ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ (ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΙ, ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ, ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ, ΠΡΟΓΡΑΜ. ΛΟΓΙΚΟΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ)

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ (ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΙ, ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ, ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ, ΠΡΟΓΡΑΜ. ΛΟΓΙΚΟΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ) Α. Τζαβάρας Κ.Λευθεριώτης 1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το εργαστήριο Μηχανισμών εκπαιδεύει τους σπουδαστές στις βασικές αρχές λειτουργίας και σχεδιασμού συστημάτων αυτοματισμών στους τομείς των : Πνευματικών Αυτοματισμών Ηλεκτρολογικών Αυτοματισμών Αυτοματισμών μονοφασικών & τριφασικών ηλεκτροκινητήρων Σχεδιασμό προγραμματισμό λογικών ελεγκτών (PLC). Τα παραπάνω είδη αυτοματισμών είναι ευρέως διαδεδομένα στα ιατρικά μηχανήματα, και για τον λόγο αυτό το οι γνώσεις του εργαστηρίου αποτελούν σημαντικό εφόδιο για την επαγγελματική δραστηριότητα του απόφοιτου. Ονομαστικά μερικά από τα πεδία εφαρμογής αυτοματισμών στην ιατρική τεχνολογία είναι οι αναισθησιολογικές συσκευές, οι παρακλίνιες συσκευές μηχανικής υποστήριξης αναπνοής (αναπνευστήρες), οι οδοντιατρικές συσκευέςεξοπλισμός, οι χειρουργικές τράπεζες, οι συσκευές εργαστηριακών ελέγχων (Βιοχημικοί, αιματολογικοί αναλυτές), Ακτινολογικά συστήματα τύπου C-Arm. Το εργαστήριο είναι άμεσα συνδεδεμένο με την θεωρεία του μαθήματος όπου διδάσκονται οι βασικές αρχές των συστημάτων αυτοματισμού που προαναφέρθηκαν. Η διδασκαλία του εργαστηρίου περιλαμβάνει την εκμάθηση λογισμικού (Automation Studio), το οποίο επιτρέπει τον σχεδιασμό και την εξομοίωση της λειτουργίας των αυτοματισμών τόσο μεμονωμένα (πχ μόνο πνευματικοί αυτοματισμοί), όσο και συνδιαστικά (πχ PLC & αυτοματισμοί κινητήρων). Α. Τζαβάρας 2

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1Α... 4 Automation Studio Συνοπτικό Εγχειρίδιο Λειτουργίας... 4 ΑΣΚΗΣΗ Που βρίσκουμε το κάθε σύμβολο στις βιβλιοθήκες του προγράμματος? ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΣΥΜΠΙΕΣΜΕΝΟΥ ΑΕΡΑ ΑΣΚΗΣΗ 2.1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΠΕΠΙΕΣΜΕΝΟΥ ΑΕΡΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ «ΕΞΟΔΟΥ», ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΜΒΟΛΑ ΑΣΚΗΣΗ 3.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο 32 ΒΑΛΒΙΔΕΣ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗΣ, ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ & ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ ΑΣΚΗΣΗ 5.1 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΛΟΓΙΚΗ ΤΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ BOOLE ΑΣΚΗΣΗ 5.2 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΛΟΓΙΚΗ ΤΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ BOOLE ΑΣΚΗΣΗ 5.3 ΑΝΑΛΥΣΤΕ ΤΗΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ.. 49 ΑΣΚΗΣΗ 5.4 ΑΝΑΛΥΣΤΕ ΤΙΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΟΔΟΝΤΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ & ΑΥΤΟΜΑΤΙΜΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ / ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΙ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΧΕΙΡΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΟΜΟΥ ΜΕ ΜΠΟΥΤΟΝ ΗΛΕΚ/ΚΗ ΑΥΤΟΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ ΕΚΚΙΝΗΣΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΣΚΗΣΗ 6.1 ΕΚΚΙΝΗΣΗ 2 ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΑΠΟ ΕΝΑ ΜΠΟΥΤΟΝ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΑΣΚΗΣΗ 6.2 ΕΚΚΙΝΗΣΗ 2 ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΑΠΟ ΕΝΑ ΜΠΟΥΤΟΝ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΤΡΙΦΑΣΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΤΡΙΦΑΣΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Συνδιασμός Πνευματικών & Ηλεκτρολογικών Αυτοματισμών Τεχνολογία επαγωγικών τριφασικών κινητήρων (συνοπτικά) Βιβλιογραφία Κεφαλάιου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΙ ΛΟΓΙΚΟΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ PROGRAMΜABLE LOGIC CONTROLLERS (P.L.C.) ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑΣ PLC Διευθύνσεις Εισόδων Εξόδων Προγραμματισμός PLC Προγραμματισμός με χρήση μνημoνικών εκφράσεων ΑΣΚΗΣΗ ΑΣΚΗΣΗ ΑΣΚΗΣΗ ΑΣΚΗΣΗ Εσωτερικά Ρελέ Παλμική ενεργοποίηση (one shot) Κεντρικός έλεγχος για τμήμα Προγράμματος (Master Control) ΑΣΚΗΣΗ Χρονοκαθυστέρηση Μετρητές (Counters) Βιβλιογραφία Κεφαλάιου

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1Α Automation Studio Συνοπτικό Εγχειρίδιο Λειτουργίας Το πρόγραμμα Automation Studio, είναι ένα σχεδιαστικό πακέττο Πνευματικών, Υδραυλικών, Ηλεκτρολογικών, Ψηφιακών και PLC αυτοματισμών με δυνατότητα προσομοίωσης της λειτουργίας του αυτοματισμού. Για να εκκινήσουμε το πρόγραμμα επιλέγουμε το εικονίδιο (εικόνα 1.1) από την επιφάνεια εργασίας και με διπλό πάτημα τουαριστερού πλήκτρου του ποντικιού το εκκινούμε. εικόνα 1.1 Αμέσως μετά επιλέγουμε στο παράθυρο εκκίνησης την επιλογή <None> πιέζοντας την επιλογή ΟΚ. Στην εικόνα 1.2 φαίνονται τα βασικά μενού του προγράμματος καθώς και η συνοπτική περιγραφή της λειτουργίας καθενός εξ αυτών. 4

5 Εκκίνηση Προσομοίωσης + Μεγέθυνση, - Σμίκρυνση Μεγέθυνση του επιλεγμένου Εκκίνηση προσομοίωσης Εικόνα 1.2:Βασικά μενού-εργαλεία Προσομοίωση Βήμα- Βήμα Αργή Προσομοίωση Επιλογής Παραγωγής λίστας εξαρτημάτων Τερματισμός Προσομοίωσ ης Επιλογή νέου Κανβά Σχεδίασης Επιλογή ανοίγματος Αρχείου Επιλογή νέου Αρχείου Εργαλείο Επιλογής Εξαρτημάτων Επιλογές Αρχείων, Αποθήκευση, κλείσιμο, Εξαγωγή σε μορφή AutoCAD κλπ Επανάληψη, Αναίρεση, Αποκοπή, Επικόλληση κλπ Επιλογές Μορφής Επιλογές μεγέθυνσης, Επιλογές περιστροφής αντικειμέων, Εργαλεία δέ Εργαλεία Προσομοίοσης Εργαλεία διευθέτησης παραθύρων 5

6 εικόνα 1.3:Χρήση Βιβλιοθηκών λογιμσικού Για να ξεκινήσουμε τον σχεδιασμό επιλέγουμε το εργαλείο βιβλιοθήκης. Με την επιλογή του εργαλείου βιβλιοθήκης δημιουργείται νέο παράθυρο το οποίο περιλαμβάνει λίστα με τις διαθέσημες βιβλιοθήκες, όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Για να επιλέξουμε τις επιμέρους βιβλιοθήκες για κάθε βασική βιβλιοθήκη (πχ Βιβλιοθήκη Πνευματικών Συμβόλων Pneumatics ), ενεργοποιούμε το σύμβολο της πρόσθεσης το οποίο υποδηλώνει ότι η βιβλιοθήκη περιλαμβάνει επιμέρους υποβιβλιοθήκες. Στο παράδειγμα της εικόνας 1.3 επιλέξαμε πρώτα Pneumatics και στην συνέχεια την υποβιβλιοθήκη Actuαtors (Πνευματικοί Κύλινδροι). Για κάθε περιγραφή του πνευματικού μηχανισμού που επιλέγουμε έχουμε και το συμβολικό του ισοδύναμο στο κάτω μέρος του παραθύρου βιβλιοθήκης. Στο παραπάνω παράδειγμα επιλέξαμε κύλινδρο μονής ενέργειας με ελατήριο έκτασης. Μετακινώντας το ποντίκι στην επιφάνεια σχεδίασης μεταφέρουμε το σύμβολο στην επιθυμητή θέση. Με αριστερό κλικ του ποντικιού το τοποθετούμε στην επιθυμητή θέση. Ακολουθούμε την διαδικασία και τοποθετούμε το μηχανισμό SA cylinder (Spring Extend) στην επιφάνεια σχεδίασης. Επαναλαμβάνουμε την ίδια διαδικασία για να τοποθετήσουμε μια βαλβίδα 3/2 κάτω από τον κύλινδρο ( Pneumatics ->Directional Valves -> 3/2 NC ). Τοποθετώντας την βαλβίδα στην επιφάνεια σχεδίασης μας ανοίγει παράθυρο το οποίο μας ζητάει να εισάγουμε τους μηχανισμούς αλλαγής θέσης και τα χαρακτηριστικά της βαλβίδας, Το παράθυρο και τα βήματα επιλογής για την λειτουργία της βαλβίδας περιγράφονται στην εικόνα

7 εικόνα 1.4: Επιλογή ιδιοτήτων στοιχείων 1) Επιλέγουμε την θέση της βαλβίδας (αλλάζει το χρώματης θέσης σε κόκκινο) που επιθυμούμε να διαμορφώσουμε. 2) Εάν επιθυμούμε να αλλάξουμετην όδευση των οδών επιλέγουμε την νέα όδευση από την παρεχόμενη λίστα. 3) Επιλέγουμε τον μηχανισμό/μηχανισμούς αλλαγής θέσης από την διαθέσιμη λίστα μηχανισμών και με διπλό αριστερό κλίκ τοποθετείται ο μηχανισμός στην επιλεγμένη θέση της βαλβίδας. 4) Εάν επιθυμούμε να ονομάσουμε τον μηχανισμό αλλαγής θέσης τότε επιλέγουμε τον μηχανισμό με το ποντίκι (κοκκινίζει ο μηχανισμός) και τοποθετούμε tag name (όνομα εττικέτας) στον μηχανισμό (βήμα 5). Η ονομασία του μηχανισμού είναι σημαντική εάν θέλουμε να συσχετίσμουμε παραπάνω από έναν μηχανισμόυς. 5) Τοποθετούμε tag name, στον μηχανισμό εφόσον το επιθυμούμε. 6) Πιέζουμε το ΟΚ εφόσον επιθυμούμε να ενσωματωθούν στην βαλβίδα οι αλλαγές μας. Ακολουθούμε τα παραπάνω βήματα για να εισάγουμε τα σύμβολα στην επιφάνεια σχεδίασης όπως φαίνεται στην εικόνα 1.5 ( Τα πνευματικά σύμβολα κάτω από την βαλβίδα τα βρίσκουμε Pneumatics->Lines->Pneumatic Pressure Source & Exhaust ). 7

8 εικόνα 1.5: Διασύνδεση πνευματικών στοιχείων Για να συνδέσουμε τα σύμβολαμε γραμμές παροχής επιλέγουμε το εργαλείο Pressure Line από τον κατάλογο της βιβλιοθήκης Pneumatic/Lines. Προσοχή στην σύνδεση συμβόλων με γραμμές παροχής μπορούμε να συνδέσουμε μόνο μεταξύ «κύκλων» που βρίσκονται πάνω στα σύμβολα και όχι απευθείας πάνω σε γραμμές παροχής (εικόνα 1.6). Η σύνδεση γίνεται με αριστερό κλικ πάνω στον «κύκλο» από όπου θέλουμε να ξεκινήσει η γραμμή παροχής και αριστερό κλικ στον επιθυμητό τερματισμό. Σωστό Λάθος εικόνα 1.6: Σύνδεση στοιχείων με την παροχή αερίων Έχοντας τελειώσει τον σχεδιασμό του κυκλώματος μπορούμε να προσομοιώσουμε την λειτουργία του επιλέγοντας από το μενού Simulation->Start. Το παράθυρο με τις βιβλιοθήκες εξαφανίζεται και ο κέρσορας του ποντικιού αλλάζει σε «χέρι» με το οποίο μπορούμε να ενεργοποιήσουμε όλους τους χειροκίνητους μηχανικούς διακόπτες/μηχανισμούς (εικόνα 1.7). Ενεργοποιώντας το κομβίο (μπουτόν) της βαλβίδας παρατηρούμε την αλλαγή θέσης της βαλβίδας και την προσομοίωση κίνησης του πνευματικού κυλίνδρου. εικόνα 1.7: Εξομοίωση Πν. Αυτοματισμού 8

9 ΑΣΚΗΣΗ 0.1 Σχεδιάστε και προσομοιώστε το παρακάτω κύκλωμα πνευματικού αυτοματισμού. 9

10 Που βρίσκουμε το κάθε σύμβολο στις βιβλιοθήκες του προγράμματος? 10

11 11

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο. ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ Ο ατμοσφαιρικός αέρας αποτελεί μείγμα βασικά 2 αερίων. Αζώτου ( 78% ) και Οξυγόνου ( 21% ). Χρησιμοποιούμε το παρακάτω σύστημα μετρήσεων στον υπολογισμό των πνευματικών συστημάτων: Πίνακας 1.1: Μονάδες στο SI Η ατμοσφαιρική πίεση δεν έχει σταθερή τιμή αλλά μεταβάλλεται με τις καιρικές συνθήκες και την γεωγραφική τοποθεσία. Η πίεση στην οποία αναφερόμαστε κατά τους υπολογισμούς μας είναι ουσιαστικά η επιπλέον ( ή η μικρότερη στην περίπτωση της υποπίεσης) σε σχέση με την ατμοσφαιρική πίεση. Στα πνευματικά συστήματα σύμφωνα με το DIN 1343 (διεθνής τυποποίηση ), αναφέρονται πάντα σε σταθερές συνθήκες ( Θερμοκρασία 0 o C και πίεση Pa=1.013 bar ). Η χρήση του περιβάλλοντος αέρα έναντι κάποιου άλλου αερίου οφείλεται στους παρακάτω παράγοντες : 12

13 Πίνακας 1.2: Πλεονεκτήματα χρήσης αερίων Ενώ αντίστοιχα παρουσιάζονται και μειονεκτήματα στην χρήση του ατμοσφαιρικού αέρα ως μέσο αυτοματισμών : Πίνακας 1.3: Μειωνεκτήματα χρήσης αερίων Η επιλογή της χρήσης πεπιεσμένου αέρα ως μέσου για την κατασκευή / σχεδιασμό αυτοματισμών αποτελεί συμβιβασμό του κατασκευαστή ανάμεσα στα μειονεκτήματα & τα πλεονεκτήματα του. Ένα σύστημα πνευματικού αυτοματισμού αποτελείται όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα από την ενεργειακή παροχή ( Energy Supply = πηγή ενέργειας ), τα στοιχεία εισόδου δεδομένων ( Signal Input ), το τμήμα επεξεργασίας των δεδομένων ( Signal Processing ), και τέλος την έξοδο / αποτέλεσμα ( Signal Output ). 13

