Podręcznik

Zanim przejdziemy do dyskusji nad kolejną grupą aktorów pneumatycznych nowego rodzaju przywołajmy zagadnienie sterowania rozdzielaczami sprężonego medium, czyli nastawnikami, które jak już wiemy z rysunku 48 tworzą wespół z odpowiednim przetwornikiem energii tworzą zespół aktora pneumatycznego.
Przypomnijmy, że nastawniki pneumatyczne rozdzielają sprężone medium dla przetwornika energii, czyli np. siłownika pneumatycznego na podstawie sygnału nastawczego. Tymi sygnałami nastawczymi mogą być:
•    siła działająca bezpośrednio na trzpień rozdzielacza, pochodząca od dłoni lub poruszającego się elementu maszyny (np. pobudzenie krańcówki pneumatycznej tłoczyskiem innego siłownika);
•    siła działająca na trzpień rozdzielacza, pochodząca od siły magnetycznej, wywołanej po zasileniu cewki elektrozaworu prądem elektrycznym;
•    siła działająca na trzpień rozdzielacza wewnątrz jego konstrukcji, pochodząca od sygnału pneumatycznego, który został doprowadzony do nastawnika oddzielnym wejściem dla sprężonego medium.
Fakt, iż w większości przypadków instalacja pneumatyczna jest rozproszona po terenie hali produkcyjnej lub rozprowadzona po pokładzie pojazdu mobilnego był już dyskutowany przy omawianiu linii przesyłowych niskiego ciśnienia. To wtedy pokazano przykłady prowadzenia linii celem zasilenia urządzeń pneumatycznych.
Należy zaznaczyć, że rozpowszechnienie się linii przesyłowych niskiego ciśnienia wykonanych z przewodów typu PE spowodowało, że wykorzystując ich cechy np. w zakresie elastyczności materiałowej aktory pneumatyczne mogą podczas swojej pracy wykonywać ruchy w sposób ograniczony, ale tylko chyba urwaniem tego przewodu. Elastyczność przewodów PE pozwala na to, aby aktory pneumatyczne przemieszczały się w obrębie maszyny łącznie z innymi elementami na duże odległości ograniczone tylko długością przewodu PE. Jednak wszystko ma swoje granice i nie w każdym przypadku wykorzystanie przewodów typu PE może być realizowalne. Wystarczy wspomnieć o wysokiej temperaturze, w której mogą musieć pracować aktory pneumatyczne. Przypomnijmy, że w większości przypadków graniczną temperaturą pracy przewodu PE jest temperatura dochodząca do 600C.
W sukurs konieczności zapewnienia przemieszczania się aktorów pneumatycznych w podwyższonej temperaturze przy jednoczesnej rezygnacji z przewodów linii przesyłowych typu PE przychodzi wykorzystanie tzw. złączy obrotowych, które w odpowiedni sposób „wtrącane” są w linię przesyłową sprężonego medium, stanowiąc jej odcinek. Przykład złącza obrotowego ilustruje rysunek 55.

Rysunek 55: Złącze obrotowe firmy Rotoflux – Seria T

Zilustrowane na rysunku 55 złącze obrotowe może być wykorzystane do temperatur otoczenia dochodzących do 120⁰C. Montaż takiego elementu jako odcinka linii przesyłowej sprężonego medium do aktora pneumatycznego polega na trwałym umiejscowieniu złącza poprzez wkręcenie widocznego na rysunku 55 obrotowego trzpienia, w którym wykonany jest otwór o odpowiedniej średnicy poprowadzony osiowo. Trzpień złącza ułożyskowany jest dwoma łożyskami kulkowymi o odpowiednich parametrach, osadzonymi w korpusie złącza obrotowego oraz uszczelniony z obudową tzw. simmeringiem. Dodatkowo w korpusie złącza wykonany jest gwintowany otwór do wykorzystania. 
Taka konstrukcja powyższego zespołu złącza obrotowego powoduje, że po pierwsze możliwy jest obrót korpusu względem unieruchomionego na stałe trzpienia oraz po drugie, możliwy jest dwukierunkowy przepływ sprężonego medium bez ubytków między dwoma otworami złącza podczas obracania się korpusu złącza. Abstrakcyjny sposób wykorzystania złącza obrotowego w mechanizmie zrobotyzowanym (który może wystąpić w praktyce) ilustruje rysunek 56. 

