Podręcznik

Analizując podejście firm z różnych branż, które zostały zmuszone do nieustannego rozwoju celem zmniejszania kosztów produkcji, poprawy jakości swoich wyrobów i ich trwałości, itp., po to, aby sprostać warunkom konkurencji oraz utrzymania się na rynku można dojść do słusznego wniosku, że wdrożenie do swojego procesu produkcji szeroko rozumianej automatyzacji spełniło ten cel. Tego, że rola człowieka jako siły sprawczej w tej automatyzacji musiała zostać ograniczona do minimum nie trzeba Czytelnikowi już wyjaśniać. 
Należy zaznaczyć, że od wielu już lat w automatyzacji pewnych etapów procesu produkcji dominuje pneumatyka. Jest rzeczą oczywistą, że w miarę upływu lat oraz rozwoju technik projektowania oraz produkcji urządzeń pneumatycznych ich sposób działania nieznacznie się zmieniał oraz ulegały one miniaturyzacji. Początkowo elementy pneumatyczne typu przetworniki energii (np. siłowniki pneumatyczne liniowe) wyzwalane były tylko siłą rak ludzkich poprzez uruchomienie nastawnika, np. zaworu rozdzielającego. Obecnie taki nastawnik sterowany jest wyłącznie sygnałem elektrycznym. Nie zmienia to jednak tego, że urządzenia pneumatyczne o różnym poziomie wykonania dokonały automatyzacji procesu produkcji. Ponieważ nazewnictwo techniczne nakazuje posługiwanie się określeniami, zarezerwowanymi dla pewnej grupy urządzeń danej dziedziny techniki, to urządzenia, o których mowa nazywamy obecnie aktorami pneumatycznymi.
Autor już zaznajomił Czytelnika z faktem, iż tak naprawdę aktor pneumatyczny jest pewnego rodzaju hybrydą, która złożona jest z nastawnika oraz przetwornika energii sprężonego (najczęściej) powietrza. Jednak należy zaznaczyć, że taka hybryda nie może być „złożona” z przypadkowo wybranego nastawnika oraz przypadkowo wybranego przetwornika energii, aby (sobie) złożyć aktora pneumatycznego. Oznacza to, że zarówno rozdzielacz sprężonego powietrza jaki i siłownik pneumatyczny powinny być dopasowane parametrami do siebie. Przykładowo, dla prawidłowego wysterowania siłownika pneumatycznego jednostronnego działania (powrót sprężyną) prawidłowo dobrany zawór rozdzielający powinien być typu 3/2, nie zaś zawór typu 5/2, który powinien być dopasowany do siłownika dwustronnego działania. Czytelnik zauważył, że powyższe zdanie nic nie mówi o zapotrzebowaniu siłownika na sprężone powietrze, które należy obliczyć oraz nic nie mówi o przepływie tegoż przez zawory, które należy również odpowiednio dopasować. Rysunek 62 ilustruje przykład nieprawidłowego oraz prawidłowego doboru elektrozaworu rozdzielającego do siłownika pneumatycznego. 