14 εικόνα 1.1: Απεικόνηση τμημάτων που απαρτίζουν τους Πν. Αυτοματισμούς Ο παραπάνω αυτοματισμός σαν συνολική σύλληψη είναι παρόμοιος με μία μονάδα Η/Υ, όπου υπάρχει η παροχή ( 220 Vac ), η μονάδα εισαγωγής (ποντίκι & πληκτρολόγιο), η επεξεργασία ( CPU ) και η έξοδος ( μόνιτορ ή εκτυπωτής ). 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΣΥΜΠΙΕΣΜΕΝΟΥ ΑΕΡΑ Για να επιτευχθεί η σταθερή και σωστή λειτουργία των πνευματικών συσκευών απαιτείται η πνευματική τους παροχή να είναι στην σωστή πίεση, να είναι απαλλαγμένη από υγρασία και να είναι απαλλαγμένη από σωματίδια σκόνης. Εάν οι παραπάνω συνθήκες δεν πληρούνται τότε ο μέσος χρόνος ζωής των υλικών μειώνεται δραματικά. Η παραγωγή του πεπιεσμένου αέρα αρχίζει στην μονάδα του συμπιεστή. Εκεί η περιστροφική κίνηση ( που δίνεται από ηλεκτρικό ή κινητήρα/ες. Καύσης ), αποδίδεται ως αύξηση της ενέργειας του αερίου ( αυξημένη πίεση ). Οι συμπιεστές μπορεί να είναι είτε απλοί με πιστόνι, είτε περιστροφικοί. Η χρήση τους ανάλογα με τις ανάγκες μπορεί να γίνεται σε ένα ή πολλαπλά στάδια ( συνδεδεμένοι σε σειρά ). Συμπιεστές με έμβολο : Η μηχανική ενέργεια που καταναλώνεται για την ανύψωση και βύθιση του εμβόλου μετατρέπεται σε μεταφορά αερίων. Η μέθοδος είναι απλή. Κατά την βύθιση αέριο εισέρχεται στον θάλαμο του εμβόλου ( η κίνηση προς τα κάτω δημιουργεί υποπίεση στον θάλαμο). Η βαλβίδα εξόδου παραμένει κλειστή κατά την κάθοδο. Κατά την άνοδο του μηχανισμού ( σε συγκεκριμένη διαδρομή του εμβόλου), η βαλβίδα εξόδου ανοίγει και το αέριο εξωθείται από τον θάλαμο, ενώ η βαλβίδα εισόδου παραμένει κλειστή. Η διάταξη αυτή δεν εξασφαλίζει ομαλή και συνεχή ροή αερίου. Περιστροφικοί συμπιεστές : Η μηχανική περιστροφή του μηχανισμού εξωθεί τις φτερωτές προς τα τοιχώματα του εσωτερικού κυλίνδρου ( η κίνηση αυτή πολλές φορές υποβοηθείται από ελατήρια ). Ο αέρας που παγιδεύεται μεταξύ 2 φτερωτών εξωθείται μετά από μισή περιστροφή του μηχανισμού στην έξοδο. Παρατηρούμε ότι ο όγκος που περιλαμβάνεται μεταξύ 2 φτερωτών είναι μικρότερος στο σημείο εξόδου, γεγονός που αυξάνει την πίεση του αερίου στην έξοδο του από τον μηχανισμό. Πλεονέκτημα θεωρείται η ομαλή και συνεχής ροή του αερίου στην έξοδο. Αμέσως μετά την παραγωγή του πεπιεσμένου αέρα ακολουθεί το ρεζερβουάρ, το οποίο είναι ένα μεγάλο δοχείο αποθήκευσης αέρα υπό πίεση. Το δοχείο αυτό χρησιμοποιείται για να διατηρήσει σταθερή την παροχή πίεσης στους καταναλωτές. Διατηρεί σταθερή την πίεση στο δίκτυο ανταποκρινόμενο τόσο σε μεταβολές της κατανάλωσης όσο και μεταβολές στην πίεση κατά την παραγωγή της. Όταν η πίεση στο ρεζερβουάρ πέσει κάτω από κάποιο επίπεδο τότε επαναλειτουργεί ο συμπιεστής ( εξασφαλίζεται η διαλυπτώμενη λειτουργία του συμπιεστή ). Επιπλέον λόγω της μεγάλης του επιφάνειας ψύχει τον αέρα και συμπυκνώνει (υγροποιεί) την υπάρχουσα υγρασία σε αυτόν, η οποία καταλήγει σε στόμιο συλλογής. 15

16 εικόνα 2.1: Σύστημα παραγωγής πεπιεσμένου αέρα. Το μέγεθος του ρεζερβουάρ εξαρτάται από την απόδοση του συμπιεστή, την κατανάλωση αέρα, το μέγεθος του δικτύου, το είδος του δικτύου (πτώσεις πίεσης). εικόνα 2.2: Διάγραμμα σχέσης πίεσης - απωλειών δικτύου Για την σωστή διανομή του πεπιεσμένου αέρα πρέπει να πληρεί το δίκτυο κάποιες προϋποθέσεις, σωστό μέγεθος σωληνώσεων, σωστό υλικό κατασκευής, μικρές αντιστάσεις στην ροή. 16

17 Στο δίκτυο η ύπαρξη στενωπών, διακλαδώσεων, περιστροφών και εξαρτημάτων αυξάνει την αντίσταση του δικτύου και συνεπάγεται πτώση πίεσης. Για την σωστή λειτουργία και επισκευή του δικτύου φροντίζουμε το δίκτυο να έχει κυκλική μορφή και να υπάρχουν ξεκάθαρες ζώνες. Επιπλέον το δίκτυο πρέπει να έχει μια μικρή κλίση 1-2 % ώστε να στραγγίζεται η υγροποιημένη υγρασία. Για την κατακράτηση της υγρασίας καθώς και των αιωρούμενων σωματιδίων χρησιμοποιούμε τα φίλτρα αέρα. Το αέριο εισέρχεται με μεγάλη πίεση στον μηχανισμό αυτό, στροβιλίζεται και ακολουθεί απότομο μονοπάτι ροής. Η φυγοκέντριση, η βαρύτητα καθώς και το διαφορετικό ειδικό βάρος αερίου υγρού συντελούν στην μερική απομόνωση του αερίου από τις ακαθαρσίες (υγρασία & αιωρούμενα σώματα). Το τελικό προϊόν κατακάθεται στην βάση του μηχανισμού η οποία είναι διαφανής. Σ αυτή υπάρχει βαλβίδα εκροής την οποία ενεργοποιούμε όταν η στάθμη είναι υψηλή. Το σχεδόν καθαρό αέριο περνάει μέσα από το φίλτρο ( συνηθισμένα μεγέθη πόρου φίλτρου είναι 5 έως 40 μικρά ) όπου και καθαρίζεται τελειωτικά. Σημαντική είναι και η αποτελεσματικότητα των φίλτρων η οποία δίνεται ως ποσοστό των σωματιδίων που κατακρατούνται ( πχ %) εικόνα 2.3: Υδατοπαγίδα & φίλτρο σωματιδίων 17

18 Προς αποφυγή των διακυμάνσεων της πίεσης του αέρα ( γιατί οι διακυμάνσεις αυτές επηρεάζουν την απόδοση των πνευματικών στοιχείων ), εξομαλύνουμε την πίεση με ειδικές διατάξεις που ονομάζονται ρυθμιστές πίεσης. Ο ρυθμιστής πίεσης έχει ως σκοπό να διατηρεί την πίεση δικτύου όσον το δυνατόν σταθερή. Η τελική πίεση ( δευτερεύουσα, 2 στην εικόνα ) πρέπει να είναι πάντα μικρότερη από την αρχική πίεση ( πρωτεύουσα, 1 στην εικόνα ). Ο μηχανισμός διαθέτει εσωτερική αυτόματη μεταβολή της διαμέτρου από την οποία περνάει το αέριο, η οποία ανθίσταται στην μεταβολή της πρωτεύουσας πίεσης διατηρώντας την δευτ/σα σταθερή. Ο μηχανισμός βασίζεται στην αυξομείωση με την βοήθεια της δύναμης του ελατηρίου της διατομής της έδρας του μηχανισμού. Το ελατήριο ρυθμίζεται ( προένταση ) έτσι ώστε να διατηρεί την δευτ/σα πίεση σταθερή σε συγκεκριμένο επίπεδο. Όταν η πίεση εισόδου μειωθεί, τότε η δύναμη που σπρώχνει την μεμβράνη μειώνεται ( η πίεση ασκεί συγκεκριμένη δύναμη στην επιφάνεια της μεμβράνης ανάλογη της επιφανείας ), και κατά συνέπεια το ελατήριο σπρώχνει τον μηχανισμό προς τα άνω ελευθερώνοντας περαιτέρω την διατομή. Στην περίπτωση που η πίεση εισόδου αυξηθεί τότε η δύναμη της πίεσης στην μεμβράνη αυξάνει το ελατήριο υποχωρεί και η διατομή μικραίνει διατηρώντας την πίεση σταθερή στην έξοδο. εικόνα 2.4: Ρυθμιστής πίεσης Ο λιπαντήρας έχει σκοπό να τροφοδοτεί τις συσκευές που ακολουθούν με λιπαντικό μέσο. Η λειτουργία του βασίζεται στο φαινόμενο αναρρόφησης Ventouri. Καθώς περνάει το αέριο έχουμε δημιουργία υποπίεσης στο ακροφύσιο ( λόγω της εισαγόμενης αντίστασης στην διέλευση του αερίου ), και συνεπώς αναρρόφηση από το δοχείο λαδιού το οποίο και πρέπει να αναπληρώνουμε. Το λευπτόρευστο ορυκτέλαιο ψεκάζεται στο παρεχόμενο αέριο. Ενδεικτική τιμή ποσότητας λιπαντικού στο αέριο είναι 1-10 σταγόνες ανά m 3. 18

19 εικόνα 2.5: Λιπαντήρας (τομή) Η λίπανση χρησιμοποιείται όταν οι μηχανισμοί που ακολουθούν έχουν κινούμενα μηχανικά μέρη. Με την λίπανση επιτυγχάνεται η αύξηση του χρόνου ζωής των μηχανισμών αυτών. Η λίπανση πρέπει να περιορίζεται αυστηρά στους μηχανισμούς που απαιτείται λίπανση. Σε ολοκληρωμένη μονάδα παραγωγής πεπιεσμένου αέρα είναι απαραίτητη η ύπαρξη συμπιεστή, συσσωρευτή (δοχείο εξομάλυνσης πίεση), υδατοπαγίδας και ρυθμιστή πίεσης. Η ύπαρξη λιπαντήρα εξαρτάτε από τις βαθμίδες που ακολουθούν. 19

20 εικόνα 2.6: Προπαρασκευή Αέρα 20

21 ΑΣΚΗΣΗ 2.1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΠΕΠΙΕΣΜΕΝΟΥ ΑΕΡΑ ΣΧΕΔΙΑΣΤΕ ΕΝΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΠΕΠΕΙΕΣΜΕΝΟΥ ΑΕΡΑ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ AUTOMATION STUDIO. 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ «ΕΞΟΔΟΥ», ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΜΒΟΛΑ Το πνευματικό έμβολο μετατρέπει την παρεχόμενη πνευματική ενέργεια σε χρήσιμο έργο. Η πιο απλή μορφή εμβόλου (ή Κύλινδρος πεπιεσμένου αέρα ) είναι το έμβολο απλής / μονής ενέργειας. Οι κύλινδροι μονής (απλής) ενέργειας είναι οι κύλινδροι οι οποίοι παράγουν έργο μόνο κατά μία φορά κίνησης. Στο κάτω σχήμα απεικονίζεται κύλινδρος με ελατήριο επαναφοράς. Παρά το γεγονός ότι στην επαναφορά λόγω ελατηρίου έχουμε παραγωγή έργου, αυτό είναι αμελητέο και δε λαμβάνεται υπόψιν. εικόνα 3.1: έμβολο μονής ενέργειας με ελατήριο επαναφοράς Ο εισερχόμενος υπό πίεση αέρας στο αριστερό μέρος σπρώχνει το έμβολο προς τα δεξιά. Η δεξιά οπή είναι πάντα συνδεδεμένη με τον ατμοσφαιρικό αέρα ώστε να είναι δυνατή η ελεύθερη κίνηση του εμβόλου. Όταν η αριστερή οπή συνδεθεί με τον ατμοσφαιρικό αέρα, τότε ο αέρας υπό πίεση εντός του εμβόλου εξέρχεται και το έμβολο κινείται αριστερά με την βοήθεια του ελατηρίου. εικόνα 3.2: έμβολο διπλής διεύθυνσης 22

23 Οι κύλινδροι διπλής ενέργειας είναι κατασκευαστικά παρόμοιοι με τους κυλίνδρους μονής ενέργειας, δεν υπάρχει όμως ελατήριο επαναφοράς και οι δύο οδοί χρησιμοποιούνται εναλλάξ ως είσοδοι και έξοδοι. Το πλεονέκτημα των κυλίνδρων αυτών είναι η παραγωγή έργου και στις δύο διευθύνσεις κίνησης. Ένα ειδικό είδος κυλίνδρων το οποίο είναι άξιο αναφοράς είναι οι κύλινδροι που διαθέτουν μηχανισμό επιβράνδυσης προς το τέλος της διαδρομής τους ώστε να αποφεύγεται ο κρουστικός τερματισμός. Πριν το έμβολο φτάσει στην τελική του θέση, μπλοκάρεται η κεντρική οδός διαφυγής του αέρα και δίνεται εναλλακτική διέξοδος διαφυγής της οποίας η διατομή είναι πολύ μικρότερη και ρυθμιζόμενη. Το αποτέλεσμα είναι ότι τόσο η εκκίνηση αλλά και ο τερματισμός της κίνησης του εμβόλου είναι σταδιακός. εικόνα 3.3: έμβολο διπλής διεύθυνσης με επιβράδυνση στις ακραίες θέσεις 23

24 εικόνα 3.4: Τομή εμβόλου 1. Σώμα κυλίνδρου, κατασκευάζεται με ακρίβεια από αλουμίνιο, ορείχαλκο, ή ατσάλι χρωμιομένο. 2. Κεφαλή τερματισμού. 3. Κεφαλή βάκτρου, κατασκευάζεται από χυτοσίδερο ή αλουμίνιο. 4. Σώμα βάκτρου, κατασκευάζεται από θερμικά κατεργασμένο σίδηρο. 5. Δακτύλιος στεγανοποίησης. 6. Εσωτερικός φλοιός τριβής. 7. Δακτύλιος απόξεσης, απομακρύνει τα ξένα σώματα από το βάκτρο. 8. Δακτύλιος στεγανοποίησης των 2 θαλάμων. Χαρακτηριστικά λειτουργίας : Η δύναμη ώσης του εμβόλου εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του εμβόλου και την πίεση λειτουργίας. Θεωρητικά η δύναμη ( F TH : N ) ισούται με το γινόμενο της επιφάνειας στην οποία ασκείται (A : m 2 ) επί την πίεση λειτουργίας ( P : Pa ). Στην πράξη τόσο η τριβή όσο και η δύναμη του ελατηρίου ανθίσταται στην κίνηση του εμβόλου. Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι οι απώλειες είναι 10 %. Για τους κυλίνδρους διπλής ενέργειας έχουμε : εικόνα 3.5: Υπολογισμός δυνάμεων σε έμβολο διπλής ενέργειας 24

25 εικόνα 3.6: διάγραμμα υπολογισμού χαρακτηριστικών λειτουργίας εμβόλου Με την χρήση του παραπάνω διαγράμματος μπορούμε να υπολογίσουμε εύκολα και γρήγορα τα χαρακτηριστικά λειτουργίας ενός εμβόλου. Για παράδειγμα στην ερώτηση ποια είναι η δύναμη που ασκεί ένας κύλινδρος διαμέτρου 100 mm, βρίσκουμε από το παραπάνω διάγραμμα ότι για πίεση λειτουργίας 2 bar είναι 1200 N και για 10 bar είναι N εικόνα 3.7: Διάγραμμα υπολογισμού κατανάλωσης αέρα εμβόλου Για την κατασκευή ενός πνευματικού δικτύου πρέπει να γνωρίζουμε την συνολική κατανάλωση των μηχανισμών του δικτύου. Η κατανάλωση είναι τα L / min που χρειάζονται στην χειρότερη περίπτωση από την μονάδα παραγωγής. Οι κύλινδροι αποτελούν καταναλωτές και ο ρυθμός κατανάλωσης τους εξαρτάται από την πίεση λειτουργίας, την διάμετρο του εμβόλου, την διαδρομή του εμβόλου και την συχνότητα των διαδρομών. Από 25

26 το παραπάνω διάγραμμα μπορούμε για ένα έμβολο απλής ενέργειας διαμέτρου 100 mm, και εργαζόμενο σε πίεση 2 bar βρίσκουμε ότι η κατανάλωση του είναι 1L για κάθε 1cm διαδρομής. Επομένως για διαδρομή του εμβόλου 50 cm και για συχνότητα επανάληψης της κίνησης 5 φορές ανά min, έχουμε συνολική κατανάλωση : q (L/min) = 1(L/cm) * 5(No/min) * 50 cm = 250 L/min Η μέση ταχύτητα κίνησης στους κυλίνδρους είναι 0,1-1,5 m/sec.η ταχύτητα αυτή μπορεί να ελεγχθεί ρυθμίζοντας την ροή εισόδου του αερίου. εικόνα 3.8: Διάγραμμα υπολογισμού ταχύτητας κίνησης εμβόλου 26

