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

Если исполнительное устройство выбрано с максимальной про­ пускной способностью согласно проектнрй производительности технологической установки, то в условиях освоения установки при­ нятая максимальная пропускная способность окажется значительно больше фактически необходимой, в результате чего затвор в регу­ лирующем органе в процессе регулирования станет перемещаться лишь вблизи от состояния полного закрытия проходного отверстия. При этом сократится рабочий участок кривой изменения перепада давления в исполнительном устройстве, что приведет не только к резкому ухудшению качества автоматического регулирования, но и к заметному ускорению износа регулирующего органа. Измене­ ние настройки регулятора с целью уменьшения коэффициента пе­ редачи в этом случае не приводит к улучшению качества регули­ рования.

Если в результате модернизации оборудования производитель­ ность технологической установки возросла, то максимальная про­ пускная способность ранее установленного исполнительного устрой­ ства окажется недостаточной для осуществления автоматического регулирования. Очевидно, исполнительные устройства должны быть универсальными, т. е. их конструкция должна допускать работу при различной максимальной пропускной способности, С этой целью они выпускаются с тремя сменными значениями максималь­ ной пропускной способности: 100-, 60- и 40%-ной. Переход с одной пропускной способности на другую осуществляется заменой за­ твора и седла.

По размеру максимальной пропускной способности Кѵ исполни­ тельные устройства подразделяют на четыре группы: больших, средних, малых и микрорасходов.

Кисполнительным устройствам больших расходов относятся устройства с максимальной пропускной способностью Кѵ от 2500 до 20 000 т/ч. Они выпускаются с регулирующими поворотными за­ слонками. К этой же группе условно относят и регулирующие за­ слонки с меньшей пропускной способностью.

Кисполнительным устройствам средних расходов относятся устройства с максимальной пропускной способностью Кѵ от 4 до 1600 т/ч. Они выпускаются с регулирующими органами в виде двухседельных, односедельных, трехходовых, шланговых или диафрагмовых клапанов.

Кисполнительным устройствам малых расходов относятся уст­

ройства с максимальной пропускной способностью Кѵ от 0,1 до 2,5 т/ч. Они выпускаются с регулирующими органами в виде одно­ седельных клапанов.

К исполнительным устройствам микрорасходов относятся уст­ ройства с максимальной пропускной способностью Кѵ от 0,001 до 0,1 т/ч. Их регулирующие органы изготовляются в виде односе­ дельных клапанов.

Если при каком-то условном проходе Dy принять максимальную пропускную способность односедельного клапана за 1, то для диафрагмового при том же Dy она будет примерно в 1,2 раза больше,

157

для двухседельного в 1,6 раза больше, для заслоночного в 2 раза больше и для шлангового в 4—5 раз больше.

Унифицированная система пневматической автоматики. Унифи­ цированная система функциональных элементов промышленной пневматической автоматики (УСЭППА) называется системой «Старт». Система построена на элементном принципе, т. е. состоит из универсальных элементов, из которых собираются различные регулирующие и вычислительные устройства непрерывного и пре­ рывистого действия. Элементы монтируются на платах из органи­ ческого стекла. Плата склеивается из трех плоских пластин. На поверхности внутренней (средней) пластины с двух сторон фрезе­ руются каналы связи. В результате получается подобие радиотех­ нической печатной схемы, но электрические каналы связи в дан­ ном случае заменены пневматическими. Каждый функциональный элемент по подобию электронной лампы снабжается присоедини­ тельными герметизированными штуцерами (ножками). Через ка­ налы в плате и в штуцерах сжатый воздух поступает в тот или иной элемент и выходит из него. Устанавливая на плату элементы в различном сочетании, получают регулирующие устройства, ана­ логичные электрическим.

Элементы системы «Старт» представляют собой мембранные сумматоры (пневматические усилители) и реле, пневматические сопротивления в виде регулируемых и постоянных дросселей, пнев­ матические емкости и другие аналоги электрической и электрон­ ной аппаратуры.

Рассмотрим позиционные, пропорциональные, интегральные, пропорционально-интегральные и пропорционально-интегрально­ дифференциальные регуляторы, собираемые на основе элементов промышленной пневматической автоматики. Действие регуляторов основано на принципе компенсации сил в результате сравнения давления сжатого воздуха, пропорционального текущему значе­ нию регулируемой величины (поступающего от измерительного преобразователя на вход регулирующего устройства), с давлением воздуха, устанавливаемым задатчиком в соответствии с заданным значением регулируемой величины.

