidraulici srednjih i visokih tlakova. Trenje brtve uzrokuje veću histerezu i manju ponovljivost.
- Sklopka s Bourdonovom cijevi ima savijenu cijev eliptičnog presjeka koja se pod tlakom ispravlja, kao u manometru. Točnija je od klipne, ali osjetljivija na pulzacije i tlačne udare, pa se ispred nje stavlja prigušnica.
- Membranska tlačna sklopka ima elastičnu membranu velike površine. Prikladna je za niske tlakove i male razlike tlaka, ima malu histerezu, ali ograničen najveći tlak.
Sklopna točka namješta se vijkom koji mijenja prednapon opruge. Skala na sklopki je orijentacijska; točna vrijednost namješta se uz kontrolni manometar: tlak se polako podiže i očita se tlak pri kojem kontakt prebaci, zatim se tlak polako spušta i očita se tlak povrata. Svaka sklopka ima i najveći dopušteni tlak, koji mora biti veći od najvišeg tlaka u sustavu, uključujući tlačne vrške pri prebacivanju razvodnika.
Pažnja
Prije skidanja ili zamjene tlačne sklopke sustav se mora rasteretiti: crpka isključena, razvodnici u položaju koji spaja vodove sa spremnikom, akumulator ispražnjen. Manometar mora pokazivati nulu. Ulje pod tlakom koje izlazi iz tankog otvora može probiti kožu.
Sklopna točka, točka povrata i histereza
Sklopna točka (SP, engl. switch point) je tlak pri kojem sklopka prebaci dok tlak raste. Točka povrata (RP, engl. reset point) je tlak pri kojem se sklopka vrati dok tlak pada. Razlika SP − RP je histereza (sklopna razlika). Kod mehaničkih sklopki histereza nastaje zbog trenja i konstrukcije mikroprekidača i obično se izražava u postotku mjernog područja ili u bar; kod nekih izvedbi može se namjestiti posebnim vijkom. Kod elektroničkih sklopki SP i RP namještaju se neovisno, programski.
Histereza nije nedostatak nego nužnost. Tlak u hidrauličkom sustavu nikad nije potpuno miran: zupčasta crpka daje pulzacije, prebacivanja razvodnika stvaraju vrške, a opterećenje se mijenja. Kad bi SP i RP bili jednaki, kontakt bi pri tlaku oko sklopne točke brzo i neprestano uklapao i isklapao (treperenje kontakta), releji bi zujali, a razvodnici bi se prebacivali naprijed-natrag. S histerezom od nekoliko bar kontakt prebaci jednom i ostaje u novom stanju dok tlak znatno ne padne.
Smjer djelovanja ovisi o zadaći. Za nadzor najvećeg tlaka ili za kraj prešanja važna je sklopna točka pri rastu tlaka. Za nadzor najmanjeg tlaka, primjerice u sustavu s akumulatorom, važna je točka povrata: crpka se uključi kad tlak padne na RP i isključi kad naraste na SP. Tada je histereza radno područje akumulatora, pa se bira dovoljno velikom da crpka ne uklapa prečesto.
Zapamtite
Sklopna točka mora biti dovoljno ispod tlaka sigurnosnog ventila. Sigurnosni ventil počinje otvarati nešto prije svog nazivnog tlaka, pa bi sklopka namještena točno na 160 bar na HP-1 mogla čekati tlak koji sustav nikad ne postigne. Uobičajeno se ostavlja razmak od barem 5 do 10 %.
Elektronički tlačni pretvornik: 4–20 mA i 0–10 V
Elektronički tlačni pretvornik ima mjernu ćeliju — najčešće čeličnu membranu s tankoslojnim ili naparenim otpornim mjernim trakama spojenim u Wheatstoneov most, ili piezorezistivni silicijski element. Tlak deformira membranu, otpor traka se mijenja, a ugrađena elektronika pojačava signal, kompenzira utjecaj temperature i pretvara ga u normirani izlaz. Pretvornik nema pomičnih dijelova, pa je otporan na vibracije i ima malu histerezu i dobru ponovljivost; točnost je reda veličine desetinke do pola postotka mjernog područja, prema podacima proizvođača.
Za karakteristiku pretvornika dovoljna su dva podatka: mjerno područje (npr. 0–250 bar) i vrsta izlaza. Karakteristika je pravac:
I = 4 mA + 16 mA · p / pmax p = (I − 4 mA) / 16 mA · pmax
U = 10 V · p / pmax p = U / 10 V · pmax
| Svojstvo | Strujni izlaz 4–20 mA | Naponski izlaz 0–10 V |
|---|---|---|
| Spajanje | često dvožično: isti par vodi napajanje i signal | trožično: napajanje, signal, zajednička masa |
| Otpor vodova | ne utječe na signal dok napajanje ima dovoljnu pričuvu | pad napona na vodu mijenja signal |
| Otpornost na smetnje | velika, pogodan za duge vodove u pogonu | manja, pogodan za kratke vodove |
| Prepoznavanje prekida voda | da: 0 mA je izvan područja (živa nula) | ne: 0 V izgleda kao tlak 0 bar |
| Signal pri 160 bar (0–250 bar) | 14,24 mA | 6,40 V |
Posebnu vrijednost strujnog signala daje živa nula: najmanjem tlaku odgovara 4 mA, a ne nula. Ako se vod prekine, struja padne na nulu, što upravljanje prepoznaje kao kvar, a ne kao tlak od 0 bar. U praksi se vrijednosti znatno ispod 4 mA (npr. ispod 3,6 mA) ili iznad 20 mA tumače kao kvar senzora ili voda. Kod naponskog signala 0 V je ujedno valjana vrijednost, pa se prekinuti vod ne razlikuje od sustava bez tlaka.
