درسنامه آموزشی نگهداری و تعمیر سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک کلاس یازدهم مکاترونیک

رشد روز افزون جمعیت، تغییر سبک زندگی به مصرف‌گرایی از جمله عواملی هستند که موجب تولید بیشتر و سریع محصولات در صنایع مختلف گردیده است. امروزه تولید به‌روش سنتی جای خود را به روش‌های تولید اتوماتیک داده است. اتوماسیون در لغت به معنی خودکار کردن، ماشینی کردن و همچنین هدایت دستگاه‌ها یا کامپیوتر نیز معنی می‌دهد. یکی از روش‌های اتوماسیون استفاده از سیستم‌های الکتروپنوماتیک می‌باشد. صنایع گوناگونی مانند بسته‌بندی، دارویی، غذایی، نساجی و چوب از سیستم الکتروپنوماتیک برای اتوماسیون خود بهره می‌برند.

واحد یادگیری 5: شایستگی نصب و را‌ه‌اندازی تجهیزات الکتروپنوماتیکی

آیا تا به حال پی برده‌اید؟

هدف از این شایستگی عبارتند از:

1- آشنایی با سیستم‌های کنترل الکتروپنوماتیک
2- توانایی شناخت شیرهای پنوماتیک برقی
3- استفاده از تجهیزات الکتریکی (رله الکترومکانیکی) در مدارهای الکتروپنوماتیکی
4- توانایی استفاده کاربردی از رله هوشمند در سیستم‌های الکتروپنوماتیکی
5- آشنایی با نمودار حرکتی مدار
6- شناسایی تداخل سیگنال اضافی در مدار
7- حل مسایل الکتروپنوماتیک به دو روش کنترل رله‌ای و رله هوشمند

استاندارد عملکرد

پس از پایان این واحد هنرجویان با سیستم‌های الکتروپنوماتیکی آشنا خواهند شد و قادر خواهند بود برای تولید یک فرایند ساده اتوماسیون مدارهای قدرت و فرمان را بر اساس آموخته‌های خود طراحی و اجرا کند.

با دقت به تصاویر زیر نگاه کنید و به اختلاف سه تصویر بیاندیشید و با هم‌گروهی خود تبادل نظر کنید. این تصاویر عمل سوراخ‌کاری با دریل بر روی قطعه کار را از حالت سنتی تا حالت اتوماتیک نشان می‌دهد. درک مفهوم اختلاف این تصاویر اهمیت اتوماسیون را خصوصا در صنعت نشان می‌دهد.

در سیستم‌های الکتروپنوماتیک از تجهیزات الکتریکی در کنترل وسایل پنوماتیکی بهره می‌برند. همانند سیستم‌های الکتروهیدرولیک تجهیزات الکتریکی مورد استفاده شامل شستی‌ها، سوییچ‌های حدی، رله، سنسورها، تایمر و کانتر می‌باشد که در الکتروپنوماتیک نیز قابل استفاده است.

تنها تفاوت در اجزای این دو مبحث شیرهای پنوماتیک برقی می‌باشد که در ادامه به شرح آن می‌پردازیم. در مبحث الکتروپنوماتیک از تجهیزات قابل‌برنامه‌ریزی ()رله‌های هوشمند) استفاده فراوانی می‌شود که در این فصل سعی بر آن است که در حل مسایل از رله هوشمند نیز استفاده گردد.

ابتدا مروری بر اجزای الکتریکی مورداستفاده در الکتروهیدرولیک و الکتروپنوماتیک که در قالب جداول زیر آورده شده است.

شیرهای پنوماتیک برقی

شیرهای پنوماتیکی که عامل تحریک آن جریان الکتریکی می‌باشد شیرهای پنوماتیک برقی نامیده می‌شود. جریان الکتریکی به سیم‌پیچ (بوبین) شیر اعمال‌شده و موجب به حرکت درآوردن اسپول داخل شیر می‌شود و مسیر عبور جریان هوا را تغییر و یا تنظیم می‌کند.

در سیستم‌های کنترل الکتروپنوماتیک از دو شکل انرژی استفاده می‌شود:

- در بخش کنترل از انرژی الکتریکی
- در بخش قدرت از انرژی پنوماتیکی (جریان هوای فشرده)

شیرهای کنترل جهتی که به‌طور الکتریکی تحریک می‌شوند واسط بین بخش کنترل سیگنال و بخش قدرت می‌باشند. وقتی سیگنال در بخش کنترل پردازش شد به شیرها دستور باز و بسته‌کردن مسیرهای هوا جهت راه‌اندازی عملگرها را صادر می‌کند.

