Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
5.12.2017.
1
PNEUMATIKA
– Uvod
• Fizikalne osnove
• Priprema stlačenog zraka
• Elementi
– Pneumatsko upravljanje
– Elektropneumatika
Uvod
• Pneumatika – mehanika kompresibilnih fluida. Bavi se uporabom stlačenog plina kao izvora energije.
• Različiti pristupi promatranja slične stvari:
– pneumatika (jednodimenzionalni pristup –koncentrirani parametri («lumped»)
– aerodinamika (višedimenzionalni pristup - parametri raspodijeljeni u prostoru)
– akustika (i muzika) - proučavanje valnog gibanja i rezonantnih komora
Uvod, osnovne značajke pneumatike
• Kompresibilnost – najviše određuje pneumatiku
– Zrak: 0.2 % kompresije ⇒ prirast ∆p = 0.002 bar
(modul stišljivosti β = V∗∆p / ∆V = 1 bar)
– Ulje: 0.2 % kompresije ⇒ ∆p = 24 bar (β = 12.000
bar)
– Čelik: 0.2 % kompresije ⇒ ∆p = 4200 bar (β =
210∗104 bar)
Uvod, osnovne značajke pneumatike
Osnovna posljedica ove fizikalne značajke jest da se u fiksnom
volumenu ili temperatura ili masa plina (ili oboje) trebaju
promijeniti da se promijeni tlak.
• Primjer 1: otvaranjem ventila opterećeni cilindar neće se pomaknuti
odmah. Treba proći neko vrijeme da uđe dovoljno plina da poraste tlak
dovoljan da pomakne teret. To je različito od hidraulike, gdje tlak raste
praktički odmah kao posljedica čak i najmanjeg otvora ventila – zato je lako
realizirati pneumatske elemente sa vremenskim kašnjenjem.
«Krutost» pneumatskog aktuatora koji drži neki promjenljivi teret je mala (da
bi se to kompenziralo trebao bi biti veliki aktuator, ili veliki servoventil).
• Primjer 2: razlika pneumatskog i hidrauličkog zatvarača (prigušivača)
vrata.
Uvod, osnovne značajke pneumatike
• Druga posljedica
kompresibilnosti je velika
mogućnost pohrane energije
stlačenog plina.
• Treća posljedica jest veći
potreban rad kompresora u
usporedbi sa hidrauličkom
crpkom.
p
V
1
2
2V 1V
2p
1p∫ ⋅=2
1
]J[dpVWt
Uvod, osnovne značajke pneumatike
• Niska viskoznost plina – posljedica je istjecanje (smanjenje
vol. efikasnosti); no otpori strujanja su manji (w = 10 – 40
m/s; Re > 2300). Također slabije je podmazivanje.
Porastom temperature din. viskoznost η zraka raste!
• Niska gustoća – nema «hidrauličkog» udara; malo
potrebno vrijeme za ubrzanje plina.
5.12.2017.
2
Uvod, osnovne značajke pneumatike
• Transport (duže od hidraulike), skladištenje (boce) i dostupnost
• Neosjetljivost na temp. promjene, radijaciju, magn. i el. polja
• Sigurnost
• Ekološka prihvatljivost
• Neosjetljivost na preopterećenje
• Velike brzine aktuatora
• Održavanje povoljno, cijene elemenata vrlo povoljne zbog
jednostavnosti
• npr ručni alati su manje mase i manjih vibracija od električnih –
(“Banko”, “Festo”)
Uvod, osnovne značajke pneumatike
• Skupoća stlačenog zraka kao izvora energije – posljedica
kompresibilnosti (veći potreban rad kompresora u usporedbi sa
hidrauličkom pumpom); hlađenja zbog izdvajanja kondenzata; te
gubitka zraka istjecanjem (niska viskoznost!).
• Stlačivost: buka pri ekspanziji, nemogućnost gibanja na malim
brzinama, manja preciznost, ograničenje sila
Uvod: povijest i primjena
• Katapult (prvi cilindri - bronca, Ktesibios)
• 17. st. – Pascal, Boyle, Papin, Toricelli, ..
