Budowa i działanie układów przekaźnikowo-stycznikowych

Struktura układu sterowania przekaźnikowo-stycznikowego

Układy przekaźnikowo-stycznikowe wykorzystywane są do:

• automatyzacji procesów technologicznych,
• sterowania pracą grupy urządzeń elektrycznych,
• zabezpieczania urządzeń przed uszkodzeniem,
• sygnalizacji stanów pracy urządzeń układów,
• podtrzymania pracy urządzeń,
• blokady – niedopuszczenia do wykonywania błędnych czynności sterowniczych.

Układy automatyki można podzielić na dwa rodzaje:

• układy automatycznego sterowania
• układy regulacji automatycznej

Różnicę między automatycznym sterowaniem a automatyczną regulacją wyjaśniają schematy blokowe.

Rys. 4.1. Schematy blokowe układów: a) automatycznego sterowania, b) automatycznej regulacji
[opracowanie własne]

Sterowanie polega na bezpośrednim lub pośrednim oddziaływaniu na urządzenia kierujące pracą silnika w zależności od zmian określonych wielkości fizycznych (np. napięcia, natężenia prądu, temperatury, ciśnienia, prędkości, przebytej drogi, itp.). W układzie automatycznej regulacji z rysunku 1b pracą obiektu regulacji kieruje układ regulujący (regulator). Automatyczny układ regulacji działa zawsze w tym kierunku, aby wartość mierzona y równała się wartości zadanej x. Elektryczne układy sterowania automatycznego można podzielić na dwie grupy:

• układy sterowania stycznikowo-przekaźnikowe,
• układy sterowania sekwencyjnego (kolejnościowego).

W skład układów przekaźnikowo – stycznikowych wchodzą dwa podstawowe elementy: przekaźniki i styczniki. Dodatkowo stosowane są również urządzenia pomocnicze, jak:

• przyciski (zwierne, rozwierne),
• lampki sygnalizacyjne,
• dzwonki,
• buczki.

W każdym układzie sterowania wyróżnia się dwa obwody:

• obwód roboczy (zwany również głównym lub siłowym) – obwód elektryczny zapewniający bezpośrednią drogę przepływu prądu od źródła energii do urządzenia, które podlega sterowaniu,
• obwód sterowniczy – obwód elektryczny powodujący załączanie lub wyłączanie urządzenia sterowanego.

Budowa i działanie podstawowych elementów układów przekaźnikowo-stycznikowych

Styczniki są elementami wykonawczymi, które włączają w odpowiedniej chwili obwody robocze urządzenia sterowanego. Przekaźniki sterują pracą styczników, powodując wzbudzenie cewek styczników w zależności od określonych czynników – czasu, przebytej drogi, prędkości obrotowej, temperatury, ciśnienia i innych wielkości fizycznych występujących w procesach technologicznych. W zależności od tych czynników rozróżnia się sterowanie w funkcji: czasu, drogi, prędkości itp.

Sterowanie sekwencyjne stosuje się w urządzeniach, w których zachodzi konieczność wykonywania odpowiednich czynności przez podzespoły w ściśle określonej kolejności.

Rys. 4.2. Szkice budowy styczników: a) o prostoliniowym ruchu styków ruchomych: b) o ruchu kołowym 1 – podstawa izolacyjna, 2 – elektromagnes, 3 – zwora elektromagnesu, 4 – styki.
[http://www.zue.pwr.wroc.pl/download/lab_urzadzen/13.pdf]

Styczniki charakteryzuje bardzo prosta konstrukcja łączników i ich napędów, co powoduje, że odznaczają się one bardzo dużą trwałością mechaniczną i dużą częstością łączeń. Styczniki wykonuje się przeważnie z napędem w postaci elektromagnesu z ruchomą zworą, do której są przymocowane styki ruchome. Doprowadzenie napięcia do elektromagnesu powoduje zwarcie styków. Zwarcie trwa tak długo, jak długo podłączone jest napięcie.

