Hydrauliczne i pneumatyczne układy automatyki
Sprawozdanie z laboratorium
09.01.2015
Opracowali (gr. 13B):
Sebastian Lechowicz
Karol Leszczyński
Michał Teterycz
Piotr Szewczyk
Anna Łęcka
Temat: Pneumatyczne i elektropneumatyczne ustawniki pozycyjne
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczeń laboratoryjnych było zapoznanie się z konstrukcją pneumatycznych i
elektropneumatycznych ustawników pozycyjnych oraz określenie właściwości serwomechanizmów
pneumatycznych.
2.Pneumatyczny liniowy napęd pozycjonujący
1 - siłownik
2 - rozdzielacz
3 - sprężyna sprzężenia zwrotnego
4 - wkręt zerujący
5 - dźwignia sprzężenia zwrotnego
6 - zespół przysłony dysz
7 - regulacja zakresu
8 - dysze
9 - mieszek
10 - tłoczysko
11 - tłoczek
12 - membrana
p
z
- ciśnienie zasilania
p
w
- ciśnienie wejściowe
p
s1
i p
s2
- ciśnienia sterujące
Rys.1. Schemat ustawnika
Dane techniczne:
Sygnał wejściowy
0.2÷1 bar
Ciśnienie zasilania
2.5÷10 bar
Sygnał sterujący
dwa sygnały przemienne o wartości
0÷100 % ciśnienia zasilającego
Skok współpracującego siłownika
80÷600 mm
Błąd podstawowy
maks. 1.6 % nominalnego skoku
siłownika
Czułość
0.4 % minimalnego zakresu ciśnienia
wejściowego
Zakres proporcjonalności dla obu sygnałów
sterujących
1.20.5 %
Błąd dodatkowy spowodowany zmianą ciśnienia
zasilania o 10 %
0.8 % nominalnego skoku siłownika
Stopień ochrony obudowy
IP 54
Masa
1.7-2.2 kg w zależności od wykonania
Dopuszczalna temperatura otoczenia
-25÷+70 C
Rys. 2.Schemat blokowy serwomechanizmu położenia tłoczyska pneumatycznego
Opis działania:
Ustawnik pozycyjny działa na zasadzie równowagi sił. W zespole pneumatycznym siła pochodząca od
ciśnienia wejściowego pw doprowadzonego do mieszka sprężystego 6, porównywana jest z siłą
sprężyny sprzężenia zwrotnego 1, napinanej przez tłoczysko 10, siłownika 12. Zmiana ciśnienia
wejściowego powoduję zmianę położenia zespołu dźwigni z
przesłonami dysz kaskad pneumatycznych i przez to zmianę ciśnień kaskadowych. Ciśnienia
kaskadowe, działające na membrany 3, powodują zmianę położenia suwaka 8, który kieruję
strumienie powietrza do odpowiednich komór siłownika. Na tłoku siłownika powstaje różnica ciśnień,
która powoduję jego ruch, a przez to zmianę napięcia sprężyny sprzężenia zwrotnego. Ruch tłoka
odbywa się tak długo, aż siły od ciśnienia wejściowego pw i sprężyny sprzężenia zwrotnego
zrównoważą się. Tłok siłownika znajduję wtedy położenie odpowiadające wartości sygnału
wejściowego.
W celu ustalenia pozycji tłoczyska ustawiamy ciśnienie podawane na mieszek, który wywiera siłę
działającą na ramię numer 4. Powoduję to odsunięcie przesłony od dyszy przesterowującej suwak w
lewo i wysuw tłoczyska. Ruch ten naciąga sprężynę 1 i sprawia narastanie siły przyłożonej do dźwigni
2 aż do zrównoważenia momentów pochodzących od obu dźwigni. Aby wywołać powrót tłoczyska
należy zmniejszyć ciśnienie podawane na mieszek, czyli zmniejszyć wartość siły przyłożonej do
dźwigni 4. Różnica momentów spowoduje odsunięcie przysłony od dyszy przesterowującej suwak w
prawo i powrót tłoczyska.
Prędkość siłownika zależy od odległości od położenia zadanego – zapewnia to regulator
proporcjonalny. Przy zmianie obciążenia na tłoczysku siłownika odpowiedź układu jest stabilna,
ponieważ, po przyłożeniu siły na tłoczysko układ dążył do jej wyrównania.
W układzie wykorzystano mostek pneumatyczny typu Bv+Bv.
