Podręcznik

1. Praktyczne aplikacje aktorów w sterowaniu procesami przemysłowymi

W poprzednich trzech modułach wprowadzono Czytelnika w zagadnienia budowy aktorów pneumatycznych oraz hydraulicznych, które zastąpiły czynnik ludzki w dostarczaniu użytecznej siły lub momentu napędowego, niezbędnych wielkości fizycznych w sterowaniu procesami produkcyjnymi lub procesami technologicznymi. 
Już wiemy, że aktor pneumatyczny jest dostarczycielem wielokrotnie lub nawet wielosetkrotnie mniejszych sił oraz momentów napędowych, niż aktor hydrauliczny, przy czym ten drugi w wielu przypadkach przyczynił się również i do tego, że sterowane nim urządzenia mogły zacząć pracować tylko dlatego, że są nim właśnie sterowane. Przykładem może być tutaj napęd trzpienia (dużego) zaworu kulowego z rysunku 79, który wydaje się, że nie mógłby być tej wielkości, gdyby nie wykorzystanie aktora hydraulicznego. Po prostu, siła rąk ludzkich mogłaby być niewystarczająca, aby móc przemieszczać trzpień tego zaworu i tym samym regulować przepływ czynnika pod wysokim ciśnieniem.   
Autor ma nadzieję, iż pomimo użycia w tekście dla celów wyjaśnień tylko kilku przykładów konstrukcji aktorów pneumatycznych oraz hydraulicznych stało się dla Czytelnika zrozumiałe, że każdy aktor bez względu na rodzaj medium roboczego dla którego jest zaprojektowany jest tak naprawdę zespołem funkcjonalnym. Składa się zatem z odpowiednio dobranego nastawnika, którym już wiemy jest zazwyczaj odpowiedni rozdzielacz sprężonego medium oraz składa się z odpowiednio dobranego przetwornika energii tego medium na siłę lub moment użyteczny, którym też już wiemy jest zazwyczaj siłownik liniowy, siłownik membranowy, siłownik miechowy lub silnik na sprężone medium. Wiemy już także, że konstrukcja określonego aktora jako końcowego zespołu wykonawczego może być wielostopniowa. W takim zespole mniejszy aktor (czyli o mniejszej sile lub momencie napędowym na tłoczysku lub wale) pierwszego stopnia steruje nastawnikiem drugiego stopnia przetwornika w efekcie czego końcowa siła lub moment osiągany jest dopiero na tłoczysku lub wale napędowym siłownika lub silnika ostatniego stopnia dużego aktora pneumatycznego lub hydraulicznego.  
Należy zaznaczyć, że wyżej wzmiankowana konstrukcja aktorów jako zespołów, złożonych przynajmniej z dwóch elementów pneumatycznych lub hydraulicznych wynika po prostu z wykorzystania w nich praw fizyki: aby można było czerpać korzyść z siły lub momentu dostępnego na tłoczysku lub obracanym wale przetwornika energii do ich cylindrów lub komór należy dostarczyć sprężone medium, czyli go odpowiednio rozdzielić (stąd pojęcie rozdzielacza jako nastawnika). Przy czym (jak już wspomniano), ponieważ zadaniem opracowanych aktorów było stopniowe wypieranie czynnika ludzkiego, jako dostarczyciela sił i momentów do realizacji procesów produkcyjnych (również i wypieranie człowieka jako kontrolera swoich czynności oraz ich wpływu na realizowany proces produkcyjny), to należało zaproponować, aby sterowanie aktorami i ich kontrola działania były realizowane tylko przez sygnały pochodzące z układu sterowania procesem produkcyjnym. Założono, że człowiek jako operator procesu miałby co najwyżej zainicjować pracę układu sterowania (już cyfrowego opartego na odpowiedniej mocy obliczeniowej mikroprocesorze) za pomocą odpowiednich czynności fizycznych, które nie wymagały od niego dużej siły lub momentu. Czyniłby to on np. za pomocą wirtualnych komend, realizowanych przy użyciu odpowiedniego środowiska komputerowego typu SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition). W praktyce zazwyczaj czynności te oznaczają (oprócz włączenia samego układu sterowania procesem) pobudzenie fizyczne przycisku sterującego na panelu sterującym, naciśnięcie odpowiedniego klawisza na klawiaturze komputerowej lub wybranie myszą komputerową odpowiedniego działania na wirtualnym pulpicie sterującym, opracowanym dla konkretnego procesu produkcyjnego. Taki układ sterowania procesem pokazano schematycznie na rysunku 82.

Rysunek 82: Aktor hydrauliczny w „komplecie” ze sterownikiem PLC oraz wirtualnym pulpitem

Analizując rysunek 82 można dostrzec, że aktor (hydrauliczny) złożony jest z nastawnika - zasuwy elektrycznie sterowanej przez odpowiedni mechanizm obrotowy oraz złożony jest z przetwornika energii, czyli odpowiedniej turbiny, zamontowanej w rurociągu. Sygnał elektryczny dla nastawnika pobierany jest z modułu wyjść sterownika PLC, zaś położenie zasuwy kontroluje odpowiedni czujnik, który wysyła sygnał elektryczny do modułu wejść sterownika PLC. Na rysunku 82 ten fragment większej całości uruchamiany jest oraz obserwowany z wirtualnego pulpitu, którym jest tzw. mapa synoptyczna oprogramowania typu SCADA.   
Rysunek 82 pokazuje, że aby można było w ogóle mówić o parametrach technicznych dowolnego aktora we współcześnie realizowanych procesach produkcyjnych czy technologicznych musimy brać pod uwagę nie tylko jego sposób sterowania, co mogłoby być zrealizowane w stosunkowo prostym układzie sterowania, ale przede wszystkim musimy brać pod uwagę jakość pracy aktora, czyli jego kontroli działania, a to już jest tylko możliwe przy udziale cyfrowego układu sterowania, do którego pamięci wbudowano odpowiedni program sterujący. 
Biorąc powyższe pod uwagę autor proponując Czytelnikowi do analizy wybrane przykłady działań w procesach produkcyjnych pokazał sterowanie aktorami w prostych aplikacjach robiąc to łącznie z dedykowanymi dla tychże układami sterowania. Dla właściwej zrozumiałości prezentowanego materiału autor „podparł” się rodzajem rysunków (schematów) wyjaśniających, które są połączeniem znanych już Czytelnikowi układów zasilających aktory w medium robocze ze schematami elektrycznymi, które pokazują rozpływ sygnałów między urządzeniem sterującym a użytymi aktorami oraz odpowiednimi czujnikami, które kontrolują ich działanie. Zatem rysunki (schematy), o których mowa składają się z części pneumatycznej lub hydraulicznej oraz z części elektrycznej. Czytelnik zapewne będzie w stanie odróżnić te części od siebie. Jest rzeczą zrozumiałą, że każdy przykład wykorzystania danego aktora poprzedzony jest słownym opisem działania fragmentu dyskutowanego procesu produkcyjnego oraz rysunkiem poglądowym, który wyjaśnia zasadność użycia aktora w określonym sterowaniu. 
Ponieważ, jak już wspomniano wcześniej współczesne rodzaje sterowań w procesach produkcyjnych narzucają wręcz wykorzystanie urządzeń cyfrowych (czytaj: sterowników PLC) jako głównych urządzeń układów sterowania, to autorowi wydało się wskazane, aby jako urządzenie sterujące wykorzystać tutaj sterownik PLC wraz z jego całą „infrastrukturą”, czyli do każdego omawianego przykładu zaproponować również i program sterujący, poprzedzony utworzonym wcześniej algorytmem sterowania SFC. Autor nadmieni, że zaprezentowany układ każdego omawianego w module czwartym przykładu aplikacji aktorów pneumatycznych oraz hydraulicznych może być porównany do dokumentacji projektowej wybranego procesu produkcyjnego.