شیر پنوماتیک برقی یک سر بوبین	شیر پنوماتیک برقی دو سر بوبین

مطابق شکل فوق شیرهای پنوماتیکی دارای دو نوع یک سر بوبین و دو سر بوبین هستند. بوبین این شیرها نیز با جریان متناوب و یا مستقیم کار می‌کند.

یکی از مشخصه‌های مهم در انتخاب شیرها میزان گذردهی سیال از آن می‌باشد. بدهی است که سیلندرهای بزرگ برای حرکت خود نیاز به مقدار هوای بیشتر و سیلندرهای کوچک به مقدار هوای کمتری نیاز دارند. بر این اساس شیرهای مورد استفاده با توجه به دبی هوا برای سیلندر بایستی اندازه ورودی و خروجی مشخصی داشته باشند که به آن اندازه نامی گفته می‌شود. سایز دهانه مقدار هوای مشخصی را از خود عبور می‌دهد. دهانه ورودی و خروجی شیرهای پنوماتیک با سایزهای "1/4 و "1/2 و "3/8 و "1 و... اینچ به بازار عرضه می‌شوند.به عنوان مثال سایز دهانه "1/4 اینچ با قطر شلنگ 4 میلی‌متر مقدار هوادهی 500 لیتر بر دقیقه را خواهد داشت. عدم انتخاب صحیح سایز شیر موجب افت فشار در شیر شده و در نهایت بر روی سرعت حرکت سیلندر تاثیرگذار خواهد بود.

یکی دیگر از مشخصه‌های مهم در شیرهای برقی پنوماتیک زمان پاسخ در شیر می‌باشد و آن به این مفهوم است که مدت زمانی که بین تحریک کنتاکت و سوئیچ‌شدن شیر طول می‌کشد را زمان پاسخ می‌نامند.

علامت اختصاری	نوع شیر	تصویر
	شیر یک سر بوبین پیلوتی همراه با کنترل دستی
	شیر دو سر بوبین بدون پیلوت
	شیر دو سر بوبین پیلوتی همراه با کنترل دستی

همان‌طور که در تصاویر فوق مشاهده می‌شود بعضی از شیرها دارای پیلوت هستند. پیلوت‌داربودن یک شیر بدین معنی است که علاوه‌بر حرکت اسپول توسط بوبین الکتریکی جریان هوای فشرده نیز به حرکت اسپول کمک اسپول کمک می‌کند تا سرعت حرکت و قدرت عملکرد شیر بالاتر رود.

تکنیک طراحی مدار

اصول طراحی و ترسیم مدارهای پنوماتیک جدای از نحوی کنترل آن یکسان بوده و آنچه که تعیین‌کننده در یک مدار می‌باشد حرکت سیلندرها و ترتیب آن‌ها می‌باشد. در فصل دوم مدارهای ساده‌ای از پنوماتیک را آموخته و بر روی تابلوی آموزشی بسته‌اید. آیا تا به حال به این موضوع فکر کرده‌اید که چگونه بایستی یک مدار را طراحی کنیم و آن را ترسیم کنیم.

برای ایجاد یک مدار الکتروپنوماتیک مراحلی را قبل از دست‌یابی به مدار بایستی در نظر گرفت. این مراحل عبارتند از:

1- ترسیم کروکی از دستگاه:

بدین معنی که قبل از هر چیز ساختار و کلیات دستگاه بایستی ترسیم شود. معمولاً یک طرح دستی (اسکیج) از دستگاه موردنظر ترسیم کرده و موقعیت سیلندرها برای تامین حرکت موردنظر جاسازی می‌شود.

2- تعیین عمل‌کننده‌ها: 

برای دستیابی به حرکت و مکانیزم حرکتی مورد نظر باید تعیین شود که چند عمل‌کننده (سیلندر() برای تامین آن حرکت نیاز است. برای مثال برای فرایند سوراخ‌کاری حداقل دو سیلندر برای نگهداری قطعه و حرکت دریل مورد نیاز است.

3- نام‌گذاری عمل‌کننده‌ها:

عملگرها را معمولا حروف‌گذاری کرده و با حروف بزرگ لاتین نام‌گذاری می‌شوند مثلا A,B,C.

