Системы управления исполнительными механизмами

Силовая передача и силовой редуктор, как уже отмечалось, имеют, как правило, большое передаточное отношение, благодаря чему силовая передача обладает свойством самоторможения и любые моменты или усилия, прикладываемые со стороны выходного вала, не приводят к вращению валов механизма. Выходной вал исполнительного механизма, таким образом, сохраняет свое положение при отсутствии сигналов управления и обесточенном электродвигателе.

Очевидно, что в этом случае исполнительный механизм представляет собой разновидность интегратора, который суммирует

исохраняет управляющие воздействия. Для контроля положения выходного вала механизмы оснащаются блоками сигнализации 4, которые могут содержать датчики положения 5 и концевые микровыключатели 6, которые также кинематически связаны с главной силовой передачей механизма, благодаря чему обеспечивается достоверная информация о положении выходного вала механизма

иего промежуточных положениях. Для перемещения выходного вала механизма без подачи напряжения на электродвигатель, что бывает необходимо при монтаже, пусконаладочных работах и при парировании аварийных ситуаций, электроприводы оснащаются ручными дублерами 11, которые могут быть либо постоянно подключенными к главной передаче механизма, либо подключаться через соответствующие механизмы блокирования/деблокирования ручного привода.

Наиболее часто в отечественной практике применяются ЭИМ постоянной скорости следующих производителей:

–ОАО «ЗЭиМ», г. Чебоксары;

–ЗАО «Тулаэлектропривод» (301114, Тульская обл., Ленинский р-н, пос. Плеханово);

–ООО «Научно-производственное предприятие „Томская электронная компания“» (ООО НПП «Томская электронная компания», ООО «НПП ТЭК»);

–ООО НПО«Сибирский Машиностроитель» (ООО «Сибмаш»). Среди зарубежных производителей на российском рынке

наиболее широко представлена продукция фирм: AUMA, BIFFI,

31

Hartmann & Braun, Honeywell, Kromshcroder, REGADA, ROTORK, Siemens, Sauter, Danfoss, Belimo и др.

Основными параметрами, определяющими типоразмер ЭИМ ЗРА, являются следующие:

–номинальный крутящий момент на выходном валу в ньютон метрах (Н·м) или номинальное перестановочное усилие (Н);

–номинальное значение полного хода выходного элемента

воборотах или миллиметрах;

–номинальное значение времени полного хода выходного вала в секундах.

В табл. 1.2 приведены основные технические характеристики ЭИМ ЗРА, выпускаемых одним из крупнейших производителей и поставщиков ЭИМ – Московским заводом тепловой автоматики (ОАО «МЗТА»).

Таблица 1.2 Технические характеристики ЭИМ ЗРА фирмы ОАО «МЗТА»

Ниже рассмотрены основные функциональные возможности ЭИМ и опции комплектации на примере продукции ОАО «МЗТА».

ЭИМ ЗРА обеспечивают:

–автоматическое, дистанционное или ручное управление рабочим органом запорной арматуры;

–автоматический или дистанционный останов рабочего органа в любом промежуточном положении;

–позиционирование рабочего органа в любом промежуточном положении;

–формирование сигнала обратной связи о конечных и промежуточных положениях рабочего органа.

ЭИМ оснащаются одним из видов блока сигнализации положения выходного вала (БСПИ):

И – индуктивный БСПИ; выходной сигнал представлен в виде изменения взаимоиндуктивности в диапазоне 0–10 мГн;

Р – реостатный БСПР; выходной сигнал представлен в виде изменения активного сопротивления в диапазоне 0–120 Ом;

У – токовый БСПТ; выходной сигнал представлен в виде унифицированного токового сигнала в диапазонах 0–5, 0–20, 4–20 мА;

М – блок концевых выключателей без датчика положения выходного вала (при ручном управлении).

ЭИМ ЗРА могут комплектоваться силовыми реверсивными преобразователями энергии (СПЭ) и реверсивной коммутационной аппаратурой типов:

ПБР, БУЭР, ФЦ и др. – при бесконтактном управлении; ПМЛ – при контактном управлении.

Выбор типа управляющего устройства зависит от типа механизма, напряжения питания, условий эксплуатации и др.

