Аспекты развития пневмоавтоматики.

Пневмоавтоматика (от греческого pneuma –дуновение, воздух) – комплекс, технические средства, в которых информация представляется и передается в виде пневмосигналов. Пневматические устройства, принцип действия которых основан на применении в качестве рабочей среды сжатого воздуха или газа, известны со времени глубокой древности (ветряные двигатели, кузнечные меха, музыкальные автоматы и др.).

Наиболее широкое распространение системы пневмоавтоматики получили в связи с развитием механизации и автоматизации технологических процессов в химической и нефтехимической промышленности, а также в общем машиностроении, в литейном и кузнечном производстве, в судостроении, на транспорте, в ракетно-космической технике и в ряде других производств.

Пневмосистемы наиболее эффективно работают в пожаро- и взрывоопасных производствах, в условиях агрессивных сред, характеризующихся наличием повышенной температуры, радиации, вибрации, магнитных полей и пр. Пневматические устройства просты по конструкции, надежны в эксплуатации и обслуживании. Как правило, пневматические системы дешевле электрических и гидравлических, а по сравнению с последними не требуют замкнутого цикла использования рабочей среды.

Наряду с перечисленными достоинствами пневматические системы имеют и ряд недостатков, обусловленных самой рабочей средой. Это прежде всего сжимаемость воздуха, которая в ряде случаев исключает плавность движения рабочих органов исполнительных устройств, а также необходимость очистки воздуха для предотвращения появления конденсата, который может привести к образованию пробок при низких температурах и коррозии аппаратуры. Кроме того, пневматические устройства, по сравнению с электрическими, имеют меньшую скорость срабатывания, а по сравлению с гидравлическими исполнительными механизмами развивают значительно меньшие усилия.

Предшественниками пневматических систем можно считать паровые машины, появлению которых способствовало изобретение Джозефом Брахмом уплотнений поршня (1660 г.) В 1790 г. в г. Петрозаводске был построен Александровский завод паровых машин, а в 1870 г. А.Б. Нобель построил аналогичный завод в Петербурге.

Уже в 30-х годах XIX века академик И.И. Артоболевский обратил внимание механиков на необходимость изучения пневматических и гидравлических механизмов, т.е. пневмо- и гидроприводов.

Развитию систем пневмоавтоматики положило начало внедрения в промышленность электродвигателей трехфазного тока, разработанных в 1891 г. М.О. Доливо-Добровольским, что позволило создать компрессор – источник рабочей среды пневмосистем.

На начальном этапе развитие пневмосистем шло по пути применения силового пневмопривода – сжатый воздух от компрессора по трубопроводам поступал через управляющие устройства к пневмодвигателям поступательного, поворотного или вращательного действия, воздействуя на рабочие органы машин.

Развитие пневмоавтоматики началось в 40-е годы XX века в связи с автоматизацией производств и заменой труда человека работой машин, снабженных различными приводами. Первые пневматические регуляторы конца 30-х и начала 40-х годов выполнялись совместно с измерительными приборами общего назначения, в которые встраивался пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор. Примером такого утройства является ПИ-регулятор типа 04, решающий задачи стабилизации отдельных параметров (температуры, давления и пр.).

В конце 40-х годов был предложен агрегатный принцип построения систем промышленной пневмоавтоматики, согласно которому каждый блок выполнял вполне определенную функцию, реализуя требуемый закон регулирования (суммирование сигналов, их индикация, регистрация и др.). Разработанная по такому принципу агрегатная унифицированная система (АУС) позволила значительно расширить функциональные возможности пневмоавтоматики. Системы автоматического регулирования температуры, расхода и прочих параметров с регуляторами 4РБ32,РБС-1 и др. успешно выполняли возложенные на них функции. Блоки подготовки воздуха, включающие компрессор, редукторы, регуляторы давления и систему осушки воздуха, обеспечивали питание систем сжатым воздухом на участках и цехах в случаях отсутствия центральной магистрали со сжатым воздухом. Однако для решения новых задач требовалась разработка новых блоков, на каждую из которых уходило 2…3 года.

Следующий этап развития пневмоавтоматики относится к 50-м годам прошлого века. По аналогии с электроникой группой сотрудников Института автоматики и телемеханики АН СССР (ныне ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН) и завода «Тизприбор» предложен элементный принцип создания новых приборов и пневмосистем. В результате была разработана УНИВЕРСАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ (УСЭППА). На её базе были созданы системы СТАРТ и ЦЕНТР, входящие в Государственную систему приборов (ГСП).

Аналогичные системы были разработаны и в ряде зарубежных стран: «Дрелоба» и «Самсон» в Германии. «Тримелог» в Венгрии, APCL в США, AIRLOG в Англии.