Uruchomienie elektrozaworu EZ1, który jest typu 2/2 oraz NO przy wsuniętym tłoczysku siłownika (na skutek działania sprężyny powrotnej tłoczyska) spowoduje na pozór prawidłowe działanie aktora pneumatycznego. Skutkiem czego będzie przemieszczanie się tłoczyska w prawe skrajne położenie przy jednoczesnym „wypychaniu” do otoczenia powietrza z komory cylindra po prawej stronie tłoka (rysunek 62a). Jednak drugi ruch roboczy tłoczyska, czyli jego powrót do pozycji pierwotnej, który powinien odbywać się po wyłączeniu EZ1 i zadziałaniu sprężyny powrotnej tłoczyska nie będzie już możliwy, ponieważ wyłączenie tegoż EZ1 nie odpowietrzy przestrzeni z lewej strony tłoka (która wcześniej była napełniona powietrzem), a siła sprężyny powrotnej tłoczyska nie spręży tego powietrza dla uzyskania „miejsca” na tłoczysko. Zatem konstrukcja aktora pneumatycznego z rysunku 62a) poprzez dobranie elektrozaworu typu 2/2 oraz NO do siłownika pneumatycznego jednostronnego działania jest nieprawidłowa i należy wystrzegać się zrobienia takiego błędu.
Inaczej zachowa się aktor pneumatyczny z rysunku 62b). W tym przypadku zastosowanie jako nastawnika elektrozaworu EZ2 typu 3/2 oraz NO (zamiast 2/2) spowoduje, że po jego uruchomieniu sprężone medium przemieści tłoczysko siłownika w jego prawe skrajne położenie, wypychając jednocześnie do otoczenia powietrze z prawej komory siłownika, zaś po wyłączeniu EZ2 sprężyna powrotna tłoczyska bez problemu przemieści tłoczysko do jego lewego skrajnego położenia wypychając powietrza z komory po lewej stronie tłoka, ponieważ elektrozawór EZ2 po jego wyłączeniu połączy tę komorę siłownika z atmosferą. Takie sterowanie aktorem pneumatycznym z rysunku 62b) może się nieustannie powtarzać celem wykorzystania suwów roboczych tłoczyska siłownika pneumatycznego. Zatem konstrukcja takiego aktora poprzez dobranie elektrozaworu typu 3/2 oraz NO do siłownika pneumatycznego jednostronnego działania jest prawidłowa.
Rysunek 62b) pokazał, że aby prawidłowo utworzyć aktor pneumatyczny z szerokiej gamy dostępnych elementów pneumatyki należy wziąć pod uwagę m.in. typ nastawnika oraz przetwornika energii sprężonego medium, najczęściej sprężonego powietrza. Musza być do siebie dopasowane. Tyle tylko, że rysunek ten pokazał konstrukcję aktora wyłącznie schematyczną, bez uwzględnienia specyfiki sterowania określonym fragmentem procesu produkcyjnego, co wymaga znajomości budowy oraz działania sterowanych przez ten aktor elementów.
Należy zaznaczyć, że konstruując (zestawiając) aktory pneumatyczne dla wykorzystania ich w realizacji sterowania procesu produkcyjnego (raczej jego fragmentu) jak nastawniki najczęściej bierze się pod uwagę określone elementy pneumatyczne. Ponieważ niniejsza publikacja traktuje o nowoczesnej mechatronice, gdzie rola człowieka sprowadzona jest do minimum, to praktycznie wszystkie elementy pneumatyczne typu nastawniki (o których będzie mowa) są elementami sterowanymi sygnałami elektrycznymi. Zatem mówiąc np. o zaworach rozdzielających autor ma na myśli tak naprawdę elektrozawory, czyli zawory sterowane elektrycznie. (Gdy podczas wyjaśnień autor skupi się na elementach sterowanych inaczej, niż sygnałem elektrycznym, to będzie to w tekście zaznaczone). Poniżej wyszczególniono w grupach elementy pneumatyczne, które jako nastawniki najczęściej bierze się pod uwagę przy konstrukcji aktorów pneumatycznych dla realizacji sterowania w procesach produkcyjnych.
1. Elementy pneumatyczne sterujące natężeniem przepływu sprężonego medium:
•    zawory dławiące zwykłe;
•    zawory dławiące proporcjonalne.
2. Elementy pneumatyczne sterujące kierunkiem przepływu sprężonego medium:
•    zawory rozdzielające 3/2, 4/2, 5/2 typu NO i NC;
•    zawory zwrotne;
•    zawory zwrotne sterowane;
•    zawory kolejności przepływu.
3. Elementy pneumatyczne sterujące wartością ciśnienia sprężonego medium:
•    zawory redukcyjne;
•    zawory redukcyjne w stacjach przygotowania powietrza.
4. Elementy pneumatyczne specjalnego przeznaczenia:
•    zawory realizujące funkcje logiczne typu AND czy OR;
•    zawory zabezpieczające;
•    zawory przeznaczone do napędu energooszczędnego.
Należy zaznaczyć, że o własnościach funkcjonalnych ww. nastawników, które decydują lub nie o ich użyciu dla sterowania przetwornikiem decydują następujące parametry m.in.:
•    liczba dróg przepływu sprężonego (lub rozprężanego) medium, która określa liczbę niezespolonych ze sobą lub zespolonych w korpusie zaworu otworów. Otwory te łączone są ze sobą lub wzajemnie odcinane poprzez odpowiedni ruchomy element sterujący, który porusza się wewnątrz korpusu zaworu. (Przykładowo zapis 3/2 oznacza, że korpus zaworu posiada trzy otwory do wykorzystania);
•    liczba sterowanych położeń elementu sterującego zaworu, która określa liczbę możliwych stanów zaworu, do których ten element może się „przyczynić”. Najczęściej stosowane są zawory dwupołożeniowe oraz trzypołożeniowe. (Przykładowo na podstawie wcześniejszego oznaczenia 3/2 wiemy, że zawór jest dwupołożeniowy);
•    sposób łączenia zaworów, który określa metodę połączenia tychże z przetwornikiem energii sprężonego medium. Wyróżniamy zawory, które są łączone przewodowo przy użyciu linii przesyłowych niskiego ciśnienia oraz zawory łączone bezprzewodowo przy pomocy odpowiednich płyt przyłączeniowych. W tym drugim przypadku powstają tzw. wyspy zaworowe, które pozwalają rozprowadzać sprężone medium do wielu przetworników energii z jednego miejsca (tzw. wyspy);
•    sposób wyzwalania zaworu, który oznacza odmianę jego sterowania. Rozróżniamy zawory:

