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

водит к образованию постоянного зазора между соплом и золотни­ ком и полному закрыванию отверстия гильзы 5. При этом воздух из внутренней полости реле и линии уходит через сопло 11 в ат­ мосферу, и избыточное давление падает до нуля.

Прокладка 13 и сальник 14 промежуточного штока 10 обеспечи­ вают герметичность внутренней полости реле. Гайка 15 предназ­ начается для регулировки размера хода штока по давлению воз­

духа на выходе.

іѴІаксимальный ход штока 10 мм соответствует давлению воз­ духа на выходе 196 кПа. Однако нормально ход штока не превы­ шает 4—5 мм, что соответствует давлению па выходе из реле 98— 108 кПа. Пределы пропорциональности пневматического реле не регулируются и равны 100%. Резьбовый наконечник 16 и контр­ гайка 17 обеспечивают постоянный контакт штока с рычажной си­ стемой уровнемера. Возвратные пружины 12 и 18 обеспечивают

На выходе воздуха из пневматического реле устанавливается манометр. На линии питания реле сжатым воздухом устанавлива­ ется воздушный фильтр. В фильтре воздух проходит через набор фетровых пластинок и медных сеток, в результате чего очищается от загрязнений всякого рода. Перед фильтром устанавливается за­ порный игольчатый вентиль.

На регулирующем клапане монтируется позиционное сильфон­ ное реле, необходимое для обеспечения заданного перемещения штока и золотника регулирующего клапана.

Между фильтром и реле устанавливается редуктор давления воздуха. При помощи редуктора давление воздуха снижается и поддерживается постоянным на необходимом значении 98—

108кПа.

Вкачестве показывающего или самопишущего прибора исполь­ зуется сильфонный манометр.

Невозможность перенастройки регулятора на другие пределы пропорциональности ограничивает его применение. В то же время широко применяются многие регуляторы уровня, имеющие приспо­ собления для изменений пределов пропорциональности в большом

диапазоне.

Регулятор уровня (рис. 39) предназначается для регулирова­ ния уровня жидкостей в различных объектах, а также для регули­ рования уровня раздела двух несмешивающихся жидкостей. Конст­ рукция буйковой камеры рассчитана на условное давление 3922 кПа. Диапазон регулирования уровня равен 300—365 мм.

Комплект регулятора состоит из буйкового уровнемера, воз­ душного фильтра, редуктора давления, устройства жесткой обрат­ ной связи и пневматического регулирующего клапана.

Принцип действия буйкового уровнемера основан на том, что в зависимости от уровня жидкости в камере изменяется глубина погружения поплавка, вследствие чего изменяется кажущийся вес

137

поплавка (так как выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме погруженной части поплавка).

Внутри буйковой камеры расположен цилиндрический буек 1, который при отсутствии жидкости в камере упирается в ее дно, а при появлении жидкости начинает всплывать. Буек 1 подвешен на свободном конце рычага 2, второй конец которого покоится на призматической опоре и одновременно жестко связан с упругой

скручивающейся трубкой. Внутри трубки помещен стержень, при­ варенный к ее донышку. Таким образом, в случае перемещения буйка вверх упругая трубка будет раскручиваться, а при переме­ щении вниз — скручиваться, и вместе с ней будет поворачиваться стержень. Свободный конец стержня 3 выводится из скручиваю­ щейся трубки и приводит в действие заслонку 4 сопла 5. Открытый конец скручивающейся трубки герметически укрепляется в кор­ пусе камеры. Система вывода стержня 3 — бессальниковая, что является большим преимуществом данного уровнемера.

138

Сжатый воздух поступает в воздушный фильтр 6, а отсюда в редуктор давления 7, откуда выходит под постоянным давлением

встроенной внутри гибкой одновитковой трубчатой пружины 12, поступает к соплу 5, закрепленному на конце трубчатой пру­ жины.

Отверстие сопла 5 значительно больше отверстия дросселя 9, поэтому, когда заслонка 4 не прикрывает отверстие сопла 5, воз­ дух свободно выходит в атмосферу, и давление в камере 10 почти равно атмосферному давлению.

При повышении уровня жидкости в буйковой камере заслон­ ка 4 прикрывает сопло 5 и давление в камере 10 возрастает. При этом мембрана 13 прогибается и воздействует на мембрану 14, ко­ торая заставляет золотник 15 открыть доступ воздуху в камеру 16. Воздух в камеру 16 будет поступать до тех пор, пока давление его на мембрану 14 не станет достаточным для того, чтобы система мембран переместилась вверх и золотник 15 закрыл доступ воз­ духа. При прогибе мембраны 14 вверх излишки воздуха из ка­ меры 16 выходят в атмосферу по пути, указанному стрелками. Если давление в камере 10 возрастет, то доступ воздуха в ка­ мере 16 вновь будет открыт и т. д. Площади мембран 13 и 14 находятся в соотношении 3:1.

