Автоматизация технологических процессов и производств

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
И.В. ПЕТРОВА, Р.В. ЧЕРНУХИН 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗАЦИЯ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  
ПРОЦЕССОВ  
И ПРОИЗВОДСТВ 
 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020

УДК 621-027.3:681.5(075.8) 
         П 305 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор О.В. Нос 
канд. техн. наук, доцент Д.А. Котин 
 
 
 
Работа подготовлена на кафедре ПТМ для студентов  
дневного отделения, обучающихся по направлениям подготовки 
15.03.04 и 15.03.06 и утверждена Редакционно-издательским  
советом университета в качестве учебно-методического пособия 
 
 
Петрова И.В. 
П 305  
Автоматизация технологических процессов и производств: 
учебно-методическое пособие / И.В. Петрова, Р.В. Чернухин. – 
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 84 с. 

ISBN 978-5-7782-4329-3 

В данном пособии рассмотрены основные принципы работы пневматического оборудования, приведено описание пневматических схем. Материалы 
позволяют изучить работу пневматического оборудования, получить навыки 
составления пневматических автоматизированных систем и закрепить полученный опыт на реальном оборудовании. Все материалы ориентированы на 
освоение студентами основных задач, связанных с проектированием пневматических схем. Пособие также может быть полезным при дипломном проектировании. Приведенные материалы систематизированы, содержат теоретическую 
информацию, описание установок, порядок оформления работ, а также контрольные вопросы. Практикум поможет студентам в выполнении работ по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств». Пособие 
рекомендовано студентам дневного отделения, обучающимся по направлениям 
подготовки 15.03.04 и 15.03.06. 
 
 
 
УДК 621-027.3:681.5(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4329-3 
© Петрова И.В., Чернухин Р.В., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2020 

ВВЕДЕНИЕ 

При проектировании и создании устройств для автоматического 
управления технологическими процессами наряду с электронными 
приборами применяются также элементы и устройства пневмоавтоматики.  
Пневмосистемы нашли широкое применение в отраслях промышленности,  относящихся к взрывопожароопасным, с невысокими требованиями  к быстродействию обработки сигналов (химическая, газовая, 
металлургическая, 
деревообрабатывающая). 
Современные 
пневмосистемы позволяют автоматизировать процесс любой сложности. Традиционными областями применения пневмосистем в машиностроении являются производства, характеризующиеся повышенной 
запыленностью, влажностью, температурой, вибрациями (так, в литейном производстве они занимают 66 %, в сварочном – 70 %, в кузнечнопрессовом – 40 %, в деревообрабатывающем – 15 %) [1]. 
Цель настоящего  пособия – помочь студентам в получении и  закреплении навыков эксплуатации пневматического оборудования, 
приобретении опыта практической работы, связанного с выполнением 
заданий по разработке, монтажу и настройке современного пневмооборудования (усвоению основных принципов проектирования различных систем исходя из поставленной задачи и имеющегося оборудования). 
 

 

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ 

Пневмопривод – это совокупность устройств, предназначенных для 
приведения в движение машин и механизмов посредством пневматической энергии, т. е. энергии сжатого газа [2]. 
Пневмопривод выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ременная передача, кривошипно-шатунный механизм  
и т. д.). Основное назначение пневмопривода – преобразование энергии 
сжатого газа в механическую энергию выходного звена. Обязательными 
элементами пневмопривода являются компрессор и пневмодвигатель. 

1.1. Виды и состав пневмоприводов 

Пневмопривод делится на магистральный, аккумуляторный и компрессорный (рис. 1). 

 
Рис. 1. Структурные схемы пневмоприводов:  
а – магистральный; б – аккумуляторный;  
в – компрессорный 

В зависимости от характера движения выходного звена пневмодвигателя (вала пневмомотора или штока пневмоцилиндра) пневмопривод 
может быть вращательным или поступательным. Пневмоприводы  
с поступательным движением получили наибольшее распространение 
в технике. 
В состав пневмоприводов входят следующие устройства. 
1. Исполнительные устройства (двигатели) – предназначены для 
преобразования энергии сжатого газа в механическую энергию движения рабочих органов машины. В свою очередь, рабочий орган машины 
выполняет заданную технологическую операцию. 
2. Распределительные устройства – предназначены для направления потоков газа из магистрали в рабочие камеры исполнительных 
устройств, а из рабочих камер – в атмосферу. 
3. Управляющие устройства (система управления) – предназначены 
для обеспечения последовательного перемещения рабочих органов 
машин, соответствующих устройств. 

