close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

615.TCA.УДК 681

код для вставкиСкачать
Министерство образования Российской федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
В.Д. Волков, В.И. Енин
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Учебное пособие
по дисциплине «Технические средства автоматизации»
Воронеж – 2004
УДК 681.5
ББК 32.965
Волков В.Д. / Технические средства автоматизации: Учеб. пособие / В.Д.
Волков, В.И. Енин. – Воронеж: гос. арх. – строит. ун-т. – Воронеж, 2004. – 161 с.
Учебное пособие предназначено для организации самостоятельной работы
студентов заочного и дневного отделений по дисциплине «Технические средства
автоматизации» специальности «Автоматизация технологических процессов и
производств».
В учебном пособии рассматриваются принципы построения и
функционирования типовых технических средств автоматизированных систем
управления технологическими процессами. Содержание учебного пособия
соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта для
указанной специальности.
Табл. 9 . Ил. 135. Библиогр.: 19 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГАСУ.
Волков В.Д., Енин В.И.
ВГАСУ
УДК 681.5
ББК 32.965
В.Д. Волков, В.И. Енин
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Учебное пособие
по дисциплине «Технические средства автоматизации»
Учебное пособие предназначено для организации самостоятельной
работы студентов заочного и дневного отделений по дисциплине
«Технические средства автоматизации» специальности «Автоматизация
технологических процессов и производств».
В учебном пособии рассматриваются принципы построения и
функционирования типовых технических средств автоматизированных
систем управления технологическими процессами. Содержание
учебного пособия соответствует требованиям Государственного
образовательного стандарта для указанной специальности.
Табл. 9 . Ил. 135. Библиогр.: 19 назв.
Используется по решению редакционно-издательского совета
ВГАСУ.
Папка «ТСА». Объем – 13,8 Мб. Версия 0.
Операционная система – Windows 98 –2000.
Текстовый редактор - Word 97-2000.
Волков В.Д., Енин В.И.
Начало СОДЕРЖАНИЕ
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................................................. 4
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ....................................................................... 7
1.1 Основные принципы построения ТСА ........................................................................................... 9
1.2 Классификация приборов и устройств ТСА ................................................................................. 11
1.3 Стандартизация сигналов ГСП ..................................................................................................... 13
1.4 Агрегатные комплексы ГСП. ........................................................................................................ 14
1.5 Структура систем управления....................................................................................................... 15
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ............................. 20
2.1. Датчики и измерительные преобразователи для измерения температуры .................................. 22
2.2. Датчики перемещения.................................................................................................................. 33
2.3. Приборы для измерения давления ............................................................................................... 39
2.4. Приборы для измерения и контроля расхода ............................................................................... 42
2.5. Приборы для измерения состава веществ .................................................................................... 45
2.6. Приборы для измерения и контроля массы.................................................................................. 46
2.7. Приборы для измерения и контроля уровня ................................................................................ 48
2.8. Электрические датчики-реле........................................................................................................ 49
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ...................................................... 50
3.1. Электромагнитные исполнительные механизмы ......................................................................... 51
3.2. Электродвигательные исполнительные механизмы .................................................................... 52
3.3. Пусковые устройства ................................................................................................................... 55
3.4. Вспомогательные устройства....................................................................................................... 57
3.5. Характеристики исполнительного механизма постоянной скорости........................................... 59
4. РЕГУЛЯТОРЫ .................................................................................................................................. 61
4.1. Регуляторы прямого действия...................................................................................................... 62
4.2. Двухпозиционные регуляторы ..................................................................................................... 63
4.3 Аналоговые регуляторы ................................................................................................................ 70
4.4. Аппаратная реализация функциональных узлов регуляторов ..................................................... 76
4.5. Регуляторы с исполнительным механизмом постоянной скорости ............................................. 84
4.6. Агрегатные комплексы средств автоматизации ........................................................................... 92
4.7. Цифровые системы управления и регулирования ...................................................................... 105
5. ЗАПОРНАЯ И РЕГУЛИРУЮЩАЯ АРМАТУРА ........................................................................ 117
6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ............... 127
6.1 Рабочие жидкости и газы ............................................................................................................ 129
6.2 Элементы пневматических и гидравлических систем ................................................................ 131
6.3. Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы .............................................. 138
6.4 Механогидравлические и механопневматические усилители .................................................... 141
6.5. Гидравлические и пневматические корректирующие устройства ............................................. 147
6.6. Электромеханические преобразователи..................................................................................... 151
6.7. Примеры реализации пневморегуляторов.................................................................................. 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................... 156
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................................................... 157
4
ВВЕДЕНИЕ
В.1. Роль и место курса “Технические средства
автоматизации” в учебном процессе
В.2. Основные направления развития технических средств
В.3. Самостоятельная работа студентов и контроль знаний
Современный инженер, занятый созданием и эксплуатацией систем
автоматизированного управления технологическими процессами, должен
обладать широкими познаниями в области функционального состава и принципов
действия используемых при этом технических средств.
Цели и задачи изучения дисциплины – получение фундаментальных
теоретических знаний и практических навыков разработки, выбора, наладки и
эксплуатации современных технических средств автоматизации технологических
процессов и производств.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ
принципы построения и функционирования электрических, электронных,
пневматических и гидравлических регуляторов и приборов;
принципы построения и функционирования типовых технических средств
автоматизированных систем управления;
методы определения статических и динамических характеристик типовых
средств автоматизации.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ НЕОБХОДИМО УМЕТЬ
выбирать технические средства, необходимые для реализации заданных
алгоритмов регулирования и управления;
конструировать из серийных элементов
технические средства
автоматизации с заданными характеристиками и алгоритмами управления;
составлять технические задания на разработку нестандартных технических
средств автоматизации;
определять характеристики технических средств.
В.1. Роль и место курса “Технические средства автоматизации” в
учебном процессе
Дисциплина «Технические средства автоматизации » формирует у будущих
инженеров и исследователей знания и умения разработки, выбора, настройки и
эксплуатации технических средств автоматизации технологических процессов,
дает примеры их конструктивного применения.
5
Изучение данной дисциплины основывается на учебном материале,
излагаемом в курсах “Высшая математика”, “Вычислительная техника и
программирование”, “Электротехника и электроника”, “Теоретическая механика”,
“Гидравлика”, “Теория автоматического управления”.
Материал дисциплины “Технические средства автоматизации” используется
при изучении профилирующих курсов “Автоматизация технологических
процессов и производств”, “Проектирование систем автоматизации” а также при
выполнении курсовых и дипломных проектов.
Данное пособие ориентировано на ознакомление студентов специальности
210200 – «Автоматизация технологических процессов и производств» с
основными принципами построения и функционирования технических средств
автоматизации и может быть полезно для более глубокого изучения материала.
В.2. Основные направления развития технических средств автоматизации
В последние годы развитие промышленных технологий предъявляет
повышенные требования к точности, быстродействию и надежности систем
автоматического управления. Революционные достижения в области
микроэлектроники и вычислительной техники обеспечили широкое внедрение
современных полупроводниковых и цифровых устройств в системах
автоматизированного управления. Получили развитие
интегрированные
устройства сбора и первичной обработки данных о состоянии объекта
управления, формирующие стандартный аналоговый или цифровой
информационный сигнал. Управляющие устройства, как правило, реализуются на
базе промышленных микроЭВМ, микропроцессоров и однокристальных
микроконтроллеров.
Широко
используются
специализированные
микроконтроллеры, ориентированные на автоматическое управление конкретным
классом объектов. Расширяется область применения цифровых контроллеров для
построения локальных и централизованных систем управления. Особенно
быстрыми темпами развиваются технические средства для реализации
распределенных систем управления.
Знание теоретических основ построения и функционирования технических
средств автоматизации является необходимым условием создания современных
систем управления на новой элементной базе.
В.3. Самостоятельная работа студентов и контроль знаний
Для успешного изучения дисциплины «Технические средства
автоматизации» необходимо регулярно работать над закреплением и углублением
знаний. Предлагаемое пособие лишь направляет движение познания, но не
охватывает в полном объеме всей дисциплины. Списки использованных и
рекомендуемых дополнительных источников приведены в конце пособия.
Теоретический курс подкреплен необходимым набором лабораторных
работ, охватывающих наиболее сложные разделы.
6
Контроль знаний проводится в форме регулярных собеседований, при
выполнении и приеме лабораторных работ.
Систематическая работа с разделами пособия поможет успешно сдать
экзамен и качественно на современном уровне выполнить соответствующие
разделы дипломного проекта.
7
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Основные принципы построения ТСА
Классификация приборов и устройств ТСА
Стандартизация сигналов ГСП
Агрегатные комплексы ГСП
Структура систем управления
Инженер в области автоматизации должен не только ориентироваться в
особенностях технологического процесса, но профессионально решать задачи
разработки и эксплуатации систем управления. Основной задачей
проектировщика на начальной стадии разработки системы автоматического
управления является правильный выбор ее структуры исходя из особенностей
технологического процесса и территориального размещения производства.
Структура системы управления в значительной степени определяет
функциональный состав технических средств, необходимых для ее реализации.
Наполнение структуры системы конкретными функциональными элементами
требует знания номенклатуры выпускаемых изделий, особенностей их
эксплуатации и агрегатирования.
Цель главы – ознакомление с основными принципами построения
автоматических и автоматизированных систем управления, классами
используемых технических средств и особенностями их совместного
использования.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ
принципы построения государственной системы приборов и средств
автоматизации,
классификацию приборов по роду используемой энергии носителем
информации,
классификацию приборов по функциональному признаку.
параметры унифицированных сигналов
назначение и состав агрегатных комплексов,
типовые структуры систем управления.
Технические средства автоматизации
(ТСА) предназначены для
выработки и реализации управляющих воздействий на технологические объекты
управления. Они обеспечивают
автоматизированный сбор и обработку
информации о состоянии технологического объекта, выработку управляющих
воздействий и оптимизацию управления объектом в соответствии с принятым
критерием. Обобщенную техническую структуру автоматической системы
регулирования в простейшем случае можно представать как совокупность
8
автоматического регулятора (в широком смысле) и регулируемого объекта,
взаимодействующих между собой. Автоматический регулятор - комплекс
устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих
автоматическое поддержание параметров технологического процесса или их
изменение по определенному закону. В регулятор входят устройства различного
функционального назначения: средства получения информации о параметрах
технологического процесса, средства автоматической выработки управляющих
воздействий и средства непосредственного воздействия на управляемый объект.
Устройства, входящие в регулятор, могут совмещать несколько функций.
Технической основой для реализации информационно-управляющих
систем является государственная система промышленных приборов и средств
автоматизации (ГСП). ГСП основана на стандартных внутренних и внешних
связях, на модульно-блочном построении ее функциональных устройств и
предусматривает их агрегатирование в комплексы различного назначения для
построения систем контроля, регулирования и управления. Реализация типовых
функций автоматизированного управления в ГСП осуществляется аппаратными
средствами, иерархическая структура которых представлена на рисунке 1.1.
Система локального авВычислительные средства контроля,
3-й уровень
томатического управлерегулирования и управления
ния состоит из трех основных элементов: объСредства автоматизированного
2-й уровень
екта управления, датконтроля, регулирования и управления
чика, автоматического
управляющего устройСредства локального контроля,
1-й уровень
регулирования и управления
ства (регулятора) и исполнительного устройства, образующих замкСредства получения информации
Средства воздействия
о состоянии объекта
на объект
нутый контур управления. Датчик преобразует
измеряемую величину в
Установки, цехи, производства
величину другого рода,
информацию о величине
Рис. 1.1 Иерархическая структура аппаратных средств ГСП
которой можно передать
на расстояние. На автоматическое управляющее устройство (АУУ) с датчиков
поступает информация о состоянии объекта и в соответствии с целями
управления оно формирует управляющее воздействие, которое реализуется с
помощью исполнительного устройства, воздействующего непосредственно на
объект.
Алгоритмы управления, исполняемые АУУ, могут быть реализованы двумя
способами: аппаратно на аналоговых и логических элементах или программно, с
использованием микропроцессоров и микроЭВМ.
9
1.1 Основные принципы построения ТСА
В рамках ГСП типовые функции реализуются ограниченной номенклатурой
унифицированных устройств, способных удовлетворить потребности
промышленности. Типизация, унификация и агрегатирование являются
принципами построения ГСП обеспечивающими возможность эффективного её
использования при комплексной автоматизации.
Типизация ограничивает многообразие типов оборудования рядом
наилучших образцов, имеющих типовые конструкции и содержащих общие
базовые элементы и типовые конструктивные параметры. При типизации
используются принципы проблемной, системной и объектной ориентации.
Например, комплекс регулирующих и функциональных блоков “Каскад”.
Унификация сводит многообразие средств производства к рациональному
минимуму типоразмеров, свойств, форм. Она определяет единообразие основных
параметров технических средств, необходимых для их совместного
использования. Унификация предусматривает использование стандартов на
размеры средств, в том числе и присоединительные, и на системы сигналов. При
этом одинаковые или разные по своему функциональному назначению
устройства, блоки, модули являющиеся производными от одной базовой
конструкции образуют унифицированный ряд. Унификация позволяет
использовать принцип агрегатирования , т.е. создавать на одной основе различные
модификации технических средств одинакового назначения, но с различными
характеристиками. Изделия одного типа, но с различными техническими
параметрами образуют параметрический ряд. Например, параметрический ряд
термосопротивлений ТСП-50П отличающиеся длиной монтажной части.
Агрегатирование предусматривает
разработку и использование
ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков,
устройств для построения множества проблемно-ориентированных установок,
комплексов. Любой агрегат представляется собранным из унифицированных
блоков, модулей.
Сокращение
номенклатуры
средств
автоматизации
достигается
объединением их в функциональные группы, путем сведения функций этих
устройств к ограниченному числу типовых функций. Например: нормирующие
преобразователи, регуляторы, термопары, и т. д. Оптимизация состава каждой
группы обеспечивается разработкой параметрических рядов изделий. В основу
ряда заложена более узкая специализация выполняемых функций. Сокращение
числа функциональных устройств достигается обеспечением их совместимости,
т.е. информационного, энергетического, конструктивного, метрологического и
эксплуатационного сопряжения между изделиями. Это достигается унификацией
и стандартизацией свойств и характеристик изделий. Конструктивная
совместимость изделий предусматривает унификацию присоединительных
размеров отдельных узлов, деталей, модулей и введение типовых конструктивов.
При конструировании устройств принят блочно-модульный принцип
построения изделий, что делает приборы универсальными. Это упрощает замену
10
и модернизацию оборудования. Стандартизация разделяет приборы на группы
эксплуатации: по защищенности от воздействия окружающей среды делятся на
обыкновенные, пылезащищенные, взрыврзащищенные, герметические, водо защищенные, защищенные от агрессивной среды. По механическим воздействиям
- обыкновенное и виброустойчивое исполнение. Нормируются метрологические
характеристики: виды погрешностей, классы точности, погрешности
совокупности звеньев и устройств. Этим достигается метрологическая
совместимость.
11
1.2 Классификация приборов и устройств ТСА
Приборы ГСП по роду используемой вспомогательной энергии носителя
сигналов в канале связи применяемой для приема и передачи информации и
команд управления делятся на электрические, пневматические и гидравлические.
В отдельных случаях могут использоваться другие виды энергии носителей
сигналов. В ГСП
входят устройства, работающие без использования
вспомогательной энергии. Это приборы и регуляторы прямого действия.
Устройства, питающиеся при эксплуатации энергией одного рода, образуют
единую группу или «ветвь ГСП» .
АСУ ТП , комплектуемые из приборов электрической ветви, имеют
преимущество по чувствительности, точности, быстродействию, дальности связи.
Они имеют схемную и конструктивную унификацию. Применение интегральных
микросхем и микропроцессоров способствует снижению габаритов,
энергосбережению и расширению функциональных возможностей.
Гидравлические
приборы
обеспечивают
точные
перемещения
исполнительных механизмов при больших усилиях.
Приборы пневматической ветви безопасны в легковоспламеняющихся и
взрывоопасных средах, обладают высокой надёжностью, легко комбинируют
друг с другом. Но они уступают электронным по быстродействию и имеют
ограниченный радиус действия. Они широко используются в системах
газоснабжения со стабилизацией давления, очистки и осушки.
Для конструктивного сопряжения устройств разработан комплекс
унифицированных
типовых
конструкций
(УТК),
обеспечивающий
нормализацию габаритных и присоединительных размеров.
По функциональному назначению изделия ГСП делятся на группы.
1. Устройства для получения информации о ТП. Они предназначены для сбора и
преобразования информации без изменения ее содержания. В эту группу
входят датчики различного назначения и нормирующие преобразователи.
2. Устройства преобразования информации для передачи по каналам связи. В эту
группу входят кодирующие и декодирующие устройства, передающие и
приемные устройства, устройства передачи информации на большие расстояния,
каналы связи, вторичные приборы для визуального отображения информации,
электропневмопреобразователи, электрогидропреобразователи, пневмо и
гидроэлектрические преобразователи.
3. Устройства преобразования, обработки, хранения информации и выработки
команд управления. В эту группу входят приборы контроля, регулирующие и
управляющие устройства. К ним относятся регуляторы, программируемые
контроллеры, ЭВМ, регистрирующие приборы, анализаторы, программные
задатчики, управляющие устройства.
4. Устройства использования командной информации. К ним относятся
усилители мощности и исполнительные механизмы.
5. Устройства реализации управляющих воздействий. К ним относятся
регулирующие органы непосредственно воздействующие на технологический
12
процесс (ТП) путем изменения проходящих через объект потоков вещества или
энергии, т.е. регулирующие органы для изменения расхода твердых, жидких,
сыпучих тел, для управления потоками электро, гидро и пневмоэнергии.
13
1.3 Стандартизация сигналов ГСП
В системах ГСП для передачи информации используются информационные
сигналы, имеющие унифицированные параметры, которые обеспечивают
сопряжение между блоками, приборами, и установками. В ГСП применяются
сигналы 4-х групп.
1. Сигналы токовые, в которых информация содержится в величине постоянного
тока. Выходное сопротивление источника сигнала должно быть намного
больше входного сопротивления приемника.
2. Сигналы напряжения постоянного тока, в которых информация содержится
(отображается) в величине напряжения. Источник сигнала должен иметь
выходное сопротивление много меньше приемника сигналов.
3. Сигналы переменного тока, в которых информация отображается в значении
амплитуды переменного тока с частотой 50 или 400 гц.
4. Частотные сигналы, в которых информация отображается в значении частоты.
При передаче информации в числовой форме используется свой стандарт.
Основные виды унифицированных сигналов приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 Стандартные сигналы ГСП
Постоянный
Постоянное
Переменны
Пневматическ
ток mа.
напряжение мв.
й ток в.
Частота ий кПа.
кгц.
0–5
0 - 10
0-2
0-8
20 -100
(-5) – 0 -(+5)
(-10) - 0 (+10)
(-1) - 0 2-4
(+1)
0 – 20
0 - 20, 0 - 50,
Изменение 4 - 8
0 - 1000
фазы
(-20) - 0 - (+20) 0 - 5000, 0 - 10000 0 - 0.5
0 -100
4 – 20
(-1000)- 0 - (+1000) 0 - 1
14
1.4 Агрегатные комплексы ГСП.
В рамках ГСП создаются агрегатные комплексы (АК) средств автоматизации
- функционально-сложные устройства, построенные из ограниченного набора
более простых изделий (модулей) методом наращивания и стыковки. АК
представляет собой совокупность технических средств, программ, и необходимой
документации, удовлетворяющей требованиям соответствия функциональному
назначения, совместимости со средствами измерения и автоматизации,
возможности дальнейшего развития. АК создаются на основе единой элементной
и конструкторской базы. Они классифицируются по способу агрегатирования - на
средства модульные и функционально-модульные. Основой модульных является
эксплуатационно законченные средства в
модульном исполнении,
предназначенные для автономного применения и агрегатирования в систему. Они
имеют независимый источник питания, самостоятельный корпус и независимое
управление. Основой функционально- модульных устройств являются средства в
модульном исполнении не предназначенные для автономного применения, из
совокупности которых создаются разные эксплуатационно-законченные средства
и системы.
По степени универсальности агрегатные комплексы делятся на комплексы
общего назначения, предназначенные для решения задач измерения и управления
объектами и процессами независимо от их вида и особенностей, и специального
назначения, требуемые для автоматизации объектов с учетом их вида и
особенностей.
Агрегатирование АК выполняется на основе общей унифицированной
базовой конструкции или за счет использования унифицированных типовых
конструкций. При агрегатировании унифицированные модули, конструктивно целостные ячейки, выполняющие одну типовую функцию, объединяются в блоки
для реализации типовой автономной функции, имеющей самостоятельное,
многоплановое применения. Например: блок регистрации и контроля, блок
многоканального регулирования. Промышленностью выпускается большое
количество агрегатных комплексов в составе ТСА. Наиболее известны
следующие агрегатные комплексы:
1. Агрегатный комплекс средств измерительной техники, обеспечивающий
автоматизацию измерений физических величин электрическими методами.
2. Агрегатный комплекс аналоговых электрических средств регулирования
на микроэлектронной базе (АКЭСР).
3. 3.Агрегатный комплекс средств контроля и регулирования (АСКР).
4. Агрегатный комплекс электрических исполнительных механизмов
(АКЭИМ).
5. АК щитовых пневматических средств регулирования "Старт".
6. Микропроцессорные средства диспетчеризации, автоматики, телемеханики
"МикроДАТ".
7. Комплекс технических средств для локальных информационноуправляющих систем (КТС ЛИУС-2).
15
1.5 Структура систем управления
В сфере промышленного производства используются системы
автоматического и автоматизированного управления трех классов: локальные
системы контроля, регулирования и управления, централизированные системы
контроля, регулирования и управления
и автоматизированные системы
управления технологическими процессами (АСУ ТП).
1. Локальные системы контроля, регулирования и управления используются
для автоматизации технологически независимых объектов с компактным
расположением основного оборудования. Типовая структура локальной системы,
представленная на рисунке 1.2, соответствует классической системе управления.
Она содержит датчик, регулятор, исполнительное устройство, передающее
команды на регулирующие органы.
Локальный
регулятор
Исполнительное
устройство
Лицо, принимающее
решение
Технологический
объект
Датчик
Устройство связи
с оператором
Режим ручного управления
Рис. 1.2 Структура локальной системы регулирования
Устройство связи с оператором состоит из измерительных,
сигнализирующих и регистрирующих приборов. Оператор (лицо, принимающее
решение) определяет цели управления, осуществляет настройку регулятора,
общий контроль за ходом технологического процесса и ручное управление.
2. Автоматические или автоматизированные централизованные системы
контроля, регулирования и управления используются при увеличении числа
контролируемых
и
регулируемых
параметров
и
территориальной
рассредоточенностью технологических объектов управления (ТОУ). Для системы
характерным является дистанционный контроль и управление ТОУ с
центрального пульта. Структура системы имеет вид, представленный на рис.1.3.
Для сокращения числа линий связи и необходимого оборудования в
централизованных системах используют также многоканальные средства
контроля и регулирования. В многоканальных системах некоторые
функциональные устройства являются общими для всех каналов и с помощью
коммутаторов каналов и распределителей каналов по сигналам управления
подключаются к выбранным устройствам. Структура централизованной системы
с многоканальными средствами контроля и регулирования имеет вид
представленный на рисунке 1.4. Функции оператора - оценка функционирования
и формирование оптимального управления путем изменения уставок в задающем
устройстве.
