2 Элементы и устройства пневматических средств автоматизации

Простые элементы ПСА. К простым элементам ПСА относят емкости, пневмосопротивления (ПС) или дроссели, пневмопроводы, мембраны, сильфоны, пружины, рычаги.

Пневмоемкости предназначены для накопления сжатого воздуха; основной характеристикой их служит постоянный или переменный объем V. Емкость с постоянным объемом показана на рис. 7.1, а, условное обозначение емкости в схемах ПСА изображено на рис. 7Л, б. В УСЭППА применяют емкости типа ПОЕ. 50 с постоянным объемом V = =(50± 8) смЗ, в КЭМП- емкость типа ЕАМП с V=(25± 4) см³.

Пневмосопротивления (ПС) применяют для создания местного сопротивления потоку воздуха и изменения его расхода G. Пневмосопротивления разделяют на постоянные, регулируемые вручную и переменные. Впостоянных ПС типа жиклер, капилляр (рис. 7.2, а, б) площадь F проходного сечения неизменна. В регулируемых ПС типа конус - конус, цилиндр - цилиндр, шарик - цилиндр (рис. 7.2,в,г,д) и переменных дросселях типа сопло - заслонка (рис. 7.2,е) площадь F изменяет человек или какое-либо техническое устройство.

По режиму течения воздуха ПС делят на ламинарные (обычно капилляры), турбулентные (жиклеры) и смешанные. Статические характеристики пневмосопротивлений С = f(P_l, Р₂, F) обычно нелинейны, но при малом перепаде давления Др = p_l - Р₂ их можно линеаризовать в виде G* о (Pi - Р₂)» ^{где fl} ~ коэффициент проводимости дросселя. Такая линеаризация справедлива для ламинарных ПС приД Р< (20-30) кПа, для остальных - при ДР< (10-20) кПа. Статическая характеристика дросселя типа сопло - заслонка линейна при перемещениях Л< (0,06-0,08) мм.

Наибольшее применение в ПСА получили постоянные ПС типа П2Д.4, САМП-4 с отношениями диаметров d к длинам капилляра L, равными 0,18/20; 0,3/20; 0,18/7; 0,5/20, и САМП-4 с отношениями d/L * =0,18/40; 0,4/20. В состав УСЭППА входят регулируемые дроссели конус- конус и цилиндр- цилиндр типов П2П.2М, П2П.1М. Их аналогами в КЭМП являются САМП-1,2,3.

Пневмопроводы служат для передачи импульса давления (реже -расхода) на расстояния до 250 - 300 м. Их изготовляют из пластмассовых (металлических) трубок внутренним диаметром d = 4- 8 мм. Динамику безрасходного пневмопровода длиной L приближенно описывают передаточной функцией

W(s)= ехр{-τs}/(T₁s+1),

где время запаздывания τ ≈ (2- 3)L/ν₀; ν ₀ - скорость звука в воздухе; постоянная времени T₁ = 1- 15 с.

Мембраны применяют для преобразования давления P или перепада ΔР в перемещение h или в силу Ф. Наиболее часто используют "вялые" плоские или гофрированные мембраны из тонкой прорезиненной ткани с малой собственной упругостью. Такие мембраны имеют жесткие центры диаметром d_ц и при малых h рассматриваются как усилительные звенья с передаточной функцией

W(s) = Ф(s)/ΔP(s) = F_э

где эффективная площадь F_э = π(d_м² + d_ц² + d_м d_ц)/12; d_м - диаметр заделки мембраны.

Силъфоны предназначены для преобразования перепада ΔР в перемещение h или силу Ф. Тонкостенные гофрированные сильфоны со значительным коэффициентом собственной жесткости k_c при ΔР <200кПа в области низких частот рассматривают как линейные усилительные звенья с передаточной функцией

W(s) = Ф(s)/ΔP(s) = F_э/k_c,

где эффективная площадь F_э ≈ π(d_H + d_B)3/16; d_H и d_B - наружный и внутренний диаметры сильфона.

