ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ

Ενότητα 2.3 Κεφάλαιο 2 ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΣΤΟΧΟΙ Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας αυτής θα μπορείτε: Να αναφέρετε την αρχή λειτουργίας των πνευματικών αυτοματισμών. Να περιγράφετε τα δομικά στοιχεία των πνευματικών αυτοματισμών. Να περιγράφετε τη λειτουργία απλού κυκλώματος πνευματικού αυτοματισμού. Εισαγωγή Ο όρος πνευματικά προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη πνεύμα, που σημαίνει πνοή, αέρας, η ενέργεια του πνέω, φύσημα. Ο αέρας ως μέσο μεταφοράς ενέργειας, χρησιμοποιήθηκε από τον άνθρωπο, για να ενισχύσει τις φυσικές του δυνατότητες από την αρχαιότητα. Η κίνηση πλοίων, οι ανεμόμυλοι και η άντληση νερού είναι χαρακτηριστικές εφαρμογές του. Ο Έλληνας μηχανικός και εφευρέτης Κτησίβιος ήδη από τον 3 ο αιώνα π.χ., αφού διαπίστωσε την συμπιεστικότητα των αερίων, εφεύρε δικύλινδρη απορροφητική-συμπιεστική αντλία και πολιορκητικές μηχανές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα χρήσης πεπιεσμένου αέρα από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα, αποτελεί η διαδικασία συντήρησης της φλόγας με φυσερό σε καμίνι, για την επεξεργασία των μετάλλων. 1

Σχ. 2.3.1α Παραγωγή αέρα με χειροκίνητο τρόπο Το φυσερό είναι συσκευή μέσα από την οποία φυσάται αέρας με πίεση στην εστία της φωτιάς, στο καμίνι. Σχ. 2.3.1β 2

Αν και οι βασικές αρχές πνευματικών συστημάτων ήταν γνωστές από την αρχαιότητα, μόλις τον τελευταίο αιώνα βρήκαν ευρύ πεδίο εφαρμογών λόγω της ανάγκης για αυτοματισμό με χαμηλό κόστος στη βιομηχανία. Σήμερα, εφαρμογές πεπιεσμένου αέρα λειτουργούν σε όλους τους κλάδους της παραγωγικής διαδικασίας, όπως μηχανές συσκευασίας, τυπογραφικές, επεξεργασίας ξύλου, κλωστοϋφαντουργίας, στη ρομποτική κ.α. Μια απλή εφαρμογή χρήσης πεπιεσμένου αέρα στη βιομηχανία είναι η αλλαγή της διεύθυνσης μεταφορικών ταινιών. Σχ. 2.3.2 Αλλαγή διεύθυνσης μεταφορικής ταινίας Όπως φαίνεται στο σχήμα, τα αντικείμενα που μεταφέρονται από την κεντρική μεταφορική ταινία λόγω της θέσης του εμβόλου του κυλίνδρου, οδηγούνται στη μεταφορική ταινία Β. Όταν απαιτηθεί να αλλάξουν κατεύθυνση και να οδηγηθούν στην Α μεταφορική ταινία, τότε με κατάλληλο χειρισμό το έμβολο του κυλίνδρου εκτείνεται, με αποτέλεσμα να συνδέεται η κεντρική μεταφορική ταινία με τη μεταφορική ταινία Α. Επειδή ο αέρας της ατμόσφαιρας είναι διαθέσιμος, συμπιέζεται εύκολα, μεταφέρεται, αποθηκεύεται και δεν παρουσιάζει κινδύνους έκρηξης ή 3

