Τίτλος Άσκησης: Αλλαγή φοράς περιστροφής τριφασικού Κινητήρα Σύνδεση με την πραγματικότητα Η αλλαγή φοράς περιστροφής ενός τριφασικού κινητήρα χρησιμοποιείται σε πολλές πραγματικές εφαρμογές: • γερανογέφυρες και ανυψωτικά μηχανήματα, • κυλιόμενες πόρτες, • βαρούλκα, • εργαλειομηχανές, • μεταφορικές ταινίες, • μηχανισμούς εμπρός–πίσω, • συστήματα τοποθέτησης και αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής. Για να αλλάξει η φορά περιστροφής ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα, αρκεί να αντιμεταθέσουμε δύο από τις τρεις φάσεις τροφοδοσίας του. Η αντιμετάθεση πραγματοποιείται με δύο ηλεκτρονόμους ισχύος: Κ1: δεξιόστροφη περιστροφή, Κ2: αριστερόστροφη περιστροφή. Οι Κ1 και Κ2 δεν επιτρέπεται να ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα, επειδή η συνδεσμολογία ισχύος μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα μεταξύ φάσεων. Κεντρικό διερευνητικό ερώτημα: Πώς μπορούμε να προγραμματίσουμε ένα PLC ώστε ο κινητήρας να περιστρέφεται με ασφάλεια προς τις δύο κατευθύνσεις, χωρίς να ενεργοποιηθούν ποτέ ταυτόχρονα οι δύο ηλεκτρονόμοι; Οι μαθητές δεν λαμβάνουν εξαρχής ολόκληρο το πρόγραμμα. Καλούνται να το αναπτύξουν σταδιακά, παρατηρώντας τις συνέπειες κάθε επιλογής. Σύνδεση με την προηγούμενη άσκηση Στην προηγούμενη άσκηση μελετήσαμε τη μανδάλωση δύο τριφασικών κινητήρων. Εκεί κάθε ηλεκτρονόμος έλεγχε διαφορετικό κινητήρα. Στην παρούσα άσκηση: • οι δύο ηλεκτρονόμοι ελέγχουν τον ίδιο κινητήρα, • ο Κ1 δημιουργεί τη μία διαδοχή φάσεων, • ο Κ2 αντιμεταθέτει δύο φάσεις, • η ταυτόχρονη ενεργοποίησή τους είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη. Η λογική μανδάλωσης παραμένει παρόμοια, αλλά τώρα αποτελεί κρίσιμο μέτρο προστασίας από βραχυκύκλωμα. Υλικά και εξοπλισμός • PLC με τουλάχιστον 5 ψηφιακές εισόδους και 4 εξόδους. • Τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας. • Δύο ηλεκτρονόμοι ισχύος Κ1 και Κ2. • Μηχανική μανδάλωση μεταξύ Κ1 και Κ2. • Θερμικό προστασίας κινητήρα. • Μπουτόν STOP. • Μπουτόν START ΔΕΞΙΑ. • Μπουτόν START ΑΡΙΣΤΕΡΑ. • Μπουτόν RESET, εφόσον απαιτείται. • Ενδεικτικές λυχνίες. • Κατάλληλες ασφάλειες ή μικροαυτόματοι. • Τροφοδοτικό κυκλώματος ελέγχου. • Υπολογιστής με λογισμικό προγραμματισμού PLC. Ενδεικτική αντιστοίχιση εισόδων και εξόδων Διεύθυνση Στοιχείο Λειτουργία I1 STOP – NC Γενική διακοπή λειτουργίας I2 START ΔΕΞΙΑ – NO Εντολή δεξιόστροφης περιστροφής I3 START ΑΡΙΣΤΕΡΑ – NO Εντολή αριστερόστροφης περιστροφής I4 Θερμικό 95–96 – NC Επιτήρηση προστασίας κινητήρα I5 Βοηθητική επαφή Κ1 Επιβεβαίωση ενεργοποίησης Κ1 I6 Βοηθητική επαφή Κ2 Επιβεβαίωση ενεργοποίησης Κ2 Q1 Πηνίο Κ1 Δεξιόστροφη