2. Функциональные устройства

Позволяют выполнять опера­ции суммирования, умножения, деления, инвертирования сиг­нала, дифференцирования, динамического преобразования, селектирования сигналов, их ограничения, сигнализации и многие другие.

Регулирующие и функциональные устройства относятся к техническим средствам ГСП, предназначенным для обработки информации и формирования команд управления. Они совме­стимы друг с другом. Из них можно скомпоновать как простые (одноконтурные), так и довольно сложные (многоконтурные, многосвязные и др.) системы регулирования и управления. Все эти многообразные устройства входят в несколько пневматиче­ских и электрических комплексов технических средств. Для построения систем управления на основе этих комплексов используют коммутации технических средств пневматическими или электрическими со­единениями.

3. Исполнительные устройства

Предназначены для воздействия на объекты путем изменения расхода проходя­щей через них технологической среды (жидкости, газа, пара или сыпучего материала) в соответствии с командной информа­цией, поступающей от регуляторов или других управляющих устройств. В системах управления исполнительные устройства являются конечными элементами и их устанавливают на техно­логических трубопроводах.

4. Пневматические устройства

Пневматические устройства собирают из элементов «Универ­сальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики» (УСЭППА).

Система УСЭППА. Система реализует элементный принцип и представляет собой набор аналоговых и дискретных элементов (дроссель, емкость, тумблер, трехмембранное реле и др.), каж­дый из которых предназначен для выполнения простейших опе­раций над входными сигналами. Комбинируя эти элементы, можно составить различные устройства. Элементы выполнены из квадратных секций, между которыми расположены резино­тканевые мембраны; в секциях имеются полости, образующие совместно с мембранами пневматические камеры. Условные обозначения элементов в пневматических схемах приведены в табл. 1.

Дроссель предназначен для ограничения или изменения рас­хода протекающего через него воздуха, что обеспечивается со­зданием местного сопротивления на пневматических линиях. Дроссели основных типов приведены на рис. 3.

Таблица 1. Условные обозначения элементов в пневматических схемах

Элемент	Условное обозначение
Пневмодроссель нерегулируемый
Пневмодроссель регулируемый
Питание
Атмосфера
Устройство сопло-заслонка
Сопло закрыто
Пневмокамера постоянного объема
Переключатель

Постоянный дроссель (нерегулируемое пневмосопротивление) представляет собой капилляр длиной 20 мм и диаметром 0,18 или 0,30 мм (рис. 3, а). Большое отношение длины к диаметру капилляра обеспечивает ламинарный режим течения воздуха. Зависимость массового расхода воздуха F от перепада давления ΔР = Р₁—Р₂ на дросселе (статическая харак­теристика) определяется равенством

F = α (P₁-P₂), (7)

где α — проводимость постоянного дросселя (коэффициент, про­порциональный площади его проходного сечения), л/(ч · кПа).

Рис. 3. Схемы постоянного (а), регулируемого (б) и переменных (в - сопло-заслонка, г - шарик-цилиндр) дросселей

Регулируемый дроссель обычно выполняется по схеме конус-конус (рис. 3, б). Уравнение его статической ха­рактеристики имеет вид

F = β (P₁-P₂), (8)

где β — проводимость регулируемого дросселя, л/(ч · кПа).

Перемещение внутреннего конуса вызывает изменение пло­щади кольцевого зазора дросселя и его гидравлического сопро­тивления. Проводимость дросселя при этом изменяется пример­но в 10³ раз. Регулируемый дроссель настраивается поворотом винта, связанного с внутренним конусом; угол поворота винта по шкале составляет 300 °С.

Переменный дроссель выполняется в виде устройств сопло-заслонка или шарик-цилиндр (см. рис. 3, в, г). Их гидравлическое сопротивление изменяется при перемещении слонки относительно сопла или шарика относительно цилиндра. Режим истечения воздуха в них турбулентный.

В пневматических устройствах встречаются параллельные и последовательные соединения дросселей. Совместные проводимости δ двух дросселей, например постоянного и регулируемого, при таких соединениях определяются равенствами

δ_пар = α + β; δ_посл = α β /(α + β). (9)

Пневмокамеры предназначены для накопления сжатого воздуха. Объем пневмокамеры примерно равен 50 см³. В сочетании с дросселями пневмокамеры используют как инерционные элементы. В зависимости от схемы подвода и отвода воздуха они могут быть глухими или проточными (рис. 4).