Analogni ulaz PLC-a pretvara struju ili napon u broj. Ako cijelo područje 4–20 mA pokriva 4096 razina (12-bitni pretvornik), razlučivost pri mjernom području 250 bar je 250 / 4096 ≈ 0,06 bar po razini — znatno finije nego što treba za upravljanje prešom. Pri izboru mjernog područja vrijedi pravilo: područje neka bude iznad najvišeg radnog tlaka, ali ne mnogo veće, jer točnost izražena u postotku područja daje veću pogrešku u bar kad je područje preveliko. Za HP-1 s 160 bar prikladno je područje 0–250 bar.
Upravljanje ovisno o tlaku na preši HP-1
Na preši HP-1 dodaje se tlačna sklopka B3 u vodu A, između razvodnika i komore klipa. Sklopna točka je 150 bar, točka povrata 140 bar. Ciklus se mijenja ovako: brzo primicanje i prešanje ostaju ovisni o putu (B1), ali prešanje više ne završava graničnom sklopkom B2, nego trenutkom kad tlak u komori klipa dosegne 150 bar. U relejnoj shemi radni kontakt B3 zamjenjuje kontakt B2 u strujnom putu vremenskog releja ili izravno pokreće relej povrata K2. Granična sklopka B2 ostaje kao zaštita: ako alat dođe do donjeg položaja, a tlak nije porastao, u alatu nema obratka ili je nešto slomljeno, pa upravljanje zaustavlja ciklus i javlja pogrešku.
Pri 150 bar sila prešanja je F = p · A = 15 N/mm² · 5026,5 mm² ≈ 75,4 kN. Sila je time određena bez obzira na debljinu lima. Ako se zahtijeva zadržavanje pod tlakom, vremenski relej KT pokreće se tek kada B3 uklopi, a ne kada alat dođe na neki položaj. Za vrijeme zadržavanja razvodnik se može prebaciti u središnji položaj, a tlak zadržati deblokirajućim nepovratnim ventilom (6.6); crpka tada ne tjera ulje kroz sigurnosni ventil i ne pretvara 5,88 kW u toplinu.
Mjesto ugradnje sklopke je bitno. Sklopka ugrađena odmah iza crpke vidi tlak crpke, koji raste i pri svakom otporu u vodovima, pri ubrzavanju mase i pri prebacivanju razvodnika. Sklopka u vodu A, što bliže cilindru, vidi tlak koji stvarno djeluje na klip. Ispred klipnih i Bourdonovih sklopki ugrađuje se prigušnica (prigušni umetak) koja ublažava tlačne vrške i sprječava lažno uklapanje u trenutku kad alat udari u lim.
Pažnja
Tlačni vrh pri naglom zaustavljanju alata može kratko premašiti sklopnu točku iako stvarna sila prešanja još nije postignuta. Tada preša kreće natrag prerano. Ako se to događa, pomaže prigušnica ispred sklopke, kratko vremensko filtriranje signala ili upravljanje koje traži da tlak ostane iznad SP određeno vrijeme.
Temperaturne, razinske i diferencijalne tlačne sklopke
Hidraulički agregat ima, osim tlačnih, i druge elektrohidrauličke pretvarače signala. Oni ne upravljaju radnim ciklusom, nego štite agregat i ulje.
Temperaturna sklopka (termostat) nadzire temperaturu ulja u spremniku. Izvodi se s bimetalom ili kao elektronički osjetnik s otpornim termometrom i sklopnim izlazima. Ulje HLP 46 radi najbolje u području otprilike 40–60 °C; pri višim temperaturama viskoznost pada, unutarnja propuštanja rastu, a ulje brže stari. Tipična su tri praga: uključivanje hladnjaka, upozorenje i isključivanje crpke. Kod hladnog pokretanja ista sklopka može blokirati rad pod punim tlakom dok grijač ne zagrije ulje.
Razinska sklopka nadzire razinu ulja. Najčešća je izvedba s plovkom u kojem je magnet, a u cijevi vodilici reed-kontakt koji magnet uklapa. Kad razina padne ispod najmanje, crpka bi mogla usisati zrak, što uzrokuje kavitaciju, buku i oštećenje crpke. Zato se na donjoj razini crpka isključuje, a na nešto višoj daje upozorenje. Pad razine je ujedno znak propuštanja u sustavu. Na spremniku HP-1 od 63 l pad razine od nekoliko litara znači da je ulje negdje izašlo iz kruga.