Рекомендуемые типы управляющих (усилительных) устройств:

–для механизмов, имеющих трехфазное напряжение питания (220/380 В): пускатели ПБР-3, ПБР-3А, ПБР-3А АЭС, усилители ФЦ-0610, ФЦ-0620, ФЦ-0650 АЭС;

33

– для механизмов, имеющих однофазное напряжение питания

(220 В): пускатели ПБР-2М (ПБР-2М2.1), ПБР-2М1 (ПБР-2М2.2),

ПБР-2М АЭС.

Механизмы МЭО и МЭОФ производства ОАО «МЗТА» обладают целым рядом достоинств:

– большой пусковой момент на выходном валу (Мпуск = = 1,7 Мном), что обеспечивает высокие динамические характеристики механизма;

–малый люфт выходного вала механизма, что обеспечивает высокую точность регулирования и малое времяпозиционирования;

–наличие в составе прибора датчика положения выходного вала (токовый, индуктивный или реостатный), концевых и пусковых микропереключателей, что позволяет формировать дискретную информацию о крайних и промежуточных положениях рабочего органа арматуры и аналоговую (цифровую) информацию о динамике его перемещения;

–установленный ограничитель полного хода выходного вала предохраняет арматуру от механического повреждения при отказе концевых микропереключателей;

–наличие в составе механизма местного указателя положения регулирующего органа арматуры позволяет оператору следить за работой арматуры непосредственно на месте ее эксплуатации;

–возможность установки механизмов в любом положении

впространстве;

–высокая степень защиты оболочки механизмов – IP54 по ГОСТ 14254;

–соответствие приборов требованиям ГОСТ 7192–89 «Механизмы исполнительные электрические постоянной скорости ГСП».

Принцип работы механизмов МЭО заключается в преобра-

зовании электрического сигнала, поступающего от регулирующего или управляющего устройства, во вращательное перемещение выходного вала в пределах 0,25–0,63 об.

ИМ МЭО и МЭОФ могут применяться в различных отраслях промышленности. Основное применение они находят в системах

34

вентиляции, энергетике, ЖКХ, газовой, нефтяной и химической промышленности, т.е. везде, где используется трубопроводная арматура.

Механизмы МЭО и МЭОФ работают либо в кратковременном, либо в повторно-кратковременном реверсивном режиме циклами, в которых перемещения выходного вала чередуются с паузами. После паузы (не менее 50 мс) возможно изменение направления перемещения выходного вала на противоположное (реверс).

ИМ МЭО изготовляются с датчиком обратной связи (блоком сигнализации положения БСП выходного вала) для работы в системах автоматического регулирования или без датчиков обратной связи – с блоком концевых выключателей для режима ручного управления.

Параметры питания механизмов:

–для однофазной сети: 220, 230, 240 В частотой 50 Гц, 220 В частотой 60 Гц;

–для трехфазной сети: 220/380, 230/400, 240/415 В частотой

50 Гц, 220/380 B частотой 60 Гц;

–допустимое отклонение напряжения –15…+10 %;

–допустимое отклонение частоты –2…+2 %.

ИМ МЭО выполнены в исполнении У категории размещения 2 и предназначены для работы в следующих условиях:

–температура окружающего воздуха от –30 до +50 °С;

–относительная влажность окружающего воздуха до 85 % при температуре +35 °С и более низких температурах без конденсации влаги;

–вибрация в диапазоне частот от 10 до 150 Гц с амплитудой 0,075 мм для частот до 57–62 Гц и ускорением 9,8 мм/с2 для частот свыше 62 Гц;

–наличие пыли и брызг воды;

–отсутствие прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков.

ИМ МЭО тропического исполнения выполнены в исполнении Т категории размещения 2 и предназначены для работы при

35

температуре от –10 до +50 °С и относительной влажности до 100 % при температуре 35 °С с конденсацией влаги.

ИМ МЭО не предназначены для работы в средах, содержащих агрессивные пары, газы и вещества, вызывающие разрушение покрытий, изоляции и материалов, и во взрывоопасных средах.

Структура условного обозначения и основные параметры ИМ МЭО:

МЭО – ммм / вв – ххх д гг, где ммм – номинальный крутящий момент на выходном валу в Н·м;

вв– номинальное значение полного хода выходного органа

воборотах;

ххх – номинальное значение времени полного хода в секун-

дах;

д – тип датчика сигнализации положения выходного вала: И – индуктивный (БСПИ), Р – резистивный (БСПР), У – токовый (БСПТ);

гг – год разработки.