1.1. Aplikacja aktorów pneumatycznych w procesie nanoszenia napisu na wyrobie

PRZYKŁAD NR 1: Proces nanoszenia napisu na wyrobie oraz jego składowania
1.    Opis działania procesu:
Rozważany proces (a w zasadzie podproces) zilustrowany jest na rysunku 83. Efektem jego prawidłowej realizacji jest zapełnianie widocznego na rysunku pojemnika produktem, na który został wcześniej nieniesiony napis. Należy zaznaczyć, że zarówno dostarczaniem produktu do stemplowania napisu, zliczaniem liczby tegoż produktu w pojemniku oraz odbiorem zapełnionego pojemnika wraz z podstawieniem pustego „zajmują” się inne podprocesy. 
Z rysunku 83 widać, że siłownik S1, którego tłoczysko zostało wyposażone w siłownik podciśnieniowy S4 pobiera najpierw produkt z taśmociągu i unosi go ku górze celem zakleszczenia produktu przez dwie uchylne klapy. Gdy to nastąpi tłoczysko siłownika S2 uruchamia się i stempluje napis na wyrobie oraz zajmuje początkowe położenie. Po tym fakcie tłoczysko siłownika S1 unosi produkt ponad dwie klapy, co uruchamia tłoczysko siłownika S3. Ponieważ ten siłownik oraz siłownik S1 zamocowane są z wykorzystaniem wychylnych tzw. łap siłowników, efektem działania tłoczyska siłownika S3 jest przemieszczenie siłownika S1 z ostemplowanym produktem. Po osiągnięciu przez tłoczysko siłownika S3 maksymalnego wysunięcia następuje zwolnienie produktu poprzez wyłączenie podciśnienia w ssawie S4. Produkt poprzez działanie siły grawitacji spada na pochylnię i następnie dalej, z wykorzystaniem niewielkich kół zjeżdża do pojemnika. Takie działanie tego podprocesu stemplowania może odbywać się automatycznie przy założeniu, że pozostałe wymienione podprocesy funkcjonują prawidłowo. Podproces stemplowania kontrolowany jest przez sterownik PLC.
Rysunek 83 pokazuje, że siłowniki S1 do S3 są typu jednostronnego działania pchające – powrót sprężyną, uruchamianie poprzez elektrozawory EZ1 do EZ3 typu 3/2 (NZ), dalej siłownik S4 jest sterowany jest za pośrednictwem generatora podciśnienia GP oraz że położenie tłoczysk siłowników S1 do S3 kontrolowane jest za pośrednictwem odpowiednie czujników magnetycznych położenia tłoczysk.
2.    Połączony schemat sterowania pneumatycznego oraz sterowania PLC 

3.    Tabela przyporządkowująca symbole do operandów sterownika PLC 

Widoczna tabela przyporządkowująca, jak sama nazwa na to wskazuje „przydziela” symbolom, których użyto do oznaczenia elementów wejścia/wyjścia procesu produkcyjnego z rysunku 83 operandy wejścia/wyjścia sterownika PLC. Operacja taka jest wskazana po pierwsze dla lepszej zrozumiałości algorytmu SFC oraz utworzonego programu sterującego PLC oraz po drugie, na podstawie takiego przydziału z powyższej tabeli tworzy się infrastrukturę połączeń elektrycznych między modułami wejścia/wyjścia sterownika PLC z czujnikami i aktorami pneumatycznymi i sygnalizacją.
4.    Uwarunkowania odnośnie sterowania procesem związane z wykorzystanymi elementami we/wy
Zwraca się uwagę Czytelnika, że w widocznym na rysunku 83 sposobie nanoszenia napisu na poruszającym się produkcie najpierw jest on unoszony przez ssawę S4 wraz z powracającym siłą sprężyny tłoczyskiem siłownika S1 (oczywiście najpierw opuszczonym poprzez zadziałanie EZ1). Następnie na czas tej głównej procesowej operacji następuje zablokowanie produktu w miejscu stemplowania napisu. Realizowane jest to poprzez wykorzystanie dwóch ruchomych klap, które pierwotnie uchylając się pozwalają przemieścić produkt ku górze w pionowym szybie by następnie go zablokować siłą swoich sprężyn. To zablokowanie jest dodatkowo „wzmocnione” poprzez ponowne wysterowanie EZ1 po osiągnięciu przez tłoczysko S1 położenia określanego czujnikiem C1_S. Moment zrównany jest dopasowane jest z chwilą uruchomienia tłoczyska S2. Po operacji stemplowania napisu tłoczysko S1 wraca do położenia początkowego sprawdzanego czujnikiem C1_G i jest odchylane tłoczyskiem S3. W celu dopasowania czasu powrotu tłoczyska S1 zastosowano zawór dławiący ZD.    
5.    Algorytm GRAFCET dla procesu produkcyjnego z rysunku 83

Rysunek 84: Algorytm GRAFCET dla procesu z rysunku 83

Należy nadmienić, że zasadnym jest przyjęcie założenia, że proces produkcyjny zilustrowany na rysunku 83 realizowany jest z przerwami. Nie trzeba chyba wyjaśniać, że po pierwszym uruchomieniu dowolnego procesu produkcyjnego jego zatrzymanie odbywa się po określonym czasie jego funkcjonowania zależnym od zmianowości załogi czy jakąkolwiek awarią. Oznacza to, że ponowne jego uruchomienie powinno zawsze odbywać się w tzw. warunkach początkowych dla aktorów pneumatycznych. Przy wykorzystaniu siłowników pneumatycznych jednostronnego działania – powrót sprężyną (jak na rysunku 83), tymi warunkami początkowymi są wsunięte wszystkie trzy tłoczyska siłowników S1 do S3, co jak wiemy oznacza opróżnienie komór roboczych ze sprężonego powietrza za pomocą poruszających się siłą sprężyn tłoków. To z kolei jest realizowane poprzez wyłączenie elektrozaworów EZ1 do EZ3. Sugestia ta jest zaproponowana w bloku działania dla kroku nr „0” (R(eset) ALL) dodatkowo z pokazaniem tego stanu algorytmu poprzez sygnalizację optyczną Ż1. Takie opisane początkowe działanie układu sterowania procesem z rysunku 83 spowoduje, że pobudzenie przycisku START (przy bezpiecznym stanie przycisku STOP) uruchomi proces stemplowania napisu na produkcie. 
Należy zaznaczyć, że opisane wcześniej w punkcie 4-tym zatrzymanie produktu po przemieszczeniu go przez ruchome klapy widoczne jest w algorytmie GRAFCET w kroku nr „3” po zajęciu przez tłoczysko S1 położenia C1_S. To wtedy następuje uruchomienie „na moment” tłoczyska siłownik S2 i początek operacji stemplowania napisu na produkcie, co ma się odbyć w czasie 0.5 sekundy. Po tej operacji produkt (już ostemplowany) przemieszcza się nad klapy i jest „spuszczany” po upływie 1 sekundy przez wyłączenie ssawy S4 nad zsuwnią. Wyłączenie ssawy jest połączone z powrotem tłoczyska S3 do położenia początkowego, stwierdzanego przez czujnik C3. Po osiągnięciu przez tłoczysko tego położenia następuje „nawrót” algorytmu i proces nanoszenia napisu na produkcie startuje od początku. (Przyjęto, że zatrzymanie procesu stemplowania napisu na produkcie następuje nie poprzez przerwanie wykonywania algorytmu z rysunku 84, tylko poprzez wyłączenie układu sterowania opartego na sterowniku PLC. Dlatego też w algorytmie GRAFCET przycisk STOP występuje tylko raz).  
6.    Algorytm sterowania SFC na podstawie algorytmu GRAFCET

