Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf
а) б)
Рис. 3.18. Схемы пневматических устройств:
а – точного мощного повторителя; б – мембранного сумматора
Рис. 3.19. Схема устройства умножения на константу
Чаще всего интеграторы строят на базе мембранного сумматора и
глухой камеры объёма V, охваченных положительной обратной связью
(рис. 3.20, а).
Простейший интегратор реализуют с помощью глухой камеры
с постоянной времени Г и ламинарным ПС. Он не имеет обратной
связи и обеспечивает приемлемую точность только при малых
(по сравнению с Т) значениях вр
емени интегрирования.
Устройства дифференцирования строят на основе трёхмембранного усилителя УС, охваченного отрицательной обратной связью ОС
с глухой камерой (рис. 3.20, б).
Серийное устройство прямого предварения типа ПФ2.1
(рис. 3.20, в) снабжено выключающим реле ВР (позволяющим при
= 0 блокировать действие дифференциатора) и точным мощным
Р
к
повторителем П2П.7. Для ослабления автоколебаний, возникающих
в контуре «УС–ОС», в устройстве используют ёмкость Е с сильфоном.
Устройство обратного предварения типа ПФ3.1 (рис. 3.20, г)
реализует теоретический закон P(t) = P
(t) – TпP(t), где параметр Тп
1
варьируют от 3 до 6000 с регулируемым дросселем «в».
Селекторы в ПСА служат для выбора наибольшего (наимень-
шего) сигнала из двух сравниваемых P
и Р2. Селектор типа ПФ4/5.1
1
(рис. 3.21) состоит из усилителя давления УС, выключающего реле
ВК, усилителя мощности П2П.7 и переключателя П
= 0, и сигнал Р1 поступает через ВК и усилитель на выход.
то Р
к
. Если P1 > Р2,
1
51
а) б)
в) г)
Рис. 3.20. Схемы пневматических устройств:
а – интегратора; б – дифференциатора;
в – прямого предварения; г – обратного предварения
1 2
4
Рис. 3.21. Схема селектора:
1 – элемент сравнения; 2 – выключающее реле;
3 – усилитель мощности; 4 – переключатель
Устройство ограничения сигналов типа ПП11.1 служит для огра-
ничения сверху (снизу) входного давления Р
; конструктивно это уст-
1
ройство аналогично селектору ПФ4/5.1, однако вместо сигнала Р
вводят постоянное давление Н от задатчика. Тогда ПП11.1 реализует
операцию: Р = Р
при Р1 < Н и Р = Н при Р1 > Н.
1
Устройство извлечения квадратного корня (квадратор) типа
ПФ1.17 предназначен для реализации с погрешностью 1% функции
Р = [80 (Р
52
– Н)]
1
0,5
+ Н.
3
2
Рис. 3.22. Схема квадратора
а) б) в) г)
Рис. 3.23. Схемы устройства преобразования рода сигнала:
а – пневмоэлектрический преобразователь ППЭ-2;
б – электропневматический преобразователь ЭП-0000;
в – герконовый преобразователь типа ППЭД-1;
г – преобразователь типа П1ПР.5
Преобразователи пневмоэлектрические и электропневматические предназначены для преобразования рода энергии непрерывных
сигналов.
Преобразователь типа ППЭ-2 преобразует с погрешностью 1%
пневматический сигнал в сигнал постоянного тока 0…5, 0…20 или
4…20 мА (при нагрузке на выходе не более 2,5 кОм).
Принципиальная схема устройства приведена на рис. 3.23, а.
Пневмосигнал P
поступает в манометрическую трубку (Д), которая
1
перемешает постоянный магнит (М) в управляемом дросселе (УД) с обмотками возбуждения (ОВ) и обратной связью (ОС). Электрический
сигнал, пропорциональный Р
, выделяется на сопротивлении R, вклю-
1
чённом через триггер Шмидта Т в обмотку ОВ. Сигнал от резистора R
поступает на усилитель (УС) и далее на выход преобразователя. Часть
вводят в обмотку ОС дросселя. В контуре «триггер Т–обмотка
тока I
в
ОВ–сопротивление R» возникают автоколебания тока, среднее значение
и знак которого пропорциональны величине и направлению перемещения магнита М и выходному току I
вателя служат сменное сопротивление R
. Параметрами настройки преобразо-
в
и корректор нуля в УС.
1
53
Преобразователь ЭП-0000 преобразует электрические сигналы
0…5, 0…20 или 4…20 мА в давление воздуха 20…100 кПа.
