Hydrauliczne i Pneumatyczne Układy Automatyki

Laboratorium 5

Dział:

Pneumatyczne układy sterowania dławieniowego

Temat:

Pneumatyczne i elektropneumatyczne ustawniki pozycyjne

Cel:

Zapoznanie się z konstrukcją i określenie właściwości serwomechanizmów 

pneumatycznych

 1  Wprowadzenie

Ustawnik pozycyjny lub pozycjoner to pojęcia używane często zamiennie. Stosuje się je do

określenia   urządzenia   sterującego   przeznaczonego   do   współpracy   z   elementem   wykonawczym.

Najważniejszymi elementami, które można wyróżnić w konstrukcji pozycjonerów pneumatycznych

to blok zaworowy i element sprzężenia zwrotnego służący do pomiaru położenia liniowego lub

kątowego   elementu   wykonawczego.   Wśród   pneumatycznych   ustawników   pozycyjnych   można

wyróżnić urządzenia czysto pneumatyczne oraz konstrukcje elektropneumatyczne o różnym stopniu

złożoności. Pneumatyczny liniowy lub kątowy napęd pozycjonujący obejmuje w swej konstrukcji

pozycjoner oraz siłownik lub silnik pneumatyczny.

 1.1  Pneumatyczny liniowy napęd pozycjonujący [1]

Działanie   pneumatycznego   ustawnika

pozycyjnego   można   prześledzić   na   schemacie

z rysunku  1.   Urządzenie   składa   się   z   siłownika

pneumatycznego oraz pozycjonera pneumatycznego.

Pozycjoner   pneumatyczny   zbudowano   w   oparciu

o zawór   proporcjonalny   sterowany   przez   układ

kaskad pneumatycznych. 

Ciśnienia na krawędziach sterujących zaworu

proporcjonalnego   zależą   od   położenia   układu

dźwigni  mechanicznych   wspartych  z  jednej   strony

mieszkiem   pneumatycznym   a   z   drugiej   strony

sprężyną   pełniącą   rolę   sprzężenia   z   tłoczyskiem

siłownika.   Zmiana   ciśnienia  p

2

  w   mieszku

pneumatycznym   powoduje   wyprowadzenie   układu

dźwigni z równowagi co prowadzi do zróżnicowania

ciśnień na lewej i prawej krawędzi sterującej zaworu

1

Rys. 1. Schemat ilustrujący zasadę działania

pneumatycznego ustawnika pozycyjnego

Hydrauliczne i Pneumatyczne Układy Automatyki

Laboratorium 5

proporcjonalnego. Siła wypadkowa działająca na suwak zaworu powoduje jego przesunięcie co

w konsekwencji   prowadzi   do   podania   zasilania   na   jedną   z   komór   siłownika   i   odpowietrzanie

drugiej   z   nich.   Siłownik   przemieszcza   zmieniając   siłę   naciągu   sprężyny   do   momentu

zrównoważenia siły reakcji wywołanej przez mieszek pneumatyczny.

Zastosowanie w liniowym napędzie pozycyjnym układu kaskad pneumatycznych powoduje,

że układ zużywa cały czas pewną część sprężonego powietrza pomimo, że siłownik nie wykonuje

żadnej pracy. 

 1.2  Elektropneumatyczny napęd pozycjonujący [2]

Znajdujący się na wyposażeniu laboratorium elektropneumatyczny napęd pozycjonujący jest

urządzeniem   składającym   się   z   siłownika   pneumatycznego,   ustawnika   pozycyjnego   oraz

mikrokontrolera wyposażonego w cyfrowy regulator PID. Mikrokontroler pozwala na zadawanie

położenia z panelu operatora lub za pomocą analogowego sygnału prądowego 4-20 mA. Zdjęcie

elektropneumatycznego ustawnika pozycjonującego prezentuje rysunek 2.

Rys. 2. Widok elektropneumatycznego ustawnika pozycjonującego

Szczegóły konstrukcyjne urządzenia zaprezentowano na rysunkach  3  i  4. Blok zaworowy

został wykonany jako układ 4 zaworów 2/2 bezpośrednio sterowanych elektromagnesem. Zawory

sterowane   są   sygnałem   PWM.   Blok   zaworowy   i   układ   pomiarowy   jest   połączony

z mikrokontrolerem za pomocą przewodu trójżyłowego.

2

Hydrauliczne i Pneumatyczne Układy Automatyki

Laboratorium 5

Rys. 3. Blok zaworowy elektropneumatycznego ustawnika pozycyjnego

Układ pomiaru przemieszczenia jest w tym urządzeniu rozwiązaniem unikalnym. Szczegóły

tego układu prezentują kolejno rysunki 4a, 4b i 4c. Pomiar przemieszczenia jest realizowany tutaj

cyfrowo. Jest to możliwe dzięki zliczaniu czasu potrzebnego na przebycie drogi przez magnes

zamocowany na wirującej tarczy pomiędzy czujnikiem Halla zamocowanym na stałe w obudowie a

czujnikiem zamocowanym na obrotowej tarczy. Kąt obrotu tarczy jest proporcjonalny do liniowego

przemieszczenia siłownika pneumatycznego. Oznacza to, że czas pomiędzy kolejnymi impulsami

rejestrowanymi  przez czujniki Halla jest również proporcjonalny do położenia tłoka siłownika.