Rysunek 85: Algorytm sterowania SFC na podstawie algorytmu GRAFCET z rysunku 84

Zauważyć można, że algorytm sterowania SFC operuje już na adresach absolutnych wejść/wyjść sterownika PLC, nie zaś na symbolach, tak jak to robił algorytm GRAFCET. (Dużą ilość informacji oraz wskazówek odnośnie zasad tworzenia obu typów algorytmów Czytelnik znajdzie w innych publikacjach autora w ramach OKNO PW). 
7.    Program sterujący PLC dla procesu nanoszenia napisu na wyrobie oraz jego składowania z rysunku 83
Poniżej zilustrowano programy sterujące PLC, który realizują algorytm sterowania SFC z rysunku 85. Programy utworzono w trzech powszechnie używanych metodach tworzenia programu sterującego, które zawiera norma EN 61131-3, tzn. metodzie tekstowej STL (ang. Statement List) oraz dwóch metodach graficznych: LAD (ang. Ladder Diagram) i FBD (ang. Function Block Diagram). Dla przypomnienia podajmy, że formalizm algorytmu SFC z rysunku 85 również ujęty jest w tej wzmiankowanej normie. Pomysł autora, aby zamieścić te trzy listingi programów PLC realizujących tak naprawdę „to samo” podyktowany był nakłonieniem Czytelnika do porównania zasad tworzenia programu PLC, które są różne w tych metodach. 
METODA TEKSTOWA STL:
Network 1: Tworzenie kroku nr 0
LD     SM0.1                      //Gdy uruchomiono PLC
S       M0.0, 1                         //ustaw znacznik kroku nr 0
Network 2: Blok działania w kroku nr 0
LD     M0.0                        //Gdy krok nr 0 jest aktywny 
R       Q0.0, 6                     //wyzeruj przestrzeń roboczą pamięci programu
S       Q0.4, 1                     //ustaw sygnalizację włączenia PLC
Network 3: Tworzenie kroku nr 1
LD     M0.0                        //Gdy jeszcze krok nr 0 jest aktywny
LD     M0.6                        //lub tak samo krok nr 6
A       I0.5                            //łącznie z tranzycją nr 7
OLD
A      I0.2                            //oraz tłoczysko S1 znajduje się w górnym położeniu
A      I0.0                            //i naciśnięto przycisk START
A      I0.4                             //i tłoczysko S2 znajduje się w prawym położeniu
A      I0.5                             //i tłoczysko S3 znajduje się w prawym położeniu
A      I0.1                            //i nie pobudzono przycisku STOP
S      M0.1, 1                          //ustaw znacznik kroku nr 1
R      M0.0, 1                          //wyzeruj znacznik kroku nr 0 jako niepotrzebny
R      M0.6, 1                          //i tak samo znacznik kroku nr 6
Network 4: Blok działania w kroku nr 1
LD     M0.1                             //Gdy krok nr 1 jest aktywny
S       Q0.0, 1                          //steruj tłoczyskiem S1 w kierunku do dołu
S       Q0.5, 1                          //ustaw sygnalizację startu procesu nanoszenia napisu
TON T40, 20                      //ustaw czas opóźnienia równy 2 sekundy
Network 5: Tworzenie kroku nr 2
LD     M0.1                             //Gdy jeszcze krok nr 1 jest aktywny
A       T40                              //i upłynął czas 2 sekundy po uruchomieniu procesu
A       I0.4                             //i tłoczysko S2 znajduje się w prawym położeniu
S       M0.2, 1                          //ustaw znacznik dla kroku nr 2
R       M0.1, 1                      //wyzeruj znacznik kroku nr 1 jako niepotrzebny
Network 6: Blok działania w korku nr 2
LD    M0.2                             //Gdy krok nr 2 jest aktywny
S      Q0.3, 1                          //uruchom generator podciśnienia dla S4 dla uchwycenia produktu
R      Q0.0, 1                          //wyłącz sterowanie ruchem tłoczyska S1
Network 7: Tworzenie kroku nr 3
LD    M0.2                             //Gdy jeszcze krok nr 2 jest aktywny
A      I0.3                             //i tłoczysko S1 przyjęło pozycję dla nanoszenia napisu
S      M0.3, 1                          //ustaw znacznik dla kroku nr 3
R      M0.2, 1                          //wyzeruj znacznik kroku nr 2 jako niepotrzebny
Network 8: Blok działanie w korku nr 3
LD    M0.3                             //Gdy krok nr 3 jest aktywny
S      Q0.0, 2                          //uruchom jednocześnie tłoczysko S1 oraz tłoczysko S2
TON T41, 5                        //ustaw czas opóźnienia równy 500 milisekund
Network 9: Tworzenie korku nr 4
LD    M0.3                             //Gdy jeszcze krok nr 3 jest aktywny
A      T41                              //i upłynęło już 500 milisekund
S      M0.4, 1                          //ustaw znacznik kroku nr 4
R      M0.3, 1                          //wyzeruj znacznik kroku nr 3 jako niepotrzebny
Network 10: Blok działania w kroku nr 4
LD    M0.4                             //Gdy krok nr 4 jest aktywny
R      Q0.0, 2                          //wyłącz jednoczesne sterowanie tłoczyskiem S1 i S2
Network 11: Tworzenie korku nr 5
LD    M0.4                             //Gdy jeszcze krok nr 4 jest aktywny
A      I0.2                             //i tłoczysko S1 znajdzie się w górnym położeniu
S      M0.5, 1                          //ustaw znacznik kroku nr 5
R      M0.4, 1                       //wyzeruj znacznik kroku nr 4 jako niepotrzebny
Network 12: Blok działania w kroku nr 5
LD    M0.5                             //Gdy krok nr 5 jest aktywny
S      Q0.2, 1                          //uruchom tłoczysko S3 dla realizacji nanoszenia napisu
TON T42, 10                    //na czas 1 sekunda
Network 13: Tworzenie kroku nr 6
LD    M0.5                             //Gdy jeszcze krok nr 5 jest aktywny
A      T42                              //i upłynęła 1 sekunda działania tłoczyska S3
S      M0.6, 1                          //ustaw znacznik kroku nr 6
R      M0.5, 1                          //wyzeruj znacznik kroku nr 5 jako niepotrzebny
Network 14: Blok działania w korku nr 6
LD    M0.6                             //Gdy krok nr 6 zaktywizuje się
R      Q0.2, 2                          //wyłącz generator podciśnienia oraz ruch tłoczyska S3
R      Q0.5, 1                          //i sygnalizację startu procesu

METODA GRAFICZNA LAD:

METODA GRAFICZNA FBD:

8. Podsumowanie
Przyjęcie założenia, że aplikacja aktorów pneumatycznych w procesie produkcyjnym z rysunku 83 rozpoczyna się od pomysłu projektanta „na papierze” jest zasadne i nie wymaga chyba głębszych wyjaśnień. Po stworzeniu takiej papierowej koncepcji sterowania rozpoczyna się proces realizacji praktycznej tejże i chyba każdy projektant życzyłby sobie dużej, jak nie całkowitej zgodności przyjętych założeń teoretycznych z tymi, które zweryfikuje praktyka. 
Zapewne Czytelnik zauważył, że nad projektem procesu nanoszenia napisu na produkcie z rysunku 83 musiałoby „pracować” kilku projektantów z różnych branż, bowiem projekt ten łączy w sobie zarówno zagadnienia m.in. konstrukcji pomieszczeń, transportu oraz sterowania elektropneumatycznego. I tak jest w praktyce; projektanci z różnych branż „łączą” siły i pracują wspólnie nad jakimś projektem lub jeden projektant posiadający wiele uprawnień branżowych pracuje nad jakimś projektem. 
Jest rzeczą zrozumiałą, że na skutek istniejącego od wielu lat burzliwego rozwoju różnych procesów produkcyjnych można powiedzieć, że już „wszystko” było i nic nowego nie powstanie. Ten istniejący obraz rzeczywistości, który na pozór może wydawać się negatywnym posiada jednak pewną zaletę – nie trzeba tracić czasu nad opracowywaniem „od nowa” każdego procesu produkcyjnego, tylko sięgnąć do odpowiednich źródeł i zaaplikować je do własnego pomysłu. To skraca czas pracy nad konkretnym procesem produkcyjnym.
Stawiając się (zasadnie) w roli wyłącznie projektanta infrastruktury sterującej dla procesu z rysunku 83 zadaniem naszym będzie dobranie odpowiednich siłowników pneumatycznych m.in. pod kątem długości ich tłoczysk oraz kontroli ich położeń oraz dobranie elektrozaworów rozdzielających pod kątem ich sterowania oraz parametrów. 
 

1.2. Aplikacja aktorów hydraulicznych w procesie produkcyjnym

PRZYKŁAD NR 2: Proces wykrawania otworów w arkuszu blachy stalowej 
1.    Opis działania procesu:
Z rysunku 86 widać, że tłoczysko siłownika hydraulicznego, którego położenia robocze kontrolowane są przy użyciu dwóch czujników bezstykowych: CZ_G – położenie górne i CZ_S – położenie środkowe wyposażone jest w wykrojnik w kształcie otworu o odpowiedniej średnicy. Po uruchomieniu układu sterowania PLC, co odbywa się poprzez wcześniejsze pobudzenie przycisku START (przy niepobudzonym przycisku STOP) oraz odpowiednim podstawieniu przez operatora maszyny arkusza blachy (czego prawidłowość stwierdzą dwa czujniki położenia CZ_L i CZ_P), wykrojnik uderza z odpowiednią siłą (która skierowana jest pionowo w dół) w arkusz blachy. Operacja ta powoduje, że wykrawany jest w niej otwór przelotowy. Po tej czynności wykrojnik przemieszcza się ku górze a pracownik zdejmuje arkusz blachy z maszyny. Operacja wykrawanie otworu może się powtarzać. 
Jak widać z rysunku 86 opuszczanie i podnoszenie wykrojnika realizowane jest poprzez sterowanie siłownikiem hydraulicznym dwustronnego działania z wykorzystaniem elektrozaworu proporcjonalnego o dwóch wejściach sygnału analogowego, który pobierany jest z dwóch wyjść analogowych modułu sterującego EZ P. Rozwiązanie takie zaproponowano w celu zrealizowania szybkiego ruchu tłoczyska, które rozpoczyna się od momentu pojawienia się sygnału na czujniku CZ_S i kończy uderzeniem wykrojnika w umieszczoną w urządzeniu blachę. 
2.    Połączony schemat sterowania hydraulicznego oraz sterowania PLC

