Tlačítko, vypínač, přepínač

Charakteristika

Tlačítko, vypínač, přepínač jsou tři elementární ovládací prvky používané pro ovládaní strojů a zařízení. Požadavkem je vytvořit krátkodobou (tlačítko) nebo trvalou (vypínač, přepínač) změnu stavu jednoho nebo více elektrických signálů použitých pro řízení. Pro automatizační techniku je typické používání standardizovaných ovládacích prvků jak rozměrově, z důvodu ovládání rukou obsluhy, ergonomiky pro určení jednoznačnosti stavu, tak i z hlediska bezpečnosti pro použití v normálním, výbušném nebo agresivním prostředí. Všechny tři prvky mají společné to, že jsou sestaveny z ovládací hlavice nebo hmatníku, tedy dotykové plochy, které se dotýká obsluha a druhou částí je jeden kontakt nebo sada kontaktů, která podle zásahu, volby, obsluhy mění stav elektrických signálů.

V následujícím popisu je zpracováno s modulárními sestavami ovládacích prvků, tedy se sestavami, které se skládají z ovládací hlavice s pohyblivým hmatníkem (tlačítkový, otočný, klíček), spojovacím modulem mezi hlavicí (držák kontaktů) a moduly kontaktů (spínací/rozpínací), které se montují do držáku, viz obrázek 1.

Obrázek 1
Sestava tlačítka.

Popis: a) hmatník, b) hlavice, c) nosič štítků, d) montážní plocha, e) spojovací modul, f) moduly kontaktů levý/pravý podle funkce hlavice, g) prostřední modul kontaktu nebo modul kontrolky (podle provedení hlavice).

Ovládací hlavice, hmatníky

Pro použití v oblasti řízení a ovládacích strojů existuje mnoho výrobců, kteří dodávají různá provedení hlavic a hmatníků, které poskytují široký výběr provedení jak podle vzhledu (tvaru, barvy), mechanické odolnosti, bezpečnosti (velikosti, barvy) i různých funkcí (bez aretace, s aretací, stiskací, otočné). Pro běžné případy ovládání strojů se používají ovládací prvky pro montáž do otvoru 22 mm, v méně častých případech 16 mm. Tomuto rozměru pak i odpovídá velikost hmatníku kruhového nebo čtvercového provedení. Pro případy "rychlého nahmátnutí" (bezpečnostní vypnutí, dvouruční start) jsou u tlačítek používány i rozměrnější hlavice 30, 40, 60 mm hřibovitého tvaru. U točných hlavic bývá dodáváno i provedení s prodlouženým hmatníkem pro snazší otočení a lepší pohledovou indikaci polohy. Pro povolení přístupu k ovládání mohou být prvky vybaveny autorizačním klíčkem.

Barevné rozlišení ovládacích prvků

Pro standardizaci a všeobecnou shodu ve významu funkce konrétního ovládacího prvku je použití barev jednotně definováno. Důvodem je zajištění bezpečnosti tak, aby barevný význam na všech strojích byl shodný a nedocházelo k záměně. Význam používaných barev je uveden v následujícím přehledu.

Tlačítková - stiskací hlavice

Tlačítkoví hlavice, jak napovídá název, je ovládána tlakem - stisknutím hmatníku a poskytuje (pouze) dvě polohy. Klidová poloha je poloha, kdy není na hmatník vytvářen ovládací tlak a do této polohy je nuceně vracen (mírnou) silou, která je vyvozena vratnou pružinou. Pro dosažení druhé, pracovní polohy, musí obsluha tlakem překonat sílu vratné pružiny a zatlačit hmatník do polohy, kdy dojde k přestavení přidružených kontaktů. Tlačítkové hlavice s hmatníky různého provedení jsou zobrazeny na obrázku 2.

Obrázek 2
Tlačítkové hlavice

Při použití dostatečně velkých (standardních) hlavic je možno plochu hmatníku využít i k umístění symbolů nebo popisů funkce tlačítka. Tímto se šetří prostor na popisném štítku a význam tlačítka je jednoznačný. K zvýraznění významu funkce tlačítka je možno využít i barevné rozlišení. Pro indikaci stavu zařízení se taktéž používají tlačítkové hlavice s možností podsvícení, kdy je pod průsvitným hmatníkem umístěna kontrolka, která svým svitem indikuje konkrétní stav.

Otočná hlavice - 2 polohy

Dvoupolohová otočná hlavice podle mechanického provedení může být realizovaná ve dvou provedeních.

