книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

за герметичностью соединительных трубок и отсутствием в них воздуха; необходимость прокладывания двухтрубных коммуни­ каций.

К преимуществам э л е к т р и ч е с к и х р е г у л я т о р о в отно­ сятся: универсальность; быстродействие; отсутствие преобразовате­ лей (компрессоров, насосов), что упрощает их использование и об­ служивание. Недостатками этих регуляторов являются: пожаро- и взрывоопасность; недостаточная надежность, особенно электроконтактных регуляторов, в условиях влажной и загрязненной пылью и парами агрессивных жидкостей окружающей среды; боль­ шая нечувствительность, в 5 раз превышающая нечувствительность пневматических регуляторов, что вызывает возрастание запазды­ вания срабатывания регулятора.

К преимуществам к о м б и н и р о в а н н ы х р е г у л я т о р о в относятся: сочетание электрического метода измерения с пневмати­ ческой или гидравлической системой управления; быстродействие со стороны измерительной части; унификация. Недостатками этих регуляторов являются: сравнительно высокий удельный расход электроэнергии; сложность конструкции и другие недостатки, при­ сущие пневматическим и гидравлическим регуляторам.

В целлюлозно-бумажной промышленности в основном приме­ няются пневматические регуляторы, в меньшей степени — электри­ ческие и еще меньше — гидравлические. Комбинированные регу­ ляторы применяются при регулировании композиции бумажной массы и в некоторых других случаях.

По динамическим свойствам различают регуляторы непрерыв­

времени постоянная функциональная связь между воспринимаю­ щим и управляющим элементами.

работает прерывисто, скачками, “перемещая регулирующий орган из одного фиксированного положения в другое.

В регуляторах и м п у л ь с н о г о д е й с т в и я выходная вели­ чина регулятора представляет собой ряд последовательных им­ пульсов, отличающихся своей амплитудой и длительностью, что за­ висит от входных величин.

Регуляторы н е п р е р ы в н о г о д е й с т в и я по закону регули­ рования (по характеристике регулирующего воздействия) подраз­ деляются на следующие типы:

1. Пропорциональные регуляторы, или, сокращенно, П-регуля- торы. Эти регуляторы иногда называют статическими или регуля­ торами с жесткой обратной связью, если она в них имеется, так как П-регуляторы могут и не иметь механизма обратной связи.

2. Интегральные регуляторы, или, сокращенно, И-регуляторы. Эти регуляторы иногда называют астатическими или регуляторами без механизма обратной связи.

127

.3. Пропорционально-интегральные регуляторы, или, сокращенно, ПИ-регуляторы. Эти регуляторы иногда называют изодромными или регуляторами с упругой или гибкой обратной связью.

4. Пропорционально-дифференциальные регуляторы, или, со­ кращенно, ПД-регуляторы. Эти регуляторы называют также про­ порциональными или статическими регуляторами с предварением

торы, или, сокращенно, ПИД-регуляторы. Эти регуляторы иногда называют пропорционально-интегральными или изодромными

спредварением или с воздействием по первой производной.

Взависимости от характера перемещения регулирующего ор­

регулирующего органа происходит с постоянной скоростью, не зависящей от размера отклонения регулируемого параметра от за­ данного значения. При изменении знака отклонения регулируемого параметра изменяется лишь знак скорости, а не размер. Во втором случае скорость перемещения регулирующего органа пропорцио­ нальна размеру или скорости отклонения регулируемого параметра от заданного значения. К регуляторам с постоянной скоростью от­ носятся электрические регуляторы, а к регуляторам с пропорцио­ нальной скоростью — пневматические и гидравлические регу­ ляторы.

В зависимости от вида задания регуляторы классифицируются

изменяющимся по определенной программе, или п р о г р а м м н ы е р е г у л я т о р ы ; регуляторы, в которых регулируемая величина задается и поддерживается на оптимальном значении, или о п т и ­ м и з и р у ю щ и е р е г у л я т о р ы , частным случаем которых явля­ ются э к с т р е м а л ь н ы е р е г у л я т о р ы .

