ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΜΕ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΕΣ ΒΑΛΒΙΔΕΣ

Transcript

1 ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΜΕ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΕΣ ΒΑΛΒΙΔΕΣ Μέγγενη Τρυπάνι Λαμαρίνα για τρύπημα Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 171

2 Πνευματικές Βαλβίδες Τα πνευματικά συστήματα, δηλαδή τα συστήματα πεπιεσμένου αέρα, χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία σε πολλές εφαρμογές. Μπορούμε να διαχωρίσουμε τις εφαρμογές των πνευματικών συστημάτων σε εφαρμογές Ισχύος, εφαρμογές Αυτοματισμού και λοιπές εφαρμογές. Στις εφαρμογές Ισχύος συναντούμε μεγάλη ποικιλία μηχανημάτων όπου η Ισχύς μεταφέρεται από πνευματικούς κυλίνδρους, όπως είναι για παράδειγμα πρέσες, ρομποτικοί βραχίονες, ανυψωτικά μηχανήματα κλπ. Στις λοιπές εφαρμογές μπορούμε να κατατάξουμε συστήματα μεταφοράς υλικών μέσα σε μια παραγωγική διαδικασία, καθαρισμούς, δημιουργία τεχνητού περιβάλλοντος και άλλες. Σημαντική είναι και η παρουσία των πνευματικών συστημάτων και στον αυτοματισμό. Παρόλο που σήμερα τα ολοκληρωμένα συστήματα αυτοματισμού γίνονται όλο και περισσότερο ηλεκτρονικά και μέσω υπολογιστή, τα πνευματικά συστήματα συνεχίζουν να διατηρούν κάποια πλεονεκτήματα τα οποία τα κρατούν ακόμα στην επικαιρότητα. Βέβαια η έκταση εφαρμογής των πνευματικών συστημάτων έχει περιοριστεί σημαντικά σε σχέση με τις προηγούμενες δεκαετίες. Τα πνευματικά συστήματα αυτοματισμού που σήμερα χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές είναι οι πνευματικές βαλβίδες, οι οποίες εντάσσονται σε σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα αυτοματισμού και συνεργάζονται θαυμάσια με PLC. Τα πνευματικά συστήματα αυτοματισμού μπορούμε να τα ταξινομήσουμε σε αναλογικά συστήματα αυτοματισμού και συστήματα με πνευματικές βαλβίδες, κατ αναλογία με τον διαχωρισμό των συστημάτων αυτοματισμού σε αναλογικά συστήματα και αυτοματισμούς διεργασιών. Οι πνευματικές βαλβίδες ταξινομούνται από άποψη τεχνολογίας σε: Πνευματικές βαλβίδες με κινητά μέρη Λογικές πνευματικές βαλβίδες (χωρίς κινητά μέρη) Τα αναλογικά συστήματα αυτοματισμού έδωσαν πολύτιμες και εκπληκτικές από τεχνολογική άποψη συσκευές, που επιτρέπουν τον αυτόματο έλεγχο σερβομηχανισμών με ακρίβεια, αξιοπιστία και παρέχοντας τεράστιες δυνατότητες για εφαρμογή των αλγορίθμων P-I-D. Οι συσκευές αυτές είναι Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 172

3 πολύ λεπτές μηχανολογικές κατασκευές και λειτουργούν εξ ολοκλήρου με πεπιεσμένο αέρα. Πνευματικά Συστήματα Αυτοματισμού Αναλογικά Συστήματα Πνευματικές Βαλβίδες Βαλβίδες με κινητά μέρη Λογικές Βαλβίδες Τα αναλογικά συστήματα αυτοματισμού είναι συσκευές αξιόπιστες και πολύ μεγάλης αντοχής, αφού μπορούν να δουλέψουν σε πολύ κακό βιομηχανικό περιβάλλον, με υψηλές θερμοκρασίες και υγρασία, όπου τα ηλεκτρονικά παρουσιάζουν συνεχείς βλάβες. Πρόκειται όμως για πολύ ακριβά όργανα σε σχέση με το σημερινό πολύ χαμηλό κόστος των ηλεκτρονικών, έτσι η πληροφοριοποίηση των αυτοματισμών οδήγησε σταδιακά σε πλήρη εκτοπισμό των αναλογικών πνευματικών συστημάτων από τη βιομηχανική παραγωγή. Αντίθετα οι πνευματικές βαλβίδες διατηρούν ένα αρκετά καλό «κομμάτι» στις εφαρμογές αυτοματισμών διεργασιών, συνεργαζόμενες σχεδόν πάντα με PLC. Τα πλεονεκτήματα που οδηγούν στη χρήση των πνευματικών βαλβίδων. Τα πλεονεκτήματα τα οποία συνηγορούν υπέρ της χρήσης των πνευματικών βαλβίδων σήμερα σε ένα αυτοματισμό είναι κυρίως τα εξής: Όταν σε μια εφαρμογή θέλουμε να έχουμε κίνηση γραμμική και όχι περιστροφική, συμφέρει η χρήση πνευματικού εμβόλου και όχι κινητήρα που απαιτεί την κατασκευή μηχανολογικού μηχανισμού μετατροπής. Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 173

