UrzÄ…dzenia wykonawcze
Elementy nastawcze i przełączające
Typowymi elementami nastawczymi sÄ… zawory, przepustnice i zasuwy,
określane wspólnym mianem elementów dławiących, a także
przenośniki, dozowniki, pompy o zmiennej wydajności itp.
W przypadku energii elektrycznej stosuje siÄ™ elementy przerywajÄ…ce
przepływ prądu (stykowe i bezstykowe) oraz elementy zmieniające
wartość napięcia i prądu w obwodzie, takie jak: rezystory
nastawcze, transformatory z zaczepami i prostowniki
sterowane.
Elementy nastawcze muszą spełniać wiele wymagań związanych z
jednej strony z aparaturÄ… technologicznÄ… i parametrami ruchu, z
drugiej zaś z pracą w układzie sterowania. Wiążą się z tym takie cechy,
jak: niezawodność, trwałość, odporność na drgania,
dostosowanie do pracy w pożądanym zakresie
temperatury i ciśnienia, łatwość montażu i konserwacji.
Elementy nastawcze mogą działać w sposób ciągły (np. zawór
przyjmujący dowolne położenie pośrednie między położeniami
krańcowymi) lub dyskretny. Elementy dyskretne są dwustawne (zawór
przyjmujący tylko położenia krańcowe) lub wielostawne (zawór
przyjmujący pewną skończoną liczbę położeń pośrednich). Zaletą
elementów dwustawnych i wielostawnych jest łatwość sterowania nimi
bezpośrednio za pomocą sygnałów cyfrowych.
Typowy zawór regulacyjny (działania ciągłego) przedstawiono na
rys. 8. W zaworach wodnych stosowanych w naszych kuchniach i
łazienkach przestawiamy grzybek przekręcając pokrętło, natomiast w
zaworach regulacyjnych trzpień grzybka wykonuje zazwyczaj ruch
posuwisty.
Ze względu na budowę (rys. 9), wyróżnia się zawory: przelotowe,
mieszajÄ…ce, rozdzielajÄ…ce, z przesuwanym grzybkiem (grzybkami),
kulowe (w których właściwy element dławiący jest obracany) i
zaciskowe (w których następuje zaciśnięcie elastycznego przewodu).
Rys. 8. Budowa zaworu regulacyjnego przelotowego:
1  korpus, 2  gniazdo, 3  grzybek, 4  trzpień grzybka,
5  dławica, 6  uszczelnienie dławicy
Rys. 9. Zasada budowy i działania zaworów: a) przelotowego;
b) mieszajÄ…cego; c) kulowego; d) zaciskowego
Prostszą budowę niż zawory mają przepustnice (rys. 10). Zmiana
pola powierzchni swobodnej następuje w nich w wyniku obrotu klapy
(podobnie jak w gaz
niku silnika samochodowego). Przepustnice
konstruuje siÄ™ w wielu odmianach.
Do elementów przełączających zalicza się łączniki, służące do
zamykania i otwierania obwodów elektrycznych. W automatyce
znajdują zastosowanie łączniki, których stan zmienia się pod
wpływem zmian wielkości mierzonej, i niektóre łączniki o napędzie
ręcznym (np. przyciski sterujące). Elementami bezpośrednio
zamykajÄ…cymi i otwierajÄ…cymi obwody elektryczne sÄ… zestyki lub
elementy półprzewodnikowe (przede wszystkim tyrystory).
W urządzeniach automatyki stosuje się również przekaz
niki,
należące do łączników sterowniczych, działające podobnie jak
styczniki, lecz w odróżnieniu od nich przeznaczone do przełączania
obwodów o małych prądach. Nazwę elementy przełączające stosuje
się w automatyce także do elektronicznych elementów logicznych.
Rys. 10. Zasada budowy i działania przepustnicy regulacyjnej
1  korpus, 2  klapa, 3  wał, 4  dz
wignia, 5  cięgno,
6  łącznik, 7  trzpień
Elementy wykonawcze  siłowniki
Położeniem elementów nastawczych sterują siłowniki. Podstawowe
znaczenie mają siłowniki pneumatyczne i hydrauliczne. Stosuje się
również siłowniki elektryczne, elektropneumatyczne i
elektrohydrauliczne.
