Bezpieczne sterowanie układami pneumatycznymi polega na odcinaniu i uwalnianiu energii sprężonego powietrza w stanach zagrożenia dla urządzeń i użytkowników.

W układach sterowania pneumatycznego ważne jest prawidłowe działanie elementów sterujących (zaworów) i wykonawczych (siłowników, silników). Oznacza to, że po odcięciu zasilania sprężonego powietrza elementy sterujące i wykonawcze znajdą się w położeniu bezpiecznym dla użytkowników. Po ponownym doprowadzeniu sprężonego powietrza nie nastąpi nieprzewidziany ruch zaworu lub siłownika powodujący powstanie jakiegokolwiek zagrożenia. Bezpieczne funkcje sterowania układami pneumatycznymi są realizowane przez różne elementy, takie jak: zawory pneumatyczne i elektropneumatyczne, czujniki ciśnienia i położenia, wyłączniki krańcowe, elementy sterujące oraz techniczne środki ochronne (TŚO).

Zawory z funkcją START i STOP

W układach pneumatycznych stosuje się zabezpieczenie przed ponownym uruchomieniem w przypadku nagłego zaniku ciśnienia (po odcięciu zasilania, pęknięcia przewodów, wyłączania awaryjnego STOP). Procedura ponownego przywrócenia zasilania do układu pneumatycznego może się odbywać przy użyciu zaworów START i STOP. Zawór z funkcją START (3/2 NZ – normalnie zamknięty, sterowany przyciskiem) stosuje się do połączenia zasilania (źródła sprężonego powietrza) z układem pneumatycznym, a zawór z funkcją STOP (3/2 NO – normalnie otwarty, sterowany przyciskiem) stosuje się do odpowietrzenia układu pneumatycznego (wypływ powietrza do atmosfery).

Na rys. 1a-e przedstawiono różne fazy działania zaworów z funkcjami START i STOP, które współdziałają z zaworem PILOT (3/2 NZ, sterowanym pneumatycznie):

a) układ pneumatyczny jest podłączony do źródła zasilania, zawory START i STOP znajdują się w stanie nieprzesterowanym, a zawór PILOT jest w stanie otwartym (rys. 1a);
b) w stanie zagrożenia po naciśnięciu zaworu STOP układ pneumatyczny jest odcięty od źródła zasilania, wtedy zawór PILOT zostanie przesterowany w stan zamknięty (rys. 1b);
c) układ pneumatyczny pozostaje odcięty od źródła zasilania pomimo zwolnienia przycisku zaworu STOP, zawór PILOT nie zmienia swojego położenia (rys. 1c);
d) układ pneumatyczny zostanie podłączony do źródła zasilania po naciśnięciu przycisku zaworu START, zawór PILOT zostanie przesterowany w stan otwarty (rys. 1d);
e) układ pneumatyczny pozostaje podłączony do źródła zasilania po zwolnieniu przycisku zaworu START, zawór PILOT nie zmienia swojego położenia (rys. 1e).

Zabezpieczenie zaworu
przed nieoczekiwanym
uruchomieniem

W przypadku uszkodzenia elektropneumatycznego zaworu rozdzielającego sterowanego pilotem główny suwak tego zaworu może nieoczekiwanie zmienić swoje położenie. W celu uniknięcia takich niebezpiecznych zdarzeń pilot takiego zaworu zasila się dodatkowym zaworem zabezpieczającym z czujnikiem pomiarowym. Na rys. 2 pokazano schemat zabezpieczenia zaworu rozdzielającego 5/2 V2 przed nieoczekiwanym uruchomieniem przez zastosowanie zaworu V1 (3/2 rozdzielającego monostabilnego, sterowanego elektromagnetycznie pilotem) z czujnikiem położenia S1 wykorzystującym zjawisko Halla. W stanie beznapięciowym, w wyniku nacisku sprężyny, zawór V1 znajduje się w położeniu spoczynkowym, z odpowietrzeniem portu 2 (rys. 2a). Po zadaniu napięcia sterującego na cewkę zaworu V1 nastąpi połączenie portu 1 z portem 2 i doprowadzenie sprężonego powietrza do pilota zaworu V2. W tym stanie można podać napięcie na cewkę zaworu V2, do jego przesterowania. Sygnał elektryczny odbierany z czujnika S1 służy do kontroli stanu położenia zaworu V1 (rys. 2b). W przypadku gdy zawór V1 znajduje się w położeniu spoczynkowym (brak napięcia na jego cewce), z czujnika S1 odbiera się sygnał elektryczny. Po podaniu napięcia sterującego na cewkę zaworu V1 sygnał z czujnika S1 zanika.

