Пневматични системи – специфициране

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 1/2021 • 05.03.2021

При проектирането на индустриално оборудване е от ключово значение да се следват предварително съставени от специалистите в областта спецификации с общи изисквания и принципи по отношение на механичната конструкция, дизайна, системната конфигурация, схемите и средствата за управление. От особена важност е специфицирането при конструирането на пневматична апаратура, която намира широко приложение в съвременната промишлена техника. Наборът от спецификации, касаещи пневматичните устройства, обикновено е изключително подробен и обхваща насоки от входната точка за доставка на сгъстен въздух чак до крайната позиция на механично движение. 

Съгласно общите принципи във връзка с дизайна, всяка индустриална машина, съдържаща пневматичен механизъм, трябва да покрива дадени минимални изисквания, заложени в съответната техническа спецификация.

 

Предимства на пневматичните компоненти

Голяма част от проектантите на модерни системи за индустриална автоматизация и високотехнологична индустриална техника продължават да се придържат към избора на пневматични компоненти като основна градивна единица на дизайните си за сметка на електрическите им аналози. Причина за това са множеството предимства, които пневматичните устройства осигуряват в практиката. С тях се работи лесно, подходящи са за високоскоростни приложения, осигуряват отлична повторяемост при позициониране и се отличават с изключителна надеждност.

Редица експерти са категорични, че механизмите с пневматични вентили, клапани, цилиндри и сензори са технологично олекотен вариант на системите, включващи електронни устройства, предавателни механизми и други електромеханични компоненти, които се използват за преобразуването на ротационното движение на двигател в линейно. Друго предимство на пневматиката е сравнително достъпната цена на продуктите в сегмента, както и относителната простота на дизайна, които допълнително оптимизират поддръжката в бюджетен и технически аспект. Сред силните страни на технологията е и голямата сила на задвижване, която може да осигури един малък пневматичен компонент с компактен корпус.

Основен плюс на пневматичните задвижки и въздушните цилиндри е и възможността към тях да се инсталират регулатори за дебит, като ключов принцип за ефективната им работа е правилното им оразмеряване. Практично решение е използването на клапанни групи с общи входни и изходни отвори и централизирани регулатори и елементи за управление.

 

Общи принципи

Настоящата статия разглежда някои общи насоки за проектиране на технологично оборудване с пневматични системи и компоненти, включително актуални англоезични ръководства, публикувани в специализирани сайтове и портали в сферата на машиностроенето и индустриалната автоматизация. Според описаните в тях спецификации една добре проектирана пневматична машина е необходимо да може да функционира при работно налягане от 115 psi или приблизително 8 бара.

Това налягане е лесно постижимо с помощта на конвенционален въздушен компресор, част от системата за доставка на сгъстен въздух в почти всеки съвременен цех.

Препоръчително е присъединяването между системата и машината да е изпълнено с устройство за бързо изключване или още по-добре – посредством ръчен заключващ се спирателен клапан с LOTO (Lockout/Tagout) блокировка, който изпуска работния въздух по низходящия поток при задействане. С монтаж на такива клапани на входните и изходните точки, машината или даден неин пневматичен модул могат да бъдат изолирани безопасно от общата система за доставка на сгъстен въздух в цеха при необходимост от осъществяване на ремонтни дейности, поддръжка или подмяна на компонент.

По направлението на въздушния поток след спирателния вентил работният въздух е препоръчително да бъде филтриран и регулиран до подходящо работно налягане от порядъка на 5,5 bar (80 psi). Дори сгъстеният въздух да е предварително пречистен и изсушен преди навлизането му в машината, повторната му филтрация и обезвлажняване преди постъпването му в пневматичната верига на оборудването обикновено е задължителна процедура с цел да се обезпечат безпроблемната работа и дългият сервизен живот на пневматичните компоненти.

