SISTEME MECATRONICE - euromecaform.ro teorie_FINAL.pdf · Germenii unei ere noi apar odată cu dezvoltarea motoarelor electrice – motorul de curent continuu în 1870 şi cel de

1

Cuprins:

SISTEME MECATRONICE 1. SISTEME MECATRONICE. CONCEPTE ............................................................................................... 3

1.1. Conceptul de sistem mecatronic: definiţie; modele .................................................................. 3

1.2 Evoluţia sistemelor tehnice: de la sisteme integral mecanice la sisteme mecatronice .............. 4

1.3 Conceptul de sistem mecatronic. Clasificare .............................................................................. 6

1.4 Consideraţii privind proiectarea sistemelor mecatronice .......................................................... 8

1.5 Dezvoltarea educaţiei în domeniul mecatronicii ...................................................................... 10

2. PROGRAMAREA ŞI COMANDA INSTALAŢIILOR MECATRONICE ..................................................... 12

CU AJUTORUL CONTROLLERELOR LOGICE PROGRAMABILE .............................................................. 12

2.1. Consideraţii generale privind automatele programabile ........................................................ 12

2.2. Scurt istoric al apariţiei şi dezvoltării automatelor programabile .......................................... 12

2.3. Structura automatelor programabile ...................................................................................... 13

2.3.1. Unitatea centrala de procesare – CPU .......................................................................................... 14

2.3.2. Memoria ........................................................................................................................................ 15

2.2.3. Sursa de alimentare ....................................................................................................................... 15

2.3.4. Întrările automatului programabil ................................................................................................ 15

2.3.5. Ieşirile automatului programabil ................................................................................................... 15

2.3.6. Extensia numărului de intrări / ieşiri ............................................................................................. 15

2.3.7. Funcţia de programare a automatelor programabile ................................................................... 15

2.4. Funcţionarea automatelor programabile ............................................................................... 16

2.5. Limbaje de programare a automatelor programabile ............................................................ 16

2.5.1. Diagramele şi Limbajul Grafcet ..................................................................................................... 17

2.5.2. Diagramele şi Limbajul Ladder ...................................................................................................... 19

2.5.3. Programarea în limbaje de nivel înalt ........................................................................................... 21

2.5.4. Reprogramarea funcţiilor unui PLC................................................................................................ 22

2.6. Etapele proiectării sistemelor de control automat utilizând AP ............................................. 22

2.7. Exemplu de utilizare ................................................................................................................ 23

ELEMENTE MECANICE DE ACȚIONARE ȘI CONTROL PENTRU AUTOMATIZAREA SISTEMELOR

HIDRAULICE ȘI PNEUMATICE ALE INSTALAȚIILOR MECATRONICE 1. Aspecte generale ............................................................................................................................ 27

2. Clasificarea transmisiilor hidraulice şi pneumatice ........................................................................ 29

3. Avantaje şi dezavantaje ale utilizării transmisiilor hidraulice şi pneumatice ................................. 30

4. Elemente de acţionare cu simplă şi dublă acţiune ......................................................................... 31

5. Elemente de comandă şi distribuţie hidraulice şi pneumatice comandate electric şi mecanic .... 34

2

6. Scheme de acţionare pneumatică .................................................................................................. 43

7. Simboluri grafice utilizate în schemele de comandă şi acţionare pneumatice .............................. 55

ELEMENTE ELECTRICE SI ELECTRONICE DE ACȚIONARE ȘI CONTROL PENTRU

AUTOMATIZAREA INSTALAȚIILOR ȘI SISTEMELOR MECATRONICE 1.INTRODUCERE ................................................................................................................................. 59

2.SISTEME DE ACŢIONARE CU MOTORUL DE CURENT CONTINUU .................................................... 60

3.SISTEME DE ACTIONARE CU MOTORUL DE CURENT ALTERNATIV ................................................. 64

4.SISTEME DE ACŢIONARE CU MOTORUL PAS CU PAS ...................................................................... 68

4.1 Ce este MPP .............................................................................................................................. 68

4.2 Principiul de funcţionare .......................................................................................................... 69

4.3 Tipuri de MPP ........................................................................................................................... 70

4.4 Caracteristicile MPP ................................................................................................................ 70

4.6. Aplicaţii .................................................................................................................................... 72

5.ELEMENTE DE CIRCUIT PENTRU SISTEMELE DE ACŢIONARE .......................................................... 73

5.1 Motorul de curent continuu-MCC ............................................................................................. 73

5.2 Motorul asincron-MAS ............................................................................................................. 73

5.3 Motorul pas cu pas-MPP .......................................................................................................... 73

5.4 Invertoare ................................................................................................................................ 74

5.5 Relee, contactoare, protectii .................................................................................................... 74

5.6 Limitatoare și lămpi de semnalizare........................................................................................ 75

BIBLIOGRAFIE: .................................................................................................................................... 77

3

SISTEME MECATRONICE

1. SISTEME MECATRONICE. CONCEPTE

1.1. Conceptul de sistem mecatronic: definiţie; modele

Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) a fost conceput în 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric şi protejat până în 1982 ca marcă a acestei firme. Se referea iniţial la complectarea structurilor mecanice din construcţia aparatelor cu componente electronice. În prezent termenul defineşte o ştiinţă inginerească interdisciplinară, care, bazându-se pe îmbinarea armonioasă a elementelor din construcţia de maşini, electrotehnică şi informatică, îşi propune să îmbunătăţească performanţele şi funcţionalitatea sistemelor tehnice.

Ca şi în cazul multor altor domenii de mare complexitate, în literatura de specialitate nu există o definiţie unitară a noţiunii de mecatronică. În IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (1996) mecatronica a fost definită astfel:

“Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering with electronic and intelligent computer control in the design and manufacturing products and processes.”, în traducere: “Mecatronică este integrarea sinergetică a ingineriei mecanice cu controlul electronic şi cel inteligent cu calculatoare în proiectarea şi fabricaţia produselor şi proceselor.”.

Termenul “sinergetică” impune o detaliere. În Mic Dicţionar Enciclopedic (Editura Enciclopedică Română, 1972) termenul “sinergie” este definit astfel: - gr. Synergia (“conlucrare”) s.f. (FIZIOL.) Asociaţie a mai multor organe sau ţesuturi pentru îndeplinirea aceleiaşi funcţiuni.

Cele mai sugestive reprezentări ale mecatronicii sunt reprezentate prin intersecţia a trei sau mai multor cercuri. După modul în care sunt definite zonele de intersecţie, există multe modele, unele fiind prezentate în figura 1.1[GIU02]. Modelul din figura 1.2 detaliază conţinutul celor 3 cercuri din figura 1.1,a şi sintetizează principiile pe baza cărora a fost conceput învăţământul de mecatronică la Universitatea „Transilvania” din Braşov:

Studiul mecatronicii şi proiectarea şi realizarea sistemelor mecatronice trebuie clădite pe cei trei piloni principali: mecanica, electronica, tehnica de calcul, fiecare cu subsistemele şi subdomeniile lui principale, iar intersecţia acestora conduce la sisteme şi produse cu caracteristici remarcabile, superioare unei simple reuniuni a componentelor de diferite tipuri. Acest lucru impune înzestrarea specialistului în mecatronică cu cunoştinţe temeinice din domeniul mecanicii, electronicii şi tehnicii de calcul, dar şi al sistemelor mecatronice, de cele mai diferite tipuri, şi al principiilor şi etapelor de proiectare şi realizare a acestora.

Informatică

Mecanică Electronică

Mecatronică

a)

Ingineria calculatoarelor

Inginerie mecanică

Inginerie electrică

Mecatronică

Modelare, Optimizare

CAD Electromecanică

Actuatoro/senzori

Electromagnetism, Electronic,

Control

b)

4

Figura 1.1. Reprezentarea conceptului de mecatronică. a) Conceptul Universităţii Stanford; b) Conceptul Universitaţăţii Purdue

Figura 1.2. Schema detalierii subsistemelor

1.2 Evoluţia sistemelor tehnice: de la sisteme integral mecanice la sisteme mecatronice

Dezvoltarea mecatronicii şi a produselor şi tehnologiilor mecatronice reprezintă o etapă logică şi concretă în evoluţia ştiinţei şi tehnologiei, iar revelaţia inginerului de la Yaskawa era inevitabilă, în condiţiile în care electronica devenise o componentă care nu mai putea fi separată de sistemele mecanice.

Evoluţia omenirii a fost însoţită de o dezvoltare lentă a uneltelor, dispozitivelor şi sistemelor create şi realizate de om, începând din paleolitic şi până în secolul 18, când odată cu inventarea maşinii cu abur (James Watt – 1788), care a marcat începutul revoluţiei industriale, sistemele tehnice au cunoscut o evoluţie rapidă. Maşina cu abur s-a constituit într-una dintre primele borne ale procesului de înlocuire a muncii fizice, prestate de oameni şi animale, cu lucrul mecanic efectuat de maşini. Câteva repere importante de-a lungul acestui drum: 1775 - prima maşină orizontală de găurit şi alezat ţevile de tun (englezul John Wilkinson); 1784 – ciocanul mecanic cu abur; 1795 – presa cu transmisie hidraulică; 1797 – primul strung cu cărucior şi păpuşă mobilă, acţionate de un ax elicoidal; vaporul cu aburi (începutul secolului 19); locomotiva cu aburi (mijlocul secolului 19).

Pe parcursul secolului al 19-lea apar şi se dezvoltă motoarele cu ardere internă, ca rezultat al preocupării unor inventatori de geniu de a realiza mijloace de transport rutiere:

1807 – brevet pentru un motor cu un cilindru vertical, cu funcţionare cu gaz şi cu aprindere cu ajutorul unei scântei electrice;

1872 – invenţia motorului cu benzină şi supape laterale – motorul Otto; 1887 – motorul Daimler, cu ardere internă, cu doi cilindri în V, la care aprinderea combustibilului avea

loc la fiecare rotaţie a arborelui (capacitatea cilindrică de 1,5 l; puterea de 7,5 CP); Caracteristica esenţială a sistemelor tehnice de până în jurul anilor 1900 este aceea că acestea erau pur

mecanice. Mecanica „pură” a permis realizarea unor adevărate bijuterii tehnice, cum ar fi precursorul genial

Teoria sistemelor, Modelare,

Automatică, Software,

Inteligenţă artificială

Informatică

Mecanică Electronică

Mecatronică

Microelectronică, Electronică de putere,

Senzori, Actuatori

Elemente mecanice, Maşini,

Mecanică fină, Aparate

5

al calculatorului electronic, reprezentat de maşina de calcul a lui Charles Babbage, sau maşina de scris mecanică; s-au pus însă în evidenţă şi limitele acestor sisteme.

Germenii unei ere noi apar odată cu dezvoltarea motoarelor electrice – motorul de curent continuu în 1870 şi cel de curent alternativ în 1889, care au permis, realizarea, la începutul secolului 20, a unor sisteme mecanice cu acţionare electrică (pompe, maşiniunelte etc.). Electrotehnica a permis şi saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, având ca exponenţi avioanele, maşinile-unelte, turbinele cu aburi, automobilele.

Perioada de după cel de-al doilea război mondial este caracterizată prin realizări ştiinţifice şi străpungeri tehnologice remarcabile: primul calculator electronic numeric în 1945, tranzistorul cu germaniu în 1948, cel cu siliciu în 1952, tiristorul în 1958, primul circuit integrat în 1959, laserul etc.

În 1953 la Massachussets Institute of Technology (M.I.T.) s-a realizat şi s-au făcut demonstraţii cu o maşină de frezat cu comandă numerică. Ca început al maşinilor unelte cu comandă numerică poate fi considerată utilizarea benzii perforate în războiul de ţesut automat (de către Jaquard) şi în pianola mecanică cu program. Un rol important în perfecţionarea acestor maşini l-a avut utilizarea calculatorului în locul benzii perforate, ajungându-se la comanda numerică, cu ajutorul calculatorului, a maşinilor unelte.

La începutul anilor 1960 sunt realizaţi şi primii roboţi industriali. Fabricarea şi utilizarea roboţilor a fost facilitată de rezolvarea anterioară a unor probleme tehnice, indispensabile pentru funcţionarea roboţilor:

Problema manipulării pieselor la distanţă, cu ajutorul mecanismelor articulate, denumite telemanipulatoare. Dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impusă de necesitatea manipulării materialelor radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, în procesul utilizării energiei nucleare.

Problema automatizării maşinilor unelte prin intermediul comenzii numerice. A permis stăpânirea comenzii incrementale a mişcărilor şi a poziţionării de mare precizie, prin dezvoltarea de servo-motoare, servo-comenzi şi senzori de poziţie/deplasare.

Problema automatizării calculelor şi a controlului cu ajutorul calculatoarelor electronice ce a avut efecte semnificative în evoluţia roboticii, ramura cea mai evoluată a mecatronicii.

Succinta prezentare a evoluţiei sistemelor tehnice, de la sisteme pur mecanice la sisteme mecatronice, sintetizată şi în figura 1.3, permite evidenţierea câtorva concluzii:

Integrarea electronicii şi a tehnicii de calcul a condus la simplificarea substanţială a componentelor mecanice şi la sisteme mai ieftine. Părţi mecanice au fost înlocuite cu componente electronice, mai ieftine, mai fiabile şi mai uşor de întreţinut, întrucât pot facilita auto-diagnoza. Aceste sisteme sunt mai precise, întrucât precizia nu se bazează pe rigiditatea şi stabilitatea mecanică, ci pe sisteme electronice de măsurare şi reglare.

Introducerea unor sisteme de reglare pentru poziţie, viteză, forţă etc. permite nu numai menţinerea în limite rezonabile de precizie a mărimilor programate, dar şi obţinerea unei comportări quasi-liniare, chiar dacă sistemul mecanic comandat este neliniar.

O reprezentare sintetică a evoluţiei sistemelor tehnice se prezintă în figura 1.3.

Sisteme mecanice cu acţionare electrică

Anii 1920 Maşini unelte; Pompe

Sisteme mecanice cu control automat

Anii 1930 Avioane ; Automobile ; Turbine cu abur ; Maşina de scris electrică

Sisteme mecanice dotate cu: Control electronic analogic; Control secvenţial; Control numeric

Din anii 1950 pâna la mijlocul

anilor 1980

Lifturi cu control automat; Maşini unelte cu comandă numeric; Roboţi industriali; Echipamente periferice de calculatoare

Sisteme mecatronice implică: De la mijlocul Roboţi mobile;

Sisteme mecanice pure Până în anul 1900 1788 – maşina cu abur; 1872 – motorul Otto; 1887 – Motorul Daimler; Maşina de calcul Babbage; Maşina de scris mecanică

Motorul electric: de c.c. (1870); de c.a. (1889).

Relee; amplificatoare; regulatoare.

1948, 1952 – tranzistorul ; 1955 – tiristorul ; 1959 – circuitul integrat ; 1971 - microprocesorul.

1978 – microcontrollerul; 1981 – PC-ul ; magistrale de proces; noi senzori şi sctuatori; integrarea componentelor.

6

Figura 1.3. Evoluţia sistemelor tehnice

1.3 Conceptul de sistem mecatronic. Clasificare O imagine asupra diversităţii şi complexităţii domeniilor care sunt incluse în vasta noţiune de

“Mecatronică” poate fi furnizată de tematica secţiunilor primei conferinţe IFAC (International Conference of Automatic Control) de “Sisteme Mecatronice”, organizată între 18 şi 20 septembrie 2000 la Darmstadt (Germania):

Secţiunea A – Sisteme mecatronice, incluzând vehicule mecatronice, motoare şi maşini mecatronice, trenuri mecatronice şi sisteme spaţiale mecatronice;

Secţiunea B - Componente mecatronice, cu temele actuatori şi dispozitive mecatronice şi lagăre magnetice;

Secţiunea C – Roboţi şi maşini păşitoare, cuprinzând roboţi mecatronici, sisteme robotice mobile, maşini păşitoare;

Secţiunea D – Proiectarea sistemelor mecatronice – a avut ca centre de greutate: modelarea şi identificarea; instrumente software; simularea în timp real şi hardware-in-the-loop;

Secţiunea E – Controlul automat al sistemelor mecatronice, s-a concentrat asupra metodelor de control, a controlului mişcării şi vibraţiilor şi a sistemelor mecatronice pentru detectarea şi diagnosticarea erorilor.

Conceptul de sistem mecatronic

Un sistem mecatronic este un sistem tehnic care integrează, într-o configuraţie flexibilă, componente mecanice, electronice şi de comandă cu sisteme numerice de calcul, pentru generarea unui control inteligent al mişcărilor, în vederea obţinerii unei multitudini de funcţii.

Schema bloc a unui sistem mecatronic este prezentată în figura 1.4.

Sistem de comandă cu calculator

Interfeţe cu echipamente

Interfaţă om-maşină

Sistem mecanic Sistem de acţionare

Surse de energie

auxiliară

Sursă principală de energie

Senzori

Interni Externi

Acţiune utilă asupra mediului

Flux de energie Flux de informaţie

Valori măsurate

Valori comandate

7

Figura 1.4. Schema bloc a unui sistem mecatronic

Cuvintele cheie în mecatronică. Integrare Integrare spaţială prin întrepătrunderea constructivă a subsistemelor mecanice, electronice şi de

comandă; Integrare funcţională, asigurată prin software. Inteligenţă, raportată la funcţiile de control ale sistemului mecatronic şi caracterizată printr-o

comportare adaptivă, bazată pe percepţie, raţionament, autoînvăţare, diagnosticarea erorilor şi reconfigurarea sistemului (comutarea pe module intacte în cazul unor defecţiuni) etc.

Flexibilitate, caracterizată de uşurinţa cu care sistemul poate fi adaptat, sau se poate adapta singur, la un nou mediu, pe parcursul ciclului său de funcţionare; implică schimbarea adecvată a programelor de control (software) şi nu a structurii sale mecanice sau electrice (hardware). Fără îndoială că pot fi luate în considerare multiple criterii pentru clasificarea sistemelor mecatronice, iar câteva dintre cele mai interesante, vor fi prezentate în continuare.

În clasificarea se bazează pe sistemele mecanice, care constituie suportul pentru configurarea unei structuri mecatronice:

Componente mecanice (incluzând componente mecanice de bază – lagăre, ghidaje, cuplaje, angrenaje etc. şi componente pentru generarea forţelor şi mişcărilor – lanţuri cinematice, lanţuri de acţionare, componente hidraulice/pneumatice, componente electromecanice etc.);

Maşini (incluzând maşini generatoare de energie – electromotoare, motoare cu combustie internă, turbine etc.) şi maşini consumatoare de energie – maşiniunelte, utilaje tehnologice, maşini agricole);

Vehicule (automobile, trenuri, vapoare, avioane, navete spaţiale); Produse ale mecanicii fine (incluzând componente mecanice de precizie – lagăre, ghidaje, lanţuri

cinematice şi de acţionare, comutatoare, relee, senzori, actuatori şi dispozitive de mecanică fină – înregistratoare, imprimante, dispozitive de comunicaţie, aparatură electrocasnică, optică, medicală);

Produse ale micro-mecanicii (incluzând componente micro-mecanice - lagăre, ghidaje, lanţuri cinematice şi de acţionare şi sisteme micro-mecanice – senzori, actuatori, motoare, pompe).

Prin adăugarea şi integrarea componentelor electronice şi de comandă cu sisteme de calcul la/în aceste structuri mecanice se obţin sisteme mecatronice corespunzătoare, care pot fi clasificate în:

Componente mecatronice; Maşini mecatronice; Vehicule mecatronice; Mecatronică de precizie; Micro-mecatronică.

Altă clasificare propusă în, împarte sistemele mecatronice în: Sisteme mecatronice convenţionale; Sisteme micro-mecatronice; Sisteme nano-mecatronice.

O a treia clasificare prezentată în acest paragraf, analizează sistemele mecatronice din punct de vedere al caracteristicilor lor comportamentale, şi le împarte în:

Sisteme mecatronice automate; Sisteme mecatronice inteligente; Reţele mecatronice inteligente. Sistemele mecatronice automate sunt capabile să manevreze materiale şi energie, comunicând cu

mediul înconjurător şi au capacitatea de auto-reglare, care le permite să reacţioneze la schimbări previzibile ale mediului într-un mod programat anterior. Marea majoritate a sistemelor mecatronice aparţin acestei categorii.

