Zabezpieczenia przed zanikiem cisnienia w układach automatyki

1. Wiadomości wstępne
1.1. Cechy charakterystyczne pneumatycznych urządzeń automatyki
1.2. Struktura przyrządowa układów automatyki z aparaturą pneumatyczną
2). Podstawowe elementy i zespoły przyrządów
pneumatycznych
2.1 .- Opory pneumatyczne,
2.1.2 - Rodzaje oporów
2.2. - Kaskady pneumatyczne
2.3. - Równoważnie pneumatyczne
2.4. - Wzmacniacze pneumatyczne
2.5. - Przetworniki pomiarowe
2.6,. - Regulatory
2.7. - Pneumatyczne przyrządy liczące
2.8. - Stacyjki i urządzenia sprzęgające między systemowe
2.9. - Osprzęt pneumatyczny
2.91. - przesyłanie informacji w układach pneumatycznych
2.9.2. - przewody pneumatyczne
2.9.3. - łączniki pneumatyczne
2.9.4. - blok zasilający R105
2.9.5. - Zadajnik pneumatyczny R101
2.10. Zawory pneumatyczne
2.10.1.- trójdrogowy zawór elektromagnetyczny
2.10.2.- zawór odcinający
2.10.3.- zawór bezpieczeństwa
2.10.4.- blok odcinający R305
2.10.5.- przetworniki ciśnienia
3). Wnioski




1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE.

1.1. CECHY CHARAKTERYSTYCZNE PNEUMATYCZNYCH URZĄDZEŃ
AUTOMATYKI

Pneumatyczne urządzenia automatyki znajdują zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu krajowego. W niektórych gałęziach jak np. w przemyśle chemicznym, regulacja automatyczna opiera się na urządzeniach pneumatycznych. W technice pneumatycznej budowane są również unikalne urządzenia aparatury pomiarowej, naukowej i medycznej.
Pneumatyczne zespoły napędowe są mniej sztywne niż hydrauliczne. Dzięki ściśliwości powietrza, przy nagłym zatrzymaniu przepływu powietrza, nie powstają szkodliwe fale uderzeniowe. Pozwala to na bezuderzeniowe, ze stopniowo zwiększającym się naciskiem, zamykanie zaworów nastawianych siłownikami pneumatycznymi,
- odporność na przeciążenia,
- pewność działania wynikająca z prostoty budowy,
- brak iskrzenia, co umożliwia pracę w środowiskach o zagrożeniu
wybuchowym i palnym,
- unoszenie przez czynnik roboczy ciepła wytworzonego na skutek strat
energetycznych,
- możliwość magazynowania energii sprężonego powietrza w zbiornikach
ciśnieniowych. W układach o pracy nieciągłej lub ze zmiennym obciążeniem,
energię nagromadzoną w zbiornikach można wykorzystać w okresie
szczytowego obciążenia lub przerw w dopływie energii elektrycznej,
- prostota obsługi i konserwacji.
W układach pneumatycznych powietrze „zużyte” wypuszczane jest wprost do atmosfery, wystarczy więc, w przeciwieństwie do układów hydraulicznych, stosować instalacje jednoprzewodowe.

Do niekorzystnych cech urządzeń pneumatycznych należą:

- ograniczenie odległości między współpracującymi urządzeniami wynikające
ze ściśliwości powietrza i znacznie mniejszej szybkości przesyłania sygnałów
w porównaniu z urządzeniami elektronicznymi, lub hydraulicznymi,
- konieczność uzyskania sprężonego powietrza specjalnie przystosowanego do
zasilania . Odpowiednie przygotowanie powietrza polegające m. in. na
usunięciu z powietrza pyłu , wilgoci i śladów oleju jest kosztowne ,
- ograniczoność miniaturyzacji.
Obserwując rozwój aparatury pneumatycznej można zauważyć, że struktura części centralnej systemów pneumatycznej aparatury automatyki nie ulega zasadniczej zmianie, ale nowe wymagania funkcjonalne powodują zmiany technologii wytwarzania oraz pojawianie się szeregu dodatkowych zespołów.
Obecne kierunki rozwoju aparatury pneumatycznej dotyczą miniaturyzacji, zastosowania nowych zasad budowy i technologii zapewniających konkurencyjną cenę w stosunku do urządzeń elektronicznych.




1.2. Struktura przyrządowa układów automatyki z aparaturą
pneumatyczną.

Podstawowa struktura pneumatycznego układu regulacji jednej zmiennej przedstawiona jest w postaci schematu na rys.1.2. W skład przedstawionego układu wchodzą następujące elementy:
PP – przetwornik pomiarowy służący do pomiaru wielkości regulowanej y i przekształcenia
wyniku pomiaru na sygnał pneumatyczny Pm
SO – stacyjka operacyjna, która zawiera przełącznik rodzaju pracy: A – automatyka,
R – sterowanie ręczne, wskaźnik oraz dwa zadajniki ciśnienia Po reprezentującego
wartość zadaną oraz ciśnienia PR sterowania ręcznego zmianą położenia elementu
wykonawczego EW
Regulator – przekształca sygnał uchybu regulacji ( różnicy Pm – Po) na sygnał wyjściowy
Pa wg ściśle określonego algorytmu działania.
Kompensacja działających na obiekt zakłóceń realizowana jest przez odpowiednie oddziaływanie na element wykonawczy EW sterujący strumieniami energetyczno-materiałowymi obiektu. Przetwornik pomiarowy oraz element wykonawczy instalowane są na obiekcie tzn. „w polu”, pozostałe zaś elementy grupuje się w odrębnym pomieszczeniu tzw. Centralnej sterowni lub operatorki i instaluje się je na pulpicie sterowniczym lub w szafie sterowniczej.






























