ТСА

себе удержать нагрузку на выходном валу исполнительного механизма при обесточенном электродвигателе. Поэтому рассматриваемые исполнительные механизмы требуют применения надежных тормозных устройств, стопорящих выходной вал исполнительного механизма после отключения двигателя.

Тормозное устройство исполнительных механизмов Типа МЭО имеет электромагнитный привод в виде соленоида, включаемого параллельно с обмоткой управления двигателя. При обесточенном электромагните с помощью рабочей пружины обеспечивается необходимое усилие торможения.

При появлении силового напряжения на обмотке управления электродвигателя появляется ток и в обмотке соленоида. Якорь втягивается и отводит тормозную колодку от вала электродвигателя.

При исчезновении напряжения на обмотке управления двигателя соленоид обесточивается и вал электродвигателя тормозится с помощью пружины и тормозной колодки.

Исполнительные механизмы МЭО оснащаются обычно двумя индуктивными датчиками положения. Датчики размещаются в специальном блоке датчиков БДИ-6, в котором, кроме того, расположены четыре микровыключателя с двумя независимыми цепями каждый. Плунжеры датчиков и толкатели переключателей перемещаются с помощью кулачков, связанных с выходным валом исполнительного механизма.

В механизмах МЭО могут устанавливаться и другие модификации датчиков положения: индуктивный с устройством люфт — БДИ-6Л; реостатный БДР-П; токовый типа БДТ, состоящий из блока датчиков магнитных БДМ-2 и блока усилителей БУ-2.

Пневматические средства регулирования

Пневматические средства регулирования предназначены для построения АСР технологических объектов управления с повышенными требованиями пожаро- и взрывобезопасности. Применяются при повышенной загазованности, на нефтехимических производствах, газоперекачивающих станциях, … Носителем информации в пневматических средствах регулирования является сжатый воздух. Рабочий диапазон: 0,2 … 1,0 атм. (0,02 … 0,1 МПа).

Основу ветви пневматических средств регулирования ГСП составляют устройства универсальной системы промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). На основе УСЭППА конструируются регулирующие и функциональные блоки, а также ряд устройств и систем централизованного контроля и управления.

Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики представляет собой набор отдельных элементов, каждый из которых может выполнять лишь простейшую функцию преобразования сигнала в общей схеме всего устройства. Так, в составе УСЭППА имеются пневматические емкости, сопротивления, дроссельные сумматоры, усилители, реле и др.

Пневмоемкость — элемент, в котором накопление потенциала осуществляется за счет изменения давления при постоянном объеме. В зависимости от функционального назначения различают постоянные и переменные пневмоемкости.

Пневмосопротивление (дроссель) — предназначено для создания сопротивления течению воздуха (дросселирование потока газа). В зависимости от функционального назначения пневматические сопротивления разделяют на постоянные, переменные и управляемые.

Постоянные (нерегулируемые) сопротивления представляют собой капилляр длиной 20 мм с отверстием диаметром 0,32 или 0,18 мм.

Переменные (регулируемые) пневмосопротивления — сопротивления, величина которых может изменяться в определенных пределах. В качестве регулируемых сопротивлений чаще всего используется конструкция, содержащая рабочую пару «конус-конус».

Управляемые пневмосопротивления — сопротивления, величина которых может изменяться под действием какого-либо параметра (т.е. величина этих сопротивленийможет изменяться в процессе работы пневматического устройства автоматически). Наиболее распространенные управляемые сопротивления — сопротивления типа «сопло-заслонка», «сопло-шарик» и др.

d

Дроссельные сумматоры (иногда их называют дроссельными делителями) реализуют операцию сложения двух пневматических сигналов (давлений), поступающих через постоянный (ДП) или регулируемый (ДР) дроссели. В составе УСЭППА имеются два типа дроссельных сумматоров, отличающихся друг от друга тем, что в одном из них регулируемый дроссель снабжен шкалой.

