Как сделать электропневматический клапан (2 видео)

Построение системы управления пневматическими приводами на базе пневматической логики (часть первая)

Пневматические приводы широко применяются в таких областях, как пищевая и химическая промышленность, транспорт и электроника, станки для текстильной и деревообрабатывающей промышленности, строительство, полиграфия, медицинская техника. Наиболее распространённым является пневматический привод с управлением от программируемого логического контроллера (ПЛК) или программируемого реле. Такая структура привода имеет в сегодняшнем промышленном мире широкое распространение в силу ряда причин:

простота электрического монтажа (кнопки, датчики, исполнительные элементы подключаются к контроллеру по типовым схемам);
возможность быстрого программного изменения алгоритма работы без изменения электрической схемы;
возможность подключения сенсорных панелей и реализации сервисных функций (таких как подсчёт количества продукции за различные интервалы времени, определение производительности и т.п.);
наличие большого количества производителей и широкой номенклатуры контроллеров, позволяющей подобрать оптимальное оборудование, как по стоимости, так и по функциональным возможностям;
отсутствие дефицита специалистов в области программирования контроллеров.

Применение контроллеров для управления пневматическими приводами стало настолько популярным, что разработчики даже не задумываются о возможности альтернативы в виде системы управления на основе пневматической логики. Но по-прежнему на производствах встречаются приводы, которые могут или должны работать без электрического питания:

при жёстких требованиях к пожаро-, взрывобезопасности компонентов привода в специфических условиях его работы: производства легковоспламеняемых жидкостей и газов — индустриальные и пищевые масла, аэрозоли, пиротехнические изделия, пороховые заводы, горно-шахтное оборудование, взрывоопасная пыль при производстве органических, композитных/синтетических материалов, мучная пыль на мельницах, элеваторах, в хлебопекарнях, на мукомольных заводах, а также объёмный взрыв может возникнуть на сахарных заводах;
при наличии требований повышенной надежности и безотказности, которые обеспечиваются наличием в приводах только одного носителя энергии (сжатого воздуха) как в силовом, так и в информационном контуре или дублирующими системами безопасности в особо ответственных узлах станка или агрегата;
низкий уровень автоматизации, где требуется упростить задачу и организовать управление одним, двумя и тремя приводами в составе станка без необходимости дополнительного подвода электрической сети.

Чем хороша пневматическая логика? Тем, что она реализует те же самые логические операции, что совершаются в программном коде внутри ПЛК.

Эти операции выполняются специальными логическими клапанами, реализующими простейшие логические функции (логические операции) – НЕТ, ДА, И, ИЛИ (рисунки 1 – 4). Работа логической функции задаётся с помощью таблицы истинности. При этом, под «1» понимается высокий уровень давления, достаточный для переключения логического клапана (чаще всего давление питания), под «0» — низкий уровень давления, недостаточный для переключения клапана (или достаточный для возврата его в исходное состояние, чаще всего — 0 бар).

Логическая операция НЕТ (инверсия, отрицание): на выходе присутствует «1» (высокий уровень давления), если на входе НЕ присутствует высокий уровень давления (т.е. если на входе «0» (рисунок 1).

Рисунок 1 – Реализация логической функции НЕТ (X =ā).

Видео:Принцип работы электромагнитного нормально открытого клапанаСкачать

Логическая операция ДА (повторение): значение сигнала на выходе повторяет значение сигнала на входе (рисунок 2).

Рисунок 2 – Реализация логической функции ДА(X = a).

Логическая операция И (логическое умножение, конъюнкция): на выходе присутствует «1» только тогда, когда на первом входе присутствует «1», И на втором входе присутствует «1» (И на третьем, И на четвёртом, И т.д. …).

Рисунок 3 – Реализация логической функции И (X = a × b).

Логическая операция ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция): на выходе присутствует «1», если на первом входе присутствует «1» ИЛИ на втором входе присутствует «1» (ИЛИ на третьем, ИЛИ на четвёртом, ИЛИ и т.д. …).

Рисунок 4 – Реализация логической функции ИЛИ (X = a + b).

Рассмотрим применение пневматической логики на примере установки для перемещения прутка (рисунок 5).

Рисунок 5 – Установка для перемещения прутка

Видео:КАК СДЕЛАТЬ КЛАПАН СВОИМИ РУКАМИ.Скачать

a, b, c – конечные выключатели; d, e – кнопки управления.

