Пневмоника и процессор постапокалипсиса
В первой части эпоса по разработке процессора постапокалипсиса я просимулировал газодинамические процессы в логическом элементе, работающем на эффекте прилипания струи воздуха к стенке, а также синтезировал будущую принципиальную схему полного сумматора. Пришло время собрать вычислительное устройство и проверить его в работе.
Удивительно, но струйная логика используется не только в ракетных двигателях или газодинамических подшипниках, но и в бытовых газовых счётчиках. Совершенно случайно я наткнулся на пост «Внутренности газового счётчика» на Пикабу и увидел своих старых знакомых. «Ребята, а что вы тут делаете?», — подумал я и понял: время пришло.
Внутренности газового счётчика
Содержимое газового счётчика (слева) и разобранный пакет пластин (справа)
Разобрав газовый счётчик струйного типа, вы обнаружите пакет пластин различной формы. Часть из них — со знакомыми рисунками струйных логических элементов, остальные — с вертикальными и горизонтальными соединительными каналами. Всего в счётчике три логических элемента: выходные каналы одного соединяются с управляющими каналами следующего, и так по кругу. Если подать газ на вход пакета, то каждый последующий каскад переключается предыдущим и схема начинает генерировать колебания, что и улавливает пьезоэлемент, стоящий в пакете сверху. При этом частота колебаний пропорциональна расходу газа.
Реакция пьезоэлемента на подачу давления на вход счётчика газа
И тут мне пришла мысль —, а ведь сумматор можно собрать и на элементах из газовых счётчиков. Но на одной пластине далеко не уедешь, поэтому рисуем ей щёчки с каналами и печатаем на фотополимерном принтере.
Струйный элемент на базе пластины из газового счётчика
Пластины струйных элементов в газовом счётчике имеют различную форму. Это нужно для того, чтобы выходы одного элемента в пакете располагались над входом другого. Щёчки я сделал для конкретной формы. При этом элемент может быть набран из нескольких пластин — в моём случае из трёх. Я попробовал собрать струйный элемент как на трёх, так и на двух пластинах. В обоих случаях элемент заработал, однако расход воздуха у него, мягко скажем, неприличный. Пожалуй, стоит пойти путём уменьшения расхода воздуха.
Видео работы элемента на газовых счётчиках
▍ Сага о компрессорах
Для питания струйного элемента требуется много чистого воздуха. Скорость исхода струи в сопле исчисляется десятками метров в секунду, и мельчайшая пыль словно абразив способна быстро уничтожить геометрию каналов. Поэтому основной недостаток струйных элементов — необходимость фильтрации воздуха в больших объёмах. Пневматика с её клапанами тут определённо выигрывает за счёт значительно меньшего расхода.
В качестве источника питания в первых экспериментах я использовал компрессор для аэрографа JAS 1228, который я покупал для экспериментов по электролюминесценции. Он способен выдавать до 23 литров в минуту, однако это показатель при нулевом давлении на выходе. Его хватает для запуска одного-двух элементов ВОЛГА, однако элемент из газового счётчика такой компрессор уже не тянет. Кое-как элемент заработал на двух пластинах, но воздух в 3-литровом ресивере очень быстро кончается. Чем этот компрессор хорош? При шуме в 43 дБ им можно пользоваться и днём, и ночью — его практически не слышно. У меня также есть его собрат — столь же тихий JAS 1225 с двумя «горшками» на 35 литров в минуту, но уже без ресивера. С ним процесс идёт чуть бодрее, но на сумматор требуется 10 элементов на 1 бит, значит его тоже не хватит. Вот думаю снять с 1228 ресивер и поставить на 1225 — так и аэрография пободрее пойдёт.
Моя коллекция домашних компрессоров
В итоге я сдался и купил полноценный безмасляный компрессор Hyundai Super Silent 18224LMS на 180 литров в минуту с ресивером в 24 литра. Его 59 дБ шума меня давно интересовали — одногоршковый компрессор, стоящий в моём гараже, тарахтит на все 95 дБ и без наушников рядом с ним находиться крайне тяжело. В избушке у тов. Зерга я послушал этот Super Silent вживую (там он занят закачкой кислорода от кислородогенераторов для стеклодувной горелки), и теперь этот зверёк поселился в кабинете у меня под столом.
Гидропневмоавтоматика — тогда и сейчас
Перенесёмся в начало 60-х годов прошлого века. Мир активно движется в сторону научно-технического прогресса. Вокруг планеты уже летают первые искусственные спутники Земли, а через несколько лет человек начнёт покорять космос. На земле строятся новые заводы, создаются и совершенствуются технологические процессы производства товаров народного потребления.
