PODSTAWY AUTOMATYKI - laboratorium
Ćwiczenie PA4
„Elektrohydrauliczny układ wspomagający montaŜ”
Instrukcja laboratoryjna Opracował: dr inŜ. Willi Mednis
„Człowiek - najlepsza inwestycja”
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2009
PODSTAWY AUTOMATYKI
2
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z typową strukturą i działaniem układu elektro- hydraulicznego oraz moŜliwościami tworzenia i badania jego rzeczywistego i symulacyjnego modelu.
1. WPROWADZENIE
W urządzeniach technicznych średnich i duŜych mocy, czyli tam gdzie istnieje potrze- ba rozwijania znacznych sił i prędkości (przyspieszeń) stosuje się często napędy hydrauliczne.
1.1 Struktura i działanie układu hydraulicznego
Ogólnie – hydraulika to dział techniki, w której energia lub sygnały są przekazywane za pośrednictwem cieczy. Podstawowy schemat takiego układu przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Schemat układu hydraulicznego: a – ideowy, b – z uŜyciem symboli graficz- nych
W części zasilającej pompa 3, napędzana silnikiem elektrycznym lub spalinowym, zasysa ciecz (olej mineralny) ze zbiornika 1 i tłoczy ją do przewodu „a”. Miarą tłoczonej cieczy jest objętościowe natęŜenie przepływu Qp [m3/s] (wydatek pompy). Część Qp wraca przez zawór 4
Podstawy Automatyki
3
do zbiornika Qs a część Qi płynie do instalacji (Qp = Qs + Qi). Rozdzielacz 5, w zaleŜności od połoŜenia tłoczka, kieruje Qi do lewej (L) lub prawej (P) komory siłownika 8. Prędkość v wy- suwu (wsuwu) tłoka zaleŜy od Qi oraz powierzchni czynnej tłoka A1 (A2) według zaleŜności vi = Qi / Ai.. Wielkość Qi a zatem i vi moŜna zmieniać zmieniając przekrój dławiący (opór hydrauliczny) w zaworze 7. W trakcie ruchu jedna z komór siłownika 8 (lub silnika 9) jest podłączona do źródła zasilania a druga do zbiornika.Tłoczek rozdzielacza moŜe być przesu- wany: skokowo i zajmować tylko ustalone wybrane połoŜenia (patrz rys. 1b) lub w sposób ciągły. Zatem moŜe być sterowany „przełączająco” lub „analogowo”. Sterowanie moŜe być ręczne lub (najczęściej) za pomocą elektromagnesów.
1.2 Forma opisu działania
W przypadku układu pracującego według powtarzalnego cyklu – wygodną formą opisu (przedstawienia) jego działania jest odpowiedni cyklogram. Fragment cyklogramu dla układu z rysunku 1b przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Fragment cyklogramu
Cyklogram zawiera: w kolumnie 1 – nazwę zespołu funkcjonalnego oraz oznaczenie lub odpowiedni zastosowany na schemacie numer, w kolumnie 2 – moŜliwe stany wysterowa- nia np. rozdzielacz w połoŜeniu: 1,0 lub 2 itp., w kolumnie 3 - stan ustalony, wyjściowy (stan na początku cyklu).W naszym przypadku przyjęto, Ŝe rozdzielacz jest w stanie (połoŜeniu) 0 a tłok siłownika jest wsunięty. Uwaga: stanem ustalonym nie jest np. sytuacja gdy rozdzielacz jest w stanie 1 a tłok jest wysunięty.
JeŜeli załoŜymy, Ŝe sterowanie jest ręczne, to cykl rozpoczyna się (punkt I na cyklo- gramie) przełączeniem rozdzielacza ze stanu 0 (strzałka oraz symbol ręcznego sterowania) do stanu 2. Stan 2 jest „przyczyną” (punkt II) a „skutkiem” jest początek ruchu: przepływ cieczy przez dławik 7 oraz wysuw tłoka (punkt III). Cienką linią (na początku kropka na końcu strzałka) „powiązano” przyczynę ze skutkiem. Po czasie t1 (od czego zaleŜy czas t1 ?), o ile wcześniej nie zmieni się wysterowanie roz- rozdzielacza, tłok dojdzie do prawego
PODSTAWY AUTOMATYKI
4 1
2 3
du będzie trwał do chwili przełączenia rozdzielacza w stan 1 (punkt IV). Wówczas zgodnie z linia wiąŜącą „przyczynę ze skutkiem” nastąpi powrót (wsuw) tłoka itd.
Jest to jedna z form tworzenia cyklogramów.
Przesterowanie rozdzielacza moŜe nastąpić równieŜ w trakcie ruchu tłoka. Ćwiczący zechce zastanowić się nad przebiegiem cyklogramu w takich przypadkach.
Cyklogram powinien, oprócz przebiegu normalnego – niezakłóconego zawierać rów- nieŜ przebiegi odzwierciedlające stany awaryjne np. gdy w trakcie spoczynku lub ruchu tłoka wyłączy się zasilanie elektryczne silnika napędzającego pompę itp.
2. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Przedmiotem ćwiczenia jest zestawienie układu realizującego czynności z wy- branej fazy procesu technologicznego a następnie jego częściowa modernizacja. Całość ma być realizowana środkami elektrohydraulicznymi. Do symulacji naleŜy uŜyć programu Fluid- Sim H3 (lub 4).
2.1 PoŜądane działanie układu
Schemat ideowy operacji montaŜowej pokazano na rysunku 3.
Po sygnale „start” (ręcznie) tłokiem siłownika 1 wciska się grzybek 2 do detalu 3. Po zakończeniu procesu
wciskania tłok ma samoczynnie powrócić do górnego połoŜenia. W układzie powinna teŜ istnieć moŜliwość awaryjnego „wycofania” tłoka.
Rys. 3. Schemat ideowy
Podstawy Automatyki
5 2.2 Informacje o stanie procesu
Dla uzyskania informacji o zakończeniu fazy wciskania wykorzystano tu następujące zjawi- ska. Po wciśnięciu grzybka tłok się zatrzymuje i w górnej komorze siłownika wzrasta ci- śnienie (w trakcie wciskania panowało w niej ciśnienie wynikające z oporów tarcia związa- nych z wciskaniem). Po osiągnięciu doświadczalnie wyznaczonej i nastawionej na wyłączniku
ciśnienia (rys.4 oraz pozycja 7 na rys.5) wartości np. ok.20 barów następuje rozłączenie
zestyków w wyłączniku ( rys.4) co oznacza tu zakończenie fazy wciskania i rozkaz do powrotu tłoka do górnego połoŜenia.
Rys. 4. Schemat wyłącznika ciśnieniowego 2.3 WYKONANIE ĆWICZENIA
NaleŜy zestawić układy: hydrauliczny i elektryczny, zbadać ich działanie a na- stępnie zestawić i zbadać model symulacyjny.
2.3.1 Schemat hydrauliczny
Schemat hydrauliczny układu realizującego wyŜej sformułowane zadanie przedstawio- no na rys. 5.
Stacja zasilająca 1 (prostokąt zaznaczony linią kreska – kropka oznacza, Ŝe wszystkie objęte zespoły znajdują się w jednym korpusie) dostarcza energie w postaci cieczy pod ciśnieniem, zawór bezpieczeństwa 3 zabezpiecza przed nadmiernym wzrostem ciśnienia w układzie, dwupołoŜeniowy elektrohydrauliczny rozdzielacz 4 łączy komory siłownika 6 z stacją 4 lub z zbiornikiem, zawór dławieniowo – zwrotny 5 „dławi” przepływ gdy ciecz wpływa do lewej komory siłownika a umoŜliwia prawie swobodny przepływ w kierunku przeciwnym, siłownik realizuje Ŝądany ruch roboczy. Wyłącznik ciśnienia 7 jest podłączony do komory, w której w trakcie wciskania jest wysokie ciśnienie i rozwarciem zestyków sygnalizuje zakończenie fazy wciskania.
Rys. 5. Schemat hydrauliczny
2.3.2 Schemat elektryczny
Schemat układu sterowania pokazano na rys.6. Przyciskiem S1 (start), przy
PODSTAWY AUTOMATYKI
6
Y1 K1 K1
S2 S1
K1 P
ment 7 na rys. 5), wzbudza się cewkę przekaźnika K1 co powoduje przesterowania zestyku K1 (w gałęzi 2) i przez to uaktywnienie tzw. pętli podtrzymującej oraz przesterowa- nie zestyku K1 (w gałęzi 3) i wzbudzenie cewki elektromagnesu Y1 (cewka Y1 zespołu 4 na rys. 5). Wzbudzenie cewki Y1 powoduje przesterowanie rozdzielacza z pozycji „b” do pozycji
„a” i doprowadzenie cieczy do lewej komory siłownika. Rozpoczyna się wysuw tłoka.
Zatrzymanie się tłoka po całkowitym wysunięciu stwarza warunki odpowiadające zakończeniu fazy wciskania w rzeczywistym układzie tj. następuje wzrost ciśnienia w lewej komorze siłownika, rozłączenie ze-
styku w wyłączniku P (rys. 6) a to powoduje wyłączenie cewki K1 i w efekcie początek powrotu (wsuwu) tłoka.
Cewkę K1 moŜna wyłączyć (np. awaryjnie) równieŜ przyciskiem S2.
Rys. 6. Schemat elektryczny
2.3.3 Ustawienie wyłącznika ciśnieniowego
Przed uruchomieniem układu elektrycznego naleŜy ustawić wyłącznik ciśnienia (rys . 7) na ok. 20 bar. Zmieniając ugięcie wstępne spręŜyny w wyłączniku ciśnieniowym naleŜy nastawić (~ 20 bar) ciśnienie przy którym nastąpi rozwarcie zestyków. W tym celu naleŜy zestawić według rys. 7 układ hydrauliczny i elektryczny.
