VJEŽBA V21 · MODUL 4 · ELEKTROPNEUMATIKA
Vježba V21 · 2 sata
Krug samodržanja
Kratkim pritiskom na tipkalo cilindar se izvlači i ostaje izvučen dok ga ne zaustavi tipkalo STOP — pamćenje signala preuzima relej s kontaktom samodržanja. U vježbi se spajaju i uspoređuju dvije inačice kruga: s dominantnim isključivanjem i s dominantnim uključivanjem.
- spojiti krug samodržanja releja s dominantnim isključivanjem i provjeriti ga tablicom stanja
- preurediti isti krug u inačicu s dominantnim uključivanjem i opisati razliku u ponašanju
- obrazložiti zašto se tipkalo STOP izvodi kao mirni (NC) kontakt
- provjeriti ponašanje sklopa pri nestanku i povratku napona napajanja
- izračunati struju strujnih staza, silu cilindra i potrošnju zraka po ciklusu
O vježbi
Prije vježbe proći gradivo: 4.3 Releji, 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
Na liniji za doziranje plastičnog granulata ispod malog silosa nalazi se kosa zaklopka. Otvara je dvoradni cilindar 1A promjera Ø40/16 mm i hoda 160 mm, a upravlja njime monostabilni elektromagnetski razvodnik 5/2 s oprugom (1Y1). Operater kratko pritisne zeleno tipkalo S1 (START) i zaklopka se otvori te ostane otvorena, iako je prst već maknut s tipkala. Kad se u posudi skupi dovoljno granulata, operater pritisne crveno tipkalo S2 (STOP) i zaklopka se zatvori. Signalna žaruljica H1 svijetli dok je zaklopka otvorena.
Tipkalo daje signal samo dok je pritisnuto, a monostabilni razvodnik drži položaj samo dok je svitak pod naponom. Između njih zato mora postojati element koji pamti kratki signal. Tu zadaću ima relej K1 čiji radni kontakt premošćuje tipkalo START — to je krug samodržanja. Mreža stlačenog zraka je na 6 bar pretlaka, upravljački napon je 24 V DC. Svitak releja troši 1,2 W, elektromagnet razvodnika 2,5 W, a žaruljica 0,5 W.
U vježbi se spajaju dvije inačice kruga: dominantno isključivanje (kad su oba tipkala pritisnuta, prevladava STOP) i dominantno uključivanje (prevladava START). Za obje se popunjava tablica stanja, a na kraju se odabire inačica prikladna za zaklopku i to se obrazlaže.
Oprema i pribor
- izvor stlačenog zraka i pripremna grupa s regulatorom tlaka namještenim na 6 bar i manometrom;
- razdjelnik zraka s nepovratnim priključcima, pneumatske cijevi vanjskog promjera 4 mm ili 6 mm;
- dvoradni cilindar (na vježbenoj ploči npr. Ø20 mm do Ø40 mm, hod 100–200 mm);
- monostabilni elektromagnetski razvodnik 5/2 s povratnom oprugom i svjetlećim utikačem svitka, 24 V DC;
- modul napajanja 24 V DC s osiguračem i sklopkom za isključivanje u nuždi;
- modul tipkala: najmanje jedno tipkalo s radnim (NO) i jedno s mirnim (NC) kontaktom;
- relejni modul s najmanje tri radna i jednim mirnim kontaktom;
- signalna žaruljica 24 V, vodiči s laboratorijskim utikačima 4 mm u dvije boje (plava za 0 V, crvena za +24 V);
- digitalni multimetar i zapisnik s tablicom stanja.
Sigurnost pri radu
Pažnja
Električni i pneumatski dio spajajte samo kad je napajanje isključeno, a ventil na pripremnoj grupi zatvoren. Tlak uključujte tek kad su sve cijevi utaknute do kraja i kad je klipnjača slobodna — u njezinom se hodu ne smiju nalaziti ruke, alat ni vodiči. Cijev koja iskoči pod tlakom udara poput biča: prije uključivanja povucite svaku cijev da provjerite drži li. Ne spajajte vodiče dok je sklop pod naponom, čak ni pri 24 V, jer kratki spoj oštećuje izvor i kontakte releja.
