Spis treści:
Sterowanie to proces celowego oddziaływania sygnałów wejściowych na wyjścia według odpowiednich algorytmów — reguł sterowania. Celem tego artykułu jest przedstawienie podstawowej wiedzy związanej z elektrycznymi stykowymi układami sterowania, wyjaśnienie jakie symbole wyżej wymienionych sygnałów znajdują się na schematach elektrycznych stykowych układów sterowania oraz jakie są zasady projektowania i montażu takich układów.
Łączniki elektromagnetyczne
Styczniki i przekaźniki to elementy składające się z cewki i zestawu zestyków – zwane łącznikami elektromagnetycznymi. Zasada działania takich łączników oparta jest na mechanicznym połączeniu styków z chwilą podania napięcia na cewkę. Styki są odizolowane od cewki galwanicznie, dzięki czemu istnieje możliwość łączenia dużych mocy za pomocą małych prądów sterujących. Styczniki stosowane są do przełączania w obwodach średniej i dużej mocy, a przekaźniki wykorzystuje się głównie do przełączeń w obwodach małej mocy.
Wyróżniamy następujące zestyki:
Styczniki
Styczniki są urządzeniami elektromagnetycznymi, których działanie następuje po doprowadzeniu napięcia do cewki elektromagnetycznej. Powoduje to wytworzenie się pola magnetycznego w rdzeniu i przyciągnięcie ruchomej zwory tego rdzenia. Dochodzi wtedy do zamknięcia styków normalnie otwartych (NO) i otwarcia styków normalnie zamkniętych (NC) urządzenia. Styczniki dzielimy na styczniki główne, które zawierają zestyki główne (czynne NO) i sterujące (czynne NO i/lub bierne NC), oraz na styczniki pomocnicze (sterujące), zawierające zestyki czynne NO. Dobór stycznika w układach sterowania elektrycznego zależy od jego parametrów. Producenci podają na stycznikach ich typ, niekiedy także podstawowe parametry znamionowe. Większość parametrów należy jednak odczytywać z katalogu producenta stycznika.
Do najważniejszych parametrów znamionowych stycznika należą:
- napięcie znamionowe izolacji obwodu głównego — wartość skuteczna napięcia międzyprzewodowego;
- napięcie znamionowe izolacji obwodu pomocniczego;
- prąd znamionowy ciągły styków głównych;
- prąd znamionowy ciągły styków pomocniczych;
- zdolność wyłączania (prąd łączeniowy) — graniczna wartość skutecznego prądu, którą stycznik może przerwać określoną liczbę razy bez uszkodzenia (zależy to od sposobu gaszenia łuku elektrycznego);
- liczba i rodzaj styków głównych;
- liczba i rodzaj styków pomocniczych;
- moc znamionowa obciążenia — na stycznikach są podawane wartości mocy w zależności od znamionowego napięcia zasilania, np. 230 V,400 V, 690 V;
- napięcie i rodzaj zasilania cewki (najczęściej jest to 24 VDC i 230 VAC);
- rezystancja cewki.
Oznaczenia zacisków styczników:
- cewka stycznika: A1-A2 (w przypadku cewek stycznika zasilanych napięciem przemiennym do zacisku A1 dołącza się przewód fazowy, a do zacisku A2 przewód neutralny, natomiast w przypadku cewki stycznika zasilanej napięciem stałym do zacisku A1 dołącza się biegun dodatni napięcia zasilania, a do zacisku A2 biegun ujemny);
- styki główne: 1/L1-2/T1, 3/L2-4/T2, 5/L3-6/T3 (numery nieparzyste odpowiadają stronie zasilania, a numery parzyste stronie obciążenia);
- styki pomocnicze: oznaczenia dwucyfrowe, w których pierwsza cyfra jest numerem kolejnego zestyku, a druga określa rodzaj zestyku (1-2 zestyk NC, 3-4 zestyk NO).
Przekaźniki
Przekaźniki są wykorzystywane do wykonywania czynności łączeniowych w obwodach sterowania, więc nie są przystosowane do przewodzenia zbyt dużych prądów. Oznaczenia ich zacisków są często zróżnicowane i zależą od producenta, liczby zestyków oraz typu przekaźnika i pełnionych przez niego funkcji. Obecnie, ze względu na zastosowanie i budowę, wyróżnia się kilka rodzajów tych urządzeń:
- Przekaźnik elektromagnetyczny — zbudowany jest podobnie jak stycznik elektromagnetyczny. Różnica pomiędzy tymi podzespołami wynika z ich zastosowania. Doprowadzenie napięcia do cewki przekaźnika powoduje wytworzenie pola magnetycznego w rdzeniu i przyciągnięcie zwory ruchomej. Następuje wówczas zmiana położenia styków ruchomych. Po zaniku napięcia zwora ruchoma powraca do położenia w stanie beznapięciowym pod wpływem sprężyny zwrotnej. Zakres zastosowania przekaźników elektromagnetycznych określają jego parametry znamionowe umieszczane przez producentów w katalogach. Najważniejsze parametry przekaźników to: napięcie znamionowe cewki, rezystancja cewki, prąd znamionowy ciągły styków.