В стационарном режиме в междроссельном объеме, который можно рассматривать как проточную камеру, устанавливается давление рвых, при котором массовый расход через дроссель ДР должен быть равен массовому расходу через дроссель ДП. Если принять, что перепады давлений р1-рвых н дросселе с проводимостью α и рвых-р2 на дросселе с проводимостью β малы, а режимы протекания воздуха через дроссели ламинарны, то на основании равенства массовых расходов можно записать:

α ×(p1 - pвых )= β ×(pвых - p2 )

82

Мембранные сумматоры (их также называют сравнительными элементами, элементами сравнения и усилителями давления) строятся с использованием двухсоплового механо-пневматического преобразователя. В состав УСЭППА входят трехмембранные пневмоусилители с двумя входами и пятимембранные с четырьмя входами.

Трехмембранный усилитель с двумя входами состоит из двух пневмосопротивлений типа «сопло-заслонка» (1, 4 и 2, 5) и мембранного блока 3, образующего вместе с корпусом глухие камеры. Мембранный блок содержит три эластичные мембраны 6, 7, 8, соединенные общим штоком, торцы которого 4, 5 и служат заслонками сопл 1 и 2. Мембранный блок может перемещаться в вертикальном направлениидвижение его ограничивается упором торцов в сопла 1 или 2. Эффективные площади мембран 6 и 8 равны друг другу и значительно меньше эффективной площади мембраны 7. Камеры А и Г, в которых располагаются сопла, соединяются последовательно (штуцера а и б объединены) и образуют тем самым проточную камеру с двумя управляемыми сопротивлениями. К соплу 1 через штуцер г подводится давление питания рпит, сопло 2 через штуцер а сообщается с атмосферой (ратм). Входные давления р1 и р2 подводятся к глухим камерам В и Б через штуцера д и е. Из-за различия эффективных площадей мембран, образующих глухие камеры, при увеличении давления р1 в двухвходовом усилителе давление на выходе рвых увеличивается, а при увеличении давления р2 — уменьшается. Поэтому камеру В называют положительной, а камеру Б — отрицательной.

Так как положение мембранного блока относительно управляемых сопротивлений определяет величину выходного давления, а в то же время само определяется значениями входных сигналов, то между давлением рвых и значениями давлений р1 и р2 имеет место однозначная зависимость, обладающая значительной крутизной. Реальная статическая характеристика усилителя отличается от идеализированной и имеет форму петли гистерезиса (это явление обусловлено тем, что эластичные мембраны обладают упругостью). Наличие гистерезиса вызывает некоторую

83

нечувствительность усилителей, а их коэффициент усиления в диапазоне изменения давлений р1-р2 не более чем а=0,4·10-3 МПа колеблется в пределах 100…200. Таким образом, окончательно можно записать: pвых = k0 (p1 - p2 ). Двухвходовый усилитель

иногда используется в схемах управления как элемент сравнения и выполняет операцию:

При указанных характеристиках применять рассмотренные усилители практически невозможно, так как имеющие место изменения входных давлений и павлений питания нарушают устойчивость усилителя и он работает в релейном режиме.

Устойчивая работа пневмоусилителя наблюдается в случае охвата его отрицательной обратной связью.

ратм

Пневмоусилитель с отрицательной обратной

связью

Чаще всего используется единичная отрицательная обратная связь. Тогда при условии k0>>1 такое устройство выполняет операцию повторения входного сигнала. Передаточная функция замкнутой системы в таком случае записывается в следыующем виде:

При этом следует заметить, что чем больше коэффициент усиления k0, тем точнее реализуется операция повторения.

84

Пятимембранные усилители с четырьмя входами являются разновидностью рассмотренного. У них несколько больше величина а è меньше коэффициент усиления.