Otočná hlavice s aretací - funkce vypínač/přepínač

U provedení otočné hlavice s aretací (obrázek 2a) setrvává hmatník v poloze, do které ji obsluha přestaví - otočí přiměřenou silou, nutnou k překonání aretačního odporu polohy a tím jsou přestaveny přidružené kontakty. Využitím aretace v obou krajních polohách je možno sáhnout trvalého sepnutí nebo rozepnutí přidružených kontaktů a tím realizovat funkci vypínače nebo přepínače.

Otočná hlavice s návratem - funkce tlačítka

Otočná hlavice s návratem (obrázek 2b) principielně plní funkci tlačítka s tím rozdílem, že aktivačním pohybem není stisknutí ale otočení hmatníku, který se po uvolnění pomocí vratné pružiny vrátí do výchozí polohy. Použití tlačítka v tomto mechanickém provedení je méně obvyklé ale možné.

Následující obrázek 3 zobrazuje provedení otočné hlavice s dvěmi polohami. Provedení s aretací a v provedení návratem je vzhledově shodné, liší se mechanickou funkcí.

Obrázek 3
Otočná hlavice - 2 polohy a) s aretací, b) s návratem

K zvýraznění významu funkce je možno využít i barevné rozlišení hmatníku. Pro indikaci stavu zařízení se taktéž používají otočné hlavice s možností podsvícení, kdy je pod průsvitným hmatníkem umístěna kontrolka, která svým svitem indikuje konkrétní stav.

Otočná hlavice - 3 polohy

Otočná hlavice s třemi polohami umožňuje realizaci většího počtu ovládacích funkcí podle jejího mechanického provedení. Pro změnu polohy hmatníku je potřeba překonat mírný mechanický odpor, který zabraňuje samovolnému otočení. Výhodou použití je to, že obsluha nemůže současně aktivovat dva různé režimy zařízení (MAN/AUT) nebo kolizní funkce (vlevo/vpravo).

Otočná hlavice s aretací - přepínač

Otočná hlavice s aretací všech poloh podle obrázku 3a, 4a je vhodná pro realizaci 3 polohového přepínače, kdy v každé poloze je aktivován jiný přidružený kontakt. Prakticky je možno realizovat případy spínání:

• 1-0-2 např. funkci MAN-0-AUT ručně - vypnuto - automat ... podle obrázku 4a
• 0-1-2 např. funkci 0-MAN-AUT vypnuto - ručně - automat ... podle obrázku 5a
• A-B-C např. nějakou volbu podle obrázku 5a

Principielně může být pořadí značení a funkce i obrácené ale vypnutí nebo ruční režim se preferuje vlevo nebo uprostřed.

Otočná hlavice s návratem - tlačítka

Otočná hlavice s návratem (obrázek 3b) má jako výchozí polohu definovánu polohu prostřední, kdy otočením hmatníku na jednu nebo druhou stranu se aktivuje příslušný přidružený kontakt. Po uvolnění hmatníku se tento působením návratové pružiny přestaví do výchozí polohy a deaktivují se přidružené kontakty.

Otočná hlavice kombinovaná - přepínač/vypínač/tlačítko

Otočná hlavice kombinovaná (obrázek 3c, 4c) má dvě polohy aretované, vždy prostřední a jednu krajní, třetí poloha má pouze návratovou funkci. Prakticky je možno realizovat případy spínání:

• 1-0-T např. funkci posuv - vypnuto - tipování posuvu ... podle obrázku 4c
• 0-1-T např. funkci vypnuto - posuv - tlačítko rychloposuv ... podle obrázku 5c

Následující obrázky 4 a 5 zobrazují provedení otočné hlavice s třemi polohami. Provedení s polohou ve středu nebo na kraji, a aretací a v provedení návratem je vzhledově shodné, liší se mechanickou funkcí.

Obrázek 4
Otočná hlavice - 3 polohy se středovou nulovou polohou
a) s aretací všech poloh, b) s oboustranným návratem, c) d) kombinovaná

Obrázek 5
Otočná hlavice - 3 polohy s krajní nulovou polohou
a) s aretací všech poloh, b) nelze, c) d) kombinovaná

K zvýraznění významu funkce je možno využít i barevné rozlišení hmatníku. Pro indikaci stavu zařízení se taktéž používají otočné hlavice s možností podsvícení, kdy je pod průsvitným hmatníkem umístěna kontrolka, která svým svitem indikuje konkrétní stav.

Hlavice vícepolohová (n>3)

Vícepolohové hlavice, kdy počet poloh je větší jak 3 se zpravidla dodávají jako součást vícepolohových přepínačů. Principielně se jedná o rozšíření možností přepínání na potřebný počet poloh.