Пруток подаётся в нижнюю часть жёлоба (для дальнейшей транспортировки) с помощью подающего механизма при втягивании цилиндра. Подача осуществляется при нажатии одной из кнопок – «d» или «e». При этом для осуществления подачи необходимо, чтобы выполнялось ряд условий: сепаратор должен находиться в исходном состоянии (шток цилиндра выдвинут, включён конечный выключатель «a»), в сепараторе должен быть пруток (включён конечный выключатель «b»), и место для подачи прутка должно быть свободным (отключён конечный выключатель «с»).

Читайте также: Клапан рециркуляции газа шевроле круз

Если обозначить через X сигнал управления моностабильным распределителем, то условие его появления будет следующим (рисунок 6): Х = 1, если включён конечный выключатель «a» И включён конечный выключатель «b» И НЕ включён конечный выключатель «с» И нажата кнопка («d» ИЛИ «e»).

Рисунок 6 – Условие подачи прутка

Логическое выражение будет иметь вид:

На рисунке 7 представлена пневматическая принципиальная схема установки для перемещения прутка. Инверсия сигнала «с» реализована за счёт применения в качестве конечного выключателя 3/2 нормально открытого распределителя (см. рисунок 1). В левом верхнем углу приведена часть схемы, непосредственно реализующая заданную логическую функцию (1). Фактически эта часть схемы является аналогом управляющей программы для ПЛК на языке FBD.

Рисунок 7 – Схема пневматическая принципиальная установки для перемещения прутка

Логические клапаны «ДА» и «НЕТ» имеют пороговое срабатывание. Это позволяет с их помощью реализовывать такие задачи, как создание времязадающих устройств, одно- и мультивибраторов, преобразование нарастающих сигналов в ступенчатые со стабильными характеристиками.

Например, известная схема временной задержки (рисунок 8а), формирующая задержку сигнала «х» относительно сигнала «а» в зависимости от настройки дросселя и объёма ресивера, может иметь нестабильное время срабатывания из-за технологического разброса при производстве, износа уплотнений и пружины распределителя.

Как сделать электропневматический клапан

Рисунок 8 – Схема временной задержки

Видео:Электропневматический клапан автостопа ЭПК-150И-1Скачать

Логические клапаны изготавливаются прецизионными, поэтому пороговое давление срабатывания с течением времени практически не изменяется. Соответственно, если вместо распределителя использовать логический клапан ДА (рисунок 8б), то время срабатывания будет более стабильным.

Приведём некоторые примеры применения пневмологики в решаемых в промышленности задачах:

В особых условиях эксплуатации – кроме пожаро- и взрывоопасных сред к таким условиям следует отнести высокий уровень запылённости, влажности, воздействия электромагнитных полей. Такие ситуации имеют место при добыче и переработке полезных ископаемых; в химической промышленности; при производстве боевых веществ и изделий; в отдельных производствах пищевой промышленности.

В этом случае использование электроавтоматики и электроники требует специальных мер защиты, что приводит к увеличению стоимости, массы и габаритов, которые оказываются соизмеримы или хуже, чем у привода с пневматической системой управления. В некоторых производственных задачах применение электрики и электроники полностью исключено.

Подобная задача решалась в ООО «Камоцци Пневматика» при модернизации производства на крупном предприятии химической промышленности. Было автоматизировано несколько конвейерных линий, на каждой из которых было установлено до десяти единиц уникального оборудования. Производственное здание, в котором располагался цех, было подключено к сети сжатого воздуха предприятия (и оснащено электрической сетью небольшой мощности для питания системы аварийной сигнализации и пожаротушения). Поэтому по требованию заказчика можно было использовать только пневматические системы управления. Специалистами Камоцци было разработано и изготовлено около сорока пневматических шкафов управления, которые обеспечили полную автоматизацию производственных линий (рис.9а), для этого потребовалось составить около 2000 логических уравнений и применить около 2000 логических элементов.

Рисунок 9а – Шкаф управления со 126 логическими элементами

Для примера на рисунке 9б показана пневматическая схема ориентирующего устройства. Устройство обеспечивает ориентацию изделия за счёт его фиксации в заданном положении с помощью двух пневмоцилиндров, управляемых от одного силового распределителя. Фиксация осуществляется при втягивании штоков цилиндров, расфиксация – при выдвижении. Устройство может работать в двух режимах – ручном и автоматическом.

