книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

Д л я з а щ и т ы а г р е г а т а от о с е в о г о с д в и г а валов используются гидравлические реле осевого сдвига. Принцип действия реле основан на изменении давления масла в трубке, подводящей масло к соплу, при изменении зазора между соплом и торцом бурта на валу агрегата. Давление измеряется контактным манометром или бесшкальным реле давления. Следует отметить, что такие гидравли­ ческие реле осевого сдвига обладают значительной нелинейностью

V.W

характеристики смещение вала — давление масла, из-за чего их неудобно использовать для измерительных целей.

В связи с повышением интереса к электрическим и электропневматическим схемам регулирования вновь начали разрабатывать электрические реле осевого сдвига. На рис. 11.14 показаны две схемы таких реле. Их несомненным достоинством следует считать возможность измерения осевого сдвига вала работающей машины. На рис. 11.14, а представлена схема реле осевого сдвига с датчиком дифференциально-трансформаторного типа. Обмотки питания распо­ ложены на боковых стержнях датчика и соединены между собой согласно. При симметричном расположении датчика относительно

57

бурта на валу магнитные потоки, создаваемые каждой обмоткой питания, равны между собой, а поток в среднем стержне отсутствует. При перемещении вала равенство. магнитных потоков нарушается

ив среднем стержне возникает магнитный поток. Его направление

ивеличина, а следовательно, величина и фаза индуктируемого в изме­ рительной обмотке напряжения, зависят от направления перемеще­ ния вала. Напряжение, снимаемое с измерительной катушки, выпрям­ ляется фазочувствительным выпрямителем.

На рис. 11.14, б изображена мостовая схема измерения осевого смещения вала. Измерительный мост, состоящий из катушек датчика

ирезисторов, балансируется таким образом, чтобы при симметрич­ ном расположении катушек датчика относительно бурта, вала напря­ жение на измерительной диагонали моста было равно нулю. При смещении вала выходное напряжение увеличивается, фаза его зави­

сит от направления смещения.

З а щ и т а а г р е г а т а по п о г а с а н и ю ф а к е л а относится к за­ щитным цепям второй группы, для которых необходимо использование контакта включения защиты (см. рис. II.8, б). Обычно эта защита включается после открытия регулирующего клапана, например по сигналу его конечного выключателя. Контроль наличия факела в камере сгорания осуществляется с помощью фотореле — прибора, реагирующего на переменную составляющую яркости факела. В ка­ честве чувствительного элемента в фотореле используются фототриоды («Факел-4» и «Луч-3») или фоторезисторы («Пламя»).

"Защитные функции фотореле не ограничиваются подачей команды на остановку агрегата при погасании факела. В процессе пуска фотореле фиксирует момент зажигания факела, давая после этого разрешение на выполнение последующих операций. К недостаткам фотореле указанных типов следует отнести малый температурный диапазон работы фототриодов и фоторезисторов. Так как датчики фотореле устанавливаются на смотровых окнах камеры сгорания

имогут нагреваться до значительной температуры, для них пред­ усматривается водяноеохлаждение.

Так же, как и защита по погасанию факела, строятся цепи защиты

ипо некоторым другим параметрам. Например, защита по падению давления масла смазки включается после включения пускового масля­ ного насоса, когда давление масла достигнет установленной вели­ чины; эта защита действует все время работы агрегата. Защита по падению давления топливного газа включается после открытия крана 14. При остановке агрегата она отключается после закрытия крана. Защита по снижению перепада давления масло — газ вклю­ чается после открытия крана 4. В дальнейшем включающий ее контакт блокируется другими, благодаря чему защита действует, хотя кран 4 в процессе пуска закрывается.

Вкачестве датчиков цепей защиты в перечисленных случаях используются обычные приборы общепромышленного применения:

контактные манометры, реле давления, дифференциальные реле и манометры.

58

Г л а в а III. ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Представление двузначной информации с помощью релейных и ключевых устройств

I

В настоящее время наибольшее применение в технике управления нашла двузначная информация о событиях: либо событие прои­ зошло («да»), либо оно не состоялось («нет»). Каждой из этих двух

Рис. III.1. Характери­ стики выход — вход эле­ ментов в режиме релей­ ного (а) и ключевого (б)

повторителя.

У, и У. — значения выход­ ного параметра при отсут­ ствии (У,) и наличии (У.) входиого сигнала А ; А', н

А . — значения входного па­

раметра, при которых про­ исходят восходящее (А.) я нисходящее (А,) изменения выходной величины.