Poszczególne elementy wykonywane są jako oddzielne przyrządy (bloki) i łączy się je za pomocą rurek miedzianych lub przewodów z tworzyw sztucznych. Instalacja pneumatyczna jest jednoprzewodowa (tzn. brak jest przewodów powrotnych), powietrze po wykonaniu pracy upuszczane jest przez poszczególne przyrządy do atmosfery. Ponadto w centralnej sterowni instaluje się przyrządy pozwalające na prowadzenie przez operatora kontroli prawidłowej pracy układu. Są to przyrządy wskazujące, rejestrujące oraz sygnalizatory graniczne uruchamiające sygnalizację świetlną lub akustyczną.


2. Podstawowe elementy i zespoły przyrządów pneumatycznych.

2.1. Opory pneumatyczne.

Oporem pneumatycznym nazywa się celowo wykonane przewężenie kanału przepływowego dla zrealizowania dławienia przepływu powietrza. Wskutek oporów przy przepływie powietrza, na przewężeniach tych występuje spadek ciśnienia. Pozwala to, przez odpowiednie łączenie oporów i innych elementów uzyskiwać żądane własności statyczne i dynamiczne przyrządów pneumatycznych.

2.1.2. Rodzaje oporów

Opory pneumatyczne ze względu na sposób rozwiązania konstrukcyjnego dzielimy na:
- opory stałe,
- opory nastawiane,
- opory zmienne.
Ze względu na charakter przepływu wyróżniamy opory, w których występuje przepływ turbulentny lub laminarny.
W oporach z przepływem laminarnym efekt dławienia zależy głównie od strat na tarcie, w oporach z przepływem turbulentnym efekt dławienia zależy głównie od strat miejscowych na wejściu i wyjściu oporu.

2.1.3. Opory stałe

Opór stały (rys.2.1.) charakteryzuje się stałym przekrojem i kształtem kanału dławiącego. Zależnie od stosunku długości przewężenia 1 do średnicy otworu d, opór stały nazywamy zwężką, gdy 1/d ≤ 25 lub kapilarą, gdy 1/d ≥ 25. Kapilary wykonywane są najczęściej z rurki metalowej lub szklanej o średnicy wewnętrznej d = 0,2 – 0,4 mm i długości l = 10 – 50 mm odpowiednio zamocowanej w oprawce wkręcanej w korpus.



2.1.4. Opory nastawiane

Opór nastawiany (dławik) jest tak zbudowany, aby można było zmieniać (nastawiać) wymiary kanału dławiącego, czyli dławienia na oporze. Konstrukcja oporu nastawianego musi umożliwiać zmianę dławienia za pomocą odpowiedniego pokrętła. Należy przy tym zapewnić bardzo małe natężenia przepływu rzędu (1dm3/h przy różnicy ciśnień na oporze 100kPa), możliwość zmiany natężenia w szerokich granicach oraz przede wszystkim powtarzalność i stałość nastaw. Rys. 3.2. przedstawia przykłady oporów nastawianych.



2.1.5. Opory zmienne

Oporem zmiennym nazywa się taki opór, w którym przekrój dławiący zmienia się samoczynnie podczas pracy przyrządu. Sterowanie przekrojem przepływowym oporu następuje przez sygnały ciśnieniowe, wywołujące zmianę położenia elementów sprężystych związanych z danym oporem.
Dobór typu i wymiarów oporu zmiennego jest przeprowadzany z uwagi na wymaganą charakterystykę określającą zależności przekroju przepływowego od położenia x elementu dławiącego. Na rys. 3.7. przedstawiono przykłady oporów zmiennych.



Opór dysza – przysłona (rys. 4.7.a) stosowany jest w większości przyrządów pneumatycznych. Zmianę natężenia przepływu przez opór wywołuje zmiana odległości x przysłony od czoła dyszy, przy czym dla x ≤ d/4 , przekrój przepływowy oporu wynosi

f = πdx a dla x ≥ d/4 , f = πd2/4

Zastosowanie kulki (rys. 3.7.d) zamiast przysłony uniezależnia w dużym stopniu jakość pracy oporu od równoległości przysłony i czoła dyszy. Najczęściej stosowane są w praktyce dysze o średnicach od 0,8 do 1,8 mm.
Opór kulkowy (rys 3.7.b) stosowany jest w przyrządach jako zawór zasilający lub odpowietrzający.
Opór stożkowy (rys.3.7.c) stosowany jest w przyrządach pneumatycznych jako zawór odpowietrzający. Jakość oporu (powtarzalność położenia, szczelność) zależy głównie od wykonania gniazda i stożka oraz od ich wzajemnego położenia w czasie pracy.
2.2. Kaskady pneumatyczne

Kaskadą pneumatyczną nazywa się układ będący połączeniem oporów pneumatycznych i komór (objętości). Schemat kaskady pneumatycznej, zwierającej dwa opory połączone szeregowo, przedstawiono na rys.3.21. Komorze kaskadowej o objętości Vk ustala się ciśnienie kaskadowe pk będące wielkością wyjściową kaskady, wielkościami wejściowymi kaskady mogą być ciśnienia p1, p2 oraz przekroje f1, f2 oporów kaskady.



