VJEŽBA V15 · MODUL 4 · ELEKTROPNEUMATIKA
Vježba V15 · 2 sata
Elektropneumatika — direktno upravljanje dvoradnim cilindrom
Zaklopku dozirnog lijevka otvarate dvoradnim cilindrom kojim izravno upravlja tipkalo S1 preko svitka Y1 monostabilnog elektromagnetskog ventila 5/2. Uz to spajate prvu signalizaciju položaja senzorom B1 i računate struju svitka, pad napona u kabelu i silu cilindra.
- pročitati i nacrtati električnu shemu u strujnim stazama između +24 V i 0 V
- spojiti direktno elektropneumatsko upravljanje dvoradnim cilindrom i signalizaciju položaja
- objasniti ponašanje monostabilnog ventila pri otpuštanju tipkala i pri nestanku napona
- izračunati struju i otpor svitka, pad napona u kabelu i silu cilindra
O vježbi
Prije vježbe proći gradivo: 4.5 Elektromagnetski ventili, 4.6 Osnovni elektropneumatski sklopovi i krug samodržanja.
Pitanja i zadaci na ovoj stranici su bez odgovora. Rješenje s postupkom otvara se gumbom Prikaži rješenje ispod svakog pitanja, a upute za nastavnika nalaze se na dnu stranice.
Zadatak
Iz lijevka s plastičnim granulatom materijal se dozira u miješalicu. Na dnu lijevka je zaklopka koju otvara dvoradni cilindar 1A1 (Ø40/16 mm, hod 80 mm) preko poluge. Rukovatelj drži tipkalo S1 dok ne ispusti potrebnu količinu, a zatim ga otpusti i zaklopka se zatvori. Na pultu svijetli signalna svjetiljka H1 dok je zaklopka potpuno otvorena; položaj javlja magnetski (reed) senzor B1 na cilindru u položaju izvučene klipnjače.
Cilindrom upravlja elektromagnetski razvodnik 1V1 5/2, monostabilan: svitak Y1 i povratna opruga. Upravljanje je direktno: kontakt tipkala S1 nalazi se u istoj strujnoj stazi sa svitkom Y1 i izravno ga uključuje.
Podaci: mreža 6 bar; napajanje 24 V DC; svitak Y1 snage 3 W; kabel od pulta do ventila dug 15 m, dvožilni, presjeka 0,5 mm²; za otvaranje zaklopke pod opterećenjem granulata potrebna je sila od 400 N na klipnjači.
Oprema i pribor
- ploča za spajanje s pripremnom grupom i razdjelnikom zraka;
- dvoradni cilindar s magnetskim prstenom na klipu i nosačem za senzor;
- elektromagnetski razvodnik 5/2, monostabilan, svitak 24 V DC, priključni utikač sa svjetlećom diodom i zaštitnim sklopom;
- električna jedinica sa stabiliziranim napajanjem 24 V DC i zaštitom od preopterećenja, tipkalom (NO) i signalnom svjetiljkom 24 V;
- magnetski senzor položaja, dvožilni ili trožilni (PNP), 24 V DC;
- laboratorijski vodiči sa zaštićenim utikačima (crveni za +24 V, plavi za 0 V, crni za signale), multimetar;
- cijevi Ø6 mm, rezač cijevi, radni list.
Sigurnost pri radu
Pažnja
Električni vodiči spajaju se i odspajaju samo kad je napajanje isključeno, a pneumatski vodovi samo bez tlaka. Iako je 24 V DC vrlo niski napon, kratki spoj +24 V i 0 V može rastaliti tanki vodič i oštetiti napajanje. Prije uključenja napajanja provjerite multimetrom da između +24 V i 0 V nema kratkog spoja (otpor mora biti velik). Monostabilni ventil pri nestanku napona odmah vraća cilindar: ruke ne smiju biti u zoni poluge zaklopke ni kad je tipkalo otpušteno.
Shema
Električna shema crta se u strujnim stazama: gornja vodoravna crta je +24 V, donja 0 V, a svaka okomita staza nosi jedan put struje. Staze se numeriraju slijeva (1, 2, …). Kontakti se crtaju u neaktiviranom stanju, bez struje i bez pritiska. Isti element nosi istu oznaku u pneumatskoj i električnoj shemi: Y1 je istodobno svitak u stazi 1 i aktuator na razvodniku, B1 je senzor na cilindru i kontakt u stazi 2. Oznake slijede uobičajeni sustav: S za tipkala i sklopke, B za senzore i granične sklopke, K za releje, Y za svitke ventila, H za signalne svjetiljke. U ovoj vježbi releja K1 još nema — on se u vježbi V16 umeće između tipkala i svitka.
Postupak
- Montirajte cilindar i razvodnik, spojite energetske vodove: 1 na razdjelnik, 4 na stranu klipa, 2 na stranu klipnjače. Na cilindar postavite senzor B1 u položaj izvučene klipnjače.