Siłowniki wykonują ruch posuwisty, obrotowy lub wahliwy. Elementem
wyjściowym jest odpowiednio trzpień lub korba. W siłownikach
stosuje się ponadto przekładnie umożliwiające zamianę jednego
rodzaju ruchu na drugi.
Działanie siłowników pneumatycznych omówimy na przykładzie
siłownika membranowego (rys. 11). Ciśnienie powietrza wywiera
nacisk na membranę, co powoduje ugięcie sprężyny; gdy ciśnienie się
zwiększa, następuje ruch membrany i trzpienia siłownika do dołu, a
gdy się zmniejsza  do góry, pod wpływem siły sprężyny. Siłownik
zatrzymuje się w położeniu równowagi, przy którym siła parcia
powietrza, proporcjonalna do ciśnienia powietrza, jest równoważona
przez siłę sprężystości, proporcjonalną do ugięcia sprężyny (skoku
siłownika).
Siłowniki pneumatyczne i elektropneumatyczne, przeznaczone do
sterowania dyskretnego elementów nastawczych, mogą być zarówno
dwupołożeniowe, jak i wielopołożeniowe
Rys. 11.
Zasada budowy i działania
siłownika pneumatycznego
membranowego
W siłownikach hydraulicznych (rys. 12) na element ruchomy
(tłok) oddziałuje praktycznie nieściśliwa ciecz robocza (olej). Siłowniki
hydrauliczne wykonuje się zazwyczaj jako siłowniki dwustronnego
działania: ciecz robocza oddziałuje na tłok z obu stron, a siła parcia
jest proporcjonalna do różnicy ciśnień.
Używa się ich przede wszystkim tam, gdzie są potrzebne duże siły, a
ruch nie może się odbywać powoli, np. do przestawiania zaworów
dławiących dopływ pary do turbin, przestawiania sterów dużych
samolotów, poruszania urządzeń przeładunkowych i maszyn
budowlanych. W wielu zastosowaniach siłowniki hydrauliczne są
niezastąpione ze względu na małe wymiary; silnik elektryczny o
podobnej mocy byłby duży i ciężki, a ponadto wymagałby użycia
przekładni.
Rys. 12. Zasada budowy i działania siłowników hydraulicznych
tłokowych, dwustronnego działania: a) prostego; b) korbowego
1  tłok, 2  tłoczysko, 3  korbowód, 4  korba
Siłowniki elektryczne o działaniu ciągłym zawierają: silnik
elektryczny (element napędowy), przekładnię zwiększającą moment
obrotowy i zmniejszającą prędkość obrotową, wyłączniki krańcowe,
sprzęgło zabezpieczające przed uszkodzeniem zahamowany lub
przeciążony silnik, cały układ kinematyczny, awaryjny napęd ręczny i
ewentualnie mechanizm zmiany ruchu obrotowego na liniowy
(posuwisty). Typowy siłownik elektryczny jest więc dość złożonym
urzÄ…dzeniem (rys. 13).
Rys. 13. Zasada budowy i działania siłownika elektrycznego:
1  silnik, 2  przekładnia zębata, 3  śruba, 4  nakrętka,
5, 6  wyłączniki krańcowe, 7  styki przekaz
ników załączających
silnik
W siłownikach stosuje się zazwyczaj silniki wykonawcze indukcyjne.
Sterowanie silników najczęściej jest trójstawne: silnik może mieć dwa
różne kierunki obrotów lub może być wyłączony. Siłowniki takie w
naturalny sposób nadają się do współpracy z regulatorami
trójstawnymi i rozmaitymi układami cyfrowymi.
Niekiedy stosuje się napęd zmiennoprędkościowy, polegający na tym,
że pomocniczy układ sterowania nadaje silnikowi prędkość wirowania
proporcjonalną do sygnału sterującego, oraz konstrukcje specjalne,
np. silnik prądu stałego z wirnikiem tarczowym zamocowanym na
długiej śrubie, na której jest umieszczona nakrętka wykonująca ruch
posuwisty.
Siłownik elektryczny po wyłączeniu zasilania pozostaje w nie
zmienionym położeniu.
Siła oddziaływania tych siłowników jest porównywalna z
odpowiednimi siÅ‚ami siÅ‚owników pneumatycznych (1 ÷ 10 kN),
natomiast nie dorównują one siłownikom pneumatycznym pod
względem szybkości ruchu (czasu przestawiania).