возможностей можно присвоить символические численные значения: состоявшемуся событию — единицу (1), несостоявшемуся — нуль (0). Такая символика в обозначении содержания информации позволяет наглядно описывать различные ситуации, а самое главное, проводить аналитические расчеты и преобразования на основе специального математического аппарата. В соответствии с двузначным характером информации любые устройства, имеющие два дискретно различных состояния, могут быть использованы для ее фиксации. Этим свой­ ством, в частности, обладают различные двухпозициоыные электро­ магнитные, пневматические, акустические (и т. д.) релейные * устрой­ ства, характеристика выход — вход которых представлена на рис. III.1, а.

* Под релейным понимается любое устройство, при подаче на вход кото­ рого плавно изменяющейся величины (например, тока, напряжения и т. д.) выходная меняется скачкообразно (при определенных значениях входного параметра). Обычно зависимость выход— вход у реле имеет петлеобразный характер.

59

Возможна фиксация двузначной информации и с помощью эле­ ментов, не обладающих дискретностью зависимости выход — вход, например усилителей. Характеристика последних, как известно, имеет вид монотонно меняющейся кривой с переходом на последнем участке в насыщение. Если подавать на вход таких элементов сиг­ налы, достаточные для доведения их до насыщения, то наличию сигнала (информации) будет отвечать максимальное значение выход­ ной величины, а его отсутствию — минимальное. Здесь важно, чтобы сигнал имел значение выше насыщающего. Такие устрой­ ства получили название устройств ключевого * режима (см.

рис. III.1, б).

Рис. III.2. Переход в режимы инвертора (а) н триггера (б) при смещении.

В релейных и ключевых устройствах можно смещать характе­ ристику относительно начала координат путем подачи на вход некоторой постоянной величины Х см той же природы, что и входная.

если X — 1, то У = 1, а если X = 0, то и Y = 0. Выходная вели­ чина здесь по алгебро-логическому значению повторяет входную;

* Устройства ключевого режима, как и реле, требуют наличия определен­ ного входного сигнала, при этом выходная величина может принимать также одно из двух дискретных состояний в зависимости от характера информации.

60

При смещении на меньшую величину, чем у инвертора, как это показано на рис. III.2, б, релейное устройство приобретает способ­ ность запоминать свое последнее состояние. В самом деле, если был подан положительный сигнал (+ Х у ^>Х 2), то выходная величина устанавливается на уровне Y 2, а по прекращении входного сигнала рабочий режим определяется точкой М. Таким образом, снятие сигнала не меняет, в отличие от того, как это было в инверторе и повторителе, значения выходного параметра, остающегося на высоком уровне, хотя сигнал прекратился. Иначе говоря, выходная величина запоминается. Аналогично работает описываемый элемент и при отрицательном сигнале (—Х у < —X j), только в этом слу­ чае выходная величина будет У j и после снятия сигнала она также сохранится (точка N характеристики). Переход выходной величины от одного состояния к другому осуществляется кратковременными входными импульсами, имеющими знак, противоположный бывшему ранее. Такие релейные устройства получили название т р и г г е р о в .

Элементы ключевого типа, в отличие от релейных, могут рабо­ тать только в режимах повторителя или инвертора. Поэтому их можно использовать для фиксации информации, а также для ее преобразо­ вания. Запоминание же осуществляется либо триггерными элемен­ тами,'либо устройствами, состоящими из нескольких ключевых элементов, объединенных в общей схеме, обладающей свойством запоминания информации.

В обобщенном виде устройство, содержащее только двухпозици­ онные элементы, рассмотренные выше (повторители, инверторы, триггеры), может быть представлено структурной схемой, незави­ симо от конкретных типов составляющих ее релейных или ключевых элементов. Структурное представление позволяет с достаточной полнотой судить о работоспособности схемы и алгоритме ее действия. Больше того, такая абстракция создает предпосылки для математи­ зации схемных задач, анализа и синтеза схемных решений.

Специфика вопроса определила возможность использовать не­ сколько необычный математический аппарат, известный как алгебра логики, или алгебра Буля (по имени ее создателя). Эта алгебра предусматривает операции с двузначными величинами. Она была разработана для математизации логических заключений или сужде­ ний, т. е. для задач формальной логики. В ней на основе логической связи исходных или так называемых простых суждений, являющихся аргументами, создаются отвечающие их совокупности сложные суждения — логические функции. Для формализации и обобщения правил и законов аппарат алгебры логики не входит в смысловое содержание аргументов или функций, ограничиваясь их двузначной оценкой: истинностью или ложностью. Истинному значению при­ сваивается символ 1, а ложному 0. Этими символическими значениями

иоперирует математическая логика.