- Uz isključeno napajanje spojite stazu 1: +24 V → tipkalo S1 (NO) → svitak Y1 → 0 V.
- Spojite stazu 2: +24 V → senzor B1 → svjetiljka H1 → 0 V. Kod trožilnog senzora smeđi vodič spojite na +24 V, plavi na 0 V, a crni (izlaz) na H1.
- Multimetrom provjerite da nema kratkog spoja između sabirnica. Otvorite zrak na 6 bar, zatim uključite napajanje.
- Pritisnite i držite S1. Promatrajte svjetleću diodu na utikaču ventila, gibanje klipnjače i H1. Otpustite S1.
- Izmjerite napon na svitku dok je S1 pritisnut i usporedite ga s naponom napajanja.
- Pokus: dok je klipnjača izvučena, isključite napajanje (ne zrak). Zapišite što se dogodi.
- Pomičite senzor B1 duž cilindra i odredite širinu područja u kojem senzor reagira na magnet.
- Isključite napajanje i zrak, rastavite sklop i ispunite radni list.
Pitanja i zadaci
1. Ispunite tablicu stanja: S1 (otpušten / pritisnut), Y1, položaj razvodnika, položaj klipnjače, B1, H1. Opišite što se događa ako se S1 otpusti prije nego što klipnjača stigne do kraja hoda.
Prikaži rješenje
| S1 | Y1 | Razvodnik | Klipnjača | B1 | H1 |
|---|---|---|---|---|---|
| otpušten | bez struje | mirni položaj (opruga), 1→2 | uvučena | otvoren | ne svijetli |
| pritisnut | pod naponom | prebačen, 1→4 | izvlači se, zatim izvučena | zatvoren na kraju hoda | svijetli na kraju hoda |
Ako se S1 otpusti usred hoda, Y1 ostane bez struje, opruga vrati razvodnik i klipnjača se odmah počne vraćati. Monostabilni ventil nema memoriju: cilindar se giba samo dok traje signal.
2. Izračunajte struju i otpor svitka Y1 snage 3 W pri 24 V DC.
Prikaži rješenje
I = P / U = 3 W / 24 V = 0,125 A = 125 mA
R = U / I = 24 V / 0,125 A = 192 Ω
Tu struju nosi kontakt tipkala S1 pri svakom uključenju i isključenju. Za tipkalo s kontaktima nazivne struje od nekoliko ampera to nije problem, ali za mali senzor ili izlaz s malom nosivošću mogao bi biti.
3. Kabel od pulta do ventila dug je 15 m, dvožilni, presjeka 0,5 mm², bakar (ρ = 0,0178 Ω·mm²/m). Izračunajte otpor kabela, pad napona i napon na svitku. Je li svitak unutar dopuštenog odstupanja od ±10 %?
Prikaži rješenje
Struja teče tamo i natrag, pa je duljina vodiča 2 · 15 = 30 m.
Rk = ρ · l / A = 0,0178 · 30 / 0,5 ≈ 1,07 Ω
ΔU = I · Rk = 0,125 · 1,07 ≈ 0,13 V (≈ 0,6 %)
Napon na svitku je oko 23,87 V, daleko iznad donje granice od 21,6 V (24 V − 10 %). Pad napona postaje važan tek kad jednim vodom ide struja više svitaka ili kad je kabel mnogo dulji.
4. Izračunajte stvarnu silu izvlačenja i uvlačenja cilindra Ø40/16 mm pri 6 bar (η = 0,9). Može li cilindar otvoriti zaklopku kojoj treba 400 N? Pri kojem se najmanjem tlaku zaklopka još otvara?
Prikaži rješenje
Izvlačenje: A = π · 40² / 4 = 1256,6 mm² → F = 0,9 · 0,6 · 1256,6 ≈ 679 N.
Uvlačenje: Ap = 1256,6 − π · 16² / 4 = 1055,6 mm² → F ≈ 570 N.
Sila izvlačenja 679 N veća je od 400 N (rezerva oko 1,7). Najmanji tlak: p = 400 / (0,9 · 1256,6) ≈ 0,354 N/mm² ≈ 3,5 bar.
5. Opišite što se dogodilo u koraku 7 postupka (isključenje napajanja pri izvučenoj klipnjači). Je li takvo ponašanje za zaklopku lijevka poželjno? Kada bi bilo opasno?
Prikaži rješenje
Svitak Y1 ostao je bez napona, opruga je vratila razvodnik i klipnjača se uvukla — zaklopka se zatvorila. Za lijevak je to poželjno: pri nestanku napona prestaje doziranje, a materijal ne istječe nekontrolirano. Opasno bi bilo kad bi povratno gibanje moglo nekoga prignječiti ili kad bi cilindar držao teret koji se pri nestanku napona ne smije pomaknuti. Tada se bira razvodnik 5/3 sa zatvorenim srednjim položajem, bistabilni razvodnik ili se dodaje nepovratni ventil s deblokadom.
6. Svitak ventila je induktivno trošilo. Što se događa na kontaktu S1 u trenutku isključenja i čemu služi zaštitni sklop u utikaču ventila?