Rysunek 56: Aplikacja złącza obrotowego w linii przesyłowej niskiego ciśnienia

Widoczny na rysunku 56 działa następująco: ruch ruchomego stołu w dwóch kierunkach (poprzecznie) pokazanych strzałką możliwy jest dzięki dwóm obrotowym wałkom, umieszczonym równolegle pod ruchomym stołem. (Nie)widoczny otwór w poziomej płaszczyźnie tego stołu, przewidziany dla podłączenia złącza pneumatycznego, połączony jest z ruchomym korpusem złącza obrotowego przewodem sztywnym, np. rurką stalową o małej średnicy, oczywiście przy użyciu odpowiednich przyłączy po obu stronach tej rurki (niewidocznych na rysunku). Doprowadzenie sprężonego medium z jednej strony aplikacji oraz wyprowadzenie tegoż medium z drugiej jej strony przy użyciu na przykład przewodów typu PE pozwala na zasilenia aktora pneumatycznego (niewidocznego na rysunku 56), do którego musi być doprowadzony sygnał pneumatyczny poprzez ruchome części tego hipotetycznego układu mechanicznego. Zatem ruchomy stół wykonuje poprzeczne ruchy przewidziane dla jego funkcjonowania nie wpływając tym samym na prawidłowość dopływu sprężonego medium do aktora, który np. znajduje się na tym samym fragmencie maszyny, co ruchomy stół.
Już ta prosta aplikacja z rysunku 56, która jest de facto odcinkiem linii przesyłowej niskiego ciśnienia pokazuje skalę problemów do rozwiązania w praktycznym wykorzystaniu, gdzie po pierwsze duża liczba aktorów pneumatycznych musi być sterowana dodatkowym sygnałem sprężonego medium, co narzuca konieczność dodatkowych linii przesyłowych dla tych sygnałów lub po drugie, z różnych względów aktory pneumatyczne nie mogą być uruchamiane sygnałem elektrycznym tylko właśnie sygnałem sprężonego medium, np. sygnałem pneumatycznym. Taka sytuacja może mieć miejsce np. w przypadku konieczności wykorzystania sterowania pneumatycznego w środowisku wybuchowym, gdzie uruchamianie aktorów pneumatycznych nie może odbywać się sygnałem elektrycznym, który może przecież wygenerować iskrę elektryczną przyczyniając się do wybuchu. Jako przykład może posłużyć pojazd mobilny do poruszania się w korytarzach kopalni węgla kamiennego. Powyższe pokazuje, że należy poszukiwać rozwiązań, które uproszczą sterowanie aktorem pneumatycznym przy takich ograniczeniach. 
Sprawa wydaje się prostsza w przypadku, gdy zadaniem jest uruchamianie jednego tylko aktora pneumatycznego za pośrednictwem nastawnika, który uruchamiany będzie takim dodatkowym sygnałem sprężonego medium. Można wtedy wykorzystać złącza obrotowe dwudrogowe. Ilustruje to rysunek 57.

Rysunek 57: Wykorzystanie złącza obrotowego dwudrogowego w sterowaniu aktorem

Widoczny na rysunku 57 dodatkowy przewód linii przesyłowej pozwala na programowe wyzwalanie nastawnika, który będący częścią aktora (niewidocznego na rysunku) steruje dostarczeniem medium roboczego do siłownika pneumatycznego. Można jedynie nadmienić, że sygnał pneumatyczny sterujący nastawnikiem może mieć postaci dwustanowe, czyli monostabilną, co „zero-jedynkowo” możemy przedstawić jako 0$\rightarrow$1$\rightarrow$0 lub 1$\rightarrow$0$\rightarrow$1, jak również astabilną, czyli 0$\rightarrow$1 lub 1$\rightarrow$0. Sygnał pneumatyczny sterujący nastawnikiem może mieć również postać sygnału analogowego ciśnienia sprężonego medium (patrz rysunek 45). 
Podkreślić należy, że „jedyną trudnością” dla praktycznej aplikacji złącza dwudrogowego takiego jak na rysunku 57 jest zapewnienie dla tego złącza nieznacznie większej przestrzeni na jego zabudowę w maszynie oraz doprowadzenie i wyprowadzenie dwóch dodatkowych przewodów dla sygnału sterującego nastawnikiem, który najczęściej znajduje się w pobliżu przetwornika energii sprężonego medium. Wyjaśnijmy możliwy sposób doprowadzania i odprowadzania sprężonego medium do/z aktora pneumatycznego na przykładzie sposobu działania zaworu zwrotnego sterowanego sygnałem sprężonego medium, którego schemat zilustrowano na rysunku 58. [Źródło: www.kotwa.pwr.wroc.pl].