3. АСУ ТП - человеко-машинная система автоматического или
автоматизированного управления, основой которой является ЭВМ, решающая
16
Приборы сигнализации,
регистрации, табло
Задающие
устройства
Устройства
дистанционного
управления
Центральный пульт
контроля и управления
Устройства
логико-командного
управления
Вторичные
преобразователи
Локальные
регуляторы
Исполнительные устройства
и механизмы
Датчики
Технологические объекты
управления
Рис. 1.3 Центализированная система регулирования и управления
Многоканальные приборы сигнализации,
контроля, регистрации. Табло.
Задающие
устройства
Коммутатор
каналов
Централизованный пульт
управления и контроля
Коммутатор
каналов
Вторичные
преобразователи
Коммутаторы
каналов
Многоканальное
Многоканальное
логико-программное
регулирующее
управление
устройство
Исполнительные устройства
и механизмы
Датчики
Технологический объект
управления
Рис. 1.4 Централизированная система с
многоканальными техническими средствами
задачи анализа, обработки информации и управления технологическим
процессом. В контур управления для принятия ответственных решений входит
оператор, уточняющий цели управления и определяющий критерии
оптимальности. АСУ ТП отличается от систем автоматического управления
(САУ) тем, что решает большее количество задач и охватывает как правило
целый цех или небольшое предприятие в целом. При внедрении микроЭВМ
различие между САУ и АСУ ТП постепенно стирается.
В зависимости от распределения информационных и управляющих функций
между ЭВМ, человеком и средствами контроля и регулирования возможны
17
различные принципы построения АСУ ТП: централизованные, с супервизорным
управлением и децентрализованные распределенные.
В централизованных системах ЭВМ непосредственно вырабатывает
оптимальные регулирующие воздействия и с помощью соответствующих
преобразователей передает команды на исполнительные механизмы объекта
управления. АСУ ТП, работающие в таком режиме называются системами с
непосредственным или прямым цифровым управлением (ПЦУ). Оператор имеет
возможность изменять уставки, контролировать избранные переменные, изменять
параметры настройки и имеет доступ к программам.
Типовая структура централизованной АСУ ТП представлена на рисунке 1.5.
УВМ
Устройство связи
с оператором
Лицо, принимающее
решения (ЛПР)
Устройство связи с объектом (УСО)
Исполнительные
устройства
Технологический
объект
управления
Датчики
Ручное
управление
Рис. 1.5 Система с прямым цифровым управлением
В режимах ПЦУ система регулирования строится программным путем и
позволяет реализовать каскадное, многосвязное регулирование, оптимизирующие
функции управления и адаптацию к условиям внешней среды. Недостаток такой
системы - при отказе ЭВМ объект теряет управление.
В супервизорном режиме ЭВМ реализует функции наблюдения и управления
локальными подсистемами регулирования с целью поддержания процесса вблизи
оптимальной рабочей точки, вводя коррекцию уставок, параметров алгоритмов
регулирования в локальные контуры. Типовая структура АСУ ТП в
супервизорном режиме представлена на рисунке 1.6.
Создание дешевых микропроцессоров (МП) и возрастание числа сложных в
управлении технологических агрегатов при повышении требовательности к
точности и быстродействию приводит к тому, что централизация систем
управления экономически не оправдана. При большом числе каналов контроля,
регулирования и управления, большой длине линий связи децентрализация
систем управления является способом повышения живучести, снижения
стоимости системы управления и эксплуатационных расходов. В
децентрализированных АСУ ТП используется функционально-целевая и
топологическая децентрализация, т.е. разделение сложного процесса или системы
на части (подсистемы) по функциональному признаку и их пространственное
разделение. При топологической децентрализации число локальных подсистем
выбирается так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи. В
распределенных АСУ ТП подсистемы функционально связаны и между
18
процессорами управляющими подсистемами существует программный обмен по
каналам связи.
УВМ
Устройство связи
с оператором
Лицо, принимающее
решения (ЛПР)
Устройство связи с объектом (УСО)
Локальные
регуляторы
Исполнительные
устройства
Датчики
Технологический
объект
управления
Рис. 1.6. Система с супервизорным управлением
Связанные микроЭВМ и микропроцессоры, используемые для целей управления, образуют локальную управляющую вычислительную сеть. Подключение
ЭВМ и процессоров к каналам связи производится через устройства сопряжения
(УС). Наиболее распространенные топологические структуры взаимо действия
подсистем: звездообразная, кольЦентральная ЭВМ или процессор
цевая, и шинная.
Варианты построения соответственно представлены на рисунках
Устройство сопряжения (УС) центральное
1.7,1.8,1.9.
Радиальная структура более
проста в технической реализации и
Устройство сопряжения
обеспечивает максимальные скорости обмена. Надежность зависит от
Локальная МП система
надежности центрального процесуправления
сора (ЦП) т.к. потоки информации
Исполнительные Датчики
замыкаются через верхний уровень.
устройства
Кольцевая и шинная структуры
имеют возможность наращивания и
Объект управления
работают
независимо
от
исправности технических средств
Рис. 1.7 Радиальная топология системы
на уровне автоматики. Кольцевая
система менее дорогостоящая, чем
шинная, однако надёжность ее определяется надёжностью каждого узла
сопряжения.
Автоматизированные системы управления предприятием (АСУ П)
устанавливаются наряду с АСУ ТП для решения задач планирования, учета,
экономии в рамках предприятия. Для конкретной реализации типовых структур,
19
как локальных систем регулирования, так и АСУ ТП, используются различные
технические средства. Рассмотрение аппаратных реализаций различных
устройств, входящих в системы управления и регулирования, приведено ниже.
ЦП
УС
Локальная
подсистема
УС
УС
УС
УС
Локальная
подсистема
Локальная
подсистема
ЦП
Локальная
подсистема
ЭВМ
УС
УС
УС
ЭВМ
Рис.1.8 Кольцевая топология
системы
УС
Локальная
подсистема
УС
Локальная
подсистема
Рис. 1.9 Шинная топология
системы
20
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
Датчики и измерительные преобразователи для
измерения температуры
Датчики перемещения
Приборы для измерения давления
Приборы для измерения и контроля расхода
Приборы для измерения и состава веществ
Приборы для измерения и контроля массы
Приборы для измерения и контроля уровня
Электрические датчики-реле
Устройства получения информации о состоянии управляемых процессов
образуют первую функциональную группу устройств. Функциональные и
эксплуатационные возможности устройств этой группы играют ключевую роль в
разработке информационной, функциональной и алгоритмической структур
системы управления. Специалист в области автоматизации должен хорошо
ориентироваться в принципах действия устройств этой группы, номенклатуре
выпускаемых изделий, уметь выявлять и устранять неисправности.
Цель главы – ознакомление с основными принципами действия
устройств получения информации о состоянии технологического
процесса.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ
принципы действия датчиков физических величин характеризующих
состояние технологического процесса,
назначение и принципы действия измерительных преобразователей,
назначение и принципы действия нормирующих преобразователей
основные характеристики устройств для получения информации об
основных параметрах технологического процесса ,
области применения устройств.
21
Для построения систем автоматического управления используются
устройства сбора и преобразования информации о ходе технологического
процесса, регулирующе-управляющие устройства и исполнительные устройства.
К устройствам, предназначенным для сбора и преобразования информации без
изменения ее содержания о контролируемых и управляемых параметрах
технологических процессов относят чувствительные элементы или собственно
датчики, измерительные преобразователи и нормирующие преобразователи. К
этой группе относятся все релейные преобразователи, выдающие дискретные
сигналы, а также устройства формирования алфавитно-цифровой информации.
Датчики физических величин воспринимают контролируемую величину и
преобразуют его в величину, удобную для передачи по каналам связи или
дальнейшего преобразования. Например, термосопротивление преобразует
температуру в величину сопротивления.
Измерительные преобразователи переводят выходной сигнал датчиков в
выходную физическую величину: перемещение, усилие, напряжение, ток,
частоту. Измерительные преобразователи и чувствительные элементы часто
представляют собой единое изделие и называются первичными измерительными
преобразователями. Нормирующие преобразователи переводят выходной сигнал
измерительных преобразователей в унифицированный сигнал (нормируют). Часто
измерительный и нормирующий преобразователи объединяются конструктивно в
один прибор.
Основными характеристиками устройств получения информации являются:
статическая характеристика - зависимость выходного сигнала от измеряемой
величины, обычно линейная;
динамическая характеристика, определяющая поведение датчика при
изменениях входной величины, описываемая передаточной функцией,
дифференцальным уравнением, амплитудно-фазо-частотной
характеристикой;
порог чувствительности - минимальное изменение входной величины,
вызывающее изменение выходного сигнала;
основная погрешность - максимальная разность между получаемой в
нормальных условиях эксплуатации величиной выходного сигнала и его
номинальным значением, определяемой по статической характеристике для
данной величины входного сигнала.
Используемые в измерительных преобразователях принципы измерения и,
соответственно, схема преобразователя определяется в основном используемым
чувствительным элементом.
22
2.1. Датчики и измерительные преобразователи для измерения
температуры
Для измерения температуры широко используются термометры
сопротивления (термосопротивления), термоэлектрические преобразователи
(термопары) и датчики-реле температуры.
2.1.1 Термоэлектрические преобразователи (Термопары)
Термоэлектрические преобразователи (ТП) с металлическими электродами
предназначены для измерения температуры в комплекте с милливольтметрами,
автоматическими потенциометрами, измерительными преобразователями и
устройствами связи с объектами ЭВМ.
Термоэлектрические преобразователи или термопары (ТП) относятся к
датчикам генераторного типа. Их работа основана на появлении
термоэлектродвижущей силы в электрической цепи составленной из двух
разнородных металлических проводников спаянных с одного конца. ТермоЭДС
возникает за счет появления контактной разницы потенциалов между двумя
спаянными электродами из разных металлов. При этом
один электрод
приобретает положительный потенциал, другой – отрицательный. Контактная
разность потенциалов вызвана разной энергией свободных электронов в них и
зависит от температуры. Возникающая термоЭДС почти пропорциональна
разности температур места спая и свободных, неспаянных концов. ТермоЭДС
основных материалов при температуре спая и холодных концов равных
соответственно 100 и 00С для термопар в паре с платиной (относительно платины)
приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Величина термоЭДС основных материалов
Материал ТермоЭДС, мВ Материал
ТермоЭДС, мВ
Платина
0
Платинородий (10% Ro) +0.64
Кремний +44.8
Вольфрам
+0.8
Хромель +2.95
Молибден
+1.3
Железо
+1.8
Алюмель
-1.15
Медь
+0.76
Копель
-4.0
Термопара, составленная из другой пары материалов, будет иметь тер моЭДС
равную разности термоЭДС материалов относительно платины. Например:
термоЭДС пары хромель-копель равна 2.95-(-4.0)=6.95.
Чувствительный элемент промышленной термопары представляет собой 2
электрода из разных металлов или сплавов, сваренные между собой на рабочем
конце в термопару и изолированных по длине. В качестве изолятора используется
асбест (до 3000С), кварц (до 10000С), фарфор (до 14000С). . Изолированный
чувствительный элемент помещается в защитную арматуру, выполненную из
стали, кварца или фарфора. Рабочий спай может быть изолирован или соединен с
защитной арматурой. При нагревании рабочего спая между свободными концами
возникает термоЭДС.
23
Свободные концы с помощью термоэлектрических проводов через колодку
зажимов подсоединяются к вторичному прибору или преобразователю.
Номинальные статические характеристики ТП представляют зависимость
термоЭДС от температуры рабочего спая. При этом температура свободных
концов принята равной 00С. Статическая характеристика близка к линейной.
Инерционность термопары зависит от ее конструктивного исполнения
(материала, размеров и формы защитной арматуры) и особенностей процессов
теплообмена между термопарой и средой, температура которой измеряется. При
выборе термопары необходимо учитывать область ее применения, длину
монтажной части и инерционность. При измерениях внутри трубопровода с
толщиной менее 50мм. необходимо устанавливать расширитель для установки в
него термопары. В большинстве случаев термопару можно рассматривать как
объект первого порядка без запаздывания. Типы и характеристики термопар
приведены в таблице 2.2. Материал положительного электрода указан первым.
Таблица 2.2. Типы и характеристики термопар
Типы
Материал
Рабочая
Крутизна
Инерцонно
термопар
температура,
преобразовани сть, с
0
С
я, мв/0C
ТПР, ПР(В) платинородиевый
до 1600
≈0.01
5-180
сплав
платинородиевый
сплав
ТВР, ВР(А) сплавы: вольфрам- 0 - 2200
≈0.014
5-180
рейний, вольфрамрейний
ТХА,
хромель - алюмель (-200)- (1000) ≈0.04
5-180
ХА(К)
ТХК,
хромель -копель
(-200) -(+600) ≈0.07
20-30
ХК(L)
TMK,
медь –никель
(-200) -(+100) ≈0.09
20-30
MK(M)
Состав некоторых распространенных сплавов для электродов:
хромель- 89% никеля, 9.8% хрома,1% железа, 0.2% марганца;
алюмель - 94% никеля, 2.5% марганца, 2% алюминия,1% кремния и
0.5%марганца;
копель - 55% меди, 45% никеля;
платинородий – сплав платины и родия в соотношениях 70%Pt и 30%Rh или
94%Pt и 6%Rh.
24
При подключении ТП к измерительным приборам различными
проводниками возникают дополнительные источники термоЭДС, вызванные
вносимыми контактными разностями потенциалов проводников. Для устранения
этого эффекта подключение ТП к измерительным приборам и вторичным
преобразователям осуществляется термоэлектрическими проводами, материал
которых подбирается так, чтобы не вносить дополнительные термоЭДС.
Материал жил проводов связан с типом термопары в соответствии с таблицей 2.3.
Термопара
медь-копель
хромельалюмель
хромелькопель
платинаплатинородий
Таблица 2.3. Материал термоэлектрических проводов
Положительная
Отрицательная
Обозначение
жила
жила
медь
копель
МК
медь
константал
М
хромель
копель
ХК
медь
сплав ТП
П
Марки и характеристики некоторых проводов представлены в таблице 2.4.
При заказе термоэлектродных проводов в маркировке указывается марка
провода, определяющая его конструкцию, изоляцию и условия проклаки, число
жил, знак "х", сечение жил в мм 2 и материал жил. Например: ПТВ2х2,5М.
Термоэлектрические провода имеют цветную маркировку. Так провода типа М
имеют оплетку с красно-белыми нитями, а провода типа ХК имеют фиолетовожелтый цвет.
Наряду с ТП выпускаются кабельные термопреобразователи, изготовленные
из термопарного кабеля КТСМ-ХА(ХК) с хромель-алюмелиевыми или хромелькопелиевыми электродами, с минеральной изоляцией и стальной оболочкой. Со
стороны рабочего торца электроды сварены лазерной сваркой и заглушены
стальной пробкой. Наружний диаметр преобразователей от 1 до 6 мм. Монтажная
длина – заказывается любая. Рабочая температура – для преобразователя КТХА от
(–200) до 1200 0С и для КТХК - от (-200) до 6000С.
Так как температура свободных концов термопары отличается от
номинальной, в показания приборов необходимо вносить поправку. При
термостатировании свободных концов термопары поправка постоянна. Поправку
вносят или расчетным путем или введением в измерительную цепь
компенсирующего
напряжения. В милливольтметрах, автоматических
потенциометрах и измерительных преобразователях компенсация обеспечивается
автоматически, т.е. предусмотрена схемой (конструкцией) прибора.
При измерения температуры с использованием термоэлектрических
термометров - термопар используются схемы с прямым усилением сигнала
термопары, а также применяются измерительные преобразователи, работающие
по компенсационному принципу.
25
Таблица 2.4. Марки термоэлектрических проводов
Марка
Характеристика
Условия применения
Сечени
провода
е мм2
ПТВ
термоэлектродный с
прокладка в помещениях,
2.5
поливинилхлоридной трубах, внутри приборов при
изоляцией
температуре (-40)-(+70) 0С
ПТГВ та же, но гибкий
те же, но повышенная
1.0, 2.5
гибкость
САК-Х термоэлектродный,
для подключения ТП при
0.5, 2.5
0
нагревостойкий со
температуре (-60)-(+450) С.
стеклоасбестовой
Число жил -1.
изоляцией и жилой из
сплава хромель-Т
САК-А та же, но с жилой из
те же
0.5, 2.5
сплава алюмель
ПТП
термоэлектродный с
для прокладки в
1.5,
изоляцией из
помещениях и внутри
1.8,
полиэтиленприборов при температуре (2.5
0
терефталатной пленки 60)-(+120) С
с общей оплеткой из
лавсана
ПТПЭ та же, но
те же
0.5-4
экранированный
Компенсационный принцип измерения сигнала термопары реализован в
схеме представленной на рисунке 2.1. Для уменьшения дрейфа выходного сигнала
усилителя постоянного тока он
Rн
построен по схеме: модулятор R1
усилитель переменного тока - демодулятор. Показания стрелочU1
М ЭУ Д
ного прибора, включенного в цепь
обратной связи, пропорциональны
Демодулятор
ЭДС термопары. Ток обратной
Модулятор
связи, протекающий через сопроЭлектронный
тивления R1 и RН , создает на соусилитель
противлении R1 компенсирующее
Рис.2.1 Компенсационный
напряжение U1 , которое вычитапринцип измерения
ется из ЭДС термопары.
При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя в нагрузочном
сопротивлении RН установится такой ток, при котором падение напряжения на
сопротивлении R1 будет с большой степенью точности равно ЭДС термопары.
Ток в цепи измерительного прибора будет пропорционален термоЭДС и,
следовательно, температуре спая.
26
Во входных цепях некоторых нормирующих преобразователей и регулято ров используются мостовые схемы для компенсации температуры холодных спаев
и ввода сигнала задания. В одно из плеч разбалансированного моста включается
переменное сопротивление (задатчик), а в другое – проволочное термосопротивление, как показано на рисунке 2.2. При этом термопара подключается к
диагонали моста так,
что ее ЭДС вычитазадатчик
ется из сигнала разбаТермосопротивление, устанавланса моста и постуУсилиливаемое для компенсации
пает на усилитель. Татель
температуры холодных спаев
ким образом, на усиПитание моста
литель подается сигнал ошибки. При изменении температуры
Рис.2.2 Мостовая схема компенсации температуры
холодного спая (темхолодного спая
пературы места подключения термопары) величина термосопротивления изменяется, что
Питание
9
1
приводит к изменению разбаланса
моста
моста. Напряжение разбаланса моста
10 2
вызванное термосопротивлением ком11 3
Выходной
пенсирует изменение величины тер12 4
сигнал
13 5
моЭДС термопары при изменении
14 6
температуры внешней среды.
Внутренние
15 7
Часть такой мостовой схемы иноцепи
гда выполняется в виде внешнего устприборов
16 8
ройства называемого коробкой холодРис.2.3 Схема коробки холодных спаев ных спаев (КХС). Внутренняя схема
R1
Усилитель
R2
ТП
R3
E
Rk
Rп
Редуктор
ЭД
Рис. 2.4 Схема электронного потенциометра
~
КХС, используемого с регулятором РП2-Т и схема ее подключения к входным цепям регулятора представлена на рисунке
2.3. Коробка имеет два канала, в
каждом из которых можно
включить последовательно 2
термопары, одна из которых малоинерционная. Сигнал термопар поступает на усилитель постоянного тока с малым дрейфом нуля. Обычно используется
или магнитный усилитель или
электронный, собранный по
схеме: модулятор, усилитель,
27
демодулятор. В последнее время стали использоваться операционные усилители с
малым дрейфом нуля.
Для измерения ЭДС термопар в автоматических потенциометрах используется
компенсационный принцип измерения. Принцип действия автоматического
потенциометра с ТП виден из рисунка 2.4.
2.1.2 Термопреобразователи сопротивлений
Термопреобразователи сопротивления (термосопротивления), используемые
в промышленности стройматериалов, по материалу чувствительного элемента
подразделяются на платиновые (ТСП) и медные (ТСМ). Для одновременного
измерения температуры двумя термосопротивлениями используются два
электрически изолированных термосопротивления (ТС). В качестве
чувствительного элемента в ТСП используют платиновую спираль, размещенную
в каналах керамического каркаса и укрепленную там изоляционным порошком.
Керамический каркас помещается в тонкостенную металлическую гильзу. В ТСМ
используется бескаркасная обмотка из медной проволоки с фторопластовой
изоляцией, помещенная также в тонкостенную металлическую гильзу. Пределы
измерения платиновых термосопротивлений от (-2600С) до (+7500С); медных- от
(-500С) до (+2000С). Инерционность термосопротивлений зависит от конструкции
ТС и среды измерения: от 9сек в воде до 20 мин в спокойном воздухе
Термосопротивления отличаются статическими характеристиками,
областью применения, материалом защитной арматуры, длиной монтажной части,
конструктивным исполнением, погрешностями измерения. . По типу статических
характеристик термосопротивления
делятся на группы. При выборе
термосопротивлений особенно необходимо обращать внимание на идентичность
их статических характеристик требуемым для совместно применяемых мостов и
измерительных преобразователей. Примеры номинальных статических
характеристик (зависимость сопротивления в ОМ от температуры) приведены в
таблице 2.5.
Таблица 2.5. Характеристики термосопротивлений
ТемпеСопротивление ТСП, ом
Сопротивление ТСМ, ом
ратура,
0
С
Гр. 21
Гр. 50П
Гр. 100П Гр. 23
Гр. 50М Гр. 100М
-100
27.44
29.81
59.62
-50
36.8
39.99
79.98
41.71
39.24
78.48
0
46
50.0
100.0
53.00
50.0
100.0
50
55.06
59.85
119.7
64.29
60.7
121.4
100
63.99
69.55
130.91
75.58
71.4
142.80
При
использовании
термосопротивлений
они,
как
привило,
устанавливаются в мостовые схемы входных цепей, питаемых переменным
напряжением. Сигнал разбаланса моста поступает на усилитель и далее на
28
фазочувствительный выпрямитель. В автоматических мостах используется
компенсационная схема измерения. Часто выпускаемые термосопротивления
имеют три выходных провода: два с одного конца и один с другого. Выводы
сделаны для реализации схемы подключения ТС к мосту исклю чающей влияния
подводящих проводов.
В этом случае сопротивления подводящих проводов оказываются
включенными в разные плечи моста, что позволяет сохранять его баланс
независимо от длины проводников и их температуры. Одно из сопротивлений
моста может использоваться для ввода сигнала задания. Поясняющая схема
приведена на рисунке 2.5.
Для измерения температуры возможно применение и полупроводниковых
термосопротивлений, которые имеют большую крутизну преобразования, но
меньший диапазон рабочих температур и существенно нелинейные статические
характеристики. Из полупроводниковых терморезисторов следует отметить типы
ММТ (с верхним пределом 1200С)
и КТМ (с верхним пределом
1800С). Терморезисторы ММТ-4
И
КТМ-4
герметизированы.
Выходной Питание
Сопрот.
Термистор ТМ-54 представляет
моста
сигнал
проводов
собой полупроводниковый шарик
диаметром 5–50мкм
впаян с
токоотводами в стекло. Термистор
t
имеет малую постоянную времени
Рис.2.5.Схема подключения
порядка 0.02с и используется в
термосопротивления
диапазоне температур от –70 до
2500С.
