Projektowanie stykowo-przekaźnikowych i bramkowych układów przełączających

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z asortymentem, budową i funkcjonowaniem elementów układów stykowo-przekaźnikowych i bramkowych, metodyką realizacji funkcji logicznych w technice stykowo przekaźnikowej, nabycie praktycznych umiejętności związanych z formułowaniem zadań sterowania, formułowaniem matematycznego opisu działania układów przełączających, metodyką minimalizacji funkcji logicznych, projektowaniem i badaniem układów sterowania w technice stykowo-przekaźnikowej i technice elektronicznych elementów logicznych.

Niezbędna znajomość zagadnień: algebra Boole’a, formułowanie funkcji logicznych w postaci tablic Karnaugha, minimalizacja funkcji logicznych, zjawiska hazardu statycznego, systemy funkcjonalnie pełne, przerzutniki asynchroniczne – definicje, opis matematyczny, symbolika pneumatycznych zaworów rozdzielających, synteza układów przełączających z elementów NAND, synteza asynchronicznych układów sekwencyjnych.

Wprowadzenie

A. Układy przekaźnikowe

Przekaźnik stykowy jest urządzeniem mającym zestyk lub kilka zestyków, których stan (zwarcie lub rozwarcie) zależy od wartości sygnału wejściowego oddziałującego na przekaź­nik.

Stan, w którym na przekaźnik nie działają sygnały zewnę­trzne nazywa się stanem normalnym przekaźnika. Stąd wynikają nazwy zesty­ków stosowanych w przekaźnikach:

-          zestyk normalnie otwarty (no), zwany także zestykiem zwiernym, który tworzą dwa styki, w stanie normalnym nie stykające się ze sobą (rys. 1a)

-          zestyk normalnie zwarty (nz), zwany także zestykiem rozwiernym, tworzą dwa styki stykające się w stanie normalnym (rys. 1b),

-          zestyk przełączny tworzą trzy styki pełniące rolę zestyku no i nz (rys. 1c).

Ze względu na spełnianą funkcję w układzie prze­kaźnikowym rozróżnia się:

-          przekaźniki wejściowe, umożliwiające przyjmowanie przez układ sygnałów zewnętrznych; są to przekaźniki sterowane ręcznie, mechanicznie, magnetycznie, przekaźniki temperatury, ciśnienia itp. (rys. 2),

-          przekaźniki pośredniczące, służące do przetwarzania sygnałów dostarczanych przez przekaźniki wejściowe (rys. 3),

-          przekaźniki wyjściowe (wykonawcze), zwane także stycznikami, przystosowane pod względem mocy do sterowania elementami wykonawczymi np. silnikami, hamulcami, grzejnikami itp. (rys. 4).

Rys. 1. Rodzaje zestyków: a) – zestyk normalnie otwarty, b) - zestyk normalnie zwarty, c) – zestyk przełączny

Rys. 2. Przykłady przekaźników wejściowych

Rys. 3. Przekaźnik pośredniczący

Aktualnie w automatyce najczęściej wykorzystywane są przekaźniki prądu stałego tzw. obojętne, sterowane sygnałem o napięciu 24V.

Rys. 4. Przekaźnik wyjściowy (wykonawczy, stycznik)

Przekaźniki wykonawcze są wyposażone w zestyki przystosowane do przewodzenia odpowiednio dużych prądów, niezbędnych do zasilania różnego rodzaju urządzeń. W celu uniknięcia powstawania łuków elektrycznych zwora rozwiera obwód prądu w dwóch miejscach.

W najprostszych przypadkach przekaźnikowy układ przełą­czający zbudować można wykorzystując tylko przekaźniki wejściowe. Przy­kłady takich układów, w których wielkością wyjściową jest stan Y żarówki sygnalizacyjne (żarówka świeci albo nie świeci), poka­zano na rys. 5. W układzie z rys. 5a żarówka świeci (stan logiczny 1) wtedy, kie­dy na przekaźnik wejściowy (np. przycisk ręczny) wyposażony w no zestyk a od­działuje sygnał o wartości 1; układ realizuje funkcję powtórzenia.

