Wstęp teoretyczny

Rozwój automatyzacji w różnych gałęziach przemysłu często wymaga stosowania w jednym układzie sterowania współpracujących ze sobą urządzeń elektrycznych i pneumatycznych. Takie układy nazywamy elektropneumatycznymi układami sterowania. Jako urządzenia pośredniczące między siłownikami pneumatycznymi a elektrycznym układem sterującym stosowane są elektromagnetyczne zawory rozdzielające. Największe zastosowanie znalazły przekaźniki elektromagnetyczne neutralne, tzn. takie w których przełączenie zestyków następuje za pomocą elektromagnesu. Typową konstrukcję elektromagnetycznego przekaźnika przedstawiono na rys.1.

Rys.1. Schemat przekaźnika elektromagnetycznego neutralnego. 1- uzwojenie; 2- kotwica; 3 - sprężyny stykowe

Prąd sterujący płynący przez uzwojenie 1, wytwarza strumień magnetyczny, który powoduje przyciągnięcie kotwicy 2. Kotwica przemieszczając się wymusza zmianę sprężyn stykowych 3. Wyłączenie prądu powoduje zanik strumienia magnetycznego oraz powrót kotwicy po pierwotnego położenia.

Przekaźniki elektromagnetyczne podzielono ze względu na sposób działania:

- zwierne (a) – po przyłożeniu prądu sterującego zestyki zwierają się a po odłączeniu rozwierają się;

- rozwierne (b) – po przyłożeniu prądu sterującego zestyki rozwierają się a po wyłączeniu zwierają się;

- przełączne (c) – po zadziałaniu przekaźnika środkowa sprężyna stykowa przemieszczając się traci zestyk z dolną sprężyna, by zewrzeć się z dolną;

Rys. 2. Rodzaje zestyków ich symbole graficzne.

Elementy stykowe sterowane mechanicznie:

- przyciski sterujące – rozróżniamy przyciski bistabilne ( po naciśnięciu pozostaje wciśnięte) i monostabilne;

- wyłączniki drogowe lub krańcowe – wyłączniki te są rozmieszczone wzdłuż drogi przesuwającego się mechanizmu, to można uzyskać potrzebne połączenie, powodujące np. zatrzymanie mechanizmu;

- czujniki stykowe – znajdują zastosowanie przy sprawdzaniu czy parametry procesu nie znalazły się niedopuszczalnym obszarze;

Przebieg pomiarów i schematy

W tym ćwiczeniu mieliśmy za zadanie zaprojektować, zbudować i uruchomić elektropneumatyczne układy sterowania siłownikami pneumatycznymi.

Zadanie 1.

Zaprojektować obwód załączania przekaźnika (rys.3). Po naciśnięciu przycisku Z ma zadziałać cewka przekaźnika P, która uruchomi żarówkę. Po zwolnieniu przycisku ma nastąpić zwolnienie przekaźnika i zgaszenie żarówki.

Rys.3. Schemat układu załączenia przekaźnika

Zadanie 2.

Zaprojektować obwód samopodtrzymania. Układ ma działać w następujący sposób: po naciśnięciu przycisku monostabilnego Z1 i po jego zwolnieniu układ ma działać do momentu przyciśnięcia przycisku drugiego Z2. Po przyciśnięciu przycisku Z1 powstaje obwód: (+),Z1,Z2,P1,(-), który zasila żarówkę. Przekaźnik P1 zadziała i podtrzymuje się w obwodzie: (+),P1,Z2,P1,(-). Zwolnienie przekaźnika nastąpi dopiero po naciśnięciu przycisku Z2, którego rozwarcie odetnie zasilanie doprowadzane do przekaźnika P1, a więc w rezultacie do żarówki.

Rys. 4. Schemat układu z samopodtrzymaniem

Zadanie 3.

Zaprojektować układ sterowania siłownikiem dwustronnego działania z wykorzystaniem elektromagnetycznego zaworu rozdzielającego wyposażonego w dwie cewki stojące Y1 i Y2.

Naciśnięcie przycisku Z1 powoduje podanie napięcia sterującego na cewkę Y1 rozdzielacza, co wymusza wysunięcie trzpienia siłownika S1 do pozycji a1. Naciśnięcie przycisku Z2 powoduje podanie napięcia sterującego na cewkę Y2, co wymusza powrót siłownika S1 do pozycji a0. Zastosowanie zaworów dławiąco-zwrotnych pozwoliło na regulację prędkości ruchu siłownika.

Rys. 5. Elektropneumatyczny układ sterowania siłownikiem dwustronnego działania.

Zadanie 4.

Zaprojektować układ wzajemnej blokady do układu przedstawionego w zadaniu 3. W tego typu układach istnieje możliwość zadziałania tylko jednego przekaźnika. Blokada została wykonana dzięki zastosowaniu zestyków rozwiernych każdego z przekaźników w obwodzie sterowania pozostałymi przekaźnikami.

Rys.6. Schemat układu ze wzajemną blokadą przekaźników

Wnioski

W powyższym ćwiczeniu zapoznaliśmy się z elektropneumatycznymi układami sterowania. W takich układach algorytm sterujący realizowany jest za pomocą przekaźników elektromagnetycznych, a urządzeniami wykonawczymi są siłowniki pneumatyczne. Przekaźniki są bardzo przydatne gdy istnieje konieczność nagłej zmiany stanu obwodu (zamknięcie lub otwarcie). Podstawową zaletą przekaźników elektromagnetycznych jest fakt, że do wytworzenia strumienia magnetycznego i przyciągnięcia kotwicy (w rezultacie zamknięcia obwodu) jest potrzebny niewielkie natężenie prądu, a poprzez otwieranie/zamykanie obwodu można sterować znacznie większym natężeniem. Taka właściwość przekaźnika elektromagnetycznego umożliwia przykładowo sterowanie dużych urządzeń przy pomocy mikroprocesorów. Ponadto zapewniają galwaniczną izolację pomiędzy układem sterowania a obciążeniem. Wadą przekaźników elektromagnetycznych jest powstawanie znacznych przepięć przy wyłączaniu oraz występowanie łuków elektrycznych przy rozłączaniu zestyków. Skutki przepięć można zwalczyć poprzez włączanie diody półprzewodnikowej równolegle do cewki przekaźnika. Musi się ona charakteryzować się zdolnością przenoszenia znacznych udarów prądowych związanych z powstającymi przepięciami. Zapobieganie powstawaniu łuków elektrycznych polegało np. na umieszczaniu zestyków w próżni (przekaźniki kontaktronowe). Przekaźniki elektromagnetyczne, w odróżnieniu od elektronicznych, charakteryzują się dużą rezystywnością w stanie aktywnym i dużymi wymiarami. Mają również mniejszą od nich żywotność i niezawodność.