2.1.3. Измерительные (нормирующие) преобразователи
Измерительные преобразователи предназначены для преобразования
термоЭДС термопар и термосопротивлений в унифицированные сигналы
постоянного тока. Типы и характеристики некоторых нормирующих
преобразователей представлены в таблице 2.6.
Таблица 2.6. Типы и характеристики нормирующих преобразователей
Тип
Преобразователь Выходной Быстродействие Погрешность,
сигнал
%
Ш78 термопара
0-10в ; 0-5ма
0.5сек
0.4-1
Ш79 термосопротивл 0-10в ; 0-5ма
0.5сек
0.4-1
ение
П282 термосопротивл
0-2.5в
1сек
0.5-1
ение
Ш702 термосопротивл
0-2.5в
1сек
0.5-1,35
ение
Ш703 термопара
0-2.5в
1сек
0.5-1.35
29
Принцип действия преобразователей основан на статической автокомпенсации. Сигнал
Конт. Цепь
Цепь Конт.
от измерительного преобразователя поступает
3 К ТП
220в
3
на измерительный мост и далее на входной
5 К ТП
220в
5
усилитель, собранный по схеме модулятор-уси7 Вых.
литель переменного тока-демодулятор. Демо9 Вых.
дулированный сигнал усиливается выходным
усилителем и поступает в нагрузку и в устройРис.2.6. Схема подключения
ство обратной связи. Входные и выходные цепи
не имеют гальванической
Х3 ДИСК - 250 Х5
развязки. Схема подключеРегулятор
Цепь
Конт.
1 К ТП(+)
ния преобразователя Щ78
много
1
3 К ТП(-)
представлена на рисунке
общий
2
2.6.
мало
3
Х3
Промышленностью
ТС
220в
5
выпускается ряд показы1 К ТС
220в
7
Выход
0-5ма
2 К ТС
вающих и регистрирующих
Вых 0-5ма 8
3 Питание
вторичных приборов для
Вых 0-5ма 9
Сигнализация
4 Питание
Контакт З 10
контроля и регулирования,
"Мало"
общий
4
Вариант
работающих с термопарами
разъема
Контакт Р 11
и термосопротивлениями, для ТС
Контакт З 12
Сигнализация
милливольтметров и логообщий
13
"Много"
метров. Некоторые из них
Контакт Р 14
обеспечивают релейное регулирование.
Например,
Рис.2.7. Схема подключения прибора “Диск-250”
прибор "Диск-250". Это регистрирующий прибор с записью
Х2 КСП - 4
Х1
информации в полярных координатах на бумажном носителе.
Сигнализация
Цепь
Конт.
1А К ТП(-)
прибор
Он предназначен для работы, в
220в
1А
1Б К ТП(+)
включен
зависимости от модификации, с
220в
1Б
термопарами или термосопроСигнализация
Сигнал. 2А
Х2
тивлениями и обеспечивает редиаграмма
общий
2Б
лейное регулирование. Прибор
включена
1А Канал
Сигнал. 3А
выполнен на микроэлектронной
2А Канал
Выход 0-5ма
Вых 0-5ма 4А
базе и оснащен двухпозицион3А Питание
Вых 0-5ма 4Б
ным регулирующим устройством
Сигнал
мало
5А
и устройством формирования
"Мало"
Вариант
мало
6А
выходного унифицированного
разъема
Сигнал к РУ
много
5Б
сигнала. Схема подключения
для КСМ
"Много"
много
6Б
прибора показана на рисунке 2.7.
Х1 Щ78 Х2
Рис.2.8. Схема подключения КСП-4
Промышленностью выпускаются также приборы следя-
30
щего уравновешивания: потенциометры КСП4 и мосты КСМ4 (одноканальные и
многоканальные). Схема подключения их показана на рисунке 2.8. Устройство
автоматических мостов подобно устройству автоматических потенциометров и
представлено на рис. 2.9.
Промышленностью выпускаются также термрпары и
Усилитермосопротивления с унифиR1
тель
R2
цированным выходным сигналом, которые содержат токовый преобразователь в головке
первичного преобразователя.
t
ТС
R3 E
Они имеют унифицированный
сигнал 0-5ма, 4-20ма. Электронное устройство – сменное
Rп
и настроено на различные
~
ЭД
Редуктор
типы выходных сигналов и
различные диапазоны темпераРис. 2.9. Схема автоматического моста
туры. Устройства имеют характеристики приведенные в
табл.2.7.
Таблица 2.7. Датчики температуры с нормирующими преобразователями
НаименоПервичный
Рабочий
Класс
о
вание
преобразователь
диапазон, С
точности
КТХАУ
Термопара ХА
0-600; 0-900
0.5; 1
ТСМТУ
Термосопрот. СМ (-50)-(+50); 0-100; 0-180
0.25; 0.5
ТСПТУ
Термосопрот. СП (-50)-(+50); 0-100;… 0-500 0.25; 0.5
Схемы подключения устройств представлены на рис. 2.10.
2.1.4. Датчики-реле температуры
Для двухпозиционного регулирования температуры выпускаются датчикиреле температуры. Действие наиболее распространенных датчиков основано на
тепловом расширении тел. Действие ртутных датчиков-реле основано на
тепловом расширении ртути в замкнутом объеме. Ртуть, обладая
электропроводностью, при расширении замыкает контакты в капилляре
связанным с рабочим объемом. Коммутируемая мощность -менее 1ва при токе
менее 0.04а.
В манометрических датчиках используется зависимость давления рабочего
вещества
в
герметически
замкнутой
системе
от
температуры.
Термочувствительная система, заполненная рабочим веществом, состоит из
термобаллона,
соединительного
капилляра,
камеры
с
встроенным
чувствительным элементом - сильфоном, соединенным с контактным
устройством (рис.2.11).
31
0..5ма
4..20ма
Блок Питания
(18-36в)
+
+U
A
Блок Питания
(18-36в)
+
-U
X
КТХАУ
+U
+U
A
+U
R
-U
R
ТСМТУ, ТСПТУ
X
КТХАУ
0..5ма
4..20ма
Блок Питания
(18-36в)
+
I -U
Блок +
Питания
(18-36в)
-
+U
U/R
I
R
ТСМТУ, ТСПТУ
Рис. 2.10. Схемы подключения датчиков с нормирующими
преобразователями
В дилатометрических и биметаллических
датчиках-реле используется изменение линейных
размеров твердых тел при изменении температуры.
Чувствительный элемент биметаллического датчика – пластина из соединенных вдоль двух пластин из металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры
такая пластина изгибается. Свободный конец ее или
связан механически с контактной группой или сам
является контактом. Чувствительный элемент дилатометрических датчиков состоит из трубки, изгоРис. 2.11.
товленной из имеющей большой коэффициент лиМанометрический
нейного расширения латуни, и находящегося
датчик температуры
внутри трубки стержня из инвара, имеющего малый
коэффициент линейного расширения. При изменении температуры конец стержня, связанный с контактным устройством, перемещается относительно трубки (рис.2.12).
32
Существуют
также
датчики-реле
температуры, работающие с терморезисторами.
Заметим, что для измерения больших
температур используются пирометрические
датчики, принцип действия которых основан на
измерении
цвета и мощности теплового
излучения нагретых тел.
Рис.2.12.
Дилатометрический
датчик температуры
33
2.2. Датчики перемещения
2.2.1. Реостатные датчики
Потенциометрические датчики являются простейшими датчиками
предназначенными для преобразования механического перемещения в
электрический сигнал. Они представляют собой реостат, на неподвижные выводы
которого подается постоянное напряжение. Выходной сигнал снимается с одного
из неподвижных контактов и с движка, который может быть механически связан с
устройством, перемещение которого необходимо измерить. Для получения
биполярного выходного сигнала он снимается между зафиксированной средней
точкой реостата и движком. Для получения выходного сигнала, изменяющегося
по определенному закону, применяют функциональные потенциометрические
датчики, у которых зависимость сопротивления обмотки от перемещения движка
является нелинейной. Это достигается, как правило, изменением шага намотки
или изменением длины витка.
2.2.2. Тензодатчики
Для измерения малых перемещений (деформаций в объектах и деталях
машин) используют тензометрические датчики. Они могут также использоваться
для измерения давления или веса совместно с упругим элементом
преобразующим давление или вес в деформацию. Работа тензодатчиков основана
на изменении активного сопротивления материала при его механической
деформации. В качестве материала используется проводники в виде проволоки,
фольги и пленки и полупроводники.
Проволочный тензодатчик представляет собой полоску прочной бумаги, на
которую наклеена зигзагообразно уложенная проволока диаметром 0.02-0.05мм.
Длина проводников (5-20 и более мм) значительно больше расстояния между
витками. В качестве материала проволоки используются константан, нихром,
хромель, манганин (сплав меди, марганца и никеля). Сверху преобразователь
покрывается слоем лака. Тензодатчик распологается на исследуемой детали в
направлении действия деформирующего усилия и приклеивается бакелитофенольными клеями типа БФ. Такие датчики имеют малое сопротивление (51000ом) и малое изменение сопротивления про деформации. Поэтому основной
схемой их включения является мостовая. Причем обычно для повышения
чувствительности используется два (четыре) одинаковых датчика, из которых
один (работающий на сжатие) включен в одно плечо моста, а другой (работающий
на растяжение) – в смежное плечо (рис.2.13). Для компенсации температурной
погрешности в смежное плечо моста может быть введен тензорезистор
наклеенный в месте наклейки основного, измерительного, но наклеенный
перпендикулярно направлению деформации. При деформации сопротивление
такого компенсационного тензорезистора не будет изменяться, но изменение
сопротивления при изменении температуры будет такое же, как
у
34
измерительного. Коэффициент тензочувствительностт K T
R
R
L
L
проволочных
тензорезисторов порядка 2.
Фольговые датчики изготавливают методом фотохимического травления из
разных сплавов и имеют толщину проводящего покрытия 3-15мкм. Пленочные
тензодатчики изготавливают путем напыления слоев германия, кремния, индия,
висмута и т.д. на основания из слюды или кварца. Фольговые и особенно
пленочные тензодатчики имеют на порядок большой коэффициент
тензочувствительности.
Полупроводниковые тензорезисторы изготавливают путем выращивания
полупроводникового кристалла на упругом элементе из кремния или сапфира. На
упругом элементе собирается мост или полумост и компенсирующие элементы.
Допустимый ток моста порядка 5-20ма. при напряжении 2-12в. Допустимый ток
определяется нагревом резистора. Повысить чувствительность моста можно за
счет питания моста импульсным током.
R2
R1
R1
RН
R4
R3
R3
R2
R4
UПИТ
FF
Рис.2.13. Схема включения тензодатчиков
2.2.3 Электромагнитные датчики
Перемещения
якоря
Рис. 2.14 Индуктивный датчик
Действие
электромагнитных
датчиков перемещения основано на
изменении параметров электромагнитной
цепи
(изменении
магнитного
сопротивления
или
потокосцепления
обмотки)
вызванном
механическим
перемещением ее элементов. При таком
перемещении элемента магнитной цепи
меняется индуктивность или взаимная
индуктивность ее обмотки. Такие датчики
обычно
называют
индуктивными.
35
Конструкция простейшего индуктивного датчика приведена на рисунке 2.14. Он
представляет собой электромагнит с подвижным якорем. При изменении
положения якоря изменяется магнитный поток и, следовательно, индуктивность
катушки и ток через нее. По величине тока можно судить о положении якоря
механически связанного с объектом, положение которого определяется.
Дифтрансформаторный индуктивный датчик состоит из двух индуктивных
датчиков, имеющих включенные встречно катушки (рис.2.15). RН –
сопротивление нагрузки датчика. Для питания датчика используется
трансформатор. Направление смещения определяется фазой выходного сигнала
датчика. Исключить трансформатор из схемы возможно при использовании
мостовой схемы представленной на рис 2.16.
Перемещения
якоря
Перемещения
якоря
RН
U ВЫХ
~
Рис. 2.15 Д и ф ф е р е н ц и а л ь н о трансформаторный датчик
R
R
U П ИТ
Рис. 2.16 М о с т о в а я с х е м а
датчика перемещения
Перемещения
Сигнал
постоянного
тока
якоря
(выпрямленного
переменного)
получается
при
использовании
фазового
детектора
в
схеме
представленной на рис. 2.17.
Индуктивные датчики в виде катушки
с перемещающимся внутри нее
сердечником
называются
RН
плунжерными.
Они
позволяют
R
получить информацию о перемещении
из изолированного пространства.
R
~
В многополюсных
U пит
преобразователях
используется
принцип действия основанный на
U опор
изменении
индукции
между Р и с. 2.17 М о с т о в о й д а т ч и к
обмотками недвижной и неподвижной с ф а з о в ы м д е т е к т о р о м
36
частями преобразователя. Выходной сигнал - 2 периодически изменяющихся
сигнала смещенных относительно друг друга на 900, которые позволяют
определить величину и направление перемещения. Так, выпускаемые
измерительные преобразователи линейных и угловых перемещений ПИЛП1 и
ПИКП1 предназначены для получения информации в виде аналогового
электрического сигнала о линейном или угловом перемещении. Они имеют
погрешность от 3 до 8 мкм на длине 170мм.
2.2.4 Емкостные датчики
Работа емкостных датчиков основана на изменении емкости конденсатора
при изменении расстояния между его обкладками, от изменения площади
конденсатора или от изменения эффективной диэлектрической проницаемос ти
среды между обкладками. Датчики, основанные на таком принципе, могут
использоваться для измерения перемещения, уровня, толщины изделий.
Емкостные датчики относятся к датчикам параметрического типа. Для
преобразования изменения емкости в электрический выходной сигнал емкостные
датчики включаются в мостовую схему, особенно дифференциальные, или в
схему частотного дискриминатора, или в резонансный контур, работающий
посредине склона частотной характеристики.
2.2.5 Фотодатчики линейных и угловых перемещений
Принцип действия фотоэлектрических датчиков перемещения, основанный
на изменении величины фотопотока представлен на рисунках 2.18, 2.19.
Диафрагма
Линза
Фотоприемник
Излучатель
Фотоприемник
Линза
Усилитель
Усилитель
Оптический
нож
Рис.2.18 Фотоэлектрический
датчик с оптическим ножом
Излучатель
Фотоприемник
Рис.2.19 Фотоэлектрический датчик
со светоделительной призмой
оптическим ножом
В качестве фотоприемников
используются
фотосопротивления,
фотодиоды, фотоэлементы, фотоумножители для слабых сигналов. Фотодиоды
обычно включаются обычно в обратном направлении и имеют наибольшую
граничную частоту. Однако, чувствительность схем с некоторыми
фоторезисторами (СФ3-2А) во много раз больше, чем с фотоэлементами и
37
фотодиодами. Излучатель должен быть по возможности точечным (специальная
лампа накаливания). Часто берется точечный светодиод.
В импульсных фотоэлектричеких датчиках используется подсчет числа
прерываний светового потока. Модуляция светового потока осуществляется
прерывателем (растром), механически связанным с перемещающимся объектом. В
простейшем случае прерыватель представляет собой линейку с отверстиями,
расстояние между которыми равно их размеру, а два фотоприемника смещены
относительно друг друга на величину половины отверстия, как показано на
рисунке 2.20. Это позволяет определить направление и величину перемещения
путем подсчета импульсов фототока.
На таком принципе работают датчики
перемещений фотоэлектрические ПДФ-3 ,
Излучатель
ПДФ-5
предназначенные
для
Линза
преобразования пути (угла поворота)
рабочих
органов
промышленных
механизмов в число импульсов и угловой
скорости в частоту следования импульсов.
2 фотопремника
Основные детали - подвижный и
Усилители, логика,
неподвижный диск с прорезями. В
счетчик импульсов
датчиках формируются по 2 каналам
Рис. 2.20 Импульсный
сдвинутые на 90о серии (потоки)
фотоэлектрический датчик
импульсов, что позволяет определить
величину и направление перемещения.
Перемещению на оборот соответствует 250, ..,2500 импульсов. В приборе ВЕ-106
также используется фотоэлектрический принцип: излучатель, прерыватель,
фотоприемник. Он имеет 6 выходных сигналов (соответственно 6 каналам) и
разное число импульсов в канале за один оборот. Предназначен для устройств
ЧПУ.
Для автоматического измерения
Плав.
размеров деталей в процессе обработки
опора
возможно использование устройства,
Изл.
ФП
принцип действия которого представлен
Фрикц.
на рисунке 2.21. Вал, на котором
диск
Диск
размещены фрикционный диск и диск
Деталь
прерывателя, закреплен на плавающих
опорах. При изменении в процессе
Рис. 2.21 Принцип измерения
обработки
диаметра
вращающейся
размеров детали
детали изменяется скорость вращения
прерывателя и, следовательно, частота
импульсов фототока, по которой можно определить размер детали.
2.2.6. Магнитомодуляционные преобразователи
Действие магнитомодуляционных преобразователей основано на изменении
магнитного состояния (магнитной проницаемости) ферромагнитного материала
38
при его намагничивании одновременно постоянным и переменным магнитными
потоками. Модуляция создается из счет нелинейных свойств магнитной цепи.
Примером
может
служить
магнитомодуляционный
преобразователь
перемещений. Принцип его действия показан на рис. 2.22. На сердечник
намотана обмотка, которая через резистор подключена к источнику переменного
тока. При введении магнита в сердечник индукция в сердечнике увеличивается и
магнитная
проницаемость
U~
материала
и индуктивность
RН
обмотки
падают.
Падение
напряжения на сопротивлении
нагрузки, являющейся выходной
величиной датчика положения,
растет.
Компенсационный
N
принцип измерения реализуется
S
введением
дополнительной
обмотки
обратной
связи,
питаемой постоянным током.
Рис. 2.22 Магнитомодуляционный датчик
39
2.3. Приборы для измерения давления
Промышленностью выпускается широкая номенклатура средств измерения
давлений и разности давлений, как показывающих так и преобразующих.
Приборы
для измерения давлений и разности давлений называются
манометрами. Они подразделяются на барометры, манометры избыточного
давления, вакуумметры и манометры абсолютного давления. Манометры,
предназначенные для измерения давлений или разряжений в диапазоне до 40 Кпа,
называются напорометрами или тягомерами. Тягонапорометры имеют
двухстороннюю шкалу до 20КПа. В зависимости от принципа, используемого
для преобразования силового воздействия на чувствительный элемент в
показания или пропорциональное изменение другой величины, они делятся на
жидкостные,
деформационные,
электрические,
ионизационные
и
грузопоршневые. В жидкостных манометрах давление уравновешивается
давлением столба жидкости, по высоте которого определяется давление. В
деформационных манометрах используется зависимость деформации
чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.
Пропорциональная давлению деформация преобразуется в показания или
изменение выходного сигнала. В соответствии с используемым чувствительным
элементом деформационные манометры подразделяются на трубчато-пружинные,
сильфонные и мембранные. К электрическим приборам для измерения давления
относятся манометры с тензопреобразователями и пьезопреобразователями.
Чувствительным элементом манометров с тензопреобразователями является
мембрана,
на которой
размещены проволочные, фольговые или
полупроводниковые тензорезисторы. При деформации мембраны под действием
контролируемого давления сопротивление резисторов меняется. Принцип
действия пьезоэлектрических манометров основан на пьезоэлектрическом
эффекте ( возникновении электрических зарядов на поверхности сжатого
кристалла).
Рассмотрим устройства с электрическим выходным сигналом как приборы
“электрической ветви” ГСП. Измерительные преобразователи давления являются
бесшкальными приборами и предназначены для получения унифицированного
сигнала о давлении жидкостей, газов и пара.
МПЭ-МИ
малогабаритные
измерительные
преобразователи
(магнитомодуляционные с компенсацией магнитных потоков) для измерения
избыточного давления и преобразования в унифицированный выходной сигнал
(0-5, 0-20, 4-20ма). Чувствительным элементом является трубчатая пружина,
которая под действием давления перемещает магнит. Изменение магнитного
потока компенсируется выходным сигналом обратной связи. Верхние пределы
измерения 0.1, 0.16, ...40, 60 МПа. Класс точности 0.6, 1, 1.5.
ИПД- измерительные преобразователи для прецизионного измерения
давления в системах автоматического контроля и управления. Преобразователь
требует особой калибровки. Выходной сигнал 0-1 и 0-10В. Выходной каскад
имеет высокое выходное сопротивление и входное сопротивление последующей
40
цепи должно быть не менее 20 Мом. Прибор выпускается в 4 моделях. Модель
89005 рассчитана на давление 1.6, 2.5,...60КПа.
Наибольшее распространение получили измерительные преобразователи
типа "САПФИР-22", которые предназначены для работы в системах
автоматического контроля и управления. Они обеспечивают преобразование
избыточного, абсолютного, разряжения и разности давлений в унифицированный
токовый выходной сигнал. Принцип действия основан на использовании
тензоэффекта в полупроводниковом материале. Прибор имеет множество
модификаций, от которых зависит класс точности (0.25- 0.5) и пределы
измерений. Приборы этого типа позволяют измерять избыточное давление от 0.25
до 100МПа, разряжение от 0.125КПа до 0.1МПа. Преобразователь состоит из
измерительного блока и электронного устройства. Преобразователи различных
модификаций имеют унифицированное электронное устройство и отличаются
лишь конструкцией измерительного блока. Измерительные блоки, в зависимости
от пределов измерения, бывают двух типов: мембранные и мембранно-рычажные.
Питание преобразователей "САПФИР-22" - от блока питания 22БП-36
стабилизированным напряжением 36В. Блоки питания могут быть одно и
двухканальные.
Питание взрывозащищенного измерительного преобразователя "САПФИР22ЕХ" - от блока преобразователя сигналов БПС-24, обеспечивающего получение
линейной зависимости между выходным унифицированным сигналом и
измеряемым параметром, а также линеаризацию статической характеристики
преобразователя при измерении расхода по методу перепада давления на
сужающем устройстве.
Большую номенклатуру измерительных преобразователей выпускает фирма
JUMO, которые имеют существенно меньшие габариты, чем преобразователи
“Сапфир”. Чувствительным элементом в преобразователях является кремниевая
мембрана с мостом на тензорезистивных элементах. В зависимости от типа
выходного сигнала преобразователи имеют разные схемы подключения.
Модификация прибора определяет наличие одного или двух предельных
контактов и 3,5-разрядного жидкокристаллического индикатора.
Промышленностью выпускаются разнообразные показывающие манометры,
некоторые из которых формируют дискретный выходной сигнал. Например,
ЭКМ-1У - манометры с трубчатой пружиной и дискретным выходным сигналом,
имеющие верхние пределы от 0.1 до 10МПа и мощность контактов 10ВА.
Контакты допускают напряжение до 220в.
Выпускаются также показывающие сильфонные дифманометры ДСП и
самопишущие ДСС, имеющие верхние пределы измерений от 0.6 до 16МПа в
зависимости от модификации. Некоторые из них обеспечивают выдачу сигналов
"Много" и "Мало" относительно заданного порога.
Для измерения малых перепадов давления существуют сильфонные
напорометры и тягомеры, которые не только показывают величину, но и
вырабатывают сигналы "Минимум", "Норма", "Максимум". Разрывная мощность
контактов порядка 40ВА при токе 0.01 - 1А.
41
Например: НСП-16- напорометры с пределами 1,1.6,...40КПа,
ТМСП-16 - тягомер с пределами 1,1.6,...40КПа,
ТНСП-16 - тягонапорометр с пределами -3 3КПа.
