книги из ГПНТБ / Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов

Г Л А В А IX

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ

Исполнительный механизм и регулирующий орган — это устрой­ ства, которые изменяют расход регулируемого агента в объекте ре­ гулирования. Существуют различные конструкции исполнительных механизмов: пневматические, гидравлические и электрические.

Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы характеризуются простотой конструкции, большими выходными моментами, надежностью и возможностью получать различные ско­ рости перемещения регулирующего органа. В качестве привода электрических исполнительных механизмов используют электродви­ гатели переменного или постоянного тока.

Выбор того или иного типа исполнительного механизма зави­ сит от типа применяемого регулятора. Исполнительный механизм выбирают с учетом величины перестановочного усилия, необходи­ мого для регулирующего органа.

§ ІХ.І. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Электрические исполнительные механизмы применяют для пе­ ремещения различных регулирующих органов: клапанов, дроссель­ ных заслонок, задвижек, кранов и т.п. Они работают в комплекте с электрическими и электронными регуляторами. В этих исполни­ тельных механизмах применяют двух-и трехфазные асинхронные электродвигатели. Промышленность выпускает однооборотные ме­ ханизмы, где угол поворота выходного вала не превышает 360°, и многооборотные механизмы, вал которых делает несколько оборо­ тов. Многооборотные исполнительные механизмы применяют для управления задвижками и вентилями. Разберем некоторые типы электрических исполнительных механизмов.

Исполнительный механизм ПР (рис. ІХ.І) может быть установлен на двухседельном регулирующем клапане. Он имеет асинхронный электродвигатель 1 для прямого и обратного перемещения регули­ рующего органа, шестеренчатый редуктор 2, конечные выключа­ тели 3 и реостат обратной связи 4. Путем замены шестерен редук­ тора можно в широких пределах изменять скорость вращения выход­ ного вала 5 исполнительного механизма. Исполнительный механизм ПР может сообщать регулирующему органу как вращательное, так

170

и поступательное движение. Вращательное движение передается через вал 5, а поступательное — через шток 6. Например, испол­ нительный механизм может работать совместно с разобранным вы­ ше пропорциональным электрическим регулятором БР (балансовое

реле).

Электрический исполнительный механизм ДР устроен анало­ гично исполнительному механизму ПР. Он предназначен для пози­ ционного регулирования. В отличие от исполнительного механизма ПР его применяют в схемах двухпозиционного регулиро­ вания. Он также может сооб­ щать поступательное и вра­ щательное движение регули­ рующему органу, но в нем отсутствует реостат обратной

связи.

−−−−−−0

Рис. IX.1. Исполнительный механизм ПР

а — схема установки на регулирующем клапане; б — электрическая схема

Электрический исполнительный механизм МЭК также служит для перемещения регулирующих органов. В этом исполнительном механизме применен двухфазный асинхронный конденсаторный элек­ тродвигатель с полым ротором. Электродвигатель имеет две обмот­ ки: обмотку возбуждения и обмотку управления. Изменением на­ пряжения на обмотке управления можно изменять скорость враще­ ния выходного вала исполнительного механизма. От электродвига­ теля вращение через соединительную муфту передается на пятисту­ пенчатый редуктор. Выходной вал редуктора может вращаться на 360°. С целью уменьшения выбега выходного вала в механизме при­ менен электромагнитный тормоз. Для наблюдения за положением выходного вала имеется механический указатель положения (шка­ ла с делениями в градусах).

Узел реостатов и конечных выключателей связан с выходным ва­ лом исполнительного механизма при помощи двух пар цилиндричес­

171

ких шестерен. Узел содержит два реостата по 120 ± 5 0 м и два ко­ нечных выключателя. Один из реостатов предназначен для обрат­ ной связи, другой — для подключения дистанционного указателя положения. Конечные выключатели служат для выключения элек­ тродвигателя в крайних положениях и для ограничения угла пово­ рота выходного вала.

§ IX.2. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Пневматические исполнительные механизмы обладают малой инерционностью и позволяют получать большие усилия. Эти меха­ низмы применяют в основном для передачи поступательных дви­ жений. По принципу действия их можно разбить на две группы: поршневые и диафрагменные.