- Przekaźnik cieplny — wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieplnej metali. Podstawowym elementem przekaźnika cieplnego jest element bimetalowy. Bimetal to element złożony z trwale połączonych dwóch warstw metali lub stopów o różnych właściwościach. Element bimetalowy przekaźnika jest nagrzewany bezpośrednio w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez element grzejny. Wskutek wzrostu temperatury następuje wygięcie bimetalu w stronę warstwy biernej i w konsekwencji przełączenie styków przekaźnika.
- Przekaźnik kontaktronowy — działa pod wpływem przyłożonego z zewnątrz pola magnetycznego zamykającego jego styki. Są one umieszczone w szczelnej obudowie wypełnionej gazem obojętnym, co zapobiega ich korozji i wypalaniu.
- Przekaźnik półprzewodnikowy SSR (ang. Solid State Relay) — jest zbudowany wyłącznie z elementów elektronicznych. Zalety przekaźników półprzewodnikowych w porównaniu z przekaźnikami elektromagnetycznymi to: brak elementów ruchomych, duża trwałość, brak łuku elektrycznego, brak drgania styków, odporność na wstrząsy.
Osobną grupę przekaźników stanowią przekaźniki czasowe. Obecnie są to przekaźniki oparte na układach elektronicznych, często wykorzystuje się w nich technikę mikroprocesorową. Przekaźniki czasowe służą do realizowania funkcji czasowych w układach stykowo-przekaźnikowych. Zwykle umożliwiają nastawianie trzech parametrów: realizowanej funkcji, podstawy czasowej i odmierzanego czasu.
Ich podstawowe funkcje to:
Opóźnione załączanie
Po podaniu napięcia zasilającego jest odmierzany nastawiony czas. Gdy upłynie zadany czas, przekaźnik wyjściowy włączy się i pozostanie w tym stanie aż do wyłączenia napięcia zasilającego.
Opóźnione wyłączanie
Po podaniu napięcia zasilającego przekaźnik wyjściowy zostaje włączony. Równocześnie rozpoczyna się odmierzanie nastawionego czasu. Po upływie zadanego czasu przekaźnik wyjściowy się wyłączy.
Łączniki sterownicze
W układach sterowania stosowane są różnego rodzaju przyciski sterownicze, wyłączniki krańcowe i inne aparaty elektryczne w zależności od funkcji, jaką ma pełnić układ. Użytkownik dzięki zastosowaniu łączników sterowniczych może załączyć, wyłączyć lub zmienić parametry pracy urządzenia. Łączniki są wykorzystywane w stanie normalnej pracy oraz w stanie awaryjnym i stanowią istotny element zapewnienia bezpieczeństwa podczas obsługi urządzeń. Ze względu na sposób działania wyróżnia się dwa typy łączników (symbole łączników sterowniczych według PN-EN 60617):
Łączniki monostabilne, w których po zwolnieniu przycisku sprężyna powoduje samoczynny powrót styków do stanu stabilnego.
Łączniki bistabilne, w których brak jest sprężyny odbijającej, a łącznik działa na zasadzie przełączania pomiędzy co najmniej dwoma stanami.
Sposoby oddziaływania na łącznik:
Symbol ogólny:
Oddziaływanie mechaniczne przez pociągnięcie:
Oddziaływanie mechaniczne przez wciśnięcie:
Oddziaływanie mechaniczne przez obrót:
Oddziaływanie mechaniczne przez napęd nożny:
Zabezpieczenia układów sterowania
Rodzaje zabezpieczeń:
- zwarciowe — chronią urządzenia przed skutkami przepływu nadmiernego prądu w wyniku zwarć w zasilaniu (prądem zmiennym bądź stałym) urządzenia lub zwarć w samym urządzeniu (np. w uzwojeniach maszyn elektrycznych czy podzespołach urządzeń elektrycznych);
- przeciążeniowe — chronią urządzenia przed skutkami przepływu prądu nieznacznie przekraczającego ich prąd znamionowy, co może być wynikiem przekroczenia parametrów znamionowych zasilania lub niekorzystnych warunków cieplnych (np. niedostatecznego chłodzenia);
- zanikowe — chronią urządzenia przed skutkami pojawienia się niesymetrii, zaniku i nagłego powrotu napięcia zasilającego (jest to szczególnie ważne w przypadku silników indukcyjnych);
- przepięciowe — chronią urządzenia przed skutkami pojawienia się impulsów napięciowych podczas wykonywania czynności łączeniowych w obwodach elektrycznych.
