SISTEME DE ACTIONARE PNEUMATICE – COMPONENTELE SUBSISTEMULUI DE COMANDA - ELEMENTE LOGICE PNEUMATICE

Sursa: Actionari Hidraulice si Pneumatice – Editura Universitara Bucuresti – Autor: Mihai Avram

“Echipamente si sisteme clasice si mecatronice”

În sistemele de acţionare pneumatice omogene din punct de vedere energetic subsistemul de comandă lucrează cu semnale pneumatice. Semnalele pneumatice au un nivel energetic scăzut, de cele mai multe ori presiunea semnalului nedepăşind 2 bar.
Valorile convenţionale „0″ şi „1″ atribuite semnalelor pneumatice corespund unor domenii de presiuni prestabilite. În majoritatea cazurilor aceste domenii sunt:
■ 0…0,2 bar pentru valoarea logică „0″
■ 0,8…1,4 bar pentru valoarea logică „/”. În figura 4.147 sunt puse în evidenţă aceste domenii; se observă totodată existenţa între cele două domenii a unei zone de siguranţă.
Elementele logice pneumatice au rolul de a materializa funcţiile logice elementare. Ele au o funcţionare discretă, o construcţie modulară şi dimensiuni mici de gabarit.

Fig.4.147

Uzual, unui element logic îi sunt caracteristice una sau două intrări (i1 şi i2) şi o ieşire (e). Ieşirea e poate fi “0” sau “1”, în funcţie de semnalele existente la un moment dat la orificiile de intrare şi de ecuaţia logică pe care o materializează elementul respectiv. Semnalul de ieşire poate proveni de la o sursă de presiune constantă, situaţie în care elementul este activ, sau direct dintr-un semnal de intrare, situaţie în care elementul este pasiv.
Există o mare diversitate de elemente logice, care se diferenţiază prin:
■ ecuaţia logică pe care o materializează;
■ modul în care realizează distribuţia;
■ nivelul presiunilor de lucru;
■ valoarea diametrului nominal etc.
Din considerente economice firmele producătoare realizează sisteme logice pneumatice ce cuprind un număr redus (2 – 4) de elemente logice, având în vedere faptul că toate funcţiile logice elementare pot fi materializate prin:
■ cele trei funcţii de bază: NEGAŢIE (NU), DISJUNCŢIE (SAU) şi CONJUNCŢIE'(ŞI);
■ cele două funcţii logice universale: NICI (SAU-NU) şi NUMAI (ŞI-NU), reprezentând contracţia a două funcţii de bază;
■ funcţia auxiliară MEMORIE.
Criteriul principal de clasificare a elementelor logice îl reprezintă modul cum acestea realizează distribuţia; din acest punct de vedere există două mari familii:
• elemente fără piese mobile, denumite şi “fluidice” ;
• elemente cu piese mobile.
Elemente logice fluidice
Aceste elemente îşi bazează funcţionarea pe diferite principii [4.3] dintre care se amintesc:
– ataşarea jetului de fluid la perete (efectul Coandă);
– transformarea unui jet laminar în jet turbulent;
– inducţia jeturilor;
– focalizarea jeturilor.
Principiul cel mai folosit este cel al efectului de perete, principiu care poartă numele savantului român H. Coandă, cel care 1-a descris şi explicat pentru prima dată.

Fig.4.148

Pentru a putea explica acest principiu se consideră un jet de aer (fig.4.148), obţinut în urma curgerii aerului sub presiune printr-o duză şi a destinderii acestuia în mediul înconjurător. Din cauza vâscozităţii jetul interacţionează cu aerul din mediul înconjurător, aflat în repaus, antrenându-1 pe acesta din urmă în mişcare.