Рис. IX.2. Схема поршневых исполнительных механизмов

а — одностороннего действия; б — двухстороннего действия

Поршневые исполнительные механизмы (пневмоприводы) мо­ гут быть одностороннего и двустороннего действия. Приводы одно­ стороннего действия применяют в тех случаях, когда возвратное движение поршня совершается вхолостую (без нагрузки). В кон­ струкцию поршневого исполнительного механизма входят цилиндр, шток с поршнем и система уплотняющих устройств.

Пневматический исполнительный механизм одностороннего дей­ ствия (рис. IX.2, а) состоит из цилиндра 1, штока 2 с поршнем 3, возвратной пружины 4, уплотняющих устройств, крышки и шту­ цера 5. Наружный конец штока 2 соединяют с регулирующим ор­ ганом. Пневматический исполнительный механизм работает следую­ щим образом: через отверстие штуцера 5 в полость I цилиндра по­ даете» сжатый воздух; воздух давит на поршень 3, который, пере­ мещаясь вправо, выполняет необходимую работу, одновременно сжимая пружину 4. Полость II цилиндра должна свободно со­ общаться с атмосферой; в противном случае при движении поршня вправо здесь может образоваться противодавление воздуха, а при движении поршня влево — вакуум. Для осуществления возвратно­ го движения следует открыть доступ воздуха из полости I в атмос-

172

феру. В исходное положение поршень и связанный с ним регулируе­ мый орган возвращаются под действием сжатой пружины.

На рис. IX.2, б приведена схема пневматического привода дву­ стороннего действия. Воздух можно подавать к обеим полостям ци­ линдра.

Для передачи движений с небольшим ходом в пневматических системах применяют мембранные пневмоприводы (рис. ІХ.З). Ди­ аметр этих пневмоприводов 125—500 мм при ходе штока от 6 до

гулирующий орган под действи­ ем пружины 4 поднимается вверх. При подаче на мембрану сжатого

воздуха шток 9 перемещается вниз. При помощи диска 10 и шкалы 11 можно наблюдать за положением регулирующего органа. Ве­ личину предварительного сжатия пружины устанавливают гайкой 7. У большинства исполнительных механизмов давление воздуха на мембрану меняется в пределах 0,02—0,1 МПа (0,2 — 1 кгс/см2), что обеспечивает полный ход регулирующего органа. Исполнитель­ ный механизм с мембранным приводом может быть использован для управления регулирующим клапаном, поворотной заслонкой или шибером, помещенным в трубопроводе или коробе.

Между давлением воздуха над мембраной и перемещением регу­ лирующего органа должна быть прямолинейная зависимость. От­ клонения, которые могут возникнуть при прямом и обратном ходах, не должны превышать 2% полного хода золотника. Эта величина в значительной степени зависит от силы трения в сальнике штока кла­ пана, которая может возрасти вследствие плохой смазки и тугой затяжки. Поэтому при эксплуатации необходимо следить за нали­ чием смазки в сальнике и его своевременным заполнением.

173

§ ІХ.З. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Гидравлические исполнительные механизмы предназначены для преобразования разности давлений жидкости, поступающей от гид­ равлического регулятора, в механическое перемещение регулирую­ щего органа. Промышленность выпускает гидравлические испол­ нительные механизмы двух типов: поршневые с поступательным^движением штока и кривошипные с поворотным валом.

Рис. ІХ.4. Гидравлические исполнительные механизмы

а — поршневой; б — кривошипный

Принцип действия поршневого исполнительного механизма

(рис. ІХ.4, а) основан на том, что давление жидкости, действующей на поршень 1, вызывает его перемещение, что в свою очередь вы­ зывает перемещение штока 2. Давление жидкости подается от регу­ лятора через штуцера 3 и 4.

В гидравлическом кривошипном исполнительном механизме

(рис. ІХ.4, б) при перемещении поршня 1 через шатун 2 и кривошип 3 поворачивается выходной вал 4. Регулирующий орган может быть соединен с валом 4 непосредственно или при помощи ведущего ры­ чага 5. Давление жидкости подается от регулятора через штуцера 6 и 7.

Характеристикой гидравлического исполнительного механизма является время перемещения поршня из одного крайнего положения в другое, а также величина развиваемого усилия.