STOP tipkalo u ovoj vježbi nije zamjena za sklopku za isključivanje u nuždi. Uređaj za isključivanje u nuždi na modulu napajanja mora biti dostupan cijelo vrijeme i prije početka rada provjerite da stvarno prekida napajanje.
Shema
U stazi 1 nalazi se mirni kontakt tipkala S2 u seriji s paralelnim spojem radnog kontakta tipkala S1 i radnog kontakta releja K1. Pritisak na S1 uključuje svitak K1; njegov kontakt u paraleli odmah zatvara drugi put struji pa relej ostaje uključen i nakon otpuštanja S1. Staza 2 preko drugog kontakta K1 uključuje elektromagnet 1Y1, a staza 3 preko trećeg kontakta žaruljicu H1. Budući da S2 prekida cijelu stazu prije točke grananja, pritisak na STOP uvijek isključuje relej — i onda kad je START istodobno pritisnut.
Kod dominantnog uključivanja mijenja se samo staza 1: S2 se stavlja u seriju s kontaktom samodržanja K1, a tipkalo S1 spaja se paralelno toj seriji, izravno od +24 V do svitka. Kad su oba tipkala pritisnuta, struja prolazi kroz S1 mimo tipkala S2 i relej ostaje uključen.
| S1 (START) | S2 (STOP) | K1 prije | K1 poslije — dominantno isključivanje | K1 poslije — dominantno uključivanje |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 (pamti) | 1 (pamti) |
| 1 | 0 | 0 ili 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 ili 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 ili 1 | 0 | 1 |
Postupak
- Provjerite da je napajanje isključeno, a zrak zatvoren. Pričvrstite cilindar, razvodnik i razdjelnik na vježbenu ploču.
- Spojite pneumatski dio prema slici V21.1: priključak 4 na stranu klipa, priključak 2 na stranu klipnjače, priključak 1 na razdjelnik. Otvorite zrak i provjerite je li cilindar uvučen.
- Spojite stazu 1 s dominantnim isključivanjem. Vodite računa da za S2 koristite mirni kontakt tipkala, a za S1 i K1 radne kontakte.
- Spojite staze 2 i 3. Prije uključivanja napajanja multimetrom (na mjernom području otpora) provjerite da između +24 V i 0 V nema kratkog spoja.
- Uključite napajanje. Kratko pritisnite S1: relej mora čujno privući, 1Y1 svijetli, cilindar se izvlači, H1 svijetli. Otpustite S1 — stanje se ne mijenja.
- Pritisnite S2: relej otpušta, cilindar se uvlači. Popunite tablicu stanja za sve kombinacije tipkala, uključivo istodobni pritisak obaju tipkala.
- Dok je cilindar izvučen, isključite napajanje na izvoru i ponovno ga uključite. Zapišite položaj cilindra i stanje releja nakon povratka napona.
- Isključite napajanje i preuredite stazu 1 u inačicu s dominantnim uključivanjem. Ponovite korake 5–7 i dopunite tablicu.
- Izmjerite napon na svitku K1 i na svitku 1Y1 dok su uključeni i upišite ga u zapisnik.
- Isključite napajanje i zrak, ispustite tlak iz sustava, rastavite spoj i pospremite vodiče i cijevi.
Pitanja i zadaci
1. Objasnite zašto relej K1 ostaje uključen nakon što otpustite tipkalo S1. Koji element sklopa „pamti“ signal?
Prikaži rješenje
Kad K1 privuče, zatvara se njegov radni kontakt spojen paralelno tipkalu S1. Struja do svitka tada teče kroz taj kontakt, pa otpuštanje S1 ne prekida krug. Signal pamti relej zajedno sa svojim kontaktom samodržanja; krug se prekida tek otvaranjem S2 ili nestankom napona.
2. Što se u sklopu sa slike V21.1 događa kad su S1 i S2 istodobno pritisnuti? Zašto se ta inačica zove „dominantno isključivanje“?
Prikaži rješenje
Mirni kontakt S2 nalazi se u seriji ispred točke grananja pa njegovo otvaranje prekida i put kroz S1 i put kroz K1. Relej je isključen, cilindar se uvlači. Kad su oba signala prisutna, prevladava (dominira) naredba za isključivanje.