Diferencijalna tlačna sklopka (pokazivač zaprljanja) mjeri razliku tlaka ispred i iza filtarskog uloška. Kad se uložak zaprlja, razlika raste; sklopka javlja potrebu zamjene prije nego što se otvori obilazni ventil filtra i nefiltrirano ulje prođe u sustav. Na filtru u povratu HP-1 (10 µm) takav signal omogućuje održavanje prema stanju umjesto prema kalendaru.
| Signal na HP-1 | Uređaj | Djelovanje upravljanja |
|---|---|---|
| tlak prešanja postignut | tlačna sklopka B3, 150/140 bar | kraj prešanja, početak zadržavanja ili povrata |
| tlak u sustavu | pretvornik 0–250 bar, 4–20 mA | prikaz, zapis, nadzor preopterećenja |
| temperatura ulja | temperaturna sklopka | hladnjak, upozorenje, isključenje |
| razina ulja | razinska sklopka s plovkom | upozorenje, isključenje crpke |
| zaprljanost filtra | diferencijalna tlačna sklopka | poruka za održavanje |
Računski prikaz: signal pretvornika i sklopne točke
Prikaz računa strujni i naponski signal pretvornika za zadani tlak, tlak koji odgovara izmjerenoj struji, te točku povrata sklopke iz sklopne točke i histereze. Poruka ispod rezultata javlja stanje sklopnog kontakta i upozorava ako je sklopna točka preblizu sigurnosnom ventilu od 160 bar.
Računa struju 4–20 mA i napon 0–10 V za zadani tlak, tlak iz izmjerene struje te točku povrata sklopke iz sklopne točke i histereze.
Za pretvornik 0–250 bar i tlak prešanja 160 bar struja je 4 + 16 · 160 / 250 = 14,24 mA, a naponski izlaz dao bi 6,40 V. Izmjerena struja od 12 mA odgovara tlaku (12 − 4) / 16 · 250 = 125 bar — točno polovici područja, jer je 12 mA sredina između 4 i 20 mA. Sklopka namještena na SP = 150 bar s histerezom 10 bar vraća se pri RP = 140 bar; ako se ista funkcija ostvari programski iz signala pretvornika, PLC uspoređuje struju s 13,60 mA pri rastu i s 12,96 mA pri padu tlaka. Razmak sklopne točke do sigurnosnog ventila je 10 bar, odnosno 6,25 % od 160 bar.
Ključni pojmovi
| Pojam | Značenje |
|---|---|
| Tlačna sklopka | uređaj koji pri namještenom tlaku prebaci električni kontakt |
| Sklopna točka (SP) | tlak pri kojem sklopka prebaci dok tlak raste |
| Točka povrata (RP) | tlak pri kojem se sklopka vrati dok tlak pada |
| Histereza | razlika SP − RP; sprječava treperenje kontakta |
| Tlačni pretvornik | uređaj koji daje analogni električni signal razmjeran tlaku |
| 4–20 mA | strujni normirani signal sa živom nulom, otporan na smetnje i duge vodove |
| Upravljanje ovisno o tlaku | prijelaz na sljedeći korak kad tlak, a time i sila, dosegne zadanu vrijednost |
| Razinska sklopka | sklopka s plovkom koja javlja prenisku razinu ulja u spremniku |
| Diferencijalna tlačna sklopka | sklopka koja mjeri pad tlaka na filtru i javlja zaprljanost uloška |
Provjeri se
Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.
Pitanje 1 od 4
Pretvornik 0–250 bar sa strujnim izlazom 4–20 mA pokazuje 12 mA. Koliki je tlak?
p = (12 − 4) / 16 · 250 = 125 bar; 12 mA je sredina područja 4–20 mA.
Pitanje 2 od 4
Koja je glavna prednost strujnog signala 4–20 mA pred naponskim 0–10 V?
Struja u petlji ne ovisi o otporu vodova, a 0 mA je izvan područja, pa se prekid voda prepoznaje kao kvar.
Pitanje 3 od 4
Tlačna sklopka na HP-1 namještena je na SP = 150 bar s histerezom 10 bar. Pri kojem se tlaku kontakt vraća?
RP = SP − histereza = 150 − 10 = 140 bar.
Pitanje 4 od 4
Zašto se tlačna sklopka za kraj prešanja ne namješta na 160 bar, koliko iznosi tlak sigurnosnog ventila HP-1?
Sklopna točka mora biti s razmakom ispod tlaka sigurnosnog ventila, uobičajeno barem 5–10 %.
Odgovoreno 0 od 4.
Vježbe uz jedinicu
Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:
- V38 Tlačna sklopka · 2 sata
- V40 Upravljanje ovisno o putu i tlaku · 2 sata