W zależności od tego czy w stanie ustalonym istnieje przepływ powietrza przez kaskadę dzieli się je na:
- kaskady otwarte, w których objętość Vk ograniczona jest co najmniej dwoma
oporami,
- kaskady zamknięte, w których objętość Vk ograniczona jest jednym oporem.



2.3. Równoważnie pneumatyczne

Równoważnie spełniają rolę sumatorów, w których porównywane (sumowane z uwzględnieniem znaków) są wartościami sił lub momentów sił wywieranych przez sygnały wejściowe. Wynikiem tego porównania jest przesunięcie ruchomych elementów równoważni, powodujące zmiany ciśnienia w kaskadzie pneumatycznej sterowanej przez równoważnie. Ogólny schemat blokowy równoważni można przedstawić w postaci węzła sumacyjnego podanego na rys. 2.3.1. spełniającego równanie:
n
b = Σ ki ai
i=1

gdzie: a1 ,……ai ,…….an - sygnały wejściowe ,
k1 ,……ki ,…….kn - wagi sygnałów wejściowych,
b - sygnał wyjściowy

a1



k1

+
ai + (-) b
ki
(-) +
(-)




an

Rys. 2.3.1. Ogólna postać schematu blokowego równoważni
W równoważniach pneumatycznych wszystkie sygnały wejściowe są ciśnieniami, działającymi najczęściej na powierzchnie membran lub mieszków sprężystych.
W równoważniach elektropneumatycznych zwykle jeden sygnał jest prądowy, a jego wartość przekształcana jest na siłę, np. wywieraną przez cewkę znajdującą się w polu magnesu trwałego.


2.4. Wzmacniacze pneumatyczne

Moc N przekazywana przez sygnał pneumatyczny pewnemu urządzeniu
określona jest przez iloczyn spadku ciśnienia ΔP występującego przy przepływie powietrza przez to urządzenie i natężenia przepływu Q

N = ΔP Q [ Nm/s = W ]

W przypadkach, gdy ciśnienie na wyjściu urządzenia jest równe ciśnieniu atmosferycznemu wzór powyższy można zapisać w postaci

N = p Q [ Nm/s = W ]

Zwiększenie mocy sygnału pneumatycznego można więc uzyskać zwiększając jeden lub obydwa składniki iloczynu p Q .
Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje wzmacniaczy pneumatycznych:
1.Wzmacniacze wewnętrzne – służą do sterowania poszczególnych zespołów danego przyrządu, natężenia przepływu powietrza na wyjściu są małe, często istotne jest tylko wzmocnienie ciśnienia lub oddzielenie energetyczne sygnałów; nazywane są niekiedy wzmacniaczami ciśnienia
2.Wzmacniacze wyjściowe – służą do umożliwienia przesyłania sygnałów pneumatycznych do innych przyrządów, często przez linie długie, istotne jest uzyskiwanie dużych natężeń przepływu powietrza; nazywane są niekiedy wzmacniaczami przepływu.
Bardzo często wymienione dwa rodzaje wzmacniaczy stanowią dwa stopnie pneumatycznego wzmacniacza nocy.


2.5. Przetworniki pomiarowe


Informacja o stanie obiektu regulacji w pneumatycznych systemach automatyki i pomiarów uzyskiwana i przekazywana jest w postaci sygnałów o zunifikowanych przedziałach zmienności ciśnienia gazu. Do uzyskiwania tych informacji służą przyrządy zwane przetwornikami pomiarowymi.
Przetworniki pomiarowe stanowią najobszerniejszą grupę przyrządów stosowanych w przemysłowych układach automatyki i pomiarów, gdyż ich zadaniem jest przetworzenie wielkości mierzonej o różnej postaci fizycznej i zakresie na zunifikowaną postać fizyczną o zakresie dogodnym do wprowadzenie na wejście innych współpracujących urządzeń przyjętego systemu.
Najbardziej rozpowszechniony systemem pneumatycznych urządzeń automatyki i pomiarów jest blokowy system urządzeń analogowych, w którym sygnały wejściowe i wyjściowe zmieniają się w przedziale 20 – 100 kPa. Urządzenia tego systemu wymagają doprowadzenia energii pomocniczej w postaci ciśnienia powietrza o wartości 140 kPa.
Przetworniki pomiarowe należące do omawianego systemu tzw. Średniociśnieniowego będą generowały sygnał wyjściowy również w zakresie 20 – 100 kPa i będą zasilane ciśnieniem o znormalizowanej wartości 140 kPa.
W specjalnych zastosowaniach pneumatycznych przetworniki pomiarowe mogą generować sygnał wyjściowy o innym zakresie zmian ciśnienia, np.: 20 – 100 mmH2O oraz mogą być zasilane powietrzem (lub innym gazem) o ciśnieniu innym niż 140 kPa, np. 120 mmH2O.
Jeżeli uwzględnimy różnorodność postaci fizycznych wielkości mierzonych ( ciśnienie, temperatura, poziom, przepływ itp.), różne zakresy ich zmian oraz różne wykonania przyrządowe przetworników, wówczas otrzymamy bardzo duzy asortyment przetworników pomiarowych.
Miejsce przetwornika w układzie regulacji (sterowania) przedstawia schemat blokowy – rys.4.1. Z rys.4.1. wynika zadanie, jakie powinien spełniać przetwornik pomiarowy. Zadanie to polega na przetworzeniu wielkości mierzonej y na sygnał ym o postaci i zakresie przystosowanym do współpracy – jako sygnał wejściowy – z innymi urządzeniami blokowego systemu aparatury automatyki.
W przetwornikach pneumatycznych automatyki sygnał wyjściowy jest generowany w postaci ciśnienia powietrza o standardowym zakresie zmian wartości tego ciśnienia i wówczas ym = pm .
Sygnałami wejściowymi przetworników pomiarowych są wielkości fizyczne zachodzących procesów. Zwykle określone wykonanie przetwornika pomiarowego umożliwia przetwarzanie określonej wielkości fizycznej w ściśle określonym i ograniczonym zakresie, np. pneumatyczny przetwornik wysokich ciśnień typ A104 (TPCw) prod. PAP – MERA – PNEFAL jest produkowany w dziesięciu wykonaniach normalnych dla następujących zakresów pomiarowych: (0;6), (0;10), (0;16), (0;25), (0;40), (0;100), (0;160), (0;250), (0;400) [10-1 MPa].


