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

чине, уравновешивается силами, создаваемыми давлениями на мембраны отрицательной и положительной обратных связей.

При наличии рассогласования между сигналами вносятся про­ порциональная, интегральная и дифференцирующая составляющие в общее регулирующее воздействие регулятора. Пропорциональ­ ная составляющая вводится воздействием отрицательной обратной связи, интегральная — воздействием положительной обратной связи.

Степень воздействия обратных связей настраивается регулируе­ мыми дросселями предела пропорциональности (диапазон дрос­ селирования), времени интегрирования (время изодрома) и вре­ мени предварения (время опережения, время воздействия по пер­ вой производной)

Входной сигнал Рпр в виде давления сжатого воздуха по ка­ налу связи от измерительного преобразователя поступает в ка­ меры Bj и Гі трехмембранного сумматора I дифференцирующего звена и в камеру Д іу пятимембранного сумматора IV интегрирую­ щего звена.

В камеру Аі трехмембранного сумматора / через постоянный дроссель ПДі поступает сжатый воздух питания. Давление воздуха

В том случае, когда скорость отклонения регулируемой вели­ чины равна нулю или близка к нулю, на выходе сумматора I дав­ ление воздуха Рд равно давлению от измерительного преобразова­ теля Рпр.

При изменении давления Рпр, например при увеличении с по­

на мембранах в камерах Б/ и Л7, так как перед камерой Б7 име­ ется сопротивление — дроссель II. В результате сопло в камере Аі закроется и давление в камере резко возрастет. На выходе полу­ чится сигнал, опережающий давление, подаваемое на вход (Яд> > Р пр). Размер опережения будет тем больше, чем больше скорость изменения давления РПр и чем меньше установлено при настройке проходное сечение регулируемого дросселя II (время предваре­ ния). С уменьшением скорости изменения давления Рпр размер опережения уменьшится и станет равным нулю, когда давление Рир перестанет изменяться.

Интегрирующее звено состоит из пятимембранного сумматора IV, регулируемого дросселя V (время интегрирования) и емко­ сти VI.

Пропорциональное звено состоит из пятимембранного сумма­ тора VII и регулируемого VIII (коэффициент передачи) и посто­

167

В момент равновесия давление в камере БІХ пятимембранного сумматора IX равно давлению в камерах Д ІХ и Д ІѴ (камера сум­ матора VII), т. е. давлению Ри на выходе сумматора IV интегри­ рующего звена.

С учетом совместного действия пропорционального и интегри­ рующего звеньев выходное давление (давление воздуха в канале связи с исполнительным устройством) определяется уравнением

где Ти— время интегрирования.

Введя в уравнение (84) выражения (85) и (86), получим об­ щее уравнение регулирующего воздействия регулятора:

X

Выключающее реле XI служит для отключения регулятора при

камера ВХі, в которую поступает давление с выхода усилителя мощности X. Под действием пружины открыто сопло Сз в камере Дхі, через которое воздух поступает в дроссель времени интегриро­ вания V и далее.

При переходе на ручное управление в трехклапанное реле XI подается команда Рк=1 (питание), вызывающая закрытие сопла Сі и разъединение камер ВХІ и ЕХІ, открытие сопла Сг и закры-

168

тие сопла Сз. При этом с каналом связи исполнительного устрой­

к плавному переходу в случае включения на автоматическое регу­ лирование.

Дроссель времени интегрирования V соединяется с выходом сум­ матора IV только тогда, когда открыто сопло С3 в реле XI, т. е. при автоматическом регулировании. Это предохраняет от скачка давления в канале связи исполнительного устройства в промежу­ точном положении переключателя, когда изменение давления за­ дания Р3 вызывает резкое изменение выходного давления сум­

матора IV.

Реле XII (на рис. 54 не показано) служит для исключения дей­ ствия дифференцирующего звена в переходных режимах. Если давление Рпр от измерительного преобразователя и в переходном режиме изменяется достаточно быстро, то в результате действия дифференцирующего звена на выходе регулятора к моменту пе­ рехода на автоматическое регулирование отрабатывается давле­

XII, сообщая камеру Бі сумматора / с камерой Аі. При этом исключается действие апериодического звена, а давления во всех камерах сумматора / будут равны между собой, т. е. равны вход­ ному давлению Рпр, которое в этом случае будет поступать непо­ средственно в камеру ГѴп сумматора VII.