В зависимости от способа установки задания регуляторы бы­ вают с местным или дистанционным устройством установки зада­ ния. В зависимости от вида исполнения регуляторы делятся на блочные и приборные. В зависимости от того, как защищен изме­ рительный механизм от воздействия внешней среды, регуляторы де­ лятся на обыкновенные, для агрессивных сред, брызгонепроницае­ мые, пылезащищенные.

Регуляторы разделяются также по классу точности. Например, пневматические регуляторы изготовляются следующих классов точности: 0,5; 1,5 и 2,5. Кроме того, регуляторы классифицируются по многим другим признакам.

Интегральные регуляторы. На рис. 33 представлен интегральный регулятор давления прямого действия. Чувствительным элементом в данном регуляторе является плоская мембрана 1, зажатая по окружности между фланцами корпуса. Пространство над мембра­ ной через трубку 2 сообщается с той частью трубопровода, в ко­ торой необходимо поддерживать постоянное давление.

128

К мембране жестко прикреплен шток 3, на конце которого на­ сажен клапан 4. При помощи скользящей опоры 5 шток 3 связан с рычагом 6, поворачивающимся вокруг неподвижной оси 7. На ры­ чаге 6 имеется груз 8, под действием веса которого клапан стре­ мится открыться. Если подобрать вес груза 8 и плечо на рычаге 6, можно получить определенный момент, который будет действовать на шток снизу и соответствовать силе, встречно развиваемой мем­ браной при нормальном значении регулируемого давления. В сое­ динительную трубку 2 включен вентиль 9, у которого проходное отверстие почти полностью закрыто.

Если давление в трубопроводе после регулятора вследствие увеличения нагрузки уменьшится, то на вентиле 9 появится раз­ ность давлений: со стороны трубопровода установится новое, пони­

значения, силы, действующие на шток, уравняются и перемещение клапана прекратится. Очевидно, положение клапана не будет за­ висеть от размера параметра, а будет соответствовать изменив­ шейся нагрузке.

Скорость протекания воды по трубке 2 и скорость перестановки клапана можно изменять при помощи вентиля 9. Чрезмерное от­ крывание вентиля 9 приводит к быстрой перестановке клапана, в результате чего параметр не успевает возвратиться к норме и регулятор превращается в двухпозиционный.

В И-регуляторах прямого действия и пневматических и гидрав­ лических И-регуляторах непрямого действия скорость перестановки регулирующего органа всегда пропорциональна размеру отклоне­ ния параметра, а в электрических И-регуляторах непрямого дейст­

Интегральными называются такие регуляторы, у которых при отклонении регулируемого параметра от заданного значения регу­ лирующий орган равномерно или со скоростью, пропорциональной отклонению параметра, перестанавливается до тех пор, пока пара­ метр не вернется к заданному значению, и у которых регулирую­ щий орган после выравнивания параметра занимает положение соответственно нагрузке, не зависящее от размера предшество­ вавшего отклонения регулируемого параметра.

Для интегральных регуляторов характерна медленная переста­ новка регулирующего органа, а отсюда — замедленность действия регулятора. Без помощи самовыравнивания объекта И-регулятор не может остановить параметр, отклоняющийся в результате воз­ мущения. Поэтому И-ре- гуляторы применимы в объектах с большим самовыравниванием, обладаю­ щих большим коэффи­ циентом емкости, неболь­ шим запаздыванием и не­ значительными измене­

ниями нагрузки.

Пропорциональные ре­ гуляторы. В отличие от интегральных регулято­ ров в пропорциональных регуляторах положение регулирующего органа пропорционально не на­ грузке объекта, а размеру регулируемого параметра. Следовательно, у П-ре- гуляторов каждому зна­ чению параметра соответ­ ствует свое, вполне опре­

деленное положение регулирующего органа. Чтобы уяснить, какими средствами это достигается, рассмотрим понятие предела пропор­ циональности.

