Системы управления исполнительными механизмами

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ

ИОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ КАК ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

Согласно ГОСТ 14691–69 [1] «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.

1.1. Основные понятия и определения. Классификация исполнительных механизмов

Исполнительный механизм (ИМ) – термин (понятие) инже-

неров по автоматизации. Существует достаточно много определений этого понятия. В различных энциклопедических словарях (БСЭ, Википедия, Англо-русский словарь технических терминов и др.) приводится та или иная его трактовка. Различия в определении понятия определяются прежде всего различными воззрениями исследователей на проблему управления техническими объектами, степенью обобщения отраслевых и межотраслевых понятий, а также отраслевой спецификой (объекты электроэнергетики и те-

11

плоэнергетики, объекты атомной энергетики, металлорежущие станки, роботы и манипуляторы, общепромышленные механизмы

ит.п.).

Вчастном случае ИМ – это устройство в системе автоматического регулирования и (или) дистанционного управления, непосредственно осуществляющее механическое перемещение (поступательное или вращательное) рабочего органа трубопроводной арматуры некоего объекта управления. При этом подразумевается, что рабочим органом является регулирующий орган (РО), который принадлежит той или иной запорно-регулирующей арматуре

(ЗРА), управляющей потоками жидкостей, газов, различных смесей или сыпучих материалов (клапаны, пробковые и шаровые краны, заслонки, шиберы, задвижки и т.п.). 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 (давления, расхода, уровня и т.п.) от заданного значения.

Вместе с тем в соответствии с ГОСТ Р 52720–2007 [2] термин «регулирующий орган» не является рекомендуемым к употреблению, а если иупотребляется, то в понимании «регулирующийклапан».

На рис. 1.1 приведена в качестве наглядного примера классификация основных видов трубопроводной арматуры систем водоснабжения, две левые «ветви дерева» которой относятся к ЗРА.

Внаиболее общей трактовке под ИМ понимают любой меха-

низм, 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, установки графического замедлителя реакции ядерного реактора, крановые установки, механизмы металлорежущих станков и т.п. К рабочим органам

12

в этом случае будут относиться графитовые стержни замедлителя ядерного графитоводяного реактора, механизмы перемещения и подъема мостового, козлового, портального крана, шпиндель, продольный и поперечный суппорты станка и т.п.

Арматура

Рис. 1.1. Классификация трубопроводной арматуры

Таким образом, по виду воздействия на объект РО можно подразделить надва основных типа: дросселирующиеи дозирующие.

Дросселирующие РО изменяют сопротивление (гидравлическое, аэродинамическое) в системе путем изменения своего проходного сечения, воздействуя на расход вещества. При этом реализуется принцип дросселирования.

Дозирующие РО выполняют заданное дозирование поступающего вещества или энергии за счет изменения производительности определенных агрегатов: дозаторов, насосов, компрессоров, питателей, электрических усилителей мощности. В этом случае реализуется так называемое объемное регулирование.

В англоязычной литературе также имеются различные трактовки понятия «исполнительный механизм»: actuating device, actuating unit, actuator, executive device, actuating mechanism, executing mechanism, operating mechanism.

13

Из этого следует, что основные различия в определении понятия «исполнительный механизм» лежат в проблеме стандартизации понятий «рабочая машина», «рабочий орган», «регулирующий орган». До настоящего времени эти понятия трактовались достаточно произвольно.

Вдальнейшем, чтобы 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, вентили, шаровые или пробковые краны и др.), которые будем также обозначать аббревиатурой «РО».

Основными управляемыми координатами ИМ являются ко-

ординаты механического движения – положение и скорость ИМ (угловые или линейные) или эти же координаты, приведенные

ккоординатам движения РО. Вместе с тем, поскольку ИМ совместно с РО может воздействовать на технологические координаты (температуру, расход, давление, концентрацию, уровень и др.) объекта управления, зачастую именно эти координаты рассматривают как управляемые координаты ИМ. Отсюда ИМ и СУИМ в целом могут рассматриваться лишь как некое нижнеуровневое образование в структуре автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП).

