Пневмоника и влажные мечты стимпанка
«Пневмоавтоматика с каждым годом приобретает все большее значение для современной техники. Пневматические приборы широко применяются при автоматизации производственных процессов и при управлении энергетическими установками»
Л.А. Залманзон Пневмоника. Струйная пневмоавтоматика. изд. Наука, М. 1965
Рисунок 1: Fluidic Kit by Tekniska musee
Допустим мы решили забить на сборку компьютера на герконовых реле и заняться еще более безумными вещами. Для тех, кто следит за сборкой BrainfuckPC — не пугайтесь, ему ничего не угрожает. Я лишь строю планы на будущее.
Знаете ли вы что такое эффект прилипания струи к стенке?
Пройдемся ка с вами в ванную, предварительно захватив с собой столовую ложку:
Рисунок 2: Эффект прилипания струи
Мы видим, как струя воды соприкоснувшись с горбом ложки тут же прилипает к ее стенке, заметно искривляясь.
Это явление известно давно и описывалось многими исследователями, в том числе такими видными как Юнг и Рейнольдс. Свое название «Эффект Коанда», однако это явление получило по имени работавшего во Франции румынского изобретателя Анри Коанда, который в начале прошлого века предложил использовать его для ряда технических приложений.
Режиссерская версия статьи для визуалов
Рисунок 3: Эффект притяжения струи к стенке (Эффект Коанда)
Суть этого явления в упрощенном виде заключается в следующем: струя рабочей среды, вытекающая из сопла питания 1 под углом к стенке 2, касается ее в некоторой точке и эжектирует газ (воздух) из зоны, ограниченной струей и стенкой.
Рисунок 4: Создание зоны разряжения между струей и стенкой
В результате в этой зоне создается пониженное давление и струя подсасывается к стенке, занимая устойчивое положение. Если на уровне стенки установить приемное сопло 3, то в нем возникнет давление Рвых соответствующее давлению в канале 1. Подавая из сопла управления рабочую среду в зону пониженного давления, произойдет отрыв основной струи от стенки.
Если в новом положении струя коснется соответствующим образом установленной второй стенки, то вследствие явления прилипания она останется в этом новом положении и после того, как прекратится подача сигнала управления. У нас получилось ни что иное как управляемый бистабильный элемент.
Рисунок 5: Переключение бистабильного элемента
Этот бистабильный элемент при включении может занять любое положение.
Добавляя в конструкцию элемента несимметрию, мы сделаем элемент моностабильным — если не подается ни один из сигналов — он всегда будет принимать строго одно устойчивое состояние.
Рисунок 6: Моностабильный элемент с прилипанием струи к стенке. Моностабильность обеспечивается неодинаковой длиной притягивающих стенок (а), неодинаковым смещением притягивающих стенок (б), неодинаковыми входными сопротивлениями управляющих каналов (в), наличием отверстия в одной из обкладок (г).
Рисунок 7: работа моностабильного элемента
С самим эффектом более-менее разобрались. Я не стал вдаваться в теоретические подробности ламинарного и турбулентного потока. Это тема отдельных изысканий и LGA-симуляции в OpenFOAM. Для реализации компьютера нам необходимы в первую очередь базовые логические элементы.
Логический элемент 2ИЛИ/2ИЛИ-НЕ
Возьмем нашу исходную схему, но со стороны стабильного выхода управляющий вход будет иметь две подводные трубки — А и В.
Рисунок 8: Базовый элемент на эффекте прилипания струи к стенке
Что будет происходить если мы начнем подавать воздух хотя бы в одну из них? Совершенно верно, на выходе d получим результат операции 2ИЛИ. На выходе u присутствует результат операции 2ИЛИ-НЕ.
Поскольку 2ИЛИ-НЕ, или «стрелка Пирса» образует базис для пространства булевых функций от двух переменных, на элементах этого типа возможно собрать абсолютно любую логическую схему.
Логический элемент 2И/Исключающее ИЛИ
Однако одной стрелочки маловато будет — схемы на одном типе элемента получаются довольно избыточными.
Рисунок 9: Логический элемент И
Струйный логический элемент И в двух вариациях. На рисунке б) в выходном сопле появится давление только если на оба входа будут поданы сигналы. В случае только одного из входов — струя прилипнет к одной из стенок — Н1 или Н2 и не попадет на выход. На рисунке в) немного более интересная конструкция. Здесь каждый из входов является управляющим для другой струи. При наличии только одного из сигналов, струя пойдет в выход, а или б. Когда присутствуют обе струи, каждая отклоняет другую на прилипающие стенки W1 и W2, тем самым поток начинает идти на выход а*б.
