ПРОГРАММНАЯ МАТРИЦА ДЛЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к автоматике и может быть использована для программно-перенастраиваемых контроллеров и регуляторов с относительно медленно меняющимися во времени сигналами в системах управления с повышенными требованиями к пожаро- и взрывобезопасности, радиационной стойкости и др. Устройство может найти применение в системах управления химико-технологическими процессами, в теплоэнергетике и горном деле, в системах пневмотранспорта, для управления мобильными объектами различного назначения, а также в качестве низшего уровня систем управления как пневматических, так и гибридных схем. Применение программной матрицы в качестве одной из подсистем управления технологическим процессом нижнего уровня позволит значительно упростить структуру верхних уровней управления. Одна программная матрица может применяться для программного управления нескольких пневматических комплексов одновременно.
Известен комплекс «Цикл», в котором, например, использован командно-циклический субблок П-1213 для реализации жесткой последовательности из 8 операций: здесь размещены 8 однотипных ячеек, каждая из которых является триггером с раздельными входами. Ячейки скоммутированы между собой таким образом, что сброс предшествующей подготавливает взвод последующей - этим определяется последовательный перебор выходов. Осуществление разветвления на каждом шаге обегания требует существенного усложнения структуры и, тем самым, конструкции устройства (см. Ефремова Т.К. и др. Пневматические комплексы технических средств автоматизации. - М.: Машиностроение, 1987, с.130-140).
Недостатками известного комплекса «Цикл» являются:
- необходимость наличия многих отдельных ячеек, в совокупности образующих программное устройство;
- ограниченность глубины программирования (не более 8 команд), предопределяемая конструкцией и структурой устройства;
- сложность управления многоприводными устройствами, где разветвление на каждом этапе может быть достигнуто только за счет установки соответствующего количества промежуточных усилителей и распределителей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой модели является пневматический модуль управления, представляющий собой программную матрицу с 12 входами и 10 выходами, позволяющую формировать любую программу включения исполнительных устройств, подключенных со стороны выходов матрицы через промежуточные пневмо-реле. Конструктивно матрица выполнена в виде платы с 10-ю выходными каналами, на которой размещено 10×6 специальных двухвходовых клапанов, открытие которых осуществляется особыми общими приводами, соединенными с входными каналами. Двухвходовый клапан представляет собой корпус, в торцах которого расположены сопла пневмопреобразователей типа «сопло-заслонка», направленные вовнутрь корпуса; к соплам под действием находящейся в корпусе пружины прижимаются заслонки, отвод каждой из которых от соответствующего сопла возможен лишь при установке между заслонками и соответствующими приводами особых легкосъемных толкателей. Внутренняя полость двухвходового клапана и соответствующий ему выходной канал находятся под давлением воздуха, подаваемого из пневмомагистрали через индивидуальный для каждого из выходных каналов дроссель.
Действие матрицы заключается в том, что подача командного пневмоимпульса (давление воздуха) в тот или иной канал вызывает перемещение привода, который через приводимые им в движение толкатели воздействует на заслонки двухвходовых клапанов, отводя их от сопел, при этом внутренние полости клапанов сообщаются с атмосферой, что вызывает падение давления в соответствующих выходных каналах. Снятие толкателя
исключает возможность воздействия привода на соответствующую заслонку: таким образом, программирование матрицы осуществляется установкой или снятием толкателей при определенных заслонках (см. Ефремова Т.К. и др. Пневматические комплексы технических средств автоматизации. - М.: Машиностроение, 1987, с.225, рис.120).
Недостатками рассмотренной конструкции, состоящей из 60 сдвоенных, иначе двухвходовых, клапанов с 120 толкателями и 120 прецизионно исполняемых узлов типа «сопло-заслонка» с 12 общими приводами (каждый на группу из 10 толкателей) и 10 дросселей, является ее значительная конструктивная сложность: наличие общего привода на множество толкателей (в данном случае на 10 толкателей), становится препятствием на пути увеличения размерности матрицы при сохранении требуемого уровня ее надежности.
Таким образом, целью разработки полезной модели является упрощение конструкции программой матрицы.
Поставленная цель достигается тем, что в программной матрице для пневматических систем управления дискретного действия, размером m x n, содержащей корпус, в котором выполнено n входных и m выходных каналов, на пересечениях которых установлены активные элементы, согласно модели. Корпус выполнен в виде пакета из 3 плит, верхняя из которых имеет n входных и m выходных сквозных отверстий и служит коммутационной панелью для подключения n входных и m выходных пневмопроводов и содержит электропневматические клапаны, расположенные у сквозных выходных отверстий и систему из m выходных и m/2 промежуточных каналов, средняя плита имеет n сквозных входных отверстий, m сквозных соединительных отверстий и (3/2)×m×n+m сквозных гнезд для установки такого же количества в сумме основных и вспомогательных активных элементов, при этом в качестве активных элементов используют ниппельные обратные клапаны, а пробки-заглушки установлены на неработающих пересечениях входных каналов с выходными и промежуточными каналами, и
m сквозных соединительных отверстий, нижняя плита имеет n входных каналов и m каналов-перемычек.