Для гашения автоколебаний вводятся две обратные связи, ис­ ключающие друг друга в статике (положительная в камеру ВІХ и отрицательная в камеру ГіХ сумматора IX). Автоколебания за­ тормаживаются с помощью постоянного дросселя ПД2 положитель­ ной обратной связи. Дроссель ПДг вставлен в присоединительный штуцер сумматора IX.

Регулятор может быть настроен на прямое действие, когда при увеличении давления Рщ> давление Рвых также возрастает, или на обратное действие, когда увеличение регулируемой величины вы­ зывает уменьшение давления РВых-

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; время предваре­ ния 0,05—10 мин; максимальный расход воздуха в установившемся режиме 8 нл/мин; основная допускаемая погрешность от диапазона выходного давления ± 1%.

Гидравлические регуляторы. По блочно-модульному принципу, аналогичному принципу построения унифицированной системы функциональных элементов промышленной пневматической авто­ матики, построена система функциональных элементов гидравличе­ ской регулирующей автоматики (СЭГРА). Эта система состоит из

169

универсальных элементов, из которых собираются унифицирован­

гральный, пропорционально-дифференциальный и пропорциональ­ но-интегрально-дифференциальный, а также сложные аналоговые и релейные управляющие устройства.

Рабочей жидкостью является масло веретенное АУ с темпера­ турой 30—70° С и давлением 400 кПа. Пределы изменения выход­ ных непрерывных сигналов 25—275 кПа. Пределы изменения вы­ ходных прерывистых (дискретных) сигналов 0—400 кПа. Условный нуль (служит для возможности получения «положительных» и «отрицательных» сигналов) у регуляторов составляет 150 кПа. Реглуяторы взрывобезопасны.

Система монтируется на платах. Связь между функциональ-

Рис. 55. Принципиальные схемы и условные обозначения:

а — решающего усилителя; б — винтового регулируемого дросселя; в — гидравлической емкости

ными элементами осуществляется по каналам в платах, а внешние коммутации — медными трубками внутренним диаметром

6 мм.

На рис. 55 приведены принципиальные схемы и условные обо­ значения решающего усилителя, винтового регулируемого дрос­ селя и гидравлической емкости. Решающий усилитель (рис. 55, а) предназначен для суммирования и усиления гидравлических сиг­ налов (давления жидкости), поступающих на его вход. На базе усилителя обеспечивается построение функциональных элементов гидравлических регуляторов (сумматора, умножителя на постоян­ ный коэффициент, интегратора, дифференциатора), а также регу­ лирующих устройств гидравлических регуляторов, формирующих различные законы регулирования.

Усилитель состоит из двух узлов: элемента сравнения (сумма­ тора) и усилителя мощности. Элемент сравнения представляет со­ бой мембранный блок, состоящий из двух жестко связанных между собой гофрированных резино-тканевых мембран. Усилитель мощ­

170

ности представляет собой систему из двух сопел, напорного (ниж­ нее) и сливного (верхнее), между которыми помещен шарик. Эле­ мент сравнения находится в контакте с шариком усилителя мощ­ ности.

В камеры А и Б для сравнения поступают давления от изме­ рительного преобразователя и от задатчика. При равных значе­ ниях давлений в камерах А и Б, т. е. в случае соответствия регу­ лируемой величины' заданию, мембранный блок и шарик нахо­ дятся в среднем положении относительно напорного и сливного сопел и давление на выходе усилителя равно половине давления питания. Перепад давлений приводит к смещению мембранного блока и шарика относительно сопел, что в свою очередь приводит к изменению давления на выходе усилителя.

Усилитель реализует функциональную зависимость

нейную зависимость расхода рабочей жидкости от перепада дав­ лений:

перемещается шток с винтовой прямоугольной канавкой, играю­ щей роль дросселя вязкостного сопротивления. Вращая винт, можно изменять длину винтовой канавки, заключенную между каналами выхода, и тем самым изменять размер гидравлического сопротивления плеч дросселя.

Гидравлическая емкость (рис. 55, в) обеспечивает функцио­ нальную зависимость расхода рабочей жидкости от перепада дав­

где АР — перепад давлений в камерах А и Б емкости; С — постоянная емкости.

Емкость состоит из корпуса, в котором помещен мембранный блок, состоящий из двух жестко связанных между собой гофри­ рованных резино-тканевых мембран.

Рабочая жидкость подводится к камерам Л и Б. В случае постоянства перепада давлений на мембранном блоке мембраны находятся в покое. При изменении давления в одной из камер мембранный блок перемещается и при этом объем одной из камер возрастает, а другой уменьшается, т. е. жидкость поступает в одну из камер,, а из другой вытесняется.