3.    Tabela przyporządkowująca symbole do operandów PLC

4.    Uwarunkowania odnośnie sterowania procesem związane z wykorzystanymi elementami we/wy
Sterowanie aktorami hydraulicznymi ma to do siebie, że uzyskują one w stosunku do aktorów pneumatycznych „olbrzymie” siły, które są później wykorzystywane. W przypadku procesu z rysunku 86 jest to siła przyłożona do wykrojnika, który wykrawa otwór w blasze o danej grubości. Przyjęcie założenia, że blachę do wykrawania umieszcza w maszynie jej operator powoduje, że układ sterowania tym procesem powinien „w miarę możliwości” kontrolować sam proces wykrawania jak i użycie dużej siły, która dostępna jest na tłoczysku siłownika hydraulicznego, jako przetwornika energii pompowanej cieczy aktora. Pierwsze zagadnienie rozwiązują elementy pulpitu sterującego, drugie zaś zaproponowany sposób sterowania proporcjonalnym rozdzielaczem hydraulicznym (elektrozaworem typu P). Do sterowania elektrozaworem proporcjonalnym EZ P zaproponowano moduł sterujący, zasilany tym samym napięciem, co sterownik PLC. Moduł ten posiada trzy wejścia sterujące, które uruchamiają EZ P poprzez podanie na jego cewki odpowiednich napięć analogowych.
Sposób użycia przycisków oraz sygnalizatorów optycznych pulpitu sterującego raczej będzie znany Czytelnikowi, więc go tutaj pominiemy. Pozostaje zatem wyjaśnić sposób sterowania elektrozaworem typu P w odniesieniu do zapewnienia bezpieczeństwa operatorowi procesu. Otóż przyjęto, że tłoczysko siłownika od momentu jego startu, czyli od czujnika CZ_G do czujnika CZ_S porusza się wolniej, niż od czujnika CZ_S w kierunku końca suwu roboczego tłoczyska. Propozycja zwiększenia prędkości tłoczyska została podyktowana chęcią zrealizowania tzw. uderzenia wykrojnika w blachę celem wybicia otworu. Szybkość tłoczyska w powrotnej jego drodze jest konsekwencją „wykonania” zadania: szybki ruch tłoczyska od momentu wybicia już otworu w kierunku czujnika CZ_G. Po dotarciu do tegoż tłoczysko siłownika hydraulicznego pozostaje w spoczynku aż do momentu ponownego rozpoczęcia umieszczenia blachy w urządzeniu, co rozpoczynają łącznie sygnały od CZ_L i CZ_P. 
Należy zaznaczyć, że pomysł spowolnienia ruchu tłoczyska w początkowej jego fazie został podyktowany hipotetycznym opóźnieniem w zajęciu przez blachę właściwego położenia do wybijania otworu. Opóźnienie to może być zwykłym błędem operatora maszyny, który może się przecież zdarzać.         
5.    Algorytm GRAFCET dla procesu produkcyjnego z rysunku 86

W algorytmie GRAFCET z rysunku 87 pokazano w których krokach programowych następuje uruchomienie powolnego oraz szybkiego ruchu wykrojnika w kierunku umieszczonej blachy, jak również szybkiego powrotu tłoczyska do górnego położenia. Są to odpowiednio kroki nr 2, 3 oraz 4. Wyłączenie powrotu to krok 5. 
6.    Algorytm sterowania SFC na podstawie algorytmu GRAFCET

Rysunek 88: Algorytm sterowania SFC na podstawie algorytmu GRAFCET z rysunku 87

Dla lepszej zrozumiałości tworzonego programu PLC na podstawie algorytmu SFC na rysunku 87 przy poszczególnych krokach programowych umieszczono adresy znaczników dla tych kroków, które „zastępują” te etapy w programie PLC. Poza tym zasady tworzenia programu dla układu sterowania procesem z rysunku 86 nie odbiegają od zasad z przykładu nr 1 z tą różnicą, że zawierają procedury obsługi programowej trzech wyjść sterujących modułem sterującym EZ P o adresach Q0.1 do Q0.3. Właściwa kombinacja sygnałów na tych wejściach pozwala na odpowiednie sterowanie cewkami rozdzielacza proporcjonalnego EZ P dla ruchu tłoczyska siłownika hydraulicznego. Jak widzimy z algorytmu GRAFCET przyjęto, że napięcie DC 2V wysterowuje tłoczysko wolno, zaś napięcie DC 8V wysterowuje to tłoczysko szybciej. To, co można również zauważyć to warunek ponownego uruchomienia kolejnego procesu wykrawania. Nastąpi on dopiero po zdjęciu oraz położeniu „nowej” blachy, o czym „powiedzą” sygnały impulsowe z czujników CZ_L i CZ_P. Musiało to być wprowadzone, ponieważ mogło się zdarzyć, że tłoczysko zostałoby ponownie uruchomione, a stara blacha nie zostałaby zdjęta.  
7.    Program sterujący PLC dla procesu wykrawania otworów w arkuszu blachy stalowej z rysunku 86
Podobnie jak to miało miejsce w Przykładzie nr 1 poniżej zilustrowano program sterujący PLC, który realizuje również algorytm sterowania SFC, ale z ten rysunku 88. Programy, tak jak poprzednio utworzono w trzech powszechnie używanych metodach tworzenia programu sterującego, które ujęte są w normie EN 61131-3, tzn. metodzie tekstowej STL oraz dwóch metodach graficznych: LAD i FBD. 
METODA TEKSTOWA STL:
Network 1: Tworzenie znacznika kroku zerowego 
LD    SM0.1                      //Gdy PLC zostanie włączony
S      M0.0, 1                     //ustaw znacznik kroku zerowego
Network 2: Blok działania w kroku zerowym
LD    M0.0                         //Gdy pojawi się krok zerowy
R      Q0.4, 2                     //wyzeruj to co może przeszkadzać
S      Q0.4, 1                     //ustaw sygnalizację optyczną włączenia PLC
Network 3: Tworzenie znacznika kroku pierwszego
LD    M0.0                        //Gdy istnieje krok zerowy
A      I0.0                          //i pobudzono przycisk START
A      I0.1                          //a nie pobudzono przycisku STOP
S      M0.1, 1                    //ustaw znacznik kroku pierwszego
R      M0.0, 1                    //i wyzeruj znacznik poprzedni
Network 4: Blok działania w kroku pierwszym
LD    M0.1                        //Gdy pojawi się krok pierwszy
S      Q0.5, 1                     //ustaw sygnalizację optyczną startu procesu
S      Q0.0, 1                     //załącz moduł sterujący EZ P
Network 5: Tworzenie znacznika kroku drugiego
LD    M0.1                        //Gdy istniej krok pierwszy
O      M0.5                        //lub krok piąty
A      I0.2                          //i tłoczysko jest u góry
A      I0.1                          //i nie pobudzono przycisku STOP
A      I0.4                          //i położono blachę 
EU                                   //co wykrył czujnik lewy
A      I0.5                          //i położono blachę
EU                                   //co wykrył czujnik prawy
S      M0.2, 1                    //ustaw znacznik kroku drugiego
R      M0.1, 1                    //i wyzeruj znacznik kroku pierwszego
R      M0.5, 1                    //i wyzeruj znacznik kroku piątego
Network 6: Blok działania w kroku drugim
LD     M0.2                        //Gdy pojawi się krok drugi
=      Q0.1                        //steruj wolnym ruchem tłoczyska w dół
Network 7: Tworzenie znacznika kroku trzeciego
LD    M0.2                        //Gdy istnieje krok drugi
A      I0.3                          //i tłoczysko zajmie środkowe położenie
S      M0.3, 1                     //ustaw znacznik kroku trzeciego
R      M0.2, 1                     //i wyzeruj znacznik poprzedni
Network 8: Blok działania w kroku trzecim
LD    M0.3                        //Gdy pojawi się krok trzeci
S      Q0.2, 1                     //ustaw sterowanie szybkim ruchem tłoczyska w dół
TON T40, 5                      //zadeklaruj czasomierz na cykl roboczy tłoczyska równy 0.5 sekundy
Network 9: Tworzenie znacznika kroku czwartego
LD    M0.3                        //Gdy istnieje krok trzeci
A      T40                          //i upłynął czas wynoszący 0.5 sekundy
S      M0.4, 1                    //ustaw znacznik kroku czwartego
R      M0.3, 1                    //i wyzeruj znacznik kroku poprzedniego
Network 10: Blok działania w kroku czwartym
LD    M0.4                        //Gdy pojawi się krok czwarty
S      Q0.3, 1                     //ustaw sterowanie szybkim ruchem tłoczyska w górę
Network 11: Tworzenie znacznika kroku piątego
LD    M0.4                        //Gdy istnieje krok czwarty
S      M0.5, 1                     //ustaw znacznik kroku piątego
R      M0.4, 1                     //i wyzeruj znacznik kroku poprzedniego
Network 12: Blok działania w kroku piątym
LD    M0.5                        //Gdy pojawi się krok piąty
A      I0.2                          //i tłoczysko siłownika zajmie górne położenie
R      Q0.2, 2                    //wyłącz sterowanie ruchem tłoczyska w górę