4 Με ένα πνευματικό έμβολό μπορούμε να πετύχουμε μεγάλη ισχύ έχοντας μικρότερο σε όγκο και απλούστερο σε κατασκευή μηχανισμό. Συνεχίζει να υπάρχει ακόμα και σήμερα το πλεονέκτημα, ότι τα πνευματικά συστήματα (έμβολα, βαλβίδες) αντέχουν σε κακό βιομηχανικό περιβάλλον με υψηλές θερμοκρασίες και υγρασία. Βέβαια σήμερα τα συστήματα αυτοματισμού βρίσκονται σε καλά κλιματιζόμενα control room, αλλά οι κινητήρες θα πρέπει να βρίσκονται μέσα στο δυσμενές βιομηχανικό περιβάλλον. Οι λογικές πνευματικές βαλβίδες Οι λογικές πνευματικές βαλβίδες, είναι στην ουσία το πνευματικό αντίστοιχο των ηλεκτρονικών λογικών πυλών. Οι βαλβίδες αυτές αναπτύχθηκαν κατά τη δεκαετία του 1980 και στηριζόταν σε αρχές αεροδυναμικής. Οι βαλβίδες αυτές δεν έχουν κινητά μέρη. Η κατασκευή η ίδια οδηγεί τον αέρα που εισέρχεται στην τροφοδοσία, σε διαφορετικές εξόδους ανάλογα με τα σήματα αέρα που δέχεται στην εισόδους της. Στο σχήμα δίνεται ένα παράδειγμα μιας βαλβίδας OR και μια βαλβίδας AND όπου γίνεται προφανής και η αρχή λειτουργίας, Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 174

5 Οι λογικές βαλβίδες είναι πολύ ελαφρές και μικρές σε όγκο και δουλεύουν σε συστήματα χαμηλής πίεσης, για αυτό και χρησιμοποιήθηκαν πολύ σε αεροπορικές εφαρμογές. Η τεχνολογία αυτή είχε πολύ καλές προοπτικές, και μάλιστα οδήγησε σε κατασκευή «βαλβίδων κυκλωμάτων» που μπορούμε να πούμε ότι είναι το αντίστοιχο των ηλεκτρονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η εξέλιξη όμως των μικροϋπολογιστών και των PLC ανέκοψε της πορεία εξέλιξης αυτών των λογικών βαλβίδων. Σήμερα απλά συναντούμε κάποιες βαλβίδες OR και AND στην γκάμα των κλασσικών βαλβίδων που ονομάσαμε «βαλβίδες με κινητά μέρη». Η αρχή λειτουργίας των πνευματικών βαλβίδων με κινητά μέρη. Οι πνευματικές βαλβίδες με κινητά μέρη αποτελούνται από 2 μέρη: το κέλυφος και το κινητό μέρος που είναι ένα είδος μικρού εμβόλου και ονομάζεται «πηνίο». Το πηνίο μπορεί να καταλαμβάνει 2 θέσεις, στις οποίες (και κατ αντιστοιχία με το ηλεκτρικό ρελέ) ονομάζουμε «Θέση ηρεμίας» και «Θέση λειτουργίας» ή «διέγερσης». Στην κάθε μία από τις θέσεις αυτές οι βαλβίδες κατευθύνουν τον πεπιεσμένο αέρα ο οποίος εισέρχεται σε συγκεκριμένες εισόδους σε διαφορετικές εξόδους. Το κατασκευαστικό σχέδιο των βαλβίδων με κινητά μέρη διαφέρει από εταιρία σε εταιρία και από μοντέλο σε μοντέλο. Στις φωτογραφίες δίνονται παραδείγματα πνευματικών βαλβίδων όπου φαίνεται το κατασκευαστικό σχέδιο, οι δύο θέσεις του πηνίου και διοδεύσεις του αέρα στην κάθε θέση λειτουργίας, Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 175

6 Το λειτουργικό σχέδιο των πνευματικών βαλβίδων με κινητά μέρη Άσχετα με τον τρόπο κατασκευή της κάθε βαλβίδας, στα σχέδια του αυτοματισμού μας ενδιαφέρει το λειτουργικό σχέδιο των βαλβίδων. Η αρχή του σχεδιασμού είναι η εξής: Ο κορμός της βαλβίδας Με ένα παραλληλόγραμμο που αποτελείται από δύο μέρη παρουσιάζουμε την πορεία του πεπιεσμένου αέρα στις δύο θέσεις της βαλβίδας. Πάνω και κάτω στο σχέδιο (στο πλατύ μέρος) σημειώνουμε τις εισόδους και τις εξόδους του αέρα. Τα βέλη δηλώνουν την πορεία του αέρα. Τα σχήματα Τ δηλώνουν ότι εκεί έχουμε stop του αέρα. Το σχέδιο του σχήματος δείχνει μία βαλβίδα η οποία έχει 3 «θύρες = εισόδους εξόδους» οι οποίες σημειώνονται με τα γράμματα Α,P και R. Η βαλβίδα έχει δύο θέσεις την «θέση ηρεμίας» και την «θέση λειτουργίας». Το σχέδιο δείχνει ότι στη θέση ηρεμίας ο αέρας που θα εισέλθει στην θύρα P, θα εξέλθει από την θύρα Α, ενώ η θύρα R παραμένει κλειστή. Στη θέση λειτουργίας ο αέρας που θα εισέλθει στη θύρα Α θα εξέλθει από τη θύρα R, ενώ η θύρα P παραμένει κλειστή. Α Α P R P R Θέση λειτουργίας Θέση ηρεμίας Ο τρόπος διέγερσης της βαλβίδας Η βαλβίδα μπορεί να αλλάζει θέση με πολλούς τρόπους, τους οποίους θα δούμε με λεπτομέρεια παρακάτω. Η αλλαγή θέσης της βαλβίδας ονομάζεται «διέγερση της βαλβίδας». Ο τρόπος διέγερσης της βαλβίδας δείχνεται στο σχέδιο, προσθέτοντας το κατάλληλο σύμβολο δεξιά και αριστερά στο σχέδιο της βαλβίδας (στο στενό τμήμα του παραλληλογράμμου) και δείχνει τον τρόπο με τον οποίο η βαλβίδα τίθεται σε Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 176

