Глава 4. Технические средства для построения систем

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

4.1. Автоматические регуляторы, исполнительные

механизмы и регулирующие органы

Всякая автоматическая система регулирования (АСР)

состоит из совокупности объекта регулирования (ОР),

измерительного устройства (ИУ), автоматического регулятора

(АР), исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего

органа (РО).

4.1.1. Автоматические регуляторы

Автоматический регулятор представляет собой устройство,

предназначенное для преобразования сигнала от

измерительного устройства в соответствии с заданным

алгоритмом (законом) управления и усиления его до значений,

необходимых для управления исполнительным механизмом,

воздействующим через регулирующий орган на объект

управления.

По способу действия АР подразделяются на регуляторы

прямого и непрямого (косвенного) действия. В регуляторах

прямого действия энергия для их работы поступает от самого

объекта автоматизации. В регуляторах непрямого действия

энергия к их элементам подводится от внешнего источника, что

позволяет развивать достаточно большие динамические усилия

при перемещении регулирующих органов и обеспечивает

возможность территориального разделения объекта,

автоматического регулятора и исполнительного механизма с

регулирующим органом. Кроме того, регуляторы косвенного

действия обладают

более высокими

Рис. 4.1. Структурная схема

автоматического регулятора

быстродействием и точностью. По виду подводимой энергии

регуляторы подразделяются на электрические, пневматические,

гидравлические и комбинированные. Одной из основных

характеристик регуляторов является закон регулирования.

Современные регуляторы косвенного действия

представляют собой устройства, состоящие из нескольких

структурных элементов, основными из которых являются

многоступенчатые усилители, сумматоры, модуляторы,

умножители и другие блоки, с помощью которых обеспечи-

вается построение схем, обусловливающих формирование регу-

лирующего воздействия в соответствии с алгоритмом управ-

ления.

Электрические автоматические регуляторы (автоматические

регулирующие блоки), структурная схема которых приведена на

рис. 4.1, предназначены для формирования выходного сигнала,

подаваемого к электрическому исполнительному механизму

АСР.

Автоматический регулятор состоит из узла входных цепей

1, к которому подводятся сигналы от измерительных

преобразователей. Далее преобразованные сигналы поступают к

сумматору 2, к которому также подводится сигнал,

сформированный узлом обратной связи 5. Разность между

сигналом обратной связи и сигналом от измерительного

преобразователя подается к суммирующему усилителю 3 и

далее к узлу 4, с помощью которого формируется управляющий

сигнал в соответствии с законом регулирования. Настройки

вводятся в регулятор при наладке АСР конкретного объекта

автоматизации через узел входных цепей 1.

4.1.2. Исполнительные механизмы

Исполнительные механизмы (ИМ), являясь составной

частью АСР, предназначены для перемещения регулирующего

органа (РО) в соответствии с командой, получаемой от

регулятора. При переходе на ручное (дистанционное)

управление команда к ИМ подается человеком-оператором с

помощью соответствующих органов ручного управления. В

зависимости от вида энергии, используемой в ИМ, они

подразделяются на электрические, пневматические и

гидравлические.

Электрические ИМ. В автоматике в основном

используются электромагнитные и электродвигательные

электрические ИМ. Основным узлом электромагнитных ИМ

является электромагнит постоянного или переменного тока

разных форм и конструкций, обеспечивающих его срабатывание

при протекании тока по обмотке управления.

Электродвигательные ИМ являются наиболее

распространенными. По характеру движения выходного

рабочего звена они подразделяются на однооборотные, у

которых выходной вал перемещается по дуге окружности (до

360°); многооборотные, у которых выходной вал вращается

(более 360°), и прямоходные, выходное звено (шток) которых

перемещается поступательно. Электродвигательный ИМ (рис.

4.2) состоит из электродвигателя 3 с электромагнитным

тормозом 4, блока 5 с конечными выключателями, червячного

редуктора 2 и выходного вала редуктора 1, предназначенного

для сочленения с регулирующим органом. Пуск

электродвигателя в ту или иную сторону вращения

обеспечивается включением контактов 1РБ или 2РБ реле

автоматического регулятора. При этом через обмотки В или Н

реверсивного магнитного пускателя потечет ток и включатся его

главные контакты ВО или НО, с помощью которых включается

в сеть электродвигатель ЭД. Блок-контакты В1 и HI служат для

шунтирования контактов регулятора. Для отключения

электродвигателя при достижении выходным валом редуктора

крайних положений предназначены конечные выключатели

КВО и КВЗ, зажигая при этом одну из соответствующих

сигнальных ламп ЛО или ЛЗ. Кнопка КС служит для аварийного

останова электродвигателя.

Рис. 4.2. Электродвигательный исполнительный механизм:

а — общий вид; б — электрическая схема включения

Пневматические ИМ. Предназначены для работы с

пневматическими регуляторами и выпускаются в двух

модификациях: мембранные и поршневые. Мембранный

исполнительный механизм (рис. 4.3) состоит из следующих

основных элементов: корпуса 1 (составлен из двух фланцев),

мембраны 2, возвратной пружины 3 и штока 4. Втулка с

натяжной гайкой 5 служит для регулирования усилия,

развиваемого пружиной.

При подаче давления от

пневматического регулятора в

надмембранную полость мембрана 2

прогибается вниз, тем самым

перемещая шток 4, сочлененный с

регулирующим органом.

Противодействующее усилие и

возврат штока в исходное положение

при отсутствии давления в

надмембранной полости

осуществляются с помощью пружи-

ны 3.

Рис. 4.3. Мембранный

исполнительный механизм

В поршневых ИМ перестановочное усилие создается

давлением рабочей среды в поршневых полостях.