Następnie po włączeniu stacji zasilania (przy otwartym zaworze Z) przymykając zawór Z ustawić na manometrze M ciśnienie 20 bar. Zmieniać ugięcie spręŜyny w wyłączniku tak aby Ŝarówka ś gasła dla ciśnienia powyŜej 20 barów.
ś
Podstawy Automatyki
7 Rys. 7. Schemat elektro – hydrauliczny
2.3.4 Uruchomienie układu
Zestawić układ hydrauliczny według schematu na rys. 5. Po sprawdzeniu połączeń przez prowadzącego uruchomić go ręcznie tj. przesunąć rdzeń elektromagnesu.
Zestawić układ elektryczny według schematu z rysunku 6. Po sprawdzeniu połączeń przez prowadzącego – uruchomić go przy wyłączonej części hydraulicznej. Prawidłowość działania naleŜy sprawdzić na podstawie świecenia się diod przy przekaźniku K1 i elektroma- gnesu Y1.
Po stwierdzeniu (osobno) poprawnego działania obu układów, uruchomić ca- łość i sprawdzić zgodność działania z załoŜeniami (punkt 3).
JeŜeli układ działa poprawnie to sporządzić cyklogram tj. uzupełnić rys.8.
1 2 3 4
Nazwa zespołu Stan wyste- rowania
Stan począt- kowy
Krok
Przekaźnik K1 24 V S1
0
Siłownik
Wysuw Wsuw
Przekaźnik ciśnieniowy P
1 0
Rys. 8. Cyklogram układu
Równolegle z zestawianiem, uruchomieniem i sprawdzaniem układów z rys. 5 i 6 na rzeczywistym stanowisku moŜna sporządzić ich symulacyjne modele na PC wyposaŜonym w program FluidSim H 3 lub 4.
2.3.5 Modernizacja układu
Pierwszym zadaniem jest uzupełnienie układu elektrycznego tak aby realizowany cykl Z
PODSTAWY AUTOMATYKI
8
4 V
Przewód czerwony Przewód czarny
Przewód niebieski Wyłącznik
1
1
24 V
0
Rys. 9. Schemat układu do sprawdzenia działania wyłącznika krańcowego K1
K1
S1, rozpoczynał się nowy cykl. Czyli rozpoczęcie cyklu ma nastąpić po zamknięciu przycisku S1 lub innego zestyku (np. X1). Oznacza to, rozpoczęcie cyklu na sygnał z zespołu alterna- tywy S1 V X1, co przy stosowanej tu technice przekaźnikowej oznacza równoległe połączenie zestyków S1 i X1. Sygnał X1 ma informować, Ŝe zakończył się poprzedni cykl tj. tłok siłow- nika wrócił do połoŜenia początkowego. MoŜna to stwierdzić stosując „czujniki – wyłączniki krańcowe” róŜnego typu. Przed zastosowaniem tych zespołów naleŜy sprawdzić ich działanie stosując układ jak na rys.9.
Po sprawdzeniu, w celu uzyskania sygnału X1 podobny układ naleŜy dołączyć (jak?) do podstawowego schematu elektrycznego i sprawdzić działanie całości.
W podobny sposób moŜna wzbudzać licznik wykonanych cykli (wyprodukowanych sztuk) oraz uruchamiać sygnalizator świetlny lub dźwiękowy.
2.3.6 Wady układu
Podstawową wadą omawianego układu jest sposób uzyskiwania informacji o zakoń- czeniu fazy wciskania, bowiem tłok siłownika moŜe się zatrzymać w połoŜeniu innym niŜ ma to miejsce po prawidłowym wciśnięciu grzybka. Sytuacje takie przedstawiono na rys. 10.
Podstawy Automatyki
9
Rys. 10. Sytuacje nieprawidłowe
NaleŜy zaprojektować modernizację dotychczasowego (powtarzalnego) układu stero- wania tj.
- opracować układ kontrolny wykrywający sytuacje przedstawione na rys. 10,
- sygnał z tego układu ma przerwać prace urządzenia i wycofać tłok do początkowego połoŜenia oraz włączyć sygnalizację świetlną i dźwiękową.
Projekt zalecanej modernizacji zamieścić w sprawozdaniu.
3. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA
Sprawozdanie powinno zawierać:
Nr grupy, nr zespołu, nazwiska i imiona wykonujących ćwiczenie, datę wykonywania ćwiczenia, uzupełniony cyklogram z rys. 8, schematy hydrauliczne i elektryczne z punktów 4.3 i 4.4.
4. LITERATURA
1. Helduser S, Mednis W, Olszewski M.: Elementy i układy hydrauliczne. Oficyna Wydawnicza PW. Warszawa 2009
2. Olszewski M i in.: Urządzenia i systemy mechatroniczne. Wydawnictwo REA. War- szawa 2009.