Hlavice s aretací a blokováním

Hřibové tlačítkové s aretací

Tlačítkové hlavice s aretací se používají v bezpečnostních okruzích, kde není žádoucí aby bez dalšího zásahu (vytažení, otočení, uvolnění klíčkem) došlo k obnovení bezpečnostního okruhu.

Ochrana proti přelstění

O tlačítka nouzového zastavení projevují zájem i osoby, které si nouzovým zastavením chtějí vynutit přestávku v práci. Nejvíce ohrožená zařízení tímto počínáním jsou rozsáhlé výrobní linky s množstvím bezpečnostních tlačítek zapojených v sérii. Původní a bezpečnosti vyhovující řešení pouze s rozpínacími kontakty má tu nevýhodu, že neposkytuje identifikaci, které nouzové tlačítko bylo vybaveno. Doplněním pomocného spínacího kontaktu je možné do systému zavést informaci o tom, které nouzové tlačítko bylo aktivováno a toto informaci zobrazit v seznamu poruch. Problém je však v tom, že při mechanickém působení na modul kontaktů dochází nejprve k rozepnutí kontaktů a teprve potom k sepnutí dalších kontaktů (identifikující místo). Pokud by tomu tak nebylo, docházelo by v jiných případech k současnému sepnutí více okruhů, což není žádoucí. Při tomto stavu postačí pomalu působit na hmatník bezpečnostního tlačítka do okamžiku, kdy dojde k rozepnutí bezpečnostních kontaktů ale nedojde k sepnutí pomocných identifikačních kontaktů. V takovém případě není možno provést identifikaci místa aktivace.

Řešení pro tento případ je použití mechanického zabezpečení přestavení, tedy ochrany proti přelstění, kdy mechanické zabezpečení mžikově změní stav z klidového stavu do stavu aktivního, a vždy dojde ke kompletnímu přestavení všech kontaktů, rozpojení bezpečnostních a sepnutí pomocných.

Tlačítkové se zajištěním klíčkem

Tlačítkové hlavice se zajištěním klíčkem se používají v různém provedení, účelem je omezení přepnutí polohy a tím i volba funkce neautorizovanou osobou. Ilustrativně je hlavice s klíčkem zobrazena na obrázku 6. Podle provedení je možno klíček vyjmout pouze v jedné poloze nebo v obou polohách. Tím je funkce přístupu definovaná jako dočasná nebo trvalá.

Obrázek 6
Tlačítková ovládací hlavice s klíčkem

Otočné se zamáčknutím

Otočné hlavice s zamáčknutím se používají v případech, kdy je potřeba mechanicky z bezpečnostního důvodu upozornit obsluhu, že zapíná vyhrazenou funkci zařízení, v podstatě se jedná o stížení otočení hmatníku jako ochrana proti nechtěnému přepnutí polohy. Toto provedení hlavic je zpravidla konstruováno tak, že do jedné polohy (např. vypnuto) je jejich přestavení možné pouhým otočením hmatníku, pro přestavení do druhé polohy (např. zapnuto) je potřeba nejprve hmatník zamáčknout a teprve potom otočit. Kombinace stisknutí a otočení se používá jak u hlavic s 2 polohami tak i s 3 polohami, kde 2 polohy (jedna krajní a prostřední) jsou ovládány bez nutnosti zamáčknutí a zbylá krajní, třetí, poloha je bez zamáčknutí blokována. Funkce aretování v poloze nebo funkce návratu je shodná s příklady uvedených na obrázku 3, 4 a 5.

Otočné se zajištěním klíčkem

Otočné hlavice se zajištěním klíčkem představují kombinaci autorizovaného přístupu podobně, jako u tlačítkových hlavic, účelem je omezení stisknutí a tím i volba funkce neautorizovanou osobou. Ilustrativně je třípolohová hlavice s klíčkem zobrazena na obrázku 7. Podle provedení je možno klíček vyjmout pouze v jedné poloze, ve dvou polohách nebo pouze v poloze jedné. Tím je funkce autorizovaného přístupu definovaná jako dočasná nebo trvalá.

Funkce aretování v poloze nebo funkce návratu je shodná s příklady uvedených na obrázku 3, 4, 5 a některé polohy mohou být navíc podmíněny zamáčknutím.

Obrázek 7
Otočná ovládací hlavice s klíčkem

Hlavice vyobrazené na prvních dvou pozicích jsou ovládány otáčením klíčku, na vyobrazení vpravo klíček povoluje otáčení hmatníku, který je válcovitý a po obvodu vrapovaný. Tím se i mění polohy I a II.

