Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

Рис. 13.3. Классификация регулирующих органов

К вспомогательным блокам относятся:

•блок ручного управления для механического (ручного) управления регулирующим органом;

•блок сигнализации конечных положений для выдачи информации о положении выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа;

•фиксаторы положения для фиксации положения выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа;

•блок дистанционного управления;

•датчик угловых перемещений вала ИМ;

•блок обратной связи для улучшения статических и динамических характеристик ИУ или всей замкнутой системы регулирования.

Большинство управляющих воздействий в нефтепереработке, нефтедобыче и нефтехимии реализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива, кубового остатка колонны и т.д.).

209

Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано следующим образом:

F = F( P, ν, ρ, C1, C2, …),

где P – перепад давления на РО; ν – вязкость; ρ – плотность; Сi – некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока и т.д. Следовательно, расход F может быть изменен путем:

•изменения P (насосные ИУ);

•изменения вязкости ν или плотности ρ (реологические ИУ);

•варьирования коэффициентов Ci (дроссельные ИУ).

13.3.Исполнительные устройства насосного типа

Структура ИУ насосного типа представлена на рис. 13.4, где u – управляющее воздействие со стороны регулятора, ИМ – исполнительный механизм (привод), РО – регулирующий орган (насос), Хр – параметр, изменяющий производительность насоса (частота вращения вала, ход поршня и т. д.).

Рис. 13.4. Структура ИУ

класса:

насосного типа 1) с вращательным движением регулирующего органа:

а) шестеренчатые. Зубья шестеренок создают со стенками корпуса множество объемов, посредством которых жидкость из всасывающей линии подается в нагнетательную. Обратный ток жидкости существенно меньше, так как при зацеплении шестеренок между собой остаточные объемы невелики (рис. 13.5);

210

б) шиберные. При вращении шиберы центробежными силами прижимаются к корпусу и образуют с ним переменные объемы: на всасывающейся линии – увеличивающиеся, на нагнетательной – уменьшающиеся

13.4. Исполнительные устройства реологического типа

Реология – наука о поведении полимеров, вязкость которых, в отличие от ньютоновских жидкостей, сильно зависит от скорости деформации.

211

Преобразователь в ИУ данного типа осуществляет изменение электромагнитного поля в РО в зависимости от u, которое в свою очередь влияет на ν. При этом расход F на РО изменяется пропорционально (рис. 13.7).

13.5. Электрические исполнительные механизмы

В соответствии с ГОСТ 14691-69 «Устройства исполнительные для систем автоматического регулирования», электрические исполнительные механизмы (далее ЭИМ) определяются как исполнительные механизмы, использующие электрическую энергию.

ЭИМ предназначены для перемещения регулирующих органов исполнительных устройств в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств.

ЭИМ перемещают рабочие органы запорно-регулирующей трубопроводной арматуры, обеспечивают функционирование регулирующих устройств: задвижек, заслонок, затворов, клапанов, шиберов, шаровых кранов, отсекателей и т. д. в системах автоматического регулирования технологических процессов в различных отраслях промышленности. Они применяются также в процессах дистанционного открытия-закрытия ворот, дверей, люков, вентиляционных каналов и т. д.

Принцип работы ЭИМ заключается в преобразовании электрического сигнала, поступающего от регулирующего или управляющего устройства в перемещение выходного элемента, передающего перестановочное усилие или момент регулирующему органу.

Механизмы устанавливаются вблизи или на регулирующих органах и связываются с ними посредством тяг, рычагов, шпинделей, штоков или других силовых конструкционных элементов.

212

Для работы в системах автоматического регулирования ЭИМ, называемые также электроприводами, часто содержат дополнительные блоки или датчики обратной связи (датчики положения, дающие информацию о положении выходного элемента исполнительного механизма, и блоки концевых выключателей), промежуточные выключатели для сигнализации в определенном положении исполнительных устройств, запуска или остановки дополнительного оборудования и т. п.

Вобщем случае электрический исполнительный механизм состоит из электропривода, редуктора, узла обратной связи, датчика указателя положения выходного элемента и конечных выключателей.

Вкачестве электропривода в исполнительных механизмах используются либо электромагниты, либо электродвигатели с понижающим редуктором для снижения скорости перемещения выходного элемента до величины, обеспечивающей возможность непосредственного соединения этого элемента (вала или штока) с рабочим органом.

Узлы обратной связи предназначены для введения в контур регулирования воздействия, пропорционального величине перемещения выходного элемента исполнительного механизма, а следовательно, и сочлененного с ним рабочего органа. С помощью конечных выключателей производится отключение электропривода исполнительного механизма при достижении рабочим органом своих конечных положений во избежание возможных повреждений механических звеньев, а также для ограничения перемещения рабочего органа.

Как правило, мощность сигнала, вырабатываемого регулирующим устройством, бывает недостаточной для непосредственного перемещения рабочего органа, поэтому исполнительный механизм можно рассматривать как усилитель мощности, в котором слабый входной сигнал, усиливаясь во много раз, передается на рабочий орган.

213

Все электрические исполнительные механизмы, нашедшие широкое применение в самых различных отраслях современной техники автоматизации производственных процессов, можно разделить на две основные группы: электромагнитные и электродвигательные (рис. 13.8).

