Классификация и общее устройство исполнительных механизмов
1.1. Исполнительные механизмы. Основные понятия.
Согласно ГОСТ 14691 «Устройство исполнительное для систем автоматического регулирования» представляет собой устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с полученной командной информацией. При этом имеется в виду, что исполнительное устройство состоит из двух функциональных блоков: собственно исполнительного механизма и регулирующего органа и может оснащаться дополнительными блоками. Так что же такое исполнительный механизм в концепции исполнительного устройства систем автоматизации? Приведем необходимые для дальнейшего понимания материала определения и некоторые сопутствующие комментарии преимущественно в авторской трактовке, но базирующиеся на общепринятых в данной предметной области понятиях. Ниже курсивом выделены некоторые производные (наследуемые) понятия от понятия «исполнительный механизм» (понимаемое как родовое понятие).
Исполнительный механизм (ИМ) – термин (понятие) инженеров по автоматизации. Существует достаточно много определений понятия «Исполнительный механизм». В различных энциклопедических словарях (БСЭ, Википедии, Англо-русском словаре технических терминов и др.) приводится та или иная трактовка этого понятия. Различия понятий определяются, прежде всего, различными воззрениями исследователей на проблему управления техническими объектами, степенью обобщения отраслевых и межотраслевых понятий, а также отраслевой спецификой (объекты электроэнергетики и теплоэнергетики, объекты атомной энергетики, металлорежущие станки, роботы и манипуляторы, общепромышленные механизмы и т.п.).
В наиболее общей трактовке под ИМ понимают любой механизм, осуществляющий воздействие на технический (технологический) объект управления по сигналам оператора или от системы управления (пульта управления оператора, промышленного логического контроллера (ПЛК), контурного регулятора и т.п.). При этом подразумевается, что ИМ воздействует на некий рабочий орган (РО) объекта управления (рабочую машину). Рабочими машинами в этом случае могут быть, например, ядерный реактор или крановые установки. К рабочим органам в этом случае могут относиться, например, графитовые стержни замедлителя ядерного графитоводяного реактора, механизмы перемещения и подъема мостового, козлового, портального крана и т.п.
В частном случае, ИМ – это устройство в системе автоматического регулирования и (или) дистанционного управления, непосредственно осуществляющее механическое перемещение (поступательное или вращательное) рабочего органа трубопроводной арматуры объекта управления. При этом подразумевается, что рабочим органом является регулирующий орган (РО), который принадлежит той или иной запорно-регулирующей арматуре (ЗРА). Изменение положения регулирующего органа вызывает изменение потока энергии или материала, поступающих на объект, и тем самым, воздействует на рабочие машины (механизмы и технологические процессы), устраняя тем самым отклонения регулируемой величины от заданного значения.
Вместе с тем, в соответствие с ГОСТ Р 52720-2007 термин «регулирующий орган» не является рекомендуемым к употреблению, а если и употребляется, то в понимании «регулирующий клапан».
На рис. 1.1. приведена классификация основных видов трубопроводной арматуры систем водоснабжения, две левые «ветви дерева» которой относятся к ЗРА.
Рис. 1.1. Классификация трубопроводной арматуры
ЗРА характеризуется множеством параметров, в частности конструкцией, типом привода, условным диаметром прохода Ду (от 20 мм до 3 м) и др. При этом собственно регулирующий орган, осуществляющий непосредственный контакт и взаимодействие с технологической средой (веществом, материалом или теплоносителем), призван изменять количественные или качественные характеристики вещества или материала.
Следует отметить, что ИМ иногда различают в зависимости от конструкции на простые (двухпозиционные), которые могут перемещать рабочий орган из одного крайнего положения в другое крайнее, и на сервоприводы, которые могут перемещать рабочий орган в любое положение в зависимости от управляющего сигнала и определять положение органа в пространстве. Поэтому под исполнительным механизмом часто понимают именно сервопривод (от латинского service – рабочий, слуга, и механизм), т.е. исполнительное устройство, используемое в качестве вспомогательного исполнительного привода элементов следящих систем управления, рулевых устройств и т.п.
В англоязычной литературе также имеются различные трактовки понятия «Исполнительный механизм»: actuating device, actuating unit, actuator, executive device, actuating mechanism, executing mechanism, operating mechanism.
Отсюда понятно, что основные различия в определении понятия «Исполнительный механизм» лежат в проблеме стандартизации понятий «Рабочая машина», «Рабочий орган», «Регулирующий орган». До настоящего времени эти понятия трактуются достаточно произвольно.
В дальнейшем, дабы не обременять читателей возможными интерпретациями понятия «Исполнительный механизм», будем полагать, что он воздействует на некие рабочие органы (РО) рабочих машин, а, в тех случаях, когда идет речь об управлении ЗРА, – на регулирующие органы (регулирующие клапаны) ЗРА (собственно клапаны, затворы, шиберы, заслонки, щаровые или пробковые краны и др.), которые будем также обозначать аббревиатурой «РО».
Основными управляемыми координатами ИМ являются координаты механического движения – положение и скорость ИМ (угловые или линейные) или эти же координаты, приведенные к координатам движения РО. Вместе с тем, поскольку ИМ совместно с РО может воздействовать на технологические координаты (температуру, расход, давление, концентрацию, уровень и др.) объекта управления, то зачастую именно эти координаты рассматривают как управляемые координаты ИМ.
В большинстве случаев ИМ работают от посторонних источников энергии и требуют применения соответствующих силовых преобразователей энергии (СПЭ), так как непосредственное (прямое) управление ими от первичных элементов регулирования (реле, датчиков и др.) невозможно вследствие их малой мощности, недостаточной для воздействия на выходной элемент рабочего (регулирующего) органа.
Важными понятиями в отношении ИМ ЗРА являются рабочая среда, перестановочное усилие и выходной элемент.
Рабочая среда ИМ – внешняя среда, создающая условия для управления движением исполнительного механизма (электрическая энергия, энергия давления воздуха или жидкости).
Перестановочное усилие – усилие, создаваемое рабочей средой ИМ, и передаваемое выходным элементом исполнительного механизма регулирующему органу.
Выходной элемент – элемент исполнительного механизма, передающий перестановочное усилие или вращающий момент регулирующему органу (кулачок, рычаг, фланец, шток и т.п.).
ИМ обычно состоит из привода, передачи и элементов управления, а также элементов обратной связи, сигнализации, блокировки и др.