Rys. 4.3. Przykład schematu połączeń w styczniku: a) symbol graficzny, b schematyczne przedstawienie budowy stycznika o trzech zestykach zwiernych Z1, Z2, Z3 w obwodzie głównym i po jednym zestyku zwiernym z1 i rozwiernym Z2 w obwodzie pomocniczym [matel.p.lodz.pl/wee/k23/instrukcje_doc/cw_12/CWICZENIE_12.doc]
 

W styczniku występują zestyki obwodu głównego (załączające obwody zasilające silniki prądem elektrycznym o dużej mocy) oraz zestyki obwodu pomocniczego (załączające obwody sygnalizacji lub blokady o mniejszej mocy). Styczniki budowane są na prądy do 400A. Dla większych prądów wykonywane są łączniki zapadkowe. Styczniki budowane są jako styczniki prądu zmiennego, stałego oraz uniwersalne. Duża trwałość mechaniczna i łączeniowa sprawiają, że styczniki są stosowane praktycznie we wszystkich układach napędowych oraz w układach automatyki, blokad i uzależnień.

Przekaźnikami są przyrządy, które pod wpływem zmiany określonej wielkości fizycznej sterują obwodami elektrycznymi. Przekaźniki elektryczne mogą działać pod wpływem zmian natężenia prądu, napięcia, kierunku przepływu prądu, częstotliwości, przesunięcia fazowego, temperatury, ciśnienia, itp.

Rys. 4.4. Zasada działania przekaźnika
[http://www.castrolprofessionalacademy.pl/upload/files/strefa_wiedzy/samochod/instalacja_elektryczna/2011/prz
ekazniki-elektryczne-budowa-zasada-dzialania-sterowanie.pdf]

Przepływ prądu elektrycznego przez uzwojenie elektromagnesu przekaźnika wywołuje powstanie silnego pola magnetycznego w rdzeniu elektromagnesu. Zwora zostaje przyciągnięta do rdzenia i łączy styki przekaźnika. Ten stan określamy jako włączenie przekaźnika. Po przerwaniu przepływu prądu przez cewkę zanika pole magnetyczne i sprężyna powrotna odciąga zworę od rdzenia. Styki przekaźnika ulegają ponownemu rozwarciu. Przekaźnik jest w stanie wyłączonym. Budowa i sposób działania styczników oraz przekaźników są podobne. Różnią się one sposobem wykorzystania: styczniki służą do łączenia obwodów głównych o większym obciążeniu prądowym (np. silników), natomiast przekaźniki mają za zadanie łączenie obwodów pomocniczych (np. sterowniczych, sygnalizacyjnych). Styczniki mogą być wyposażone w przekaźniki cieplne bimetalowe przeznaczone do ochrony silników przed przeciążeniem. Sterowanie styczników odbywa się za pośrednictwem łączników pomocniczych (np. przekaźników) lub przycisków sterowniczych. Stycznik wykorzystywany jest do częstego rozwierania i zwierania obwodu przy normalnych czynnościach eksploatacyjnych silnika, takich jak rozruch, hamowanie, regulacja prędkości obrotowej itp. Układy przekaźnikowo – stycznikowe często są bardzo rozbudowane. Pokazanie sposobu połączeń zacisków poszczególnych styczników i przekaźników na schematach montażowych powoduje konieczność stosowania uproszczeń – stosowanie schematów ideowych. Na schematach ideowych elektrycznych obwód główny rysuje się linią grubą zaś obwód sterujący linią cienką. Poszczególne elementy układu sterującego przedstawia się na tych schematach przy pomocy symboli graficznych. Symbole te rozmieszczone są na schemacie tak, aby połączenia były jak najkrótsze, bez zbędnych krzyżowań i załamań
przewodów.