174

§ IX.4. РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ

Регулирующий орган непосредственно воздействует на приток или расход регулирующего агента в объекте регулирования. Рабо­ та регулирующего органа заключается в дросселировании потока — носителя энергии или регулирующего агента путем увеличения или уменьшения проходного сечения.

Регулирующий орган может быть выполнен в виде клапана

ках и т. п. Корпус регулирующего органа выбирают из условий прочности, т. е. величины рабочего давления, а также температу­ ры и коррозионности регулируемой среды. Большее распростране-

Рис. IX.5. Схема регулирующих клапанов

— а —-клапан; б — шибер; б — заслонки

175

ние в качестве регулирующих органов получили регулирующие клапаны, которые изготовляют из чугуна и стали. Чугунные кла­ паны устанавливают на воздушных и водяных линиях с давлением до 1,6 МПа (16 кгс/см2) и температурой до 100° С. Стальные клапа­ ны применяют при более высоких давлениях и температуре.

По роду действия клапаны всех типов (рис. IX.6) делят на кла­ паны прямого 1 и 2 и обратного 3 и 4 действия. Клапаном прямого действия называют такой, у которого золотник при движении вниз уменьшает проходное сечение, клапаном обратного действия — у которого проходное сечение уменьшается при движении золотни­ ка вверх. Приводы клапанов прямого и обратного действия могут быть совершенно одинаковыми.

Рис. IX.6. Типы регулирующих клапанов

Пневматические клапаны с мембранным приводом прямого дей­ ствия называют нормально открытыми или воздухозакрывающими (в. з.), так как при отсутствии давления воздуха над мембраной кла­ пан находится в открытом положении. Такие же клапаны обрат­ ного действия называют нормально закрытыми или воздухооткры­ вающими (в. о.), так как при отсутствии давления воздуха над мем­ браной они находятся в закрытом положении. Кроме того, регу­ лирующие клапаны могут быть односедельными — с одним золот­ ником и двухседельными — с двумя золотниками. Для перестановки золотника односедельных клапанов 1 я 4 (см. рис. IX.6) требуют­ ся большие усилия. Двухседельные же клапаны 2 и 3 являются поч­ ти разгруженными, так как один золотник клапана испытывает усилие на открытие клапана, а другой — такое же усилие на закры­ тие клапана. В результате эти два усилия компенсируются, так как они направлены в разные стороны, а привод клапана должен раз­ вивать усилие только на преодоление силы трения. Поэтому двух­ седельные клапаны, как правило, применяют в условиях высоких давлений и большой производительности.

§ IX.5. РАСЧЕТ РЕГУЛИРУЮЩЕГО КЛАПАНА

Для обеспечения качественного регулирования необходимо вы­ бирать размер клапана. Пропускная способность клапана должна обеспечивать возможность регулирования объекта. При нормально протекающем процессе в объекте регулирования регулирующий

176

орган должен находиться в среднем положении (т. е. быть открытым примерно на 50%).

Пропускную способность клапана Q, м3/ч, W, кг/ч для жидкости определяют по формуле

или

W ^ C Y A p y ,

где Др = Р і ~ Рі — перепад давления на клапане; у — плотность жидкости; С — коэффициент расхода, учитывающий площадь прохода и конструкцию клапана.

Пропускную способность клапана W, кг/ч для пара (насыщенно­ го и перегретого) подсчитывают по выражению

W^3l,6CeY&PV,

где у — плотность пара перед клапаном; е — коэффициент сжимаемости пара.

(где ру — абсолютное давление пара перед клапаном). Формула для пара действительна при перепадах на клапане ^ ^ 0,52.

Расход газа через клапан Q, м3/ч вычисляют по формуле '

где t — температура газа перед клапаном; ун — масса единицы объема газа

внормальном состоянии.

Вслучае, если расход газа задан в единицах массы, можно поль­ зоваться формулой

№ = 5 1 4 С е і/

Ниже приведены приближенные значения коэффициента С для полностью открытых клапанов.

177

Г Л А В А X

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ

Достигнутые успехи в развитии многих отраслей промышлен­ ности стали возможны благодаря широкому использованию средств вычислительной техники.