Prikaži rješenje
Kad se struja kroz svitak naglo prekine, magnetsko polje nestaje i u svitku se inducira napon suprotan promjeni, višestruko veći od 24 V. Taj napon stvara iskru na kontaktu (trošenje kontakta) i može oštetiti elektroniku (senzor, izlaz PLC-a). Zaštitni sklop — dioda slobodnog hoda, varistor ili njihova kombinacija — daje struji svitka put pri isključenju i ograničava prenapon. Posljedica diode je nešto sporije otpuštanje kotve ventila. Svjetleća dioda u utikaču samo pokazuje da je svitak pod naponom.
7. Dopuna sheme: zaklopka treba ostati otvorena i nakon otpuštanja tipkala. Nacrtajte pneumatsku i električnu shemu direktnog upravljanja s bistabilnim razvodnikom (Y1, Y2) i dva tipkala (S1 otvori, S2 zatvori).
Prikaži rješenje
Pneumatska shema: razvodnik 5/2 sa svitkom Y1 lijevo i svitkom Y2 desno, bez opruge. Električna shema: staza 1 +24 V → S1 → Y1 → 0 V; staza 2 +24 V → S2 → Y2 → 0 V; staza 3 ostaje B1 → H1. Kratak pritisak na S1 prebaci razvodnik i on ostaje prebačen i kad Y1 više nije pod naponom; S2 ga vraća. Pritisnu li se S1 i S2 istodobno, razvodnik ostaje u zatečenom položaju. Pri nestanku napona zaklopka ostaje u zatečenom položaju — treba ocijeniti je li to za lijevak prihvatljivo.
8. Pri pritisku na S1 svijetli dioda na utikaču ventila, ali klipnjača se ne giba. Navedite barem četiri moguća uzroka i redoslijed provjere.
Prikaži rješenje
Dioda pokazuje da električni dio do utikača radi, pa se traži u pneumatici ili u samom ventilu: 1) nema zraka ili je tlak premalen (manometar, zaporni ventil); 2) zamijenjeni vodovi 2 i 4, pa je cilindar već izvučen „naopako“; 3) ventil ima ručnu pomoćnu tipku zakočenu u nekom položaju ili je zapeo; 4) prekinut svitak ili loš kontakt u utikaču (dioda svijetli, a svitak ne vuče); 5) mehanička blokada zaklopke. Redoslijed: tlak → cijevi → ručna tipka ventila → napon i struja svitka → mehanika.
Za nastavnika
Otvori upute za nastavnika
Priprema
Ovo je prva elektropneumatska vježba, pa na početku treba kratko ponoviti pravila crtanja u strujnim stazama i boje vodiča. Provjerite napajanja (zaštita od kratkog spoja mora biti ispravna), ispravnost utikača ventila i vrstu senzora (dvožilni ili trožilni) na svakom mjestu. Pripremite multimetre s mjernim vrhovima za mjerenje napona na utikaču.
Tijek sata
- 0–15 min: strujne staze, oznake S, K, Y, B, H, čitanje sheme V15.1.
- 15–40 min: spajanje pneumatskog i električnog dijela, provjera kratkog spoja multimetrom, puštanje u rad.
- 40–55 min: pokusi iz koraka 5–8 (napon svitka, nestanak napona, područje senzora).
- 55–75 min: pitanja 1–6, računski zadaci.
- 75–87 min: dopuna s bistabilnim ventilom (pitanje 7), po mogućnosti izvedba.
- 87–90 min: rastavljanje, osvrt.
Očekivani rezultati
Sklop radi: dok je S1 pritisnut, klipnjača je izvučena, a H1 svijetli na kraju hoda. Izmjereni napon na svitku razlikuje se od napona napajanja za manje od 0,5 V. Polaznik zna objasniti ulogu opruge i ponašanje pri nestanku napona. Računski: 125 mA, 192 Ω, pad napona oko 0,13 V, sila 679 N, najmanji tlak oko 3,5 bar.
Česte pogreške
- svitak spojen između dviju točaka +24 V, pa ne dobiva napon — traži se napon na obje stezaljke svitka prema 0 V;
- trožilni senzor spojen kao dvožilni (izlaz na +24 V), pa senzor ne radi ili se ošteti;
- zamijenjeni pneumatski vodovi 2 i 4;
- u proračunu pada napona uzeta samo jedna duljina kabela, a ne povratni vodič.
Vrednovanje
| Kriterij | Bodovi |
|---|---|
| Ispravno spojen pneumatski i električni dio, sigurni postupci | 6 |
| Tablica stanja i objašnjenje monostabilnog ventila | 3 |
| Računski zadaci 2–4 | 5 |
| Objašnjenje zaštitnog sklopa i ponašanja pri nestanku napona | 3 |
| Dopuna sheme s bistabilnim ventilom | 2 |
| Dijagnostika (pitanje 8) | 1 |
| Ukupno | 20 |