Materiały dydaktyczne. Semestr IV. Wykłady

Transkrypt

1 Materiały dydaktyczne Wstęp do mechatroniki Semestr IV Wykłady 1

2 Temat 1: Budowa układów mechatronicznych. Funkcjonalny opis układów mechatronicznych Zagadnienia: 1. Rozwój mechatroniki i jej istota 2. Definicje mechatroniki 3. Elementy systemu mechatronicznego 4. Klasyfikacja systemów mechatronicznych Zagadnienie 1.1. Rozwój mechatroniki i jej istota Słowo mechatronika powstało z połączenia części słów angielskich MECHAnism i elektronics. Już w 1969 roku japońska firma Yasakawa Elektronic wszczęła starania o uzyskanie ochrony międzynarodowej dla nazwy mechatronics jako znaku towarowego widząc w tym niewątpliwy zysk. Taką ochronę uzyskała w 1971 roku ( z ochrony tej firma jednak zrezygnowała w 1982 roku). Nazwa ta szybko przeniknęła do nauki i techniki. Pierwotnie mechatronika rozumiana była jako uzupełnienie mechanicznych komponentów urządzeń przez elektronikę. Typowym urządzeniem mechatronicznym w latach siedemdziesiątych był aparat fotograficzny lustrzanka. Z czasem pojęcie mechatroniki znacznie się zmieniło i rozszerzyło. Mechatronika stała się nauką inżynierską, u podstaw której leżą dyscypliny: budowa i eksploatacja maszyn, elektrotechnika, elektronika i informatyka. Szczególnie ta ostatnia informatyka, której burzliwy rozwój nastąpił w latach osiemdziesiątych, znacząco wpłynęła na ukształtowanie się znaczenia pojęcia. Według definicji przyjętej przez International Federation for the Theory of Machines and Mechanism ( Camerford 1994) mechatronika jest synergiczną kombinacją mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i myślenia systemowego przy projektowaniu produktów i procesów wytwórczych. Przez synergię rozumiemy współdziałanie kilku czynników dających łączny efekt skuteczniejszy ( lepszy) niż suma oddzielnych działań. Mechatronika nie jest więc tożsama ani z mechaniką, ani z automatyką, ani z robotyką czy też z automatyzacją produkcji. Jest interdyscyplinarną dziedziną nauki i techniki i powinna być rozpatrywana jako niezależna dyscyplina naukowa - nie jako zwykła kombinacja tradycyjnych dyscyplin. 2

3 Uważa się, że pierwszym urządzeniem zaprojektowanym i wykonanym w myśl reguł mechatroniki była obrabiarka sterowana numerycznie (NC- numerical control) do produkcji śmigieł helikoptera ( skonstruowana w 1952 roku przez firmę Cincinati i Massachusetts Institute of Technology USA). Przedmiotem zainteresowań i zastosowań mechatroniki dzisiaj są między innymi: roboty przemysłowe, układy sterowania pojazdami, nowoczesne zabawki, zaawansowany sprzęt gospodarstwa domowego, urządzenia automatyki i robotyki, obrabiarki sterowane numerycznie, aparatura medyczna, nanotechnologia, optyka, informatyka, technologie MEMS ( Micro-Elektro- Mechanical Systems) i MOEMS (Micro-Opto- Elektro-Mechanical Systems). Do podstawowych produktów mechatronicznych powszechnego użytku zaliczyć można: cyfrowe aparaty fotograficzne, kamery video, odtwarzacze CD, magnetowidy, bankomaty, pralki automatyczne, cyfrowo sterowane maszyny do szycia, drukarki komputerowe, skanery, plotery, kserokopiarki, drukarki, zaś do produktów przemysłowych można zaliczyć: obrabiarki sterowane numerycznie, roboty, manipulatory, elektronicznie sterowane silniki spalinowe i elektryczne, systemy w technice samochodowej (np. ABS Anti-Lock Braking System), urządzenia medyczne ( np. tomografy). Oczywiście występują też bardzo duże przemysłowe systemy mechatroniczne ( np. systemy prowadzenia statku, systemy produkcji energii elektrycznej itp.). Cechą charakterystyczną budowy urządzeń mechatronicznych jest to, ze wyposażone są w czujniki zbierające informacje ze swego otoczenia, wyposażone są w programowalne układy przetwarzania i interpretacji tych informacji oraz posiadają układy komunikacyjne i wykonawcze. Zaprojektowanie dzisiaj skomplikowanego urządzenia do realizacji zaplanowanych zadań i posiadającego pożądane własności związane jest niewątpliwie z posiadaniem przez projektanta szerokiej wiedzy teoretycznej i praktycznej z mechaniki precyzyjnej, mechaniki technicznej, teorii sterowania, teorii systemów, programowania i algorytmów przetwarzania sygnałów, sztucznej inteligencji, mikroelektroniki, techniki pomiarów i systemów pomiarowych i innych jeszcze dziedzin. Kompilację tych dziedzin pokazano na rysunku 1. Głównymi etapami rozwoju mechatroniki były : etap szybkiego rozwoju urządzeń elektrycznych ( do ok. 1920r.), etap szybkiego rozwoju teorii i systemów automatyki ( ), etap szybkiego rozwoju systemów sterowanych komputerowo i etap miniaturyzacji systemów i urządzeń ( ), etap rozwoju zintegrowanych systemów mechatronicznych (od 1975). 3

4 Rys. 1. Mechatronika- kombinacja dyscyplin wiedzy Etapy rozwoju (ewolucji) urządzeń mechanicznych od pierwszych zastosowań maszyn prostych, poprzez rozwój z wykorzystaniem elektrotechniki, elektroniki, automatyki i informatyki do aktywnego sterowania procesem pokazane są na rysunku 2. Rys. 2. Ewolucja obiektów mechanicznych 4

5 Zagadnienie Definicje mechatroniki Typowe, wybrane definicje mechatroniki próbują ująć różne aspekty jej zastosowań. W zagadnieniu nr 1 ( przedstawionym wyżej) przytoczono jedną z nich: mechatronika jest synergiczną kombinacją mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i myślenia systemowego przy projektowaniu produktów i procesów wytwórczych. Z pośród innych definicji można przytoczyć następujące: mechatronika to system, w którym rejestruje się sygnały, porównuje z programem sterującym i przetwarza np. w siły i ruchy, mechatronika to synergiczne połączenie dyscyplin mechanicznych i elektrycznych w nowoczesnych pracach konstrukcyjnych, mechatronika to nowe pojęcie w konstruowaniu systemów, urządzeń i produktów, ukierunkowanych na osiągnięcie optymalnej równowagi między podstawową strukturą mechaniczną i jej całkowitym sterowaniem, mechatronika to integracja inżynierii mechanicznej z elektroniką oraz inteligentnym sterowaniem komputerowym w konstruowaniu i wytwarzaniu produktów i procesów. Zagadnienie 1.3. Elementy systemu mechatronicznego System mechatroniczny jest to zamknięty układ sterowania zbudowany z następujących jednostek funkcjonalnych: - obiektu podlegającego sterowaniu, - zestawu urządzeń pomiarowych sygnałów obiektu, - urządzenia sterującego (regulatora), - zestawu urządzeń nastawczych (wykonawczych) Rys. 3. Architektura systemu mechatronicznego 5

6 Urządzenia pomiarowe mogą stanowić pojedyncze czujniki (sensory) lub też mogą zawierać dodatkowe komponenty do obróbki sygnałów pomiarowych (np. filtry, wzmacniacze, modulatory, kondycjonery). Urządzenie sterujące (komputer, urządzenie elektroniczne) na podstawie sygnałów elektrycznych pochodzących z urządzeń pomiarowych i w oparciu o algorytm sterujący wyznacza bieżące wartości sygnałów nastawczych i przesyła je do urządzeń nastawczych (wykonawczych). Urządzenia nastawcze (aktuatory) to urządzenia zmieniające poziom energii kierowanej do obiektu sterowania (np. zawór elektromagnetyczny, silnik elektryczny- zawór, elektryczny sterownik mocy, siłownik sterowany elektrycznie- pompa wtryskowa itp.) System mechatroniczny jest zintegrowany na poziomie sprzętowym i programowym. Integracja na poziomie sprzętowym polega na kompleksowym projektowaniu systemu mechatronicznego polegającym na łączeniu funkcji poszczególnych jego bloków. Aktuatory (urządzenia wykonawcze), sensory (czujniki) i komputer sterujący wbudowane są w strukturę mechaniczną stając się integralną częścią systemu (wbudowanie mikroprocesora w sensor daje tzw. czujnik inteligentny, wbudowanie mikroprocesora w siłownik wykonawczy daje tzw. nastawnik inteligentny). Takie rozwiązania pozwalają na miniaturyzację systemów mechatronicznych, zwiększenie niezawodności, obniżenie kosztów produkcji i zmniejszenie zużycia energii. Integracja oprogramowania pozwala na implementację w systemie funkcji diagnostycznych, optymalizacyjnych i adaptacyjnych w oparciu o parametry wejściowe, wyniki pomiarów oraz dostępną bazę wiedzy o procesie. Baza wiedzy może obejmować m.in.: modele analityczne i statystyczne procesu oraz informacje o parametrach funkcjonalnych. Zagadnienie 1.4. Klasyfikacja systemów mechatronicznych W zależności od technologii produkcji oraz wielkości bloków funkcjonalnych wchodzących w skład systemu mechatronicznego wyróżniamy trzy rodzaje systemów: konwencjonalne systemy mechatroniczne, systemymikroelektromechaniczne (MEMS-MikroElektroMechanical Systems), systemy nanoelektromechaniczne (NEMS NanoElektrMechanical Systems) 6

7 W projektowaniu systemów mechatronicznych konwencjonalnych i MEMS stosuje się klasyczną teorię mechaniki i elektromagnetyzmu, zaś w projektowaniu systemów NEMS korzysta się z nanoelektromechaniki i teorii kwantowej. Nanotechnologia obejmuje systemy o najmniejszych wielkościach. Temat 2: Sterowanie mechaniczne Układy sterowania mechanicznego są zbudowane z różnego rodzaju przekładni mechanicznych (najczęściej zębatych), sprzęgieł, krzywek, elementów dźwigniowych. Przykładem sterowania mechanicznego może być wał krzywkowy silnika spalinowego sterujący wtryskiem paliwa bądź zaworami wydechowymi. W obrabiarkach np. mechanizm z tzw. krzyżem maltańskim steruje położeniem stołu obrotowego obrabiarki. Na statkach wyposażonych w nastawne śruby napędowe ruch posuwisto-zwrotny tłoka w cylindrze zostaje, poprzez drąg prowadzący i tarcze korbowe, zamieniony na ruch obrotowy płata śruby. Przekładnia mechaniczna to przekładnia, w której połączenia mechaniczne służą do zmiany parametrów ruchu oraz przekazywania mocy. Przekładnie mechaniczne dzielą się na: przekładnie zębate (m.in. walcowa, stożkowa, śrubowa, ślimakowa, planetarna) przekładnie cięgnowe (pasowa, linowa, łańcuchowa) przekładnie cierne Sprzęgło - to urządzenie stosowane do łączenia linii wałów w celu przekazywania momentu obrotowego. Inaczej jest to urządzenie służące do połączenia dwóch niezależnie obrotowo osadzonych wałów, czynnego napędowego i biernego napędzanego, w celu przeniesienia momentu obrotowego. Elementem łącznym może być jedna lub więcej części maszynowych lub czynnik np. olej, woda w sprzęgle hydrokinetycznym Dzięki sprzęgłom różnego rodzaju silniki układu napędowego oraz mechanizmy robocze odbierające przekazywaną energię można wykonywać w postaci odrębnych zespołów maszyn i urządzeń, a następnie łączyć je za pomocą sprzęgła. Stosowanie różnego rodzaju sprzęgieł umożliwia spełnienie wielu zadań, które wymagałyby bardzo skomplikowanej konstrukcji maszyn, a nawet byłyby niemożliwe do wykonania. Przykładem wykorzystania przekładni zębatej i sprzęgieł jest układ napędu prądnicy wałowej przez silnik napędu głównego statku z hydraulicznym układem stabilizacji prędkości obrotowej prądnicy. 7

8 Rys. 1. Przekładnie napędu prądnicy wałowej 8

9 Temat 3: Sterowanie elektryczne Zagadnienia: 1. Elementy stykowych układów sterowania elektrycznego, 2. Zasady rysowania stykowych schematów elektrycznych, 3. Schematy ideowe wybranych stykowych układów sterowania, 4. Elementy elektronicznych układów sterowania, Zagadnienie 3.1. Elementy stykowych układów sterowania elektrycznego Układy sterowania elektrycznego składają się najczęściej ze źródeł energii elektrycznej (zasilaczy), różnego rodzaju urządzeń sterujących (łączniki, przekaźniki, styczniki, wyłączniki mocy), urządzeń sygnalizacyjnych ( buczki, lampki, wskaźniki), urządzeń zabezpieczających (bezpieczniki) z elektrycznych elementów wykonawczych ( silniki, elektromagnesy, silniki krokowe itp.), a także z innych elementów np. filtrów, liczników energii, mierników i przetworników, przekładników prądowych i napięciowych. Jeżeli sterowanie realizowane jest przez przełączanie styków elektrycznych (kontaktów) to takie sterowanie nazywa się sterowaniem stycznikowym, jeżeli sterowanie odbywa się bez użycia styków ( funkcje styku wypełniają elementy elektroniczne np. tyrystory, triaki, tranzystory) to sterowanie nazywa się bezstykowym lub elektronicznym. Sterowanie stycznikowe polega na logicznym przełączaniu obwodów elektrycznych przy pomocy styków elektrycznych. Dla przejrzystego przedstawienia zasad działania elektrycznego układu sterowania (i do jego budowy) tworzy się schematy połączeń urządzeń. Każde urządzenie przedstawiane jest na schemacie w postaci znormalizowanego symbolu graficznego. Styki elektryczne zamyka się i otwiera z wykorzystaniem różnego rodzaju energii (ręcznie, mechanicznie, magnetycznie, elektromagnetycznie. Styki elektryczne tworzą tzw. zestyk. Zestyki mogą być: zwierne ( no - normalnie otwarty) w stanie bez wymuszenia zestyk jest otwarty, zamknie się po podaniu wymuszenia np. naciśnięcia działającej na niego dźwigni, rozwierne ( nz, nc normalnie zamknięty) w stanie bez wymuszenia zestyk jest zamknięty, po podaniu wymuszenia zestyk otworzy się, 9

10 przełączne złożone z zestyku zwiernego i rozwiernego o wspólnym elemencie ruchomym. Po podaniu wymuszenia następuje zamknięcie zestyku zwiernego i jednocześnie otwarcie zestyku rozwiernego. Rys. 1. Typy zestyków elektrycznych Łączniki napędzane ręcznie przez naciśnięcie noszą nazwę przycisków Łączniki napędzane mechanicznie to wyłączniki krańcowe (przełączane poruszającym się elementem mechanicznym po osiągnięciu przez mechanizm skrajnego położenia. Łączniki zbliżeniowe (elektroniczne) to: - łączniki indukcyjne reagują przestawieniem styków wyjściowych po wprowadzeniu w strefę działania łącznika przedmiotu metalowego, - łączniki pojemnościowe reagują przestawieniem styków wyjściowych po wprowadzeniu w strefę działania łącznika przedmiotu z metalu lub dielektryka ( szkło, tworzywo sztuczne), - łączniki optyczne przestawiają styki wyjściowe po przerwaniu odbitego od obiektu promienia świetlnego ( działają w podczerwieni), - łączniki ultradźwiękowe przestawiają styki wyjściowe po przekroczeniu mierzonej odległości do obiektu (w stosunku do zadanej) Przekaźniki mechaniczno - elektryczne różnych wielkości fizycznych: - pressostaty przestawiają styki wyjściowe po przekroczeniu nastawionego poziomu ciśnienia, - termostaty przestawiają styki wyjściowe po przekroczeniu nastawionej temperatury, - hydrostaty przestawiają styki wyjściowe po przekroczeniu nastawionego poziomu cieczy, - przekaźniki termobimetalowe przestawiają styki wyjściowe po przekroczeniu nastawionej wartości prądu. - przekaźniki odśrodkowe przestawiają styki po przekroczeniu nastawionej wartości prędkości obrotowej 10

11 Przekaźniki czasowe mechaniczno elektryczne i elektroniczne mogą - realizować opóźnienia w przełączaniu styków wyjściowych : - po podaniu sygnału sterującego, - po zdjęciu sygnału sterującego, - po podaniu i po zdjęciu sygnału sterującego Rys.2. Typy opóźnień przekaźników czasowych Przekaźniki elektromagnetyczne Przekaźnik elektromagnetyczny to urządzenie, które do przestawiania styków ruchomych wykorzystuje pole magnetyczne wytworzone przez cewkę elektryczną. Uproszczona budowa pokazana jest na rysunku. Na metalowy rdzeń nasunięty jest izolacyjny karkas z umieszczoną w nim nawiniętą przewodem izolowanym cewką. Przyłączenie cewki do zasilania powoduje przepływ przez nią prądu i powstanie pola magnetycznego. Pole magnetyczne magnetyczne zamyka się w obwodzie: rdzeń ruchoma zwora - rdzeń wytwarzając siłę przyciągającą zworę do rdzenia. Pod wpływem tej siły zwora przesuwa się w kierunku rdzenia ruchem obrotowym powodując naciągnięcie sprężyny powrotnej i przemieszczenie styku ruchomego w zestyku (popychaczem zbudowanym z materiału 11