Электрические

исполнительные механизмы

Рис.13.8. Классификация электрических исполнительных механизмов

К группе электромагнитных исполнительных механизмов относятся прежде всего соленоидные электроприводы, предназна-

214

ченные для управления различного рода регулирующими и запорными клапанами, вентилями, золотниками и т. п. Сюда же можно отнести исполнительные механизмы с различными видами электромагнитных муфт. Характерная особенность электрических исполнительных механизмов этой группы состоит в том, что необходимое для перестановки рабочего органа усилие создается за счет электромагнита, являющегося неотъемлемой частью исполнительного механизма.

Для целей регулирования соленоидные механизмы обычно применяются только в системах двухпозиционного регулирования. В системах автоматического управления в качестве исполнительных элементов часто используются электромагнитные муфты, которые подразделяются на муфты трения и муфты скольжения.

Ко второй, наиболее распространенной в настоящее время группе относятся электрические исполнительные механизмы с электродвигателями различных типов и конструкций.

Электродвигательные исполнительные механизмы обычно состоят из двигателя, редуктора и тормоза (последнего иногда может и не быть).

В зависимости от типа электроприводы могут состоять из следующих основных узлов (рис. 13.9):

•электродвигатель (1);

•силовой редуктор (2) с главной понижающей передачей, например, в виде червячной пары (3);

•блок сигнализации положения выходного вала (4) в состав которого входят реостатный датчик положения (5), концевые выключатели (6), нажатие на которые осуществляют кулачки концевых выключателей (7), кинематически связанные с выходным валом механизма;

•узел преобразования вращения выходного вала (8), который может быть представлен шариковинтовой парой для прямо-

215

ходных механизмов (9), рычагом или коромыслом для поворотных механизмов (10);

• ручной привод со своей передачей и механизмами блокирования/деблокирования ручного привода (11).

1

2

3

Рис. 13.9. Упрощенная кинематическая схема ЭИМ

ЭИМ работает следующим образом. При подаче напряжения питания на электродвигатель 1 исполнительного механизма ротор последнего начинает вращаться. Через силовой редуктор 2 с главной понижающей передачей, например червячной 3, вращение от электродвигателя передается на выходной вал механизма, при этом благодаря большому передаточному отношению частота вращения выходного вала механизма понижается, а момент на выходном валу механизма возрастает. Закрепленные на выходном валу рычаг 10 или механизм преобразования вращательного движения в поступательное 9 приходят в движение и при соединении их со штоком, например, клапана перемещают последний. При снятии напряжения с электродвигателя ротор электродвигателя с некоторым выбегом останавливается и движение выходного вала механизма прекращается. При реверсе электродвигателя кинематически связанный с ротором электродвигателя выходной вал ме-

216

ханизма приходит во вращение в обратном направлении, а при остановке электродвигателя также останавливается и выходной вал механизма.

Сигнал управления поступает одновременно к двигателю и тормозу, механизм растормаживается и двигатель приводит в движение выходной орган. При исчезновении сигнала двигатель выключается, а тормоз останавливает механизм. Простота схемы, малое число элементов, участвующих в формировании регулирующего воздействия, и высокие эксплуатационные свойства сделали исполнительные механизмы с управляемыми двигателями основой для создания исполнительных устройств современных промышленных систем автоматического регулирования.

Существуют, хотя и не получили широкого распространения,

исполнительные механизмы с неуправляемыми двигателями, ко-

торые содержат управляемую электрическим сигналом механическую, электрическую либо гидравлическую муфту. Характерной их особенностью является то, что двигатель в них работает непрерывно все время работы системы регулирования, а сигнал управления от регулирующего прибора передается рабочему органу через управляемую муфту.

Исполнительные механизмы с управляемыми двигателями в

свою очередь можно разделить по способу построения системы управления на механизмы с контактным и бесконтактным управлением.

Включение, отключение и реверсирование электродвигателей исполнительных механизмов с контактным управлением производится с помощью различной релейной или контактной аппаратуры. Это определяет основную отличительную особенность исполнительных механизмов с контактным управлением: у таких механизмов скорость выходного органа не зависит от величины управляющего сигнала, подаваемого на вход исполнительного устройства, а направление перемещения определяется знаком (или фазой) этого сигнала. Поэтому исполнительные механизмы с

217

контактным управлением относят обычно к исполнительным устройствам с постоянной скоростью перемещения рабочего органа.

Для получения средней переменной скорости перемещения выходного органа исполнительного механизма при контактном управлении широко используется импульсный режим работы его электродвигателя.

В большинстве исполнительных механизмов, предназначенных для работы в схемах с контактным управлением, используются реверсивные электродвигатели. Применение электродвигателей, вращающихся только в одну сторону, весьма ограничено, но все же имеет место.

Бесконтактные электрические исполнительные механизмы отличаются повышенной надежностью и позволяют относительно просто получать как постоянную, так и переменную скорость перемещения выходного органа. Для бесконтактного управления исполнительными механизмами используются электронные, магнитные или полупроводниковые усилители, а также их сочетание. При работе управляющих усилителей в релейном режиме скорость перемещения выходного органа исполнительных механизмов постоянна.

Как электрические исполнительные механизмы с контактным управлением, так и бесконтактные подразделяют по нескольким признакам.

По характеру движения выходного элемента различают электроприводы:

поворотные (выходной элемент вращается по дуге до 360о) для управления шаровыми кранами и поворотными дисковыми затворами;

многооборотные (выходной элемент вращается более 360о) для управления шиберными и клиновыми задвижками;

прямоходные (выходной элемент перемещается поступательно) для управления клапанами любых типов.

218