METODA GRAFICZNA LAD:

METODA GRAFICZNA FBD:

8. Podsumowanie
Podobnie jak to miało miejsce przy aplikacji aktorów pneumatycznych, tak i tutaj przy aplikacji aktorów hydraulicznych w procesie produkcyjnych z rysunku 86 po stworzeniu takiej papierowej koncepcji sterowania rozpoczyna się proces realizacji praktycznej. Nadzieję, że projekt teoretyczny będzie w stu procentach realizowalny zweryfikuje ja zawsze praktyka. 
Stawiając się w roli projektanta infrastruktury sterującej dla procesu z rysunku 86 zadaniem naszym będzie dobranie odpowiedniego aktorów hydraulicznego pod kątem długości jego tłoczyska, do którego zamontowany będzie wykrojnik oraz zaproponowanie odpowiedniej kontroli jego dwóch położeń roboczych. Dobranie elektrozaworu rozdzielającego zamiast zaworu sterowanego ręcznie jest oczywiste i podyktowane konstrukcją układu sterowania, który jak widzimy z rysunku 86 oparty jest o sterownik PLC o wejściach i wyjściach dwustanowych. Opcja sterowania cyfrowego jest również i korzystna z tego powodu, że operator maszyny może tylko i wyłącznie skupić się na kładzeniu oraz wyjmowaniu blachy z maszyny przed i po procesie wykrawania, nie zaś na czymś dodatkowym, np. uruchamianiem za każdym razem tłoczyska siłownika, co wprowadza dodatkowe niebezpieczeństwo pracy przy i tak niebezpiecznej maszynie, jaką jest wykrawarka. Takie rozwiązania są stosowane w starego typu maszynach, gdzie uruchamianie stempla następuje po naciśnięciu stopą odpowiedniego pedału, który połączony jest z zaworem rozdzielającym ciecz do aktora hydraulicznego.
Należy zaznaczyć, że analizując sterowanie aktorem hydraulicznym z rysunku 86 alternatywnym sposobem jego sterowania zamiast pośredniego modułu sterującego EZ P mogło być wykorzystanie sterownika PLC, który oprócz widocznego na rysunku modułu wyjść dwustanowych posiadałby dodatkowo moduł wyjść analogowych. Sygnały z tych wyjść byłyby doprowadzone bezpośrednio do dwóch cewek Elektrozaworu EZ P zamiast sygnałów Slow, Nor i Góra. W takim rozwiązaniu sterowanie elektrozaworu EZ P realizowałby podprogram programu głównego PLC nie zaś elektronika widocznego na rysunku 86 modułu sterującego EZ P. 

2. Praktyczne aplikacje aktorów w pojazdach mobilnych

Przypomnijmy, że jeżeli chodzi o wykorzystanie aktorów w pojazdach mobilnych to w przypadku pojazdów załogowych ich wersje pneumatyczne dominują w ułatwieniu kierowcy „posługiwania” się pojazdem, czyli np. wspomagają w wytwarzaniu odpowiedniej siły hamowania, przenoszonej na koła podwozia czy realizują otwieranie/zamykanie drzwi nadwozia. W przypadku pojazdów bezzałogowych aktory pneumatyczne wykorzystywane są szerzej i ich zastosowanie rozciąga się od napędu kół podwozia poprzez uruchamianie mechanizmów zrobotyzowanych takich jak chwytaki. Dla odróżnienia wersje hydrauliczne aktorów w pojazdach załogowych „zajmują” się wytwarzaniem dużych lub bardzo dużych sił do uruchamiania urządzeń hydraulicznych takich jak pługi czy łychy koparek, zaś w pojazdach bezzałogowych wykorzystanie aktorów hydraulicznych rozciąga się od napędu kół podwozia do sterowania ich parametrami użytkowymi.
Zważywszy na charakter niniejszej publikacji, która ma pokazywać również mniej znane rozwiązania aktorów dla szczególnych zastosowań, autor postanowił w tym miejscu omówić wykorzystanie aktorów nowego rodzaju. 

2.1. Aplikacja aktorów pneumatycznych nowego rodzaju w pojeździe mobilnym załogowym

PRZYKŁAD 1: Aktor pneumatyczny wykorzystywany do sterowania parametrami podwozia pojazdu
1.    Opis działania układu (z pojedynczym aktorem pneumatycznym nowego rodzaju)
Rozważany jest układ aktora pneumatycznego, który złożony jest nastawnika nowego rodzaju, którego sterowanie jak pamiętamy odbywa się za pośrednictwem wspólnej linii przesyłowej sprężonego medium (patrz p.2.4.2) oraz złożony jest z przetwornika energii tegoż medium, którym w tym przypadku jest opona pneumatyczna (każdego koła podwozia). Układ ten kształtujący parametry podwozia pojazdu poprzez sterowanie pompowaniem/upuszczaniem medium z pojedynczej opony pneumatycznej ilustruje rysunek 87.

Rysunek 89: Schemat sterowania pompowaniem/upuszczaniem medium z opony pneumatycznej 

Dla uświadomienia Czytelnikowi sposobu sterowania tym aktorem zastosowano odmienną kolorystykę linii (lub strzałek) przesyłowych niskiego ciśnienia, gdzie:
•    linia niebieska oznacza linię przesyłową doprowadzającą sprężone medium do układu sterowania pneumatycznego, które to medium sprężarka powietrza pojazdu „zgromadziła” w zbiorniku pokładowym. Układ sterowania składa się z trzech elektrozaworów EZ1 do EZ3 typu 2/2, zasilanych napięciem pokładowym pojazdu, czyli DC 12V lub DC 24V, które są wyłączone przy niedziałającym układzie sterowania.
•    linia czerwona oznacza linię przesyłową doprowadzającą sprężone medium do opony pojazdu podczas jej pompowania. Czytelnik zapewne już wie, że aby to nastąpiło to tylko elektrozawór EZ1 powinien się załączyć przy trybie pracy nastawnika nowego rodzaju przypominającym działanie zaworu zwrotnego w kierunku przepływu czynnika.
•    linia zielona oznacza linię przesyłową rozsprężanego już do atmosfery medium, co odbywa się za pośrednictwem załączonego elektrozaworu EZ2 przy wyłączonych EZ1 i EZ3 oraz trybie pracy nastawnika nowego rodzaju przypominającym tryb pracy zaworu zwrotnego sterowanego czynnikiem roboczym. 
•    linia żółta oznacza linię przesyłową rozsprężanego także do atmosfery medium z opony pneumatycznej, ale celem całkowitego wyłączenia nastawnika nowego rodzaju. Odbywa się za pośrednictwem załączonego elektrozaworu EZ3 przy wyłączonych EZ1 i EZ2. Tryb pracy nastawnika nowego rodzaju przypomina tryb pracy zaworu zwrotnego sterowanego przy braku sygnału sterującego.
Rysunek 89 pokazuje także oprócz różnej kolorystyki i różną grubość linii przesyłowych, co ma uświadomić Czytelnikowi istniejące w tych liniach różne natężenie przepływu sprężonego lub rozsprężanego z opony medium. Zatem przekrój linii przesyłowej czerwonej jest większy niż zielonej, jednak zdecydowanie mniejszy niż żółtej. Jak pamiętamy z podrozdziału 2.4.2. linia ta powinna być o przekroju największym, bowiem załączenie elektrozaworu EZ3 powinno samoczynnie przestawić tryb pracy nastawnika na całkowite odcięcie opony. To wynika po prostu z konstrukcji wewnętrznej nastawnika nowego rodzaju.
2.    Praktyczna realizacja układu kształtującego parametry podwozia pojazdu mobilnego
Należy zaznaczyć, że w praktyce układ sterowania aktorem pneumatycznym według koncepcji z rysunku 89 jest bardziej złożony niż to zilustrowano na tym rysunku. Wynika to z wielu uwarunkowań wynikających, dla których najbardziej kluczowe to masa pojazdu mobilnego, wielkość jego opon oraz przedział ciśnień w tychże oponach ze względu na rodzaj pokonywanego przez to podwozie terenu. (Czytelnik zapewne się domyślił, że sterowanie pompowaniem/upuszczaniem powietrza z opony według zilustrowanej koncepcji nie odbywa się dla zabawy tylko w określonym celu, którym jest właśnie zwiększenie mobilności podwozia). Rysunek 90 ilustruje jak najbardziej zbliżony do rzeczywistości i możliwy do ujawnienia Czytelnikowi schemat sterowania pojedynczym nastawnikiem nowego rodzaju, który wykorzystywany jest w podwoziach mobilnych o dużych gabarytach.  

