книги из ГПНТБ / Овчаренко, В. М. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы учебник

»глубинного прибора . ...................................... от аккумуляторов

Рис. 88. Размещение аппаратуры ТИС-1200 на буровой:

1 — стержень заземления; 2 — наземная аппаратура; з — колонна бурильных труб;

и колонковой трубы 8. Промывочная жидкость и заклиночный ма­ териал проходят через отверстие в изолирующей штанге, восьми­ миллиметровый кольцевой зазор, образуемый между колонковой трубой и контейнерами блоков 5 жб жспециальные каналы в блоке 7. В состав наземной аппаратуры входят приемник-дешифратор, два показывающих прибора типа ПКР-11 и блок питания.

Структурная схема аппаратуры ТИС-1200 представлена на рис. 89. С аккумуляторов через стабилизатор напряжение постоян­ ного тока подается на преобразователь, в котором преобразуется в переменный ток частотой 1600 Гц, используемый для питания об­

датчиков снимается переменное напряжение указанной частоты, амплитуда которого пропорциональна измеряемым параметрам. Это напряжение с выхода датчика поступает в шифратор, где сигнал

159

160

торого может распространиться до поверхности и создать разность потенциалов между буровой вышкой (имеющей такой же электри­ ческий потенциал как колонна труб) и стержнем заземления 1, который ввертывается в землю на расстояние 50—70 м от буровой.

Принятый на дневной поверхности сигнал поступает на наземную аппаратуру. Здесь с помощью полосовых усилителей, нагруженных

из каналов частотно-модулированные колебания (ЧМ) повторно усиливаются, ограничиваются по амплитуде и поступают на норма­ лизатор, в котором преобразуются в частотно-импульсно-модулиро- ванные сигналы (ЧИМ). Нормализованные импульсы подаются на дешифратор; на выходе дешифратора создается напряжение пере­ менного тока частотой 50 Гц, амплитуда которого пропорциональна измеряемому параметру. Это напряжение и поступает на соответ­ ствующий прибор ПКР-11.

В аппаратуре ТИС-1200 предусмотрена также возможность под­ ключения прибора СК-5 для регистрации измеряемых параметров.1

11 Заказ 979

Р а з д е л I I

АВТОМАТИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ В БУРЕНИИ И НА ГОРНО-РАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТАХ

Г л а в а 9

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

§ 1. ЗАДАЧИ И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Средства автоматики заменяют труд человека при контроле и управлении различными процессами. Принцип этой замены рас­ смотрим на простейшем примере поддержания постоянной, заранее заданной скорости вращения электродвигателя. Чтобы выполнить данную задачу без применения автоматики, человек должен: а) на­ блюдать за показаниями тахометра; б) сравнивать эти показания с заданной скоростью вращения; в) в случае разности между задан­ ной и наблюдаемой величинами изменять скорость вращения двига­ теля, например передвижением ручки реостата так, чтобы свести эту разность к нулю.

Система автоматического регулирования выполняет эту же задачу без участия человека. Измеряемая величина (в данном случае скорость вращения электродвигателя) воздействует на датчик, где преобразуется в электрическое напряжение. Напряжение с выхода датчика поступает на у п р а в л я ю щ и й о р г а н , где оно сравни­ вается с заданным значением. При наличии расхождения управля­ ющий орган воздействует на и с п о л н и т е л ь н ы й о р г а н , который и восстанавливает заданное значение контролируемой вели­ чины. В рассматриваемом примере элементами управляющего органа могут служить, например, реле, а исполнительным органом — сек­ ционированный реостат; реле управляются напряжением, получен­ ным в результате сравнения заданной и измеренной величины, и своими контактами включают и выключают отдельные секции ре­ гулировочного реостата, изменяя тем самым скорость двигателя.

Системы автоматики подразделяются на следующие виды:

ствий: контролируемая величина воздействует на датчик, датчик на управляющий орган, управляющий орган на исполнительный орган и, наконец, исполнительный орган воздействует на контро­

162

лируемую величину. Замкнутая система автоматического управле­ ния состоит из двух основных частей. Первая часть (объект-датчик- управляющий орган) осуществляет функцию контроля регулиру­ емой величины, а вторая часть (управляющий орган-исполнительный: орган-объект) выполняет функцию управления регулируемой ве­

личиной.

Разновидностью замкнутых систем автоматического регулиро­ вания являются следящие системы, в которых задаваемая величина представляет собой угол поворота оси, могущий изменяться во вре­ мени в широких пределах по произвольному закону. При этом си­ стема автоматического регулирования должна действовать так,

Рис. 90. Системы ав­ томатики:

чтобы угол поворота оси регулируемого объекта непрерывно «следил» за малейшими изменениями заданного угла и точно повторял эти: изменения.

2. Р а з о м к н у т а я с и с т е м а а в т о м а т и ч е с к о г о * у п р а в л е н и я (рис. 90, б). Здесь первая часть замкнутой си­ стемы автоматического управления, т. е. функция контроля регу­ лируемой величины отсутствует; управление регулируемой величи­ ной осуществляется путем подачи задания на управляющий орган. Воздействие на управляющий орган может оказывать человек или: система автоматики другого процесса.