Читайте также: Параллакс митрального клапана сердца симптомы

Рисунок 9б – Пневматическая схема ориентирующего устройства

Р1 – кнопка «Фиксация выкл.»; Р2, Р7 – конечные выключатели «Изделие зафиксировано»;

Р3 – клапан безопасности; Р4, Р6 – конечные выключатели «Изделие расфиксировано»;

Видео:Самый простой воздушный клапан из сантехники своими руками!Скачать

Р5 – силовой распределитель управления цилиндрами; Р8 – усилитель сигнала;

Р9 – механический датчик наличия изделия; Р10 – кнопка «Фиксация вкл.»;

Р2.1 – конечный выключатель «Транспортёр зафиксирован»;

Р2.2 – конечный выключатель «Поворот транспортёра завершён»; К1, К2 – клапаны ИЛИ.

В автоматическом режиме фиксация (ориентация) изделия осуществляется при условии, что поворот транспортёра завершён и транспортёр зафиксирован (срабатывают конечные выключатели Р2.1 и Р2.2) и в ячейке присутствует изделие (сработал датчик наличия изделия Р9). «Расфиксация» – происходит автоматически после завершения фиксации (ориентации) при срабатывании конечных выключателей Р4 и Р6. Кроме того, при срабатывании конечных выключателей Р2, Р7 и аналогичных выключателей второго ориентирующего устройства формируется сигнал «Фиксация отключена», который передаётся в устройство управления транспортёром.

В ручном режиме фиксация (ориентация) изделия возможна только при зафиксированном транспортёре, расфиксация – в любой момент времени.

В данной схеме логические операции «И» реализуются при последовательном соединении распределителей, «ИЛИ» — за счёт логических клапанов К1 и К2.

В приводах с ручным, механическим или несложным автоматическим управлением. Например, в станках для обработки деревянного и пластикового профиля, оборудовании для автосервиса, мобильной технике, испытательных стендах. За счёт простоты пневматическое управление будет дешевле или соизмеримо по стоимости с управлением от программируемого контроллера.

Пневматическая система управления была применена в специальном станке для забивания крупногабаритной деревянной тары, оснащённом 22-мя пневматическими цилиндрами. В автоматическом режиме при одновременном нажатии и удержании двух кнопок «Пуск» (для безопасности оператора) выполняется автоматический цикл в следующей последовательности: прижим с торцов (2 цилиндра); прижим с боков (4 цилиндра); прижим сверху (4 цилиндра); выдвижение шести пистолетов в горизонтальной плоскости (6 цилиндров); опускание пистолетов (забивание) (6 цилиндров). После отпускания кнопок возврат происходит в обратном порядке.

В полуавтоматическом режиме после зажима тары, удерживая одну из кнопок «Пуск», второй рукой можно управлять любым из шести пистолетов посредством шести кнопок. При нажатии любой кнопки происходит подвод, а затем опускание соответствующего пистолета, при отпускании кнопки – возврат пистолетов в исходное положение.

Для создания непосредственно системы управления потребовалось всего девять различных логических пневматических клапанов и два пневматических распределителя (рисунок 10). При стандартном подходе и полностью программной реализации алгоритма управления понадобилась бы модель с ПЛК 32-мя дискретными входами и 15-ю дискретными выходами. Если часть функций реализовать за счёт схемотехнических решений (как это сделано в пневматической системе управления), то количество входов можно сократить до 9, выходов – до 11.

Рисунок 10 – Управляющая подсистема станка для забивания тары

Видео:Пневмораспределитель - устройство и принцип работы.Скачать

Р1…Р23 – конечные выключатели: Р1 – «Верхний прижим вкл.», Р2 – «Боковой прижим откл.», Р3 – «Торцевой прижим вкл.», Р4 – «Верхний прижим откл», Р5 – «Боковой прижим вкл.», Р6…Р11 — «Пистолеты 1…6 отведены», Р12, Р14, Р16…Р22 – «Пистолеты 1…6 подняты», Р13, Р15, Р17…Р23 – «Пистолеты 1…6 подведены»; Р1.1…Р1.9 – Пневмокнопки: Р1.1…Р1.2 – «Пуск», Р1.3…Р1.9 – Пневмокнопки управления пистолетами; К2.1 – К2.9 – Логические клапаны: К2.1, К2.3 – Клапаны И, К2.2, К2.4…К2.8 – Клапаны ИЛИ, К2.9 – Клапан НЕТ.

