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