12 izolacyjnego). Wyłączenie cewki powoduje zanik pola magnetycznego. Cofnięcie zwory i styku ruchomego do położenia wyjściowego dokonuje sprężyna zgromadzoną w niej energią. Rys. 3. Budowa przekaźnika elektromagnetycznego prądu stałego Przekaźnik, którego działanie opisano wyżej może posiadać wiele zestyków. Wszystkie styki ruchome w tych zestykach przestawiają się jednocześnie. Można więc włączeniem i wyłączeniem cewki przełączać jednocześnie wiele innych obwodów elektrycznych. Schemat elektryczny przekaźnika z oznaczeniami pokazano na rys. 4 Rys. 4. Oznaczenia wybranych końcówek przekaźnika: A1,A2 końce cewki, 1-2, 3-4, 4-5 końcówki zestyków mocy, 13-14, końcówki zestyków pomocniczych 12

13 Przykład załączania żarówki 100W do sieci prądu zmiennego 230V, 50 Hz z użyciem bateryjki pokazano na kolejnym rysunku. W tym przypadku przekaźnik stanowi wzmacniacz mocy. Do wysterowania przekaźnika potrzeba ok. 5 watów zaś moc przełączana wynosi 100 watów. Rys. 5. Sterowanie obwodem prądu zmiennego przy pomocy obwodu prądu stałego Na zdjęciu poniżej widać różne rozwiązania przekaźników mające zastosowania: w przemyśle, w teletechnice (duża liczba zestyków), do obwodów drukowanych, do zamocowania w podstawkach. Wielkość przekaźnika w głównej mierze zależy od ilości przełączanych zestyków i od dopuszczalnych prądów które mogą przepływać przez styki bez ich uszkodzenia (termicznego). Rys.6. Przekaźniki elektromagnetyczne 13

14 Styki przekaźników są z reguły bardzo delikatne i nie mogą przewodzić dużych prądów ( np. do odbiorników mocy- silników, podgrzewaczy elektrycznych). Dopuszczalne prądy przekaźników nie przekraczają 10 A(amper). Przekaźniki, których cewkę zasila się prądem zmiennym muszą mieć zmieniony obwód magnetyczny tak by siła działająca na zworę miały składową stałą (sinusoidalny prąd daje sinusoidalny strumień a ten daje pulsującą siłę działającą na zworę skierowaną zawsze do rdzenia ale mającą co pół okresu wartość zero). Brak składowej stałej siły powoduje drgania zwory wymuszone strumieniem magnetycznym i sprężyną. Dla uzyskania składowej stałej siły część przekroju rdzenia obejmuje się pierścieniem miedzianym (zwojem zwartym). Styczniki elektromagnetyczne Styczniki elektromagnetyczne są urządzeniami działającymi na analogicznej zasadzie jak przekaźniki elektromagnetyczne. Przeznaczone są do przełączania obwodów zawierających odbiorniki mocy (pobierające znaczne prądy). Z tego powodu styczniki posiadają zestyki robocze znacznie większych rozmiarów. Zestyki te umieszczone są w komorach gaszenia łuku elektrycznego który powstaje podczas ich otwierania. Konstrukcja styczników jest znacznie mocniejsza i cięższa. Z powodu iskrzenia styków i ciężkiej zwory styczniki nie mogą przełączać obwodów z większymi częstotliwościami (maksymalnie 10 razy na minutę). Oprócz zestyków roboczych styczniki posiadają również kilka zestyków pomocniczych - o obciążalności prądowej do 10A- które wykorzysty-wane są do przełączeń obwodów sterujących. Na rysunku poniżej pokazane są zdjęcia wybranych styczników. Rys. 7. Styczniki elektromagnetyczne 14

15 Styczniki buduje się w wielu kategoriach obciążenia związanych z zasilaniem i zastosowaniem styczników: np.: kategoria od AC-1 do AC-7b to styczniki przeznaczone do przełączania obwodów mocy prądu zmiennego różnego przeznaczenia ( np.ac-1-obciążenia bezindukcyjne, AC-2 silniki pierścieniowe, AC-3 silniki klatkowe, AC-4 silniki klatkowe, w których realizowane będą nawroty itp.) Kategorie od DC-1 do DC-6 to styczniki przeznaczone do przełączania obwodów mocy prądu stałego, Kategorie od AC- 12 do AC-15 to styczniki sterujące przeznaczone do sterowania urządzeń prądu zmiennego o małym poborze mocy. Kategorie DC-12 do DC-14 to styczniki sterujące przeznaczone do sterowania urządzeń prądu stałego o małym poborze mocy. Rys.8. Styczniki elektromagnetyczne Przekaźnik kontaktronowy Wewnątrz elektrycznej cewki umieszczona jest rurka szklana w której zatopione są sprężyste styki. Rurka najczęściej wypełniona jest gazem obojętnym w celu zmniejszenia iskrzenia styku i ochrony przed korozją. Zestyk wykonany jest z materiału magnetycznego (dla koncentracji strumienia 15

16 magnetycznego). Końce styków pokrywa się dobrze przewodzącym materiałem ( np. złotem). Jeśli zestyk znajdzie się w polu magnetycznym to końce styków zostaną przyciągnięte do siebie i nastąpi ich zamknięcie. Usunięcie pola magnetycznego spowoduje otwarcie zestyku siłami sprężystości syków. Pole magnetyczne zostaje wytworzone cewką. Tak działający kontaktron ma zestyk normalnie otwarty. By uzyskać zestyk normalnie zamknięty kontaktron albo wyposaża się w dodatkowy magnes stały (zamyka wstępnie zestyk), albo dodaje się drugą cewkę, którą włącza się na stałe ( zamyka wstępnie zestyk). Cewka sterująca musi być tak podłączona do zasilania by jej pole magnetyczne kasowało pole magnesu stałego lub pole cewki dodatkowej. Ze względu na bardzo małą masę układu ruchomego szybkość przełączania zestyku może być bardzo duża nawet kilka kiloherców. Dla zwiększenia liczby zestyków sterowanych jedną cewką w cewce tej umieszcza się do kilkunastu rurek kontaktronowych. Budowę przekaźnika kontaktronowego pokazano na rysunku... Rys. 9. Budowa przekaźnika kontaktronowego Zagadnienie 3.2. Zasady rysowania stykowych schematów elektrycznych Połączenia urządzeń elektrycznych dla zrealizowania określonego zadania przedstawia się na schematach elektrycznych. Schematy te rysuje się jako: blokowe- ukazujące najważniejsze związki pomiędzy grupami urządzeń, ideowe ukazujące zasady działania układów, obwodowe- ukazujące szczegółowo każdy obwód elektryczny, 16

17 montażowe ukazujące trasy oraz numerację przewodów i listew zaciskowych. Zrozumienie działania sterowania na podstawie schematu elektrycznego wymaga najczęściej szczegółowej znajomości procesu technologicznego, który będzie obsługiwany przez analizowany schemat. Dla praktyki, jednym z najważniejszych schematów jest schemat obwodowy. Podstawowe zasady rysowania schematu: schemat rysujemy liniami prostymi umieszczając na nim znormalizowane symbole graficzne urządzeń bądź ich elementów (np. styków), wszystkie elementy ruchome (np. część ruchoma styku) powinny przy pierwszym ruchu przemieszczać się ze strony lewej na prawą lub z góry na dół, styki urządzeń, które podczas procesu technologicznego będą zmieniaćswoje położenie (np. styki pressostatu, termostatu, wyłącznika krańcowego, przekaźnika termicznego, przekaźnika poziomu itp.) rysuje się w takim położeniu jakie zajmują przed pierwszym uruchomieniem układu (przy temperaturze otoczenia, pustym zbiorniku, ciśnieniu atmosferycznym, zimnym przekaźniku termicznym, położeniem suwnicy między wyłącznikami krańcowymi itp.), schemat rysujemy w takim stanie, w którym nie jest on podłączony do napięć zasilających i nie płyną w nim żadne prądy (stan beznapięciowy i bezprądowy), brak jest też wymuszonych wstępnie oddziaływań mechanicznych (np. naciągniętych sprężyn), na schemacie oddzielnie przedstawiamy obwody główne (mocy), oddzielnie obwody sterowania i oddzielnie obwody sygnalizacji, kolejność urządzeń w obwodzie powinna odpowiadać rzeczywistej kolejności połączeń urządzeń, każde urządzenie na schemacie musi być opisane symbolem (np. literowo-liczbowym). Wszystkie części tego samego urządzenia muszą mieć ten sam symbol (np. jeśli przekaźnik oznaczymy R1 to zarówno jego cewka, jak i poszczególne styki oznaczamy R1), obwody rysuje się w pionie pomiędzy poziomymi liniami reprezentującymi źródło zasilania lub rysuje się w poziomie pomiędzy liniami pionowymi, każdy obwód numeruje się dla łatwiejszego odszukania styków danego aparatu w innych obwodach, urządzenia odbiorcze w obwodach (cewki, elektromagnesy, żarówki itp.) przyłącza się jednym końcem do źródła zasilania, pod każdą cewką- w tabeli- wpisuje się numery obwodów, w których znajdują się styki z nią związane, 17

18 styki krzywkowych (wielostykowych) łączników ręcznych, które mogą przełączać obwody poprzez obrót pokrętła np. dla rozdzielenia obwodów do pracy ręcznej i do pracy automatycznej, sterować rozrusznikiem silnika itp., rysuje się najczęściej jako normalnie otwarte (lub w jednym z podstawowych ustawień). Dla poprawnej analizy połączeń w obwodach podaje się w tabeli diagramy łączeń poszczególnych styków w zależności od pozycji pokrętła łącznika. Rys. 10. Diagram łączenia styków łącznika krzywkowego Przy niewielkiej liczbie styków łącznika ręcznego można podać stan styków ilustracyjnie jak to pokazano niżej: Rys. 11. Sposób opisu łączeń łącznika krzywkowego Przełącznik wyboru rodzajów pracy ma trzy pozycje stabilne. W pozycji 1- sterowanie ręczne, styki w obwodach 9 i 11 są otwarte zaś w obwodzie 10 styk jest zamknięty (mówi o tym czarna kropka przy styku). W pozycji 2- sterowanie zdalne, zamknięty jest tylko styk w obwodzie 9. W pozycji 3- sterowanie automatyczne, zamknięty jest styk w obwodzie 11 (pozostałe są otwarte), zaciski przyłączeniowe urządzeń (cewek, styków, zasilania) oznacza się zgodnie z oznaczeniem na urządzeniu, które umieścił producent.do schematu dołącza się spis nazw urządzeń, ich symboli handlowych, producentów i oznaczenia na schemacie obwodowym, schemat uzupełnia się o opisy ułatwiające zrozumienie schematu (np. oznacza się grupę obwodów realizujących sterowanie pompą balastową), każdy schemat opisuje się w tabeli nazwą (np. B-16, sterowanie drzwiami wodoszczelnymi ), nazwiskiem projektanta, nazwiskiem osoby sprawdzającej, datą wykonania i sprawdzenia projektu, numerem projektu, nazwą zamawiającego itp. 18

19 Wybrane symbole graficzne urządzeń elektrycznych używanych na elektrycznych schematach sterowania symbol opis Uwagi cewka, napęd elektromagnetyczny symbol ogólny Cewka z dodatkowym działaniem symbol ogólny cewka przekaźnika czasowego cewka przekaźnika czsowego ( opóźnienie wyłączenia ) zwłoka w przełączaniu styków uzyskiwana przy wzbudzaniu cewki zwłoka w przełączaniu styków uzyskiwana przy odwzbudzaniu cewki Cewka zaworu elektromagnetycznego Cewka impulsowa przekaźniki bistabilne napęd o działaniu termicznym przekaźniki termiczne, termiki, wyzwalacze przeciążeniowe bezpiecznik bezpieczniki Podstawa bezpiecznikowa Podstawa bezpiecznikowa ze zworą Odłącznik Rozłącza tory prądowe bez obciążenia 19

20 rozłącznik ) Rozłącza tory pod obciążeniem ( prądy robocze rozłącznik bezpiecznikowy Sygnalizator dzwonek Sygnalizator świetlny, lampka napęd o działaniu nadprądowym wyzwalacze nadprądowe, zwarciowe napęd o działaniu podnapięciowym wyzwalacze podnapięciowe Silnik Symbol ogólny Silnik trójfazowy prądu zmiennego trójfazowe silniki klatkowe asynchroniczne styk normalnie otwarty NO symbol ogólny styk główny stycznika ( normalnie otwarty ) styk normalnie otwarty, kolejny, dodatkowy np. styki pomocnicze stycznika, wyłącznika styk normalnie zwarty NC symbol ogólny 20

21 styk normalnie zwarty, kolejny, dodatkowy np. styki pomocnicze stycznika, wyłącznika Styk tego typu zwiera z wyprzedzeniem w Styk normalnie otwarty wyprzedzający Styk normalnie zwarty z opóźnionym rozłączeniem Styk normalnie otwarty z napędem ręcznym Styk normalnie otwarty z napędem ręcznym Styk normalnie otwarty z napędem ręcznym wciskanym sprężynowym Styk normalnie zwartym z napędem ręcznym wciskanym sprężynowym stosunku do "normalnych" styków podłączonych do tego samego napędu. Styk tego typu rozłącza zaciski z opóźnieniem w stosunku do "normalnych" styków podłączonych do tego samego napędu symbol ogólny, przyciski, przełączniki, łączniki symbol ogólny, przyciski, przełączniki, łączniki przycisk z samopowrotem, monostabilny przycisk z samopowrotem, monostabilny Styk normalnie otwarty z napędem ręcznym wciskanym sprężynowym - ryglowany przycisk bez samopowrotu, bistabilny Styk normalnie zwarty z napędem ręcznym wciskanym sprężynowym - ryglowany Styk normalnie otwarty z napędem ręcznym obrotowym Styk normalnie zwarty z napędem ręcznym obrotowym przycisk bez samopowrotu, bistabilny Przełączniki piórkowe, łączniki krzywkowe Przełączniki piórkowe, łączniki krzywkowe 21

22 Styk normalnie otwarty z napędem ręcznym wyciąganym sprężynowym Styk normalnie zwarty z napędem ręcznym wyciąganym sprężynowym Styk normalnie otwarty z napędem nożnym Przycisk wyciągany Przycisk wyciągany pedały sterownicze Styk zwarty otwarty z napędem nożnym Styk normalnie otwarty z napędem ręcznym grzybkowym ryglowanym Styk normalnie zwarty z napędem ręcznym grzybkowym ryglowanym Przyciski bezpieczeństwa, grzybkowe Przyciski bezpieczeństwa, grzybkowe Styk normalnie otwarty łącznika krańcowego styk normalnie zwarty łącznika krańcowego Styk normalnie otwarty czujników np. czujniki indukcyjne. magnetyczne itp Styk normalnie zwarty czujników np. czujniki indukcyjne, magnetyczne itp Styk normalnie otwarty łącznika pływakowego Styk normalnie zwarty łącznika pływakowego 22

23 Styk normalnie otwarty o czasowym opóźnionym załączeniu Styk normalnie zwarty o czasowym opóźnionym załączeniu Styk normalnie otwarty o czasowym opóźnionym wyłączeniu Styk normalnie zwarty o czasowym opóźnionym wyłączeniu zwłoka w przełączaniu styku uzyskiwana przy wzbudzaniu cewki (opóźnione zamykanie) zwłoka w przełączaniu styku uzyskiwana przy wzbudzaniu cewki (opóźnione otwieranie) zwłoka w przełączaniu styku uzyskiwana przy odwzbudzaniu cewki (opóźnione otwieranie) zwłoka w przełączaniu styku uzyskiwana przy odwzbudzaniu cewki (opóźnione zamykanie). 23

24 Rys. 12. Przykład schematu obwodowego sterowania pompą zęzową statku 24

25 Zagadnienie 3.3. Schematy ideowe wybranych stykowych układów sterowania 1. Zdalne załączanie i wyłączanie silnika asynchronicznego klatkowego Rys. 13. Schemat ideowy zdalnego sterowania silnikiem Na schemacie wyróżniamy obwód główny (siłowy) zasilania silnika i obwód sterowania ( małej mocy) W obwodzie głównym znajdują się kolejno od linii zasilającej: Odłącznik ręczny OR, bezpieczniki instalacyjne Bi (ochrona silnika i przewodów od zwarć), styki główne stycznika roboczego C, grzałki bimetalu przekaźnika termo-bimetalowego PT (ochrona od przeciążeń) i silnik M (połączony np. w gwiazdę).aby silnik mógł otrzymać napięcie zasilające muszą być: zamknięte styki odłącznika, sprawne bezpieczniki Bi, zamknięte styki główne stycznika C i nie przepalone grzałki przekaźnika PT. Zamykanie styków głównych stycznika C dokonuje się elektromagnetycznie podając napięcie na jego cewkę (w tym układzie cewka powinna 25