Вот только в отличие от космоса, системы автоматики на предприятиях должны быть не только безотказными, но ещё и максимально простыми и очень дешёвыми — в изготовлении и эксплуатации. Сложная задача для того времени: реле — огромны, лампы — ненадёжны, а транзисторы ещё очень дорогие. В погоне за прогрессом великие умы рождали множество безумных технологий: регуляторы на магнитных усилителях, сложные механические системы управления и многое другое.
Элементы пневмоавтоматики УСЭППА и КЭМП
История гидропневмоавтоматики — области техники управления, использующей гидро- и пневмоустройства для создания систем автоматического управления и контроля — имеет довольно древние корни, но именно в конце 50-х годов был заложен элементный принцип построения систем управления, при котором новый пневматический прибор создаётся не в форме специальной конструкции, а собирается из пневмоэлементов универсального назначения. Так, с использованием элементов УСЭППА (универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики) и КЭМП (комплекс элементов модулей пневмоавтоматики), создание нового устройства сводится к отработке его схемы, укомплектованию устройства стандартными элементами и изготовлению плат, обеспечивающих коммутацию между элементами.
Элементы системы унифицированы: один и тот же элемент может многократно применяться в схемах самых разных приборов. Элементы просты по конструкции и технологии изготовления, а также сравнительно компактны. Принципиальное значение для системы имеет принятый в ней способ монтирования элементов в устройства: на специальных пластинах — платах. Все коммутации между элементами осуществляются с помощью каналов, проходящих внутри плат.
Пневматический 4-канальный ПИД-регулятор на элементах УСЭППА и КЭМП
А ещё система управления такого типа пожаро- и взрывобезопасна по своей сути. Электронную плату управления придётся поместить в специальный герметичный корпус, или вовсе вывести за пределы помещения с опасной средой, но ведь ещё остаются датчики и исполнительные механизмы. Гидропневмоавтоматика в этом плане самодостаточна. К тому же поддаётся унификации и миниатюризации. Не до уровней транзисторов, конечно же, но в сравнении с лампами, реле и МУС-ами — на порядок выше. Как итог — элементы системы УСЭППА и КЭМП до сих пор выпускаются и применяются в промышленности.
Особенно интересно посмотреть на серийно выпускавшийся пневматический 4-канальный ПИД-регулятор — стоечный блок на 8 модулей, где задняя соединительная плита склеена из нескольких слоёв оргстекла, а на каждом слое видны соединительные дорожки. При этом сами модули собраны на «вафельках» — пять листов текстурированного пластика, где каналы организованы удалением перегородок. Такое можно и на фрезере обработать, и вручную организовать. Но вернёмся к пневмонике.
Вафельки при близком рассмотрении
Элементы и устройства струйной техники
Особый раздел пневмоавтоматики — пневмоника, занимающаяся изучением, разработкой и применением устройств (элементов), действие которых основано на использовании аэрогидродинамических эффектов — на взаимодействии струй, отрыве потока от стенки, турбулизации течения в ламинарной струе, дросселировании потоков, вихреобразовании и т. д. Существенным отличием элементов такого типа от той же УСЭППА является отсутствие подвижных частей.
Струйные элементы могут изготавливаться из практически любого материала (пластика, керамики, металла), от чего напрямую зависит его долговечность, в том числе в суровых условиях эксплуатации или в особо агрессивной среде. Струйный элемент из жаропрочной керамики, например, способен работать в атмосфере Венеры — 470 градусов элементу ни по чём, а на 93 атм он внимания не обратит, так как работает на разнице давлений. Да и ветра там хорошие. Стойкость к радиационному воздействию позволяет использовать пневмонику там, где остальные элементы вообще не способны функционировать. При этом пневмоника имеет более высокое быстродействие, нежели пневматика или электромеханика. Разумеется, сравнивать быстродействие и компактность струйной техники с электроникой в настоящее время совершенно глупо, а вот в 60-е годы прошлого века у неё было право на жизнь.
Все струйные элементы можно разделить на активные и пассивные. К пассивным струйным элементам относятся различного рода сопротивления (сопла, дроссели, капилляры), фильтры, объёмы, резонаторы и т. д.
Активные элементы отвечают за реакцию на некоторый управляющий сигнал. По аналогии с электроникой активные элементы могут быть разделены на аналоговые (пропорциональные) и дискретные. У дискретных элементов выходные сигналы имеют только два устойчивых состояния — есть поток и нет потока.
