Условные обозначения элементов в пневматических схемах

Элемент	Условное обозначение
Пневмодроссель нерегулируемый (Нерегулируемое пневмосопротивление)   Пневмодроссель регулируемый     Питание   Атмосфера   Устройство сопло – заслонка (пневмоконтакт)     Сопло закрыто     Пневмокамера постоянного объема (пневмоемкость)     Переключатель

 

Пневмокамеры предназначены для накопления сжатого воздуха.

Объем пневмокамеры примерно равен 50 см³. В сочетании с дроссе­лями пневмокамеры используют как инерционные элементы. В зависи­мости от схемы подвода и отвода воздуха они могут быть глухими или проточными (рис. 7.2).

 

 

Рис. 7.1. Схемы постоянного (а), регулируемого (б) и переменных (в – сопло-заслонка, г – шарик-цилиндр) дросселей

 

 

 

Рис. 7.2. Глухая (а) и проточная (б) пневмокамеры

и их обозначения (в, г)

 

 

7.2. Мембранные пневматические элементы УСЭППА.

Комплекс приборов «Старт»

 

 

Элемент сравнения предназначен для сравнения двух или четырех входных сигналов (рис. 7.3). Он формирует на выходе диск­ретные сигналы 0 или 1. Трехмембранный элемент сравнения на два входа состоит из четырех камер, ограниченных секциями корпуса и блоком трех мембран, связанных между собой штоком и закрепленных по периметру. Площадь средней мембраны превышает площади край­них. Жесткие центры крайних мембран служат заслонками сопел в ка­мерах А и Г. Камеры А и Г сообщены между собой. Воздух питания через верхнее сопло поступает в камеру Г. Через нижнее сопло ка­мера А сообщается с атмосферой. Давление в камерах А и Г – вы­ходной сигнал элемента сравнения Р _вых. Входные сигналы P ₁ и Р ₂подаются в камеры В и Б.

Блок мембран находится под воздействием сил, развиваемых давлениями в камерах элемента сравнения. Мембраны обладают малой жесткостью, и поэтому даже при рассогласовании входных давлений, равном всего 150–200 Па, суммарное усилие достаточно для переме­щения блока мембран в одно из крайних положений. При P ₁ > P ₂ ре­зультирующая сила будет направлена вниз, и блок мембран опустится. Сопло в камере А при этом закроется и перекроет линию выхода воздуха в атмосферу, а сопло в камере Г откроется, и воздух пи­тания, поступая в камеры А и Г, сформирует на выходе элемента сравнения сигнал 1. При P ₁ < P ₂ мембранный блок поднимается вверх, сопло в камере Г закроется, и прекратится подача воздуха пита­ния, а сопло в камере А откроется, и линия выхода элемента срав­нения сообщится с атмосферой. При этом сигнал на выходе станет равным 0. Таким образом, трехмембранный элемент сравнения предс­тавляет собой пневматическое реле, отрабатывающее зависимость:

Р _вых = 1 при P ₁ > P ₂

Р _вых = 0 при P ₁ < P ₂

На структурных схемах элементы сравнения представляют в ви­де последовательно соединенных узла суммирования, на который поступают входные сигналы со своими знаками, и релейного звена.

В пневматических приборах пятимембранные элементы сравнения часто используют в качестве мембранного сумматора для алгебраи­ческого суммирования непрерывных входных сигналов (рис. 7.4). Для этого выходной сигнал Р _вых направляют в камеру Б (камеру от­рицательной обратной связи). Элемент приходит в равновесие, когда усилия, развиваемые входными давлениями, уравновешиваются усили­ем, создаваемым Р _вых = Р _Б, и расходы воздуха через пневмоконтакты «сопло-заслонка» равны. Так как суммарные площади мембран в каме­рах Б, В, Г и Д одинаковы, то при равновесии справедливо равенс­тво

Р _вых = P ₁ – Р ₂ + Р ₃.

Следовательно, при такой коммутации элемент сравнения выполняет функцию сумматора, который складывает два сигнала со знаком плюс и один – со знаком минус.

Повторители давления (усилители мощности) предназначены для усиления расхода воздуха на выходе при постоянных давлениях на входе и выходе. Их применяют для уменьшения запазды­вания сигналов в пневмокамерах большого объема в длинных пневмолиниях, а также для развязки пневматических цепей.