26 być nawinięta na napięcie 400V). Podawanie napięcia na cewkę (i zdejmowania z niej napięcia) realizuje obwód sterowania. Obwód sterowania zawiera 3 obwody: nr 4, nr 4a, nr 5 zasilane poprzez bezpieczniki BiS z obwodu głównego napięciem przewodowym sieci 400V, 50Hz. Obwód nr 4 to obwód zasilania cewki stycznika C. Zawiera przycisk ręczny dla wyłączenia W, przycisk ręczny dla załączenia Z, styk normalnie zamknięty przekaźnika PT i cewkę stycznika C. Prąd przez cewkę C popłynie wtedy gdy droga przepływu prądu od górnej linii zasilania L3 do dolnej linii zasilania L2 będzie zamknięta (zamknięty W, zamknięty Z, zamknięty PT, i nie przepalona cewka C). W stanie początkowym przy sprawnych urządzeniach zamknięte są W i PT. Naciśnięcie przycisku Z zamyka całkowicie drogę dla przepływu prądu przez cewkę C. Płynący prąd wytwarza w styczniku C pole magnetyczne które przestawia zworę i zamyka styki główne- silnik rusza. Przycisk Z zwolnieniu naciśnięcia otwiera się. By nie nastąpiło przerwanie prądu płynącego przez cewkę C (w obwodzie nr 4) i zatrzymanie silnika utworzono obwód nr 4a. W obwodzie tym znajduje się jeden z zestyków pomocniczych stycznika C (też oznaczony literą C), który zamyka się jednocześnie z zamknięciem styków głównych. Zamknięcie następuje w czasie naciskania przycisku Z. Po zamknięciu zestyku C w obwodzie 4a prąd do cewki C (w obwodzie nr 4) płynie już dwiema drogami rozgałęziając się za zamkniętym stykiem przyciskiem do wyłączania. Otwarcie przycisku Z nie spowoduje przerwy w przepływie prądu do cewki stycznika C. Silnik dalej pracuje po zwolnieniu przycisku Z. Styk C w obwodzie 4a nazywa się stykiem podtrzymania. Wyłączenie silnika nastąpi po przerwaniu prądu w obwodzie nr 4. Można dla jego przerwania np. nacisnąć przycisk W ( wyłącz. Brak prądu w cewce C powoduje zanik pola magnetycznego w styczniku i pracę sprężyn powrotnych stycznika w kierunku otwarcia styków roboczych. Silnik zatrzymuje się. Jednocześnie otwiera cię styk C w obwodzie 4a. Zwolnienie przycisku W i powrót jego styku do pozycji zamkniętej nie spowoduje przepływu prądu przez cewkę C (oba obwody: 4 i 4a mają przerwę. Silnik jest stabilnie wyłączony. Podobnie zachowa się układ gdy podczas pracy silnika otworzy się styk PT (przekaźnika termicznego) umieszczony w obwodzie 4. Styk ten otwierany jest popychaczem związanym z wyginającymi się bimetalami nagrzewanymi grzałkami przez które płynie prąd do silnika. Jeśli prąd silnika wzrośnie poza nastawioną wartość (np. z powodu wzrostu obciążenia ze strony maszyny którą napędza) to styk PT otwiera się wyłączając stycznik i silnik. Po wyłączeniu bimetale stygną, prostują się i styk ponownie się zamyka. Rozruch silnika jednak nie nastąpi ponieważ wyłączenie stycznika spowodowało otwarcie styku podtrzymania C w obwodzie 4a i otwarty jest styk przycisku Z ( załącz ). 26

27 Przerwać prąd płynący przez cewkę można również wyłączając jeden z bezpieczników układu sterowania BiS lub jeden z bezpieczników głównych Bi ( z lini L3 lub L4). Układ nie pozwala na niekontrolowane załączenie silnika po powrocie napięcia w sieci ( przed zanikiem silnik pracował). Zanik napięcia powoduje otwarcie stycznika i jego styku pomocniczego C w obwodzie 4a Powrót napięcia nie spowoduje uruchomienie stycznika C z powodu przerwy w obwodzie 4i 4a. Zasilanie obwodu sterowania z tak wysokiego napięcia (400V) upraszcza znacznie układ i chroni silnik przed pracą bez fazy L2 lub L3 (nie chroni przed zanikiem fazy L1.Stwarza jedna zagrożenie dla obsługi w eksploatacji obwodu sterowania. Jeśli warunki środowiskowe wymagają stosowania obniżonego napięcia sterowania to uzyskuje się je z transformatora obniżającego (np. 400V/24V) zasilanego z napięcia przewodowego ( np.l2-l3). Obwód nr 5 przeznaczony jest dla sygnalizacji załączenie silnika poprzez podanie napięcia do żarówki sygnalizacyjnej L1 i jej zaświecenie. Żarówka zasilana jest poprzez opornik ograniczający prąd (nie produkuje się żarówek na napięcia wyższe od 230V). Zamknięcie stycznika (silnik pracuje) i jego kolejnego styku pomocniczego C w obwodzie 5 zaświeca żarówkę. Otwarcie stycznika C otwiera też styk C w obwodzie 5-żarówka gaśnie. Układ powyższy łatwo rozbudować o kolejne stanowiska załącz wyłącz. Styki przycisków załącz - Z2, Z3... należy przyłączyć równolegle do styków przycisku Z w obwodzie nr 4. Styki przycisków wyłącz W2, W3... należy łączyć szeregowo ze sobą i ze stykiem W w obwodzie nr Zdalna zmiana kierunku obrotów silnika asynchronicznego klatkowego Zmianę kierunku wirowania wirnika trójfazowego silnika asynchronicznego uzyskuje się poprzez zamianę przyłączenia do sieci dwóch (spośród trzech) zacisków silnika U,V,W ( niezależnie od tego czy jest połączony w gwiazdę czy w trójkąt) Jeśli zaciski U,V,W dla np. prawego kierunku obrotów były przyłączone do linii sieci L1, L2, L3 odpowiednio to dla zmiany kierunku obrotów zaciski U,V,W można przyłączyć następująco: L1, L3, L2 ( nie zmienione zasilanie zacisku U) lub L3, L2, L1 (nie zmienione zasilanie zacisku V) lub L2, L1, L3 (nie zmienione zasilanie zacisku W). Zmianę zasilania zacisków silnika realizuje się dodatkowym stycznikiem w obwodzie głównym, krzyżującym dwa przewody zasilające silnik. Stycznik główny ( np. obrotów prawych) i stycznik dodatkowy (np. obrotów lewych) nie mogą jednocześnie zamknąć swoich styków roboczych ponieważ nastąpi zwarcie skrzyżowanych przewodów zasilających. Dla uniknięcia takiej sytuacji stosuje się blokadę jednoczesnego zadziałania tych styczników. Blokady mogą być mechaniczne lub elektryczne. 27

28 Schemat ideowy nawrotnego ( ze zmianą kierunku obrotów) sterowania silnika asynchronicznego pokazany jest na rysunku. W obwodzie głównym silnika stycznik CP i stycznik CL realizują zasilanie silnika (stycznik CL krzyżuje linie zasilające). Rys. 14. Schemat ideowy nawrotnego sterowania silnikiem Obwód nr 4 i nr 4a są klasycznymi obwodami załączenia silnika z podtrzymaniem omówionymi przy poprzednim schemacie. Obwód nr 4b i 4c są obwodami sterowania stycznikiem lewego kierunku obrotów z podtrzymaniem. Przed cewkami styczników CP i CL umieszczone są styki normalnie zamknięte stycznika kierunku przeciwnego. Styki te realizują blokadę przed jednoczesnym zasilaniem tych cewek i jednoczesnym zadziałaniem styczników CP i PL ( jeśli działa stycznik CP to w obwodzie 4b otwierając styk CP i blokuje przepływ prądu przez cewkę CL przy próbie naciśnięcia przycisku ZL. Uruchomienie stycznika CL możliwe jest dopiero po zamknięciu styku CP w obwodzie 4b to jest po wyłączeniu stycznika CP (np. przyciskiem W). Działanie blokady w kierunku stycznika CP jest 28

29 analogiczne. Powyższy schemat nie realizuje sterowanego hamowania napędu przy zmianie kierunku obrotów. Przełączenie silnika na przeciwny kierunek obrotów powinno następować po zatrzymaniu się napędu. W przeciwnym razie prąd hamowania przeciwprądem może być zbyt duży i mogą zadziałać zabezpieczenia odcinające silnik od sieci. Obwody 5 i 6 są obwodami sygnalizującymi pracę silnika z odpowiednim kierunkiem obrotów 3. Sterowanie rozruchem silnika asynchronicznego klatkowego z wykorzystaniem przełącznika gwiazda trójkąt Cechą charakterystyczną bezpośredniego włączenia silnika asynchro-nicznego klatkowego do sieci ( np. wg schematów omówionych wyżej) jest chwilowy, bardzo duży wzrost prądu (5-7 In). Wzrost prędkości obrotowej silnika powoduje, że prąd ten maleje. Tak duży prąd początkowy powoduje przede wszystkim duże spadki napięć w sieci zasilającej, co może być szkodliwe dla pracy innych urządzeń zasilanych z tej sieci. Dla bezpieczeństwa pracy innych napędów (duży spadek napięcia zasilania może zatrzymać napęd) przepisy dopuszczają bezpośrednie załączenie do sieci publicznej o napięciu przewodowym 400V trójfazowe silniki asynchroniczne klatkowe o mocy nie przekraczającej 5.5 KW, lub silniki, których największy prąd rozruchowy nie przekracza 60A. Jeśli nie można spełnić powyższych warunków koniecznym staje się ograniczenie prądów rozruchowych stosując różnego rodzaju rozruszniki. Jednym ze sposobów zmniejszenia początkowego prądu rozruchowego jest zasilenie uzwojeń silnika mniejszym napięciem ( ok Un) poprzez zmianę połączeń uzwojeń silnika z trójkąta na gwiazdę. Zmiana taka powoduje zmniejszenie prądu do wartości ok. 0.58Jr (prawie dwa razy). Powoduje też zmniejszenie mocy silnika trzy razy przez co rozruch silnika będzie trwał dłużej. Urządzeniem, które w sposób samoczynny przeprowadzi rozruch przełączając uzwojenia silnika z gwiazdy na trójkąt jest automatyczny przełącznik gwiazda trójkąt (taki przełącznik może być zbudowany również jako przełącznik ręczny). Stosując przełącznik gwiazda-trójkąt można przyłączać do sieci publicznej 400V silniki o mocy do 15 KW. Warunkiem stosowania takiego przełącznika dla danego silnika jest to, by możliwe było przyłączenie jego uzwojeń na pełne napięcie sieci z której będzie zasilany (dla sieci 3x400V napięcie znamionowe podane na tabliczce znamionowej silnika powinno wynosić Un=400V lub Un=700/400V). Procedura przeprowadzenia rozruchu po wyzwoleniu startu: 29

30 połączyć uzwojenia silnika w gwiazdę (stycznikiem gwiazdy), połączyć silnik z siecią (stycznikiem głównym), uruchomić przekaźnik czasowy odliczający nastawiony czas pracy silnika w połączeniu w gwiazdę, po odliczeniu nastawionego czasu (kilka sekund) otworzyć stycznik gwiazdy, zamknąć stycznik trójkąta i utrzymywać go zamkniętym (ewentualnie wyłączyć przekaźnik czasowy). Rys. 15. Schemat ideowy sterowania rozruchem silnika z wykorzystaniem przełącznika gwiazda-trójkąt Realizacja takiej procedury pokazana jest na rysunku... W obwodzie głównym zadziałanie stycznika CS zwiera stykami roboczymi końce X,Y,Z uzwojeń silnika łącząc silnik w gwiazdę. Zadziałanie stycznika głównego CG powoduje podanie napięcia sieci na końce U,V,W uzwojeń silnika. Jednoczesna praca styczników CS i CG daje pracę silnika w połączeniu w gwiazdę. Zamknięcie styków stycznika trójkąta CT ( przy otwartych stykach stycznika gwiazdy CS i zamkniętych stykach stycznika głównego CG) łączy zaciski silnika U-Y, V-X, W-Z łącząc uzwojenia silnika w trójkąt. 30

31 W obwodzie sterowania nr 4 znajdują się kolejno: przycisk W ( wyłącz ), styk normalnie zamknięty PT (przekaźnika termicznego), przycisk Z ( załącz ) z podtrzymaniem stykiem stycznika głównego CG, styk przełączny przekaźnika czasowego PC, styk normalnie zamknięty stycznika trójkąta CT (blokada przed jednoczesnym zadziałaniem CS i CT) oraz cewka stycznika gwiazdy CS. Naciśnięcie przycisku Z powoduje zamknięcie obwodu nr 4-płynieprąd przez cewkę CS działa stycznik gwiazdy i łączy silnik w gwiazdę. Jednocześnie stykiem pomocniczym w obwodzie 4b zasila przekaźnik czasowy i w obwodzie 4c cewkę stycznika głównego. W obwodzie 4a stykiem pomocniczym normalnie zamkniętym blokuje pracę cewki stycznika trójkąta CT (styk otwiera się). Przekaźnik rozpoczyna odliczanie czasu, zaś stycznik główny zasila silnik stykami głównymi (obw.1,2,3), a stykami pomocniczymi podtrzymuje swoje zasilanie w obwodzie 4c i zwiera przycisk Z w obwodzie 4. W ten sposób puszczenie przycisku Z nie powoduje utraty zasilania cewek styczników CS, CG i przekaźnika czasowego PC. Silnik pracuje połączony w gwiazdę. Po odliczeniu czasu zwłoki przekaźnik czasowy PC przestawia ruchomy styk PC w obwodzie 4. Spowoduje to odcięcie napięcia od cewki CS i podanie go do obwodu 4a. Pozbawienie napięcia cewki CS powoduje puszczenie stycznika CS (gwiazdy)i rozłączenie połączenia silnika w gwiazdę. Pomocnicze styki stycznika CS wracają do położenia wyjściowego: w obwodzie 4a styk CS zamyka się zwalniając blokadę, w obwodzie 4b otwiera się (bez konsekwencji). Zwolnienie blokady w obwodzie 4a umożliwia przepływ prądu do cewki CT stycznika trójkąta stykami zamkniętymi: W, PT, CG, PC i CS. Stycznik trójkąta działa łącząc stykami roboczymi silnik w trójkąt zaś stykami pomocniczymi podtrzymuje swoje zasilanie (w obwodzie 4a) i wyłącza przekaźnik czasowy w obwodzie 4b. Wyłączenie przekaźnika czasowego powoduje w obwodzie 4 powrót styku PC do położenia pierwotnego. Nie powoduje to jednak zadziałania stycznika CS gwiazdy z uwagi na wprowadzoną blokadę stycznikiem CT (w obwodzie 4 otworzył się styk CT). Taki stan utrzymuje się (praca silnika połączonego w trójkąt) do czasu odcięcia napięcia od cewek CT i CG: po naciśnięciu przycisku W, po otwarciu styku PTprzekaźnika termicznego, po wykręceniu bezpiecznika lub zaniku napięcia w sieci. Po odcięciu napięcia styczniki puszczają, co powoduje odłączenie silnika od sieci i całkowite rozłączenie uzwojeń, a także rozłączenie podtrzymań w obwodach sterowania 4, 4a i 4c. Powrót napięcia (np. puszczenie przycisku W) nie uruchamia rozrusznika do czasu naciśnięcia przycisku Z. Obwód nr 5 jest obwodem sygnalizacyjnym pracy silnika. 31

32 Temat 4: Sterowanie pneumatyczne Zagadnienia: A. Wykorzystanie, zalety i wady sprężonego powietrza B. Wytwarzanie i przygotowanie sprężonego powietrza C. Silniki i siłowniki pneumatyczne D. Zawory (rozdzielacze) pneumatyczne E. Projektowanie pneumatycznych układów sterowania Zagadnienie: 4.A. Wykorzystanie, zalety i wady sprężonego powietrza Urządzenia pneumatyczne bądź kombinowane pneumohydrauliczne, elektropneumatyczne znajdują szerokie zastosowanie w budowie różnego rodzaju maszyn lub w układach sterowania. Przykłady zastosowania pneumatyki: Silniki pneumatyczne np. do wiercenia, wkręcania/odkręcania śrub, nakrętek Siłowniki pneumatyczne np. do mocowania, podawania Elementy udarowe np. młotki pneumatyczne Obrabianie powierzchni np. piaskowanie, pistolety malarskie Urządzenia pomiarowe Urządzenia transportowe np. poczta pneumatyczna Urządzenia pneumatyczne znajdują powszechne zastosowanie ze względu na szereg zalet czynnika jakim jest powietrze: jest wszędzie dostępne, Nie trzeba budować rurociągów powrotnych Może być transportowane przewodami i magazynowane w zbiornikach Jest bezpieczne i czyste Urządzenia zasilane powietrzem są odporne na przeciążenia i mają duży moment rozruchowy Można płynnie sterować prędkością np. obrotową i siłą oddziaływania Urządzenia pneumatyczne mają prostą konstrukcję, są odporne na uszkodzenia 32