3. Dopunite shemu: nacrtajte stazu 1 za inačicu s dominantnim uključivanjem, koristeći iste elemente S1, S2 i K1. Opišite put struje kad su pritisnuta oba tipkala.
Prikaži rješenje
Od +24 V vodi grana s mirnim kontaktom S2 u seriji s radnim kontaktom K1; paralelno cijeloj toj grani spojen je radni kontakt S1. Obje grane spajaju se ispred svitka K1, a svitak je na 0 V. Kad su pritisnuta oba tipkala, grana S2–K1 je prekinuta, ali struja teče kroz S1 izravno do svitka pa K1 ostaje uključen — prevladava uključivanje.
4. Koju biste inačicu odabrali za zaklopku silosa, a koju za dizalicu koja drži teret? Obrazložite.
Prikaži rješenje
Za zaklopku je prikladno dominantno isključivanje: kad operater u zabuni pritisne oba tipkala, zaklopka se zatvara, a zatvorena zaklopka je sigurno stanje. Dominantno uključivanje primjenjuje se tamo gdje je isključivanje opasnije od uključivanja, npr. kad bi prekid signala spustio podignuti teret ili prekinuo hlađenje. U strojogradnji se za naredbe gibanja u pravilu bira dominantno isključivanje.
5. Zašto se tipkalo STOP spaja kao mirni (NC) kontakt? Što bi se dogodilo s radnim kontaktom kad bi se vodič do tipkala prekinuo?
Prikaži rješenje
Mirni kontakt drži krug zatvorenim dok se ne pritisne. Prekid vodiča djeluje isto kao pritisak na STOP: relej otpusti i stroj se zaustavi, pa se kvar odmah vidi. Kad bi STOP bio radni kontakt koji bi uključivao neki relej za isključivanje, prekinut vodič ostao bi neprimijećen sve do trenutka kad STOP zatreba — a tada ne bi djelovao. To je načelo „sigurnog kvara“.
6. Računski zadatak: kolika je struja u stazama 1, 2 i 3 dok je zaklopka otvorena i kolika je ukupna struja iz izvora 24 V? Je li izvor od 1 A dovoljan?
Prikaži rješenje
I = P / U
Staza 1: I = 1,2 W / 24 V = 0,050 A. Staza 2: I = 2,5 W / 24 V = 0,104 A. Staza 3: I = 0,5 W / 24 V = 0,021 A. Ukupno ≈ 0,175 A. Izvor od 1 A je dovoljan s velikom pričuvom; pri uključivanju svitka struja kratkotrajno raste, ali kod istosmjernih svitaka to nije presudno za odabir izvora.
7. Računski zadatak: izračunajte teorijsku silu izvlačenja i uvlačenja cilindra Ø40/16 mm pri 6 bar, zatim stvarnu silu uz stupanj djelovanja 0,9. Kolika je potrošnja slobodnog zraka po jednom otvaranju i zatvaranju zaklopke (hod 160 mm)?
Prikaži rješenje
Površina klipa A = π · 40² / 4 = 1256,6 mm²; prstenasta površina Ar = π · (40² − 16²) / 4 = 1055,6 mm². Pri 6 bar = 0,6 N/mm²: Fizv = 0,6 · 1256,6 = 754 N, Fuvl = 0,6 · 1055,6 = 633 N. Uz η = 0,9: 679 N i 570 N.
Volumen stlačenog zraka za oba hoda: V = (1256,6 + 1055,6) · 160 = 369 952 mm³ = 0,370 l. Omjer tlakova (6 + 1,013) / 1,013 = 6,923, pa je potrošnja ≈ 0,370 · 6,923 = 2,56 Nl po ciklusu (bez volumena cijevi).
8. Zaklopka je otvorena i nestane napona napajanja. Što se dogodi s cilindrom i što nakon povratka napona? Zašto je to ponašanje poželjno?
