Сервопневматические системы позиционирования

Сервопневматические системы являются продвинутым оборудованием в области промышленной автоматизации, обеспечивая высокую точность и контроль в различных производственных процессах. В данной статье мы рассмотрим, что собой представляют эти системы, их назначение, преимущества и состав.

Что такое сервопневматическая система

Сервопневматическая система – это комбинация пневматической и электронной техники, используемая для точного управления движением и положением исполнительных механизмов. В отличие от традиционных пневматических систем, сервопневматические системы оснащены датчиками обратной связи и контроллерами, что позволяет им выполнять сложные задачи с высокой точностью.

Назначение

Сервопневматические системы предназначены для выполнения задач, требующих точного позиционирования и контроля скорости движения. Основные области их применения включают:

1. Промышленные роботы: Обеспечение точного управления движением роботов в сборочных линиях и производственных процессах.
2. Печатные машины: Контроль движения печатных головок для точной печати на различных материалах.
3. Упаковочные машины: Регулирование процессов упаковки, включая запечатывание, резку и дозирование.
4. Медицинское оборудование: Применение в устройствах, требующих точного дозирования жидкостей или перемещения инструментов.
5. Автоматизированные складские системы: Обеспечение точного перемещения и размещения товаров на складе.

Преимущества сервопневматических систем

Основным "конкурентом" сервопневматических систем являются электромеханические системы позиционирования. По сравнению с электромеханикой сервопневматические решения более компактные, эффективные и более надежные, и в дополнение обладают классом защиты до IP65. 

Сравнение работы трёх видов систем: классическая дискретная пневматика, сервопневматика и электромеханика

Чем тяжелее груз, тем более экономичной является сервопневматика.

Сервопневматика является идеальным вариантом, когда речь идет о сочетании позиционирования и контроля нагрузки массой от 1 до 300 кг при повторяемости до 0.1 мм. Стоимость такой системы может быть до 50% ниже по сравнению с электромеханической.

Сервопневматические системы обладают и другими преимуществами, которые делают их предпочтительными для использования в промышленной автоматизации:

1. Высокая точность и повторяемость: Благодаря наличию датчиков обратной связи и контроллеров, сервопневматические системы обеспечивают точное позиционирование и повторяемость операций. Это особенно важно в процессах, требующих высокой степени точности, таких как сборка электронных компонентов или дозирование.
2. Быстрая реакция и высокая скорость: Сервопневматические системы могут быстро реагировать на изменения команд управления, что позволяет им выполнять операции с высокой скоростью. Это особенно полезно в упаковочных и печатных машинах, где скорость является критическим фактором. В среднем за счёт сервопневматики удаётся повысить скорость работы на 30%.
3. Энергетическая эффективность: Сервопневматические системы в среднем на 30% более энергоэффективны по сравнению с чисто пневматическими системами, так как они используют электронику для точного управления подачей воздуха, минимизируя потери энергии за счёт снижения расхода воздуха.
4. Гибкость и программируемость: Сервопневматические системы легко программируются и могут быть настроены для выполнения различных задач, что делает их универсальными для применения в разных отраслях.
5. Низкий уровень шума и вибрации: Использование сервопневматических систем позволяет снизить уровень шума и вибрации, что улучшает условия труда и повышает долговечность оборудования.
6. Надежность и долговечность: Благодаря использованию современных материалов и технологий, сервопневматические системы имеют высокую надежность и длительный срок службы, что снижает затраты на обслуживание и ремонт.

Состав системы

Сервопневматическая система включает в себя несколько ключевых компонентов, которые работают вместе для обеспечения точного контроля и управления.

Основные элементы сервопневматической системы включают:

1. Пневматический привод: Основной исполнительный механизм, который преобразует энергию сжатого воздуха в механическое движение. Привод может быть линейным или ротационным в зависимости от требований приложения.
2. Контроллер (ПЛК): Программируемый логический контроллер (ПЛК) используется для управления и координации всех компонентов системы. Он принимает сигналы от датчиков и отправляет команды приводу для выполнения необходимых движений.
3. Датчики: Различные типы датчиков используются для обратной связи и контроля. Датчики положения определяют точное местоположение привода, датчики давления измеряют давление воздуха в системе, а датчики скорости контролируют скорость движения.
4. Сервоклапаны (пропорциональные клапаны): Эти устройства регулируют поток воздуха к пневматическому приводу. Сервоклапаны управляются контроллером и обеспечивают точное управление движением привода.
5. Источник сжатого воздуха: Компрессор или другой источник сжатого воздуха обеспечивает систему необходимым давлением. Важно, чтобы качество воздуха было высоким, что требует фильтров и осушителей.
6. Электронный интерфейс: Связующее звено между контроллером и операционной системой управления. Он обеспечивает возможность программирования и мониторинга работы системы в реальном времени.
7. Кабели и соединения: Высококачественные кабели и соединительные элементы обеспечивают надежную передачу сигналов между компонентами системы, минимизируя потери и помехи.

Эти компоненты в совокупности создают надежную и эффективную систему, способную выполнять сложные задачи в автоматизированных процессах с высокой точностью и скоростью.