πυρκαγιάς, χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά στα συστήματα πνευματικών αυτοματισμών. Οι πνευματικοί αυτοματισμοί είναι συστήματα, που χρησιμοποιούν πεπιεσμένο αέρα για τη λειτουργία μηχανημάτων και εξαρτημάτων. τον 2.3.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ Η λειτουργία τους βασίζεται στην ενέργεια που αποκτά ο ατμοσφαιρικός αέρας, όταν συμπιέζεται και αποθηκεύεται σ ένα αεροθάλαμο και εξαναγκάζεται σε βεβιασμένη κυκλοφορία. Για να χρησιμοποιηθεί αυτή η ενέργεια, πρέπει να οδηγηθεί ο αέρας με κατάλληλες σωληνώσεις σε διατάξεις που μετατρέπουν την πνευματική ισχύ σε ευθύγραμμη (κύλινδροι) ή περιστροφική κίνηση (πνευματικός κινητήρας).ο έλεγχος των κυλίνδρων και των περιστροφικών κινητήρων γίνεται με εξαρτήματα, όπως είναι οι βαλβίδες, τα μπουτόν, τα χειριστήρια, τα αισθητήρια, οι ρυθμιστές ροής και οι οριοδιακόπτες (σχ. 2.3.1). Τα στάδια για τη σωστή λειτουργία των πνευματικών αυτοματισμών είναι τα ακόλουθα: 1) Παραγωγή πεπιεσμένου αέρα. Η παραγωγή του πεπιεσμένου αέρα γίνεται με μηχανές που ονομάζονται αεροσυμπιεστές. Οι αεροσυμπιεστές συμπιέζουν τον αέρα για να αποκτήσει την πίεση που απαιτείται για τη λειτουργία των εξαρτημάτων, ώστε να γίνουν προκαθορισμένες εργασίες. Ο πεπιεσμένος αέρας οδηγείται με σωληνώσεις σε αεροθάλαμο, όπου και αποθηκεύεται. Τα κυριότερα μέρη μιας μονάδας παραγωγής πεπιεσμένου αέρα είναι: α) Ο αεροσυμπιεστής, που μπορεί να είναι εμβολοφόρος ή ροής β) Ο Ηλεκτρικός κινητήρας, που μπορεί να είναι μονοφασικός ή τριφασικός γ) Το Αεροφυλάκιο, που είναι κατασκευασμένο από χάλυβα και έχει κυλινδρική μορφή, για να αντέχει σε εσωτερικές πιέσεις 4

Σχ. 2.3.3 Μονάδα παραγωγής πεπιεσμένου αέρα 1.Αεροσυμπιεστής, 2. Μανόμετρο, 3. Βάνα αποστράγγισης, 4. Αεροφυλάκιο, 5. Ηλεκτρικός κινητήρας 2) Προπαρασκευή πεπιεσμένου αέρα. Ο πεπιεσμένος αέρας επειδή περιέχει ξένα σωματίδια, όπως σταγονίδια νερού, σκόνη, σκουριά, κατάλοιπα λαδιού, που μπορούν να προξενήσουν βλάβη στα διάφορα εξαρτήματα ενός πνευματικού αυτοματισμού, όπως είναι οι κύλινδροι και οι βαλβίδες, θα πρέπει να προπαρασκευάζεται. Η διαδικασία προπαρασκευής του αέρα περιλαμβάνει το φιλτράρισμά του, τη λίπανσή του και την αφύγρανσή του. Με την κατάλληλη προπαρασκευή του αέρα αποφεύγεται η προβληματική λειτουργία των εξαρτημάτων και ελαχιστοποιούνται οι βλάβες. Κύρια μέρη μιας συσκευής προπαρασκευής πεπιεσμένου αέρα είναι το φίλτρο, ο ρυθμιστής πίεσης και ο λιπαντήρας. Το φίλτρο χρησιμοποιείται για να απομακρύνει κάθε ξένη ουσία που βρίσκεται στον πεπιεσμένο αέρα. Ο ρόλος του ρυθμιστή πίεσης είναι να διατηρεί σταθερή την πίεση λειτουργίας του κυκλώματος. Σκοπός του λιπαντήρα είναι να λιπαίνει κατάλληλα τον αέρα για να περιορίζει τη φθορά των κινούμενων μερών μειώνοντας τις τριβές τους, όπως επίσης και να προστατεύει τα στοιχεία του συστήματος από διάβρωση. 5

Σε βιομηχανικές εφαρμογές εκτός από τη γενική προπαρασκευή του αέρα γίνεται και τοπική προπαρασκευή για την κατάλληλη τροφοδοσία κάθε μηχανήματος. Σχ. 2.3.4 Προπαρασκευαστής αέρα και σύμβολο 6