42
2.4. Приборы для измерения и контроля расхода
В зависимости от принципа действия расходомеры жидкостей, газа и пара
могут классифицированы следующим образом.
1. Расходомеры переменного перепада давления, принцип действия которых
основан на зависимости перепада давления, создаваемого неподвижным
устройством, устанавливаемым в трубопроводе от расхода вещества. Например,
перепад в сужающем устройстве типа сопла Вентури или диафрагмы.
2. Расходомеры обтекания, у которых перемещение тела, размещенного в потоке
и воспринимающего динамическое давление обтекающего потока, зависит от
расхода вещества. К ним относятся ротаметры: поплавковые, пружинные, с
поворотной лопастью.
3. Тахометрические, принцип действия которых основан на зависимости скорости
движения тела, установленного в трубопроводе от расхода вещества. Это камерные, с одним или несколькими подвижными элементами, отмеряющими
при своем движении определенные объемы жидкости (шестеренчатые,
лопастные, поршневые, роторные, турбинные..)
4. Электромагнитные основанные на эффекте Холла для проводящих жидкостей.
5. Акустические.
Существует масса приборов основанных на других эффектах, например,
меточные. Их принцип действия основан на измерении времени прохода меткой
определенного участка пути. Метки могут быть тепловыми, магнитными,
оптическими, химическими, ионизационными...
Рассмотрим некоторые устройства более подробно.
Расходомеры переменного перепада давления со стандартными сужающими
устройствами получили широкое распространение. В устройстве индивидуально
изготавливается только преобразователь расхода - сужающее устройство. К ним
относятся стандартные диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури. Основы
измерения расхода газов и жидкостей стандартными суживающими устройствами
и общие технические требования к расходомерным устройствам
регламентируются Правилами РД 50-213-80. В правилах приведены основные
уравнения расхода, формулы для вычисления расхода, коэффициенты расхода
сужающих устройств, требования к монтажу и исполнению, способы отбора
перепада давления и конструкции сужающих устройств. Сужающие устройства
работают с измерительными преобразователями перепада давления, которые
формируют сигнал о расходе жидкости, газа по перепаду давления. Достоинства
метода: универсальность применения для всех сред, удобство массового
производства, т.к. индивидуально изготавливается только преобразователь
расхода - сужающее устройство; градуировочная характеристика может быть
определена расчетным путем. Недостатки: квадратичная зависимость между
расходом и перепадом, ограниченная точность.
Для измерения перепада давления могут быть использованы измерительные
преобразователи с компенсацией магнитных потоков. ДСЭ и ДМЭ-М, которые
состоят из измерительного блока, магнитомодуляционного преобразователя и
усилителя. Основным элементом ДСЭ является сильфон, с донышком которого
43
связан магнитный плунжер. Чувствительным элементом ДМЭ-М является
мембранный блок, в котором содержится мембрана, связаная с магнитный
плунжером. В зависимости от модификации верхние пределы перепада давления
меняются от 1КПа до 1.6МПа. Выходной сигнал постоянного тока по ГСП.
Укажем также на другие приборы для измерения перепада:
измерительные преобразователи перепада давления фирмы JUMO;
ДМ - манометры дифференциальные мембранные, имеющие
мембрану связанную с дифференциальным трансформатором;
ДТ-2- дифференциальный тягомер аналогичной конструкции с
пределами 0-500Па и 0-1000Па.
Широкое распространение получили расходомеры обтекания с
постоянным перепадом давления, у которых перепад давления на чувствительном
элементе во всем диапазоне измерений с некоторым
приближением можно считать постоянным. Например,
ротаметр для измерения малых расходов жидкости и газа.
Основным элементом является расширяющаяся кверху
конусная трубка и поплавок, находящийся в потоке вещества
внутри трубки. По мере повышения расхода через ротаметр
поплавок перемещается вверх, увеличивая кольцевое сечение
для прохода вещества. Равновесное состояние однозначно
характеризует расход. Так в расходомере РЭ электрическая
Рис. 2.23
часть состоит из индукционной катушки с сердечником
Конструкция
расходомера
жестко связанным с поплавком. Катушка включена в
обтекания
дифтрансформаторную
схему
вторичного
прибора.
Перемещение
поплавка
приводит
к
разбалансу
дифтрансформатора связанного с поплавком. Расходомер имеет верхние пределы
измерения от 0.025 до 16м3/ч и унифицированный выходной сигнал.
В шариковых расходомерах чувствительным элементом является шарик
непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней поверхности трубы
под воздействием предварительно закрученного потока. Шариковые расходомеры
ШРТ и "Сатурн" имеют верхние пределы измерения от 0.025 до 400м 3/ч и
выходной унифицированный сигнал 0 - 5ма.
Поршневые расходомеры предназначены для неагрессивных вязких
жидкостей (мазут) и представляют поршнеклапанную систему. Расходомер СМ2
имеет верхние пределы от 50дм 3/ч до 4000м3/ч и унифицированный токовый
выходной сигнал.
Винтовые расходомеры мазута ТМ2 имеют верхние пределы от0.24 до
3
16м /час и выходной сигнал 0-5 и 4-20ма.
Турбинные преобразователи для газа ПРГ при выходном сигнале 0-5ма
имеют верхние пределы от 100 до 1600м 3/ч.
Электромагнитные расходомеры можно использовать для агрессивных,
абразивных, вяжущих жидкостей и для пульп. Среда должна быть проводящей. В
расходомере используется переменное магнитное поле частотой 50ГЦ, чтобы
избежать поляризации электродов. Характеристики расходомеров приведены в
таблице.
44
Таблица 2.8 Характеристики расходомеров
Прибор
Верхние пределы Выходной
Примечание
измерений
сигнал
3
ИР-61
0.3 -160 м /час
токовый ГСП
3
4РИМ
8 - 400 м /час
нет
3
Индукция-51 500 - 5000 м /час
0-50ма
записывающий
3
ЭРИС
400 - 12500 м /час токовый ГСП
Скорость 0-5м/сек
45
2.5. Приборы для измерения состава веществ
Для контроля химического состава газов и жидких сред широкий спектр
приборов. Особое место занимают газоанализаторы на О 2.
Магнитные газоанализаторы на О 2 используют парамагнитные свойства
кислорода, который обладает наибольшей магнитной восприимчивостью. При
этом используется явление термомагнитной конвекции, которая возникает в
неравномерном магнитном поле около нагретого тела. Движение газа влияет на
теплоотдачу нагревательного элемента и его сопротивление. Газоанализатор
ГТМК-16 имеет пределы от 0-1% до 0-100% с выходным сигналом 0-5ма.
Для определения содержания кислорода в газовой смеси из топочного
газохода используется МН5106-2 со вторичным прибором КСМ2. Выходной
сигнал 0-5ма.
Газоанализатор "Оскар" имеет пределы 0-1%....0-40% и выходной сигнал 05ма.
Существуют газоанализаторы на Н2, СО2, СН4, He, Ar.. использующие
химические, оптические, люминесцентные свойства газов.
Гигрометры используют различные принципы работы и отличаются
условиями применения, пределами измерения и погрешностью. Гигрометры ВВ4, АПВ, ГП-215 и др. имеют выходной токовый сигнал 0-5ма.
Существует множество приборов для определения содержания веществ в
растворах: показателя кислотности рН, проводимости, диэлектрической
проницаемости, спектров. Это и солемеры, хроматографы и масс -спектрографы
составов. Например, РЭС-106 -солемер, предназначенный для измерения солей в
насыщенном паре на основе измерения проводимости конденсата.
46
2.6. Приборы для измерения и контроля массы
Для измерения веса часто используют упругий элемент, преобразующий
силовое воздействие в деформацию, по величине которой определяется вес.
Для непосредственного измерения веса используют также магнитоупругие
и пьезопреобразователи.
Принцип
действия магнитоупругих преобразователей основан на
изменении магнитной проницаемости ферромагнитных тел в зависимости от
возникающих в них механических напряжений, обусловленных воздействием
механических сил направленных на сжатие, растяжение, изгиб. Изменение
магнитной проницаемости различных материалов составляет порядка 0.5-3% при
изменении давления на 1МПа. Датчик представляет собой сердечник с
намотанной на нем катушкой. Изменение магнитной проницаемости сердечника
катушки под действием внешней силы вызывает изменение индуктивности, по
изменению которой определяется величина воздействия.
Работа пьезоэлектрических датчиков основана на пьезоэлектрическом
эффекте, который проявляется в появлении электрических зарядов разных знаков
при сжатии/растяжении кристаллов вдоль определенных кристаллических осей.
Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллы, например, кварц,
турмалин и пьзокерамика (титанат бария). Кристаллы вырезают вдоль
определенных осей. Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами
до температурной границы, которая определяется точкой Кюри.
Пьезоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа.
Генерируемый заряд очень мал и для работы датчика необходим усилитель с
большим входным сопротивлением. Для усиления сигнала используется
специальная схема, обычно на операционном усилителе с полевыми
транзисторами на входе и емкостью в цепи отрицательной обратной связи,
называемая усилителем заряда.
Пьезоэлектрические преобразователи используются для измерения силы,
давления, ускорения. При измерении давления измеряемое давление действует на
мембрану которая воздействует на пьезоэлемент.
Большинство средств измерения массы и автоматических дозаторов имеют
специализированное назначение для конкретных технологических процессов. По
функциональному признаку можно выделить средства порциальные,
транспортные, непрерывного действия. Рассмотрим некоторые устройства.
Устройство весовое типа 4195Пр предназначено для транспортировки и
взвешивания кусковых материалов и преобразования нагрузки в
унифицированный сигнал. Оно представляет собой ленточный конвейер ,
который смонтирован на раме закрепленной шарнирно и опирающейся на
силоизмерительный тензорезистивный датчик. Устройство выпускается в 20
модификациях с пределами измерения от 2.5 до 400т/час и имеет выходной
сигнал 0-5ма.
Устройства электронно-тензометрические весоизмерительные типа
1858УВТ, 1ЭДВУ предназначены для автоматического взвешивания емкостей и
дистанционного дозирования и имеют пределы взвешивания от 0.02 до 120т. В
47
качестве датчика применен тензометрический прибор, собранный по мостовой
схеме и имеющий выходной сигнал пропорциональный нагрузке. Погрешность
от 0.5%.
Дозаторы непрерывного действия типа 4286ДН, 4273ДН предназначены для
непрерывного автоматического весового дозирования сыпучих материалов.
Заданный расход массы поддерживается путем непрерывного взвешивания
материала на ленте весового транспортера и автоматического регулирования
производительности электровибрационного питателя в дозаторе 4286ДН и
скорости движения ленты в дозаторе 4273ДН. Принцип взвешивания использование тензометрического датчика. Выходной сигнал 0-5ма.
Максимальная производительность от 1 до 1000т/час.
Дозаторы весовые 4310Д, 4312Д предназначены для взвешивания и
дискретного дозирования шихты. В них также используется тензорезистивный
датчик и электровибрационный питатель. Измерение от 0.05 до 2т.
Большую номенклатуру датчиков и нормирующих преобразователей с
электрическим выходным сигналом, в том числе и показывающих, предлагает
фирма Scaime.
48
2.7. Приборы для измерения и контроля уровня
Для измерения уровня используют уровнемеры, конструкция которых
зависит от вещества. Основные конструкции: поплавковые, акустические (эхо),
ультразвуковые, радиоизотопные, емкостные, дифманометрические.
49
2.8. Электрические датчики-реле
В системах автоматизации технологических процессов используются
электрические датчики-реле, предназначенные для контроля, сигнализации,
управления и позиционного регулирования. В зависимости от контролируемых
параметров датчики-реле подразделяются на датчики температуры, давления,
уровня, расхода... По исполнению они представляют собой бесшкальные, одно
или многопредельные приборы с электрическим двух или трехпозиционным
контактным устройством на выходе. В датчиках используются физические
процесс разной природы. Например, датчики-реле температуры бывают
дилатометрические, биметаллические, манометрические с термобаллоном и
сильфоном, термоконтактные, ртутные.
50
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
3.1. Электромагнитные исполнительные механизмы
3.2. Электродвигательные исполнительные механизмы
3.3. Пусковые устройства
3.4. Вспомогательные устройства
3.5 Характеристики исполнительного механизма постоянной
скорости
Электрические
исполнительные
механизмы
предназначены
для
перемещения регулирующих органов в системах автоматического и
дистанционного управления при автоматизации различных технологических
процессов.
Требования к функциональным и техническим характеристикам устройств
этой группы определяются как типом и характеристиками регулирующих
органов, так и реализуемым алгоритмом управления. Знание принципов действия
устройств этой группы, номенклатуры выпускаемых изделий и их характеристик,
схем подключения необходимо при проектировании и эксплуатации систем
управления.
Цель главы – ознакомление с принципом действия, характеристиками и
схемами подключения электрических исполнительных механизмов.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ
типы и принципы действия электрических исполнительных механизмов,
основные характеристики электрических исполнительных механизмов,
схемы подключения исполнительных механизмов.
51
3.1. Электромагнитные исполнительные механизмы
Электрические исполнительные (ИМ) механизмы делятся на
электромагнитные (соленоидальные) и электродвигательные.
В электромагнитных ИМ в качестве привода используется электромагнит,
преобразующий энергию электрического тока в поступательное движение якоря.
Электромагнитные ИМ выпускаются двух типов.
1. ИМ, рассчитанные на длительное воздействие тока. ИМ состоит из
катушки, якоря, пружины, тяг и якоря (рис.3.1). При подаче напряжения под
действием магнитного поля якорь втягивается и перемещает подвижную
часть регулирующего органа. Промышленность выпускает электромагнитные ИМ
ЭВ-1, ЭВ-2. Исполнительный механизм ЭВ-2 может быть объединен в одном
корпусе с регулирующим органом. Объединение их
называют электромагнитным клапаном. Катушки этих
электромагнитных клапанов рассчитаны на напряжение
постоянного тока 110, 220, 380в. и переменного тока 127,
220, 380в. Тяговое усилие меньше или равно 4н. Ход
якоря – 18 мм. Достоинство системы - простота.
Недостаток - постоянное потребление электрической
Тяга
энергии.
2. ИМ, рассчитанные на кратковременный режим
Рис.3.1 Электроработы.
магнитный ИМ
Устройство ИМ видно из рисунка (3.2). При подаче
напряжения на главный электромагнит его якорь втягивается и перемещает
регулирующий орган. В крайнем верхнем
положении якорь фиксируется защелкой, что
позволяет обесточить главный электромагнит.
Для возвращения якоря в исходное положение
подается напряжение на электромагнит защелки.
Якорь ее втягивается и убирает защелку. Тяга
регулирующего органа под действием пружины
перемещается. Основные параметры: напряжение
на катушках для постоянного тока 110, 220в, для
переменного тока 220, 230, 240,380, 400в. Тяговое
Тяга
усилие меньше или равно 100н. Ход сердечника
Рис. 3.2 Электромагнитный меньше или равен 30мм. Потребляемая мощность
ИМ с защелкой
порядка 800вт.
52
3.2. Электродвигательные исполнительные механизмы
Электродвигательный
исполнительный
механизм
состоит
из
электродвигателя постоянного или переменного тока, который преобразует
электрическую энергию во вращательное движение, редуктора, который снижает
частоту вращения и повышает крутящий момент на выходе и вспомогательных
элементов. В общем случае его схема имеет вид представленный на рисунке (3.3).
Дублер
ЭД
Источник
энергии
Редуктор
КВ
ПУ
ПРУ
ОРДУ
РО
РД
ИД
АУУ
ДУП
Рис.3.3 Электродвигательный ИМ
Дублер предназначен для ручного управления РО в случае отключения
электроэнергии. Он выполнен в виде маховика привода редуктора. ПУ - пусковое
устройство, предназначенное для подачи напряжения на электродвигатель. ПРУ переключатель режимов управления пусковым устройством. Он подключает
входы ПУ к выходам автоматического управляющего устройства (АУУ) или к
выходам органов ручного дистанционного управления (ОРДУ) для организации
ручного (дистанционного, местного) управления. КВ - концевые выключатели,
связанные с выходным валом редуктора и предназначенные для отключения
электродвигателя в крайних положениях рабочего органа (РО). РД - реостатный
датчик положения, предназначенный для организации требуемого закона
регулирования и дистанционного контроля положения РО. ИД - индукционный
датчик, предназначенный для тех же целей. ДУП - дистанционный указатель
положения.
Двигатели ИМ работают в повторно-кратковременном режиме, т.к. за
время своего действия они не успевают нагреваться до установившейся
температуры, а время паузы TП (3 4) TД . В зависимости от модификации они
имеют мощность от 10вт до 15квт и частоту вращения 75-3000об/мин. Редукторы
могут быть червячными, цилиндрическими, планетарными. Наиболее
распространены исполнительные типа МЭО, среди них:
МЭО-К - однооборотные для контактного пускового устройства,
МЭО-Б - однооборотные для бесконтактного управления,
53
МЭП - прямоходовые ИМ.
Маркировка исполнительных механизмов имеет вид представленный на рисунке
3.4. Типовые значения момента: 16, 40, 100,.. 10000нм; времени перемещения - 10,
25, 63,...160с; угла - 0.25 оборота.
Для многооборотных ИМ типа МЭМ типовые значения: момента - 40, 100нм;
времени перемещения - 25, 63, 250,400с; угла - 10, 25, 63, 100, 250 оборотов.
В маломощных ИМ используются
синхронные низкооборотные
электродвигатели с электромагнитной редукцией типа ДСР и асинхронные
однофазные конденсаторные двигатели ДАУ. В мощных ИМ используются
трехфазные асинхронные двигатели 4А и ВАО. При контактном управлении ИМ
используют электромагнитные пускатели или реле. Бесконтактное управление
реализуется реверсивными пускателями типа БПР-2 или БПР-3 (трехфазный).
Для защиты от поломок при обеспечении необходимой плотности
закрытия клапанов используют реле
МЭО
максимального
тока
или
электромагнитные муфты крутящего
Угол
Момент Время
момента.
поворота
в нм
перемещения
В ИМ устанавливаются концевые
в оборотах
в сек
выключатели и реостатные датчики
Рис.3.4. Маркировка МЭО
положения. На старом МЭОК такой
блок
называется
КДУ
(колонка
дистанционного управления). В его состав входит реостатный датчик и 4
концевых выключателя. Исполнительные механизмы обычно комплектуются
одним из блоков датчиков:
БДМ-6, имеющим 2 индуктивных датчика и 4 выключателя;
БДР-П, имеющим 4 реостатных датчика для контроля угла в пределах 0-900 и 02400;
БСПР, содержащим 2 реостатных датчика и 4 переключателя;
БСПИ, имеющим 2 индуктивных датчика и 4 переключателя.
ИМ типа МЭО оснащаются блоками сигнализации положения, имеющими 4
концевых микропереключателя (220в, 30ВА) и блок датчиков. В ИМ
устанавливаются блоки датчиков:
БСПИ-10, имеющий один индуктивный датчик;
БСПР-10, имеющий два реостатных датчика;
БСПТ-10, имеющий один токовый датчик, формирующий токовый
выходной сигнал по стандарту ГСП.
В обозначении механизмов с блоками сигнализации имеется
дополнительный индекс, соответственно "И", "Р", "Т". Индуктивные датчики
питаются однофазным переменным током напряжением 12в. Реостатные датчики
имеют полное сопротивление 100 (250)ом для механизмов с полным ходом 0.25
(0.63) оборота.
В многооборотные механизмы типа МЭМ устанавливаются асинхронные
двигатели типа 4А и АОЛ. Они также обеспечиваются концевыми
выключателями и датчиками положения БДИ-6, БДР-П.
54
Исполнительные механизмы типа МЭО-К комплектуются 3х-фазными
двигателями типа 4А или АОЛ и датчиками БСПИ-10 (индуктивными) или
БСПР-10 (реостатными).
Исполнительный механизм ИМТМ-40/2,5 - 83 предназначен для быстрого
перемещения запорного органа и имеет ход 900. Привод - асинхронный двигатель
с короткозамкнутым ротором. В цепи управления - концевые выключатели.
Прямоходные ИМ типа МЭП развивают усилие на штоке 1000, 2500н,
имеют ход штока 10-160мм и время полного перемещения 10-160с.
55
3.3. Пусковые устройства
Для управления электродвигателями ИМ используются магнитные и
бесконтактные пускатели. Они предназначены для управления реверсивными и
нереверсивными электродвигателями при напряжении менее 600в. Магнитный
пускатель может быть оснащен защитой от перегрузок по току. Используются
следующие типы магнитных пускателей.
ПМЛ имеют контакты на 380в и рассчитаны на ток, в зависимости от
модификации,10-100А. Катушки магнитного пускателя могут быть на напряжения
постоянного тока 24-220в и 24-660в переменного тока. Количество замыкаемых
контактов 1-5. Размыкаемых 2-3.
ПМА, в зависимости от модификации, имеют контакты рассчитанные на
напряжение 380в и ток 6.3,… 63а или контакты рассчитанные на напряжение 660в
и ток 3-160а. Количество замыкаемых контактов 1-4. Размыкаемых 1-2.
Недостатки магнитных пускателей: низкая надежность из-за окисления и
обгорания контактов. На схемах магнитные пускатели имеют буквенное
обозначение КМ. Цифра, стоящая перед буквой, -номер пускателя по схеме,
индекс - номер контакта. Обозначение пускателя, простых контактных элементов
ис
искрогашением
КМ1
КМ1.3
КМ1.2
представлено на
КМ1.1
рисунке 3.5.
Лучшие
характеристики
имеют
Рис.3.5.Пример обозначения магнитного пускателя
герконовые реле.
Герконы
магнитоуправляемые
герметизированные
контакты.
Промышленностью
выпускаются герконовые пускатели КМГ, имеющие следующие характеристики:
управляющее напряжение на катушку - 12-229в постоянного и 110-220
переменного тока, силовых контактов 1-3, вспомогательных- до 4. КМГ
предназначены для управления электродвигателями мощностью до 3квт при
напряжении не более 380в при номинальном токе порядка 6.3а. Выпускаются
также бесконтактные пускатели на тиристорах и семисторах, например, БПР-2 и
БПР-3.
Бесконтактный реверсивный пускатель ПБР-2М предназначен для
управления однофазными цепями напряжения 220 в. Максимальный
коммутируемый ток - 2а.; входное сопротивление не менеее 750 ом. Напряжение
источника
питания
цепей
управления
22-26в.
(среднее
значение
двухполупериодного выпрямленного тока). На входы 7,9 подается отрицательный
потенциал. Выход "D" - выход внутреннего источника напряжения для построения дистанционного управления. Схема подключения и внутреннее устройство
ПБР-2М приведено на рис.3.6.
56
ХС
ПБР-2
Цепь
Сеть 220
Сеть 220
Меньше
Среднее
Больше
Эл. маг.
ХС
Контакт
7
8
9
10
Цепь
Меньше
Среднее
Больше
Выход Д
Логическая
схема
управления и
защиты
Контакт
1
2
3
4
5
6
Рис.3.6 Схема подключения ПБР-2
При подключении пусЦепь управления К2
ковых
уст"вперед"
ройств испольК2
К1
зуется автомаЦепь управления
Конечный
"назад"
тическая
завыключатель
щита от аварий
переднего
положения
и
запретноРис. 3.7 Схема блокировок ИМ
резрешительная
блокировка, которая устраняет возможность
неправильных
или
несвоевременных
Q
включений и отключений механизмов,
несоблюдения очередности пуска и остановки,
FU KK1 KK2
нарушения
защиты
объекта.