33 Powietrze ma również wady wynikające głównie z jego ściśliwości co utrudnia uzyskiwanie powolnych i płynnych ruchów urządzeń pneumatycznych. Brak jest możliwości uzyskiwania dużych sił ze względu na ograniczone wartości ciśnienia MPa. Straty spowodowane różnego rodzaju przeciekami podnoszą koszt uzyskiwania energii. Te wysokie koszty energii są w dużej części kompensowane przez niski koszt elementów i wysoką wydajność. Przykładowo, jeśli przyjmiemy, że 1kWh energii elektrycznej kosztuje 1 jednostkę to 1kWh energii hydraulicznej jest droższa 3-5 razy, a pneumatycznej 7-10 razy. Przeciętny średni koszt wyprodukowania 1 m 3 powietrza o ciśnieniu 6 bar kosztuje ok. 5 groszy. Przykładowo nieszczelność zaworu na dławicy sworznia o średnicy 20 mm i szczelinie 0,06 mm może kosztować ok. 10 zł dziennie. Przykład ten udowadnia, że wszelkie nieszczelności, zarówno w przewodach jak i urządzeniach sprężonego powietrza poważnie obniżają uzyskiwane efekty ekonomiczne. Zagadnienie: 4.B. Wytwarzanie i przygotowanie sprężonego powietrza Do wytwarzania sprężonego powietrza służą sprężarki. W zależności czy zależy nam na dużym ciśnieniu roboczym czy dużej wydajności stosuje się odpowiednio sprężarki wyporowe lub przepływowe (turbinowe). Dla dopasowania wydajności sprężarki do poboru powietrza przez pracujące urządzenie niezbędna jest regulacja wydajności sprężarki. Można to przeprowadzić na kilka sposobów. Regulacja wydajności sprężarek: A. Regulacja na biegu jałowym przez wydmuch stosuje się przy bardzo małych sieciach przez odcięcie ssania przy sprężarkach rotacyjnych, a także tłokowych przez unieruchomienie w pozycji otwartej zaworu ssawnego B. Regulacja przy obciążeniu częściowym przez zmianę liczby obrotów przez dławienie na ssaniu przy sprężarkach rotacyjnych i turbinowych (przepływowych) C. Regulacja przez wyłączanie/włączenie napędu 33

34 Sprężone powietrze wyprodukowane w sprężarce jest przez nią zanieczyszczone. Aby uzyskać długotrwałe i niezawodne działanie urządzenia pneumatycznego powietrze powinno być odpowiednio przygotowane. W tym celu należy pozbawić go zanieczyszczeń: mechanicznych stosując odpowiednie filtry, wody stosując osuszacze oleju stosując odpowiednie filtryprzygotowanie powietrza obejmuje również redukcję ciśnienia do wymaganego w instalacji i ewentualnie do wprowadzenie środka smarującego. Typowy blok przygotowania powietrza obejmuje najczęściej trzy podstawowe elementy: filtr z ręcznym lub automatycznym spustem kondensatu, zawór redukcyjny z manometrem i smarownicę pneumatyczną. Zagadnienie: 4.C. Silniki i siłowniki pneumatyczne Energia sprężonego powietrza przetwarzana jest w siłownikach pneumatycznych na energię mechaniczną ruchu posuwisto zwrotnego lub obrotowego. Klasyfikacja siłowników SIŁOWNIKI TŁOKOWE TELESKOPOWE MEMBRANOWE NURNIKOWE JEDNOSTRONNEGO DZIAŁANIA DWUSTRONNEGO DZIAŁANIA JEDNOSTRONNEGO DZIAŁANIA POWRÓT TŁOKA POD DZIAŁANIEM SIŁ ZEWNĘTRZNYCH POWRÓT TŁOKA POD DZIAŁANIEM SPRĘŻYNY Z TŁOKIEM JEDNOSTRONNYM DWUSTRONNEGO DZIAŁANIA Z TŁOKIEM DWUSTRONNYM RÓŻNICOWY Rys. 1. Klasyfikacja siłowników 34

35 Konstrukcja siłownika tłokowego Siłownik tłokowy składa się z tulei siłownika, pokrywy tylnej oraz przedniej z wbudowaną tuleją prowadzącą tłoczysko, tłoka z uszczelnieniem, tłoczyska, tulei prowadzącej, pierścienia zgarniającego, części łączących i uszczelnień. Tuleja siłownika 1 w większości przypadków jest wykonana z rury stalowej ciągnionej bez szwu. W celu przedłużenia żywotności elementów uszczelniających powierzchnie ślizgowe (gładź), tuleję siłownika wykonuje się z dużą dokładnością (honowanie). W specjalnych wypadkach tuleja siłownika może być wykonana z aluminium, mosiądzu lub rur stalowych chromowanych powierzchniowo. Te specjalne wykonania stosuje się tam, gdzie istnieje duża częstość przełączeń lub gdy wymagana jest szczególna odporność na korozję. Na pokrywy tylną 3 i przednią z prowadzeniem tłoczyska 2 stosuje się przeważnie odlewy (aluminium lub żeliwo ciągliwe). Mocowanie obu pokryw z tuleją siłownika może być rozwiązane przy pomocy ściągów, połączeń gwintowych lub kołnierzowych. Rys. 2 Siłownik tłokowy firmy Rexroth; 1 tuleja, 2 pokrywa przednia, 3 pokrywa tylna, 4 tłok, 5 pierścień uszczelniający tłok, 6 tłoczysko, 7 tuleja prowadząca, 8 pierścień uszczelniający tłoczysko, 9 pierścień zgarniający Tłoczysko 6 i tłok 4 są przeważnie wykonane ze stali ulepszanej cieplnie, chromowanej. Uszczelnienie płaszczyzn osiąga się przez dogniatanie. Na ogół w celu zabezpieczenia przed zerwaniem stosuje się gwinty walcowane. Do uszczelnienia tłoczyska w pokrywie przedniej stosuje się pierścień 8 samouszczelniający rowkowany (typu U). Prowadzenie tłoczyska odbywa się za pomocą tulei prowadzącej 7, która może być wykonana ze spieku proszków lub tworzywa sztucznego pokrytego powłoką metalową. Przed tuleją prowadzącą znajduje się pierścień zgarniający 9, który zapobiega przedostawaniu się zanieczyszczeń do komory siłownika. 35

36 Komora siłownika jest uszczelniona poprzez pierścienie osadzone na tłoku. Wytwarza się je najczęściej z: perbunanu od -20 C do C, vitonu od -20 C do C, teflonu od -80 C do C. Sposoby uszczelnienia tłoka pokazano na poniższych rysunkach. 36

37 Rys. 3. Sposoby uszczelnień W celu uniknięcia uderzeń tłoka o pokrywy przy dojściach do położeń krańcowych, dla siłowników jedno- i dwustronnego działania stosuje się zespoły amortyzujące. Do amortyzacji uderzeń końcowych stosuje się: podkładki na pokrywach z elementów podatnych np. gumy, skóry, itp. (stosowane są niekiedy w siłownikach o małej średnicy tłoka), sprężyny amortyzujące, stosowane w siłownikach jednostronnego działania, pneumatyczne zespoły amortyzujące, najszerzej aktualnie stosowane (rys.12; cz. II). Rys. 4. Pneumatyczny zespół amortyzujący firmy Rexroth; 1 tuleja tłumiąca, 2 śruba regulacyjna, 3 zawór zwrotno-dławiący 37

38 Przed osiągnięciem przez tłok skrajnych położeń, tuleja tłumiąca (tłok tłumiący 1) odcina swobodny wypływ powietrza do atmosfery. Wypływ może odbywać się tylko przez otwór o małej średnicy, nastawianej śrubą 2. W końcowej fazie ruchu tłoka powietrze w części komory siłownika zostaje sprężone. Zmagazynowana w ten sposób energia zostaje rozładowana przez wbudowany zawór zwrotno - dławiący 3, o małej średnicy przelotu. Tłok dochodzi powoli do skrajnego położenia. Siłowniki tłokowe jednostronnego działania strony. Siłownik jednostronnego działania jest poddany działaniu sprężonego powietrza tylko z jednej Rys. 5. Siłownik jednostronnego działania firmy Rexroth Ten siłownik może wykonywać pracę tylko w jednym kierunku. Sprężone powietrze jest potrzebne tylko dla realizacji jednego kierunku ruchu. Ruch powrotny odbywa się pod wpływem działania wbudowanej sprężyny lub też działania siły zewnętrznej. Siła wbudowanej sprężyny jest tak dobrana, że zapewnia ona realizację ruchu powrotnego tłoka do położenia wyjściowego z wystarczająco dużą prędkością. W siłownikach jednostronnego działania z wbudowaną sprężyną skok tłoka jest ograniczony przez długość sprężyny. Z tego względu produkowane są siłowniki jednostronnego działania o skokach do 100 mm. Siłowniki tłokowe dwustronnego działania Siła pochodząca od sprężonego powietrza powoduje w siłownikach dwustronnego działania ruch tłoka w obu kierunkach. 38

39 Rys. 6. Siłownik dwustronnego działania firmy Rexroth Wysuwaniu i wsuwaniu się tłoczyska odpowiada określona siła działania. Tego typu siłowniki stosuje się we wszystkich przypadkach, gdy tłok ma wykonać pracę również w ruchu powrotnym. Długość skoku tłoka jest ograniczona wytrzymałością tłoczyska na zginanie i wyboczenie. Siłowniki specjalne Siłownik membranowy Siłownik membranowy znany jest również pod pojęciem "puszka powietrzna" lub "puszka siłowa". Rys. 7. Siłownik membranowy firmy Rexroth Rolę tłoka spełnia tu wbudowana membrana (przepona), wykonana z gumy, tworzywa sztucznego lub metalu. Membrana połączona jest centrycznie z tłoczyskiem. Nie zachodzi tu potrzeba stosowania uszczelnień ślizgowych, tarcie występuje tutaj tylko przy rozciąganiu materiału. 39

40 Siłowniki tego typu wykorzystywane są jako elementy wykonawcze służące do otwierania i zamykania zaworów. Elementy te charakteryzują się prostą konstrukcją, niewielkimi wymiarami w stosunku do uzyskiwanej siły (25kN). Siłownik udarowy Siły osiągane przez normalne siłowniki są za małe do prac przy obróbce plastycznej. W tych przypadkach stosuje się siłowniki udarowe posiadające większą energię kinetyczną. W tego typu siłownikach prędkość tłoka osiąga wartość 7,5 do 10 m / s (podczas gdy normalna prędkość siłowników wynosi 1-2 m / s). Takie prędkości osiąga się dzięki specjalnej budowie siłownika. Rys. 8. Siłownik udarowy firmy Rexroth W pierwszej fazie pracy komora A znajduje się pod ciśnieniem. Po przełączeniu zaworu sterującego następuje doprowadzenie ciśnienia do komory B, a odpowietrzenie komory A. Jeśli siła pochodząca od ciśnienia, działająca na powierzchnię C przewyższy siłę ciśnienia w komorze A, to następuje rozpoczęcie ruchu tłoka w kierunku Z. Spowoduje odsłonięcie całej powierzchni tłoka od strony komory B i wzrost siły działającej na tłok. Powietrze z komory B, przez duży otwór może szybko przepływać i tłok uzyskuje duże przyspieszenie. Siłownik cięgnowy Jest to siłownik tłokowy dwustronnego działania, w którym tłoczysko jest zastąpione cięgnem, zamocowanym do obu stron tłoka, prowadzonym przez rolki. 40

41 Rys. 9. Siłownik cięgnowy firmy Rexroth Siłownik wahadłowy W tym wykonaniu siłownika dwustronnego działania, tłoczysko wyposażone jest w listwę zębatą, która zazębiając się z kołem zębatym powoduje zmianę ruchu postępowego na obrotowy w prawo lub w lewo, w zależności od kierunku ruchu tłoka. Uzyskiwany moment obrotowy zależny jest od ciśnienia, powierzchni tłoka i przełożenia. Siłowniki wahadłowe stosuje się do gięcia rur, regulacji urządzeń klimatyzacyjnych, napędu zasuw i zaworów odcinających. Rys. 10. Siłownik wahadłowy firmy Rexroth Zagadnienie: 4.D. Rozdzielacze (zawory) pneumatyczne Pod poniżej podanym adresem pokazane są symbole graficzne elementów napędów i sterowań pneumatycznych: 41

42 Pneumatyczne elementy sterujące - zawory Zawory są urządzeniami sterującymi, realizującymi funkcje startu, zatrzymania oraz zmieniającymi kierunek ruchu elementów wykonawczych, jak również regulującymi ciśnienie i natężenie przepływu powietrza. W skrypcie pojęcie zawory (w odniesieniu do elementów sterujących) będę zamiennie używał z pojęciami rozdzielacz, przekaźnik. Klasyfikacja zaworów ZAWORY ROZDZIELAJĄCE CIŚNIENIOWE ODCINAJĄCE STERUJĄCE KIERUNKIEM PRZEPŁYWU STERUJĄCE NATĘŻENIEM PRZEPŁYWU Rys. 11. Klasyfikacja zaworów Zawory rozdzielające Zawory rozdzielające (rozdzielacze) zapewniają przepływ czynnika między różnymi drogami. Ich klasyfikację przedstawia tabela poniżej. W celu zabezpieczenia prawidłowego montowania zaworów w układach pneumatycznych poszczególne przyłącza oznacza się dużymi literami lub cyframi i liczbami (wg CETOP RP68): przyłącza robocze A,B,C...lub 2,4,6... zasilanie powietrzem P lub 1 przyłącza odpowietrzające R,S,T... lub 3,5,7... przyłącza sterujące X,Y,Z...lub 10,12,14... przyłącze odprowadzające L lub 9 42

43 Podział ze względu na: Ilość położeń Ilość dróg Sposób sterowania Budowę Rozdzielacze: Dwupołożeniowe Trójpołożeniowe Wielopołożeniowe Dwudrogowe Trzydrogowe Czterodrogowe Wielodrogowe Ręczne Siłą mięsni Nożne Sprężyną Trzpieniem Rolką Mechanicznie Rolką o jednym kierunku działania Elektrycznie Pneumatycznie Hydraulicznie Suwakowe, grzybkowe, membranowe W układach pneumatycznych (podobnie jak w układach elektrycznych), używa się pojęć: zawór normalnie otwarty (NO); przy braku sygnału sterującego kanał roboczy połączony jest z zasilaniem, zawór normalnie zamknięty (NC); przy braku sygnału sterującego kanał roboczy jest odpowietrzony, zasilanie zablokowane. Oznaczenie zaworu jest zależne od ilości przyłączy (kanałów wejściowych, wyjściowych, odpowietrzających) i liczby położeń sterowanych. Pierwsza liczba (w oznaczeniu) podaje ilość dróg, co jest równoważne ilości przyłączy, druga liczba podaje ilość sterowanych położeń zaworu. Symbol zaworu 3 / 2 oznacza zawór (rozdzielacz) z trzema przyłączami (np. zasilania, kanał roboczy i odpowietrzający)/dwupołożeniowy. PRZYKŁAD: zawór rozdzielający 3/2 - zawór trójdrogowy dwupołożeniowy, zawór rozdzielający 4/3 - zawór czterodrogowy trójpołożeniowy. 43

44 Opis budowy i działania zaworów (rozdzielaczy) można znaleźć w literaturze: 1. M. Olszewski Urządzenia i systemy Mechatroniczne cz.1 Wydawnictwo Rea Warszawa Ł. Węsierski Podstawy pneumatyki Skrypt uczelniany AGH Kraków 3. Szenajch Zagadnienie: 4.E. Projektowanie pneumatycznych układów sterowania Oznaczenia elementów prezentowanych na schematach Oznaczenie literowe P A M S V Z Rodzaj elementu Pompy i sprężarki Elementy wykonawcze, np. siłowniki Silnik elektryczny Elementy sygnałowe Rozdzielacze (zawory) sterujące i robocze Inne np. zespół przygotowania powietrza Czynności związane z projektowaniem pneumatycznych układów sterowania mogą być w pewien sposób sformalizowane. Oto kolejne etapy w których należy określić: 1. jakie czynności będą realizowane w projektowanym układzie (przesuwanie, obracanie, dociskanie itp.) oraz przewidzieć parametry tych czynności tj. wielkość przemieszczenia, obrotu, wartość siły niezbędnej do docisku, wartość ciężaru przemieszczanego czy obracanego detalu itp., 2. sposób oddziaływania przez obsługę na projektowany układ (przyciski uruchamiające, zatrzymujące itp.), 3. kolejność wykonywanych czynności i informowanie o ich zakończeniu; stworzenie planu sytuacyjnego, 4. inne uwarunkowanie np. sygnalizacja zakończonych czynności, sposób zachowania w przypadku pojawienia się sytuacji awaryjnej itp. Zagadnienia dalej opisane w rozdziale 4E oraz zawarte tam rysunki zostały opracowane na podstawie książki Kjell Evensena i Jul Ruuda: BASIC PNEUMATICS wyd. Mecman. 44

45 By móc sterować i kontrolować cykle automatyczne, ważnym jest stworzenie właściwego i jednoznacznego opisu cyklu. Jako przykład wybrano urządzenie do transportu pudełek G wykorzystujące siłę grawitacji [ ]. Na rys.12 pokazano instalację w działaniu; tzw. plan sytuacyjny szkic układu: Rys. 12 Urządzenie transportowe; szkic projektu (źródło: Kjell Evensen, Jul Ruud Basic pneumatics AB Mecman Stockholm 1991 [1]) Jeden siłownik funkcjonuje jako podnośnik, a drugi jako popychacz. Oznaczyliśmy siłowniki jako A i ponumerowaliśmy je w kolejności operacyjnej. Zatem podnośnik to 1A a popychacz to 2A. Cofnięte i wsunięte położenia cylindra nazwano odpowiednio ruchami ujemnymi i dodatnimi. Możemy opisać pracę cyklu, kiedy pudełko będzie transportowane z niższego na wyższy podajnik, w następujący sposób: C1+ podnośnik wysunięty C2+ popychacz wysunięty C1- podnośnik cofnięty C2- powrót popychacza 45