Na rysunku 58a) brak sygnału sterującego S utrzymuje tłok sterujący zaworu w pozycji neutralnej i umożliwia niezakłócony przepływ sprężonego medium z kierunku 1 do 2. (Należy zaznaczyć, że zazwyczaj rodzaj sprężonego medium np. sprężonego powietrza dla sygnału sterującego S może być identyczny z rodzajem medium dla działania samego aktora). Wspomniany przepływ jest możliwy dzięki pokonaniu przez napływające medium siły sprężyny, która wcześniej była dociśnięta do gniazda zaworu. Ten tryb pracy zawodu jak i kolejny, tzn. blokowanie przepływu z kierunku 2 do b (rysunek 58b)) niczym nie odbiega od pracy zwykłego zaworu zwrotnego 2/2; w tym drugim trybie pojawiające się ciśnienie medium w przyłączu 2 „współdziała” z grzybkiem zaworu dociskając go do gniazda i uniemożliwiając dalszy przepływ. Różnica w działaniu opisywanego zaworu zwrotnego w odniesieniu do wspomnianego zaworu 2/2 widoczna jest dopiero na rysunku 58c). Sygnał pneumatyczny S doprowadzony do zamkniętej przestrzeni z tłokiem sterującym przesuwa tłok do krańcowej pozycji odpychając tym samym grzybek zaworu od gniazda. Taki stan pracy zaworu oznacza przepływ medium dla kierunku 2 do 1. Taki stan pracy zaworu zwrotnego sterowanego trwa przez okres występowania sygnału sterującego S. Gdy sygnał ten przestanie istnieć lub zmniejszy swoją wartość na tyle, aby grzybek wrócił na swoje miejsce, przepływ medium dla kierunku 2 do 1 zostanie zatrzymany. Wystąpi tryb z rysunku 58b).       
Przypomnijmy, że powiązanie nastawnika z rysunku 58 z odpowiednim dedykowanym dla konkretnego zastosowania przetwornikiem energii nie powinno już nastręczać kłopotów montażowych, co pokazano na rysunku 59. 

Rysunek 59: Przetwornik energii sprężonego medium sterowany zaworem zwrotnym sterowanym

Rysunek 59 ilustruje tryb zatrzymania tłoczyska siłownika pneumatycznego jednostronnego działania typu pchający w pozycji niezupełnego opróżnienia jego przestrzeni roboczej. Spowodował to zawór zwrotny sterowany po wywołaniu trybu jego pracy z rysunku 58b. 
Należy podkreślić, że w przypadku konieczności uruchamiania wielu aktorów pneumatycznych według koncepcji z rysunku 59 sprawa nie jest już taka prosta. Jest to spowodowane przede wszystkim koniecznością zabudowy złączy obrotowych, co musi zajmować odpowiednią ilość przestrzeni maszyny oraz co za tym idzie wielością przewodów dla linii przesyłowych, które stają się wtedy dużą plątaniną, która może utrudnić diagnostykę linii.
Zatem, wydaje się, że dążeniem samym w sobie jest poszukiwanie sposobów na zmniejszenie liczby przewodów linii przesyłowych, a co za tym idzie zmniejszenie ilości przestrzeni na zabudowę dodatkowych przecież rozwiązań mechatronicznych. I tym końcowym zdaniem dochodzimy do istoty bieżącego podpunktu, czyli wykorzystania aktorów pneumatycznych, które mogą być sterowane z użyciem wspólnej linii przesyłowej sprężonego medium co oznacza w praktyce, że tą samą linią przesyłową niskiego ciśnienia biegnie sygnał sterujący pracą nastawnika oraz medium robocze dla działania przetwornika tej energii. Zatem przy konieczności „uzupełnienia” linii przesyłowej o złącza obrotowe, będą to zawsze złącza jednodrogowe, czyli liczba przewodów linii przesyłowych będzie o połowę mniejsza. Koncepcję sterowania z wykorzystaniem nastawnika nowego rodzaju co daje nam w efekcie aktora nowego rodzaju ilustruje rysunek 60.