Устройства пневмоавтоматики классифицируют:

1. по функциональному назначению:

- системы подготовки и транспортировки воздуха (компрессоры, воздуходувки, фильтры, импульсные трассы, ресиверы, маслораспылители и др.);

- системы контроля, преобразования и воспроизведения информации (датчики, преобразователи, измерительные и регистрирующие приборы);

- системы регулирования и управления (регуляторы, функциональные блоки, командоаппараты, распределители);

- исполнительные устройства (пневмоцилиндры, поворотные однооборотные и многооборотные двигатели, мембранные, шланговые и сильфонные исполнительные механизмы);

2. по давлению питания:

- системы низкого давления (до 200 мм вод. ст.);

- системы нормального (среднего) давления (0,14 ± 0,014МПа);

- системы повышенного давления (0,4…1 МПа);

- специальные системы высокого давления, применяемые в судостроении и ракетостроении (20…40 МПа);

Пневмосистемы с низким давлением питания строятся на элементах пневмоники (струйной техники) и применяются в основном в системах управления циклическими процессами. Струйные элементы, например, системы «ВОЛГА» и «СМСТ» не имеют подвижных деталей, работают на частотах в несколько килогерц, просты в изготовлении и имеют малые габариты. В ряде случаев жти элементы объединяются в модули, в том числе в струйно-мембранные (система «ЦИКЛ»). Струйные элементы способны нормально функционировать при низких и высоких температурах (свыше 1000^оС), например, система управления летательным аппаратом фирмы «Даймонд» (США).

К системам с нормальным (унифицированным) давлением питания относятся элементы УСЭППА «КЭМП», «Янтарь» «Пэра» и др. Элементы имеют «КЭМП» в 15…2 раза меньшие размеры, чем элементы УСЭППА.

Система УСЭППА является функционально полной и включает как аналоговые, так и релейные элементы, позволяющие создавать системы управления и регулирования любой сложности. Элементы УСЭППА выполнены на масло- и бензостойких мембранах и температура воздуха не должна превышать 60^оС. Элементы монтируются на платах из оргстекла по аналогии с печатным монтажом электрических схем. Частота переключения релейных элементов УСЭППА не превышает 25 Гц. Погрешность аналоговых элементов УСЭППА составляет 0,5…1,5%.

Системы управления с повышенным давлением питания представляют собой пневмопривод и предназначены для силового воздействия на рабочие органы машин. В качестве управляющих устройств в таких системах в основном применяются клапанные или золотниковые распределители, а в качестве двигателей – пневмоцилиндры поступательного действия, поворотные и многооборотные двигатели.

Таким образом, были разработаны различные по функциональному назначению преобразователи, регуляторы, регистрирующие приборы и исполнительные механизмы, на базе которых были созданы десятки тысяч систем автоматического регулирования в различных областях промышленности, но особенно для производств с условиями пожаро- и взрывоопасности.

Коренной поворот в построении систем автоматического регулирования с использованием элементов пневмоавтоматики произошел с появлением и бурным развитием микропроцессорной техники, интеллектуальных датчиков, систем сбора данных на базе локальных вычислительных сетей. Особая роль в этом принадлежит контроллерам, в том числе встраиваемым, барьерам искрозащиты, системам диагностики и противоаварийной защиты. Современные контроллеры (моноблочные, и РС совместимые) обладают высоким быстродействием, большим объемом памяти, многоканальными регуляторами и способны осуществлять сбор, обработку и формирование регулирующих воздействий по многим каналам. Для сбора информации от датчиков и передачи регулирующих воздействий на исполнительные механизмы, которые находятся во взрывоопасной среде, используются пассивные и активные барьеры искрозащиты с гальванической изоляцией как входов/выходов, так и цепей питания. При этом сами контроллеры и барьеры искрозащиты располагаются во взрывобезопасной зоне, как правило, в операторском помещении.

Таким образом, необходимость в пневматических регуляторах, располагаемых ранее во взрывоопасных зонах, была утрачена. Вторичные пневматические показывающие и регистрирующие приборы, которые также располагались во взрывоопасных зонах, уступили место взрывозащищенным мониторам, рабочим станциям, безбумажным самописцам и др. аппаратуре взрывозащищенного исполнения.

В результате этого сегодня основными элементами пневмоавтоматики остаются системы пневмопривода – пневматические регулирующие клапаны с мембранными исполнительными механизмами, проходные и трехходовые пневматические запорные клапаны, поршневые исполнительные механизмы. В регулирующих клапанах используются сплошные, пустотелые и шаровые сегментные клапаны с равнопроцентной и линейной характеристикой. Шаровые сегментные клапаны обеспечивают диапазон регулирования расходов до 100: 1 (например, клапан 3310 фирмы Samson). Проходные и трехходовые клапаны продолжают находить большое применение в регуляторах температуры прямого действия, регуляторах расхода и перепада давления прямого действия.

В настоящее время ряд зарубежных фирм таких, как FESTO (Германия), SVS (Япония), ENOTS (Англия), SAMSON (Германия), HI-FLEX (Финляндия), ASKO/Jocomatic, PARKER, CAMOZZI и др., имеющие свои представительства в развитых странах, сосредоточили в своих руках разработку и выпуск оборудования пневмоприводов, управляемых от ПЭВМ и контроллеров. В этих фирмах налажен массовый выпуск основных компонентов силовых пневмосистем, в состав которых входят технические средства подготовки сжатого воздуха, пневмораспределители, пневмоцилиндры и контрольно-распределительная аппаратура.

Так фирма SAMSON выпускает большую серию регулирующих клапанов (проходных, трехходовых, угловых с Ду 15…200мм и более), пневматические и электропневматические позиционеры, электропневматические и пневмоэлектрические преобразователи, датчики положения, концевые выключатели и пр.

Среди отечественных производителей пневматических клапанов имеются такие, как ПНФ «ЛГ автоматика».