Схема и работа преобразователя ЭП-0000. Принципиальная
схема преобразователя приведена на рис. 3.23, б. Входной сигнал I
в
вводят в катушку (К), в которой расположен постоянный магнит М,
притягивающий с определённой силой, пропорциональной I
, рычаг S.
в
Это ведёт к изменению расстояния между соплом и заслонкой в ПС и
давлений на входе P
и выходе Р усилителя мощности. Одновременно
1
изменяется давление в сильфоне С, включённом в контур отрицательной обратной связи, что приводит к восстановлению равновесия
рычажного сумматора S. Настройку преобразователя производят винтом H, изменяющим расстояние от оси сильфона до оси вращения S,
а также шунтом постоянного магнита. Серийно выпускают четыре
модификации ЭП-0
000 в разных исполнениях: обыкновенном, защи-
щённом от пыли (влаги) и агрессивной среды, электробезопасном.
Для преобразования рода энергии дискретных сигналов применяют пневмоэлектрические преобразователи типов ППЭД-1, ППЭД-2
(сконструированные на базе одномембранных элементов микропереключателей и магнитоуправляемых герметичных контактов – герконов) и электропневматические преобразователи П1ПР-5 и ПЭПД (построенные на основе пер
еменного ПС сопло–заслонка 2 и электромагнита 1) (рис. 3.23, г). Выходами (входами) этих преобразователей служат сигналы уровня О или 24 В постоянного тока.
Схемы преобразователей ППЭД-1 и П1ПР.5 приведены на
рис. 3.23, в, г.
3.3. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Исполнительные механизмы предназначены для преобразования
изменений давления воздуха Р на выходе регулятора в перемещение h
регулирующего органа – клапана, заслонки, шибера, крана и т.п. Регулирующий орган изменяет расход потока жидкости, газа, пара и т.п.,
вводимого в объект управления, и тем самым вызывает изменение регулируемой выходной координаты. По типу пр
ивода пневматические
исполнительные механизмы делятся на мембранные и поршневые.
Мембранный исполнительный механизм. Схема мембранного ис-
полнительного механизма (МИМа) показана на рис. 3.24, а. Перемещение выходного штока 2, соединённого с регулирующим органом,
в одну сторону осуществляется силой, которая создаётся давлением Р,
в другую – усилием пружины 3. Сигнал Р поступает в герметичную
ранную «головку», в которой находится мембрана из прорези-
мемб
ненной ткани толщиной 2…4 мм с жёстким центром. Снизу на мем-
54
брану давит пружина 3. МИМы классифицируют по размерам мембранных «головок». МИМы поставляются обычно совместно с регулирующими органами. Так как при снятии давления Р мембрана всегда
перемещается вверх, то в зависимости от конструкции регулирующего
органа различают нормально открытые и нормально закрытые
клапаны.
Статические характеристики большинства МИМов близки к ли-
нейным (ри
с. 3.24, б), однако они обладают зоной гистерезиса, составляющей 2…15% от наибольшего значения Р. Эта величина зависит от
усилий трения в сальнике 5, от перепада давлений на регулирующем
органе, от характеристик пружины и эффективной площади мембраны.
Перемещения штока h в среднем достигают 50…70 мм, поэтому эффективная площадь F
мембраны зависит от h. По мере возрастания Рэ
э
зона гистерезиса уменьшается до 2…3% и практически не влияет на
качество переходных процессов в АСР. Однако при этом возрастает
объём надмембранной камеры и ухудшаются динамические характеристики цепочки «пневмолиния–МИМ».
Для уменьшения зоны гистерезиса и улучшения динамических
характеристик МИМов на исполнительный механизм устанавливают
дополнительные усилители мощности, называемые позиционерами.
Различают позиционеры, работающие по схеме к
омпенсации перемещений и по схеме компенсации сил; в позиционерах обоих типов
МИМ охватывается отрицательной обратной связью по положению
штока, что исключает влияние на статические характеристики сил трения в сальнике, перепад давлений на регулирующем органе и т.п.
Одновременно с этим увеличение расхода воздуха, подаваемого
в МИМ, заметно улучш
ает динамические характеристики последнего.