В системе «Старт» применяются двухпозиционные регуляторы двух типов: позиционный регулятор с ненастраиваемой зоной не­ чувствительности и позиционный регулятор с настраиваемой зоной нечувствительности.

Двухпозиционный регулятор с ненастраиваемой зоной нечув­ ствительности, принципиальная схема регулирующего устройства которого приведена на рис. 50, действует так, что при отклонении регулируемой величины от задания на значение размера нечувст­ вительности регулятора на выходе создается давление либо 20 кПа, либо 100 кПа. В зависимости от необходимости регулятор может быть настроен на «максимум» или «минимум»: на максимум, когда указанное давление появляется при отклонении регулируемой ве­ личины в сторону превышения задания; на минимум, когда это давление возникает при отклонении регулируемой величины ниже

158

заданного значения. На максимум или минимум регулятор на­ страивается переключением входных каналов.

Регулятор состоит из постоянного дросселя, задатчика, трех­ мембранного сумматора, реле переключения, усилителя мощности,

для установления расхода воздуха, питающего регулятор. В дрос­ селе капиллярная трубка (с внутренним диаметром 0,3 мм), по­ крытая фильтрующим слоем из шерстяной пряжи, помещена в про­ дольном канале винта. Последний ввернут в корпус и уплотнен в нем резиновой прокладкой. Вход и выход сжатого воздуха осу­ ществляются через входной и выходной штуцера. При определен­ ном перепаде давления на капиллярной трубке ее пропускная спо­ собность является также вполне определенной.

З а д а т ч и к 1 состоит из сопла, эластичной резиновой мемб­ раны с жестким центром и дроссельной заслонкой, пружины, та­

в камере является выходным сиг­ налом задатчика, изменяющимся в пределах 20—100 кПа, при из­

менении вручную сжатия пружины посредством винта и переме­ щающейся по винту тарелки.

Т р е х м е м б р а н н ы й с у м м а т о р 3 предназначается для ал­ гебраического суммирования нескольких входных пневматических сигналов и преобразования алгебраической суммы в дискретный выходной сигнал.

измерительного преобразователя в камеры В и Б\ камеры Л и Г сообщаются между собой и используются для вывода выходного сигнала.

У с и л и т е л ь м о щ н о с т и состоит из трехмембранного сум­ матора и непосредственно усилителя мощности 4, который со­ стоит из измерительной камеры И, питающей камеры Д, выходной

159

камеры Е, камеры Ж сброса сжатого воздуха в атмосферу, мембранного блока и двух шариков.

Входной сигнал поступает в измерительную камеру И и создает усилие на мембранном блоке. Это приводит к перемещению вниз шариков, в результате чего питающий сжатый воздух энергично устремляется из камеры Д в камеру Е и далее к исполнительному устройству регулятора. Переток сжатого воздуха будет продол­ жаться до тех пор, пока давление в камере Е не станет равным давлению в камере И.

Для повышения точности отработки выходного давления усили­ телем он охватывается отрицательной обратной связью посредством трехмембранного сумматора аналогично ранее рассмотренному. С этой целью выходной сигнал усилителя мощности поступает в ми­ нусовую камеру б сумматора. Мембранный блок сумматора нахо­ дится в равновесии только в случае равенства давлений в каме­ рах б и в .

Если сигнал обратной связи меньше входного сигнала в ка­ мере в, то мембранный блок перемещается вниз, прикрывая сброс­ ное сопло и открывая сопло, сообщающееся с линией питания воз­ духом. Давление воздуха на выходе сумматора при этом увели­ чивается, а затем, усиливаясь по мощности в усилителе, поступает на выход усилителя и в камеру б обратной связи, где вновь осу­ ществляется его коррекция, заканчивающаяся при достижении ра­ венства значений давлений в камерах б и в .