Разновидностью разомкнутых систем автоматического управле­ ния являются с и с т е м ы а в т о м а т и ч е с к о й з а щ и т ы , , назначение которых — прервать контролируемый процесс при воз­

(рис. 90, в). Здесь отсутствует вторая часть замкнутой системы авто­ матического регулирования, т. е. функция управления. Система автоматического контроля мало отличается от системы измерения

неэлектрических величин электрическими методами. В некоторый системах автоматического контроля промышленных изделий послед­ ний орган системы в зависимости от результатов измерений марки­ рует, отбраковывает или сортирует изделия.

4. С а м о н а с т р а и в а ю щ а я с я с и с т е м а а в т о м а ­ т и ч е с к о г о у п р а в л е н и я решает более сложные задачи обеспечения оптимальных, т. е. наилучших условий осуществления какого-либо процесса. Такие системы обладают сложной структурой, состоящей из нескольких датчиков и исполнительных органов, а управляющие органы не только принимают и сравнивают показания датчиков, но и производят вычислительные операции, на основании которых вырабатывают сигналы для воздействия на исполнительные органы.

5. С и с т е м ы т е л е м е х а н и к и . Во всех системах авто­ матики расстояния между объектом регулирования и пунктом раз­ мещения управляющего органа сравнительно невелики. Если же эти расстояния превышают несколько сот метров и для передачи сигналов от датчиков к органам управления и от органов управления к исполнительным органам требуются специальные передающие и приемные устройства и каналы связи, то системы автоматики преобразуются в системы телемеханики.

§ 2. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Системы автоматического управления состоят из отдельных связанных между собой элементов. Задачей каждого элемента яв­ ляется качественное или количественное автоматическое преобра­ зование воздействия, полученного от предыдущего звена системы,

ипередача его последующему звену.

Взависимости от выполняемой функции элементы систем авто­ матического управления подразделяются на датчики, усилители, стабилизаторы, реле, распределители и двигатели. По физическим принципам их действия различают электромеханические элементы, ферромагнитные элементы, электротепловые элементы, электронные

ирадиоактивные элементы. Некоторые из элементов автоматики,

применяемые также и в измерительной аппаратуре, рассмотрены в главе 2.

Электромеханические элементы

Действие этих элементов основано на взаимном преобразовании электрических и механических величин. Электромеханические эле­ менты в той или иной степени применяются почти во всех системах автоматического регулирования. К ним относятся:

1.Электрические датчики механических величин.

2.Электромеханические реле.

3.Электромеханические распределители, предназначенные для переключения электрических цепей; наиболее часто применяются шаговые распределители или искатели.

164

4.Электромеханические исполнительные органы, предназначен­ ные для преобразования электрических сигналов в механические перемещения, воздействующие на объект автоматического управле­ ния. Они применяются для сцепления и расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов, вентилей, золотников, задвижек, а также для плавного поворота различных деталей на утлы, зависящие от подводимой электрической величины. В каче­ стве электромеханических исполнительных органов обычно приме­ няют электромагнитные вентили, муфты и электродвигатели.

5.Электромашинные усилители (ЭМУ), предназначены для уси­ ления электрической энергии постоянного тока. Они применяются главным образом для питания исполнительных электродвигателей, когда требуемую мощность трудно обеспечить при помощи электрон­ ных или магнитных усилителей. ЭМУ является машиной постоян­ ного тока, имеющей статор, якорь, приводимый во вращение первич­ ным двигателем, коллектор и две пары неподвижных щеток. Усиле­ ние сигнала, происходящее за счет энергии, получаемой от первич­ ного двигателя, может достигать 10 000.

6.Командоаппараты, предназначенные для подачи с помощью кулачков или иным способом команд исполнительным органам.

7.Конечные выключатели, предназначенные для фиксации мо­ мента заданного перемещения и подачи команды на прекращение движения или на включение какого-либо исполнительного органа,

атакже для управления электро- и гидроприводами. Конечные выключатели подразделяются на две группы: контактные и бескон­ тактные. В основу работы бесконтактных переключателей положено изменение какого-либо электрического, магнитного или оптического параметра при подходе движущейся детали к определенному месту. Перемещающаяся деталь может, например, изменить освещение фотоэлемента и тем самым вызвать срабатывание фотореле, контакты которого замкнут ту или иную цепь.

Ферромагнитные элементы

Эти элементы содержат дроссели и трансформаторы с ферро­ магнитными сердечниками.

При прохождении тока по обмотке дросселя или трансформатора

материала сердечника в Г/м; Н — напряженность магнитного поля в А/м.

Вследствие м а г н и т н о г о н а с ы щ е н и я магнитная про­ ницаемость материала с увеличением напряженности магнитного поля уменьшается и поэтому зависимость магнитной индукции от

165

напряженности — нелинейная. На этом явлении и основана работа ферромагнитных элементов систем автоматического управления: магнитных усилителей, бесконтактных реле, умножителей частоты и др.