Zapewne Czytelnik rozpoznaje na rysunku 90 strukturę układu z rysunku 89. Elementami dodatkowymi, oprócz oczywiście widocznych dwóch odlewów, w których „zamknięto” elementy z rysunku 89 są:
•    czujnik ciśnienia, którego zadaniem jest podawanie do komputera pokładowego informacji o aktualnej wartości ciśnienia w oponach pojazdu;
•    zawór bezpieczeństwa, który wyzwala się po przekroczeniu niebezpiecznej dla opon wartości ciśnienia medium odprowadzając nadmiar tegoż do atmosfery;
•    króciec „tradycyjnego” zaworu koła, który pozwala na awaryjne pompowanie/upuszczanie powietrza z koła podwozia.
3.    Uwarunkowania odnośnie sterowania układem pneumatycznym z rysunku 89 i 90
Pomimo jak się wydaje dosyć prostego systemu pneumatycznego z rysunku 89 z trzema elektrozaworami EZ1 do EZ3 (dla którego moglibyśmy zaserwować nieskomplikowany układ sterowania), to w praktyce realizowane jest to poprzez mikroprocesorowy układ sterowania, którego algorytm działania dedykowany jest indywidulanie dla określonego typu pojazdu, spełniający uwarunkowania podane w punkcie 2-gim. Kierowca pojazdu jako operator ma do dyspozycji odpowiedni panel sterujący, umieszczony w kabinie pojazdu, którym się posługuje podczas jego użytkowania wybierając odpowiednie tryby pracy tego układu. Panel taki pokazano na rysunku 91. 

Rysunek 91: Panel kontrolno-sterujący dla systemu z rysunku 90

Przypomnijmy, że tak naprawdę analizujemy działanie układu CTIS (ang. Central Tire Inflation System), w którym zespół aktora pneumatycznego dla kształtowania parametrów podwozia mobilnego zgodnie z zadaniem stanowią: zawór koła (ang. wheel valve), który jest nastawnikiem nowego rodzaju oraz opona pneumatyczna koła, która jest przetwornikiem energii medium. (Jeżeli Czytelnik przywoła samą definicję aktora pneumatycznego i powiąże ją z jego rolą w sterowaniu parametrami podwozia pojazdu mobilnego, to pojawiająca się wątpliwość, iż zespół z rysunku 89 i 90 jest de facto aktorem pneumatycznym powinna się rozwiać). Rysunek 92 ilustruje schemat z rysunku 89 uzupełniony o elementy kontrolno-sterujące, które wymagane są dla zaproponowania algorytmu sterowania.  

Rysunek 92: Schemat sterowania pojedynczym aktorem pneumatycznym w systemie CTIS

4.    Algorytm w postaci blokowej dla układu sterowania z rysunku 92
Na podstawie rysunku panelu sterującego widać, że oprócz podstawowych przycisków sterujących, czyli ON/OFF kierowca pojazdu wybiera następujące tryby pracy układu CTIS (co się przekłada oczywiście na sposób sterowania aktorem pneumatycznym z rysunku 92):
•    EMERGENCY – tryb ten pozwala kierowcy dostosować ręcznie minimalną wartość ciśnienia sprężonego medium w oponie ze względu np. na przebicie opony, co ma pozwalać na kontynuowanie jazdy.
•    MUD, SAND & SNOW – wybranie przez kierowcę tego trybu dostosowuje i automatycznie utrzymuje wartość ciśnienia medium w oponie pod kątem pokonywania przez pojazd trudnego terenu, jakim jest piach, błoto czy śnieg. Nastawa tej wartości ciśnienia medium jest poprzedzona najpierw badaniami producenta pojazdu dla konkretnych opon.
•    CROSS COUNTRY – wybranie przez kierowcę tego trybu dostosowuje i automatycznie utrzymuje wartość ciśnienia medium w oponie pod kątem pokonywania przez pojazd terenów takich jak oranka. Tak jak poprzednio wartości ciśnienia medium jest poprzedzona najpierw badaniami producenta pojazdu dla konkretnych opon.
•    HIGHWAY – tryb wartości ciśnienia medium w oponie dla pokonywaniu drogi utwardzonej typu asfalt.
Rysunek 93 ilustruje koncepcję algorytmu w postaci blokowej, którego konstrukcja logiczna wynikła z przyjętych założeń odnośnie sposobu sterowania układu z rysunku 92. 

Rysunek 93: Algorytm w postaci blokowej dla układu z rysunku 92

5.    Podsumowanie
Wykorzystanie struktury układu z rysunku 89 „zamienione” na układ z rysunku 90 zarezerwowane jest wyłącznie dla takich pojazdów mobilnych, które na skutek ich konstrukcji pozwalają na montaż takich systemów w swoim podwoziu. Analiza rozwiązania, a głównie miejsca zamocowania na (w) feldze nastawnika nowego rodzaju oraz konieczność doprowadzenia do niego sprężonego medium nomen omen podczas normalnego obrotu kola pojazdu każe założyć, że poprowadzenie widocznej na rysunkach linii przesyłowej nie może się odbyć inaczej jak tylko poprzez wykorzystanie elementów konstrukcyjnych pojazdu. A konkretnie piasty koła lub/i półosi napędowej. I mamy odpowiedź, że w „zwykłym” podwoziu pojazdu taki montaż nie może mieć miejsca. Zaznaczmy na koniec, że systemy takie są zaliczane do grupy systemów pneumatycznych, które kształtują parametry podwozia pojazdu mobilnego dla konkretnych podłoży, po których ten pojazd powinien się poruszać.

2.2. Aplikacja aktorów hydraulicznych w pojeździe mobilnym bezzałogowym

PRZYKŁAD 2: Aktory hydrauliczne do sterowania urządzeniem podnosząco-ładującym
1.    Koncepcja kinematyczna urządzenia
Rozważany jest układ dwóch aktorów hydraulicznych, który będzie wykorzystany w sterowaniu urządzeniem podnosząco-ładującym, będącym na wyposażeniu pojazdu bezzałogowego przeznaczonego do transportu środków bojowych po terenie pola walki. Najważniejsze elementy urządzenia stanowiące o jego funkcjonalności zilustrowano na rysunku 94.

Rysunek 94: Konstrukcja kinematyczna urządzenia podnosząco-ładującego pojazdu bezzałogowego 