Oprócz siłowników o ruchu ciągłym stosuje się siłowniki o ruchu
dyskretnym. Elementami napędowymi są w nich elektromagnesy
przyciÄ…gajÄ…ce ruchomÄ… kotwicÄ™; ruch powrotny jest wykonywany pod
wpływem sprężyny. Siłowniki elektromagnetyczne służą głównie do
sterowania zaworów (rys. 14). Zawory sterowane elektromagnetyczne
montuje się m.in. w pralkach automatycznych, gdzie sterują dopływem
wody.
Duże wymagania stawia się silnikom elektrycznym stosowanym w
charakterze typowych elementów wykonawczych, np. w
serwomechanizmach. Do podstawowych wymagań należą: łatwość
sterowania w rozległym zakresie prędkości obrotowej ze zmianą
kierunku wirowania włącznie, duża szybkość reagowania na zmianę
sygnału sterującego, liniowość charakterystyk, duży moment
rozruchowy, możliwość pracy przy nieruchomym wirniku,
niezawodność pracy i małe wymiary. Wymagania te spełniają w
przybliżeniu: silnik wykonawczy indukcyjny dwufazowy, silnik
wykonawczy obcowzbudny prądu stałego i silnik wykonawczy z
magnesami trwałymi.
Rys. 14. Zasada budowy i działania siłownika elektromagnetycznego
(elektrozaworu)
Ponadto w urządzeniach automatyki instaluje się inne rodzaje silników
elektrycznych, konstruowanych niekiedy specjalnie dla potrzeb
automatyki, np. silniki wykonawcze momentowe, niektóre typy silników
synchronicznych, a zwłaszcza silniki skokowe.
Silniki elektryczne stosowane w automatyce mają często niewielką
moc, rzędu kilkudziesięciu watów, a nawet ułamków wata i niewielkie
wymiary; zalicza się je do tzw. mikromaszyn elektrycznych. Większą
moc mają silniki w obrabiarkach lub w serwomechanizmach służących
do przestawiania obiektów o dużej masie
Wzmacniacze mocy
Sterowanie wielu urządzeń wykonawczych wymaga wytworzenia
sygnału sterującego o dostatecznie dużej mocy. Moc ta zazwyczaj jest
znacznie większa niż moc sygnału wytwarzanego przez układ sterujący
(regulator). Niezbędne jest zatem wzmocnienie mocy sygnału.
Wzmacniacze mocy, podobnie jak cała aparatura automatyki, są
konstruowane jako urzÄ…dzenia elektryczne, elektroniczne,
pneumatyczne, hydrauliczne i "mieszane", np. elektrohydrauliczne, z
tym, że podstawowe znaczenie mają obecnie wzmacniacze
elektroniczne. Samo wzmocnienie mocy sygnału często nie wystarcza,
niezbędne jest ponadto odpowiednie przekształcenie sygnału, np. z
postaci ciągłej na impulsową. Urządzenia służące do przekształcania
sygnału nazywa się ogólnie przekształtnikami (niekiedy sterownikami).
Przekształtniki stosuje się często do sterowania silników
elektrycznych, zarówno indukcyjnych, jak i prądu stałego. Działanie
przekształtników polega nie na wzmacnianiu napięcia lub prądu, jak we
wzmacniaczach tranzystorowych, lecz na okresowym przerywaniu lub
przełączaniu przepływu prądu. Podstawowymi elementami
elektronicznymi służącymi do przełączania obwodów prądu są tyrystory;
w układach małej mocy stosuje się także tranzystory.
Przebiegi prądów i napięć wyjściowych przekształtników charakteryzują
się gwałtownymi zmianami; nierównomierny jest więc również
wytwarzany moment napędowy. Nierównomierność ruchu silnika
(prędkości obrotowej) jest jednak znacznie niniejsza dzięki bezwładności
wirnika połączonego z obciążeniem, tak że praktycznie o parametrach
ruchu silnika decyduje wartość średnia wytwarzanego momentu.
Przekształtniki wykazują wiele zalet, m.in. możliwość sterowania silników
o bardzo dużej mocy (nawet rzędu megawatów), dużą sprawność, dobre
właściwości dynamiczne, dużą trwałość (ze względu na brak części
ruchomych), możliwość zasilania z sieci prądu przemiennego bez
konieczności stosowania zasilaczy (prostowników). Przekształtniki
umożliwiły znaczne rozszerzenie zakresu zastosowań silników prądu
przemiennego.