Рис. 4. Глухая (а) и проточная (б) пневмокамеры и их обозначения (в, г)

Дроссельный сумматор имеет два или три дросселя (рис. 5). Двухдроссельный сумматор включает в себя постоянный дроссель проводимостью α и переменный дроссель проводимо­стью β. Входными величинами этого сумматора являются дав­ления P₁ и Р₂, а выходной — давление Р в полости между дрос­селями.

Давление в полости между дросселями Р равно сумме вход­ных давлений, умноженных на весовые коэффициенты, сумма которых равна единице. Изменяя проводимость регулируемого дросселя, давление Р можно установить в широком интервале между P₁ и Р₂. Поэтому дроссельные сумматоры называют также делителями давления.

Рис. 5 Сумматоры с двумя (а) и тремя (б) дросселями

и их структурные схемы (в, г)

При постоянстве одного из входных давлений, например Р₂, приращение выходной величины сумматора ΔР пропорциональ­но приращению его входной величины ΔР₁, и его поведение описывается уравнением усилительного звена ΔР=k₁ΔР₁.

Трехдроссельный сумматор имеет два постоянных дросселя проводимостью α и один установленный между ними регулируемый дроссель проводимостью β. Входной величиной сумматора является разность давлений P₁—Р₄, а выходной — перепад давления на регулируемом дросселе Р₂—Р₃.

Выходная величина трехдроссельного сумматора нахо­дится из равенства

Р₂ - P₃ = [α/(α + 2β)] (Р₁—Р₄) = k (Р₁ —Р₄) (10)

Таким образом, выходная величина сумматора пропорциональна разности давлений на его концах. Изменяя проводимость β переменного дросселя сумматора, коэффициент k = α/(α+2β) можно изменить в интервале от 0,01 до 0,98. При постоянном одном из давлений на концах сумматора, например давления Р₄, изменение выходной величины (перепада Р₂—Р₃) пропор­ционально изменению давления Р₁; при постоянном давлении P₁ изменение перепада Р₂—Р₃ пропорционально изменению давления Р₄.

Обозначения сумматоров на структурных схемах приведено на рис. 5.

Элемент сравнения предназначен для сравнения двух или четырех входных сигналов (рис.6). Он формирует на выходе дискретные сигналы 0 или 1. Трехмембранный элемент сравнения на два входа состоит из четырех камер, ограни­ченных секциями корпуса и блоком трех мембран, связанных между собой штоком и закрепленных по периметру. Площадь средней мембраны превышает площади крайних. Жесткие цент­ры крайних мембран служат заслонками сопл в камерах А и Г. Камеры А и Г сообщены между собой. Воздух питания через верхнее сопло поступает в камеру Г. Через нижнее сопло камера А сообщается с атмосферой. Давление в камерах А и Г — выходной сигнал элемента сравнения Р_вых. Входные сигналы P₁ и Р₂ подаются в камеры В и Б.

Рис. 6. Трехмембранный (а) и пятимембранный (б) элементы сравнения и их структурные схемы (в, г)

Блок мембран находится под воздействием сил, развиваемых давлениями в камерах элемента сравнения. Мембраны обладают малой жесткостью и поэтому даже при рассогласовании входных давлений, равном всего 150—200 Па, суммарное усилие достаточно для перемещения блока мембран в одно из крайних положений. При Р₁>Р₂ результирующая сила будет направлена вниз, и блок мембран опустится. Сопло в камере при этом закроется и перекроет линию выхода воздуха в атмосферу, а сопло в камере Г откроется, и воздух питания, поступая в камеры А и Г, сформирует на выходе элемента сравнения сигнал 1. При P₁<P₂ мембранный блок поднимается вверх, сопло в камере Г закроется, и прекратится подача воздуха питания, а сопло в камере А откроется, и линия выхода элемента сравнения сообщится с атмосферой. При этом сигнал на выходе станет равным 0. Таким образом, трехмембранный элемент сравнения представляет собой пневматическое реле.

