Podręcznik

5. Przesyłanie sygnałów cyfrowych linią sygnałową niskiego ciśnienia

Dotychczasowe rozważania dotyczące przesyłania sygnałów pneumatycznych linią sygnałową niskiego ciśnienia dotyczyły w zasadzie przypadku, który z punktu widzenia teorii sygnałów można zakwalifikować jako przesyłanie sygnałów analogowych. Można użyć takiego porównania, bowiem zadaniem źródła sygnału pneumatycznego (np. zespołu przygotowania sprężonego powietrza) było tylko ciągłe dostarczenie do aktora pneumatycznego nośnika sygnału - sprężonego powietrza lub innego gazu technicznego tylko o określonej wartości chwilowej ciśnienia (amplituda) w sposób nieustanny (brak okresu), nie zaś w sposób przerywany z określoną częstotliwością i/lub zmienną amplitudą i szerokością tych impulsów. Nawet przyjęcie, że aktor pneumatyczny może wykonywać pracę przerywaną w dotychczasowym znaczeniu nie oznacza, że sygnał pneumatyczny nie miał wartości stałej, czyli tak naprawdę analogowej. Na przykład praca siłownika pneumatycznego LEWO-PRAWO, co wymusza podawanie sygnału pneumatycznego najpierw do prawej komory siłownika i później do lewej, czyli w sposób przerywany nie oznacza, że siłownik ten będący zespołem aktora pneumatycznego sterowany jest jako aktor sygnałem cyfrowym. Po prostu, wartość uzyskanej siły (pchającej lub ciągnącej), potrzebnej do ruchu tłoczyska zależy m.in. od wartości chwilowej ciśnienia sprężonego powietrza, które zostanie dostarczone do komór siłownika, nie zaś od liczby i „jakości” impulsów zero-jedynkowych wartości jego ciśnienia, które wygeneruje zawór rozdzielający. Zaobserwowane włączanie i wyłączanie zaworu rozdzielającego w określonym czasie, które niezaznajomionemu obserwatorowi może zasugerować pracę cyfrową tegoż zaworu, jest po prostu odpowiednio dobrym czasem dla prawidłowego ruchu tłoczyska. Ilustrację wykorzystania różnych wartości chwilowych ciśnienia powietrza do sterowania aktorem pneumatycznym ilustruje rysunek 23.

Rysunek 23: Sterowanie aktorem przy wykorzystaniu różnych wartości ciśnienia medium; p>p₁>p₂

Podanie na wejście p_x sygnału pneumatycznego o wartości p spowoduje maksymalne ugięcie membrany, co poskutkuje zamknięciem gniazda i w efekcie brak przepływu czynnika Q, co widać na rysunku i co pokazuje zamieszczona charakterystyka. Wartości ciśnienia medium odpowiadające poziomom p₂ i p₁ (Czytelnik się domyśli, dlaczego w tej kolejności) spowoduje realizację odpowiedniego przepływu czynnika o wartościach Q_x. 
Pomimo nasuwającej się natychmiast sugestii, że mając do dyspozycji taki aktor pneumatyczny, jak na rysunku 23 można zrealizować nim sterowanie zero-jedynkowe przepływem czynnika Q, to nie o takie wykorzystanie sygnałów pneumatycznych zero-jedynkowych chodzi. W dalszej części tekstu będzie to bardziej przejrzyście wyjaśnione na innym przykładzie. 
Zaznaczmy od razu, że w tym momencie zaczynamy rozważać przesyłanie sygnałów cyfrowych, czyli zero-jedynkowych linią przesyłową niskiego ciśnienia celem sterowania pracą aktora pneumatycznego, i jako pojedynczego urządzenia i jako zespołu (patrz rysunek 8 i 13).  Informacja w takim sygnale ma spowodować, aby urządzenie to wykonywało swoją pracę zgodnie z przeznaczeniem.  
Przy przesyłaniu sygnałów cyfrowych linią przesyłową niskiego ciśnienia parametrem informacji jest najczęściej szerokość impulsu A_i dla sygnałów pneumatycznych nieokresowych oraz częstotliwość sygnału pneumatycznego f_i dla sygnałów okresowych. Sygnał zero-jedynkowy okresowy i nieokresowy zilustrowano na rysunku 24.

Rysunek 24: Ilustracja idealnych sygnałów zero-jedynkowych: a) sygnał okresowy; b) sygnał nieokresowy

