ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ ПРОГРАММНОЕ УСТРОЙСТВО
PNEUMATIC PROGRAMME DEVICE

Изобретение относится к техническим средствам автоматизации и может быть использовано в пневматических системах автоматического управления.
Известны пневматические программные устройства, в которых формирование управляющих сигналов (команд) производится с помощью программоносителя, выполненного в виде жесткой перфокарты, связанной со штоком цилиндра («Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления». Выпуск 6. Под ред. Е.В.Герц, М.: Машиностроение, 1979, с.168).
Известны устройства, в которых управляющие сигналы формируются с помощью ряда датчиков, установленных на перемещающемся органе и воздействующих, например, на неподвижный контакт (Авторское свидетельство №1826637, кл. F15B 15/28, опубликовано бюл. №20 от 20.07.95) или с помощью одного перемещающегося конечного выключателя, на который воздействуют упоры, предварительно установленные в заданных положениях (Авторское свидетельство №339907, кл. G05B 19/44, опубликовано бюл. №17 от 01.01.72).
Недостатком этих устройств является их сложность, что влияет на надежность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является пневматическое программное устройство, содержащее цилиндр с отверстиями вдоль его образующей, поршень со штоком, установленный в цилиндр с образованием поршневой и штоковой полостей, каждая из которых имеет подводящий канал, триггер с раздельными входами, струйные дискретные моностабильные элементы ИЛИ-НЕ в количестве, равном числу отверстий в цилиндре, и устройство задания программы (Патент №2350791, кл. F15B 15/28, опубликовано бюл. №9 от 23.03.09).
Это устройство обладает рядом недостатков. Во-первых, в данном устройстве получение значительных усилий на штоке связано с определенными трудностями, так как перемещение поршня осуществляется сжатым воздухом, поступающим непосредственно от струйного элемента. Во-вторых, работа устройства связана с большими энергозатратами, причем чем больше рабочее давление, тем больше энергозатраты. Это связано с тем, что при втягивании штока расходуется значительное количество сжатого воздуха, который через отверстия в цилиндре и струйные элементы стравливается в атмосферу. В-третьих, надежность работы устройства может быть недостаточной при большом числе позиций. Это связано с тем, что при увеличении числа точек позиционирования уровень управляющих сигналов на входах струйных элементов уменьшается, так как при выдвижении штока расход воздуха осуществляется через все отверстия цилиндра.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей, уменьшение энергозатрат, повышение надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в пневматическом программном устройстве, содержащем цилиндр с отверстиями вдоль его образующей, поршень со штоком, установленный в цилиндр с образованием поршневой и штоковой полостей, струйный триггер с раздельными входами, струйные дискретные моностабильные элементы ИЛИ-НЕ в количестве, равном числу отверстий в цилиндре, и устройство задания программы, штоковая полость сообщается с выходом четырехлинейного пневмораспределителя, соответствующим входу питания этого пневмораспределителя, поршневая полость сообщается со вторым выходом четырехлинейного пневмораспределителя, вход управления четырехлинейного пневмораспределителя связан с выходом пневмоусилителя, каждое из отверстий цилиндра связано с входом питания соответствующего управляемого клапана, выход каждого управляемого клапана связан с соответствующим входом струйного многовходового элемента ИЛИ-НЕ, вход управления каждого управляемого клапана связаны с инверсным выходом соответствующего струйного дискретного моностабильного элемента ИЛИ-НЕ, инверсный выход струйного многовходового элемента ИЛИ-НЕ связан с управляющим входом струйного элемента И, второй управляющий вход струйного элемента И связан с выходом элемента задержки, выход струйного элемента И связан с управляющим входом струйного триггера с раздельными входами, выход струйного триггера с раздельными входами, сигнал единичного уровня на котором устанавливается при поступлении сигнала единичного уровня с выхода струйного элемента И, связан с управляющими входами струйных дискретных моностабильных элементов ИЛИ-НЕ, второй выход струйного триггера с раздельными входами связан с входом пневмоусилителя и входом элемента задержки, второй управляющий вход каждого струйного дискретного моностабильного элемента ИЛИ-НЕ связан с устройством задания программы, причем второй переключающий вход струйного триггера с раздельными входами служит для подачи управляющего сигнала на выдвижение штока, а установочный вход этого триггера служит для подачи сигнала на первоначальную установку устройства в исходное положение.