7 αυτή τη θέση. Στο παρακάτω παράδειγμα το σχέδιο δείχνει ότι η βαλβίδα τίθεται σε θέση λειτουργίας με ένα μπουτόν και επανέρχεται σε θέση ηρεμίας με τη βοήθεια ενός ελατηρίου, όταν βέβαια σταματήσουμε μα πατάμε το μπουτόν Α Α P R P R Θέση Λειτουργίας - ΜΠΟΥΤΟΝ Θέση Ηρεμίας - ΕΛΑΤΗΡΙΟ Η ονοματολογία των βαλβίδων. Οι βαλβίδες διακρίνονται από τον αριθμό των θυρών και τις θέσεις λειτουργίας. Η βαλβίδα που παρουσιάζεται στο παράδειγμα είναι 3 θυρών (τρίοδη) και 2 θέσεων, μιλάμε λοιπόν για μια 3/2 βαλβίδα. Στο παρακάτω σχέδιο έχουμε μια 5/2 βαλβίδα, μια 4/2 και μία 5/3. Οι βαλβίδες 3 θέσεων συναντώνται σπάνια και σε ειδικές περιπτώσεις. Σημειώνουμε ότι με τον ίδιο ακριβώς τρόπο σχεδιάζουμε και τις υδραυλικές βαλβίδες. Στις υδραυλικές βαλβίδες αυτές των 3 θέσεων είναι ο κανόνας. 5/2 Βαλβίδα 4/2 Βαλβίδα 5/3 Βαλβίδα Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 177

8 Ένα ολοκληρωμένο σχέδιο πνευματικού αυτοματισμού. Σε ένα σχέδιο πνευματικού αυτοματισμού συνδέουμε τις πνευματικές βαλβίδες και καταλήγουμε σχεδόν πάντα σε έμβολα που είναι οι αποδέκτες του αυτοματισμού. Σε ένα ολοκληρωμένο σχέδιο πνευματικού αυτοματισμού επομένως θα έχουμε οπωσδήποτε τα έμβολα στα οποία καταλήγει ο αυτοματισμός, τις πηγές τροφοδοσίας πεπιεσμένου αέρα, αλλά και τα σημεία εκτόνωσης της πίεσης, δηλαδή τα σημεία διαφυγής του αέρα στην ατμόσφαιρα. Οι συνδέσεις γίνονται με συνεχείς γραμμές οι οποίες υποδηλώνουν τα σωληνάκια μεταφοράς του πεπιεσμένου αέρα. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα παράδειγμα σχεδίου αυτοματισμού. Α Έμβολο P Πηγή πίεσης R Σημείο εκτόνωσης Το σχέδιο του παραδείγματος διαβάζεται ως εξής: Όταν πατήσουμε το μπουτόν τότε η βαλβίδα συνδέει τον θύρα P όπου έχουμε τροφοδοσία πεπιεσμένου αέρα, με την θύρα Α. Η Θύρα Α συνδέεται με το έμβολο, αυτό σημαίνει επομένως ότι όταν πατήσουμε το μπουτόν θα έχουμε πίεση στο θάλαμο του εμβόλου και επομένως θα έχουμε έκταση του εμβόλου. Όταν αφήσουμε το μπουτόν η βαλβίδα με την ενέργεια του ελατηρίου της επανέρχεται σε κατάσταση ηρεμίας και στο σχέδιο βλέπουμε ότι συνδέει την θύρα A με τη θύρα R της βαλβίδας, η οποία δεν συνδέεται πουθενά. Αυτό σημαίνει ότι το έμβολο θα επιστρέψει διότι ο θάλαμος Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 178

9 του βρίσκεται σε αποσυμπίεση και επομένως το ελατήριο του το επαναφέρει στην αρχική του θέση. Τρόποι διέγερσης των πνευματικών βαλβίδων και συμβολισμοί Οι τρόποι διέγερσης των πνευματικών βαλβίδων μπορούν να ταξινομηθούν σε 3 κατηγορίες ως εξής: Χεροκίνητες (manual). Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι βαλβίδες στις οποίες το πηνίο μετακινείται από την δύναμη του χειριστή. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία διεγέρσεων. Υπάρχουν βαλβίδες μπουτόν, διακόπτες, πεντάλ, κλειδιά, λεβιέδες κλπ. Παρακάτω στον πίνακα δίνονται μερικά από τα σύμβολα για τις διεγέρσεις αυτές Ηλεκτρικές. Στην κατηγορία αυτή ταξινομούμε τις βαλβίδες οι οποίες διεγείρονται ηλεκτρικά. Κατασκευαστικά λειτουργούν με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνήτη. Βέβαια δεν είναι η δύναμη του ηλεκτρομαγνήτη που μετακινεί το έμβολο της βαλβίδας, αλλά η δύναμη της πίεσης του αέρα, λέμε ότι οι βαλβίδες είναι εμμέσου διεγέρσεως. Κατασκευαστικά σχέδια παρουσιάζονται παρακάτω. Πνευματικές. Ανήκουν οι βαλβίδες οι οποίες διεγείρονται με την πίεση του αέρα. Μηχανικές Τερματικές. Πρόκειται για βαλβίδες στις οποίες η δύναμη στο «πηνίο» της βαλβίδας γίνεται πάλι μηχανικά, όμως όχι από το χειριστή, αλλά από την ανίχνευση της θέσης του εμβόλου ή κάποιου άλλου μηχανισμού. Οι βαλβίδες αυτές στην πλειοψηφία τους είναι εμμέσου διεγέρσεως, Βαλβίδες αυτόματα επιστρεφόμενες και Βαλβίδες «μνήμες» Οι πνευματικές βαλβίδες μπορούν να επιστρέφουν στην κατάσταση ηρεμίας με την χρήση ελατηρίου. Αυτό σημαίνει ότι όταν η διέγερση πάψει να υπάρχει τότε επιστρέφει στη κατάσταση ηρεμίας με τη βοήθεια του ελατηρίου. Το σύμβολο φαίνεται στον πίνακα. Σημαντική για τον σχεδιασμό των αυτοματισμών είναι οι βαλβίδες οι οποίες δεν επανέρχονται μόνες στη θέση ηρεμίας, αλλά με την χρήση διέγερσης στη αντίθεση κατεύθυνση. Η βαλβίδες αυτές λέγονται «βαλβίδες-μνήμες» και όντως είναι «μνήμες» διότι «θυμούνται» την θέση στην οποία τέθηκαν την Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 179