171

На рис. 56 приведены принципиальные схемы регулирующих устройств пропорционально-интегрального и пропорционально-ин­ тегрально-дифференциального гидравлических регуляторов, со­ ставленных из указанных выше гидравлических функциональных элементов.

Регулирующее устройство пропорциональношнтегрального ре­ гулятора (рис. 56, а) обеспечивает выполнение закона регулиро­ вания

а

Рис. 56. Принципиальные схемы регулирующих устройств гидравлических регуляторов:

а — пропорционально-интегрального; б — пропорционально-интегрально-дифференциаль­ ного

Ги — время изодрома, определяемое по уравнению

Регулирующее устройство пропорционально-интегрально-диф­ ференциального регулятора (рис. 56, б) обеспечивает выполнение закона регулирования

где Кп — коэффициент передачи регулятора при условии Ri = Ri = = Rb= R, определяемый по уравнению

5 С

Рвыхі 5 — барометрическое давле­ ние Рб-

Вкомплект системы функ­ циональных элементов гидравли­ ческой регулирующей автоматики входят также усилитель опера­ ционный, преобразователь уси­ лия, стабилизатор давления, реле гидравлическое и другие эле­ менты.

Вразличных отраслях про­ мышленности широко применяют­ ся гидравлические струйные регу­ ляторы, все элементы которых также унифицированы. Струйные регуляторы отличаются большой чувствительностью, значительным размером перестановочных уси­

ройства и надежностью работы.

Рассмотрим работу гидравлического струйного ПИ-регулятора давления, разрежения или расхода, схема которого приведена на рис. 57. Регулятор состоит из струйного реле, механизма гиб­ кой (упругой) обратной связи, исполнительного механизма и ре­ гулирующего органа. В струйную трубку под давлением поступает масло, нагнетаемое насосом. Трубка свободно укреплена на вер­ тикальной полой опоре и может поворачиваться на небольшой угол на своей оси. К противоположному от опоры концу трубки припаяна коническая насадка, называемая сопловой. На расстоя­ нии 5— 6 мм от отверстия сопловой насадки располагается сопло­ вая головка, имеющая два приемных отверстия, размещенных непосредственно одно возле другого. Центры приемных отверстий расположены в плоскости вращения струйной трубки. Одно из

173

приемных отверстий соединительной трубкой соединено с исполни­ тельным механизмом 12, а другое — с цилиндром 3 механизма гибкой обратной связи.

Масло, вытекающее из сопловой насадки, сильной струей уда­ ряет в приемные отверстия и создает - усилия, достаточные для перемещения поршней в цилиндрах исполнительного механизма обратной связи.

В данном регуляторе применяется струйное реле с корректо­ ром 2 и измерительной мембраной 1 из прорезиненной ткани.

Механизм гибкой обратной связи устроен следующим образом. В цилиндре 3 может перемещаться поршень 4. Правый конец штока поршня связан с пружиной обратной связи 5, а левый — шарнирно соединен с рычагом обратной связи 6. Когда поршень находится в среднем положении относительно полостей цилиндра, пружина находится в свободном состоянии. При перемещении поршня одна из тарелок, 14 или 15, будет сжимать пружину, в ре­ зультате чего поршень будет стремиться возвратиться в среднее

положение.

Рычаг обратной связи 6 имеет ось вращения 16. Нижним кон­ цом рычаг 6 шарнирно связан с ползуном 7 задатчика 9 и с пру­ жиной 8. Ось 16 можно передвигать для изменения предела про­ порциональности.

Обе полости цилиндра 3 соединены между собой каналом, ко­ торый можно частично или полностью перекрывать игольчатым вентилем 10 для настройки времени изодрома. Внутри цилиндра 3 вблизи его днищ имеются специальные выемки И, сообщающие между собой обе полости цилиндра в том случае, если поршень 4 оказывается в одном из крайних положений.

При полностью открытом игольчатом вентиле 10 регулятор ра­ ботает как интегральный; при полностью закрытом вентиле — как. пропорциональный; при частично открытом — как пропорциональ- но-интегральный.

Исполнительный механизм 12 воздействует на регулирующую поворотную заслонку 13.

Время изодрома может быть установлено от 4 с до 30 мин. Применяют также комбинированные электронно-гидравлические регуляторы, имеющие электронную регулирующую часть и гидрав­ лическую исполнительную часть.