W układzie z rys. 5b przekaźnik wejściowy wyposażony jest w zestyk nz. Żarówka świeci wtedy, kiedy wartość sygnału wejściowego jest 0; układ realizuje negację sygnału wejściowego. Alternatywę i koniunkcję sygnałów wejściowych realizu­je się przez odpowiednio równoległe i sze­regowe połączenie zestyków przekaźników wejściowych (rys. 5c,d). Taki sposób rea­lizacji alternatywy i koniunkcji rozsze­rzyć można na dowolną liczbę argumentów. Za­tem dowolną funkcję logiczną zapisaną przy użyciu symboli funkcji negacji, alternatywy i ko­niunkcji zrealizować można metodą szeregowo-równoległego łączenia zestyków no i nz przekaźników wejściowych. Przeszkodą może być zbyt mała liczba zestyków, w które wyposażone są przekaźniki wejściowe. W celu uzyskania potrzebnej liczby zestyków, odpo­wiadających temu samemu sygnałowi wejściowemu stosuje się przekaźniki pośredniczące wyposażone zwykle w kilka zestyków no i nz - rys. 6b. Ze względu na małą obciążalność zestyków przekaźników wejściowych w praktyce przekaźniki te wykorzystuje się jedynie do sterowania cewkami odpowiednio dobranych przekaźników pośredniczących; potrzebną funkcję logiczną realizuje się tworząc odpowiedni układ zestyków przekaźników pośredniczących.

Rys. 5. Układy przekaźnikowe realizujące elementarne funkcje logiczne

Przekaźniki pośredniczące stosuje się w celu:

-  uzyskania potrzebnej liczby zestyków, odpo­wiadających temu samemu sygnałowi wejściowemu,   

-  przetwarzania sygnałów o małej mocy na równoważne, lecz większej mocy,

-  przekazywania sygnałów pomiędzy obwodami o różnych napię­ciach lub innych rodzajach prądu (stały - zmienny),

-  realizacji sprzężeń zwrotnych w przekaźnikowych układach sekwencyjnych.

Przykłady układów przekaźnikowych wykorzystujących przekaźniki pośredniczące pokazano na rys. 6.

Rys. 6. Układy przekaźnikowe z przekaźnikami pośredniczącymi

Należy zwrócić uwagę na to, że jednostka konstrukcyjna ja­ką jest przekaźnik, reprezentowana jest na schemacie przez nie powiązane ze sobą symbole: cewki (prostokąt) i zestyków.  Dlatego też w celu identyfikacji elementów danego przekaźnika w układzie je­go cewkę i zestyki oznacza się takimi samymi symbolami.

Przekaźniki pośredniczące wykorzystuje się w układach z elektronicznymi czujnikami bezstykowymi – rys. 7 i 8.

Rys. 7. Działanie i sposób wykorzystania w układzie przekaźnikowym kontaktronowego czujnika położenia tłoka siłownika

Analogicznie jak pokazany na rys. 8 czujnik indukcyjny wykorzystuje się bezstykowe czujniki pojemnościowe i optyczne.

Rys. 8. Budowa –a) i sposób wykorzystania w układzie przekaźnikowym indukcyjnego czujnika zbliżeniowego

Układy przekaźnikowe, w których występują jedynie szeregowe i równoległe połączenia zestyków nazywają się układami kla­sy . Istnieje ponadto możliwość tworzenia układów mostkowych, zwanych także układami klasy H, w których oprócz połączeń sze­regowych i równoległych występują połączenia międzygałęziowe. Układ klasy H,  zwany mostkiem elementarnym pokazano na rys. 9a. Odpowiadający mu układ klasy pokazano na rys. 9b. Zastosowanie układu mostkowego, o ile jest możliwe, prowadzi do zmniejszenia liczby zestyków w stosunku do układu klasy .