1.2. Преимущества и недостатки пневмоприводов 

Преимущества: 
1) возможность возвращать рабочую среду в атмосферу, следовательно, нет необходимости в дополнительной емкости (бак); 
2) меньший вес рабочей среды по сравнению с гидроприводом; 
3) меньший вес исполнительных устройств по сравнению с электроприводом;  
4) способность передавать пневматическую энергию на большие 
расстояния, что позволяет использовать пневмопривод в качестве магистрального в шахтах; 
5) быстрота срабатывания и большие частоты вращения пневмомоторов; 
6) возможность использования в качестве источника энергии баллонов со сжатым газом, что значительно упрощает систему (в некоторых системах давление в баллоне достигает 500 МПа); 
7) экономичность, обусловленная дешевизной рабочей среды; 
8) пожаробезопасность и нейтральность рабочей среды, следовательно, возможность применения пневмопривода в шахтах и на химических производствах; 
9) пневмопривод мало чувствителен к изменению температуры 
окружающей среды, что делает его удобным для использования в местах с экстремальными температурами. 

Недостатки: 
1) нагревание и охлаждение рабочей среды в процессе сжатия  
в компрессорах и расширения в пневмомоторах, следовательно: 
•  возможность обмерзания пневмосистем; 
•  конденсация водяных паров из рабочей среды, и в связи с этим 
необходимость ее осушения; 
2) КПД ниже, чем у гидропривода; 
3) низкая точность срабатывания; 
4) возможность взрывного разрыва трубопроводов, из-за чего  
в промышленном пневмоприводе применяются небольшие давления 
рабочей среды, следовательно, усилия на рабочих органах значительно 
меньшие по сравнению с гидроприводом.  
Для простоты восприятия в дальнейшем (где это возможно) мы будем заменять термины «рабочая среда» и «газ» термином «воздух». 

2. ПРОИЗВОДСТВО И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ  
СЖАТОГО ВОЗДУХА 

Подсистема энергоснабжения обеспечивает пневматическую систему сжатым воздухом определенного качества и в достаточном количестве. С помощью компрессора воздух сжимается и дальше передается в систему трубопроводов. Для обеспечения качества сжатого 
воздуха установленному стандарту он проходит через блок подготовки 
воздуха. Блок подготовки воздуха обычно состоит: 
•  из фильтра сжатого воздуха (с влагоотделителем), 
•  регулятора давления. 
Для уменьшения риска появления неисправностей в системе необходимо обратить внимание: 
•  на соответствие типа компрессора заданным условиям, 
•  расход потребляемого воздуха, 
•  требования к чистоте воздуха, 
•  рабочее давление в системе, 
•  рабочий объем пневмоаккумулятора, 
•  требования к системе смазки, 
•  соответствие размеров проходных сечений элементов системы и 
трубопроводов, 
•  места расположения точек дренажа и сброса в распределительной системе. 

Рекомендуется (из экономических соображений) работать с давлением 500...600 кПа (5...6 бар), хотя зачастую элементы пневмопривода 
выбираются на максимальное давление 800...1000 кПа (8...10 бар). Для 
обеспечения заданного уровня давления (если учесть потери давления 
внутри системы распределения воздуха) компрессор должен выдавать 
воздух с давлением 650...700 кПа (6,5...7,0 бар). 
Чтобы снизить колебания давления в системе, необходимо установить аккумулятор сжатого воздуха. 
Компрессор заполняет аккумулятор сжатым воздухом, вследствие 
чего аккумулятор наравне с компрессором выполняет функции источника рабочей среды под давлением. Желательно чтобы потери давления на участке от компрессора до потребителя давления не превышали 
10 кПа (0,1 бар), следовательно, необходимо тщательно подбирать 
внутренний диаметр труб системы распределения воздуха. На выбор 
диаметра влияют: 
•  рабочее давление, 
•  расход воздуха, 
•  длина трубопровода, 
•  число местных сопротивлений в трубопроводе, 
•  допустимые потери давления. 

2.1. Принцип действия блока подготовки воздуха 

Принцип действия системы (рис. 2): компрессор 2 с приводным 
двигателем 3 всасывает воздух из атмосферы через заборный фильтр 1 
и нагнетает в ресивер 7 через обратный клапан 4, охладитель 5 и 
фильтр-влагоотделитель 6. В результате охлаждения воздуха водяным 
охладителем 5 происходит конденсация 70…80 % содержащейся  
в 
воздухе 
влаги, 
улавливаемой 
фильтром-влагоотделителем 
и  
со 100-процентной относительной влажностью воздух поступает в ресивер 7, который аккумулирует пневмоэнергию и сглаживает пульсацию давления. В нем происходит дальнейшее охлаждение воздуха  
и конденсация некоторого количества влаги, которая по мере накопления удаляется вместе с механическими примесями через вентиль 10. 
Ресивер обязательно оборудуется одним или несколькими предохранительными клапанами 8 и манометром 9. Из ресивера воздух отводится 
к пневмолиниям 12 через краны 11. Обратный клапан 4 исключает 
возможность резкого падения давления в пневмосети при отключении 
компрессора [1]. 