Sistemele mecatronice inteligente sunt capabile să realizeze un scop impus în condiţii de incertitudine. Spre deosebire de sistemele automate, care sunt programate pentru a se comporta într-un mod dorit şi sunt, în consecinţă, previzibile, sistemele inteligente pot atinge un scop specificat într-un mod imprevizibil. Ele sunt înzestrate cu un înalt nivel de flexibilitate, fiind capabile să răspundă la schimbări frecvente ale mediului, fără a fi necesară o reprogramare a lor. Această diferenţă calitativă în comportament este determinată de separarea bazei de cunoştinţe (knowledge base) de motorul de rezolvare a problemei (inference engine), concept de bază în inteligenţa artificială. Exemple de astfel de sisteme sunt maşinile-unelte inteligente,

8

roboţii inteligenţi, vehicule cu ghidare autonomă, avioane fără pilot, rachete auto-ghidate, compresoare inteligente cu geometrie variabilă.

O nouă şi interesantă grupă propusă în este cea a unor reţele de sisteme inteligente, interconectate mutual, sau reţele mecatronice inteligente. Aceste reţele sunt capabile să decidă asupra comportamentului lor prin negocieri între unităţile componente autonome (nodurile reţelei). Fiecare componentă este un sistem mecatronic inteligent. Semnificativă este pentru acest fel de reţele capacitatea fiecărei unităţi de a-şi îmbunătăţi performanţele prin auto-organizare (modificarea relaţiilor dintre unităţile componente, în scopul îmbunătăţirii performanţelor globale ale sistemului). Cele mai evoluate reţele sunt supuse unui continuu proces de evoluţie (prin deconectarea şi eliminarea unităţilor mai puţin utile şi conectarea unor noi unităţi cu efecte benefice pentru scopurile urmărite de reţea). Flotile de avioane fără pilot, colonii de maşini agricole inteligente, sisteme de fabricaţie inteligente (de exemplu, holonice), echipe de roboţi militari, de salvare sau de jocuri sportive, sunt exemple semnificative pentru astfel de reţele.

O ultimă clasificare are la bază domeniile de utilizare a sistemelor mecatronice. Acestea pot fi: în industrie; în agricultură; în medicinî; în biomecanică; în construcţii; în cercetare etc.

1.4 Consideraţii privind proiectarea sistemelor mecatronice

Există mai multe modele de proiectare care au evoluat odată cu evoluţia sistemelor tehnice. Varianta de proiectare clasică, secvenţială, anterioară filozofiei mecatronice, presupunea proiectarea

unui produs, având o funcţie mecanică (de execuţie de mişcări sau transmitere de forţe) şi înzestrat cu componente electrice şi electronice şi un sistem de control, în mai multe etape succesive prezentate în figura 1.5. Această filozofie, utilizată în proiectarea unor produse complexe, a condus nu numai la soluţii scumpe şi ineficiente, dar a generat şi multe efecte dezastroase.

Figura 1.5. Modelul de proiectare clasică.

Mecatronica are la bază principiile ingineriei concurente, impunând, încă din momentul demarării proiectării unui produs, munca într-o echipă, care include atât ingineri de diferite specializări, cât şi reprezentanţi ai compartimentelor de fabricaţie, marketing, din domeniul financiar etc. Colaborarea permanentă pe parcursul proiectării este esenţială, întrucât sistemul mecanic influenţează sistemul electronic, şi invers, sistemul electronic are un rol important în proiectarea unei structuri mecanice adecvate. Obţinerea efectelor sinergetice poate fi realizată numai prin inginerie simultană prezentată în figura 1.6.

Figura 1.6. Modelul proiectării concurente. Conform cu [ISE99] etapele proiectării unui sistem mecatronic sunt sintetizate în figura 1.7. Etapele

specifice sistemelor mecatronice sunt listate cu litere cursive. 1. Funcţii ale sistemului mecatronic: proiectarea sistemului mecanic de bază: simplificare;

împărţirea funcţiilor între mecanică şi electronică; pPerformanţe în funcţionare: precizie, domenii mari de lucru, funcţionarea în apropierea limitelor extreme; funcţii noi: controlul mărimilor care nu pot fi măsurate, generarea unor comportamente dinamice speciale, sisteme adaptive, detectarea timpurie a erorilor în funcţionare şi diagnosticarea erorilor; vehicule „drive-by-wire”, avioane „fly-by-wire”: tolerante la erori, componente redundante, propietăţi influenţate de software; noi senzori (micro-mecatronică), senzori inteligenţi; noi actuatori: electro-mecanici, piezo-electici, electro-reologici.

Proiectare parte electrică

Proiectare sistem şi algoritmi de

comandă

Proiectare parte mecanică


Proiectare sistem şi algoritmi de

comandă


9

2. Forme de integrare: integarea componentelor (integrarea hardware, integrarea senzorilor, actuatorilor şi a microelectronicii în structura mecanic a sistemului); integrarea prin procesarea informaţiei (integrarea software, bazată pe cunoaşterea modelului şi a procesului, metode algortmice).

3. Componente electronice: lanţ de prelucrare a informaţiei: senzori, microcalculatoare, actuatori; microelectronică „dedicată” (embedded); microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri, ASIC; magistrale şi protocoale de comunicaţie: CAN-, PROFI-, SERCO-Bus; structuri redundante: arhitecturi duble şi triple pentru funcţiile critice pentru siguranţa sistemului.

4. Operare: noi interfeţe om-maşină: pedale electronice sau manete cu reacţie haptică; tele-manipulare; noi tipuri de sisteme de afişare.

5. Metode de proiectare: instrumente software pentru modelare şi simulare; instrumente software pentru proiectarea şi construcţia sistemelor mecanice şi electronice; simulare în timp real (simulare „hardware-in-the-loop”, prototipare a controlului).

6. Efecte sinergetice: noi efecte prin integrarea hardware şi software; reducerea componentelor mecanice, prin îmbinarea componentelor mecanice şi electronice.

10

Figura 1.7. Etapele proiectării unui sistem mecatronic.

1.5 Dezvoltarea educaţiei în domeniul mecatronicii

Primul program de educaţie mecatronică în inginerie a fost elaborat în 1978 la Universitatea Toyohashi din Japonia, de către profesorul K. Yamazaky. Mai bine de un deceniu japonezii au scris despre mecatronică numai în limba maternă.

Prima lucrare în engleză, legată de tehnologia şi educaţia mecatronică a fost susţinută în 1984, de profesorul Yamazaky, la o conferinţă internaţională pe probleme de educaţie tehnologică în inginerie,

11

desfăşurată în Germania. Intensificarea vizitelor universitarilor europeni în Japonia, după 1980, au creat premizele introducerii de cursuri de mecatronică şi a înfiinţării de specializări de mecatronică la universităţi de prestigiu din Germania, Marea Britanie, Belgia, Finlanda, Elveţia, Olanda etc.

În martie 1986 Comitetul Consultativ pentru Cercetare şi Dezvoltare al Comunităţii Europene afirmă că: „mecatronica este o nevoie majoră pentru cercetarea europeană şi pentru programele educaţionale”.

Câteva repere cronologice semnificative ale dezvoltării educaţiei mecatronice în Europa se prezintă în continuare:

Belgia: În 1980 a fost înfiinţat, prin eforturile profesorului Hendrik Van Brussel, Institutul de Mecatronică la Universitatea Catolică din Leuven, considerat drept poarta de intrare a mecatronicii în Comunitatea Europeană.

Marea Britanie: În 1984 a fost înfiinţat Consiliul pentru Educaţie Tehnologică şi Afaceri (BTEC), care a elaborat un Program Naţional de Educaţie Mecatronică. În 1990 a fost recunoscut oficial „U.K. Mechatronics Forum”, care organizează conferinţe internaţionale bienale de mecatronică, în colaborare cu parteneri externi. Tot în 1990, sub egida Consiliului pentru Ştiinţă şi Cercetare în Inginerie (SERC), a fost înfiinţat Centrul de Cercetare şi Proiectare în Mecatronică la Universitatea din Lancaster.

Elveţia: În 1988 s-a înfiinţat Centrul de Cercetare în Mecatronică la Institutul Federal de Tehnologie din Zürich. În 2003 Elveţia a găzduit Olimpiada Internaţională de Mecatronică.

Finlanda: În 1985 s-au înfiinţat specializările de mecatronică la universităţile din Tampere, Helsinki şi Oulu. În anul 1987 a fost lansat Programul Naţional de Educaţie Mecatronică, care include obiective clare pentru învăţământ, cercetare şi producţie şi este unul dintre cele mai pragmatice programe din Europa.

Olanda: În 1989 guvernul olandez a înfiinţat Centrul de Cercetare în Mecatronică la Universitatea din Twente.

Franţa: După 1990 au fost înfiinţate mai multe Institute de Mecatronică. S-au impus, prin rezultatele obţinute pe plan internaţional cele din Besançon şi Clermont-Ferrand. Institutul de Mecatronică din Besançon a iniţiat congresele Franţa-Japonia de mecatronică.

Statele Unite ale Americii: La Georgia Tech: panou solar comandat cu microprocesor; controlul numeric al traiectoriei unui

automobil; platformă pentru testări fiziologice la efort; vehicul autonom, capabil să ocolească obstacole; sistem de securitate a incintelor; controlul prin radio al unui avion fără pilot; operarea la distanţă a unei locuinţe; robot comandat prin sistem de vedere artificială.

La Colorado State Unversity: scanner laser pentru digitalizarea suprafeţelor tridimensionale; robot cilindric cu facilităţi de orientare vizuală; sistem acustic pentru investigarea perimetrului unei încăperi.

La Kettring University: mecanism pentru prinderea şi măsurarea dimensiunii unui obiect; vehicul mobil.

România: În România studiul mecatronicii a început în 1991, prin înfiinţarea specializărilor de mecatronică la

Universitatea „Transilvania” din Braşov, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi şi Universitatea „Ştefan cel Mare” din Suceava. În 1994 au luat fiinţă specializările de mecatronică şi la Universitatea „Politehnica” din Bucureşti şi Universitatea Politehnica din Timişoara, simultan cu definirea profilului mecatronic, care a inclus cele două specializări: Mecatronică şi Roboţi Industriali. În tendinţa de a veni în întâmpinarea pieţei forţei de muncă, s-au depus eforturi permanente, pe parcursul celor 14 ani de studiu în mecatronică, pentru perfecţionarea planurilor de învăţământ şi a programelor analitice, care s-au bazat pe contactul permanent şi pe schimbul de experienţă cu universităţi din ţară şi din străinătate, la care se studiază Mecatronica şi cu firme de profil, dar şi pe aprecierile critice şi sugestiile studenţilor şi absolvenţilor.

Seria de prelegeri ce dezvoltă prin acest program vine în sprijinul dezvoltării mecatronicii în România începând cu nivelul preuniversitar.

12

2. PROGRAMAREA ŞI COMANDA INSTALAŢIILOR MECATRONICE

CU AJUTORUL CONTROLLERELOR LOGICE PROGRAMABILE

2.1. Consideraţii generale privind automatele programabile

Controllerele logice programabile (Programabille Logic Controller - PLC) denumite si Automate

programabile (AP) sunt echipamente electronice destinate realizării instalaţiilor. de comandă secvenţiale în logică programată. Din punct de vedere al complexităţii automatele programabile sunt situate între echipamentele clasice cu contacte sau cu comutaţie statică, ale instalaţiilor de comandă şi calculatoarelor electronice.

Automatul programabil (PLC) este un aparat electronic care controlează regimurile de funcţionare ale mașinilor și proceselor. PLC-ul recepţionează semnale prin intermediul intrărilor sale, le prelucrează după un program și transmite semnale la ieșirile sale. Programul se realizează cu ajutorul unui software de programare; prin program se pot comanda intrările și iesirile după dorinţă, se pot măsura timpi și efectua operaţii de calcul.

Caracteristicile principale ale unui automat programabil sunt numărul maxim de intrări/ieșiri, capacitatea memoriei și viteza de calcul.

Utilizând o logică programată, circuite logice integrate şi elemente semiconductoare de putere, automatele programabile, în comparaţie cu sistemele logice secvenţiale, bazate pe logica cablată prezintă avantajele: gabarit redus; consum redus de energie electrică; facilităţi la punerea în funcţiune; fiabilitate ridicată; consum redus de conductoare de conexiuni şi de cablaj; realizarea facilă a unor funcţiuni specifice; reducerea ciclului proiectare, execuţie şi punere în funcţiune prin posibilitatea supravegherii unor faze.

Faţă de calculatoarele electronice utilizarea AP oferă următoarele avantaje: preţ de cost redus; viteză de răspuns ridicată; imunitate sporită la perturbaţii; funcţionare sigură în mediu industrial obişnuit; limbaj de programare simplu.

În general automatele programabile sunt destinate automatizării proceselor secvenţiale de complexitate medie. Ele realizează prin logica programată următoarele funcţii: detectarea schimbărilor de stare ale semnalelor aplicate pe intrări; prelucrează logic pas cu pas informaţiile primite conform programului stocat în memoria

program(MP); emite semnale de comandă corespunzătoare programului stocat în memorie; semnalizează optic valorile semnalelor de pe intrări şi ieşiri(valoare logică 1, LED aprins);

Automatele programabile pot fi programate pornind fie de la ecuaţiile logice corespunzătoare sistemului, fie de la schemele de comandă realizate cu contacte şi relee, sau cu circuite logice cu comutaţie statică, în logică cablată sau folosind organigrama care descrie procesul tehnologic condus.

Folosind automatele programabile se pot realiza instalaţii de comandă automată secvenţiale, de complexitate medie de conducerea proceselor tehnologice din metalurgie, construcţii de maşini, chimie, din industriile: alimentară, a materialelor de construcţii, electrotehnică, etc.

AP constituie unul din componentele de bază ale structurilor mecatronice.

2.2. Scurt istoric al apariţiei şi dezvoltării automatelor programabile "General Motors" a fost prima companie care a recunoscut nevoia înlocuirii tehnicii de cablare

clasică a panourilor de automatizare. Înlocuirea vechi tehnologii de cablare a panourilor de automatizare a sporit competiţia producătorilor de autoturisme prin creşterea productivităţii şi calităţi. Nu numai industria auto a avut de câştigat de pe urma noii tehnologii. Flexibilitatea, întreţinerea ieftină şi uşoară, dar şi

13

posibilitatea schimbării rapide a ciclurilor de producţie a devenit o necesitate crucială în actuală evoluţie a economie de piaţă.

Ideea companiei "General Motors" a constat în implementarea logicii cablate într-un microcalculator, logică ce a înlocuit tehnica clasică de cablare a releelor. În majoritatea aplicaţiilor, microcalculatorul are la bază soluţii cu microcontrolere pe 8 sau 16 biţi, în funcţie de complexitatea sistemului de automatizare. Deci, calculatorul avea să ia locul blocurilor sau panourilor de automatizare cu numeroase relee. Orice schimbarea a ciclurilor de operare sau de producţie se poate face foarte uşor modificând programul scris în automatul programabil.

Divizia Hidromatic de la General Motors a recunoscut necesitatea implementării noii tehnologii şi astfel a pus bazele primului proiect cu automat programabil (au mai fost câteva companii în lume care au creeat dispozitive capabile să controleze procese industriale, dar aceste dispozitive electronice erau nişte simple controlere secvenţiale şi nu PLC-uri aşa cum se cunosc astăzi).

Noile dispozitive trebuia să aibă anumite caracteristici: să funcţioneze corect în medii industriale (vibraţii, temperaturii ridicate, praf…), să fie flexibile şi de dimensiuni reduse ca un computer şi să permită reprogramarea acestora daca se dorea realizarea altor operaţii. "Gould Modicon" a dezvoltat primul dispozitiv care respecta aceste specificaţii. Cheia succesului a fost aceea că pentru programare nu era necesar învăţarea unui limbaj de programare. Programare se efectua într-un limbaj asemenea schemelor clasice monofilare (ladder diagram), cu particularităţile proprii. Din acest motiv electricieni şi tehnicieni puteau foarte uşor să înveţe programare deoarece schema logică trasată în program era foarte asemănătoare cu schema clasică.

Iniţial, PLC-urile s-au numit PC Controllers sau controlere programabile. Această denumire se confunda de multe ori cu numele de calculator personal (PC). Pentru a elimina această confuzie, denumirea “PC” a fost atribuită doar calculatoarelor personale iar controlerele programabile s-au denumit “programmable logic controllers” sau simplu: PLC.

La început PLC-urile au fost dispozitive simple. La intrările acestora erau conectate comutatoare, senzorii digitali etc, iar la ieşiri se comanda pornirea şi oprirea funcţionării altor dispozitive. Când au apărut primele PLC-uri acestea nu erau capabile să controleze procese mai complexe, cum ar fi: controlul temperaturii, a poziţiei, presiunii etc. Cu toate acestea, odată cu trecerea anilor, au apărut şi PLC-uri care au fost capabile să realizeze aceste funcţii. În prezent, automatele programabile sunt capabile să controleze procese foarte complexe. Modul de realizare şi programare a acestora a fost mult îmbunătăţit. Au fost concepute module speciale care ataşate PLC-ului pot lărgi aria de operabilitate a acestuia. În prezent este foarte greu să ne imaginăm un proces care să nu fie controlat de un automat programabil!

2.3. Structura automatelor programabile Un AP are o structură formată din următoarele componente de bază: unitatea centrală (UC); unitatea

de memorie (M); unitatea de intrare/ieşire (UIE) care asigura legăturile cu exteriorul. Se poate considera ca AP este o cutie plină cu relee individuale, numărătoare, ceasuri şi locaţii de memorare date (figura 2.1.). AP este actualmente un sistem industrial cu microcontroler (iniţial a fost numit procesor în loc de microcontroler) care se compune dintr-o partea hardware şi software specifică şi adaptată să funcţioneze în medii industriale. Schema bloc este prezentată în figura 2.2. O atenţie deosebită trebuie acordată separării galvanice a microcontrolerului faţă de partea de forţă şi execuţie din mediul industrial.

Componentele pot diferi ca numar de la un exemplar la altul dar elementele care se regasesc in general sunt urmatoarele:

1. Unitatea Centrală: reprezinta partea cea mai importanta a automatului programabil si este compusa din 3 parti importante: procesor, memorie si sursa de alimentare. Prin intermediul acesteia se realizeaza practic conducerea intregului proces;

2. Unitatea de programare: la ora actuala este reprezentata în multe cazuri de catre un calculator prin intermediul caruia pot fi scrise programe care apoi sunt incarcate pe unitatea centrala si rulate. In cazul in care se doreste o unitate mai usor de manevrat sunt puse la dispozitia programatorilor(de catre majoritatea firmelor) console(sisteme de gen laptop) prin intermediul carora pot fi scrise programe pentru automate;

3. Modulele de intrare/iesire: permit interconectarea cu procesul primind sau transmitand semnale catre acesta. Acestea pot cuplate direct cu unitatea centrala sau prin control la distanta (daca este cazul pentru un anumit proces);

4. Şina: dispozitivul pe care sunt montate unitatea centrala, modulele de intrare/iesire si alte module functionale aditionale (daca este cazul).

14

Figura 2.1.

Figura 2.2. Schema bloc a structurii automatului programabil

2.3.1. Unitatea centrala de procesare – CPU Unitatea centrală de procesare (CPU) este creierul automatului programabil. CPU este în mod uzual un

microcontroler. Odinioară, aceste microcontrolere erau pe 8 biţi, cum ar fi 8051, iar actualmente sunt microcontrolere pe 16 sau 32 de biţi. În automate programabile de marcă, cum ar fi Siemens, Hitachi şi Fujitsu, o să regăsiţi diferite tipuri de microcontrolere produse de diferite firme, cum ar fi Motorola. Modulul de comunicaţie este ataşată la unul din porturile microcontrolerului. Automatele programabile au diferite rutine pentru verificare memoriei, asta din motive de siguranţă. La modul general vorbind, unitatea generală de procesare efectuează o serie întreagă de rutine de verificare a stării tehnice a PLC-ului. Pentru semnalizarea diferitelor erori sau stări de funcţionare PLC-urile sunt dotate cu indicatori optici (diode luminiscente sau leduri).

Automatele programabile cu procesare de bit pot prelucra operanzi de: 16 biţi; 8 biti; 2 biti şi 1 bit.

CPAP (PC)

Nivele de ajustare intrări

Nivele de ajustare ieşiri

Surse de alimentare

Interfaţă comunicaţii

Linie de extensie

CPU

MEM

OR

IA

. . .

. . .