Охваченные единичной отрицательной обратной связью (ООС) усилители имеют три свободных входа (два положительных и один отрицательный) и по аналогии с рассмотренным выше трехмембранным усилителем также реализуют операцию повторения рвых=Δрвх. В свою очередь Δрвх можно рассматривать:

как алгебраическую сумму рвых=р1-р2+р3,

как умножение на два при р2=0 и при р1=р3: рвых=2·р1, как операцию вычитания при р3=0: рвых=р1-р2, как операцию сложения при р2=0: рвых=р1+р3,

как операцию умножения на два и вычитания при р1=р3 и р2≠0: рвых=2·р1-р2. Рассмотренные усилители нашли широкое применение при реализации аналоговых

пневматических регулирующих устройств, осуществляющих типовые П-, ПИ- и ПИД-законы регулирования.

Усилитель мощности (усилитель-повторитель) предназначен для повторения непрерывного входного пневматического сигнала и усиления его по мощности (расходу воздуха). Усилители применяются в качестве выходных элементов в большинстве приборов, построенных из элементов УСЭППА. Модификации усилителей мощности различаются принципиальной схемой и технологическими характеристиками.

Усилитель состоит из трех шайб, разделенных гибкими мембранами и собранных так, что в элементе образуются четыре камеры. В камеру А подается входной сигнал. Камера Б соединена с атмосферой, в камере В формируется выходной сигнал элемента, а камера Г соединена с источником питания.

Упрощенная схема и условное изображение усилителя мощности

Принцип действия элемента — компенсационный: усилие, развиваемое на сдвоенной мембране 1 входным сигналом рвх, непрерывно сравнивается и компенсируется усилием, развиваемым на той же мембране выходным сигналом рвых. При нарушении равновесия сил на мембранном блоке двойной шариковый клапан 2 откроет контакт, соединяющий выходную камеру В с атмосферой или с камерой питания, что приведет к восстановлению равновесия.

В связи с тем, что в таком усилителе мембранный блок собран из грубых (менее чувствительных) мембран и не разгружен от действия посторонних усилий, повторение сигнала осуществляется со значительной статической ошибкой (до 5% стандартного диапазона пневматических сигналов). В то же время большие

85

проходные сечения шариковых клапанов обеспечивают усилителю большие динамические свойства.

Пневматическое изодромное регулирующее устройство на базе КС3

Регулятор ПР-КС3 предназначен для встраивания в регистрирующий прибор и реализации ПИ-закона регулирования. При этом сигнал датчика и задатчика вводится с помощью стрелки измерительного прибора.

1

ПОС 1 Т1·р+1

Первый элемент формирования структуры регулятора — элемент сравнения, формирующий сигнал рассогласования х=хзд-хд. Далее сигнал х (физически — перемещение) через рычажную систему (рычаги 3, 4, 5) передается на заслонку 6, на которую также передается сигнал от другой рычажной системы. Сумма перемещений определяет степень открытия заслонки. Таким образом, механическое перемещение преобразуется с помощью элемента «сопло-заслонка» в пневматический сигнал, поступающий затем на усилитель мощности и к исполнительному механизму (пропорциональному). Этот же сигнал поступает в обратную связь, состоящую из пропорциональной и апериодической части, сигналы которых затем вычитаются. Разностный сигнал образует хос. Имеется возможность изменять коэффициент обратной связи путем смещения точки опоры рычага 7 с помощью барабанчика со скошенной поверхностью.

Таким образом реализуется ПИ-закон регулирования:

Пневматические регуляторы системы «Страрт»

Элементы УСЭППА имеют широкое применение при серийном изготовлении пневматических средств, реализующих все типовые законы регулирования. Эти средства известны под названием пневматических средств контроля и регулирования системы «Старт».

Все регуляторы системы «Старт» могут работать с любыми устройствами, имеющими входные унифицированные пневматические сигналы. Специальный дискретный элемент (реле переключения) позволяет осуществлять плавный, без скачков давления, переход от ручного управления к автоматическому регулированию. Регуляторы включают в себя позиционные (Пз), пропорциональные

86

(П), пропорционально-интегральные (ПИ), пропорционально-интегральные соотношения (в том числе по третьему параметру) и пропорционально-интегрально- дифференциальные (ПИД) регуляторы.