περιστροφή Q2 Πηνίο Κ2 Αριστερόστροφη περιστροφή Q3 Λυχνία Η1 Ένδειξη δεξιόστροφης λειτουργίας Q4 Λυχνία Η2 Ένδειξη αριστερόστροφης λειτουργίας Η ακριβής αρίθμηση μπορεί να προσαρμοστεί στο PLC του εργαστηρίου. Χαρακτηρισμός εισόδων και εξόδων του PLC Συνδεσμολογία Φάση Α — Παρατήρηση της συνδεσμολογίας ισχύος Οι μαθητές παρατηρούν τις συνδέσεις των ΚM1 και ΚM2 χωρίς να δοθεί τάση στο κύκλωμα ισχύος. Διερευνητική Ερώτηση 1: Ποιες φάσεις οδηγούνται στον κινητήρα μέσω του Κ1; Διερευνητική Ερώτηση 1: Ποιες δύο φάσεις αντιμετατίθενται μέσω του Κ2; Διερευνητική Ερώτηση 1: Τι θα συμβεί στη φορά περιστροφής; Διερευνητική Ερώτηση 1: Τι θα συμβεί εάν κλείσουν ταυτόχρονα οι Κ1 και Κ2; Διερευνητική Ερώτηση 1: Μπορεί το PLC από μόνο του να προστατεύσει πλήρως την εγκατάσταση; Διερευνητική Ερώτηση 1: Γιατί απαιτείται μηχανική μανδάλωση; Αναμενόμενο συμπέρασμα: Η αλλαγή φοράς επιτυγχάνεται με αντιμετάθεση δύο φάσεων. Η ταυτόχρονη ενεργοποίηση των δύο ηλεκτρονόμων πρέπει να αποκλείεται τόσο από το πρόγραμμα όσο και από το ενσύρματο κύκλωμα. Φάση Β — Πρόβλεψη της λειτουργίας Πριν δημιουργηθεί το πρόγραμμα, οι ομάδες συμπληρώνουν τον ακόλουθο πίνακα. Το ερωτηματικό στον ταυτόχρονο χειρισμό δεν συμπληρώνεται αρχικά από τον εκπαιδευτικό. Κάθε ομάδα πρέπει να προτείνει συγκεκριμένη στρατηγική λειτουργίας. Φάση Γ — Πρώτο πρόγραμμα χωρίς αυτοσυγκράτηση Οι μαθητές δημιουργούν αρχικά: I1 ------------------------------------- Q1 I2 ------------------------------------- Q2 Δοκιμή Πατήστε στιγμιαία το START ΔΕΞΙΑ. Αφήστε το μπουτόν. Επαναλάβετε με το START ΑΡΙΣΤΕΡΑ. Διερευνητική Ερώτηση 1: Γιατί η έξοδος απενεργοποιείται όταν αφήνεται το μπουτόν; Διερευνητική Ερώτηση 1: Τι πρέπει να προστεθεί ώστε η εντολή να διατηρείται; Διερευνητική Ερώτηση 1: Ποια διαφορά υπάρχει ανάμεσα σε μόνιμη έξοδο και παλμική εντολή; Οι μαθητές οδηγούνται στην ανάγκη της αυτοσυγκράτησης. Φάση Δ — Προσθήκη αυτοσυγκράτησης Ενδεικτική λογική για τη δεξιόστροφη φορά: Q1 = STOP AND Θερμικό AND (START_ΔΕΞΙΑ OR Q1) Για την αριστερόστροφη φορά: Q2 = STOP AND Θερμικό AND (START_ΑΡΙΣΤΕΡΑ OR Q2) Νέα δοκιμή Οι μαθητές ενεργοποιούν πρώτα τη δεξιόστροφη και, ενώ το Q1 παραμένει ενεργό, πατούν το START ΑΡΙΣΤΕΡΑ. Διερευνητική Ερώτηση 1: Είναι πλέον το πρόγραμμα ασφαλές; Παρατήρηση: Χωρίς μανδάλωση είναι δυνατόν να ζητηθεί ταυτόχρονη ενεργοποίηση των Q1 και Q2. Επομένως η αυτοσυγκράτηση από μόνη της δεν αρκεί. Φάση Ε — Αμοιβαία μανδάλωση στο PLC Στο δίκτυο του Q1 προστίθεται κανονικά κλειστή λογική επαφή του Q2. Στο δίκτυο του Q2 προστίθεται κανονικά κλειστή λογική επαφή του Q1. Q1 = STOP AND Θερμικό AND NOT Q2 AND (START_ΔΕΞΙΑ OR