Terminale de intrare

Terminale de ieşire

Automat Programabil

15

2.3.2. Memoria

Memoria sistemului - actualmente de tip FLASH - este utilizată de automatul programabil pentru stocarea programului folosit la controlul automatizării. Înainte să fie scris în memorie, programul trebuie compilat, cu ajutorul altui program cu ajutorul căruia a fost scrisă logica automatizării în leader diagram. Reprogramarea sau rescrierea memoriei se realizează, de regulă, cu ajutorul unui cablu serial. Memoria utilizată este împărţită în diferite blocuri cu diferite funcţii. Anumite părţi ale memoriei sunt folosite pentru a înregistra stările porturilor (intrare sau ieşire). Fiecare stare a memoriei este stocată printr-un bit: 1 sau 0. Fiecare intrare sau ieşire îi corespunde un bit din memorie. Alte părţi ale memoriei stochează variabilele pe care le foloseşte programul. Spre exemplu, perioada de temporizare ori valoarea numărată pot fi stocate în această parte a memoriei.

2.2.3. Sursa de alimentare

Sursa de alimentare are rolul de a alimenta cu energie electrică automatul programabil. Majoritatea PLC-urilor lucrează cu tensiunii de 24Vdc sau 230Vac. Unele automate programabile se alimentează printr-un modul separat. PLC-urile cu sursă de alimentare separată sunt automate programabile mari. Pentru a determinarea puterea electrică a sursei de alimentare va trebui să cunoaştem consumul PLC-urilor, determinat în mare parte, de către necesarul de curent al ieşirilor. Sursa de alimentare trebuie să îndeplinească anumite cerinţe de compatabilitate electromagnetică, ca de exemplu: să fie imună la perturbaţii electromagnetice, medii corozive, întâlnite cu preponderenţă în mediul industrial.

2.3.4. Întrările automatului programabil

Inteligenţa unui sistem de automatizare depinde în mare măsură de capabilitatea automatului programabil să citească semnalul provenit de la diferiţi senzori şi dispozitive de intrare. Taste, kepad-uri, comutatoare cu şi fără automenţinere, sunt căteva din elementele care au facut legătura dintre om şi maşina. Pe de altă parte, pentru a verifica piesele care sunt în mişcare, pentru a verifica presiunea sau nivelul de fluid, veţi avea nevoie de traductoare care să transmită la ieşirea lor un semnal unificat (0…5V sau 4…20mA), recunoscut de automatul programabil. Sunt diferite metode să obţineţi un senzor. Spre exemplu, aţi putea folosi un optocuplor sau un transformator.

2.3.5. Ieşirile automatului programabil

Un sistem de automatizare este incomplet dacă la ieşirile sale nu este conectat niciun dispozitiv. Cele mai întâlnite dispozitive sunt: motoare, bobine, relee, indicatoare, sunete de semnalizare ş.a.m.d. Pentru a porni un motor sau alimenta un releu, PLC-ul transmite “1” logic la ieşirea aferentă – în funcţie de caracteristicile programului. În acest caz spunem că ieşirea automatului programabil este digitală. Totuşi, ieşirile pot fi şi analogice. O ieşire analogică este utilizată pentru a genera un semnal analogic (ex. un motor funcţionează cu o anumită viteză care corespunde unei anumite tensiuni).

2.3.6. Extensia numărului de intrări / ieşiri

Orice automat programabil are un număr limitat de intrări / ieşiri. Numărul de intrări sau ieşiri poate fi mărit prin conectarea unui modul extern. Acest modul este o extensie de intrari si iesiri, extensie care diferă de la PLC la PLC (ex. Dacă ieşirea este un releu, atunci tranzistorul care acţionează releul poate fi un mode extensie).

2.3.7. Funcţia de programare a automatelor programabile Consola de programare a automatului programabil (modulul CPAP (PC) din figura 1.2) este un

echipament portabil necesar programării memoriilor automatelor programabile. In general, consola de programare are următoarele funcţii:

pe ea se întocmesc programele de lucru ale automatelor programabile;

16

validarea programelor; corectarea programelor, în urma rezultatelor experimentale şi înscrierea lor în memoriile EPROM ale

automatelor programabile; salvarea programelor realizate prin menţinerea sub tensiune (de la bateria consolei) a memoriilor

RAM; transferul programului realizat pe o unitate de memorie externă cum ar fi caseta magnetică sau floppy

disc prin cuplarea acesteia cu un calculator PC compatibil; posedă programe de text pentru monitor. poate lucra în trei regimuri: editare, asamblare şi dezasamblare; gestionare de transferuri; cuplare cu

automatul programabil.

Automatul programabil (PLC) poate fi reprogramat şi cu ajutorul unui calculator PC, aceasta fiind cea mai comodă cale. În acest mod de lucru PC-ul are instalat un program special pentru programare. Odată ce PLC-ul este conectat la PC, pentru început se poate citi programul deja scris în acesta (asta dacă am mai fost programat anterior). Comunicaţia cu PLC-ul este foarte importanta deoarece, pe lângă celelalte avantaje, se permite monitorizarea procesului de automatizare de la distanţă, inclusiv verificarea stării PLC-ului.

Aproape fiecare program pentru programarea automatelor programabile include diferite opţiuni utile ca: trecerea din ON in OFF a intrarilor si iesirilor, simularea programului în timp real ş.a.m.d. Aceste opţiuni sunt necesare pentru determinarea erorilor sau a funcţionării defectuoase a programului. Programatorul poate adaoga comentarii, nume intrărilor şi ieşirilor, foarte utile în întreţinerea sistemului. Spre exemplu, adaogarea comentariilor ajuta electricienii şi tehnicieni să înţeleagă mult mai bine schema de comandă schiţată în mediu de programare ladder diagram. Aceste comentarii ajută foarte mult la întreţinere şi depanare.

2.4. Funcţionarea automatelor programabile

Funcţia de bază a unui automat programabil este aceea de scanare continuă a stărilor programului. Prin scanare se înţelege verificarea continuă a condiţiilor programului într-o perioadă de timp. Acest proces de scanare a stărilor se face în trei paşi consecutivi, după cum urmează:

1. Testarea intrărilor. Pentru început PLC-ul testează fiecare intrare pentru a depista care este în starea “ON” şi care este în starea “OFF”. Cu alte cuvinte, PLC-ul verifică dacă este conectat vreun senzor sau comutator la intrări. După acest pas se memorează starea tuturor intrărilor care constituie intrarea pentru următorul pas.

2. Executarea programului. PLC-ul execută programul, instrucţiune cu instrucţiune considerând starea intrărilor obţinută din pasul precedent. Reacţia executării unui pas se poate observă prin activarea unei ieşiri, care poate fi memorată şi utilizată în pasul următor.

3. Verifică şi corectează starea ieşirilor. În pasul final, PLC-ul verifică starea ieşirilor şi corectează, dacă este cazul, eventualele erori, folosind logica programului.

De fapt, în realitate sunt mai mult de trei paşi deoarece se mai execută verificarea sistemului şi actualizarea valorilor curente ale ceasului şi ale numărătorului intern.

Timpul total de răspuns este un parametru foarte important al funcţionării automatelor programabile mai ales în cazul proceselor rapide sau foarte rapide. El reprezintă viteza de reacţie a automatului la schimbarea stărilor intrărilor.

2.5. Limbaje de programare a automatelor programabile Există multe firme producătoare de automate programabile, fiecare având tipuri proprii. Din aceste

motive, există mai multe variante de programare a unui automat programabil, dintre acestea mai cunoscute fiind următoarele: Programarea cu ajutorul limbajelor grafice de tip Grafcet sau Isagraf; Programarea prin diagrama Ladder; Programarea prin limbaje de nivel înalt (C, Pascal).

17

2.5.1. Diagramele şi Limbajul Grafcet Deşi un Grafcet redă în esenţă aceleaşi elemente ca şi o organigramă de stări, anumite particularităţi

de reprezentare oferă facilităţi atât proiectantului cât şi utilizatorului, ceea ce a dus la lărgirea ariei de utilizare şi penetrare a metodei într-un mare număr de aplicaţii.

Un Grafcet este un graf orientat definit printr-un cvadruplet {S,T,E,M}, unde:

- S = {S1, S2 ……, Sn} este mulţimea secvenţelor (în particular a stărilor);

- T = {T1, T2, ….., Tp} este mulţimea condiţiilor care determină tranziţiile dintr-o secvenţă în alta;

- E = {E1, E2, …..., Eq} este mulţimea ieşirilor generate în timpul evoluţiei;

- M = {M1, M2, ……, Mm} reprezintă o mulţime de valori binare ce desemnează starea de activare a fiecărei secvenţe. Pentru mi = 0 se consideră că secvenţa asociată este neactivă iar pentru mi = 1 secvenţa devine activă. În mod normal o singură secvenţă este activă dar pot exista situaţii în care procese concurente pot determina activarea simultană a mai multor secvenţe.

Simbolizarea Grafcet-ului nu este unică. În literatură se pot întâlni diverse moduri de reprezentare. În figura 2.3 este prezentată o metodă utilizată frecvent în aplicaţii de conducere a proceselor industriale.

O secvenţă este reprezentată printr-un dreptunghi (sau un cerc) şi definită printr-un identificator de frecvenţă. Acesteia i se asociază o variabilă, de obicei o variabilă internă, ce reprezintă suportul fizic al secvenţei.

Figura 2.3.

Asociat identificatorului de secvenţă şi conectat direct la acesta, este blocul ieşirilor generate în

secvenţa respectivă. Activarea secvenţei (variabilei) înseamnă activarea tuturor ieşirilor conectate. În această reprezentare se mai poate remarca prezenţa a două condiţii de tranziţie, prima desemnând condiţiile pentru atingerea secvenţei iar a doua reprezentând condiţiile pentru evoluţia în secvenţa următoare. Aceste condiţii reprezintă fie simple variabile externe, fie funcţii logice complexe obţinute prin operatori logici specializaţi.

Conexiunile între blocurile unui Grafcet se obţin prin linii orizontale şi verticale. Liniile verticale desemnează evoluţii iar cele orizontale indică posibilităţi de ramificare condiţionată sau nu.

Limbajul Grafcet reprezintă o modalitate de descriere grafică a unui sistem logic secvenţial, fiind util datorită generalităţii şi facilităţilor de care dispune, spre exemplu, posibilitatea descrierii secvenţelor paralele.

Elementele constructive ale unei diagrame Grafcet sunt următoarele: Etapele ce corespund unei stări stabile a sistemului automat şi sunt identificate printr-un număr unic.

Etapele pot fi: Iniţiale ce sunt active în momentul iniţial (a se vedea etapa I din figura 2.4); Normale, acestea fiind celelalte etape care nu sunt active iniţial (a se vedea prima etapă 3 din

figura 2.4.). Ele se pot activa la un moment dat, cum este cazul stării 3 cu punct ataşat din aceeaşi figură.

18

Figura 2.4. Etapele Grafcet.

Tranziţiile. O tranziţie arată posibilitatea evoluţiei dintr-o stare activă într-o altă stare. Fiecărei tranziţii îi este asociată o condiţie logică, ăn funcţie de valorile logice ale unor variabile de intrare sau starea activă sau inactivă a altor etape. Condiţia de tranziţie nu este validată decât dacă etapele imediat precedente sunt active. Exemple de tranziţii sunt reprezentate în figurile 2.3 şi 2.5.

Figura 2.5.

Acţiuni asociate etapelor. Deoarece o etapă poate fi activă sau inactivă la un moment dat, există acţiuni asociate etapelor care se execută numai la activarea acestora. Pot exista şi actiuni condiţionate care se execută numai dacă mai este adevărată o altă condiţie logică. Acţiunile pot fi diverse: pornirea unei temporizări; incrementarea unui contor; deschiderea unei vane; pornirea sau oprirea unui motor etc.

Ramificaţii. Au loc între mai multe secvenţe posibile atunci când condiţiile de tranziţie se exclud între ele. Convergenţa diferitelor ramuri are loc atunci când sunt îndeplinite cle unuiDeoarece o etapă poate fi activă sau inactivă la un momenondiţiile de tranziţie pe fiecare ramură. Se pot stabili priorităţi dacă nu se exclud condiţiile de tranziţie.

Secvenţe simultane (paralelism). Au loc atunci când mai multe secvenţe pot fi activate simultan, plecând de la o condiţie de tranziţie. Evoluţia pe fiecare ramură se efectuează simultan. Joncţiunea nu se poate efectua decât atunci când toate secvenţele sunt terminate.

Macroetape. Sunt reprezentări unice ale unui ansamblu de etape şi de tranziţii. Sunt caracterizate de o etapă iniţială şi una finală. Etapa iniţială se supune regulilor cunoscute. Etapa finală nu poate avea acţiuni asociate. Atâta timp cât macroetapa este activă, evoluţia Grafcet-ului respectă regulile obişnuite de evoluţie. Macroetapa devine activă atunci când etapa anterioară etapei iniţiale este activă şi condiţia de tranziţie a sa devine adevărată. Ea este dezactivată atunci când etapa finală este activă şi condiţia de tranziţie asociată este adevărată. Stările unei macroetape pot fi:

de repos, dacă nici o etapă componentă nu este activă; activă, dacă cel puţin o etapă componentă este activă; de stârşit, când etapa finală este activă.

Dinamica unei diagrame Grafcet este următoarea: dacă o etapă este activă şi una din condiţiile de tranziţie ataşate este adevărată, etapa actuală se dezactivează şi se activează etapa următoare sau etapele următoare in cazul unui paralelism.

Activare ieşire

Activare ieşire 3

3

1

9

9

Limitator atins

19

2.5.2. Diagramele şi Limbajul Ladder

Cea mai răspândită modalitate de construire a unui program ce va fi executat de către un automat

programabil este varianta construirii unei diagrame în trepte numită diagrama Ladder (Ladder Diagram - LD). Ca atare, în prezent, majoritatea automatelor programabile sunt programate în “ladder diagram” (schema de relee), ceea ce nu este altceva decât desenarea unei scheme clasice de comandă cu relee dar cu o simbolistică aparte. Acest mod de programare era mult mai uşor de înţeles atât de electricieni cât şi de tehnicieni, Pentru că simbolurile aparatelor şi contactelor acestora erau foarte similare cu cele din schemele clasice de automatizare.

Adresarea variabilelor poate fi absolută sau indirectă. Adresarea absoluta (prefixată) Primul prefix:

%I - pentru intrari; %Q - pentru iesiri; %M - pentru variabile interne.

Al doilea prefix: x.y - pentru variabile boolene; B - pentru variabile pe octet; W - pentru variabile pe cuvânt; D - pentru variabile pe dublu cuvânt.

%I1.0 %IB0 %QW0 %MD100

Adresarea indirecta (simbolica): şir de caractere alfanumerice care incepe cu o litera.

Obiectele de bază ale limbajului prezentate în figurile 2.6 şi 2.7 sunt: contactele; bobinele; temporizatoarele; numărătoarele; blocurile funcţionale (funcţiile).

Pentru materializarea unor funcţii mai complexe menite să uşureze scrierea programelor în limbaj LD sunt utilizate blocurile funcţionale (BF). BF modelează diverse categorii de funcţii cele mai utilizate fiind:

funcţii de încărcare a unor constante numerice, funcţii aritmetice, funcţii logice pe 8 sau 16 biţi, funcţii de conversie a informaţiei din diferite formate (binar, BCD, Gray etc), funcţii de tratare a întreruperilor, funcţii pentru detectarea fronturilor crescătoare sau descrescătoare a semnalelor, funcţii pentru realizarea controlerelor şi secvenţiatoarelor, funcţii pentru actualizarea rapidă a intrărilor şi ieşirilor, funcţii pentru comanda numărătoarelor de mare viteză.

Scrierea unui program în limbajul LD presupune desenarea unei diagrame (diagramă LD) similare unei scheme electrice cu contacte.

Ladder diagram constă dintr-o linie verticală, pe care o regăsiţi în partea stângă a programului, şi una sau mai multe linii orizontale, pe care se înseriază, spre exemplu: contactele de intrare, ieşire şi anumite elemente logice de program. Linia din partea stângă se numeşte “bus bar” iar linia orizontală este linia de instrucţiuni. Pe linia de instrucţiuni se dispun elementele logice ale programului (contacte normal-inchise, normal-deschise, porti logice, contactoare etc). Combinănd mai multe conditii sau elemente logice pe linie, se poate determina care instructiune urmează să se execute şi în final care element de ieşire îl poate comanda.

20

Figura 2.6.

a) Temporizator b) Numărător

Figura 2.7.

Cele mai multe instrucţiuni se pot realiza cu ajutorul unui singur operand iar altele cu mai mulţi operanzi. Acest operand poate să fie o cifră binară dintr-o anumită locaţie a memoriei sau un numar. În acest caz, când veţi dori să apelaţi un operand X dintr-o locaţie a memoriei, atunci se foloseşte semnul „#” sub cifra scrisă (precizarea asta e foarte importantă pentru un compilator, ca să poată facă diferenţa dintre o constantă şi o adresă de memorie).

Ladder diagram constă dintre o parte condiţională (partea stângă) şi una instrucţională (partea dreaptă). Când condiţia este realizată, instrucţiunea este executată.

O astfel de diagramă este formată din ramuri, pe fiecare ramură existând instrucţiuni specifice automatului respectiv (figura 2.8). Deoarece instrucţiunile pot fi împărţite în două mari categorii: de intrare şi de ieşire, pe orice ramură trebuie să existe cel puţin o instrucţiune de ieşire. Fiecare instrucţiune are asociar un simbol grafic.

Tipurile de instrucţiuni folosite într-o diagramă Ladder sunt practic aceleaşi indiferent de producătorul automatului programabil. Principalele tipuri de instrucţiuni sunt: Instrucţiuni pe bit; Instrucţiuni de timer/counter; Instrucţiuni de I/O şi întreruperi; Instrucţiuni de comparare; Instrucţiuni matematice; Instrucţiuni logice şi de transfer; Instrucţiuni de lucru cu fişiere; Instrucţiuni de deplasare (shift); Instrucţiuni de secvenţiere; Instrucţiuni de control;

Nr. temporizator Baza de timp Valoarea prestabilită

Validare

Iniţializare Ieşire negată

Ieşire Nr. numărător Valoarea prestabilită

Numărare

Iniţializare Ieşire negată

Ieşire

21

Blocuri funcţionale.

Organizarea memoriei şi a modului de adresare, structura fişierelor de date şi descrierea detaliată a instrucţiunilor unui automat programabil este făcută în manualele de referinţă ale diferitelor tipuri de automate.

Există două moduri de interpretare a unui program LD: citirea se face pe linie când se citesc contactele pe linie, de la stânga la dreapta, linie cu linie,

începând cu prima linie şi terminând cu ultima; citirea se face pe coloană când se citesc contactele pe coloană, câte unul, de sus până jos, coloană cu

coloană, începând cu prima coloană din stânga şi terminând cu ultima din dreapta.

Figura 2.8.

Elaborarea unui program constă în parcurgerea următoarelor etape:

1. Se întocmeşte graful automatizării, după caietul de sarcini; 2. Se scriu funcţiile: de parcurgere a tranziţiilor, activare şi dezactivare a etapelor şi formulele de calcul

a noilor valori ale variabilelor asociate etapelor; 3. Se întocmeşte o hartă de memorie internă în care introduc variabilele: funcţiile de parcurgere a

tranziţiilor, funcţiile de activare, funcţiile de dezactivare şi variabilele asociate etapelor; 4. Se întocmeşte o tabelă cu legarea variabilelor la intrările şi ieşirile automatului; 5. (Se editează tabela de simboluri) 6. Se scrie programul conform schemei logice.

De obicei programul este editat pe un calculator personal sau cu ajutorul unui modul de tip panou special numit consolă de programare (Teach sau Handhead Pendant) ataşat automatului prezentat în 2.3.7. Apoi programul este transformat în instrucţiuni specifice procesorului automatului programabil şi descărcat în memoria lui. În timpul execuţiei, automatul scanează programul ramură cu ramură executând instrucţiunile conform mecanismului prezentat mai sus.

Există şi varianta execuţiei programului din memoria PC, dar timpul pierdut pentru transferul datelor între calculator şi controller poate afecta performanţele programului.

2.5.3. Programarea în limbaje de nivel înalt În ultima perioadă a existat o puternică preocupare pentru integrarea performanţelor de conducere şi

control a automatelor programabile cu posibilităţile de calcul şi de memorie ale calculatoarelor personale. În acest scop, majoritatea automatelor programabile posedă un port de comunicaţie cu un PC, de tip RS-232 sau RS-485, existând posibilitatea stabilirii unei legături cu PC-ul chiar în timpul execuţiei unui program de către automatul programabil. De asemenea, pentru a se profita de larga răspândire a limbajelor de nivel înalt, cum ar fi limbajele C sau Pascal, unii producători au echipat automatele programabile cu procesoare compatibile Intel, acestea putând executa setul de instrucţiuni al procesoarelor Intel, extins cu instrucţiuni specifice

22

automatelor programabile. În acest sens, mulţi producători au dezvoltat compilatoare C pentru procesoarele pe care le folosesc în automatele programabile.