Пятимембранный элемент сравнения имеет четыре входа. Он состоит из шести камер, разделенных пятью мембранами, связанными в блок (рис. 6, б). Входные сигна­лы подводятся в камеры Б, В, Г и Д. Выходной сигнал отво­дится из камер А и Е. В остальном конструкция пятимембранного элемента сравнения и его работа аналогичны трехмембранному элементу сравнения. Он представляет собой пневмати­ческое реле и обеспечивает выполнение операции

Р_вых = 1 при Р₁ + Р₃> Р₂ + Р₄; (11)

Р_вых = 0 при Р₁ + Р₃< Р₂ + Р₄;

В маломощном повторителе давления между двумя секциями зажата по периметру мембрана, жесткий центр которой является заслонкой сопла, расположенного в камере А и сообщающего ее с атмосферой. Входной сигнал Р_вх подается в камеру Б. В камеру А через постоянный дроссель поступает давление питания. Давление в камере А — выходной сигнал Р_вых. С увеличением Р_вх мембрана прогибается вниз. При этом уменьшается расстояние между заслонкой и соплом, уменьша­ется расход воздуха из камеры А через сопло в атмосферу, и выходное давление Р_вых возрастает до значения Р_вх. В момент равновесия расходы воздуха через постоянный дроссель и пневмоконтакт сопло-заслонка одинаковы. Класс точности такого повторителя равен 0,25.

При необходимости изменить Р_вых повторителя относительно P_вx на постоянную величину ΔР в его камеры устанавливают пружины. В таких повторителях — повторителях со сдвигом наличие пружин в камерах Б или А приводит соответственно к увеличению или уменьшению сигнала Р_вых по сравнению с Р_вх

Р_вых = Р_вх ± ΔР. (12)

Мощный повторитель давления имеет три секции и состоит из связанных в мембранный блок двух мембран равной площади и клапана-дросселя, обеспечивающего сопротивление потокам воздуха из камеры А в камеру Б и из камеры Б в камеру В при помощи пневмоконтакта сопло-заслонка. Воздух питания поступает в камеру А. Выходной сигнал Р_вых форми­руется в камере Б. Входной сигнал Р_вх подается в камеру Г и управляет клапаном-дросселем, изменяющим подачу воздуха питания из камеры А в камеру Б и в выходную линию. По­скольку площади мембран равны, давления Р_вх и Р_вых вырав­ниваются. Возрастает только поток воздуха на выходе повтори­теля по сравнению с потоком на входе, что обусловлено боль­шими отверстиями.

Рис. 7. Задатчик давления

Рис. 8. Выключающее реле

Задатчик (рис. 7) в комплекте с постоянным дросселем предназначен для ручной установки заданного сигнала. Он со­стоит из камер А и Б, разделенных плоской мембраной, жест­кий центр которой служит заслонкой сопла. Воздух питания проходит через дроссель в камеру А и выходит из нее через сопло в атмосферу. Выходной сигнал задатчика — давление воздуха в камере А. Камера Б сообщена с атмосферой. На мембрану со стороны камеры Б действует сила натяжения пру­жины, устанавливаемая винтом, а со стороны камеры А — сила давления воздуха. При изменении натяжения пружины мембра­на, прогибаясь, изменяет зазор пневмоконтакта сопло-заслонка и расход воздуха из камеры А в атмосферу. В результате этого давление воздуха в камере А и в выходной линии задатчика изменяется.

Выключающее реле (рис. 8) предназначено для отключе­ния или переключения (коммутирования) входных сигналов при подаче на него командного дискретного сигнала Р_к (0—1). Реле состоит из трех камер А, Б и В, которые разделены дву­мя мембранами, соединенными в блок штоком, двух сопл и пружины. Жесткие центры мембран выполняют роль заслонок по отношению к соплам и вместе с ними образуют два пневмоконтакта сопло-заслонка: один (сопло С₁) — нормально откры­тый, второй (сопло С₂) — нормально закрытый. Входные сиг­налы P₁ и Р₂ подводят к соплам С₁ и С₂ командный сигнал Р_к — в камеру А, выходной сигнал Р_вых отводится из камеры Б. Камера В сообщена с атмосферой.