Рис. 2. Система подготовки воздуха 

Зачастую главный трубопровод выполняется в виде кольца. При 
таком выполнении в случае больших расходов воздуха обеспечивается 
более равномерная подача. Трубопровод располагают с уклоном 
1...2 % по направлению течения воздуха. Этот момент особенно важен 
для тупиковых трубопроводов. Конденсат отбирается из самого низкого места системы. Исходя из этого можно заключить, что для горизонтальных трубопроводов ответвление для отбора конденсата должно 
устанавливаться на нижней стороне главного трубопровода, а для отбора воздуха – только на верхней стороне главного трубопровода.  
Установка запорного вентиля позволяет отключить часть трубопровода, если она не нужна или на ней проводятся работы по ремонту 
и обслуживанию. 

2.2. Маслораспылитель 

Маслораспылитель зачастую используется для обеспечения работы 
исполнительной части системы управления (рис. 3). Современные пневмосистемы обычно не нуждаются в обогащении маслом сжатого воздуха. Однако при необходимости внешней смазки подвижных частей цилиндра, пневмомоторов, клапанов и других устройств можно подать 
обогащенный маслом воздух, но он подается только к тем элементам 
установки, которые нуждаются в смазке. Масло из компрессора не пригодно для внутренней смазки пневматических устройств. Например, цилиндр с теплостойкими уплотнениями не должен работать с обогащенным смазкой воздухом, так как консистентная смазка, заложенная 
в теплостойкие уплотнения при сборке, может вымываться маслом из 
цилиндра. 

Рис 3. Маслораспылитель 
 
При необходимости перевода системы, ранее эксплуатировавшейся 
на воздухе со смазкой, на воздух без масла, необходимо обновить собственную смазку всех пневмоэлемнтов, так как она могла быть вымыта 
в ходе эксплуатации.  
Сжатый воздух обогащается маслом в следующих случаях: 
•  большая скорость движения; 
•  установлены цилиндры с большим внутренним диаметром. 
В последнем случае маслораспылитель необходимо разместить 
непосредственно перед входом в полости цилиндра. 
Избыточная подача масла грозит следующими последствиями: 
•  залипание элементов системы после длительного пребывания в 
покое; 
•  нарушение работы элементов системы; 
•  повышенное загрязнение окружающей среды. 
Принцип действия маслораспылителя 
Протекающий поток сжатого воздуха вызывает падение давления 
между резервуаром с маслом и камерой распыления. Даже небольшого 
перепада давления оказывается достаточно, чтобы масло поднялось по 
вертикальной трубке вверх и через канал подвода попало в виде капелек в камеру распыления, стенки которой обычно выполняются прозрачными. Здесь масло распыляется в воздушном потоке и попадает в 
виде масляного тумана в основной поток воздуха, который переправляет его в пневматическую систему. 

Выбор комбинации этих устройств, их размеров и конструкции 
определяется областью применения и техническими требованиями к 
системе. Для того чтобы гарантировать нужное качество воздуха для 
каждой установки, блок подготовки воздуха устанавливается в каждую 
систему управления. 

3. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ЦИЛИНДРЫ 

Пневматические цилиндры – это приспособления для линейного 
перемещения рабочего органа станков и других механизмов. В отличие 
от исполнительных устройств поворотного типа, имеющих довольно 
сложную конструкцию, пневмоцилиндры состоят из полой гильзы, 
внутри которой при помощи сжатого воздуха движется шток, создающий втягивающее и толкающее воздействие на механизмы.  
Для снижения ударной нагрузки в конце хода штока используются демпферы. При небольшой энергии удара такую роль выполняют 
резиновые кольца. В больших цилиндрах применяется система отсечения части воздуха с его последующим медленным истечением через дроссель [3]. 
По принципу работы данный тип оборудования можно разделить 
на следующие виды: 
– цилиндры одностороннего действия (рис. 4); 
– цилиндры двустороннего действия (рис. 5). 
 

 
Рис. 4. Цилиндр  
одностороннего действия 

 
Рис. 5. Цилиндр  
двустороннего действия  
со встроенным демпфированием