Воздух из камеры 16 поступает в мембранный исполнительный механизм 17, приводящий в действие регулирующий клапан 18. В соединительную линию включен механизм настройки предела пропорциональности 19, который управляет впуском воздуха в трубчатую пружину и выпуском его в атмосферу. Задаваемое положение золотника механизма устанавливается поворотом махо­ вичка 20 вручную.

Этим маховичком можно, например, установить золотник в край­ нее нижнее положение, при котором воздух в трубчатую пружину не будет попадать, пружина будет стремиться приблизить сопло 5 к заслонке 4, что приведет к двухпозиционному регулированию. При крайнем верхнем положении золотника воздух под давлением, равным давлению в камере 16, будет воздействовать на трубча­ тую пружину, которая, разгибаясь, будет отводить сопло 5 от за­ слонки 4. Последний случай соответствует 100%-ному пределу пропорциональности. Промежуточные положения золотника дают промежуточные пределы пропорциональности. Механизм настройки предела пропорциональности вместе с трубчатой пружиной состав­ ляют устройство жесткой обратной связи, обеспечивающее пропор­ циональное изменение давления воздуха на мембрану исполнитель­ ного механизма при изменениях уровня.

Жесткой обратной связью регулятора называется устройство,

оказывающее на командную часть (управляющий элемент) регуля­ тора воздействие, обратное воздействию чувствительного эле­ мента, позволяющее настраивать коэффициент усиления регулятора

139

обратная связь называется так потому, что она динамически свя­ зана с регулируемым параметром, т. е. может влиять на положение регулирующего органа только в случае, если параметр находится

параметров объектов с самовыравниванием и без него, с неболь­ шим запаздыванием и при незначительных колебаниях нагрузки, когда можно допустить небольшую статическую ошибку.

Пропорционально-интегральные регуляторы. Пропорциональные и интегральные регуляторы, взятые обособленно друг от друга, обладают как положительными, так и отрицательными свойствами. Причем заметим, что недостаткам одних можно противопоставить достоинства других.

Отрицательными свойствами интегральных регуляторов явля­ ются невозможность использования их на астатических объектах и медлительность действия, в то время как пропорциональные ре­ гуляторы с успехом применяются на астатических объектах и об­ ладают быстродействием. Отрицательным свойством пропорцио­ нальных регуляторов является наличие у них статической ошибки (остаточного отклонения регулируемого параметра), в то время как интегральные регуляторы этого недостатка не имеют.

Объединение пропорционального и интегрального регулирую­ щих устройств в единое пропорционально-интегральное регули­ рующее устройство позволяет преимуществами одного устранить недостатки другого. При появлении возмущающего воздействия пропорционально-интегральный регулятор вначале воздействием пропорционального регулирующего устройства быстро «догоняет» и останавливает отклоняющийся параметр, а затем воздействием интегрального регулирующего устройства возвращает параметр к заданию.

Пропорционально-интегральными называются регуляторы, в ко­ торых совмещены свойства пропорциональных и интегральных ре­ гуляторов, в результате чего обеспечивается поддержание регули­ руемого параметра на заданном значении без остаточного откло­ нения (без статической ошибки).

Более сложными являются проиорционально-интегрально-диф- ференциальные регуляторы (ПИ-регуляторы с воздействием по пер­ вой производной), о которых будет сказано далее. Для пояснения действия ПИ-регуляторов на рис. 40 приведена принципиальная схема одного из типовых ПИД-регулирующих устройств пневма­ тического действия. При полностью открытом регулируемом дрос­ селе Гп это регулирующее устройство превращается в пропорцио­ нально-интегральное, которое рассматривается ниже.

Оно встраивается в электронные уравновешенные мосты, по­ тенциометры и другие приборы, в которых можно при отклонении регулируемого параметра от задания создать перемещение тяги 11

140

на размер 6±0,25 мм. В зависимости от назначения измеритель­ ного прибора регулирующее устройство может быть применено для регулирования температуры, давления, расхода, уровня, влаж­ ности и т. д. Комплект регулятора может состоять, например, из дифманометра-уровнемера, электронного измерительного при­ бора со встроенным в него регулирующим устройством, мембран­ но-пружинного исполнительного механизма, регулирующего кла­ пана, панели управления, редуктора давления и воздушного фильтра.