Схемы
U
блокировок
устанавливаются
в
маломощной
СТОП
K1
ПУСК
цепи управления пускателями. Фрагменты
цепи блокировки перемещения вперед при
достижения крайнего положения и цепи
KK1
KK2
K1
взаимной блокировки движений вперед и
K1.1
назад представлены на рисунке 3.7.
М
Силовые цепи снабжаются плавкими
предохранителями (FU), тепловыми реле
защиты
(КК),
токовыми
(КА)
и
Рис.3.8 Схема пусковой цепи
двигателя
выключателями (Q). Пример построения
пусковой
цепи
3х-фазного
двигателя
представлен на рисунке 3.8.
К1
57
3.4. Вспомогательные устройства
К вспомогательным устройствам относятся:
дистанционный указатель положений (ДУП) предназначенный для
дистанционного указания положения вала ИМ, имеющего индуктивный или
реостатный датчик,
блоки ручного управления (БРУ), предназначенные для ручного
переключения с автоматического режима управления ИМ на ручное,
кнопочного ручного управления ИМ, индикации положения РО и
индикации выходного сигнала регулирующего устройства с импульсным
выходом.
Внутреннее устройство дистанционного указателя положения и схема его под ключения к внешнему датчику положения регулирующего органа размещенного
в исполнительном меДУП
ханизме представлена
на рис. 3.9. Схема
Блок
внешних соединений
питания
исполнительного мехаЦепь
Контакт
низма типа МЭО, ПБРСеть 220 1
Сеть 220 2
2М и ДУП приведена
Дат. н
3
на рис.3.10. На рисунке
Дат ср.
4
отсутствуют
цепи
Дат. к.
5
защит, блокировок и
ручного управления.
Рис.3.9 Схема подключения ДУП
58
ПБР-2
ХС
ХС
Контакт
7
8
9
10
ДУП
Цепь
Меньше
Среднее
Больше
Выход Д
Цепь
Сеть 220
Сеть 220
Меньше
Среднее
Больше
Эл. маг.
Цепь
Сеть 220
Сеть 220
Дат. н
Дат ср.
Дат. к.
Контакт
1
2
3
4
5
6
Контакт
1
2
3
4
5
Для перемещения исполнительного механизма
МЭО необходимо или подать –24в на контакт
7(9) ПБР-2 относительно контакта 8 или
соединить выход внутреннего источника
питания (контакт 10) с контактом 7(9).
Рис.3.10 Схема соединений МЭО, ПБР и ДУП
МЭО
Контакт
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
Цепь
Средний
Меньше
Меньше
Средний
К. выкл.
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
Дат. н.
Дат. ср.
Дат к.
Дат. н.
Дат. ср.
Дат к.
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
К. выкл
Эл. маг.
Больше
М
Y
59
3.5. Характеристики исполнительного механизма постоянной скорости
Исполнительный механизм постоянной скорости подключается к выходу
релейного элемента. Поэтому его структуру можно представить как
последовательное соединение трехпозиционного нелинейного элемента и
интегрирующего звена. Их совместная характеристика - зависимость выходной
величины от входного воздействия в общем виде имеет вид представленный на
рисунке 3.11, где
- входное воздействие, Н - зона нечувствительности, В зона возврата, SН,
- номинальная скорость и перемещение ИМ соответственно.
Обычно нелинейная характеристика определяется пусковым устройством ИМ.
Механизм может находиться в трех состояниях.
1.
d
dt
S Н при
2.
d
dt
S Н при
Н
;
2
Н
2
;
d
Н
0 при
В ;
2
dt
4. Перемещение ИМ в зоне возврата определяется знаком производной
(направлением изменения) входного воздействия.
3.
SН
В
H
Рис.3.11 Характеристика 3позиционного элемента
Характеристика
ИМ
не
линейна.
Характеристику близкую в среднем к линейной
можно
получить,
если
использовать
импульсный режим работы исполнительного
механизма (ИМ). Действительно, пусть на ИМ
поступает импульсный сигнал z(t) единичной
амплитуды и следующими параметрами
импульсов:
- длительность импульса, Tпериод
следования
импульсов,
T
-
скважность следования импульсов (Рис. 3.12).
При каждом импульсе ИМ перемещается на величину h с номинальной
h
d
скоростью SН=
= =ОА/ . Средняя скорость S=ОА/T=Sн /T=Sн . Тогда для
dt
среднего значения выходного сигнала
с р получим уравнение
d
ср
dt
Sн ,
которое является уравнением интегрирующего звена с передаточной функцией
W(p)=Sср ./p. Таким образом, ИМ постоянной скорости, работающий в импульсном
режиме может быть представлен интегрирующим звеном с передаточной
функцией W(p)=Sср ./p.
60
Z
t

T
SН
A
Sср
t
0
Рис. 3.12 Перемещение ИМ постоянной скорости
61
4. РЕГУЛЯТОРЫ
4.1 Регуляторы прямого действия
4.2 Двухпозиционные регуляторы
4.3 Аналоговые регуляторы
4.4 Аппаратная реализация функциональных узлов
регуляторов
4.5 Регуляторы с исполнительным механизмом
постоянной скорости
4.6 Агрегатные комплексы средств автоматизации
4.7 Цифровые системы управления и регулирования
Электронные регуляторы широко используются для создания локальных
систем регулирования различных технологических параметров. Регулирование
ведется по релейному, П, ПИ, ПИД законам регулирования. Устройства имеют
разные принципы действия, разное исполнение и условия эксплуатации.
Инженер в области автоматизации должен знать принцип действия
различных регуляторов, их устройство, методы сопряжения с датчиками и
исполнительными механизмами, уметь находить неисправности.
Цель главы – ознакомление с принципом действия и устройством
различных типов электронных регуляторов.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ
принципы построения релейных, и аналоговых П, ПИ, ПИД регуляторов,
принцип действия П, ПИ, ПИД регуляторов с исполнительными
механизмами постоянной скорости,
классификацию приборов по роду используемой энергии носителем
информации,
функциональный состав агрегатных комплексов и устройство входящих в
них регуляторов,
состав и принцип действия функциональных узлов регуляторов.
Регуляторы по принципу функционирования можно разделить на регуляторы
прямого действия и непрямого действия, которые, в свою очередь, можно
разделить на три группы по виду управляющего сигнала на выходе:
1. Позиционные регуляторы, выходные сигналы которых могут принимать 2,3 и
более дискретных значения (2,3 позиционные).
2. Аналоговые регуляторы, у которых на выходе присутствуют непрерывные
аналоговые сигналы.
3. Аналого-импульсные (импульсные) регуляторы, управляющие сигналы на
выходе которых представляют собой последовательность импульсов.
62
4.1. Регуляторы прямого действия
В регуляторах прямого действия не
требуется
специальных
внешних
1
источников питания. Поэтому в них
отсутствуют такие элементы как усилители
2
и исполнительные механизмы. Примером
3
может служить регулятор давления
4
прямого действия представленный на
Рис. 4.1 Регулятор
рисунке 4.1. Регулятор содержит гибкую
давления прямого
мембрану,
выполняющую
функции
действия
чувствительного элемента и элемента
сравнения. Жесткий центр мембраны
подпружинен и соединен штоком с клапаном, представляющим регулирующий
орган. Пружина выполняет функцию задатчика. Задание устанавливается с
помощью гайки, которая изменяет жесткость пружины. Регулируемая величина
давления после клапана подается в мембранную полость. Таким образом, на
мембрану с одной стороны действует давление контролируемой среды, с другой пружина. Условие равновесия PS Cl или в приращениях P P C(l l ) , где P давление, S - площадь диафрагмы, С- жесткость пружины, l-смещение штока.
S
l
P
Таким образом,
и в системе реализуется пропорциональный
C
регулятор (П-регулятор).
Подобным образом строится регулятор расхода. Для этого в трубопроводе
устанавливается сужающее устройство и верхняя полость сравнивающего
устройства соединяется трубкой с пространством перед сужающим устройством,
а нижняя полость соединяется с пространством за сужающим устройством. При
увеличении расхода давление в нижней полости падает. Под действием разности
давлений шток рабочего органа переместится вниз уменьшая расход.
Промышленностью выпускаются регуляторы давления (РД), расхода (РР),
универсальные регуляторы(УРРД). Для реализации регулятора температуры по
расходу теплоносителя верхняя полость сравнивающего устройства соединяется
трубкой с термобаллоном.
63
4.2. Двухпозиционные регуляторы
Двухпозиционными регуляторами называются регуляторы, выходная
величина которых может принимать два установившихся значения. Статическая
характеристика двухпозиционного регулятора без зоны неоднозначности имеет
вид:
XP
Q если
0 если
0
0
, где Q - номинальное воздействие на объект управления,
- величина рассогласования, равная разности сигналов
датчика и задатчика (рис.4.2а).
Статическая характеристика
неоднозначности имеет вид:
XP
Q если
a
0 если
a
Q если
a
0 если
a
d
dt
d
a и
dt
a и
двухпозиционного
регулятора
с
зоной
0
, где 2a - ширина зоны неоднозначности,
0
t - текущее время ( рис. 4.3а).
XP
B1
XP
Q
B2
a)
b)
Рис.4.2 Статическая характеристика регулятора без зоны неоднозначности
XP
B1
XP
Q
2a
B2
2a
a)
b)
Рис.4.3 Статическая характеристика регулятора с зоной неоднозначности
64
При исследовании систем автоматического управления с релейным
регулятором за исходное (нулевое) состояние системы принимается ее условно
установившееся состояние, при котором регулируемая величина равна заданному
значению, а входное воздействие на объект равно условному непрерывному
значению Q0 , обеспечивающему сохранение равновесного установившегося
состояния. Тогда регулирующее воздействие регулятора на объект в приращениях
от условно установившегося состояния можно записать:
B1 если
B2 если
XP
Очевидно,
0
0
B1
a
B1 если
a
B2 если
При B1
B2
Для регулятора с зоной неоднозначности
a
B2 если
XP
Q.
B2
B1 если
для регулятора без зоны неоднозначности (рис. 4.2б).
a
B
d
0
dt
d
aи
0
dt
aи
, где 2 a -ширина зоны неоднозначности.
получаем симметричную статическую характеристику.
Зона неоднозначности в величинах регулируемого параметра равна
2a
U ср
U от
K
,
где U CP - порог срабатывания релейного устройства, U OT - порог отпускания
релейного устройства, K - коэффициент передачи цепи от точки измерения
регулируемого параметра до входа релейного регулятора.
Релейный регулятор часто имеет характеристику представленную на рис.
4.4. Если при настройке двухпозиционного регулятора заданное значение
регулируемой величины уменьшить относительно действительного значения на
величину
1
U
2K от
U ср , то характеристика приводится к виду рис.4.3б.
Сам релейный регулятор может быть выполнен на элементной базе
различной природы. В качестве двухпозиционного регулятора часто используют
датчики-реле. Для построения релейного регулятора подключают также выход
нормирующего преобразователя ко входу релейного элемента. В качестве
релейного элемента используют реле, микросхему триггера Шмитта, охваченный
слабой положительной обратной связью усилитель постоянного тока, обычно
выполненный на операционном усилителе. В случае использования реле
характеристики ( U от и U ср ) определяются ее паспортом. Напомним, что
отношение напряжения отпускания реле к напряжению срабатывания называется
коэффициентом возврата.
Структурная схема системы автоматического регулирования с
двухпозиционным регулятором имеет вид представленный нарис.4.5.
65
XP
XP
U
ЗАДАН
Q
Uот/K
WP(p)
Uср/K
Рис.4.4 Статическая характеристика
релейного элемента
WОБ(p)
K
Рис. 4.5. Структурная схема системы
автоматического регулирования с
двухпозиционным регулятором
4.2.1. Процесс регулирования в системе с двухпозиционным
регулятором
Рассмотрим процессы при регулировании объекта без самовыравнивания
но с запаздыванием. При поступлении на вход такого объекта управляющего
воздействия В регулируемая величина на выходе объекта изменяется по
закону X K ОБ Bt с задержкой на время . Пусть в начальный момент времени
(рис.4.6) регулируемая величина при управляющем воздействии В2 достигла
нижней
точки
срабатывания
ll
N
релейного элемента (-а). На входе
объекта
управления
появится
a
управляющий сигнал В1. Однако,
из-за запаздывания на время
регулируемая
величина
будет
уменьшаться еще на величину
M
L
X K ОБ B2 достигнув точки М.
-a
Затем
регулируемая
величина
увеличивается, пока не достигнет
X1
верхнего порога срабатывания (а).
Время, требуемое для изменения
регулируемой величины от точки М
до порога срабатывания регулятора
Рис.4.6. Процесс регулирования для
объекта без самовыравнивания
X 2a
K ОБ B1
(точка N) равно
длительность включения воздействия В1 равно
Аналогично вычисляется длительность воздействия В2.
t1
1
B2
B1
,
а
2a
.
K ОБ B1
66
Рассмотрим процессы при
регулировании объекта с
самовыравниванием и
запаздыванием. При
поступлении на вход объекта
управляющего воздействия В
регулируемая величина на
выходе объекта изменяется по
экспоненциальному
КОБВ1
N
a
L
M
-a
t
X1
закону X (t ) K ОБ B(1 e T ) с
-КОБВ1
задержкой на время . Пусть в
начальный момент времени
(рис.4.7.) регулируемая
Рис.4.7. Процесс регулирования для объекта
с самовыравниванием
величина при управляющем
воздействии В2 достигла
нижней точки срабатывания релейного элемента (-а). На входе объекта
управления появится управляющий сигнал В1. Однако, из-за запаздывания на
время регулируемая величина будет уменьшаться еще на величину X ,
достигнув точки М. Определим изменение выходной величины на участке
изменения LM.
Общее решение дифференциального уравнения, описывающего поведение
t
объекта первого порядка, имеет вид: X (t ) Ce T D , где C и D находятся из
начального и конечного условий. Для движения между точками L и M эти
K ОБ B2 при t
условия равны: X a при t 0 и X
. С учетом начального и
конечного условий на участке LM получим: X (t ) ( K ОБ B2 a)e
t
T
K ОБ B2 .
В точке
M значение регулируемой величины равно X 1 X ( ) ( K ОБ B2 a)e T K ОБ B2 . Затем
регулируемая величина увеличивается, пока не достигнет верхнего порога
срабатывания (а).
Определим время, в течение которого регулируемая величина изменяется от
X1 до верхнего порога регулятора (а). На этом участке изменений начальное и
конечное условия равны: : X X 1 при t 0 и X K ОБ B1 при t
. С учетом
начального и конечного условий на участке MN получим:
t
T
, требуемое для изменения регулируемой
величины от точки М до N находится из уравнения
X (t )
a
(X1
X( )
время
равно t1
K ОБ B1 )e
(X1
T ln
K ОБ B1 )e
K ОБ ( B1
.
K ОБ B1 . Время
T
K ОБ B1 . Решая
B2 ) ( K ОБ B2
K ОБ B1 a
a )e
T
это уравнение относительно найдем
. Полное время включения воздействия B1
Подставляя найдем длительность положительного
67
воздействия: t1
T ln
K”‡ B1
B2
K ОБ B2
K ОБ B1
a
e
T
Аналогично вычисляется время
a
t2 отрицательного воздействия управляющей величины B2.
Подобным образом проводится анализ работы двухпозиционного
регулятора для любых объектов.
4.2.2. Характеристики систем с двухпозиционными регуляторами для
различных типов объектов
Объект без самовыравнивания имеет передаточную
функцию
Wоб Kоб / p . При поступлении на вход объекта величины X p =B регулируемая
величина будет изменяться по прямой X Kоб Bt .
При симметричной статической характеристике с зоной неоднозначности
установившийся режим имеет следующие характеристики:
диапазон колебаний регулируемой величины X 2a ,
диапазон положительного t1 и отрицательного t 2 импульсов t1 t 2
2a
K об B
,
Kоб B
.
2a
частота переключений в единицу времени n
Для несимметричной статической характеристики регулятора установившийся
режим характеризуется следующими величинами:
длительностью положительного t1
периодом колебаний T
2a
K об
1
B1
2a
K об B1
и отрицательного импульсов, t 2
1
, частотой переключений n
B2
2a
K об B2
Kоб B1 B2
a B1
B2
,
.
Одноемкостный объект с самовыравниванием имеет передаточную
функцию
Wоб p
Kоб
. В установившемся состоянии при поступлении на вход объекта
Tp 1
ступенчатой постоянной величины B регулируемая величина будет меняться по
закону X
K об В 1
t
T
e .
При симметричной статической характеристике регулятора имеем:
диапазон колебаний регулируемой величины
длительность импульсов регулятора t1 t 2
TК
2T ln
K об B a
, частота переключений n
K об B a
X
T ln
2
TК
2a
K об B a
K об B a
Kоб B a 1
t1
T
e ,
, период колебаний
.
Если статическая характеристика регулятора не симметрична то:
диапазон колебаний регулируемой величины сохраняется,
68
длительности
положительного
соответственно
t1
T ln
Tк
T ln
K об B1
K об B1
a
a
и t2
T ln
Kоб B1
a Kоб B2
a
Kоб B1
a Kоб B2
a
Kоб B2
Kоб B2
и
a
a
отрицательного
импульсов
равны
, а период установившихся колебаний
.
Уменьшение зоны неоднозначности и увеличение энергии, коммутируемой
регулятором приводит к уменьшению периода колебаний и увеличению числа
переключений за единицу времени. Увеличение постоянной времени объекта
снижает частоту колебаний.
Объект без самовыравнивания с запаздыванием имеет передаточную
функцию W ( p)
Kоб
p
e
p
, где - время запаздывания.
При симметричной характеристике регулятора длительности положительного и
отрицательного импульсов равны t1 t 2 2
Частота переключений
величины X
2a
K об B
n
2a
K об B
a
K об B
,
а период Tк
4
a
K об B
.
, а диапазон колебаний регулируемой
Kоб B .
Если регулятор не имеет зоны неоднозначности, то Tк
,n
4
1
,
2
X
2 Kоб B
.
При наличии постоянного по величине возмущающего воздействия f на объект
регулирования в законе регулирования появляется дополнительная погрешность
Kоб f .
Если регулятор имеет несимметричную характеристику, то длительности
положительного и отрицательного импульсов равны соответственно:
t1
1
B2
B1
2a
,
K об B1
t2
1
B1
B2
2a
.
K об B2
Период колебаний и частота
переключений будут соответственно равны:
Tк
2
B1
B2
B2
B1
2a 1
K об B1
1
B2
,
n
2 K об B1 B2
B1
B2 2a
K об
B1
B2
.
Положительная и отрицательная амплитуды колебаний регулируемой величины
равны: X 1 a Kоб B1
и
X 2 a Kоб B2 . Диапазон колебаний составит
X 2a Kоб B1 B2 .
величину
Так как положительная и отрицательная
амплитуды колебаний не равны, то среднее значение регулируемой величины
отличается от нулевого на величину 0 Kоб B1 B2 , что необходимо
учитывать при установке задания регулятору.
Передаточная функция объекта с самовыравниванием и запаздыванием
p
имеет вид
Wоб ( p)
Kоб e
Tp 1
. При симметричной характеристике регулятора
длительности импульсов и период колебаний равны соответственно:
69
t1
t2
T ln
2 Kоб B
e
Kоб B a
T
Tк
,
Kоб B a
2
T ln
Диапазон колебаний регулируемой величины X
2 Kоб B
e
Kоб B a
T
Kоб B a
e
2 Kоб B 1
ae
T
T
.
В случае несимметричной статической характеристики длительность
положительного
импульса
равна
t1
Длительность отрицательного импульса
T ln
t2
T ln
Kоб B1
Tк
2
Kоб B2
T ln
Диапазон
Kоб B2 1
e
a
Kоб B1
колебаний
положительная
X2
B2
e
X
амплитуда
T
ae
T
Kоб B1
T
a Kоб B2
K об B1
X1
B2
K об B1
B2
Kоб B1
a
e
e
a
K об B1 a
K об B2
a
a
e
T
.
T
.
T
a
e
B2 1
Kоб B1 1
Kоб B2
Kоб B1
Период колебаний
Kоб B1
B2
e
T
2a e
ae
T
T
T
.
При
и
этом
отрицательная
.
Так как положительная и отрицательная амплитуды колебаний не равны, то
среднее значение равно
Kоб B1
B2 1
e
T
. Постоянную погрешность
устраняют путем коррекции задания регулятору. Аналогично, при поступлении на
объект постоянного возмущающего воздействия f в законе регулирования
появляется дополнительная постоянная погрешность
K об f 1
e .
T
70
4.3 Аналоговые регуляторы
При построении промышленных регуляторов широко используется
отрицательная обратная связь. Передаточная функция цепи с отрицательной
обратной связью, представленная на
рисунке 4.8 имеет вид
W1(p)
W ( p)
Woc(p)
W1 ( p)
1 W1 ( p)Woc ( p)
. При условии Woc
1
1
Woc ( p)
W1 ( p)
1
1
, W ( p)
.
W1 ( p)
Woc ( p)
Отсюда можно сделать вывод, что
при достаточно большом коэффициенте
передачи в прямой цепи звено обратной
связи практически полностью определяет передаточную функцию соединения
звеньев, охваченных отрицательной обратной связью. Это свойство широко
используется при построении регуляторов с различными характеристиками.
Рис. 4.8. Цепь с отрицательной
обратной связью
4.3.1 Аналоговый пропорциональный регулятор
Простейшим пропорциональным регулятором (П-регулятором) является
пропорциональное звено (усилитель), описываемое уравнением
и
K
имеющее передаточную функцию W(p)=K.
На практике такой регулятор часто соединяется с исполнительным
механизмом. Обычно исполнительным механизмом является интегрирующее
звено (электродвигатель, например) с передаточной функцией
1
pTим
, где ТИМ –
величина обратная скорости перемещения ИМ при единичном входном
воздействии. Для получения П-закона регулирования при последовательном
соединении усилителя и интегрирующего звена они охватываются отрицательной
обратной связью как показано на рисунке 4.9, тем самым включая ИМ в состав
регулятора.
Для
организации
1
обратной связи по
K
Тимр
положению
ИМ
используется его
датчик положения.
При использовании
Kос
резистивного
датчика положения
ИМ,
Рис.4.9. Структура пропорционального
представляющего
регулятора с интегрирующим звеном
собой реостат, и
71
единичном усилении его выходного сигнала К ОС
U ПИТ
, где UПИТ – напряжение
П
питания реостата, ФП – полный угол поворота ИМ.
Действительно, в этом случае для передаточной функции регулятора можно
1
записать W(P)= K
ос
1
pTим
KKос
K рWб ( p)
Kр
1
1
Kос . Передаточная функция такой
цепи
равна
произведению
передаточной
функции
пропорционального звена и
балластного апериодического
звена, представляющего собой
реальная
инерционное звено первого
порядка.
Для
уменьшения
влияния балластного звена
t
необходимо
увеличивать
коэффициент
передачи
Рис.4.10. Идеальная и реальная переходусилительного
звена
К.
ные функции пропорционального регуКоэффициент
передачи
лятора с интегрирующим звеном
определяется усилением в цепи
обратной связи. Параметром
настройки регулятора является коэффициент усиления звена обратной связи. Его
изменение приводит к изменению коэффициента передачи регулятора и к
(t)
идеальная
изменению постоянной балластного звена TБ
TИМ
. При увеличении К ос
KK ОС
уменьшается коэффициент передачи регулятора и уменьшается постоянная
времени балластного звена и наоборот. Балластное звено демпфирует
кратковременные отклонения регулируемой величины, как показано на рисунке
4.10 переходной функции регулятора.