Вбольшинстве 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.), как правило, невозможно вследствие их малой мощности, недостаточной для воздействия на выходной элемент рабочего (регулирующего) органа.

Как уже отмечалось, любой ИМ призван обеспечивать качество и в общем случае надежность регулирования той или иной технологической координаты. Ввиду этого в дальнейшем рассмат-

14

риваются варианты приложений ИМ к структурам АСУТП, но безотносительно конкретных технологических координат. При этом под координатами собственно ИМ будем понимать механические фазовые переменные – положение, скорость, ускорение

ирывок.

Сучетом вышесказанного ниже приведены основные классификационныепризнаки ИМбез претензии наполноту и постулат.

По виду регулируемой технологической координаты объекта управления:

– скорость РО (угловая – рад/c, линейная – м/c);

– положение РО (угловое – рад, линейное – м);

– температура (°С);

– расход (м3/c);

– давление (Па);

– уровень (м);

– концентрация раствора (моль/л, г/л, % и др.);

– прочие.

По способу преобразования фазовых координат ИМ в технологические параметры:

– ИМ, функционирующие по принципу дросселирования;

– ИМ, функционирующие по принципу объемного регулирования.

Первые работают на изменение проходного сечения трубопровода (жидкостей, газов, сыпучих материалов, смесей и т.п.) и, соответственно, реализацию принципа дросселирования. При этом скорость перемещения ИМ постоянна на некотором интервале времени его включения (нулевая или номинальная для заданного направления движения РО). Такой режим работы характерен для ЗРА.

Вторые работают на изменение скорости истечения и объема рабочего продукта по трубопроводу и, соответственно, реализацию принципа объемного регулирования. При этом скорость движения ИМ является переменной (от нулевой до номинальной). Такой режим работы характерен, в частности, для таких общепромышленных механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры и др.

15

В любом случае технологические координаты определяются изменением основных фазовых переменных ИМ – ускорения, скорости, положения.

По конструкции рабочего органа ИМ:

–запорная арматура (вентиль, кран, задвижка);

–регулирующая арматура (клапан, вентиль);

–насос (вентилятор, компрессор, конвейер);

–теплонагревательные элементы (ТЭНы); используются для регулирования температуры какой-либо среды;

–иные РО ИМ, такие как схват робота-манипулятора, револьверная головка металлообрабатывающего станка, предохранительный клапан непрямого действия, графитовые стержни замедлителя ядерного реактора и т.п.

По типу привода:

–электрический ИМ (ЭИМ);

–пневматический ИМ (ПИМ);

–гидравлический ИМ (ГИМ);

–электромагнитный (ЭМИМ);

–ручной (РИМ);

–комбинированный.

По виду движения РО:

–прямоходные (возвратно-поступательные);

–поворотные (неполноповоротные);

–многооборотные (вращательные).

Прямоходный ИМ – исполнительный механизм, выходной элемент которого перемещается поступательно.

Поворотный ИМ – исполнительный механизм, выходной элемент которого перемещается по дуге (до 360°).

Многооборотный ИМ – исполнительный механизм, выходной элемент которого вращается (более 360°).

Примечания:

1.Все ИМ ЗРА обладают возможностью изменения направления движения РО, т.е. являются реверсивными.

2.Все ИМ переменной скорости являются многооборотными (нереверсивными или реверсивными).

16

3. К многооборотным ИМ переменной скорости относятся регулируемые ИМ возвратно-поступательного движения с линейными электроприводами и иными приводами линейного движения (регулируемыми пневмоприводами, гидроприводами, реверсивными приводами реактивной тяги летательных аппаратов и т.п.).

По мощности ИМ:

Границы применения этого понятия очень обширны. Вместе с тем можно указать некие типовые номинальные значения мощности для ЭИМ или эквивалентные значения давления для ПИМ и ГИМ.