10 τελευταία φορά. Οι βαλβίδες αυτές είναι πράγματι το μηχανικό ανάλογο της ηλεκτρονικής μνήμης. ΠΙΝΑΚΑΣ Σύμβολα διεγέρσεων πνευματικών βαλβλιδων Χειροκίνητες διεγέρσεις Μπουτόν (η διέγερση ισχύει όσο το πατάμε) Διακόπτης (συγκρατεί την διέγερση) Λεβιές (διακόπτης - συγκρατεί την διέγερση ) Πεντάλ (η διέγερση ισχύει όσο το πατάμε) Κλειδί (συγκρατεί την διέγερση) Μηχανικές τερματικές διεγέρσεις Τερματικό με ρόλερ (η διέγερση ισχύει όσο το πατάμε) Τερματικό με ρόλερ(η διέγερση ισχύει όσο το πατάμε) Ηλεκτρικές διεγέρσεις Ηλεκτρική διέγερση ΟΝ διέγερσης (δηλαδή διεγείρεται με την παρουσία ρεύματος στη διέγερση) Ηλεκτρική διέγερση ΟFF διέγερσης (δηλαδή διεγείρεται με την απουσία ρεύματος στη διέγερση) Πνευματικές διεγέρσεις Πνευματική διέγερση ΟΝ διέγερσης (δηλαδή διεγείρεται με την παρουσία πίεσης) Πνευματική διέγερση OFF διέγερσης (δηλαδή διεγείρεται με την απουσία πίεσης) Ελατήριο επαναφοράς στη θέση ηρεμία ελατήριο Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 180

11 Χ Υ Βαλβλίδα πνευματικά διεγειρόμενη με επιστροφη Βαλβλίδα μνήμη επιστρέφει μόνο αν εφαρμόσουμε στην διέγερση Υ πνευματικό σήμα (αλλά να μην υπάρχει διέγερση απο το Χ) Χ Υ Βαλβλίδα ηλεκτρικά διεγειρόμενη με επιστροφη Βαλβλίδα μνήμη επιστρέφει μόνο αν εφαρμόσουμε στην διέγερση Υ ηλεκτρικό σήμα (αλλά να μην υπάρχει διέγερση απο το Χ) Ο τρόπος λειτουργίας των βαλβίδων-«μνήμη» είναι απλός, για να επανέλθει το «πηνίο» (έμβολο) της βαλβίδας χρειάζεται η αντίστροφή κίνηση, αφού δεν υπάρχει ελατήριο. Αυτό κάνει κατανοητό ότι μια βαλβίδα μνήμη για να λειτουργεί από τον μία της θέση στην άλλη, δεν πρέπει να έχει διέγερση από την άλλη πλευρά, αφού η δύναμη θα είναι ίδια και από την μία πλευρά και από την άλλη του «πηνίου» με αποτέλεσμα να μη μετακινηθεί. Επίσης γίνεται φανερό ότι η διέγερση αρκεί να είναι στιγμιαία, δεν χρειάζεται να είναι συνέχεια ενέργεια, αφού δεν υπάρχει αντίσταση (ελατήριο) στην αλλαγή της θέσης της βαλβίδας. Το σημείο αυτό αποτελεί μια ακόμα διαφορά της βαλβίδας μνήμης από τις βαλβίδες ελατηρίου. ΠΡΟΣΟΧΗ λοιπόν στα εξής: 1. Μία βαλβίδα μνήμη δεν μπορεί να αλλάξει θέση αν δεν λειτουργήσει διέγερση που να τη φέρει στην αντίθεση θέση. 2. Σε μία βαλβίδα μνήμη για να λειτουργήσει η διέγερση της μια θέσης, δεν πρέπει εκείνη τη στιγμή να υπάρχει διέγερση από την άλλη θέση. Θα πούμε αστειευόμενοι ότι αν μια βαλβίδα μνήμη την τελευταία φορά που δούλεψε βρισκόταν στην κατάσταση Α, και μετά χαλάσαμε το Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 181