Fig.4.149

Viteza de curgere a jetului, considerat iniţial turbulent, în secţiunea de ieşire Si este constantă. Într-o altă secţiune, aflată la distanţa x de secţiunea de ieşire, jetul îşi menţine viteza sa iniţială într-o zonă centrală, zonă care pe măsură ce x creşte se reduce din ce în ce mai mult. Se observă în acelaşi timp o lărgire a jetului, pe măsură ce x creşte, şi de la un moment dat o reducere progresivă a vitezei de curgere a acestuia. Dacă în apropierea jetului se află un perete (fig.4.149) jetul se va direcţiona către perete; acest lucru este o consecinţă a faptului că între jet şi perete se creează o depresiune datorată antrenării în mişcare de către jet a particulelor din mediul înconjurător, în timp ce pe latura unde jetul este complet liber curgerea continuă fără probleme, iar presiunea rămâne cea atmosferică. În concluzie, devierea jetului este datorată diferenţei de presiune existente pe direcţia transversală a jetului. Starea finală spre care tinde jetul este aceea de ataşare la perete. În spaţiul dintre jet şi perete se formează o “bulă de separaţie” în care se menţine o presiune mai mică decât presiunea atmosferică. Fenomenul descris se manifestă şi în cazul în care jetul de aer este dirijat către o cameră cu o geometrie ca cea din figura 4.150. În acest caz este suficientă o mică disturbare pentru a ataşa jetul la unul dintre cei doi pereţi (p1 sau p2). Odată ataşat la unul dintre pereţi (în fig.4.150 peretele p1) jetul îşi păstrează această stare chiar dacă factorul disturbator a dispărut. Situaţia poate fi modificată dacă din exterior, prin conducta i1 se trimite aer care neutralizează efectul de aspiraţie al jetului şi umple bula de separaţie b. În acest fel se crează o suprapresiune care deplasează jetul pe peretele p2. După ce semnalul disturbator dispare jetul rămâne ataşat la peretele p2. Revenirea în starea iniţială se poate face prin aplicarea unui semnal disturbator prin conducta 12. Diafragma centrală d separă cele două ieşiri e1 şi e2. Se obţine astfel schema de bază a unui element fluidic digital, cu efect de perete, care îndeplineşte funcţia de memorie.
Principiul prezentat mai sus stă la baza realizării elementelor logice fluidice cu efect de perete. Pentru exemplificare sunt prezentate două elemente logice de acest tip. În figura 4.151 este prezentat un element logic bistabil. În fapt este vorba de un element de memorie, care conţine aceleaşi elemente de bază ca cel prezentat principial în figura 4.150.

Fig.4.150

Fig.4.151

Elementul este prevăzut cu un ajutaj A cuplat la sursa de presiune; în acest fel se generează un jet principal de aer care se ataşează la unul dintre cei doi pereţi simetrici p1 sau p2 şi în consecinţă se regăseşte la unul dintre cele două orificii de ieşire e1 sau e2. Prin orificiile i1 şi i2 se pot aplica semnale de comandă sub formă de impuls. Dacă se aplică un asemenea semnal de comandă la orificiul de comandă amplasat pe partea peretelui la care jetul este ataşat, jetul principal va comuta pe peretele opus şi va rămâne ataşat la acest perete şi după dispariţia semnalului de comandă. Elementul este prevăzut şi cu două orificii de descărcare o1 şi o2 care permit evacuarea debitului în atmosferă atunci când acesta nu mai este necesar la ieşire. În figura 4.151 b este prezentat simbolul fluidic, iar în figura 4.151 c simbolul logic al acestui element.
Cum semnalele de comandă au o presiune mai mică decât presiunea obţinută la ieşirile elementului, el este în acelaşi timp şi un amplificator. Jetul de control are de fapt numai funcţia de pilotare a jetului principal. Presiunea recuperată la orificiile de ieşire este de circa 30 …40 % din cea de alimentare.
În figura 4.152 este prezentat un element logic monostabil; elementul este de fapt un element cu efect de perete nesimetric. Comparativ cu elementul deja prezentat (fig.4.151) aici, orificiul i1 are secţiunea mai mare şi este pus în legătură directă cu atmosfera. În ceea ce priveşte orificiul i2 la acest element el este divizat în două orificii mai mici, orificiile x şi y, care reprezintă de fapt orificiile de comandă ale elementului.
În absenţa semnalelor de comandă jetul principal se ataşează la peretele din stânga, obţinându-se semnal la ieşirea e2 acest lucru este o consecinţă a existenţei orificiului i1 (de secţiune mai mare decât cele din stânga). Existenţa semnalului x, sau a semnalului y, sau a ambelor provoacă distrugerea bulei de separaţie şi activarea ieşirii e1 anularea semnalelor de control restabileşte condiţiile iniţiale. Elementul este aşadar un element unistabil şi îndeplineşte:
• pe ieşirea e1 funcţia SAU (e = x+ y);
• pe ieşirea e2 funcţia NICI (e = x + y = x · y).