Q1) Q2 = STOP AND Θερμικό AND NOT Q1 AND (START_ΑΡΙΣΤΕΡΑ OR Q2) Ενδεικτική μορφή LADDER |--[ I1 ]--[ I4 ]--[/Q2]--+--[ I2 ]------------( Q1 ) | | | +--[ Q1 ]------------| |--[ I1 ]--[ I4 ]--[/Q1]--+--[ I3 ]------------( Q2 ) | | | +--[ Q2 ]------------| Ερευνητική δοκιμή Θέστε σε λειτουργία το Q1. Πατήστε το START ΑΡΙΣΤΕΡΑ. Παρακολουθήστε Q1 και Q2. Επαναλάβετε ξεκινώντας από το Q2. Αναμενόμενο αποτέλεσμα: Όσο λειτουργεί η μία κατεύθυνση, η άλλη δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί. Φάση ΣΤ — Αρκεί η μανδάλωση στο πρόγραμμα; Οι μαθητές εξετάζουν τα ακόλουθα ενδεχόμενα: • βλάβη εξόδου PLC, • συγκόλληση επαφών ηλεκτρονόμου, • λανθασμένη μεταφόρτωση προγράμματος, • χειροκίνητη πίεση ηλεκτρονόμου, • σφάλμα καλωδίωσης, • προσωρινή δυσλειτουργία του PLC. Συμπέρασμα Η μανδάλωση πρέπει να υλοποιείται σε τρία επίπεδα: • Λογική μανδάλωση στο πρόγραμμα PLC. • Ηλεκτρική μανδάλωση με NC βοηθητική επαφή του Κ1 σε σειρά με το πηνίο Κ2 και αντίστροφα. • Μηχανική μανδάλωση μεταξύ των δύο ηλεκτρονόμων. Το PLC βελτιώνει τον έλεγχο, αλλά δεν αντικαθιστά τα απαιτούμενα ενσύρματα μέτρα ασφαλείας. Φάση Ζ — Άμεση ή ελεγχόμενη αντιστροφή; Πείραμα Ο κινητήρας λειτουργεί δεξιόστροφα. Ο χειριστής πατά START ΑΡΙΣΤΕΡΑ. Οι μαθητές συγκρίνουν δύο στρατηγικές. Διερευνητική Ερώτηση 1: Έχει σταματήσει ο κινητήρας μόλις απενεργοποιηθεί ο Κ1; Διερευνητική Ερώτηση 1: Τι συμβαίνει λόγω αδράνειας; Διερευνητική Ερώτηση 1: Τι ρεύμα μπορεί να εμφανιστεί σε άμεση αντιστροφή; Διερευνητική Ερώτηση 1: Πρέπει ο χρόνος καθυστέρησης να είναι ίδιος σε όλους τους κινητήρες; Συμπέρασμα: Η απενεργοποίηση της εξόδου δεν σημαίνει ότι ο κινητήρας έχει ακινητοποιηθεί. Για ελεγχόμενη αντιστροφή πρέπει να μεσολαβεί κατάλληλος χρόνος ή να χρησιμοποιείται αισθητήρας μηδενικής ταχύτητας. Φάση Η — Προσθήκη χρόνου ασφαλείας Προτείνεται η ακόλουθη ακολουθία: • Απενεργοποίηση της ενεργής κατεύθυνσης. • Επιβεβαίωση ότι και οι δύο ηλεκτρονόμοι έχουν αποδιεγερθεί. • Εκκίνηση χρονικού Τ1. • Αναμονή, π.χ. 3–5 s. • Ενεργοποίηση της αντίθετης κατεύθυνσης. Ο χρόνος είναι εκπαιδευτική ενδεικτική τιμή και πρέπει να επιλέγεται σύμφωνα με: • την ισχύ και την ταχύτητα του κινητήρα, • την αδράνεια του φορτίου, • τον χρόνο επιβράδυνσης, • τις οδηγίες του κατασκευαστή, • τις απαιτήσεις της πραγματικής εγκατάστασης. Το κρίσιμο πείραμα: ταυτόχρονο πάτημα START Διερευνητική Ερώτηση 1: Τι συμβαίνει αν τα START ΔΕΞΙΑ και START ΑΡΙΣΤΕΡΑ γίνουν ταυτόχρονα 1, ενώ ο κινητήρας είναι σταματημένος; Η συμπεριφορά μπορεί να εξαρτηθεί από: • τη σειρά των δικτύων LADDER, • τον κύκλο σάρωσης του PLC, • τη χρήση Set/Reset, • τις ενδιάμεσες μεταβλητές, • τη