Предлагаемое устройство имеет по сравнению с известными в данной области техники решениями следующие конструктивные отличительные признаки:
- выполнение корпуса программой матрицы в виде пакета из 3 плит;
- непосредственное размещение n входных каналов и m каналов-перемычек в нижней плите;
- непосредственное размещение (3/2)×m x n+m сквозных гнезд для установки в них основных и вспомогательных активных элементов или пробок-заглушек вместо неработающих основных активных элементов, а также m сквозных соединительных отверстий в средней плите;
- использование верхней плиты в роли коммутационной панели путем выполнения в ней n входных и m выходных сквозных отверстий, m выходных и m/2 промежуточных каналов, а также размещения в ней m электропневмоклапанов с таким же количеством систем дренажных каналов;
- размещение вспомогательных активных элементов между промежуточными каналами и каждым из соседних с ними выходными каналами;
- использование в качестве основных и вспомогательных активных элементов ниппельных обратных клапанов;
- использование пробок-заглушек для исключения передачи командных воздействий в соответствующих неработающих узлах матрицы (пересечениях входных каналов с промежуточными каналами);
- использование в конструкции матрицы электропневматических клапанов.
Совокупность вышеуказанных отличительных признаков обеспечивает программной матрице упрощение конструкции путем уменьшения общего количества основных активных элементов и ликвидации их приводов, что способствует повышению надежности работы матрицы, позволяет
многократно увеличить ее размерность. Использование в конструкции матрицы электропневматических клапанов, управляемых подсистемой более высокого уровня, позволит реализовать необходимые временные задержки или синхронный сброс пневмокоманд.
Сущность предлагаемой модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструкция предлагаемой матрицы - общий вид сверху, на фиг.2 - разрезы фиг.1 по А-А и В-В; на фиг.3, 4, 5 изображены конструкции составляющих матрицу плит (фиг.3 - вид верхней плиты со стороны плоскости разъема со средней плитой, на фиг.4 вид средней плиты со стороны плоскости разъема с верхней плитой, на фиг.5 вид нижней плиты со стороны плоскости разъема со средней плитой); фиг.6 иллюстрирует принцип геометрического кодирования, используемого в конструкции предлагаемой матрицы; на фиг.7 в аксонометрии отображена динамика прохождения пневмокоманды от одного из входов в выходные каналы матрицы, имеющей размерность прототипа.
Предлагаемая программная матрица (см. фиг.1, 2) представляет собой стянутый болтами пакет из 3 плит. В верхней плите 1 (коммутационной панели) расположены сквозные выходные отверстия 2 для закрепления m выходных пневмопроводов (не показаны), m выходных каналов 3 и m/2 промежуточных каналов 4, сгруппированных так, что на каждую пару выходных каналов 3 приходится один промежуточный канал с Т-образным разветвлением. В этой же плите 1 расположены сквозные входные отверстия 5 для закрепления входных пневмопроводов (не показаны). В сквозных гнездах 6 плиты 1 установлены электропневмоклапаны 7 для управляемого выпуска воздуха из выходных коммуникаций в атмосферу через систему дренажных каналов 8 и 9.
Средняя плита 10 имеет (3/2)×m×n сквозных гнезд 11 для установки пробок-заглушек 12 или основных активных элементов (ниппельных обратных клапанов) 13, n сквозных входных отверстий 14, продолжающих сквозные входные отверстия 5 верхней плиты 1, m сквозных гнезд 16 для
установки в них вспомогательных активных элементов (ниппельных обратных клапанов) 17. Расположение вспомогательных ниппельных обратных клапанов предусматривает минимальный объем каналов выходной пневмотрассы для обеспечения максимальной частоты работы программной матрицы.
В нижней плите 18 выполнено n входных каналов 19 и m каналов-перемычек 20.
Конструкция ниппельных обратных клапанов, применяемых в качестве основных 13 и вспомогательных 17 активных элементов, достаточно хорошо известна и не требует дополнительных описаний.
Герметичность соединений в конструкции обеспечивается установкой уплотнительных шайб под активными элементами 13 или пробками-заглушками 12 (на фиг.1, 2 вышеуказанные шайбы не показаны), а также уплотнительными прокладками между плитами (на фиг 1, 2 не показаны).