Widoczne na rysunku 94 dwa siłowniki A i B służą odpowiednio do unoszenia elementu podnoszącego i zmiany kąta elementu uchylnego. Jak widać na powyższym rysunku element podnoszący przemieszczany jest pionowo w prowadnicach, przy czym przyjęto, że ruch tegoż w górę będzie następował z wykorzystaniem bloczka obrotowego oraz cięgła podnoszącego o odpowiedniej długości, ciągnionego przez tłoczysko siłownika A. Ruch w dół elementu podnoszącego odbywać się będzie z wykorzystaniem siły ciężkości, którą „produkuje” ciężar jego konstrukcji metalowej (plus ewentualnie ciężar ładunku). Takie założenie jego ruchu powoduje, że element większego aktora hydraulicznego jest siłownikiem hydraulicznym jednostronnego działania – ciągnącym.
Z rysunku 94 widać również, że urządzenie podnosząco-ładujące zawiera element uchylny, którego zadaniem jest wytworzenie kąta między podłożem a elementem podnoszącym dla dodatkowego zabezpieczenia przewożonego ładunku przed wypadnięciem oraz dla lepszego pozycjonowania urządzenia przy załadunku. Element uchylny napędzany jest siłownikiem hydraulicznym B, który dla zapewnienia precyzji w pozycjonowaniu jest dwustronnego działania. Jak widać z rysunku 94 urządzenie podnosząco-ładujące posadowione jest na platformie pojazdu bezzałogowego, w którym sterowanie urządzeniem odbywać się będzie drogą radiową.  
2.    Oczujnikowanie i układ zdalnego sterowania urządzeniem
Jest rzeczą zrozumiałą, że rozważanie zabudowy urządzenia podnosząco-ładującego na platformie pojazdu bezzałogowego wymaga nie tylko sterowania aktorami hydraulicznymi za pomocą sygnałów elektrycznych (najlepiej), ale i odpowiedniego oczujnikowania ruchów samego urządzenia, bowiem po pierwsze operator pojazdu może nie zawsze móc obserwować w sposób wystarczający położenie elementów ruchomych urządzenia po to, aby je zatrzymać, oraz po drugie (jak już wcześniej powiedziano) aktory hydrauliczne wytwarzają znaczne siły (tutaj pchające lub ciągnące), które mogą narazić na szwank konstrukcję urządzenia, gdyby nie zostały w porę wyłączone przez układ sterowania. Zatem układ (schemat) urządzenia podnosząco-ładującego z rysunku 94 powinien zostać wyposażony o dodatkowe czujniki, które dając sygnały układowi sterowania zapewnią odpowiednią kontrolę elementów ruchomych urządzenia. Zmodyfikowany układ (schemat) urządzenia uzupełniony o układ sterowania oraz jego elementy zilustrowano na rysunku 95. 

Rysunek 95: Urządzenie podnosząco-ładujące uzupełnione o oczujnikowanie siłowników hydraulicznych i układ sterowania

3.    Opis oczujnikowania oraz sygnałów wejścia/wyjścia urządzenia 
Funkcje urządzenia podnosząco-ładującego wywoływane są zdalnie za pomocą pulpitu operatora (część tegoż dotyczącą sterowania tym urządzeniem pokazano na rysunku 96), który komunikuje się z widocznym na rysunku 95 układem sterowania za pomocą modułów radiowych, w które wyposażono zarówno pojazd bezzałogowy jak i pulpit sterujący. Operator pojazdu posiada zatem do dyspozycji następujące rodzaje przycisków sterujących: D i G – wywołanie ruchu elementu podnoszącego odpowiednio w górę oraz w dół oraz P i T – wywołanie uchylenia elementu uchylnego odpowiednio do przodu oraz do tyłu. Ponieważ przyjęto, że może zaistnieć sytuacja, w której operator pojazdu nie będzie widział czynności wykonywanych przez urządzenie podnosząco-ładujące (np. po wjeździe pojazdu bezzałogowego do tunelu), przewidziano odpowiednie oczujnikowanie.  

Rysunek 96: Pulpit sterujący pojazdem bezzałogowym z elementami sterowania urządzeniem

 Pierwszym typem czujników są czujniki dwustanowe skrajnych położeń tłoczysk dwóch siłowników hydraulicznych: dla siłownika A czujniki AD i AG odpowiednio dolnego i górnego położenia tłoczyska, zaś dla siłownika B czujniki BT i BP odpowiednio lewego i prawego położenia tłoczyska. Drugim typem czujników są czujniki optyczne FT1 i FT2 odpowiednio dla siłownika A i siłownika B, których działanie polega na liczeniu impulsów, które pochodzą od obracającej się tarczy z otworami lub przesuwającej się listwy z otworami. Nie trzeba dodawać, że sygnały ze wszystkich wymienionych czujników oraz sygnały powiązane z przyciskami pulpitu sterującego G, D P i T doprowadzone są do sterownika cyfrowego, który odpowiada za odbieranie zdalnych komend operatora pojazdu z pulpitu sterującego oraz analizowanie sygnałów, które podłączone są do jego modułu wejść. 
Jak widać z rysunku 96 pulpit sterujący zawiera dwa wyświetlacze, które sterowane są z odpowiednich modułów sterownika cyfrowego, które zamieniają tzw. kod BCD (ang. Binary Code Decimal) na siedmiosegmentowy dla tych wyświetlaczy. Pierwszy z nich – dwusekcyjny przeznaczony jest do pokazywania operatorowi liczb z zakresu 0 do 20, gdzie liczba „0” oznacza najniższą pozycję elementu podnoszącego, zaś cyfra „20” najwyższą. Uznano, że taka rozdzielczość powinna być wystarczająca dla operatora pojazdu bezzałogowego, który sterował będzie urządzeniem podnosząco-ładującym. Drugi z nich – jednosekcyjny przeznaczony jest do pokazywania operatorowi liczb z zakresu 0 do 9, gdzie liczba „0” oznacza lewe skrajne położenia elementu uchylnego, zaś cyfra „9” jego prawe skrajne położenie. I tutaj również uznano, że taka rozdzielczość powinna być wystarczająca dla operatora pojazdu bezzałogowego, który sterował będzie urządzeniem podnosząco-ładującym. Powinno być zrozumiałe dla Czytelnika, że zaproponowane oczujnikowanie powinno dopomóc operatorowi pojazdu bezzałogowego w posługiwaniu się urządzeniem wtedy, kiedy praca pojazdu będzie poza zasięgiem wzroku.
Użycie siłowników hydraulicznych do przemieszczania elementów ruchomych w ramach urządzenia podnosząco-ładującego wymagało zrealizowania tak naprawdę aktorów hydraulicznych, które sterowane będą drogą elektryczną za pośrednictwem sterownika cyfrowego. Zatem proponowane aktory hydrauliczne złożone są w pierwszym przypadku z siłownika hydraulicznego A jednostronnego działania (ciągnący) oraz elektrozaworu rozdzielającego EZ1, zaś w drugim przypadku z siłownika hydraulicznego dwustronnego działania B oraz złożonego elektrozaworu rozdzielającego EZ2-EZ3. Zaproponowany układ hydrauliczny jest typu otwartego, zatem musiał się również pojawić zespół przygotowania cieczy roboczej, napędzany silnikiem elektrycznym M. Układ hydrauliczny proponowany do sterowania urządzeniem zilustrowano na rysunku 97.              