12 σχέδιο και την βάζουμε τη βαλβίδα στο συρτάρι. Την επόμενη φορά που θα τη χρησιμοποιήσουμε η βαλβίδα να δε τη διεγείρουμε, θα βρίσκεται στην ίδια θέση Α. 3. Η διέγερση σε μια βαλβίδα μνήμη, αρκεί να είναι στιγμιαία και όχι διαρκείας. Τα είδη των εμβόλων και συμβολισμοί Όλοι οι πνευματικοί αυτοματισμοί καταλήγουν σε έμβολα. Όπως στον ηλεκτρολογικό αυτοματισμό το κομμάτι ισχύος είναι οι κινητήρες, στον πνευματικό αυτοματισμό το κομμάτι ισχύος είναι έμβολα. Τα έμβολα όπως είναι φανερό μας δίνουν γραμμική και όχι περιστροφική κίνηση και αυτό αποτελεί ένα πλεονέκτημα του πνευματικού αυτοματισμού όταν έχουμε μια εφαρμογή που απαιτεί γραμμική κίνηση. Αυτό διότι γλυτώνουμε από όλη εκείνη τη μηχανολογική κατασκευή που απαιτείται για να μετατρέψει την περιστροφική κίνηση ενός κινητήρα σε γραμμική. Επίσης με τα έμβολα μπορούμε να πετύχουμε μεγαλύτερη ισχύ με κατασκευές μικρότερου όγκου. Οι εταιρείες παραγωγής πνευματικού αυτοματισμού βγάζουν μια μεγάλη γκάμα εμβόλων. Από λειτουργική άποψη, δηλαδή από την άποψη του αυτοματισμού μας ενδιαφέρουν τα δύο παρακάτω είδη εμβόλων. Έμβολα απλής ενέργειας. Πρόκεται για έμβολα τα οποία δέχονται πίεση μόνο από την μία πλευρά, δηλαδή μόνο για να ανοίξουν. Η επαναφορά γίνεται με την δύναμη ελατηρίου. Τα έμβολα απλής ενέργειάς έχουν πολύ περιορισμένη εφαρμογή. Θάλαμος πίεσης ελατήριο Πηγή πίεσης Εκτόνωση που γινεται με τη βοήθεια του εργαστηίου Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 182

13 Εμβολα διπλής ενέργειας. Στα έμβολα διπλής ενέργειας έχουμε δύο θαλάμους πίεσης. Για να κινηθεί το έμβολο πρέπει να έχουμε πίεση στον ένα θάλαμο και αποσυμπίεση, δηλαδή να βγαίνει ο αέρας από την άλλη. Στην μεγάλη πλειοψηφία των αυτοματισμών χρησιμοποιούμε έμβολα διπλής ενέργειας. Ο έλεγχος της κίνησης του εμβόλου επιτυγχάνεται με τη χρήση μια βαλβίδας η οποία ονομάζεται βαλβίδα πιλότος. Θάλαμος πίεσης Θάλαμος πίεσης Εκτόνωση που γινεται όταν το έμβολο επιστρέφει Εκτόνωση που γινεται όταν το έμβολο ανοίγει Πηγή πίεσης Κύκλωμα ισχύος και κύκλωμα αυτοματισμού Σε μία εφαρμογή αυτοματισμού τα έμβολα μεταφέρουν κάποια ισχύ, δηλαδή πρέπει να ασκήσουν κάποια δύναμη. Τα έμβολα είτε είναι απλής ή διπλής ενέργειας πρέπει να επιλεγούν και ανάλογα με τι ισχύ θα μεταφέρουν. Τα χαρακτηριστικά ενός εμβόλου από την άποψη της ισχύος είναι το εμβαδόν της διατομής του, το μήκος και η πίεση στην οποία θα λειτουργήσει. Θα δούμε σε επόμενο κεφάλαιο πως μπορούμε με ειδικά διαγράμματα των εταιρειών να επιλέγουμε τα έμβολα. Το μέγεθος του εμβόλου καθορίζει και το μέγεθος της βαλβίδας πιλότου. Το έμβολο, η βαλβίδα πιλότος και οι γραμμές πίεσης που οδηγούν μέσα από τις βαλβίδες πιλότους στους θαλάμους του εμβόλου αποτελεί το κύκλωμα ισχύος του αυτοματισμού. Οι υπόλοιπες βαλβίδες και οι γραμμές που οδηγούν στη μεταφορά των σημάτων αυτοματισμού από βαλβίδα σε βαλβίδα αποτελούν το κύκλωμα αυτοματισμού. Το κύκλωμα αυτοματισμού ανεξάρτητα από την πίεση στην οποία λειτουργεί το σύστημα δεν απαιτεί σήματα μεγάλης ισχύος και έτσι δεν απαιτούνται μεγάλες παροχές πεπιεσμένου αέρα και Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 183

14 επομένως οι βαλβίδες αυτοματισμού οσο και οι γραμμές είναι μικρές σε όγκο. Τα δύο κυκλώματα (ισχύος και αυτοματισμού) δεν μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους και για αυτό σε πολλά σχέδια αποτυπώνονται με διαφορετικό τρόπο, ως εξής: Το κύκλωμα ισχύος σχεδιάζεται με πιο παχιά γραμμή Κύκλωμα Ισχύος Κύκλωμα Αυτοματοισμού Άλλα εξαρτήματα και λοιποί συμβολισμοί πνευματικών σχεδίων αυτοματισμού Εχουμε ήδη δει τα σύμβολα των βασικών βαλβίδων και των εμβόλων. Θα δούμε στη συνέχεια κάποια επιπλέον εξαρτήματα που χρησιμοποιούμε σε ένα σχέδιο αυτοματισμού, αλλά και βασικά άλλα σύμβολα που συμπληρώνουν τα σχέδια του πνευματικού αυτοματισμού. Στην πρώτη κατηγορία συμπεριλάβαμε βασικά σύμβολα που συναντούμε σε κάθε σχέδιο Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζουμε σύμβολα συσκευών οι οποίες συναντώνται πάντα σε ένα πνευματικό κύκλωμα. Ο πεπιεσμένος αέρας που χρησιμοποιείται στα πνευματικά συστήματα αυτοματισμού πρέπει να είναι απαλλαγμένος από υγρασία, και απόλυτα καθαρός από σκόνη. Πάντα λοιπόν σε μια τροφοδοσία ενός συστήματος πνευματικού αυτοματισμού υπάρχουν: Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 184