στρατηγική προτεραιότητας. Οι ομάδες επιλέγουν μία στρατηγική Η ασφαλέστερη και περισσότερο διαφανής εκπαιδευτική επιλογή είναι: START_ΔΕΞΙΑ = 1 AND START_ΑΡΙΣΤΕΡΑ = 1 --> Q1 = 0 --> Q2 = 0 --> ένδειξη «Λανθασμένη ταυτόχρονη εντολή» Έτσι το αποτέλεσμα δεν εξαρτάται από τη σειρά εκτέλεσης των δικτύων. Διερεύνηση του θερμικού Οι μαθητές ενεργοποιούν προσομοιωμένα ή με ασφαλή εκπαιδευτική διαδικασία το θερμικό. Καταγράφουν • την κατάσταση της I4, • την κατάσταση των Q1 και Q2, • την κατάσταση των λυχνιών, • αν απαιτείται RESET, • αν το PLC διατηρεί προηγούμενη εντολή. Διερευνητική Ερώτηση 1: Μετά την επαναφορά του θερμικού πρέπει ο κινητήρας να ξεκινήσει αυτόματα; Ορθή κατεύθυνση σχεδιασμού: Κατά κανόνα, μετά από ενεργοποίηση προστασίας δεν πρέπει να γίνεται απρόβλεπτη αυτόματη επανεκκίνηση. Η προηγούμενη εντολή λειτουργίας πρέπει να ακυρώνεται και να απαιτείται νέα εντολή START. Ενδεικτικές λυχνίες και επιβεβαίωση λειτουργίας Οι λυχνίες δεν είναι απαραίτητο να ελέγχονται μόνο από τα Q1 και Q2. Πιο αξιόπιστη λύση: Η1 από βοηθητική επαφή επιβεβαίωσης του ΚM1, Η2 από βοηθητική επαφή επιβεβαίωσης του ΚM2. Έτσι οι μαθητές διακρίνουν: Το «PLC έδωσε εντολή» δεν σημαίνει απαραίτητα ότι «ο κινητήρας περιστρέφεται». Διάγνωση βλαβών Ο εκπαιδευτικός εισάγει ελεγχόμενα μία βλάβη κάθε φορά. Ενδεικτικές βλάβες • Διακοπή στο μπουτόν START ΔΕΞΙΑ. • Μόνιμα ενεργή είσοδος START ΑΡΙΣΤΕΡΑ. • Ενεργοποιημένο θερμικό. • Διακοπή στο πηνίο Κ1. • Συγκολλημένη βοηθητική επαφή Κ2. • Λανθασμένη διεύθυνση εξόδου στο πρόγραμμα. • Παράλειψη της NC επαφής Q2 από το δίκτυο Q1. • Λανθασμένη αυτοσυγκράτηση. • Εσφαλμένη αντιμετάθεση φάσεων. • Εσφαλμένη λειτουργία λυχνίας χωρίς αντίστοιχη λειτουργία κινητήρα. Φύλλο διάγνωσης Πίνακας επαλήθευσης προγράμματος Πρόκληση επέκτασης Κάθε ομάδα επιλέγει μία επέκταση: Επέκταση Α — Ένδειξη σφάλματος Αν ζητηθούν ταυτόχρονα οι δύο κατευθύνσεις: Q1 = 0, Q2 = 0, ενεργοποιείται κόκκινη λυχνία, απαιτείται RESET. Επέκταση Β — Αυτόματη εναλλαγή Ο κινητήρας λειτουργεί: 10 s δεξιόστροφα, σταματά για 5 s, 10 s αριστερόστροφα, σταματά για 5 s, επαναλαμβάνει τον κύκλο. Επέκταση Γ — Περιορισμός αλλαγών φοράς Το PLC μετρά τις αλλαγές φοράς και σταματά τη λειτουργία όταν ξεπεραστεί προκαθορισμένο όριο μέσα σε συγκεκριμένο χρόνο. Επέκταση Δ — Επιτήρηση ηλεκτρονόμων Αν Q1 = 1 αλλά η βοηθητική επαφή Κ1 δεν ενεργοποιηθεί μέσα σε 1 s: απενεργοποιούνται όλες οι έξοδοι, εμφανίζεται σφάλμα Κ1. Επέκταση Ε — Έλεγχος τερματικών διακοπτών Η δεξιόστροφη και η αριστερόστροφη κίνηση επιτρέπονται μόνο μέχρι την ενεργοποίηση του αντίστοιχου τερματικού διακόπτη. Πίνακες αληθείας Στη συνέχεια