27 εικόνα 3.9: Πνευματικοί κινητήρες Οι πνευματικοί κινητήρες μετατρέπουν την πνευματική ενέργεια σε περιστροφική κίνηση. Οι κινητήρες πιστωνίου δίνουν μέγιστη ταχύτητα περιστροφής 5000 rpm και ισχύ kw ( 2-25 hp). Οι κινητήρες με τις φτερωτές δίνουν kw ( hp), rpm, ενώ οι τουρμπινοκινητήρες δίνουν 500,000 rpm αλλά πολύ χαμηλή ισχύ. 27

28 ΑΣΚΗΣΗ 3.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΧΕΔΙΑΣΤΕ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΤΕ ΤΗΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ AYTOMATION STUDIO ΒΑΣΙΣΜΕΝΟΙ ΣΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 2. ΤΟ ΣΥΜΒΟΛΟ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΤΟ ΒΡΗΣΚΟΥΜΕ ΣΤΗΝ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ PNEUMATICS->ACTUATORS->MOTOR. 28

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο. ΒΑΛΒΙΔΕΣ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗΣ, ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ & ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Τα σύμβολα που χρησιμοποιούνται στα πνευματικά κυκλώματα περιγράφονται και κατά DIN ISO Οι βαλβίδες διεύθυνσης είναι συσκευές οι οποίες επηρεάζουν την διέλευση των αερίων ενός πνευματικού κυκλώματος. Επιτρέπουν την διέλευση του υπό πίεση αερίου προς συγκεκριμένη έξοδο, αποτρέπουν την διέλευση αερίου ή επιτρέπουν την διοχέτευση του υπό πίεση αέρα στο περιβάλλον. Η βαλβίδα διεύθυνσης χαρακτηρίζεται από 3 βασικές παραμέτρους. Τον αριθμό των οδών ( εισόδων & εξόδων ), τον αριθμό των καταστάσεων ( θέσεων ), στις οποίες λειτουργεί και τους μηχανισμούς αλλαγής κατάστασης. Οι παραπάνω παράμετροι παρόλο που περιγράφουν επαρκώς την λειτουργία μιας βαλβίδας δε δίνουν κανένα στοιχείο για την εσωτερική της κατασκευή. Δύο βαλβίδες με τα ίδια χαρακτηριστικά είναι δυνατόν να είναι τελείως διαφορετικές στην κατασκευή τους αλλά να εκτελούν την ίδια λειτουργία. εικόνα 4.1: Βασικά δομικά στοιχεία σχεδιασμού Η κάθε κατάσταση συμβολίζεται με ένα τετράγωνο, ενώ ο αριθμός των τετραγώνων δηλώνει τις διαφορετικές καταστάσεις που μπορεί να αλλάξει μια βαλβίδα. Οι γραμμές εντός των τετραγώνων δηλώνουν το μονοπάτι επικοινωνίας μεταξύ των οδών, ενώ το βέλος δηλώνει την κατεύθυνση της ροής. Όταν παρεμποδίζεται η ροή τότε αυτό συμβολίζεται με το σύμβολο αδιεξόδου ( Τ ). Ο αριθμός των οδών ( εισόδων & εξόδων ), φαίνεται με τις γραμμές σύνδεσης οι οποίες προεκτείνονται σε μία από τις θέσεις λειτουργίας ( παρακάτω θα γίνει κατανοητό σε ποια θέση τοποθετούνται κατά τον σχεδιασμό ). 29

30 εικόνα 4.2: Παραδείγματα ονοματολογίας βαλβίδων Στην ονοματολογία χρησιμοποιούμε δύο αριθμούς που διαχωρίζονται με μία κάθετο ( αριθμός 1 / αριθμός 2 ). Ο πρώτος αριθμός δηλώνει τον αριθμό των οδών ενώ ο δεύτερος τον αριθμό των θέσεων. Για παράδειγμα στη παραπάνω εικόνα η δεύτερη κατά σειρά βαλβίδα είναι μια βαλβίδα 3/2 κλειστή, δηλαδή μια βαλβίδα 3 ων οδών και 2 θέσεων. Επιπλέον αριθμούμε τις οδούς ή τους προσδίδουμε αρχικά τα οποία είναι χαρακτηριστικά για το είδος της σύνδεσης. Οδός υπό πίεση (παροχής) P 1 Οδός καταναλωτή A, B 2, 4 Οδός εκτόνωσης R, S 3, 5 Πίνακας 4.1: συμβολισμοί ονόματα εισόδων/εξόδων Ως θέση ηρεμίας ονομάζεται η θέση την οποία παίρνει η βαλβίδα από μόνη της λόγω του εσωτερικού της μηχανισμού πριν συνδεθεί στο δίκτυο ( στο 90% των εφαρμογών συμπίπτει με την θέση όπου υπάρχει ελατήριο επαναφοράς ). Ως αρχική θέση ονομάζεται η θέση την οποία παίρνει η βαλβίδα αφότου τοποθετηθεί στο δίκτυο και το δίκτυο εκκινήσει την λειτουργία του ( υπάρχουν ηλεκ/κες, πνευματικές παροχές ). Η θέση στην οποία είναι εμφανείς οι γραμμές σύνδεσης είναι υπεύθυνη για την ονοματολογία της. Στο προηγούμενο παράδειγμα ονομάσαμε μια βαλβίδα 3/2 κλειστή, από πού προέκυψε ο όρος κλειστή; Προέκυψε από το γεγονός ότι η παροχή 1 δεν επικοινωνεί με τον καταναλωτή 2 στην θέση όπου είναι εμφανείς οι γραμμές σύνδεσης. Όπως ήδη είπαμε είναι σημαντικό χαρακτηριστικό ο μηχανισμός αλλαγής θέσης σε μία βαλβίδα. Η μετάβαση από μία θέση στην άλλη μπορεί να γίνεται είτε μηχανικά ( μοχλός, μπουτόν, ποδοδιακόπτης κλπ), είτε πνευματικά ( πίεση λειτουργίας >5bar, ή πλοηγός πίεση <5bar ) είτε με ηλεκτρικό τρόπο ( ηλεκτρομαγνητικά ), είτε με συνδυασμό των παραπάνω τρόπων ( παράλληλα με λογική OR, σε σειρά με λογική AND ). 30

31 εικόνα 4.3: Μηχανισμοί αλλαγής θέσης βαλβίδων Η παρακάτω βαλβίδα διεύθυνσης ονομάζεται 2/2 κανονικά κλειστή ( 2/2 NC ), διαθέτει ελατήριο επαναφοράς στην θέση ηρεμίας όπου είναι εμφανείς οι οδοί της βαλβίδας και η ονοματολογία τους ( 1 = παροχη, 2= κατανάλωση ). Όταν το πηνίο του ηλεκτρομαγνητικού μηχανισμού ενεργοποιηθεί ( περάσει ρεύμα ) τότε δημιουργείται ηλεκτρομαγνητικό πεδίο το οποίο ασκεί ελκτική δύναμη στον εσωτερικό μεταλλικό μηχανισμό ο οποίος και ανασηκώνεται ελευθερώνοντας την ροή του αερίου. Όταν το πηνίο απενεργοποιηθεί το ελατήριο επαναφέρει τον μηχανισμό στην κατάσταση φραγής της διέλευσης αερίου. Στην εικόνα απεικονίζεται σε κατάσταση ενεργοποιημένου πηνίου. Για τους σκοπούς του εργαστηρίου η ονομασία της βαλβίδας NC / NO, θα γίνεται εφόσον είναι εμφανής η αρχική της θέση στο κύκλωμα κατά την διάρκεια λειτουργίας είτε η θέση ηρεμίας της. 31

32 εικόνα 4.4: τομή βαλβίδας 2/2 κανονικά κλειστή ( 2/2 NC ) εικόνα 4.5: τομή βαλβίδων 3/2 κανονικά κλειστή (3/2 NC) Οι παραπάνω 2 βαλβίδες έχουν την ίδια ονοματολογία αλλά έχουν εντελώς διαφορετικό εσωτερικό μηχανισμό λειτουργίας. Και οι δύο βαλβίδες έχουν ελατήριο επαναφοράς στην θέση ηρεμίας και μηχανικό μπουτόν για την αλλαγή θέσης. Όσο το μπουτόν δεν έχει πατηθεί το ελατήριο σπρώχνει τον μηχανισμό ( σφαιρικός στην κάτω εικόνα και δισκοειδής στην επάνω ) και κλείνει την επικοινωνία μεταξύ των οδών 1 & 2. Η διαφορά των δύο βαλβίδων στην εκτόνωση του αερίου είναι ότι η κάτω βαλβίδα εκτονώνει μέσω του μπουτόν, ενώ η επάνω βαλβίδα εκτονώνει μέσω της οδού 3 ( η διαφορά φαίνεται και στο σύμβολο που χρησιμοποιείται στον σχεδιασμό ). 32

33 εικόνα 4.6: τομή βαλβίδας 4/3 NC Η παραπάνω βαλβίδα είναι 3/2 NC ( Normaly Close ), η οποία αλλάζει θέση λειτουργίας με την βοήθεια πνευματικής πίεσης στην είσοδο 12 ( το 12 σημαίνει ότι η ενεργοποίηση συνδέει τις οδούς 1 & 2 ). Προσοχή η είσοδος 12 είναι ο μηχανισμός αλλαγής θέσης και όχι οδός της βαλβίδας. Παρατηρούμε ότι η σύνδεση των οδών είναι εμφανής στην θέση λειτουργίας. Το απλό κύκλωμα δείχνει την εκκίνηση λειτουργίας ενός εμβόλου με την χρήση 2 βαλβίδων 3/2. Η μηχανική βαλβίδα ενεργοποιείται με την πίεση του μπουτον, επιτρέπει την ροή αερίου το οποίο με την σειρά του αλλάζει θέση στην πνευματική βαλβίδα και επιτρέπει την ροή αερίου προς το έμβολο το οποίο και παράγει έργο. εικόνα 4.7: τομή βαλβίδας 3/2 NO, με μηχανισμούς αλ. Θέσης λογικής AND 33

34 Η παραπάνω βαλβίδα αποτελείται από ένα συνδυασμό μηχανισμών αλλαγής θέσης. Οι μηχανισμοί αυτοί είναι τοποθετημένοι σε διάταξη AND. Ο πρώτος μηχανισμός είναι οριοδιακόπτης μονής κατεύθυνσης ( ενεργοποιείται μόνο σε μια κατεύθυνση κίνησης ), ο οποίος όταν ενεργοποιηθεί σπρώχνει προς τα κάτω το 2 ο μηχανισμό και επιτρέπει την διέλευση αερίου υπό πίεση στον θάλαμο στην κορυφή της βαλβίδας. Το αέριο υπό πίεση σπρώχνει τον δεύτερο μηχανισμό προς τα κάτω και ελευθερώνει την δίοδο του αέρα μεταξύ των οδών 2 & 3. Η αλλαγή θέσης είναι εφικτή μόνο εφόσον ενεργοποιηθούν και οι δύο μηχανισμοί ( οριοδιακόπτης & πνευματικό έμβολο ). εικόνα 4.8: τομή βαλβίδας 4/3 με μανδάλωση Η παραπάνω βαλβίδα επιδεικνύει το χαρακτηριστικό της μηχανικής μανδάλωσης ( συγκράτησης με μηχανικό τρόπο στην συγκεκριμένη θέση ). Η μεταγωγή από την μια θέση στην επόμενη γίνεται με ανασήκωση και περιστροφή του βραχίονα. Στην μεσαία θέση δεν έχουμε επικοινωνία μεταξύ των οδών. Στην αριστερή θέση λειτουργίας επικοινωνεί ή 1 με την 4 και η 2 με την 3, στην δεξιά θέση λειτουργίας έχουμε διαγώνια επικοινωνία των οδών. Η λειτουργία είναι εμφανής στο κύκλωμα όπου η βαλβίδα αυτή οδηγεί το έμβολο διπλής ενέργειας. Στην αριστερή θέση λειτουργίας μανδαλώνει ο μηχανισμός και το έμβολο μετακινείται προς τα δεξιά, αλλάζοντας την θέση λειτουργίας στα δεξιά έχουμε μετακίνηση του εμβόλου προς τα αριστερά. Εάν σε οποιαδήποτε στιγμή επιστρέψουμε την βαλβίδα στην κεντρική θέση τότε το έμβολο παραμένει σταθερό. Η παρακάτω βαλβίδα είναι βαλβίδα μονής διεύθυνσης ( ανεπίστροφη ) με ελατήριο επαναφοράς. Όταν ο αέρας υπό πίεση έρχεται από αριστερά και η πίεση του είναι αρκετή για να υπερνικήσει την δύναμη του ελατηρίου τότε σπρώχνει τον μηχανισμό δεξιά και ελευθερώνεται η ροή του αέρα. Αέριο υπό πίεση στην αντίθετη κατεύθυνση σπρώχνει τον μηχανισμό αριστερά και σφραγίζεται η διέλευση του. 34

35 εικόνα 4.9: άνω: βαλβίδα μονής διεύθυνσης μέση: βαλβίδα μονής διεύθυνσης με ρυθμιστή ροής (ταχείας εκκένωσης_ κάτω: ρυθμιστής ροής Οι παραπάνω βαλβίδες είναι βαλβίδες ρύθμισης ροής. Την ρύθμιση την επιτυγχάνουμε ρυθμίζοντας την διατομή της οδού διέλευσης του αερίου. Η κάτω βαλβίδα ρυθμίζει την ροή ανεξάρτητα της διεύθυνσης του αερίου, ο ρυθμιστής ροής στην πάνω εικόνα περιλαμβάνει εσωτερικά ένα μηχανισμό ταχείας εκτόνωσης με βαλβίδα μονής ροής. Όταν το αέριο ρέει από την οδό 1 στην 2 τότε περνάει μέσω της ρυθμιζόμενης διατομής, στην αντίθετη κατεύθυνση ανασηκώνονται τα πλευρικά στεγανοποιητικά υλικά και έχουμε ταχεία εκτόνωση του αερίου. 35

36 Η παρακάτω βαλβίδα είναι η πρώτη από τις βαλβίδες επεξεργασίας ( αποφάσεων ) που συναντάμε. Διαθέτει 3 οδούς ( 1 & 1(3) & 2 ). Όταν έχουμε αέριο υπό πίεση στην είσοδο 1 τότε μετακινείται ο εσωτερικός μηχανισμός και φράζει την είσοδο 1(3) και το αέριο διέρχεται στην οδό 2. Όμοια όταν το αέριο υπό πίεση διέρχεται πρώτα από την οδό 1(3) φράσσεται η οδός 1 και το αέριο οδεύει από την 1(3) στην 2. Η βαλβίδα ονομάζεται OR (ή), γιατί είναι ισοδύναμη του λογικού συμβόλου OR. Επιτρέπει την ροή από την οδό 1 στην 2 ή από 1(3) στην 2, και έξοδο στην 2 όταν έχουμε πίεση ταυτόχρονα και από στις 2 οδούς ( 1 & 1(3) ). Στο πνευματικό διάγραμμα μπορούμε να δούμε έναν απλό μηχανισμό απόμακρης ενεργοποίησης ενός εμβόλου διπλής ενέργειας από 2 θέσεις εργασίας. Εάν δεν υπήρχε η OR βαλβίδα τότε ενεργοποιώντας την 1S1 ο υπό πίεση αέρας θα διερχόταν μέσω της 1S2 στο περιβάλλον. εικόνα 4.10: βαλβίδα OR Αντίστοιχα με την παραπάνω βαλβίδα που ισοδυναμεί με την λογική πύλη OR υπάρχει η βαλβίδα που απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα και ισοδυναμεί με την λογική πύλη AND. Στην βαλβίδα αυτή για να επιτραπεί η διέλευση αερίου υπό πίεση πρέπει να ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα ( εμφανισθεί πίεση αερίου ) και στις 2 οδούς 1 & 1(3). Εάν η πίεση εμφανισθεί σε μία μόνο από τις εισόδους πχ την 1 τότε μετακινείται λόγω πίεσης ο μηχανισμός και μπλοκάρει την διέλευση από την υπό πίεση οδό 1 στην οδό 2. Η βαλβίδα αυτή όπως φαίνεται στο παρακάτω πνευματικό διάγραμμα χρησιμοποιείται για να επιτύχει την παραγωγή έργου στο έμβολο με ταυτόχρονη ενεργοποίηση των 2 βαλβίδων 1S1 & 1S2. 36

