Ćwiczenie PA4. Elektrohydrauliczny układ wspomagający montaŝ

Transkrypt

1 PODSTAWY AUTOMATYKI - laboratorium Instrukcja laboratoryjna Opracował: dr inŝ. Willi Mednis Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2009

2 Elektrohydrauliczny układ wspomagający montaŝ Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z typową strukturą i działaniem układu elektrohydraulicznego oraz moŝliwościami tworzenia i badania jego rzeczywistego i symulacyjnego modelu. 1. WPROWADZENIE W urządzeniach technicznych średnich i duŝych mocy, czyli tam gdzie istnieje potrzeba rozwijania znacznych sił i prędkości (przyspieszeń) stosuje się często napędy hydrauliczne. 1.1 Struktura i działanie układu hydraulicznego Ogólnie hydraulika to dział techniki, w której energia lub sygnały są przekazywane za pośrednictwem cieczy. Podstawowy schemat takiego układu przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Schemat układu hydraulicznego: a ideowy, b z uŝyciem symboli graficznych W części zasilającej pompa 3, napędzana silnikiem elektrycznym lub spalinowym, zasysa ciecz (olej mineralny) ze zbiornika 1 i tłoczy ją do przewodu a. Miarą tłoczonej cieczy jest objętościowe natęŝenie przepływu Q p [m 3 /s] (wydatek pompy). Część Q p wraca przez zawór 4 PODSTAWY AUTOMATYKI 2

3 do zbiornika Q s a część Q i płynie do instalacji (Q p = Q s + Q i ). Rozdzielacz 5, w zaleŝności od połoŝenia tłoczka, kieruje Q i do lewej (L) lub prawej (P) komory siłownika 8. Prędkość v wysuwu (wsuwu) tłoka zaleŝy od Q i oraz powierzchni czynnej tłoka A 1 (A 2 ) według zaleŝności v i = Q i / A i.. Wielkość Q i a zatem i v i moŝna zmieniać zmieniając przekrój dławiący (opór hydrauliczny) w zaworze 7. W trakcie ruchu jedna z komór siłownika 8 (lub silnika 9) jest podłączona do źródła zasilania a druga do zbiornika.tłoczek rozdzielacza moŝe być przesuwany: skokowo i zajmować tylko ustalone wybrane połoŝenia (patrz rys. 1b) lub w sposób ciągły. Zatem moŝe być sterowany przełączająco lub analogowo. Sterowanie moŝe być ręczne lub (najczęściej) za pomocą elektromagnesów. 1.2 Forma opisu działania W przypadku układu pracującego według powtarzalnego cyklu wygodną formą opisu (przedstawienia) jego działania jest odpowiedni cyklogram. Fragment cyklogramu dla układu z rysunku 1b przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Fragment cyklogramu Cyklogram zawiera: w kolumnie 1 nazwę zespołu funkcjonalnego oraz oznaczenie lub odpowiedni zastosowany na schemacie numer, w kolumnie 2 moŝliwe stany wysterowania np. rozdzielacz w połoŝeniu: 1,0 lub 2 itp., w kolumnie 3 - stan ustalony, wyjściowy (stan na początku cyklu).w naszym przypadku przyjęto, Ŝe rozdzielacz jest w stanie (połoŝeniu) 0 a tłok siłownika jest wsunięty. Uwaga: stanem ustalonym nie jest np. sytuacja gdy rozdzielacz jest w stanie 1 a tłok jest wysunięty. JeŜeli załoŝymy, Ŝe sterowanie jest ręczne, to cykl rozpoczyna się (punkt I na cyklogramie) przełączeniem rozdzielacza ze stanu 0 (strzałka oraz symbol ręcznego sterowania) do stanu 2. Stan 2 jest przyczyną (punkt II) a skutkiem jest początek ruchu: przepływ cieczy przez dławik 7 oraz wysuw tłoka (punkt III). Cienką linią (na początku kropka na końcu strzałka) powiązano przyczynę ze skutkiem. Po czasie t 1 (od czego zaleŝy czas t 1?), o ile wcześniej nie zmieni się wysterowanie roz- rozdzielacza, tłok dojdzie do prawego 3 Podstawy Automatyki