3) Διανομή πεπιεσμένου αέρα. Ο πεπιεσμένος αέρας στη βιομηχανία παράγεται και αποθηκεύεται σε κεντρικό σημείο (αεροθάλαμος) και οδηγείται με σωληνώσεις στις καταναλώσεις. Σχ. 2.3.5 Σχηματική παράσταση παραγωγής και διανομής πεπιεσμένου αέρα Κατά την εγκατάσταση του δικτύου πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην τοποθέτηση των σωληνώσεων. Οι σωληνώσεις πρέπει να τοποθετούνται με κλίση 1% με χαμηλότερο σημείο προς το μέρος του αεροσυμπιεστή. Έτσι αποφεύγεται η μεταφορά της υγρασίας, που έχει συμπυκνωθεί στις σωληνώσεις, προς τις καταναλώσεις. Για την αποστράγγιση του δικτύου των σωληνώσεων στο χαμηλότερο σημείο της εγκατάστασης τοποθετείται ειδικός 7

θάλαμος με βάνα στο κάτω σημείο. Οι σωληνώσεις είναι κατασκευασμένες από χαλκό ή από χάλυβα. 4) Έλεγχος πεπιεσμένου αέρα Είναι η διαδικασία ρύθμισης της παροχής και της πίεσης του αέρα προς μία κατεύθυνση. Γίνεται με διάφορα εξαρτήματα, όπως βαλβίδες, μπουτόν, χειριστήρια, μανόμετρα κλπ. Σχ. 2.3.6 Εξαρτήματα ελέγχου (χειριστήρια). 5) Η μετατροπή της πνευματικής ισχύος. Η μετατροπή της πνευματικής ισχύος σε κίνηση γίνεται: α) με τους πνευματικούς κυλίνδρους, οι οποίοι τη μετατρέπουν σε ευθύγραμμη παλινδρομική κίνηση. 8

Σχ. 2.3.7 Πραγματική μορφή πνευματικού κυλίνδρου β) με τους πνευματικούς κινητήρες, οι οποίοι τη μετατρέπουν σε περιστροφική κίνηση. Σχ. 2.3.8. Πραγματική μορφή πνευματικών κινητήρων 9

2.3.2 ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ Βαλβίδες: Οι βαλβίδες είναι εξαρτήματα που ελέγχουν και ρυθμίζουν την παροχή του αέρα. Έτσι ρυθμίζουν την κίνηση και την ταχύτητα των εμβόλων. (εκκίνηση-σταμάτημα, έλεγχος διεύθυνσης, ρύθμιση ροής, ρύθμιση πίεσης κλπ) Κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα : α) με τον τρόπο λειτουργίας τους: βαλβίδες εμβόλου, με έδρες, με δίσκο. β) με τη χρήση: βαλβίδες κατεύθυνσης, βαλβίδες ελέγχου πίεσης, ελέγχου ροής,κλπ.) γ) με τον τρόπο ενεργοποίησης : χειροκίνητος, μηχανικός, ηλεκτροκίνητος, με πίεση κλπ. Σχ. 2.3.9 Πραγματική μορφή βαλβίδων Οι περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές πνευματικών αυτοματισμών χρησιμοποιούν έμβολα απλής και διπλής ενέργειας. Ο έλεγχος αυτών των εμβόλων γίνεται κυρίως με βαλβίδες κατεύθυνσης ροής. Στο σώμα κάθε βαλβίδας υπάρχουν υποδοχές, στις οποίες συνδέονται οι σωληνώσεις του αέρα. Οι υποδοχές αυτές ονομάζονται στόμια ή σημεία σύνδεσης και καταλήγουν σε σπείρωμα (εσωτερικό ή εξωτερικό) ή ταχυσύνδεσμους. Μια βαλβίδα κατεύθυνσης ροής πρέπει να έχει το λιγότερο δύο στόμια. Ένα για την είσοδο και ένα για την έξοδο του αέρα. Υπάρχουν βαλβίδες με πολύ Περισσότερα στόμια. Οι βαλβίδες κατεύθυνσης ροής χαρακτηρίζονται με ένα κλάσμα. Ο αριθμητής του κλάσματος δηλώνει τον αριθμό των στομίων και ο παρονομαστής του κλάσματος τις δυνατές θέσεις λειτουργίας της βαλβίδας. 10