Fig.4.152

Din acest motiv elementul este cunoscut sub denumirea de element SAU — NICI. În figura 4.152 b este prezentat simbolul fluidic, iar în figura 4.152 c simbolul logic al acestui element.
Elemente logice cu piese mobile
Aceste elemente sunt în fapt nişte echipamente clasice din categoria celor deja studiate (paragraful 4.6) având însă o construcţie miniaturizată. Ca şi echipamentele de reglare şi control a puterii pneumatice clasice ele îşi bazează funcţionarea pe “principiul compensării forţelor”. Conform acestui principiu echipajul mobil al unui echipament în poziţiile stabile de funcţionare
se află în echilibru (suma forţelor care acţionează asupra sa este egală cu zero); atunci când apare o forţă de comandă echipajul se deplasează într-o nouă poziţie în care se restabileşte echilibrul.
Elementele logice din această familie se folosesc pentru un număr mare de aplicaţii industriale datorită nivelului energetic mai ridicat al semnalelor, consumului mai redus de aer şi siguranţei în funcţionare, deşi au o tehnologie de execuţie mai complicată.
Constructiv, aceste elemente logice pneumatice se realizează:
a) cu sertar cilindric de translaţie
Aceste elemente sunt de fapt microdistribuitoare de tip 3/2, cu poziţie preferenţială şi comandă pneumatică, normal atmosferă (fig.4.153 a) sau normal presiune (fig.4.153 b) şi de tip 5/2, cu memorie şi cu comandă pneumatică (fig.4.153 c).
În tabelul din figura 4.153 sunt arătate funcţiile ce se pot obţine cu aceste microdistribuitoare. Se observă că microdistribuitoarele 3/2 se folosesc pentru materializarea funcţiilor: IDENTITATE, NEGAŢIE, CONJUNCŢIE, DISJUNCŢIE, iar cele 5/2 pentru funcţia MEMORIE.
Aceste elemente prezintă următoarele avantaje: sunt robuste şi sigure în funcţionare, pot lucra într-un domeniu larg de presiuni. Principalul dezavantaj constă în faptul că au o tehnologie de execuţie şi montaj mai pretenţioasă decât a celorlalte variante constructive de elemente logice.
b) elemente logice cu supape
Aceste elemente sunt foarte simple şi uşor de realizat. Organul mobil este confecţionat de regulă din material plastic, iar corpul este obţinut prin turnare sub presiune fiind confecţionat din plastic sau aluminiu.
În paragraful 4.6.1.2 în figurile 4.110 şi 4.111 au fost prezentate două exemple de asemenea elemente.
Trebuie remarcat faptul că pe această cale nu se poate realiza funcţia MEMORIE.
c) elemente logice SEFRO
Sistemul românesc “SEFRO ” [4.3] cuprinde două elemente logice de bază, şi anume:
– elementul logic universal (ELU), prezentat principial în figura 4.154 a;
– elementul logic SAU (ELS), prezentat principial în figura 4.154 b.

Fig.4.153

Fig.4.154

Tabelul 4.9

Principalii parametri funcţionali ai acestor elemente sunt:
– presiunea nominală de alimentare: 1,4 +10 %
– suprapresiunea admisă: 3,2 bar
– diametrul nominal: 2,5 mm
– timpul de comutaţie: 10… 15 ms
– frecvenţa maximă: 100 Hz
– factorul piramidal (numărul maxim de elemente admise în serie): 10
– temperatura maximă de lucru: + 70 °C.
Elementul logic universal poate materializa singur următoarele funcţii: IDENTITATE, NEGAŢIE, CONJUNCŢIE, INHIBIŢIE, IMPLICAŢIE, iar împreună cu elementul logic SAU toate funcţiile elementare, după cum este arătat în tabelul 4.9.
Pentru obţinerea unei capacităţi funcţionale maxime sistemele logice pneumatice au în componenţa lor o serie de blocuri standard necesare diferitelor etape ale procesului de
Aceste blocuri îndeplinesc funcţii bine determinate şi se prezintă sub forma unor module etajate, cu conexiuni interne executate în placa de bază şi cu racorduri pentru conexiuni externe.
Astfel, sistemul SEFRO cuprinde:
– codificatorul zecimal – binar;
– decodificatorul binar – zecimal;
– numărătorul binar de impulsuri;
– registrul de deplasare etc.
Aceste blocuri sunt prezentate pe larg în lucrarea [4.3].