Mając na uwadze dużą liczbę przetwarzanych wielkości fizycznych oraz konieczności podziału na liczne zakresy pomiarowe, łatwo wykazać, że przetworniki pomiarowe stanowią niezwykle liczna grupę przyrządową. Liczebność ta dodatkowo jest powiększana przez fakt, iż różne firmy budują przetworniki pomiarowe spełniające te sama funkcję, w oparciu o różne zasady działania z wykorzystaniem różnych materiałów i różnych technologii.
Przetwornikom pomiarowym stawiane są wysokie wymagania odnośnie niezawodności działania, klasy dokładności oraz właściwości dynamicznych.
Poprawne działanie całego układu automatyki jest uzależnienie od poprawności działania przetwornika pomiarowego. Dokładność układu regulacji nie może być wyższa od dokładności przetwornika pomiarowego. Zwykle w przemysłowych układach automatyki i pomiarów stosuje się przetworniki o klasie dokładności: 0,5; 1,0; 1,5 lub z innego szeregu liczbowego: 0.6; 1,0; 1,6.
Dopuszcza się stosowanie przetworników o klasie dokładności 2,0 lub 2,5 w układach regulacji stałowartościowej, jeżeli głównym składnikiem błędu podstawowego określającego klasę dokładności jest nieliniowość charakterystyki statycznej, natomiast histereza takiego przetwornika nie powinna przekraczać 0,05% zakresu pomiarowego i pełzanie zera powinno być małe.

2.6. Regulatory.


Regulator pneumatyczny o działaniu ciągłym porównuje w sposób ciągły wartość mierzoną reprezentowaną przez ciśnienie pm, pochodzące z przetwornika pomiarowego z wartością zadana reprezentowana przez ciśnienie p0 i na podstawie porównania wypracowuje sygnał wyjściowy – ciśnienie pA wg określonego algorytmu działania. Przemysłowe regulatory pneumatyczne budowane są wg zasady, której schemat przedstawia rys.2.7.

P0
-
Pm +_ PA
k0
-



B( s)


Rys. 2.7.
Schemat blokowy ilustrujący zasadę budowy regulatora pneumatycznego :
ko – współczynnik wzmocnienia wzmacniacza,
B(s) – transmisja toru sprzężenia zwrotnego
pm – ciśnienie wielkości mierzonej
p0 – ciśnienie wartości zadanej

Regulator składa się ze wzmacniacza o dużym współczynniku wzmocnienia k0 >>1 objętego pętla sprzężenia zwrotnego o odpowiednich własnościach statycznych i dynamicznych reprezentowanych przez transmisję B(s) . Role wzmacniacza o dużym wspólczyniku wzmocnienia pełni wzmacniacz wewnętrzny i wyjściowy a własności statyczne i dynamiczne sprzężenia zwrotnego kształtowane SA przez kaskady pneumatyczne (kaskada proporcjonalna, kaskada sztywna zamkniętą ). Elementem porównującym sygnały jest równoważnia pneumatyczna membranowa lub mieszkowa. W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych regulatorów w równoważni mieszkowej istnieje możliwość zmiany długości ramion działania sił, przez co można wpływać na zmianę własności statycznych regulatora. W regulatorach pneumatycznych, zależnie od konstrukcji, współczynnik wzmocnienia k0 wynosi od 100 do 500.
Ze względu na rodzaj pomiarowych elementów sprężystych stosowanych w regulatorach wyróżnia się:
- regulatory membranowe
- regulatory mieszkowe