Hlavice páčkové

Hlavice s páčkovým hmatníkem jsou variantou k výše uvedeným příkladům hlavic jak v provedení 2 i 3 poloh. V praxi se nevyužívají příliš často, spíše ojediněle. Příklad páčkové ovládací hlavice je zobrazen na obrázku 8.

Obrázek 8
Páčkové hlavice

Na principu páčkových hlavic jsou konstruovány pákové a křížové ovladače, taktéž nazývané joysticky, kterým je věnována samostatná kapitola.

Značení hlavic ve schématech

Při zakreslování elektrických obvodů do dokumentace je potřeba vyznačit jak se daný spínací prvek chová a jak se ovládá. K tomuto slouží ustálené schématické značky, viz obrázek 9 a popis jednotlivých vyobrazení dále.

Obrázek 9
Schématické značky ovládacích hlavic

Kontakty

Na kontakty používané v elektrotechnice jsou kladeny požadavky jak elektrické, mechanické tak i chemické.

V oblasti řízení a ovládání se u tlačítek a přepínačů používají univerzální kontaktní pakety, bezpečně pracující s napětím ... 24Vdc, 48Vdc/ac, 120Vac, 230Vac. Navýšení napětí u střídavého proudu je při stejné konstrukci možné, protože střídavý proud se díky průchodu nulou lépe rozpíná.

V případě, že jeden přidružený kontakt dané poloze nestačí z důvodu potřeby vícenásobného ovládání oddělených okruhů je možno provést seskupování modulů kontaktů pro jednu polohu. Omezením je však mechanické provedení modulu kontaktu, kdy zdvih vyvozený přestavením hmatníku musí bezpečně působit na všechny přidružené moduly kontaktů přiřazených dané poloze.

Značení kontaktů ve schématech

Při zakreslování elektrických obvodů do dokumentace je potřeba vyznačit jak se daný spínací prvek chová a jak se ovládá. K tomuto slouží ustálené schématické značky, viz obrázek 10.

Obrázek 10
Značení kontaktů ve schématech

Vyobrazení kontaktů se provádí v klidovém stavu, tedy ve stavu, kdy nejsou aktivovány, podle toho nesou i označení: NO = spínací (normal open), NC = rozpínací (normal closed) a kombinace NC/NO = přepínací. Na posledním obrázku je znázorněn přepínací kontakt s překrytím sepnutí kontaktů při přepínání, to znamená, že v jednom krátkém okamžiku jsou propojeny všechny svorky modulu současně. V některých případech může být toto výhodné, v jiných případech nežádoucí.

Pro případ použití 3 polohového přepínače 0 - I - II (vypnuto - ručně - automat) je překrytí kontaktů vhodné, protože při přepínání nedochází k průchodu stavem 0 (vypnuto) jako při použití kontaktů bez překrytí, například nedojde ke krátkodobému odskočení stykače hydrauliky a pod. Prakticky je možno krátkodobý výpadek při přepínání potlačit v programu časovačem s krátkým zpožděným vypnutím, které překlene dobu přestavení kontaktů.

Na druhou stranu je možno při programovém zpracování vyloučit stav současného sepnutí kontaktů jednoduchou funkcí, která implikuje stav, pokud je sepnuto více kontaktů současně.

Číslování kontaktů

Samotné správné zakreslení kontaktů do obvodu není úplně postačující, protože je nutno určit, na kterou svorku se má vodič při instalaci připojit. Pokud modul obsahuje pouze jeden typ a jeden kontakt, k chybě nedojde. Problém vyvstává v případech, kdy modul obsahuje byť jeden přepínací kontakt, kdy je jeden společný a hlavně v případech, kdy modul (tlačítko ale hlavně relé, stykače a pod.) obsahují více kontaktů.

Jednoduché pravidlo říká, že rozpínací kontakty jsou na pozici jednotek číslovány 1 a 2, naproti tomu spínací kontakty jsou na pozici jednotek číslovány 3 a 4. U přepínacích kontaktů se společným kontaktem má společný kontakt číslo 1 (od rozpínacích kontaktů), případně je doplněna číslice v závorce (3) (od spínacích kontaktů). Vzhledem k tomu, že moduly obsahují více skupin kontaktů, jsou tyto skupiny číslovány v desítkách, např. rozpínací 11-12, 21-22, 31-32 ... , spínací 13-14, 23-24, 33-34 ..., přepínací 11(13)-12-14, 21(23)-22-24, 31(33)-32-34 ... atd.

Reference:

• Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku – Dietmar Schmid a kolektiv.
• ČSN EN 60 947 / VDE 0660
• ČSN EN 60 073 / VDE 0199, ČSN EN 60204-1 / VDE 0113
• EN 50013