Пределом пропорциональности 8 регулятора называется диа­ пазон изменения регулируемого параметра, соответствующий пере­

зависимостью положения регулирующего органа от размера регу­ лируемого параметра, графически показанной на рис. 34.

По оси абсцисс на графике отложены значения параметра, со­ ответствующие отметкам равномерной шкалы измерительного 'прибора регулятора в процентах от ее диапазона, а по оси орди­ нат— положение регулирующего органа в процентах от его пол­ ного перемещения. Прямые линии а, б, в и г отражают положения

130

регулирующего органа при изменении параметра в диапазонах, обусловленных пределами пропорциональности регулятора.

Обычно регуляторы имеют особые настроечные приспособления, при помощи которых регуляторы можно настроить на тот или иной предел пропорциональности. Настроив регулятор, например, на 100%-ный предел пропорциональности и установив задатчиком же­ лаемое значение параметра (предположим, 50% от верхнего зна­ чения шкалы), будем иметь зависимость между изменением пара­ метра и перемещением регулирующего органа, изображенную пря­ мой в. Положению стрелки или пера прибора на начальной отметке шкалы или диаграммы будет соответствовать полное открытие регулирующего органа, а. положению стрелки или пера на конеч­ ной отметке шкалы или даграммы — полное его закрытие. Проме­ жуточным значениям регулируемого параметра будут соответство­ вать промежуточные положения регулирующего органа.

Прямая а соответствует 20%-ным пределам пропорционально­ сти, прямая б — 50%-ным, а прямая г — 150%-ным. В последнем случае, т. е. при пределах пропорциональности 150%, крайним значениям параметра по шкале соответствуют промежуточные по­ ложения регулирующего органа, при которых он вовсе не закры­ вается и не открывается полностью.

Каждому значению параметра при настройке регулятора на разные пределы пропорциональности соответствуют разные поло­ жения регулирующего органа, но для отдельно взятого предела пропорциональности определенному значению параметра соответст­ вует только одно определенное положение регулирующего органа.

Перенастраивая регулятор с одного па другой предел пропор­ циональности, тем самым изменяют размер перемещения регули­ рующего органа, приходящийся на 1% изменения параметра, т. е. изменяют коэффициент усиления регулятора.

При 10%-ном пределе пропорциональности перемещение стрелки на 1 % диапазона шкалы вызовет перестановку регулирующего органа на 10% полного хода; при перемещении стрелки на 5% регулирующий орган передвинется соответственно на 50% полного хода и т. д. При 100%-ном пределе пропорциональности изменение значения параметра на 1% диапазона шкалы вызовет переста­ новку регулирующего органа на 1% его полного хода, при 150%- ном пределе пропорциональности— на 0,66% его полного хода и т. д.

При малых пределах пропорциональности на каждый 1 % изме­ нения параметра, т. е. перемещения стрелки или пера на 1 % шкалы или диаграммы, проходится большое перемещение регулирующего органа и, наоборот, при больших пределах пропорциональности на каждый 1 % перемещения стрелки или пера приходится малое перемещение регулирующего органа.

Чем больший предел пропорциональности установлен на регу­ ляторе, тем меньше коэффициент усиления регулятора, и, наобо­ рот, чем меньший предел пропорциональности, тем больше коэф­ фициент усиления регулятора.

Действие П-регулятора заключается в том, чтобы «догнать» отклоняющийся параметр и остановить его, т. е. прекратить его изменение. Таким образом, при равновесном состоянии в регули­ руемом объекте значение регулируемого параметра не будет оди­ наковым и будет зависеть от положения регулирующего органа, при котором параметр был остановлен.

Размер, на который параметр при действии П-регулятора не возвращается к заданному значению, называется остаточным от­ клонением параметра или статической ошибкой.

В П-регуляторах прямого действия и пневматических и гидрав­ лических П-регуляторах непрямого действия скорость переста­ новки регулирующего органа всегда пропорциональна скорости изменения параметра. В электрических П-регуляторах непрямого

действия она равномерна.

