Независимо от используемого метода конечной целью проектирования является разработка надежно и правильно функционирующей системы.

Если в недавнем прошлом основное внимание уделяли созданию систем, имеющих минимальное количество элементов, то в настоящее время больше внимания уделяется повышению надежности в работе и удобству обслуживания. Последнее достигается в ходе логического проектирования, в результате которого последовательность работы системы находит отражение в сравнительно легко читаемых схемах и технической документации. В этом случае система проектируется в соответствии с определенной процедурой, при которой роль человеческого фактора уменьшается. Однако во многих случаях при логическом проектировании в системе используется гораздо большее количество элементов, чем при интуитивном проектировании, что может отрицательно сказаться на надежности и стоимости системы.

Дополнительные затраты на покупку большего количества элементов и их монтаж очень часто компенсируются экономией времени как на стадии проектирования, так и при последующем обслуживании системы управления.

Очевидно, что в каждом конкретном случае следует правильно выбирать метод проектирования, чтобы получить максимально достижимый положительный результат.

Так, например, если система управления проектируется для единичного объекта управления, или для небольшой серии, и есть большая вероятность того, что заказ на проектирование не повторится, то гораздо правильнее использовать метод логического проектирования.

Если же система управления проектируется, например, для массового производства, когда стоимость материалов и комплектующих изделий выходит на одно из первых мест при определении общей эффективности системы, то, очевидно, проектирование лучше провести с максимальным привлечением интеллектуального потенциала высоко квалифицированных специалистов.

Очень часто в схемах управления требуется при подаче какого-либо сигнала изменить и зафиксировать на длительное время новое состояние схемы. С этой целью применяются блоки памяти.

Простейшим элементом памяти является реле с блок-контактом (с «самоподхватом»). При кратковременном срабатывании кнопочного переключателя S1 (рис. 2.1) включается обмотка реле К1, и его контакт К1, подключенный параллельно переключателю S1, замыкаясь, удерживает реле постоянно включенным даже при выключенной кнопке S1.

Недостаток такой схемы заключается в том, что реле остается включенным после нажатия кнопки S1 до тех пор, пока оно подключено к источнику питания. Этого можно избежать, если установить в цепь контакта К1 дополнительный переключатель для его принудительного размыкания, и сделать двумя способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

На рис. 2.2 показан способ, называемый «способом с доминирующим включением». При нажатии на кнопку S1 ток подается на обмотку К1, которая включает контакт К1, и ток идет параллельными путями – через замкнутый контакт кнопки S1 и через контакт К1. При отпускании кнопки S1 контакт К1 остается замкнутым, т.к. через обмотку К1 его реле продолжает идти ток. Для прекращения прохождения тока, питающего обмотку реле К1, нужно нажать на кнопку К2, которая разорвет цепь питания обмотки К1, и контакты К1 разомкнутся.

Если одновременно нажать и удерживать обе кнопки S1 и S2, то реле будет оставаться включенным, поэтому такая схема и названа «с доминирующим включением».

Это не всегда полезно, т.к., например, при заклинивании кнопки S1 реле и, соответственно, агрегат, которым оно управляет, невозможно выключить нажатием на кнопку S2, что может привести к аварии.

Поэтому, если необходимо в любом случае иметь возможность отключить реле нажатием на кнопку S2, применяется схема (рис. 2.3), получившая название «с доминирующим выключением»

В этой схеме при одновременном нажатии и удержании кнопок S1 и S2, которые включены последовательно, обмотка реле К1 оказывается обесточенной, а само реле – выключенным. При этом говорят, что кнопка S2 доминирует над кнопкой S1.

Часто в схемах управления используют блоки переключения. С их помощью можно реализовывать сложную логическую последовательность, изменять направление вращения электродвигателей, включать и выключать лампы и звуковые сигналы, отображающие состояние элементов схемы. Они имеют три контакта – один входной и два выходных. На схеме (рис. 2.4) показан блок переключения с переключающимся контактом, который служит для поочередного включения двух ламп (L1 и L2), отражающих состояние реле К1.

	Рис. 2.3. Схема реле с блок‑кон- тактом и доминирующим выключением		Рис. 2.4. Схема индикатора состояния с блоком переключения

До нажатия на кнопку S1 (пуск некоторой управляемой системы) горит лампа L1 (например, зеленая), которая сигнализирует о предстартовом состоянии системы (ток на лампу подается через нормально замкнутые контакты 6,7).

При нажатии на кнопку S1 ток подается на обмотку реле К1, которое остается включенным, благодаря включившимся контактам К1 (контактная пара 4,5) даже после отпускания кнопки S1. При этом контакты 6,7 размыкаются, а контакты 6,8 – замыкаются. Лампа L1 гаснет, а лампа L2 загорается, показывая, что управляемая система включена.