4- تعیین تابع حرکتی عمل‌کننده‌ها:

در بسیاری از تجهیزات اتوماسیون که با سیستم پنوماتیک کار می‌کنند چندین سیلندر پنوماتیکی با ترتیبی خاص و مشخص عمل‌کرده و فرایندکاری را کامل می‌کنند. نحوه‌ی ارتباط بین سیلندرها و شناخت مدار اهمیت زیادی دارد فلذا شرح مسئله و فرایند کار بایستی به گونه‌ای ساده و قابل فهم بیان شود. به همین منظور حرکت سیلندرها را به دو شکل مثبت شدن و منفی شدن تقسیم‌بندی می‌کنند. (مثبت‌شدن به معنی بیرون آمدن پیستون سیلندر و منفی‌شدن به معنی برگشت پیستون سیلندر می‌باشد)

تشریح لغوی یک حرکت عبارتست از فرموله‌کردن یا جمله‌نویسی‌کردن حرکت می‌باشد. این عمل موجب می‌شود ترتیب حرکت سیلندرها مشخص شود. پس از نام‌گذاری عملگر با حروف A,B,C تابع حرکت سیلندرها نوشته می‌شود.

به عنوان مثال سیلندر A مفروض است با زدن کلید استارت سیلندر به جلو حرکت کرده و سپس به‌طور اتوماتیک به عقب بازگردد. تابع حرکتی آن به‌صورت (-A+A) خواهد شد.

عبارت -A+B+B-A بدین معنی است که ابتدا سیلندر A به جلو حرکت کرده سپس سیلندر B به جلو حرکت کرده و بعد از آن سیلندر B به عقب بازگشته و بعد سیلندر A به عقب باز می‌گردد.

در صورتی که دو حرکت به‌طور همزمان صورت گیرد حروف مربوطه را زیر هم به‌صورت عمودی می‌نویسند. 

مثال: سیستم سوراخ‌کاری پنوماتیکی که دو جک A,B به‌طور هم‌زمان فک‌های گیره را به جلو رانده و سپس جک C موتور دریل را پیش می‌برد و در نهایت ابتدا جک‌های A,B و سپس جک C به عقب بازگردند.

-A+ C+ A- C
-B+B

5- تعیین عوامل حسی دستگاه:

برای این‌که بتوان حرکت ایجادشده اتوماتیک باشد و یا ترتیب خاصی را داشته باشد از عوامل حسی مانند شیرهای غلطکی، میکروسوییچ‌ها و یا سنسورها استفاده می‌شود. عوامل حسی را معمولاً با حروف کوچک حروف‌گذاری می‌کنند مثلاً a0 و a1 و b1 و ...

6- ترسیم دیاگرام حرکتی:

این نمودار حرکت سیلندرها را در مراحل یا گام‌های مختلف نشان می‌دهد به عبارتی ترتیب عمل‌کردن سیلندرها بر روی این نمودار مشخص می‌شود.

برای ترسیم نمودار حرکت سیلندرها دو محور عمودی و افقی ترسیم کرده که در محور افقی مراحل کار یا حرکت سیلندر و محور عمودی نام یا شماره سیلندر درج می‌شود. به عنوان مثال برای حرکت دو سیلندر BA با تابع حرکتی -A+B+B-A نمودار حرکت سیلندرها به شکل زیر خواهد شد.

در مرحله اول سیلندر A به بیرون حرکت کرده (+A) سپس در همان حالت باقی می‌ماند و در مرحله دوم سیلندر B به جلو حرکت کرده در مرحله سوم سیلندر B به عقب بازگشته و در مرحله چهارم سیلندر A نیز به عقب باز می‌گردد. نمودار بالا برای یک سیکل‌کاری طراحی شده است و این سیکل به همین ترتیب تکرار می‌شود.

7- دیاگرام فرمان

هدف از ترسیم این دیاگرام بررسی موقعیت و وضعیت فرمان‌دهنده‌ها در مدارات پنوماتیک می‌باشد. به‌طوری که موقعیت فیزیکی هر فرمان‌دهنده و عامل تحریک آن در دیاگرام مشخص شود.

برای ترسیم دیاگرام فرمان برای هر فرمان‌دهنده اعم از شیرهای غلطکی و یا میکروسوییچ‌ها و یا سنسورها، دو خط موازی رسم می‌کنیم خط بالا حالت فعال‌بودن و خط پایین معرف قطع سیگنال فرمان می‌باشد.

در این دیاگرام فرمان‌دهنده a0 در مرحله اول یک سیگنال لحظه‌ای ارسال می‌کند و فرمان‌دهنده a1 در مرحله سوم تا چهارم سیگنال پیوسته ارسال خواهد کرد و فرمان‌دهنده b1 نیز از مرحله دوم تا سوم در حال ارسال سیگنال خواهد بود.