• 18. st. – Diderotova Tehnička enciklopedija – pneumatsko oružje i
uređaji
• 19. st. – industrijalizacija i građevinarstvo (sjekači, bušenje tunela
(CH, 13km tunela u 4 god. sa 9 bušilica na lokomotivi), nabijači
pijeska u ljevarstvu, lokomotive pogonjene zrakom, zračna pošta za
prijenos telegrama (NY 1876.).
• Primjena: automatizacija (komadna industrija!,; zadaci stezanja,
pomicanja, pozicioniranja, pritezanja, itd...). Osim toga primjena kod
radnih alata (ručnih!); medicinske tehnike; mobilne pneumatike
(kočnice, ovjesi, otvaranje vrata ili zaklopki,..); te za ostale namjene
(prenosila i dizala, zračna (u cjevovodima) pošta; regulacija u
procesnoj industriji)
• Poizvođači: SMC, Festo, Knorr-bremse, ..
Uvod: veličine i izrazi
Tlak:
• niski (do 1 bar, mjerna tehnika, regulacija)
• normalni (do 10 barabs, obično 6-10; industrijska pneumatika)
• visoki (preko 10 barabs, npr. 16 bar; prihvatnice, preše)
• 1 bar = 10*5 Pa (hPa; mbar; ..)
• 1 at = 0,981 bar (tehnička at)
Uvod: veličine i izrazi
Volumenski protok:
ovisi o tlaku i temperaturi, stoga je potrebno definirati
neko normirano stanje
fizikalno: TN = 273.15 K (0º C); pN = 1.01325 bar;
plinska konstanta RN = 287 J/kg K;
0% rel. vlažnosti
VN = normirani volumen [Nm3], volumen koji zrak
zauzima pri normiranom stanju
Uvod: veličine i izrazi
Zakoni:
Boyle-Mariotteov (pV=konst)
Charlesov (V/T=konst)
Amontonsov (p/T=konst)
Daltonov (tlak smjese plina = sumi parc. tlakova)
Amagatov (volumen ..)
Avogadrov (broj molekula ..)
Poissonov (adijabatski proces)
5.12.2017.
3
Uvod: veličine i izrazi
Jednadžba stanja idealnog plina:
Promjene stanja idealnih plinova:
Izobara (p=konst, n=0)
Izohora (v=konst, n=œ)
Izoterma (T=konst, n=1)
Adijabata (n=κ)
TmRpV =
Uvod: veličine i izrazi
Maseni protok kompresibilnog plina kroz prigušnicu:
Gdje je koeficijent istjecanja :
TRpAm uv
2ψ=&
≤=
>
−
−=
+
cru
d
cru
d
u
d
u
d
rp
pa
rp
pa
p
p
p
p
z484.0
z1
max
12
ψ
κ
κ
ψ
κ
κ
κ
Uvod: veličine i izrazi
• pd Tlak iza prigušnice
• pu Tlak ispred prigušnice
• κ Eksponent adijabate (1.4)
• rcr Kritični omjer tlaka (0.528)
• R Plinska konstanta 287 J/kg K
• Komentar: za nadzvučnu brzinu protoka zraka, brzina
raste, no maseni protok ne!
Uvod: priprema zrakaM
Filter FilterKompresor Hladnjak Susac Spremnik
Potrosaci
KOMPRESORI
DINAMICKI ISTISKIVAJUCI
RADIJALNI AKSIJALNIKLIPNI
(CIKLICKI)ROTACIJSKI
JEDNORADNI DVORADNI MEMBRANSKI
LAMELASTI VIJCANI PUZNI PRSTENASTI ROOTS-ov
Kompresori
• Niskotlačni (do 4 bara)
• Visokotlačni (iznad 4 bara)
• Puhala (do 1 bar) (čišćenje, transport sipkih materijala, usisavanje, prozračivanje) – rotacijski
• Vakumski uređaji (do 10 mbar (aps.), odnosno 99% vakuma) -(usisavanje, pakiranje, punjenje boca i tuba, sušenje, itd..) - vijčani
5.12.2017.
