Введение

Отличительной чертой современного производства является широкое использование в оборудовании высо­котехнологичных, однотипных по функциональному назначению и конструкции компонентов общепромышлен­ного применения*. В первую очередь, к таким компонентам относятся различного рода приводы и системы.

Системой называют совокупность взаимосвязанных объектов, объединенных единой целью и общим ал­горитмом функционирования. Если объектами являются технические устройства, взаимодействие которых осуществляется посредством жидкости или воздуха, то такие системы называют соответственно гидравли­ческими и пневматическими, или сокращенно гидро- и пневмосистемами. Используемые в них жидкость и сжатый воздух называют рабочей средой (энергоносителем).

В зависимости от функционального назначения гидро- и пневмосистемы делят на системы управления — системы, которые используются для управления различными машинами, станками, аппаратами, и системы, обеспечивающие рабочий процесс в этих объектах (системы смазки, топливные системы, системы охлажде­ния, тепло- и газоснабжения и т. п.).

Системы управления, в состав которых входит комплекс устройств, предназначенных для получения уси­лий и перемещений в машинах и механизмах, называют также приводами. В зависимости от используемого энергоносителя различают электрические, гидравлические и пневматические приводы, или сокращенно элек­тро-, гидро- и пневмоприводы.

Область применения того или иного привода определяется путем анализа достоинств и недостатков, при­сущих каждому из них (табл. 1).

Табл. 1. Сравнение приводов по виду используемой энергии

Критерий	Электроприводы	Гидроприводы	Пневмоприводы
Затраты на энергоснабжение	Низкие 1	Высокие 3...5	Очень высокие 7...10
Передача энергии	На неограниченное расстояние со скоростью света с=300 км/с	На расстояния до 100 м, скорость — до 6 м/с, передача сигналов — до 100 м/с	На расстояния до 1000 м, скорость — до 40 м/с, передача сигналов — до 40 м/с
Накопление энергии	Затруднено	Ограничено	Легко осуществимо
Линейное перемещение	Затруднительно, дорого, малые усилия	Просто, большие усилия, хорошее регулирование скорости	Просто, небольшие усилия, скорость зависит от нагрузки
Вращательное движение	Просто, высокая мощность	Просто, высокий крутящий момент, невысокая частота вращения	Просто, невысокий крутящий момент, высокая частота вращения
Рабочая скорость исполнительного механизма	Зависит от конкретных условий	До 0,5 м/с	1,5 м/с и выше
Усилия	Большие усилия, не допускаются перегрузки	Усилия до 3000 кН, защищены от перегрузок	Усилия до 30 кН, защищены от перегрузок
Точность позиционирования	+1 мкм и выше	До +1 мкм	До 0,1 мм
Жесткость	Высокая (используются механические промежуточные элементы)	Высокая (гидравлические масла практически несжимаемы)	Низкая (воздух сжимаем)
Утечки	Нет	Создают загрязнения	Нет вреда, кроме потерь энергии
Влияние окружающей среды	Нечувствительны к изменениям температуры	Чувствительны к изменениям температуры, пожароопасны при наличии утечек	Практически нечувствительны к колебаниям температуры, взрывобезопасны

Оборудование с пневмоприводами, рабочей средой в которых служит сжатый воздух, характеризуется про­стотой конструкции, легкостью обслуживания и эксплуатации, высоким быстродействием, надежностью и дол­говечностью работы, функциональной гибкостью, невысокой стоимостью, а также возможностью работы в аг­рессивных средах, взрыво-, пожаро- и влагоопасных условиях. Сжатый воздух легко аккумулируется и транс­портируется, а его утечки через уплотнения хотя и нежелательны, но не создают опасности для окружающей среды и производимой продукции, что особенно важно для пищевой, парфюмерной, медицинской и электрон­ной промышленности.

От электроприводов пневмоприводы отличаются возможностью воспроизведения линейных и поворотных движений без помощи преобразующих механизмов, большей удельной мощностью, а также сохранением ра­ботоспособности при перегрузках. При этом скорость срабатывания и максимальная выходная мощность пнев­матических исполнительных механизмов, питаемых от промышленных пневмомагистралей, меньше.