Рис. 7.1. Схемы емкостей:

а — постоянного объема; б — условное обозначение емкости

Рис. 7.2. Схемы пневматических сопротивлений:

в — жиклер; б — капилляр; в — конус — конус; г — цилиндр — цилиндр; д — шарик — цилиндр; е — сопло — заслонка

Пружины используют в пневматических устройствах для преобразования силы Ф в перемещения h. В области низких частот цилиндрические пружины с коэффициентом жесткости k_п характеризуют как усилительные звенья с

W(s) = h(s)/Ф(s) = l/k_п.

Рычаги-суммирование перемещений и сил

3)

Усилители давления предназначены для усиления алгебраической суммы одного, двух или четырех давлений.

Одновходовые усилители строят на базе переменного ПС типа сопло - заслонка и стабилизатора перепада давления Р₀ - Р (рис. 7.5,a). В таком усилителе заслонку, закрепленную на жестком центре мембраны М, перемещает сила F_ЭР₁. При изменении давления Р мембрана обратной связи М₀ передвигает шарик Ш переменного ПС до восстановления баланса сил PF₀ - Ф = P₀F₀, где F₀ - эффективная площадь мембраны М₀; Ф -усилие пружины (на рис. 7.5, a использовано условное обозначение питания). Статическая характеристика усилителя линейна при малых перемещениях сопла, коэффициент усиления не зависит от перепада Р₀ - Р и достигает значения 1,5•10³ кПа/мм. Усилитель применяют в приборных конструкциях ПСА.

Двух- и четырехвходовые усилители конструируют на основе двух последовательно включенных переменных ПС типа сопло-заслонка и мембранного сумматора сил, формируемых давлениями Р₁ P₂ или Р₁ –P₄ (рис 7.5 б,в)- Возникающий разбаланс сил на сумматоре компенсируется за счет собственной жесткости "вялых" мембран. Обычно эта жесткость невелика, и зона линейности статической характеристики

P = f(ΔP), ΔP=P₁ –P₂ или ΔР=Р₁ + Р₃ –Р₂-Р₄,

также очень мала и не превышает 200 Па для двухвходового и 400 Па - для четырехвходового усилителя (коэффициенты усиления равны 600 - 700 и 300 - 400 Па/Па соответственно). Статическая характеристика усилителей имеет малое начальное смещение │С│≤ 200 Па и небольшую зону гистерезиса.

У силители давления УСЭППА называют элементами сравнения. Трехмембранный элемент П2ЭС.1 (рис. 7.5,6) сравнивает два давления Р\ и Р₂ и в зависимости от знака их разности формирует на выходе сигнал ^Я0" или "1" (в системе КЭМП аналогичный элемент назван компаратором КАМП). В пятимембранном элементе П2ЭС.З сравнивают три давления (на рис. 7.5, в камера Д соединена с атмосферой); выходной сигнал вне зоны линейности равен нулю или единице.

Усилители- мощности предназначены для увеличения расхода воздуха без существенного изменения его давления. Такие усилители называют пневмоповторителями и применяют для разделения пневматических устройств на независимые по расходу части. Различают точные (маломощные) и грубые (мощные) повторители, имеющие разные классы точности и расходы воздуха.

Точный повторитель строят на одновходовом усилителе, состоящем из мембранного сумматора сил и двух ПС (рис. 7.6, а). Такой повторитель типа П2П. 1 обладает погрешностью 0,25%; в полосе частот от 0 до 5 рад/с его рассматривают как усилительное звено.

Грубый повторитель (рис. 7.6,б) состоит из двухмембранного сумматора ∑ и двух последовательно включенных переменных ПС (клапанов) К₁ и К₂ с большими проходными сечениями. Такой повторитель типа П2П.З воспроизводит входное давление P₁ с погрешностью 3% и имеет расход воздуха до 400- 450 л/ч. Повторители П2П.З устанавливают на выходе пневматических приборов и регуляторов.