Rys. 9. Mostek elementarny (układ klasy H) - a) i równoważny układ szeregowo-równoległy (układ klasy ) - b)

B. Zadania do wykonania, dotyczące układów przekaźnikowych

1.      Zbudować układy przekaźnikowe realizujące trójargumentowe funkcje: alternatywę, koniunkcję, NOR, NAND. Jako element wyjściowy wykorzystać lampkę sygnalizacyjną. Przedstawić warianty układów:

a)      z przekaźnikami wejściowymi mającymi tylko zestyk no,

b)     z przekaźnikami wejściowymi wyposażonymi w jeden zestyk no i jeden nz,

c)      układ logiczny jest zbudowany z zestyków przekaźników pośredniczących.

2.      Wykorzystując minimalną liczbę zestyków zbudować układ przekaźnikowy realizujący funkcję oraz funkcje wskazane przez prowadzącego.

3.      Zbudować układy przekaźnikowe: jeden z hazardem statycznym w zerach, drugi z hazardem statycznym w jedynkach. Wskazać w tablicach Karnaugha definiujących działanie tych układów  sytuacje, w której wystąpi zjawisko hazardu statycznego. Wykonać odpowiednie eksperymenty w celu zaobserwowania zjawiska hazardu.

4.      Na podstawie tablic przejść sformułować funkcje przejść przerzutnika wz z dominacją zerowania oraz przerzutnika wz z dominacją wpisywania; naszkicować układy przekaźnikowe spełniające funkcje tych przerzutników i zrealizować fizycznie te układy.

5.      Naszkicować schematy przekaźnikowych układów sterowania napędami elektropneumatycznymi wg rys. 10 a i b. Układ powinien zapewnić wysunięcie siłownika po chwilowym wciśnięciu przycisku start i samoczynny powrót do położenia początkowego. Do wykrycia końcowej pozycji siłownika wykorzystać bezstykowy czujnik indukcyjny.

Rys. 10. Schematy napędów elektropneumatycznych do ćwiczenia 5

C. Stanowisko laboratoryjne do modelowania układów przekaźnikowych

Schemat stanowiska do modelowania układów przekaźnikowych przedstawia rys. 11.

Zawiera ono oprócz gniazd biegunów źródła prądu zestaw przycisków do generowania sygnałów wejściowych, zestaw przekaźników pośredniczących i zestaw lampek sygnalizacyjnych.

Rys. 11. Schemat stanowiska do modelowania układów przekaźnikowych

D. Zadania do wykonania, dotyczące układów z elementów NAND

1.      Wykazać, że funkcja NAND tworzy system funkcjonalnie pełny

2.      Z dwuwejściowych bramek NAND zbudować układy realizujące trójargumentowe funkcje: alternatywę, koniunkcję, NOR, NAND.

3.      Wykorzystując bramki NAND dwu- lub czterowejściowe, zbudować układ realizujący funkcję

4.      Wykorzystując bramki NAND dwu- lub czterowejściowe, zbudować układ o czterech binarnych sygnałach wejściowych a, b, c, d, wytwarzający  sygnał wyjściowy tylko w sytuacji gdy liczba ab jest większa od liczby cd.

5.      Na podstawie odpowiednich tablic przejść zaprojektować i zbudować przerzutniki wz z dominacją zerowania oraz z dominacją wpisywania.

6.      Zaprojektować i zbudować dwójkowy sumator jednopozycyjny.

7.      Zaprojektować i zbudować licznik impulsów o pojemności 2.

E. Stanowisko laboratoryjne do modelowania układów przekaźnikowych układów przekaźnikowych

Schemat stanowiska do modelowania układów przekaźnikowych przedstawia rys. 12.

Stanowisko zawiera:

1, 2 – płyty z dwuwejściowymi elementami NAND,

3, 4 - płyty z czterowejściowymi elementami NAND,

5 – przełączniki bistabilne,

6 – lampki sygnalizacyjne,

7 – listwa z wyjściami przełączników bistabilnych,

8 – listwa z wejściami lampek sygnalizacyjnych,

9 – przełączniki bistabilne generatorów ciągów impulsów,

10 – listwa z wyjściami generatorów ciągów impulsów,

11 – przyciski monostabilne,

12 – listwa z wyjściami przycisków monostabilnych,

...