46 Lista (C1+, C2+, C1-, C2-) ukazuje w jakiej kolejności następują poszczególne ruchy oraz daje krótki opis tego, co się dzieje Wykres funkcjonalny Wykres funkcjonalny jest graficznym przedstawieniem cyklu pracy. Najważniejsze jest tu zobrazowanie poszczególnych etapów cyklu, czynności oraz procesy zmiany. Etapy cyklu zostały ponumerowane 1,2,3 itd. Etap 0 jest etapem początkowym, pokazującym pozycję startową i został oznaczony podwójną ramką. Pozostałe etapy, odpowiadające poszczególnym czynnościom, są oznaczone pojedyncza ramką. Na schemacie są one umieszczone w pionie, jeden nad drugim, po lewej stronie wykresu. Czynność obrazuje tu działanie, np. 1A+, obrazuje start siłownika. Kilka czynności może mieć miejsce na poszczególnym etapie i zostały ona umieszczone po prawej stronie etapów cyklu. Rys. 13. Funkcjonowanie instalacji z rys. 12, zilustrowane za pomocą etapów i czynności; (źródło [1]) Rys. 14. Kompletny wykres funkcjonalny ukazujący etapy i czynności cyklu; (źródło [1]) 46

47 Przykład: (zobacz rys.14). Na pierwszym etapie 1A przesuwa się w kierunku pozycji dodatniej. Kiedy osiągnie cel, pobudza przekaźnik 1S1, który daje sygnał do rozpoczęcia drugiego etapu. W ten sposób sygnał 1S1 jest przejściowym stanem pomiędzy etapem 1 a etapem 2. Wykres funkcjonalny zapewnia nam przejrzyste zobrazowanie cyklu pracy siłowników i następstwa sygnałów. Z drugiej strony, nie daje nam żadnych informacji na temat czasu trwania poszczególnych operacji, jak i całego cyklu pracy. Uwaga: Wykres funkcjonalny jest metodą standaryzowaną przez IEC (International Electrotechnical Commission) Wykres przesunięcia w czasie Ta metoda może być używana jako uzupełniająca bądź alternatywna względem wykresu funkcjonalnego. By zaprezentować metodę rysowania, wyobraźmy sobie arkusz papieru przesuwający się ze stałą prędkością. Umieszczamy cylinder w prawym rogu arkuszu i przyczepiamy ołówek do końcówki trzonu tłoka. Ołówek będzie rysował linię po przemieszczającym się arkuszu. Rys. 15. Rozwinięty wykres ruchu siłownika; (źródło [1]) Okazuje się, że: - kiedy siłownik jest w pozycji minusowej (cofnięty), rysuje poziomą linię na dole arkusza - kiedy siłownik jest w pozycji plusowej (wysunięty), rysuje poziomą linię na górze arkusza - kiedy siłownik rusza się, rysuje linię pochyłą, gdzie nachylenie jest pomiarem prędkości tłoczyska siłownika. 47

48 1.3. Wykres sekwencyjny Wykres sekwencyjny jest w rzeczywistości tożsamy z wykresem przesunięcia w czasie. Wykres ten jest wykorzystywany do przedstawienia kilku czynności oraz sekwencji sygnałów. Podczas rysowania wykresu sekwencyjnego, bieguny siłownika, ujemny i dodatni, są ograniczone pomocniczymi liniami. Rys. 16. Wykres sekwencyjny pracy siłownika; (źródło [1]) Na wykresie sekwencyjnym ruch siłownika zobrazowany jest na pionowej osi, a czas na osi poziomej. Jeśli chcemy przedstawić ruch względem czasu, zmieniamy nachylenie linii w taki sposób, by zobrazować przybliżoną prędkość tłoka. Wykorzystamy przykład urządzenia podnoszącego z rys. 12, by opisać cykl pracy za pomocą diagramu sekwencyjnego. Narysujemy wykres w ten sposób, by ruchy siłownika pojawiały się we właściwej, chronologicznej kolejności. Rys. 17. Diagram stanów (wykres sekwencyjny) dwóch siłowników; (źródło [1]) Wykres powinien obrazować cały cykl pracy, w którym zaleca się, by był wyraziście odznaczony początek następnego cyklu, by dać jasny obraz odnawiania się cyklów i ich kontynuacji. 48

49 Jeśli proces posiada, dla przykładu, specjalne cykle startu i zatrzymania, musi być to narysowane i zaznaczone na wykresie Sekwencje sygnałów Przekaźniki sygnałowe są zazwyczaj kontrolowane przez ruchy siłowników. Dlatego zaleca się używać wykresu sekwencyjnego również do zobrazowania informacji, kiedy przekaźniki sygnałowe zaczynają wytwarzać sygnały i jakie wywołują działanie. Rys. 18. Diagram stanów (wykres sekwencyjny); kompletny obrazujący sekwencję sygnałów; (źródło [1]) Wprowadzamy oznaczenia przekaźników sygnałowych i zaznaczamy je za pomocą punktu w miejscach, gdzie się wzbudzają. Przekaźniki sygnałów po wzbudzeniu będą utrzymywać swoje sygnały tak długo, jak długo dany siłownik pozostaje w swojej pozycji. Pionowe linie ze strzałkami wskazują czynności, które zostały zapoczątkowane przez sygnał. Rys. 19. Diagram stanów (wykres sekwencyjny) podzielony na etapy; (źródło [1]) 49

50 Na rys. 19 numery etapów zostały naniesione na wykres sekwencyjny. Ponadto sygnały, które wzbudzają kolejne etapy, zostały oznaczone pod danym etapem. Jeśli porównamy rys. 18 z wykresem sekwencyjnym na rys.19, zobaczymy, że się pokrywają Schemat układu Gdy narysujemy już wykres sekwencyjny (diagram stanów) i zostaną ustalone sekwencje sygnałów, posiadamy wystarczająco dużo informacji, by sporządzić schemat obwodu. Najpierw rysujemy wszystkie siłowniki wraz z ich zaworami, rozdzielaczami sterującymi. Siłowniki powinny zostać umieszczone w rzędzie, na górze schematu, wraz z zaworami (rozdzielaczami) roboczymi, które umieszczamy bezpośrednio pod danymi siłownikami. Zawory są bistabilne, by zapewniać konieczne funkcje pamięciowe. Podłączamy wejście nr 2 do ujemnej części siłownika, a wejście nr 4 do jego dodatniej części. W rezultacie sygnał sterujący na wejściu nr 14, zapoczątkuje ruch dodatni tłoka, a sygnał na wejściu nr 12 zapoczątkuje jego ruch ujemny. Rys. 20. Schemat obwodu dla urządzenia podnoszącego z rys. 12; (źródło [1]) 50

51 Z wykresu sekwencyjnego możemy wyciągnąć następujące wnioski: 0Z i 2S0 inicjują 1A+ 1S1 inicjuje 2A+ 2S1 inicjuje C1-1S0 inicjuje C2- Rozdzielacze (elementy) sygnałowe S są z zasady rysowane dokładnie pod zaworami roboczymi V, którymi sterują. Proszę zwrócić uwagę, że elementy na schemacie pokazują początkową pozycję systemu, tak jak w wykresie funkcjonalnym, czy sekwencyjnym, a warunki startowe nie zostały jeszcze spełnione Typy sygnałów W systemach pneumatycznych, rozdzielacze sygnałów wytwarzają krótkie sygnały oraz sygnały trwające przez prawie cały cykl pracy. Pewne sygnały mogą pozostawać tak długo, by blokować inne sygnały. Rysunek 21 obrazuje prasę wiertniczą, do wiercenia otworów w rurkach, z automatycznym pobieraniem części z magazynu i automatycznym odrzucaniem rurki już po wywierceniu otworu. Pozycja początkowa pokazana jest na szkicu projektu. Cykl pracy będzie następujący: 1A+ siłownik 1A dostarcza nową rurkę z magazynu i przytrzymuje ją podczas nawiercania 2A+ siłownik 2A zasila prasę wiertniczą 2A- siłownik 2A powraca; 3A+ siłownik 3A wysuwa się co przygotowuje się do wyrzucenia nawierconej rurki 1A- siłownik 1A powraca C3 siłownik 3A powraca i zaczyna się nowy cykl Rys. 21. Prasa wiertnicza schemat projektu; szkic projektu (źródło [1]) 51

52 Rys. 22 Następstwa sygnałów dla urządzenia z rys. 12; (źródło [1]) Z wykresu sekwencyjnego na rys. 22 widzimy, że przekaźnik sygnałów 1S1 pobudza do działania siłownik C2+. 1S1 pozostaje pobudzony tak długo, jak C1 jest w swojej dodatniej pozycji. W przypadku gdyby sygnał z 1S2 miał aktywować C2, 1S1 uchroni przed tym system. Rys. 23. Kiedy 1S1 jest aktywowany, tj. przepuszcza sygnał do kanału sterującego 14, 2S1 nie może przełączyć 2V2 podając powietrze do kanału 12 (źródło [1]) 52

53 Sygnały, które blokują następne funkcje, nazywamy sygnałami blokującymi. Sygnał blokujący może zostać usunięty za pomocą rozdzielacza pamięci. Najprostszym sposobem usunięcia sygnałów blokujących jest podłączenie elementu pamięci D1 szeregowo z przekaźnikiem sygnałów blokujących. Patrz rys.. Rys.24. Usuwanie sygnałów blokujących za pomocą rozdzielaczy (zaworów) pamięci; (źródło [1]) Zasadą jest, że pamięć jest przełączana na SET (S ustaw ) przez sygnał poprzedzający blokujący sygnał, a na RESET (R kasuj ) przez kolejny sygnał. Tutaj możemy zobaczyć, jak 2S1 przełącza pamięć (odpowietrza sygnał sterujący 14 w rozdzielaczu V2) na RESET i w tym samym czasie resetuje V2. Jeżeli przyjrzymy się bliżej wykresowi na rys. 13, zobaczymy, że 2S0 również emituje sygnał blokujący. 2S0 inicjuje wysuwanie się siłownika A3, i pozostaje w dalszym ciągu przesterowany, kiedy przesterowany rozdzielacz 1S0 powinien rozpocząć powrót siłownika A3. Dlatego 2S0 musi zostać usunięty zanim A3 będzie mógł wykonać ruch powrotny. Możemy więc na rys.25 wyróżnić trzy typy sygnałów: - sygnały blokujące, (utrzymywane sygnały blokujące, 1S1 i 2S0) - chwilowe sygnały, (bardzo krótkie sygnały, 2S1) - ciągłe sygnały, (utrzymywane nieblokujące sygnały, 1S0, 3S0, 3S1) 53

54 Rys. 25. Diagram stanów (wykres sekwencyjny); (źródło [1]) Często sygnały blokujące, na wykresie, zakreśla się w kółku, co upraszcza odczyt wykresu. W cyklu pracy ukazanym na rys. 22 znajdują się dwa sygnały blokujące, 1S1 i 2S0. Sygnały blokujące są usuwane przez rozdzielacze pamięci D1, D2, przyporządkowane do danych sygnałów blokujących. Na diagramie sekwencyjnym (rys. 25) możemy zobaczyć, jak są przełączane na pozycję SET i RESET. Teraz narysujemy wykres, w kolejności działania, obwodu z siłownikami, rozdzielaczami (zaworami) roboczymi V i rozdzielaczami (zaworami) sygnałowymi S. Rozdzielacz do uruchomienia lub zatrzymania S0 i znaczący rozdzielacz S1 (który sprawdza czy rurka jest na swoim miejscu) są połączone szeregowo z 3S0. Schemat obwodu na rys. 26 pokazuje, że sygnał 2S1 przełącza pamięć D1 na RESET a D2 na SET. W ten sam sposób 1S0 przełącza pamięć D2 na RESET a D1 na SET. 54

55 Rys.26 Schemat obwodu; (źródło [1]) Sterowanie taktowo-stopniowe (obwody sekwencyjne) Dla pewnych zadań sterowania zaletą może być używanie systemu sterowania zorganizowanego jako obwód sekwencyjny tzw. układ taktowo-stopniowy. Układ taktowo-stopniowy (obwód sekwencyjny) jest złożony z bloków taktowo-stopniowych (jednostek sekwencyjnych), tak wielu, jak wiele jest etapów w cyklu pracy. Z zasady, obwód sekwencyjny traktuje wszystkie sygnały, jako sygnały blokujące. Tylko jedna jednostka sekwencyjna może być aktywna w tym samym czasie. Jednostka jest aktywowana przez sygnał wyjściowy z poprzedzającej jednostki i sygnał gotowości do przejścia do następnego etapu. Kiedy jednostka staje się aktywna, wytwarza sygnał wyjściowy, który aktywuje następną czynność. W tym samym czasie rozłącza poprzednią jednostkę. 55

56 Powrócimy do przykładu z prasą wiertniczą i rozbijmy wykres sekwencyjny na poszczególne etapy. Rys. 27. Diagram stanów (wykres sekwencyjny) prasy wiertniczej, z podziałem na poszczególne etapy; (źródło [1]) Cały cykl składa się z sześciu etapów. Można zaprojektować wykres dla obwodu sekwencyjnego, zaczynając od wykresu sekwencyjnego, ale lepszy pogląd uzyskamy zaczynając od wykresu funkcjonalnego, który znajdziemy na rys.28. Rys. 28. Wykres funkcjonalny prasy wiertniczej z rys. 21; (źródło [1]) Obwód sekwencyjny musi mieć tyle samo jednostek, ile jest etapów na wykresie, czyli sześć. 56

57 Każda jednostka sekwencyjna składa się z jednej pamięci, jednego elementu AND i jednego OR. Sygnał wyjściowy z poprzedzającej jednostki i sygnał resetujący, aktywują etap, który natychmiast wytwarza sygnał wyjściowy do rozpoczęcia następnej czynności. W tym samym czasie sygnał wyjściowy rozłącza poprzedni etap. Teraz narysujemy wykres obwodu dla prasy wiertniczej jak na rys. 29. Proszę zwrócić uwagę na systematyczne prezentowanie, np. rozdzielacze sygnałowe są prezentowane w takiej kolejności, w jakiej zostały aktywowane. Obwód sekwencyjny jest umieszczony pomiędzy rozdzielaczami (zaworami) roboczymi i rozdzielaczami sygnałowymi, co daje jasny pogląd na ich zależności i funkcje. Funkcje obwodu sekwencyjnego są w szczegółach widoczne na wykresie funkcjonalnym na rys.28. W obwodzie sekwencyjnym, wszystkie wewnętrzne funkcje są ustalane z góry i dlatego wykres cyklu pracy może być uproszczony, jak na rys. 30. Rys. 29. Schemat obwodu. Sterowanie za pomocą obwodu sekwencyjnego. Prasa wiertnicza z ryciny 21. ; (źródło [1]) 57

58 Rys.30. Schemat blokowy dla obwodu sekwencyjnego (pokazanego na rys.29) ; (źródło [1]) Przykłady pneumatycznych układów sterowania Przykład 1 - układ z dwoma siłownikami. Prędkość siłowników może być sterowana w kierunku dodatnim tj. wysunięcie siłownika. Cykl pracy rozpoczyna się aktywacją bistabilnego 3/2 drogowego zaworu S0. Po sygnale startu, cykl będzie kontynuowany automatycznie, aż do ostatniego etapu. Analizy potwierdzają, że nie ma sygnałów blokujących i w rezultacie jest możliw e zaprojektowanie obwodu bez pomocniczych rozdzielaczy (zaworów). Wykres funkcjonalny jest doskonałą pomocą, więc zaleca się rysowanie takiego wykresu wraz z wykresem sekwencyjnym. 58

59 Rys. 31 Przykład 1 układ z dwoma siłownikami; a wykres funkcjonalny, b diagram stanów (wykres sekwencyjny), c - schemat; (źródło [1]) Przykład 2 - ilustruje wykres obwodu z dwoma cylindrami. Prędkość siłownika A2 jest sterowana w obu kierunkach. Zawór startowy jest bistabilny a cykl pracy zatrzymuje się po ostatnim etapie. Z diagramu stanów (wykresu sekwencyjnego) widzimy, że 1S1 i 2S0 to sygnały blokujące zniesione za pomocą dodatkowych zaworów D1 i D2. 59

60 Rys. 32 Przykład 2 układ z dwoma siłownikami; a wykres funkcjonalny, b diagram stanów (wykres sekwencyjny), c - schemat; (źródło [1]) Przykład 3 - jest konkretnym przykładem urządzenia, w którym kawałki metalowych arkuszy są zginane pneumatycznie do kształtu litery U. Zastosowane rozwiązania mechaniczne są widoczne na szkicu projektu. Siłownik A1 przytrzymuje metalowy arkusz, a siłownik A2 zgina go w połowie. Siłownik A3 kontynuuje zginanie aż do osiągnięcia kształtu litery U. Rys. 33. Szkic projektu; (źródło [1]) 60

61 Przytrzymywanie i zginanie rozpoczyna się ręcznie poprzez uruchomienie zaworu S0, po tym, jak arkusz metalu został włożony na swoje miejsce. W tym cyklu są trzy sygnały blokujące, 1S1, 2S0 i 3S0, które są usuwane prze dodatkowe zawory D1, D2 i D3. 61

62 Rys. 34. Przykład 3 układ do gięcia blachy; a wykres funkcjonalny, b diagram stanów (wykres sekwencyjny), c - schemat; (źródło [1]) Przykład 4 - ukazuje instalację do podawania, wiercenia i cięcia prętów. Proces jest w pełni zautomatyzowany. Start i zatrzymanie są realizowane za pomocą ręcznego zaworu S0. Przy sygnale do zatrzymania cykl będzie kontynuowany dopóki ukończona część zostanie dostarczona, tj. cykl pracy już zaczęty zostaje ukończony. Rozdzielacz sygnałowy S1 sprawdza, czy pręt jest w magazynie i wytwarza sygnał stopu tylko wtedy, kiedy pręt jest za krótki. a) 62