Prikaži rješenje
Relej i elektromagnet ostanu bez napona, opruga vrati razvodnik u osnovni položaj i cilindar se uvuče — zaklopka se zatvori. Nakon povratka napona relej ostaje isključen jer je samodržanje prekinuto; za ponovno otvaranje potrebno je pritisnuti S1. Sklop se tako štiti od samopokretanja nakon prekida napajanja, što je temeljni sigurnosni zahtjev za strojeve.
9. Kad bi se monostabilni razvodnik zamijenio bistabilnim (s dva elektromagneta), bi li krug samodržanja bio potreban? Što bi se promijenilo pri nestanku napona?
Prikaži rješenje
Bistabilni razvodnik sam pamti posljednji položaj, pa bi S1 mogao izravno uključivati elektromagnet za izvlačenje, a S2 elektromagnet za uvlačenje. Pri nestanku napona zaklopka bi, međutim, ostala otvorena, a istodobni pritisak obaju tipkala dao bi neodređen rezultat. Za sklop koji pri nestanku energije mora prijeći u sigurno stanje bolje je rješenje monostabilni razvodnik s relejnim samodržanjem.
Za nastavnika
Otvori upute za nastavnika
Priprema
Prije sata provjerite relejne module: kontakti moraju biti označeni (radni i mirni), a svjetleći utikač svitka razvodnika ispravan. Na svaku radnu ploču postavite cilindar i razvodnik unaprijed kako bi se vrijeme potrošilo na električni dio. Regulator tlaka namjestite na 6 bar; za manje cilindre dovoljno je i 4 bar. Pripremite ispis prazne tablice stanja s pet redaka i stupcima za obje inačice. Prethodno znanje: rad releja, radni i mirni kontakti, spajanje monostabilnog razvodnika (jedinice 4.3 i 4.6).
Tijek sata
- Uvod (10 min): problem kratkog signala tipkala i monostabilnog razvodnika; pitanje „kako zapamtiti pritisak na tipkalo“.
- Pneumatski dio i staza 1 s dominantnim isključivanjem (20 min).
- Ispitivanje i tablica stanja, nestanak napona (15 min).
- Preuređenje u dominantno uključivanje i ponovno ispitivanje (20 min).
- Računski zadaci 6 i 7, rasprava o izboru inačice (15 min).
- Pregled zapisnika, rastavljanje i pospremanje (10 min).
Očekivani rezultati
Studenti samostalno spajaju obje inačice, tablica stanja razlikuje se samo u retku s istodobnim pritiskom obaju tipkala. Izmjereni napon na svicima je 23–24 V. Računski rezultati: ukupna struja ≈ 0,175 A, sile 754 N i 633 N (679 N i 570 N uz η = 0,9), potrošnja ≈ 2,56 Nl po ciklusu. Student zna obrazložiti izbor dominantnog isključivanja za zaklopku i ponašanje pri nestanku napona.
Česte pogreške
- Za S2 se uzme radni umjesto mirnog kontakta pa sklop „ne reagira“ ili se isključuje samo dok se S2 drži.
- Kontakt samodržanja spoji se paralelno svitku umjesto tipkalu S1 — nastaje kratki spoj izvora.
- Kod dominantnog uključivanja S1 se spoji samo paralelno kontaktu K1, a ne cijeloj seriji S2–K1, pa inačica ostaje dominantno isključivanje.
- Zamijenjeni priključci 2 i 4: cilindar je izvučen u mirovanju i uvlači se na START.
- Vodiči 0 V ne spoje se na zajedničku sabirnicu pa svitak ne dobije napon.
Vrednovanje
| Kriterij | Bodovi |
|---|---|
| Ispravno spojen pneumatski dio, cijevi pregledne i sigurne | 2 |
| Ispravno spojena staza 1 s dominantnim isključivanjem, rad provjeren | 4 |
| Ispravno preuređena staza za dominantno uključivanje | 3 |
| Potpuna i točna tablica stanja, uključivo nestanak napona | 3 |
| Točni računski zadaci (struja, sila, potrošnja) | 4 |
| Obrazloženje izbora inačice i uloge mirnog kontakta STOP | 2 |
| Rad u skladu s pravilima sigurnosti, pospremljeno radno mjesto | 2 |
| Ukupno | 20 |