Основният поток за доставка на регулиран и филтриран работен въздух към системата е препоръчително да включва и двупътен автоматичен вентил с електромагнитно задвижване за изключване и обезвъздушаване през шумозаглушител до атмосферно налягане на сегмента откъм машината при задействане на функцията за аварийно спиране. По този начин се елиминира рискът от оставане в механизма на дадено количество сгъстен въздух, който може да причини нежелано движение на пневматично задвижваните компоненти. Инсталацията е добре да включва манометър за визуална индикация на работното налягане по основната захранваща линия, като популярно решение е цифров превключвател за налягане на входа на PLC контролера.

 

Системни компоненти и управление

С оглед осигуряване безопасността на оператора на пневматичната система всички устройства за обезвъздушаване и изпускане на въздух от системата трябва да бъдат оборудвани със шумозаглушители, тъй като работата им в необезопасен режим може да доведе до твърде високи нива на шум. Обикновено целта е шумовото замърсяване около машината да се ограничи до максимум 75 – 80 dB. Важно е също устройствата за изпускане на въздух от пневматичната верига да не изхвърлят и маслени пари. В някои приложения на пневматична апаратура, например в чисти стаи, освобождаваният от цикъла въздух се извежда през специални отвори извън помещението, за да не замърсява контролираната атмосфера.

След блока за подготовка на въздуха преди навлизането му в пневматичния контур на системата обикновено са монтирани регулиращ вентил, цилиндри, задвижващи механизми, маркучи, фитинги и елементи за управление на потока, наред с други видове компоненти. Една типична конфигурация включва трипътен клапан с централна изпускателна позиция, който се използва за задвижване на цилиндър в хоризонтално или вертикално направление. При изключване на системата от двете страни на вентила въздухът, подаван към цилиндъра, се изпуска, за да се предотврати по-нататъшното му движение.

За управление на регулиращите вентили в модерните индустриални машини се използват иновативни комуникационни технологии като Industrial Internet of Things (IIoT) и Ethernet протоколи от типа на EtherNet/I и Profinet. С помощта на един-единствен захранващ и Ethernet кабел могат лесно да бъдат осъществявани контрол и мониторинг на десетки електромагнитни клапани, разпределени в отделни клапанни групи. Подобна архитектура улеснява диагностиката и е препоръчително решение при комплексни пневматични апарати. За удобство входните и изходни контури се обозначават с различни цветове на маркучите и специални етикети с уникални маркировки и цифрови кодове. Необходимо е да бъдат осигурени елементи за управление на всички задвижващи цилиндри и механизми, като е препоръчително да се регулира изходният, а не входният поток към тези компоненти. Някои конфигурации изискват допълнителни контролни клапани в цилиндрите, които да предотвратят спадане на налягането при обезвъздушаване.

 

Ключови принципи при проектиране

Голяма част от неизправностите в пневматичните системи са свързани с принуждаване на механичните компоненти да работят при различни от описаните в техническата им спецификация параметри. Честа причина за проблеми е ниското или променливо въздушно налягане в системата. То обикновено е резултат от недостатъчна мощност на компресора, както и на недобре оразмерени (с прекалено малък диаметър) тръбни елементи и тръбопроводи. Неприятности във връзка с ниско налягане могат да възникнат и вследствие неизправна работа на двигатели и агрегати с пневматично задвижване.

Сред популярните поводи за влошена ефективност на пневматичните системи и механизми е и липсата или неправилната употреба на елементи за регулиране на технологичните процеси. Без регулатор на дебита един цилиндър може да се движи прекалено бързо, което да доведе до неговото износване или повреждане, както и до риск за съседните компоненти. Ако пък самият регулатор ограничава дебита твърде много, в резултат цилиндърът може да се движи твърде бавно, за да обезпечи желаното високоскоростно движение. Възможен проблем също е и неподходящото позициониране на регулаторите, което да позволи прекалено лесна, честа или произволна промяна на дебита от страна на операторите на различни машини в системата. Един и същи дебит може да е допустим или рисков за отделни компоненти, както и да причини авария и/или да компрометира безопасността на персонала и оборудването.