Tabela 4.1. Symbole graficzne, najczęściej stosowane w schematach elektrycznych, urządzeń sterowniczych i sygnalizacyjnych

[matel.p.lodz.pl/wee/k23/instrukcje_doc/cw_12/CWICZENIE_12.doc]

Schematy rysuje się zawsze w stanie bezprądowym i beznapięciowym. Wyłączniki są w stanie otwartym, a przyciski – nienaciśnięte. Taki stan nazywa się stanem normalnym. W stycznikach i przekaźnikach oraz innych łącznikach elektrycznych (np. przyciski, przełączniki) stosowane są następujące rodzaje zestyków:

• zestyki normalnie otwarte (rozwarte, zwierne) – styki, które są otwarte w stanie beznapięciowym, a zwierają się dopiero po włączeniu prądu do odpowiedniego.
• zestyki normalnie zamknięte (zwarte, rozwierne) – styki, które w stanie beznapięciowym są zamknięte, a rozwierają się z chwilą włączenia prądu do obwodu sterującego.
• zestyki przełączające – para styków, styki normalnie otwarte oraz styki normalnie zamknięte.

Rys. 4.5. Schemat budowy przekaźnika elektrycznego o stykach: 1. normalnie rozwartych, 2. normalnie zwartych, 3. przełączających
[http://www.castrolprofessionalacademy.pl/upload/files/strefa_wiedzy/samochod/instalacja_elektryczna/2011/prz
ekazniki-elektryczne-budowa-zasada-dzialania-sterowanie.pdf]

Rys. 4.6. Schematyczne przedstawienie przekaźników o stykach: 1. normalnie rozwartych, 2. normalnie zwartych, 3. przełączających
[http://home.agh.edu.pl/~fkaszuba/pliki/uk_przek.pdf]

W zależności od wykonywanych funkcji dzielimy przekaźniki na pomiarowe i pomocnicze. Przekaźnik pomiarowy reaguje na wartość wielkości oddziaływującej i ma podziałkę nastawień tej wielkości. Przekaźnik pomocniczy reaguje na pojawienie się lub zanik wielkości oddziaływającej i nie ma podziałki nastawień. Przekaźniki pomocnicze dzielą się na pośredniczące, sygnałowe, czasowe i zwłoczne. Przekaźniki pośredniczące dokonują przełączeń obwodów wyjściowych bezpośrednio pod wpływem zmian sygnału wejściowego przekaźnika. Przekaźniki zwłoczne umożliwiają uzyskanie zwłoki w zadziałaniu przekaźnika potrzebnej do odpowiedniego uruchomienia urządzenia sterowanego. Czas zwłoki jest stały dla określonego przekaźnika. Przekaźniki sygnałowe dodatkowo wyposażone są we wskaźnik optyczny umożliwiający obserwację stanu pracy przekaźnika. Przekaźniki czasowe stosuje się w celu uzyskania opóźnienia czasowego w zadziałaniu elementu (urządzenia) sterowanego tym przekaźnikiem. Wartość opóźnienia czasowego może być nastawiana w zakresie właściwym dla danego przekaźnika. 

Przekaźniki jako zabezpieczenia

Tak jak bezpieczniki chronią przed skutkami zwarć, tak przekaźniki termobimetalowe chronią przed skutkami przeciążeń. Przekaźniki termobimetalowe są najczęściej włączane w obwód sterowania. Elementy termiczne przekaźnika są nagrzewane albo bezpośrednio z głównego obwodu prądowego, albo za pośrednictwem przekładników prądowych. Przekaźnik termobimetalowy składa się z dwóch metalowych pasków o różnej rozszerzalności cieplnej, połączonych na całej długości oraz zestyku rozwiernego. Pod wpływem nagrzewania prądem pasek wygina się w kierunku metali o mniejszej rozszerzalności cieplnej.
Gdy prąd przekroczy nastawioną wartość, wyginający się pasek rozwiera zestyk, powodując przerwę w obwodzie sterowania i tym samym wyłączenie obwodu.