Введение в состав устройства четырехлинейного пневмораспределителя позволяет получать на штоке значительные усилия, зависящие только от величины давления сжатого воздуха, подводимого к пневмораспределителю. Это расширяет функциональные возможности устройства.
Применение управляемых клапанов и струйных элементов с соответствующими связями уменьшает энергозатраты (расход сжатого воздуха) и увеличивает надежность устройства. Уменьшение энергозатрат обусловлено тем, что при втягивании штока отсутствует расход сжатого воздуха через отверстия в цилиндре. При выдвижении штока воздух вытесняется только в одно отверстие в цилиндре (на программируемой позиции). Это обеспечивает высокий уровень управляющего сигнала, поступающего на струйный многовходовой элемент ИЛИ-НЕ, что увеличивает надежность. Функциональные возможности возрастают за счет увеличения числа точек позиционирования, количество которых будет ограничиваться только конструктивными соображениями.
На чертеже изображено пневматическое программное устройство.
Устройство включает в себя цилиндр 1, поршень 2 со штоком, установленный в цилиндре 1 с образованием штоковой полости 3 и поршневой полости 4. Полости цилиндра соединяются с выходами четырехлинейного пневмораспределителя 5, который переключается пневмоусилителем 6. Каждое из отверстий цилиндра сообщается с входом питания соответствующего управляемого клапана 7. Выход каждого управляемого клапана 7 связан с соответствующим входом струйного многовходового элемента ИЛИ-НЕ 8, а вход управления каждого управляемого клапана связан с инверсным выходом соответствующего струйного дискретного моностабильного элемента ИЛИ-НЕ 9. Инверсный выход струйного многовходового элемента ИЛИ-НЕ 8 связан с управляющим входом струйного элемента И 10, второй управляющий вход струйного элемента И связан с выходом элемента задержки 11. Выход струйного элемента И связан с управляющим входом струйного триггера с раздельными входами 12. Один из выходов струйного триггера с раздельными входами 12 связан с управляющими входами струйных дискретных моностабильных элементов ИЛИ-НЕ 9. Второй выход струйного триггера с раздельными входами 12 связан с входом пневмоусилителя 6 и входом элемента задержки 11. Второй управляющий вход каждого струйного дискретного моностабильного элемента ИЛИ-НЕ 9 связан с устройством задания программы 13. Второй переключающий вход струйного триггера с раздельными входами 12 служит для подачи управляющего сигнала на выдвижение штока, а установочный вход струйного триггера с раздельными входами 12 служит для подачи сигнала на первоначальную установку устройства в исходное положение.
Пневматическое программное устройство построено на серийно выпускаемой аппаратуре. В качестве пневмораспределителя может быть использован двухпозиционный четырехлинейный пневмораспределитель с пневматическим управлением и пружинным возвратом, например, типа В63-1. В качестве управляемых клапанов могут быть использованы, например, двухпозиционные двухлинейные нормально закрытые пневмораспределители с пневматическим управлением и пружинным возвратом. В качестве прочих элементов могут быть использованы пневматические устройства и струйные элементы серии «ВОЛГА» (см. «Струйные логические элементы и устройства автоматического управления технологическим оборудованием». Отраслевой каталог. Под ред. Э.И.Чаплыгина, М.: ВНИИТЭМР, 1989).
Пневматическое программное устройство работает следующим образом.
После подачи питающей среды (сжатого воздуха) к устройству на установочный вход струйного триггера с раздельными входами 12 поступает кратковременный сигнал единичного уровня (сигнал установки). На выходе струйного триггера с раздельными входами 12, связанного с входами струйных дискретных моностабильных элементов ИЛИ-НЕ 9, устанавливается сигнал единичного уровня. В результате с инверсных выходов струйных дискретных моностабильных элементов ИЛИ-НЕ 9 на входы управления управляемых клапанов 7 поступают сигналы нулевого уровня, и клапаны 7 отключены. На другом выходе струйного триггера с раздельными входами 12 установится сигнал нулевого уровня. Пневмоусилитель 6 отключен, и сжатый воздух от пневмораспределителя 5 поступает в штоковую полость 3. Если поршень не находился в исходном положении, произойдет втягивание штока.