Электронные цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ) опе­ рируют величинами, представленными в цифровой форме. Для изо­ бражения каждой цифры применяют какой-либо прибор (элемент), который может быть в одном из нескольких резко разграниченных между собой состояний. Каждому состоянию элемента соответ­ ствует определенная цифра. Для изображения числа служит на­ бор элементов.

Любая ЭЦВМ состоит из трех основных устройств: арифметическо'го (АУ), предназначенного для выполнения операций над чис­ лами и командами; запоминающего (ЗУ), предназначенного для приема, хранения и выдачи чисел, которое в свою очередь бывает трех типов — оперативное (ОЗУ), внешнее (ВЗУ) и промежуточное буферное (ПЗУ); устройства управления (УУ), предназначенного для управления автоматической работой машины. Кроме того, в сос­ тав машины входят различные вспомогательные устройства, пред­ назначенные для предварительной подготовки исходных данных и оформления результатов решения. Состав каждого устройства, его объем и технические параметры зависят от типа и назначения ЭЦВМ.

В процессе работы ЭЦВМ используют информацию двух типов: программу решения и исходные данные. Программа решения определяет последовательность выполняемых машиной операций. Процесс решения задачи разбивается на операции, каждая из кото­ рых выполняется по определенной команде, которая включает ука­ зания на то, какую операцию и над какими числами следует произ­ водить. Время, в течение которого выполняется одна команда, на­ зывается тактом машины. Исходные данные определяют начальные условия задачи и ход ее решения. Машина имеет чрезвычайно боль­ шие преимущества по скорости и точности переработки информации, что позволяет создавать высокоэффективные системы управления.

ЭЦВМ классифицируют по многим признакам: по назначению, типу основных элементов, типу команд. По назначению машины

178

делят на расчетные — для вычислений, управляющие — для регу­ лирования или управления процессами и информационные.

По типу основных схемных элементов ЭЦВМ делят на ламповые, полупроводниковые и молектронные. Ламповые машины характе­ ризуются большой выходной мощностью, хорошими усилительно­ формирующими возможностями, но имеют большие габариты и энер­ гоемкость. Полупроводниковые ЭЦВМ, работающие на транзисто­ рах и диодах, получили наиболее широкое применение, так как они имеют небольшую энергоемкость, компактны и обладают высокой степенью надежности. Вместе с тем они весьма чувствительны к тем­ пературным изменениям. Наиболее современные молектронные ЭЦВМ создают на базе микроминиатюрных схем. Они обладают боль­ шой плотностью монтажа (на два-три порядка больше, чем полу­ проводниковые), высокой надежностью и характеризуются очень малым потреблением энергии.

По вычислительной мощности ЭЦВМ различают малые, сред­ ние и большие машины. Машины малой мощности имеют объем ОЗУ до 2 тыс. ячеек и среднее быстродействие до 5 тыс. операций в 1 с. Машины средней мощности имеют объем ОЗУ от 2 до 8 тыс. яче­ ек и среднее быстродействие 20—30 тыс. операций в 1 с. В машинах большой мощности развитая многоступенчатость запоминающего устройства. Емкость ОЗУ превосходит 100 тыс. ячеек, среднее быстродействие — 200—300 тыс. операций в 1 с. Они имеют много­ канальную систему ввода.

§ Х.1. ФУНКЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН В СИСТЕМАХ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ

Вычислительные машины в управляющую систему могут быть включены различными способами. В зависимости от выбранного способа включения меняется роль и место машины в системе управ­ ления. В системах автоматизации используют информационные вычислительные машины; вычислительные машины — советчики оператора (диспетчера); управляющие вычислительные машины.

Основная задача информационных вычислительных машин (ИВМ)

состоит в собирании, накапливании, обработке и регистрации ин­ формации об управляемом объекте. Обработанная в удобном для восприятия человеком виде информация сообщается оператору (дис­ петчеру), который принимает.нужное решение для управления про­ цессом в конкретных условиях. Таким образом, эта машина не яв­ ляется управляющей, а занимает промежуточное положение между обычными системами контроля и регулирования и управляющими машинами. Схема системы управления с информационной’машиной представлена на рис. Х.1.

Производственный процесс может быть охарактеризован опре­ деленным числом переменных величин, часть из которых является управляемой, а часть — неуправляемой. Значения параметров про-

179