• sterowane bezpośrednio, w których element sterujący tworzący lub zamykający drogi przepływu przemieszcza natychmiast po przyłożeniu do niego siły sterującej (np. siły pola magnetycznego elektromagnesu);
• sterowane pośrednio, w których element sterujący o zadaniach jak wyżej przemieszcza się, ale po spełnieniu dodatkowego warunku (np. oprócz siły pola magnetycznego elektromagnesu niezbędna jest minimalna wartość ciśnienia medium na wybranym otworze korpusu zaworu);
• bistabilne, w których element sterujący utrzymuje zajęte położenie po wystąpieniu sygnału sterującego nawet po zaniku tego sygnału;
• monostabilne, w których element sterujący utrzymuje zajęte położenie tylko przy wystąpieniu sygnału sterującego, zaś po jego zaniku przyjmuje położenie początkowe.   

W zakresie przetworników energii sprężonego medium, najczęściej siłowników pneumatycznych, które zestawia się z nastawnikami dla utworzenia zespołu aktora pneumatycznego można również wyszczególnić określone grupy funkcjonalne, z pośród których się je dobiera. 
Najczęściej w realizacji sterowania procesów produkcyjnych wykorzystuje się przetworniki energii, które możemy sklasyfikować w sposób następujący:  
1. Ze względu na budowę funkcjonalną siłownika pneumatycznego:
•    siłowniki tłokowe (tłoczyskowe), w których ciśnienie sprężonego medium oddziaływuje na powierzchnię tłoka wytwarzając na tłoczysku siłę roboczą do wykorzystania o kierunku działania tej siły zgodnym z ruchem tłoczyska. Wśród tej grupy siłowników wyróżniamy takie, w których sprężone medium oddziaływuje na jedną stronę tłoka, oraz takie w których sprężone medium oddziaływuje naprzemiennie na dwie strony tłoka. Tłoczyska tego typu siłowników nie mogą przenosić dużych momentów zginających oraz sił poprzecznych; 
•    siłowniki beztłoczyskowe, w których do przenoszenia siły wykorzystuje się ruchomy wózek (suwak), który jest magnetycznie albo mechanicznie sprzężony z tłokiem siłownika. Siłowniki tego typu są lżejsze od tłoczyskowych i zajmują mniej miejsca nawet do 50%. Dzięki temu, że nie dochodzi w nich do wyboczenia tłoczyska, mają znacznie większy jego skok. Mogą przenosić duże momenty zginające i siły poprzeczne.
•    siłowniki membranowe, w których tłoczysko wykonuje ruchy robocze na skutek naporu sprężonego medium na powierzchnię membrany, której materiał dostosowany jest do zakresu ciśnienia sprężonego medium. Kierunek działania siły użytecznej jest zgodny z ruchem tłoczyska. Zabudowa tego rodzaju siłownika wyklucza z reguły przenoszenie przez tegoż siły zginającej i poprzecznej. Siłowniki membranowe tworzą aktory pneumatyczne najczęściej wespół z nastawnikami typu zasuwa czy zawór zamykający o dużym przekroju na wlocie i wylocie z zaworu.
•    siłowniki mieszkowe, w których najczęściej siła użyteczna odbierana jest od płaskiej powierzchni mieszka, do którego wpływa sprężone medium. Powrót tłoczyska jest realizowany poprzez wykorzystanie sprężystych właściwości materiału, z którego wykonany jest mieszek. Do tego typu siłowników możemy również zaliczyć poduszki powietrzne. Zabudowa tego rodzaju siłownika powinna całkowicie wykluczyć działanie nań siły zginającej i poprzecznej.
•    siłowniki wahadłowe, w których siłą użyteczną jest moment obrotowy osiągalny na wałku siłownika zamiast tłoczysku, jak w ww. siłownikach prostoliniowych, jednak mierzony w kilku lub kilkunastu obrotach tego wałka. Osiąga się to dzięki temu, że ruch liniowy tłoka w cylindrze o ograniczonych rozmiarach zostaje zamieniony na ruch obrotowy wałka. „Zamianę” taką realizuje koło zębate i zębatka, które umieszczone są wewnątrz siłownika obrotowego. 
•    silniki pneumatyczne, w których siłą użyteczną jest moment obrotowy ciągły, który osiągalny jest na wałku silnika. Prędkości obrotowe silników pneumatycznych mogą dochodzić do kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę.
2. Ze względu na sposób dostarczenia przez siłownik pneumatyczny siły użytecznej:
•    siłowniki jednostronnego działania (pchające lub ciągnące), w których ruch roboczy tłoczyska wywoływany jest naporem sprężonego medium na jedną stronę tłoka, zaś powrót tłoczyska odbywa się na skutek działania sprężyny powrotnej na drugą stronę tłoka;
•    siłowniki dwustronnego działania, w których ruch tłoczyska siłownika realizowany jest naprzemiennym doprowadzeniem sprężonego medium do cylindra z obu stron tłoka tłoczyska bez udziału sprężyny powrotnej. (Do tych obu wymienionych rodzajów zaliczamy również siłowniki beztłoczyskowe). 
3. Ze względu na charakter siły użytecznej która występuje na tłoczysku siłownika pneumatycznego:
•    siłowniki działające łagodnie, w których przyrost siły użytecznej na tłoczysku zależy od regulacji natężenia przepływu sprężonego medium w nastawniku tworzącym z tym siłownikiem aktor pneumatyczny;
•    siłowniki działające z małym uderzeniem, w których na skutek zastosowania odpowiednich zderzaków lub zastosowania zaworów dławiących wypływ medium z komory siłownika następuje łagodne zajęcie przez tłoczysko siłownika skrajnego przeciwnego położenia;
•    siłowniki działające udarowo, w których wartość użytecznej siły osiągalnej na tłoczysku siłownika jest stała, zaś jej powtarzanie odbywa się zgodnie z przyjętym algorytm otwierania i zamykania nastawnika. 
4. Ze względu na liczbę położeń roboczych tłoczysk siłownika pneumatycznego:
•    siłowniki dwupołożeniowe, w których tłoczysko może przyjąć tylko dwa skrajne położenia po zasileniu lub odpowietrzeniu odpowiednich dla tych położeń komór siłownika. (Przykładowo, tłoczysko siłownika dwustronnego działania będące w lewym położeniu po zasileniu jego lewej komory i odpowietrzaniu prawej zajmie prawe skrajne położenie, które jest ograniczone konstrukcyjnie. Liczba położeń tłoczyska wynosi zatem dwa. Przy odwrotnym zasileniu siłownika również liczba położeń tłoczyska wyniesie dwa).
•    siłowniki wielopołożeniowe, w których tłoczysko siłownika może zajmować kilka położeń wybieranych przez zasilenie w sprężone medium odpowiednich sekcji sterownika, na które jest on podzielony. Oznacza to, że siłownik ten składa się z szeregowo połączonych korpusem kilka sekcji z przyporządkowanym im fragmentem tłoczyska o różnej długości, na którym umieszczony jest tłok dla poruszania się tegoż wyłącznie w obrębie danej sekcji. Z reguły każda sekcja takiego siłownika jest de facto siłownikiem dwustronnego działania co oznacza, że zasilenie określonej sekcji wywołuje ruch tłoczyska o sile i długości związanej z tą sekcją siłownika. (Maksymalna długość suwu tłoczyska określona jest najdłuższą sekcją tego siłownika, zaś maksymalna wartość siły użytecznej na tłoczysku oznacza zasilenie w medium wszystkich sekcji siłownika).  
Rysunek 63 ilustruje przykład konstrukcji aktora pneumatycznego do sterowania przepływem czynnika, który może być zamontowany poprzez odpowiedni montaż kołnierzowy w rurociągu o odpowiedniej średnicy.