Рис. 9. Пз-регулятор ПР1.5 (а) и его структурная схема (б)

Комплекс «Старт» (комплекс автоматических регуляторов построенных на элементах УСЭППА) включает в себя регулиру­ющие устройства (в дальнейшем — регуляторы), функциоцальные устройства и вторичные приборы нескольких модификаций.

Регуляторы и устройства комплекса «Старт» имеют блочную конструкцию. Элементы УСЭППА монтируют в блоках на ком­муникационных платах при помощи винтов или соединитель­ных трубок. Связь между элементами осуществляется через каналы в платах. Элементы подсоединены к выходным штуце­рам регуляторов и устройств гибкими трубками.

Регулятор ПР1.5 является устройством двухпозиционного действия, предназначенным для получения на выходе дискрет­ных сигналов 0 и 1 при отклонении входного сигнала Р_вх от за­данного значения Р_зд. Регулятор при настройке на максимум реализует закон регулирования

Р_вых = 1 при Р_вх > Р_зд; (13)

Р_вых = 0 при Р_вх < Р_зд;

а при настройке на минимум

Р_вых = 1 при Р_вх < Р_зд;

Р_вых = 0 при Р_вх > Р_зд.

Задатчик 1 и дроссель 2 регулятора ПР1.5 (рис. 9, а) предназначены для установки заданного давления Р_зд в пре­делах 20—100 кПа. Его настраивают вращением винта задатчика, сбрасывая в атмосферу часть воздуха, поступающего через дроссель. Контролируют значение Р_зд по показаниям маномет­ра-индикатора давления 3. Регулятор настраивают на максимум или на минимум поворотом диска-переключателя 4. Давления Р_вх и Р_зд подают в камеры Б и В элемента сравнения 5. Через верхнее сопло в камеру Г подводится воздух питания, а через нижнее сопло камера А сообщается с атмосферой. Давление в сообщающихся камерах А и Г — выходной сигнал элемента 5. Он направляется на повторитель-усилитель мощности 6, форми­рующий выходной сигнал регулятора Р_вых.

При настройке регулятора на минимум (сплошные линии на рис. 9, а) сигнал Р_вх подводят в камеру Б элемента сравне­ния, а заданное значение Р_зд — в камеру В. При Р_вх<Р_зд блок мембран элемента 5 перемещается вниз, сопло в камере Г от­крывается, а сопло в камере А закрывается; воздух питания проходит в камеру Г повторителя 6 и на выходе регулятора по­является сигнал Рвых=1. При Р_вх>Р_зд мембранный блок эле­мента сравнения поднимается вверх, сопло в камере Г закрыва­ется, а в камере А открывается. Тогда давление на выходе эле­мента сравнения, в камере Г повторителя и на выходе регуля­тора Р_вых падает до нуля. При настройке на максимум сигнал Р_вх подается в камеру В элемента сравнения, а Р_зд — в камеру Б. Структурная схема регулятора ПР1.5 приведена на рис. 11,б. Основная погрешность прибора составляет ±0,5%.

Регулятор ПР3.31 предназначен для реализации ПИ-закона регулирования (рис. 10, а).

Входной сигнал Р_вх и заданное давление Р_зд подводятся в камеры В и Б пятимембранного элемента сравнения 1. Его выходной сигнал P₁ направляется в камеру Г, образуя единич­ную отрицательную обратную связь, а также через выключаю­щее реле 3 и инерционный элемент 2 — в камеру Д, формируя инерционную положительную обратную связь. Сигнал Р_и вы­хода инерционного элемента 2 подводится к маломощному по­вторителю давления 4, сигнал с выхода которого Р₂ подается на дроссельные сумматоры 5 и 6. На сумматор 5 поступает также сигнал Р₁ а на сумматор 6 — сигнал Р_д с выхода трехмембранного элемента сравнения 7, который далее направляет­ся через постоянный дроссель во входную камеру Д повтори­теля-усилителя мощности 8. На его выходе формируется выход­ное давление регулятора Р_вых, которое проходит через выклю­чающее реле 9 и поступает в выходную линию регулятора.