συμπληρώστε τoυς ακόλουθους πίνακες αληθείας. Προσπαθήστε για κάθε συνδυασμό εισόδων να αποφασίσετε την κατάσταση της εξόδου. Υπενθυμίζουμε ότι όταν από το μπουτόν περνάει ρεύμα θεωρούμε ότι η κατάσταση του είναι 1 ενώ όταν δεν περνάει ρεύμα από το μπουτόν, η κατάσταση του είναι 0. Επίσης όταν η έξοδος είναι ενεργοποιημένη, η κατάσταση του είναι 1 ενώ όταν η έξοδος δεν είναι ενεργοποιημένη, η κατάσταση του είναι 0. Τέλος, με Q΄ χαρακτηρίζουμε την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου ενώ με Q την παρούσα κατάσταση της εξόδου. Θα παρατηρήσετε ότι θα πρέπει να συμπληρώσουμε δυο πίνακες αληθείας. Αυτό συμβαίνει επειδή έχουμε δυο εξόδους οι οποίοι ενεργοποιούνται από διαφορετικές εισόδους. Οπότε συμπληρώνουμε έναν ξεχωριστό πίνακα αληθείας για κάθε έξοδο. Για τν πρώτο κινητήρα Μ1 Για τον δεύτερο κινητήρα Μ2 Στη συνέχεια εξάγετε τις μαθηματικές εξισώσεις - μία για κάθε πίνακα αληθείας. Υπενθυμίζουμε ότι μας ενδιαφέρουν οι συνδυασμοί εισόδων που δίνουν έξοδο 1. Μαθηματική Εξίσωση Απλοποίηση με πίνακα Karnaugh Τέλος συμπληρώστε τους πίνακες Karnaugh, απλοποιήστε τις εξισώσεις και γράψτε το αντίστοιχο πρόγραμμα λειτουργίας αυτοματισμού σε οποιαδήποτε γλώσσα επιθυμείτε. Για τον πρώτο κινητήρα Για τον δεύτερο κινητήρα Απλοποιημένη Εξίσωση Πρόγραμμα λειτουργίας του αυτοματισμού Ερωτήσεις αναστοχασμού Γιατί δεν αρκεί η αυτοσυγκράτηση; Γιατί χρειάζεται αμοιβαία μανδάλωση; Γιατί η μανδάλωση στο PLC δεν αντικαθιστά τη μηχανική μανδάλωση; Ποια είναι η διαφορά μεταξύ Q1 = 1 και πραγματικής περιστροφής; Τι συμβαίνει αν πατηθούν ταυτόχρονα τα δύο START; Πώς επηρεάζει το αποτέλεσμα η σειρά των δικτύων LADDER; Γιατί δεν πρέπει να γίνεται άμεση αντιστροφή ενός κινούμενου κινητήρα; Γιατί δεν πρέπει να επανεκκινήσει αυτόματα μετά την επαναφορά του θερμικού; Με ποιον τρόπο μπορεί να επιβεβαιωθεί ότι ο ηλεκτρονόμος ενεργοποιήθηκε; Ποια μέτρα ασφαλείας παραμένουν απαραίτητα ακόμη και με σωστό πρόγραμμα PLC; Συμπέρασμα Η αλλαγή φοράς περιστροφής δεν είναι απλώς η ενεργοποίηση δύο διαφορετικών εξόδων του PLC. Απαιτεί: • σωστή αντιμετάθεση δύο φάσεων, • αυτοσυγκράτηση κάθε εντολής, • αμοιβαία λογική μανδάλωση, • ενσύρματη ηλεκτρική μανδάλωση, • μηχανική μανδάλωση των ηλεκτρονόμων, • προστασία από το θερμικό, • σαφή αντιμετώπιση του ταυτόχρονου START, • καθυστέρηση πριν από την αντιστροφή, • αποφυγή αυτόματης επανεκκίνησης, • επιβεβαίωση της πραγματικής κατάστασης των ηλεκτρονόμων. Η άσκηση ολοκληρώνεται όταν οι μαθητές δεν μπορούν μόνο να παρουσιάσουν ένα LADDER που «φαίνεται σωστό», αλλά μπορούν να αποδείξουν με οργανωμένες δοκιμές ότι το σύστημα λειτουργεί προβλέψιμα και με ασφάλεια.