Dokładność pomiaru jest uzależniona od szybkości zastosowanych w mikrokontrolerze liczników. 

  

wirująca

tarcza

dysza

znacznik

magnetyczny

czujnik

stały

 

linka

tarcza

napędzana

linką

czujnik

ruchomy

Rys. 4. Moduł pomiarowy wykorzystywany w charakterze sprzężenia zwrotnego: a) zdjęcie modułu: 

1 – wirująca tarcza, 2 – czujnik Halla stały, 3 – czujnik Halla zmieniający swe położenie kątowe proporcjonalnie do

położenia tłoczyska siłownika, 4 – osłona linki mocującej ruchomą tarczę z tłoczyskiem siłownika; 

b) rysunek poglądowy wirującej tarczy ze znacznikiem magnetycznym; c) widok tarczy pomiarowej sprzężonej

z tłoczyskiem siłownika

3

1

2

3

4

a)

b)

c)

Hydrauliczne i Pneumatyczne Układy Automatyki

Laboratorium 5

 2  Uruchomienie pneumatycznego liniowego napędu pozycjonującego

Uruchomienie pneumatycznego ustawnika pozycjonującego wymaga kolejno:

1. sprawdzenia wartości ciśnień zasilającego i sterującego,

2. podłączenia przyłącza 1 do źródła zasilania w sprężone powietrze o ciśnieniu nie 

przekraczającym wartości podawanej przez producenta,

3. podłączenia urządzenia zadającego ciśnienie sterujące w zakresie podanym przez 

producenta.

Do   określenia   właściwości   pneumatycznego   ustawnika   pozycjonującego   zastosować

precyzyjny zawór redukcyjny pozwalający na zmianę ciśnienia sterującego zgodnie ze specyfikacją

producenta.

Określić właściwości statyczne ustawnika. 

Jaki   jest   związek   pomiędzy   obserwowanymi   właściwościami   badanego   układu   a

poszczególnymi elementami konstrukcji ustawnika pozycyjnego?

Zmieniając   obciążenie   poprzez   nakładanie   i   zdejmowanie   masy   na   tłoczysko   siłownika

określić charakter odpowiedzi badanego układu.

Od czego zależy prędkość ruchu siłownika w badanym układzie?

Wykorzystując schemat z rysunku 1 narysować schemat blokowy opisujący relacje pomiędzy

poszczególnymi elementami ustawnika.

Określić jaki typ mostka pneumatycznego zastosowano w badanym układzie.

 3  Uruchomienie elektropneumatycznego liniowego napędu pozycjonującego

Uruchomienie elektropneumatycznego ustawnika pozycjonującego wymaga kolejno:

1. podłączenia mikrokontrolera do zasilania,

2. podłączenia źródła zasilania pneumatycznego o ciśnieniu zgodnym ze specyfikacją 

producenta,

3. nastawieniu parametrów cyfrowego regulatora PID wykorzystując np. metodę Ziglera – 

Nicholsa [3], po przejściu do trybu nastaw ręcznych,

4. zadaniu pozycji siłownika z panelu operatora po przejściu do trybu automatycznego.

Śledząc   wskazania   układu   pomiarowego   określić   charakter   uchybu   statycznego

występującego w układzie. 

W jaki sposób wpływają źle dobrane wartości regulatora na pracę urządzenia?

Zmieniając   obciążenie   poprzez   nakładanie   i   zdejmowanie   masy   na   tłoczysko   siłownika

4

Hydrauliczne i Pneumatyczne Układy Automatyki

Laboratorium 5

określić charakter odpowiedzi badanego układu.

Od czego zależy prędkość ruchu siłownika w badanym układzie?

Na podstawie [2] i opisu z punktu  1.2  narysować schemat szczegółowy połączeń zaworów

elektropneumatycznych odpowiadający blokowi zaworowemu badanego ustawnika. Określić jaki

typ mostka pneumatycznego tworzą w tym układzie wspomniane zawory.

Porównać   właściwości   pneumatycznych   i   elektropneumatycznych   ustawników

pozycjonujących uruchamianych podczas zajęć.

Literatura:

[1]

Aplisens sp. z o.o.: Pneumatyczny ustawnik pozycyjny typ A705. 

http://www.aplisens.com.pl/dodatkowe_aplikacje_advertnet/pdf/produkty/A705.pdf

[2]

FESTO Sp. z o.o.: Liniowy Napęd Pozycjonujący LNP - ... Katalog

[3]

Niederliński A.: Systemy komputerowe automatyki przemysłowej. t. 2, WNT, Warszawa 1985

5