Позиционный регулятор ПР1.5.

Рассмотрим схему ПР1.5. 1 — задатчик 2 — постоянный дроссель

3 — трехмембранный элемент

4 — усилитель мощности М — манометр

П — переключатель входных сигналов Регулятор настраивается на максимум или минимум посредством переключения

входных каналов. При настройке на минимум рвх поступает в камеру Б элемента 3, рзд от задатчика 1 подводится в камеру В. Пока рвх>рзд, сопло Сг закрыто и сигнал на выходе принимает нижнее значение. При рвх<рзд сопло Сг открывается и выходной сигнал принимает верхнее значение. Аналогично регулятор работает и в положении «максимум».

Выходное давление с элемента 3 усиливается усилителем мощности 4. Настройка задания осуществляется по манометру М.

Пропорциональный регулятор ПР 2.5.

1 — пятимембранный усилитель с большим коэффициентом усиления, W(p)=1 2 — ручной задатчик 3, 4 — дроссельный сумматор ДС

5 — пятимембранный усилитель с большим коэффициентом, не охвачен обратной связью 6 — усилитель мощности

7 — отключающее реле рп — давление, пропорциональное регулируемой величине (от соответствующего преобразователя)

рзд — давление от задатчика, установленного обычно во вторичных приборах со встроенной станцией управления рн — давление от ручного задатчика-корректора 2, установленного в регулирующем

блоке и определяющего начальное значение выходного сигнала при рп=рзд. Давление рн получило название давления контрольной точки. Заранее установленное давление контрольной точки рн дает возможность получать увеличение или уменьшение выходного давления рвых при отклонении рп от рзд.

Для дроссельного сумматора в состоянии равновесия можно записать: p2 = α α+ β × p1 + α β+ β × pвых ,

где α — проводимость регулируемого дросселя; β — проводимость нерегулируемого дросселя сумматора ДС.

87

Кроме сигнала р2 на вход элемента 5 поступает давление контрольной точки рн от ручного задатчика 5. Равновесие элемента 5 определяется условием р2=рн. После

преобразований с учетом выражения для р1 получим: pвых = рн + αβ (рп - рзд ).

Обозначив α/β=КР, рп-рзд=рвх, получим уравнение регулятора в виде рвых=рн+КР·рвх. Уравнение совпадает с типовым законом П-регулятора. Для нормальной работы

регулятора необходим правильный выбор направления изменения давления в линии исполнительного механизма при увеличении или уменьшении регулируемого

параметра. Направление может меняться с помощью специального переключателя, выполненного в виде диска с надписями: «ОБР» (обратный) и «ПРЯМ» (прямой), относительно риски, сделанной на плате.

Рассмотрим структурную схему регулятора ПР2.5. Пренебрегая объемами глухих камер элементов, все звенья рассматриваем как пропорциональные. При этом следует отметить, что обратная связь, поступающая в камеру Г и в камеру В через постоянный дроссель ПД2, используется для гашения автоколебаний и является исчезающей. В динамическом отношении обратная связь представляет собой дифференцирующее звено и при выводе передаточной функции регулятора может не учитываться из-за пренебрежения объемами камер В и Г.

Усилитель мощности усиливает сигнал по мощности (расходу), оставляя давление без изменений, т.е. КУ.М.=1. С учетом отмеченного можно записать:

усиления, обратно пропорциональный коэффициенту неравномерности δ для пневматических регуляторов, известному под названием диапазона

дросселирования, т.е. KP = δ1 ×100% .

Диапазон дросселирования δ настраивается изменением проводимости α регулируемого дросселя. При закрытии дросселя коэффициент усиления имеет минимальное значение, т.е. КР → 0, а δ → ∞. Если дроссель полностью открыт, то КР →∞, а δ → 0.

88

На практике в серийных регуляторах ПР2.5 значение δ выбирают из ряда: 5 — 100, 10 — 300, 40 — 500, 100 — 1000, 150 — 1500, 500 — 3000%.