С целью обеспечения минимального запаздывания в распрост­ ранении сигналов по каналам связи расстояния между измеритель­ ным преобразователем, исполнительным и регулирующим позици­ онным устройствами не должны превышать 5—10 м. Если запазды­ вание в регулируемых процессах значительно превышает размеры запаздывания в каналах связи, то последним пренебрегают, но даже и в этом случае расстояния не должны быть более 300 м. Однако как при коротких, так и при длинных каналах связи для уменьшения запаздывания, оказывающего отрицательное влияние па качество регулирования, используются усилители мощности.

Для перехода с автоматического регулирования на ручное управление применяют реле переключения, позволяющие отклю­ чать показывающий или самопишущий контрольно-измерительный прибор от регулирующего устройства и соединять его с ручным задатчиком, давление сжатого воздуха с выхода которого посту­ пает тогда непосредственно на исполнительное устройство.

(рис. 51) основан на сравнении поступающего от измерительного преобразователя на вход регулирующего устройства давления сжатого воздуха Рп, пропорционального текущему значению регу­ лируемой величины, с давлением задания Р3, ограниченным на­ строенной зоной нечувствительности. Эти давления создают на мембранном блоке пятимембранного сумматора усилия, направ­ ленные в противоположные стороны.

160

Когда текущее значение регулируемой величины выходит за верхний или нижний пределы зоны нечувствительности, происхо­ дит смена выходного сигнала, который становится равным либо 100 кПа вместо 20 кПа, либо 20 кПа вместо 100 кПа. Одновре­

Когда регулируемая величина при обратном движении достигнет противоположного предела зоны нечувствительности, выходной сигнал и знак задания-вновь изменятся.

Регулирующее устройство состоит из пятимембранного элемента сравнения, трех задатчиков, усилителя мщности, трех трехмембран-

Рис. 51. Принципиальная схема регулирующего устройства двухпозиционного пневматического регулятора с настраиваемой зоной нечувствительности

ных реле, двух выключающих реле, а также пневматических сопро­ тивлений.

В пятимембранный элемент сравнения / поступают переменное давление от преобразователя по размеру регулируемого параметра Лі и два постоянных по размеру давления: давление задания Р3

А

от дистанционного задатчика и давление — .

Размер —- настраивается задатчиком IX. Это давление посту­

пает через одно из сопел трехмембранного реле VIII. Трехмем­ бранное реле II, включенное по схеме «нет», в зависимости от сигнала, поступающего от элемента сравнения, управляет выходными

Задатчик V служит для настройки выходного давления 100 кПа, которое усиливается по мощности усилителем VI и подается на вы­ ходные выключающие реле III и IV. Задатчиком X (на схеме не показан) устанавливают постоянное давление в соответствующих камерах реле II, VII и VIII.

Выход регулирующего устройства может быть отключен от ис­ полнительного устройства посредством подачи давления питания Рк в реле IV от переключателя измерительного прибора.

Рассмотрим действие регулирующего устройства при настройке его на максимум. В этом случае давление Рп поступает в камеру

Ді, задание Р3 — в камеру Б\, —— в камеру Гі.

Пока параметр Рп меньше верхнего граничного значения зоны

нечувствительности, т. е. Рп< ^Р3Ч— >сошю ^ 2і закрыто, а сопло

Сіѵ сообщающееся с атмосферой, открыто. Следовательно, Рі = 0,'

Рц = 1, РіІІ = РіѴ=Рвых=0.

Как только параметр превысит верхнюю границу зоны нечувст­ вительности, сигнал на выходе элемента сравнения I возрастет

дания примет значение нижней границы зоны нечувствительности. Сигнал Рі= 1 сохраняется до тех пор, пока параметр будет больше

из двух пятимембранных сумматоров I и V, усилителя мощности VI, задатчика II, выключающего реле VII и пневматических сопротив­

162

где /(per — коэффициент передачи регулятора (коэффициент про­ порциональности), величина, обратная пределу пропор­ циональности брег;

Лір — давление сжатого воздуха, поступающее на вход регу­ лирующего устройства по каналу связи от измеритель­ ного преобразователя;

Р3— давление воздуха от задатчика; Рн— давление воздуха согласно настройке (уровень регули­

рования).

Выходное давление сумматора V поступает в камеру Гуі уси­ лителя мощности VI, где усиливается и через сопло Сг выключаю­ щего реле VII направляется в канал связи исполнительного уст­ ройства. Настройка предела пропорциональности осуществляется регулируемым дросселем III.