63 b) c) 63

64 d) Rys. 35. Przykład 4 układ do wiercenia i cięcia pręta; a szkic projektu, b wykres funkcjonalny, c diagram stanów (wykres sekwencyjny), d - schemat; (źródło [1]) Literatura: 1. Kjell Evensen, Jul Ruud Basic pneumatics AB Mecman Stockholm Temat 5: Sterowanie hydrauliczne Zagadnienia: A. Podstawy napędu hydraulicznego B. Symbole graficzne C. Wybrane elementy napędu hydraulicznego D. Przykłady okrętowych hydraulicznych układów sterowania W temacie 5 wykorzystano rysunki i opisy z programu symulacyjnego firmy UNITEST 64

65 Zagadnienia: 5.A. Podstawy napędu hydraulicznego W urządzeniach hydraulicznych wykorzystuje znane Wam z fizyki prawo Pascala: Jeżeli na ciecz będącą w równowadze jest wywierane ciśnienie zewnętrzne, to ciśnienie panujące wewnątrz cieczy jest wszędzie jednakowe i równe temu ciśnieniu zewnętrznemu. Ciśnienie zewnętrzne może byćć wywołane działającą siła np. na tłok znajdujący się w cylindrze wypełnionym cieczą, co pokazano na rysunku. Rys. 1. Ciśnienie w cylindrze wywołane przez działającą na tłok siłęę Najprostszym urządzeniem pokazującym wykorzystanie prawa Pascala jest podnośnik hydrauliczny. Rys. 2. Podnośnik hydrauliczny. Działając siłą F 1 na tłok A możemy podnosić ciężary umieszczone na tłoku B. Ile razy większa jest powierzchnia tłoka B od powierzchni tłoka A tyle razy możemy podnosić większy ciężar. Ponieważ ciśnienie działające na tłoki jest takie samo to: = stąd : 2 = 1 Innym przykładem może być wzmacniacz ciśnienia. F B F A 65

66 Rys. 3. Wzmacniacz ciśnienia Stosunek ciśnień jest odwrotnie proporcjonalny do stosunku powierzchni tłoków. Ciśnienie p B można wyznaczyć z zależności: p B = A pa B Układy hydrauliczne pełnią rolę nośników energii pomiędzy układami mechanicznymi. Powyższy schemat można zobrazować rzeczywistym układem: Rys. 4. Przetwarzanie energii z wykorzystaniem układu hydraulicznego. 1 pompa hydrauliczna, 2 rozdzielacz hydrauliczny, 3 siłownik, 4 zbiornik oleju, 5 dźwignia sterująca, 6 zawór bezpieczeństwa, 7 obciążenie siłownika, 8 silnik elektryczny 66

67 Pompa hydrauliczna 1 napędzana silnikiem elektrycznym 8 zasysa olej ze zbiornika 4 i podaje do rozdzielacza 2 do kanału P. Dźwignia sterująca 5 jest ustawiona w położeniu 0 co powoduje połączenie kanału zasilającego P rozdzielacz z kanałem spływu Z. Kanały robocze A i B są zamknięte. Jeśli operator ustawi dźwignię 5 w położenie I wówczas odsłonięty zostanie kanał B i olej zasilający zacznie napływać pod tłok siłownika 3. Siłownik zacznie przemieszczać się do góry. Kanał A zostanie połączony ze spływem Z. Ustawienie dźwigni 5 w położenie II spowoduje ruch siłownika w dół. Taka prezentacja układu hydraulicznego ma charakter poglądowy. Do prezentacji technicznej wykorzystuje się odpowiednie znormalizowane symbole graficzne co przedstawiono na poniższym rysunku. Rys. 5 Układ hydrauliczny z rysunku narysowany z wykorzystaniem symboli graficznych (oznaczenia jak na rys..). Rysunek (a) przedstawia pracę układu gdy dźwignia sterująca 5 jest w położeniu 0, rysunek( b) dźwignia w położeniu II, rysunek (c) dźwignia w położeniu I. Ponadto do przyłączy x--x mogą być podłączone (zamiast siłownika 3) silnik hydrauliczny 9 lub siłownik wahadłowy 10. W układach hydraulicznych podczas ich pracy mamy do czynienia z różnymi stratami: objętościowymi, hydraulicznymi i mechanicznymi. Straty objętościowe powstają na skutek różnego 67

68 rodzaju nieszczelności, luzów pomiędzy współpracującymi częściami urządzenia. Straty hydrauliczne występują podczas przepływu oleju w instalacji co wynika z tarcia pomiędzy cząsteczkami cieczy, ścianek rurociągu, dławienia w kanałach itp. Straty mechaniczne wynikają z tarcia współpracujących ze sobą elementów urządzenia. Rys. 6. Przepływ energii i straty energii w układzie hydraulicznym Wielkości strat energetycznych w urządzeniach hydraulicznych są określane poprzez współczynniki sprawności. Przykładowe wartości sprawności: 1. sprawność całkowita siłowników hydraulicznych sprawność objętościowa pomp i silników sprawność hydrauliczna pomp i silników sprawność mechaniczna pomp i silników sprawność całkowita pomp i silników Zagadnienia: 5.B. Symbole graficzne Symbole graficzne urządzeń hydraulicznych są zawarte w Polskiej Normie PN-74/M Wybrane symbole: 68

69 Symbol graficzny Nazwa i znaczenie symbolu Rozdzielacze sterowane siłą mięśni: - symbol ogólny - sterowanie przyciskiem - sterowanie dźwignią - sterowanie pedałem Rozdzielacze sterowane mechanicznie: - popychaczem - sprężyną - rolką Rozdzielacze sterowane elektrycznie - z jedną cewką - z dwiema cewkami działającymi w przeciwnych kierunkach - z dwiema cewkami o zmiennych charakterystykach - silnikiem elektrycznym Rozdzielacze sterowane ciśnieniem: - bezpośrednio przez wzrost ciśnienia - bezpośrednio przez spadek ciśnienia 69

70 - pośrednio ze wspomaganiem przez wzrost ciśnienia - pośrednio ze wspomaganiem przez spadek ciśnienia - sterowanie ciśnieniem własnym - sterowanie elektromagnesem i ciśnieniem - sterowanie elektromagnesem lub ciśnieniem 70

71 Pompy hydrauliczne - o jednym kierunku tłoczenia - o dwóch kierunkach tłoczenia - o jednym i dwóch kierunkach tłoczenia i zmiennej wydajności - sprężarki 71

72 Silniki hydrauliczne: - Zagadnienia: 5.C. Wybrane elementy instalacji hydraulicznej POMPY HYDRAULICZNE Pompy hydrauliczne zapewniają zasilanie instalacji i urządzeń hydraulicznych olejem roboczym o odpowiednim ciśnieniu, odpowiedniej wydajności i dużej równomierności strumienia. Ciśnienia robocze mogą dochodzić do 70 MPa, wydajności od kilku do kilku tysięcy litrów na minutę a prędkości obrotowe od kilku do kilku tysięcy obrotów na minutę. W instalacjach hydraulicznych możemy wyróżnić, w zależności od zapotrzebowania, wiele rodzajów pomp: 1. Pompy łopatkowe 2. Pompy zębate 3. Pompy śrubowe 4. Pompy tłokowe Krótka charakterystyka zasady działania poszczególnych rodzajów pomp. 72

73 Pompy łopatkowe Przykładem pompy łopatkowej jest pompa o pojedynczym zasysaniu. Rys. 7. Pompa łopatkowa o pojedynczym zasysaniu; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny 1 korpus, 2 wirnik, 3 wał napędowy, 4 łopatka wirnika, 5 komora ssawna, 6 komora tłoczna, 7 pokrywa czołowa, 8 podstawa pompy Wirnik 2 umieszczony jest mimośrodowo wewnątrz cylindrycznego korpusu 1. Na obwodzie wirnika zamontowane są łopatki 4 dociskane do korpusu siłą odśrodkową, sprężynami bądź ciśnieniem tłoczonej cieczy. Mimośrodowe umieszczenie wirnika z ruchomymi łopatkami umożliwiło utworzenie komór roboczych których objętość zmienia się podczas obrotu wirnika. Ciecz zasysana jest z komory 5 i tłoczona do komory tłocznej 6 na skutek zmniejszania się komór roboczych. Celem zwiększenia wydajności pomp łopatkowych, zrównoważenia sił obciążających łożyska wirnika, regulowanej zmiany wydajności budowane są pompy łopatkowe o podwójnym zasysaniu, pompy o zmiennej wydajności bądź z wirnikiem krzywkowym. 73

74 Pompy zębate Rys. 8 Pompa zębata o zazębieniu zewnętrznym; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny 1 korpus, 2 wirnik napędzający (czynny), 3 wirnik napędzany (bierny), 4 wał napędzający, 5 wał wirnika biernego, 6 komora tłoczna, 7 komora ssawna, 8 króciec wylotowy W kadłubie 1 zamontowane są dwa współpracujące wirniki zębate 2 i 3. Wirnik 2 poprzez wał 4 obracany jest silnikiem napędzającym pompę. Wirnik bierny 3, podobnie jak w przekładni zębatej, pobiera napęd od wirnika 2. Wirniki posiadają ewolwentowy zarys zębów. Zęby wychodzące z zazębienia w przestrzeni 7 powodują narastanie objętości co wywołuje efekt zasysania oleju. Następnie olej przenoszony jest w przestrzeniach miedzy zębnych na drugą stronę pompy. Powtórne zazębianie się zębów, teraz zmniejsza się objętość, co wywołuje wzrost ciśnienia i wytłaczanie oleju do rurociągu przez komorę 6. Prosta konstrukcja tych pomp powoduje, że są one powszechnie stosowane w systemach hydraulicznych. Celem zminimalizowania poziomu hałasu podczas pracy pompy, spokojniejszym zasysaniem, zmniejszenia pulsacji tłoczonej cieczy opracowano pompy zębate o zazębieniu wewnętrznym. Wirnik napędzający 2 umieszczony jest wewnątrz wirnika biernego 3 mającego uzębienie wewnętrzne. 74

75 Rys. 9. Pompa zębata o zazębieniu zewnętrznym; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny 1 korpus, 2 wirnik napędzający (czynny), 3 wirnik napędzany (bierny), 4 wał napędzający, 5 wkładka sierpowa, 6 okno dolotowe, 7 okno tłoczne, 8 pokrywa czołowa, 9 pokrywa tylna, 10 króciec wylotowy Ponieważ wirniki mają różne średnice przestrzenie międzyzębne transportujące ciecz muszą być uszczelnione co zapewnia umieszczona wkładka sierpowa 5. Pompy śrubowe Pompy śrubowe zapewniają duże wydajności czynnika roboczego. Charakteryzują się niskim poziomem hałasu i równomiernym strumieniem pompowanego czynnika. Wewnątrz korpusu 1 znajdują się wirniki o wrzecionowatym kształcie z naciętym gwintem śrubowym o zarysie cykloidalnym. Silnik poprzez wał 4 napędza wirnik środkowy 2 tzw. wirnik czynny. Wirniki boczne 3 (bierne) napędzane są od wirnika 2. Zasysany czynnik przenoszony jest w przestrzeniach roboczych zgodnie z przebiegiem linii śrubowej od wlotu do wylotu pompy. 75

76 Rys. 10. Pompa śrubowa; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny; 1 korpus pompy, 2 wirnik napędzający, 3 wirnik napędzany, 4 wał napędzający, 5 łożysko, 6 uszczelnienie wału, 7 kanał oleju smarnego, 8 zespół uszczelnienia i sprzęgła, 9 ława fundamentowa, 10 silnik elektryczny Przestrzenie robocze, w których znajduje się pompowana ciecz, utworzone są pomiędzy bruzdami gwintów i wewnętrzną gładzią korpusu 1. Pompy tłokowe Pompy tłokowe mogą być: promieniowe o stałej i zmiennej wydajności osiowe o stałej i zmiennej wydajności 76

77 Przykład pompy promieniowej o zmiennej wydajności Rys. 11. Pompa tłokowa promieniowa o zmiennej wydajności; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny; 1 korpus, 2 blok cylindrowy, 3 rozdzielacz, 4 tłok, 5 pierścień obrotowy, 6 obudowa pierścienia obrotowego, 7 kanał dolotowy, 8 kanał odlotowy, 9 trzpień regulacyjny, 10 rurociągi dolotowy i odlotowy Blok cylindrowy 2 z nawierconymi osiowo cylindrami umieszczony w osi pompy napędzany jest silnikiem. W przesuwnej obudowie 6 umieszczony jest pierścień 5 z zamontowanymi tłokami 4. Wewnątrz bloku cylindrowego znajduje się rozdzielacz 3. Podczas ruchu obrotowego bloku 2 w prawo górne tłoki 4 przemieszczają się w górę zasysając ciecz z kanału 7, a dolne tłoki przemieszczają się w górę tłocząc ciecz do kanału 8. Regulacja wydajności odbywa się trzpieniem 9 poprzez zmianę mimośrodowości e tj. przez przemieszczenie obudowy 6 pierścienia obrotowego. Ustawienie centralne pierścienia 5 tzn. e=0 powoduje że tłoki nie zmieniają swego położenia, co odpowiada zerowej 77

78 wydajności pompy. Dla e różnego od zera (zmiana mimośrodowości) powoduje zmianę wydajności pompy. Prędkość obrotowa pompy jest stała. Przykład pompy osiowej o zmiennej wydajności Rys. 12. Pompa tłokowa osiowa o zmiennej wydajności; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny; 1 korpus, 2 blok cylindrowy, 3 tłok, 4 wał napędowy, 5 tarcza wychylna, 6 rozdzielacz płytowy, 7 kanał dolotowy, 8 przewód dolotowy, 9 kanał odlotowy, 10 przewód odlotowy, 11 sprężyna, 12 blok łożyskowania, 13 przyłącze rurociągu olejowego, 14 zespół sterowania wydajnością Blok cylindrowy 2 obracany jest poprzez wał napędowy 4 i dociskany jest sprężyną 11 do rozdzielacza 6. W boku 2 nawiercone są cylindry w których umieszczone są tłoki 3 połączone z drugiej strony z tarczą wychylną 5. Podczas obrotu bloku cylindrowego 2 tłoki 3 zmieniają swoje położenie w zależności od położenia tarczy wychylnej 5. Tłoki wykonują więc ruch posuwistozwrotny. Wychylna tarcza 5 pozwala na regulację ilości pompowanego oleju i zmianę kierunku przepływu oleju tj. kanał ssący staje się kanałem tłoczącym. Dla kąta ϒ = 0 skok tłoków równy jest 78

79 zero pompa nie tłoczy oleju. Zmieniając kąt wychylenia tarczy 5 zmieniamy kierunek tłoczenia pompy. SILNIKI HYDRAULICZNE Zasada działania silników hydraulicznych jest odwrotna do działania pomp hydraulicznych. Energia hydrauliczna dostarczonego oleju jest przetworzona w silniku na energię mechaniczną. Konstrukcje obu urządzeń są więc bardzo podobne. Silnik hydrauliczny jest elementem zapewniającym uzyskanie odpowiedniej prędkości obrotowej i momentu obrotowego. Możemy wyróżnić silniki szybkoobrotowe obr/min oraz wolnoobrotowe obr/min. Moment obrotowy jest w odwrotnej relacji do prędkości obrotowej. Silniki szybkoobrotowe zapewniają mały moment obrotowy, wolnoobrotowe duży moment obrotowy. Do grupy silników szybkoobrotowych należą różnego rodzaju silniki łopatkowe, i zębate. Przykład silnika łopatkowego przedstawiono na rysunku. Rys. 13. Silnik łopatkowy; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny; 1 korpus, 2 wirnik, 3 wałek wyjściowy, 4 łopatka, 5 komora dolotowa oleju (wysokie ciśnienie), 6 komora odlotowa (niskie ciśnienie), 7 dolot/odlot oleju 79

80 Wirnik silnika znajduje się w korpusie o kształcie owalnym. Łopatki 4 silnika dociskane są do korpusu sprężynami lub ciśnieniem oleju. Wartość momentu obrotowego jest proporcjonalna do różnicy ciśnień pomiędzy stroną wysokociśnieniową a niskociśnieniową. Wirnik 2 poprzez wałek wyjściowy 3 przekazuje moment obrotowy do napędzanego urządzenia. Chcąc zmienić kierunek obracania silnika należy zmienić kanały wysokiego i niskiego ciśnienia. Silniki łopatkowe należą do silników szybkoobrotowych. Do grupy silników wolnoobrotowych o dużym momencie obrotowym należą różnego rodzaju silniki wielotłokowe. Przykład silnika wielotłokowego osiowego o stałej chłonności pokazano na rysunku. Rys. 14. Silnik wielotłokowy osiowy o stałej chłonności; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny; 1 korpus, 2 płyta rozdzielcza, 3 blok cylindrowy, 4 tłok, 5 bieżnia krzywkowa, 6 wałek wyjściowy, 7 zespół łożyskowy, 8 sprężyna, 9 kanał rozdzielczy oleju, 10 dolot oleju, 11 odlot oleju Na wale 6 zamontowany jest blok cylindrowy 3 dociskany sprężyną 8 do płyty rozdzielacza 2. W bloku cylindrowym 3, na obwodzie, zamontowane są tłoki 4 których kuliste osadzenie opiera się na bieżni krzywkowej 5. Linia przerywana pokazuje zarys bieżni. Olej siłowy doprowadzony jest do wybranych tłoków poprzez nerkowy kanał rozdzielczy 9 znajdujący się w płycie rozdzielczej 2. Tłoki zsuwają się po bieżni 5 powodując obrót bloku cylindrowego 3 a tym samym wałka wyjściowego 6. Tłoki po przeciwnej stronie bieżni połączone są połączone są z nerkowym kanałem spływowym 9 i odlotem