4
Kompresori
• Klipni
jednoradni
dvoradni
– Membranski bez ulja
• Rotacioni
o lamelasti
o vijčani
o Root
Dinamički (turbo-kompresori) bez ulja
– radijalni
– aksijalni za najveće dobave
Kompresori, klipni
jednoradnidvoradni
Kompresori, membranski Kompresori, lamelasti
Kompresori, vijčani Kompresori, Root-ov
5.12.2017.
5
Kompresori, radijalni Kompresori, aksijalni
Kompresori,
područja uporabeCilindri,
bez klipnjače
• S rasporom
• S trakom
• Sa sajlom
• magnetski
Cilindri bez klipnjače
5.12.2017.
6
Preciznost: ± 0.2 mm
Brzina do 2 m/s
Ubrzanje do 1.5 g
Cilindri, zakretni
Hvataljke Specijalni cilindri
• Stezni cilindri
Pneumatski mišići
Razvodnici
5.12.2017.
7
Vakumski elementi Zaporni ventili, naizmjenično zaporni
ILI ventil
Zaporni ventili, naizmjenično zaporni
ILI ventil, shema
Zaporni ventili, uvjetno zaporni
I ventil
Zaporni ventili, uvjetno zaporni
I ventil, shemaZaporni ventili, brzoispusni ventil
5.12.2017.
8
Zaporni ventili, brzoispusni ventil,
shemaElementi s vremenskim zatezanjem
(kašnjenjem) – kašnjenje pri uključivanju
Elementi s vremenskim zatezanjem
(kašnjenjem) – kašnjenje pri isključivanju
Kašnjenje pri uključivanju i isključivanju
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE
Podjele upravljanja:
• Prema načinu aktiviranja aktuatora:
– Ovisno o volji operatera
– Ovisno o putu
– Ovisno o vremenu (elementi sa vremenskim djelovanjem)
– Kombinirano
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE, podjele
• Prema djelovanju impulsa:
– Porastom tlaka (+)
– Padom tlaka (-)
• Prema tijeku radnje:
– Slijedno upravljanje (slijedeća radnja započima
završetkom prethodne – većina problema)
– Programsko upravljanje (prema nekom
programu)
Napomena:
• IEC 61131-3 – norma za programske jezike za
PLC (definira sintaksu programskih jezika)
– grafički programi (LD (Ladder dijagr.), FBD
(Funkcijski blok-dijagrami), SFC (Sequential function
chart))
– tekstualni programi (ST (Structured text), IL
(Instruction list))
PLCopen – neprofitna organizacija vezana uz gornju
normu koja potpomaže razvoj programiranja PLC-ova
5.12.2017.
9
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE
• Osnovni problem jest rješavanje tzv. blokirajućeg
signala, ili prekrivajućeg signala ili mirujućeg
impulsa.
• To je trajni impuls, koji se pojavljuje sa jedne
strane glavnog razvodnika, a traje i u momentu
kada se sa pojavljuje impuls i sa druge strane, te se
razvodnik ne može postaviti u novi položaj.
Dakle, takav signal treba eliminirati.
• To je problem kojim se bave metode pneumatskog
(ali i električnog) upravljanja.
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE,
Eliminacija blokirajućeg signala vrši se:
• Potiskivanjem blokirajućeg signala jačim
(razvodnici sa različitim upravljačkim površinama;
dodavanjem regulatora tlaka)
• Poništavanjem blokirajućeg signala
– Korištenjem posebnih elemenata (sa kratkim izlaznim signalom (VDMA metoda (Verein Deutscher Maschinenbau Anstalten (Udruga
njemačkih strojograđevnih organizacija) ); vremenskih elemenata sa skraćenjem signala)
– Korištenjem posebnih veza među elementima(kaskadne metode; metode korak po korak ili taktne metode, ..)
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE,
Primjer: uređaj za zakivanje
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE, Primjer
• Zadatak gibanja 2 cilindara dan je dijagramom put-korak (sličan je
dijagram put-vrijeme, koji se isto može koristiti)
1 2 3 4 5
1
1
0
0
1.0
2.0
2.2
2.3
1.3
1.2S
1.0 2.0
1.1
1.2 1.3
2.0
2.2 2.3
1.2 2.2 1.3 2.3
P R
AB
R R RR
R
A
AAAA
PPPP
P
B
Start
R
A
P
1.0 2.0
1.1
1.2 1.3
2.0
2.2 2.3
1.2 2.2 1.3 2.3
P R
AB
R R RR
R
A
AAAA
PPPP
P
B
Start
R
A
P
1 2 3 4 5
1
1
0
0
1.0
2.0
2.2
2.3
1.3
1.2S
1.2
1.3
2.2
2.31
1
1
1
0
0
0
0
5.12.2017.