Например: при напряжении питания датчика 20в и полном угле поворота 1рад.
получим
Т им
10
Кос=20в/рад.,
сек в
и ТБ
рад
Кр=0.005рад/в.
сек в
рад
в
10 20
рад
Если
1
Tим
0 .1
рад
сек в
и
К=10, то
10
0.05сек .
4.3.2. Аналоговый интегральный регулятор
1
Tи
При интегральном законе (И-законе) регулирования
отклонение регулируемой величины от заданной,
При постоянном отклонении
0
0
t
Tи
dt , где -
- регулирующее воздействие.
. Если t Tи , то
0
. На практике И-
72
закон не используется, т.к. в системе при его применении получается большое
запаздывание. Он используется в сочетании с П-законом.
4.3.3. Аналоговый пропорционально-интегральный регулятор
Идеальный ПИ-регулятор описывается уравнением
1
1
K
dt K (
dt ) , где К-коэффициент передачи регулятора,
Tи
Tиз
Tи -постоянная времени интегрирования, Tиз - постоянная времени изодрома. При
0t
0t
K( 0
) K 0
ступенчатом воздействии 0 выходной сигнал равен
.
Tиз
Tи
2 K 0 . Таким образом, Tиз - время за которое выходной сигнал
При t= Tиз
достигнет значения равного удвоенного значения "П"-составляющей.
Функциональная схема
ПИ-регулятора состоит из параллельно
соединенных пропорционального и интегрального звена. Схема регулятора и его
реакция на ступенчатое воздействие представлена на рисунке 4.11.
(t)
WП(p)
2K
0
K
0
WИ(p)
TИЗ t
4.11.Структурная схема ПИ-регулятора с независимыми настройками
Параметры настройки такого регулятора независимы.
Возможно построение системы и с зависимыми настройками. В этом случае
передаточная функция будет иметь вид
K(
1
Tиз
dt ) . Структура такого
регулятора представлена на рисунке 4.12. Постоянная времени интегрирующего
звена равна времени изодрома.
В реальных условиях ПИ-регулятор
часто нагружают на исполнительный
механизм, представляющий собой
WП(p)
WИ(p)
интегрирующее звено. В этом случае
ИМ
необходимо
охватить
отрицательной обратной связью для
получения
эквивалентного
апериодического звена, как показано
4.12. Структурная схема ПИ-регулятора
на рисунке 4.13. Тогда передаточная
с зависимыми настройками
функция
регулятора
равна
73
1
pTим
1
1
1
1
W ( p) Wпи
Wпи
Wпи
Kос
Kос pTим
Kос pTб 1 . Из полученной
1
1
pTим
Kос
передаточной функции видно, что при реализации ПИ-закона в системе
появляется балластное звено. Таким образом, реальный ПИ-регулятор
отличается от идеального тем, что в функции передачи появляется
усилительное
1
pTИМ
Wпи(p)
апериодическое
звено
с
1
времени Tб
Kос
Tим
K ос
и
балластное
1
pTб
1
K ос
звено
.
постоянной
Переходная
функция реального регулятора с
балластным звеном в этом случае
4.13.Структурная схема ПИ-регулятора
имеют вид, представленный на
с интегрирующим звеном
рисунке 4.14. На практике для
синтеза ПИ-регулятора используются и другие схемы, например,
представленные на рисунках 4.15, 4.16.
K
КОС
Тр+1
t
Рис. 4.14. Переходная функция
регулятора с балластным звеном
K
1
рТИМ
1
pTИМ
Рис.4.15. Структурная схема ПИ-регулятора
Передаточные
функции
этих
регуляторов равны соотвествено:
T
1
(1
)W ( p)
Tим Kос
pT б
1
1
W ( p)
(1
)W ( p)
K ос
pT б
W ( p)
KОС Tp
1+pT
Рис. 4.16. Стуктурная схема ПИ-регулятора
Передаточные функции балластных звеньев определяются из структуры
регулятора.
74
4.3.4. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор
Уравнения, описывающие идеальный ПИД-регулятор имеют вид
1
Tи
K
dt
Tд
d
dt
K(
1
Tиз
dt
Tпв
d
)
dt , где
Тд- постоянная времени дифференцирующей цепи, Т пв- время предварения.
Для получения ПИД закона регулирования используют параллельное соединение
трех звеньев, соответствующих различным законам регулирования. На практике
d
реализовать дифференциальную составляющую Tд
весьма сложно, поэтому
dt
используют реальное дифференцирующее звено, удовлетворяющее уравнению
d
d
pK д Tд
Tд
Kд Tд
и имеющую передаточную функцию Wд
. При
pTд 1
dt
dt
использовании исполнительного механизма с передаточной функцией
1
pTим
структура регулятора буден иметь вид представленный на рис. 5.17.
Wпи ( p )
1
p Tим
pK д Tд
pTд
1
K ос
Рис.5.17. Структурная схема ПИД-регулятора с интегрирующим звеном
Передаточная
W ( p)
1
(( K
Kос
функция
pKд Tд
1
)
)
pTи
1 pTд
регулятора
1
T
1 p им
Kос
= (K
в
этом
1
pTи
равна
pTдWдв ( p))Wб ( p) ,
Wдв
где
Wб
случае
1
Kос
1
1 p
Tим
Kос
Kд
1 pTд
,
Kб
.
1 pTб
Таким образом, реальный
ПИД-закон
регулирования
t
t
Рис. 4.18. Переходные функции идеального и
реального ПИД-регуляторов
75
отличается от идеального наличием балластных звеньев: при самом ПИДрегуляторе и при его дифференцирующем звене. Переходные характеристики
идеального и реального регулятора представлены на рис 4.18.
76
4.4. Аппаратная реализация функциональных узлов регуляторов
4.4.1. Магнитные усилители
Одним из основных элементов регуляторов является пропорциональное
звено, т.е. усилитель постоянного тока с необходимым коэффициентом усиления,
который прежде всего должен иметь минимальный дрейфа нуля.
Поэтому во многих регуляторах для усиления сигналов используются
магнитные усилители. Принцип действия магнитных усилителей основан на
нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного
поля в ферромагнитных материалах. Простейшая конструкция магнитного
усилителя состоит из двух обмоток, размещенных на общем ферромагнитном
замкнутом
сердечнике.
(рис.4.19).
На
обмотку
UВЫХ
управления WУ поступает
входной сигнал постоянного
тока. Последовательно с
рабочей
обмоткой
WР
UВХ
WУ WР
RН UПИТ
включена нагрузка RН. На
рабочую обмотку через
сопротивление
нагрузки
подается
напряжение
питания переменного тока
Рис.4.19 Простейший магнитный усилитель
UПИТ . Падение напряжения
UВЫХ на
сопротивлении
нагрузки является выходным сигналом усилителя. Увеличение тока в обмотке
управления вызывает уменьшение магнитной проницаемости материала
ферромагнитного сердечника и, следовательно, индуктивного сопротивления
рабочей обмотки. При этом ток в рабочей обмотке, падение напряжения на
сопротивлении нагрузки и выходной сигнал усилителя увеличиваются.
Мощность, выделяемая в нагрузке, может во много раз превышать мощность
расходуемую в управляющей обмотке. Таким образом, схема обладает
усилительными свойствами. Недостаток простейшей схемы усилителя состоит в
том, что переменный магнитный поток, вызванный током рабочей обмотки,
наводит дополнительную Э.Д.С. в обмотке управления оказывая влияние на
источник входного сигнала. Другим недостатком является существенно
несинусоидальная форма выходного сигнала усилителя.
Для уничтожения ЭДС , наводимой в обмотке управления, используются
схемы магнитных усилителей с двумя одинаковыми сердечниками (рис.4.20).
Секции рабочей обмотки WР и обмотки управления WУ размещены на
каждом сердечнике. Секции управляющей обмотки соединяются последовательно
и встречно. Секции рабочей обмотки соединяются последовательно и согласно.
Поскольку сердечники и соответствующие обмотки сердечников
одинаковые происходит взаимная компенсация ЭДС, наводимой переменным
77
UПИТ
ФР
U~
RH
RН
WР
UВЫХ
WУ
UВХ
ФУ
UВХ
Рис.4.20 Магнитный усилитель на двух сердечниках и его схема
магнитным полем в цепи управления. Вследствие симметрии схемы обе
полуволны тока будут одинаковые.
Учитывая, что в
соседних
стержнях
ФР
сердечников магнитные
U
ПИТ
потоки
обмоток
RН
управления направлены
в одну сторону, а
магнитные
потоки
рабочих обмоток в
UВЫХ
противоположные
стороны,
обмотку
ФУ
управления
можно
выполнять
общей,
UВХ
охватывающей стержни
Рис.4.21 Магнитный усилитель с общей обмоткой управления обоих сердечников как
показано на рис.4.21.
Выполнение магнитного усилителя с обшей обмоткой управления возможно
и на Ш-образном сердечнике. Заметим, что рабочие обмотки могут включаться
параллельно, обеспечивая в нагрузке ток более приближающийся к
синусоидальному (рис 4.22).
Магнитные
усилители
характеризуются
следующими
параметрами:
коэффициентом кратности тока – отношением максимального тока в нагрузке к
току холостого хода, коэффициентом усиления по току и мощности, выходной
мощности, КПД и минимальным значением усиливаемой мощности.
78
U~
RH
WР
WУ
UВХ
Рис. 4.22 Магнитный усилитель с
параллельным соединением секций
рабочей обмотки
Характеристики
магнитных
усилителей зависят от размеров и
материала сердечников и параметров
обмоток. Так выходная мощность
усилителя может достигать несколько
киловатт, КПД обычно лежит в
пределах 0.6-0.98,
коэффициент
усиления по мощности обычно
составляет
величину
50-100.
Коэффициент кратности тока зависит
от материала сердечника и имеет
значения от 5 до 200. Минимальное
значение усиливаемой мощности
составляет 10-4-10-1 для сердечников
U~
U~
RH
RH
UВХ
UВЫХ
UВХ
Рис.4.23 Магнитные усилители с питанием нагрузки постоянным током
из трансформаторной стали и 10-8-10-6 для сердечников из сплавов с высокой
проницаемостью.
При
необходимости
питать
U~
нагрузку
постоянным
током
ZH
используются выпрямительные схемы
(рис.4.23),
обеспечивающие
RH
двухполупериодное выпрямление тока в
рабочей обмотке.
Характеристики магнитных усилителей
WP
могут быть существенно улучшены при
введении обратной связи с выхода
WОС
усилителя.
При
положительной
обратной связи, которая обычно
WУ
используется в магнитных усилителях,
UВХ
повышается коэффициент усиления и
улучшается быстродействие магнитного
Рис.4.24. Усилитель с внешней
обратной связью
79
усилителя. Для осуществления внешней
обратной связи в конструкции усилителя
U~
предусматривается
дополнительная
обмотка, размещаемая на сердечниках
усилителя. При внутренней обратной
RH
связи дополнительной обмотки не
требуется и сигнал в виде постоянной
WP
составляющей проходит через рабочую
обмотку.
Схема магнитного усилителя с
WУ
внешней обратной связью представлена на
UВХ
рис.4.24. В схеме нагрузка может быть
включена в цепь постоянного тока (RН)
Рис.4.25. Усилитель с
или в цепь переменного тока (ZН). В
обмотку обратной связи подается
внутренней обратной связью
выпрямленный ток нагрузки и, таким
образом, осуществляется обратная связь по току. Нагрузка переменного тока
включается до выпрямителя, который в этом случае служит только для
осуществления обратной связи. При подключении обмотки обратной связи
параллельно нагрузке включаемой в диагональ моста реализуется обратная связь
по напряжению. Пример построения магнитного усилителя с внутренней
обратной связью представлен на рис.4.25. Выпрямленный ток проходит по
рабочей обмотке, создавая положительную обратную связь.
В рассмотренных схемах простых однотактных магнитных усилителей
изменение полярности входного сигнала не влияет на выходной сигнал усилителя.
Реверсивные магнитные усилители отличаются тем, что при изменении
полярности входного
U~
сигнала
меняется
полярность выходного
сигнала или меняется
I2
на
1800
фаза
I1
выходного
ZH
напряжения
при
WP
питании
нагрузки
переменным
током.
WУ
Реверсивные
WСМ
магнитные усилители
UСМ МУ2
МУ1
собираются на основе
IСМ1
IСМ2
однотактных
усилителей, которые
IУ
включаются
таким
UВХ
образом, чтобы они
работали на общую
Рис.4.26. Дифференциальная реверсивная схема
магнитного усилителя
нагрузку встречно при
общем управляющем
80
сигнале.
Для
этого
отнотактные усилители
включаются
по
ZH
дифференциальной
3
2
(рис.4.26) или мостовой
4
1
схеме (рис.4.27). В части
WP
рабочей обмотки, где ток
смещения совпадает по
WУ
направлению с током
WСМ
управления, ток текущий
UСМ МУ2
МУ1
через
нагрузку
IСМ1
IСМ2
существенно больше, чем
в другой части рабочей
IУ
обмотки,
где
токи
UВХ
смещения и управления
Рис.4.27. Мостовая схема реверсивного магнитного
противоположны.
усилителя
Разность
токов,
протекающих через левую
и правую части рабочей обмотки, определяет ток через нагрузку. Пример
мостовой схемы реверсивного магнитного усилителя приведен на рис 4.27.
Секции рабочей обмотки являются плечами моста. Питание усилителя подается в
одну диагональ моста составленного из секций рабочей обмотки, а нагрузка
включена в другую диагональ. Секции рабочей обмотки имеющие малое
сопротивление при заданном значении входного сигнала включаются в
противоположные плечи моста.
Таким образом, реверсивный магнитный усилитель можно рассматривать
как преобразователь входного постоянного напряжения в пропорциональное ему
переменное напряжение, т.е. как модулятор.
При необходимости питания нагрузки реверсивного усилителя постоянным
током в цепь рабочей
обмотки устанавливаются
U~
диодные мосты включенные
встречно. Цепь рабочей
обмотки в этом случае
может быть выполнена как
показано на рис 4.28. При
RH
этом каждыйдиодный мост
неизбежно
шунтирует
сопротивление
нагрузки
WP
WP
пропуская через себя часть
выходного тока другого
моста. Для уменьшения
шунтирования в диагональ
RБ
RБ
каждого
моста
Рис.4.28. Цепь рабочей обмотка реверсивного
последовательно
с
усилителя с выходным постоянным током
U~
81
нагрузкой вводится балластное сопротивление RБ, которое снижает КПД
усилителя.
Uвх
Uвх
Uвых
Uвых
~ Uопор
~ Uопор
Рис. 4.29 Схемы модуляторов
4.4.2. Модуляторы, усилители, демодуляторы
Заметим, что основным элементом регуляторов является усилительное
звено. Часто для борьбы с дрейфом нуля оно строится по схеме модулятор усилитель-демодулятор.
Модуляторы обеспечивают прерывание постоянного входного с игнала с
фиксированной частотой внешнего опорного сигнала, что необходимо для
восстановления после усиления знака входного сигнала. Они имеют входы
переменного опорного напряжения и постоянного сигнального напряжения или
тока и могут быть выполнены на различной элементной базе. Примером
реализации модулятора на магнитном усилителе может служить схема
приведенная на рис 4.26 с трансформатором установленным в цепи нагрузки.
Переменное напряжение питания магнитного усилителя является опорным
напряжением. Наиболее часто в качестве модулятора используются схемы
прерывателей на транзисторах. Типовые схемы таких модуляторов представлены
на рис. 4.29. Информация о знаке сигнала содержится в его фазе относительно
опорного генератора.
Для усиления сигнала используются операционные усилители в
инвертирующей или неинвертирующей схеме включения (рис.4.30).
Коэффициенты усиления схем равны соответственно
R1
R2
R2
R
и1 2.
R1
R1
R1
UВХ
UВЫХ
R2
UВХ
Рис. 4.30 Инвертирующий и неинвертирующий усилители
UВЫХ
82
Операционные усилители также используются в регуляторах для
построения сумматоров и релейных (пороговых) элементов, преобразующих
аналоговый сигнал в дискретный (Рис.4.31). Релейный элемент представляет
собой операционный усилитель в ключевом режиме охваченный слабой
положительной обратной связью.
UВХn
R2
R2
R1
UВХi
UВХ1
UВХ
Ri
UВЫХ
UВЫХ
Рис.4.31 Сумматор и релейный элемент
Коэффициент передачи сумматора равен K
n
i 1
релейного элемента равный
U ВХ
U ВЫХ
R1
R2
R2
, а порог срабатывания
Ri
определяет ширину петли
гистерезиса. Положение петли гистерезиса может быть изменено подачей
смещения на инверсный вход операционного усилителя.
Демодулятор, предназначенный для преобразования сигнала переменного
тока в постоянное напряжение, представляет собой фазочувствительный
выпрямитель (фазовый детектор). Для функционирования он имеет вход сигнала
и вход опорного напряжения и выполняется на диодном мосте или транзисторной
схеме, обеспечивающей прохождение одного полупериода сигнала в зависимости
от его фазы относительно опорного сигнала. Типовые схемы представлены на
рис.4.32.
Uвых
Uвых
~Uвх
~Uвх
~ Uопор
~ Uопор
Рис. 4.32 Схемы демодуляторов
83
4.4.3. Дифференциаторы и интеграторы
Для реализации дифференцирующих и интегрирующих звеньев обычно
используют операционный усилитель. На рисунке 4.34 представлены простейшие
типовые схемы дифференциатора
и интегратора. Передаточная функция
Kp
, где К= R1C и T= R0C.
Tp 1
1
Передаточная функция интегратора равна W ( p)
, где T=RC.
Tp
дифференцирующей цепи равна W ( p)
R1
UВХ
R0
C
C
UВХ
R
UВЫХ
UВЫХ
Рис. 4.34. Типовые схемы диффренцирующих и
интегрирующих звеньев
Заметим, что в промышленных регуляторах часто используются не
микросхемы операционных усилителей, а блоки, реализующие функции
операционных усилителей и обладающие большей линейностью. Они используют
модуляционный принцип усиления, при котором входной сигнал модулирует
амплитуду синусоидальных колебаний генератора путем воздействия на
параметры его контура. Выпрямленный сигнал генератора является выходным
сигналом усилителя.
84
4.5. Регуляторы с исполнительным механизмом постоянной скорости
4.5.1. Пропорциональный регулятор
Структурная схема пропорционального регулятора с интегрирующим
исполнительным механизмом (ИМ) представляет собой последовательное
соединение усилительного и интегрирующего звеньев, охваченных
отрицательной обратной связью. Передаточная функция регулятора равна
произведению передаточной функции пропорционального звена (П-регулятора) и
передаточной функции балластного звена. При большом коэффициенте усиления
в прямой цепи балластным звеном можно пренебречь и передаточная функция
регулятора определяется коэффициентом передачи звена обратной связи.. При
использовании в цепи обратной связи пропорционального звена с передаточной
функцией Wос ( p)
W ( p)
1
К ос передаточная функция всего регулятора равна
K ОС . Сигнал обратной связи по положению ИМ обычно снимается с
его реостатного датчика.
Исполнительный механизм постоянной скорости представим в виде
последовательного соединения трехпозиционного релейного элемента и
интегрирующего исполнительного механизма с передаточной функцией
WИМ ( p)
2
pT , где Т- время полного перемещения исполнительного механизма
на один оборот.
Рассматривая релейный элемент как усилительное звено с очень высоким
коэффициентом усиления (в рамках метода гармонической линеаризации)
пропорциональный регулятор с ИМ постоянной скорости представить в виде
последовательно
соединенных трехпозиционного релейного элемента и
исполнительного механизма постоянной скорости охваченных отрицательной
обратной связью (Рис.4.34). Выходной сигнал трехпозиционного регулятора U
принимает три значения: 0, U0 и поступает на пускатель ИМ. U 0 должен быть
достаточен для управления пускателем, а направление перемещения определяется
знаком напряжения. На рис.4.34 обозначено: Н- зона нечувствительности, В зона возврата.
Рассмотрим работу регулятора. Пусть в начальный момент времени сигнал
рассогласования 0, равный разности сигналов задатчика VЗ и датчика
измеряемого параметра VД, равен сигналу обратной связи с выхода датчика
положения ИМ 0. Сигнал на входе релейного элемента
на выходе релейного элемента также равен 0 и ИМ стоит.
0
0
0 . Сигнал
85
U
U
ИМ
В
КОС
Н
Рис.4.34. Структура П-регулятора с ИМ постоянной скорости
При подаче на вход регулятора сигнала рассогласования
нелинейного элемента
равен
К ОС
0
0.
сигнал на входе
При входном сигнале
вызвавшем изменение
так, что
Н 2 , трехпозиционный элемент
сработает и включится исполнительный механизм. ИМ перемещает
регулирующий орган в сторону увеличения выходного сигнала
и уменьшения
. ИМ будет работать до тех пор, пока не станет
Н 2
В . При
выполнении этого условия ИМ отключится. Таким образом, при каждом
изменении сигнала рассогласования, когда
отклонение регулируемой величины
Н
2 , ИМ ликвидирует
от задания с точностью
установившемся состоянии
К ОС
Н
2. В
Н
2 . Так как обычно зона
Kос
или, используя
нечувствительности мала, то можно записать
преобразование Лапласа, E(p)= Kос *M(p). Передаточная функция регулятора
равна W ( p)
1
K ОС .
4.5.2. Пропорционально-интегральный регулятор
Для реализации ПИ-закона регулирования с исполнительным механизмом
постоянной скорости используется схема с трехпозиционным нелинейным
(релейным) элементом, охваченным отрицательной обратной связью через
инерционное звено первого порядка. Отрицательная обратная связь по
положению исполнительного механизма не используется. Выходной сигнал
трехпозиционного регулятора принимает три значения: 0,
U0, определяющие
перемещение ИМ (Рис.4.35). На рис.4.35 обозначено: порог срабатывания,
порог возврата,
-зона нечувствительности,
М
В
и
Б
В-
зоны возврата.
VВ -
86
Выходной
сигнал
релейного элемента поступает на
U0
вход управления ИМ, который
включается
в
структуру
VСР
VВ
VВ
VСР
регулятора. Цепь обратной связи
V
Б
M
представляет собой инерционное
В
В
звено
первого
порядка,
H
Выход "Б"
реализованное
в
виде
эквивалентной
RC
цепи
Рис. 4.35. Характеристика релейного элемента
имеющей, в общем случае,
различные постоянные времени
заряда Тзар и разряда Т раз конденсатора. В общем случае схема регулятора имеет
вид, представленный на рис. 4.36. Сравните с рис. 4.34. Рассмотрим реакцию
регулятора на ступенчатый входной сигнал.
Пусть в исходном состоянии сигнал рассогласования =0, сигнал обратной
связи с выхода инерционного звена
=0, сигнал на входе релейного
элемента
=0, U=0 и исполнительный механизм стоит.
При подаче на вход регулятора ступенчатого воздействия
0
H 2
трехпозиционный элемент срабатывает и на его выходе появляется сигнал U=U0
под воздействием которого включается ИМ. В начальный момент времени =0 и
далее начинает возрастать по экспоненте, стремясь к KU0 (рис.4.2.). Сигнал
обратной связи
возрастает по
U
экспоненте, а
по экспоненте
ИМ
уменьшается.