Используемый в разработанной конструкции принцип так называемого геометрического кодирования заключается в том, что проводимость в двух соседних узлах может быть обеспечена одним основным активным элементом, устанавливаемым на пересечении входного и промежуточного каналов, связанного с двумя соседними выходными каналами вспомогательными активными элементами, что может быть проиллюстрировано упрощенной схемой (см. фиг.6). Запрограммированная здесь передача поступающего по входному каналу 19 командного пневмоимпульса в выходные каналы 3, дополнительно обозначенные индексами a, f, g, j происходит через основные активные элементы 13 установленные в сквозных гнездах 11, расположенных между входным каналом 19 и выходными каналами 3 с дополнительными индексами а и f, а также через основной активный элемент 13, установленный в сквозном гнезде 11, расположенном между входным каналом 19 и промежуточным каналом 4 с индексом h, из которого через вспомогательные активные элементы 17 пневмоимпульс одновременно подается в оба соседних
выходных канала 3 с индексами g и j. Подача командного пневмоимпульса в остальные выходные каналы предотвращается установкой в остальных сквозных гнездах 11 пробок-заглушек 12, а переток пневмоимпульса из «работающего» выходного канала 3 в «неработающий» (из канала с индексом а в канал с индексом s и из канала с индексом f в канал с индексом d) исключается запирающими свойствами вспомогательных активных элементов 17.
Рассмотрим функционирование предлагаемой матрицы с размерностью прототипа, где запрограммировано появление командного пневмоимпульса на 22, 23, 25, 26 и 30 выходах при его подаче на i-й вход матрицы. В этом случае командный пневмоимпульс (см. фиг.7) через i-e сквозное отверстие 5 верхней плиты 1 и сквозное отверстие 14 средней плиты 10 попадает в i-й входной канал 19, выполненный в нижней плите 18, откуда, через установленные в сквозных гнездах 11 средней плиты 10 основные активные элементы 13 проходит непосредственно в 22, 23 и 30 выходные каналы 3 в верхней плите 1; командный пневмоимпульс также через установленный в сквозном гнезде 11 средней плиты 10 основной активный элемент 13 попадает в промежуточный канал 4, расположенный в верхней плите 1 и находящийся между 25 и 26 выходными каналами 3, далее заходит в Т-образное разветвление указанного промежуточного канала и одновременно поступает к вспомогательным активным элементам 17, расположенным в сквозных гнездах 16 средней плиты 10, через которую далее параллельно проходит по каналам-перемычкам 20, находящимся в нижней плите 18 и через сквозные соединительные отверстия 15 средней плиты 10 попадает в 25 и 26 выходные каналы 3 верхней плиты 1. Из 22, 23, 25, 26 и 30 выходных каналов 3 через соответствующие выходные отверстия 2 командный пневмоимпульс поступает в выходные пневмопроводы (не показаны) к пневмоприемникам с теми же номерами (не показаны).
По снятии командного пневмоимпульса с рассматриваемого i-го входа, воздух, заключенный в отверстиях 5 и 14, входном канале 19, выходных
каналах 3 выходов 22, 23, 25, 26 и 30 и подключенных к ним пневмопроводов и исполнительных механизмов стравливается в атмосферу через расположенные в верхней плите 1 дренажные каналы 8 и 9, открытие которых зависит от состояния электропневматических клапанов. В случаях, когда пневмоприемники имеют собственные дренажные системы, электропневматические клапана не подключаются и дренажный канал 9 постоянно перекрыт.
Таким образом, убедившись в работоспособности предлагаемого устройства, отметим, что любая плотность передачи командного пневмоимпульса по любому из выходных каналов в пределе требует использования всего лишь m/2 основных активных элементов; с учетом вспомогательных активных элементов их общая потребность составляет не более (m×n)/2+m вместо m×n их количества в прототипе, что, при неограниченном увеличении размерности программной матрицы позволяет достичь почти 50% экономии активных элементов. Конкретно, в нашем случае, при размерности матрицы прототипа 10×12, вместо 120 активных элементов достаточно иметь (10×12)/2+10=70 активных элементов, т.е. экономится, по меньшей мере, 40% активных элементов от их количества в прототипе.
Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволит обеспечить упрощение конструкции за счет сокращения количества используемых активных элементов и устранения мембранных приводов с толкателями, что приводит к непосредственному повышению надежности работы устройства. Кроме того, дополнительными достоинствами предлагаемой конструкции является возможность значительного увеличения размерности матрицы m×n без заметного снижения ее работоспособности; работа устройства в условиях крайне редкой смены ограниченного количества программ возможно при наличии набора сменных средних плат, где в неработающих узлах сквозные гнезда вообще не выполняются, и следовательно полностью отпадает надобность в пробках-заглушках.
Список литературы
1. Ефремова Т.К. и др. Пневматические комплексы технических средств автоматизации. - М.: Машиностроение, 1987, 280 с.