Пневмоавтоматика — применение сжатого воздуха в системах автоматического управления

Пневмоавтоматика представляет собой раздел автоматики, в котором в качестве рабочей среды используется сжатый воздух. Пневмоавтоматика занимается разработкой, проектированием и эксплуатацией пневматических систем и устройств для автоматизации технологических процессов и управления различными механизмами.

Первые пневматические устройства появились еще в Древней Греции — это были примитивные водяные оргáны и пневматические приборы. Однако широкое применение пневматика нашла лишь в XX веке с развитием промышленного производства. Сегодня пневмоавтоматика активно используется во многих отраслях — машиностроении, электронике, химической промышленности, транспорте, медицине и др.

Пневматические системы обладают рядом преимуществ — простотой, надежностью, безопасностью, экологичностью. Они позволяют решать широкий круг задач — создавать усилия и перемещения, автоматизировать процессы, использовать воздух как рабочее тело. С развитием микропроцессорной техники появились программируемые пневмосистемы, обладающие высокой гибкостью и производительностью.

В этой статье мы подробно рассмотрим основные аспекты современной пневмоавтоматики — классификацию пневмоустройств, их функции и области применения, достоинства и недостатки, правила графического изображения пневмосхем, а также принципы построения систем управления пневмоприводами с использованием аппарата алгебры логики.

Классификация пневмоустройств

В зависимости от величины используемого давления различают пневмоустройства высокого, среднего и низкого давления.

1. Системы высокого давления (0,4-1 МПа).

В системах высокого давления применяются воздухораспределительная и контрольно-регулирующая аппаратура, а также устройства для подготовки воздуха. Кроме того, используются пневматические устройства управления высокого давления: датчики положения, клапаны последовательности, логические элементы и др.

Пневмоустройства высокого давления применяются в системах небольшой сложности, содержащих ограниченное количество взаимодействующих элементов. Их преимущество в том, что используется общий источник питания (цеховая магистраль).

2. Системы среднего давления (0,1-0,4 МПа).

В более сложных системах управления используется пневмоавтоматика среднего давления – мембранная техника. К ней относятся отечественные устройства типа УСЭППА, ПЭРА, ЯНТАРЬ. Эти устройства отличаются компактностью и высоким быстродействием. Все элементы построены с применением мембран из прорезиненного капронового полотна.

3. Системы низкого давления (менее 0,1 МПа).

Ещё большим быстродействием и компактностью обладают устройства пневмоники, работающие при очень низком давлении — до 0,01-0,02 атм. В этих устройствах отсутствуют механические подвижные части, роль подвижного элемента выполняет струя газа или жидкости.

К устройствам пневмоники, например, относятся струйные логические элементы серии «Волга», основанные на эффекте Коанда и взаимодействии струй. Они реализуют различные логические операции и могут объединяться в интегральные схемы.

Устройства пневмоники демонстрируют наивысшее быстродействие по сравнению с другими пневмоэлементами — до 1000 циклов в секунду. Они нечувствительны к внешним воздействиям и имеют практически неограниченный ресурс.

Благодаря этим свойствам, пневмоника используется или может найти применение в высокоскоростных системах управления, работающих в агрессивных средах и жестких условиях эксплуатации. Возможно также создание на её основе «пневматических» компьютеров.

Основные функции пневматических систем

Пневматические системы нашли широкое применение благодаря разнообразию функций, которые они могут выполнять. Основными функциями пневмосистем являются:

• Перемещение объектов;
• Создание усилий;
• Автоматизация процессов;
• Использование воздуха в качестве рабочего тела.

Рассмотрим подробнее каждую из этих функций.

Перемещение объектов

Перемещение объектов с помощью пневматических систем может осуществляться двумя способами:

1. С использованием исполнительных механизмов.

Перемещение объектов различными пневматическими механизмами, автоматами и роботами широко применяется при автоматизации производственных процессов в промышленности, транспорте, пищевой отрасли и других областях.

В качестве исполнительных механизмов в пневмосистемах используются пневмоцилиндры, пневмодвигатели, поворотные механизмы и другие устройства. Они преобразуют энергию сжатого воздуха в механические перемещения.

2. Непосредственно воздушным потоком.