Электронные регуляторы. Система электронных регуляторов состоит из регулирующих устройств: стабилизирующих (для осуществления П-, ПИ- и ПИД-законов регулирования), коррек­ тирующих (для автоматического изменения задания одновременно нескольким регулирующим приборам), дифференцирующих (для получения импульса по скорости изменения параметра), следящих (для осуществления синфазного перемещения двух регулирующих органов); устройства «динамической связи» (для осуществления снимающегося во времени воздействия одного регулятора на дру­ гой), а также первичных приборов и вспомогательных устройств.

В качестве первичных измерительных преобразователей при

174

регулировании температуры используются хромель-копелевые тер­ мопары, а также платиновые и медные термометры сопротивления.

В качестве первичных приборов с передающими преобразова­ телями при регулировании давления неагрессивных жидкостей и водяного пара используются чувствительные манометры с трубча­ той пружиной; при регулировании уровня и расхода неагрессив­ ных жидкостей, а также расхода водяного пара — дифференциаль­ ные мембранные манометры; для регулирования разрежения и расхода неагрессивных газов — дифференциальные мембранные тягомеры.

Г~ТаШтчик "]

Рассмотрим электрическую схему электронного регулирующего прибора. Прибор состоит из измерительного и электронного (уси­ лительного) блоков, заключенных в одном корпусе. Принципиаль­ ная электрическая схема измерительного устройства представлена на рис. 58.

И з м е р и т е л ь н о е у с т р о й с т в о представляет собой элек­ трический мост переменного тока из активных сопротивлений, од­ ним из плеч которого является термометр сопротивления (термо­ резистор). Остальными плечами моста служат резисторы R7q, R7&и R79. Кроме того, в соответствующие плечи входят резисторы задат­ чика с шунтом Rn и корректора равновесного состояния моста Rsі с шунтом Rso-

175

Электрическое питание моста осуществляется напряжением, снимаемым с потенциометра R32 , позволяющего настраивать чув­ ствительность измерительного устройства и подключенного к вто­ ричной обмотке V силового трансформатора Тр-1. Мост находится в равновесном состоянии лишь при равенстве действительного и заданного значений регулируемой температуры.

Грубая настройка измерительного устройства на заданное зна­ чение регулируемой температуры производится сменным резисто­ ром Д76, размер которого должен быть равен сопротивлению термометра при заданном значении регулируемой температуры; точная настройка производится корректором R3ь

Сменный резистор Rn позволяет изменять диапазон дей­ ствия задатчика и цену его деления.

При отклонении регулируемой температуры от заданного зна­ чения на выходе моста переменного тока появляется пропорцио­ нальное этому отклонению напряжение небаланса моста. Для подключения милливольтметра переменного тока при баланси­ ровке моста корректором служат гнезда Д и Е.

Напряжение с выхода моста поступает на первичную обмотку входного трансформатора Тр-2 фазочувствительного однокаскад­ ного полупроводникового усилителя.

Транзистор Т1 усилителя работает в режиме с общим эмитте­ ром. Источником смещения, задающим рабочую точку транзи­ стора, служит напряжение, снимаемое с диода ßj. Ток диода

в прямом направлении задается резистором # 72. Применение германиевого диода в качестве источника смещения улучшает тем­ пературную стабильность усилителя.

Для стабилизации рабочей точки транзистора при колебаниях напряжения сети служит стабилизированный источник напряже­ ния, состоящий из обмотки II силового трансформатора Тр-1, вы­ прямительного диода В 1, фильтрующей емкости С50 и кремниевого стабилизатора D3, ток в который задается резистором ß 78.

Подключенный к эмиттеру резистор Д71 повышает входное со­ противление и улучшает температурную стабильность усилителя.

Коллектор триода питается от источника, стабилизированного опорными диодами Dі и D%, включенными встречно.

Выпрямитель ß 3, собранный по мостовой схеме на четырех диодах, коммутирует ток нагрузки через транзистор Тг в одном направлении в каждый полупериод сетевого напряжения.

Полярность напряжения постоянного тока на выходе усилителя зависит от того, в какой из полупериодов ток коллектора будет увеличиваться, что в свою очередь зависит от фазы входного си­ гнала. Напряжение постоянного тока с выхода усилителя (за­ жимы 24 и 25) поступает на вход электронного усилителя.

Принципиальная электрическая схема электронного ПИ-регу- лирующего устройства представлена на рис. 59.

Электронный усилитель служит для усиления сигнала, посту­ пающего от измерительного устройства, управления пусковым устройством исполнительного механизма и формирования пропор-

176