Принцип работы

Системы с электронным демпфированием, предназначенные для быстрого перемещения и безударной остановки нагрузки без упора, состоят из исполнительного устройства со встроенным или внешним датчиком перемещения на полный рабочий ход для обратной связи, распределителя с пропорциональным управлением и небольшого контроллера позиционирования. Этот контроллер обеспечивает необходимый режим перемещения и хранит в памяти позиции, где нужно останавливаться. К нему подключен распределитель и датчик, а команды, в какую позицию нужно идти, он получает от вышестоящего ПЛК.

Система электронного демпфирования: внешний вид и принципиальная пневматическая схема с реализацией режима аварийной остановки

Координаты позиций контроллеру позиционирования задаются программно или в режиме самообучения с помощью кнопок на его панели, а их число зависит от типа контроллера. В большинстве случаев вполне достаточно 4 позиций. Кроме координат перед началом работы контроллеру нужно указать ориентацию и структуру привода, а также задать параметры ускорения и торможения. Когда ПЛК подает команду на перемещение в конкретную позицию, контроллер позиционирования сравнивает ее координату с текущей координатой штока или каретки привода и дает соответствующий сигнал на распределитель.

В начале перемещения распределитель открывает канал 2 или 4 полностью, обеспечивая максимальную скорость. По мере приближения к точке остановки, сигнал на пропорциональный магнит и скорость снижаются, а при необходимости распределитель переключает рабочие каналы и начинает тормозить привод. Таким образом достигается мягкая безударная остановка даже при высокий скорости перемещения. Правда, точность остановки даже в случае малой скорости и небольшой перемещаемой массы не бывает лучше 0,1 мм. Дополнительным преимуществом такой системы является наличие диагностики: коды типовых ошибок появляются на дисплее контроллера.

В качестве исполнительных устройств можно использовать цилиндры со штоком, бесштоковые цилиндры и неполноповоротные приводы. Датчик перемещения может быть встроен или установлен снаружи, когда его подвижный элемент (шток или каретка) крепится к штоку или каретке пневмоцилиндра.

Варианты пневмоприводов с датчиками перемещения

Благодаря наличию датчика обратной связи по перемещению такие системы называют сервосистемами или системами управления по замкнутому контуру. Поскольку работа сервосистемы сводится к сокращению разницы между сигналом уставки и сигналом датчика обратной связи, эту обратную связь называют отрицательной.

Приводы с электронным демпфированием позволяют повысить скорость перемещения нагрузки в 2…3 раза по сравнению с приводами, использующими гидроамортизаторы, при полном отсутствии удара в конце хода.

Пневмопозиционеры

Сервопневматические системы с пропорциональным распределителем и специальным контроллером довольно дорогие, поэтому для решения подобных задач, где не требуется высокая скорость перемещения, используют обычные распределители и более простые управляющие устройства, которые принято называть позиционерами. Датчик для обратной связи по перемещению, естественно, остается.

Типовой позиционер для арматурного клапана: внешний вид, пример монтажа

Сам позиционер кроме устройства сравнения и соответствующих подключений входных сигналов (уставка и обратная связь) обычно содержит 5/3-распределитель с закрытой средней позицией или комбинацию из 2х3/2 или 4х2/2-распределителей.

Пневматические принципиальные схемы позиционеров с 3/2 и 2/2-распределителями

Иногда позиционером называют всю систему, включая исполнительное устройство и его датчик перемещения. Особенно часто такие позиционеры используются при управлении арматурными клапанами, как линейными, так и поворотными.

Сигнал уставки, задающий позицию, которую привод арматурного клапана должен занять и удерживать, а также сигнал датчика перемещения о текущем положении привода, поступают на процессор позиционера, и тот после их сравнения посылает сигнал на нужную катушку распределителя.

Привод начинает движение в направлении уменьшения рассогласования между заданной и текущей позицией. Как только рассогласование становится равным нулю, привод останавливается за счет запирания обеих полостей.

Самый простой позиционер имеет в составе 5/3-распределитель с закрытой средней позицией, но динамика и точность остановки при этом не очень хорошие, т.к. такой распределитель имеет зону нечувствительности. Лучшие результаты получаются при использовании двух 3/2-распределителей или 4-х 2/2. При этом, выбирая определенные функции распределителей (2х3/2 НЗ 2х3/2 НО, 3/2 НЗ и 3/2 НО и т.д.) для привода с одинаковой или разной площадью поршня, можно получить для нагрузки различные исходные положения и положения при отключении электропитания.

Заключение

Сервопневматические системы играют важную роль в современной промышленной автоматизации, сочетая в себе преимущества как пневматических, так и электронных технологий. Они обеспечивают высокую точность, повторяемость, быструю реакцию и гибкость в управлении движением исполнительных механизмов. Благодаря этим характеристикам, такие системы находят широкое применение в различных отраслях, от сборки и упаковки до медицины и складской логистики.

Понимание состава и принципов работы сервопневматических систем помогает оптимально использовать их в производственных процессах, повышая эффективность и снижая эксплуатационные затраты. Внедрение этих систем способствует улучшению качества продукции, сокращению времени производственного цикла и повышению общей производительности предприятия.

Использование сервопневматических систем является не только технологическим преимуществом, но и стратегическим шагом в направлении повышения конкурентоспособности на рынке. Инвестируя в такие системы, предприятия получают возможность оставаться на передовой линии инноваций и достигать новых высот в своей отрасли.