Regulatory pneumatyczne mogą realizować następujące algorytmy działania:
- proporcjonalne P,
- proporcjonalno-całkujące PI,
- proporcjonalno - różniczkujące PD,
- proporcjonalno – całkująco – różniczkujące PID.
Działania P, I, D SA zrealizowane wg klasycznej zasady: wzmacniacz o dużym współczynniku wzmocnienia objęty sprzężeniem zwrotnym o odpowiednich własnościach statycznych ( w przypadku akcji p) lub dynamicznych ( w przypadku akcji I, D).
Schemat blokowy przedstawiony na rysunku …. Sporządzono przy następujących założeniach upraszczających:
a) Zarówno w stanach ustalonych jak i nieustalonych, w zakresie występujących w regulatorze częstotliwości zmian sygnału pi, można przyjąć:
pi1 = pi ,
( z tego względu wtórnik ciśnienia nie jest pokazany na schemacie blokowym).
b) Powierzchnie efektywne membran wzmacniacza wejściowego są równe, występuje, więc jednostkowe ujemne sprzężenie zwrotne.
Należy zwrócić uwagę na to, że różniczkowaniu podlega tylko sygnał pm ( reprezentujący wielkość mierzoną), natomiast sygnał p0 wchodzi bezpośrednio do bloku PI. Strukturę taką spotykamy w większości pneumatycznych regulatorów.
Innym kryterium podziału regulatorów pneumatycznych jest sposób zabudowy. Mogą to być regulatory do zabudowy na elemencie wykonawczym, tzw. Regulatory polowe do zabudowy naściennej w szafie sterowniczej oraz regulatory do zabudowy w tzw. Bloku regulacyjnym zawierającym oprócz regulatora stacyjkę operacyjną oraz wskaźnik lub rejestrator.

2.7. Pneumatyczne przyrządy liczące.

Pneumatyczne przyrządy liczące służą do wykonywania określonych operacji matematycznych na parametrze informacji sygnału pneumatycznego lub grupy sygnałów pneumatycznych. Znajdują szerokie zastosowanie w części centralnej układów sterownia.
Przyrządy umożliwiające realizację operacji dodawania, odejmowania lub wyznaczania średniej arytmetycznej grupy sygnałów pneumatycznych, dodawania lub odejmowania wartości stałej a także umożliwiają porównywanie sygnałów.
Odpowiadający mu algorytm działania ma postać:


2.8. Stacyjki i urządzenia sprzęgające międzysystemowe.

Stacyjki operacyjne są urządzeniami sprzęgającymi zespoły wykonawcze procesu z elementami sterującymi: regulatorem, komputerem lub operatorem Bardzo często stacyjka operacyjna i regulator SA zintegrowane w jednym bloku regulacyjnym.


Stacyjki sterownicze służą tylko do zdalnego sterownia zespołami wykonawczymi przez operatora i mogą być traktowane jako uproszczony przypadek stacyjek operacyjnych.
Obserwowane obecnie tendencje automatyzacji kompleksowej wielu obiektów przemysłowych powodują olbrzymia różnorodność struktur układów sterowania i zgrupowanie coraz większej liczby przyrządów w centralnych sterowaniach, co zmusza konstruktorów do miniaturyzacji aparatury oraz wprowadzenia szeregu zmian ułatwiających w obsłudze jednoczesną obserwację wielu przyrządów i upraszczających czynności eksploatacyjne. Zmiany te dotyczą głownie stacyjek operacyjnych, których struktura staje się coraz bardziej złożona, by spełnić łącznie z regulatorem ( w bloku regulacyjnym) następujące wymagania funkcjonalne:
1. Samoczynne wyrównanie ciśnień wyjściowych sterowania ręcznego i automatycznego, co pozwala na bezuderzeniowe przełączanie rodzaju pracy, ze sterowania ręcznego na automatyczne (RA) i odwrotnie (AR), bez specjalnych czynności przygotowawczych ze strony obsługi. W przypadku użycia regulatora jako rezerwowego przy bezpośrednim sterowaniu cyfrowym, ciśnienie wyjściowe tego regulatora nadąża za sygnałem wyjściowym zadajnika ciśnienia sterowanego przez mszyce cyfrową (MC), co również umożliwia natychmiastowe bezuderzeniowe przełączanie ze sterowania komputerowego (M) na sterowanie rezerwowe, automatyczne (A) lub ręczne ( R).
2. Samoczynne wyrównywanie ciśnień wartości zadanej, nastawianych ręcznie miejscowym zadajnikiem lub wyprowadzanych z innego (zewnętrznego) przyrządu lub ustalanych przez MC w przypadku sterowania nadrzędnego; umożliwia to bezuderzeniowe przełączanie wartości zadanej, istotne zwłaszcza przy rozruchu układów i w stanach awaryjnych.
3. Ograniczenie akcji całkującej lub sygnału wyjściowego regulatora do nastawianego zakresu ( najczęściej do zakresu normalnego 20-100 kPa), istotnie zwłaszcza dla poprawy właściwości dynamicznych układu pracującego w warunkach dużych zakłóceń lub przeciążeń. Ogranicznik, w zależności od przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego, może być traktowany jako zespół regulatory lub stacyjki operacyjnej.
4. W przypadkach, gdy przewidywana jest współpraca układu pneumatycznego z komputerem, sprzężenie obydwu części poprzez tzw. Blok komputerowy.
5. Sygnalizacja charakterystycznych stanów pracy układu, np. wybranych rodzajów sterowania, stanów awaryjnych, osiągnięcia nastawionych wartości granicznych itd.