В примерах, изображенных на рис. 2.1 – 2.3, штриховыми линиями условно показаны лампы, играющие роль сигнализаторов состояния системы. Вместо ламп в схему могут быть включены обмотки электромагнитов, управляющих положением золотников пневмораспределителей. В основу функционирования таких систем, обладающих «памятью», заложен принцип «запирания» сигнала управления, что достигается применением реле с самоблокировкой. Такое решение можно использовать для распределителей с односторонним электромагнитным управлением, которые являются моностабильными элементами. Они остаются включенными только в случае «запирания» сигнала, обеспечивающего подачу тока на их электромагнит.

Альтернативное решение заключается в применении бистабильных распределителей, обладающих свойством «запоминания» сигнала. Эти распределители, которые иногда называют «импульсными», имеют двустороннее управление (электромагниты установлены с двух сторон золотника) и поэтому остаются в том положении, в которое их переключил последний управляющий сигнал, даже если действие этого сигнала прекратилось. В другое положение они переключаются только после появления сигнала на другом электромагните.

Сигналы, управляющие такими распределителями, могут быть очень непродолжительными по времени (10 ‑ 25 мс), поэтому отпадает необходимость их самоблокировки. Схема управления получается проще, но каждый распределитель должен иметь по два электромагнита.

Такие схемы предпочтительнее в случае существования возможности отключения электропитания. Например, их лучше применять в зажимных устройствах, когда отключение электроэнергии не вызывает размыкания зажимного устройства.

Пример такой системы приведен на рис. 2.5. Здесь решается следующая задача. При кратковременном нажатии на кнопку шток цилиндра должен выдвинуться и оставаться в таком положении до тех пор, пока не будет нажата другая кнопка при отпущенной первой кнопке. В этом случае шток должен втянуться и оставаться в таком положении (назовем его начальным) до тех пор, пока снова не будет нажата первая кнопка.

Кроме того, скорость перемещения цилиндра должна регулироваться независимо от направления его движения.

	Рис. 2.5. Схемы управления движением штока цилиндра двустороннего действия с использованием бистабильного 5/2 пневмораспределителя: а – пневматическая схема, б – электрическая схема (условно размещена рядом с пневматической)

При кратковременном нажатии на кнопку S1 подается напряжение на электромагнит Y1 распределителя 1.1, который переключается (золотник смещается вправо), и сжатый воздух через отверстия 1‑4 попадает в левую часть цилиндра 1.0 (в поршневую полость), поршень со штоком движется вправо (шток выдвигается). При этом из правой части цилиндра (из штоковой полости) воздух вытекает (стравливается) через отверстия 2‑3 в атмосферу. Даже если сигнал на Y1 исчезнет, распределитель 1.1 останется в данной позиции, и поршень со штоком продолжит движение до тех пор, пока не появится сигнал от нажатия на кнопку S2.

Если после нажатия на кнопку S1 продолжать ее удерживать и нажать на кнопку S2, то состояние пневмосхемы не изменится, и шток будет продолжать выдвигаться. Это произойдет потому, что при нажатых обеих кнопках на золотник распределителя 1.1 будут действовать равные и противоположно направленные силы, и золотник останется неподвижным.

При отпущенной кнопке S1 и нажатой кнопке S2 напряжение подается только на электромагнит Y2, в результате чего золотник распределителя 1.1 перемещается влево (это положение показано на рис. 2.5.), и сжатый воздух через отверстия 1‑2 попадает в штоковую полость цилиндра 1.0. При этом шток втягивается, а воздух из поршневой полости стравливается в атмосферу через отверстия 4‑5 золотника.

В пневматической схеме для регулирования скорости перемещения поршня со штоком использованы дроссели с переменным сопротивлением и обратным клапаном. Они свободно пропускают воздух в одном направлении (в данной схеме – на входе воздуха в цилиндр) и оказывают определенное настройкой сопротивление при движении воздуха в другом направлении (при стравливании). Дроссель 1.01 управляет скоростью втягивания штока, а дроссель 1.02 – скоростью его выдвижения. Такой способ регулирования называется дросселированием на выходе.

В большинстве случаев рекомендуется применять непрямое управление электромагнитами Y1 и Y2, т.е. управление через контакты реле. При этом не происходит чрезмерной нагрузки на контакты переключателей (в данном примере – кнопок S1 и S2) и уменьшается риск образования на них электрической дуги.

В том случае, если есть необходимость в подтверждении достижения штоком крайних положений, в электрическую схему необходимо включить сигнал (лампу или гудок), соединенный последовательно через нормально открытые контакты концевого выключателя. Если необходимо прекратить выдвижение или втягивание штока при достижении крайних положений, то нормально закрытые контакты конечного выключателя необходимо включить последовательно в цепь подачи тока на электромагнит (рис. 2.6).

Свойством «запоминать» управляющий сигнал обладают как 4/2, так и 5/2 распределители с двусторонним управлением, хотя чаще используются последние, обеспечивающие возможность независимого дросселирования воздуха, вытекающего из обеих полостей цилиндра двустороннего действия. Эти распределители остаются в последней позиции переключения до появления противоположного сигнала, в связи с чем сигналы могут быть непродолжительны по времени.