4 skrajnego połoŝenia (wysunięty punkt III) i ustanie przepływ cieczy przez 7. Taki stan układu będzie trwał do chwili przełączenia rozdzielacza w stan 1 (punkt IV). Wówczas zgodnie z linia wiąŝącą przyczynę ze skutkiem nastąpi powrót (wsuw) tłoka itd. Jest to jedna z form tworzenia cyklogramów. Przesterowanie rozdzielacza moŝe nastąpić równieŝ w trakcie ruchu tłoka. Ćwiczący zechce zastanowić się nad przebiegiem cyklogramu w takich przypadkach. Cyklogram powinien, oprócz przebiegu normalnego niezakłóconego zawierać równieŝ przebiegi odzwierciedlające stany awaryjne np. gdy w trakcie spoczynku lub ruchu tłoka wyłączy się zasilanie elektryczne silnika napędzającego pompę itp. 2. PRZEBIEG ĆWICZENIA Przedmiotem ćwiczenia jest zestawienie układu realizującego czynności z wybranej fazy procesu technologicznego a następnie jego częściowa modernizacja. Całość ma być realizowana środkami elektrohydraulicznymi. Do symulacji naleŝy uŝyć programu Fluid- Sim H3 (lub 4). 2.1 PoŜądane działanie układu Schemat ideowy operacji montaŝowej pokazano na rysunku 3. Po sygnale start (ręcznie) tłokiem siłownika 1 wciska się grzybek 2 do detalu 3. Po zakończeniu procesu 1 wciskania tłok ma samoczynnie powrócić do górnego połoŝenia. W układzie powinna teŝ istnieć moŝliwość awaryjnego wycofania tłoka. 2 3 Rys. 3. Schemat ideowy PODSTAWY AUTOMATYKI 4

5 2.2 Informacje o stanie procesu Dla uzyskania informacji o zakończeniu fazy wciskania wykorzystano tu następujące zjawiska. Po wciśnięciu grzybka tłok się zatrzymuje i w górnej komorze siłownika wzrasta ciśnienie (w trakcie wciskania panowało w niej ciśnienie wynikające z oporów tarcia związanych z wciskaniem). Po osiągnięciu doświadczalnie wyznaczonej i nastawionej na wyłączniku ciśnienia (rys.4 oraz pozycja 7 na rys.5) wartości np. ok.20 barów następuje rozłączenie zestyków w wyłączniku ( rys.4) co oznacza tu zakończenie fazy wciskania i rozkaz do powrotu tłoka do górnego połoŝenia. Rys. 4. Schemat wyłącznika ciśnieniowego 2.3 WYKONANIE ĆWICZENIA NaleŜy zestawić układy: hydrauliczny i elektryczny, zbadać ich działanie a następnie zestawić i zbadać model symulacyjny Schemat hydrauliczny Schemat hydrauliczny układu realizującego wyŝej sformułowane zadanie przedstawiono na rys. 5. Stacja zasilająca 1 (prostokąt zaznaczony linią kreska kropka oznacza, Ŝe wszystkie objęte zespoły znajdują się w jednym korpusie) dostarcza energie w postaci cieczy pod ciśnieniem, zawór bezpieczeństwa 3 zabezpiecza przed nadmiernym wzrostem ciśnienia w układzie, dwupołoŝeniowy elektrohydrauliczny rozdzielacz 4 łączy komory siłownika 6 z stacją 4 lub z zbiornikiem, zawór dławieniowo zwrotny 5 dławi przepływ gdy ciecz wpływa do lewej komory siłownika a umoŝliwia prawie swobodny przepływ w kierunku przeciwnym, siłownik realizuje Ŝądany ruch roboczy. Wyłącznik ciśnienia 7 jest podłączony do komory, w której w trakcie wciskania jest wysokie ciśnienie i rozwarciem zestyków sygnalizuje zakończenie fazy wciskania. Rys. 5. Schemat hydrauliczny Schemat elektryczny Schemat układu sterowania pokazano na rys.6. Przyciskiem S1 (start), przy 5 Podstawy Automatyki

6 niewzbudzonym przycisku S2 (stop) i nieprzesterowanym wyłączniku ciśnieniowym P (element 7 na rys. 5), wzbudza się cewkę przekaźnika co powoduje przesterowania zestyku (w gałęzi 2) i przez to uaktywnienie tzw. pętli podtrzymującej oraz przesterowanie zestyku (w gałęzi 3) i wzbudzenie cewki elektromagnesu Y1 (cewka Y1 zespołu 4 na rys. 5). Wzbudzenie cewki Y1 powoduje przesterowanie rozdzielacza z pozycji b do pozycji a i doprowadzenie cieczy do lewej komory siłownika. Rozpoczyna się wysuw tłoka. S1 S2 P Y1 Zatrzymanie się tłoka po całkowitym wysunięciu stwarza warunki odpowiadające zakończeniu fazy wciskania w rzeczywistym układzie tj. następuje wzrost ciśnienia w lewej komorze siłownika, rozłączenie zestyku w wyłączniku P (rys. 6) a to powoduje wyłączenie cewki i w efekcie początek powrotu (wsuwu) tłoka. Cewkę moŝna wyłączyć (np. awaryjnie) równieŝ przyciskiem S2. Rys. 6. Schemat elektryczny Ustawienie wyłącznika ciśnieniowego Przed uruchomieniem układu elektrycznego naleŝy ustawić wyłącznik ciśnienia (rys. 7) na ok. 20 bar. Zmieniając ugięcie wstępne spręŝyny w wyłączniku ciśnieniowym naleŝy nastawić (~ 20 bar) ciśnienie przy którym nastąpi rozwarcie zestyków. W tym celu naleŝy zestawić według rys. 7 układ hydrauliczny i elektryczny. Następnie po włączeniu stacji zasilania (przy otwartym zaworze Z) przymykając zawór Z ustawić na manometrze M ciśnienie 20 bar. Zmieniać ugięcie spręŝyny w wyłączniku tak aby Ŝarówka ś gasła dla ciśnienia powyŝej 20 barów. ś PODSTAWY AUTOMATYKI 6

7 Z Rys. 7. Schemat elektro hydrauliczny Uruchomienie układu Zestawić układ hydrauliczny według schematu na rys. 5. Po sprawdzeniu połączeń przez prowadzącego uruchomić go ręcznie tj. przesunąć rdzeń elektromagnesu. Zestawić układ elektryczny według schematu z rysunku 6. Po sprawdzeniu połączeń przez prowadzącego uruchomić go przy wyłączonej części hydraulicznej. Prawidłowość działania naleŝy sprawdzić na podstawie świecenia się diod przy przekaźniku i elektromagnesu Y1. Po stwierdzeniu (osobno) poprawnego działania obu układów, uruchomić całość i sprawdzić zgodność działania z załoŝeniami (punkt 3). JeŜeli układ działa poprawnie to sporządzić cyklogram tj. uzupełnić rys.8. Nazwa zespołu Stan wysterowania Stan początkowy Krok Przekaźnik 24 V 0 S1 Siłownik Wysuw Wsuw Przekaźnik ciśnieniowy P 1 0 Rys. 8. Cyklogram układu Równolegle z zestawianiem, uruchomieniem i sprawdzaniem układów z rys. 5 i 6 na rzeczywistym stanowisku moŝna sporządzić ich symulacyjne modele na PC wyposaŝonym w program FluidSim H 3 lub Modernizacja układu Pierwszym zadaniem jest uzupełnienie układu elektrycznego tak aby realizowany cykl 7 Podstawy Automatyki

8 był samoczynnie powtarzany tj. po powrocie tłoka, bez ponownego naciskania na przycisk S1, rozpoczynał się nowy cykl. Czyli rozpoczęcie cyklu ma nastąpić po zamknięciu przycisku S1 lub innego zestyku (np. X1). Oznacza to, rozpoczęcie cyklu na sygnał z zespołu alternatywy S1 V X1, co przy stosowanej tu technice przekaźnikowej oznacza równoległe połączenie zestyków S1 i X1. Sygnał X1 ma informować, Ŝe zakończył się poprzedni cykl tj. tłok siłownika wrócił do połoŝenia początkowego. MoŜna to stwierdzić stosując czujniki wyłączniki krańcowe róŝnego typu. Przed zastosowaniem tych zespołów naleŝy sprawdzić ich działanie stosując układ jak na rys V 4 V Przewód czerwony Wyłącznik Przewód czarny 1 Rys. 9. Schemat układu do sprawdzenia działania wyłącznika krańcowego 0 Przewód 1 niebieski Po sprawdzeniu, w celu uzyskania sygnału X1 podobny układ naleŝy dołączyć (jak?) do podstawowego schematu elektrycznego i sprawdzić działanie całości. W podobny sposób moŝna wzbudzać licznik wykonanych cykli (wyprodukowanych sztuk) oraz uruchamiać sygnalizator świetlny lub dźwiękowy Wady układu Podstawową wadą omawianego układu jest sposób uzyskiwania informacji o zakończeniu fazy wciskania, bowiem tłok siłownika moŝe się zatrzymać w połoŝeniu innym niŝ ma to miejsce po prawidłowym wciśnięciu grzybka. Sytuacje takie przedstawiono na rys. 10. PODSTAWY AUTOMATYKI 8

9 Rys. 10. Sytuacje nieprawidłowe NaleŜy zaprojektować modernizację dotychczasowego (powtarzalnego) układu sterowania tj. - opracować układ kontrolny wykrywający sytuacje przedstawione na rys. 10, - sygnał z tego układu ma przerwać prace urządzenia i wycofać tłok do początkowego połoŝenia oraz włączyć sygnalizację świetlną i dźwiękową. Projekt zalecanej modernizacji zamieścić w sprawozdaniu. 3. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie powinno zawierać: Nr grupy, nr zespołu, nazwiska i imiona wykonujących ćwiczenie, datę wykonywania ćwiczenia, uzupełniony cyklogram z rys. 8, schematy hydrauliczne i elektryczne z punktów 4.3 i LITERATURA 1. Helduser S, Mednis W, Olszewski M.: Elementy i układy hydrauliczne. Oficyna Wydawnicza PW. Warszawa Olszewski M i in.: Urządzenia i systemy mechatroniczne. Wydawnictwo REA. Warszawa Podstawy Automatyki