Электротепловые элементы

Эти элементы подразделяются на т е р м о п а р ы и т е р м о ­ с о п р о т и в л е н и я — металлические, у которых с повышением температуры сопротивление возрастает, и полупроводниковые, у ко­ торых с повышением температуры сопротивление уменьшается.

Электронные элементы

К электронным элементам автоматики относятся электронные усилители, выпрямители, стабилизаторы, генераторы и преобра­

контактные и бесконтактные. Простейшее контактное электронное реле — это электромагнитное реле или счетчик, включаемые в анод­ ную цепь лампы или коллекторную цепь транзистора. Реле этого типа применено, например, в расходомере ДАУ-ЗМ. Контактные электронные реле могут работать от сигналов ничтожно малой мощ­ ности, но время их срабатывания не меньше, чем у обычных электро­ магнитных реле.

Б е с к о н т а к т н о е ' э л е к т р о н н о е р е л е , и л и т р и г - г е р, собирается на лампах, транзисторах или ферритах. При от­ сутствии входного сигнала одна из ламп триггера открыта, а вторая заперта, триггер находится в состоянии устойчивого равновесия, которое можно сравнить с положением язычка поляризованного электромагнитного реле у одного из контактов при отсутствии тока в обмотке. При поступлении управляющего сигнала схема очень быстро (за время менее микросекунды) переходит в другое устойчи­ вое состояние: первая лампа запирается, а вторая открывается; при этом напряжение на выходных зажимах скачкообразно изме­ няется от максимального до минимального значения. В этом новом устойчивом состоянии триггер также может находиться неограничен­ ное время до поступления очередного запускающего импульса.

тают на принципе преобразования световой энергии в электрическую. Свет от излучателя падает на фотокатод фотоэлемента и выбивает из него фотоэлектроны, которые, перемещаясь к аноду, создают фототок. Этот ток обычно слишком мал для того, чтобы привести в действие исполнительные органы, и поэтому он усиливается с по­ мощью электронного усилителя. Сочетание фотоэлемента с электрон­

166

ческого контакта с контролируемым объектом и, следовательно, без обратного воздействия измерительного устройства на контро­ лируемую величину.

Радиоактивные элементы

Радиоактивные элементы применяются в автоматике для кон­ троля толщины изделий или покрытий, в качестве датчиков пере­ мещений, анализаторов газа и т. п. Действие этих элементов осно­

устройство, которое без непосредственного участия человека осуще­ ствляет функции контроля и управления процессом, воздействующим на некоторую физическую величину таким образом, что количествен­ ное значение этой величины выдерживается равным заданному зна­ чению с требуемой степенью точности. Объект регулирования сов­ местно с автоматическим регулятором образуют с и с т е м у а в т о ­ м а т и ч е с к о г о р е г у л и р о в а н и я .

Типовая структура и классификация систем автоматического регулирования

Типовая структурная схема автоматического регулирования при­

поступает на у с и л и т е л ь и после усиления подается на испол­ нительный орган, который и воздействует на контролируемую ве­ личину объекта регулирования.

Автоматические регуляторы классифицируются по ряду при­ знаков.

В зависимости от назначения различают регуляторы расхода, скорости, уровня жидкости, регуляторы, автоматически управля­ ющие положением движущихся объектов в пространстве ( а в т о ­ п и л о т ы и а в т о м а т и ч е с к и е р у л е в ы е ) и т .п .

167

В зависимости от характера изменения заданного значения

втечение длительного периода времени остается постоянным. В про­ граммных регуляторах заданное значение регулируемой величины

впроцессе работы изменяется по определенной программе. Опти­ мальные регуляторы определяют, каким должно быть значение регу­ лируемой величины, чтобы процесс протекал наилучшим (оптималь­ ным) образом, и затем поддерживают регулируемую величину на

Рис. 91. Структурная схема автоматического регули­ рования

определенном уровне. Обычно оптимальные регуляторы поддержи­ вают максимальное или минимальное значение регулируемой вели­ чины, чем и объясняется их второе название — экстремальные. В этих регуляторах датчик реагирует не на само значение регули­ руемой величины, а на его отклонение от экстремального значения. Другими словами, регулятор как бы непрерывно проверяет правиль­ ность своей настройки, и поэтому такую систему можно считать самонастраивающейся.

В зависимости от характера основных звеньев различают авто­ матические регуляторы н е п р е р ы в н о г о и р е л е й н о г о д е й с т в и я . В регуляторах непрерывного действия связь между входными и выходными величинами для каждого из звеньев — в огра­ ниченной области рабочих режимов— линейная. В регуляторах релейного действия по меньшей мере в одном из основных звеньев плавному изменению входной величины соответствует скачкообраз­ ное изменение выходной величины. Такие регуляторы являются нелинейными. -

В зависимости от характера реакции системы автоматического регулирования на воздействие внешних факторов, стремящихся

регуляторах значение регулируемой величины в установившемся режиме в некоторой степени зависит от влияния этих внешних факто­ ров. В астатиНёских регуляторах установившееся значение регули­ руемой величины поддерживается неизменным независимо от влия­ ния этих факторов. • . . ■

168