В маломощном повторителе давления (рис. 7.5) между двумя секциями за­жата по периметру мембрана, жесткий центр которой является зас­лонкой сопла, расположенного в камере А и сообщающего ее с ат­мосферой. Входной сигнал Р _вх подается в камеру Б. В камеру А че­рез постоянный дроссель, поступает давление питания. Давление в камере А – выходной сигнал Р _вых. С увеличением Р _вх мембрана про­гибается вниз. При этом уменьшается расстояние между заслонкой и соплом, уменьшается расход воздуха из камеры А через сопло в ат­мосферу и выходное давление Р _вых возрастает до значения Р _вх. В момент равновесия расходы воздуха через постоянный дроссель и пневмоконтакт сопло-заслонка одинаковы.

Мощный повторитель давления имеет три секции и состоит из связанных в мембранный блок двух мембран равной площади и клапа­на-дросселя.

 

Рис. 7.3. Трехмембранный элемент сравнения (а) и его структурная схема (б)

Рис. 7.4. Мембранный сумматор (а) и его структурная схема (б)

Рис. 7.5. Повторитель давления

Уменьшение погрешности повторения обеспечивает более сложный повторитель. Он имеет четыре секции и состоит из трех мемб­ран одинаковой площади, образующих шесть камер, клапана, поджа­того пружиной, двух пневмоконтактов «сопло-заслонка» и постоянного дросселя.

Уравнение работы всех повторителей-усилителей мощности име­ет вид

Р _вых = Р _вх

Их передаточные функции: по давлению W_P (P) = 1, по расходу воздуха W_F (P) = k >>1. На структурных схемах повторители-усилители представляют в виде одного звена с соответствующей передаточной функцией.

Задатчик давления (рис. 7.6) в комплекте с постоянным дросселем предназначен для ручной установки заданного сигнала. Он состоит из камер А и Б, разделенных плоской мембраной, жесткий центр ко­торой служит заслонкой сопла. Воздух питания проходит через дроссель в камеру А и выходит из нее через сопло в атмосферу. Вы­ходной сигнал задатчика – давление воздуха в камере А. Камера Б сообщена с атмосферой. На мембрану со стороны камеры Б действует сила натяжения пружины, устанавливаемая винтом, а со стороны ка­меры А – сила давления воздуха. При изменении натяжения пружины мембрана, прогибаясь, изменяет зазор пневмоконтакта «сопло-зас­лонка» и расход воздуха из камеры А в атмосферу. В результате этого давление воздуха в камере А и в выходной линии задатчика изменяется.

Выключающее реле (рис. 7.7) предназначено для отключения или переключения (коммутирования) входных сигналов при подаче на него командного дискретного сигнала Р _к. Реле состоит из трех камер А, Б и В, которые разделены двумя мембранами, соеди­ненными в блок штоком, двух сопел и пружины. Жесткие центры мемб­ран выполняют роль заслонок по отношению к соплам и вместе с ни­ми образуют два пневмоконтакта «сопло-заслонка: один (сопло C ₁) – нормально открытый, второй (сопло С ₂) – нормально закрытый. Входные сигналы P ₁ и Р ₂ подводят к соплам C ₁ и С₂, командный сигнал Р _к – в камеру А, выходной сигнал Р _вых отводится из камеры Б. Камера В сообщена с атмосферой.

Выключающее реле относится к элементам дискретного дейс­твия. При Р _к = 0 блок мембран под действием пружины в камере Б опустится вниз, сопло С ₂ закрывается, сопло C ₁ открывается и сигнал P ₁ проходит на выход реле. При Р _к = 1 на блок мембран со стороны камеры А действует усилие, превышающее силу натяжения пружины, блок мембран поднимается вверх, сопло C ₁ закрывается, сопло С ₂ открывается и на выход реле проходит сигнал Р ₂. В ре­гуляторах реле при подаче на него давления Р _к запирает выходной сигнал регулятора, а при сбросе Р _к – сообщает выход регулятора с исполнительным устройством.

 

Рис. 7.6. Задатчик давления

Рис. 7.7. Выключающее реле

 

На базе элементов системы УСЭППА построен пневматический комплекс приборов «Старт», позволяющий реализовывать различные алгоритмы автоматизации взрыво- и пожароопасных процессов.

В состав комплекса «Старт» входят вторичные измерительные приборы и станции управления, регулирующие приборы, различные функциональные блоки и вспомогательные устройства. Комплекс «Старт» составляет центральную часть пневматической ветви Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации, в составе которой кроме аппаратуры «Старт» имеются датчики; электропневматические, пневмоэлектрические и пневмогидравлические преобразователи; исполнительные механизмы; регулирующие органы; аппаратура питания и вспомогательные устройства.

В табл. 7.2 в качестве примера приведены типы и основные характеристики некоторых регулирующих устройств комплекса приборов «Старт». Эти устройства представляют собой конструктивно законченные функциональные блоки, отличающиеся друг от друга главным образом законом регулирования.