Рис. 40. Пневматический пропорционально-интегральный регулятор (регу­ лируемый дроссель Т п открыт)

Вначале рассмотрим действие пропорционального регулирую­ щего устройства, для чего полностью откроем регулируемый дрос­ сель Гп и закроем регулируемый дроссель Тш.

Сжатый воздух питания проходит через воздушный фильтр 1, редуктор давления 2 и через постоянный дроссель 3 поступает в камеру 4 усилителя А, а также в сопло 5. Закрывание или от­ крывание сопла 5 или приближение или удаление заслонки 7 от сопла 5 вызывает изменение избыточного давления сжатого воз­ духа в камере 4.

При отклонении размера регулируемого параметра от задан­ ного значения перемещается тяга 11, которая посредством рычаж­ ной системы перемещает штифт 6, смещающий заслонку 7 относи­ тельно отверстия сопла 5, что приводит к изменению зазора между соплом и заслонкой. Направление движения штифта зависит от

141

знака рассогласования размеров регулируемого параметра и за­ дания.

Предположим, что регулируемый параметр под действием воз­ мущения начал возрастать. Тогда штифт 6 начнет подводить за­ слонку 7 к соплу 5. В результате этого давление в камере 4 воз­ растет, резиновые мембраны усилителя прогнутся, приоткроется впускное сопло 8, закроется выпускное сопло 9 и возрастает дав­ ление воздуха в сильфоне 10 жесткой обратной связи.

Одно из донышек сильфона 10 закреплено на станине и не мо­ жет перемещаться. Другое донышко связано с тягой 12 и при воз­ растании давления в сильфоне перемещает тягу 12 и через нее воздействует на положение штифта 6 и заслонки 7 относительно сопла 5. Если под действием измерительной части регулятора и тяги 11 заслонка 7 перемещалась в направлении к соплу 5, то при смещении тяги 12 заслонка 7 перемещается в обратном на­ правлении, т. е. отходит от сопла 5. Разность этих перемещений определяет действительный размер хода заслонки 7 относительно отверстия сопла 5 и выходное давление регулирующего устрой­ ства.

Настройка необходимого предела пропорциональности осущест­ вляется изменением степени воздействия (передаточного отноше­ ния) на узел заслонка — сопло одних и тех же размеров перемеще­ ния тяг 11 и 12. Узел заслонка—сопло укреплен на оси, которая поворачивается вручную. При горизонтальном положении заслонки относительно входного рычага получается минимальный коэф­ фициент усиления (передачи), или, иначе, наибольший предел пропорциональности, так как перемещения тяги 11 почти не изме­ няют зазора между заслонкой и соплом. Если заслонка располо­ жена перпендикулярно относительно входного рычага, незначи­ тельное перемещение тяги 11 приводит к изменению зазора между заслонкой и соплом (коэффициент усиления максимальный, пре­ дел пропорциональности минимальный).

В данном регулирующем пропорциональном устройстве мини­ мальный предел пропорциональности равен 5%, максимальный — 400%. В промежуточных положениях заслонки реализуются пре­ делы пропорциональности от 5 до 400%.

Сжатый воздух под определенным давлением, зависящим от зазора между заслонкой 7 и соплом 5 и пропорциональным его размеру, через реле 13 поступает на выход регулирующего уст­ ройства РВ Ы Х -

Если приоткрыть регулируемый дроссель 7\,3, то, кроме пропор­ ционального, начнет действовать интегральное регулирующее уст­ ройство. В этом случае воздух из реле 14 через дроссель Т-яз по­ ступит в емкость 16 и в сильфон 15 гибкой обратной связи. Под действием давления воздуха на донышко этот сильфон будет пе­ рестанавливать тягу 12 в обратном направлении относительно воз­ действия сильфона жесткой обратной связи. Скорость обратной перестановки заслонки 7 относительно сопла 5 зависит от степени открытия дросселя Тиз. Чем меньше будет сопротивление проход-

142

пого отверстия дросселя, тем быстрее будет перестанавливаться заслонка и раньше прекратится перестановка регулирующего ор­ гана, т. е. меньше будет так называемое время изодрома.

Временем изодрома или временем удвоения называется время, в течение которого после мгновенного перемещения регулирующего органа на 1% полного хода (за счет изменения параметра и дейст­ вия пропорционального регулирующего устройства) происходит дополнительное его перемещение на тот же размер под действием

к о н т р о л ь н о й т о ч к о й р е г у л я т о р а .

Устройство гибкой обратной связи при его действии совместно с устройством жесткой обратной связи позволяет осуществить ПИ-закон регулирования и при правильной настройке, а также при правильном выборе регулирующего органа обеспечивает устойчивое регулирование в разнообразных случаях.