15 Ρυθμιστής πίεσης Το μανόμετρο που μας δείχνει την πίεση Ξηραντής (αφυγραντής) Φίλτρο Επίσης πολλές φορές υπάρχει και λιπαντής έτσι ώστε ο αέρας να λυπαίνει τα κινητά μέρη των βαλβίδων και των εμβόλων Βασικοί σχεδιαστικοί συμβολισμοί Πηγή πίεσης Εκτόνωση στην ατμόσφαιρα Stop πιεσης Διακλάδωση Διασταυρούμενες γραμμές μη συνδεόμενες (jumper) Εύκαμπτη γραμμή 0.00 Bar Συσκευές βασικές σε ένα πνευματικό κυκλωμα Μετρητής πίεσης Κομπρεσέρ Ρυθμιστής πίεσης Ξηραντής αέρα φίλτρο Λιπαντής Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 185

16 Στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε διάφορες άλλες βαλβίδες οι οποίες είναι χρειάζονται μερικές φορές σε ένα πνευματικό αυτοματισμό Βαλβίδα αντεπιστροφής Επιτρέπει το ροή του αέρα σε μια μόνο κατεύθυνση. Απαγορεύεται η ροή Επιτρέπεται η ροή Βαλβίδα εκτόνωσης πίεσης. Πρόκειται για ένα στραγγαλιστή του αέρα ρυθμιζόμενο. Χρησιμοποιούνται για να ρυθμίζουν την ταχύτητα του εμβόλου. Σε συνδυασμό με μια βαλβίδα αντεπιστροφής μπορούμε να έχουμε εκτόνωση μόνο προς τη μία κατεύθυνση του αέρα. Βαλβίδα εκτόνωσης μόνο σε αυτή την κατεύθυνση Βαλβίδα εκτόνωσης ανεξαρτήτου κατεύθυνσης ροής Ελεύθερη ροή σε αυτή την κατεύθυνση Για την ρύθμιση της ταχύτητας ενός εμβόλου η βαλβίδα εκτόνωσης πρέπει να μπαίνει όχι στη υπο πίεση γραμμή αλλά στην εκτόνωση. Αυτό σημαίνει ότι θα τοποθετήσουμε την βαλβίδα εκτόνωσης μιας κατεύθυνση, έτσι ώστε όταν ο αέρας εισέρχεται στο έμβολο υπο πίεση να διέρχεται ελεύθερα και να περνάει από τον στραγγαλιστή μόνο όταν εξέρχεται από το έμβολο. Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 186

17 Ρύθμιση ταχύτητας επιστροφής του εμβόλου Ρύθμιση ταχύτητας ανοίγματος του εμβόλου Ελβολο με ρυθμιζόμενη την ταχύτητα και προς της δύο καυτευθύνσεις Λογική Βαλβίδα OR Ο συνδυασμός 2 βαλβίδων αντεπιστροφής μπορεί να μας δώσει μια βαλβίδα που λειτουργεί σαν λογική βαλβίδα OR. Είσοδος 1 Είσοδος 2 Έξοδος ΛΟΓΙΚΗ ΒΑΛΒΙΔΑ ΟR Ή στην είσοδο 1 Ή στην είσοδο 2 Η και στις δυο έχουμε σήμα αέρα θα έχουμε σήμα αέρα στην έξοδο Λογική βαλβίδα AND Η βαλβίδα αυτή λειτουργεί με τη λογική AND και κυκλοφορεί σαν αυτόνομη βαλβίδα από τις περισσότερες ευκαιρίες Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 187

18 έξοδος Είσοδος 1 Είσοδος 2 ΛΟΓΙΚΗ ΒΑΛΒΙΔΑ AND Για να έχουμε Πίεση αέρα στην έξοδο Πρέπει να έχουμε πίεση ΚΑΙ στην ΕΙΣΟΔΟ 1 και ΣΤΗΝ ΕΙΣΟΔΟ 2 Τη λογική AND μπορούμε να την υλοποιήσουμε και με βαλβίδες 3/2, όπως φαίνεται στο σχήμα. Είσοδος 1 Είσοδος 2 έξοδος Είσοδος 1 Είσοδος 2 έξοδος Συνδεσμολογία βαλβίδων 3/2 ΣΕ ΛΟΓΙΚΗ AND Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 188

19 Αισθητήρια Στους αυτοματισμούς των εμβόλων υπάρχουν αισθητήρια ανίχνευση της θέσης του εμβόλου που στηρίζονται σε διάφορες τεχνολογίες. Σήμερα τα αισθητήρια συνήθως είναι ηλεκτρικά, δηλαδή δίνουν έξοδο ηλεκτρικό σήμα μια και οι αυτοματισμοί κυρίως χρησιμοποιούν ηλεκτροπνευματικές βαλβίδες. Υπάρχουν όμως και αισθητήρια που δίνουν πνευματικό σήμα, όπως είναι οι τερματικές πνευματικές βαλβίδες που περιγράψαμε παραπάνω. Στον επόμενο πίνακα δίνουμε τα σύμβολα, διαφόρων ειδών αισθητηρίων. Συμβολισμοί αισθητηρίων Μηχανικός τερματικός διακόπτης 0.00 Bar Αισθητήριο ανίχνευσης πίεσης. (Ύπαρξη πίεσης η όχι) 0.00 Bar Αισθητήριο ανίχνευσης Αναλογικής πίεσης. (Ρυθμίζεται σε ποια τιμή πίεσης θα ενεργοποιηθει)? Μηχανική επαφή Μαγνητικός αισθητήρας (ανιχνεύει υλικά σιδηρομαγνητικα) Θερμικός αισθητήρας Αισθητήρας προσέγγισης (proximity ανιχνεύει την ύπαρξη υλικών που βρίσκονται σε μια απόσταση) Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 189