Перемещение сыпучих материалов, отходов производства может производиться непосредственно воздушным потоком по трубопроводам. Этот способ применяется в лёгкой, пищевой, горнодобывающей промышленности.

Штучные материалы (деньги, документы) транспортируются в специальных капсулах сжатым воздухом. Такая пневмопочта используется в банках, супермаркетах, офисах.

Благодаря разнообразию исполнительных механизмов и возможности непосредственного воздействия воздушного потока, пневматические системы позволяют эффективно решать широкий круг задач по перемещению объектов.

Создание усилий

Создание усилий с помощью пневматических систем может достигаться следующими способами:

1. С использованием исполнительных механизмов.

Пневматические системы широко применяются при создании различных машин и механизмов, в которых требуется создавать регулируемые усилия. К таким механизмам относятся прессы, тормозные устройства, зажимные приспособления, испытательные стенды и др.

В качестве исполнительных механизмов в таких системах используются пневмоцилиндры, пневмодвигатели, пневмомоторы, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическую энергию.

2. За счёт создания избыточного давления.

Для создания усилий используется избыточное давление, создаваемое между пневмоэлементом и объектом. Это применяется в системах на воздушной подушке, пневмоподшипниках и др.

3. За счёт вакуума.

Усилия могут создаваться за счёт разряжения — вакуума между пневмоэлементом и объектом. Это используется в вакуумных захватах для подъёма и транспортировки различных грузов.

Пневматические системы позволяют создавать усилия в широком диапазоне и решать разнообразные технические задачи.

Автоматизация процессов

Сжатый воздух широко используется в пневматических системах управления (ПСУ) для автоматизации технологических процессов и управления различными механизмами.

ПСУ могут быть построены по релейному, аналоговому или аналого-релейному принципу. Они включают в себя разнообразные пневматические элементы:

• Датчики — для сбора информации о ходе техпроцесса. Существует широкая номенклатура пневмодатчиков: положения, давления, расхода, температуры и т.д.
• Преобразователи — для преобразования одних физических величин в другие, например, перемещения в электрический сигнал.
• Логические элементы — для выполнения операций И, ИЛИ, НЕ и др.
• Реле и усилители сигналов.
• Исполнительные механизмы — пневмоцилиндры, пневмодвигатели.

Все эти элементы объединяются в единую систему управления, которая работает по заложенному алгоритму. Это позволяет автоматизировать выполнение многих технологических операций без участия человека.

Благодаря высокой надёжности, пневматические системы управления нашли широкое применение в промышленности для автоматизации различных процессов и управления станками, роботами, транспортными средствами.

Использование воздуха как технологического инструмента

Помимо применения в качестве источника энергии, сжатый воздух может использоваться непосредственно как технологический инструмент в различных производственных операциях:

• Сушка — с помощью нагретого воздуха можно эффективно сушить различные изделия, например, после окраски.
• Распыление — сжатый воздух используется в краскопультах, для нанесения лака, при получении порошков и др.

• Охлаждение — воздух применяется для интенсификации теплообмена, например, в теплообменниках.
• Вентиляция — подача свежего или кондиционированного воздуха в помещения.
• Пневмотранспорт — перемещение различных сыпучих материалов, порошков сжатым воздухом.
• Очистка поверхностей — сдувание стружки, пыли, отходов производства.
• Резка материалов — с помощью воздушно-абразивной струи.

Благодаря универсальности сжатого воздуха как рабочего тела, пневматические технологии нашли применение во многих производственных процессах в качестве эффективного технологического инструмента.

Достоинства и недостатки пневмосистем

Пневматические системы имеют как достоинства, так и недостатки. Рассмотрим основные из них.

Достоинства:

• Простота конструкции и обслуживания. Нет нужды в высокой точности, как в гидроприводе.
• Пожаро- и взрывобезопасность. Пневмопривод безопасен для применения там, где недопустимо искрообразование.
• Радиационная стойкость. Пневмосистемы надёжно работают в условиях радиации, в отличие от электрогидравлики.
• Высокая надёжность в широком диапазоне температур и других условий.
• Большой ресурс работы — до 20 млн. циклов для циклических устройств.
• Высокие скорости работы исполнительных механизмов — до 15 м/с у пневмоцилиндров.
• Экономичность за счёт использования централизованного воздухоснабжения.
• Экологическая чистота, возможность работы в «чистых» помещениях.
• Безопасность для человека при эксплуатации.

