Technika sprężonego powietrza ma wiele cech, które czynią ją pożądaną w aplikacjach automatycznych. Do istotnych korzyści należy zaliczyć: ogólną dostępność powietrza oraz jego niski koszt, możliwość uzyskiwania dużego zakresu ciśnień i natężeń przepływu sprężonego powietrza oraz wytwarzania nadciśnienia lub podciśnienia w układach pneumatycznych, a także prostą instalację (nie ma przewodów powrotnych czynnika, odpowietrzenie i odprowadzenie zużytego czynnika z układu następuje do otoczenia). Należy też wskazać na bezpieczeństwo i czystość tego typu układu, dużą szybkość działania i osiąganie bardzo dużych prędkości ruchu, łatwość kontrolowania i zabezpieczenia układów przed przeciążeniami oraz uzyskania ruchu prostoliniowo-zwrotnego, a także możliwość uzyskiwania szerokiego zakresu generowanych sił i momentów w przetwornikach energii sprężonego powietrza – siłownikach (napędach liniowych) i silnikach (napędach obrotowych).

Napędy i sterowanie pneumatyczne

W terminologii technicznej stosuje się dwa pojęcia: napędu pneumatycznego oraz sterowania pneumatycznego. Wynika to z faktu wykorzystywania czynnika roboczego, jakim jest sprężone powietrze (lub inny gaz) jako nośnika energii lub nośnika informacji. W pierwszym przypadku dzięki energii wejściowej otrzymywane jest sprężone powietrze, które poprzez wybrany odbiornik (element wykonawczy) wytwarza energię mechaniczną w postaci ruchu liniowego lub obrotowego. W drugim przypadku to samo sprężone powietrze może być wykorzystane w procesie realizowanym przez określoną grupę elementów stosowaną w napędzie pneumatycznym do dalszej pracy układu. W rzeczywistości najczęściej mamy do czynienia z układami pneumatycznymi spełniającymi obie wymienione funkcje.

>>Przewody pneumatyczne w transporcie mediów<<

Napęd pneumatyczny uzyskuje się za pomocą siłowników (zazwyczaj o ruchu prostoliniowym) lub silników pneumatycznych (o ruchu obrotowym). Rozróżnia się mechanizmy pneumatyczne nadciśnieniowe i podciśnieniowe (próżniowe). Nadciśnieniowe zasilane są za pomocą sprężarki, w podciśnieniowych siłę czynną na tłok w cylindrze roboczym wywiera z jednej strony ciśnienie atmosferyczne, podczas gdy druga strona cylindra połączona jest z pompą próżniową.

Sterowanie pneumatyczne to oddziaływanie w określony sposób na obiekt sterowania za pomocą sprężonego powietrza jako energetycznego nośnika informacji. Pneumatyczne urządzenia sterujące, potocznie nazywane zaworami pneumatycznymi, są stosowane w części wykonawczej i w tzw. części centralnej układów pneumatycznych. W części wykonawczej urządzenia te sterują energią sprężonego powietrza kierowaną do pneumatycznych urządzeń napędowych. W części centralnej układów pneumatycznych urządzenia sterujące służą głównie do przetwarzania informacji w postaci sygnałów pneumatycznych. Urządzenia pneumatyczne związane z częścią centralną układów nazywa się potocznie elementami automatyki pneumatycznej.

Jak działa automatyka pneumatyczna?

Siłowniki pneumatyczne stanowią obecnie jeden z najpopularniejszych elementów wykonawczych w automatyce. Stosuje się je głównie we wszelkiego rodzaju maszynach i urządzeniach automatyki przemysłowej, gdzie wykorzystywane są do wykonywania różnych ruchów, jak przesuwanie, obracanie, pozycjonowanie czy mocowanie. Spotkać je można w wielu branżach, m.in. w maszynach obróbczych, robotach przemysłowych, manipulatorach, w przemyśle spożywczym, przy transporcie, pakowaniu, sortowaniu. Pełnią zwykle funkcję podajników lub urządzeń dociskowych, elementów do otwierania zasuw, zaworów, klap, drzwi itp.