37 εικόνα 4.11: βαλβίδα AND Με κατάλληλους συνδυασμούς των βαλβίδων που παρουσιάσαμε μπορούμε να δημιουργήσουμε δευτερεύοντες μηχανισμούς, όπως ο μηχανισμός χρονικής καθυστέρησης που φαίνεται στο παρακάτω σχέδιο. Ο μηχανισμός αυτός αποτελείται από ένα ρυθμιστικό ροής ( με μηχανισμό ταχείας εκτόνωσης ), ένα ρεζερβουάρ και μια βαλβίδα 3/2 NC. Όταν το αέριο υπό πίεση εισέρχεται στην είσοδο 10 τότε αρχίζει να γεμίζει το ρεζερβουάρ με ρυθμό τον οποίο καθορίζει το ρυθμιστικό ροής. Όταν η πίεση στο ρεζερβουάρ φτάσει σε κάποια στάθμη τότε ενεργοποιείται η βαλβίδα 3/2 και επιτρέπεται η επικοινωνία των οδών 2 & 3. Όταν σταματήσει να υπάρχει πίεση στην οδό 10 ( και της επιτραπεί να εκτονωθεί ) ο αέρας εξέρχεται ταχέως από το ρεζερβουάρ μέσω της βαλβίδας μονής κατεύθυνσης παρακάμπτωτας το ρυθμιστικό ροής, και επιτρέπεται η διέλευση από την οδό 1 στην 2 ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΤΗΝ ΚΑΤΕΥΘ/ΣΗ ΤΗΣ ΒΑΛΒΙΔΑΣ εικόνα 4.12: βαλβίδα χρονοκαθυστέρησης & διάγραμμα χρονισμού 37

38 ΑΣΚΣΗΣΗ 4.1 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΒΑΛΒΙΔΑΣ OR ΣΧΕΔΙΑΣΤΕ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΤΕ ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΩΝ ΣΑΣ ΠΟΥ ΒΡΙΣΚΕΤΑΙ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ / ΤΟΜΗ ΤΗΣ ΒΑΛΒΙΔΑΣ OR. 38

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ Ο σχεδιασμός ενός πνευματικού αυτοματισμού συντελείται με παρακάτω βήματα : 1. Ανάλυση του προβλήματος. 2. Σχεδιασμός της προτεινόμενης λύσης στο πρόβλημα. 3. Εφαρμογή της λύσης και έλεγχος αποτελεσματικότητας. 4. Έλεγχος απόδοσης ( θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα με διαφορετικό, ίσως πιο απλό τρόπο? ). 5. Έλεγχος ευκολίας συντήρησης της προτεινόμενης λύσης και επιλογή κατάλληλων υλικών για το τελικό προϊόν. Ο σχεδιασμός και η ανάλυση μπορούν να γίνουν με μια πληθώρα διαφορετικών μεθόδων τρεις εκ των οποίων είναι οι συνηθέστερες : Εμπειρική σχεδίαση, με βάση αντίστοιχα προβλήματα του παρελθόντος. Ο τρόπος αυτός είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός για την επίλυση απλών προβλημάτων σχεδιασμού. Επίλυση με χρήση της Boolean άλγεβρας. Επίλυση με την βοήθεια διαγραμμάτων λειτουργίας. Από τις παραπάνω μεθόδους θα αναλύσουμε ιδιαίτερα την 2 η μέθοδο, ενώ την 1 η θα την αγνοήσουμε θεωρώντας ότι υπάρχει παντελής έλλειψη εμπειρίας στην ανάλυση και τον σχεδιασμό. Η Boolean άλγεβρα χρησιμοποιείται στην ανάλυση και τον σχεδιασμό διαφόρων συστημάτων ( ψηφιακά, ηλεκτρολογικά & πνευματικά). Η θεωρεία της άλγεβρας αποτελεί αντικείμενο άλλου μαθήματος για αυτό και η αναφορά μας στις μεθόδους θα είναι συνοπτική και πάντα σε αναφορά με συγκεκριμένο πρόβλημα αυτοματισμού, το οποίο θα χρησιμοποιήσουμε σαν παράδειγμα στην εκμάθηση των μεθόδων ανάλυσης και σχεδιασμού. Στην εικόνα που ακολουθεί βλέπουμε το ισοδύναμο των λογικών πράξεων καθώς και τους πίνακες αληθείας στα πνευματικά συστήματα. Παρατηρούμε όπως και στα ψηφιακά συστήματα οι πιο σημαντικές λογικές πράξεις ( πύλες ) από τις οποίες απορρέουν και όλες οι άλλες είναι οι AND, OR & NOT. 39

40 εικόνα 5.1: Ισοδύναμα κυκλώματα λογικών πυλών 40

41 Ας θέσουμε ένα υποθετικό πρόβλημα για να χρησιμοποιήσουμε boolean άλγεβρα προς επίλυση του προβλήματος. Πρόβλημα : Τράπεζα ασθενούς ανυψώνεται με την βοήθεια πνευματικού κυλίνδρου. Η άνοδος της γίνεται με την βοήθεια ποδοδιακόπτη (τον οποίο θα ονομάσουμε ποδοδιακόπτη Παν ), και η κάθοδος της γίνεται με την βοήθεια 2 ου ποδοδιακόπτη ( Πκαθ ). Η τράπεζα παραμένει σε σταθερό ύψος όταν δεν έχει πατηθεί κάποιος από τους ποδιαδιακόπτες ή όταν έχουν πατηθεί κατά λάθος ταυτόχρονα (Συγκρατώντας και τις δύο εισόδους με αέρα υπό πίεση). Να σχεδιαστεί το πνευματικό κύκλωμα αυτοματισμού. εικόνα 5.2: πνευματική χειρουργική τράπεζα Είναι προφανές ότι στο παραπάνω αυτοματισμό το έμβολο πρέπει να είναι διπλής ενέργειας ( για ενεργητική άνοδο και κάθοδο ), το γεγονός αυτό συνεπάγεται ότι θα υπάρχουν 2 καταναλωτές ΑΝΔ & ΚΑΘ ( 2 είσοδοι του εμβόλου ). Είναι επιπλέον προφανές ότι όταν είναι ενεργές ταυτόχρονα και οι δύο είσοδοι το έμβολο θα παραμείνει σταθερό. Το σύστημα έχει 2 μηχανισμούς ενεργοποίησης του εμβόλου Παν & Πκαθ. Θα μπορούσαμε λοιπόν να αποδώσουμε τον πίνακα αληθείας ( τα στάδια λειτουργίας του συστήματος ) σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα : Παν Πκαθ ΑΝΔ ΚΑΘ Πίνακας 5.1: Πίνακας αληθείας τράπεζας εικόνας 5.2 Μεταφράζοντας τον παραπάνω πίνακα διαβάζουμε την πρώτη σειρά : Εφόσον ο ποδοδιακόπτης ανόδου (Παν) και ο ποδοδιακόπτης καθόδου (Πκαθ), δεν είναι ενεργοποιημένοι (κατάσταση 0), το έμβολο παραμένει στην ίδια θέση (και οι δύο είσοδοι έχουν αέρα υπό πίεση, κατάσταση 1). Όμοια η 3 η γραμμή μεταφράζεται : Εφόσον ο ποδοδιακόπτης ανόδου (Παν) είναι ενεργός (κατάσταση 1) και ο ποδοδιακόπτης καθόδου (Πκαθ) δεν είναι ενεργός (κατάσταση 0), το έμβολο ανεβαίνει (η έισοδος ΑΝΔ έχει κατάσταση 1, δηλαδή εισέρχεται αέρας υπό πίεση, και η είσοδος ΚΑΘ έχει κατάσταση 0, δηλαδή ο αέρας επιστρέφει στο περιβάλλον). 41

42 Η τελική έκφραση που παίρνουμε από τον παραπάνω πίνακα αληθείας, βασίζεται στην λογική της άλγεβρας Boole που χρησιμοποιούμε και στα Λογικά κυκλώματα. Ελέγχουμε την κάθε έξοδο (είσοδοι ΑΝΔ & ΚΑΘ), πότε είναι σε κατάσταση 1. Παρατηρούμε ότι η έξοδος ΑΝΔ είναι σε κατάσταση 1 σε τρείς διαφορετικές γραμμές του πίνακα αληθείας, στις γραμμές 1, 3 & 4. Οι γραμμές αυτές συνδέονται με λογική OR, δηλαδή όποια από τις γραμμές και να ισχύει η έξοδος ΑΝΔ έχει τιμή 1. Για κάθε γραμμή ξεχωριστά πρέπει να ελέγξουμε τι συμβαίνει και στις 2 εισόδους (Παν & Πκαθ) συγχρόνος (λογική AND). Για την γραμμή 3, πρέπει η είσοδος Παν να είναι σε κατάσταση 1, και η είσοδος Πκαθ σε κατάσταση 0, η οποία συμβολίζεται με Πκαθ. Αποδίδοντας λεκτικά τα παραπάνω έχουμε για την έξοδο ΑΝΔ βρίσκεται σε κατάσταση 1 όταν (γραμμή 1) η είσοδος Παν=0 (Παν ) και η είσοδος Πκαθ=0 (Πκαθ ) ή (γραμμή 3)όταν Παν=1 και η είσοδος Πκαθ=0 (Πκαθ ) ή (γραμμή 4) όταν Παν=1 και η είσοδος Πκαθ=1. Τα παραπάνω περιγράφονται από την εξίσωση: ΑΝΔ = (Παν * Πκαθ ) + (Παν * Πκαθ ) + (Παν * Πκαθ ) Όμοια για την έξοδο ΚΑΘ ΚΑΘ = (Παν * Πκαθ ) + (Παν * Πκαθ) + (Παν * Πκαθ) Όπου : * είναι AND + είναι OR είναι NOT ( 0 ) Εφόσον προκύψουν ιδιαίτερα πολύπλοκες εκφράσεις τότε μπορούμε με την χρήση πινάκων Karnaugh να απλοποιήσουμε τις εκφράσεις. Απλοποιώντας τις εκφράσεις ΑΝΔ & ΚΑΘ έχουμε : Πκαθ=0 Πκαθ=1 Παν=0 1 0 Παν=1 1 1 ΑΝΔ= Πκαθ + Παν Πκαθ=0 Πκαθ=1 Παν=0 1 1 Παν=1 0 1 ΚΑΘ=Παν + Πκαθ Η απλοποίηση γίνεται για να έχουμε όσον το δυνατόν λιγότερους παράγοντεα στις σχέσεις και κατά συνέπεια λιγότερες βαλβίδες. Για να αντιληφθούμε την ερμηνεία του όρου Παν ή Πκαθ, πρέπει να εξετάσουμε πώς δημιουργούμε ΝΟΤ πύλη στα πνευματικά. Ουσιαστικά η Παν είναι η ΝΟΤ της Παν. Στην παρακάτω εικόνα είναι εμφανές πώς κατασκευάζουμε την ΝΟΤ μίας βαλβίδας. 42

43 εικόνα 5.3: υπόδειγμα κατασκευής πύλης NOT Όταν πιεστεί το μπουτόν, τότε η βαλβίδα Παν ανοίγει και επιτρέπει στην έξοδο της νε εξέλθει αέρας υπό πίεση από την παροχή. Ο αέρας αυτός εμφανίζεται στην έξοδο 1, αλλά επιπλέον διακλαδίζεται στον πνευματικό μηχανισμό αλλάγης θέσης της βαλβίδας ΝΟΤ Παν, αλλάζει κατάσταση στην βαλβίδα και αποκόπτει την ροή του αέρα προς την έξοδο 2. Εάν απενεργοποιηθεί το κομβίο επαναφοράς (μπουτόν), τότε η βαλβίδα Παν έρχεται σε κατάσταση φραγής (κλειστή) και δεν επιτρέπει την ροή του αερίου παροχής. Επομένως η βαλβίδα ΝΟΤ Παν δεν δέχεται αέρα στον μηχανισμό αλλαγής θέσης και κατά συνέπεια επανέρχεται στην «κανονική αρχική» της κατάσταση όπου ο αέρας εξέρχεται στην έξοδο 2. Συνεπώς η βαλβίδα ΝΟΤ Παν δίνει στην έξοδο 2 πάντα την αντίθετη κατάσταση από την έξοδο 1. 43

44 Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω 2 εκφράσεις (ΑΝΔ & ΚΑΘ), και τον πίνακα αντιστοιχιών λογικών πράξεων και πνευματικών κυκλωμάτων μπορούμε να σχεδιάσουμε το πνευματικό κύκλωμα : εικόνα 5.4: αυτοματισμός που επαληθεύει τον πίνακα αληθείας 5.1 Στο παραπάνω σχέδιο έχουμε τον σχεδιασμό του αυτοματισμού που επαληθεύει τον πίνακα αλήθειας του προβλήματος. Αναλυτικότερα για την άνοδο του εμβόλου, πιέζουμε τον ποδοδιακόπτη Παν, αέριο περνάει από την βαλβίδα Παν και ενεργοποιεί την ΝΟΤ-Παν, η οποία κλείνει την διέλευση της παροχής του αερίου. Η βαλβίδα ΟR-1, είναι ενεργή και αέριο διέρχεται προς την ΑΝΔ του εμβόλου. Αντίστοιχα εάν πιέσουμε την Πκαθ, αλλάζει θέση στην ΝΟΤ-Πκαθ, αλλά η βαλβίδα OR-2 είναι ενεργή και διέρχεται αέρας προς την ΚΑΘ του εμβόλου. Εάν δεν πατηθεί κανένας ποδοδιακόπτης τότε και οι 2 OR είναι ενεργές (επιδή η ΝΟΤ Παν & ΝΟΤ Πκαθ επιτρέπουν την διέλευση του αέρα υπό πίεση) και κατά συνέπεια οι εσόδοι ΑΝΔ & ΚΑΘ έχουν και οι δύο αέρα υπό πίεση, άρα το έμβολο σταθεροποιείται. Με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να αναλύσουμε αντίστροφα ένα πνευματικό σχέδιο και να καταλήξουμε στον πίνακα αληθείας που το περιγράφει. Στο παρακάτω σχέδιο (παραλαγή του πνευματικού αυτοματισμού που αναλύσαμε), θέλουμε να βρούμε τον πίνακα αληθείας. Το 1 ο βήμα είναι να αποφανθούμε για τον αριθμό των εισόδων & εξόδων του κυκλώματος. Οι βαλβίδες 1,2 & 3 είναι οι είσοδοι (βαλβίδες 4 & 5 είναι ΝΟΤ), άρα ο πίνακας αληθείας 44