а) б)
Рис. 3.24. Мембранный исполнительный механизм:
а – принципиальная схема; б – статическая характеристика;
1 – регулирующий орган; 2 – шток; 3 – пружина; 4 – мембрана; 5 – сальник
55
Рис. 3.25. Принципиальная схема пневматического
поршневого следящего привода:
1 – исполнительный механизм; 2 – большая мембрана; 3 – малая мембрана;
4 – пружина обратной связи; 5 – поршневой механизм; 6 – золотник
Поршневые следящие приводы. Поршневые следящие приводы
(ПСП) применяют в тех случаях, когда требуется перемещать шток
исполнительного механизма на большое расстояние h (0 ≤ h ≤ 300 мм).
Для повышения точности и улучшения динамических характеристик
поршневые приводы снабжают позиционерами, а сами приводы называют следящими.
На рисунке 3.25 показана принципиальная схема такого следящего
поршневого при
вода. Он состоит из мембранного блока P с большой 2
и малой 3 мембранами; золотника 6 с тремя щелями; поршневого
механизма 5 и пружины отрицательной обратной связи 4. При увеличении Р золотник смещается влево, и давление питания Р
поступает
п
в левую полость цилиндра 5, перемещая поршень вправо и увеличивая
натяжение пружины отрицательной обратной связи до тех пор, пока не
наступит равновесие сил, действующих на мембранную систему 2, 3.
Следящие приводы обладают зоной нечувствительности (не выше 1%),
полное время перемещения составляет несколько секунд (при отсутствии нагрузки).
3.4. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ И ПР
ИБОРЫ
Автоматическая система регулирования технологических объектов управления (ТОУ), построенная на ПСА, состоит в общем случае
(рис. 3.26) из датчика (Д), вторичного прибора (ВП), задатчика (ЗД),
пневматического регулятора (ПР), линии связи (ЛС), исполнительного
механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). Датчик Д вырабатывает унифицированный пневматический сигнал, пропорциональный значениям координаты у ТОУ; при испо
льзовании в АСР датчика с электрическим выходом необходима установка дополнительного электропневмопреобразователя (ЭПП).
56
Рис. 3.26. Структурная схема пневматической АСР
Пневматический сигнал от Д вводят в регулятор ПР и одновременно – во вторичный показывающий (и регистрирующий) прибор
ВП, снабжённый станцией управления СУ для задания автоматического, программного или ручного дистанционного режима работы системы регулирования. Регулятор ПР в соответствии с одним из типовых
законов регулирования вырабатывает командный сигнал, поступающий по лини
и связи (пневмопроводу длиной до 250…300 м) на пнев-
матический мембранный исполнительный механизм.
В динамическом отношении мембранные ИМ в области частот
[0; 0,3] рад/с рассматривают как последовательное соединение апериодического звена с малой (порядка нескольких секунд) постоянной времени и усилителя с зоной гистерезиса 2…10%. При длине пневмолинии более 100…150 м ИМ оборудуют усилителем мощ
ности и охватывают жёсткой отрицательной обратной связью по перемещению РО.
При использовании таких позиционеров ИМ притекают за линейное
усилительное звено, не влияющее на динамические характеристики
пневматического регулятора и всей АСР.
3.4.1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ
Применяемые в ПСА регуляторы имеют одинаковую функциональную структуру (рис. 3.26): сумматор Σ для сравнения сигналов от
датчика Д, устройства обратной связи ОС и задатчика ЗД; усилитель
давления с большим коэффициентом передачи K
тель мощности и ОС с передаточной функцией W
мику линеаризованного в малом регулятора приближенно описывают
передаточной функцией
1
0
закон всей АСР подбором инверсных характеристик устройства обратной связи.
Для автоматизации химических производств в основном применяют пневматические регуляторы системы «Старт», построенные
, оконечный усили-
у
(s). При Kу ≥ 1 дина-
0
)(
sW
, что позволяет формировать нужный
57
на элементах УСЭППА и частично КЭМП (встроенные регуляторы
типа 04, ПР3.27М серийно не выпускают). Эти регуляторы построены
по принципу компенсации сил, что обеспечивает высокую точность
(статическая погрешность 0,5…1,0%) реализации позиционного,
П-, ПИ-, ПД- и ПИД-законов регулирования и возможность установки
ПР непосредственно на ТОУ, на щите управления или на вторичном
приборе.
Величину зоны гистерезиса Г настраива
мого задатчика с учётом условия
20 кПа < Рз + 0,5Г < 100 кПа.
ют с помощью независи-
Пропорционально-интегральный регулятор типа ПР3.32 анало-
гичен регулятору ПР3.31 и отличается лишь наличием местного ручного задатчика.