ПИ-регуляторы применимы для регулирования параметров объ­ ектов с любым по размеру коэффициентом емкости, с не очень большим запаздыванием, с самовыравниванием и без него, но с сравнительно медленными изменениями нагрузки.

Регуляторы с воздействием по первой производной. Скорость изменения параметра выражается первой производной от его зна­ чения по времени. Следовательно, эти регуляторы, имея дополни­ тельное устройство для воздействия по первой производной пара­ метра, учитывают скорость отклонения параметра в результате возмущения.

Обычные пропорциональные и пропорционально-интегральные регуляторы настраиваются так, что имеют какой-то один, опреде­ ленный для данных динамических свойств объекта коэффициент усиления. Регулятор с подобной настройкой может удовлетвори­ тельно работать лишь в случае, если динамические свойства объ­ екта будут оставаться постоянными. Постоянство свойств объекта в первую очередь определяется постоянством нагрузки и скорости ее изменения. Если нормальное протекание производственного про­ цесса храктеризуется медленными изменениями нагрузки и если со­ ответственно этому регулятор настроен на некоторый определенный коэффициент усиления, то при случайных больших и резких изме­ нениях нагрузки регулятор не может «догнать» и остановить пара­ метр, так как его коэффициент усиления окажется для этого недо­ статочным.

В регуляторах с воздействием по первой производной в первый, сравнительно короткий, промежуток времени после появления воз­ мущения коэффициент усиления резко возрастает пропорционально

143

как бы предваряет ожидаемое отклонение параметра и оказыва­ ется способным остановить параметр уже в начале его изменения.

Для осуществления воздействия по первой производной на вход или выход регулятора подключается механизм предварения или регулирование производится с инерционной обратной связью. В последнем случае при появлении возмущения обратная связь оказывает свое воздействие не сразу, а с опозданием, что приводит к временному уменьшению (по сравнению с настройкой) предела пропорциональности. Регулятор, работая с малым пределом про­ порциональности и с соответственно большим коэффициентом уси­

предварения уменьшается и пределы пропорциональности прибли­ жаются к размеру, обусловленному настройкой, и затем регулятор начинает работать с коэффициентом усиления согласно настройке.

В регуляторах с воздействием по первой производной степень влияния воздействия по производной регламентируется настройкой времени воздействия механизма предварения или инерционной

торы особенно пригодны для объектов со значительным запазды­ ванием.

В приведенной па рис. 40 принципиальной схеме пневматичес­ кого ПИД-регулирующего устройства воздействие по скорости изменения параметра (действие предварения) осуществляется вве­ дением в линию сильфона гибкой обратной связи регулируемого дросселя Тп.

Для гашения автоколебаний, возникающих в линии выхода ре­ гулирующего устройства Рвых при больших коэффициентах усиле­ ния (предел пропорциональности составляет 5—10%) и наличии предварения, регулируемый дроссель Ти шунтирован емкостью 17 с сильфоном. Время предварения можно настраивать в пределах от 3 до 480 с.

Позиционные регуляторы. При необходимости использовать пропорциональный регулятор (см. рис. 35) в качестве двухпозици­ онного штифт 13 устанавливают в крайнее верхнее положение. В этом случае при самом незначительном уменьшении регулируе­ мого давления заслонка смещается и открывает полностью вы­ ходное отверстие сопла. Давление воздуха в мембранной головке регулирующего клапана снижается до минимума вследствие сброса воздуха в атмосферу через сопло. Регулирующий клапан перехо­ дит в крайнее верхнее положение и прибавляет подачу регулирую­ щей среды. Давление в объекте регулирования растет. Через не­ которое время регулируемое давление становится выше заданного, и заслонка закрывает сопло. Вследствие этого регулирующий орган полностью закрывается и прекращает подачу регулирующей среды в объект. Регулируемое давление опять начинает умень­ шаться, и цикл регулирования вновь повторяется в той же после­ довательности.

144

Двухпозиционными называются такие регуляторы, у которых регулирующий орган может занимать только два крайних фикси­ рованных положения, и при этом проходное отверстие частично либо полностью открыто, либо частично или полностью закрыто; регулируемый параметр под воздействием регулятора совершает периодические колебания, причем амплитуда и период колебаний зависят от статических и динамических характеристик регулятора

идинамических свойств объекта регулирования.

Кважнейшим характеристикам двухпозиционного регулятора относятся статическая характеристика регулирующего органа (за­ висимость пропускной способности от степени открытия), зона не­ чувствительности регулятора и время полного хода исполнитель­ ного устройства (исполнительного механизма и регулирующего органа).