Rysunek 60: Sterowanie i uruchamianie aktora pneumatycznego jedną linia przesyłową 

Widoczny na rysunku 60 nastawnik funkcjonuje w dwóch trybach: trybie działania, co umożliwia normalny dopływ sprężonego medium do siłownika pneumatycznego oraz w trybie wyłączenia nastawnika w dowolnym momencie, co zatrzymuje wypływ medium z komory siłownika wcześniej napełnionej i zatrzymanie tłoczyska pomimo działania widocznej sprężyny powrotnej. Czytelnik się zapewne domyśla, że takie programowe uruchamianie oraz wyłączanie nastawnika można związać z pozycjonowaniem tłoczyska siłownika. 
Należy zaznaczyć, co bardzo istotne, że widoczny na rysunku 60 nastawnik sterowany jest sygnałem pneumatycznym, który przekazywany jest do tegoż tą samą linią przesyłową w postaci krótkiego skoku ciśnienia medium. Można przyjąć, że sygnał sterujący nastawnikiem przekazywany jest do tegoż tuż przed zamiarem wykorzystania normalnej pracy siłownika pneumatycznego, następnie „przestawia” nastawnik na tryb działania, po czym następuje zwykłe połączenie komory siłownika z linią przesyłową celem napełniania tejże sprężonym medium. Taki tryb działania nastawnika może występować nieskończenie długo biorąc pod uwagę czas napełniania komory siłownika, która może być przecież o różniej objętości ze względu na wielkość samego siłownika pneumatycznego. Czytelnik się zapewne domyśla, że ruch tłoczyska siłownika, które zostało przesunięte (w prawo), musi być i powrotny. Zatem, w tym miejscu dochodzimy do wyjaśnienia Czytelnikowi sposobu opróżniania komory siłownika pneumatycznego, co musi się odbyć dzięki działaniu sprężyny tłoczyska. 
Analizując schemat nastawnika z rysunku 60 w trybie działania (ten po lewej stronie) natychmiast zauważamy, że przypomina on zawór zwrotny o kierunku przepływu „do siłownika”. W praktyce widoczna na rysunku kulka zaworu unosi się pokonując siłę niewielkiej sprężyny (niewidocznej na rysunku) i medium robocze przepływa przez zawór dalej. Jednak, aby „tą samą drogą” medium mogło przepływać w drugą stronę (w naszym przypadku celem opróżniania komory siłownika) kulka zaworu zwrotnego nie powinna oprzeć się o gniazdo zaworu, co jest pokazane w postaci kulki, ale naszkicowanej linią przerywaną. I właśnie dlatego nastawnika z rysunku 60 przypomina tylko zawór zwrotny, jednak w istocie jest to nastawnik nowego rodzaju, który umożliwia dwukierunkowy przepływ medium przez swój korpus wtedy, gdy został w taki tryb wprowadzony. Zatem w tym trybie nastawnika nowego rodzaju po pierwotnym doprowadzeniu medium do komory siłownika można ją opróżnić, oczywiście na skutek działania siły sprężyny powrotnej tłoczyska. (W przypadku zastosowania siłownika dwustronnego działania sytuacja będzie podobna. Komory siłownika będą opróżniane na skutek działania nie sprężyny tłoczyska, ale siły medium wywieranej „po drugiej” stronie tłoka tłoczyska).
Należy podkreślić, że ponieważ na rysunku 60 mamy do czynienia z nastawnikiem nowego rodzaju, to i układ jego sterowania musi być nowego rodzaju, jednak przy wykorzystaniu istniejących nastawników „tradycyjnych”. Zatem aby prawidłowo sterować tym nastawnikiem nowego rodzaju w zakresie i pierwszego trybu jego pracy (lewa strona rysunku) i drugie trybu pracy, czyli wyłączenia nastawnika (prawa strona rysunku), powinien być utworzony dodatkowy układ sterujący, który zapewni dopływ do nastawnika zarówno sygnału medium, które ustawia jego tryby pracy jak i doprowadza i wyprowadza to medium do/z komory siłownika pneumatycznego. Schemat takiego sterowania pneumatycznego pokazano na rysunku 61.        

