Логические клапаны

В пневматических системах автоматизации производства и на транспорте в основном используются дискретные сигналы, которые имеют только два значения: 0 («сигнала нет») и 1 («сигнал есть»), что соответствует двоичной системе исчисления. Двоичные переменные также называют логическими переменными, а их возможные сочетания описываются логическими функциями.

Логические переменные изучаются в специальном разделе математики, который носит название алгебры логики (высказываний), или булевой алгебры – по имени английского математика Джорджа Буля. Подробнее про логические функции описано в отдельной статье.

При проектировании пневматических систем управления на жесткой логике реализация логических функций происходит за счет использования специальных элементов – логических клапанов – и определенного их соединения друг с другом.

Типы логических клапанов

В зависимости от необходимости реализовать ту или иную логику и последовательность работы системы, используются различные клапаны, отличающиеся своей функцией и назначением.

Клапаны "И", "ИЛИ"

При реализации системы управления на пневматической логике в качестве основных логических элементов используются клапаны «И» (клапан двух давлений) и клапаны «ИЛИ» (перекидной клапан).

Как следует из названия устройства и реализуемой функции, клапан двух давлений (клапан "И") выдает сигнал на выходе (канал 2) только в том случае, если сигналы присутствуют на обоих его входах (каналы 1). Если сигнал приходит один, он сам себя запирает.

Если возникает необходимость в управлении какой-то системой или элементом из нескольких мест, то используется элемент «ИЛИ» (перекидной клапан). Сигнал на выходе будет тогда, когда будет сигнал на любом из входов или на обоих.

Блоки двуручного управления

Представляют собой пневматические устройства, используемые с опасными механизмами (прессы и другое) и призванные защитить пользователя от возможной опасности.

Для своего включения требуют одновременной и синхронной (≤0.5 сек) подачи двух управляющих сигналов.

Клапаны выдержки времени и таймеры

Клапаны выдержки времени или пневматические таймеры представляют собой устройства, запускающееся на «счет» сразу после подачи давления в канал управления (порт 12). По истечении установленного времени, происходит появление или исчезновение сигнала на выходе (порт 2) в зависимости от исполнения таймера.

Позволяют реализовать задержку на включение или выключение того или иного пневматического устройства, являясь пневматическим аналогом реле времени.

Триггеры

Пневматический триггер предназначен для поочередного переключения подачи воздуха между выходами 2 и 4 при каждом импульсе на входе 12. При каждом нажатии на пневматическую или электрическую кнопку триггер переключается и пневмоцилиндр совершает один ход.

Пневматический триггер зачастую используется в контурах управления с опасными механизмами (пресс и т.п.) и призван защитить пользователя от возможной опасности.

Осциляторы

Клапан осциллятор пневматический - это устройство, которое постоянно генерирует колебания в пневматической системе, т.е. постоянно скачкообразно переключается из одного состояния в другое (поочередное переключение подачи сжатого воздуха между выходами 2 и 4). Используется для осуществления автоматического возвратно-поступательного движения пневмоцилиндра.

Клапаны последовательности давления

Кроме управления по перемещению и по времени в пневмоавтоматике применяется еще управление по давлению. Его используют, например, когда нужно обеспечить отвод штока пневмоцилиндра только после достижения определенного усилия, или фиксировать промежуточные остановки штока без дополнительных датчиков положения при изъятии деталей из вертикального магазина.

Обычно эти задачи решаются с помощью дискретных датчиков (реле) давления и вакуума с электрическим выходным сигналом. Однако существуют специфические реле давления с пневматическим выходным сигналом. В пневмоавтоматике такой датчик еще называют клапаном последовательности давления (или вакуума).

Подключение и монтаж логических клапанов

Логические клапаны выпускаются в широком диапазоне размеров, чтобы их можно было использовать для прямого и непрямого управления исполнительными устройствами.

Большинство логических клапанов имеют резьбовое или цанговое подключение. 

• Модели с резьбовым подключением более габаритные, но зато имеют больший расход и могут напрямую управлять пневмоприводами.
• Клапаны с цанговым подключением более компактные и используются для непрямого управления, т.е. направляют управляющие сигналы небольшого расхода на пилоты силовых клапанов, подающих воздух непосредственно в пневмоприводы.

Для систем с пневматической логикой, где требуется большое количество логических элементов, они выпускаются в блоках по 3 и более штук, монтируясь на специальные кронштейны или просто на стандартную DIN-рейку.

Модули тактовых цепочек

Если исполнительных механизмов несколько, то для решения проблемы совпадающих тактов (каждое действие выполняется только после выполнения предыдущего), применяют модули тактовых цепочек. Они собираются на базе специальных элементов памяти, а также логических элементов типов «И» и «ИЛИ». Такие устройства оперируют поступающими сигналами, передавая их на последующие модули или генерируют общий сигнал для всей цепочки устройств.

Аналогичный принцип работы у командоаппаратов, при этом они способствуют выполнению только очередного рабочего цикла, несмотря на подачу сигналов и на других входах. Эти устройства рассчитаны на определенное количество шагов. Если их требуется больше, то применяют дополнительное устройство, если меньше, то неиспользуемые шаги замыкаются друг на друга. Для подачи управляющих сигналов используют импульсные и тактовые генераторы.

Для реализации особо сложных логических схем, имеет смысл использовать электрические процессорные устройства, счетчики и клапаны двуручного включения.

Преимущества пневматических систем управления

Пневмотехника обеспечивает стабильную работу сложного производственного оборудования, являясь при этом менее уязвимой к условиям эксплуатации, в отличии от чувствительных электронных устройств. Стоит отметить и другие достоинства пневматических приборов:

• Возможность работать во взрывоопасной зоне без применения специальных средств взрывозащиты
• Значительный срок службы;
• Сниженное энергопотребление;
• Устойчивость к различным помехам;
• Хорошая ремонтопригодность;
• Простое обслуживание.

Вместе с тем, техника, работающая на сжатом воздухе, является весьма требовательной к качеству его очистки, и требует применения качественного фильтрующего оборудования.

Системы управления на логических клапанах

Рассмотрим пример построения полноценной системы управления на базе одних только логических клапанов.

Пример системы с комбинированным управлением по перемещению, времени и давлению

На рисунке выше представлена принципиальная схема управления одним исполнительным устройством, где присутствуют все рассмотренные выше элементы, имеющие отношение к последовательности перемещения и выдержкам времени.

Пневмоцилиндр перемещает нагревательную рейку, с помощью которой свариваются концы пленки на барабане, например, в трех местах, после чего следует подача новой пленки. Прочие приводы не показаны, например, они электрические, но на подачу новой пленки нужно 5 секунд.

Сама приварка требует определенного усилия в конце, например, обеспечиваемого давлением в цилиндре р0=3 бар. Время приварки до набора максимального усилия по технологии равно 2 с. Если новая пленка будет подана раньше, то оператор может начать процесс, не дожидаясь 5 секунд.

Система должна работать в двух режимах: одиночного цикла и непрерывного. Кроме того, должна быть кнопка возврата в исходное положение (сброса).

Для запуска системы в работу после подачи питания нужно нажать кнопку 0S1, которая обнуляет счетчик 1Z1 и ставит в нужное положение триггер 1V1. Нажатие на кнопку 0S2 приводит к выполнению одного цикла сварки (например, для отладки), а нажатие на кнопку 0S3 заставляет систему работать непрерывно.

После выполнения трех циклов, сигнал со счетчика переключает триггер в положение, запрещающее начало следующего цикла до истечения 5 секунд. Через эти 5 секунд сигнал с клапана выдержки времени 1V5 обнуляет счетчик и переключает триггер. Начать новый цикл можно и раньше, но для этого оператор должен нажать на кнопку 0S1.

Клапан последовательности давления 1V4 обеспечивает отвод рейки после достижения заданного усилия, а дроссель с обратным клапаном 1V3 настраивает время набора нужного давления.

Счет циклов ведется счетчиком 1Z1 по числу касаний рейкой барабана, но этот сигнал можно взять и с выхода клапана 1V4, т.е. по фактически сделанной работе.