45 θα έχει 2 3 = 8 καταστάσεις. Όμοια με την προηγούμενη άσκηση υπάρχει ένα έμβολο διπλής ενέργειας με 2 εισόδους που αποτελούν και τις εξόδους του αυτοματισμού. Θα τις ονομάσουμε όμοια ΑΝΔ & ΚΑΘ. εικόνα 5.5: Πνευματικός αυτοματισμός Για να αναλύσουμε το κύκλωμα είτε αρχίζουμε από το τέλος (εξόδους) είτε από την αρχή (εισόδους). Για την ανάλυση θα επιλέξω την δεύτερη προσέγγιση. Ενεργοποιούμε θεωρητικά τους μηχανισμούς και εξετάζουμε τι συμβαίνει στο κύκλωμα, και στην συνέχεια ελέγχουμε συνδιαστικά την ενεργοποίηση των μηχανισμών. Πιέζοντας μόνο τον μηχανισμό της βαλβίδας 1 => έχουμε κατάσταση 1 στην βαλβίδα 6, και ενεργοποίηση της βαλβίδας ΝΟΤ 4, η οποία αποκόπτει την ροή αέρα προς την 7. Εφόσον η OR6, έχει αέριο υπό πίεση σε μία είσοδο τουλάχιστον μας δίνει 1 στην έξοδο της που αποτελεί και είσοδο της AND 8. Για να έχουμε έξοδο στην AND 8, πρέπει να έχουμε κατάσταση 1 και στις 2 εισόδους της. Η δεύτερη είσοδος της AND 8 τροφοδοτείται από την βαλβίδα 3, η οποία είναι ΝΟ και εφόσον δεν έχει ενεργοποιηθεί επιτρέπει την διέλευση αέρα. Συνεπώς η ΑΝΔ είναι σε κατάσταση 1. Άρα ο πίνακας αληθείας για το προηγούμενο βήμα είναι : Βαλβίδα 3 Βαλβίδα 2 Βαλβίδα 1 ΑΝΔ Τι συμβαίνει για αυτό το συνδιασμό εισόδων στην ΚΑΘ; Παρατηρούμε ότι η OR7, δεν έχει είσοδο από καμία βαλβίδα (βαλβίδα 2 μη ενεργοποιημένη και ΝΟΤ 4 είναι σε κατάσταση φραγής), άρα η βαλβίδα AND 9 έχει την μία της είσοδο σε κατάσταση 0 και κατά συνέπεια η έξοδος της είναι μηδέν. Ο πίνακας αληθείας πιο ολοκληρωμένα για τον συνδιασμό αυτό των εισόδων γίνεται: Βαλβίδα 3 Βαλβίδα 2 Βαλβίδα 1 ΑΝΔ ΚΑΘ Διατηρούμε την βαλβίδα 1 ενεργοποιημένη και ενεργοποιούμε την βαλβίδα 3 => Μέχρι την OR 6, συμβαίνουν ακριβώς τα ίδια. Η διαφορά είναι ότι πλέον η άνω είσοδος της AND 8 έχει είσοδο 0 (η 3 δεν επιτρέπει πλέον την διέλευση αέρα υπό 45

46 πίεση) και κατά συνέπεια η ΑΝΔ του εμβόλου είναι σε κατάσταση 0. Άρα ο νέος πίνακας αληθείας για τον συνδιασμό αυτό είναι ο ακόλουθος : Βαλβίδα 3 Βαλβίδα 2 Βαλβίδα 1 ΑΝΔ ΚΑΘ Όμοια μελετούμε τους συνδιασμούς των άλλων εισόδων και καταλλήγουμε στον παρακάτω πίνακα αληθείας : Βαλβίδα 3 Βαλβίδα 1 Βαλβίδα 2 ΑΝΔ ΚΑΘ (Ανδ) (Καθ) Πίνακας 5.2: πίνακας αληθείας αυτοματισμού εικόνας 5.5 Παρατηρούμε στις γραμμές 1-4, ότι ο πίνακας αληθείας είναι όμοιος με αυτόν της προηγούμενης άσκησης. Ο πίνακας διαφοροποιείται όταν ενεργοποιηθεί η Βαλβίδα 3, όπου διακόπτεται η παροχή στις AND και κατά συνέπεια οι έξοδοι ΑΝΔ & ΚΑΘ είναι σε κατάσταση 0. Το παραπάνω πρόβλημα μπορεί να επιλυθεί και με την χρήση διαγραμμάτων λειτουργίας. Τα διαγράμματα λειτουργίας αποδίδουν την χρονική σχέση μεταξύ αποτελέσματος και εισόδων. Σε ένα απλό έμβολο το διάγραμμα λειτουργίας παρουσιάζει την σχέση μεταξύ χρονικής στιγμής και θέσης του εμβόλου. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η σχέση αυτή για ίσους και διαφορετικούς χρόνους έκτασης και επαναφοράς. εικόνα 5.6: διαγράμματα χρόνου κίνησης εμβόλων Στο διάγραμμα εισάγουμε και τις ενεργοποιήσεις βαλβίδων εμφανίζοντας ταυτόχρονα τις λογικές μεθόδους που τις συνδέουν, με σύμβολα που εικονίζονται στην παρακάτω εικόνα: 46

47 εικόνα 5.7: διάγραμμα κίνησης αυτοματισμού Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει την επίλυση του προηγούμενου προβλήματος : εικόνα 5.8: χρονική ανάλυση κίνησης εμβόλου 47

48 ΑΣΚΗΣΗ 5.1 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΛΟΓΙΚΗ ΤΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ BOOLE. ΑΝΑΛΥΣΤΕ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΤΕ ΤΟΝ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΤΟΥ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΤΡΑΠΕΖΑΣ ΑΣΘΕΝΟΥΣ ΤΟΠΟΘΕΤΟΝΤΑΣ ΚΑΙ ΟΡΙΟΔΙΑΚΟΠΤΗ ΑΝΟΔΟΥ. ΑΣΚΗΣΗ 5.2 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΛΟΓΙΚΗ ΤΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ BOOLE. ΑΝΑΛΥΣΤΕ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΤΕ ΤΟΝ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΠΟΡΤΑΣ Η ΟΠΟΙΑ ΘΑ ΕΧΕΙ ΤΗΝ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΝΑ ΑΝΟΙΓΕΙ ΚΑΙ ΝΑ ΚΛΕΙΝΕΙ ΑΠΟ 2 ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΔΙΑΚΟΤΕΣ (ΕΝΤΟΣ ΚΑΙ ΕΚΤΟΣ ΤΟΥ ΔΩΜΑΤΙΟΥ). ΕΠΙΛΕΟΝ ΘΑ ΥΠΑΡΧΕΙ ΟΡΙΟΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΠΟΥ ΘΑ ΧΡΗΣΙΜΕΥΕΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΚΛΕΙΣΙΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΗΣ ΠΟΡΤΑΣ. ΜΟΝΟ ΟΤΑΝ Ο ΟΡΙΟΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΕΙΝΑΙ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟΣ ΘΑ ΕΠΙΤΡΕΠΕΤΑΙ ΤΟ ΑΝΟΙΓΜΑ ΤΗΣ ΠΟΡΤΑΣ. 48

49 ΑΣΚΗΣΗ 5.3 ΑΝΑΛΥΣΤΕ ΤΗΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ. 49

50 ΑΣΚΗΣΗ 5.4 ΑΝΑΛΥΣΤΕ ΤΙΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΟΔΟΝΤΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ. 50

51 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΩΝ «INDUSTRIAL HYDRAULIC CONTROL», Peter Rohner, John Willey & Sons, 4 th edition. 2. «Εισαγωγή στα Πνευματικά», Θεωρία, FESTO DIDACTIC, 4 th edition, ISBN «Foundamentals of pneumatics», Festo Didactic. 4. «Characteristics and applications of pneumatics», Festo Didactic. 5. «Πνευματικό Σύστημα & Αυτοματισμοί Υψηλής Πίεσης», Ι. Αυγερινός, Εκδόσεις Γρη. Φούντας, Τόμος 1. 51

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ & ΑΥΤΟΜΑΤΙΜΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ / ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΥΛΙΚΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΟΜΟΙ Οι ηλεκτρονόμοι αποτελούν ένα από τα βασικότερα στοιχεία στους ηλεκτρολογικούς αυτοματισμούς. Η βασική τους χρησιμότητητα είναι ότι μετατρέπουν την ηλεκτρική εντολή σε μηχανική. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (εικόνα 6.1), ο ηλεκτρονόμος αποτελείται από ένα πηνίο το οποίο χρησιμεύει για την παραγωγή ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, από τον οπλισμό (μεταλλικός πυρήνας) και από τις επαφές. Όταν διαρέει ηλεκτρικό ρεύμα το πηνίο (ηλεκτρική εντολή), τότε το δημιουργόμενο μαγνητικό πεδίο έλκει τον οπλισμό ο οποίος με την σειρά του αλλάζει κατάσταση στις μηχανικές επαφές που είναι αναρτημένες σε αυτόν. Με την παύση της ηλεκτρικής εντολής δεν υφίσαται πλέον η έλξη του οπλισμού και ο οπλισμός επιστρέφει στην αρχική του θέση με την βοήθεια μηχανισμού με ελατήριο. Η παρακάτω διάταξη επιτρέπει με χαμηλές τάσεις και ισχύ να ελέγχουμε φορτία πολύ μεγαλύτερης ισχύος. Η ηλεκτρική εντολή είναι 380,220,110,42,24 Vac ή 24,12Vdc. Οι επαφές ονομάζονται κύριες και βοηθητικές. Κύριες είναι οι επαφές που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο μεγάλων φορτίων, και βοηθητικές ονομάζονται οι επαφές που δεν αντέχουν σε υψηλά ρεύματα (η κατάταξη των ηλεκτρονόμων γίνεται σύμφωνα με τον πίνακα της εικόνας 6.1), και χρησιμοποιούνται για δευτερεύουσες συνδέσεις (πχ ενδεικτικές λυχνίες, αυτοσυγκράτηση κλπ). εικόνα 6.1: Ηλεκτρονόμος 52

53 εικόνα 6.2: Επιλογή ηλεκτρονόμου 53

54 ΘΕΡΜΙΚΑ Θερμικά είναι οι μηχανισμοί που προστατεύουν τους κινητήρες από υπερεντάσεις. Αποτελούνται από 3 διμεταλλικά στοιχεία γύρω από τα οποία περνούν οι 3 φάσεις πριν τροφοδοτήσουν τον κινητήρα. Εάν η ένταση του ρεύματος είναι μεγάλη τότε τα διμεταλλικά ελάσματα θερμαίνονται (και εφόσον το κάθε έλασμα έχει διαφορετικό συντελεστή θερμικής διαστολής) λυγίζουν με συνέπεια την διακοπή της παροχής ηλεκτρικού ρεύματοςστον κινητήρα. Οποιαδήποτε από τις φάσεις να οδηγήσει σε υπερθέρμανση και λυγισμό του διμεταλλικού, οδηγείται σε άνοιγμα τις βοηθητικής επαφής η οποία ελέγχει τον ηλεκτρονόμο του κινητήρα (εικόνα 6.2). Η βοηθητική επαφή μανδαλώνει στην ανοικτή θέση και απαιτήται επέμβαση από τον χειριστή για την επαναλειτουργία του θερμικού. Επειδή η λειτουργία του θερμικού βασίζεται στην θέρμανση του διμεταλλικού, το θερμικό παρουσιάζει χρονική καθυστέρηση στην απόκριση και για αυτό τον λόγο δεν επηρεάζεται από τις υπερεντάσεις εκκίνησης των κινητήρων. Τα θερμικά ρυθμίζονται ανάλογα με το είδος του κινητήρα και την συνδεσμολογία του. Για την αγορά του θερμικού πρέπει να γνωρίζουμε ότι η ρύθμιση του πρέπει να βρίσκεται μέσα στην περιοχή της ονομαστικής λειτουργίας του κινητήρα. Στις παρακάτω εικόνες βλέπουμε την σχέση ρεύματος εκκίνησης μετην ονομαστική τιμή του ρεύματος σε σχέση με τον χρόνο λειτουργίας του κινητήρα. Παρατηρούμε ότι το ρεύμα εκκίνησης μπορεί να είναι και 6 φορές υψηλότερο από το ρεύμα λειτουργίας. Τα θερμικά στο εμπόριο είναι συνήθως κλάσης 10, 20 & 30 κάθε κλάση εξ αυτών επιτρέπει την διέλευση συγκεκριμένης έντασης ρεύματος για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα όπως φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. Για παράδειγμα η κλάση 10 επιτρέπει δεκαπλάσιο ρεύμα της ονομαστικής τιμής για 2.5 sec. Επειδή η απόκριση του θερμικού εξαρτάται από την θερμοκρασία περιβάλλοντος, υπάρχουν θερμικά που χρησιμοποιούν δευτερεύον διμεταλλικό έλασμα πάνω στις επαφές για να εξισορροπούν τις μεταβολές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. εικόνα 6.3: Τοποθέτηση θερμικών σε κύκλωμα ισχύος & ελέγχου 54

55 εικόνα 6.4: Τομή θερμικού, διαγράμματα επιλογής θερμικού 55

56 ΑΥΤΟΜΑΤΟΙ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Οι αυτόματοι αποτελούν μηχανισμούς που συνδυάζουν διακόπτη, θερμικό για την προστασία υπερεντάσεων και ασφάλειας για την προστασία από βραχυκύκλωμα. εικόνα 6.5: Αυτόματος διακόπτης ισχύος ΧΡΟΝΙΚΑ ( ΡΕΛΕ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ) Είναι μηχανισμοί που εξασφαλίζουν καθυστέρηση στην διακοπή ή την εκκίνηση του πηνίου που διαθέτουν εσωτερικά. Η καθυστέρηση (0,5sec- 10h)επιτυγχάνεται είτε με ελατηριωτό μηχανισμό είτε με πνευματικό. Ο χρόνος της καθυστέρησης ρυθμίζεται είτε με ρύθμιση της προέντασης του ελα;τηρίου είτε με ρύθμιση της ροής του αέρα για πνευματικά. Σημαντικές εφαρμογές των χρονικών είναι καθυστέρηση διακοπής λειτουργίας λόγω έλλειψης τάσης, αλλαγή συνδεσμολογίας αστέρα τρίγωνο για τριφασικούς κινητήρες κ.α. εικόνα 6.6: Ρελέ καθυστέρησης 56

57 ΟΡΙΟΔΙΑΚΟΠΤΕΣ Είναι οι μηχανισμοί οι οποίοι ενεργοποιούνται από την κίνηση κάποιου άλλου μηχανισμού. Ονομάζονται οριοδοακόπτες γιατί συνήθως τοποθετούνται στις ακραίες (οριακές) θέσης που πρέπει να κινείται ο μηχανισμός υπό έλεγχο. Αποτελούνται από έναν βραχύωνα εξωτερικό ( στον οποίο επιδρά ο κινούμενος μηχανισμός ) και από μια επαφή εσωτερικά, εικόνα 6.4. Με την κίνηση του βραχύονα έχουμε αλλαγή κατάστασης της επαφής. Ο οριοδιακόπτης μπορεί να είναι ανοικτός (Normally Open NO), ή κλειστός σε κατάσταση ηρεμίας (Normally Close NC). Οι οριοδιακόπτες μπορεί να ενεργοποιούνται σε μία κατεύθυνση μόνο (μονής φοράς) είτε και στις δύο κατευθύνσεις (διπλής φοράς). εικόνα 6.7: Οριοδιακόπτες ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΠΙΕΣΗΣ Οι διακόπτες πίεσης είναι στοιχεία που ανταποκρίνονται στις μεταβολές της πίεσης (υδραυλική ή πνευματική) μετατρέποντας την σε ηλεκτρική εντολή. Η λειτουργία είναι απλή, η ηλεκτρική επαφή είναι συνδεδεμένη με μια μεμβράνη η οποία μετακινείται με την μεταβολή της πίεσης (βλέπε εικόνα 6.5), ο έλεγχος του επιπέδου της πίεσης που θα ενεργοποιηθεί η επαφή ελέγχεται από ένα ελατήριο η δύναμη του οποίου τείνει να αντιταχθεί στην μεταβολή (συνήθως αύξηση) της πίεσης. εικόνα 6.8: Τομή διακόπτη πίεσης 57

58 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΧΕΙΡΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΟΜΟΥ ΜΕ ΜΠΟΥΤΟΝ ΗΛΕΚ/ΚΗ ΑΥΤΟΣΥΓΚΡΑΤΗΣΗ Ο χειρισμός ηλεκτρονόμου με μπουτόν απαιτεί ένα μπουτόν εκκίνησης και ένα μπουτόν τερματισμού λειτουργίας. Επειδή τα μπουτόν διατηρούν την λειτουργία τους γιατο χρονικό διάστημα που παραμένουν πιεσμένα από τον χειριστή χρειάζεται ένας μηχανισμός αυτοσυγκράτησης (εικόνα 6.9) για να παραμείνει ο ηλεκτρονόμος σε λειτουργία όταν ο χειριστής ελευθερώσει το μπουτόν. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα όταν το μπουτόν εκκίνησης (NO), ενεργοποιηθεί τότε ο ηλεκτρονόμος αλλάζει κατάσταση στις επαφές του συμπεριλαμβανόμενης και της C1, η οποία τον διατηρείσε λειτουργία ακόμα και έαν ελευθερωθεί το μπουτόν εκκίνησης. Για να επιτύχουμε την απενεργοποίηση του ηλεκτρονόμου χρειαζόμαστε ένα δεύτερο μπουτόν τερματισμού (NC) σε σειρά με το μπουτόν εκκίνησης. Πιέζοντας το μπουτόν τερματισμού παύει να περνάει ρεύμα στον ηλεκτρονόμο στιγμιαία, ανοίγει η επαφή αυτοσυγκράτησης C1, και το κύκλωμα επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. εικόνα 6.9: Αυτοματισμός ηλ. Κινητήρα με αυτοσυγκράτηση Εάν απαιτείται εκκίνηση και τερματισμός από πολλαπλά σημεία τότε τοποθετούμε όλα τα μπουτόν εκκίνησης παράλληλα και τα μπουτόν τερματισμού σε σειρά. Προσοχή η επαφή αυτοσυγκράτησης τοποθετείται παράλληλα στα μπουτόν εκκίνησης. 58

59 ΕΚΚΙΝΗΣΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ. Στο σχεδιασμό αυτοματισμών κινητήρων σχεδιάζουμε δύο κυκλώματα, το κύκλωμα ισχύος όπου τοποθετούμε τα στοιχεία ισχύος ( Θερμικά, Ασφάλειες, κινητήρες κλπ), και το κύκλωμα του αυτοματισμού που περιλαμβάνει τα στοιχεία χειρισμού ( μπουτόν, λυχνίες, ηλεκτρονόμους κλπ ). Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται στην σύνδεση θερμικού στον μονοφασικό κινητήρα επειδή δεν διατίθενται μονοφασικά θερμικά. Επειδή το θερμικό είναι υπολογισμένο για 3 ρεύματα σε μονοφασική σύνδεση θα παρουσίαζε σημαντική καθυστέρηση απόκρισης. Για να ξεπεράσουμε το πρόβλημα αυτό τοποθετούμε το θερμικό όπως φαίνεται στην εικόνα 6.10 ώστε το ρεύμα να διέρχεται και από τα 3 διμεταλλικά ελάσματα. κυκλωμα αυτοματισμού κυκλωμα ισχύος εικόνα 6.10: Αυτοματισμός εκκίνησης μονοφασικού κινητήρα 59

60 ΑΣΚΗΣΗ 6.1 ΕΚΚΙΝΗΣΗ 2 ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΑΠΟ ΕΝΑ ΜΠΟΥΤΟΝ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΝΑ ΣΧΕΔΙΑΣΤΕΙ ΚΑΙ ΝΑ ΕΞΟΜΟΙΩΘΕΙ ΣΤΟ AUTOMATION STUDIO, Η ΕΚΚΙΝΗΣΗ 2 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΑΠΟ ΕΝΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟ ΜΕ ΔΥΟ ΜΠΟΥΤΟΝ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ. ΚΑΘΕ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΘΑ ΕΛΕΓΧΕΤΑΙ ΑΠΟ ΕΝΑ ΜΠΟΥΤΟΝ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΝΑ ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΟΥ. ΟΤΑΝ ΕΝΑΣ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΔΥΟ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΤΙΘΕΤΑΙ ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Ο ΑΛΛΟΣ ΝΑ ΣΤΑΜΑΤΑΕΙ. ΑΣΚΗΣΗ 6.2 ΕΚΚΙΝΗΣΗ 2 ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΑΠΟ ΕΝΑ ΜΠΟΥΤΟΝ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΝΑ ΣΧΕΔΙΑΣΤΕΙ ΚΑΙ ΝΑ ΕΞΟΜΟΙΩΘΕΙ ΣΤΟ AUTOMATION STUDIO ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ. 60

61 ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΤΡΙΦΑΣΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Κλασσική εφαρμογή αυτοματισμού τριφασικού κινητήρα αποτελεί το κύκλωμα αναστροφής της φοράς λειτουργίας του τριφασικού κινητήρα. Για να αναστρέψουμε την φορά κίνησης πρέπει να αναστραφούν οι φάσει S & T (L2 & L3 εικόνα 6.11). Η λειτουργία αυτή επιτυγχάνεται μέσω των επαφών του ηλεκτρονόμου C2. Για να αποφύγουμε την ταυτόχρονη λειτουργία των ηλεκτρονόμων C1 & C2, ώστε να αποφευχθεί το βραχυκύκλωμα των αντεστραμμένων φάσεων πρέπει στο κύκλωμα αυτοματισμού να εξασφαλίσουμε μανδάλωση μεταξύ των ηλεκτρονόμων C1 & C2. Όταν ο ηλεκτρονόμος C1, είναι ενεργός ανοίγει την επαφή C1 που βρίσκεται στην τροφοδοσία του ηλεκτρονόμου C2, έτσι ώστε ακόμα και εάν πατηθεί το μπουτόν εκκίνησης του C2, αυτός να μην τροφοδοτηθεί με ηλεκτρικό ρεύμα ( και αντίστροφα ). Για να αντιστρέψουμε την φορά κίνησης πρέπει να πατηθεί το μπουτόν τερματισμού της ορθής φοράς και στην συνέχεια να ενεργοποιήσουμε το μπουτόν εκκίνησης αναστροφής. εικόνα 6.11: Αυτοματισμός αναστροφής φοράς περιστροφής τριφασικού κινητήρα 61

62 Συνδιασμός Πνευματικών & Ηλεκτρολογικών Αυτοματισμών. Στην εικόνα 6.12, δίνεται παράδειγμα χρήσης πνευματικών και ηλεκτρολογικών αυτοματισμών συνδιαστικά. εικόνα 6.12: Συνδιαστικός σχεδιασμός αυτοματισμών (Πνευματικά & Ηλεκτρολογικά) Για τον σωστό συνδιασμό των στοιχείων είναι απαραίτητη η ταυτοποίηση τους με κοινό όνομα τόσο στο πνευματικό όσο και στο ηλεκτρολογικό σχέδιο. Το κοινό όνομα το βρίσκουμε στις ιδιότητες του εκάστοτε στοιχείου με τον όρο tag name. 62

63 Στο παραπάνω σχέδιο ο κινητήρας και στα 2 σχέδια φέρει tag name MOTOR 1, γεγονός που μεταφράζεται από το λογισμικό ως κοινή ενεργοποίηση και των 2 στοιχείων όταν ένα εξ αυτών ενεργοποιηθεί. εικόνα 6.13: μενού ιδιοτήτων κινητήρα Όμοια και το ηλεκτρομαγνητικό πηνίο των βαλβίδων φέρει το ίδιο tag name με το ηλεκτρομαγνητικό πηνίο (solenoid) του ηλεκτρολογικού κυκλώματος SOLIN1 & 2. εικόνα 6.14: μενού ιδιοτήτων βαλβίδας διεύθυνσης 63

64 ΑΣΚΗΣΗ 6.3 ΣΧΕΔΙΑΣΤΕ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ ΤΡΑΠΕΖΑ : Α) ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ & ΕΛΕΓΧΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΙΝΗΣΗ (ΚΛΙΣΗ) ΤΗΣ ΠΑΡΑΚΑΤΩ ΤΡΑΠΕΖΑΣ ΜΕ ΟΡΙΟΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΑΚΡΑΙΩΝ ΘΕΣΕΩΝ ΤΟΣΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΟΣΟ ΚΑΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΛΙΣΗ ΤΗΣ ΤΡΑΠΕΖΑΣ. Η ΚΙΝΗΣΗ ΝΑ ΓΙΝΕΤΑΙ ΜΕ ΤΗΝ ΒΟΗΘΕΙΑ ΤΡΙΦΑΣΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ. Β) ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟ-ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΗΣ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΗΣ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗΣ ΤΡΑΠΕΖΑΣ. Η ΑΝΩΤΕΡΗ & ΚΑΤΩΤΕΡΗ ΘΕΣΗ ΕΛΕΓΧΟΝΤΑΙ ΜΕ ΟΡΙΟΔΙΑΚΟΠΤΕΣ. Η ΕΝΤΟΛΗ ΑΝΟΔΟΥ & ΚΑΘΟΔΟΥ ΓΙΝΕΤΑΙ ΜΕ ΤΗΝ ΒΟΗΘΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ. 64

65 Τεχνολογία επαγωγικών τριφασικών κινητήρων (συνοπτικά) εικόνα 6.15: Κατασκευή κινητήρα - Στάτορας & Ρότορας τριφασικού κινητήρα 65

66 Ο τριφασικός κινητήρας αποτελείται όπως και οι άλλοι κινητήρες από το στατικό (στάτορας stato r= σταθερό) τμήμα όπου είναι αναρτημένα τα πηνία που δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο που δίνει κίνηση στον κινητήρα. Το κινούμενο τμήμα (ρότορας, rotor = περιστρεφόμενο), φέρει βραχυκυκλωμένες ράβδους (χάλκινα σύρματα, περιέλιξη), στα οποία έχουμε λόγο του μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου. Το επαγωγικό ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ισχυρά ρεύματα στις ράβδους (λόγο χαμηλής αντίστασης). Είναι γνωστό ότι όταν αγωγός που διαρέεται από ηλ. ρεύμα βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο, έχουμε την δημιουργία δύναμης στον αγωγό, με βάση τον κλασσικό κανόνα του δεξιός χειρός που μάθαμε στην προπανεπιστημιακή εκπαίδευση (F-B-I). Στους τριφασικούς κινητήρες το συνιστάμενο μαγνητικό πεδίο (η ένταση του και η κατευθυνση του), μεταβάλεται με τον χρόνο έτσι ώστε να προκαλεί την κίνηση του ρότορα (εικόνα 6.16). Στην εικόνα 6.16 στην φάση 3, το μαγνητικό πεδίο της φάσης C, είναι ισχυρότερο (διπλάσια τιμή έντασης ρεύματος σε σχέση με κάθε μία από τις φάσεις Α &Β. Κατά συνέπεια το συνιστάμενο μαγνητικό πεδίο έχει την φορά του πεδιού που δημιουργεί η φάση C. εικόνα 6.16: μεταβολλή συνιστάμενου μαγνητικού πεδίου σε έναν κύκλο. Το μαγνητικό πεδίο εκτελεί μια πλήρη περιστροφή ανά κύκλο (στην ευρώπη έχουμε 50Hz => 50 περιστροφές ανά δευτερόλεπτο). Η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα εξαρτάτε από την συχνότητα αυτή αλλά και τον αριθμό των πόλων του κινητήρα (αριθμός μαγνητικών πόλων στάτορα ανά φάση). Η ταχύτητα περιστροφής δίνεται από τον τύπο 6.1. Αριθμός Περιστροφών Ν (rps)= 2*f(Hz) / (Αριθμό πόλων) εξίσωση 6.1 Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των πόλων τόσο πιο ομαλή η λειτουργία του κινητήρα, υπάρχει κατασκευαστικός περιορισμός ως προς τον αριθμό των πόλων (συνήθως είναι 4,6..12). Μεταβάλλοντας την σειρά ενεργοποίησης των πηνίων του στάτορα (αλλάζοντας μεταξύ τους τις 2 φάσεις), τότε το συνιστάμενο μαγνητικό πεδίο, κινείται ανάστροφα και κατά συνέπεια ο κινητήρας αλλάζει διεύθυνση περιστροφής. Εάν ο στάτορας κινείται με την ίδια ακριβώς γωνιακή ταχύτητα περιστροφής με το συνισταμένο μαγνητικό πεδίο, τότε δεν θα είχαμε δημιουργία ηλεκτρικού δυναμικού (σχετική κίνηση μεταξυ πεδίου & μεταλλίκής ράβδου = 0), και κατά συνπέπεια δεν θα 66

67 είχαμε δύναμη ασκούμενη πάνω στην ράβδο και ο κινητήρας θα έτεινε να σταματήσει, μεταβάλλοντας έτσι την σχετική του ταχύτητα και δημιουργόντας εκ νέου ηλ. ρεύμα στις «ράβδους» του ρότορα. Στην πράξη υπάρχει διαφορά στην ταχύτητα περιστροφής η οποία ονομάζεται Slip (γλίστριμα) και δίνεται ως ποσοστό της ταχύτητας περιστροφής του μαγνητικού πεδίου (πχ 90%). Η αντίσταση του ρότορα είναι αυτή που προσδιορίζει την ροπή του κινητήρα (το ρεύμα που δημιουργείται από το επαγώμενο ηλ. δυναμικό εξαρτάται από την αντίσταση). Η ωμική αντίσταση των πηνίων του στάτορα εξαρτάται ιδιαίτερα από τα φυσικά χαρακτηριστικά του. Μεγάλο μέγεθος, σημαίνει μεγάλο μέγεθος αγωγών άρα μικρή αντίσταση. Κατά την εκκίνηση το ρεύμα είναι 5-9 φορές μεγαλύτερο από το ρεύμα λειτουργίας στα πηνία του στάτορα και η ροπή εκκίνησης είναι της ονομαστικής. Για τον λόγο αυτό στην εκκίνηση χρησιμοποιούμε διαφορετική συνδεσμολογία των πηνίων έτσι ώστε να μειώσουμε το αρχικό ρεύμα (ρεύμα εκκίνησης, συνδεσμολογία Αστέρα / Τρίγωνο). Η ισχύς του κινητήρα σε Watt δίνεται από την σχέση 6.2: P (W) = 2π*T (Nm) * n (rps) εξίσωση 6.2 Όπου Τ είναι η ροπή του κινητήρα, η οποία με την σειρά της εξαρτάται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου (ρεύμα ρότορα). Η συνδεσμολογία Αστέρα χρησιμοποιείται για το χρονικό διάστημα που χρειάζεται ο κινητήρας να «πιάσει» τις ονομαστικές του στροφές. Τότε αυτοματισμός (σπανιότερα χειροκίνητα) αναλαμβάνει να εκτελέσει την μετάβαση σε συνδεσμολογία Τρίγωνου. Στην συνδεσμολογία Αστέρα το ρεύμα είναι το 1/3 της συνδεσμολογίας Τριγώνου. εικόνα 6.17: Συνδεσμολογία πηνίων στάτορα Αστέρα Τρίγωνο Στο λογισμικό που χρησιμοποιούμε στο εργαστήριο δεν έχουμε την δυνατότητα εξομοίωσης της παραπάνω συνδεσμολογίας. 67

68 Βιβλιογραφία Κεφαλάιου 6 1. «Αυτοματισμός, Υλικά Θεωρεία Εφαρμογές», Η.Α.Σωτηράκη, Εκδ. Α. Παπασωτηρίου. 2. «Βιομηχανικοί Αυτοματισμοί Κινητήρων» 4 η έκδοση, McIntyre-Losee, εκδόσεις McGraw Hill, Α.Τζίολα. 3. «Electric Machines & Transformers», 2 nd edition, L.R.Anderson, J.MacNeill, Prentice-Hall International Inc. 4. «Ηλεκρικές Μηχανές» τόμος Ι, Γ. Ξυπτέρα, Εκδόσεις ΖΗΤΗ. 5. Siemens AC motors, 68

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΟΙ ΛΟΓΙΚΟΙ ΕΛΕΓΚΤΕΣ PROGRAMΜABLE LOGIC CONTROLLERS (P.L.C.) Για να αντιληφθούμε καλύτερα την αναγκαιότητα αλλά και την χρησιμότητα των PLCs, θα εξετάσουμε ένα παράδειγμα ηλεκτρολογικού αυτοματισμού μονοφασικού κινητήρα το οποίο αναλύσαμε στο Κεφάλαιο 6. εικόνα 7.1: ηλεκτρολογικός αυτοματισμός μονοφασικού κινητήρα Εάν επιθυμούσαμε να αντικαταστήσουμε τον αυτοματισμό της εικόνας 7.1 με έναν άνθρωπο ο οποίος θα ήταν υπεύθυνος για την ορθή λειτουργία της εκκίνησης του παραπάνω κινητήρα, τότε ο υπεύθυνος θα έπρεπε συνεχώς να εκτελεί ελέγχους για την κατάσταση των επαφών διακοπτών στο βοηθητικό κύκλωμα και να εκτελεί λειτουργίες για στο κύκλωμα ισχύος για την ορθή εκκίνηση σταμάτημα του κινητήρα. Ο «υπεύθυνος», θα έπρεπε να ελέγχει πρώτα την κατάσταση της βοηθητικής επαφής του θερμικού, εάν αυτή είναι κλειστή (σωστή λειτουργία του κινητήρα), στην συνέχεια θα έλεγχε την κατάσταση του μπουτόν Stop. Εφόσον και τα 2 επιτρέπουν την διέλευση του ρεύματος, ο υπεύθυνος θα έπερεπε να ελέγχει συνεχώς το μπουτόν Start. Όταν το μπουτόν πατηθεί θα έπερεπε νε κλείσει τις επαφές ισχύος C1 και να συνεχίσει τον έλεγχο των επαφών και μπουτόν Thermal & Stop. Είναι προφανές ότι ο παραπάνω αυτοματισμός υπερτερεί της χρήσης ανθρώπου ως σύστημα ελέγχου και απόκρισης στις διαφορετικές «καταστάσεις» λειτουργίας του μονοφασικού κινητήρα. Αντίθετα όμως με τον παραπάνω κλασσικό 69