Rysunek 61: Układ pneumatyczny dla sterowania aktorem pneumatycznym nowego rodzaju

Uruchomienie elektrozaworu EZ1 (przy wyłączonych EZ2 i EZ3) o określonym współczynniku przepływu Kv1 powoduje dopływ medium roboczego do nastawnika i ustawienie go w tryb działania. Dalsze utrzymywanie istnienia w linii przesyłowej sprężonego medium przy działaniu EZ1 powoduje pokonywanie siły sprężyny tłoczyska i ruch roboczy tegoż (w prawo). Przy zamiarze zmiany kierunku ruchu tłoczyska, czyli de facto opróżniania komory siłownika sterowanie nastawnikiem nowego rodzaju z rysunku 61 musi ulec zmianie. Przy w dalszym ciągu uruchomionym EZ1 musi zostać uruchomiony elektrozawór EZ2, po czym ten pierwszy powinien zostać natychmiast wyłączony. Ten „manewr” sterowania spowoduje, że sprężone w komorze siłownika medium zacznie uchodzić do atmosfery poprzez korpus EZ2 „popychane” dodatkowo przez sprężynę tłoczyska siłownika. 
Należy zaznaczyć, co jest niezmiernie istotne i musi być wymogiem prawidłowego działania tego akurat nastawnika nowego rodzaju, że natężenie przepływu „w drugą stronę” rozprężanego medium (chyba już nie) roboczego przez ten nastawnik musi być „odrobinę” mniejsze niż przy normalnym napełnianiu komory siłownika. W celu realizacji tego mniejszego natężenia przepływu medium przez nastawnik stosuje się albo zawór EZ2 o niższym parametrze przepływu medium (czyli mniejszym współczynniku K_v2), albo (co jest widoczne na rysunku 61) stosuje się dla linii przesyłowej przewody o mniejszym ich przekroju. 
Taki opisany wyżej stan nastawnika nowego rodzaju, czyli stan umożliwiający de facto stopniowe odpowietrzanie komory siłownika może trwać aż do momentu całkowitego opróżnienia tej komory „z pomocą” sprężyny tłoczyska i wtedy proces pracy tłoczyska może być powtórzony tak, jak opisano powyżej.
Interesującym jest jednak sposób wywołania zatrzymania tłoczyska w jego drodze powrotnej, czyli między skrajnym prawym a lewym położeniem tłoka tłoczyska. Do tego celu służy elektrozawór EZ3, do którego jak zapewne zauważył już Czytelnik poprowadzono linię przesyłową przewodem o większym przekroju (widoczna na rysunku 61 grubsza linia przesyłowa między nastawnikiem a EZ3). Otóż przy normalnym działaniu elektrozaworu EZ2, czyli procesie wolnego odpowietrzania komory siłownika następuje uruchomienie EZ3, co wprowadza proces gwałtownego odpowietrzenia linii przesyłowej, ponieważ elektrozawór ten charakteryzuje się zdecydowanie większym współczynnikiem przepływu K_v3 niż elektrozawór EZ2 (K_v3 >> K_v2). Taki spadek ciśnienia medium w linii przesyłowej między nastawnikiem a wylotem do atmosfery elektrozaworu EZ3 spowoduje przestawienie nastawnika w tryb wyłączenia (prawa część rysunku 60). Tłoczysko siłownika się zatrzymuje zgodnie z obranym celem w wybranej pozycji. 
Należy zaznaczyć, że przy takim zatrzymaniu tłoczyska siłownika dalsze sterowanie aktorem pneumatycznym może odbyć się dla realizacji tylko dwóch zadań:
•    zadanie ponownego ruchu roboczego tłoczyska siłownika w prawo, co oznacza przestawienie nastawnika nowego rodzaju w tryb działania zgodnie ze znanymi już zasadami;
•    zadanie ponownego ruchu tłoczyska w lewo do pozycji spoczynkowej, co oznacza najpierw przestawienie nastawnika nowego rodzaju na tryb działania i później dopiero uruchomienie elektrozaworu EZ2 oraz EZ3. 
Jak widać z powyższego opisu sterowanie aktorem nowego rodzaju wydaje się złożone, co można zakwalifikować jako wadę tego rodzaju rozwiązania, która może zaciemnić jego zalety. Jednak ta złożoność niknie w obliczu tego, iż tak naprawdę obecnie wszelkie rodzaje sterowania „zaszyte” są w postaci algorytmów dla maszyn cyfrowych, dla których takie sekwencje sterowań elektrozaworów, jakie zostały Czytelnikowi zaprezentowane nie mogą nastręczać jakichkolwiek trudności. Są po prostu odpowiednio skonstruowanym programem dla mikroprocesora. Jedyną rzeczą, jaka spada na projektanta takiego rozwiązania jest właściwe dobranie parametrów przepływowych zarówno elektrozaworów, które uczestniczą w sterowaniu tym aktorem jak również przewodów linii przesyłowych, które również mają swoja rolę.