8- انتقال عوامل حسی بر روی دیاگرام حرکتی:

عوامل حسی شامل میکروسوییچ‌ها و سنسورها و شیرهای غلطکی می‌باشند. این عوامل بر روی مدار همراه با یک حرف یا شماره علامت‌گذاری می‌شوند. توسط فلش‌ها و علایم خاصی این عوامل را بر روی نمودار حرکتی نشان می‌دهند. این عمل بدین خاطر است که تغییر جهت حرکت یک سیلندر بر اساس چه عاملی صورت گرفته است. این علایم مطابق جدول زیر می‌باشد.

علامت	نام علامت	شرح
	Signal line	خطوط سیگنال: این خطوط از روی نقطه‌ای که سیگنال شروع می‌شود ترسیم و به نقطه‌ای که تغییر وضعیت صورت می‌گیرد خاتمه می‌یابد.
	Input element (limit Switch)	المان ورودی میکروسوییچ: معمولاً این علامت از نقطه‌ای که میکروسوییچ عمل می‌کند و سیگنال ارسال می‌کند ترسیم می‌شود.
	OR condition	انشعاب به‌صورت منطق OR
	AND condition	انشعاب به‌صورت منطق AND
	Signal branching	خطوط سیگنال فرعی
	ON/Start	کلید ON یا کلید Start
	OFF/Stop	کلید OFF
	ON/OFF	کلید روشن و خاموش ON/OFF

9- ترسیم مدار فرمان الکتریکی

برای ترسیم مدار فرمان ابتدا باید مشخص شود که نوع کنترل الکتریکی مدار چیست. استفاده از رله‌های الکترومکانیکی و یا استفاده از تجهیزات قابل برنامه‌نویسی. برای ایجاد مدار فرمان استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌ساز بسیار موثر است. آشنایی با علایم اختصاری و نحوه‌ی سیم‌بندی و اتصال آن‌ها در ترسیم مدار فرمان ضروری است.

10- ترسیم مدار قدرت:

مدار قدرت همان مداری است که مجموعه مکانیکی را شامل می‌شود مانند سیلندرها، شیرهای راه‌دهنده و شیرهای منطقی و کنترلی. آشنایی با علایم اختصاری و نحوه‌ی عمل کرد و ورودی و خروجی‌های این تجهیزات نیز برای طراحی مدار ضروری است.

تداخل سیگنال

یکی از نکات مهم در طراحی مدارهای کنترل پنوماتیک که در آن‌ها چندین سیلندر طبق برنامه معین حرکت می‌کنند، پیشگیری از ورود دو فرمان متناقص (متداخل) به شیر کنترل جهت یک سیلندر است که تداخل سیگنال نامیده می‌شود. دیاگرام کنترل یا دیاگرام فرمان ابزار مهمی برای تشخیص تداخل سیگنال می‌باشد.

با یک مثال مفهوم تداخل سیگنال را بیان می‌کنیم. برای عملیات سوراخ‌کاری از دو سیلندر A,B استفاده شده‌است. تابع حرکت این دو سیلندر به‌صورت -A+B+B-A می‌باشد. سوئیچ‌های مرزی بر روی سیلندر A عبارتند از a0, a1 و سوئیچ‌های مرزی سیلندر B عبارتد از b1 , b0

مدار به شکل زیر عمل خواهد کرد.

دیاگرام حرکت و دیاگرام فرمان عملکرد مدار به شکل زیر خواهد بود.

همان‌طور در دیاگرام‌ها مشاهده می‌شود در مرحله سوم در حالی که سوییچ a1 درگیر بوده و در حال ارسال سیگنال به شیر مربوط برای جلوبردن سیلندر B می‌باشد. یک لحظه سوییچ b1 نیز فرمان بازگشت سیلندر B را صادر می‌کند و این همان تداخل سیگنال بوده و مدار در این حالت به خوبی عمل نخواهد کرد و حرکتی صورت نمی‌گیرد.

روش‌های مختلفی برای رفع تداخل سیگنال وجود دارد که شرح آن‌ها در مقاطع بالاتر تحصیلی خواهید آموخت. اما به‌طور خلاصه می‌توان به روش‌های زیر اشاره کرد: 

1- استفاده از روش گروه‌بندی یا روش Cascade
2- استفاده از شیرهای غلتکی برگشت خلاص
3- طراحی مدار
4- استفاده از تایمر پنوماتیکی کشنده سیگنال
5- استفاده از شیر حافظه‌دار کمکی
6- استفاده از تاکت‌های زنجیره‌ای

به کمک هر کدام از روش‌های فوق می‌توان تداخل سیگنال اضافی را برطرف کرد.