По сравнению с гидроприводами преимущества пневмоприводов заключаются в возможности использо­вания централизованного источника сжатого воздуха, отсутствии возвратных линий и коммуникаций, более низких требованиях к герметичности, отсутствии загрязнения окружающей среды, больших скоростях движе­ния выходного звена. Для пневматических приводов характерны простота управления, свобода выбора мес­та установки, малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды.

Вместе с тем пневмоприводам присущи некоторые недостатки, ограничивающие область их применения. Например, в связи с тем, что давление воздуха в централизованных пневмомагистралях, которое составляет 0,4-1,0 МПа (4-10 бар), значительно ниже уровня давлений в гидросистемах - до 60 МПа (600 бар), пневмо­приводы имеют значительно меньшую энергоемкость и худшие массогабаритные показатели. Вследствие сжи­маемости воздуха становится технически сложно обеспечить плавность перемещения выходных звеньев ис­полнительных механизмов при колебаниях нагрузки, а также их точный останов в любом промежуточном поло­жении (позиционирование) и реализацию заданного закона движения.

Разработка новых материалов, технологий конструирования и производства обусловливает повышение ка­чества и постоянное расширение номенклатуры и области применения пневматических устройств как средств автоматизации*. Развитие и интенсивное внедрение электроники и микропроцессорной техники в управление автоматизированным оборудованием и технологическими процессами способствует совершенствованию пнев­матических приводов, приводит к созданию «интеллектуальных» электропневматических систем.

Специалист, занятый в области автоматизации производственных процессов, должен иметь четкое представление о возможностях пневмоавтоматики *, «философии» структурного построения автоматических систем управления, особенностях их функционирования и эксплуатации, знать основную элементную базу и владеть методами расчета пневмоаппаратов".

1. Структура пневматических приводов

Чтобы понять назначение тех или иных элементов пневмосистем, разобраться в принципах их объедине­ния в различные части общей структуры привода и «прочувствовать» взаимосвязь этих частей, полезно вве­сти некоторые обобщающие понятия.

Известно, что все технические процессы подразделяются на:

технологические — производство и обработка материалов;

энергетические — выработка, преобразование и передача различных видов энергии;

информационные — формирование, прием, обработка, хранение и передача информационных потоков.

Исходя из этого, можно сказать, что пневматический привод, как и любой другой, состоит из двух взаимо­связанных основных частей:

силовой, в которой осуществляются энергетические процессы;

управляющей, реализующей информационные процессы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура пневматического привода

Рассмотрим более подробно структуру силовой части привода.

Очевидно, что те или иные элементы привода в зависимости от своего функционального назначения отно­сятся к различным его подсистемам. Например, устройства, используемые для производства и подготовки сжатого воздуха (к таковым относятся компрессоры, фильтры, устройства осушки, ресиверы и т. п.), составля­ют энергообеспечивающую подсистему привода*,

Управление энергией полученного сжатого воздуха, заключающееся в регулировании таких его параметров, как давление и расход, а также в распределении и направлении потоков сжатого воздуха, осуществляется посредством клапанов давления, дросселей, распределителей и других элементов направляющей и регулирующей подсистемы привода.

Полезная работа — выполнение различных рабочих перемещений или создание усилий в машинах, стан­ках и технологических установках — совершается исполнительными механизмами (пневмоцилиндрами, пнев-момоторами, захватами и т. п.), составляющими исполнительную подсистему привода.

Поскольку в простейших приводах функции управления остаются за человеком, структура привода прини­мает вид, показанный на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структура пневматического привода с ручным управлением

Обратим внимание на то, что принципиальные пневматические схемы приводов (а одна из важнейших задач для нас — научиться их читать), как правило, строят по вертикали (как и структурные схемы). Направле­ние движения потока энергии (в нашем случае — потока сжатого воздуха) на схемах силовой части привода принято снизу вверх.