3. Elektropneumatyczny napęd pozycjonujący
Rys.3.Schemat funkcjonalny z siłownikiem wahadłowym dwustronnego działania
Rys. 4. Widok modułu, który działa jako sprzężenie zwrotne
Zastosowanie:
Uniwersalny ustawnik pozycyjny umożliwia precyzyjny pomiar położenia i dokładne pozycjonowanie
w trudnych warunkach przemysłowych. Mechanizmy, których położenie jest mierzone lub które są
pozycjonowane mogą się przemieszczać liniowo lub obrotowo. Zastosowana metoda pomiaru
pozwala wykorzystać ten zestaw pomiarowy do współpracy z mechanizmami napędzanymi
pneumatycznie elektrycznie lub hydraulicznie.
Opis działania:
Mechanizm pomiarowy składa się z wirującej tarczy 1 na której znajduje się znacznik magnetyczny.
Tarczka ta jest wprowadzana w ruch obrotowy przez strumień powietrza z dyszy. Wiruję ona nad
dwoma czujnikami pomiarowymi związanym kinematycznie z mierzonym kątem i bazowym,
związanym z obudową. Znacznik przelatując nad czujnikami wyzwala w nich impulsy elektryczne,
które linią dwuprzewodową docierają do mikrokontrolera. Cykl pomiarowy polega na odliczaniu
odcinków czasu pomiędzy:
-dwoma impulsami pochodzącymi kolejno z czujnika bazowego i czujnika pomiarowego
-dwoma kolejnymi impulsami z czujnika bazowego i podzieleniu uzyskanych wartości przez siebie.
Zasilana powietrzem dysza kieruje swój główny strumień na obwód tarczy i wprawia ją w ruch
wirujący. Umocowany na tarczy znacznik magnetyczny wyzwala podczas obrotów impulsy
elektryczne w czujniku stałym Hall’a. Ruch tłoczyska ΔH napędu przesuwa równolegle trzpień, wraz z
jednym końcem linki opasającej tarczę, co powoduję jej obrót o kąt ΔΦ. Tarcza napędzana linką ma
zamocowany czujnik Hall’a i obraca się współosiowo z tarczą wirującą. Każdy obrót tarczy wirującej
wyzwala impuls pomiarowy Hall’a. Impulsy z czujnika pomiarowego i czujnika stałego przekazują
informacje o pozycji napędu i o okresie obrotu tarczy wirującej do mikrokontrolera, który formuję
właściwy sygnał zgodnie z algorytmem PID według zadanych nastaw parametrów. Impulsy wyjściowe
są przesyłane do bloku zaworów, który załącza i rozłącza odpowiednie cewki elektryczne zaworów w
ten sposób aby sygnały wysuwania i cofania tłoczyska doprowadziły w efekcie do uzyskania
wartości zadanej. Można przyjąć, że przedstawione na wstępie zawory działają parami (1 z 4 oraz 2 z
3) – gdy jedna komora jest napełniana, powietrze z drugiej musi być odprowadzane. Uchyb ustalony
jest możliwy do zlikwidowania, dzięki zastosowaniu cyfrowego regulatora PID (szczególnie składowej
całkowej). Nieodpowiednie dobranie nastaw regulatora może powodować błędne działanie układu –
przeregulowanie, efekt wind-up.
Podobnie, jak wcześniej, odpowiedź układu jest stabilna.
Dane techniczne:
Sygnał wejściowy
20-100 kPa
Ciśnienie zasilania
0.25-1 MPa
Sygnał sterujący
Dwa sygnały przemienne o wartości
0-100 % ciśnienia zasilającego
Skok współpracującego siłownika
80-600 mm
Błąd podstawowy
Maks. 1.6 % nominalnego skoku siłownika
Czułość
0.4 % minimalnego zakresu ciśnienia
wejściowego
Zakres proporcjonalności dla obu sygnałów
sterujących
1.2-0.5 %
Błąd dodatkowy spowodowany zmianą
ciśnienia zasilania o 10 %
0.8 % nominalnego skoku siłownika
Dopuszczalna temperatura otoczenia
-25…+70 C (przetwornik)
0… +50 C (mikrokontroler)
Rozdzielczość
- przy sterowaniu cyfrowym
- przy sterowaniu analogowym
23impulsy/1mm skoku
1.4% skoku nominalnego
Struktura mikrokontrolera
- mikroprocesor typu 80C552
- pamięć programu EPROM
- pamięć ustawień EEPROM