Поскольку эти элементы самопитающие — у них нет сопла питания — они не могут быть переоборудованы в полноценный 2И-НЕ, ибо при отсутствии обоих входных сигналов ни один выход не будет «сопеть». Зато прекрасно сойдут за Исключающее ИЛИ — объединяем в один канал а+б и получаем нужный результат.
Ячейка памяти
Для компьютера важно сохранять данные для работы — как минимум нужны регистры, как максимум ОЗУ и ПЗУ.
С временной ячейкой памяти все довольно просто — берем элемент 2ИЛИ и подключаем один из входов на выход d. Получится элемент с положительной обратной связью. Стоит нам подать сигнал на выход А, как элемент переключается, с выхода d струя начнет поступать на вход B и элемент останется в таком состоянии пока не прекратится подача питающей струи. Либо мы можем подать струю на вход Б или Г и выключить элемент.
Рисунок 10: Взаимодействие струй с положительной обратной связью.
Постоянную память можно организовать с помощью двух сред.
Одна среда — жидкость — может принимать одно положение из двух:
Рисунок 11: Струйный элемент с памятью. Буквами обозначены потоки, реализующие операции введения в память S, сброс памяти L, считывание R.
Подавая давление на вход S или L мы можем перемещать каплю жидкости между камер. А оценивая закрыт или открыт канал R — можем считывать данные из ячейки.
Рисунок 12: Вариант контроля. При закрытом выходе давление пойдет в атмосферное окно. Там вполне может стоять схема считывания.
Еще вариант подавать небольшое давление на вход L, недостаточное для переключения состояния ячейки памяти. Выход R при этом либо будет «сифонить», либо нет.
Такой элемент, разумеется, работает только при определенном положении в пространстве.
Генератор импульсов
Если к выходу u подключить замкнутую камеру, то мы получим генератор импульсов. Пока давление в камере меньше критического, струя воздуха через канал U продолжает поступать в резервуар. При превышении — давление камеры передавливает струю, буквально выдувает ее из канала u и отрывает ее от стенки, в результате чего она начинает поступать в канал d. При этом выходящая из резервуара струя некоторое время работает как управляющая. Также происходит эжектирование воздуха из резервуара. Постепенно давление в резервуаре падает и струя возвращается в исходное состояние. Цикл повторяется.
рисунок 13: Принцип работы генератора импульсов
Частота импульсов зависит от давления в системе и объема камеры. не знаю точных чисел, но 1кГц выжать можно.
Небольшой обзор существовавших и существующих элементов пневматики. В первую очередь — пневмоавтоматики, которая активно применяется до сих пор. В основе — банальные клапана и всякие там мембраны.
Один из вариантов — двухпоршневые элементы. Играемся с входами — получаем различные логические операции на выходе.
Рисунок 14: Двухпоршневые элементы., а — конструкция элемента. б — логические схемы с одним двухпоршневым элементом (НЕ, ИЛИ, И), в — логические схемы с двумя двухпоршневыми элементами (НЕ-ИЛИ, НЕ-И, исключающее ИЛИ). ½ р2 — давление возврата, р0 — постоянное давление на выходе.
Другая вариация — Мембраны и камеры. Их проще собирать (слои корпуса — слой мембраны) и обеспечить герметичность камер. Надежность срабатывания двухпоршневых элементов сильно зависит от зазоров между поршнями и цилиндром.
Рисунок 15: Двухмембранный элемент., а — конструкция, б — принцип коммутации двухмембранного элемента. в — логический элемент ИЛИ, г — И, д — многократная логическая схема ИЛИ, е — бистабильный триггерный каскад, М1 и М2 — мембраны, А0, В1, В2, С1, С2 — камеры.
Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА)
В 1960–61-х годах, в СССР был разработан набор конструктивно завершенных унифицированных пневматических элементов, предназначенных для построения устройств и систем пневмоавтоматики. Каждый элемент выполняет определенную элементарную операцию (усиления, повторения; сравнения, запоминания и т.д.).