W zależności od struktury układu sterowania (regulacja jednoobwodowa, kaskadowa,
stosunku, sterowanie komputerowe z rezerwową częścią pneumatyczną), i rodzaju sygnałów (pneumatyczne, napięciowe, prądowe, liczba impulsów) spełnienie wymienionych wymagań zmusza do dużego zróżnicowania rozwiązań konstrukcyjnych. Dlatego spotyka się wiele odmian stacyjek, a charakterystyczną ich cechą jest modułowa budowa oraz w nowszych rozwiązaniach, rozbudowana część logiczna.


2.9. Osprzęt pneumatyczny

W pneumatycznych układach automatyki czynnikiem roboczym jest sprężone powietrze lub inny gaz. Czynnik roboczy wykorzystywany jest do wypełnienia dwóch zasadniczych funkcji, pierwsza to dostarczenie energii potrzebnej do działania urządzeń, a druga to przekazywanie informacji zawartych w sygnałach występujących w układzie.
Ponadto czynnik roboczy spełnia kilka dodatkowych, ale niekiedy istotnych funkcji, takich jak: odprowadzenie ciepła, wytworzenie nadciśnienia w obudowie przyrządu, przez co zabezpiecza przed zapyleniem i zakurzeniem oraz atmosferą agresywną itp.
Stosowanie sprężonego powietrza w budowie układów automatyki i pomiarów wymaga odpowiednich linii przesyłowych oraz różnego rodzaju elementów pomocniczych umożliwiających i ułatwiających techniczną realizację odpowiednich układów. Z punktu widzenia teorii regulacji elementy te nie mają wpływu na właściwości układu, natomiast stanowią bardzo ważny czynnik określający możliwość technicznej realizacji układu oraz jego funkcjonalność, walory użytkowe i właściwości eksploatacyjne. Elementy te należą do grupy przyrządów stanowiących osprzęt systemu i chociaż funkcje wypełniane przez nie są zwykle bardzo proste , to można stwierdzić iż elementy osprzętu i ich kompletność decydują o konkurencyjności równoważnych systemów posiadających podobne bloki funkcjonalne; regulatory, przetworniki i elementy wykonawcze.

2.9.1. Przesyłanie informacji w układach pneumatycznych

Sygnały pneumatyczne, będące nośnikiem informacji o układach pneumatycznych, przekazywane są w postaci ciśnienia sprężonego powietrza liniami sygnałowymi mającymi postać przewodów rurowych wykonanych z metali kolorowych lub tworzyw sztucznych. Własności dynamiczne linii sygnałowych mają istotny wpływ na stabilność i jakość regulacji całego układu. Zwykle wpływ ten jest niekorzystny, ale przy dużych odległościach pomiędzy elementami układu nie można go wyeliminować.



Rys.2.10. Schemat pneumatyczny linii sygnałowej :

d – średnica wewnętrzna przewodu rurowego; L – długość lini

Na wejściu linii znajduje się źródło sygnałów (1) (np. przetwornik lub regulator), a na wyjściu odbiornik sygnałów (3), stanowiący obciążenie linii. Obciążenie linii stanowi na ogół objętość (np. komora siłownika lub komora innego przyrządu).
Przekazywanie sygnałów ciśnieniowych w liniach pneumatycznych związane jest zawsze z pewnym opóźnieniem i zniekształceniem sygnału wejściowego.
Opóźnienie i zniekształcenie przekazywanych sygnałów wynika z ograniczonej prędkości rozchodzenia się fal ciśnieniowych (prędkość dźwięku) i z akumulacyjnych własności linii.

2.9.2. Przewody pneumatyczne

Przewody pneumatyczne stosowane do przesyłania sygnałów budowane są w postaci rurek wykonywanych z metali kolorowych: aluminium, mosiądz, miedź lub z tworzyw sztucznych: igelit, guma, twardy i miękki polichlorek winylu oraz poliamidy.
Stosowanie przewodów z tworzyw sztucznych znacznie ułatwia ich montaż a szczególnie ułatwia ich ułożenie w szafach sterowniczych oraz obniża koszt instalacji. Przewody te jednak mają mniejszą odporność na działanie temperatury, niewielką odporność na uszkodzenia mechaniczne, wyraźnie występujące zjawisko starzenia się (zwłaszcza gumy), powstawanie załamań oraz spadanie przewodów z końcówek przy nadmiernym wzroście (nawet krótkotrwałym) ciśnienia w instalacji.
Przewody z miękkiego polichlorku winylu są odporne na pękanie, szarpanie, posiadają dużą odporność zmęczeniową oraz mają dużą odporność chemiczną, odporność na wilgoć i starzenie się.
Przewody gumowe stosowane w automatyce mają bardzo różnorodną budowę: węże niewzmacniane (stosowane rzadziej) i węże wzmacniane z przekładkami z tkaniny lub siatki metalowej.
Kable wieloprzewodowe stosuje się w przypadkach wspólnych tras wielu przewodów łączących obiekt z centralną sterownią lub pojedynczą szafą sterowniczą.