10
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE,
Potiskivanje blokirajućeg signala jačim
• Asimetrične upravljačke površine razvodnika
• Korištenje regulatora tlaka
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE,
Poništavanje blokirajućeg signala
• korištenjem posebnih elementa: VDMA metoda
koristi razvodnike sa zglobnim ticalom sa kotačićem.
Takve razvodnike aktivira klipnjača (ili neki drugi pokretni
predmet) u jednom smjeru gibanja, dok u drugom smjeru
kotačič «preskoči», tj. ne može se aktivirati. Postoje i
druge vrste ticala sa preskokom.
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE,
Poništavanje blokirajućeg signala
• Vremenski elementi sa skraćenjem signala
PNEUMATSKO UPRAVLJANJE,
Poništavanje blokirajućeg signala
Start
R
A
P
1.0 2.0
1.1
1.2 1.3
2.0
2.2 2.3
1.2 2.2 1.3 2.3
P R
AB
R R RR
R
A
AAAA
PPPP
P
B
FluidSIM shema:
5.12.2017.
11
Kaskadna metoda upravljanja
• Ideja je “skinuti” sa napajanja one razvodnike
(granične prekidače) gdje se pojavljuje blokirajući
signal.
• Koriste se kaskade, odnosno kaskadno napajanje
razvodnika
• Više vrsta ove metode
Kaskadna metoda upravljanja, postupak:
1. Ispisuje se redoslijed odvijanja programa (+ izvlačenje
klipnjače, – uvlačenje)
2. Redoslijed se upisuje u krugu u smjeru kazaljke sata.
Krug se razdijeli na isječke u kojima se jedan cilindar
smije pojavljivati samo jednom. Sveki isječak predstavlja
jednu kaskadu. Iznad oznake cilindra upisuje se oznaka
razvodnika kojeg taj cilindar aktivira.
3. Svaka kaskada upravlja se pomoću impulsno upravljanog
(bistabil) razvodnika 4/2. Kaskadni razvodnici povezani
su tako da je samo jedna kaskada može biti aktivna (pod
tlakom). Broj kaskadnih razvodnika za jedan je manji od
broja kaskada.
Kaskadna metoda upravljanja, postupak:
4. Svaki cilindar (osim onih koji rade istovremeno) aktivira
po dva 3/2 razvodnika sa ticalom ili kotačićem.
5. Posljednji razvodnik 3/2 u kaskadi ne daje impuls za
gibanje slijedećem cilindru, već aktivira slijedeću
kaskadu. Prethodna kaskada se isključuje.
6. Prvo aktiviranje gibanja cilindra u kaskadi vrši se
direktno kaskadnim razvodnikom.
7. Razvodnici 3/2 koje aktiviraju cilindri napajani su sa
kaskada, a ne direktno sa napajanja. Napajanjem kaskada
upravljaju kaskadni razvodnici.
Kaskadna metoda upravljanja,
veza između kaskadnih razvodnika
z zz yyy
P P PRRR
AA ABBB
1. k.2. k.3. k.n-ta k.
Impuls posljednjegrazvodnika 2.
kaskade
Impuls posljednjegrazvodnika 1.
kaskade
Impuls posljednjegrazvodnika n-te
kaskade
Impuls
poslje
dnje
gra
zvo
dnik
a (
n-1
)
kaska
de
KASKADNA METODA,
Primjer: uređaj za zakivanje
FluidSIM shema (kaskadna):
5.12.2017.
12
Metoda korak po korak (taktna metoda)
• Ideja metode jest dovesti napajanje samo na one
razvodnike koji u tom trenutku rade, odnosno
dozvoliti pojavu signala samo kada je on potreban.
• Koriste se impulsni (bistabilni) razvodnici,
odnosno memorije, te logički elementi.