Эффект взаимодействия струй жидкости
Ещё струйные элементы можно разделить по принципу работы. Например, элемент И работает на эффекте взаимодействия ламинарных струй. Данный эффект можно продемонстрировать с помощью двух струй подкрашенной воды, расположенных под углом друг к другу. При подаче жидкости только по одной из трубок можно видеть, как струя течёт по параболической траектории — вправо или влево. Но стоит подать две струи одновременно, как результирующая струя окажется точно посередине и потечёт вниз. Расположив там приёмник жидкости, мы как раз получим логическую операцию И. А если в другой приёмник будем собирать отдельные струи, то там будет логическая операция — исключающее ИЛИ.
Принцип работы элемента на эффекте прилипания струи воздуха к стенке
У таких элементов очень высокие требования к равномерности потоков — стабильности их давления и расхода. Гораздо проще обуздать эффект прилипания ламинарной струи воздуха к стенке. Именно он лёг в основу известных мне серийных струйных элементов серии ВОЛГА и СМСТ-2, и именно на основе этого базисного элемента и производилась симуляция газодинамики и синтез принципиальной схемы в предыдущей части.
▍ Оригинальные элементы серии ВОЛГА
Внезапно поступила информация от одного из подписчиков — в волгоградском политехе на ВОЛГЕ делали лабораторные работы… Не теряя надежды, я написал на кафедру АПП — и мне ответили! Выражаю огромную благодарность заведующему кафедрой автоматизации производственных процессов ВолгГТУ, Алексею Михайловичу Макарову, за предоставление оригинальных элементов серии ВОЛГА! Как больших, так и малых, и бонусом некоторого количества бесценной соединительной трубки к ним.
Оригинальные элементы ВОЛГА
Интересно, что элементы в посылке разные: есть как большие, 50×42 мм, так и мелкие — 40×30 мм. Забавный факт — когда я перерисовывал элемент, я посчитал, что 50×42 — это размер без патрубков, поэтому самодельный СТ41 вышел немного выше оригинального. Возможно, это стало одной из причин некорректной работы воссозданных элементов. В посылке оказалось ровно 20 штук СТ41 — как раз на двухбитовый сумматор.
Ещё есть 4 ключа СТ45. Этот элемент переключится, если заглушить один из входов. Их неплохо бы было использовать в роли задатчиков сигналов, поставив на чувствительный вход тумблер. Закрыли тумблер — пошёл сигнал. В отличие от активного тумблера, тут отсутствует необходимость в заборе воздуха на создание управляющего сигнала — основная проблема всех экспериментов, когда при очередном нажатом тумблере падает давление в общем коллекторе.
Мелкие элементы не менее интересны — например, СТ60 2И-2ИЛИ переключится в активное состояние при наличии любого из сигналов ИЛИ, но если подать оба сигнала И, то вне зависимости от предыдущего состояния гарантируется, что элемент выключится. Более прозаичный СТ56 — ТРИГГЕР — имеет по два входа ИЛИ с каждой стороны, а также обладает эффектом памяти (струя, прилипнув к стенке, останется там до переключения). Ещё есть СТ63 — ЭЖЕКТОР — миниатюрная версия насоса выше. Вопрос, правда, какой коэффициент умножения потока он даёт — в альбоме его нет. Впрочем, возможно, он используется для создания разряжения на одном из входов — это тоже может пригодиться. Ну, а усилитель СТ58 — вовсе аналоговый элемент, где поток на выходе зависит от силы струи на входе.
Из этого набора удалось выяснить две важные вещи — во-первых, обводной канал в СТ41 оказался всё-таки справа. Во-вторых, оригинальный способ флажковой индикации гораздо проще и технологичнее используемых мной крутилок. Перемещающийся туда-сюда флажок гораздо нагляднее вертушки. Также флажок может управлять заслонкой исполнительного механизма. И оказывается, что струйный элемент прекрасно работает при закупоренных выходах!
Индикаторные флажки в своих посадочных местах
Самое интересное — как это всё запитано. Струйные элементы устанавливаются в посадочные места, при этом выходные и управляющие каналы проходят насквозь пластикового блока — с обратной стороны имеются штуцеры. А вот питательный канал подключён к общей камере внутри блока. Блоки скручены вместе и спереди расположен эжекторный насос, который позволяет от слабого JAS 1228 запитать 24 элемента. Без насоса он еле тянет только три штуки.