Π.χ. βαλβίδα 3/2. Ο αριθμός 3 δηλώνει ότι η βαλβίδα φέρει 3 στόμια όπου μπορούν να συνδεθούν 3 σωλήνες για είσοδο (Ρ ), έξοδο (Α) ή εκτόνωση στην ατμόσφαιρα πεπιεσμένου αέρα (R). Ο αριθμός 2 δηλώνει ότι η βαλβίδα έχει δύο θέσεις λειτουργίας. Τη θέση α και τη θέση β. Στη θέση α η βαλβίδα είναι σε θέση ηρεμίας. Ο πεπιεσμένος αέρας από την είσοδο Ρ δεν περνά στη γραμμή εργασίας Α. Υπάρχει μόνο ελεύθερη δίοδος από τη γραμμή εργασίας Α στην εκτόνωση R (ατμόσφαιρα). Στη θέση β, η βαλβίδα ενεργοποιείται αφού ασκηθεί δύναμη στο σημείο F και ο πεπιεσμένος αέρας από την είσοδο Ρ οδηγείται στη γραμμή εργασίας Α. Η εκτόνωση R στην ατμόσφαιρα είναι φραγμένη. Σχ. 2.3.10 Λειτουργία βαλβίδας 3/2 και συμβολισμός 11

Πνευματικοί Κύλινδροι: Είναι εξαρτήματα που μετατρέπουν την ισχύ του πεπιεσμένου αέρα σε παλινδρομική ευθύγραμμη κίνηση με τη βοήθεια ενός εμβόλου, που κινείται στο εσωτερικό ενός κυλίνδρου. Κύλινδρος απλής ενέργειας: Διαθέτει μόνο ένα στόμιο στη μια πλευρά του για την εισαγωγή και την εξαγωγή του αέρα. Παράγεται έργο μόνο κατά τη μια διεύθυνση. Στην επαναφορά του εμβόλου δεν παράγεται έργο και αυτή επιτυγχάνεται είτε με εξωτερική δύναμη είτε με ενσωματωμένο ελατήριο επαναφοράς. Σχ. 2.3.11 Συμβολική, σχεδιαστική και πραγματική μορφή κυλίνδρου απλής ενέργειας. 12

Κύλινδρος διπλής ενέργειας : Διαθέτει δύο στόμια με αποτέλεσμα η δύναμη που ασκεί ο πεπιεσμένος αέρας στο αντίστοιχο στόμιο να κινεί το έμβολο και προς τις δύο διευθύνσεις κίνησης. Χρησιμοποιείται εκεί που το έμβολο πρέπει να παράγει έργο και κατά την έκταση και κατά την συστολή του βάκτρου. Απλή εφαρμογή του είναι το άνοιγμα και το κλείσιμο της πόρτας του λεωφορείου. Σχ. 2.3.12 Σχεδιαστική, συμβολική και πραγματική μορφή κυλίνδρου διπλής ενέργειας. 2.3.3 Παράδειγμα: Έλεγχος συρόμενης πόρτας με πνευματικό αυτοματισμό. Ο πιο απλός τρόπος για τον έλεγχο μιας συρόμενης πόρτας είναι ο χειροκίνητος. Υπάρχουν όμως εφαρμογές, όπως σε δημόσια κτίρια, σε πολυκαταστήματα, σε μέσα μαζικής μεταφοράς (λεωφορεία, τρένα) όπου για λόγους ασφάλειας και οικονομίας απαιτείται, ο έλεγχος να γίνεται αυτόματα. Ο πιο συνηθισμένος, απλός, χωρίς βλάβες και με ελάχιστη συντήρηση τρόπος, είναι ο έλεγχος με πνευματικό κύλινδρο. Στο σχ. 2.3.13 παριστάνεται μια μονή συρόμενη πόρτα, που μπορεί να ανοίγει ή να κλείνει με τη βοήθεια ενός κυλίνδρου διπλής ενέργειας. Για να ανοίξει η πόρτα εφαρμόζεται αέρας υπό πίεση στο στόμιο Α του κυλίνδρου. 13