81 Bieżnia krzywkowa 5 może mieć kształt krzywki wielokrotnej co spowoduje że podczas jednego obrotu silnika tłoki wykonują kilka suwów roboczych. SIŁOWNIKI HYDRAULICZNE W siłownikach hydraulicznych, podobnie jak w silnikach, energia hydrauliczna dostarczonego oleju jest przetworzona na energię mechaniczną ruchu posuwisto-zwrotnego lub obrotowego siłownika. Przykład siłownika tłokowego: Rys. 15. Siłownik tłokowy dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem; a) przekrój, b) widok, c) symbol graficzny; 1 cylinder, 2 tłok, 3 trzon tłokowy, 4 pokrywa cylindra, 5 dolot/odlot oleju, 6 ucho mocujące, 7 przyłącze, 8 pierścień uszczelniający, 9 pierścień zgarniający, 10 czopy wahliwego zamocowania Przykład siłownika wahadłowego: Rys. Siłownik wahadłowy dwułopatkowy 1 korpus 2 łopatka 3 wałek wykonawczy 4 pierścień uszczelniający 5 dolot/odlot oleju 6 kanały przelotowe oleju 81

82 OSPRZĘT HYDRAULICZNY Do osprzętu hydraulicznego możemy zaliczyć: zawory (odcinające, dławiące, zwrotne, przelewowe, bezpieczeństwa) rozdzielacze (suwakowe, zaworowe, obrotowe sterowane mechanicznie, hydraulicznie, elektrycznie ) akumulatory filtry przewody, przyłącza Literatura: 1. Zygmunt Górski: Budowa i działanie okrętowych urządzeń hydraulicznych; Trademar, Gdynia Temat 6: Sterowanie binarne, cyfrowe NC (Numerical Control) Zagadnienia: 1. Sterowanie binarne 2.Sterowanie cyfrowe 3. Sterowanie NC Zagadnienie 6.1. Sterowanie binarne Przez sterowanie binarne rozumiemy sterowanie, w którym wykorzystuje się tylko sygnały dwuwartościowe. Sygnałami takimi mogą być np. stany styków przycisków sterujących, styków styczników czy przekaźników, styki czujników ciśnienia, temperatury, poziomu, termometrów kontaktowych, wyłączników krańcowych itp. (styki tych urządzeń przyjmują jeden z dwóch stanów: albo zamknięte albo otwarte). Sygnałami binarnmi są też sygnały wyjściowe elementów i układów logicznych wykonanych w różnych technikach: np. elektrycznej, pneumatycznej czy elektronicznej. Układami sterowania binarnego są np. układy sterujące windami, pralkami automatycznymi, układy sterowania elektrycznego załączenia silnika elektrycznego (omówione wyżej w temacie sterowanie elektryczne). 82

83 Syntezę i analizę tych układów dokonuje się za pomocą algebry dwuwartościowej Boole a. Algebra ta, na zbiorach sygnałów dwuwarto-ściowych definiuje wiele działań matematycznych m. inn. dodawanie logiczne, mnożenie logiczne, zaprzeczenie, wyłączenie itp. Obowiązują w niej prawa przemienności dodawania i mnożenia, prawa łączności dodawania i mnożenia, rozdzielności dodawania względem mnożenia i mnożenia względem dodawania. W algebrze tej obowiązują też prawa De Morgana. Sygnały binarne koduje się dwiema liczbami 0 i 1 przyjmując np. dla styku otwartego wartość 0 zaś dla styku zamkniętego wartość 1. Można wtedy mówić, że sygnał binarny np. X5 ma wartość logiczną równą 0 lub 1. Po zakodowaniu sygnałów można na ich zbiorze tworzyć złożone funkcje logiczne (mające wartości albo 0 albo 1, odpowiadające potrzebnemu sterowaniu np. silnikami, zaworami, grzałkami, oświetleniem itp. w sposób załącz-wyłącz. Najprostszymi funkcjami logicznymi są: - suma logiczna sygnałów y= x1+x wartość funkcji y wynosi 1 gdy chociaż jeden ze składników x1, x2,...wynosi 1 - w pozostałych przypadkach funkcja przyjmuje wartość równą 0, - iloczyn logiczny sygnałów y=x1*x2* wartość funkcji y wynosi 1 gdy każdy ze składników x1, x2,...wynosi 1 - w pozostałych przypadkach funkcja przyjmuje wartość równą 0, - negacja sygnału y= x 1 - wartość funkcji wynosi 1 gdy wartość x1 wynosi 0 i wynosi 0 gdy wartość x1 wynosi 1, - niesymetryczna suma logiczna y= x1 x2...- wartość funkcji jest równa 1 gdy wszystkie sygnały x1,x2,... mają takie same wartości, w pozostałych przypadkach funkcja przyjmuje wartość 0 Wyznaczenie wartości funkcji y gdy znana jest jej postać i znane są wartości sygnałów x1, x2,...jest stosunkowo proste gdyż działania sumowania i mnożenia logicznego podobne są do działań zwykłej algebry (za wyjątkiem 1+1=1), zaś negacja jest odwróceniem wartości. Należy mieć ciągle na uwadze, że sygnały binarne x1, x2,...są funkcjami czasu tzn. mogą się dowolnie zmieniać w czasie. Podobnie funkcje y są również funkcjami czasu. Na rysunku poniżej pokazano zmianę trzech sygnałów wejściowych x1,x2, x3 w czasie i odpowiadającą im funkcję iloczynu logicznego. Zakłada się, że zmiany wartości sygnałów binarnych dokonują się skokowo (w czasie równym zero). 83

84 Rys. 1. Sygnały binarne x1,x2,x3 i ich iloczyn logiczny y Funkcję logiczną, będącą wynikiem syntezy układu sterowania należy zrealizować technicznie. Realizacja techniczna może być elektryczna, elektroniczna, pneumatyczna i inna. W realizacji elektrycznej funkcję realizuje się przekaźnikami i ich stykami. Zauważmy, że sumę logiczną sygnałów tworzonych przez ruchome styki uzyskuje się łącząc te styki równolegle, iloczyn logiczny tych sygnałów uzyskuje się łącząc te styki szeregowo, zaś negację sygnału można uzyskać na styku normalnie zamkniętym przekaźnika, którego cewkę sterujemy tym sygnałem. Taka elektryczna realizacja założonej funkcji sterującej pokazana jest na rysunku niżej. Rys. 2. Elektryczna realizacja funkcji logicznej 84

85 Realizacja funkcji logicznej w innych technikach niż elektryczna - stykowa sprowadza się do łączenia pomiędzy sobą podukładów zwanych elementami logicznymi (lub w większym scaleniu układami logicznymi). Element logiczny, kosztem energii zasilania realizuje najczęściej jedną, prostą funkcję logiczną. Nazwy elementów logicznych realizujących podstawowe funkcje logiczne pokazane są w tabeli. Podstawowe elementy logiczne: Nazwa elementu logicznego Symbol graficzny Zapis funkcji logicznej Element negacji (NOT) Element sumy logicznej (OR, LUB) Y= x1+x2+x3+x4 Elementy iloczynu logicznego ( AND, I) Y= x1*x2*x3*x4 Element negacji sumy logicznej ( NOT OR, NOR) Element negacji iloczynu logicznego NOT AND, NAND) Realizacja elementami logicznymi poprzedniej funkcji pokazana jest na rysunku niżej. 85

86 Rys. 3. Realizacja funkcji logicznej elementami logicznymi Aby zrealizować np. elektronicznie powyższy schemat należy oprócz połączenia wejść i wyjść elektronicznych elementów logicznych przyłączyć do nich zasilanie elektryczne (potrzebny jest zasilacz prądu stałego) zaś sygnały wejściowe ukształtować jako napięciowe. Ponieważ moc elektronicznych elementów logicznych jest bardzo mała (ułamek wata) sygnał wyjściowy Y musi być wzmocniony wzmacniaczem mocy przed podaniem go do urządzenia sterowanego. Przy pomocy elementów logicznych zbudować można binarny układ sterowania, w którym sygnał wyjściowy Y zależy tylko od aktualnej wartości sygnałów X (układ kombinacyjny) lub można zbudować układ logiczny, w którym sygnał wyjściowy zależy również od sekwencji zmian sygnałów wejściowych i jego samego (układ sekwencyjny). W układzie sekwencyjnym wystąpić muszą komórki pamięci w których przechowuje się informację o jego działaniu w przeszłości. Przykład syntezy kombinacyjnego układu logicznego Zaprojektować układ sterowania silnikiem wentylatora wyciągowego siłowni okrętowej schładzającego trzy pomieszczenia siłowni okrętowej. W każdym z pomieszczeń zainstalowano termometr kontaktowy nastawiony na 30 stopni Celsjusza. Jeśli temperatura w pomieszczeniu jest niższa od 30 stopni słupek rtęci nie dotyka do elektrody (styk słupek-elektroda otwarty) - sygnał logiczny jest równy 0. Jeśli temperatura jest równa lub wyższa od 30 stopni słupek rtęci dotyka do elektrody (styk słupek- elektroda zamknięty) - sygnał logiczny jest równy 1. Wentylator wyciągowy ma się załączyć do pracy jeśli temperatura osiąga lub przekracza wartość 30 stopni przynajmniej w dwóch pomieszczeniach. 86

87 Etapy projektu: 1. Schemat blokowy rozwiązania zadania 2. Tabela działania układu. 3. Ułożenie wyrażenia na funkcję logiczną sterującą silnikiem wentylatora. 4. Minimalizacja funkcji logicznej. 5. Schemat połączeń elementów logicznych. Ad. 1. Rys. 4. Schemat blokowy układu wentylacji Sygnały binarne x1,x2,x3 pochodzące z termometrów kontaktowych doprowadzone są do wejścia kombinacyjnego układu logicznego. Sygnał wyjściowy Y po wzmocnieniu we wzmacniaczu mocy steruje stycznikiem elektromagnetycznym a ten załącza i wyłącza trójfazowy silnik asynchroniczny zasilany z trójfazowej sieci L1,L2,L3. Elementy logiczne układu kombinacyjnego, wzmacniacz mocy i termometry kontaktowe zasilane są energią z zasilacza. Ad. 2. Tabela działania układu 87

88 W tabeli działania pokazano osiem różnych kombinacji sygnałów wejściowych x1, x2, x3. Kombinacja z wiersza pierwszego (x1=0, x2=0, x3=0) przedstawia sytuację, w której w żadnym z trzech pomieszczeń temperatura nie osiąga 30 C. Kombinacja z wiersza ósmego (x1=1, x2=1, x3=1) przedstawia sytuację, w której w każdym z pomieszczeń temperatura 30 C jest osiągnięta (lub przekroczona). W ostatniej kolumnie pokazane są wartości funkcji sterującej Y ustalone na podstawie treści zadania. Wartość Y=1 oznacza załączenie silnika wentylatora, Y=0 oznacza wyłączenie wentylatora. Ad. 3 Ułożenie wyrażenia na funkcję logiczną sterującą silnikiem wentylatora. Z tabeli działania wynika, że sygnał wyjściowy przyjmuje w czterech przypadkach wartość Y=1 (przypadek 4, 6, 7, 8). Wyrażenie na funkcję sterującą można przedstawić w postaci alternatywnej (sumy funkcji cząstkowych) lub w postaci koniunkcyjnej (iloczynowej) iloczynu funkcji cząstkowych. Dla postaci alternatywnej Y(x1,x2,x3) = y1 + y2 + y3 +y4 Każda z funkcji cząstkowych powinna dawać wartość 1 dla odpowiadającej jej kombinacji sygnałów x1,x2,x3, dla których funkcja Y=1. Tak np. funkcja y1 powinna mieć wartość y1=1 dla kombinacji czwartej z tabeli działania, y2=1 dla kombinacji szóstej, y3=1 dla siódmej i y4=1 dla kombinacji ósmej. Funkcje y1, y2, y3, y4 mają mieć wartość 1 tylko dla jednej kombinacji sygnałów wejściowych. Warunki powyższe spełniają następujące funkcje : 88

89 Łatwo sprawdzić, że powyższe funkcje przyjmują wartość równą 1 tylko dla swojej kombinacji. Wyrażenie na funkcję sterującą będzie więc miało postać: Ad. 4 Minimalizacja funkcji logicznej. Funkcję sterującą pokazaną wyżej można zrealizować ośmioma elementami logicznymi. Odpowiednie jednak przekształcenia funkcji mogą doprowadzić tą funkcję do prostszej postaci i prostszej realizacji (np. czterema elementami logicznymi). Sprowadzanie funkcji do prostszej postaci nazywa się jej minimalizacją. Celem przekształcania funkcji może być też uzyskanie prostszej realizacji w zakresie mniejszej liczby typów elementów logicznych ( łatwiejszy serwis). Do minimalizacji funkcji wykorzystujemy twierdzenia algebry Boole a, prawa De Morgana, tablice Karnougha. Poniżej przytoczone są wybrane twierdzenia algebry Boole a i prawa De Morgana : Wykorzystując powyższe twierdzenia uzyskujemy po przekształceniach zminimalizowaną funkcję Y: Realizacja powyższej funkcji wymaga zastosowania czterech elementów logicznych ( trzech realizujących iloczyny i jeden alternatywy dla zsumowania) Jeśli zastosujemy pierwsze prawo De Morgana uzyskamy inną postać funkcji: 89

90 Realizacja tej funkcji wymaga czterech elementów typu NAND (negacji iloczynu) a więc elementów jednego typu. Ad. 5 Schemat połączeń elementów logicznych. Sterowanie sekwencyjne Realizacja procesów technologicznych najczęściej wymaga wykonania pewnych etapów w odpowiedniej kolejności. W sterowaniu pralką automatyczną proces technologiczny jakim jest pranie wymaga napełnienia pralki wodą, następnie włączenia grzałki, z kolei włączenia silnika bębna itp. Sterowanie procesem krok po kroku nazywa się sterowaniem sekwencyjnym. Sterowanie sekwencyjne może być: - zależne od czasu (kolejny krok w procesie możliwy po odliczeniu określonego czasu np. przełączenie silnika z gwiazdy na trójkąt podczas jego rozruchu), - zależne od osiągnięcia odpowiednich wartości procesu technologicznego (np. włączenie grzałki w pralce po uzyskaniu odpowiedniego poziomu wody). 90

91 Układy sekwencyjne muszą posiadać komórki pamięci, w których zapamiętane zostaną kolejne stany procesu na podstawie sygnałów wejściowych i wyjściowych. Najprostsze komórki pamięci noszą nazwę przerzutników. Przerzutniki mogą być realizowane w technice mechanicznej, pneumatycznej, elektrycznej i elektronicznej. Na rysunku niżej pokazany jest ogólny symbol graficzny przerzutnika. Przerzutnik informuje o stanie pamiętania lub nie wartością logiczną na swoim wyjściu Q. Stan logiczny 1 na tym wyjściu świadczy o tym, że przerzutnik przechowuje informację. Wpisywanie informacji (ustawienieq=1) dokonuje się sygnałem wejściowym wpisującym. Sygnał ten różnie się nazywa w przerzutniku SR jest to S (set), w przerzutniku JK jest to J, w przerzutniku D jest to sygnał D (Delete). Wymazywanie informacji z przerzutnika (Q=0) dokonuje się sygnałami kasującymi odpowiednio R (Reset) lub K. W przypadku układu z dużą liczbą przerzutników zachodzi konieczność precyzyjnego wyznaczenia momentu przełączenia wyjść Q tak by przerzutniki wykonały to zadanie w tym samym czasie. Do przerzutnika doprowadza się sygnał taktujący z generatora układu zwany CLK (clock) lub zwany T(takt). Sygnał ten wyznacza moment przerzutu przerzutnika bądź przednim swoim zboczem ( zmiana z 0 na 1) bądź swoim tylnym zboczem (zmiana z 1 na 0) w zależności od typu przerzutnika. Sterowanie tylnym zboczem oznacza się kółeczkiem przed trójkątem. Przerzutnik ma też dwa priorytetowe wejścia działające przed innymi: PS ( Preset)- wymusza ustawienie Q=1 i wejście CLR (Clear) wymusza Q=0. Działanie przerzutników opisuje się tablicami prawdy a także słownie np. Przerzutnik SR (taktowany): 91