70 αυτοματισμό, ο άνθρωπος θα μπορούσε πολύ εύκολα να εισαγάγει έναν νέο έλεγχο (πχ έναν επιπλέον διακόπτη) και να μεταβάλει την λογική της απόκρισης βασιζόμενος στα νέα δεδομένα. Ο κλασσικός αυτοματισμός για να ανταπεξέλθει στις νέες συνθήκες θα έπρεπε να σχεδιαστεί εξ αρχής και το συνολικό κύκλωμα να καλωδιωθεί-συνδεθεί εκ νέου. Το 1969 κατασκευάστηκε το πρώτο PLC, για να καλύψει το κενό ανάμεσα στον κλασσικό αυτοματισμό και τον άνθρωπο. Ο Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής κάνει ακριβώς αυτό που περιγράφει η ονομασία του. Προγραμματίζεται να αντιδρά με συγκεκριμένη Λογική σε εξωτερικά ερεθίσματα με απώτερο σκοπό τον έλεγχο ένος συστήματος ώστε να λειτουργεί αυτόνομα (Αυτοματισμός). εικόνα 7.2: Μπλόκ διάγραμμα τμημάτων PLC Το PLC προγραμματίζεται είτε αυτόνομα είτε με την βοήθεια Η/Υ (εικόνα 7.3). Το πρόγραμμα παραμένει στην μνήμη της συσκευής και κατά την διάρκεια της λειτουργίας της εκτελείται «σειριακά», όπως συνέβαινε και στον προγραμματισμό σε περιβάλλον DOS στους Η/Υ παλαιότερα. Η καρδία της συσκευής η CPU (Κεντρική μονάδα επεξεργασίας), είναι είτε επεξεργαστής είτε μικροελεγκτής. Η CPU ελέγχει την κατάσταση των εισόδων και στην συνέχεια με βάση τον προγραμματισμό εκτελεί λογικές και αριθμητικές πράξεις για να βγάλει στην έξοδο το επιθυμητό αποτέλεσμα. Λειτουργεί όπως ο Η/Υ με την διαφορά ότι το PLC είναι κατασκευασμένο να αντέχει σε βιομηχανικές συνθήκες λειτουργίας (Κραδασμούς, θερμοκρασίες, υγρασία & θόρυβο), διαθέτει ενσωματωμμένες τις θύρες επικοινωνίας με τις άλλες μονάδες (είσοδοι, έξοδοι, επικοινωνία), και προγραμματίζεται απλά χωρίς ιδιαίτερες γνώσεις προγραμματισμού. 70

71 εικόνα 7.3: Συνδεση προγρ. Ελεκτή με τον Η/Υ Υπάρχουν πλέον πολλοί κατασκευαστές PLCs, τους κυρώτερους τους παραθέτουμε στις παρακάτω γραμμές: Asea Industrial Systems, West Glendale Dr., New Berlin, WI 53151, USA. Adaptek Inc., 1223 Michigan, Sandpoint, ID 83864, USA. Allen Bradley, 747 Alpha Drive, Highland Heights, OH 44143, USA. Automation Systems, 208 No. 12th Ave., Eldridge, IA 52748, USA. Bailey Controls Co., Euclid Ave., Wickliffe, OH 44092, USA. Cincinatti Milacron, Mason Rd. & Rte. 48, Lebanon, OH 45036, USA. Devilbiss Corp., 9776 Mt. Gilead Rd., Fredricktown, OH 43019, USA. Eagle Signal Controls, 8004 Cameron Rd., Austin, TX 78753, USA. Eaton Corp., 4201 North 27th St., Milwaukee, WI 53216, USA. Eaton Leonard Corp., 6305 ElCamino Real, Carlsbad, CA 92008, USA. Foxboro Co., Foxboro, MA 02035, USA. Furnas Electric, 1000 McKee St., Batavia, IL 60510, USA. GEC Automation Projects, 2870 Avondale Mill Rd., Macon, GA 31206, USA. General Electric, Automation Controls Dept., Box 8106, Charlottesville, VA 22906, USA. General Numeric, 390 Kent Ave., Elk Grove Village, IL 60007, USA. Giddings & Lewis, Electrical Division, 666 South Military Rd., Fond du Lac, WI , USA. Gould Inc., Programmable Control Division, PO Box 3083, Andover, MA 01810, USA. Guardian/Hitachi, 1550 W. Carroll Ave., Chicago, IL 60607, USA. Honeywell, IPC Division, 435 West Philadelphia St., York, PA 17404, USA. International Cybernetics Corp., 105 Delta Dr., Pittsburgh, Pennsylvania, 15238, USA, (412) Keyence Corp. of America, 3858 Carson St., Suite 203, Torrance, CA 90503, 71

72 USA, (310) McGill Mfg. Co., Electrical Division, 1002 N. Campbell St., Valparaiso, IN 46383, USA. Mitsubishi Electric, 799 N. Bierman CircleMt. Prospect, IL , USA. Modicon (AEG), 6630 Campobello Rd., Mississauga, Ont., Canada L5N 2L8, (905) Modular Computer Systems Inc., 1650 W. McNabb Rd., Fort Lauderdale, FL 33310, USA. Omron Electric, Control Division, One East Commerce Drive, Schaumburg, IL 60195, USA. Reliance Electric, Centrl. Systems Division, 4900 Lewis Rd., Stone Mountain, GA 30083, USA. Siemens, 10 Technology Drive, Peabody, MA 01960, USA. Square D Co., 4041 N. Richards St., Milwaukee, WI 53201, USA. Struthers-Dunn Systems Division, 4140 Utica Ridge Rd., Bettendorf, IA Telemechanique, 901 Baltimore Blvd., Westminster, MD 21157, USA. Texas Instruments, Industrial Control Dept., PO Drawer 1255, Johnson City, IN , USA. Toshiba, West Little York Rd., Houston, TX 77041, USA. Transduction Ltd., Airport Corporate Centre, 5155 Spectrum Way Bldg., No. 23, Mississauga, Ont., Canada, L4W 5A1, (905) Triconex, Aston St., Irvine, CA 92714, USA Οι είσοδοι σε μια συσκευή PLC, είναι είτε Αναλογικές (Τάση ή ρεύμα ανάλογο κάποιου φαινομένου), είτε Διακριτές (ενεργή ή μη ενεργή κατάσταση on / off), είτε Ψηφιακές (συνήθως 0-5 V). Το PLC είναι σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε τα ψηφιακά σήματα διαφορετικών σταθμών (πχ +/- 12V, 0-3.3V) να μεταφράζονται σε στάθμη 0-5 V. Συσκευές που μπορούν να αποτελέσουν είσοδο για τα PLC είναι οι μηχανικοί διακόπτες (μπουτόν, επαφές, διακόπτες), οι οριοδιακόπτες, φωτοηλεκτικοί διακόπτες, κωδικοποιητές, αισθητήρες (μετατόπισης, μαγνητικοί, θερμοκρασίας, πίεσης, στάθμης υγρών, ροής) ή πληκτρολόγια για την εισαγωγή στοιχείων. Εφόσον η είσοδος είναι αναλογική, αυτή μεταφράζεται με την βοήθεια Αναλογικό- Ψηφιακού μετατροπέα σε ψηφιακή πληροφορία. Στο σημείο αυτό είναι καλό να θυμηθούμε την αντιστοιχία διαδικού συστήματος μέτρησης και δεκαδικού που παρατίθεται στον πίνακα 7.1. Διαδικό Βάρος [8bit = 256 (2 8 ) Δεκαδικός Αναλογική στάθμες] Αριθμός Τάση 0-5V Πίνακας 7.1: Διαδικό σύστημα & αντιστοιχία αναλογικής εισόδου Οι ψηφιακές & διακριτές είσοδοι συνήθως απομωνόνονται με οπτικό τρόπο (εικόνα 7.4) από τo PLC για την αποφυγή καταστροφής του σε περίπτωση εξωτερικού σφάλματος. 72

73 εικόνα 7.4: προστασία εισόδων με οπτική βαθμίδα Ο έλεγχος των εισόδων γίνεται με δύο τρόπους από το PLC: Συνεχής έλεγχος: Η CPU ελέγχει τα κανάλια εισόδου της όπως τα «συναντά» κατά την εκτέλεση του προγράμματος. Με τον τρόπο αυτό είναι πιθανή η καθυστέρηση της εκτέλεσης του προγράμματος διότι πρέπει πριν αποφανθεί η CPU για την εκτέλεση να ελέγξει πολλαπλές εισόδους. Με την μέθοδο αυτή ο χρόνος στον οποίο ελέγχεται η κάθε είσοδος δεν είναι γνωστός αλλά εξαρτάτε από το πρόγραμμα. Η μέθοδος αυτή παρουσιάζει προβλήματα σε κρίσιμους ελέγχους (πχ εάν θέλουμε ο έλεγχος της οριοδιακόπτη να γίνεται τουλάχιστον ανά 100ms, δεν μπορούμε να το εξασφαλίσουμε με την μέθοδο αυτή). Μαζικός έλεγχος και αντιγραφή στην μνήμη: Η CPU σταματάει την εκτέλεση του προγράμματος ανά προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα (10-50ms) και αντιγράφει το περιεχόμενο των εισόδων-εξόδων σε μία θέση μνήμης. Δηλαδή έχουμε περιοδική καταγραφή της κατάστασης των εισόδων. Κατά την εκέλεση του προγράμματος η CPU δεν ελέγχει πλέον την πραγματική είσοδο αλλά την θέση μνήμης στην οποία έχει αντιγραφεί. ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑΣ PLC Της φαίνεται στην εικόνα 7.5, το PLC αποτελείται από τρία βασικά τμήματα, το τμήμα της Κεντρικής Μονάδας με την θύρα προγραμματισμού (RS232/485), το τμήμα των εξόδων τροφοδοσίας (συνήθως στο άνω τμήμα της συσκευής) και το τμήμα εισόδων (συνήθως στο κάτω τμήμα). Τα PLC έχουν την δυνατότητα να συνδεθούν με περισσότερες από μία μονάδες, δίνοντας έτσι την δυνατότητα στον τεχνικό να προσθέσει επιπλέον δυνατότητες μελλοντικά (εικόνα 7.6). 73

74 εικόνα 7.5: Βασικά τμήματα PLC εικόνα 7.6 :Συνδεσμολογία πολλαπλών επεκτάσεων σε PLC Στον παρακάτω πίνακα 7.2 δίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά PLC για κάποια μοντέλλα της οικογένειας PLC Siemens. Παρατηρούμε ότι κάποια εξ αυτών μπορούν να επεκταθούν με την προσθήκη επιπλέον μονάδων I/O (Input / Output). 74

75 Πίνακας 7.2: Ενδεικτικά χαρακτηριστικά PLC Siemens Για την λειτουργία του PLC απαιτείται τροφοδοσία. Αυτή μπορεί να είναι είτε Συνεχής τάση είτε εναλλασώμενη (εικόνα 7.7 α&β). Η συνδεσμολογία για τα PLC SIMATIC Siemens, φαίνεται της παρακάτω εικόνες. Για τον τρόπο συνδεσμολογίας της τροφοδοσίας άλλων εταιρειών συμβουλευόμαστε τα τεχνικά εγχειρίδια της κάθε εταιρείας. 75

76 εικόνα 7.7 :Σύνδεση παροχής AC / DC Η καλωδίωση τόσο των εισόδων όσο και των εξόδων στην συσκευή γίνεται με την βοήθεια μηχανικών επαφών της φαίνεται στην εικόνα 7.8 & 7.9. Παρατηρούμε ότι κάθε επαφή φέρει «ετικέτα» η οποία θα επεξηγηθεί στην συνέχεια. 76

77 εικόνα 7.9: σύνδεση συσκευών εισόδων-εξόδων Διευθύνσεις Εισόδων Εξόδων Ανάλογα με τον κατασκευαστή για να μπορεί να γνωρίζει η CPU ποία είσοδο ελέγχει ή σε πια έξοδο απευθύνεται, αποδίδονται διευθύνσεις, δηλαδή κωδικές ονομασίες που διευκρινίζουν στην CPU την ταυτότητα της εισόδου εξόδου. Στον παρακάτω πίνακα (7.2) φαίνονται οι τρόποι κωδικοποίησης των κυριοτέρων κατασκευαστών. Ενδεικτικά η Siemens για τα μοντέλλα SIMATIC χρησιμοποιεί την κωδικοποίηση ΧΧΧ : Χ Ι : Input Q : Output Η διεύθυνση της ομάδας στην οποία ανήκει (byte). Οι είσοδοι & έξοδοι μοιράζονται σε ομάδες των 8. Το bit (συγκεκριμένη είσοδος-έξοδος) για την οποία θα εκτελεστεί η εντολή Σύμφωνα με την παραπάνω κωδικοποίηση η CPU για να «μιλήσει» με την έξοδο 1, της ομάδας 2 θα πρέπει να χρησιμοποιήσει την κλίση :Q2.1 Πίνακας 7.2: Διευθύνσεις εισόδων/εξόδων Κατασκευαστής Είσοδος Έξοδος Mitsubishi X (πχ Χ400) Υ (πχ Υ430) Toshiba Χ (πχ Χ000) Υ (πχ Υ000) Siemens I2.1 Q2.1 Spencher+Schuh X (πχ Χ001) Υ (πχ Υ001) Allen Bradley Ι:Rack No,Module No/Terminal No (πχ Ι:012/03) Q:Rack No,Module No/Terminal No (πχ Q:012/03) 77

78 Προγραμματισμός PLC O προγραμματισμός των επεξεργαστών γίνεται σε γλώσσα μηχανής. Στους Η/Υ έχουν αναπτυχθεί εκτός της γλώσσας Assembly, «υψηλές» γλώσσες όπως η Pascal, C++, Visual Basic για να διευκολύνουν τον προγραμματισμό. Η χρήση των γλωσσών αυτών απαιτεί βαθιά γνώση του προγραμματισμού την οποία δεν είναι δυνατόν να έχουν οι τεχνικοί. Για τον προγραμματισμό των PLC χρησιμοποιούμε κυρίως το ladder programming, ο οποίος είναι προγραμματισμός υπό την μορφή διαγράμματος και επειδή η τελική του μορφή παρομοιάζει σκάλα (ladder) έχει αποκτήσει την ονομασία αυτή. Στο διαγράμματα αυτά οι κάθετες γραμμές ανατποκρίνονται στις γραμμές παροχής ηλεκτρικού ρεύματος στις οποίες συνδέεται το κύκλωμα. Κάθε «σκαλί» αποτελεί μια λειτουργία στην διαδικασία ελέγχου.ο τρόπος με τον οποίο «τρέχει» το πρόγραμμα παρουσιάζεται στην εικόνα Κάθε σκαλί αρχίζει με τουλάχιστον μια είσοδο και τερματίζει με τουλάχιστον μια έξοδο. Οι συσκευές τοποθετούνται στην κατάσταση εκκίνησης και όχι λειτουργίας. Οι έξοδοι και οι είσοδοι ταυτοποιούνται με την σχετική τους διεύθυνση. εικόνα 7.10: ladder programming Τα σύμβολα που χρησιμοποιούνται συχνότερα στον σχηματικό προγραμματισμό είναι αυτά που παρουσιάζονται στην εικόνα Coil εικόνα 7.11: βασικά σύμβολα προγραμματισμού Στην εικόνα 7.11 έχουμε ένα πρόγραμμα το οποίο ελέγχει πρώτα την είσοδο (επαφή κανονικά ανοικτή ΝΟ) με διεύθυνση 401 (το Χ προσδιορίζει είσοδο στα PLC Mitsubishi), εάν αυτή κλίσει τότε ενεργοποιεί την έξοδο 400 (το Υ προσδιορίζει έξοδο). Στην συνέχεια ελέγχει την επαφή Χ400, εάν έχει παραμείνει ανοικτή τότε ενργοποιεί την έξοδο Υ