В30-х годах работами К. Шеннона, В. А. Шестакова, М. А. Гав­ рилова и других исследователей было показано, что электриче­ ские схемы, составленные только из двухпозиционных элементов

61

(повторителей, инверторов, триггеров), по зависимостям подобны комбинациям простых суждений. Если обозначить замкнутую элек­ трическую цепь символом 1, а разомкнутую 0, то она будет полно­ стью подчиняться законам алгебры логики.

Отсюда вытекает возможность использовать аппарат алгебры логики для математической обработки схемных задач. Если идти в этом направлении дальше и полагать, что замкнутое или разомк­ нутое состояние выходной цепи элемента (повторителя, инвертора или триггера) связано с фиксацией наличия или отсутствия той или иной информации, поступающей на их входы (например, с сиг­ налами о положении или состоянии управляемых объектов), то роль логических аргументов будет играть информация, которую, как указывалось, также можно оценить двузначно (наличию собы­ тия соответствует 1, а отсутствию — 0). Исходя из этого можно по совокупности информации вычислить с помощью алгебры логики необходимые в данной ситуации воздействия, например определить нужные команды, что создает предпосылки для автоматизации процесса управления.

62

Как и в обычной алгебре, в алгебре Буля можно осуществлять операции умножения (конъюнкции) и сложения (дизъюнкции). Ре­

жения , в обеих алгебрах совпадают.

Операция же сложения в алгебре логики существенно отличается от обычной. Дело в том, что сумма любого числа алгебро-логических величин не может превосходить единичного значения и результат

Кроме умножения и сложения двух алгебро-логических величин возможны и другие операции, т. е. другие сочетания этих величин. Не трудно определить общее число сочетаний, которое можно составить, комбинируя значения двух независимых информаций X t и X 2. Очевидно, можно образовать четыре исходных комбинации из значений X ( и X 2, это 1—1, 1—0, 0—1 и 0—0, но каждая из них в свою очередь может иметь значение 1 или 0. Таким образом, общее число различных сочетаний, которое может быть при этом получено, выражается степенной функцией с основанием 2 и показателем степени 4, т. е. С = 24 = 16.

Каждое из этих сочетаний отвечает определенной логической

или Ув) * обозначается черточкой над символом, которая показывает, что стоящая под этой черточкой алгебро-логическая величина меняет свое значение на обратное. Если обозначить некоторую алгебро­

логическую функцию через X, то X означает «не X», или инверсию X.

Таким образом, при X = 1 имеем X = 0, и наоборот.

В схемной транскрипции этой логической операции отвечает инвертор, реализуемый, например, в контактных реле размыкаю­ щим контактом. Действительно, при наличии, входного сигнала (тока в обмотке электромагнита), что соответствует X = 1, выходная

цепь будет разомкнута, т. е. У = 0, а при отсутствии сигнала (X)

* Нижние индексы соответствуют номеру операции в табл. III. 1.

63

схемного представления операции логического умножения является замыкание цепи, образованной двумя последовательно соединенными повторителями. Если на входы этих повторителей поступают сиг­ налы (информации), то замыканию их общей выходной цепи У

имеет единичное значение при наличии хотя бы одной информации,

Схемное представление запретов образуется последовательным сое­ динением повторителя п инвертора.

-)-Х іХ 2 - Схемная реализация этой логической функции осуществ­ ляется параллельным соединением цепей, составленных из последова­ тельно соединенных повторителей и инверторов.

= X jX 2 + X іХ 2. Ее схемная реализация образуется параллельным

ческому умножению. Выходная величина имеет единичное значение

Схемная реализация этой логической зависимости состоит в парал­ лельном соединении двух цепочек (инверторов), отвечающих фор­

Операции У ь У 12, У 14, Уі8 поясняются аналогично.

В алгебре логики перечисленные элементарные операции имеют разную значимость. Некоторые из них, например «и», «или», запрет, инверсия, являются наиболее употребительными. Опера­ ции «штрих Шеффера» и «стрелка Пирса» носят универсальный

64

характер, позволяя выразить почти все остальные логические зави­ симости. Некоторые операции используются весьма редко (или совсем не используются) в практических задачах. Нужно отметить, что ту или иную логическую функцию можно реализовать, как правило, разными сочетаниями других логических операций, соблюдая только равносильность преобразований, осуществляемых на основе законов алгебры логики (см. § IV.1).