20 0.00 LPM Ανιχνευτής ροής (ανιχνεύει τη ροή υγρών και δίνει σήμα όταν περάσει μια ορισμένη τιμή) Bleed αισθητήριο Εφαρμογές αυτοματισμών με έμβολα Σε μια εφαρμογή που έχουμε γραμμικές κινήσεις συμφέρει να χρησιμοποιήσουμε έμβολα από ότι κινητήρες οι οποίοι απαιτούν μηχανισμούς μετατροπής της περιστροφικής κίνησης. Επίσης με έμβολα μπορούμε να πετύχουμε μεγαλύτερες ισχύς με μικρότερες σε όγκο κατασκευές από ότι με κινητήρες. Βέβαια οι αυτοματισμοί με έμβολα απαιτούν σύστημα παραγωγής πεπιεσμένου αέρα και γενικά δεν είναι φθηνές κατασκευές. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να γίνεται τεχνοοικονομική μελέτη η οποία θα καθορίσει το είδος του αυτοματισμού. Ο αυτοματισμός με έμβολα συνίσταται στην αλληλουχία της κίνησης των εμβόλων. Συνήθως το έμβολο έχει δύο θέσεις ως εξής: «κλειστό» και «ανοικτό». Έμβολο «κλειστό» Έμβολο «ανοικτό» Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 190

21 Η αλληλουχία της κίνησης των εμβόλων καθορίζεται από τους διακόπτες ανίχνευσης τέρματος (τερματικοί διακόπτες). Συνήθως η τερματικοί διακόπτες ανιχνεύουν τις 2 θέσεις των εμβόλων, δηλαδή τις θέσεις: «κλειστό» και «ανοικτό» Ανιχνευσή της θέσης «κλειστό» Ανιχνευσή της θέσης «ανοικτό» Τερματικοί διακόπτες Τερματικοί διακόπτες Παράδειγμα αυτοματισμού Μέγγενη Τρυπάνι Λαμαρίνα για τρύπημα Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 191

22 Στο Σχήμα παρουσιάζεται το σκαρίφημα ενός αυτοματισμού. Πρόκειται για μια αυτόματη παραγωγική διαδικασία η οποία ανοίγει τρύπες σε συγκεκριμένη θέση σε λαμαρίνες. Η διαδικασία κίνησης του αυτοματισμού είναι η εξής: Ο χειριστής αφού τοποθετήσει τη λαμαρίνα στη θέση της πατάει το μπουτόν Ανοίγει ο κύλινδρος της μέγγενης και πατάει τη λαμαρίνα Κατεβαίνει το τρυπάνι και ανοίγει την τρύπα Σηκώνεται το τρυπάνι Σηκώνεται και η μέγγενη Παρατηρούμε ότι ο αυτοματισμός συνίσταται στις διαδιχικές κινήσεις των 2 εμβόλων. Μπορεί να ακουστεί υπερβολικό, αλλά οι αυτοματισμοί με έμβολα μπορούν να φανούν πολύτιμοι σε μια παραγωγική διαδικασία, δίνοντας λύσεις εύκολες, αντοχής και κομψές. Περιγραφή αυτοματισμού με έμβολα - χρονοδιαγράμματα Η περιγραφή των αυτοματισμών με έμβολα γίνεται με διάφορους τρόπους. Ο πιο παραστατικός τρόπος είναι η περιγραφή με τα χρονοδιαγράμματα. Σε ένα χρονοδιάγραμμα κίνησης εμβόλων παρουσιάζεται η θέση του εμβόλου (θέση βάκτρου) σε σχέση με το χρόνο. Θέση εμβόλου Η κλίση δείχνει την ταχύτητα του εμβόλου Μήκος εμβόλου Χρόνος t Οι ευθείες δείχνουν οτι το έμβολο ειναι σταματημένο Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 192

23 Υπάρχουν δύο ειδών χρονοδιαγράμματα : Χρονοδιάγραμμα «χρόνων» Χρονοδιάγραμμα «καταστάσεων» Στο χρονοδιάγραμμα χρόνων αποτυπώνονται επακριβώς και οι χρόνοι κίνησης των εμβόλων Στο χρονοδιάγραμμα «καταστάσεων» δε μας ενδιαφέρουν οι χρόνοι κίνησης των εμβόλων αλλά οι στιγμές κατά τις οποίες ξεκινάει η τελειώνει μια κατάσταση (θέση «κλειστό» και θέση «ανοικτό») των εμβόλων. Από άποψη σχεδιασμού του αυτοματισμού μας ενδιαφέρει το χρονοδιάγραμμα «καταστάσεων» Στο σχήμα δίνονται τα 2 χρονοδιαγράμματα για το παράδειγμα με το τρυπάνι της προηγούμενης παραγράφου. Έμβολο Β τρυπάνι Χρονοδιάγραμμα «καταστάσεων» Έμβολο Α Μέγγενη Χρόνος t Το τρύπημα κρατάει περισσότερο χρόνο Τρυπάνι Χρονοδιάγραμμα «χρόνων» Μέγγενη Η μέγγενη κινείται γρήγορα Χρόνος 5 t Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 193

