Podręcznik
2. Pojęcie linii przesyłowej niskiego ciśnienia
Jakiekolwiek rozmieszczenie „terytorialne” aktorów pneumatycznych, czy to w podwoziu robotów mobilnych czy na różnych halach produkcyjnych powoduje, że należy do nich dostarczyć sygnał pneumatyczny dla ich uruchomienia lub (za)działania. Zatem nośnik tego sygnału (np. sprężone powietrze) musi za każdym razem pokonywać drogę w tzw. linii przesyłowej niskiego ciśnienia. (Autor dla rozróżnienia linii przesyłowych stosowanych w pneumatyce, w której jak wiadomo panują ciśnienia medium niższe niż w hydraulice, określił te pierwsze liniami przesyłowymi niskiego ciśnienia. W dalszej części modułu 1-go linia przesyłowa dla hydrauliki wystąpi pod nazwą linii przesyłowej wysokiego ciśnienia).
Linia przesyłowa niskiego ciśnienia poprowadzona jest do każdego aktora pneumatycznego zazwyczaj od rodzaju rozdzielacza pneumatycznego wielodrogowego (który może być rodzajem trójnika, czwórnika, itp.), zaś ten z kolei może być zamontowany w magistrali pneumatycznej, wyprowadzonej z bloku przygotowania powietrza. Można przyjąć, że linia przesyłowa niskiego ciśnienia na potrzeby pneumatyki powinna zapewnić bezproblemowy transport nośnika sygnału pneumatycznego pod ciśnieniem do kilkunastu barów. Rysunek 4 ilustruje przykład linii przesyłowej niskiego ciśnienia dla zasilania urządzeń pneumatycznych.
Rysunek 4: Ilustracja znaczenia linii przesyłowej niskiego ciśnienia dla sprężonego powietrza
W skład stacji przygotowania sprężonego powietrza, widocznej na rysunku 4 obowiązkowo muszą wchodzić następujące podzespoły:
• sprężarka powietrza o dużej lub bardzo dużej wydajności rzędu nawet kilku tysięcy litrów na minutę, która w wydaniu przemysłowym, tzn. dla hali produkcyjnej napędzana jest zazwyczaj silnikiem elektrycznym trójfazowym (zaś w pojazdach mobilnych może być zasilana silnikiem napędowym pojazdu);
• zbiornik ciśnieniowy na sprężone powietrze, którego pojemność rozciąga się od 100 litrów w górę;
• zespół złożony z filtra powietrza, zaworu redukcyjnego, zaworu bezpieczeństwa oraz oliwiacza powierza;
• zespołu załącznika/wyłącznika ciśnieniowego, którego zadaniem jest załączanie napędu sprężarki przy niskiej niż założona wartości ciśnienia powietrza w zbiorniku i wyłączanie napędu sprężarki po osiągnięciu założonej wartości ciśnienia powietrza w zbiorniku.
Ze stacji przygotowania powietrza wyprowadzona jest widoczna na rysunku 4 magistrala, która jest de facto linią przesyłową niskiego ciśnienia dla rozprowadzenia tego medium po hali produkcyjnej (lub innego „pokładu).
W naszym przypadku linia przesyłowa niskiego ciśnienia składa się z odcinka przewodu o większej średnicy (zauważalna na rysunku 4 grubsza linia), którym może być np. rurka stalowa o średnicy fi1/2”. W ten przewód metalowy w dwóch miejscach wmontowane są tzw. trójniki, których dwa wyloty zakończone są przyłączami pneumatycznymi dla podłączenia w sposób elastyczny dwóch narzędzi pneumatycznych: wiertarki ręcznej oraz pistoletu natryskowego. Trzecie urządzenie pneumatyczne – prasa stacjonarna podłączona jest do trzeciego przyłącza pneumatycznego „zamykającego” wzmiankowany przewód o większej średnicy. Reasumując, przewód o większej średnicy oraz trzy przewody o mniejszej średnicy, które zasilają urządzenia pneumatyczne może zaliczyć do linii przesyłowej niskiego ciśnienia dla rozprowadzenia medium typu sprężone powietrze.
Należy zaznaczyć, że ponieważ czas przepływu nośnika sygnału pneumatycznego przez linię przesyłową niskiego ciśnienia jest nieporównywalnie większy niż czas zadziałania większości aktorów pneumatycznych po dostarczeniu im tej energii (patrz rysunek 4), linia przesyłowa jest de facto elementem wpływającym na jakość sterowania przy pomocy aktorów pneumatycznych. Gdy jest to szczególnie istotne minimalizację tego wpływu na jakość sterowania można osiągnąć poprzez jak najbardziej jest to możliwe skrócenie linii przesyłowej do niezbędnego minimum oraz powiększenie przekroju linii przesyłowej. Uważny Czytelnik zauważy, że najlepszym rozwiązaniem tego problemu byłoby np. zasilanie w medium robocze aktora pneumatycznego z tzw. akumulatora sprężonego powietrza, umieszczonego tuż przy tym aktorze. Jednak takie rozwiązania nie są praktycznie stosowane ze względu na liczbę elementów pneumatycznych, które by musiały w takiej instalacji uczestniczyć oraz ze względu na brak wygody dla takiej aplikacji. (Trudno sobie wyobrazić, aby nieopodal wiertarki ręcznej lub pistoletu natryskowego z rysunku 4 można by było „wygodnie” umieścić niewielkie nawet zbiorniki ciśnieniowe po to, aby w momencie uruchomienia tych urządzeń sygnał pneumatyczny nie był opóźniony). Niemniej jednak w sterowaniu aktorami niektórymi pneumatycznymi na potrzeby np. badań eksperymentalnych różne konstrukcje sterowań mogą znaleźć zastosowanie, łącznie z tym wyżej wzmiankowanym.