Zmniejszenie ciśnienia
w układzie pneumatycznym

W stanach zagrożenia, gdy przeszkoda znajdzie się na drodze ruchu tłoczyska siłownika, następuje samoczynne zmniejszenie ciśnienia zasilania do siłownika A (rys. 3). Po wykryciu przeszkody na drodze tłoczyska siłownika A (jednostronnego działania z powrotem sprężynowym) przez czujnik zbliżeniowy S1 sygnał elektryczny generowany przez ten czujnik jest przekazywany do proporcjonalnego regulatora ciśnienia (zaworu redukcyjnego) V2 (trójdrogowego z upustem, sterowanego elektrycznie). Przesterowanie zaworu V2, proporcjonalne do wartości sygnału elektrycznego, powoduje odpowiednie zmniejszenie (redukcję) ciśnienie zasilania do siłownika A. Wtedy nastąpi zatrzymanie ruchu tłoczyska siłownika A lub jego cofnięcie w wyniku nacisku sprężyny powrotnej. Zmniejszanie ciśnienia wystąpi wcześniej, zanim operator zdąży ręcznie przesterować zawór V1 (rozdzielający 3/2) w bezpieczne położenie b, odpowietrzające komorę siłownika A.

Kontrola ciśnienia
w układzie pneumatycznym

Pomiar ciśnienia jest podstawową kontrolą podwyższającą stan bezpieczeństwa sterowania układów pneumatycznych. Pomiar ciśnienia może służyć do kontroli stanu przesterowania zaworów pneumatycznych, wynikającego z ich prawidłowego działania lub uszkodzenia. Na rys. 4 zamieszczono schemat układu pneumatycznego z pomiarem ciśnienia przetwornikami S1 i S2, umieszczonymi na odgałęzieniu przewodów łączących zawór V1 (5/3 rozdzielający, sterowany elektromagnetycznie) z siłownikiem A (dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem). Przetwornikiem S1 mierzy się ciśnienie po lewej stronie siłownika, a przetwornik S2 mierzy ciśnienia po prawej stronie siłownika. A+ oznacza ruch z wysuwaniem tłoczyska siłownika, a A – ruch z wsuwaniem tłoczyska siłownika. Podczas ruchu w kierunku A+ zawór V1 jest przesterowany w położenie a, wtedy mierzone czujnikiem S1 ciśnienie p1 wzrasta, a mierzone czujnikiem S2 ciśnienie p2 zmniejsza się. Podczas ruchu w kierunku A zawór V1 jest przesterowany w położenie b, wtedy mierzone czujnikiem S1 ciśnienie p1 zmniejsza się, a mierzone czujnikiem S2 ciśnienie p2 wzrasta.

Odpowietrzenie
siłownika pneumatycznego

Odpowietrzanie siłowników pneumatycznych stosuje się w przypadku nagłego zagrożenia lub stanu awaryjnego, przez to zwiększa się bezpieczeństwo eksploatacji napędów pneumatycznych. W przypadku ręcznego sterowania przez operatora stosuje się zawory z funkcją START/STOP. Na rys. 5 i 6 przedstawiono schematy sterowania siłowników pneumatycznych A zaworami V2 (5/2 rozdzielającymi, sterowanymi elektromagnetycznie), w przypadkach wsuwania i wysuwania tłoczyska. W zależności od położenia zaworu V2 występuje stan zasilania lub odpowietrzania siłownika A. W układzie ręcznego sterowania zastosowano zawór V1 (3/2 rozdzielający) z funkcją START/STOP. W stanie zasilania siłownika A zawór V1 jest przesterowany przyciskiem START. W stanie odpowietrzenia siłownika A zawór V1 jest przesterowany przyciskiem STOP. W stanie odpowietrzenia siłownika jego tłok i tłoczysko można swobodnie przesuwać ręcznie.