Rys. 4.8. Zasada działania przekaźnika termobimetalowego: 1 – bimetal, 2 – zestyk rozwierny, 3 – zatrzask zestyku
[Kotlarski W., Grad J.: Aparaty i urządzenia elektryczne. WSiP, Warszawa 1995]

W układach sterowania przekaźnikowo-stycznikowego coraz częściej są stosowane przekaźniki programowalne umożliwiające znaczne uproszczenie struktury układów sterowania. Przekaźniki programowalne są to urządzenia łączeniowo-sterujące przeznaczone do sterowania nieskomplikowanych układów automatyki. Algorytm (program sterowniczy) wprowadzony do pamięci przekaźnika może być wielokrotnie zmieniany i modyfikowany. W budowie przekaźników programowalnych wyróżnia się trzy podstawowe człony:

• moduły wejściowe,
• jednostka centralna,
• moduły wyjściowe.

W skład modułów wejściowych wchodzą cyfrowe oraz analogowe wejścia, do których podłącza się sygnały z czujników, styków, zadajników oraz innych urządzeń. Ich zadaniem jest wprowadzenie do przekaźnika tych sygnałów, aby na ich postawie realizować zadany program sterowania. Jednostka centralna (procesor) zajmuje się wykonaniem zapisanego w pamięci algorytmu sterowania, w oparciu o dane wczytane przez moduły wejściowe. Wyniki obliczeń w postaci sygnałów sterujących są następnie przekazywane do modułów wyjściowych. Do programowania przekaźników programowalnych wykorzystuje się komputery lub panele programowania wbudowane w przekaźnik. Program sterowniczy może być wprowadzany za pomocą karty pamięci zewnętrznej.

Rys. 4.9. Schematyczne przedstawienie możliwości zastosowania przekaźnika programowalnego
[http://www.anim.com.pl/comat.htm]

Sygnałami wejściowymi przekaźnika mogą być np.: temperatura, ciśnienie, poziom substancji w zbiorniku, wielkości elektryczne i inne. Sygnały generowane przez przekaźnik programowalny najczęściej są wykorzystywane do sterowania urządzeń w instalacjach ogrzewania, przepływu medium w rurociągach, oświetlenia, wentylacji, napędów. Nowoczesne przekaźniki programowalne mogą drogą bezprzewodową przekazywać informacje o stanie układu sterowanego do centrów rejestracji lub zarządzania przebiegiem procesu realizowanego przez układ.

Rys. 4.10. Przyciski sterownicze
[http://www.sn-promet.com.pl/index.php?strona=katalogi_do_pobrania]

Przycisk sterowniczy umożliwia załączenie i wyłączenie obwodu. Po naciśnięciu Z zamykamy obwód, urządzenie zostaje uruchomione. Po naciśnięciu W przerywamy obwód – urządzenie zostaje zatrzymane. W tym przypadku wszystkie przyciski załączające łączy się równolegle, wyłączające – szeregowo.

Przyciski sterownicze z grzybkiem o kolorze czerwonym stosowane są do awaryjnego wyłączania urządzeń elektrycznych. Mają one eliminować ryzyko zagrożenia dla personelu, uszkodzenia urządzenia lub łagodzenie istniejących zagrożeń ma to być osiągnięte przez jednorazowe użycie przycisku bezpieczeństwa. Łączniki drogowe (krańcowe) spełniają zasadniczo tę samą rolę, co przyciski sterownicze. Różnica polega jedynie na tym, że przyciski sterownicze naciska obsługujący, zaś wyłączniki drogowe uruchamiane są przy pomocy mechanicznie poruszanych zderzaków. Dlatego wyłączniki drogowe muszą być mocniejsze od przycisków sterowniczych i powinny mieć specjalną konstrukcję w zależności od zastosowania.

Rys. 4.12. Łącznik krańcowy
[http://www.tme.eu/pl/katalog/?art=LK-20]

Lampek sygnalizacyjnych używa się w obwodach kontrolnych do bezpośredniego i zdalnego nadzorowania procesów łączeniowych, do wizualizowania i sygnalizowania stanu pracy zespołów oraz poszczególnych urządzeń wchodzących w skład układu sterowania.

Rys. 4.13. Przykłady lampek sygnalizacyjnych
[http://www.sn-promet.com.pl/index.php?strona=katalogi_do_pobrania]
 

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.