Na rysunku 24a) widać, że stan „wysoki” sygnału okresowego p_x zmienia się z określonym stałym okresem T, zaś okres sygnału nieokresowego p_x z rysunku 24b) jest trudny do wyznaczenia.
W przeciwieństwie do wartości chwilowej ciśnienia przesyłanego sygnału pneumatycznego analogowego wspomniane parametry sygnału cyfrowego nie ulegają zmianom spowodowanym m.in. przez objętość przewodu linii przesyłowej oraz bezwładność sprężonego powietrza. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie sygnałów cyfrowych na duże odległości bez strat informacji, która przenoszona jest tym nośnikiem. Czytelnik na pewno może wyobrazić sobie sytuację pracy siłownika pneumatycznego pod obciążeniem, który został połączony liniami przesyłowymi nr 2 i nr 3 ze źródłem sprężonego medium (patrz rysunek 8) uruchamianym czasowo zbyt długimi przewodami typu PE. Przy próbie uruchomienia tego aktora cała „para pójdzie w gwizdek” i siłownik pneumatyczny po prostu nie zadziała, gdyż ten analogowy sygnał pneumatyczny (wartość ciśnienia powietrza), zanim wypełni komorę roboczą siłownika, to wcześniej wypełni zbyt długą linię sygnałową, co przecież musi zająć określony czas, który dla pracy tłoczyska jest czasem straconym. Utrata tego czasu spowoduje, że tłoczysko nie wykona swojego ruchu i nawet przy prawidłowym sterowaniu zaworem rozdzielającym praca całego aktora będzie niewłaściwa. Przy aktorze przewidzianym dla sterowania sygnałami zero-jedynkowymi długość linii sygnałowych nr 2 i nr 3 nie wniosłaby opóźnienia w działaniu siłownika pneumatycznego.
Wyjaśniając zagadnienie uruchamiania sygnałami pneumatycznymi zero-jedynkowymi aktorów pneumatycznych posłużmy się rysunkiem 25, który ilustruje zmienny przepływu czynnika Q przez gniazdo osadcze w aktorze pneumatycznym znanym z rysunku 23. 
Sygnał pneumatyczny zero-jedynkowy oraz okresowy (patrz rysunek 24a)), doprowadzony jest do wejścia przetwornika p/A, który de facto ten kod cyfrowy zamienia na sygnał analogowy, np. prądu stałego z zakresu 4÷20mA. Ten sygnał analogowy, jak widać z rysunku 25, wprowadzony został na wejście aktora elektrycznego, złożonego z układu serwomechanizmu oraz zaworu zamykającego/otwierającego w odpowiednim żądanym stopniu przepływ sygnału pneumatycznego o wartości określonej ciśnieniem p_x. Zatem pneumatyczny sygnał wyjściowy py, sterujący ruchem membrany aktora pneumatycznego określa zależność: py=f(p_x).

Rysunek 25: Zmienny przepływ czynnika Q wywołany sygnałem zerojedynkowym p_0-1

Charakterystyki pokazane na rysunku 25 (identyczne z tymi z rysunku 23) pokazują trzy przypadki sterowania aktorem pneumatycznym: brak przepływu czynnika Q oraz dwa przepływy Q₁ i Q2, przy czym Q₁<<Q2, co wynika ze stopnia ugięcia membrany tego aktora. Należy zaznaczyć, że sygnał zero-jedynkowy o określonej amplitudzie oraz okresie, wprowadzany do widocznego na rysunku 25 przetwornika p/A, musi zostać wytworzony wcześniej w specjalnym układzie innego przetwornika, tj. przetwornika wartości sygnału ciśnienia p_z na sygnał zero-jedynkowy (kod cyfrowy) p_0-1. 
Jest rzeczą zrozumiałą, że przy pomocy sterowania zero-jedynkowego dowolnym aktorem pneumatycznym, które jest przewidziany do takiego typu sterowania można uzyskać nie tylko trzy stany położenia aktora, jak na rysunku 25. Tak naprawdę o liczbie stanów aktora decyduje rozdzielczość przetwornika tego sygnału cyfrowego na inny, który posłuży do uruchamiania aktora. Przykładowo, dysponując przetwornikiem 8-bitowym, liczba możliwych stanów aktora wyniesie 256 (bo 2⁸ = 256).  
Po tych wyjaśnieniach odnośnie sposobu wykorzystania sygnału zero-jedynkowego (kodu cyfrowego) do sterowania (tak naprawdę pośredniego) aktorem pneumatycznym, pozostaje wyjaśnienie Czytelnikowi, dlaczego ten sygnał zero-jedynkowy może być odporny na zakłócenia, którymi może być np. zbyt duża długość przewodu linii przesyłowej lub nawet utrata jej szczelności.
Widoczne na rysunku 24 „schodki” sygnału zero-jedynkowego to linia na poziomie osi czasu, oznaczająca zero logiczne („0”) i linia powyżej, oznaczająca jedynkę logiczną („1”). W praktyce oznacza to przyporządkowanie tym dwóm stanom sygnału zero-jedynkowego konkretnych wartości ciśnienia, odnoszących się do ciśnienia zasilania p_z dla przetwornika p_z/p_0-1. Przyjmuje się, że poziom „1” sygnału zero-jedynkowego to na pewno wartość p_z ciśnienia zasilania, zaś poziom „0” sygnału zero-jedynkowego to wartość zerowa ciśnienia zasilania p_z.
Należy zaznaczyć, że aby można było mówić o odporności sygnału zero-jedynkowego na zakłócenia, o których była wcześniej mowa, należy wprowadzić pewną strefę tolerancji w wartościach ciśnienia medium, zarówno dla „1” logicznej jak i dla „0” logicznego. Praktyka pokazała, że ta strefa tolerancji mieści się w granicach 20÷30% wartości ciśnienia p_z. Przykładowo, jeżeli wartość ciśnienia pz określono na 10barów, to wartość minimalnego ciśnienia, jakie powinno obowiązywać dla „1” logicznej wynosi 7÷8bar, zaś wartość maksymalnego ciśnienia, jakie powinno obowiązywać dla „0” logicznego 2÷3bar. Ten przykład pokazuje, że użyteczny sygnał odpowiadający „1” logicznej występuje jeszcze przy 7barach z 10-ciu barów ciśnienia zasilania. Ten przypadek mógł wystąpić przy zbyt długiej linii przesyłowej czy nieszczelnościach linii, które zmniejszyły początkową wartość sygnału z 10barów do 7barów. Z drugiej strony wystąpienie stanu „0” logicznego już znacznie wcześniej, bo przy 3barach powoduje zwiększenie szybkości generowania sygnałów zero-jedynkowych, co jest również korzystne. 
Podsumowując omówione wyżej zagadnienia dotyczące wykorzystania pneumatyki Autor ma nadzieję, że dostarczył Czytelnikowi niezbędnych informacji do zrozumienia dalszej części tekstu.