Рассмотрим работу регулирующего устройства ПР 2.5. Предположим, что рп>рзд. В этом случае выходное давление р1 сумматора 1 падает и поступает на регулируемый дроссель α дроссельного сумматора ДС. Выходной сигнал с регулирующего устройства рвых поступает в камеру Б усилителя давления 5, охваченного отрицательной обратной связью. Выходной сигнал усилителя складывается из давлений р2 и рн, подается далее на усилитель мощности 6 и через отключающее реле 7 — на выход регулирующего устройства и на исполнительный механизм.

Новое состояние равновесия наступает при новом значении рвых. Из соотношения

рн=k1·р1+k2·рвых видно, что с изменением рвых должно измениться давление р1, поскольку рн остается постоянным, а из условия равновесия сумматора,

реализованного на усилителе давления 1, следует, что рвх также должно измениться. Таким образом, каждому значению рвых соответствует в замкнутой автоматической системе регулирования с пропорциональным регулятором ПР2.5 свое значение регулируемого параметра рп.

Отключающее реле 7 при подаче контрольного сигнала рк позволяет отключать регулятор от исполнительного механизма. При этом сопло С2 закрывается, а через сопло С1 можно дистанционно управлять исполнительным механизмом. Для безударного включения регулятора необходимо в камере Б создать давление рвых, после чего снять сигнал рк.

Пропорционально-интегральный регулятор ПР3.21.

Пропорционально-интегральный регулятор ПР3.21 отличается от рассмотренного пропорционального ПР2.5 наличием интегрирующего звена, реализованного путем охвата апериодического звена положительной обратной связью.

Рассмотрим принципиальную схему регулятора ПР3.21.

От регулятора ПР3.22 ПР3.21 отличается наличием ручного задатчика 1.

Регулятор состоит из пропорциональной и интегральной части, также в состав регулятора входят переключающие реле 9 и 10. Пропорциональная часть состоит из: пятимембранных элементов сравнения 5 и 7, дроссельного сумматора ДС и усилителя мощности 8. Интегральная часть состоит из: пятимембранного элемента сравнения 2, регулируемого дросселя 3 и пневмоемкости 4.

Связь между пропорциональной и интегральной частями регулятора осуществляется путем подачи давления с выхода интегральной части в камеры Д усилителей давления 5 и 7 пропорциональной части. Гашение возможных автоколебаний осуществляется так же, как и в пропорциональном регуляторе ПР2.5.

рд

k2

Структурная схема регулятора ПР3.21

89

При выводе передаточной функции регулятора емкостями камер пренебрегаем, в связи с чем эти связи в структурной схеме отсутствуют. Согласно структурной схеме:

где ТС — постоянная интегральной части.

Окончательно выражение для выходного регулирующего воздействия запишется в виде

Настройки пневматических регуляторов ПР3.21 могут быть определены по известным методикам для ПИ-регуляторов. Значения их должны быть приведены к

Регулятор ПР 3.21 имеет практически независимые параметры настройки. Время интегрирования ТС может изменяться от 3 с до 100 мин, предел пропорциональности δ — от 5 до 3000%.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор ПР3.25

В отличие от предыдущего регулятора в ПР3.25 добавлена дифференциальная часть. Рассмотрим принципиальную схему регулятора ПР3.25. В состав регулятора входят: пропорциональная часть, которую образуют пятимембранные элементы сравнения 7 и 9, дроссельный сумматор 8 и усилитель мощности 10; интегральная часть, в состав которой входят регулируемый дроссель 5, емкость 6 и пятимембранный элемент сравнения 4; дифференциальную часть образуют трехмембранный элемент 1, имеющий цепочку обратной связи, в которую входят емкость 2 и переменный дроссель 3. Органом настройки ТД служит дроссель 3.

Реле отключения выключают П-часть, И-часть и Д-часть, при этом 12 закорачивает (шунтирует) сигнал, 11 и 13 отключают сигнал.

90