Пропорциональными назы­ ваются такие регуляторы, ко­ торым свойственно поддержа­ ние параметра с остаточным отклонением от заданного зна­ чения, у которых регулирую­ щий орган перестанавливается по такой же закономерности, по какой в пределах пропор­ циональности изменяется регу­ лируемый параметр, и у кото­ рых скорость перемещения ре­ гулирующего органа пропор­ циональна скорости изменения параметра или равномерна.

На рис. 35 представлена принципиальная схема пневма­ тического пропорционального регулирующего устройства

П-регулятора давления непрямого действия. Чувствительным эле­ ментом регулятора является одновитковая трубчатая пружина, которая под влиянием изменения регулируемого давления раскру­ чивается и при этом воздействует на заслонку регулирующего устройства.

Трубка 1 соединяет одновитковую трубчатую пружину 2, укреп­ ленную в стойке 3, со средой, давление которой регулируется. Сво­ бодный конец трубчатой пружины шарнирно соединен с заслон­ кой 4. Заслонка представляет собой металлическую пластинку, которая посредством спиральной пружины 14 стремится при­ жаться к соплу 7 и прикрыть его выходное отверстие.

Сжатый воздух для питания пневматического устройства регу­ лятора подводится к прибору через воздушный фильтр и редуктор давления. Давление воздуха после редуктора находится в преде­ лах 127—147 кПа и измеряется манометром 5.

Далее воздух проходит через дроссель 6 и поступает в сопло 7,

132

и заслонки 4 для увеличения или уменьшения расстояния между соплом и заслонкой. При изменении положения заслонки меняется давление командного воздуха в линии и мембранной головке ре­ гулирующего клапана. На задатчике 11 нанесены деления для уста­ новки заданного размера регулируемого давления.

На подвижной плате 8 имеется направ­ ляющая кулиса 12, в прорези которой при настройке регулятора можно перемещать штифт 13. При передвижении штифта 13

ется передаточное отношение, или, другими словами, коэффициент усиления в системе регулятора. Чем выше установлен штифт, тем больше коэффициент усиления и, сле­ довательно, меньше предел пропорциональ­ ности. Настройкой штифтом 13 достигают пределов пропорциональности не более 35— 50%, что ограничивает применение регу­ лятора.

На рис. 36 показан пропорциональный регулятор температуры прямого действия. В этом регуляторе предел пропорциональ­ ности изменяется при изменении положения задатчика. Регулятор может использо­ ваться для регулирования температуры воды для горючих спрысков в сушильном отделе; температуры испарения хлора

вхлорном отделе; температуры теплой воды

вотбельном отделе; температуры черного щелока с растворенным сульфатом в трубо­ проводе щелокового бака в отделе содоре­

метра.

Измерительная система заполняется легкокипящей жидкостью, которую выбирают таким образом, чтобы наинизшая температура' регулирования прибора была несколько выше температуры выб­ ранной жидкости. При погружении термобаллона 2 в регулируе­ мую среду начинается парообразование, и давление в системе

133

повышается. Давление паров через капилляр 3 передается в силь­ фон 4, где развивается перестановочное усилие, пропорциональное эффективной площади сильфона. При установившейся температуре регулируемой среды усилие, развиваемое сильфоном, уравновеши­ вается усилием спиральной пружины 5.

При отклонении температуры от заданного значения коробка 6 перемещается вверх или вниз, растягивая или сжимая сильфон. При этом регулирующий орган 1 перемещается, вследствие чего изменяется расход протекающего нагревающего или охлаж­ дающего вещества и восстанавливается заданное значение регу­ лируемого параметра.

Чтобы задать определенное значение регулируемого параметра, т. е. установить прибор на регулирование заданной температуры, необходимо при помощи регулировочной гайки 7 задатчика увели­ чить или уменьшить натяжение пружины 5. Вследствие неравно­ мерности шкалы конденсационных термометров на верхнем пределе регулирования потребуется большее натяжение, чем на нижнем. При настройке задатчика ориентируются по шкале, прикрепленной к внутренней стенке корпуса регулятора 8.