3 Релейные элементы ПСА используют для р еализации зависимости Р =sign ΔP (где ΔP –P₁ - Р₂, P₁, Р₂ – входные сигналы). Реле строят на базе двухвходовых усилителей давления с положительной обратной связью и регулируемым смещением С статических, характеристик. Для создания смещения в одну из камер усилителя вводят малое или большое давление подпора, равное 30-40 или 70-80% от давления питания Р_п (на схемах ПСА камера малого подпора имеет одинарную штриховку, большого - двойную).

На рис. 7.7,a показаны схема и статическая характеристика реле с малым смещением С ≈ 0 и большой зоной гистерезиса Г, возникающей из-за действия обратной связи по давлению. На рис. 7.7,б приведена схема реле с большим смещением с и зоной гистерезиса.

В УСЭППА входят трехмембранные реле типа П1Р.1 (см. рис. 7.7,6), П1Р.З (см. рис. 7.7,а) и РУП-1М. В составе КЭМП специальных релейных элементов нет, их функции выполняют клапаны.

3 Устройства ПСА. К устройствам, состоящим из нескольких элементов, условно относят мощные повторители, интеграторы, умножители, дифференциаторы, сумматоры, селекторы, квадраторы и т.п. Некоторые из этих устройств конструктивно оформлены как единое изделие (например, сумматоры, дифференциаторы и т.д.), другие устройства (интеграторы, генераторы и т.п.) используют только как составные части приборов и регуляторов.

Точные мощные повторители строят на базе повторителя типа П2П.7 и оформляют как самостоятельное изделие, либо конструируют на основе двухвходового усилителя давления и грубого повторителя, охваченных отрицательной обратной связью ОС (рис.7.11,а). Такой повторитель ПП1.5 имеет класс точности 0,5 и обеспечивает расход воздуха 180-200 л/ч.

Устройство алгебраического суммирования типа ПФ1.1М1 реализует с погрешностью 1% зависимость Р=Р₁ – P₂ + P₃ –H₁+ H₂ где Р₁, Р₃ – входные сигналы, H₁, H₂ – опорные давления из интервала (20 -100) кПа. В состав устройства (рис. 7.11, б) входят семимембранный элемент сравнения, усилитель мощности, два задатчика и линия обратной связи ОС.

Умножители сигнала на константу k с погрешностью 0,5% выполняют операцию P = k(P₁ - Н)+Н, где k Є (0,2, 1) или k Є [l, ∞], H = 20 кПа. Устройство умножения ПФ1.3.9 (рис. 7.12) состоит из задатчика для получения сигнала H, дроссельного сумматора, двухнходового усилителя УС, охваченного отрицательной обратной связно ОС, и усилителя мощности типа П2П.7. Переключатели П₁, П₂ сложат для установки диапазона изменения k (для k < 1 коммутация сигналов показана на рис. 7.12 сплошными линиями).

Простейший интегратор реализуют с помощью глухой камеры с постоянной времени Т и ламинарным ПС. Он не имеет обратной связи и обеспечивает приемлемую точность только при малых (по сравнению с Т) значениях времени интегрирования.

Чаще всего интеграторы строят на базе мембранного сумматора и глухой камеры объема V, охваченных положительной обратной связью (рис. 7.13,а). Динамика интегратора характеризуется передаточной функцией

W(s)=P(s)/ΔP(s) = l/(Ts),

где ΔP = P₁ - Р₂; Т = V/(Rθb); b - проводимость ПС. Погрешность данного интегратора составляет 2-3%. Для уменьшения погрешности интегрирования применяют несколько повторителей и камер.