2.9.3. Łączniki pneumatyczne

Linie sygnałowe pneumatycznych układów automatyki przemysłowej stanowią rozwiniętą sieć, która łączy między sobą przyrządy wchodzące w skład, określonego układu. Realizacja techniczna takiej sieci wymaga stosowania szerokiego asortymentu łączników przystosowanych do spełnienia określonej funkcji takich jak: przyłączenie przyrządu, rozgałęzienie przewodu, przepust, przelot, złącze, łącznik rozłączny itp.

2.9.4. Blok zasilający typ R105

Blok zasilający przedstawiono na rys. 2.11., służy on do regulacji ciśnienia powietrza zasilającego przyrządy pneumatycznych układów regulacji automatycznej oraz do jednoczesnego oczyszczania tego powietrza z zanieczyszczeń mechanicznych, oleju i wody. Blok ten składa się z dwóch podstawowych zespołów funkcjonalnych: zespołu oczyszczającego i zespołu stabilizatora.



2.9.5. Zadajnik pneumatyczny typ R101

Zadajnik pneumatyczny składa się z dwóch podstawowych zespołów funkcjonalnych: zespołu nastawczego i zespołu przyspieszacza – wzmacniacza mocy.
Schemat funkcjonalny zadajnika przedstawiono na rys. 9.23.



Działanie zadajnika oparte jest na zasadzie równowagi sił. W stanie ustalonym membrana 4 jest elementem porównującym siłę od ciśnienia wyjściowego działającego na powierzchnię efektywną Aef membrany 4. Membrana 4 zajmuje takie położenie względem dyszy kaskady sterującej, że ciśnienie kaskadowe Pk osiąga taką wartość, aby wytworzone ciśnienie kaskadowe Pw mogło spełnić warunek równowagi membrany 4.


2.10. Zawory pneumatyczne

Do przełączania sygnałów pneumatycznych w gałęziach pneumatycznych układów automatyki i pomiarów konieczne jest stosowanie różnego rodzaju zaworów rozdzielających, które realizują różne zadania funkcjonalne.

2.10.1 Trójdrogowe zawory elektromagnetyczne

Zawory elektromagnetyczne trójdrogowe służą do zdalnego elektrycznego przełączania sygnału pneumatycznego w liniach sygnałowych. Zawory te stosowane są również do dwupołożeniowego sterowania siłownikami pneumatycznymi oraz do realizacji innych połączeń sygnałów pneumatycznych.





W zaworze z rys. 9.24. w stanie beznapięciowym realizowane jest połączenie pomiędzy końcówkami „1” i „3”, ciśnienie w końcówce „2” jest szczelnie odcięte. Przy włączonym napięciu sterującym cewka wytwarza taki strumień magnetyczny, że powoduje przesunięcie w dół rdzenia i realizowane jest połączenie pomiędzy końcówkami „1” i „2”, a ciśnienie w końcówce „3” jest szczelnie odcięte.
W zaworze z rys.9.25. konstrukcja zaworu trójdrogowego zapewnia wyeliminowanie wpływu ciśnienia roboczego na szczelność połączenia. Występuje tu przypadek odciążenia zaworu przełączającego osiągnięty dzięki równości powierzchni gniazda zaworu oraz powierzchni czołowej rdzenia (nurnika).
Ciśnie doprowadzone do końcówki „2” przedostaje się również przez otwór w nurniku do komory nad uszczelkami nurnikami i działając na górną powierzchnię nurnika powoduje jego odciążenie. Przypadku gdy ciśnienie doprowadzone jest do końcówki „3” działa ono jednocześnie na powierzchnię gniazda zaworu i równą jej powierzchnię nurnika i w ten sposób zawór jest również odciążony.



Przy braku napięcia sterującego zapewniona jest szczelność połączenia między końcówkami „1” i „2”, na skutek odpowiednio dobranego napięcia wstępnego sprężyny nurnika.

2.10.2. Zawór odcinający

Zawór ten przeznaczony jest do otwierania lub szczelnego odcinania przepływu powietrza lub innego gazu. Zawór uruchamiany jest pneumatycznym sygnałem sterującym średniociśnieniowym. Schemat budowy zaworu przedstawiony na rys.9.26.



Przy braku sygnału sterującego przelot pomiędzy przestrzenią końcówki „1” i przestrzenią końcówki „2”, jest szczelnie zamknięty przez kulkę dociskaną do gniazda zaworu przez sprężynę kulki. W przypadku gdy w przestrzeni końcówki „1” panuje ciśnienie wówczas ciśnienie to powoduje zwiększenie siły docisku kulki do gniazda zaworu.
Pojawienie się sygnału sterującego w przestrzeni końcówki „3” powoduje otwarcie zaworu kulkowego i następuje połączenie przelotu między końcówkami „1” i „2”.

2.103. Zawór bezpieczeństwa

Zawory bezpieczeństwa - nie dopuszczają do przekroczenia maksymalnego, dopuszczalnego ciśnienia układzie. Jeżeli na wejściu zaworu zostanie osiągnięta maksymalna wartość ciśnienia, wówczas wylot otwiera się i powietrze uchodzi do atmosfery. Zawór zostaje otwarty tak długo, dopóki ciśnienie w układzie nie spadnie do wartości odpowiadającej nastawionemu napięciu sprężyny zamykającej.