Техническите специалисти обикновено обръщат изрично внимание на онези аспекти при проектирането на пневматични системи, които касаят скоростта на движение на цилиндрите. Прекалено ниската или непостоянна скорост на един цилиндър може да доведе до непоследователно движение на този механичен компонент.

Причини за такъв сценарий обикновено са прекалено ниско налягане или неправилно оразмеряване. Когато цилиндърът е с прекалено голям диаметър, ходът му може да е твърде бавен, тъй като ще е необходим въздушен поток с много голям дебит, за да го задвижи. Прекалено малкият диаметър на компонентите и тръбните връзки пък излишно ограничават въздушния поток и също могат да доведат до бавен и непостоянен ход. По-големите типоразмери цилиндри традиционно са на по-висока цена и водят до по-високи разходи в дългосрочен план, тъй като консумират повече сгъстен въздух.

Липсата на регулатори за дебита може да причини също и твърде шумна работа на пневматичните механизми. Същият негативен ефект е налице и когато не са осигурени т. нар. буфери в края на хода на цилиндъра. Изпускателните отвори на групите електромагнитни вентили допълнително допринасят за високите шумови нива. Друг потенциален проблем, на който е важно да се обърне внимание, е блокирането на клапаните вследствие на замърсяване или влага във въздушния поток.

 

Управление на въздушния поток

За всеки основен потенциален проблем с пневматичните системи обикновено са налични различни решения и насоки за преодоляването им, подробно разписани в техническите спецификации. В допълнение към подходящи работни параметри (скорост, сила и т. н.), които да осигурят безпроблемната работа на един пневматичен цилиндър, от критично значение е да бъдат спазени и някои базови принципи при проектирането във връзка с механичната му конфигурация и свързаните системни компоненти.

Експертите препоръчват монтажа на филтърен регулатор на изпускателния вентил на пневматичната верига. Филтърът улавя праховите частици и влагата, които могат да навлязат в пневматичните компоненти със сгъстения въздух и да причинят тяхното износване и повреждане. Регулаторът се грижи за поддържане на работно налягане в пневматичния контур в заложения в техническите спецификации диапазон, който обикновено е 4 – 6 бара (60 – 90 psi). Риск за компонентите обикновено произтича от факта, че в останалите секции на заводските системи за сгъстен въздух обикновено работното налягане е от порядъка на 6-9 бара (приблизително 100-130 psi).

След филтърния регулатор типично се инсталира електрически клапан за плавен старт, който позволява постепенно повишаване на налягането при захранване, за да се избегне рязък удар на цилиндрите. При повторно стартиране на системата въздушният поток отново навлиза в цилиндъра. Ако всичкият въздух е бил изпуснат преди това, от другата страна на компонента не е налична въздушна маса. Това прави управлението на скоростта на цилиндъра посредством регулатор на дебита невъзможно. А неконтролираната скорост би могла да породи твърде бърз ход на буталния прът, завършващ с удар. С коректна инсталация на съответните вентили за плавен ход машината бавно и безпроблемно се връща в работна позиция без риск за пневматичните компоненти. Регулаторите на дебит обикновено се монтират директно на изхода на цилиндъра, но могат да бъдат инсталирани и в близост до него, както и на самия клапан, ако маркучът между него и цилиндъра е с дължина под 90 cm.

Високоскоростните пневматични движения налагат използването на цилиндри с вградени буфери, които да гарантират безпроблемната работа на компонентите в дългосрочен план. Буферите са предназначени да забавят движението на буталния прът само в края на хода на цилиндъра с цел омекотяване на съприкосновението, като позволяват безшумна и безопасна работа на механизма дори при изключително висока скорост.

Интересен въпрос по отношение специфицирането и експлоатацията на пневматична апаратура е смазването. Общото правило е смазочно-охлаждащи флуиди да бъдат употребявани с мярка и само при необходимост. Повечето съвременни пневматични компоненти се предлагат от производителя предварително смазани. Особен случай са някои двигатели за пневматични инструменти и друга пневматична техника, при които в техническите спецификации и ръководствата за експлоатация изрично е посочено, че се нуждаят от допълнително и регулярно смазване.