Рисунок 16: набор элементов УСЭППА 1,2 — двух и четырех-входовые усилители, 3 — грубый мощный повторитель; 4,17, 23 — пневмореле (в разных конструктивных исполнениях); 5, 10 — клапаны (разгруженный, неразгруженный); 6 — точный повторитель со сдвигом; 7 — точный повторитель; 8,9 — пневмоемкости (регулируемая и нерегулируемая); 11 — память непрерывного сигнала; 12 — задатчики; 13, 14 — пневмосопротивления (постоянное, регулируемое); 15 — дроссельный сумматор; 16, 22 — сдвоенный обратный клапан (шариковый, с летающим диском); 18 — память дискретного сигнала; 19, 20 — индикаторы (блинкеры); 21 — конечный выключатель; 24, 25, 26 — пневмокнопки; 27 — пневмотумблер
В различных сочетаниях элементы УСЭППА используют при построении регуляторов, систем автоматической оптимизации, релейных устройств пуска, останова, защиты и блокировки, систем циклической автоматики, устройств телемеханики и др. Устройства пневмоавтоматики монтируют из элементов УСЭППА на платах; все соединения между элементами осуществляются с помощью пневматических каналов, проходящих внутри плат.
Рисунок 17: Общий вид пневматической системы управления на УСЭППА
Функциональные возможности УСЭППА позволяют реализовать непрерывные, дискретные и непрерывно-дискретные операции. Для реализации непрерывных (аналоговых) операций над пневматическими сигналами используют элементы сравнения (усилители) на два и четыре входа, различные повторители, постоянные и переменные пневмоёмкости, нерегулируемые и регулируемые пневмосопротивления. С их помощью создаются пневматические решающие усилители и инерционные звенья, составляющие основу аналоговой пневматической техники.
Для построения дискретных (релейных) пневматических устройств применяют универсальные пневмореле и сдвоенный обратный клапан;: с их помощью выполняются элементарные логические операции. Временные операции в релейных схемах осуществляются с использованием естественных задержек (инерционных звеньев) и принудительных задержек от дискретных пневмосигналов. Непрерывно-дискретные операции выполняются с использованием пневмоклапанов, элементов с запоминанием непрерывных сигналов и линейных пульсирующих сопротивлений. Эти элементы работают как с непрерывными, так и с дискретными сигналами и позволяют существенно расширить возможности построения устройств пневмоавтоматики. В состав УСЭППА входят также вспомогательные элементы — различные задатчики, пневмокнопки, пневмотумблеры, пневмоэлектро- и электропневмопреобразователи и т.д.На базе УСЭППА в СССР в 60-х гг. создана система универсальных пневматических приборов, получившая название «Старт». Она приспособлена для построения преимущественно разветвленных систем стабилизации и оптимизации непрерывных технологических процессов. Для создания автоматизированных систем управления непрерывными технологическими процессами (АСУТП) используется агрегатный функционально-аппаратурный комплекс пневматических средств «Центр» (начало 70-х гг.). Он состоит из крупных функциональных блоков, собранных из элементов УСЭППА.
Для построения дискретных систем управления циклическими и периодическими процессами в начале 70-х гг. создана агрегатная система субблоков «Цикл». Эта система использует модернизированную элементную базу УСЭППА (кроме элементов с упругими и подвижными деталями в системе применяются струйные элементы); все её блоки и устройства монтируются в типовых контейнерах, шкафах, пультах и т.п. УСЭППА и «Старт» отмечены Ленинской премией (1964), комплекс «Центр» — Государственная премия СССР (1974).
Глушков В.М., Амосов Н.М., Артеменко И.А. Энциклопедия кибернетики. Том 2. Киев, 1974 г.
Что самое интересное, эти элементы производятся и используются и по сей день. Буду рад примерам в комментариях в каких сферах техники такое применяется.
Элементы струйной системы «Волга»
Эти ребята мне больше по душе для воспроизведения на 3D-принтере. Клапана — это не то. Все же струя воздуха — вот где магия.
Струйные системы системы «Волга» разработаны в Волжском филиале ВНИИМАШ и в основе их работы используются такие аэродинамические эффекты как соударение струй, прилипания струи к твердой стенке и внутренней обратной связи. Они подразделяются на струйные дискретные элементы, предназначенные для реализации различных комбинаций логических функций НЕ, ИЛИ, А и струйные аналоговые элементы, используемые для сравнения и усиления входных сигналов.
Рисунок 18: Внешний вид и конструкция элемента сеии «Волга»
Пневмоэлемент имеет канал питания 1, всегда соединенный с напорной пневмолинией, давление в которой р 0,02…0,03 МПа, четыре канала управления 2, 3, 6 и 7 и два выходных канала: выход «ИЛИ» — 5 и выход «НЕ ИЛИ» — 4. Рабочую камеру пневмоэлемента образуют рассекательA и диффузорB. В рабочую камеру поступает основной поток воздуха через сопло, соединенное с каналом питания 1, и управляющие струи через соответствующие сопла, соединенные с каналами 2, 3, 6 и 7. Для обеспечения нормальной работы пневмоэлемент имеет вентиляционные камерыC, открытые в атмосферу.