Rysunek 63: Aktor pneumatyczny do regulacji natężenia przepływu czynnika

Rysunek 63 pokazuje sposób wykorzystania aktora pneumatycznego do sterowania innym nastawnikiem, którym jest przepustnica obrotowa. Sam aktor pneumatyczny składa się zaś z siłownika pneumatycznego dwustronnego działania oraz elektrozaworu rozdzielającego 5/2, które umieszczone są w widocznej obudowie. Rysunek 64 ilustruje prawidłowy montaż przepustnicy obrotowej w rurociągu o odpowiedniej średnicy.

Należy podkreślić, że wykorzystywanie aktorów pneumatycznych do tworzenia sterowania wielostopniowego jest częstą praktyką w sterowaniu procesów przemysłowych. Przykład przepustnicy obrotowej sterowanej oraz zamontowanej tak, jak pokazały dwa powyższe rysunki jest tylko wybranym przykładem. Głównym celem takich zamierzeń jest zwiększenie sił użytecznych, niezbędnych do realizacji niektórych procesów technologicznych, które przy jednostopniowym sterowaniu nie byłyby możliwe do osiągnięcia. Na przykład umożliwienie przepływu czynnika w rurociągu sterowanym przepustnicą z rysunku 64 może być pierwszym stopniem „dużego” aktora technologicznego, dla którego wartość natężenia przepływu tego czynnika jest sygnałem sterującym w jego drugim stopniu. Tego typu „konstrukcje” wielostopniowe aktorów technologicznych stosowane są z reguły w przemyśle ciężkim typu huty stali czy w przemyśle energetycznym typu elektrownie lub elektrociepłownie.