Rozwój technologii wytwarzania tworzyw sztucznych doprowadził do tego, że obecnie w wykonywaniu instalacji praktycznych linii przesyłowych niskiego ciśnienia stosuje się przewody polietylenowe (skrót PE) o różnej średnicy. Przewody w tej technologii wykonania można łatwo kształtować, prowadząc je w miejscach lub prowadząc je w sposób, w który tzw. przewody sztywne byłyby trudne do poprowadzenia. Przewody PE można je łatwo ucinać „na wymiar” celem optymalnego dopasowania długości przewodu będącego przecież linią przesyłową. Rysunek 5 pokazuje realizację „gąszczu” przewodów typu PE w maszynie sterowanej numerycznie, który byłby trudny do realizacji przy wykorzystaniu przewodów metalowych.
Cecha materiału PE pozwala również i na to, aby wykorzystywać takie przewody dla aktorów, które w ramach swojej aplikacji narażone są na ruchy. Elastyczność przewodów PE powoduje, że aktor, który wykonuje ruchy może być bez przeszkód zasilany sprężonym medium bez narażenia na szwank jakości połączenia aktora z linią przesyłową. Rysunek 6 ilustruje przykład wykorzystania przewodu typu PE w takiej aplikacji linii przesyłowej.
Rysunek 5: Realizacja dużej liczby linii sygnałowych niskiego ciśnienia przy pomocy przewodów typu PE
Rysunek 6: Linia sygnałowa PE do napędu obrotowego chwytaka robota
Do widocznego na rysunku 6 manipulatora robota przemysłowego, który wykonuje ruchy obrotowe, doprowadzenie sygnału pneumatycznego za pomocą przewodu typu PE powoduje, że może on bez przeszkód wykonywać swoje zadanie. Dodatkowo sygnałem pneumatycznym można sterować działaniem chwytaka, który wyposażony w odpowiednie szczęki służy do chwytania przedmiotów. Trudno sobie wyobrazić, aby można było zrealizować takie sterowanie tym manipulatorem przy użyciu przewodów pneumatycznych metalowych.
Już chociażby częściowa analiza rysunku 4 pokazuje, że realizacja linii przesyłowej niskiego ciśnienia dla nawet kilku aktorów wymaga odpowiednich połączeń ciśnieniowych. Nie jest bowiem możliwe podłączenie chociażby jednego aktora do linii przesyłowej niskiego ciśnienia bez użycia odpowiedniego systemu połączeń, przewidzianego dla użytego typu przewodu oraz właściwego typu końcówki pneumatycznej przy aktorze. Należy również zaznaczyć, że jak w wielu dziedzinach gospodarki tak i tutaj obowiązują pewne ustalone normy średnic przewodów typu PE, sposobu montażu przyłączeń, rodzaju gwintów wewnętrznych oraz zewnętrznych, itp.
Wspomniana wcześniej i pokazana na rysunkach łatwość adaptacyjna przewodów typu PE spowodowana jest m.in. tym, iż dla tegoż przewodu przewidziano szeroką gamę przyłączeń pneumatycznych z „obu stron”, począwszy od połączeń pneumatycznych stałych przykręcanych, poprzez odpowiednie redukcje średnic przewodów typu PE, np. ze średnicy fi10mm na fi4mm, a skończywszy na tzw. szybkozłączach pneumatycznych. Dotyczy to zarówno realizacji bezpośrednich połączeń między zespołem przygotowania powietrza a aktorem, jak ich wszelkiego rodzaju „wcięć” w magistralę przesyłową, pokazanych na rysunku 4 poprzez użycie trójników. Rysunek 7 ilustruje kilka wybranych przykładów przyłączy pneumatycznych, stosowanych w realizacji połączeń w ramach linii sygnałowej niskiego ciśnienia. Pokazując również na tym rysunku nawój przewodu typu PE podkreślono to, co zasugerowano wcześniej – monter instalacji pneumatycznej odwija z takiego nawoju określoną długość odcinka przewodu PE i przy pomocy prostego narzędzia tnącego odcina go od nawoju. Takie postępowanie jest szybkie i pozwala na bezproblemową realizację instalacji pneumatycznej.
Rysunek 7: Elementy pneumatyki umożliwiające realizację linii sygnałowej niskiego ciśnienia
Realizacja linii sygnałowych niskiego ciśnienia przy użyciu przewodów typu PE poza ewidentnymi zaletami, takimi jak m.in. duży wybór średnic roboczych (wewnętrznych), rozciągających się nawet od 2mm, łatwość montażu poprzez szybkie docięcie, szeroki wybór przyłączy, zarówno wykonanych ze stali jak i z tworzywa sztucznego, itp., niesie za sobą pewne wady. Pierwszą z istotnych jest temperatura środowiska, w której zamierza się rozprowadzić przewód PE i która nie powinna przekraczać 70st.C. Drugą jest wytrzymałość przewodu PE na urwanie, która nie może się równać z przewodami metalowymi.