Łagodne zasilanie
układu pneumatycznego

Powolne (łagodne) zasilanie układu pneumatycznego zabezpiecza urządzenia i użytkowników przed nagłym, niebezpiecznym uderzeniem elementów wykonawczych (siłowników) i połączonych z nimi urządzeń w wyniku nagłego wzrostu ciśnienia. Powolne zasilanie siłownika pneumatycznego przez stopniowy wzrost ciśnienia umożliwia jednostka powolnego (łagodnego) startu. Zasadę działania takiej jednostki opisano na przykładzie schematów pneumatycznych przedstawionych na rys. 7a-c. Po przesterowaniu zaworu wstępnego V1 (3/2 rozdzielającego, sterowanego elektromagnetycznie) nastąpi pneumatyczne przesterowanie zaworu głównego V2 (3/2 rozdzielającego). Wtedy wystąpi przepływ sprężonego powietrza do zaworu łagodnego startu V3, który składa się z zaworu różnicowego 2/2 i zaworu dławiąco-zwrotnego. W tej fazie sterowania jest tylko przepływ przez zawór dławiąco-zwrotny do kanału 2, wylotowego z zaworu V3. Jest to stan powolnego narastania ciśnienia w kanale 2, w zakresie p2 < p1/2, który przedstawia schemat na rys. 7a. Stan przesterowania zaworu różnicowego zależy od różnicy ciśnień ∆p = p1 – p2. Ciągły wzrost ciśnienia p2 powoduje powolne przesterowanie zaworu różnicowego, aż do jego całkowitego otwarcia. Po całkowitym otwarciu przepływu zaworu różnicowego szybko wzrasta ciśnienie w kanale 2, do wartości ciśnienia zasilnia p1. Stan ten przedstawia schemat na rys. 7b. Zawór różnicowy pozostaje w położeniu otwartym przez cały czas normalnej pracy roboczej odbiornika (siłownika). Po zakończeniu pracy siłownika wyłącza się elektromagnes zaworu wstępnego V1, który powoduje odpowietrzenia kanału sterującego i przesterowanie mechaniczne (sprężyną) zaworu głównego V2 w położenie odpowietrzania zaworu łagodnego startu V3. Po spadku ciśnienia p2 zawór różnicowy 2/2 zamyka przepływ, a powietrze z kanału wylotowego 2 przepływa zaworem zwrotnym i zaworem głównym V2 do atmosfery. Stan ten przedstawia schemat na rys. 8c.

Siłownik pneumatyczny
z hamulcem

Na rys. 8 i 9 przedstawiono schematy układów pneumatycznych z hamowaniem siłownika A hamulcem pneumatycznym H. Hamulec pneumatyczny H może być wykorzystany do normalnego i awaryjnego zatrzymania siłownika A. Siłownik A sterowany jest niezależnie zaworem V2 (5/2 rozdzielającym, sterowanym elektromagnetycznie). W położeniu a zaworu V2 tłok/tłoczysko przesuwa się w prawo, przykład hamowania wysuwanego tłoczyska przedstawia rys. 8, a w położeniu b zaworu V2 tłok/tłoczysko przesuwa się w lewo, przykład hamowania wsuwanego tłoczyska przedstawiony jest na rys. 9. Po przesterowaniu zaworu V1 (3/2 rozdzielającego) przyciskiem START szczęki hamulca H zaciśnięte na tłoczysku zostaną zwolnione pneumatycznie, odblokowując ruch siłownika A (stan zasilania siłownika). Natomiast po przesterowaniu zaworu V1 przyciskiem STOP szczęki hamulca H zostaną zaciśnięte siłą sprężyny na tłoczysku, zatrzymując ruchu siłownika A (stan odpowietrzania siłownika).

Hamulce pneumatyczne

Hamulce pneumatyczne umożliwiają bezpieczne zatrzymanie ruchomych elementów maszyn stosowanych w przemyśle górniczym, metalowym, papierniczym, tworzyw sztucznych i innych. Rozróżnia się dwa rodzaje hamulców pneumatycznych: pozytywne i negatywne. W hamulcach pneumatycznych pozytywnych zacisk tarcz hamulcowych jest spowodowany działaniem ciśnienia sprężonego powietrza, a w hamulcach pneumatycznych negatywnych zacisk tarcz hamulcowych jest spowodowany siłą sprężyny. Na rys. 10 przedstawiono przykład działania hamulca pneumatycznego pozytywnego. Po przesterowaniu zaworu V1 przyciskiem START sprężone powietrze wypływa z siłownika A do atmosfery, a sprężyna, naciskając na tłok, wymusza jego ruch w prawo, wtedy zostanie zwolniona tarcza hamulca H i zaciśnięta tarcza sprzęgła S (rys. 10a). Po przesterowaniu zaworu V1 przyciskiem STOP sprężone powietrze dopływa do komory siłownika A, powodując przesunięcie tłoka w lewo, wtedy zostanie zaciśnięta tarcza hamulca H i zwolniona tarcza sprzęgła S (rys. 10b). Na rys. 11 przedstawiono przykład działania hamulca pneumatycznego negatywnego. Po przesterowaniu zaworu V1 przyciskiem START sprężone powietrze dopływa do komory siłownika A, powodując przesunięcie tłoka w prawo, wtedy zostanie zwolniona tarcza hamulca H i zaciśnięta tarcza sprzęgła S (rys. 11a).