ЭИМ постоянной скорости, работающие на ЗРА объектов теплоэнергетики, транспорта нефти и газа, имеют мощность электродвигателей от 10 Вт до нескольких киловатт.

ГИМ работают при давлении до 3 МН/м2 (30 кгс/см2).

ПИМ работают при значениях давления до 0,6 МН/м2

(6 кгс/см2).

ЭИМ переменной скорости:

–малой мощности (до 10 кВт);

–средней мощности (10–100 кВт);

–большой мощности (свыше 100 кВт).

По типу механической передачи от привода ИМ к РО:

–с непосредственной связью (безредукторный ИМ);

–с цилиндрическим редуктором;

–с коническим редуктором;

–с червячным редуктором;

–с планетарным редуктором;

–с ременной, тросовой или цепной передачей;

–с рычажной передачей;

–с винтовой передачей;

–с реечной передачей;

–с комбинированными передачами.

17

1.2. Исполнительные механизмы постоянной скорости, основные параметры и характеристики, конструктивные исполнения

К ИМ постоянной скорости относят ИМ, работающие преимущественно в трех установившихся режимах в отношении скорости вращения (направления перемещения) РО ИМ: на номинальной, отрицательной номинальной, нулевой скорости. Время пребывания на той или иной скорости в системах автоматического управления определяется структурой и параметрами устройства управления и решается на стадии синтеза СУИМ. Преимущественно реализуют релейно-импульсное управление с широтноимпульсной модуляцией, где такт управления и минимальную скважность непосредственно связывают с производительностью технологической установки и ограничениями, накладываемыми на координаты ИМ.

ИМ постоянной скорости могут работать также на простейшие технологические установки, не требующие реверсирования скорости (сверлильные, точильные, строгательные станки и др.). Однако в энергетике преимущественно требуется реверсирование скорости ИМ ЗРА для обеспечения регулирования или стабилизации таких технологических параметров, как температура, расход, давление, уровень и т.п.

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. Основные параметры и характеристики типовых регулирующих проходных клапанов, выпускаемых отечественными предприятиями, представлены в табл. 1.1.

Наиболее распространенные пропускные характеристики регулирующих клапанов приведены на рис. 1.2.

Важными понятиями в отношении ИМ ЗРА являются следующие: рабочаясреда, перестановочноеусилие и выходнойэлемент.

18

Рис. 1.2. Пропускные характеристики регулирующих клапанов: линейная; равнопроцентная; квадратичная

19

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.).

Различают следующие типы ИМ постоянной скорости. Электрический ИМ (ЭИМ) – исполнительный механизм, ис-

пользующий электрическую энергию для управления РО. В конструкцию электрического исполнительного механизма в общем случае входят: электродвигатель, редуктор, ручной привод, указатель положения или скорости перемещения выходного элемента, конечные выключатели и датчики обратной связи.

Электрические ИМ – наиболее распространенные ИМ в промышленной автоматике; обычно они имеют привод от асинхронного короткозамкнутого или синхронного двигателя (АД, СД), бесколлекторного или коллекторного двигателя постоянного тока (БДПТ, ДПТ), шагового двигателя (ШД). Иногда ЭИМ имеют привод от электромагнита (соленоида), однако применение его ограничено из-за резких (рывком) воздействий на управляемый рабочий орган.

В обще случае ЭИМ могут относиться как к ИМ постоянной, так и к ИМ переменной скорости (последнее – для объемного регулирования технологической координаты). Иногда ЭИМ ЗРА функционирует в связке с ЭИМ переменной скорости.

Пневматический ИМ (ПИМ) – исполнительный механизм, использующий энергию сжатого воздуха или газа. В пневматических системах автоматики применяют мембранные и поршневые пневмоприводы.

Мембранный ИМ – исполнительный механизм, в котором перестановочное усилие хотя бы в одном направлении создается

20