79 εικόνα 7.12: εύρεση βιβλιοθηκών PLC Με την χρήση εισόδων σε κατάλληλη διάταξη μπορούμε να κατασκευάσουμε πύλες AND, OR, NOT, NAND, XOR, NOR όπως φαίνεται στην εικόνα εικόνα 7.13: Αντιστοίχηση λογικών πυλών ηλεκτρονικών & PLC 79

80 Παράδειγμα 1 ο εφαρμογής σχεδιασμού και προγραματισμού PLC στο λογισμικό Automation Studio: Σχεδιάστε αυτοματισμό PLC, ο οποίος να μπορεί να ενεργοποιεί με την βοήθεια μπουτόν εκκίνησης, ενδεικτική λυχνία η οποία θα παραμένει σε ενεργή κατάσταση εώς ότου πιεστεί μπουτόν τερματισμού (Μανδάλωση λειτουργίας ενδ. Λυχνίας). εικόνα 7.14: Παράδειγμα αυτοματισμού με χρήση ελεκτή Επίλυση: Ο σχεδιασμός αποτελείται από 3 βασικά τμήματα. Το τμήμα εισόδου των επαφών (εικόνα 7.14 αριστερά), το τμήμα του προγρμματισμού ενεργειών ladder programming (εικόνα 7.14 κέντρο) και το τμήμα ελέγχου στοιχείων εξόδου (εικόνα 7.14 δεξιά). Κάθε μπουτόν συνδέεται με μία από τις επαφές εισόδου του PLC, οι οποίες φέρουν αρίθμηση (Χ400, Χ401, ). Πιέζοντας τους μηχανισμούς εισόδου (μπουτόν) το πρόγραμμα (ladder programme), ελέγχει τις λογικές κινήσεις που πρέπει να εκτελέσει εν συνεχεία. Στην παραπάνω περίπτωση πιέζοντας το Start, το πρόγραμμα επιβεβαιώνει ότι η επαφή Χ400 δέχθηκε «εντολή» και επιτρέπει τον έλεγχο προς τα δεξιά της επόμενης επαφής. Εφόσον και η Χ401 δέχεται «εντολή», ενεργοποιείται η έξοδος Υ400. Στην επόμενη γραμμή του προγράμματος έχουμε την λειτουργία της μανδάλωσης όπου από την προηγούμενη γραμμή η έξοδος Υ400 έχει ενεργοποιηθεί (κλείσει), και κατά συνέπεια ακόμα και εάν το μπουτόν stop είναι σε ανοικτή θέση (επιτρέπει διέλευση ρεύματος), η έξοδος Υ400 στην 1 η γραμμή 80

81 παραμένει ενεργή μέσω της Υ400 στην 2 η γραμμή. Η έξοδος με την σειρά της ενεργοποιεί τον ηλεκτρονόμο coil 1, ο οποίος κλείνει την ΝΟ επαφή του και ενεργοποεί την ενδεικτική λυχνία (ηλεκτρολογικό σχέδιο δεξιά). Το παραπάνω πρόβλημα επιλύεται και με το παρακάτω προγραμματισμό (εικόνα 7.15). Μπορείτε να επεξηγήσετε γιατί; εικόνα 7.15: Παράδειγμα αυτοματισμού με PLC Παράδειγμα 2 ο εφαρμογής σχεδιασμού και προγραματισμού PLC στο λογισμικό Automation Studio: Σχεδιάστε τον προγραμματισμό PLC, για μονοφασικό κινητήρα, ο οποίος θα μπορεί να εκκινείτε και να σταματά από 2 απόμακρες θέσεις με μπουτόν. Υπάρχει θερμικό για την προστασία του κινητήρα. Επίλυση: Ο σχεδιασμός αποτελείται από 3 βασικά τμήματα. Το τμήμα εισόδου των επαφών (εικόνα 7.16 αριστερά), το τμήμα του προγρμματισμού ενεργειών ladder programming (εικόνα 7.16κέντρο) και το τμήμα ελέγχου στοιχείων εξόδου (εικόνα 7.16 δεξιά). εικόνα 7.16: Κύκλωμα προγραμματισμού αυτοματισμού PLC 81

82 εικόνα 7.17: Σύνδεση εισόδων εξόδων στα φυσικά χαρακτηριστικά του ελεγκτή Η επεξήγηση του προγράμματος της εικόνας 7.16, ακολουθεί την ίδια λογική με το προηγούμενο πρόγραμμα. Προγραμματισμός με χρήση μνημoνικών εκφράσεων. Ανάλογα με το είδος του PLC υπάρχουν δεσμευμένες μνημονικές εκφράσεις με τις οποίες μπορούμε να προγραμματίσουμε υπό την μορφή κειμένου το PLC, αντί για το ladder programming. Στον παρακάτω πίνακα παραθέτουμε τις βασικές «εντολές» με την επεξήγηση τους για τα PLC της Mitsubishi. Εντολή LD LDI AND ANI OR Επεξήγηση Έλεγχος εάν η είσοδος Χ. πήρε εξωτερική εντολή (έκλεισε?) Έλεγχος εάν η είσοδος Χ. έχασε την εξωτερική εντολή (άνοιξε?) Σε σειρά με την προηγούμενη εντολή τοποθετούμε μια νέα LD Σε σειρά με την προηγούμενη εντολή τοποθετούμε μια νέα LDI Παράλληλα με την προηγούμενη εντολή τοποθετούμε μια LD 82

83 ORI ORB ΑΝB OUT Παράλληλα με την προηγούμενη εντολή τοποθετούμε μια LDI Ενώνει σέτ εντολών με λογική OR Ενώνει σέτ εντολών με λογική AND Έξοδος στην θύρα Υ. Πίνακας 7.3: Σέτ εντολών ελεκτή Mitsubishi Παράδειγμα προγραμματισμού με χρήση κειμένου (κώδικα). Μεταφράστε τα παρακάτω ladder programming σε κώδικα. LD X401 LD X400 LD X400 OUT Y400 AND X401 AND X402 LDI X400 OUT Y430 LD X401 OUT Y401 ANI X403 ORB OUT Y430 LD X400 OR X401 LD X402 ORΙ X403 ANB OUT Y430 83

84 Παράδειγμα χρήσης για πνευματικό αυτοματισμό: Σχεδιάστε ladder πρόγραμμα το οποίο θα εκκίνει με την βοήθεια μπουτόν έμβολο μονής ενέργειας με ελατήριο επαναφοράς, το οποίο θα επαναφέρεται στην αρχική του θέση όταν φτάσει σε προκαθορισμένη οριακή θέση. Επίλυση: είναι εμφανές ότι χρειαζόμαστε πνευματική βαλβίδα με ηλεκτρομαγνητικό μηχανισμό αλλαγής θέσης και οριοδιακόπτη ή κάποιο άλλο σύστημα ανίχνευσης θέσης του εμβόλου. εικόνα 7.18: Προγραμματισμός PLC για πνευματικό αυτοματισμό Στον παραπάνω πνευματικό σχεδιασμό χρησιμοποιούμε μαγνητικό σύστημα ανίχνευσης της θέσης του εμβόλου το οποίο ονομάζεται Proximity sensor. Ο αισθητήρας αυτός όταν αναγνωρίσει μεταβολλή του τοπικού μαγνητικού πεδίου που οφείλεται στην διέλευση του μεταλλικού βάκτρου, ενεργοποιεί τις επαφές (είτε NC είτε NO ανάλογα με τον τύπο, στο παράδειγμα είναι NC) για να δώσει ηλεκτρική εντολή στον αυτοματισμό για την θέση του εμβόλου. Πιέζοντας το start button, ενεργοποιούμε την είσοδο Χ400, ενεργοποιείται η έξοδος Υ430. Η έξοδος ενεργοποιεί τον ηλεκτρομαγνητικό μηχανισμό της βαλβίδας 3/2 NC και κινείται το βάκτρο του εμβόλου. Ταυτόχρονα η Υ430 αυτομανδαλώνετε μέσω της Υ430 έτσι ώστε το έμβολο να συνεχίσει την έκταση του. Η έκταση σταματάει όταν ο αισθητήρας Proximity ανοίξει την επαφή Proximity (NC), και μεταβληθεί η κατάσταση της θύρας Χ

85 ΑΣΚΗΣΗ 7.1 Για το παρακάτω πρόγραμμα ladder, σχεδιάστε το πρόγραμμα σε κώδικα για Mitsubishi PLC. ΑΣΚΗΣΗ 7.2 Με βάση τον παρακάτω κώδικα σχεδιάστε το ladder πρόγραμμα. LD X400 ANI X401 LDI X400 AND X401 ORB OUT Y430 ΑΣΚΗΣΗ 7.3 Σχεδιάστε στο Automation Studio πρόγραμμα ladder και το πνευματικό σχέδιο αυτοματισμού, ο οποίος να επιτυγχάνει την ενεργοποίηση για κίνηση δεξιά και αριστερά εμβόλου διπλής ενέργειας, με δυνατότητα στάσης σε ενδιάμεση θέση (με χρήση μπουτόν επαναφοράς). ΑΣΚΗΣΗ 7.4 Για το διάγραμμα ladder της εικόνας 7.18, σχεδιάστε τον κώδικα, για PLC Mitsubishi. 85

86 Εσωτερικά Ρελέ Τα εσωτερικά ρελέ δεν αποτελούν υπαρκτά στοιχεία εντός του ελεγκτή, αλλά είναι θέσεις μνήμης τις οποίες τις χρησιμοποιούμε για να αποθηκεύσουμε το αποτέλεσμα ενός ελέγχου. Στον σχεδιασμό χρησιμοποιούμε το ίδιο σύμβολο με τα ρελέ εξόδου, αλλά δίνουμε άλλες διευθύνσεις (ανάλογα με τον κατασκευαστή), για να υποδείξουμε ότι πρόκειται για εσωτερικό ρελέ. Τα ρελέ έχουν διευθύνσεις ανάλογα με τον κατασκευαστή: Κατασκευαστής Διεύθυνση Όρος εσωτερικού ρελέ Mitsubishi M100, M101.. Auxiliary relay/marker Siemens F0.0, F0.1.. Flag Πίνακας 7.4: Διευθύνσεις εσωτερικών ρελέ Η χρησιμότητα των ρελέ είναι εμφανής σε περιπτώσεις που έχουμε να ελέγξουμε πολλαπλές εισόδους όπως στο παράδειγμα της εικόνας Το παράδειγμα αυτό με την χρήση των εσωτερικών ρελέ, θα είχε το παρακάτω ladder program της εικόνας εικόνα 7.19: Παράδειγμα χρήσης εσωτερικών ρελέ στον προγραμματισμό Το παραπάνω παράδειγμα αποτελεί μια διαδεδομένη χρήση των εσωτερικών ρελέ για την απενεργοποίηση μιας αυτομανδάλωσης εξόδου υπό συνθήκες. Τα εσωτερικά ρελέ διατηρούν την κατάσταση τους με την βοήθεια εσωτερικής μπαταρίας στον ελεγκτή, έτσι ώστε εάν υπάρχει πτώση τάσης στο σύστημα τότε η αποκατάσταση του αυτοματισμού δεν ξεκινάει από την αρχική κατάσταση αλλά από αυτή στην οποία βρισκόταν κατά την πτώση της παροχής. Παλμική ενεργοποίηση (one shot) Στο παράδειγμα τηε εικόνας 7.20, έχουμε παλμική ενεργοποίηση εξόδου με την χρήση της εντολής PLS (pulse Mitsuibishi), για χρόνο ίσο με τον κύκλο του προγράμματος. 86

87 LD X402 ANI X404 OUT M100 LD X400 AND M100 PLS Y400 εικόνα 7.20: Παράδειγμα χρήσης One Shoot τεχνικής Κεντρικός έλεγχος για τμήμα Προγράμματος (Master Control) Εάν θέλουμε ένα τμήμα του ladder προγράμματος να «τρέχει» υπό συνθήκες τότε τοποθετούμε κεντρικό έλεγχο όπως φαίνεται στην εικόνα Το κάτω τμήμα του προγράμματος θα εκτελεσθεί μόνο εφόσον έχει ενεργοποιηθεί το εσωτερικό ρελέ Μ100. εικόνα 7.21: Παράδειγμα χρήσης master control ελέγχου 87

88 Ο αντίστοιχος κώδικας για τα PLC Mitsibishi, χρησιμοποιεί την εντολή MC (Master Control Relay), για να υποδείξει ότι ενεροποιείται/απενεργοποιείται τμήμα του κώδικα υπό συνθήκες. Ο κώδικας για την παραπάνω λειτουργία θα ήταν : LD X400 OUT M100 MC M100 «ενεργοποίηση εφόσον το Μ100 έχει ενεργοποιηθεί» LD X400 OUT Y430 LD X401 OUT Y431 MC M100 «επενεροποίηση του τμήματος κώδικα για τον επόμενο κύκλο» ΑΣΚΗΣΗ 7.5 Να γραφεί ο κώδικας για το παρακάτω ladder πρόγραμμα. Χρονοκαθυστέρηση Σε περιπτώσεις που επιθυμούμε η έναρξη μίας διαδικασίας να γίνει μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (ON delay), ή η λήξη μιας διεργασίας να συμβεί μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (OFF delay) τότε χρησιμοποιούμε τους χρονιστές (timers). Στο παράδειγμα της εικόνας 7.22, δείχνουμε την χρήση και των 2 ειδών χρονιστών. Ο χρονιστής «Timer On Delay», θα καθυστερήσει την έναρξη της εξόδου Υ430 κατά 10 sec από την 88

89 στιγμή που ενεργοποιήθηκε η είσοδος Χ402. Αντίστοιχα ο χρονιστής «Timer Off Delay» θα κλείσει την έξοδο Υ431 μετά το πέρας 10sec από την ενεργοποίηση της εισόδου Χ402. εικόνα 7.22: Παράδειγμα εφαρμογής προγραμματισμού με χρονοκαθυστέρηση Στην εικόνα 7.23, παρουσιάζεται ο χρονιστής του λογισμικού που χρησιμοποιούμε για τους σκοπούς του εργαστηρίου. Στο παρακάτω παράδειγμα ο χρονιστής είναι ON-delay (καθυστέρηση εκκίνησης), ονομάζεται Timer 1, έχει διεύθυνση Τ452, και θα ενεργοποιηθεί με καθυστέρηση 2 δευτερολέπτων. εικόνα 7.23: ρύθμιση ιδιοτήτων χρονομετρητή 89

90 Μετρητές (Counters) Οι μετρητές είναι στοιχεία των ελεγκτών τα οποία μετρούν τις φορές που μία επαφή έκλεισε ή άνοιξε και όταν ένας προκαθορισμένος αριθμός επαναλήψεων ολοκληρωθεί ενεργοποιείται η έξοδος του στοιχείου. Οι μετρητές (Up counters), ξεκινούν από το μηδέν και μετρούν έως έναν προκαθορισμένο αριθμό ενεργοποίησης «εισόδων», ενώ οι αντίστροφοι μετρητές (Down Counters), μετρούν αντίστροφα από έναν προκαθορισμένο αριθμό μέχρι το μηδέν. Στο παρακάτω παράδειγμα ο μετρητής μετράει τρέις φορές το κλείσιμο του μπουτόν και στην συνέχεια ενεργοποιεί την έξοδο Υ430 και ανάβει την ενδεικτική λυχνία (Red). Για να λειτουργίσει σωστά στο λογισμικό μας πρέπει να δώσουμε σωστά τις ονομασίες και τις διευθύνσεις των στοιχείων (εικόνα 7.25). Στο παρακάτω παράδειγμα εάν δεν υπήρχε η έξοδος RES (Reset), τότε ο μετρητής θα ενεργοποίούσε μια φορά και για πάντα την λυχνία μετά την καταμέτρηση 3 ων εισόδων. Με την χρήση του RES, ο μετρητής επανέρχεται στην αρχική φάση αρίθμησης (ξεκινά πάλι από το μηδέν την μέτρηση). εικόνα 7.24: παράδειγμα χρήση μετρητή Στις παρακάτω εικόνες (εικόνα 7.25), δείχνουμε πώς ορίζουμε σωστά τις διευθύνσεις των στοιχείων. 90

91 εικόνα 7.25: ρύθμιση ιδιοτήτων μετρητή & επαφών μετρητή 91