Комплект аппаратуры, выполняющий одну из элементарных логических операций, называют л о г и ч е с к и м э л е м е н т о м . Естественно стремление к максимальному сокращению разновид­ ностей аппаратуры, т. е. к сокращению номенклатуры элементов, так как это облегчает их проектирование, производство, монтаж и эксплуатацию, но, с другой стороны, неизбежно ведет к увеличе­ нию потребного для той или иной установки количества элементов. На практике находят компромиссное решёние — выпускают про­ мышленные серии бесконтактных логических элементов, рассчитан­ ные обычно на четыре — семь наиболее употребительных логических операций (хотя имеются серии, в которых разнообразные логические зависимости создаются с помощью только одной универсальной операции, например «стрелки Пирса»).

от обычных контактных электромагнитных реле. Более надежными, обладающими большим сроком службы, быстродействием и способ­ ностью работать в тяжелых условиях представляются бесконтактные устройства, как магнитные, так и полупроводниковые. Кроме того, получили распространение также и пневматические логические эле­ менты и системы. В.нашей стране и за рубежом для построения схем автоматического управления газотурбинными установками исполь­ зуют различные типы релейных и ключевых логических элементов, как контактных, так'й бесконтактных. Это объясняется тем, что каждый тип элементов обладает своими отличительными свойствами, причем некоторые из этих свойств дают ряд преимуществ одному типу перед другим. Вместе с тем нет достаточных оснований кате­ горически утверждать, что какой-либо из типов логических элемен­ тов существенно лучше или хуже других.

При сравнительном рассмотрении выпускаемых промышленностью серий логических элементов необходимо принимать в расчёт, что каждая система управления промышленной установкой, и особенно такой сложной, как газотурбокомпрессорный агрегат, должна со­ держать: 1) собственно логические элементы, с помощью которых строится логическая связь схемы, обеспечивающая алгоритм управле­ ния установкой; 2) элементы, осуществляющие временную задержку сигналов, если этого требует технологический процесс; 3) усили­ тельные элементы, предназначенные для связи логической части системы с исполнительными устройствами и механизмами (выход­ ные усилители); 4) преобразовательные элементы, предназначенные для преобразования непрерывных сигналов в дискретные или,

наоборот, дискретных сигналов в непрерывные в зависимости от ха­ рактера работы отдельных частей системы; 5) источники питания, обеспечивающие нормальную работу системы управления.

При выборе той или иной промышленной серии элементов надо учитывать наличие в еесоставе полного набора необходимых устройств, а также возможность или невозможность сочетания их с применен­ ными в данной установке устройствами других систем. Оптимальный вариант аппаратурной базы можно выбрать путем сравнения ком­ плексных схем управления, выполненных на различных типах элементов, по технико-экономическим показателям, к которым в пер­ вую очередь относятся: 1) эксплуатационная надежность, 2) простота наладки и эксплуатации, 3) величина капитальных и эксплуатацион­ ных затрат, 4) требования, предъявляемые системой элементов к источ­ никам питания, 5) помехоустойчивость и помехозащищенность системы управления.

Однако в связи с тем, что основой схемы управления обычно является ее логическая часть, состоящая почти целиком из логи­ ческих элементов, то технико-экономические показатели системы в целом определяются главным образом показателями логических элементов. Это допущение подтверждается тем обстоятельством, что в реальных схемах, как правило, используется малое количество элементов времени (задержки,) а усилительные и преобразовательные элементы практически могут быть одними и теми же для большинства серий, они в основном определяются типами датчиков, исполнитель­ ными устройствами и механизмами технологического оборудования.

В системах управления компрессорными станциями могут найти применение различные виды логических элементов: релейно-кон­ тактные, полупроводниковые, магнитные. Отдельные специалисты отдают предпочтение пневматическим элементам. Рассмотрим основ­ ные технические показатели наиболее перспективных видов логи­ ческих элементов, выпускаемых отечественной промышленностью серийно.

Релейно-контактные элементы

Логическая часть схем управления может ,быть выполнена на обычных контактных электромагнитных реле. Этот вид аппаратуры наиболее распространен в системах управления компрессорными станциями. Многолетний опыт эксплуатации показал, что контакт­ ная аппаратура обладает существенными недостатками, что в ряде случаев делает желательной замену ее более надежными бесконтакт­ ными элементами. К числу этих недостатков относятся: 1) необхо­ димость систематического обслуживания (чистка, промывка, регу­ лировка контактов, замена изношенных); 2) износ подвижных частей реле; 3) сравнительно большие размеры; 4) большие времена сра­ батывания и отпускания якоря; 5) критичность к вибрациям и уда­ рам; 6) недопустимость установки открытых контактных устройств во взрывоопасных и запыленных помещениях.

66