استفاده از رله هوشمند در طراحی مدارهای الکتروپنوماتیک:

آنچه که تاکنون درباره کنترل تجهیزات پنوماتیکی و هیدرولیکی خوانده‌اید بیشتر کنترل رله‌ای (رله الکترومکانیکی) بوده است. یک دیگر از تجهیزاتی که در کنترل این‌گونه تجهیزات قابل استفاده بوده و فراوانی بیشتری دارد رله هوشمند (تجهیزات قابل برنامه‌ریزی) می‌باشد. استفاده از رله هوشمند علاوه بر اینکه از نظر هزینه به‌صرفه می‌باشد از نظر سیم‌بندی و سرهم‌کردن تجهیزات نیز ساده‌تر و به زمان کمتری نیاز دارد.

رله هوشمند	سیم بندی خطوط تغذیه و خروجی رله هوشمند

همان‌طور که در فصل اول خوانده‌اید رله هوشمند با استفاده از توابع منطقی که برنامه‌نویسی می‌شوند کار می‌کنند. این توابع در مسایل الکتروپنوماتیک به‌راحتی و با کمترین هزینه قابل استفاده هستند. توابعی که عمدتاً در الکتروپنوماتیک از آن بهره می‌بریم عبارتند از: Xor, Nor, Nand, Or, And, No, Yes و تایمرها و کانترها می‌باشند.

در ادامه شرح و استفاده از توابع منطقی با استفاده از رله هوشمند در مسایل الکتروپنوماتیک را پی می‌گیریم.

الف) استفاده از تابع And در حل مسایل الکتروپنوماتیک

همان‌طور که از قبل آموختید تابع منطقی And برای ارسال سیگنال از دو یا چند نقطه همزمان استفاده می‌شود. مداری که بر اساس And طراحی شده باشد وقتی خروجی دارد که تمام ورودی‌ها همزمان ارسال سیگنال کنند. 

ب) استفاده از تابع منطقی OR در مسایل الکتروپنوماتیک:

برای کنترل یک سیلندر از دو یا چند نقطه می‌توان از این تابع منطقی بهره برد.

ج) استفاده از تابع منطقی (مدار خود نگهدار) Latching Relay

این تابع دارای دو ورودی S (SET) و R (RESET) می‌باشد. با تحریک پایه S خروجی پایدار خواهد داشت و برای غیر فعال‌کردن آن کافی است یک سیگنال به ورودی R ارسال شود.

د) استفاده از تابع منطقی Nand در مسایل الکتروپنوماتیک:

این تابع وقتی خروجی دارد که حداقل یکی از ورودی‌ها صفر باشد. در این تابع از دو نقطه هم‌زمان نمی‌توان فرمان صادر کرد.

ه‍) استفاده از تابع منطقی NOR در مسایل الکتروپنوماتیک:

تابع منطقی Nor هنگامی خروجی دارد که ورودی‌های تابع هیچ سیگنالی ارسال نکنند. به عبارتی تا وقتی که هیچ ورودی‌ای به مدار اعمال نشده باشد مدار خروجی مثبت دارد.

و) استفاده از تابع منطقی XOR در مسایل الکتروپنوماتیک:

تابع منطقی Xor در مواردی که نیاز باشد از دو نقطه به‌طور مجزا یک سیلندر تحریک شود استفاده می‌شود.

ز) استفاده از تایمر تاخیر در قطع و وصل در مسایل الکتروپنوماتیک:

تایمرها با انواع گوناگونی که دارند در سیستم‌های الکتروپنوماتیک استفاده فراوانی می‌شوند. مکث‌کردن سیلندر در ابتدا و انتهای کورس، تاخیر در اجرای فرمان و یا تاخیر در قطع فرمان از جمله مواردی هستند که در یک سیستم پنوماتیکی استفاده می‌شوند.

ک) استفاده از کانتر یا شمارنده در مسایل الکتروپنوماتیک:

کانتر یا شمارنده جهت شمارش و یا تعداد سیگنال ارسالی در سیستم‌های الکتروپنوماتیک استفاده می‌شود. فرضا برای شمارش تعداد ضربه سیلندر و یا تعداد قطعه عبوری از جلوی یک سنسور می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.