Рис. 52. Принципиальная схема регулирующего устройства пропорциональ­ ного пневматического регулятора

Диапазоны настройки предела пропорциональности 5—100, 10—300, 40—500, 100—1000, 150—1500, 500—3000%. Основная до­ пускаемая погрешность при температуре 20 + 2° С от диапазона вы­ ходного давления составляет ±1% . Максимальный расход воздуха на регулятор в установившемся режиме равен 8 нл/мин.

Р е г у л и р у ю щ е е у с т р о й с т в о п р о п о р ц и о н а л ь н о - и н т е г р а л ь н о г о р е г у л я т о р а (рис. 53) состоит из трех пя­ тимембранных сумматоров, усилителя мощности, задатчика, вы­ ключающего реле, нескольких регулируемых и постоянных дрос­ селей и емкости.

В регуляторе разность сил от воздействия на мембраны давле­ ний воздуха, пропорциональных заданию и регулируемой величине, уравновешивается силами, создаваемыми давлениями на мембраны отрицательной и положительной обратной связи.

При наличии рассогласования между сигналами вводятся про­ порциональная и интегральная составляющие в общее регули­ рующее воздействие регулятора. Пропорциональная составляющая

а (регулируемый дроссель) и у (нерегулируемый дроссель), то дав­ ление в камере Бу в момент равновесия выразится уравнением

его значение из выражения (78). В результате получим уравнение, выражающее зависимость выходного сигнала (регулирующего воз­ действия) от сигнала рассогласования:

где Арег— коэффициент передачи пропорциональной составляющей регулятора, настройка размера которого производится изменением проводимости d регулируемого дросселя элемента I V настройки предела пропорциональности.

При закрытом дросселе коэффициент передачи АРег имеет ми­ нимальное значение, т. е. АРег->-0, а предел пропорциональности

( бper= —77— 100% )->оо. Если же дроссель полностью открыт, то

'Аper >

коэффициент передачи АРег принимает максимальное значение, т. е. Арег—>- оо, а предел пропорциональности

Время интегрирования настраивается регулируемым дросселем //. Когда дроссель I I закрыт, то воздействие интегрального звена прекращается и регулятор превращается в пропорциональный. Ми­ нимальное время интегрирования соответствует полному открытию

лирующего устройства от исполнительного устройства при пере­ ходе на неавтоматическое (ручное) управление. Для этого посред­ ством переключателя давления питание подводится в камеру Луц, в результате чего закрывается сопло Сіѵп и открывается сопло

165

СгѴІІ, соединяющее выходной канал регулятора с камерами Д щ ,

Д у и В і . Таким образом, в камерах положительной обратной связи при ручном управлении процессом сохраняется такое же давление, как и над мембраной исполнительного устройства, что обеспечи­ вает в последующем плавный переход на автоматическое регули­ рование.

Для гашения автоколебаний, возникающих в системе, вводятся две (положительная в камеру B y и отрицательная в камеру Г у ) обратные связи, взаимно исключающиеся в статике. Автоколеба­ ния, возникающие в случае нарушения равновесия системы, затор­ маживаются посредством нерегулируемого дресселя П Д , вклю­ ченного в положительную обратную связь (перед камерой B y ) .

Рис. 54. Принципиальная схема регулирующего устройства пневматического пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора

Технические данные регулятора: рабочий диапазон входных и выходных сигналов 20—100 кПа; давление питания 140 кПа; зона нечувствительности от максимального входного давления 0,1%; диапазон настройки предела пропорциональности 5—1000% или 5—3000%; время интегрирования 0,05—100 мин; максималь­ ный расход воздуха в установившемся режиме 8 нл/мин; основ­ ная допускаемая погрешность от диапазона выходного давле­

ния ± 1 %.

Р е г у л и р у ю щ е е у с т р о й с т в о п р о п о р ц и о н а л ь н о - и н т е г р а л ь н о - д и ф ф е р е н ц и а л ь н о г о р е г у л я т о р а (рис. 54) состоит из трех пятимембранных и одного трехмембран­ ного сумматоров, усилителя мощности, трехклапанного и двухкла­ панного выключающих реле и нескольких регулируемых и постоян­ ных дросселей и емкостей.

В регуляторе разность сил от воздействия на мембраны дав­ лений воздуха, пропорциональных заданию и регулируемой вели-

166