В качестве примера регулирующего устройства рассмотрим регулятор ПР1.5. Позиционный регулятор (рис. 7.8) содержит задатчик 1 с дросселем 2 и прибором 3 (манометром) контроля значения задания Р _зд, переключатель 4 каналов задания и входного сигнала Р _вх, элемент сравнения 5 и повторитель – усилитель мощности 6, формирующий выходной сигнал регулятора Р _вых.

Таблица 7.2

Регулирующие устройства комплекса «Старт»

Наименование	Тип	Основная характеристика	Назначение
Позиционный регулятор	ПР.1.5-М1	Погрешность срабатывания ±0,5%	Для двухпозиционного регулирования одной величины
Пропорциональный регулятор	ПР.2.8-М1	Пределы настройки диапазона дросселирования, %: 5–100; 100–3000	Для П-регулирования одной величины
Пропорционально-интеграль-ный регулятор с линейной статической характеристикой	ПР.3.31-М1	Пределы настройки диапазона дросселирования, %: 5–100; 100–3000 плюс настройка времени изодрома от 3 с до 100 мин	Для ПИ-регулирования одной величины
Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор	ПР.3.35-М1	Пределы настройки диапазона дросселирования, %: 5–100; 100–3000 плюс настройка времени предварения от 3 с до 10 мин	Для ПИД-регулирования одной величины
Прибор умножения на постоянный коэффициент	ПР.1.3.9-М1	Коэффициент умножения настраивается от 0,2 до 1 и от 1 до 5	Умножение входного параметра на постоянный коэффициент (масштабирование)

Регулятор настраивают на максимум (Р _вых = 1при Р _вх£ Р _зд) или на минимум (Р _вых = 0при Р _вх£ Р _зад) поворотом диска переключателя 4. Настройка заданного давления осуществляется в диапазоне Р _зд = 21–100 кПа вращением винта задатчика 1.

При настройке регулятора на минимум (сплошные линии на рис. 7.8, а) сигнал Р _вх подводят в камеру Бэлемента сравне­ния, а заданное значение Р _зд – в камеру В. При Р _вх < Р _зд блок мембран элемента 5 перемещается вниз, сопло в камере Г от­крывается, а сопло в камере Азакрывается, воздух питания проходит в камеру Гповторителя 6и на выходе регулятора по­является сигнал Р _вых= 1. При Р _вх> Р _зд мембранный блок эле­мента сравнения поднимается вверх, сопло в камере Гзакрыва­ется, а в камере Аоткрывается.

При этом давление на выходе эле­мента сравнения, в камере Гповторителя и на выходе регуля­тора Р _вых падает до нуля. При настройке на максимум сигнал Р _вх подается в камеру В элемента сравнения, а Р _зд – в камеру Б. Структурная схема регулятора ПР1.5 приведена на (рис. 7.8, б).

 

 

Рис. 7.8. Позиционный регулятор ПР1.5 (а) и его структурная схема (б)

Нижнее (0) значение Р _вых регулятора находится в интерва­ле 0–10 кПа, а верхнее (1) – от 110 кПа до давления питания. За основную погрешность регулятора принимают наибольшее рассогласование между значениями Р _вх и Р _зд, при котором срабатывает регулятор. Основная погрешность прибора составляет ±0,5 %.

 

7.3. Струйные пневмоэлементы

Струйные устройства основаны либо на принципе взаимодейс­твия свободных струй, либо на принципе отрыва пограничного слоя (эффект Коанда). Струйные элементы называются активными, если к ним подводится давление питания, и пассивными, если в них ис­пользуется энергия только входных сигналов. Все активные элементы являются усилителями. На (рис. 7.9, а) показан усилитель с взаимодействием струй. Он может быть и аналоговым – в этом слу­чае струя из канала 1, куда подается давление питания Р _пит, бу­дет отклоняться тем больше, чем больше управляющий сигнал Р _упр, поступающий из канала 2. При этом давление Р _вых в выходном кана­ле 3 будет возрастать. Коэффициент усиления К = Р _вых/ Р _упр= 3 – 4. Усилитель может быть дискретным: в этом случае при отсутствии сигнала Р _упр величина Р _вых= 0. При подаче определенного сигнала Р _упр возникает выходной сигнал Р _вых= 1, т.е. реализуется логическая связь ДА. Принцип действия струйного элемента с использованием эффекта Коанда (рис. 7.9, б) состоит в том, что если струя протекает вблизи профилированной стенки 5, тоона прилипает к ней за счет большого давления во внешней части струи. При отсутствии управляющего сигнала в канале 2струя из канала 1 попадает в канал 3. При подаче управляющего сигнала, равного порогу срабатывания Р _ср (рис. 7.9, в), струя отрывается от стенки 5 и появляется выходной сигнал в канале 4. При уменьшении управляющего сигнала до величины Р _отп струя снова прилипает к стенке. Таким образом элемент выполняет по каналу 3 функцию НЕ, а по каналу 4 – функцию ДА.