Bezpiecznik topikowy:
Przekaźnik cieplny:
Przekaźnik nadprądowy:
Przekaźnik podnapięciowy:
Zasady rysowania schematów układów elektrycznych
Aby wykonać dowolny układ elektryczny i elektroniczny, należy znać zasady działania takiego układu. Niezbędna jest do tego znajomość symboli graficznych i przeznaczenia elementów układu. Wiedza z tego zakresu jest przydatna podczas analizy układu na podstawie schematów ideowych, funkcjonalnych i montażowych urządzeń, instalacji oraz systemów sterowania. Dla potrzeb projektowania, montażu, eksploatacji i napraw układów sterowania posługujemy się między innymi schematami ideowymi i montażowymi tych układów. Zgodnie z polską normą schematy ideowe należą do grupy schematów funkcjonalnych i mają za zadanie przedstawić pełny zestaw elementów funkcjonalnych i połączeń między nimi. Schematy ideowe stanowią podstawę do obliczeń, tworzenia dokumentacji konstrukcyjnej, wykorzystywane są do rozruchu, eksploatacji, napraw urządzeń itp. Przy rysowaniu schematów sterowania elektrycznego obowiązują następujące zasady:
- Obwód sterowania i obwód prądowy rysuje się oddzielnie.
- Obwody są przedstawiane w stanie beznapięciowym.
- Symbole elementów muszą być zgodne z normą.
- Gałęzie obwodu sterowania rysuje się prostopadle między przewodami zasilającymi i kolejno numeruje.
- Symbole elementów umieszcza się prostopadle do przewodów zasilających, a połączenia pomiędzy gałęziami prowadzi się poziomo.
- Wszystkie części (cewki, styki) należące do tego samego elementu muszą mieć identyczną nazwę.
- Nazwy elementów elektrycznych są umieszczane z lewej strony elementu.
- Numery (np. styków, cewek) umieszcza się z prawej strony elementu.
- Pod cewkami styczników i przekaźników rysuje się przynależne do danego elementu styki.
Montaż układów sterowania elektrycznego
Przewody elektryczne przewodzą prąd elektryczny (przesyłają energię) oraz łączą źródło napięcia z odbiornikami elektrycznymi, urządzeniami pomiarowymi, sygnalizacyjnymi, elektronicznymi. Najczęściej spotykane w układach sterowania przewody to drut oraz linka.
Parametry przewodów:
- Przekrój poprzeczny przewodu (mm2) — jest to wielkość znormalizowana i przyjmuje wartości: 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 625; 800; 1000 m2.
- Napięcie znamionowe (V) — wartość napięcia znamionowego przewodu elektroenergetycznego może wynosić: 300/300, 300/500, 450/750 lub 600/1000 V. Pierwsza liczba przed ukośnikiem określa dopuszczalną wartość skuteczną napięcia przemiennego między żyłą a ziemią, natomiast druga liczba określa dopuszczalne napięcie między żyłami. Jest to wartość napięcia, przy której pole elektryczne wytworzone podczas pracy nie uszkodzi izolacji przewodów. Izolacja żył przewodu zapewnia odizolowanie części przewodzących, chroni przewód przed szkodliwym działaniem środowiska, oddziela żyły oraz chroni ludzi przed porażeniem.
Połączenie przewodów w układzie sterowania polega na silnym docisku przewodu z innym przewodem lub zaciskiem i powinno się charakteryzować małą rezystancją. Połączenia elektryczne powinny zapewnić ciągłość elektryczną, dużą wytrzymałość mechaniczną oraz pewność połączenia. Do wszystkich połączeń powinien być zapewniony dostęp, aby umożliwić naprawę, oględziny lub wymianę przewodu. Skutkiem niewłaściwego lub niedokładnego wykonania połączenia elektrycznego może być przerwa w obwodzie, iskrzenie (przy niezbyt dokładnym przyleganiu powierzchni), nagrzewanie i wzrost temperatury. Iskrzenie powoduje nadpalanie styków, a w konsekwencji zmniejszenie ich powierzchni. Połączenia wykonuje się jako rozłączalne, aby umożliwić odłączenie przyrządu lub wymianę uszkodzonego przewodu.
Typowe układy sterowania elektrycznego:
Układ realizujący funkcję koniunkcji:
Układ realizujący funkcję alternatywy:
Układ samopodtrzymania:
