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

В качестве примера рассмотрим некоторые схемы автоматических регуляторов скорости вращения. На таком же принципе работают и регуляторы давления, температуры, расхода и т. п.

Статический регулятор скорости непрерывного действия

Схема, приведенная на рис. 92, обеспечивает вращение механизма объекта регулирования с заданной скоростью. В состав схемы вхо­ дят: потенциометр (задатчик) 1, тахогенератор постоянного тока

Рис. 92. Статический регулятор скорости непрерывного действия

(датчик) 2, резисторы и (орган сравнения) 3, электронный усилитель 4, электромашинный усилитель 5, двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (исполнительный орган) 6 и объект

Пусть ползунок задатчика установлен в какое-то положение, при котором напряжение U3 соответствует заданной скорости вра­ щения объекта регулирования. Пока С/3 > Ur, положительный по­ тенциал левой сетки отличается от потенциала заземленной правой сетки, и поэтому анодные токи, протекающие по обмотке возбуждения

169

электромашинного усилителя (ЭМУ), неодинаковы и на выходе ЭМУ создается напряжение UA, подаваемое на обмотку якоря испол­ нительного двигателя. Исполнительный двигатель и связанный с ним через механическую передачу тахогенератор вращаются с возраста­ ющей скоростью, что приводит к увеличению напряжения тахогенератора С/т, а следовательно, к уменьшению результирующего потен­ циала на левой сетке лампы. Это вызывает уменьшение разности между анодными токами, а значит и уменьшение магнитного потока возбуждения и выходного напряжения ЭМУ, что приводит к умень­ шению скорости исполнительного двигателя и тахогенератора и уменьшению напряжения UT. Результирующий потенциал на левой сетке лампы теперь увеличится и схема начнет действовать в обрат­ ном направлении и т. д. Таким образом, скорость исполнительного двигателя и объекта регулирования автоматически поддерживаются на заданном уровне. Если передвинуть движок задатчика в другое положение, напряжение Ua изменится и тогда автоматический регу­ лятор будет поддерживать скорость на другом уровне.

Статический регулятор скорости релейного действия

В тех случаях, когда к системе регулирования не предъявляют высоких требований в отношении точности и плавности действия и когда мощность исполнительного двигателя может быть сравни­ тельно невелика, применяют более простую и компактную р е л е й ­

Предположим, что в какой-то момент времени скорость исполни­ тельного двигателя 6 превышает заданное значение. При этом напря­ жение тахогенератора Ur больше, чем напряжение задатчика U3, результирующее напряжение на левой сетке лампы — отрицатель­ ное и анодный ток, проходящий через обмотку I реле 5, меньше анод­ ного тока, проходящего через обмотку II . При определенном значе­ нии разности этих токов реле срабатывает, его язычок перебрасы­ вается к нижнему контакту и через якорную обмотку исполнитель­ ного двигателя ток протекает в направлении от щетки а к щетке б. При таком направлении тока создаваемый им момент направлен против вращения якоря, что приведет к уменьшению скорости испол­ нительного двигателя, а значит, и напряжения, вырабатываемого тахогенератором 2. Когда напряжение тахогенератора станет рав­ ным напряжению задатчика 1, результирующее напряжение на левой сетке станет равным нулю, но реле в этот момент еще не срабатывает, так как токи, протекающие по его обмоткам, одинаковы по величине, но противоположны по направлению и создаваемый ими магнитный поток равен нулю. При дальнейшем уменьшении скорости исполни­ тельного двигателя напряжение тахогенератора станет меньше, чем напряжение задатчика, результирующее напряжение на левой сетке станет положительным, анодный ток, протекающий через обмотку / , превысит ток обмотки II, реле снова сработает, но теперь его язы­

170

чок перебросится к верхнему контакту, благодаря чему направле­ ние тока в якорной обмотке двигателя изменится, создаваемый током момент будет направлен в сторону вращения и скорость якоря начнет увеличиваться. Через некоторое время реле снова сработает, скорость вращения якоря начнет уменьшаться и т. д.

Рис. 93. Статический регулятор скорости релейного действия:

1 — потенциометр (задатчик); г — тахогенератор постоянного тока (датчик); 3 — орган сравнения; 4 — электронный усилитель; 3 — поляризованное реле; 6 — дви­ гатель постоянного тока (исполнительный орган); 7 — объект регулирования

Таким образом, заданное значение скорости будет выдерживаться не точно, а лишь в среднем. Качания системы около ее среднего поло­ жения называют а в т о к о л е б а н и я м и ; чем больше время срабатывания реле, тем больше амплитуда автоколебаний.

Астатический регулятор скорости непрерывного действия

Астатический регулятор (рис. 94) отличается от статического тем, что в усилительный тракт включен вспомогательный двигатель небольшой мощности 8, который перемещает через редуктор 9 пол­ зунок вспомогательного потенциометра 10, управляющего напряже­ нием ЭМУ. Благодаря этому астатическая система автоматически сводит к нулю установившееся значение ошибки. Действительно, при наличии ошибки установленное на задатчике напряжение U3 и напряжение тахогенератора UT не одинаковы, на входе и выходе электронного усилителя 4 возникает результирующее напряжение, под воздействием которого якорь вспомогательного двигателя 8 поворачивается и перемещает ползунок потенциометра 10. При этом

171

изменяется ток возбуждения и выходное напряжение ЭМУ 5, в ре­ зультате чего изменится скорость вращения исполнительного двига­ теля 6. Когда заданная и фактическая скорости вращения станут одинаковыми, т. е. установившееся значение ошибки будет сведено

тель и ползунок потенциометра остановятся. При данном положении движка потенциометра на выходе ЭМУ поддерживается неизменное напряжение и скорость исполнительного двигателя не изменяется.

1 — потенциометр (задатчик); 2 — тахогенератор постоянного тока (датчик); 3 — орган срав­ нения; 4 — электронный усилитель; 5 — электромашинный усилитель; 6 — двигатель по­ стоянного тока (исполнительный орган); 7 — объектрегулирования; 8 — вспомогательный двигатель небольшой мощности; 9 — редуктор; 10 — вспомогательный потенциометр

Таким образом при возникновении ошибки, т. е. разности между напряжениями задатчика и датчика (тахогенератора) — сама си­ стема автоматически ее устраняет.

Астатические регуляторы требуют большего времени для перехода из одного состояния в другое, так как вспомогательному двигателю или другому подобному устройству необходимо определенное время, чтобы переместить движок потенциометра на достаточную величину.

Экстремальная система автоматического регулирования

Эта система автоматически поддерживает некоторую характе­ ризующую процесс величину на оптимальном уровне. Как правило, величина, подлежащая регулированию, должна поддерживаться максимальной (например, к. п. д. или мощность установки) или минимальной (например, удельный расход горючего). Поэтому сиг

172

стема должна, во-первых, автоматически отыскивать экстремаль­ ное значение регулируемой величины и, во-вторых, поддерживать эту величину на экстремальном уровне.

Рассмотрим, как подобные задачи решаются человеком. В ка­ честве примера возьмем процесс настройки радиоприемника на волну передающей радиостанции, когда частота этой радиостанции недо­ статочно стабильна и условия прохождения радиоволн также изме­ няются. Задача оператора — поддерживать все время максималь­ ную громкость сигнала. Оператор постепенно меняет настройку приемника в одну и другую сторону и определяет на слух максимум силы звука. Найдя оптимальное для данного момента времени по­ ложение ручки настройки приемника, оператор должен продолжать «пробовать» систему, так как условия приема сигнала все время из­ меняются и в следующий момент максимум силы звука может ока­ заться на другой частоте. Поэтому оператор непрерывно, но в не­ больших пределах поворачивает ручку настройки то в одну, то в другую сторону, всякий раз стремясь найти такое положение, при котором громкость звука будет максимальной.

По этому же принципу работает и экстремальный регулятор. Очевидно, что такой регулятор должен непрерывно, но в небольших пределах изменять настройку системы и сопоставлять эти изменения с результатом, т. е. с изменениями регулируемой величины. Режим

тров — п о и с к о в ы м с и г н а л о м .

Структурная схема экстремальной системы автоматического ре­ гулирования приведена на рис. 95, а. Она состоит из двух замкнутых контуров регулирования. В первый контур входят объект регули­ рования, измерительный орган № 1 и обычный регулятор, включа­ ющий в себя задатчик, орган сравнения, усилитель и исполнитель­ ный орган. Во второй контур входят генератор сигналов поиска, измерительный орган № 2, фазочувствительный детектор и устрой­ ство изменения настройки основного регулятора.

Пусть кривая на рис. 95, б показывает характер изменения регу­ лируемой величины в зависимости от параметра настройки регу­ лятора. Генератор сигналов поиска со сравнительно большой часто­ той изменяет настройку основного регулятора по периодическому закону, что приводит к изменению регулируемой величины по та­ кому же периодическому закону. Эти изменения улавливаются измерительным органом № 2 и поступают на фазовый детектор. Одно­ временно на этот же детектор непосредственно от генератора поиска подается так называемый опорный сигнал. Возможны три случая.

1. Значение регулируемой величины — максимальное (точка а на рис. 95, б). При этом сигнал с измерительного органа № 2 посту­ пает на фазовый детектор с такой же фазой, как и опорный сигнал.

В этом случае напряжение на выходе фазового детектора равно нулю и устройство изменения настройки регулятора не работает.

173

2. Значение регулируемой величины отличается от максималь­ ного из-за того, что параметр настройки регулятора больше своего оптимального значения (точка б на рис. 95, б). При этом сигнал с измерительного органа № 2 поступает на фазовый детектор с фазой,

•опережающей фазу опорного сигнала, например, на 1/4 периода. В этом случае на выходе фазового детектора появляется положи­ тельное постоянное напряжение, под воздействием которого параметр настройки регулятора уменьшается.

а

регулятора

3. Значение регулируемой величины отличается от максималь­ ного из-за того, что параметр настройки регулятора меньше своего оптимального значения (точка в). При этом сигнал на выходе изме­ рительного органа изменяет свою фазу на 180° и поступает на фазо­ вый детектор уже не с опережением, а с отставанием на 1/4 периода от фазы опорного сигнала. В этом случае полярность постоянного напряжения на выходе фазового детектора становится отрицатель­ ной, в результате чего параметр настройки регулятора увеличивается.

Таким образом, система автоматически поддерживает регули­ руемую величину на максимальном уровне.

Наличие двух разных измерительных органов объясняется тем, что физическая природа величины, поддерживаемой основным регу­ лятором, может отличаться от природы величины, экстремальное

474

значение которой поддерживает система в целом. В рассмотренном примере основной регулятор регулирует частоту настройки прием­ ника, а система в целом поддерживает максимальную громкость принимаемого сигнала.

Г л а в а 10

ОСНОВНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

ВКОЛОНКОВОМ БУРЕНИИ

§1. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ПЕРЕХВАТЫ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

В1957 г. нашей промышленностью были выпущены первые станки (ПБС-2ТА), снабженные автоматическим устройством перекрепления бурильных труб при подаче их в процессе бурения. Такое устрой­ ство позволило повысить время «чистого» бурения, облегчить усло­ вия труда буровой бригады, снизить число случаев травматизма при перекреплении зажимных патронов.

Вдальнейшем идея автоперехвата была использована при созда­ нии станков подземного бурения серии БСК, где наличие автопере­ хвата позволило производить спуско-подъемные операции, исклю­ чив из состава оборудования лебедку и мачту. В целом это привело

кснижению габаритов и веса буровой установки, уменьшению раз­ меров камер (горных выработок) и значительно упростило процесс спуско-подъемных операций.

Кстанкам серии ЗИФ были выпущены автоперехваты — при­ ставки АП, которые, однако, на практике распространения не полу­ чили.

Современные станки серии СБА также снабжены автоматическим устройством перекрепления бурильных труб. В отличие от прежних гидромеханических устройств они имеют электрогидравлическое устройство, позволяющее осуществлять перемещение бурильных труб в автоматическом цикле как вверх, так и вниз.

Рассмотрим особенности конструкций и принцип работы наиболее

распространенных автоперехватов бурильных труб.

Автоперехват бурильных труб станка БСК-2М-100

Автоперехват этого станка позволяет автоматизировать процесс подъема бурильных труб из вертикальных скважин или спуска бурильных труб в горизонтальные и слабовосстающие скважины.

В состав автоперехвата входят золотник реверса, упоры на тра­ версе вращателя, рычаг включения золотника реверса и два штангоподъемника. Общий вид и гидравлическая схема автоперехвата бурильных труб станка БСК-2М-100 представлены на рис. 96, а.

При установке двухпозиционного золотника гидросистемы станка в положение «Бурение с регулятором скорости», а трехпозиционного

175

золотника в положение «Бурение, автоматический подъем»1 масло от двух маслонасосов — шестеренчатого и плунжерного подается в верхние полости гидроцилиндров (рис. 96, б) и золотник реверса.

Если золотник реверса находится в крайнем верхнем положении, то масло поступает в верхние полости гидроцилиндров 21 и уходит

Рис. 96. Автоперехват станка БСК-2М-100:

а — общий вид: 1 — зажимной па­

s — рычаг золотника реверса, в — тормоз спуска; 7 — гидроцилиндры, 8 — маслопроводы; б — гидравли­ ческая часть: 1 — цилиндры , 2 — золотник реверса, 3 — рычаг золо­

тника, 4 — демпферы

на слив из нижних. Как только поршни гидроцилиндров достигнут крайнего нижнего положения, упор траверсы передвинет рычаг 3 из положения а в положение б и золотник реверса переместится вниз.

176

Масло из напорной магистрали будет одновременно подаваться в верхние и нижние полости гидроцилиндров. Ввиду разницы пло­ щадей в верхних и нижних частях поршней усилие, развиваемое снизу вверх, будет больше, чем сверху вниз, и поэтому поршни будут перемещаться вверх.

Масло, вытесняемое поршнями из верхних полостей гидроци­ линдров, поступает в нижние полости, где соединяется с маслом, поступающим от маслонасосов. Увеличенное количество масла, по­ ступающего в нижние полости гидроцилиндров, обеспечивает бы­ стрый подъем шпинделя.

Упоры, находящиеся на траверсе, при их движении вверх и вниз посредством рычага 3 будут передвигать золотник, что обеспе­ чит автоматический реверс траверсы (шпинделя).

Для смягчения гидроударов, возникающих при реверсировании хода, гидроцилиндры снабжены демпферами 4. Захват бурильных труб во время подъема и удерживание их на весу производится штангоподъемниками 3 (рис. 96, а). По конструкции они могут быть эксцентриковые или кольцевые.

Нижний штангоподъемник устанавливается на неподвижной каретке, а верхний на подвижной траверсе 4.

При движении траверсы вверх колонна бурильных труб автома­ тически захватывается секторами (кольцами) верхнего штангоподъемника и поднимается; нижний штангоподъемник в это время сво­ бодно пропускает колонну.

При перемещении траверсы вниз верхний штангоподъемник от­ крыт и свободно скользит по буровой колонне, а нижний — удер­ живает колонну на весу.

При бурении горизонтальных или слабовосстающих скважин оба штангоподъемника устанавливаются на подвижной траверсе и крепятся специальными болтами.

Спуск инструмента в скважину производится путем оттормаживания элементов спускового тормоза 6, находящихся в соприкоснове­ нии с поверхностью бурильных труб под действием силовых пружин.

Автоперехват бурильных труб станка СБА-500

Электрическая схема системы автоперехвата бурильных труб — (рис. 97) через предохранители П П 1 и П П г с плавкими вставками и пакетный выключатель В подключена к силовой линии магнитной станции станка. Параллельно цепи первичной обмотки понижающего трансформатора Тр (ТБС 2-01 380/36 В) подключены контакты ма­ гнитного пускателя Р и обмотка электромагнита ЭМ реверсивного золотника гидросистемы. В цепь вторичной обмотки трансформатора включены: предохранитель с плавкой вставкой П П 3, катушка ма­ гнитного пускателя Р', контакты этого пускателя Р и два микро­ переключателя: ВКВ и ВКН. Колпачки микропереключателей со­ прикасаются с поверхностью лыски правого направляющего штока гидросистемы. ,

Так как поверхность лыски вверху и внизу имеет скосы, то при перемещении штока скосы воздействуют на колпачки и толкатели микропереключателей.

Когда шток гидросистемы находится в крайнем нижнем положе­ нии, оба микропереключателя включены (рис. 97, а) и цепь замы­ кается посредством реле магнитного пускателя. В обмотке электро­ магнита ЭМ появится ток и в результате поршень золотника пере­ местится влево.

Рис. 97. Электрическая схема автолерехвата станка СБА-500:

J j n t , П П г, П П 3 — предохранители; В — пакетный выключатель; Т р —

трансформатор; Р ' — катуш ка магнитного пускателя: Э М — электромаг­ нит; Р — контакты магнитного пускателя; BHK, В И Н — микропереклю­ чатели

При движении штока вверх контакты микропереключателя ВКВ размыкаются (рис. 97, б), но цепь с реле остается замкнутой контак­ тами микропереключателя ВКН.

В крайнем верхнем положении штока происходит размыкание контактов микропереключателя ВКН (рис. 97, в); размыкается цепь и реле магнитного пускателя обесточивает катушку электрома­ гнита ЭМ. Теперь под действием возвратной пружины поршень золотника перемещается в исходное правое положение.

Таким образом, катушка электромагнита ЭМ и возвратная пру­ жина обеспечивают левое и правое положение поршня золотника реверса.

178