В пневмоэлементе ось сопла, соединенного с каналом питания 1, смещена относительно оси диффузора B так, чтобы струя воздуха, подаваемая через сопло, при отсутствии сигналов управления всегда «прилипала» к правой стенке диффузора B и попадала в выходной канал 4. При подаче управляющего сигнала на входы 2 и 3 или на оба эти входа основной поток воздуха перебрасывается к противоположной стенке диффузораB и попадает в выходной канал 5. Таким образом, реализуется логическая операция «ИЛИ». После снятия управляющих сигналов поток воздуха возвращается к исходному направлению и вновь попадает в канал 4.
Управляющие сигналы, поступающие по каналам 6 и 7, являются запретительными, т. е. при их наличии сигнала на выходном канале 5 не будет, даже при наличии сигналов управления в каналах 2 и 3.
Пневмоэлемент СТ-55 является базовым элементом. Используя несколько таких элементов и меняя комбинации соединений его выходных пневмолиний, можно реализовать любые логические функции.
Внешний вид элемента «Волга» показан на рис. 12.10, б. Конструктивно элементы системы «Волга» представляют собой соединение двух пластмассовых пластин, на которых, например, методом штамповки образованы канавки, соответствующие определенному рисунку (рис. 12.10, а). Если соединить (склеить) две пластины с зеркальным расположением канавок, то в такой детали образуются соответствующие камеры и каналы, заканчивающиеся цилиндрическими ниппелями, на которые надеваются пластмассовые трубки внешних пневмолиний.
С целью увеличения компактности и сокращения числа пластмассовых соединительных трубок несколько элементов системы «Волга» образуют блоки. В этом случае элементы монтируются на общей монтажной плате. Ниппели каждого элемента вставляются в соответствующие отверстия монтажной платы, которые с помощью внутренних каналов соединяются по определенной схеме. Такая конструкция проста и технологична, что обеспечивает низкую стоимость струйных элементов и блоков управления, построенных с их использованием.
Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебник. Ч. 2. Гидравлические машины и гидропневмопривод / Под ред. А.А. Шейпака. — М.: МГИУ, 2003. — 352 с.
Рисунок 19: Струйный дискретный и аналоговый элемент в основе пневмисторов серии «Волга»
У меня есть целый альбом этих элементов
Рисунок 20: СТ41 — ИЛИ-НЕ
Тоже базовый элемент, на котором можно реализовать все остальное.
В альбоме есть следующие элементы:
- СТ42 — триггер,
- СТ43 — 2И-НЕ,
- СТ44 — 3ИЛИ-НЕ,
- СТ45 — 2ИЛИ-НЕ с каналом самоблокировки (наверное),
- СТ53 — 6ИЛИ-НЕ,
- СТ54 — 8ИЛИ
- СТ55 — 2НЕИЛИ+2ИЛИ-НЕ
- СТ56 — RS-триггер
- СТ57 — 4ИЛИ-НЕ
- СТ60 — 2И+2ИЛИ
Есть еще аналоговые струйные элементы, их в списке приводить уже не буду. Кому интересно — велком непосредственно в сам альбом.
Рисунок 21: Конструкционная схема элементов СТ53 и СТ54
Сравнительные характеристики элементов
(Которые уже никто не найдет, но многие помнят)
Для справки привожу таблицы сравнения пневмисторов различных производителей.
Отечественные:
И зарубежные:
С логическими элементами разобрались. Рассмотрим что можно сделать на их основе.
Базовый элемент
Рисунок 22: Базовый элемент с прилипанием струи к стенке. V — канал питания. E1- E4 — каналы управления. O1-O2 атмосферные каналы, A1, A2 — выходные каналы. Сетка для понимания размеров
Реверсивный счетчик
Поскольку мне близка архитектура моего релейного компьютера, в первую очередь мне важно иметь реверсивные счетчики. Есть такие. Основаны на базовом элементе.
Рисунок 23: Струйный сдвиговый регистр с симметрично-стробированными триггерными каскадами для двух направлений сдвига (прямой и обратный счетчик). Н — струйные элементы с прилипанием струи к стенке в качестве переключателей направления сдвига. Vv Vr — входы для сигналов определяющих направление сдвига, D — направление сдвига, N, N+1, N+2 — блоки памяти. E0 — входы для импульсов сдвига. E» входы для параллельного ввода сигналов в память и вывода их из памяти.
Сумматор
Помимо счетчика желателен сумматор. Тут уже нужны элементы И. Их центральный канал используется для расчета следующего разряда, а боковые — для текущего.