Po przesterowaniu zaworu V1 przyciskiem STOP sprężone powietrze wypływa z siłownika A do atmosfery, a sprężyna, naciskając na tłok, wymusza jego ruch w lewo, wtedy zostanie zaciśnięta tarcza hamulca H i zwolniona tarcza sprzęgła S (rys. 11b). Zastosowanie hamulca pneumatycznego negatywnego jest uzasadnione względami bezpieczeństwa, ponieważ po zaniku ciśnienia sprężonego powietrza, spowodowanego np. uszkodzeniem przewodu lub przyłączy, nastąpi awaryjne zatrzymanie ruchomych zespołów maszyny.

Przykład
bezpiecznego sterowania
zaciskami pneumatycznymi

Na rys. 12 przedstawiono schemat zacisku pneumatycznego równoległego z jedną ruchomą szczęką. Jest to zacisk (chwytak) kształtowy obejmujący przedmiot walcowy szczękami o odpowiednio dobranym kształcie. W tego typu zaciskach pneumatycznych stosowane są siłowniki A (jednostronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem i powrotem sprężynowym) oraz zawory V1 (3/2 rozdzielające), sterowane elektromagnetycznie lub ręcznie.
Po przesterowaniu zaworu V1 w położenie a sprężone powietrze dopływa do komory siłownika A, powodując przesunięcie tłoka w prawo, aż ruchoma szczęka zaciśnie się na przedmiocie chwytanym (rys. 12a). Po przesterowaniu zaworu V1 w położenie b sprężone powietrze wypływa z komory siłownika A, wtedy sprężyna spowoduje przesunięcie tłoka w lewo, aż ruchoma szczęka zwolni zacisk na chwytanym przedmiocie (rys. 12b).

 



Rys. 1. Układ pneumatyczny:
a) jest podłączony do źródła zasilania,
b) jest odcięty od źródła zasilania po naciśnięciu zaworu STOP (stan zagrożenia),
c) pozostaje odcięty od źródła zasilania pomimo zwolnienia przycisku zaworu STOP,
d) zostanie podłączony do źródła zasilania po naciśnięciu przycisku zaworu START,
e) pozostaje podłączony do źródła zasilania po zwolnieniu przycisku zaworu START

 



Rys. 2. Schemat zabezpieczenia zaworu rozdzielającego przed nieoczekiwanym uruchomieniem

 



Rys. 3. Schemat sterowania układu pneumatycznego z funkcją zmniejszenia ciśnienia w stanie zagrożenia

 



Rys. 4. Schemat sterowania układu pneumatycznego z pomiarem ciśnienia w przewodach siłownika pneumatycznego

 



Rys. 5. Schemat sterowania siłownika z wsuwanym tłoczyskiem:
a) stan zasilania,
b) stan odpowietrzenia

 



Rys. 6. Schemat sterowania siłownika z wysuwanym tłoczyskiem:
a) stan zasilania,
b) stan odpowietrzenia

 



Rys 7. Schematy zespołu łagodnego startu:
a) powolne narastanie ciśnienia,
b) szybki wzrost ciśnienia,
c) odpowietrzanie

 



Rys. 8. Schemat sterowania układu pneumatycznego z hamowaniem wysuwanego tłoczyska: a) stan zasilania,
b) stan odpowietrzenia

 



Rys. 9. Schemat sterowania układu pneumatycznego z hamowaniem wsuwanego tłoczyska:
a) stan zasilania,
b) stan odpowietrzenia

 



Rys. 10. Schemat działania hamulca pneumatycznego pozytywnego

 



Rys. 11. Schemat działania hamulca pneumatycznego negatywnego

 



Rys. 12. Schemat działania zacisku pneumatycznego


W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij