wstĘp do mechatroniki iv sem wykłady

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie”

Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

1

Materiały dydaktyczne

Wstęp do mechatroniki

Semestr IV

Wykłady




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.




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 ( 1920-1955),

• etap szybkiego rozwoju systemów sterowanych komputerowo i etap miniaturyzacji systemów i

urządzeń ( 1955- 1975),

• etap rozwoju zintegrowanych systemów mechatronicznych (od 1975).




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




5

Zagadnienie 1. 2. 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




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)




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.




8

Rys. 1. Przekładnie napędu prądnicy wałowej




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,




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




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




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, 21-22 –końcówki zestyków pomocniczych




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




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




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




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,




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,




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.




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

zwłoka w przełączaniu styków uzyskiwana przy

wzbudzaniu cewki

cewka przekaźnika czsowego

( opóźnienie wyłączenia )

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




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




21

styk normalnie zwarty , kolejny ,

dodatkowy np. styki pomocnicze stycznika , wyłącznika

Styk normalnie otwarty wyprzedzający

Styk tego typu zwiera z wyprzedzeniem w

stosunku do "normalnych" styków podłączonych

do tego samego napędu.

Styk normalnie zwarty z opóźnionym

rozłączeniem

Styk tego typu rozłącza zaciski z opóźnieniem w

stosunku do "normalnych" styków podłączonych

do tego samego napędu

Styk normalnie otwarty z napędem

ręcznym

symbol ogólny , przyciski, przełączniki ,

łączniki


ręcznym

symbol ogólny , przyciski, przełączniki ,

łączniki


ręcznym wciskanym sprężynowym przycisk z samopowrotem , monostabilny

Styk normalnie zwartym z napędem

ręcznym wciskanym sprężynowym przycisk z samopowrotem , monostabilny


ręcznym wciskanym sprężynowym -

ryglowany

przycisk bez samopowrotu , bistabilny

Styk normalnie zwarty z napędem

ręcznym wciskanym sprężynowym -

ryglowany

przycisk bez samopowrotu , bistabilny


ręcznym obrotowym Przełączniki piórkowe , łączniki krzywkowe


ręcznym obrotowym Przełączniki piórkowe , łączniki krzywkowe




22


ręcznym wyciąganym sprężynowym Przycisk wyciągany


ręcznym wyciąganym sprężynowym Przycisk wyciągany


nożnym pedały sterownicze

Styk zwarty otwarty z napędem nożnym


ręcznym grzybkowym ryglowanym Przyciski bezpieczeństwa , grzybkowe


ręcznym grzybkowym ryglowanym 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




23

Styk normalnie otwarty o czasowym

opóźnionym załączeniu

zwłoka w przełączaniu styku uzyskiwana przy

wzbudzaniu cewki (opóźnione zamykanie)

Styk normalnie zwarty o czasowym

opóźnionym załączeniu


wzbudzaniu cewki (opóźnione otwieranie)

Styk normalnie otwarty o czasowym

opóźnionym wyłączeniu


odwzbudzaniu cewki (opóźnione otwieranie)

Styk normalnie zwarty o czasowym

opóźnionym wyłączeniu


odwzbudzaniu cewki (opóźnione zamykanie).




24

Rys. 12. Przykład schematu obwodowego sterowania pompą zęzową statku




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




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”).




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 4.

2. 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.




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




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. 0.58 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:




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.




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 PT-

przekaźnika 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.




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




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 0.4 – 1.6 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 m3 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




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

Rys. 1. Klasyfikacja siłowników

DWUSTRONNEGO DZIAŁANIA

JEDNOSTRONNEGO DZIAŁANIA POWRÓT TŁOKA POD DZIAŁANIEM SPRĘŻYNY

POWRÓT TŁOKA POD DZIAŁANIEM SIŁ ZEWNĘTRZNYCH

Z TŁOKIEM JEDNOSTRONNYM

Z TŁOKIEM DWUSTRONNYM

RÓŻNICOWY

TŁOKOWE TELESKOPOWE MEMBRANOWE NURNIKOWE

SIŁOWNIKI

JEDNOSTRONNEGO DZIAŁANIA

DWUSTRONNEGO DZIAŁANIA




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.




36

Komora siłownika jest uszczelniona poprzez pierścienie osadzone na tłoku. Wytwarza się je

najczęściej z:

• perbunanu od -20°C do +80 0C,

• vitonu od -20°C do +190 0C,

• teflonu od -80°C do +200 0C.

Sposoby uszczelnienia tłoka pokazano na poniższych rysunkach.




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




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

Siłownik jednostronnego działania jest poddany działaniu sprężonego powietrza tylko z jednej

strony.

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.




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.




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.




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:

http://www.hip.agh.edu.pl/page/index.php?id=pne&pne=psymbole




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

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

ROZDZIELAJĄCE CIŚNIENIOWE ODCINAJĄCE

ZAWORY

STERUJĄCE KIERUNKIEM PRZEPŁYWU

STERUJĄCE NATĘŻENIEM PRZEPŁYWU




43

Podział ze względu na: Rozdzielacze:

Dwupołożeniowe

Ilość położeń Trójpołożeniowe

Wielopołożeniowe

Dwudrogowe

Ilość dróg Trzydrogowe

Czterodrogowe

Wielodrogowe

Ręczne

Siłą mięsni Nożne

Sposób sterowania Sprężyną

Trzpieniem

Rolką

Mechanicznie Rolką o jednym

kierunku działania Elektrycznie

Pneumatycznie

Hydraulicznie

Budowę 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.




44

Opis budowy i działania zaworów (rozdzielaczy) można znaleźć w literaturze:

1. M. Olszewski Urządzenia i systemy Mechatroniczne cz.1 Wydawnictwo Rea Warszawa 2009

2. Ł. Węsierski Podstawy pneumatyki Skrypt uczelniany AGH Kraków

3. Szenajch

Zagadnienie: 4.E. Projektowanie pneumatycznych układów sterowania

Oznaczenia elementów prezentowanych na schematach

Oznaczenie

literowe Rodzaj elementu

P Pompy i sprężarki

A Elementy wykonawcze, np. siłowniki

M Silnik elektryczny

S Elementy sygnałowe

V Rozdzielacze (zawory) sterujące i robocze

Z 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.




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




46

Lista (C1+, C2+, C1-, C2-) ukazuje w jakiej kolejności następują poszczególne ruchy oraz daje krótki

opis tego, co się dzieje.

1.1. 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])




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).

1.2. 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.




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.




49

Jeśli proces posiada, dla przykładu, specjalne cykle startu i zatrzymania, musi być to narysowane i

zaznaczone na wykresie.

1.4. 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])




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.

1.5. 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])




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.

1.1. 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])




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])




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)




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.




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.




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.




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])




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.




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.




60

Rys. 32 Przykład 2 – układ z dwoma siłownikami; a – wykres funkcjonalny, b – diagram stanów (wykres


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])




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.




62

Rys. 34. Przykład 3 – układ do gięcia blachy; a – wykres funkcjonalny, b – diagram stanów (wykres


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)




63

b)

c)




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


Projekt „Rozwój i promocja kierunków

Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1

Zagadnienia: 5.A. Podstawy nap

W urządzeniach hydraulicznych wykorzystuje znane Wam z fizyki prawo Pascala:

Jeżeli na ciecz będącą w równowadze jest wywierane ci

wewnątrz cieczy jest wszędzie jednakowe i równe temu ci

Ciśnienie zewnętrzne może być

wypełnionym cieczą, co pokazano na rysunku.

Rys. 1. Ciśnienie w cylindrze wywołane przez działaj

Najprostszym urządzeniem pokazuj

Działając siłą F1 na tłok A możemy podnosi

powierzchnia tłoka B od powierzchni tłoka

ciśnienie działające na tłoki jest takie samo to:

przykładem może być wzmacniacz ci

środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego



65

Podstawy napędu hydraulicznego

dzeniach hydraulicznych wykorzystuje znane Wam z fizyki prawo Pascala:

w równowadze jest wywierane ciśnienie zewnętrzne, to ci

dzie jednakowe i równe temu ciśnieniu zewnętrznemu.

e być wywołane działającą siła np. na tłok znajdują

, co pokazano na rysunku.

śnienie w cylindrze wywołane przez działającą na tłok siłę

dzeniem pokazującym wykorzystanie prawa Pascala jest podnoś

Rys. 2. Podnośnik hydrauliczny.

możemy podnosić ciężary umieszczone na tłoku B.

od powierzchni tłoka A tyle razy możemy podnosić większy ci

ce na tłoki jest takie samo to: = stąd : 2 1F F

wzmacniacz ciśnienia.

rodków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie”

500 Szczecin

dzeniach hydraulicznych wykorzystuje znane Wam z fizyki prawo Pascala:

to ciśnienie panujące

siła np. na tłok znajdujący się w cylindrze

na tłok siłę

cym wykorzystanie prawa Pascala jest podnośnik hydrauliczny.