Рисунок 24: Принципиальная схема сумматора
Условные обозначения
Струйный компьютер вроде бы даже можно создать… По сути — ничего сложного — воскрешаем пару-тройку базовых элементов, отлаживаем их и проектируем сложные комплексные системы с кучей трубочек. Все помнят фотографии квантовых компьютеров?
Рисунок 25: Какая-то самая часть квантового компьютера
Несколько мелких модулей и огромная колонна обвязки? Струйный компьютер будет выглядеть примерно похожим образом. Один только компрессор с накопителем чего стоить будет.
С другой стороны на панели 20×20 см можно смело разместить почти сотню базовых логических элементов! А потом эти панели собираем в стопку и получится довольно компактная система.
Рисунок 26: Бутерброд, который вполне может получиться
Помимо элементов, располагаем на панели сквозные отверстия для связи уровней между собой и перемежаем панелями с каналами, будто проводники на печатной плате. Слой панели логики, пара-тройка слоев перемычек. При толщине каждого слоя в 4–5 мм, и, допустим 2 слоев перемычек на каждый слой логики получаем 15 мм на 100 базовых элементов. На десять панелей логики получаем бутерброд в 1000 элементов с условными размерами 200×200х200 мм. Да у меня релейный комп из 700 реле состоит!
Правда здесь придется регистры и память на тех же реле организовывать. Соответственно потребуется намного больше элементов — 5–6 тысяч штук. Но если панели заказать литьем под давлением у китайцев — то почему бы и нет? Слои перемычек печатать…
Я планирую использовать для разработки схем DipTrace. По сути рисуем элементы так, чтобы слои можно было импортировать во fusion 360 и выдавливать каналы, да окна.
Корректность логической схемы отдам на откуп САПР — можно же нарисовать схему из почти обычных логических элементов, а дальше уже разводка.
Классическое «Зачем???777»
Рисунок 27: Классическое «затем»
Ну представьте себе — большой стенд, спереди блинкеры и флажки, сзади — перфорированная стенка для атмосферных окон. Мы запускаем парогенератор, пар начинает поступать в машину, спереди зашевелились блинкеры, а сзади пар из отверстий чух-чух-чух. Красота…
В любом случае я пока что на начале пути и только только собираю информацию. Нет ни представления об архитектуре будущей машины, ни ее свойства, ничего… Но знаете что самое интересное? Люди занимаются подобным!
Товарищи из ИПУ РАН, например, создали библиотеку струйных элементов и ПО для разработки систем струйной логики:
Рисунок 28: Пример базы данных элементов струйной логики
По сути ребята уже сделали то что я хочу — нарисовали элементы в CAD и печатают их на принтере. Жаль на почту не отвечают)
Вот тут более приближенная к реальности задача — система управления газостатического подшипника:
Рисунок 29: Четырехканальная струйная система управления с дискретными регуляторами с независимым каналом управления для каждого сегмента. P — давление питания газостатических подшипников. До 3D-печати дела не дошло…
Разумеется, где есть газовая струя, там вполне может применяться струйная логика. Например в двигателе Д-18 самолета АН-124 «Руслан»
Про применимость пневматических систем я лишь знаю что это весьма распространенная штука, конкретным примерам буду рад в комментариях.
Некоторое количество литературы по струйной логике. Большая часть книг — старше меня. Оно и немудрено.
- Рехтен А.В, Струйная техника: Основы, элементы, Схемы. М. изд. Машиностроение, 1980, 237с.
- Лебедев И.В., Трешкунов С.Л. Яковенко В.С, Элементы струйной автоматики. М. Машиностроение, 1973. 360с.
- Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струи вязкой жидкости. М, изд. Наука. 1965. 431с.
- Залмазон Л.А, Теория элементов пневмоники. М. изд. Наука. 1968 г. 508с.
- Кулешова Н.А., Власов Ю.Д., Леладзе И.С. Атлас конструкций элементов систем пневмоавтоматики. Часть 1. Элементы систем УСЭППА и КЭМП М. 1995.
- Кулешова Н.А., Власов Ю.Д., Леладзе И.С. Атлас конструкций элементов схем пневмоавтоматики. Часть 2. Элементы струйной системы «Волга». М. 1996.
Наверняка кому-то уже попадались на глаза кадры видео, из которых я сделал гифки. Исходный материал — обучающий кинофильм
Я показал очень малую толику того, что на самом деле представляет собой струйная логика. Материала тут не на одну статью и обзор. Буду рад любым замечаниям и предложениям по данной тематике в общем и по будущему компьютеру в частности.