В механизмах используются электродвигатели:

– синхронные низкооборотные с частотой вращения 150 об/мин для механизмов с крутящим моментом до 250 Н·м;

– асинхронные двигатели АИР56А4, АИР56В4 для механизмов

скрутящиммоментом от250 до 4000 Н·м и даже до 10 000 Н·м. Двигатели обеспечивают повторно-кратковременный режим

работы механизмов с частыми пусками S4 по ГОСТ 183:

–продолжительностью включений (далее ПВ) до 25 % и номинальной частотой включения до 630 в час при нагрузке на выходном валу в пределах от номинальной противодействующей до 0,5 номинального значения сопутствующей нагрузки;

–максимальная частота включений – до 1200 в час при ПВ до 5 % (механизмы с крутящим моментом до 250 Н·м включительно).

Понижение частоты вращения и увеличение крутящего момента, создаваемых двигателем, осуществляется посредством многоступенчатых цилиндрических зубчатых или комбинированных червячно-зубчатых передач. Валы вращаются на шарикоподшип-

36

никах. Зубчатые передачи и шарикоподшипники смазываются густой смазкой, что обеспечивает установку механизма в любом положении в пространстве.

Механизмы МЭО оснащаются одним из видов блока сигнализации положения выходного вала с датчиком обратной связи (блок датчика): реостатным БСПР; индуктивным БСПИ; токовым БСПТ с унифицированным токовым сигналом 0–5, 0–20 или 4–20 мА по ГОСТ 26.011. В условном обозначении механизма ставятся соответственно буквы Р, И, У. В состав каждого блока сигнализации положений входит два основных узла: блок микропереключателей и блок датчиков. Микропереключатели предназначены для ограничения и сигнализации положения выходного вала, расположены компактно и образуют собственно блок концевых выключателей БКВ.

В случае отсутствия потребности в датчике обратной связи (при ручном управлении) механизмы оснащаются только блоком концевых выключателей БКВ. В условном обозначении механизма ставится буква М.

Управление работой механизмов может быть как контактное при помощи пускателей ПМЛ, так и бесконтактное при помощи пускателей бесконтактных реверсивных ПБР, БУЭР или усилителей тиристорных трехпозиционных типа ФЦ.

Для оперативного управления МЭО или МЭОФ с пульта или щита управления может использоваться блок управления релейного регулятора БУ21. Он предназначен для переключения управления цепями нагрузки с автоматического на ручное или внешнее управление. Кроме того, БУ21 имеет две кнопки «Больше» и «Меньше» с самовозвратом для оперативного управления перемещением выходного вала МЭО и МЭОФ в прямом или обратном направлении.

Механизмы обеспечивают фиксацию положения выходного вала при отсутствии напряжения питания.

Принцип работы механизмов МЭМ заключается в преобра-

зовании электрического командного сигнала во вращательное

37

перемещение регулирующего органа механизма в пределах

6–200 об.

МЭМ предназначены для перемещения регулирующих и запорных органов самотормозящейся запорно-регулирующей арматуры в системах автоматического регулирования технологических процессов в соответствии с командными сигналами, поступающими от регулирующих или исполнительных устройств.

МЭМ – механизм, устанавливаемый непосредственно на арматуре. Соединение с арматурой – квадратное отверстие на выходном валу. Соединение модифицированного механизма МЭМ-2 с арматурой – кулачковая полумуфта на выходном валу.

Управление работой механизмов может осуществляться как контактным способом при помощи электромагнитных пускателей типа ПМЛ, так и бесконтактным способом с помощью пускателей бесконтактных реверсивных ПБР, БУЭР или усилителей тиристорных ФЦ. В системах автоматического регулирования рекомендуется использовать бесконтактный способ управления, как более надежный.

Принцип работы механизмов МЭП заключается в преобра-

зовании электрического командного сигнала в возвратно-посту- пательное перемещение выходного штока РО ИМ с помощью электродвигателя. Принцип работы механизмов МЭПК (моди-

фикация прямоходных механизмов) заключается в преобразовании электрического сигнала, поступающего от регулирующего или исполняющего устройства, во вращательное перемещение выходного вала привода, а затем через кривошипно-шатунный механизм в возвратно-поступательное перемещение штока РО ИМ.