Există două variante de construire a unui program de nivel înalt. Prima variantă constă în crearea unui program în limbajul de programare C (Borland sau Microsoft),

integrând funcţiile specifice ale automatului programabil şi funcţiile de comunicaţie între calculator şi automat. În acest caz, programul se execută în calculator, acesta transmiţând permanent comenzi controllerului şi primind răspunsuri despre executarea acestora. Avantajul unui astfel de program poate fi capacitatea mare de memorare şi puterea de calcul a unui PC şi deci posibilitatea creării unor module software complexe folosind numeroase variabile.

Atunci când un număr mare de automate sunt legate la un singur calculator, timpul necesar calculatorului să primească şi să proceseze toate informaţiile de I/O poate produce scăderea semnificativă a răspunsului sistemului, făcând dificil controlul procesului. Pentru a evita acest impediment, programele trebuie implementate în fiecare automat programabil şi executate independent de funcţionarea calculatorului.

Această capacitate de partajare a acţiunilor permite utilizatorului să determine ce decizii de control vor fi luate de calculator şi de către automat. Această facilitate eliberează calculatorul, acesta putând efectua operaţii de supervizare cum ar fi improspătarea ecranului, generarea de rapoarte sau monitorizarea performanţelor sistemului.

Programele se construiesc şi se compilează în limbajul C pe un PC, după care, programul executabil este convertit în formatul de fişier Intel HEX cu ajutorul unui program utilitar, este apoi descărcat în memoria de tip Flash EPROM a automatului, de unde automatul îl poate executa independent. Totuşi un oarecare dezavantaj al acestui mod îl poate constitui limitarea dimensiunii codului şi datelor programului.

Modul concret de realizarea aprogramelor în limbajul C şi instrucţiunile specifice sunt prezentate în manualele de utilizare ale automatului programabil.

2.5.4. Reprogramarea funcţiilor unui PLC Adevărata utilitate a PLC-ului se poate vedea atunci când dorim modificarea comportamentului unui

sistem de control. Din moment ce PLC-ul este un dispozitiv programabil, comportamentul acestuia poate fi modificat prin schimbarea comenzilor. Nu este nevoie de o reconfigurare a componentelor electrice conectate la intrarea şi ieşirea acestuia.

De exemplu, să presupunem că dorim ca un circuit care are o anumit mod de funcţionare, să funcţioneze exact invers: apăsarea butonului să determine stingerea unei lămpi, iar eliberarea acestuia la aprinderea ei. Soluţia hardware ar consta în înlocuirea comutatorului buton normal-deschis cu un comutator buton normal-închis. Soluţia software, aplicabilă cu ajutorul PLC-ului, constă în modificarea programului, astfel încât un contact X1, spre exemplu, să fie normal-închis în loc de normal-deschis.

2.6. Etapele proiectării sistemelor de control automat utilizând AP Se prezintă în continuare principalele etape necesare în abordarea proiectării unui sistem de control

automat al unei instalaţii tehnologice industriale, inclusiv al unei instalaţii mecatronice. a) În prima etapă va trebui adoptat un instrument sau un sistem care trebuie automatizat. Sistemul

automatizat poate să fie o maşină, un proces mai mult sau mai puţin complex sau o instalaţie mecatronică. La intrările sistemului trebuie să se conecteze dispozitivele de intrare (senzori şi/sau traductoare) care vor trebui sa transmită semnalele corespunzătoare la un automat programabil (PLC). Ca răspuns la aceste semnale, PLC-ul expediează un semnal, ca rezultat, la un dispozitiv extern (numit şi de execuţie), care controlează funcţionarea sistemului sau procesului după diagrama de funcţionare dorită. Această diagramă poate conţine unul sau mai multe cicluri de funcţionare a procesului.

b). În a doua etapă va trebui specificate toate instrumentele de intrare şi ieşire care vor fi conectate la automatul programabil. Dispozitivele de intrare sunt comutatoare diverse, senzorii de temperatura, presiune şi alte tipuri de traductoare. Dispozitivele de ieşire pot fi: bobine, valve electromagnetice, motoare, relee, instrumente de lumină şi sunet etc. Identificând toate intrările şi ieşirile, acestea pot fi foarte uşor implementate în programul PLC-ului. Alocarea intrărilor şi ieşirilor este o etapa importantă în realizarea propriu-zisă a programului. Pentru a uşura identificarea acestora, fiecărei intrării şi ieşiri i se alege o denumire în corelaţie cu funcţia preluată sau executată de automatul programabil.

c). Etapa a treia constă în elaborarea programului ce urmează să fie implementat în memoria automatului programabil. Cea mai simplă metodă constă în elaborarea programului în mediul ladder

23

diagram. Dar ca să se poată face acest lucru, va trebui mai întâi să alegeţi un automat programabil şi un program de dezvoltare a aplicaţiilor ce permite lucrul în modul ladder diagram. De regulă, orice producător de automate programabile oferă propria soluţie software pentru programarea PLC-ului produs. Nu o să se poată folosi un soft de la un producător ca să se programeze un PLC de la un alt producător. Mai intervine aici şi incompatibilitatea soluţiei de interconectare a echipamentelor (PC-PLC), diferită de la producător la producător de automate programabile. După realizarea programului acesta este scris în memoria PLC-ului. De regulă, în cazul proceselor industriale complexe, inainte să fie implementat în automatizare, după ce este programat, PLC-ul este testat pe un stand independent. Pe acest stand sunt depistate eventualele erori şi apoi eliminate. Această metodă este întâlnită cu precădere în cazul “automatizărilor prototip”.

Pentru a rula procese mult mai complexe este posibil să se conecteze mai multe PLC-uri la un cal-culator central luând ăn consideraţie dezavantajul prezentat în paragraful 2.5.3. Un sistem real ar putea arăta ca în figura 2.9.

Figura 2.9.

2.7. Exemplu de utilizare Un exemplu simplu de utilizare a unui automat programabil poate fi acela de pornire şi oprire a unui

motor electric. În figuri se prezintă partea frontală faţă a automatelor însoţite de diagramele Ladder corespunzătoare.

Pornirea motorului. Conexiunile şi diagrama şi programul Ladder se prezintă în figura 2.10. Dacă se apasă butonul de

„start”, intrarea X1 se va energiza, închizând contactul X1 din program. Bobina Y1 va fi energizată şi se va

24

aplica o tensiune de 120 V c.a. pe bobina contactorului motorului. Contactul paralel Y1 se va închide şi el, iar circuitul va rămâne într-o stare energizată.

Figura 2.10.

Dacă se eliberează contactorul „start”, contactul X1 normal-deschis va reveni la poziţia sa normală

(deschis). Motorul va continua însă să funcţioneze, deoarece contactul de reţinere intern Y1 continuă să alimenteze bobina Y1, care menţine la rândul ei energizată ieşirea Y1, conform figurii 2.11.

Figura 2.11.

25

Oprirea motorului. Pentru a opri motorul, trebuie să se apese pentru o durată scurtă comutatorul „stop”. Acesta va

energiza intrarea X2 şi va deschide contactul (virtual) normal-închis. Continuitatea circuitului înspre bobina Y1 va fi întreruptă, aşa după cum se prezintă în figura 2.12.

Figura 2.12.

Când butonul de „stop” este eliberat, intrarea X2 se deenergizează. Contactul X2 revine în poziţia sa

normal (închis). Motorul nu va reporni însă până când comutatorul de „start” nu este acţionat, datorită „pierderii” contactului de reţinere Y1, aşa după cum se prezintă în figura 2.13.

Figura 2.13.

26

Figura 2.14.

Pentru controlul inteligent al aplicatiilor mici cu un necesar de maxim 12 intrari/ iesiri

• Operare independenta • 8 intrari digitale • 4 iesiri digitale pe releu sau optional • 4 iesiri pe tranzistor • 128 linii de circuit 3 contacte si o bobina pe fiecare linie • 16 ecrane de operare si afisare • 2 intrari analogice –rezolutie 10 biti , (numai la variantele cu alimentare la 24DC, 12DC, 24AC) • 2 intrari ultra-rapide, 1kHz , (numai la variantele cu alimentare la 24DC, 12DC)

Cod Tensiune de alimentare Afisaj LCD taste Temporizare saptamana/an EASY512-AB-RC 24V AC Da Da EASY512-AB-RCX 24V AC - Da EASY512-AC-R 100-240 V AC Da - EASY512-AC-RC 100-240 V AC Da Da EASY512-AC-RCX 100-240 V AC - Da EASY512-DA-RC 12 V DC Da Da EASY512-DA-RCX 12 V DC - Da EASY512-DC-R 24 V DC Da - EASY512-DC-RC 24 V DC Da Da EASY512-DC-RCX 24 V DC - Da EASY512-DC-TC 24 V DC Da Da EASY512-DC-TCX 24 V DC - Da

27

Elemente mecanice de acţionare şi control pentru automatizarea sistemelor hidraulice şi pneumatice ale instalaţiilor mecatronice

1. Aspecte generale

Într-o transmisie hidraulică, o pompă transformă energia mecanică furnizată de maşina de forţă în energie hidraulică; aceasta este retransformată în energie mecanică de un motor hidraulic care antrenează maşina de lucru.

Structura transmisiilor pneumatice este similară: un compresor antrenat de maşina de forţă alimentează cu gaz un motor pneumatic care acţionează maşina de lucru. Există şi sisteme de acţionări pneumatice formate în esenţă din generatoare de gaze şi motoare pneumatice (de ex. cele utilizate pentru dirijarea unor rachete).

Parametrii energiei mecanice furnizate de aceste transmisii pot fi reglaţi continuu şi în limite largi prin mijloace relativ simple. Flexibilitatea constituie un avantaj esenţial al transmisiilor hidraulice şi pneumatice faţă de cele mecanice, asigurându-le o largă utilizare, deşi principiul lor de funcţionare implică randamente relativ mici. În funcţie de tipul maşinilor hidraulice utilizate, transmisiile hidraulice pot fi: hidrostatice (volumice), hidrodinamice sau hidrosonice.

Dacă maşinile hidraulice (pompa şi motorul), care constituie elementele fundamentale ale transmisiei hidraulice, sunt de tip volumic, transmisia se numeşte uzual hidrostatică sau volumică, deoarece energia mecanică furnizată de maşina de forţă este utilizată de o pompă volumică practic numai pentru creşterea energiei de presiune a lichidului vehiculat; aceasta este retransformată în energie mecanică de un motor hidraulic volumic.

Transmisiile "pneumostatice" utilizează maşini pneumatice volumice, iar cele "pneumodinamice" - turbomaşini pneumatice, existând şi soluţii mixte (compresor volumic - turbină pneumatică).

Notarea aparatelor pneumatice în circuite Notarea elementelor într-un circuit se poate face utilizând următoarea notaţie: toate elementele care

concură la funcţionarea unui element de execuţie aparţin aceleiaşi grupe, şi poartă un număr. Separat de acest număr printr-un punct urmează numărul de ordine al aparatului la care se face referire.

Exemplu: Aparatul 4.3 este aparatul numărul 3 din grupa 4. Clasificarea grupelor 0 - toate elementele ce aparţin alimentării cu energie; 1, 2, 3,…. - notarea lanţurilor de comandă (a grupelor) pentru fiecare element de execuţie din schemă. Semnificaţia cifrei care urmează punctului

0 - element de execuţie; 1 - elemente de comandă finală; 2, 4, (numere pare) - toate elementele care influenţează cursa de avans a elementului de

execuţie; 3, 5, (numere impare) - toate elementele care influenţează cursa de revenire a

elementului de execuţie; 01, 02,…. - elementele de reglare aflate între elementele de execuţie şi cele de comandă

finală. Acest sistem de notare are avantajul că în practică personalul de întreţinere poate identifica efectul

unui semnal pornind de la numărul alocat fiecărui aparat; de exemplu, dacă se constată o perturbare în funcţionarea cilindrului 2.0, cauza trebuie căutată în grupa 2 şi, de aceea, trebuie verificate în primul rând elementele a căror primă cifră din cod este 2. Trebuie subliniat că nu întotdeauna este posibilă această

28

notare, deoarece există cazuri când un aparat oarecare are funcţii în cadrul mai multor grupe sau/şi pe avans şi pe revenirea unui element de execuţie.

Notarea aparatelor în circuite utilizând litere Acest mod de notare nu asociază aparatele unei grupe ce poartă numărul elementului de execuţie

acţionat, ci alocă respectivului element de execuţie elemente de semnalizare pe care acesta le acţionează: A, B, C,….. elemente de execuţie; a0, b0, c0,….. elemente de semnalizare acţionate de cilindrii A, B, C la capăt de cursă pe retragere; a1, b1, c1,….. elemente de semnalizare acţionate de cilindrii A, B, C la capăt de cursă pe avans; Deseori, în practică pot fi întâlnite combinaţii ale celor două moduri de notare. În cazul schemelor pneumatice, mai ales a celor complexe, de multe ori se renunţă la reprezentarea

traseelor ce leagă diferite componente din două motive: - schema ar fi mult prea încărcată, făcând dificilă interpretarea ei; - un singur capăt al traseului se află pe pagina respectivă, celălalt, datorită întinderii schemei, aflându-

se pe altă pagină. Pentru a se păstra claritatea reprezentării schemei, se notează doar terminalele traseelor respective,

utilizând codificarea de mai jos:

Figura 1.1. Schema unei transmisii hidrostatice

În figura 1.1. este prezentată schema unei transmisii hidrostatice pentru acţionarea unui motor hidraulic liniar, compusă din: 0Z1- grupul hidraulic (compus din rezervor, pompa hidraulică, motorul electric de acţionare a pompei, supapa de siguranţă, manometru); 0V- supapa de siguranţă; 0Z2, 1Z- manometre; 1V1- distribuitorul hidraulic de tipul 4/2 cu acţionare electrică şi revenire prin arc; 1V2- drosel reglabil cu supapă de sens; 1B- convertor de semnal hidraulic (switch); 1A- cilindru hidraulic.

29

Figura 1.2. Schema unei transmisii pneumostatice

În figura 1.2 este prezentată schema unei transmisii pneumostatice pentru acţionarea unui motor pneumatic liniar, compusă din: 0Z- unitatea de preparare a aerului comprimat; 1S1, 1S2- distribuitoare pneumatice 3/2 cu comandă mecanică prin rolă; 1S3- distribuitor pneumatic 3/2 cu comandă manuală prin buton de apăsare; 1V1- supapă cu două presiuni (element logic şi); 1V2- distribuitor pneumatic 5/2 cu comandă pneumatică sau manuală în ambele sensuri; 1V3- supapă de evacuare rapidă cu amortizor, 1V4- drosel reglabil cu supapă de ocolire; 1A- cilindru pneumatic.

2. Clasificarea transmisiilor hidraulice şi pneumatic

In cadrul transmisiilor hidrostatice şi pneumostatice se disting, din punctul de vedere al teoriei sistemelor automate, sisteme de acţionare, sisteme de comandă şi sisteme de reglare automată.

Sistemele de acţionare şi comandă hidrostatice şi pneumostatice sunt sisteme cu circuit deschis, în sensul că mărimea de intrare, care impune regimul de funcţionare al sistemului, nu este influenţată de efectul acţiunii sale; datorită perturbaţiilor inerente, mărimea de ieşire nu poate fi corelată în mod univoc cu mărimea de intrare.

Sistemele de acţionare hidrostatice şi pneumostatice transmit în general puteri mari, randamentul lor fiind un parametru important, utilizat obligatoriu în comparaţia cu alte tipuri de transmisii.

Sistemele de comandă hidrostatice şi pneumostatice transmit în general puteri mici, iar motoarele acestora acţionează asupra elementelor de comandă ale altor transmisii care vehiculează puteri mult mai mari.

Sistemele de reglare automată hidrostatice şi pneumostatice sunt sisteme cu circuit închis, deci conţin o legătură de reacţie care permite compararea, continuă sau intermitentă, a mărimii de intrare cu cea de ieşire; diferenţa dintre acestea (eroarea) constituie semnalul de comandă al amplificatorului sistemului, care alimentează elementul de execuţie în scopul anulării erorii; astfel, precizia acestor sisteme este ridicată (în regim staţionar, relaţia dintre mărimea de intrare şi cea de ieşire este practic biunivocă).

Parametrii reglaţi uzual sunt: poziţia, viteza unghiulară (liniară), momentul arborelui (forţa tijei) motorului hidrostatic sau pneumostatic, puterea consumată de transmisie de la maşina de forţă etc.

În general, transmisiile hidrostatice sunt numite "hidraulice", iar transmisiile pneumostatice "pneumatice".

30

3. Avantaje şi dezavantaje ale utilizării transmisiilor hidraulice şi pneumatic

Transmisiile hidraulice şi pneumatice au câteva caracteristici specifice, care le diferenţiază de alte tipuri de transmisii, explicând atât larga lor răspândire cât şi restricţiile de utilizare. Locul transmisiilor hidraulice şi pneumatice în cadrul transmisiilor poate fi stabilit pe baza mai multor criterii de natură practică.

Avantaje - Posibilitatea amplasării motoarelor hidraulice volumice într-o poziţie oarecare faţă de maşinile de

forţă. - Elementele de comandă ale transmisiilor hidraulice solicită operatorilor forţe sau momente reduse şi

pot fi amplasate în locuri convenabile. - Cuplul dezvoltat de motoarele hidraulice volumice rotative este proporţional cu diferenţa de

presiune dintre racordurile energetice, fiind limitat numai de eforturile admisibile ale materialelor utilizate. - Căldura generată de pierderile interne, care limitează performanţele oricărei maşini, este preluată

de lichidul vehiculat şi cedată mediului ambiant printr-un schimbător de căldură amplasat convenabil; ca urmare, maşinile volumice au frecvent puteri specifice mai mari de 1 kW/kg.

- Lichidele utilizate în transmisiile hidraulice tipice îndeplinesc şi rolul de lubrifiant, asigurându-le o funcţionare îndelungată.

- Motoarele volumice rotative pot funcţiona într-o gamă largă de turaţii; valoarea turaţiei minime stabile depinde de tipul mecanismului utilizat pentru realizarea camerelor de volum variabil, de tipul sistemului de distribuţie şi de precizia execuţiei.

- Datorită scurgerilor relativ mici, randamentul volumic al acestor motoare are valori ridicate, iar caracteristica mecanică (M-n) are o pantă redusă; aceasta conferă motoarelor volumice rotative o mare rigiditate statică (scăderea turaţiei la creşterea momentului rezistent este mică). În sistemele de reglare automată a poziţiei, această calitate asigură o precizie deosebită şi o sensibilitate redusă la perturbaţii.

- Motoarele volumice rotative oferă o legătură liniară între debit şi viteza unghiulară, iar raportul dintre momentul activ şi cel de inerţie al părţilor mobile are o valoare foarte mare. Aceste motoare pot realiza porniri, opriri şi inversări de sens rapide. În ansamblu, transmisiile hidraulice asigură o amplificare mare în putere (putere utilă/putere de comandă) şi un răspuns bun în frecvenţă, suficient pentru aplicaţiile practice uzuale.

- Motoarele hidraulice volumice liniare permit obţinerea unor forţe considerabile cu un gabarit redus, datorită presiunilor mari de lucru. Raportul dintre forţele active şi forţele de inerţie ale părţilor mobile are valori ridicate, asigurând o viteză de răspuns mare, specifică sistemelor de poziţionare rapidă. Scurgerile interne ale acestor motoare sunt foarte mici, astfel că randamentul lor volumic este apropiat de unitate, viteza minimă stabilă este foarte redusă, iar rigiditatea statică este foarte mare.

- Reglarea parametrilor funcţionali ai motoarelor volumice se face relativ simplu, utilizând fie pompe reglabile, fie rezistenţe hidraulice reglabile. Transmisiile hidraulice pot fi conduse cu automate programabile sau calculatoare industriale prin intermediul amplificatoarelor electrohidraulice (conver-toare electrohidraulice cu factor mare de amplificare în putere). Stocarea energiei hidraulice se realizează simplu, în acumulatoare hidropneumatice

- Motoarele pneumatice volumice sunt compacte, acest avantaj fiind valorificat îndeosebi în cazul sculelor portabile

- Viteza şi forţa sau cuplul motoarelor pneumatice volumice pot fi reglate simplu şi în limite largi. Funcţionarea în ciclu automat este favorizată de existenţa elementelor logice pneumatice, precum şi a amplificatoarelor electropneumatice discrete sau continue. Fiind nepoluante, motoarele pneumatice volumice sunt larg utilizate în instalaţiile nepoluante sau antiexplozive, specifice industriei alimentare, chimice, miniere, petroliere, energetice etc.

