Введение. 
Пневматические системы автоматики

Пневматические системы — это системы, в которых в качестве энергоносителя используется газ под определенным давлением. Название этих систем происходит от греческого слова рпеитп, что означает ветер или дыхание.

Пневматические системы занимают прочное место среди других средств автоматизации — электрических, электронных, гидравлических — благодаря своим традиционным преимуществам, к которым, в первую очередь, относятся надежность, устойчивость к механическим и электромагнитным воздействиям, высокий коэффициент отношения развиваемой мощности пневмоприводов к собственному весу, пожаровзрывобезопасность и относительно низкая стоимость.

Пневматические средства автоматизации широко применяются в различных отраслях промышленности, от пищевой до тяжелой, а также в специальных автоматических системах, например в медицинских устройствах и в мобильной робототехнике. Трудно представить современную строительную и добывающую индустрию без пневматических средств автоматизации.

Диапазон выпускаемых пневматических компонентов постоянно расширяется и становится все более доступным. Благодаря международным стандартам в этой области конструкторы имеют возможность использовать изделия различных фирм при проектировании сложных систем пневмоавтоматики.

Одна из главных характеристик пневматических систем — сжимаемость используемых в них газов. Результат этого физического явления может влиять на параметры системы как отрицательно, так и положительно в зависимости от ее назначения. Например, в пневматических приводах данное свойство приводит к ухудшению управляемости, а в устройствах амортизации — к расширению их функционального применения. Наиболее значимое преимущество сжимаемости газов заключается в возможности их компрессии в баллонах для использования в качестве автономного источника питания. В частности, такие автономные источники питания используются на космических аппаратах для бортовой пневмоавтоматики. Автономные пневматические источники питания могут хранить большее количество энергии, чем электрические батареи.

Низкая плотность и вязкость газов приводят к необходимости уплотнения движущихся частей пневмосистсм. Однако наличие утечек газа часто не сказывается на работоспособности пневмоустройств, в отличие от гидравлических, и не приводит к загрязнению окружающей среды.

Одна важная причин широкого использования пневматики — большой диапазон температуры, в котором могут использоваться газы. Газообразный гелий может использоваться при температурах жидкого кислорода и азота, когда гидравлические жидкости затвердевают или имеют очень высокую вязкость. С другой стороны, газы годны к применению при температурах выше 500 °C. При таких температурах электрические системы разрушаются, а гидравлические жидкости испаряются или разлагаются. Обычный воздух может использоваться при температурах выше точки плавления стали. Некоторые керамические пневмоклапаны работают при температурах до 3000 °C.

Обобщенные преимущества систем пневмоавтоматики представлены в таблице 1.

Таблица 1

Обобщенные преимущества систем пневмоавтоматики

Возможность работы пневмосистем без возвратных сливных линий, пожаробезопасность и химическая нейтральность рабочей среды обеспечивают эффективность их работы в шахтах, в условиях радиации и в химических производствах.

Некоторые недостатки систем пневмоавтоматики сведены в таблицу 2.

Недостатки систем пневмоавтоматики

Основные уравнения пневматики нелинейны. Однако это создает проблемы, в основном, больше при анализе пневмосистем, чем при их проектировании. Развитию пневмоавтоматики способствовал переход от принципа компенсации перемещений к принципу компенсации сил, внедрение элементного принципа построения пневматических приборов, использованию струйной техники и техники переменных токов для построения систем пневмоавтоматики, а также эффектов взаимодействия струй со звуковыми сигналами. Итогом перехода от принципа компенсации перемещений к принципу компенсации сил явилось построение отечественной агрегатной унифицированной системы и освоение этой системы приборов промышленностью. Появились первые вычислительные приборы, такие, как сумматор и множительное устройство.

Применение рабочих давлений низкого диапазона позволило легко получать линейные пневматические сопротивления и строить вычислительные приборы с применением операционного пневматического усилителя так, как это делается в области электроники.

Перенос из электроники в область пневмоавтоматики элементного принципа построения приборов позволил отказаться от трудоемкого конструирования каждого отдельного прибора. Элементный способ построения вычислительных приборов и устройств пневмоавтоматики нашел свое воплощение в отечественной Универсальной системе элементов промышленной пневмоавтоматики. В настоящее время используются промышленные изделия пневмоавтоматики, выпускаемые крупными фирмами, такими, как Фесто, по международным стандартам. Эти фирмы имеют филиалы по всему миру, и специалисты могут по каталогам выбирать и заказывать необходимые устройства для построения пневмосистем.

Подобно тому, как в свое время в области электроавтоматики зародилось новое техническое направление — электроника, так и в области пневмоавтоматики возникло новое направление — пиевмоника, или струйная техника. Принципы струйной техники коренным образом отличаются от всех ранее известных принципов построения пневматических приборов. В приборах струйной техники полностью отсутствуют какие-либо механические подвижные детали, а управление осуществляется за счет взаимодействия струй воздуха. Приборы струйной техники миниатюрны и допускают применение технологии печатных схем. В струйной технике используются как постоянные, так и переменные пневматические токи, что обеспечивает получение высокой точности при создании приборов.

Одним из сравнительно новых направлений пневматики является пневмоакустика. В основе пневмоакустики лежит свойство воздушных струй взаимодействовать со звуковыми сигналами. Уже сейчас построены пневмоакустические приборы, позволяющие осуществлять управление звуком на расстоянии и осуществлять некоторые измерения. Освоение этого нового направления даст возможность в будущем улучшить технические средства пневмоавтоматики.

Краткий перечень новых направлений, по которым идет развитие технических средств пневмоавтоматики, показывает, какое важное место она занимает в автоматизации различных производственных процессов и в технике управления. В настоящее время пневмоавтоматика достигла такого уровня развития, при котором практически возможно построение любого управляющего устройства непрерывною действия, любой релейной схемы и любого управляющего устройства непрерывно-дискретного действия. Ограничением является лишь низкое быстродействие систем пневмоавтоматики.

Усложнение современных задач автоматического регулирования и управления диктует требования к повышению производительности оборудования, уменьшению брака, повышению качества управления и надежности средств автоматизации, а также экономической эффективности автоматизируемого производства в целом.

Система струйных модулей позволила создать устройства программного управления металлорежущими станками, систему оптимизации прямой гидратации этилена, струйные цифровые регуляторы и другие приборы и устройства. Технические средства струйной и мембранной пневмоавтоматики позволили создать современную медицинскую аппаратуру для искусственного дыхания и кровообращения, которая широко применяется в медицинской практике. На основе приемных акустико-пневматических элементов созданы, в частности, устройства дистанционного управления и длинная пневматическая линия с пассивным электрическим контуром.

Из приведенных примеров видно, что пневматическими техническими средствами может быть решен широкий круг задач автоматического управления.