Пропускная способность регулирующего органа должна на 10—15% быть больше расхода энергии или вещества из объекта при нормальной нагрузке. Для уменьшения амплитуды колебаний

ограничивают перемещение регулирующего органа. Чрезмерное ограничение нецелесообразно, так как в случае возрастания на­ грузки регулятор перестанет регулировать.

Нечувствительность регулятора объясняется наличием сил су­ хого трения, которые противодействуют перемещению его деталей. Регулятор начинает действовать лишь при некотором, вполне опре­ деленном и индивидуальном для каждого регулятора отклонении регулируемого параметра от заданного значения, при котором прео­ долеваются силы трения. Чем меньше силы трения в регуляторе, тем при меньшем отклонении параметра начинает он действовать. Разные регуляторы имеют различную по размеру нечувствитель­ ность к отклонению параметра, но даже один и тот же регулятор в зависимости от его изношенности и от качества наладки может иметь различную нечувствительность.

В некоторых двухпозиционных регуляторах (особенно электри­ ческих) предусматривается расширение зоны нечувствительности для улучшения динамических условий регулирования. В этом слу­ чае уменьшается число включений и выключений исполнительного устройства за счет увеличения амплитуды колебаний.

Под временем Гр полного хода исполнительного устройства по­ нимается промежуток времени, необходимый для перемещения ре­ гулирующего органа из одного крайнего положения в другое при максимальной скорости его перемещения.

Если время Гр меньше времени, необходимого для возвращения параметра в зону нечувствительности, то регулятор будет работать как двухпозиционный. При малой скорости перемещения регули­ рующего органа, т. е. при большом времени Гр, параметр будет успевать возвращаться в зону нечувствительности раньше, чем ре­

останавливаться в промежуточных положениях. Регулятор станет интегральным.

На объектах регулирования, не обладающих запаздыванием, амплитуда колебаний параметра при двухпозиционном регулирова­ нии незначительно превышает половину зоны нечувствительности регулятора. При наличии запаздывания в объекте амплитуда ко­ лебаний параметра будет тем большей, чем больше зона нечувст­ вительности регулятора и отношение %3/Т объекта.

Очевидно, что двухпозиционные регуляторы, как наиболее про­ стые, во избежание некачественного регулирования могут приме­ няться на объектах, обладающих наилучшими динамическими свой­ ствами. На этом основании двух'позиционные регуляторы приме­ няются, когда в объекте имеется постоянная или очень незначи­ тельно изменяющаяся нагрузка, когда объект обладает большим самовыравниванием, большим коэффициентом емкости и незначи­ тельным запаздыванием (т3/7*<0,2).

Исполнительные устройства. Исполнительные устройства явля­ ются выходными функциональными элементами автоматических регуляторов непрямого действия. Они состоят из регулирующего органа и исполнительного механизма со вспомогательными уст­ ройствами. Исполнительные устройства применяются при регули­ ровании параметров производственного процесса, непосредственно или косвенно связанных с расходом регулирующей среды. В ис­ полнительном устройстве регулирующий орган служит для изме­ нения расхода регулирующей среды, поступающей в объект регули­ рования, а исполнительный механизм — для перемещения затвора регулирующего органа.

Принцип действия исполнительных устройств основан на изме­ нении гидравлического сопротивления регулирующего органа, за­ висящего от степени открытия его проходного сечения. Изменение гидравлического сопротивления достигается перестановкой под­ вижной части (затвора) исполнительного устройства в новое поло­ жение, соответствующее либо уменьшению, либо увеличению рас­ хода регулирующей среды — газа, пара или жидкости.

Для приведения в действие регулирующих органов служат исполнительные механизмы. По роду используемой энергии они разделяются на пневматические, гидравлические и электрические.

П н е в м а т и ч е с к и е и с п о л н и т е л ь н ы е м е х а н и з м ы подразделяются на мембранно-пружинные и поршневые. Последние применяются в том случае, если необходимо развить повышенные усилия для перестановки затвора регулирующего органа из одного положения в другое. Заметим, что в системах гидравлических ре­ гуляторов поршневые исполнительные устройства называются г и д ­ р а в л и ч е с к и м и , так как к ним вместо воздуха от командного устройства подводится масло (в некоторых случаях вода).

Э л е к т р и ч е с к и е и с п о л н и т е л ь н ы е м е х а н и з м ы со­ стоят из электродвигателей, редуктора для передачи вращения ро­ тора электродвигателя на выходную ось и системы рычагов для связи выходной оси с регулирующим органом. К регулирующим

146