- Utilizarea pe scară largă a transmisiilor hidraulice şi pneumatice, creează posibilitatea tipizării, normalizării şi unificării elementelor acestora.

Dezavantaje - Transmisiile hidraulice sunt scumpe deoarece includ, în afara pompelor şi motoarelor volumice,

elemente de comandă, reglare şi protecţie, elemente de stocare, filtrare şi transport al lichidului.

31

Majoritatea acestor componente necesită o precizie de execuţie ridicată (specifică mecanicii fine), materiale şi tehnologii neconvenţionale, necesare asigurării preciziei, randamentului şi siguranţei funcţionale impuse.

- Pierderile de putere care apar în cursul transformărilor energetice din maşinile hidraulice volumice, precum şi în elementele de legătură, reglare şi protecţie, afectează semnificativ randamentul global al maşinilor de lucru echipate cu transmisii hidraulice.

- Transmisiile hidraulice sunt poluante, deoarece au scurgeri, existând întotdeauna pericolul pierderii complete a lichidului datorită neetanşeităţii unui singur element.

- Ceaţa de lichid care se formează în cazul curgerii sub presiune mare prin fisuri este foarte inflamabilă, datorită componentelor volatile ale hidrocarburilor care constituie baza majorităţii lichidelor utilizate în transmisiile hidraulice.

- Pericolul autoaprinderii lichidului sau pierderii calităţii sale lubrifiante limitează superior temperatura de funcţionare a transmisiilor hidraulice. Acest dezavantaj poate fi evitat prin utilizarea lichidelor de înaltă temperatură sau a celor neinflamabile concepute relativ recent.

- Contaminarea lichidului de lucru constituie principala cauză a uzurii premature a transmisiilor hidraulice. În cazul în care contaminantul este abraziv, performanţele transmisiei se reduc continuu datorită creşterii jocurilor. Înfundarea orificiilor de comandă ale elementelor de reglare furnizează semnale de comandă false care pot provoca accidente grave.

- Pătrunderea aerului în lichidul de lucru generează oscilaţii care limitează sever performanţele dinamice ale transmisiilor hidraulice.

- Întreţinerea, depanarea şi repararea transmisiilor hidraulice necesită personal de calificare specifică, superioară celei corespunzătoare altor tipuri de transmisii.

- Complexitatea metodelor de analiză şi sinteză a transmisiilor hidraulice nu permite elaborarea unei metodologii de proiectare accesibilă fără o pregătire superioară.

- Principalul dezavantaj al transmisiilor pneumatice este randamentul foarte scăzut. - Nivelul redus al presiunii de lucru limitează forţele, momentele şi puterile transmise. - Compresibilitatea gazelor nu permite reglarea precisă, cu mijloace simple, a parametrilor funcţionali

ai transmisiilor pneumatice, îndeosebi în cazul sarcinilor variabile. - Aerul nu poate fi complet purificat, contaminanţii provocând uzura şi coroziunea continuă a

elementelor transmisiilor pneumatice. - Apa, prezentă totdeauna în aer, pune în mare pericol funcţionarea sistemelor pneumatice prin

îngheţare. Transmisiile pneumatice le concurează pe cele electrice la puteri mici, îndeosebi în cazurile când

sunt necesare deplasări liniare realizabile simplu cu ajutorul cilindrilor pneumatici. Alegerea tipului optim de transmisie, pentru condiţii concrete date, reprezintă, în principiu, o

problemă de natură tehnico-economică, a cărei soluţionare corectă necesită cunoaşterea detaliată a caracteristicilor tuturor soluţiilor posibile.

4. Elemente de acţionare cu simplă şi dublă acţiune

Într-o instalaţie acţionată pneumatic, elementele de execuţie ale respectivei instalaţii sunt motoarele pneumatice. Acestea transformă energia pneumatică în energie mecanică ce servește la antrenarea mecanismelor instalaţiei.

Alimentarea elementelor de execuţie pneumatice se face cu energie de la regulatoarele pneumatice (0.2 ÷ 1 bar), sau electronice, prin intermediul convertorului electro-pneumatic.

Utilizarea motoarelor de execuţie pneumatice prezintă următoarele avantaje: - fluidul folosit (aerul) nu prezintă pericol de incendiu; - după utilizare, aerul este evacuat în atmosferă, nefiind necesare conducte de întoarcere ca la cele

hidraulice; - pierderile de aer în anumite limite, datorate neetanşietăţii, nu produc deranjamente; - sunt simple, robuste, sigure în funcţionare şi necesită cheltuieli de întreţinere reduse.

Dezavantajele acestor motoare sunt următoarele:

32

- viteza de răspuns este mică (în medie 1/3 – 1/4 din viteza de răspuns a motoarelor hidraulice); - precizia motoarelor pneumatice este redusă. Utilizarea servomotoarelor pneumatice este indicată în următoarele cazuri:

- necesitatea unui sistem de acţionare cu greutate redusă; - temperatura mediului ambiant este ridicată şi cu variaţii mari; - mediul ambiant este exploziv; - nu se cere precizie mare; - nu se cer viteze de lucru mari.

Motoarele pneumatice pot fi: rotative și liniare (cu piston sau cu membrană). Motoarele liniare (cilindrii) au aplicaţii foarte largi si se construiesc într-o gamă tipo-dimensională extrem de diversificată.

După tipul constructiv, se poate face o clasificare generală a cilindrilor: - cilindri cu simplă acţiune (simplu efect):

- cu revenire cu arc; - cu revenire sub acţiunea unei forţe rezistente.

- cilindri cu dublă acţiune (dublu efect): - cu tijă unilaterală; - cu tijă bilaterală.

- cilindri în tandem: - cu amplificare de forţă; - având cursa în două trepte.

Fig. 4.1. Cilindru cu simplă acţiune

− cilindri cu simplă acţiune (figura 4.1) sau cilindrii cu simplu efect se utilizează acolo unde doar pe

cursa de avans (sau cea de retragere) este necesară dezvoltarea forţei motoare: dispozitive de prindere și fixare, împingerea pieselor, opritoare, ștanţe, etc. Astfel, doar o cameră a cilindrului este alimentată cu aer comprimat, revenirea în poziţia iniţială realizându -se sub acţiunea resortul ui. Forţa teoretică de avans (neglijând frecările interne) este dată de presiunea ce acţionează pe suprafaţa pistonului din care se substrage forţa de reacţiune a arcului. Forţa arcului este calibrată de aşa natură încât aduce înapoi pistonul fără sarcină până la poziţia sa iniţială. Se utilizează de regulă pentru curse de pana la 100 mm.

- cilindri cu dublă acţiune (figura 4.2) sau cilindrii cu dublu efect sunt utilizaţi cu precădere acolo unde ambele curse trebuie să dezvolte forţă motoare. Din punct de vedere constructiv prezintă două orificii pentru aer comprimat, prevăzute în capacele cilindrului. Pentru deplasarea pistonului într-un sens (extindere) se conectează racordul A la presiune iar racordul B la atmosferă. Pentru a efectua cursa de retragere se inversează modul de conectare al racordurilor.

33

Fig. 4.2. Cilindru cu dublă acţiune

- cilindri cu dublă acţiune și frânare la capăt de cursă (figura 4.3). Frânarea ansamblului mobil la capăt de cursă este necesară pentru a evita socurile ce pot avaria cilindrii sau mecanismele puse în miscare de acestia. Se poate observa că pentru ambele curse, de avans si de revenire, este prevăzut un circuit suplimentar de evacuare a camerei pasive printr-o secţiune droselizată.

Fig. 4.3. Cilindru cu dublă acţiune şi frânare la capăt de cursă

Pentru cursa de avans, de exemplu, în momentul în care mansonul ajunge în dreptul etansării,

evacuarea camerei din dreapta nu se mai poate face prin spaţiul dintre tija si capac. Aerul este obligat să curgă prin orificiul a cărui secţiune este reglată de drosel. Această secţiune fiind mult micsorată, debitul de aer evacuat este mai mic.

Rezultatul este apariţia unei contrapresiuni în zona capătului de cursă ce se opune deplasării pistonului spre dreapta, deci îl frânează. În funcţie de reglajul efectuat asupra droselului se obţine un efect de frânare mai redus sau mai puternic. Reglând în mod diferit cele două drosele, se obţin efecte de frânare diferite pe capetele de cursă.

- cilindri în tandem (figura 4.4), reprezintă un ansamblu (tandem) compus din doi cilindri dublă acţiune într-o singură unitate cu scopul amplificării forţei exercitate de cilindru (până la dublu). Acest cilindru este folosit acolo unde este nevoie de putere mărită şi gabarit diametral relative redus impus de condiţiile de instalare.

34

Fig. 4.4. Cilindru dublu

Fig. 4.5. Cilindru oscilant cu tijă-cremalieră

-motoare liniar oscilant cu tijă-cremalieră (figura 4.5) se utilizează atunci când sunt necesare momente de torsiune mari și unghiuri de rotaţie fixe. Mișcarea de rotaţie se obţine la axul de ieșire datorită angrenării dintre cremalieră ce unește cele două pistoane și pinionul montat pe ax. Rotirea în sens orar a axului se realizează prin alimentarea cu aer comprimat a racordului A și ventilarea racordului B. Frânarea la capăt de cursă este similară cu soluţia tehnică întâlnită la cilindri, folosind un traseu ocolitor droselizat. Patina are rolul de a ghida cremaliera și a asigura angrenarea cu pinionul.

5. Elemente de comandă şi distribuţie hidraulice şi pneumatice comandate electric şi mecanic

Sistemele de actionare hidraulică sau pneumatică necesită dispozitive de reglare a debitului şi control a direcţiei curgerii fluidului de la pompă sau compresor la diferitele dispozitive de execuţie.

Deşi există diferenţe semnificative de ordin practic între dispozitivele pneumatice şi cele hidraulice (în principal datorate unor diferenţe de presiuni de funcţionare şi tipuri de etanşări necesare pentru gaz sau lichid), principiile de funcţionare sunt foarte similare.

Distribuitoarele sunt elemente hidraulice sau pneumatice ce pot îndeplini următoarele funcţii: a) realizează diferite conexiuni hidraulice între racorduri (funcţia de distribuţie); b) reglează debitul pe circuitele realizate între racorduri (funcţia de reglare).

Elementele care îndeplinesc numai prima funcţie se numesc "distribuitoare direcţionale" şi trebuie să introducă pierderi de presiune minime între racorduri pentru a nu afecta randamentul transmisiilor din care fac parte.

Elementele care realizează şi funcţia de reglare se numesc "distribuitoare de reglare", iar din punctul de vedere al teoriei sistemelor sunt amplificatoare mecanohidraulice (raportul dintre puterea hidraulică comandată şi puterea mecanică necesară pentru comandă este mult mai mare ca unitatea).

Distribuitoarele direcţionale pot asigura, în funcţie de soluţia constructivă adoptată, pornirea, oprirea, alegerea căii de curgere, diviziunea şi reuniunea fluxului de lichid. Ele pot fi construite după principiul supapei sau al sertăraşului.

Distribuitoarele de tip supapă pot fi cu bile, cu scaune conice sau supape propriu-zise. Distribuitoarele cu sertăraşe pot avea sertăraşe plane, rotitoare sau de tip piston (plunjere). Distribuitoarele cu sertăraşe de tip piston au cea mai mare răspândire, cu ele putând fi comandate debite şi presiuni mari dar cu gabarit redus.

Cel mai simplu distribuitor are două racorduri şi două poziţii, fiind de fapt un drosel întrebuinţat pentru întreruperea circuitelor hidraulice sau ca element de reglare a debitului.

Distribuitoarele cu trei căi sunt utilizate pentru comanda motoarelor hidraulice unidirecţionale cu simplu efect, a căror revenire se face gravitaţional sau sub acţiunea unei forţe elastice. De asemenea, ele pot comanda motoare hidraulice liniare cu dublu efect diferenţiale, ale căror pistoane au arii utile inegale.

O simbolizare foarte concisă a unui distribuitor presupune indicarea cel puţin a numărului de căi, a numărului de poziţii, a racordurilor şi a modului de comandă. Prima cifră din notare arată numărul de căi,

35

iar a doua numărul de poziţii pe care poate comuta distribuitorul; cele două indicaţii sunt despărţite printr-o bară înclinată.

Pentru a putea interpreta notarea racordurilor este necesar să fie cunoscută semnificaţia notaţiilor. Există două tipuri de notare: numerică şi literală. În practică poate fi întâlnită una din cele două tipuri sau chiar amândouă, combinate.

În tabelul de mai jos este dată corespondenţa şi semnificaţia notării racordurilor:

Tabelul 5.1 Funcţia racordului Notaţie

literală Notaţie

numerică Orificiu de conectare la sursa de

presiune P 1

Orificiu de conectare la consumatori

A, B, C 2, 4, 6

Orificiu de drenaj sau ventilare R, S, T 3, 5, 7 Orificiu de comandă (pilotare) x,z,y 12, 14 Orificiu de comandă la resetare L(*) 10 Orificii de commandă auxiliare - 81, 91 Orificiu de ventilare a piloţilor - 82, 84

Comanda unui distribuitor poate fi: manuală, mecanică, hidraulică, pneumatică, electromecanică,

electrohidraulică, electropneumatică sau combinată. Simbolul comenzii se ataşează lateral simbolului distribuitorului; în general există o corespondenţă între simbolul comenzii şi conexiunile realizate de căsuţa alăturată acesteia.

Comenzile pot fi "reţinute" sau "nereţinute"; dacă legăturile generate de o comandă se menţin şi după dispariţia acesteia, comanda se numeşte "reţinută". O comandă "nereţinută" are efect numai cât timp este aplicată. Revenirea obturatorului în poziţia neutră se face sub acţiunea unui resort montat într-o casetă sau cu ajutorul a două resoarte simetrice.

La debite mici este posibilă comanda directă (manuală, mecanică, electromagnetică etc.). La debite mari se utilizează comanda indirectă, distribuitoarele având două sau trei etaje.

Exemplu: distribuitor 3/2 (figura 5.1): distribuitor cu 3 căi şi 2 poziţii, normal închis, comandat pneumatic indirect (cu pilot), iar revenirea pe poziţie (resetarea) se face pneumatic, direct (fără pilot).

Fig. 5.1. Reprezentarea schematizată a unui distribuitor 3/2

- Distribuitoare cu supape. Sunt acele distribuitoare la care conexiunile interne se realizează cu

ajutorul unor elemente de etanșare de tip supapă. Comanda este de obicei mecanică, cu ajutorul unui plunjer.

36

Fig. 5.2. Distribuitor 3/2 cu supapă sferică a) în poziţie neacţionat; b) în poziţia acţionat.

În figura 5.2.a. este prezentat un distribuitor cu 3 căi și 2 poziţii (3/2) cu supapă sferică. Dacă plunjerul

este neapăsat (fig. 5.2.b) atunci racordul 2 se ventilează în atmosferă prin orificiul 3 din plunjer. Legătura între racordurile 1 și 2 este blocată de supapa închisă. La apăsarea plunjerului orificiul 3 este izolat, supapa este apasată și se deschide legătura 1-2.

Fig. 5.3. Distribuitor 3/2 normal închis cu supapă disc. a) în poziţie neacţionat; b) în poziţia acţionat.

Dacă în poziţia neacţionat distribuitorul are legătura dintre intrare şi ieşire întreruptă, se numeşte că

este de tipul normal închis. În caz contrar (dacă în poziţia neacţionat distribuitorul permite trecerea fluidului de la portul de intrare la cel de ieşire), distribuitorul este de tipul normal deschis.

În figurile 5.3 şi 5.4 se prezintă un distribuitor 3/2 normal închis respectiv normal deschis cu supapă disc. Funcţionarea acestora este asemănătoare cu cea a distribuitorului anterior.

Fig. 5.4. Distribuitor 3/2 normal deschis cu supapă disc. a) în poziţie neacţionat; b) în poziţia acţionat.

) )

) )

) )

37

Fig. 5.5. Distribuitor 3/2 normal închis cu supapă disc, comandat pneumatic. a) în poziţie neacţionat; b) în poziţia acţionat.

Fig. 5.6. Distribuitor pilot pentru comanda unui distribuitor principal (prezentat în poziţia acţionat).

Un tip de distribuitor des întâlnit este cel din figura 5.7. Este tot de tipul 3/2 normal închis și se folosește ca senzor de capăt de cursă. Datorită faptului că forţa de apăsare pe rolă trebuie să fie cât mai mică, acest distribuitor este unul pilotat. Rola apasă plunjerul supapei de comandă (care necesită forţă mică) pemiţând accesul aerului comprimat în spatele pistonului de pilotare care are suprafaţa mai mare pentru a putea dezvolta forţa necesară apăsării supapei principale a distribuitorului. Supapa de comandă și pistonul de pilotare realizează astfel un etaj de amplificare pneumatic.

Fig. 5.7. Distribuitor 3/2 pilotat (cu comandă mecanică prin rolă)

) )

) )

38

a) în poziţie neacţionat; b) în poziţia acţionat.

Fig. 5.8. Distribuitor 4/2 cu comandă mecanică a) în poziţie neacţionat; b) în poziţia acţionat.

În figura 5.9 se prezintă un distribuitor 4/3 cu sertar rotativ, acţionat manual cu manetă. În corpul sertarului sunt practicate două canale de forma unor arce de cerc care au rolul de a realiza legăturile între orificii.

Fig. 5.9. Distribuitor 4/3 cu sertar rotativ (comandă manuală)

În figura 5.10 este prezentat un distribuitor cu sertar cilindric, pilotat. La aceste distribuitoare comutarea funcţiilor se realizează datorită secţiunilor diferite ale sertarului care (prin deplasare) astupă sau deschide legăturile dintre cavităţile practicate în corpul distribuitorului, corespunzătoare orificiilor de racordare. Comanda acestui distribuitor este realizată de către piloţii (elementele de tip piston) montate la capetele sertarului. La alimentarea racordului de pilotare 12 sertarul este deplasat spre stânga realizându-se legătura între racordurile 1 și 2 respectiv 4 și 5. Pentru comutarea poziţiei distribuitorului este necesară ventilarea racordului 12 și alimentarea racordului 14. Datorită faptului că distribuitorul nu revine în poziţia iniţială după dispariţia comenzii, spunem că este cu reţinere sau bistabil.

Fig. 5.10. Distribuitor 5/2 cu sertar cilindric comandat pneumatic

) )

)

) ) )

)

39

Fig. 5.11. Distribuitoare 5/3 cu sertar cilindric (comandă pneumatică şi revenire cu arc)

Fig. 5.12. Distribuitor 5/2 cu sertar cilindric comandat pneumatic şi mechanic

Drosele sunt elemente ce permit reglarea vitezei motoarelor rotative sau a cilindrilor prin reglarea

debitului de alimentare. Funcţionarea droselelor se bazează pe variaţia secţiunii de curgere a fluidului, ceea ce duce

la modificarea debitului vehiculat prin drosel.

Fig. 5.13. Drosel reglabil

Fig. 5.14. Drosel reglabil cu supapă de ocolire (drosel de cale)

)

)

40

Variaţia căderii de presiune determină variaţia debitului ce traversează droselul, deci variaţia vitezei de mişcare a elementului de execuţie alimentat. Droselele sunt de obicei reglabile şi se întâlnesc în două variante:

- drosele simple (fig. 5.13) reglează debitul de fluid indiferent de sensul de curgere al acestuia; - drosele de cale (fig.5.14) permit variaţia debitului pentru un singur sens de curgere.

Droselul de cale are următorul principiu de funcţionare: când curgerea are loc de la stânga la dreapta, aerul este obligat să treacă prin secţiunea reglată de obturatorul droselului (supapa de sens este blocată). La curgere inversă elementul elastic de etanşare se deformează opunând o rezistenţă minimă. Ca urmare, debitul de aer ocoleşte secţiunea îngustată şi traversează secţiunea creată prin deformarea elementului elastic (supapa de sens este deblocată).

Supapele sunt elemente pneumatice care pot avea funcţii de reglare şi control a parametrilor agentului de lucru din circuit .