Гидравлические ИМ. В них используется энергия рабочей

жидкости под давлением. Эти механизмы применяют в АСР,

если необходимы значительные усилия для перемещения

регулирующего органа.

4.1.3. Регулирующие органы

Регулирующие органы (РО) предназначены для изменения

расхода материальных или энергетических потоков в объект

регулирования. Регулирующие органы разделяются на дроссель-

ные, объемные и скоростные.

Дроссельные РО. Эти механизмы обеспечивают изменение

расхода среды путем изменения скорости и площади живого

сечения потока при прохождении его через дросселирующее

устройство, гидравлическое сопротивление которого является

переменной величиной. Применяются они в основном для

изменения расхода жидкостей, газа и пара, транспортируемых

по трубопроводам. Основными типами дроссельных РО

являются регулирующие

клапаны, шиберы и заслонки.

На рис. 4.4 приведена схема

односедельного

регулирующего клапана,

состоящего из корпуса 7 с

седлом 1, штока 4 с затвором

3, имеющего запорную

(профильную) поверхность 2,

а также из сальника 6 с

поджимным фланцем 5.

Изменение пропускной

способности клапана

осуществляется путем

перемещения затвора 3 вдоль

Рис. 4.4. Односедельный оси прохода седла клапана

регулирующий клапан

Шиберы или задвижки

представляют собой

прямоугольную или фигурную пластину, которая перемещается

перпендикулярно оси трубопровода и изменяет его проходное

сечение. Заслонки выполняются в виде лопастей, помещаемых в

регулируемом потоке в трубопроводе.

Изменение живого сечения потока среды осуществляется

поворотом лопасти заслонок от ИМ.

Объемные РО. Представляют собой устройства с насосами

объемного дозирования, а также объемные (камерные) питатели,

отмеривающие или отсекающие при своем движении

определенные объемы жидкости, газа или сыпучих материалов.

4.2. Агрегатные комплексы и системы

технических средств автоматизации ГСП

При автоматизации самых разнообразных технологических

процессов возникает необходимость в применении обширной

номенклатуры технических средств автоматизации, отвечающих

различным требованиям эксплуатации, настройки, ремонта и т.

п. Это проблема в ГСП решается на основе принципа

агрегатирования, который позволяет обеспечивать построение

более сложных устройств и систем из ограниченного набора

более простых унифицированных изделий (модулей) методом

«наращивания и стыковки» этих более простых изделий. Для

обеспечения возможности «наращивания и стыковки»

необходима конструктивная и информационная совместимость

изделий ГСП без дополнительной разработки устройств для их

сочленения или изменения самих изделий. В рамках ГСП

выпускается ряд агрегатных комплексов и систем,

предназначенных для автоматизации технологических

процессов, машин, агрегатов, аппаратов и др. объектов.

Агрегатный комплекс пневматических регулирующих

устройств «Старт». Комплекс построен на основе

универсальной системы элементов промышленной

пневмоавтоматики (УСЭППА). В состав комплекса входят

несколько типов автоматических регуляторов, а также

функциональные блоки и вторичные приборы (показывающие,

самопишущие, интегрирующие). С помощью технических

средств комплекса могут строиться самые разнообразные

системы автоматического регулирования и управления, в том

числе самонастраивающиеся, многоканальные и др. Устройства

системы «Старт» рассчитаны на использование в пожаро- и

взрывоопасных условиях, в помещениях с агрессивными

средами и тяжелыми условиями эксплуатации.

4.3. Микропроцессорные технические средства

Одним из перспективных направлений развития

технических средств автоматизации является использование

больших микропроцессорных интегральных схем (МП БИС) или

просто микропроцессоров (МП), применение которых дает

возможность изменять алгоритм обработки данных посредством

программирования. Наряду с этим важнейшим результатом

использования в технических средствах автоматизации больших

микроминиатюрных интегральных схем (БИС) является

возможность создавать электронные схемы и конструкции с

высоким быстродействием и повышенной надежностью, низкой

стоимости и энергоемкости.

На практике применяются функциональные блоки,

содержащие МП БИС и оформленные конструктивно в виде

отдельных плат. Такие блоки выполняют роль микроЭВМ,

встраиваемой в технические средства автоматизации, и

называются микроконтроллерами.

Отечественной

промышленностью

освоено серийное

производство

регулирующих

микропроцессорных

контроллеров типа

ремиконт и

ломиконт. На рис.

4.5. приведена

структурная схема

ре-миконта,

предназначенного

Рис. 4.5. Структурная схема ремиконта для автоматического

регулирования самых разнообразных технологических

процессов в разных отраслях промышленности. Он содержит

процессор, постоянную и оперативную память (ПЗУ и ОЗУ),

устройства ввода-вывода информации (УСО) и устройство связи

с оператором. Эти элементы объединены внутренней

параллельной шиной и образуют физическую структуру

контроллера ремиконт.

Ремиконт формирует заданный закон регулирования, вы-

полняет суммирование, дифференцирование, селектирование,

переключение и др. преобразования аналоговых сигналов, а

также обрабатывает и формирует дискретные сигналы управ-

ления. При этом реализуемые им алгоритмы управления могут

задаваться и изменяться оператором непосредственно на месте

эксплуатации. С помощью ремиконта возможна организация

программного, каскадного, многосвязанного и других видов

управления технологическими процессами.

Ремиконт является многоканальным устройством, заменяю-

щим несколько десятков аналоговых приборов и регуляторов.

Для настройки ремиконта используется специальная панель,

клавиши и индикаторы которой обозначены терминами,

привычными для специалистов. Ремиконт снабжен также

средствами информационного контроля за ходом

автоматизируемого процесса и диагностическими индикаторами

вида «норма», «больше», «меньше» и т. п., которые помогают

обнаруживать и ликвидировать возможные отклонения и

неисправности.