• Svaki izlaz iz memorije postavlja (set) jedan uvjet
za uključivanje narednog koraka, dok drugi uvjet
dolazi od graničnog prekidača (3/2 razvodnika).
Oba uvjeta idu preko I logičkog elementa, te
pokreću slijedeći korak. Ujedno izlaz iz memorije
briše (reset) prethodnu memoriju
Metoda korak po korak (taktna metoda)
Dakle, svakim novim upravljačkim signalom (koji dolazi od graničnih prekidača,
tj. razvodnika 3/2) uspostavlja se novi izlaz, a taj izlaz upravlja kretanjem cilindra
(ili više njih ako rade istovremeno) u jednom koraku. I logički element uvjetuje
slijedeći korak postojanjem prethodnog, a novopostavljeni izlaz isključuje
prethodni.
Q
QSET
CLR
S
R Q
QSET
CLR
S
RQ
QSET
CLR
S
R Q
QSET
CLR
S
R
1. g.p. 4. g.p.3. g.p.2. g.p.
1. k. 4. k.3. k.2. k.
Metoda korak po korak (taktna metoda)
• Metoda je jednostavna, i temelji se na elementima (taktnim
modulima) izrađenim upravo za to. Jedan modul služi za
jedan korak, a sastoji se od impulsnog razvodnika kao
memorije i logičkog elementa (ili više njih).
Metoda korak po korak (taktna metoda)
TAKTNA METODA,
Primjer: uređaj za zakivanje
a2 b2 b1 a1
5.12.2017.
13
a2 b2
FluidSIM shema (taktna):Metoda korak po korak (taktna metoda),
primjer
Metoda korak po korak (taktna metoda)
ELEKTROPNEUMATIKA
• Električki i elektropneumatski osnovni elementi
– Električki elementi za davanje signala
• Kontaktnikontakti:
radni mirni preklopni
• tipkala sa radnim kontaktom ručno aktivirana:
opći simbol pritiskom povlačenjem zakretanjem
• mehanički aktivirani krajnji (granični) prekidači
krajnji prekidač aktiviran ticalom s
kotačićem
5.12.2017.
14
Bezkontaktni
Bezkontaktni senzori su pogodni kada nema na raspolaganju mehaničkog kontakta ili sile za
aktiviranje, ako su teži okolni uvjeti, poput vibracija i udaraca, ako je potrebna veća frekvencija
preklapanja, te ako treba duži vijek trajanja.
Bezkontaktni prekidač prema Reed – principu (Reed-relej)
• Induktivni prekidač (senzor ili osjetnik)
samo za metale
• Kapacitivni senzor
za metale i nemetale
Spoj u istosmj. krugu
K#
SIme prip.
cil.#
• Optički senzori
� Predajnik – prijemnik u odvojenim kućištima
� Predajnik i prijemnik u jednom kućištu + reflektor
� Predajnik i prijemnik u jednom kućištu (predmet je reflektor)
• Električki elementi za obradu signala
– Releji
Releji (potprega) su elektromehanički elementi koji se prekapčaju i upravljaju uz mali utrošak energije. El. sklopka upravljana električnim putem; strujom kroz zavojnicu elektromagneta sklopka se prebacuje iz mirnoga u aktivno stanje. Može se smatrati elektromagnetski pogonjenim prekidačem za određenu preklopnu snagu. Koristi se u upravljačkim i regulacijskim namjenama kod postrojenja i strojeva. Prednosti su mu što ima dugi vijek trajanja, nezahtjevno održavanje, ima kratka vremena prekapčanja, te može prekapčati vrlo male, ali i velike struje i napone.
� A relay is an electrically operated switch. An electrically controlled mechanical device that opens and closes electrical contacts when a voltage (or current) is applied to a coil. A relay provides isolation of control signals from switched signals.An electromagnetic switching device.An electrical component used to open and close a circuit.
K1
A1
A2
13
14 24
31 4123
32 42
Pneumatski relej-ventil (za kamione, radi kompenzacije udaljenosti)
5.12.2017.
15
Postoji velik broj izvedbi. Neke od njih su:
• Impulsni relej: daljinski upravljani, nakon prestanka upravljačkog impulsa
zadržavaju zauzeti sklopni položaj pomoću mehaničkog zabravljivanja.