У стройства дифференцирования строят на основе тоехмембранного усилителя УС, охваченного отрицательной обратной связью ОС с глухой камерой (рис. 7.13,6). Если коэффициент усиления УС k>>1 "паразитные" емкости малы, то динамику рассматриваемого идеализированного устройства предварения описывают передаточной функцией

W(s)=P₂(s)/P₁(s)=T_пs+1.

Рис. 7.13. Схемы пневматических устройств: а — интегратора; б — дифференциатора;

Для преобразования его в идеальный дифференциатор с передаточной функцией

W(s)=P(s)/P₁(s)=T_пs. следует ввести дополнительный сумматор ∑, в котором из давления Р₂ необходимо вычесть P₁ (на рис. 7.13,б дополнительные коммуникации ∑ показаны пунктиром). Для обеспечения условной знакопеременности P(t) в сумматор ∑ вводят опорное давление Р₀.

4 Преобразователи пневмоэлектрические и электропневматические предназначены для преобразования рода энергии непрерывных сигналов.

Рис. 7.16. Схемы устройства преобразования рода сигнала:

a —пневмоэлектрический преобразователь ППЭ-2; б — электропневматический преобразователь ЭП-0000

Преобразователь типа ППЭ-2 преобразует с погрешностью 1% пнев­матический сигнал в сигнал постоянного тока 0-5, 0-20 или 4-20 (при нагрузке на выходе не более 2,5 кОм). Принципиальная схема устройства приведена на рис. 7.16,а. Пневмосигнал p1 поступает в манометрическую трубку (Д), которая перемещает постоянный магнит (М) в управляемом дросселе (УД) с обмотками возбуждения (0В) и обратной связи (ОС). Электрический сигнал, пропорциональный Р1, выделяется на сопротивлении R, включенном через триггер Шмидта Т в обмотку 0В. Сигнал от резистора R поступает на усилитель (УС) и далее на выход преобразователя. Часть тока I_в вводят в обмотку ОС дросселя. В контуре <<С триггер Т - обмотка 0В - сопротивление R>> возникают автоколебания тока, среднее значение и знак которого пропорциональны величине и направлению перемещения магнита М и выходному току I_в. Параметрами настройки преобразователя служат сменное сопротивление r1 и корректор нуля в УС.

Преобразователь ЭП-0000 преобразует электрические сигналы 0-5, 0-20 или 4-20 мА в давление воздуха 20- 100 кПа. Принципиальная схема преобразователя приведена на рис. 7.16,6. Входной сигнал Iв вводят в катушку (К), в которой расположен постоянный магнит М, притягивающий с определенной силой, пропорциональной I_в, рычаг I. Это ведет к изменению расстояния между соплом и заслонкой в ПС и давлений на входе p1 и выходе Р усилителя мощности. Одновременно изменяется давление в сильфоне С, включенном в контур отрица­тельной обратной связи, что приводит к восстановлению равновесия рычажного сумматора X. Настройку преобразователя производят винтом Я, изменяющим расстояние от оси сильфона до оси вращения I, а также шунтом постоянного магнита. Серийно выпускают 4 моди­фикации ЭП-0000 в разных исполнениях: обыкновенном, защищенном от пыли (влаги) и агрессивной среды, электробезопасном.

Пневматические регуляторы и приборы

Р ис. 7.17. Структурная схема пневматической АСР

Автоматическая система регулирования ТОУ, построенная на ПСА, состоит в общем случае (рис. 7.17) из датчика (Д), вторичного прибора (ВП), задатчика (ЗД), пневматического регулятора (ПР), линии связи (ЛС), исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). Датчик Д вырабатывает унифицированный пневматический сигнал, пропорциональный значениям координаты у ТОУ; при использовании в АСР датчика с электрическим выходом необходима установка допол­нительного электропневмопреобразователя (ЭПП). Пневматический сигнал от Д вводят в регулятор ПР и одновременно - во вторичный показывающий (и регистрирующий) прибор, ВП, снабженный станцией управления СУ для задания автоматического, программного или ручного дистанционного режима работы системы регулирования. Регулятор ПР в соответствии с одним из типовых законов регулирова ния вырабатывает командный сигнал, поступающий по линии связи (пневмопроводу длиной до 250-300 м) на пневматический мембран­ный исполнительный механизм.