Rysunek 97: Układ hydrauliczny do sterowania aktorami hydraulicznymi urządzenia

4.    Opis działania urządzenia 
Pobudzenie przez operatora pojazdu odpowiednich przycisków sterujących G, D, P lub T (na pulpicie sterującym) wywołuje reakcję układu sterowania w postaci analizy sygnałów z czujników kontroli położenia tłoczysk siłowników hydraulicznych A i B, tj. odpowiednio AD i AG oraz BT i BP. Przyjęto, że układ zawsze dąży do zajęcia przez tłoczysko siłownika A górnego położenia (AG=1) na skutek siły ciężkości, pochodzącej od ciężaru elementu podnoszącego oraz zajęcia przez tłoczysko siłownika B tylnego położenia (BT=1) na skutek pochodnej siły ciężkości elementu uchylnego. W takim przypadku dwa wyświetlacze LED, które są umieszczone na pulpicie sterującym wskazują wartości zerowe. Powyższe oznacza, że tak naprawdę operator pojazdu powinien pobudzić albo przycisk G albo P, gdyż tylko na takie reakcje operatora układ sterowania zareaguje. Powyższe oznacza również, że czujniki AG i BT mogą „dać” w zależności od potrzeb sygnały automatycznie wyłączające z pracy aktory hydrauliczne (oczywiście za pośrednictwem sterownika cyfrowego), ponieważ ich zakres suwów tłoczysk się wyczerpał. 
Po prawidłowym wybraniu przycisku G albo/i P uruchamiane są wybiórczo lub jednocześnie elektrozawory hydrauliczne odpowiednio EZ1 lub/i EZ2-EZ3 (patrz rysunek 97). To wywołuje ruch tłoczysk siłowników hydraulicznych wraz z ruchem elementu podnoszącego w górę lub/i elementu uchylnego do przodu. 
Należy zaznaczyć, że ruch elementów roboczych urządzenia podnosząco-ładującego wywołuje proporcjonalny ruch elementów związanych z czujnikami FT1 i FT2, tj. odpowiednio tarczy z otworami oraz listwy z otworami. (Patrz rysunek 95). Otwory te odsłaniają oraz zasłaniają naprzemiennie promienie padające na te czujniki, co inkrementuje jednocześnie liczniki programowe zaimplementowane w pamięci programu sterownika cyfrowego, ponieważ sygnały z tych czujników wprowadzone są do odpowiednich dwóch wejść binarnych modułu wejściowego sterownika cyfrowego. Oznacza to, że liczba zliczonych przez te czujniki impulsów odzwierciedla ruch elementu podnoszącego oraz elementu uchylnego. (Po programowym przetworzeniu tych liczb na kod siedmiosegmentowy jest on wysyłany drogą radiową do pulpitu sterującego celem wyświetlenia odpowiednich wartości na dwóch wyświetlaczach LED). Zatem operator urządzenia posiada możliwość śledzenia ruchu tych dwóch elementów poprzez obserwację liczb na wyświetlaczach LED i oczywiście porównania ich z ustalonymi doświadczalnie wartościami, które odnoszą się do zajmowanych pozycji przez tychże. Jest rzeczą zrozumiałą, że przy wizualnej obserwacji pracy urządzenia korzystanie z wyświetlaczy LED nie jest niezbędne. Jak już wspomniano taka opcja została przewidziana dla innego przypadku pracy urządzenia. Jak pokazuje rysunek 95 przewidziano również optyczną kontrolę pracy urządzenia bezpośrednio na pokładzie pojazdu za pomocą dwóch sygnalizatorów: Ż1 – praca elementu podnoszącego oraz Ż2 – praca elementu uchylnego.
Przewidziano dwa rodzaje sterowania dla dwóch głównych przycisków na pulpicie sterującym od momentu ich pobudzenia, tj. przycisków G (ruch elementu podnoszącego w górę) i P (ruch elementu uchylnego do przodu). Pierwsze sterowanie polega na tym, że nieustanne pobudzanie (wciśnięcie) tych przycisków (oczywiście wybiórczo lub łącznie) powoduje, że ruch ww. elementów roboczych jest nieustanny od momentu startu tychże i kontrolowany jest przez operatora, zaś przy zwolnieniu tych przycisków działanie tłoczysk siłowników zostaje natychmiast przerwane, a elementy robocze samoczynnie wracają do pozycji początkowych. W przypadku, gdy tłoczyska siłowników zajmą swoje skrajne położenia a operator się „zagapi” i będzie utrzymywał sterowanie tychże, układ sterowania na podstawie czujników AD i BP wyłączy to sterowanie i zapoczątkuje powrót tłoczysk do pozycji początkowych. Widać z powyższego, że czujniki te pełnią rolę wyłączników bezpieczeństwa. 
Drugie zaproponowane sterowanie urządzeniem podnosząco-ładującym polega na dwusekundowym pobudzeniu i późniejszym zwolnieniu przycisków G lub/i P, co skutkuje samoczynnym (z podtrzymaniem) ruchem tłoczysk siłowników od momentu ich startu do ich skrajnych przeciwnych położeń, co stwierdzają czujniki odpowiednio AD i BP, zaś potem następnie automatyczne wyłączenie ich sterowania i powrót elementów roboczych do ich pozycji początkowych, przypomnijmy tłoczyska siłownika A na skutek oddziaływania siły ciężkości pochodzącej od ciężaru elementu podnoszącego, zaś tłoczyska siłownika B na skutek działania elektrozaworu EZ2-EZ3 (i również pochodnej siły ciężkości od ciężaru elementu uchylnego). Zatrzymanie w dowolnym momencie urządzenia w tym drugim trybie polega na chwilowym pobudzeniu przycisków dla przeciwnego ruchu (odpowiednio D i L), co rozpoczyna zatrzymanie ruchu tłoczysk siłowników hydraulicznych odpowiednio do góry oraz do przodu i powrót elementów roboczych do pozycji początkowych.  
5.    Algorytm w postaci blokowej dla sterowania urządzeniem z rysunku 95

Rysunek 98: Algorytm w postaci blokowej dla sterowania pracą urządzenia

6.    Podsumowanie
Zilustrowany na rysunku 98 algorytm może stanowić jeden z podprogramów programu głównego dla sterowania pojazdem bezzałogowym np. z wykorzystaniem pulpitu sterującego z rysunku 96. Autor ma nadzieję, że jest rzeczą zrozumiałą dla Czytelnika, że taki rodzaj zaproponowanego urządzenia podnosząco-ładującego jest tylko koncepcją, która na użytek niniejszej publikacji i jego praktyczna realizacja wymaga jeszcze wielu uszczegółowień. 
Należy zaznaczyć, że zaproponowane urządzenie może być tylko jedynym urządzeniem funkcjonalnym, które zamontowane zostało w określonym celu w podwoziu pojazdu bezzałogowego lub może stanowić jedno z wielu urządzeń różnego typu i przeznaczenia, które zostały tam zamontowane. Układ przygotowania cieczy roboczej, pokazany na rysunku 97 może być wykorzystany do zasilania kilku aktorów hydraulicznych różnych urządzeń.  

3. Podsumowanie modułu czwartego i całości publikacji

W module czwartym autor starał się pokazać Czytelnikowi praktyczne aspekty wykorzystania różnych aktorów pneumatycznych i hydraulicznych w sterowaniu procesami produkcyjnymi oraz w pojazdach mobilnych mając jednocześnie nadzieję, że wcześniejszy dosyć obszerny (aczkolwiek nie wyczerpujący) materiał teoretyczny pozwoli lepiej zrozumieć stronę praktyczną pracy aktorów. Podkreślano, że zawsze należy pamiętać, iż to aktory hydrauliczne produkują wielokrotnie większe siły lub momenty niż aktory pneumatyczne. Na rysunku czy schemacie sterowania pneumatycznego lub hydraulicznego, który został utworzony powyższe może nie być należycie rozpoznane, jednak błąd w sztuce praktycznej może być niedopuszczalny i skutkować określonym niebezpieczeństwem pracy urządzeń a nawet i ludzi. 
Należy podkreślić, że wybór rodzaju aktora, tzn. czy pneumatyczny, czy hydrauliczny może zależeć nie tylko od potrzebnej w określonym celu wartości użytecznej siły lub momentu, ale również i od innych czynników, takich jak dostępność sprężonego medium czy sposób jego wytworzenia. Wydaje się np. zasadnym, aby w pojazdach bezzałogowych, które charakteryzują się niewielkimi gabarytami stosować do uzyskania dużych sił lub momentów układy aktorów hydraulicznych, ponieważ zależy nam tam na wykorzystaniu do maksimum kubatury na zabudowę aktora, której i tak jest z reguły niewiele. Z kolei w niektórych procesach produkcyjnych (np. przy produkcji żywności) pomimo potrzeby dużych sił lub momentów (na małej powierzchni) należy wykorzystać aktory pneumatyczne, ponieważ te drugie mogą zanieczyścić takie środowisko, co jest z kolei niedopuszczalne ze względu na rodzaj produkcji.
Analizując rozwój aktorów pneumatycznych i hydraulicznych można zauważyć, że rola ich w sterowaniu procesów produkcyjnych i pojazdów mobilnych jest bardzo duża. Stwierdzenie, że stało się tak ze względu na zmniejszający się udział człowieka tamże wydaje się zasadne. W dziedzinie procesów produkcyjnych człowiek jako operator zaczął pełnić rolę wyłącznie obserwatora procesu, zaś w dziedzinie pojazdów mobilnych pojawianie się coraz większej liczby pojazdów bezzałogowych sprowadziło człowieka z roli kierowcy do roli operatora pulpitu lub systemu bezprzewodowego. 
Autor przedstawiając materiał w niniejszej publikacji posiłkował się w zasadzie znanymi mu z literatury technicznej rozwiązaniami elementów pneumatycznych i hydraulicznych, przedstawiając te rozwiązania nieraz trochę w innym świetle, jak również zawarł materiał, który w literaturze technicznej jeszcze nie wystąpił, chyba, że za takową uznać opisy patentowe różnych wynalazków. Dotyczyło to aktorów pneumatycznych, które autor pozwolił sobie zaszufladkować do dziedziny rozwiązań sterujących parametrami podwozi pojazdów mobilnych.
Kończąc autor ma nadzieję, że zilustrowany w niniejszej publikacji materiał posłuży Czytelnikowi do rozszerzenia swojej wiedzy na temat różnych aktorów pneumatycznych oraz hydraulicznych, które są coraz powszechniej wykorzystywane tak, gdzie do tej pory Człowiek odgrywał kluczową rolę. Jeżeli niniejsza publikacja posłuży Czytelnikowi do osiągnięcia innych jego celów, to będzie oznaczało dla autora, że jego kilkumiesięczna praca nad tekstem nie poszła na marne. Wszelkie uwagi proszę nadsyłać na adres: zbigniew.seta@pw.edu.pl.