Недостатки:

• Сложность обеспечения точных законов движения исполнительных механизмов.
• Низкая скорость передачи управляющих сигналов по воздухопроводам.
• Высокая стоимость пневмоэнергии из-за низкого КПД (5-15%).
• Более низкое быстродействие по сравнению с электронными системами управления.
• Большие габариты и вес пневмоэлементов.

Несмотря на ряд недостатков, пневматические системы обладают уникальными достоинствами, что обуславливает их широкое применение в промышленности.

Условные графические обозначения элементов пневмосхем

Для удобства и наглядности изображения пневматических схем используется система условных графических обозначений элементов схем. Эти условные изображения стандартизированы ГОСТ 2.781-96.

Графические обозначения должны отражать назначение и принцип работы пневмоэлемента, а также способы его внешних соединений. При этом обозначения не показывают реальную конструкцию устройств.

Стандарт устанавливает ряд основных принципов построения условных обозначений на пневмосхемах. Рассмотрим на конкретных примерах правила изображения основных типов пневмоэлементов.

Общие принципы графических обозначений на пневмосхемах

Графические обозначения элементов пневмосхем стандартизированы ГОСТом 2.781-96. Этот стандарт устанавливает следующие основные принципы обозначений:

1. Обозначения должны отражать назначение (действие) и способ работы устройства, а также его внешние соединения.
2. Обозначения не показывают фактическую конструкцию устройства.
3. Если обозначение не является частью схемы, оно изображает устройство в нейтральном положении.
4. Размеры условных обозначений стандартом не регламентируются.

Основой обозначений служат геометрические фигуры, чаще всего квадрат или прямоугольник. Каждая сторона фигуры соответствует одной позиции или состоянию устройства.

Направления потоков в разных состояниях показываются стрелками. Закрытое состояние обозначается горизонтальной чертой.

Элемент	Обозначение
Вентиль
Манометр
Фильтр-влагоотделитель
Регулятор давления
Пневмораспределитель 3/2
Пневмоцилиндр двухстороннего действия
Обратный клапан - без пружины

Органы управления устройством изображаются в удобном месте рядом с основным обозначением.

Придерживаясь этих основных принципов, можно построить условные обозначения для всех основных пневмоэлементов.

Обозначение основных групп пневмоэлементов

Рассмотрим обозначения основных групп пневмоэлементов на схемах:

1. Элементы подготовки воздуха.

К ним относятся фильтры, регуляторы давления, смазывающие устройства, осушители воздуха и другие вспомогательные устройства. Их условные обозначения, как правило, отражают графически выполняемую функцию.

2. Исполнительные механизмы.

Они преобразуют энергию сжатого воздуха в механические перемещения и усилия. К ним относятся пневмоцилиндры, пневмодвигатели, поворотные механизмы. Их условные изображения отражают кинематическую схему работы.

3. Устройства управления.

Это различные клапаны, распределители, датчики. Их условные обозначения отражают количество линий и состояний. Органы управления изображаются отдельно.

4. Пневматические линии.

Линии питания, управления, сброса имеют свои графические обозначения.

Для каждой основной группы пневмоэлементов существует своя система условных графических обозначений, знание которых необходимо для чтения и построения пневмосхем.

Правила изображения пневматических схем

При построении пневматических схем используются следующие основные правила:

1. Принципиальная схема вычерчивается для случая поданного давления при отсутствии сигналов управления. Все элементы изображаются в соответствующих состояниях.
2. Пневмораспределители с электрическим управлением показываются только в исходном состоянии. Распределители с пневматическим управлением могут быть показаны в рабочем положении.
3. Моностабильные распределители с механическим управлением не изображаются в рабочем состоянии. Бистабильные клапаны могут быть показаны в обоих состояниях.
4. Схема условно делится на три уровня: исполнительная, логико-вычислительная и информационная подсистемы.
5. Элементы обозначаются заглавными буквами в алфавитном порядке или в порядке операций рабочего цикла.
6. Сигналы от датчиков положения обозначаются строчными буквами исполнительных механизмов с индексами 0 и 1.
7. Направление потока энергии и сигналов — снизу вверх, последовательность операций — слева направо.