Каждая группа цилиндров «Прижим боковой», «Прижим торцевой» и «Прижим верхний» управляется от одного силового распределителя. В каждой группе скорость одного из цилиндров настраивается так, что он завершает движение чуть позже остальных. На этом цилиндре установлены конечные выключатели.

Читайте также: Клапан обратный для пара ду20

Пневматические системы управления дают дополнительные преимущества:

Работа в запылённой и влажной среде. Например, для проверки герметичности изделий был разработан стенд, оснащённый несложным пневматическим приводом с электроуправлением и работающий в полуавтоматическом режиме. Оператор устанавливал изделие в приспособление, подключал к нему трубопровод для подачи сжатого воздуха и нажимал кнопку «Пуск». Изделие, представляющее собой тело вращения, с помощью пневмопривода фиксировалось, опускалось в ванну с водой, в контролируемую полость подавалось давление, и изделие поворачивалось вокруг оси в одну, а затем в другую сторону. Оператор наблюдал за наличием (или отсутствием) пузырьков воздуха. После того как результат испытания становился очевиден, оператор нажимал кнопку «Стоп», воздух сбрасывался, привод поднимал изделие из ванны, происходила расфиксация, и оператор снимал изделие. Влажная окружающая среда и брызги воды, исключение которых было невозможно, попадали на соленоиды и приводили к выходу из строя оборудования с периодичностью – одна катушка в 2-3 недели. Исключить эту проблему можно было двумя способами ещё на этапе проектирования: или установить блок распределителей в шкаф управления, или создать пневматическую систему управления.

Сокращение обслуживающего персонала. На крупных предприятиях техническое обслуживание силовой части пневматического привода обычно закреплено за службой главного механика или главного энергетика, а управляющей (электрической) части – за службой главного энергетика или отделом КИПиА. Если происходит сбой в работе оборудования, то придётся потратить какое-то время на выяснение того, какая служба будет заниматься восстановлением. Техническое обслуживание пневматической системы управления чаще всего закреплено за той же службой, что и силовая часть.
Надёжность, безотказность в работе. Если система подготовки сжатого воздуха спроектирована правильно, то при незапланированном отключении электропитания компрессора привод может гарантированно доработать автоматический цикл, не входя в аварийный режим (или останется полностью работоспособным, если электроэнергия отключилась локально – только на данном участке). Это позволяет выделить ещё одну актуальную область применения пневматических систем управления – минимизация ущерба от аварий.

Для повышения надёжности и безопасности особо ответственное оборудование снабжается электрической и пневматической системами управления. При этом пневматическая выступает в роли резервной или аварийной и может работать как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Ещё один пример — в испытательном стенде необходимо в испытательную камеру подавать газ под определённым давлением в течение длительного времени. Газ подаётся от специального генератора, работающего от электросети. Если в процессе испытаний подача газа прекратится, то испытания необходимо начинать заново. Для исключения такой ситуации при отключении электропитания пневматическая система управления обеспечивает подачу газа от баллонов.

Приведённые примеры показывают, что несмотря на бурное развитие электроники и внедрение новых технологий, пневматические системы управления сохраняют свою нишу в производстве.

Во второй части статьи будет рассказано о структуре и особенностях пневматических приводов с пневматическими системами управления и аппаратуре Camozzi для их реализации.

Стоит отметить, что больший объем информации о применении пневматической логики партнёры компании могут получить на бесплатных информационно-обучающих семинарах. Кроме глубоких теоретических знаний посещение семинара позволит Вам самостоятельно прорешать лабораторные работы по приводам, построенным на основе пневмологики и транслировать полученный опыт на стенды-тренажёры, где также самостоятельно можно собрать структуру привода, запустить его в работу и верифицировать правильность найденного решения. С расписанием и программой семинаров можно ознакомиться на сайте компании в разделе «Учебно-научный центр». Запись на семинар осуществляется через регионального инженера Камоцци, работающего с Вашей компанией.

Денис Дмитриевич Дымочкин, к.т.н.,

Александр Николаевич Харченко, к.т.н.,

Учебно-научный центр