După funcţiile pe care le au, supapele se clasifică: supape de selectare și supape de sens. Supape de selectare sunt cele care selectează fie căile de transmitere a agentului de lucru, fie agentul

de lucru caracterizat de anumiţi parametri. Supapa de selectare cu două presiuni sau element logic ŞI

Se poate vedea o secţiune din supapa cu element logic ŞI în figura 5.15.a. Dacă racordul 1 sau 3 este alimentat, sub efectul forţei de presiune supapa blochează accesul din racordul respectiv la racordul 2. Dacă ambele orificii sunt alimentate la aceeaşi presiune, orificiul 2 va fi alimentat, de la orificiul 1 sau 3 sau şi 1 şi 3 (poziţia elementului mobil este indiferentă). Dacă ambele racorduri de comandă vor fi alimentate, dar la presiuni diferite, racordul 2 va fi alimentat la presiunea cea mai mică.

Fig. 5.15. Supape cu funcţii logice a) supapa ŞI; b) supapa SAU

Tabelul de adevăr al acestei supape arată astfel:

Supapa de selectare sau element logic SAU Dacă orificiile 1 şi 3 sunt alimentate la aceeaşi presiune, prin orificiul 2 va curge fluid având presiunea

respectivă, orificiile de alimentare putând fi 1 sau 3 sau 1 şi 3 (fig.5.15.b). Dacă este alimentat numai orificiul 1 sau numai orificiul 3, orificiul nealimentat este obturat, iar orificiul alimentat este conectat la orificiul 2. Dacă sunt alimentate ambele orificii de comandă 1 şi 3, dar la presiuni diferite, conectorul 2 va fi la presiunea cea mai mare dintre acestea (funcţia de selectare). Funcţionarea acestei supape este descrisă în tabelul de adevăr de mai jos:

) )

41

Supapa de sens. Conform figurii 5.16 dacă apare o curgere de fluid de la stânga la dreapta, forţa de presiune împinge elementul mobil (talerul), arcul se comprimă, iar agentul de lucru trece prin spaţiul dintre elementul mobil, arc şi corpul supapei. La o curgere inversă, forţa de presiune, se însumează cu forţa din arc şi se opun deschiderii supapei, deci agentul de lucru nu poate traversa supapa.

Fig. 5.16. Supapă de sens unic cu arc

Supapa cu descărcare rapidă se utilizează pentru golirea rapidă a camerelor cilindrului,

permiţând reducerea considerabilă a timpilor de răspuns ai cilindrilor. Funcţionarea supapei: în figura 5.17 presiunea aerului pătrunde prin orificiul 1 blocând

orificiul 3 și este evacuat prin orificiul 2. Dacă aerul intră prin orificiul 2, orificiul 1 este blocat și este evacuate prin orificiul 3

Fig. 5.17. Supapă de evacuare rapidă cu amortizor

Fig. 5.18. Supapă secvenţială reglabilă

Supapa de succesiune (secvenţială), prezentată în figura 5.18 are rolul de a conecta (deconecta) două circuite pneumatice atunci când în unul din ele sau într-un alt circuit presiunea atinge o anumită valoare, prestabilită. Supapa de succesiune este echivalentul presostatului din circuitele electro-pneumatice şi poate fi întâlnită atât în etajele de comandă cât şi în cele de forţă. Când presiunea pe racordul 12 depăşeşte valoarea prestabilită, supapa reglabilă se deschide şi permite alimentarea pilotului distribuitorului, respectiv comutarea distribuitorului în cealaltă poziţie funcţională.

Supape regulatoare de presiune. Supapele regulatoare de presiune (fig. 5.19), permit reglarea presiunii într-un circuit pneumatic în aval la valoarea dorită (în domeniul de lucru al aparatului) şi menţin constantă această valoare. La creşterea presiunii în aval (portul 2) ca urmare a scăderii consumului,

42

membrana elastică se deformează deplasându-se în sus împreună cu plunjerul, reducând astfel secţiunea de intrare a aerului, respectiv debitul de aer prin supapă şi implicit se reduce presiunea în aval.

Fig. 5.19. Regulator de presiune Dacă presiunea din aval scade, membrana elastică se deformează în jos sub efectul forţei din arc,

plunjerul coboară iar secţiunea de intrare a aerului în amonte creşte, crescând debitul de aer prin regulator, ceea ce conduce la creşterea presiunii în aval.

Temporizatoarele sunt aparate a căror funcţie este realizarea unei temporizări în cadrul ciclului de funcţionare al unei instalaţii.

Temporizarea se poate face în mai multe moduri: - Temporizare între momentul t0 al iniţierii comenzii până în momentul t1 al execuţiei acestei comenzi. - Temporizare între momentul t1 când comanda a fost anulată şi momentul t2 când temporizatorul

generează în sistem semnalul de anulare a comenzii, deci de încetare a execuţiei acestei comenzi. În figura 5.20 este prezentat schematic un temporizator din primul tip, compus din următoarele

elemente: distribuitorul 3/2 monostabil (normal închis sau normal deschis), droselul de cale şi rezervorul pneumatic.

Modul de funcţionare: Racordul 1 este alimentat cu aer comprimat. În momentul t0 când racordul 12 este alimentat, prin droselul de cale începe umplerea lentă a rezervorului. Când în rezervor este atinsă presiunea minimă necesară comutării distribuitorului, la momentul t1, acesta comută şi conectează orificiu 1 la 2, după ce orificiul 2 a fost izolat faţă de 3, generând o comandă în instalaţie. În momentul în care dispare semnalul de comandă, la t2, din racordul 12, rezervorul se goleşte rapid prin supapa de sens şi distribuitorul comută rapid în poziţia iniţială.

43

fig. 5.20. Temporizator

Diferenţa dintre cele două temporizatoare de mai sus constă în modul de conectare a droselului de cale (respectiv poziţionarea supapei acestuia).

Amortizorul de zgomot se motează direct pe orificiile de refulare ale distribuitoarelor sau la capatul unei canalizări care colectează toate refulările. El determină o scadere importantă a nivelului de zgomot la refularea aerului în atmosferă. Rezultatul este obținut prin difuzia aerului la traversarea materialului poros, (bronz) de granualație apropiată. Amortizorul de zgomot se comportă ca un regulator de debit permițând astfel cotrolarea descărcării.

6. Scheme de acţionare pneumatică

Cea mai simplă schemă de acţionare pneumatică a unui cilindru liniar este cea indicată în figura 6.1.a, compusă doar din sursa de presiune, distribuitorul 1S1 cu 3 căi şi două poziţii şi cilindrul pneumatic 1A1. În stare de repaus, cilindrul nu este presurizat şi se află în poziţia retras. Prin acţionarea manuală de la butonul de apăsare a distribuitorului, acesta comută în cealaltă poziţie, cilindrul este presurizat şi are loc cursa activă a pistonului (deplasarea spre dreapta). Deplasarea pistonului în cursa de lucru are loc cât timp butonul distribuitorului este menţinut apăsat (comandă nereţinută) şi numai până la limita cursei maxime admise a cilindrului. Imediat ce încetează apăsarea asupra butonului distribuitoruluitorului, distribuitorul comută pe poziţia iniţială sub efectul resortului elastic şi cilindrul este scos de sub presiune şi pus în legătură cu atmosfera. Sub efectul arcului cilindrului pneumatic are loc retragerea pistonului până la poziţia iniţială de start. Această schemă de acţionare nu permite reglarea vitezei de deplasare a cilindrului şi nici a cursei acestuia. La capetele cursei oprirea se face cu şoc, motiv pentru care este recomandată pentru viteze mici de deplasare şi pentru mase inerţiale mici.

2

1 3

1A1

1S1

2

1 3

12

2

1 3

1A1

1V1

1S1

Fig. 6.1. Scheme de acţionare a unui cilindru cu simplu efect Schema prezentată în figura 6.1.b se deosebeşte de precedenta prin utilizarea unui

distribuitor pilot 1S1 pentru comanda distribuitorului principal 1V1. Prin aceasta schema din figura 6.1.b permite trecerea unor debite de fluid mai mari prin distribuitorul principal şi implicit sarcini de lucru mai mari la cilindrul pneumatic.

) )

44

12

31

2

34 2

51

3

2

1 3

1A1 2A1

1V1 2V1

1S1 2S1

Fig. 6.2. Scheme de acţionare cu supapă de evacuare rapidă cu amortizor

Schemele de acţionare din figura 6.2 utilizează supape de evacuare rapidă a aerului cu amortizor pentru cursa de revenire a cilindrului cu simplă acţiune (fig. 6.2.a), respectiv pentru cursa directă a unui cilindru cu dublă acţiune şi frânare la capete de cursă (fig. 6.2.b).

1 12

2

1 3

2

1 3

1S2

4 2

51

3

141V1

1A1

1V2

1S1

1Z1

Fig. 6.3. Acţionarea a unui cilindru cu dublu efect utilizând supapă ŞI

50%

50%

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1V1

1A1

1V2

1V3

1S1 1S2

1Z1

) )

)

45

50%

50%

v=0

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1V1

1A1

1V2

1V3

1S1 1S2

1Z1

50%

50%

v=0

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1V1

1A1

1V2

1V3

1S1 1S2

1Z1

Fig. 6.4. Schemă de acţionare cu reglarea vitezelor

Schema din figura 6.3 utilizează un cilindru cu dublu efect şi cu frânare la capetele cursei pentru realizarea unor opriri line la capetele curselor iar pilotarea distribuitorului principal 1V1 este realizată prin supapa 1V1 (element logic ŞI) de distribuitoarele 1S1, 1S2 comandate manual, respective mecanic. Prepararea aerului este realizată de grupul de preparare 1Z1. Pentru a putea funcţiona, la ambele capete ale cursei cilindrului trebuie să fie montate nişte came (limitatori) care să apese pârghia cu rolă a distribuitorului 1S2 astfel încât acest distribuitor să fie pe poziţia trece.

) )

46

2

12 1

3

50%

4 2

51

3

14 12

2

1 3

1A1

1Z1

1V1

1V2

1S1

1Z2

1V3

1S2

2

12 1

3

2

1 3

2

1 3

1S2

4 2

51

3

14 12

1A1

1V1

1V2

1S1

1Z1

Fig. 6.5. Scheme de acţionare cu supapă de succesiune În stare de repaus, cilindrul se află în poziţia retras. La o simplă apăsare a butonului distribuitorului

1S1 prin supapa 1V1 este comandată schimbarea poziţiei distribuitorului principal 1V1 şi prin aceasta presurizarea camerei din stânga a cilindrului care începe cursa directă. La capătul cursei directe un limitator atinge rola distribuitorului 1S2, acesta comută iar pe poziţia trece şi permite reluarea cursei în sens invers la o nouă apăsare pe butonul distribuitorului 1S1.

În figura 6.4.a este prezentată schema de acţionare a unui cilindru cu dublă acţiune cu posibilitatea reglării independente a vitezelor de deplasare a cilindrului pneumatic pe cursa directă şi respective pe cursa de revenire. Astfel prin droselul de cale 1V2 se reglează viteza de deplasare a cilindrului

)

)

47

pe cursa de destindere iar prin droselul de cale 1V1 pe cursa de retragere. Pentru comanda cilindrului 1A1 se utilizează distribuitorul principal 1V3 comandat pneumatic prin distribuitoarele pilot 1S1 şi 1S2. După cum se poate observa, îşi conservă poziţia comandată de unul ditre piloţi chiar dacă acţiunea acestuia încetează, până când primeşte o nouă comandă de la celălalt distribuitor pilot. Poziţia distribuitorului 1V3 se schimbă în urma unor impulsuri de scurtă durată aplicate succesiv şi alternant de distribuitoarele pilot.

Presurizarea elementelor de legătură ale sistemului (conductele) pentru cursa directă, respectiv pentru cursa de retragere este prezentată în figurile 6.4.b, respectiv 6.4.c (conductele presurizate sunt prezentate mai intens colorate decât cele nepresurizate).

Schemele de acţionare din figura 6.5 permit schimbarea sensului de deplasare a cilindrului la capătul cursei directe utilizând supape de succesiune.

Pentru schema din figura 6.5.a, la apăsarea butonului distribuitorului pilot 1S1, distribuitorul principal 1V2 trece pe poziţia ce permite alimentarea cilindrului prin camera din stânga şi deplasarea tijei acestuia către dreapta (destindere). Supapa de ocolire a droselului de cale 1V1 permite trecerea aerului cu minimă rezistenţă către cilindru, respective permite viteza maximă pe cursa directă. La capătul cursei directe, tija se opreşte şi are loc creşterea presiunii în camera din stânga a cilindrului până la valoarea presiunii de alimentare prin grupul de preparare a aerului. Atunci când presiunea în aval de droselul de cale atinge valoarea prestabilită de comandă a supapei de succesiune (portul 12), aceasta comută şi permite conectarea porturilor 1 şi 2 aplicând astfel un impuls de comandă distribuitorului principal care comută permiţând alimentarea cilindrului prin camera din stânga, respectiv începe cursa de retragere a acestuia. Un neajuns a acestei scheme constă în faptul că nu permite reglarea cursei cilindrului.

Schema de acţionare din figura 6.5.b elimină acest neajuns prin introducerea în circuitul de comandă al supapei de succesiune distribuitorul 1S2 comandat mecanic printr-o camă limitatoare de cursă montată solidar cu tija cilindrului.

1 12

13%

2

1

12

3

50%

50%

1S2 1S3

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1S2

2

1 3

1S3

1A1

1V1 1V2

1V3

1V5

1V4

1S1

1Z1

Fig. 6.6. Schemă de acţionare cu temporizare la cursa de retragere

În figura 6.6 este prezentată schema de acţionare cu temporizare la cursa de retragere a cilindrului pneumatic 1A1. Pentru comanda în cursa directă a cilindrului, distribuitorul principal 1V3 este pilotat prin intermediul supapei 1V4 după logica şi de distribuitoarele pilot 1S1 şi 1S2 cu comandă manuală, respectiv mecanică. Pentru comanda temporizată pe cursa de retragere distribuitorul principal este pilotat prin supapa temporizatoare 1V5 de distribuitorul pilot 1S3 cu comandă mecanică. Pentru comanda mecanică distribuitoarelor pilot 1S2 şi 1S3, solidar cu tija cilindrului se montează came limitatoare de cursă.

48

50%

2S2 2S1

50%

1S3 1S2

4 2

51

3

14 12

2

1 3

1S2

2

1 3

2S1

2

1 3

2S2

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1S3

1A1 2A1

1V1 2V1

1V2 2V2

1S1

0Z1

1S3 2S1 1S2 2S2

4 2

51

3

14 124 2

51

3

14 12

2

1 3

1S2

2

1 3

2S1

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1S3

2

1 3

2S2

1A1 2A1

1V1 2V1

1S1

1V2

Fig. 6.7. Scheme pentru acţionarea secvenţială a doi cilindri pneumatici Acţionarea succesivă a doi cilindri cu dublă acţiune se poate realiza cu schemele prezentate în

figura 6.7. În figura 6.7.a, cei doi cilindri au circuite distincte de comandă compuse din distribuitorul principal 1V2 şi piloţii acestuia 1S2, 1S3 pentru cilindrul 1A1, respectiv distribuitorul principal 2V2 şi piloţii acestuia 2S1, 2S2 pentru cilindrul 2A1. Comanda de start se dă prin butonul distribuitorului 1S1 inclus în circuitul de comandă al cilindrului 1A1. Camele limitator de cursă sunt solidare cu tijele cilindrilor şi comandă distribuitoarele pilot după cum urmează: distribuitoarele 2S2 şi 2S1 din circuitul cilindrului 2A1 sunt comandate în poziţiile retrasă respectiv destinsă ale cilindrului 1A1; distribuitoarele 1S3 şi 1S2 din circuitul cilindrului 1A1 sunt comandate în poziţiile retrasă respectiv destinsă ale cilindrului 2A1. În stare de repaus ambii cilindrii se află în poziţia retras. Distribuitorul de start 1S1 este cu comandă manuală prin buton de apăsare şi permite conectarea la sursa de presiune a pilotului 1S3.

)

)

49

La apăsarea butonului distribuitorului 1S1 începe cursa directă a cilindrului 1A1. La capătul cursei cilindrului 1A1 este comandat distribuitorul pilot 2S1 care dă startul cursei directe pentru cilindrul 2A1. La capătul cursei cilindrului 2A1 este comandat distribuitorul pilot 2S2 care dă startul cursei de retragere pentru cilindrul 1A1. La finalul cursei de retragere a cilindrului 1A1, distribuitorul pilot 2S2 dă startul cursei de retragere pentru cilindrul 2.

Faţă de schema precedentă, în figura 6.7.b apare în plus un distribuitor 5/2 cu comandă pneumatică ce alimentează succesiv sub presiune cele două conducte ale unei magistrale la care sunt conectaţi prin distribuitorii principali cei doi cilindri. Conform acestei scheme, ordinea de acţionare a cilindrilor este următoarea: start prin distribuitorul 1S1; alimentarea camerei din stânga a cilindrului 1A1 prin distribuitorul principal 1V1, comandat de distribuitorul pilotat 1V2 prin pilotul acestuia 1S3. La capătul cursei directe a tijei cilindrului 1A1 este acţionat distribuitorul pilot 2S1 din circuitul de comanda a distribuitorului principal 2V1 şi este alimentată camera din stânga a cilindrului 2A1 pentru iniţierea cursei directe a pistonului acestuia. La finalul cursei directe a pistonului cilindrului 2A1 este comandat distribuitorul principal 1V2 prin distribuitorul pilot 2S2 şi inversate presiunile pe magistrală (conducta aflată iniţial sub presiune înaltă este adusă la presiunea atmosferică iar cea aflată iniţial la presiunea atmosferică este conectată la sursa de presiune înaltă). Astfel, distribuitorul principal 2V1 comută şi începe cursa de retragere a pistonului cilindrului 2A1. La capătul cursei de retragere a pistonului cilindrului 2A1 este comandat distribuitorul rincipal 1V1 prin pilotul 1S2 şi începe practic cursa de retragere a pistonului cilindrului 1A1.

1S2 1S3 1S4

1 12

2

12 1

3

4 2

51

3

14 124 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1S3

2

1 3

1S4

2

1 3

1S2

Fig. 6.8. Acţionare cu supapă de succesiune pentru doi cilindri pneumatici

Pentru acţionarea a doi cilindri printr-o schemă cu supapă de succesiune (figura 6.8) succesiunea fazelor este următoarea: la acţionarea manuală a distribuitorului de start, este comandat distribuitorul principal al cilindrului din stânga prin intermediul distribuitorului pilot 1S2 şi începe cursa directă a pistonului acestui cilindru. La capătul cursei directe a cilindrului din stânga este comandat mecanic distribuitorul pilot 1S3 care comută starea distribuitorului principal al cilindrului din dreapta şi începe cursa directă a acestuia. La capătul cursei directe este acţionat distribuitorul 1S4 şi concomitant are loc creşterea presiunii la portul 12 al supapei de succesiune peste valoarea prestabilită, producând conectarea prin supapă a porturilor 1 cu 2. Supapa SAU este conectată la presiune pe ambele porturi de intrare şi transmite prin portul 2 către distribuitoarele principale ale cilindrilor comanda de comutare pe poziţia de retragere simultană a pistoanelor acestora.

50

1S1 1S2

50%

2S1 2S2

50%

2

1 3

1 12

1 12

44%

2

1

12

3

4 2

51

3

14 12

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1S1

2

1 3

2

1 3

2S1

2

1 3

1S2

2

1 3

2S2

4 2

51

3

14 12

1 A 2 A

1 Z 2 Z

1V2 2V2

1V1 2V1

0V3

0V1

0Z4

0V2

0S1 0S2

0Z3

. Fig. 6.9. Acţionare simultană cu elemente logice şi temporizator a doi cilindri pneumatici

Schema de acţionare simultană a doi cilindri pneumatici din figura 6.9 este întrucâtva

asemănătoare cu cea prezentată în figura 6.6. Distribuitoarele principale 1V1 şi 2V1 ale celor doi cilindri sunt conectate în parallel la aceeaşi sursă de presiune prin regulatorul de presiune 0Z4 şi comandate simultan prin acelaşi distribuitor pilot 0V3. Pentru cursa directă a cilindrilor, distribuitorul pilot este comandat prin supapa 0V1 (supapă ŞI) de către distribuitorul de start cu comandă manuală 0S1 şi distribuitoarele cu comandă mecanică 1S1 şi 2S1. La capetele curselor directe sunt comandate distribuitoarele 1S2 şi 2S2 montate în serie pe circuitul de comandă al temporiratorului (conectorul 12). Comanda pentru cursa de retragere simultană a cilindrilor este aplicată distribuitorului pilot 0V3 prin supapa 0V2 (supapă SAU) conectată la distribuitorul cu comandă manuală 0S2 şi temporizator.

Temă: Să se explice funcţionarea schemelor de acţionare prezentate în figurile de mai jos.