24 Άλλοι τρόποι περιγραφής του αυτοματισμού των εμβόλων Στον αυτοματισμό μας ενδιαφέρει κυρίως η αλληλουχία της κίνησης των εμβόλων αυτό μπορούμε να το παραστήσουμε και ως εξής: Γράφουμε το όνομα του εμβόλου με ένα + όταν πρόκειται να ανοίξει και με ένα όταν πρόκειται να κλίσει Η κινήσεις με αυτή τη μορφή, γράφονται με την σειρά που εκτελούνται Όταν σε μια χρονική στιγμή συμβαίνουν περισσότερες κινήσεις, τότε γράφονται στην ίδια σειρά. Παράδειγμα 1 Η κίνηση του προηγούμενου παραδείγματος περιγράφεται ως εξής: A+ B+ B- A- Παράδειγμα 2 Γ B A Α + Α Β+ Β, Γ + Γ start Παραδείγματα εφαρμογών αυτοματισμών με έμβολα περιγραφή του αυτοματισμού Παράδειγμα 1: Μετακίνηση προϊόντων παραγωγής χωρίς κινητήρες σε μεγάλο μήκος Είναι σύνηθες και πάρα πολύ οικονομικό, μέσα σε μια παραγωγική μονάδα, να μετακινούνται «προϊόντα» κυλώντας με τη βοήθεια της βαρύτητας σε γραμμές μεταφοράς οι οποίες αποτελούνται από ρόλλερς (κυλίνδρους που περιστρέφονται ελεύθερα). Η μετακίνηση αυτή απαιτεί η γραμμές αυτές να Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 194

25 έχουν συγκεκριμένη κλίση. Το γεγονός αυτό περιορίζει το μήκος της μετακίνησης. Η λύση για να πετύχουμε μεγάλες αποστάσεις είναι να «σηκώνουμε» και να τοποθετούμε τα προϊόντα σε μια νέα γραμμή, όπως φαίνεται στο σχήμα. Ο αυτοματισμός του σχήματος, δουλεύει ως εξής: Μόλις το κιβώτιο-προϊόν φτάσει και σταματήσει στο stop, ο διακόπτης προσέγγισης ενεργοποιεί και ανοίγει το έμβολο Α, το οποίο «κλίνει» ώστε το κιβώτιο να περάσει στον υποδοχέα του εμβόλου-αναβατόρ. Το έμβολο Α επιστρέφει. Το έμβολο Β «ανοιγει» όταν τερματήσει «ανοίγει» το έμβολο Γ και σπρώχνει το κιβώτιο στη νέα γραμμή Το έμβολο Γ επιστρέφει και ο κύκλος είναι έτοιμος να αρχίσει από την αρχή Έμβολο Γ Αισθητήριο προσέγγισης αποτελεί το START της διαδικασίας Έμβολο Α Έμβολο Β Το χρονοδιάγραμμα της εφαρμογής είναι το παρακάτω Α- Α+ Β+ Γ+ Γ- Β- Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 195

26 Γ B A start Παράδειγμα 2: Σφράγισμα- σταμπάρισμα προϊόντος Εμβολο Α Εμβολο Β Εμβολο Γ 1 2 Προϊόν για σφράγισμα Διακόπτης επιλογής Μεταφορική ταινία Περιγραφή Σε μια παραγωγική διαδικασία έχουμε ένα μηχανισμό σφραγίσματος των προϊόντων καθώς περνάνε σε μια μεταφορική ταινία. Οι σφραγίδες μπαίνουν Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 196

27 από τα 3 έμβολα. Όμως υπάρχουν 2 διαφορετικά προϊόντα. Όταν αλλάζουμε παραγωγή, αλλάζουμε θέση στο διακόπτη επιλογής. Στη θέση 1 έχουμε διαδοχικά 3 σφραγίδες, ενώ στη θέση 2 έχουμε 2 σφραγίδες αυτή του εμβόλου Α και αυτή του εμβόλου Γ. Χρονοδιάγραμμα καταστάσεων Γ Γ B B A A start start ΕΠΙΛΟΓΕΑΣ στη θέση 1 ΕΠΙΛΟΓΕΑΣ στη θέση 2 Παράδειγμα 3. Γερανογέφυρα με έμβολα Έμβολο Α Έμβολο Β Έμβολο Γ Θέση Α Θέση Β Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 197

28 Περιγραφή Η γερανογέφυρα αυτή μεταφέρει τα εξαρτήματα από τη θέση Α στη θέση Β. Υπάρχουν 3 έμβολα. Με το που πατάμε το μπουτόν start το έμβολο Β «ανοίγει» και κατεβαίνει. Παράλληλα ανοίγει η δαγκάνα του εμβόλου Γ. Μολις ο Β φτάσει στο τέρμα η δαγκάνα το έμβολο Γ «κλείνει». Στη συνέχεια το έμβολο Β «κλείνει». Όταν φτάσει στο τέρμα το έμβολο Α «ανοίγει». Όταν φτάσει στο τέρμα το έμβολο Β ανοίγει. Όταν τερματίσει η δαγκάνα έμβολο Γ «ανοίγει». Αφίνει το εξάρτημα και το έμβολο Β «κλίνει ένω παράλληλα η δαγκάνα «κλίνει» και αυτή. Τέλος το έμβολο Γ επανέρχεται στη θέση του, Χρονοδιάγραμμα καταστάσεων Αν παρακολουθήσουμε με λεπτομέρεια την παραπάνω περιγραφή λειτουργίας έχουμε το παρακάτω χρονοδιάγραμμα καταστάσεων Γ B A start Βιομηχανικός Αυτοματισμός Γεώργιος Σούλτης 198