• Remanentni relej (ili permanentni): sa visokim remanentnim magnetizmom, pa
kotva zadržava položaj i nakon prestanka upravljačkog signala, kao i nakon
ispada napona. To je relej sa magnetskim samodržanjem. Isključuje ga
negativni impuls.
• Vremenski relej: nakon nekog vremena, koje je podesivo spaja, odnosno
odspaja kontakte.
K1C1
R1
R2
D1
S116 18
15
tt∆
0
1
0
1
ULAZ S1
IZLAZ 15-18
• Elektropneumatski ventili i pretvornici
2/2 elektromagnetski razvodnik sa ručnim pomoćnim aktiviranjem
• 3/2 elektromagnetski razvodnik sa ručnim pomoćnim aktiviranjem
• 3/2 elektromagnetski razvodnik sa posrednim upravljanjem • 4/2 elektromagnetski razvodnik obostrano impulsno upravljan
5.12.2017.
16
• Pneumatsko-električki pretvornici signala
Osnovni spojevi
Y1
Y1
1
2
3
A
Y1
S1
+ +
S1 K1
K1
13
14
A1
A2
Y1
Y1
1
2
3
A
Y1
S1
+ +
S1 K1
K1
13
14
A1
A2
5
4
Upravljanje dvoradnim cilindrom bistabilnim razvodnikom
Y1
Y1
1
2
3
A
Y1
S1
+ +
S1 K2
K1
13
14
A1
A2
5
4
Y2
S2
Y2
K113
14
Y2
S2
K2A1
A2
Y1
Y1
1
2
3
A
Y1
S1
+ +
S1 K2
K1
13
14
A1
A2
5
4
Y2
S2
Y2
K113
14
Y2
S2
K2A1
A2
S2
Automatsko vraćanje cilindra
Serijski i paralelni spoj (logičke funkcije)
x1
+
K1
x2
(Y)
x1 x2
(Y)K1 (Y)K1
I ILI NE
x1
5.12.2017.
17
• Pneumatska realizacija jest sa uvjetno zapornim (I – a to može biti i serijski spoj dvaju
3/2 ventila), te naizmjenično zapornim (ILI) ventilima, te dva 3/2 ventila koje tvore
negaciju.
Y
x1 x2
Y
x1 x2
1
2
3
x1
Y
2
1 3
Spoj samodržanja
UKLJ.
+
K1A1
A2
K114
13
ISKLJ. ISKLJ.
UKLJ.
K1A1
A2
K114
13
Dominirajuce
UKLJUCENO
DominirajuceISKLJUCENO
Primjer upravljanja dvoradnog cilindra sa monostabilnim 5/2 razvodnikom pomoću spoja
samodržanja.
Y1
Y1
1
2
3
A
+
S1
5
4
K1A1
A2
K114
13
S2
K123
24
Složeni spojevi
• Metoda korak po korak
Aktualni korak uspostavlja uvjet (set) za slijedeći, a ukida prethodni (reset).
Koristi se spoj samodržanja. Dodatni signal dolazi od krajnjeg (graničnog)
prekidača, ili nekog drugog elementa, preko serijskog spoja (I logika).
Yn
+
G.P.1
Kn
Kn
Kn+1
Kn-1
KnKn+1
Kn+1
Kn
G.P.2
Kn+2
Yn+1
Kn+1
Pos
tavi
Pos
tavi
Pos
tavi
Briši
Briši
Briši
n. korak n+1. korak
I I
Primjer 1: uređaj za zakivanje
5.12.2017.
18
FluidSIM shema: Primjer 2: uređaj za zakivanje
Rješenje pomoću električne kaskadne metode
Primjer 3: uređaj za savijanje
Primjer 3: uređaj za savijanje
Rješenje pomoću električne taktne metode(s monostabilnim glavnim razvodnicima)
Primjer 4: uređaj za rezanje vrpce
Električna taktna metoda (monostabilni glavni razvodnici)
Primjer 4: uređaj za
rezanje vrpce
Kontakt plan (ladder): oblik programiranja PLC-a pomoću univerzalnih simbola kontakata. Kontaktni plan identičan je relejskoj shemi taktne metode.