Начальная
скорость
изменения
называется скоростью связи Vсв ,
которая
равна
K
Vсв= d / dt =KU0/Tзар.
1 pT
U
Выход "М"
При
< H /2- В
трехпозиционный
элемент
переходит
в
нейтральное
состояние. Тогда UВЫХ=0 и ИМ отключается. Длительность первого импульса t1,
Рис. 4.36. Функциональная схема ПИ-регулятора
учитывая малость
, равна t1= 0/Vсв. Первый импульс реализует
Н и
пропорциональную составляющую выходного сигнала регулятора. За время
первого импульса ИМ переместится на величину угла
VИМ t1
VИМ 0
, где VИМ –
VСВ
скорость перемещения исполнительного механизма.
После того, как трехпозиционный регулятор вернулся в нейтральное
состояние, сигнал обратной связи
начинает уменьшаться по экспоненте, а
суммарный сигнал
на входе нелинейного элемента начинает по экспоненте
87
увеличиваться и при
> H /2 трехпозиционный элемент снова сработает. При
появлении сигнала U=U0 исполнительный механизм снова включится. При этом
начнет возрастать сигнал обратной связи
, а следовательно уменьшаться
.
Когда
станет меньше H /2- В трехпозиционный элемент возвратится в
нейтральное состояние и ИМ отключится. Таким образом, возникает
автоколебательный режим с длительностью импульса И и длительностью паузы
. В результате интегрирования исполнительным механизмом этой
последовательности формируется интегральная составляющая звена (регулятора).
Длительность последующих импульсов и пауз зависит от величины зоны возврата
и от параметров звена обратной
В , от значения сигнала рассогласования
связи.
П
0
t
0
Н/2
В
t
0
-KU0+
U
t
0
t
0
Рис. 4.37. Временная диаграмма процессов
в ПИ-регуляторе
88
Получим передаточную функцию ПИ-регулятора. Вычислим Коэффициент
передачи. Как было показано, перемещение ИМ за время первого импульса,
реализующего пропорциональную составляющую выходного сигнала равно
VИМ 0
. Тогда коэффициент передачи равен
VСВ
VИМ t1
VИМ
рад
в
K0
0
VСВ
рад
с
в
с
.
Заметим, что часто входной сигнал задается (указывается) не в вольтах , а в
процентах от 100-процентного сигнала, величина которого указывается в
паспортных данных регулятора. Скорость связи также часто задается в % . Если
c
перемещение
также измерять в процентах от максимального (полного
перемещения),
то
%
c
скорость будет иметь размерность
передачи будет безразмерной величиной равной
100 %
TИМ c VСВ
%
c
и коэффициент
, где ТИМ – время
полного перемещения исполнительного механизма.
Рассчитаем интегральную составляющую. Длительность последующих
импульсов определяется временем заряда эквивалентного конденсатора на
величину
и равна
В
В
И
VСВ
, так как VСВ определяет скорость заряда.
Рассчитаем длительность пауз. При реализации интегральной составляющей
напряжение на конденсаторе приблизительно равно 0 и поэтому скорость
разряда, определяющая длительность паузы равна VРАЗ
0
TРАЗ
, где ТРАЗ –
постоянная времени цепи разряда конденсатора. Тогда длительность пауз равна
Т РАЗ
В
П
VРАЗ
И
. Тогда средняя скорость перемещения ИМ VСР будет равна
0
. Поскольку длительность импульса значительно меньше длительности
И
VИМ
В
П
VИМ 0
.
VСВТ РАЗ
П
VИМ 0 t
Перемещение ИМ
и отношение перемещения к входному
VСВ Т РАЗ
VИМ t
t
K0
сигналу равно
. Суммирую пропорциональную и интегральную
VСВ Т РАЗ
TРАЗ
паузы, то VСР VИМ
И
составляющие перемещения и выполняя преобразование Лапласа получим
передаточную функцию ПИ-регулятора W ( p) K 0 1
временем изодрома.
1
.
pTРАЗ
ТРАЗ является
89
Таким образом, коэффициент передачи определяется скоростью обратной
связи, постоянная времени интегрирования – постоянной цепи разряда
конденсатора. При постоянном коэффициенте передачи длительность импульсов
определяется (регулируется) шириной зоны возврата. Длительность пауз при
постоянных И и К0 обратно пропорциональна входному сигналу.
На практике в регуляторах фактически используются два звена обратной
связи. Одно звено работает при включении трехпозиционного элемента, другое при отключении. Для этой цели в некоторых промышленных регуляторах
используется подключение RC цепи через неоновую лампочку как показано на
рис. 4.38. Поскольку выходной сигнал релейного элемента имеет величину
большую напряжения зажигания неоновой лампы заряд конденсатора идет через
сопротивление R2, а разряд - через сопротивление R1.
R1
R2
C
Л1
Выход "Б"
Входы
Релейный
элемент
Многовходовый
сумматор-усилитель
Выход "М"
Рис. 4.38. Подключение RC цепи
4.5.3. Формирование импульсного ПИД_закона регулирования
Для формирования импульсного ПИД-закона регулирования используется
предварительное суммирование прямого входного сигнала и сигнала прошедшего
дифференциатор. Полученная сумма сигналов подается на вход ПИ-регулятора
(рис. 4.39).
Рассмотрим
К д рТ д
1 рТ д
функционирование
д
такого регулятора.
Сигнал
на
входе
ИМ
трехпозиционного
элемента
равен
К
1 рТ
Рис. 4.39. Функциональная схема ПИД-регулятора
(
)
. Пусть
в
исходном
состоянии
д
90
t
д
t
=0, =0, =0,
исполнительный
механизм стоит.
При подаче на
вход регулятора
ступенчатого
воздействия
= 0> Н/2
трехпозиционны
й
элемент
срабатывает
и
включает
ИМ,
т.к. при этом
(
t
д
)
Н
2
,
где
ддифференциальн
ый
сигнал
рассогласования.
Сигнал обратной
Н
связи
возрастает по
t
экспоненте из-за
U
заряда
конденсатора в
RC
обратной
t
связи, при этом
по экспоненте
уменьшается.
При
< Н/2- в
трехпозиционны
t
й
элемент
Рис.4.40. Процессы в ПИД-регуляторе
переходит
в
нейтральное
состояние, тогда выходной сигнал релейного элемента U=0 и ИМ отключается.
Сигнал обратной связи начинает уменьшаться по экспоненте из-за разряда
конденсатора в RC цепи обратной связи. Параметры K д , Tд дифференциатора и
Tразр звена обратной связи подобраны так, что сумма
д уменьшается
значительно быстрее, чем .
Сигнал на входе релейного элемента уменьшается. В определенный момент,
когда
<- Н/2 трехпозиционный элемент сработает в другом
(
д)
направлении. На его выходе появится сигнал (-U0) отрицательной полярности и
ИМ начнет перемещаться в другую сторону. Во время отрицательного импульса
91
на RC цепь поступает сигнал отрицательной полярности и разряд конденсатора
происходит быстрее. При этом
быстро уменьшается, а
растет. При
>- Н/2+ В релейный элемент сработает и ИМ остановится.
(
д)
Количество импульсов включения ИМ в обратную сторону определяется
параметрами настройки регулятора. Т.к. T д<Tразр , то в какой-то момент времени
сигнал обратной связи станет меньше
станет
0 и суммарный сигнал
положительным и будет расти. При большем Н/2 релейный элемент сработает
в положительном направлении. При этом регулятор начинает работать как ПИрегулятор.
92
4.6. Агрегатные комплексы средств автоматизации
Агрегатный комплекс средств регулирования и управления - это
совокупность изделий, взаимосвязанных между собой по функциональному
назначению или области применения, конструкции, основным параметрам и
техническим данным. Каждый агрегатный комплекс создается на единой
конструктивной, элементной и технологической базе с использованием блочного
принципа построения. АК обеспечивает решение всех функциональных задач,
соответствующих назначению комплекса.
Промышленностью для построения систем автоматического управления и
регулирования используется ряд агрегатных комплексов электрических средств
регулирования и управления, которые обладают конструктивной, электрической и
функциональной совместимостью. По мере развития микроэлектроники АК
создавались на различной элементной базе. Наиболее распространенными
комплексами электрической ветви средств автоматизации являются АКЭСР и “
Каскад ”.
4.6.1. Функциональный состав агрегатных комплексов
АКЭСР - агрегатный комплекс электрических средств регулирования на
микроэлектронной базе. В состав комплекса входят:
релейные и аналоговые регулирующие устройства для формирования
П, ПИ, ПИД-законов регулирования;
функциональные преобразовательные устройства;
устройства оперативного управления, сигнализации и питания.
В частности АК содержит такие блоки как:
*
РБА - блок регулирующий аналоговый,
*
РБИ - блок регулирующий импульсный для работы с ИМ постоянной
скорости,
*
БВО – блок вычислительных операций для выполнения операций над
входными сигналами (умножения, деления, извлечения корня ),
*
БРУ – блок ручного управления, предназначенный для переключения с
автоматического на дистанционное управление объектом регулирования и
ручного дистанционного управления.
Агрегатный комплекс “АКЭСР-2” является дальнейшим развитием (второй
очередью) комплекса
АКЭСР и обладает лучшими техническими
характеристиками. В его состав входят такие блоки как:
*
РП4-( П3, Т3, С3, У3) – импульсный регулирующий блок с внешним
дифференциатором для работы с ИМ постоянной скорости; блок выпускался в
различных модификациях, (отличающихся входящим в него измерительными
модулями) позволяющими работать с дифференциально- трансформаторными
датчиками, термопарами, термометрами сопротивления, источниками
унифицированного сигнала;
93
*
БНП-2 - блок нелинейных преобразований, предназначенный для
демпфирования и нелинейного преобразования аналогового сигнала при
аппроксимации выходного сигнала кусочно-линейным методом;
*
БВО-2 - блок вычислительных операций для алгебраического суммирования
унифицированных сигналов с масштабированием и выполнения одной из
операций: умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения корня;
*
БДС - блок динамической связи, выполняющий суммирование до 4-х
унифицированных сигналов с масштабированием 3-х из них, сравнение с
сигналом задания, демпфирование и динамическое преобразование
результирующего сигнала (пропорционально-интегрально-дифференциальное).
Другими распространенными
комплексами являются "Каскад" и
"Каскад-2" - агрегатные комплексы щитовых электрических средств
регулирования.
АК предназначены для создания локальных и централизованных систем
контроля и автоматизации с относительно небольшим числом контролируемых
параметров. В состав комплекса "Каскад-2" входят:
регулирующие аналоговые и релейные блоки, работающие в комплекте с
измерительными блоками;
алгебраические блоки, предназначенные для выполнения операций
суммирование с предварительным масштабированием, умножения,
возведения в квадрат, деления, извлечения корня;
динамические
преобразователи
для
выполнения
операций
дифференцирования и интегрирования;
нелинейные блоки, формирующие функции вида ограничения и произвольной
монотонной нелинейности и применяющиеся для корректировки нелинейных
статических характеристик объекта и для установления области воздействия
сигнала;
логические блоки, осуществляющие операции аналого-релейного
преобразования, выделение максимального и минимального сигналов, что
позволяет их использовать в схемах синхронизации, сигнализации и защиты;
задающие устройства, выпускающиеся в виде токового задающего
устройства ( представляющего собой регулируемый активный источник тока)
и в виде потенциометрического задающего устройства (представляющего
собой пассивный потенциометр, работающий в комплекте с измерительным
блоком);
блоки ручного управления (БРУ), предназначенные для безударного
перевода регулятора на режим ручного управления и обратно, и для
управления процессом вручную;
усилители мощности, предназначенные для усиления аналогового сигналя 05мА и для усиления дискретного сигнала 0 24В;
вспомогательные устройства.
Регулирующие приборы выполняют также масштабирование и
суммирование различных входных сигналов, и прием сигнала задания. Они
обеспечивают усиление, демпфирование и индикацию сигнала рассогласования.
94
Регулирующие блоки
позволяют осуществлять П, ПИ и ПИД законы
регулирования и осуществлять ручное управление ИМ. Комплекс обеспечивает
управление электрическими однооборотными ИМ типа МЭО и МЭО-К с ИМ
постоянной скорости. В приборах предусмотрена индикация положения ИМ.
Функциональная структура системы управления обеспечивается путем
соединения необходимых функциональных блоков и установкой необходимых
перемычек на блоках.
В регуляторах АК "Каскад-2" за 100% входной сигнал в зависимости от
модификации принимаются: 0-5ма или 0-10в, изменение термосопротивления
(ТС) на 40ом, соответствующее изменению температуры на 1000С для ТС гр.23 с
характеристиками 50М и 100М, изменение термо-ЭДС на 10мв в пределах 0-50мв,
изменение взаимоиндуктивности на 10мГн. Диапазон изменения сигнала
задатчиков от -100% до +100%. Диапазон изменения зоны нечувствительности
составляет 0.4-4% от диапазона входного сигнала, времени интегрирования - 5500с. Минимальная длительность импульсов при минимальном коэффициенте
передачи равна 0.08-0.15с. Типовые значения коэффициента передачи в
зависимости от типа регулятора составляют 1-100, 0.3 – 10с/в.
4.6.2. Особенности реализации функциональных элементов в АК “Каскад-2”
В приборах системы “Каскад” широко используются операционные
усилители. На базе операционных усилителей, охваченных обратной связью,
построены регулирующие блоки, интеграторы, дифференциаторы, сумматоры.
Используемые в блоках операционные усилители относятся к классу
усилителей постоянного тока с управляемым генератором. Операционный
усилитель содержит варикапную мостовую схему и высокочастотный усилитель,
охваченные
обратной
связью через
трансформатор
(Рис.
4.41).
Знак и глубина
Выход
обратной связи
зависит
от
Вход 1
состояния
равновесия
мостовой
Вход 2
RН
схемы,
которая,
в
Рис. 4.41. Функциональная схема операционного усилителя
свою очередь,
зависит
от
величины входного сигнала. Если на вход 1 усилителя будет подано
положительное напряжение, то схема разбалансируется таким образом, что
обратная связь станет положительной, а в контуре генератора возникнет
генерация с амплитудой пропорциональной входному сигналу. Напряжение
95
генерации выпрямляется переходом база-эмиттер транзистора. Выпрямленное
напряжение усиливается транзистором и сглаживается.
Аналоговые усилители мощности представляют собой бесконтактные
тиристорные устройства с фазовым управлением; релейные усилители мощности
так же являются бесконтактными тиристорными усилителями.
Нелинейные блоки формируют функции вида ограничения и произвольной
монотонной нелинейности, которые применяются для корректировки нелинейных
статических характеристик объектов и для установления области воздействия
сигнала. Принципы выполнения нелинейных блоков различны и зависят от
выполняемой операции. Нелинейные блоки содержат нелинейные цепи,
сформированные с помощью полупроводниковых диодов.
Блоки умножения, деления и извлечения корня построены по принципу
время-импульсного преобразования сигналов. Принцип действия блока
умножения,
представлен на
К1
рис.
4.42.
R2
Входной сигнал
R1
постоянного
+
тока,
ШИМ
>>
UВХ1
представляющи
C1
й
один
из
D1
сомножителей,
поступает через
R3
R4
+
фильтр низких
частот,
C2
К2
образованный
UВХ2
элементами R1,
D2
UВЫХ
C1
на
>>
операционный
усилитель D1.
Выходной
Рис.4.42. Функциональная схема блока умножения
сигнал
усилителя подается на вход широтно-импульсного преобразователя, выходной
сигнал которого управляет ключами К1 и К2. С помощью ключа К1
преобразователь охватывается глубокой отрицательной обратной связью. При
этом скважность коммутации ключей К1 и К2 будет пропорциональна сигналу,
поданному на вход1. Ключ К2 модулирует по амплитуде сигнал, поданный на
вход 2. Поэтому среднее значение напряжения на входе фильтра, образованного
элементами R3, R4, C2 оказывается пропорциональным произведению сигналов,
поданных на вход 1 и вход 2. С помощью активного фильтра-усилителя это
напряжение сглаживается и преобразуется в выходной сигнал.
Логические операции выполняются с помощью диодов, реле,
транзисторных ключей.
Гальваническое разделение входных и выходных цепей в системе
выполняется с использованием трансформатора. Для этого операционный
96
усилитель выполняется с дополнительной обмоткой, выходной сигнал которой
детектируется. Другим способом, обладающим более высокой линейностью,
является использование принципа “ модуляция-демодуляция”.
4.6.3. Регулятор Р-17
В комплекс "Каскад" входит широко распространенный регулирующий
прибор Р-17. Р17 - блок аналогового регулирования, в котором осуществляется
алгебраическое суммирование с гальваническим разделением до 4 токовых
сигналов, введение сигнала задания от внутреннего корректора или внешнего
задатчика, формирование сигнала рассогласования, формирование ПИД-закона
регулирования и двухстороннего ограничения выходного сигнала. В комплекте с
блоком управления БУ-12 он позволяет осуществлять безударные переключения
режимов работы.
Имеются следующие модификации блока, отличающиеся входными
измерительными модулями:
Р17 - предназначенный для работы с унифицированными входными сигналами,
Р17.1 - для ввода сигналов дифференциально-трансформаторных датчиков,
Р17.2 - для работы с сигналами термосопротивлений и унифицированных
токовых сигналов,
Р17.3 - для работы с сигналом термопары и унифицированными сигналами.
Рассмотрим более подробно устройство и функционирование
регулирующего блока. Регулятор Р17 реализует закон регулирования с
передаточной функцией W ( p)
K
1
1 pT™
1
pTИЗ
pT• р ,
где, Т●р, Тиз, Тф –
соответственно: постоянная времени предварения, постоянная времени изодрома,
постоянная времени входного фильтра.
Регулятор Р17 состоит из
*
модуля измерительного типа И0011 (Рис.4.43);
*
модуля регулирующего типа Р017.1;
*
источника питания ИПС.
Измерительный модуль имеет 3 гальванически развязанных между собой
токовых входа, с которых сигналы поступают на модули 1-3, где модулируются
сигналами генератора. Также имеются 5 входов подключенных к модулю 4. Они
не развязаны между собой. В модуле 4 сигналы поступают на сумматор,
выполненный на операционном усилителе, и далее на модулятор, на выходе
которого установлен реостатный делитель, регулирующий коэффициент передачи
суммы этих сигналов. Модуляторы выполнены на сдвоенных транзисторах (Рис.
4.44). С выходов модулирующих блоков сигналы переменного тока поступают на
сумматор трансформаторного типа и далее на демодулятор и интегрирующий
выходной усилитель-сумматор с небольшой постоянной времени. Демодулятор,
выполнен аналогично модулятору на сдвоенном транзисторе. К входам
усилителя-сумматора подключен внешний сигнал Х5 и выход корректора.
Корректор предназначен для установки 0, настройки диапазона внешнего
97
задатчика, если он отличается от 100%, а также для компенсации начального
уровня при подаче на вход сигнала 4-20ма. Корректирующий сигнал
устанавливается вручную с помощью регулятора коэффициента коррекции. В
результате сумма входных сигналов преобразуется в унифицированный сигнал 010в.
В регулирующий модуль (Рис.4.45) сигнал рассогласования, формируемый
в измерительном блоке, поступает через внешнюю перемычку. Общие точки
модулей объединены внутренней перемычкой.
Х1
0-5ма
Х2
0-5ма
Х3
0-5ма
Х41
0-5ма
Х42
0-20ма
Х43
0-20ма
Х44
0-10в
Х45
0 1в
Мод. 1
К1
Мод. 2
К2
Демодул.
Мод. 3
К3
Усилитель
Выход
0-10в
Х5
0-10в
Корректор
Мод. 4
К4
Генератор
Внешний
задатчик
Рис. 4.43 Функциональная схема измерительного блока
Вход Х
Вход Х
К генератору
Выход к
трансформатору
Рис.4.44 Функциональная схема модулятора
Функциональная схема регулирующего блока представлена на рис.4.45.
Входной усилитель, интегратор, дифференциатор и сумматор построены на
операционных усилителях. Перед входным усилителем установлена регулируемая
демпфирующая RC цепочка, предназначенная для сглаживания импульсных
помех. Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход усилителя,
коэффициент передачи которого плавно регулируется изменением величины
отрицательной обратной связи. Выходной сигнал усилителя поступает на
инвертирующий вход сумматора, охваченный отрицательной обратной связью, на
дифференциатор и через резистивный делитель на вход интегратора. Постоянная
98
времени изодрома интегратора изменяется плавно и дискретно изменением
величины входного сигнала и постоянной времени интегратора. Выходной
сигнал интегратора поступает на сумматор. Интегратор и сумматор охвачены
отрицательной обратной связью. Постоянная времени предварения
дифференциатора также изменяется плавно и дискретно при изменении величины
сопротивления в цепи обратной связи. Выходной сигнал дифференциатора
поступает на сумматор. Сумматор и дифференциатор также охвачены
отрицательной обратной связью. Кроме того, с выхода сумматора на вход
дифференциатора подается через нелинейный элемент дополнительный сигнал
обратной связи. . Отрицательная обратная связь, охватывающая сумматор и
дифференциатор через нелинейный элемент действует при большом сигнале,
ограничивая дифференциальную составляющую. Нелинейный элемент содержит
встречно-параллельно включенные диоды.
Выход сумматора через контакты реле переключения режима работы
подключен к инверсному входу выходного усилителя, охваченного через
сумматор отрицательной обратной связью.
Выходной усилитель выполнен на операционном усилителе и эмиттерном
повторителе. Выходной сигнал эмиттерного повторителя поступает на выход
блока по напряжению (0-10в) и на преобразователь напряжение-ток. Выходной
усилитель и сумматор охвачены отрицательной обратной связь, величина которой
меняется дискретно переключателем S, изменяя коэффициент передачи блока.
Преобразователь напряжения в ток выполнен на операционном усилителе и
транзисторах, охваченных глубокой отрицательной обратной связью. Обратная
связь снимается с резистора, замыкающего выходной токовый сигнал.
Ограничитель выходного сигнала содержит операционные усилители,
работающие в режиме пороговых элементов и источник отрицательного опорного
напряжения. Опорное напряжение подается на потенциометры “Огр. мин.” и
”Огр. макс.”, с помощью которых устанавливаются уровни ограничения.
Выходное напряжение ограничителя подается на прямой вход выходного
усилителя и на вход интегратора, ограничивая выходной сигнал.
Регулятор переходит в режим ручного управления при протекании тока
через катушку реле KV. Узел безударного переключения режима работы с
ручного управления на автоматическое использует переключающие контакты
реле KV. В режиме ручного управления внешний сигнал управления поступает
на вход выходного усилителя, устанавливая выходной сигнал регулятора. В этом
режиме выходной сигнал поступает на сумматор и, далее, с выхода сумматора
через контакты реле поступает на вход интегратора. Интегратор отслеживает
выходной сигнал блока, обеспечивая безударность переключения с ручного
режима на автоматический.
99
KV
+27в
Вход
Пер. реж.
Преобр.
напряж.
-ток
ТФ
КП
Ток. выход
Ток. выход
Усилитель
ТИЗ
Ручн.
управ.
KV
Выход
Интегратор
S
Сумматор
Выходной
усилитель
Мин.
Макс.
Дифференциатор
Нелинейн. элем.