МЭП предназначены для возвратно-поступательного перемещения регулирующих органов запорно-регулирующей арматуры типа «регулирующий клапан», «задвижка» и тому подобное в системах автоматическогорегулирования технологических процессов.

Механизмы устанавливаются непосредственно на арматуре и соединяются со штоком регулирующего органа посредством резьбовой муфты.

38

МЭП часто устанавливаются на трехходовые клапаны (см. рис. 1.9, б) и используются на технологических линиях подачи пара, воздуха, в системах холодного и горячего водоснабжения, в системах отопления.

Как правило, ЭИМ производства зарубежных компаний, таких как Sauter, Danfoss, Belimo, имеют в своем составе контроллер для осуществления так называемых интеллектуальных функций. Среди российских компаний интеллектуализацией ЭИМ плодотворно в течение более 20 лет занимается ОАО «ЗЭиМ» (г. Чебоксары). К таким интеллектуальным функциям ИМ относятся: дистанционное управление ЭИМ сигналами 0–10 В, или 0–20 мА, передача информации о текущем положении (состоянии) клапана, электронная диагностика и блокировка ЭИМ в случае аварийных ситуаций – механических перегрузок (заклинивание механических элементов), интеграция в информационные сети АСУТП с полноценным доступом как по управлению ЭИМ, так и по получению выходной информации о его состоянии и др.

1.2.3. Пневматические исполнительные механизмы

Пневматический исполнительный механизм (далее – ПИМ) является неотъемлемой и основной конструктивной частью пнев-

матического привода (пневмопривода), включающего помимо ПИМ сети подготовки сжатого воздуха (компрессоры воздуха, фильтры и др.) и его распределения.

Рабочим телом в пневматических устройствах является сжатый воздух, представляющий собой смесь азота, кислорода (по объему примерно 78 и 21 % соответственно) и других газов, содержащихся в небольшом количестве (аргон, углекислый газ и др.), а также водяного пара.

Сжимаемость газа оказывает значительное влияние на снижение быстродействия системы, особенно при значительной нагрузке или при значительных ускорениях.

Пневматические системы автоматизированного управления сегодня, в эпоху микропроцессоров и широкого применения циф-

39

ровой электроники, смотрятся несколько архаично, они достаточно громоздкие, к тому же сжатый воздух расходуется при работе пневматических систем.

В связи с этим ПИМ являются гораздо менее распространенным классом ИМ в сравнении с ЭИМ в системах автоматизации (около 4 % от объема всех ИМ). Вместе с тем простота конструкции пневмоприводов и, как следствие, достаточно высокая надежность и ремонтопригодность позволяют успешно использовать такие приводы в современных системах автоматизированного управления технологическими процессами. При этом ПИМ широко применяются там, где регламентированы требования по взрывозащите (нефтяное, газовое хозяйство и т.п.).

ПИМ предназначены для преобразования изменений давления воздуха Р на выходе регулятора в перемещение h регулирующего органа – клапана, заслонки, шибера, крана и тому подобного. Регулирующий орган изменяет расход потока жидкости, газа, пара и тому подобного, вводимого в объект управления, и тем самым вызывает изменение регулируемой выходной координаты.

По типу привода ПИМ подразделяются на мембранные и поршневые, по виду движения РО – прямоходные и поворотные (моментные пневмодвигатели).

К прямоходным относятся поршневые, сильфонные, камерные, шланговые и мембранные пневмодвигатели различных конструкций, к поворотным – такие же, но с винтовым или лопастным рабочим элементом. Шланговые и мембранные РО – это бессальниковые регулирующие органы, которые используются для изменения расхода агрессивных и загрязненных жидкостей. Наибольшее распространение получили поршневые пневмодвигатели, которые называют также пневмоцилиндрами.

Еще один тип пневмоприводов – пневмомоторы, работающие с неограниченным вращательным движением выходного звена. Пневмомоторы по конструктивным признакам разделяют на поршневые, мембранные, пластинчатые, винтовые и турбинные. Упрощенная классификация ПИМ представлена на рис. 1.11.

40