51

1 12

1S3 1S4

37%

2

1

12

346

%

2

1 3

2

12 1

3

1 12

2

1 3

2

1 3

1S3

2

1 3

1S4

4 2

51

3

14 12

2

1 3

1 A

1 Z

1V2

1V1

0Z4

0V2

0Z5

0Z3

1S1 1S2

0V1

Fig. 6.10

54%

2

1

12

3

1 12

1S1 1S2

37%

2

1

12

3

1 12

2

1 3

2

1 3

2

1 3

12

2

1 3

1S2

2

1 3

1S1

4 2

51

3

14 12

1A1 1A2

1 V

0V3

0Z3 0Z4

0V2

0V1

0S1 0S2

Fig. 6.11.

52

1S2 1S1 2S

57% 12

3

62%

13%

2

1

12

3

1

1

21

1

2

1 12

4 2

51

3

14 124 2

51

3

14 12

2

1 3

1S2

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

2S

2

1 3

1S1

1 A 2 A

1V2 2V2

1V1 2V1

0Z5

0Z4

2V3

0V2 0V4

0V3

0V1 0Z3

0 S

Fig. 6.12.

1S2 1S1 2S

57% 12

3

62%

13%

2

1

12

3

4 2

51

3

14 124 2

51

3

14 12

2

1 3

1S2

4 2

51

3

14 12

2

1 3

1S1

2

1 3

2

1 3

2S

1 A 2 A

1V2 2V22V3

1V1 2V1

0Z5

0Z4

0 V

0Z3

0 S

Fig. 6.13.

53

1S2 1S3

2

1 3

1 12

44%

2

1

12

3

1 12

1 12

1 12

60%

50%

4 2

51

3

14

4 2

51

3

14 12

4 2

51

3

14 12

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1S2

2

1 3

1S3

2

1 3

1 A

1V2 1V3

1V1

1S4

0Z6

0V70Z4

0Z50V6

0V5

0V4

0V1

1S1

0Z30V2 0V3

Fig. 6.14.

2S

37%

2

1

12

3

1

1

2

1

1

2

1

1

2

1S3 1S2

60%

55%

4 2

51

3

14 12

2

1 3

12

2

1 3

1S3

4 2

51

3

14 12

4 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

2S

2

1 3

1S2

1 A 2 A

1V2 1V32 V

1V1

0V3

0V2

0V1 0V4

0V5

0Z3

1S1

0Z4 0Z5

Fig. 6.15.

54

1S1 1S2 2S1 2S2

1 12

1 12

1 12

1 12

1 12

1 12

30%

2

1

12

3

1 12

112

1 12

4 2

51

3

14 124 2

51

3

14 12

2

1 3

1S1

2

1 3

1S2

2

1 3

2S1

2

1 3

2S2

2

1 3

2

1 34 2

51

3

14

1 A 2 A

1 V 2 V

3V5 3V6

3V1 3V2 3V3 3V4

0V4

0Z3

0S2

0V2

0V1

0S1

0V3

Fig. 6.16.

1S2 1S1 2S

57% 12

3

62%

13%

2

1

12

3

1

1

2

4 2

51

3

14 124 2

51

3

14 12

2

1 3

2

1 3

1S1

2

1 3

1S2

2

1 3

2S

1 A 2 A

1V2 2V2

2V3

1V1 2V10Z4 0Z5

0V2

0Z6

0Z3

0 S

Fig. 6.17.

55

7. Simboluri grafice utilizate în schemele de comandă şi acţionare pneumatice

Conversia energiei Co

mpresor

Pompă de vacuum

Motoare rotative şi liniare Motor cu

capacitate constantă şi două sensuri de rotaţie

Cilindru cu dublu effect cu acţiune bilaterală

Motor cu capacitate variabilă şi un sens de rotaţie

Cilindru telescopic cu simplu efect

Motor cu capacitate variabilă şi două sensuri de rotaţie

Cilindru telescopic cu dublu efect

Motor oscilant

0 Amplificator

de presiune pentru acelaşi fluid

Cilindru cu dublu efect

1

Amplificator de presiune pentru aer şi lichid

Cilindru cu dublu efect cu frânare la ambele capete de cursă

Distribuitoare

Distribuitor 2/2 normal închis

Distribuitor 4/3 cu racordul P conectat la consumatori (cu centrul flotant)

Distribuitor 2/2 normal deschis

Distribuitor 4/3 cu centrul închis

Distribuitor 3/2 normal închis

0

Distribuitor 4/3 cu centrul ventilat

Distribuitor 3/2 normal deschis

1

Distribuitor 4/3 cu racordul P ventilat

Distribuitor 4/2

2 Distribuitor 6/3

Distribuitor 5/2

3

Distribuitor proporţional cu două poziţii finale

Distribuitor 4/3 cu racordul P închis şi consumatorii ventilaţi

4

Distribuitor cu patru căi (reprezentare simplificată)

56

Supape de sens şi derivate Supapă de sens

fără arc

Supapă selectoare (element logic sau)

Supapă de sens cu arc

Supapă de evacuare rapidă

Supapă de sens

pilotată Supapă cu

două presiuni (element logic şi)

Supapă de sens pilotată

Supape pentru controlul presiunii Supapă de

suprapresiune reglabilă

Supapă secvenţială reglabilă

Supapă regulator de presiune fără evacuare în atmosferă

Supapă secvenţială reglabilă

Supapă

regulator de presiune cu evacuare în atmosferă

Aparate pentru controlul debitului

Drosel nereglabil

Drosel reglabil acţionat mecanic

Drosel

reglabil Drosel

reglabil acţionat mecanic

Drosel

reglabil acţionat manual

Drosel reglabil cu supapă de ocolire

Drosel reglabil acţionat manual

Diafragmă

Senzori de proximitate Senzor cu

reflexie

Duză cu reacţie de presiune

57

Duză, emiţător pentru bariera de aer

Sensor pneumatic acţionat de magnet permanent

Duză, receptor pentru bariera de aer, cu sursă de alimentare

Sensor cu barieră de aer

Convertoare de semnal

Electro-pneumatic

Pneumo-electric

Pneumo-electric (nestandardizat)

Amplificatoare

Amplificator

Distribuitor 3/2 cu amplificator

Amplifica

tor de debit

Echipamente auxiliare

Conexiune de conducte 1

Amortizor de zgomot

Suprapunere de

conducte 2 Rezervor de aer

Punct de evacuare

(ventilare) pe conductă 3 Filtru

Punct de evacuare

(ventilare) pe aparat, fără conexiune

4 Collector de apă cu

drenare manuală

Punct de evacuare (ventilare) pe aparat, cu conexiune

5 Collector de apă cu

drenare automată

Punct de conectare închis 6

Filtru cu drenare automată

Cuplă rapidă cu

supapă de sens, cuplată 7 Uscător

Cuplă rapidă fără

supapă de sens, cuplată 8 Ungător

Cuplă rapidă fără

supapă de sens, decuplată 9 Unitate de preparare

a aerului comprimat (simbol simplificat)

0 Cuplă rapidă cu

supapă de sens, decuplată 0 Răcitor

58

Comenzi manuale

Comandă manuală (simbol general)

Buton de

tragere şi apăsare

Buton de apăsare

pârghie

Buton de

tragere Pedală

Comenzi mecanice

Plunjer

Rolă articulată

Arc

Element

sesizor (nestandardizat)

Rolă

Comenzi electrice

Solenoid cu o înfăşurare

Motor electric cu rotaţie continuă

Solenoid cu două înfăşurări

Comenzi pneumatice

Directă prin presiune

Comandă

indirectă (pilotată)

Directă prin anularea presiunii

Comandă

indirectă (pilotată) prin anularea presiunii

Cu presiune diferenţială

Comandă prin amplificator

Comandă şi centrare cu presiune

Comandă prin amplificator, indirectă

Comandă cu presiune şi centrare cu arcuri

0 Comandă

alternativă

Comenzi combinate

Comandă electrică cu pilot pneumatic

Comandă electrică sau manuală cu arc de revenire

Comandă electrică sau pneumatică

Comandă generală (explicarea simbolului se face separat)

59

ELEMENTE ELECTRICE ȘI ELECTRONICE DE ACȚIONARE ȘI CONTROL PENTRU AUTOMATIZAREA INSTALAȚIILOR ȘI SISTEMELOR MECATRONICE

1.INTRODUCERE

În cele ce urmează vom folosi câteva noțiuni și mai întai vom clarifica ce sunt acestea. Un sistem de acționare al unui mecanism conține totalitatea surselor energetice ale mecanismului respectiv precum și elementele de control ale acestora. În acest sens, prin sistem de acționare se va întelege ansamblul elementelor de execuție prin care se obține energia mecanică necesară miscării mecanismului precum și dispozitivele de control ale acestui transfer energetic. Conform figurii 1.1 sistemul va cuprinde :

Fig.1.1 Structura sistemului de acționare 1) o sursă primară de energie ; 2) un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanică ; 3) un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulația corespunzatoare ; 4) un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme.

Actorul (din engleza „to act” = a acţiona), care include toate elementele de ieşire, destinate producerii de forțe şi mişcări. Practic aici este mai mult decat un element de execuție (exemplu motorul) deoarece actorul include cele două componente de bază: prima care furnizează energia necesară, conform informației de la sistemul numeric de comandă, cea de-a doua care transformă energia primită în energie mecanică, utilizată pentru dezvoltarea de forţe/momente şi/sau efectuarea mişcărilor adica mai exact elementul de execuție. Acționările electrice utilizează energie electrică, obținută cu un simplu releu sau cu un bloc de tranzistoare de putere, cu logica şi circuitele de reacţie adecvate.

60

Evoluția sistemelor tehnice de la mecanice la mecatronice a cunoscut un salt atunci când s-au realizat unele sisteme mecanice cu control automat. Conctruțtia lor a fost posibilă prin folosirea cunoștințelor despre relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, cunoștințe căpătate la construcția avioanelor, maşinilor-unelte, turbinelor cu aburi, automobilelor, etc. De remarcat faptul că automobilul este cel care a dus la dezvoltarea fără precedent a mecatronicii. Mecatronica are la baza trei subsisteme importante: mecanică, electronică și tehnica de calcul. Automobilul în totalitatea lui s-a transformat într-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate. Iată aici venim cu câteva exemple. Sistemele de siguranţă active servesc la prevenirea coliziunilor şi minimizarea efectelor lor: 1. Sistemul electronic de frânare (Electronic Brake System), 2. Sistemul electronic de stabilitate (ESP – Electronic Stability Program), 3. Sistemul de prevenire a accidentelor.

Actionări electrice

2.SISTEME DE ACȚIONARE CU MOTORUL DE CURENT CONTINUU

sunt acționările la care sursa energetică este de natură electrică. Avantajele acestor tipuri de acționări constau în principal în faptul că sursele energetice sunt usor de găsit iar dacă acestea sunt baterii se asigură o funcționare autonomă. Tot legat de energie nu ar exista probleme specifice de poluare. Avantajul cel mai mare este că sistemele de control sunt precise și sigure iar conducerea acestei acționări cu calculatorul este usor de implementat. Acționarea sistemelor mecatronice cu puterea pâna la 700 kW foloseste motorul asincron; între 700 - 1000 kW se face o comparație între cele doua sisteme de acționare electrică iar peste 1000 kW se va folosi acționarea electrică cu motorul de curent continuu. Acesta, după cum vom vedea, va fi alimentat prin convertoare statice de putere la o tensiune variabilă.

La sistemele mecatronice se utilizează servomotoare de curent continuu cu comutație mecanică. Servomotorul şi amplificatorul de putere pentru comanda lui are o structură asemănătoare întotdeauna. Controlul bidirecțional se face prin intermediul unor punți în H, care conţin patru tranzistoare de putere, şi sunt comandate. Viteza motorului de curent continuu se modifică prin schimbarea tensiunii de alimentare. Motorul de curent continuu conține(fig.2.1) două parți importante : sistemul de excitație și o bobină dispusă într-o armătură rotorică. Sistemul de comutație, asigură în permanență un sens unic al curentului în raport cu câmpul magnetic.

Fig.2.1 Schema echivalentă a m.c.c cu excitație separată. Scriind relațiile matematice ale circuitului din fig.2.1 constatăm următoarele concluzii teoretice: 1. Dependența neliniară a vitezei de rotație în raport cu fluxul, deci în raport cu curentul de excitație. Astfel se complică controlul și reglajul turației prin curentul de excitație. 2. Posibilitatea reglării turației din tensiunea de alimentare u. Controlul turației cu tensiunea de alimentare este cel mai utilizat în marea majoritate a acționarilor astfel că numai într-o mică măsură se utilizează controlul prin curent de excitație. Totuși acest ultim caz se folosește când ne legăm de cuplu, care, din funcția de transfer, vedem că este într-o dependență mai simplă cu acest curent de excitație.

61

Soluția teoretică: Turația controlată în tensiune în aceste acționări se asigură prin două metode: - redresoare comandate; - variatoare de tensiune continuă

Rezultă de aici avantaje și dezavantaje la utilizarea unui motor de curent continuu: avantajul ar fi că momentul creat este independent de poziția și viteza motorului și el depinde numai de câmpul infășurărilor și curentul din armături. Prin înlocuirea infășurărilor de câmp cu un magnet permanent momentul dezvoltat va fi proportional cu valoarea curentului din armături și deci cu tensiunea aplicată.

Dezavantajul major este greutatea componentelor datorată circuitului magnetic ce are o geometrie specifică pentru asigurarea performanțelor ridicate.

Solutia practică: Cea mai utilizată soluție este cea de alimentare a motoarelor de curent continuu de la redresoar comandate cu tiristoare. Iată în continuare câteva tipuri utilizate frecvent în mecatronică:

Redresoare monofazate în punte: pentru care prezentăm schema generală în figura 2.2.

Fig.2.2 Schema generală a unui redresor monofazat în punte. Utilizare: pentru puteri și tensiuni mici. Variația turației: prin tensiunea de comandă a grilelor tiristoarelor astfel încât să conducă pe fiecare semialternanță câte două tiristoare opuse (Th 2 și Th 3 sau Th 1si Th 4). Bobina L are rol de netezire adică de atenuare a componentelor alternative care apar. Redresoare trifazate în punte: se folosesc deoarece, pentru automobile la grupul de alimentare, s-au făcut calcule de randament și putere și s-a constatat a fi cele mai eficiente când este vorba de alimentarea motoarelor de curent continuu.

Fig. 2.3 Schema generală a unui redresor trifazat în punte.

62

Variatoarele de tensiune de tip PWM realizează impulsuri dreptunghiulare de tensiune cu factor de umplere variabil și astfel valoarea medie a tensiunii de ieșire va fi variabilă. Schema de principiu a unei astfel de variator pentru un control unidirecțional este prezentată în figura 2.4

Fig. 2.4 Schema generală a unui variator PWM unidirecțional

Componenta principală este un comutator static de putere, CS realizat din componente electronice ce se comandă și sunt de putere (tiristor, tranzistor bipolar de putere sau tranzistor MOS de putere).

Circuitul lucrează în felul următor: CS închis un timp Ti. va trece tensiunea E spre motor; CS deschis un timp Tp tensiunea este zero. Valoarea medie a tensiunii este dată de raportul celor doi timpi Ti /Tp . Și în acest caz inductanta L determină o creștere a curentului și totodată o netezire a tensiunii de alimentare a motorului de curent continuu.

Schema generală a unui variator PWM bidirecțional (fig.2.5) utilizează punţi în H, care conţin patru comutatoare statice de putere ce pot fi comandate cu semnale PWM ce pot fi obținute chiar de la procesor digital. Ca și la cel de mai sus viteza motorului poate fi reglată din ajustarea lațimii impulsurilor de comandă a comutatoarelor statice de putere.

Fig.2.5 Schema generală a unui variator PWM bidirecțional De cele mai multe ori acționarea electrică cu motor de curent continuu trebuie să realizeze câteva operații importante printre care: inversarea sensului de mișcare, modificarea vitezei de rotație sau oprirea precisă a motorului în sarcină. Particularități pentru motoarele de curent continuu de puteri mari După cum am văzut mai sus în cazul puterilor mari se folosesc motoarele de curent continuu iar aici se pun problemele de pornire, inversare a sensului de mișcare, modificarea vitezei de rotație și oprirea precisa(frânarea). Iată câteva aspecte legate de

63

acestea: 1. Pornirea motoarelor de curent continuu de putere mare În timpul pornirii mașinilor de curent continuu cu excitație separată, la valori scăzute ale vitezei se determină o valoare mare a curentului și aceasta are efecte negative asupra motorului de curent continuu, ce se va traduce în avarii de forma: - deteriorarea izolației infășurărilor; - deteriorarea stărilor de comutație, apărând astfel inelul de foc; - deteriorarea periilor; - deteriorarea lipiturilor; - solicitarea conductoarelor de alimentare; Rezolvarea problemei: limitarea curentului de pornire. Procedeele de pornire la motorul de curent continuu cu excitație separată: a) prin conectarea directă la rețea; b) cu rezistențe adiționale, intercalate în circuitul indusului; Acest procedeu are un dezavantaj legat de pierderile de energie în rezistențele de pornire și unul legat de gabaritul mare al reostatului de pornire în cazul motoarelor de curent continuu de putere mare c) prin variația tensiunii de alimentare, pornind de la valori mici spre valori mari menținând totuși curentul constant. Acest procedeu se asigură prin două metode: 1.alimentarea de la un convertor static cum ar fi: redresor comandat sau variator de tensiune continuă; 2.alimentarea în trepte de tensiune. În ambele cazuri tensiunea de alimentare se poate modifica automat în timp, astfel încât curentul de alimentare să se mențină constant pe durata pornirii. Aceste sisteme de acționare prin varianta tensiunii de alimentare variabilă sunt utilizate în special la modificarea vitezei. 2. Frânarea motoarelor de curent continuu de putere mare Motorul de curent continuu de putere (cu excitație separată) poate avea un regim de motor dacă produce mișcare sau un regim de frână dacă se opune mișcării. Procedeele de frânare la acționările cu motoare de curent continuu de putere cu excitație separată sunt: 1. frânarea cu recuperare este valabilă mai ales la mecanisme de urcare- coborâre și anume numai pe intervalul de coborâre. Deoarece energia rezultată în procesul de coborâre se transmite în rețea de către motor, care va trece în regimul de generator metoda numindu-se și frânare cu recuperare. 2. frânarea în contracurent; 3. frânarea reostatică sau dinamică; aceasta se face prin deconectarea indusului de la alimentare și cuplarea lui la o rezistență de frânare. Se observă, ca și în cazul precedent ca avem o funcționare în regim de generator, transformând energia mecanică de rotație în energie electrică ce se consumă pe rezistența de frânare pe care am conectat-o. Frânarea reostatică se poate aplica tot la mecanismele de urcare-coborâre pe porțiunea de coborâre. Ca avantaj constatăm simplitatea metodei având un efect substanțial până spre viteze mici dar și dezavantaj în pierderi de putere în rezistența de frânare. 3. Variația vitezei de rotație la motorul de curent continuu de putere mare se face prin următoarele metode: a) intercalarea de rezistente în circuitul indusului; b) modificarea fluxului de excitație; c) modificarea tensiunii de alimentare. În acest caz se dorește menținerea constantă a excitației și deci nu se aplică la motoarele de curent continuu cu excitația derivată. În practică, metoda este una din cele mai folosite și se aplică așa cum am arătat mai sus cu sisteme statice având avantajele legate de rapiditatea comenzii și reglării, randament, gabarit, comandă și dezavantajele legate de factorul de putere , deformări ale formelor de undă și dependente la suprasarcini.

64

3.SISTEME DE ACTIONARE CU MOTORUL DE CURENT ALTERNATIV În acest capitol ne vom referi numai la motoarele asincrone, vom descrie posibilitățile de acționare a lor. Acționarea manuală a motoarelor asincrone, în special la sarcini mici, cu ajutorul unor elemente de comandă și semnalizare cum ar fi: comutatoare, butoane de comandă, lămpi de semnalizare, butoane cu lampă, selectoare cu 2-3 poziții. În fig. 3.1 este prezentat un astfel de exemplu.