Рис. 10. ПИ-регулятор ПР 3.31 (а) и его структурная схема (б)

Регулятор соотношения двух величин ПР3.33 (рис. 11, а) состоит из устройства умножения входных сигналов на посто­янные коэффициенты и ПИ-регулятора (ПР3.31). Задатчик с постоянным дросселем служит для установки нижнего уровня пневматического сигнала, равного 20 кПа.

Рис. 11. Регуляторы соотношения ПР3.33 (а) и ПР3.34 (б)

Регулятор соотношения ПР3.34 (рис. 15, б) дополнительно имеет функциональный элемент, предназначенный для ав­томатической коррекции соотношения двух технологических ве­личин по третьей величине. Корректирующий сигнал Р_к и вход­ные сигналы P₁ и Р₂ поступают на двухдроссельные делители давления. Роль регулируемого дросселя в последнем случае выполняет сдвоенное сопло в камере А повторителя давления. На­чальный уровень сигнала, равный 20 кПа, устанавливается задатчиком.

Устройство прямого предварения ПФ2.1 (рис. 12) формирует на выходе сигнал, пропорциональный входной величине и скорости ее изменения. Входной сигнал Р_вх поступает в каме­ру В трехмембранного элемента сравнения 1. Его выходной сиг­нал Р₁, образующийся в линии между постоянным дросселем и соплом в камере А, через инерционный элемент 2, состоящий из регулируемого дросселя и пневмокамеры, направляется по от­рицательной обратной связи в камеру Б элемента 1, а также на вход повторителя 4. Сигнал на выходе последнего есть выход­ной сигнал устройства Р_вых.

Рис. 12. Устройство прямого предварения ПФ2.1 (а) и его структурная схема (б)

При постоянном сигнале Р_вх блок мембран элемента 1 на­ходится в равновесии (Р₂ = Р_вх), поток воздуха через дроссель элемента 2 отсутствует, и перепад давления на нем равен ну­лю, т. е. Р₂=Р₁. Давление Р₁, усиленное по мощности, есть вы­ходной сигнал устройства Р_вых. Следовательно, при Р_вх = const выходной сигнал устройства Р_вых=Р_вх.

Параметром настройки устройства является время дифференцирования Т_д, изменяемое в диапазоне от 0,05 мин до 10 мин с помощью регулируемого дросселя элемента 2.

Предел допускаемой основной погрешности устройства ПФ2.1 не превышает ±1%.

Прибор алгебраического суммирования ПФ1.1 предназначен для алгебраического сложения трех входных сигналов, а также для умножения на два одного сигнала и деления на два одного или суммы двух сигналов. Выходной сигнал прибора посредством двух ручных задатчиков можно смещать на постоянную величину.

Прибор ПФ1.1 (рис. 17) состоит из двух задатчиков давле­ния 1 и 2, семимембранного суммирующего элемента 3, усили­теля мощности 4 и двух постоянных дросселей ПД₁ и ПД₂. Входные сигналы прибора Р₁, Р₂ и Р₃ подаются в камеры Д, Г и В элемента 3, а корректирующие давления Р_с1 и Р_с2 от задатчиков 1 и 2 — в камеры Е и Ж. Развиваемые при этом усилия в зависимости от направления результирующей силы перемещают мембранный узел элемента 3 в сторону либо сопли питания (камера И), либо сопла, сообщенного с атмосферой (камера А). В результате давление Р₄ на выходе

Рис. 13. Прибор алгебраического суммирования ПФ1.1 (а)

и его структур­ная схема (б):

1, 2 — задатчики давления; 3 — суммирующий элемент; 4 — повторитель-усилитель мощности

элемента 3 изменяется. Сигнал Р₄ поступает на вход усилителя мощности 4, выходной сигнал Р_вых которого направляется в линию выхода прибора и в камеру отрицательной обратной связи Б элемента 3 для уравновешивания его мембранного узла.Структурная схема прибора ПФ1.1 представляет собой зве­но с коэффициентом усиления k₃>>1 (элемент 3), на вход которого поступают все входные и корректирующие сигналы, и последовательно с ним соединенное усилительное звено с коэффициентом усиления k₄≈1 (повторитель-усилитель мощ­ности 4), охваченные единичной отрицательной обратной свя­зью. Передаточная функция прибора в соответствии с его структурной схемой имеет вид

W (p) = k₃k₄/(1 + k₃k₄) = 1 (14)