Τότε το βάκτρο εκτείνεται και ανοίγει την πόρτα. Για να κλείσει η πόρτα εφαρμόζεται πίεση στο στόμιο Β με αποτέλεσμα το βάκτρο του κυλίνδρου να συμπτύσσεται και η πόρτα να κλείνει. Όταν η πόρτα είναι διπλή, συρόμενη, τότε το ένα της μέρος πρέπει να κινείται προς μια κατεύθυνση και το άλλο στην αντίθετη. Ο έλεγχος της πόρτας (άνοιγμα-κλείσιμο) γίνεται πάλι με ένα κύλινδρο διπλής ενέργειας, αλλά τώρα απαιτείται και η χρησιμοποίηση κατάλληλου μηχανισμού που να οδηγεί τα δύο μέρη της πόρτας σε αντίθετες κατευθύνσεις. Ο έλεγχος του κυλίνδρου γίνεται ασκώντας την κατάλληλη πίεση αέρα στα στόμια Α και Β, όπως στην περίπτωση της μονής πόρτας. Η ενεργοποίηση του κυλίνδρου γίνεται με μπουτόν, που βρίσκεται σε ειδικό χειριστήριο που η θέση του εξαρτάται από την εφαρμογή. Σχ. 2.3.13 Μηχανισμός λειτουργίας συρόμενης πόρτας Για παράδειγμα στο λεωφορείο το χειριστήριο είναι κοντά στον οδηγό. Εκτός της χρησιμοποίησης μπουτόν ο έλεγχος γίνεται τελείως αυτόματα με τη χρήση κατάλληλου αισθητηρίου, που καλείται ανιχνευτής κίνησης. Αυτή η χρήση συνήθως εφαρμόζεται σε δημόσια κτίρια και πολυκαταστήματα. 14

ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ Η αναγκαιότητα για τη λειτουργία εφαρμογών αυτοματισμού με χαμηλό κόστος και η αξιοποίηση της δυναμικής ενέργειας που δημιουργείται από τη συμπίεση του πεπιεσμένου αέρα με κατάλληλη διάταξη, ώθησαν την εξέλιξη των πνευματικών συστημάτων αυτοματισμού. Η αρχή λειτουργίας των πνευματικών συστημάτων αυτοματισμού βασίζεται στην ενέργεια που αποκτά ο ατμοσφαιρικός αέρας, όταν συμπιέζεται και αποθηκεύεται σ ένα αεροθάλαμο. Τα κυριότερα μέρη ενός πνευματικού συστήματος είναι τα ακόλουθα: α) παραγωγή πεπιεσμένου αέρα β) προπαρασκευή πεπιεσμένου αέρα γ) διανομή πεπιεσμένου αέρα δ) έλεγχος πεπιεσμένου αέρα ε) μετατροπή της πνευματικής ισχύος σε ευθύγραμμη ή περιστροφική κίνηση. Δομικά υλικά όπως βαλβίδες, κύλινδροι, χειριστήρια, αισθητήρια, πλήκτρα και πνευματικοί κινητήρες, συνθέτουν πνευματικά συστήματα αυτοματισμού. Βαλβίδες είναι εκείνα τα εξαρτήματα με τα οποία ελέγχουμε τη ροή, τη διεύθυνση, την πίεση και την ποσότητα του πεπιεσμένου αέρα. Διακρίνονται σε βαλβίδες ελέγχου, ροής, πίεσης, κατεύθυνσης αντεπιστροφής. Οι κύλινδροι είναι μηχανισμοί που μετατρέπουν την ενέργεια του πεπιεσμένου αέρα σε ευθύγραμμη κίνηση. Διακρίνονται σε κυλίνδρους απλής και διπλής ενέργειας. Οι πνευματικοί κινητήρες μετατρέπουν την ενέργεια του πεπιεσμένου αέρα σε περιστροφική κίνηση. 15

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Αναφέρατε την αρχή λειτουργίας των πνευματικών συστημάτων. 2. Αναφέρατε τις κυριότερες εφαρμογές των πνευματικών αυτοματισμών. 3. Περιγράψατε μονάδα παραγωγής πεπιεσμένου αέρα. 4. Αναφέρατε τα κυριότερα μέρη μονάδας παραγωγής πεπιεσμένου αέρα. 5. Αναφέρατε τα κυριότερα δομικά υλικά των πνευματικών αυτοματισμών. 6. Προσδιορίστε το ρόλο των κυλίνδρων και των πνευματικών κινητήρων. ΕΡΓΑΣΙΑ Περιγράψατε τον έλεγχο πόρτας λεωφορείου με πνευματικό αυτοματισμό. 16