B. Ile razy większa jest

ększy ciężar. Ponieważ

2 1

BF F

A= Innym




66

Rys. 3. Wzmacniacz ciśnienia

Stosunek ciśnień jest odwrotnie proporcjonalny do stosunku powierzchni tłoków. Ciśnienie pB można

wyznaczyć z zależności:

B A

Ap p

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




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




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 0.85 – 0.95

2. sprawność objętościowa pomp i silników 0.94 – 0.97

3. sprawność hydrauliczna pomp i silników 0.92 – 0.96

4. sprawność mechaniczna pomp i silników 0.93 – 0.95

5. sprawność całkowita pomp i silników 0.80 – 0.88

Zagadnienia: 5.B. Symbole graficzne

Symbole graficzne urządzeń hydraulicznych są zawarte w Polskiej Normie PN-74/M-01050. Wybrane

symbole:




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




70

- pośrednio ze wspomaganiem przez wzrost ciśnienia

- pośrednio ze wspomaganiem przez spadek ciśnienia

- sterowanie ciśnieniem własnym

- sterowanie elektromagnesem i ciśnieniem

- sterowanie elektromagnesem lub ciśnieniem




71

Pompy hydrauliczne

- o jednym kierunku tłoczenia

- o dwóch kierunkach tłoczenia

- o jednym i dwóch kierunkach tłoczenia i zmiennej

wydajności

- sprężarki




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.




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.




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.




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.




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




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




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 posuwisto-

zwrotny. 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




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 750 - 3000 obr/min oraz

wolnoobrotowe 0.1 – 750 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




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 11.




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




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

2008.

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).




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+x2+ .......- 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= 1x - 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).




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




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.




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.




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




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 :




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:




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).




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):




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:




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




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).




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:




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




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 :

szu

we

Rk

R=

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:

wyj u odnU k U= ⋅

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 (28).

Najważniejszymi parametrami przetwornika C/A są:

- rozdzielczość – najmniejsza zmiana sygnału wyjściowego

∆U= Uodn / 2n ,

- 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 .




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.




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:

71 1 12 4 8 8Uwyj 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




100

czasu wartości bitów słowa bitowego np. 1101 ( 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 (2n) 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 = 0.625 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.




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




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




103

piły. Do czasu gdy sygnał wejściowy jest większy od sygnału z generatora komparator utrzymuje

otwartą bramkę logiczną „I” a impulsy sygnału zegarowego zwiększają zawartość licznika binarnego.

Gdy komparator wykryje spełnienie warunku A≤B sygnał zegarowy odcinany jest od licznika

dwójkowego. Stan licznika dwójkowego po odcięciu sygnału zegarowego jest wartością słowa

bitowego odpowiadającą wartości przetwarzanego sygnału analogowego. Na rysunku poniżej

zobrazowano ustalanie słowa bitowego dla dwóch poziomów napięcia wejściowego.

Rys. 14. Zasada przekształcania poziomu napięcia w słowo bitowe w przetworniku A/C całkującym

Przetwornik z całkowaniem ma podobne wady jak przetwornik z dynamiczną kompensacją – jest

stosunkowo wolny. Ponowny proces próbkowania i kwantowania może się rozpocząć po czasie który

umożliwia napełnienie całkowite licznika dwójkowego ( np. jeśli wyj ściowe słowo bitowe ma długość

8 bitów to nie można rozpocząć cyklu nowego przetwarzania przed upływem czasu potrzebnego na

podanie 256 impulsów zegara (bo w danym przetwarzaniu sygnał wejściowy może osiągnąć górny

zakres przetwarzania przetwornika).

Parametry przetwornika A/C:

- dokładność przetwarzania:

o nieliniowość całkowa,

o nieliniowość różniczkowa,

o błąd przesunięcia zera,

o współczynnik zmian cieplnych napięcia przesunięcia zera,

o błąd skalowania,




104

- szybkość przetwarzania:

o czas przetwarzania,

o częstotliwość przetwarzania,

o szybkość bitowa

- parametry eksploatacyjne:

o maksymalny zakres i polaryzacja napięcia wejściowego,

o impedancja wejściowa,

o rodzaj kodu słowa wyjściowego,

o obciążalność wyjść,

o rodzaj zasilania.

wstĘp do mechatroniki iv sem wykłady

Documents