Zasada działania siłowników pneumatycznych opiera się na przemieszczaniu tłoka lub obrocie wałka pod wpływem doprowadzanego sprężonego powietrza. W siłownikach o ruchu posuwisto-zwrotnym powietrze może być jednocześnie odsysane z drugiej strony tłoka (tłoczyska), aby zwiększyć efektywność jego pracy. Siłowniki takie występują w dwóch podstawowych wykonaniach – jako jednostronne (ciągnące lub pchające) oraz jako elementy działające dwustronnie. Jeśli chodzi o ich rozmiary (średnicę i długość tłoka), to nie występują tu niemal żadne ograniczenia – układy te dostępne są w wielu wersjach: od miniaturowych (milimetrowe średnice i długości) do dużych (tłoki o długościach kilku metrów i większych). Typowe siły wytwarzane przez siłowniki pneumatyczne wynoszą od kilkuset niutonów do kilku kiloniutonów, przy czym dostępne są również, choć rzadko stosowane, rozwiązania o znacznie większych siłach, ustępujące jednak miejsca siłownikom hydraulicznym.

Obudowy i tłoki siłowników pneumatycznych wykonuje się głównie z odlewów aluminiowych, ewentualnie ze stali nierdzewnej lub chromowanej. Ze względów ekonomicznych często tylko niektóre najbardziej narażone na szkodliwe warunki części siłowników wykonane są ze stali jakościowych (tłoczyska, tuleje, śruby ściągające, nakrętki).

W układach automatyki, w których wymagane jest potwierdzenie wykonania cyklu roboczego siłownika, stosowane są napędy wyposażone w magnes zabudowany w tłoku. Umożliwia to zamontowanie bezstykowych czujników położenia tłoka, które wykorzystują pole magnetyczne do generowania sygnałów elektrycznych stanowiących informację o stanie obiektu w układach sterowania i regulacji.

Żywotność siłowników pneumatycznych podawana jest w sumarycznej długości wykonanych ruchów lub w milionach cykli, a wynosi ona nawet do kilkunastu tysięcy kilometrów i kilkudziesięciu milionów cykli. Innym ważnym elementem układu pneumatycznego są zawory. Ich zadaniem jest sterowanie kierunkiem przepływu czynnika roboczego w pneumatycznych układach napędowych i sterujących. Zmiana kierunku przepływu odbywa się w zależności od konstrukcji zaworu rozdzielającego za pomocą ruchomego suwaka, płytki rozdzielającej lub grzybka. W układach sterowania pneumatycznego zawory są wykorzystywane do przemieszczania elementów wykonawczych, realizowania funkcji sterujących, regulacyjnych i logicznych.

Systemy pneumatyczne w czwartej rewolucji przemysłowej

Wydawałoby się , że w czasie rozwijającego się Przemysłu 4.0 korzystanie ze sprężonego powietrza w automatyce przemysłowej jest przestarzałe. Nic bardziej mylnego – producenci elementów i systemów pneumatycznych wykorzystują innowacje, aby sprostać wymaganiom stawianym urządzeniom pracującym w inteligentnych fabrykach. Układy pneumatyczne wyposaża się w odpowiednie sensory, które pozwalają na kontrolę działania oraz komunikację z innymi urządzeniami. Zastosowana elektronika umożliwia także decentralne sterowanie takim układem.

Kolejne ciekawe rozwiązanie to wyspy zaworowe, czyli kompleksowe moduły sterujące składające się z zespołu bloku przyłączeniowego (z zaworami) lub z bloku zaworów i akcesoriów elektrycznych, takich jak łączniki, gniazda itd. Zintegrowane zestawy zaworów sterowane są z użyciem pojedynczego połączenia, co pozwala oszczędzić przestrzeń montażową i koszty dzięki redukcji liczby przyłączy. Miniaturyzacja i efektywność energetyczna są ważnymi aspektami branymi pod uwagę w smartfabrykach, więc konstruktorzy rozwiązań pneumatycznych uwzględniają te czynniki, tworząc projekty ocierające się czasem o nanotechnologię.

 MM INFO

Sprężony gaz w natarciu

Pierwszy cylinder pneumatyczny skonstruował Kurt Stoll, syn jednego z założycieli firmy Festo, w 1955 r. Dostrzegł on możliwości wykorzystania sprężonego powietrza w 1950 r. podczas wizyty na targach w Chicago. Mimo niezaprzeczalnych zalet napędów pneumatycznych konstruktorzy Festo przez wiele lat musieli przekonywać i edukować swoich klientów w tej kwestii. I udało się – od lat 60. XX w. dostrzegalny jest szybki i stały wzrost liczby dziedzin, w których wykorzystuje się technikę sprężonego gazu, a także producentów oferujących pojedyncze elementy układów, jak i całe gotowe podsystemy pneumatyczne.