ПИД-закон реализуют также с помощью ПИ-регулятора ПР3.31 и
устройства прямого предварения ПФ. При параллельном соединении
ПР3.31 и ПФ2.1 используют дополнительный сумматор типа ПФ1.1,
где из выходных сигналов регулятора и устройства предварения вычитают P
, вследствие чего параметры настройки ПИД-регулятора ока-
1
зываются независимыми друг от друга. При последовательном соединении ПФ2.1 и ПР3.31 (или ПР3.31 и ПФ2.1) параметр настройки
Д-составляющей ПИД-регулятора зависит от предела пропорциональности ΔР.
3.4.2. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ
Эти приборы предназначены для показания и регистрации сигнала Р, а также сигнализации об его отклонениях за диапазон заданных
изменений. Все вторичные приборы имеют одинаковую функциональную структуру измерительного узла: преобразователь сигнала Р в усилие (чаще всего сильфон); рычажный сумматор сил; преобразователь
малых перемещений в давление воздуха Р
(преобразователь давления Р
в большие перемещения стрелки прибо-
0
, исполнительный механизм
0
ра); устройство отрицательной обратной связи (пружина). В зависимости от типа прибора в его состав дополнительно входит лентопротяжный механизм с редуктором и двигателем, станция управления режимами работы АСП, устройства сигнализации.
Конструкция и основные характеристики регулятора. В соответ-
ствии с этим прибор имеет один или дв
узла (рис. 3.27, а) и две шкалы. Измеряемое давление P
а однотипных измерительных
вводят
1
в сильфон С, усилие от которого передаётся на рычажный сумматор.
При вариациях давления P
58
рычаг перемещается и изменяет расстоя-
1
ние до сопла (СП) и давление воздуха P0, вводимого в камеру исполнительного механизма (ИМ), что приводит к перемещениям поршня
(ПР) с мягкой уплотнительной манжетой (М). Поступательное движение поршня преобразуется во вращение вала, на шкиве (Ш) которого
закреплён тросик (ТР), перемещающий каретку (К) со стрелкой относительно линейной (или квадратической) шкалы (ШК). Одновременно
изменяется натяжение пружины обратной связи, чт
о ведёт к уравновешиванию моментов сил, действующих на рычаг. Для настройки нуля
и диапазона шкалы прибора служат корректоры КР.
Модификации приборов ПКП.1П и ПКП.1Э обеспечивают кроме
показания пневматическую и электрическую сигнализацию достижения давлением Р
ПКП.1 устанавливают два фиксатора диапазона [Р
заданных значений Р–, Р+. Для этого в приборе
1
–
, Р+], представляю-
щие собой ПС типа сопло–заслонка, и два пневмоклапана КЛАМП или
дискретный пневмоэлектропреобразователь ППЭД.2 (либо не выпускаемый серийно П1ПР.4). При Р
= Р– или Р+ каретка прибора откры-
1
вает сопло фиксатора и давление воздуха на входе клапана или преобразователя становится равным нулю, вследствие чего на выходе
КЛАМП (или ППЭД.2) появляется усиленный пневматический (или
электрический) командный сигнал.
Вторичные приборы типа ПВ функционально устроены анало-
гично приборам ПКП и отличаются от них только исполнительным
механизмом (рис. 3.27, б).
а) б)
Рис. 3.27. Вторичные пневматические приборы:
а – измерительная схема прибора ПКП;
б – исполнительный механизм прибора ПВ
59
3.5. ПОСТРОЕНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ АСР
Рассмотрим структурные схемы пневматических одноконтурных
АСР. На рисунке 3.28 приведена укрупнённая блок-схема такой системы. Она включает объект регулирования 1 с одной стабилизируемой
координатой y, которая измеряется первичным преобразователем (датчиком) 2 и регистрируется вторичным прибором 3. Заданное значение
координаты устанавливается задатчиком 4, контролируется вторичным
прибором и поддерживается регулятором 5 путём воздействия на ре-
ующий орган 6.
гулир
Подобные АСР могут быть релейными или аналоговыми (непрерывными).
1 5
5 2 3
y
4
Рис. 3.28. Блок-схема пневматической АСР:
1 – объект; 2 – датчик; 3 – вторичный прибор; 4 – задатчик;
5 – регулятор; 6 – регулирующий орган
7
5
4
Рис. 3.29. Блок-схема релейной пневматической АСР:
1 – объект; 2 – вторичный прибор; 3 – позиционный (релейный) регулятор;
4 – реле переключения; 5, 6 – пневматические переключатели;
7 – регулирующий орган
60
1
3 2
6