Осуществление функций управления и контроля всегда связано с необходимостью выполнения целого ряда операций логического и вычислительного характера. Поскольку физиологические возможности человека как управляющей системы ограничены, эффективное использование существующих и разработка новых вы­сокопроизводительных установок возможны лишь при передаче функций управления машинам. Таким обра­зом, задачей автоматического управления является осуществление процесса управления без непосредствен­ного участия человека.

Применяют разомкнутые и замкнутые системы автоматического управления (САУ) . В разомкнутых систе­мах отсутствует контроль состояния управляемого объекта, управляющее воздействие формируется исходя из цели управления и свойств управляемого объекта. В замкнутых же САУ управляющее воздействие произ­водится на основе результата сравнения состояния — текущего или в контрольных точках — объекта управле­ния с заданным (требуемым).

Устройства, входящие в управляющую часть замкнутой системы управления, по своему функциональному назначению делятся на две подсистемы:

информационную (сенсорную);

логико-вычислительную (процессорную).

В информационную подсистему входят различного рода устройства ввода внешних управляющих сигна­лов, а также датчики и индикаторы. Если внешние управляющие сигналы («Пуск», «Стоп», «Аварийный оста­нов» и т. п.) вводит в систему оператор, то датчики автоматически «собирают» информацию о состоянии объекта управления, а индикаторы визуализируют необходимую для оператора часть этой информации.

Назначение логико-вычислительной подсистемы очевидно — обработка введенных управляющих сигна­лов в соответствии с заданной программой и вывод их на устройства управления энергией в силовой части привода.

В зависимости от условий эксплуатации, требований безопасности или степени сложности силовой части привода управляющая часть может быть реализована путем использования пневматических, электрических или электронных средств автоматизации.

Если силовая и управляющая части привода выполнены на пневматической элементной базе, то можно говорить о пневматической системе автоматического управления (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Структура пневматической системы автоматического управления

В таких случаях управляющая часть может не иметь собственной энергообеспечивающей подсистемы, потребляя энергию от подсистемы энергообеспечения силовой части привода.

В большинстве случаев исполнительные механизмы приводов технологического оборудования имеют же­сткую или кинематическую связь с объектом управления, что позволяет по состоянию их выходных звеньев судить о соответствующем состоянии объекта. Системы автоматического управления технологическими объек­тами, организованные подобным образом, будут иметь структурную схему, представленную на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Структурная схема системы автоматического управления

Приведенная схема показывает, что в системах автоматического управления сигналы передаются по замкнутому контуру. При этом реализуется основной принцип построения САУ, который заключается в при­менении обратной связи, обеспечивающей передачу информации об изменении состояния объекта управ­ления (или, как в нашем случае, — о состоянии исполнительного механизма) в систему управления.

Классификацию САУ, работающих по описанной схеме, можно проводить по различным принципам: типу управления, характеру формирования и виду передаваемых сигналов и т. д. Из всего многообразия пневма­тических САУ остановимся на широко распространенных в промышленности дискретных системах управ­ления, т. е. системах с принудительным пошаговым процессом. В таких системах программа переходит от текущего шага к последующему только по сигналам, поступающим от управляемой системы.

Если управляющая часть пневмопривода реализована не на пневматической элементной базе, то говорят о гибридной САУ. Так, если система управления выполнена на основе электрических релейно-контактных устройств или же функции управления осуществляются промышленным контроллером, то речь пойдет об электропневматической системе управления.

Так как электронные системы управления выгодно отличаются от пневматических по быстродействию, габаритам и простоте перепрограммирования, а собирать информацию в общем случае удобнее посредством электронных датчиков, то для автоматизации различных технологических процессов все более широко при­меняют электропневматические САУ.

Чтобы выяснить функциональное назначение и взаимосвязь устройств, образующих пневматические, элек­тропневматические или иные гибридные САУ, необходимо «наполнить» аппаратным содержанием каждую часть, каждую подсистему приведенной выше структуры.