Соблюдение этих основных правил позволяет построить читаемую информативную принципиальную пневматическую схему.

Системы управления пневмоприводами

Системы управления пневмоприводами предназначены для автоматизации работы пневматических исполнительных механизмов и регулирования их скорости и усилия. Такие системы классифицируются по типу автоматизации (ручные, автоматические, автоматизированные), виду сигналов управления (аналоговые, дискретные, цифровые), количеству координат (одно-, многокоординатные) и типу исполнительного механизма (пневмоцилиндры, пневмодвигатели).

Структурные схемы систем управления отображают состав элементов и связи между ними. Различают разомкнутые схемы без обратной связи, схемы с обратной связью и комбинированные.

Функциональными узлами систем управления являются: преобразователи сигналов (датчики, пневмоэлектрические и электропневматические преобразователи), усилители, логические элементы, регулирующие элементы (дроссели, вентили, пневмораспределители), а также исполнительные пневмомеханизмы.

Правильный выбор элементов системы управления пневмоприводом и расчёт их параметров является важной задачей при проектировании, от которой зависят технико-экономические показатели и надёжность системы.

Алгебра логики в пневмосистемах

Алгебра логики находит широкое применение при разработке и анализе схем пневмоавтоматики. Она позволяет формально описать логические операции, реализуемые пневматическими элементами.

Основными логическими операциями, используемыми в алгебре логики пневмосистем, являются: конъюнкция (логическое И), дизъюнкция (логическое ИЛИ), отрицание (логическое НЕ).

С помощью этих базовых операций можно строить логические выражения, описывающие работу тех или иных пневматических схем. Например, для схемы с несколькими входами и одним выходом записывается выражение, связывающее состояния входов и выхода с помощью логических операторов.

Применение аппарата алгебры логики даёт ряд преимуществ. Во-первых, позволяет упростить сложные схемы путём преобразования логических выражений. Во-вторых, облегчает анализ и синтез схем. В-третьих, вносит формальную строгость в описание пневмосистем.

Реализация последовательностных функций

Последовательностные функции описывают заданную временную последовательность срабатывания элементов пневмосистемы. Для их реализации применяются:

1. Логические элементы с запоминанием (триггеры, флип-флопы). Они фиксируют текущее состояние системы, необходимое для выполнения следующих операций.
2. Элементы задержки времени (пневмоемкости, дроссели). Они создают интервалы между срабатываниями элементов схемы.
3. Элементы счета импульсов (счетчики, реверсивные счетчики). Необходимы для подсчета количества операций в цикле.
4. Элементы сравнения кодов (компараторы). Сравнивают текущее значение счетчика с заданным кодом для перехода к следующей операции.
5. Шифраторы и дешифраторы. Преобразуют коды состояний в управляющие воздействия на конкретные элементы схемы.
6. Матричные коммутаторы. Обеспечивают нужные логические связи между элементами на разных этапах цикла.

Правильный выбор и согласование данных функциональных блоков позволяет реализовать требуемые алгоритмы работы пневмосистем различной сложности.

Заключение

В заключение можно отметить следующее:

Пневматические системы автоматики широко применяются в промышленности благодаря простоте, надёжности и относительно низкой стоимости.

Основой пневмосистем являются исполнительные механизмы, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическую работу. Управление пневмоприводами осуществляется с помощью распределительной аппаратуры.

Для автоматизации в пневмосистемах используются разнообразные функциональные элементы — датчики, реле, логические элементы, таймеры, счётчики и др. Из них собираются схемы, реализующие требуемые алгоритмы работы.

Проектирование пневмосхем базируется на принципах алгебры логики, позволяющей формализовать функционирование систем. Грамотный выбор элементов и расчёт параметров — залог создания надёжных и эффективных промышленных пневмосистем управления.

Обзор современных протоколов промышленной автоматизации — Modbus, Profinet, EtherCAT и др.

Датчики уровня: типы, характеристики, рекомендации по выбору

Реле времени: типы, применение, принцип работы

Как условно обозначаются элементы на электрических схемах?

Что такое однолинейная схема электроснабжения и какие требования для её проектирования

Какие провода бывают — все разновидности кабелей и проводов