92 - jeśli S=0 i R=0 przerzutnik pozostaje w stanie, który przyjął ostatnio, - jeśli S=1 i R=0 to Q przyjmuje wartość 1 jeśli poprzednio było Q=0 lub nic się nie dzieje jeśli poprzednio było Q=1, - jeśli S=0 i R=1 to Q przyjmuje wartość 0 jeśli poprzednio było Q=1 lub nic się nie dzieje jeśli poprzednio było Q=0, - zabrania się jednoczesnego podania S=1 i R=1 Przerzutnik JK (taktowany) - działa analogicznie jak przerzutnik SR - rolę S pełni J, rolę R pełni K. Dopuszcza się podanie jednoczesne sygnałów J=1, K=1. W tym przypadku przerzutnik zmienia stan wyjścia Q na przeciwny. Przerzutnik D - przepisuje na wyjście Q wartość sygnału D przy przednim zboczu sygnału taktującego, Przerzutnik T - zmienia stan wyjścia Q na przeciwny przy każdym tylnym zboczu sygnału taktującego, Przykład układu sekwencyjnego Licznik dwójkowy modulo 16 (szesnaście stanów stabilnych) Przerzutniki wykorzystywane są często do budowania układów zliczających elementy na liniach pakujących, zliczające impulsy generatora w zegarkach, zliczające przebyte piętra klatki windy itp. Najprostszy licznik zbudować można z przerzutników typu T. Przerzutnik ten zmienia stan na przeciwny przy zmianie sygnału taktującego z 1 na 0 (tylne zbocze impulsu). Sygnał taktujący musi być sygnałem binarnym i pochodzić może z czujników śledzących proces. Przykład zastosowania pokazuje rysunek poniżej: 92

93 Każdy przesuwający się element na taśmie zamyka styk czujnika. Styk ten podaje napięcie +5V do licznika binarnego. Napięcie to reprezentuje wartość logiczną sygnału T równą 1. Po przesunięciu się elementu poza czujnik sprężyna unosi styk, napięcie +5V znika z wejścia licznika. Sygnał logiczny T przyjmuje wtedy wartość równą zero. Wyjściem licznika są wyjścia jego czterech przerzutników Q1,Q2,Q3,Q4. Aby zobrazować stan licznika (liczbę zliczonych elementów) trzeba przekształcić sygnały Q np. w siedem sygnałów sterujących wskaźnikiem siedmiosegmentowym. Zadanie to wykonuje układ kombinacyjny zwany dekoderem. Sygnały a,b,c,d,e,f,g zapalają przyporządkowane im diody powstaje uproszczony obraz cyfr wskaźnika. Poniżej pokazany jest licznik binarny zliczający w naturalnym kodzie dwójkowym. Licznik składa się z czterech połączonych szeregowo przerzutników typu T. Wyjście przerzutnika podawane jest na wejście taktujące przerzutnika następnego. Przerzutniki zmieniają swój stan gdy sygnał na wejściu taktującym zmienia się z 1 na 0. Wykres czasowy sygnału T i wyjść Q1, Q2, Q3, Q4 pokazany jest poniżej. Rys. 4. Licznik binarny modulo 16 na przerzutnikach typu T Rys. 5. Zmiany sygnałów wyjściowych przerzutników 93

94 Jak pokazuje wykres zmian sygnałów wyjściowych przerzutników najczęściej zmienia swój sygnał wyjściowy przerzutnik T1- będący najbliżej sygnału T. Najwolniej sygnał wyjściowy zmienia przerzutnik T4. Po każdym impulsie sygnału T ustala się nowy stan zbioru wartości sygnałów Q. - po pierwszym: Q1=1, Q2=0, Q3=0, Q4=0, - po piątym : Q1=1, Q2=0, Q3=1, Q4=0, - po dziewiątym: Q1=1, Q2=0, Q3=0, Q4=1, - po trzynastym: Q1=1, Q2=0, Q3=1, Q4=1, - po szesnastym licznik wraca do pozycji wyjściowej : Q1=0, Q2=0, Q3=0, Q4=0. Dekodując dany zbiór wartości wyjść Q licznika możemy się dowiedzieć ile impulsów sygnału wejściowego licznik zliczył. Liczniki buduje się na rożne pojemności w zależności od potrzeb. Najczęściej używane są liczniki dziesiętne. Dla zliczania sekund w minuty potrzebne są liczniki do sześciu i dziesięciu, do zliczania godzin liczniki do trzech i dziesięciu. Są też liczniki liczące do pięciu i siedmiu. Jeśli na wejście następnego przerzutnika podawać będziemy nie sygnał Q przerzutnika poprzedniego a jego negację to taki licznik będzie liczył do tyłu. Taki licznik nazywa się licznikiem rewersyjnym. Zagadnienie 6.2. Sterowanie cyfrowe Sterowanie binarne, w którym sygnały przetwarzane są za pomocą mikroprocesora lub komputera nazywa się sterowanie cyfrowym. W sterowaniu tym sygnały wejściowe mogą być nie tylko binarne pochodzące z czujników stykowych czy sensorów z wyjściem binarnym, ale mogą to być sygnały analogowe. Podobnie urządzenia wykonawcze mogą być typu binarnego i analogowego. Aby była możliwość takiego sterowania analogowe sygnały wejściowe muszą być przedstawiane w formie bitowej (w formie zbioru sygnałów binarnych (np. ośmiu, szesnastu, trzydziestu dwóch) słów binarnych- odzwierciedlających aktualną wartość sygnału pomiarowego. Taką postać sygnału wymagają systemy komputerowe. Podobnie wyznaczoną, w formie słowa binarnego, w systemie komputerowym, wartość sygnału sterującego przeznaczoną dla urządzenia sterującego analogowego należy zamienić na sygnał analogowy. Urządzenie, które wykonuje zamianę sygnału analogowego na słowo bitowe nazywa się przetwornikiem analogowo-cyfrowym (A/C) zaś urządzenie, które wykonuje działanie odwrotne nazywa się przetwornikiem cyfrowo-analogowym (C/A). 94

95 Rys. 6. Przetwarzanie informacji analogowej w sterowaniu cyfrowym Typowymi zadaniami układów sterowania cyfrowego są: - gromadzenie i obróbka informacji ( np. wyników pomiarów), - bezpośrednie sterowanie przebiegiem procesów technologicznych, - sterowanie przebiegiem procesów technologicznych za pośrednictwem regulatorów analogowych (sterowanie nadrzędne), - sterowanie obiektami za pomocą dwustanowych urządzeń wykonawczych, - programowe sterowanie ruchami mechanizmów. Układy cyfrowe przeznaczone do wypełnienia określonej funkcji nazywane są stosownie do tej funkcji np.: Układy Centralnej Rejestracji i Przetwarzania Danych (CRPD), Układy Bezpośredniego Sterowania Cyfrowego ( BSC), Układy Cyfrowego Sterowania Nadrzędnego. Układy CRPD powstały z potrzeby odciążenia operatorów kontrolujących pracę dużych obiektów z układami regulacji, w których zachodzi potrzeba ciągłego porównywania wartości uzyskiwanych z zadanymi. Przy dużej liczbie obserwowanych wskaźników i pomimo pewnych udogodnień praca operatora nie gwarantuje podejmowania prawidłowych decyzji. Praca ta zostaje powierzona cyfrowemu urządzeniu, które wykonuje ją z mniejszym prawdopodobieństwem wystąpienia błędów. Zastosowanie komputerów do przetwarzania danych pomiarowych dało możliwość realizacji innych jeszcze zadań niż porównywanie wartości rzeczywistych z zadanymi. Są to np. zadania: 95

96 - rejestracji wyników pomiarów, - wykonanie obliczeń ( np. przeliczanie jednostek, ustalanie wartości na podstawie wartości kilku sygnałów, wyznaczanie trendów sygnałów itp., - wykrywanie przekroczeń i rejestracja wartości i nazwy sygnału, - linearyzacja charakterystyk czujników pomiarowych, - przetwarzanie zbieranych danych ( np. potrzebnych do identyfikacji dynamiki obiektu stworzenia modelu matematycznego dla układu adaptacyjnego itp. Liczba kanałów CRPD waha się od kilku do kilkuset. Przetworniki cyfrowo-analogowe (C/A) i analogowo-cyfrowe (A/C) Przetwornik cyfrowo analogowy (C/A) Przetwornik Cyfrowo analogowy C/A ( Digital to Analog Conwerter) to elektroniczny przyrząd przetwarzający sygnał cyfrowy (liczbę binarną) na sygnał analogowy prądowy lub napięciowy proporcjonalny do tej liczby i napięcia odniesienia. Przetwornik ma n wejść i jedno wyjście. Liczba wejść zależy od liczby bitów. słowa binarnego podawanego na wejście. W skład typowego przetwornika C/A wchodzi: - zespół przełączników elektronicznych sterowanych sygnałami cyfrowymi, - sieć rezystorów, - precyzyjne napięcie odniesienia. Na rysunku poniżej pokazany jest schemat ideowy prostego przetwornika C/A Rys. 7. Schemat ideowy przetwornika A/C 96

97 Idea przekształcania słowa bitowego, które zmienia położenia przełączników, w napięcie wyjściowe Uwyj polega na kształtowaniu odpowiedniego wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego. Wzmocnienie to zależy od stosunku wartości rezystorów: Rsz (sprzężenia zwrotnego wzmacniacza) i wypadkowej oporności wejściowej Rwe utworzonej w bloku rezystorów : k u = R R sz we Zmiana położenia przełączników powoduje zmianę Rwe a ta powoduje zmianę wzmocnienia wzmacniacza. Na wyjściu przetwornika pojawia się napięcie proporcjonalne do wzmocnienia wzmacniacza i napięcia źródła odniesienia: U wyj = ku Uodn Przy napięciu odniesienia 3V przetwornik z rysunku generuje 16 poziomów napięcia wyjściowego ( od 0V do 3V) z przedziałem co 0.2 volta. Napięcie odniesienia może być dowolne lecz nie wyższe od napięcia zasilania wzmacniacza operacyjnego (tu ± 10V). Przetwornik pokazany na rysunku ma dwie istotne wady: - do budowy przetwornika trzeba dysponować szerokim zakresem wartości rezystorów, - dokładność przetwarzania nie jest wielka ( dla słowa ośmiobitowego słowa uzyskujemy zaledwie 256 poziomów napięcia (2 8 ). Najważniejszymi parametrami przetwornika C/A są: - rozdzielczość najmniejsza zmiana sygnału wyjściowego U= Uodn / 2 n, - błąd bezwzględny największa różnica między zmierzonym napięciem wyjściowym a napięciem teoretycznym przetwornika, - błąd względny stosunek błędu bezwzględnego do wartości napięcia odniesienia. Charakterystyka przejściowa przetwornika C/A, z czterowejściowym słowem bitowy przedstawiona jest na rysunku. 97

98 Rys. 8. Charakterystyka przejściowa przetwornika C/A Na kolejnym rysunku przedstawiony jest schemat przetwornika C/A typu drabinkowego. Przetwornik ten zbudowany jest już tylko z rezystorów o dwóch wartościach ( 10kΩ i 20kΩ), co zdecydowanie upraszcza konstrukcję gdy długość słowa bitowego rośnie np. do 16, 32, 64 bitów. Rys. 9. Schemat ideowy przetwornika C/A typu drabinkowego. 98

99 Zasada działania tego przetwornika jest analogiczna do zasady działania przetwornika omówionego poprzednio. Poprzez zmianę położenia kluczy uzyskuje się różne współczynniki wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego i różne napięcia wyjściowe. Przetwornik pokazany na rysunku wytwarza 16 poziomów napięć od 0V do 3,75V co 0.25V. Na rysunku poniżej pokazany jest schemat ideowy przetwornika C/A, w którym przy pomocy wzmacniaczy operacyjnych o wzmocnieniu ku=1 ( wtórnik emiterowy) kształtuje się napięcia odniesienia: Uodn/ 2, Uodn/4, Uodn/8. Napięcia te dodaje się w sumatorze zbudowanym na końcowym wzmacniaczu operacyjnym. W zależności od położenia kluczy w bloku przełączników dodaje się te napięcia w różnych kombinacjach. W położeniu kluczy jak na rysunku napięcie wyjściowe wynosi: Uwyj = Uodn + Uodn + Uodn = Uodn Rys. 10. Schemat przetwornika C/A z źródłami odniesienia Uodn/2, Uodn/4, Uodn/8. Przetwornik analogowo cyfrowy (A/C) Przetwornik analogowo- cyfrowy A/C (Analog to digital ) to urządzenie służące do zamiany sygnału analogowego (ciągłego) pochodzącego z obiektów na wielobitowy sygnał cyfrowy. Taka zamiana pozwala na dalsze przetwarzanie informacji o obiekcie w urządzeniach cyfrowych (mikroprocesorach i komputerach). Proces ten polega na przyporządkowaniu w określonej chwili 99

100 czasu wartości bitów słowa bitowego np ( słowo cztero bitowe) wartości analogowej występującej w tej chwili. Wyznaczanie chwil, w których dokonywać się będzie to przyporządkowanie nazywa się próbkowaniem. Przyporządkowanie wartości bitowych nazywa się kwantyzacją. Etapem następnym może być kodowanie wartości słowa bitowego pod potrzeby systemu cyfrowego. Ponieważ przy danej długości słowa bitowego n istnieje skończona ilość kombinacji bitów (2 n ) to również istnieje skończona ilość poziomów wartości sygnału analogowego na które można podzielić zakres zmian tego sygnału. (np. przy długości słowa 4 bitów zakres zmian napięcia od 0V do 10V można podzielić na 16 poziomów, które mogą być odwzorowane słowem bitowym- na 16 poziomów kwantyzacji. Rozdzielczość napięciowa wyniesie wtedy 10V / 16 = V. Jeśli mierzona wartość będzie mieścić się pomiędzy poziomami kwantyzacji to przyporządkowanie bitów dotyczyć będzie i tak wartości niższej poziomu tej kwantyzacji. Z uwagi na brak informacji o sygnale analogowym pomiędzy momentami próbkowania i kwantyzację poziomu odtworzenie skwantowanego sygnału analogowego w przetworniku C/A może dać zupełnie inny sygnał niż sygnał wprowadzony do przetwornika A/C. Wiarygodne odtworzenie sygnału skwantowanego jest możliwe do osiągnięcia, gdy częstotliwość próbkowania jest większa niż najwyższa składowa częstotliwość sygnału przetwarzanego ( twierdzenie Nyquista-Shannona). Poniżej pokazanoschemat strukturalny przetwarzania analogowo cyfrowego. Rys.11. Schemat strukturalny przetwornika A/C Ze względu na metodę działania rozróżnia się dwie podstawowe metody pracy przetwornika A/C: - metoda bezpośrednia, - metoda kompensacyjna. 100

101 Metoda bezpośrednia polega na zasadzie bezpośredniego izazwyczaj jednoczesnego porównania napięcia wejściowego z szeregiem napięć odniesienia reprezentujących poszczególne poziomy kwantowania za pomocą komparatorów analogowych ( na wyjściu komparatora pojawiają się tylko dwa stany (niski i wysoki poziom napięcia).wynik tego porównania wprowadzany jest na specjalny enkoder, który wprowadza wartość cyfrową sygnału wejściowego w odpowiedniej formie binarnej. Przetworniki tego typu działają bardzo szybko, ale charakteryzują się małą rozdzielczością z powodu ograniczonej możliwości stosowania dużej liczby precyzyjnych źródeł odniesienia. Na rysunku poniżej przedstawiono zasadędziałania przetwornika A/C z dynamiczną kompensacją. Rys. 12. Przetwornik A/C z dynamiczną kompensacją Na wejście przetwornika podaje się napięcie analogowe (Uwej), które ma zostać przetworzone. Komparator porównuje napięcie wejściowe z napięciem uzyskanym z przetwornika C/A. Jeśli napięcie wejściowe jest większe od napięcia przetwornika C/A komparator na swoim wyjściu przyjmuje wartość logiczną 1 i odblokowuje bramkę logiczną I dla sygnału zegarowego. Impuls sygnału zegarowego zwiększa stan licznika dwójkowego. Stan ten jest przekazywany na wyjście układu jako słowo bitowe (tutaj czterobitowe). Przetwornik C/A przetwarza zwiększony stan licznika w większe napięcie analogowe. Napięcie wejściowe porównywane jest teraz do większego napięcia z przetwornika C/A. Jeśli nadal jest większe - cykl się powtarza. Wykrycie przez komparator sytuacji w której napięcie wejściowe jest równe lub mniejsze od sygnału z przetwornika C/A powoduje zmianę 101

102 stanu wyjścia komparatora z 1 na 0 i zablokowanie impulsów sygnału zegarowego do licznika. Zostaje zakończone przyporządkowanie napięciu wejściowemu słowa bitowego. Przed ponownym próbkowaniem należy wyzerować licznik dwójkowy. Zauważmy, że proces ustalania słowa bitowego przebiega w czasie (dynamicznie) i trwa dotąd aż sygnał z przetwornika C/A nie skompensuje wartości sygnału wejściowego. Stąd nazwa: przetwornik z kompensacją dynamiczną. Ze względu na iteracyjny charakter pracy przetwornika jego częstotliwość próbkowania jest znacząco mniejsza od przetworników A/C o przetwarzaniu bezpośrednim i zależy od długości słowa bitowego (rozdzielczości przetwornika), szybkości pracy przetwornika C/A, komparatora i układu sterującego. Przetwornik A/C z całkowaniem (całkujący A/C) Na rysunku poniżej przedstawiony jest schemat ideowy przetwornika A/C z generatorem całkującym (generator przebiegu liniowo narastającego) Rys. 13. Przetwornik A/C z całkowaniem Zasada działania tego typu przetwornika jest podobna do działania przetwornika z dynamiczną kompensacją. Tutaj sygnał wejściowy porównywany jest do sygnału liniowo narastającego wytworzonego w generatorze takiego sygnału,. Generator cyklicznie wytwarza sygnał w kształcie 102