Fig. 3.1 Exemplu de comutator cu came Un motor monofazat va necesita un numar mai mic de elemente de comanda și semnalizare pentru a fi acționat(fig.3.2) fata de un motor trifazat(fig.3.3)

Fig. 3.2 Exemplu de schemă electrică pentru pornirea manuală a motorului monofazat

Fig.3.3 Exemplu de schemă electrică pentru pornirea manuală a motorului trifazat Acționarea automată a motoarelor asincrone presupune pe lângă pornirea – oprirea alimentării (operație de bază) dar și alte operații cum sunt: schimbarea sensului de rotație, o pornire

65

condiționată, interblocarea, temporizări ale unor operații etc. În continuare vom exemplifica câteva dintre aceste tipuri de acționări. a. Pornirea într-un singur sens de rotație a motorului asincron trifazat se realizează conform schemei prezentate în figura 3.4

Fig.3.4 Schemă pentru pornirea automată a unui motor asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit Față de cazul anterior când pornirea se făcea cu ajutorul comutatorului cu came, Q aici rolul acestuia este jucat de contactele contactorului IC. Blocul de siguranțe și de relee termice sunt aproape identice. De remarcat contactul din paralel pe butonul de pornire care realizează o automenținere a alimentării, oprirea realizându-se prin intermediul butonului de oprire. b. Pornirea motorului asincron trifazat din mai multe puncte de lucru are particularitatea ca pornind de la scheme din figura 3.4 pentru pornire în paralel cu butonul de pornire existent se adaugă și alte butoane de pornire. Pentru oprire se vor adauga alte butoane de oprire în serie cu cel existent(Fig.3.5.)

66

Fig.3.5 Schemă pentru pornirea automată a motorului asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit din mai multe puncte de lucru Pornirea și inversarea sensului de rotație a motorului asincron cu rotorul în scurtcircuit presupune intervenția de această dată asupra modului în care se alimentează circuitul de forță (Fig.3.6).

Fig.3.6 Schemă pentru pornirea și inversarea sensului de rotație a unui motor asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit Funcționarea acestei scheme este în felul următor: Pentru pornirea în sens direct se acționează butonul bp1 care alimentează contactorul 1C și contactorul 1C din circuitul de fortă alimentează într-un fel motorul. Oprirea se face din butonul bo. Pentru pornirea în sens invers se acționează butonul bp2 care după logica de mai sus va închide contactele 2C din circuitul de forță alimentând în celalalt mod motorul. Oprirea se face tot din butonul bo . Un caz particular este de pornire și inversare manuală a sensului de rotație a motorului asincron cu rotorul în scurtcircuit. În acest caz se va folosi un comutator bipozițional ale caror legături sunt reprezentate în fig.3.7

67

Fig. 3.7 Schemă pentru pornirea și inversarea sensului de rotație a unui motor asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit cu ajutorul unui comutator d. Pornirea intercondiționată a două motoare asincrone trifazate în sensul că întai se pornește un motor și apoi al doilea. În figura 3.8 se prezintă un astfel de exemplu în care se face pornirea motoarelor M1 și în ordinea M1 și apoi M2 deoarece există un contact 1C în comanda motorului M2. Dacă s-ar acționa întai butonul bp2 acesta nu ar aduce tensiune de alimentare deoarece contactul 1C din circuitul lui este deschis.

68

Fig. 3.8 Schemă pentru pornirea intercondiționată a două motoare asincrone trifazate

4.SISTEME DE ACȚIONARE CU MOTORUL PAS CU PAS

4.1 Ce este MPP Dacă ne imaginăm că la o rotație complete mișcarea rororului unui motor nu s-ar

face uniform-continuu, cum suntem învățați de la celelalte motoare, ci s-ar realiza în salturi, într-un număr limitat de pași atunci spunem că ne-am imaginat motorul pas cu pas. Fie n numărul de pași executați la o rotație completă (360°). Mergând cu imaginația mai departe că dacă am da niște impulsuri digitale drept comandă de rotire atunci pentru o rotație completă trebuiesc n impulsuri de comandă. Orice tren de impulsuri digitale va fi transformat într-o mişcare proporţională a rotorului. Se face astfel o conversie directă a trenului de impulsuri într-o mișcare de poziționare unghiulară prin asa numitele cumulări incrementale.

Pașii motorului înseamnă salturile lui definite ca deplasări unghiulare discrete, succesive, de mărimi egale. Remarcăm aici câteva lucruri specific motorului pas cu pas:

69

Plecarea de pe loc și frânarea se fac fără ieşirea din sincronism Reglajul vitezelor se face în limite largi și foarte fin modificând frecvența impulsurilor de

intrare, de la mici până la valoarea maximă admisă a fiecărui motor.

Limitele motoarelor pas cu pas sunt date de intervalul 1.000-20.000 pași/secundă pentru pași din intervalul 0,3°-180°.

De asemenea avem de remarcat unele avantaje legate de precizia conversiei, precizia poziţionării, domeniul mare al frecvențelor de comandă, facilitate în utilizarea comenzilor digitale și dezavantaje legate de puteri și viteze mici, accelerații și decelerații discontinue și cel mai important pasul fix pentru un motor dat.

4.2 Principiul de funcţ ionare Să presupunem mai întâi ca vrem patru pasi simpli pentru a realiza o rotație completă. Vom

realiza un stator care să cuprindă patru poli și un rotor dintr-un magnet bipolar ca în figura 4.2.1. Alimentând înfășurările 1-3 rotorul se va alinia pe axa acestor înfășurări statornice și atunci când se alimenteaza înfășurările 2 – 4 rotorul se rotește până se aliniază cu această axa. Mai este o problemă de stabilit: sensul de rotație. Acesta va depinde de polaritatea aplicată. Acest tip de alimentare va determina o comandă numită secvența simplă.

Fig.4.2.1 Principiul de funcționare a mpp

Dacă vom face o combinație de alimentare a bobinelor, aceasta combinație va determina poziții intermediare ale rotorului. Acest tip de alimentare va determina o comandă numită secvenţă dublă. Există și alte moduri de comenzi pe care le vom enumera puțin mai înainte. În lipsa alimentării oricărei bobine rotorul va ocupa o poziție bine determinată. Concluzia simplă care se desprinde la modul de funcționare este că deplasarea rotorului se face deplasând alimentarea bobinelor statorice bine poziționate. Pentru această comandă motorului pas cu pas se realizează prin comutarea succesivă a fazelor infășurărilor. Cel mai sugestiv este că pentru exemplul nostru de patru infăsurări să reprezentăm cele patru tensiuni de alimentare (echivalente cu comenzile motorului). În figura 4.2.2.a prezentăm cele patru tensiuni pentru cazul comenzii de tip secventă simplă iar în figura 4.2.2.b prezentăm cele patru tensiuni pentru cazul comenzii de tip secvență dublă tensiunilor.

70

Figura 4.2.2 Comenzile de alimentare la motorul pas cu pas cu patru faze

4.3 Tipuri de MPP Indiferent de numărul pașilor (infășurărilor) dar având în vedere alimentarea și realizarea

circuitului magnetic MPP sunt de trei tipuri: MPP cu reluctanţă variabilă are statorul și rotorul cu dinţi uniform distribuiţi. Infășurările vor fi pe dinții statorului. Rotorul este pasiv. MPP cu magnet permanent are rotorul cu dinţi realizați din magneți permanenti iar polii dispuşi radial. Câmpurile magnetice obținute prin alimentarea bobinelor statorului interacționează cu fluxurile magneților permanenți și forțe de deplasare a rotorului. MPP hibrid

4.4 Caracteristicile MPP

este rezultatul combinației celor de mai sus avand avantaje ce le fac cele mai utilizate. Astfel rotorul este constituit dintr-un magnet permanent ce are la extremităti două coroane dinţate din material feromagnetic astfel încât dinții unei coroane constituie polii nord, iar dinții celeilalte coroane constituie polii sud.

Literatura de specialitate evidentiază multe caracteristici dar ne vom referi la câteva menționate aproape în orice catalog: Unghiul de pas – deplasarea rotorului la aplicarea unui impuls de comandă. Aceasta este strâns legată de numărul de pași. Numărul de fire prin care sunt cuplate infășurările statorice. Cuplul limită de pornire este cuplul rezistent maxim la arbore, cu care MPP poate porni. Frecvenţa limită de mers reprezintă frecvenţa maximă cu care poate funcţiona un MPP. Curentul de faza absorbit la alimentarea infăsurării. Inertia rotorului care trebuie sa fie foarte mica. Puterea la arbore este puterea utilă la arborele motorului punct caracterizat de cuplul limită de mers și de frecvenţa maximă de mers. 4.5 Acționarea motoarelor pas cu pas MPP Tipurile de comenzi Deja am vazut mai înainte două dintre aceste moduri de comenzi dar sa le trecem în revista pe toate:

Comandă în secventă simplă; Comandă în secvenţă dublă; Comandă în secvenţă mixtă; Comandă prin micropăşire este o metodă de poziționare cu mai multe poziții intermediare. Avantaj: finețea poziționărilor. Dezavantaje: sistem de comandă mult mai complex (realizează profilele de curenţi în trepte) și scump iar cuplul dezvoltat este mai mic față de celelalte cazuri.

Dupa cum procedăm la schimbarea sensului de rotație avem:

71

Comandă unipolară, când nu se inversează curentul; Comandă bipolară, când se inversează curentul. b) Gruparea bobinelor în vederea alimentarii Considerand un MPP cu patru infășurări statorice, constatăm că numărul de fire prin intermediul cărora se poate face alimentarea poate fi diferit. În figura 4.5.1 prezentăm posibilitățile.

Fig.4.5.1 Posibilități de conectare a bobinelor și scoatere a firelor spre conectică Comanda motoarelor pas cu pas

Având în vedere logica de comutare a fazelor prezentată sintetic în formele de undă de la fig. 4.2.2 gandim că pentru a realiza aceasta ne trebuie un circuit distribuitor care sa furnizeze acele impulsuri. Acesta este realizat cu un numărător și un circuit de decodificare ce menține numai o stare activă pentru o stare dată a numărătorului. Pentru numărător se folosește un semnal de tact de la un generator cu frecvența controlată. Și distribuitorul este controlat referitor la sensul de baleiaj al fazelor și la blocarea sau deblocarea sa.

Fig. 4.5.2 Schema bloc pentru comanda MPP

72

Considerând un MPP cu patru fire prezentăm schema bloc pentru comanda lui în figura

4.5.2. Semnalele notate 1,2,3 și 4 obținute de la distribuitor ajung la un bloc de comutatoare statice pentru a le amplifica. Acesta este realizat cu dispozitive electronice de putere cuplate direct pe înfașurările motorului, furnizând cele patru semnale de forță pe cele patru fire: F1, F2, F3 siF4. Exemplu de acționare a unui MPP Posibilități de acționare a unui MPP sunt multiple. 1. Se poate realiza un circuit digital coform schemei bloc din fig.4.5.2. 2. Se poate realiza un soft specializat la care comenzile să fie scoase pe portul paralel al PC-ului; de aici si un circuit de tip driver ce asigură puterea în bobinele MPP. 3. Se poate realiza o acționare cu un microcontroler care are avantajele sale fată de primele două variante. Implementarea unei astfel de soluții cu un PIC 16F84A conform http://www.piclist.com/images/www/hobby_elec/e_step.htm este prezentată în figura 4.5.3.

Fig. 4.5.3 Circuit cu PIC pentru comanda MPP Putem face câteva remarci: se comandă un MPP cu 6 fire; blocul de comutatoare statice este asigurat de cele patru tranzistoare TR2-TR5 care sunt de tip darlington pentru a asigura amplificări de curenți mai mari; prezența diodelor în circuitele bobinelor rezolvă problema specifică circuitelor inductive de apariție a supratensiunilor la comutarea curenților; acestea ar provoca strapungerea tranzistorilor și totodata posibilitatea alimentării simultane a două faze, cea blocată și faza urmatoare acesteia ceea ce ar duce la frânarea motorului; am spus că punem diode dar pentru micsorarea costantei de timp de descărcare se pot pune chiar grupări în serie de diode cu rezistențe; comenzile pe care le facem MPP sunt: STOP, LEFT și RIGHT.

4.6. Aplicaţ ii

http://www.piclist.com/images/www/hobby_elec/e_step.htm�

73

Explozia de componente ale PC-ului a necesitat utilizarea de aplicații ale M.P.P. de puteri mici. Implementarea acestor MPP s-a facut la aceste componebtr ale PC-ului cum ar fi la imprimante pentru deplasarea capului de imprimare, la plotere, la unitați de disc flexibil, dar și la mașini unelte, cum ar fi la deplasările axiale sau diverse poziționări (sisteme optice de masură, masini de găurit, de frezat, de strunjit, de electroeroziune, etc) precum și la roboți pentru execuția diferitelor mișcări. Aceasăa implementare a MPP s-a facut acolo unde au fost mecanisme caracterizate de: precizie, viteză relativă mare de deplasare, repetabilitatea miscărilor și deloc de neglijat, puteri mici.

5.ELEMENTE DE CIRCUIT PENTRU SISTEMELE DE ACȚIONARE În ce urmează ne propunem să prezentam o galerie foto și uneori scurte descrieri ale elementelor de circuit pentru sistemele de acționare.

5.1 Motorul de curent continuu-MCC Motorul de curent continuu prezentat la http://www.reductor-motor.com/rom-dcmotor.htm după catalogul Mikro motor are următoarele caracteristici: cupluri mari la

Fig.5.1.1 MCC pornire, puterea și cuplurile sunt în limite restrânse comparativ cu alte tipuri de motoare electrice.

5.2 Motorul asincron-MAS Pentru acest tip de motor am ales o variantă de la Uzina de Mașini Electrice

Fig.5.2.1 MAS București. Este motorul asincron de tip ASU cu turații de 750, 1000, 1500, 3000 rpm și puteri nominale cuprinse în intervalele: 0,09…200Kw, 0,18 … 250Kw, 0,12 … 315Kw, 0,18 … 315Kw. Sursa: http://www.umeb.ro/motoare_electrice_asna.php

5.3 Motorul pas cu pas-MPP

Motorul pas cu pas de tipul AR46AK- din seria pentru 24/48 VDC (tipul standard)

http://www.reductor-motor.com/rom-dcmotor.htm�

74

prezent în paginile catalogului Oriental Motor a fost preluat de la

Fig.5.3.1 MPP http://www.orientalmotor.de/de/uploads/documents/ar-series_dc-input.pdf. Figura conține și o variantă de circuit de comandă.

5.4 Invertoare

Un invertor produs de HITACHI de tip X200 și preluat de la adresa distribuitorului http://www.contrax.inka.ro/invertoare/ și www.automatizari.net are cateva caracteristici de remarcat: - control V/f, - gama frecvențelor 0.5 - 400Hz, - intrări/ieșiri digitale și analogice pentru conectare la proces, - funcție Safe Stop integrată, - port RS485 pentru comunicație ModBus incorporat, - filtru EMC incorporat,

Fig.5.4.1 Invertor tip X200

5.5 Relee, contactoare, protectii

Aceste elemente de circuit asigură legăturile între motoare și alimentările lor sau realizează protecții la suprasarcini și scurtcircuite. Tot de la adresa distribuitorului http://www.contrax.inka.ro/relee/ și utilizatorii www.automatizari.net. va prezentam cateva componente de fabricație OMRON.

http://www.contrax.inka.ro/invertoare/�

mailto:[email protected]�

http://www.contrax.inka.ro/relee/�


75

Fig.5.5.1 Releu OMRON G2RS În figura 5.5.1 este un releu de tip G2RS la care sunt importante urmatoarele caracteristici: Curentul maxim suportat de contacte, Curentul și tensiunea de alimentare a bobinei.

Fig.5.5.2 Contactoare și protectii

5.6 Limitatoare și lămpi de semnalizare

Menținându-ne tot pe adresa distribuitorului http://www.contrax.inka.ro/Limitatori/ și la utilizatori www.automatizari.net. vă prezentăm cateva componente de fabricație OMRON (HL 5000).

http://www.contrax.inka.ro/Limitatori/�


76

Fig.5.6.1 Limitatoare de curse (la deplasare)

Fig.5.6.2 Lămpi și butoane Dintre acestea remarcăm: Push-butoane, Push-butoane cu lampi incorporate (220V sau 24V), Butoane selectoare cu cheie, Butoane avarie tip CIUPERCA cu reținere, Butoane selectoare 1-0 sau 1-0-2, Contacte suplimentare NC sau NO, Cutii de comandă.

77

BIBLIOGRAFIE:

[1] Vistrian Mătieş ş.al., Tehnologie si educatie mecatronica. Auxiliar curricular pentru liceul tehnologic, Editura Economică, Bucureşti, 2007

[2] Ardeleanu Mihaita, Gheorghe Gheorghe, Matei Gheorghe, Mecantronica. Principii şi aplicaţii, Editura Agir, 2007 [3] Gh. Bodi, Proiectarea sistemelor mecatronice – îndrumar de proiectare, Editura Lumen, 2007 [4] Ron Bliss, Introduction to IEC1131-3 Ladder Diagram, Allen-Bradley [5] SR EN 61131-3, Automate programabile. Partea 3. Limbaje de programare [6] C.G.Haba, Sisteme de comandă a maşinilor electrice, Ed. Gh.Asachi, Iaşi [7] Moise, A. Automate Programabile. Proiectare. Aplicaţii, Ed. MatrixRom, Bucureşti, 2004. [8] Hugh Jack, Automating Manufacturing Systems with PLCs, (Version 5.0, May 4, 2007) [9] Mazilu, I., Marin, V., Sisteme hidraulice automate. Editura Academiei R.S.R., Bucureşti, 1982. [10] Vasiliu, N., Vasiliu, D., Catană, I., Theodorescu, C., Servomecanisme hidraulice şi pneumatice. vol.I (Litografiat). Universitatea "Politehnica" din Bucureşti, 1992. [11] Vasiliu, D., Vasiliu, N., Acţionări şi comenzi hidropneumatice în energetică. (Litografiat). Universitatea "Politehnica" din Bucureşti, 1993. [12] Merrit, H.E., Hydraulic Control Systems. John Wiley and Sons Inc., New York, London, Sydney, 1967. [13] Landau, I.D., System Identification and Control Design. Prentice-Hall, 1990. [14] Lewis, E.E., Stern, H., Design of Hydraulic Control Systems. Mc Graw Hill Book Company, New York, 1962. [15] Ciupe V., Maniu I., Flow Control Capabilities of a Standard Pneumatic Valve, The 18th International DAAAM Symposium, 24-27 october 2007, Zadar, Croatia [16] Dolga V., Maniu I., Sisteme de acționare, Ed. Orizonturi Universitare, Timișoara 2003 [17] Festo Didactic GMBH & Co, Pneumatics, Workbook, Basic level, 2002 [18] Festo Didactic GMBH & Co, TP101 Transparency set, 2000 [19] Festo Didactic GMBH & Co, FluidSim 4 Pneumatics, User Guide, 2007 [20]A. Moraru, M. Nițescu ,Electrotehnică, îndrumar de laborator,Institutul Politehnic București1997 [21]Agenda electrică Moeller 02/05 ,Soft startere electronice și acționări electrice pentru http://www.agenda-electrică.ro/docs/sb0201y.pdf [22]Motor control ,A motor, Three-phase induction motor, Three-phase brushless DC motor, Stepper motor reference guide ,Motor control overview: Universal motor, Brush DC motor, Single-phase induction, Switched reluctance motor, pdf file http://www.st.com/stonline/products/promlit/pdf/brmotor-0503.pdf [23]E. Ceanga, A. Saimac și E. Banu ,Electronică industrial,Editura Didactică și Pedagogică 1981 [24]Padmaraja Yedamale, Microchip Technology Inc. ,Using the pic for sensorless BLDC motor control ,AN 970 - Michrochip http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00970A.pdf [25]© Motorola, Inc. 2002 - BR1895/D, REV 1, A Complete Motor Control Solution, MC3PHAC http://www.psoc.cn/FileWarehouse/freescale/BR1895.pdf [26]Philips Semiconductors,Motor Control Power Semiconductor Applications, http://www.nxp.com/acrobat_download/applicationnotes/APPCHP3.pdf [27]Réglage de la vitesse de rotation des moteurs asynchrones triphasés http://sitelec.free.fr/cours/abati/reglvit.htm

http://www.lumeacartii.ro/autori/ardeleanu-mihaita.html�



http://www.lumeacartii.ro/autori/matei-gheorghe.html�

http://www.agenda-electrica.ro/docs/sb0201y.pdf�

http://www.st.com/stonline/products/promlit/pdf/brmotor-0503.pdf�

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00970A.pdf�

http://www.psoc.cn/FileWarehouse/freescale/BR1895.pdf�

http://www.nxp.com/acrobat_download/applicationnotes/APPCHP3.pdf�

http://sitelec.free.fr/cours/abati/reglvit.htm�

Documents

SISTEME MECATRONICE - euromecaform.ro teorie_FINAL.pdf · Germenii unei ere noi apar odată cu dezvoltarea motoarelor electrice – motorul de curent continuu în 1870 şi cel de