При горизонтальной установке термобаллона 2 сообразуются с имеющейся на головке термобаллона надписью «верх». При этом конец капиллярной трубки внутри термобаллона оказывается по­ груженным в жидкость. В противном случае в сильфон будут по­ ступать пары, которые начнут там конденсироваться, ввиду чего жидкость будет перекачиваться из термобаллона в сильфон, где вследствие конденсации станет понижаться давление, и работа комплекта нарушится.

Регулятор имеет некоторое запаздывание, которое зависит от времени, необходимого для того, чтобы защитная оболочка термо­ баллона восприняла температуру окружающей среды; времени, необходимого для подогрева (или охлаждения) заполнителя термобаллона до более высокой (или более низкой температуры регулируемой среды и испарения (или конденсации) некоторого количества жидкости, а также от времени, необходимого для пере­ текания через капилляр количества жидкости, соответствующего приращению (или уменьшению) объема сильфона.

Запаздывание определяется промежутком времени от несколь­ ких десятков секунд до нескольких минут в зависимости от обстоя­ тельств. Поэтому регулятор предназначен для регулирования про­ цессов с большой инерцией в узком диапазоне температур. Погреш­ ность регулятора колеблется от ±2 до ± 6 ° С. Погрешность будет тем больше, чем больше размер клапана и чем больше давление среды, проходящей через клапан.

На рис. 37 представлен пневматический П-регулятор, предназ­ наченный для регулирования уровня жидкости в различных аппа­ ратах с условным давлением не выше 1570 кПа. Эти регуляторы используются, например, на подаче воды из артезианского колодца в запасной бак. Диапазон регулирования и сигнализации измере­ ния уровня равен 250 мм.

134

Комплект регулятора состоит из показывающего поплавкового уровнемера, одного или двух пневматических реле, воздушного фильтра, регулирующего органа, позиционного реле, показываю­ щего измерительного прибора — индикатора уровня и сигнального устройства.

Уровнемер состоит из шарового поплавка 1 со штангой 2, за­ крепленной на валу 3, проходящем через штуцерное устройство 4,

Рис. 37. Пневматический поплавковый пропорциональный регулятор уровня непрямого действия

ввернутое в боковую стенку чугунного придатка 5. Штуцерное устройство 4 снабжено сальниковым уплотнением и приспособле­ нием 6 для подачи свежей набивки сальника.

На другом конце вала 3 закреплена стрелка 7, показывающая положение уровня, а также при помощи зубчатой муфты 8 за­ креплен рычаг с грузом 9 и серьга-поводок 10 рычажной системы, контактирующей со штоком пневматического реле 11.

Изменение положения поплавка соответственно изменению вы­ соты уровня жидкости воспринимается рычажной системой и пе­ редается в виде поступательного движения на шток пневматичес­ кого реле. Размер хода штока пневматического реле определяет

135

размер давления сжатого воздуха, поступающего в мембранную головку регулирующего клапана 12, что приводит к соответствую­ щей перестановке клапана.

Пневматическое реле (рис. 38) состоит из головки 1 и кор­ пуса 2. Сжатый воздух, очищенный от загрязнений, масла и влаги, под давлением 147—981 кПа, поступает в реле через отверстие 3. Золотник 4, закрывающий отверстие в гильзе 5, перекрывает до­

и т. д. Таким образом, заданное поступательным движением штока давление воздуха на выходе пневматического реле будет автомати­ чески поддерживаться.

При ходе штока 9 вниз пружина 12, разжимаясь, стремится образовать зазор между соплом 11 и золотником 4. Это приводит к частичному удалению воздуха из внутренней полости в атмо­ сферу. Понижение давления внутри реле, а следовательно, и на выходе вызывает уменьшение сжатия сильфона 5; отверстие сопла 11 перекрывается, после чего наступает вновь равновесие сил упругой деформации сборки сильфона и давления воздуха внутри реле при меньшем их размере. Дальнейший ход штока 9 вниз при­

136