В динамическом отношении мембранные ИМ в области частот [О, 0,3] рад/с рассматривают как последовательное соединение аперио­дического звена с малой (порядка нескольких секунд) постоянной времени и усилителя с зоной гистерезиса 2-10%. При длине пневмо-линии более 100-150 м ИМ оборудуют усилителями мощности и охватывают жесткой отрицательной обратной связью по перемещению РО. При использовании таких позиционеров ИМ принимают за линей­ное усилительное звено, не влияющее на динамические характерис­тики пневматического регулятора и всей АСР.

ЭСА

2 Структурные схемы промышленных аналоговых электрических регуляторов. Схемы П-регулятора.

Рис 2.8. Структурная схема П-регулятора с импульсным выходным сигналом

2 Cтруктурные схемы промышленных аналоговых электрических регуляторов. Схемы ПИ-регуляторов.

Рис 2.8. Структурная схема ПИ-регулятора с импульсным выходным сигналом

2 Cтруктурные схемы промышленных аналоговых электрических регуляторов. Схема ПИД-регулятора.

Рис 2.8. Структурная схема ПИД-регулятора с импульсным выходным сигналом

3.Импульсные-регуляторы с исполнительными механизмами постоянной скорости

6. Автоматические регуляторы прямого действия

7. 

6 Агрегатный комплекс электрических средств регулирования на базе микроэлектроники

Для использования в системах автоматизации производств служит агрегатный комплекс аналоговых электрических средств регулирования (АКЭСР). Он состоит из различных регулирующих и функциональных устройств, предназначенных для преобразования информационных сигналов, поступающих от первичных преобразователей технологических параметров с унифицированными токовыми сигналами, дифференциально-трансформаторных преобразователей, термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей сопротивления, а также для формирования команд управления исполнительными механизмами.

Методом агрегатирования устройств комплекса АКЭСР могут быть построены разнообразные схемы регулирования и управления технологическими процессами преимущественно с непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства для реализации АСУ ТП на предприятиях различных отраслей народного хозяйства. При этом из устройств комплекса могут быть скомпонованы как простейшие сигнализаторы, так и сложные многоуровневые АСУ ТП с развитыми вычислительными и логическими функциями.

Автоматизированные системы, созданные на базе средств АКЭСР, могут функционировать самостоятельно или взаимодействовать с параллельными или вышестоящими системами управления, построенными на базе других агрегатных комплексов ГСП (КТС ЛИУС-2, «Каскад», АСКР).

Регулирующие и функциональные блоки системы АКЭСР позволяют поддерживать на заданном уровне технологические параметры объекта, в том числе при изменении его режимов работы и динамических свойств; реализовывать различные законы регулирования (П, ПИ, ПИД, трех -и двухпозиционный); осуществлять ввод и вывод информации для оператора, логических устройств и управляющих ЭВМ; формировать динамические и логические связи между контурами управления; обеспечивать синхронизацию двух исполнительных механизмов; выполнять следующие преобразования аналоговой информации: дифференцирование, интегрирование, демпфирование, суммирование, умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня, селектирование, ввод нелинейности; аналого-релейные преобразования.

Устройства АКЭСР построены по модульному принципу на базе интегральных микросхем общего и специального назначения.

Блоки комплекса АКЭСР устанавливаются в закрытых помещениях при температуре окружающего воздуха от 5 до 50 °С и относительной влажности до 80 %. Окружающая среда не должна содержать агрессивных паров и газов. Габаритные размеры и конструктивные решения агрегатных комплексов первой и второй очереди унифицированы, обеспечена их совместимость по сигналам.