2.10.4. Blok odcinający

Blok ten służy do zabezpieczenia ciągłości procesu technologicznego w przypadku awarii (zaniku) ciśnienia zasilania układu automatyki przez zablokowanie elementu wykonawczego w ostatnim położeniu pracy. Blok ten stosowany jest głównie do zabezpieczenia siłowników dwustronnego działania, może też być stosowany do siłowników jednostronnego działania. Schemat funkcjonalny bloku przedstawia rys. 9.28
W bloku z rys.9.28 porównywane są na membranie górnej siły pochodzące od napięcia sprężyny wywołanego za pomocą śruby nastawczej „1” oraz od ciśnienia zasilania działającego na powierzchnię efektywną tej membrany.




W przypadku, gdy ciśnienie zasilania ma wartość większą od nastawionej wartości ciśnienia odcinania wówczas ciśnienie w kaskadzie sterującej membraną „4” ma wartość bliską ciśnieniu zasilania i zawory odcinające „6:” są otwarte.
Jeżeli ciśnienie zasilania spadnie poniżej wartości ciśnienia odcinania, wówczas nastąpi przewaga siły od sprężyny nastawczej i membrana górna stanowiąca przysłonę dla dyszy „2” przesunie się w dół. W wyniku tego nastąpi spadek ciśnienia w kaskadzie sterującej i membrana „4” przemieści się do góry oraz pod wpływem działania sprężyn dociskowych zawory „6” zostaną zamknięte i wartość ciśnienia „b” komorze siłownika pozostaje utrzymywana na niezmienionej wartości, co zapewnia utrzymanie niezmienionej pozycji trzpienia siłownika.



2.11. Przetworniki ciśnienia

Uniwersalny przetwornik ciśnienia VEGABAR 20jest przeznaczony do pomiarów nadciśnienia lub ciśnienia absolutnego, a także może być stosowany do hydrostatycznych pomiarów poziomu.
Elementem pomiarowym przetwornika jest bezolejowa, pojemnościowa cela ceramiczna CERTEC lub cela metalowa. Membrana wykonana jest odpowiednio z ceramiki lub metalu. Zmiany ciśnienia medium powodują zmiany odkształcenia membrany, te natomiast są przenoszone na celę pomiarową i wywołują zmiany pojemności pomiędzy okładkami. Pojemność ta jest przetwarzana w module elektroniki na proporcjonalny do ciśnienia sygnał elektryczny. Oscylator typu SMART jest wyposażony w mikroprocesor, dzięki czemu sygnał pomiarowy jest przetwarzany cyfrowo z dużą dokładnością.
Oscylator jest zasilany z zewnętrznego przyrządu pomocniczego, zasilacza stabilizowanego lub wskaźnika z wyjściem zasilającym. Sygnałem wyjściowym oscylatora jest standardowy sygnał prądowy 4…20 mA, wymuszany przez przetwornik na liniach zasilających.

Przykład zastosowania



Vegabar może mierzyć ciśnienie za pompą, które jest ważną informacją dla jej prawidłowej eksploatacji. Sygnał wyjściowy 4…20mA może być wykorzystywany do celów sterowania.
Vegabar może realizować szeroki zakres zadań pomiarowych różnych dziedzinach przemysłu takich jak energetyka, chemia i ochrona środowiska i inne. Za pomocą przetwornika Vegabar możliwe są pomiary szerokiej gamy mediów:
- gazów i oparów
- cieczy, aż do bardzo lepkich
- mediów ścierających (ciecze z zawiesiną materiału ściernego) i agresywnych


SYGNALIZACJA I ZABEZPIECZENIA

Nowoczesne regulatory zawierają rozmaite układy sygnalizacji i zabezpieczeń, które informują operatora o przekroczeniu zadanego przedziału przez wielkość regulowaną lub odchyłkę regulacji, oraz wykrywają niektóre awarie, (np. uszkodzenie czujnika pomiarowego lub brak ciśnienia w układzie). Do zapewnienia bezpiecznej pracy w przypadku stwierdzenia awarii służą układy rezerwy, będące odmianą układów sterowania ręcznego. Układy te nadają sygnałowi wyjściowemu wartość niezależną od przebiegu odchyłki regulacji.



3. Wnioski

Omawiając podstawowe elementy i zespoły przyrządów pneumatycznych zapoznaliśmy się z zasadami budowy i schematami elementów, które występują w pneumatyce. Są one zintegrowane w blokach i systemach mających za zadanie sterowania, sygnalizacji, alarmowania i wyłączania (odcinania) systemów pneumatycznych w momencie zagrożenia lub niskich stanów parametrów (np.: ciśnienia) mających wpływ na działanie całości systemu automatyki
Czujniki, przetworniki, sterowniki, sygnalizatory, zawory, zbiorniki wyrównawcze są to elementy układu automatyki, które spełniają w systemach wielorakie role od pomiarów, sterowania, sygnalizacji stanów alarmowych do wyłączania włącznie. Dlatego rolę zabezpieczeń przed niskim ciśnieniem w układach pneumatycznych spełniają bloki sterujący –sygnalizacyjne, które sterują dozowaniem, kontrolą i wyłączaniem czynnika pneumatyki w przypadku awarii lub stanów alarmowych..