 

Практически съображения и приложения

Едно добре проектирано пневматично приложение започва с осигуряване на постоянно налягане в точката на свързване между заводската система за доставка на сгъстен въздух и съответната машина или оборудване с интегриран пневматичен механизъм. Сред популярните приложения на пневматиката в индустрията са т. нар. “pick-and-place” автоматични манипулиращи системи, които се използват за преместване на различни компоненти и изделия от една на друга транспортна лента в производствената линия. За разлика от по-комплексните решения, базирани на сервомотори, пневматичните pick-and-place системи се ограничават до извършване на последователности от действия между фиксирани пространствени позиции с висока степен на повторяемост. Макар и със сравнително ограничени функции, те се отличават с редица други предимства – относително ниска инвестиция за закупуване и внедряване, улеснена експлоатация и поддръжка, както и възможност за обезпечаване на високоскоростни приложения.

Въвеждането в работен режим на една такава система съгласно техническите спецификации започва с предварителна подготовка на въздуха преди навлизането му в пневматичния контур. За целта са необходими въздушен филтър, регулатор на налягане, изпускателен клапан с блокировка и електропневматичен вентил за плавен старт. Въздушният поток от подготвителния блок се подава към група електромагнитни вентили. Препоръчително решение за такива приложения, според общите принципи за специфициране, би бил 5-пътен, трипозиционен изпускателен клапан с централна затваряща позиция. Така при задействане на функцията за аварийно спиране на системата задържаният в нея въздух автоматично се извежда от пневматичния механизъм, за да се предотвратят рисковете за безопасността на оператора и оборудването. Централната затваряща позиция на вентила изтласква въздуха от двете страни на цилиндъра, като така се възпрепятства нежеланото му движение, дори при освобождаване на аварийната “стоп” функция. Повторното му задвижване е възможно само при задействане на стартиращия механизъм на машината.

При автоматичните пневматични манипулиращи системи всеки цилиндър обикновено бива управляван от по един клапан с два електромагнитни вентила с 24 VDC захранване. Централната позиция на всеки клапан изпуска въздуха от цилиндрите. Захранването на всеки отделен електромагнитен вентил отговаря за избутване или прибиране на съответния цилиндър. Обикновено спецификациите за проектиране предвиждат допълнително и предпазен спирателен клапан. Той възпрепятства спадането на налягането в цилиндъра и/или неговото придвижване във вертикално направление вследствие на гравитацията, когато въздухът в него бъде изпуснат.

Практично решение е използването на модулни клапанни групи, които разполагат с общ вход и изход и е необходимо инсталирането само на един заглушител на края на модула с цел осигуряване на безшумната работа на системата.

Традиционно използваните за пневматични манипулаторни механизми цилиндри са с управляем или двоен бутален прът. Корпусите им обикновено са с форма на паралелепипед и са осигурени с фиксирана пластина в края на буталния прът, която предотвратява завъртането. Една базова система от този тип може да се движи по оси X и Z, като е оборудвана със специализиран хващач, който захваща обектите на преместване. Добавянето на трети цилиндър към конфигурацията позволява движение по всички три пространствени направления.

При интегрирането на пневматични цилиндри в автоматизирано оборудване, което извършва последователности от действия, скоростта на движение на цилиндъра се оказва ключова за ефективното захващане на обектите. Препоръчително е инсталирането на регулатори на дебита на двата изходни отвора, вместо на входовете за подаване на контролиран въздушен поток. От съществена полза за синхронизацията на отделните компоненти в системата са т. нар. позиционни прекъсвачи, които предотвратяват движението на даден цилиндър преди предишният цилиндър да е завършил своя ход.

 

Новият брой 5/2021

брой 5-2021

  ЧЕТЕТЕ БРОЯ ОНЛАЙН

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top