Достоинства струйной пневмоавтоматики (пневмоники) – надеж­ность, долговечность, стойкость к температурным и агрессивным воздействиям окружающей среды, миниатюрность и низкая себестои­мость связаны с отсутствием механических подвижных частей. Устройства пневмоники изготавливаются литьем под давлением из металла, пластмассы, керамики. Схемы строятся или с использованием набора элементов, выполняющих простейшие логические функ­ции, или на модульном принципе. Каждый модуль реализует логичес­кую функцию, состоящую из нескольких элементарных функций (ячей­ка сравнения, регистр памяти и т.д.). При серийном выпуске эф­фективен макромодульный принцип, при котором часть схемы (счет­чик импульсов, дешифратор и т.д.) или вся она в целом отпечаты­вается одним штампом.

На (рис. 7.10, а) изображен струйный элемент для реализации логической функции ИЛИ на два входных сигнала. Здесь давление в выходном канале 3 возникает при появлении сигнала в любом из входных каналов 1 или 2, т.е. Q = . В элементе И (рис. 7.10, б) при подаче сигнала на один из входов 1 или 2на выходе 3 сигнала не будет. Лишь при одновременной подаче сигналов на входы 1 и 2 в результате взаимодействия струй появится сигнал на выходе, т.е. Q = .

 

Рис. 7.9. Струйные усилители: а – с взаимодействием струй; б – с отрывом пограничного слоя; в – характеристика

 

Произвольная логическая функция может быть реализована как с использованием основных логических элементов НЕ, И, ИЛИ, так и с помощью различных элементарных функций, составляющих полный набор. Одной из таких функций является элемент ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса), показанный на (рис. 7.10, в).

 

 

Рис. 7.10. Основные логические элементы с использованием взаимо­действия свободных струй: а – элемент ИЛИ; б – элемент И; в – элемент ИЛИ-НЕ; г – элемент ПАМЯТЬ

 

Здесь сигнал в выходном канале 3 будет только в том случае, если нет сигналов ни в одном из входных каналов 1и 2. Канал 4 служит для устойчивого поддер­жания струи питания в отклоненном положении за счет обратной связи. Выходной сигнал в этом элементе . В логическом элементе ПАМЯТЬ (рис. 7.10, г) при подаче сигнала р ₁ во входной канал 1 струя из канала питания 2 поступает в выходной канал 3. При прекращении сигнала положение струи не меняется, потому, что часть воздуха из канала 3 поступает в канал обратной связи 4. Для переброса струи в ис­ходное положение (в канал 5) подается импульс во второй входной канал 6. Элемент ПАМЯТЬ выполняет функции триггера с раздельными входами.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Подлесный, Н. И. Элементы систем автоматического управления и контроля: учеб. для вузов / Н. И. Подлесный, В. Г. Рубанов. – Киев: Выща школа, 1991. – 461 с.

2. Медведев, А. Е. Системы автоматизации и управления: учеб. пособие / А. Е. Медведев, В. Г. Каширских.– Кемерово: КузГТУ, 1998. – 188 с.

3. Келим, Ю. М. Типовые элементы систем автоматики: учебник / Ю. М. Келим. – М.: Форум: Инфра, 2002. – 320 с.

4. Фрейден, Дж. Мир электроники: современные датчики: справочник / Дж. Фрейден. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.

5. Конюх, В. Л. Компьютерная автоматизация производства: Учеб. пособие: в 2 ч. / В. Л. Конюх; ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2003. – 222 с.

6. Комплексная автоматизация производства: каталог Simatic ST70. 2003. – SIEMENC, 2003. – 975 с.

7. Краткий каталог продукции 7.0: передовые технологии автоматизации. – Компания ПРОСОФТ, 2001. – 253 с.

8. Веб-сайт Интернет по промышленным компьютерам и контроллерам: http: //www.ipc2u.ru

9. Веб-сайт Интернет по программируемым контроллерам ТЕКОН: http: //www.tecon.ru

10. Веб-сайт Интернет по приборам регулирующим про-граммируемым микропроцессорным: http: //www.aqua-kip.ccr.ru

11. Семейство контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500, Ремиконт Р-130 ISA: Руководство по эксплуатации: в 2 ч. / Чебоксар. завод электроники и механики. – Чебоксары, 2004. – 98 с.

 

АЛЕКСЕЙ ЕЛИСЕЕВИЧ МЕДВЕДЕВ