▍ Сборка сумматора
Синтезированная схема одного бита полного сумматора на логических элементах из библиотеки
Вернёмся к сумматору. Результатом прошлой статьи стала схема соединений базовых логических элементов между собой. Напомню, что их нужно только 10 штук, так как элементы 192 и 191 реализуются на одном элементе с задействованными обоими выходами. Раз не пошли интегральным методом, будем соединять элементы по старинке — шлангами. В первую очередь необходимо распечатать сами элементы, для чего отлично подходит фотополимерный принтер с 4К-матрицей. В моём случае это Anycubic Photon Mono X. Настоятельно рекомендую включать сглаживание, иначе пиксели будут видны на модели невооружённым глазом. А нам важна минимальная шероховатость стенок.
Распечатанные элементы «с пылу с жару»
Для массового производства такой метод изготовления не годится — ждать по 40 минут на пару элементов приемлемо для 5–10 закладок, но не для сотни. Там лучше либо заливка в силикон, либо горячая прессовка на фрезерованных матрицах. В моём случае каждый элемент состоит из двух частей: основания с каналами и крышки, которая просто приклеивается сверху на суперклей. У оригинальных элементов две части образуют полноценный патрубок и подводные каналы, но сам струйный элемент также расположен только в одной из половинок — тут мы в паритете. Чтобы элементы не валялись по всему столу, напечатал простенькую корзинку, а также общий коллектор на 10 выходов с миниатюрным эжекторным насосом — его задача питать все элементы воздухом.
Элементы в корзинке. Снизу видны трубки коммутации и питающий коллектор
Проверяем сумматор от пульта на три кнопки. В качестве индикаторов сначала я использовал вертушки, так как не хотел блокировать выходы элементов. Но потом у меня появились оригинальные блинкеры, и я перешёл на них. Подаём давление — ничего не работает. Сумматор отказывается слушаться, поэтому с помощью вертушка аки пробником проверяю свободные выходы и обнаруживаю, что на обоих выходах одного из элементов отсутствует сигнал. В нём баг. Не оригинальный жучок, а опилки. Убираем — и сумматор начинает считать корректно, но очень нестабильно. Любое падение давления в системе — одному из элементов начинает не хватать воздуха, поступающего из коллектора, и результат опять становится некорректным.
Соринка в канале не даёт образоваться струе. Чистота воздуха важна, но тут кто-то просто засыпал мусор в канал. Кто бы это мог быть?
На помощь приходит оригинальная ВОЛГА — 20 элементов в родной корзинке позволяют нам собрать 2-битовый сумматор, который, гипотетически, можно запустить от мелкого компрессора (на самом деле нет). Элементы расположены в два ряда, поэтому каждый ряд будет отвечать за свой бит. А флажки — отображать результат. Спереди монтируем пневмовыключатели для подачи сигналов. По-хорошему сигналы надо пускать через элементы КЛЮЧ. Так управляющие сигналы не расходовали бы дополнительный воздух, но в текущих испытаниях я просто отбирал воздух с магистральной линии. Именно поэтому в итоговом видеоролике можно заметить, как по мере включения очередного тумблера я набалтываю давление на редукторе компрессора. Однако в итоге сумматор на оригинальных элементах работал как надо и при любой комбинации выключателей показывал корректный результат.
Работа сумматора на оригинальной ВОЛГЕ
Итоги работы над пневмоникой можно посмотреть в этом видео:
Вместо заключения
Классическое зачем
Мало кто знает, но со струйной логикой я познакомился ещё 10 лет назад, когда в вузе преподаватель дал мне почитать одну маленькую книжечку, первые и последние страницы которой сильно пострадали от огня — её успели спасти от сожжения макулатуры. Внутри описывалось какое-то волшебство — логические элементы без движущихся частей, работающие на ламинарной струе воздуха. Через 5 лет я смог найти эту книгу — это был тот самый «Фрехтен. Струйная техника». Именно по ней в 2018-м была написана статья «Пневмоника и влажные мечты стимпанка», и именно она легла в основу гипотетического FluidicPC. Ввиду существенных недостатков струйных элементов (чувствительности к качеству воздушного потока, а также огромного расхода воздуха), полноценное вычислительное устройство я, скорее всего, никогда не создам. Однако после всех проведённых экспериментов желание создать многослойный бутерброд из струйных элементов и соединительных каналов становится всё сильнее и сильнее.
Telegram-канал с полезностями и уютный чат