Иногда изменение направления движения исполнительного органа пневмосистемы должно быть связано не только с достижением какого-либо положения, но и с дополнительными условиями, например – с давлением сжатого воздуха, которое характеризует усилие, с которым исполнительный орган воздействует на объект. Наиболее часто такое условие возникает при использовании сжатого воздуха для привода силовых механизмов (штамповка, гибка, клеймение деталей и т.д.).

Пусть, например, пневматический цилиндр используется в приводе устройства для клеймения пластмассовых деталей, и для получения нормального оттиска без разрушения детали необходимо обеспечить вполне определенное усилие на штоке. Пуансон, приводимый в действие штоком, перемещается в направлении детали при нажатии кнопки. При достижении некоторого положения, определяемого положением детали, шток должен развить некоторое усилие в направлении детали, то есть на поршень должно действовать вполне определенное давление сжатого воздуха.

	Рис. 2.7. Пневматическая (а) и электрическая (б) схемы одновременного управления по положению и по давлению цилиндра двойного действия

Для подтверждения прихода штока в нужное положение можно использовать геркон, установленный на цилиндре. Оператор должен иметь возможность настроить усилие, с которым действует шток, т.е. – настроить давление, действующее на поршень. С этой целью может быть использован пневмоэлектрический (ПЭ) преобразователь (рис. 2.7).

При нажатии на кнопку S1 ток поступает на обмотку реле К1, которая включает контакт К1, замыкая электрическую цепь, питающую электромагнит Y1 5/2-рас-пределителя 1.1 с двусторонним управлением.

Золотник распределителя 1.1 перемещается вправо, и сжатый воздух попадает в поршневую полость, заставляя шток цилиндра 1.0 выдвигаться вправо.

Одновременно давление сжатого воздуха поступает в ПЭ-преобразователь В1.

Когда шток достигает крайнего положения, включается геркон В2, а при достижении заранее заданного давления – преобразователь В1. Их контакты, включенные последовательно, замыкаются, пропуская ток через обмотку реле К2, в результате чего замыкается контакт К2 и срабатывает электромагнит Y2, который перемещает золотник распределителя влево (в исходное положение), и шток начинает втягиваться.

Если давление, поступающее на ПЭ-преобразователь, не достигнет заданного значения, настраиваемого регулировочной пружиной или шток цилиндра на своем пути встретит препятствие, мешающее ему выдвинуться на заданную герконом В2 величину, шток не втянется, т.к. не замкнутся оба контакта В1 и В2.

Для удобства настройки ПЭ-преобразователя на нужное давление срабатывания на подводящем трубопроводе рекомендуется установить манометр.

Разработка систем с несколькими цилиндрамитребует глубокого понимания задачи управления. Как правило, последовательность срабатывания исполнительных устройств в этом случае удобно представлять графически, в виде диаграммы «перемещение – шаг». Кроме того, достаточно четко должны быть определены и дополнительные условия: подтверждение нахождения исполнительного органа в заданном положении, начальные условия и т.д.

Процесс проектирования и разработки схемы зависит, главным образом, от сложности будущей системы. Например, для систем с широким использованием бистабильных элементов (распределителей с двусторонним электромагнитным управлением) общей проблемой является появление сигналов, надолго «запирающих» один из электромагнитов. Это влечет за собой необходимость использования дополнительных реле и концевых выключателей, контакты которых в нужный момент замыкают или размыкают соответствующие цепочки подачи тока на управляющие элементы. Для других способов прерывания сигналов используются входные элементы с фиксацией, ломающиеся роликовые рычаги на концевых выключателях, таймеры и цепи прерывания памяти (рис. 2.8).

В качестве примера использования двух исполнительных органов (например, двух цилиндров) рассмотрим устройство для перемещения деталей штоком цилиндра 1.0 из магазина на промежуточную позицию, откуда она потом сталкивается цилиндром 2.0 в тару для упаковки (рис. 2.9, 210). Как только деталь попадает в тару для упаковки, сначала втягивается шток цилиндра 1.0, а затем – цилиндра 2.0. Скорость движения обоих цилиндров должна регулироваться в обоих направлениях, требуется подтверждение всех конечных положений штоков.

Управление последовательностью действия цилиндров удобно организовать с использованием герконов.

		Рис. 2.9. Пример использования двух силовых цилиндров для перемещения деталей: а – эскиз объекта управления, б – диаграмма «перемещение – шаг» (циклограмма)

Условиями старта процесса являются возвращение штока цилиндра 2.0 в исходное положение и нажатие кнопки S5 (рис. 2.10).

Чтобы определить место расположения концевых выключателей (в данном примере – герконов), которые управляют последовательностью действий, нужно учитывать текущее состояние и желаемую реакцию системы. Для данной задачи это может быть представлено следующим образом (табл. 2.1):

Таблица 2.1

Состояние системы и реакция ее элементов