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:

Схемы

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

Наше время

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 20х20см 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 4-5мм, 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 200х200х200 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.

Литература

Некоторое количество литературы по струйной логике. Большая часть книг — старше меня. Оно и немудрено.

1. Рехтен А.В, Струйная техника: Основы, элементы, Схемы. М. изд. Машиностроение, 1980, 237с.
2. Лебедев И.В., Трешкунов С.Л. Яковенко В.С, Элементы струйной автоматики. М. Машиностроение, 1973. 360с.
3. Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струи вязкой жидкости. М, изд. Наука. 1965. 431с.
4. Залмазон Л.А, Теория элементов пневмоники. М. изд. Наука. 1968г. 508с.
5. Кулешова Н.А., Власов Ю.Д., Леладзе И.С. Атлас конструкций элементов систем пневмоавтоматики. Часть 1. Элементы систем УСЭППА и КЭМП М. 1995.
6. Кулешова Н.А., Власов Ю.Д., Леладзе И.С. Атлас конструкций элементов схем пневмоавтоматики. Часть 2. Элементы струйной системы “Волга”. М. 1996.

Заключение

Наверняка кому-то уже попадались на глаза кадры видео, из которых я сделал гифки. Исходный материал — обучающий кинофильм