На входах струйных дискретных моностабильных элементов ИЛИ-НЕ 9, связанных с устройством задания программы 13, присутствуют сигналы единичного уровня, за исключением входа элемента, соответствующего требуемой позиции останова при выдвижении штока. Допустим, требуется остановить поршень в i-позиции. В этом случае на вход соответствующего струйного дискретного моностабильного элемента ИЛИ-НЕ 9 от устройства задания программы 13 поступает сигнал нулевого уровня, с помощью которого будет формироваться команда на останов в i-позиции.
Программирование позиции может производиться в ручном режиме, например, с помощью пневмотумблеров. В этом случае устройство задания программы 13 включает в себя набор пневмотумблеров (по одному на каждую позицию). Если в продолжение цикла требуется останавливать поршень со штоком 2 в разных позициях, устройство задания программы 13 может включать в себя, например, сдвигающий регистр, от которого в различных тактах на соответствующие струйные дискретные моностабильные элементы ИЛИ-НЕ 9 поступают сигналы нулевого уровня.
После подачи управляющего сигнала единичного уровня (команда «Вперед») на управляющий вход струйного триггера с раздельными входами 12 триггер переключится. На входах струйных дискретных моностабильных элементов 9, связанных с выходом струйного триггера с раздельными входами 12, установятся сигналы нулевого уровня. На инверсном выходе i-го струйного дискретного моностабильного элемента 9 сформируется сигнал единичного уровня, i-й управляемый клапан 7 переключится, соединив штоковую полость 3 с входом струйного многовходового элемента 8. Одновременно включится пневмоусилитель 6 и переключит пневмопреобразователь 5. Сжатый воздух поступит в поршневую полость 4 и начнется выдвижение штока. Рабочая среда (воздух), вытесняемая поршнем из штоковой полости 3, поступит через i-й управляемый клапан 7 на вход струйного многовходового элемента ИЛИ-НЕ 8 и переключит его. На инверсном выходе этого элемента установится сигнал нулевого уровня, который поступит на вход струйного элемента И 10. Через некоторое время, определяемое настройкой элемента задержки 11, на втором входе струйного элемента И 10 установится сигнал единичного уровня, так как одновременно с началом выдвижения штока на вход элемента задержки 11 начал поступать сжатый воздух с выхода триггера с раздельными входами 12. Элемент задержки 11 необходим для того, чтобы сигнал единичного уровня с выхода триггера с раздельными входами 12 поступил на вход струйного элемента И 10 только тогда, когда после начала выдвижения штока на другом входе элемента И 10 гарантировано установится сигнал нулевого уровня.
При достижении поршнем i-позиции поступление сжатого воздуха на вход струйного многовходового элемента 8 прекратится. Элемент 8 установится в исходное состояние и на инверсном выходе этого элемента сформируется сигнал единичного уровня. Этот сигнал поступает на вход струйного элемента И 10. Струйный элемент И 10 переключится, и на его выходе появится сигнал единичного уровня, который поступит на вход струйного триггера с раздельными входами 12. Триггер с раздельными входами 12 переключится в исходное состояние, отключится i-й управляемый клапан 7, и выключится пневмоусилитель 6. Пневмораспределитель 5 установится в исходное положение. Сжатый воздух поступит в штоковую полость, и начнется перемещение поршня со штоком в исходное положение.
Пневматическое программное устройство обладает большими функциональными возможностями за счет широкого диапазона регулирования хода поршня и усилия на штоке. Устройство экономично, так как при его работе исключен непроизводительный расход сжатого воздуха. Отсутствие в схеме управления датчиков положения и применение в схеме управления струйных элементов, не содержащих подвижных частей, повышает надежность работы устройства.