Ограничитель
Рис. 4.45. Функциональная схема регулирующего блока Р-17.1
4.6.4. Регулятор Р-27
Р-27 – блок импульсного регулирования для работы с ИМ постоянной
скорости выпускается подобно регулятору Р-17 в аналогичных модификациях.
Р27- блок регулирующий с импульсным выходным сигналом. Предназначен
для алгебраического суммирования с гальваническим разделением и
масштабированием до 4 унифицированных токовых сигналов, ввода задания и
формирования П, ПИ, ПИД законов регулирования совместно с исполнительным
механизмом постоянной скорости, а также для формирования двух и
трехпозиционных законов регулирования.
Р27.1 отличается тем, что имеет 3 входа для подключения
дифференциально-трансформаторных преобразователей и один токовый вход.
Р27.2 рассчитан на работу с термометрами сопротивления (2 входа) и имеет
еще один токовый вход.
Р27.3 предназначен для работы с термопарой.
100
При работе с исполнительными механизмами постоянной скорости
реализуется передаточная функция типа
W ( p)
K 1
pTпв
1 pTпв
1
pTиз
1
,
1 pTф
где
K
Kп
100
Tим
, Kп- коэффициент
передачи в сек/% ( физический смысл -длительность первого импульса на 1%
изменения сигнала рассогласования от полного диапазона); Т им- время полного
хода ИМ; Тиз- время изодрома (изменяется от 20 до 200 и от 200 до2000сек);Т пввремя предварения ( изменяется от 4 до 400с); Т ф постоянная демпфирования.
Кроме этого блок имеет настройки зоны нечувствительности и зоны
возврата. Регулятор состоит из измерительного модуля И001.1, регулирующего
модуля Р27.01 и источника питания. Функциональная схема регулирующего
модуля приведена на рис.4.46.
dt
Tиз
Uс
Х01
0-10в
Х02
Тф
d
dt
Tпв
М
3-х
позиционный
элемент
Реле
Ср
Б
Вых 0-10в
Рис.4.46. Функциональная схема регулирующего модуля Р-27.1
Рассмотрим более подробно аппаратную реализацию регулирующего
модуля и используемые в нем схемные решения. Входным сигналом модуля
является сигнал рассогласования с выхода измерительного модуля, который
подается на один из двух входов содержащий демпфирующую RC цепочку. С
выхода регулируемого демпфера сигнал поступает на входы усилителя-сумматора
и дифференциатора. Модуль имеет также недемпфируемый вход. Диапазон всех
входов - (-10 +10в). Входной усилитель-сумматор охвачен отрицательной
обратной связью. Небольшая емкость в цепи ОС демпфирует выходной сигнал
усилителя. Выходной сигнал входного усилителя-сумматора через регулируемый
делитель на сопротивлениях поступает на трехпозиционный элемент, который
охвачен положительной обратной связью через входной усилитель-сумматор для
получения зоны возврата. Для реализации ПИ-законы регулирования выходной
сигнал релейного элемента поступает на интегратор, охваченный отрицательной
101
обратной связью через сумматор сигналов интегратора и дифференциатора.
Выходной сигнал этого сумматора поступает на вход усилителя сумматора таким
образом, что сигнал дифференциатора складывается с входным сигналом, а
сигнал с интегратора вычитается, реализуя отрицательную обратную связь с
выхода релейного элемента.
Для
аппаратной
реализации трехпозиционного
+15в
элемента с зоной возврата
R1
используется
операционный
А
VD3
усилитель,
охваченный
С VD1
Д
обратными
связями.
Во
внутреннем
контуре
для
VD2
VD4
реализации трехпозиционного
В
регулирования
с
зоной
R
2
нечувствительности
R3
UВХ
U
ВЫХ
используется
нелинейная
-15в
обратная связь через диодный
>>
мост (Рис.4.47). Сопротивления
R4
UВЫХ
R1 и R2, через которые
поступает в диагональ моста
UВХ
напряжения
от
источника
питания, одинаковые и имеют
НЧ
достаточно большую величину
Рис.4.47. Схема трехпозиционного
(порядка 1Мом). При входном
элемента с зоной нечувствительности
сигнале равном нулю выходной
сигнал усилителя равен нулю и мост находится в равновесном состоянии.
Выходной сигнал моста равен 0 и обратная связь отсутствует. При увеличении
входного сигнала от 0 выходное напряжение усилителя будет уменьшаться. Ток,
протекающий через диод VD3 в прямом направлении будет увеличиваться,
напряжение в точке А будет уменьшаться из-за падения напряжения на
сопротивлении R1, ток от источника (–15в) начнет протекать через сопротивления
R2, R4, компенсируя входной ток током отрицательной обратной связи.
Переключение усилителя в режим насыщения произойдет, если входной ток
будет больше тока обратной связи. Максимальный ток обратной связи ограничен
величиной I ОС
15
R2 R4
. Аналогично, при отрицательном входном сигнале ток
обратной связи поступает от источника (+15в). Таким образом, если UВХ по
абсолютному значению станет больше значения, при котором действует
отрицательная обратная связь, то выходной сигнал сразу ступенчато изменится до
максимального значения выходного сигнала усилителя. Условие переключения
U ВХ
15 R3 R4
. Изменением входного сопротивления (R3), изменяется величина
R1 R4
зоны нечувствительности.
102
Для реализации
трехпозиционн
К ИНТЕГРАТОРУ
ого звена с
зоной возврата
UВЫХ
рассмотренное
выше
R1
трехпозиционн
UВХ
ое звено
D2
КП
охватывают
положительной
UВЫХ
обратной
R2
связью через
входной
усилитель D2
UВХ
(Рис.4.48).
Величина
Рис.4.48. Функциональная схема трехпозиционного
обратной связи,
элемента с зоной возврата.
регулируемая
переменными сопротивлениями R1 и R2 , определяет ширину зоны возврата и,
следовательно, длительность импульсов интегрирования. Коэффициент передачи
регулируется сопротивлением R1. Вход отрицательной обратной связи (UО.О.С.)
используется для реализации ПИ-закона регулирования. На этот же вход
поступает выходное напряжение дифференциатора для реализации ПИД законы
регулирования. Функциональная схема регулирующего модуля без выходного
блока, представлена на рис. 4.49. Рассмотрим более подробно функционирование
регулирующего блока.
UО.О.С.
R3
R11
R10
С4
D3
R9
D1
R7
R2
С2
D4
R6
UВХ2
C3
D2
ТДФ
В
Н
UВХ
R1
UВЫХ
С1
R4
R7
R8
R5
Рис.4.49. Функциональная схема формирования
ПИД-закона регулирования
103
Входной сигнал с измерительного блока поступает через демпфирующую
RC цепочку на прямой вход входного усилителя-сумматора D2. Конденсатор С3 в
цепи обратной связи усилителя установлен для незначительного сглаживания
выходного сигнала. Демпфер необходим для подавления импульсных помех.
Постоянная времени демпфирования Т ДФ устанавливается сопротивлением R1.
Входной сигнал через конденсатор С 2 поступает также на инверсный вход
дифференциатора, выход которого подключен к прямому входу усилителя
сумматора D3. Постоянная времени предварения Т ПВ регулируется
сопротивлением R2 (плавно) и R3 (дискретно). Учитывая, что с выхода сумматора
D3 далее сигнал поступает на инверсный вход входного усилителя D2, на входе
релейного элемента продифференцированный сигнал не будет инвертирован и
будет просуммирован с прямым входным сигналом.
Выходной сигнал входного усилителя-сумматора поступает на вход
трехпозиционного релейного элемента через сопротивление R4, определяющее
зону нечувствительности релейного элемента. Выходной инверсный сигнал
релейного элемента подается через сопротивление R6 обратно на инверсный вход
усилителя. Этим реализуется положительная обратная связь для преобразования
трехпозиционного элемента без зоны возврата в элемент с зоной возврата.
Ширина зоны возврата устанавливается сопротивлением R7.
Инверсный выходной сигнал трехпозиционного элемента поступает на
инверсный вход интегратора (объекта первого порядка). Сопротивление R8
регулирует плавно коэффициент передачи регулятора. Интегратор D4 охвачен
отрицательной обратной связью через усилитель-сумматор D3. Постоянная
времени изодрома регулируется изменением плавно сопротивлением R9 и
дискретно – R10.
Выходной сигнал интегратора D4 через сумматор-усилитель D3 поступает на
инверсный вход усилителя-сумматора D2 . В результате на входе релейного
элемента сигнал будет увеличиваться при увеличении входного сигнала на входе
интегратора. Учитывая, что релейный элемент выдает инверсный выходной
сигнал, он будет охвачен отрицательной обратной связью через интегрирующее
звено. Таким образом, на входе релейного элемента присутствует необходимая
совокупность сигналов для реализации ПИД-закона регулирования с
исполнительным механизмом постоянной скорости.
Выходной блок ключей предназначен для гальванической развязки
внутренних цепей регулятора от цепи управления пускателя исполнительного
механизма (рис.4.50). Каждый из двух ключей содержит генератор
синусоидальных колебаний, включаемый выходным напряжением релейного
элемента. В зависимости от полярности выходного сигнала включается генератор
одного из ключей. Выходной сигнал каждого из генераторов через
трансформатор, служащий для гальванической развязки, поступает на свой
однополупериодный выпрямитель и далее на базу выходного транзисторного
ключа. Таким образом, полярность выходного сигнала релейного элемента
определяет включение одного из ключей ”Больше” или ”Меньше”.
104
Выход
“Меньше”
UВХ
-UПИТ
+UПИТ
+UПИТ
-UПИТ
Общая
точка
ключей;
-24в
Выход
“Больше”
Рис. 4.50 Функциональная схема блока выходных ключей
105
4.7. Цифровые системы управления и регулирования
В системах прямого цифрового управления и распределенных системах
управления используются микро-ЭВМ и контроллеры. Системы управления с
использованием ЭВМ и контроллеров обладают высоким быстродействием,
расширенными функциональными возможностями и быстротой перестройки
алгоритма управления. Алгоритм управления в таких системах реализуется
программными средствами, что делает такие системы универсальными.
4.7.1. Принципы организации ЭВМ
Для построения систем управления используются ЭВМ, микропроцессоры
и микроконтроллеры различной архитектуры. Вместе с тем, все они имеют общие
функциональные элементы. Под архитектурой микро-ЭВМ и микропроцессоров
понимается совокупность аппаратных и программных средств, доступных
пользователю. Архитектура определяет принципы организации вычислительной
системы и не отражает такие проблемы, как управление и передача данных
внутри самого процессора.
ЭВМ содержит четыре основных компонента (рис. 4.51): процессор, память,
внешние устройства ввода/вывода и шину (канал ЭВМ).
Шина адреса
Шина данных
Шина управления
АЛУ
Регистр команд
Рег. состояния
Счетчик команд
ОЗУ
Дополнительные
регистры
Указатель стека
ПЗУ
Устройство
управления
ВЗУ
Регистры
общего
назначения
Процессор
Рис. 4.51. Функциональная схема ЭВМ
УВВ
106
Процессор предназначен для выполнения арифметическо-логических
операций над числами и управления работой ЭВМ. Он содержит устройство
управления (УУ), арифметическо-логическое устройство (АЛУ) и группу
регистров.
Устройство управления осуществляет управление работой всех элементов
процессора и процессом обмена информацией с другими блоками ЭВМ.
АЛУ предназначено для выполнения арифметическо-логических операций
над двоичными числами.
Регистры предназначены для хранения двоичных чисел и выполнения
других важных функций. По функциональному назначению можно выделить
следующие регистры.
Регистр команд (РК) предназначен для временного запоминания кода
текущей команды, которая дешифрируется в устройстве управления для
реализации действий, соответствующих этой команде. Регистр не доступен
пользователю.
Регистр счетчик команд (СК) (Programm Counter - PC) предназначен для
формирования адреса следующей команды, т. е. адреса (номера) ячейки памяти,
содержащей код следующей команды. После считывания команды из указанной
им ячейки памяти и перемещения ее в регистр команд содержимое счетчика
команд автоматически увеличивается и становится равным адресу следующей по
порядку команды. Содержимое ячейки памяти, адрес которой в данный момент
находится в счетчике команд, всегда интерпретируется процессором как код
команды.
Регистр-указатель стека
(УС) (Stack Pointer -SP) предназначен для
организации в оперативной памяти ЭВМ аппаратно управляемого стека - памяти
магазинного типа, доступ к ячейкам которой осуществляется через указатель
стека. Стек используется для реализации механизмов работы с подпрограммами
и обслуживания внешних и внутренних прерываний.
Регистры общего назначения (РОН) используются процессором как
временная быстродействующая память для входных и выходных операндов АЛУ
и для реализации различных методов адресации операндов, т. е. способов
указания местонахождения операндов. Число разрядов РОН обычно совпадает с
разрядностью АЛУ. Заметим, что некоторые процессоры имеют несколько
наборов РОН. Выбор набора определяется содержимым определенных разрядов
регистра состояния процессора.
Регистр состояния (RS) предназначен для отражения текущего
состояния процессора и для установки режима его работы. В определенных
разрядах этого регистра индицируется состояние результата выполнения
процессором текущей операции (команды). Это разряды-признаки (флаги):
нулевого результата (Z), отрицательного результата (N) и т.д.
Кроме того, современные процессоры имеют ряд дополнительных
регистров для реализации более сложных методов адресации операндов и
управления процессором.
Канал ЭВМ, связывающий ее компоненты, обычно имеет шинную
организацию. Шина - общая для всех компонент группа линий одного
107
функционального назначения. Шина ЭВМ функционально делится на три шины:
адреса, данных и управления. Шина адреса при обмене данными содержит номер
(адрес) ячейки памяти или регистра внешнего устройства, с которым
производится обмен информацией. Шина данных предназначена для передачи
данных при обмене. Шина управления содержит линии передачи сигналов
управления обменом данных. В некоторых ЭВМ шины адреса и данных могут
быть совмещены. В этом случае разделение адреса и данных осуществляется их
мультиплексированием во времени. Разрядность шин и система сигналов в них
определяется процессором и в свою очередь определяет
устройство
интерфейсов. Заметим, что ЭВМ может иметь несколько шин различающихся
функциональным назначением, скоростью обмена данными и протоколом обмена.
Память – оперативное (ОЗУ) или постоянное (ПЗУ) запоминающее
устройство, состоящee из последовательного набора запоминающих ячеек
предназначенных для запоминания двоичного числа или кода команды. Типичной
для ЭВМ является байтовая организация памяти, когда данные или команды
занимают ячейки по 8 разрядов-битов (по одному байту) и каждой такой байтовой
ячейке присвоен свой адрес в адресном пространстве ЭВМ - множестве всех
возможных адресов, определяемом размером физической памяти и разрядностью
адреса. При байтовой организации памяти информационные единицы (коды,
числа, команды), имеющие более 8 разрядов (16, 32) размещаются в
соответствующем количестве последовательных байтовых ячеек. Адрес ячейки
памяти также представляет собой двоичное число. Обращение (чтение/запись)
в любой момент времени возможно только к одной, любой ячейке, путем
установки ее адреса на адресном входе памяти (в регистре адреса памяти).
Память с таким способом обращения к ее запоминающим ячейкам называется
памятью с произвольным доступом. Записываемые или считываемые данные
через шину данных канала поступают соответственно из процессора в ячейку
для записи или из ячейки в процессор при чтении памяти. В ЭВМ, имеющей, как
правило, фон-неймановскую архитектуру используется общая память для
хранения данных и кодов команд в двоичной форме. Коды команд (инструкции) и
данные (операнды) записанные в ячейках памяти не имеют отличительных
признаков и могут быть выявлены только из контекста программы. Не все
адресное пространство функционально однородно. Отдельные области имеют
специфическое функциональное назначение, устанавливаемое аппаратно или
программно (операционной системой).
ЭВМ может содержать и внешние запоминающие устройства (ВЗУ):
накопитель на гибких и жестких магнитных дисках, CD-ROM.
Каждый тип ЭВМ имеет свою архитектуру: свой набор регистров,
имеющий свои имена, свои разрядность и назначение, систему команд и методов
адресации и свое функциональное распределение адресного пространства.
Занесение кодов и данных в память осуществляется аппаратными (оператором с
пульта, ПЗУ) или программными (с внешних запоминающих устройств)
средствами.
Периферийные устройства (объекты управления) подключаются к ЭВМ с
помощью согласующих устройств ввода/вывода (УВВ) – интерфейсов.
108
Устройства ввода/вывода преобразуют систему сигналов канала ЭВМ в систему
управляющих сигналов для объекта управления (периферийного устройства). В
качестве периферийных устройств могут выступать накопители на магнитных
дисках, дисплеи, печатающие устройства, датчики и исполнительные механизмы
технологического оборудования.
4.7.2. Цикл выполнения команд в ЭВМ
Программа, выполняемая в ЭВМ, записана в последовательных ячейках
памяти в виде кодов команд. Первоначально, перед выполнением программы, в
счетчик команд заносится адрес ячейки памяти, содержащей код первой команды
программы. Далее процессор выполняет последовательность следующих
операций. Процессор передает содержимое счетчика команд через шину адреса в
регистр адреса памяти ОЗУ. Из адресуемой ячейки памяти извлекается код
команды и через шину данных передается в регистр команд процессора. После
считывания из памяти содержимого ячейки, адрес которой указывается
регистром-счетчиком команд, содержимое этого регистра автоматически
увеличивается и становится равным адресу следующей по порядку команды.
Если команда занимает в памяти ЭВМ два байта, то увеличение СК производится
на два. Вслед за этим
устройство управления процессора начинает
интерпретацию команды, находящейся в его регистре команд. В начале
определяется операция, которая должна быть выполнена процессором по данной
команде, и, в соответствии с ней, вырабатываются сигналы для управления
элементами процессора. Если необходимо, то производится ввод из ОЗУ
операндов, затем осуществляется выполнение заданной операции. Результат
операции пересылается в один из регистров или в память по адресу,
определяемому устройством управления при интерпретации кода команды. На
этом цикл выполнения команды заканчивается. Процессор снова помещает
содержимое СК (адрес следующей команды) в регистр адреса памяти,
производит считывание и выполнение следующей команды.
При эксплуатации и разработке систем управления объектами необходимо
тщательное изучение особенностей архитектуры используемых процессоров.
4.7.3. Общие принципы организации ввода-вывода
Внешние устройства (ВУ) подключаются к процессору через шину вводавывода, состоящую из шин адреса, данных и управления. Обычно шина вводавывода и шина памяти логически независимы. В некоторых ЭВМ они могут быть
совмещены. Устройства ввода-вывода или периферийные устройства являются
объектами управления и выполняют функции в соответствии с сигналами
управления, передаваемыми в них из ЭВМ, и формируют информацию о своем
состоянии, передаваемую в ЭВМ.
Для сопряжения внешнего устройства с конкретной ЭВМ служат так
называемые интерфейсные устройства (или просто интерфейсы). Интерфейс
ввода-вывода поддерживает протокол обмена данными по шине ввода/вывода и
109
управляет действиями периферийного устройства в соответствии с командами
процессора ЭВМ: преобразует данные из внутреннего представления ЭВМ в
форматы, используемые конкретным внешним устройством, и выполняет
обратное преобразование в формат, используемый процессором конкретной ЭВМ.
Конструктивно периферийные
устройства (объекты управления) обычно
выполняются как самостоятельные устройства, размещаемые отдельно от ЭВМ,
интерфейсы же почти всегда объединяются с процессором и памятью в "блок
процессора". Периферийными устройствами являются: дисплеи, печатающие
устройства, АЦП и ЦАП, накопители на магнитных носителях, технологическое и
сетевое оборудование.
Каждый канал обмена информацией внешнего устройства с процессором
представлен в интерфейсе своим портом ввода/вывода (регистром), имеющим
свой адрес (номер) и доступным как внешнему устройству, так и процессору.
Порт ввода-вывода (или регистр ввода-вывода) является частью интерфейса
устройства ввода-вывода и представляет собой группу разрядов (регистр),
содержимое которых программно доступно процессору во время операций вводавывода. С другой стороны к разрядам регистра подключены линии связи с
управляемым объектом.
Передача (вывод) числа или кода из ЭВМ во внешнее устройство
фактически реализуется их передачей из регистра процессора или ячейки памяти
ЭВМ в регистр данных (порт вывода) интерфейса внешнего устройства.
Аналогично, прием (ввод) информации из внешнего устройства заключается в
чтении процессором содержимого (числа или кода) регистра данных (порта
ввода) интерфейса. Передача или прием информации через порты ввода-вывода
во многих ЭВМ осуществляется с помощью специальных команд ввода-вывода.
В ЭВМ, использующим для адресации портов то же адресное пространство, что и
для адресации памяти, например в ЭВМ семейства PDP-11, работа с ячейками
памяти и регистрами внешних устройств осуществляется одним и тем же набором
команд.
Малая скоростью обработки данных во ВУ и неопределенность момента
времени, когда ему требуется осуществить обмен информацией, обуславливают
использование трех основных режимов обмена информацией с внешними
устройствами.
4.7.4. Программный режим ввода-вывода
В этом режиме обмен информацией осуществляется по инициативе и под
управлением выполняемой программы пользователя. В связи с низкой
скоростью обработки данных внешними устройствами (ВУ) передача данных в
регистр или чтение их из регистра данных ВУ должны осуществляться в моменты
времени, когда оно закончило обработку или формирование очередного слова
данных и готово к обмену. Для сообщения процессору о состоянии готовности к
обмену данными обычно служит регистр состояния устройства. Один из
110
разрядов регистра состояния устройства устанавливается самим внешним
устройством в единицу или сбрасывается в ноль ВУ в зависимости от состояния
готовности или неготовности. Этот разряд часто называют флагом готовности
устройства.
При программном обмене данными процессор
читает содержимое регистра состояния ВУ и
проверяет флаг готовности (рис.4.52). Если внешнее
устройство готово к обмену, то осуществляется обмен
Готов?
между регистром данных и процессором. В
Нет
противном случае повторяется опрос регистра
Да
состояния внешнего устройства.
Например, программа вывода на медленное ВУ
Обмен
текстового сообщения, хранящегося в памяти ЭВМ в
виде массива кодов символов, должна осуществлять в
цикле последовательную передачу этих кодов из ячеек
памяти в регистр данных ВУ с предварительной
Рис. 4.52. Блок-схема
проверкой перед выводом каждого кода флага
обмена по опросу
готовности в регистре состояния ВУ .
флага
При вводе символов с клавиатуры аналогичным
образом должен проверяться разряд готовности ее
регистра состояния,
который устанавливается в единицу интерфейсом
клавиатуры при нажатии на одну из ее клавиш и помещении соответствующего
этой клавише кода в регистр данных клавиатуры. Из регистра данных код
нажатой клавиши может быть прочитан процессором, после чего происходит
автоматический сброс флага готовности клавиатуры (т.е. код нажатой клавиши
нельзя прочитать больше одного раза).
Время, затрачиваемое на ввод/вывод массива данных при использовании
программно-управляемого режима, определяется быстродействием внешнего
устройства. Процессор ЭВМ должен быть занят выполнением процедуры вводавывода, ожидая фактически большую часть времени готовности ВУ (выполняя
циклически проверку флага готовности).
Быстродействующие ВУ могут не иметь регистра состояния, т.к. не
требуется проверять флаг готовности.
4.7.5. Обмен информацией в режиме прерывания программы
Существенным недостатком программного режима обмена является
неэффективное использование процессорного времени. Концепция прерывания
программы позволяет устранить этот недостаток. Механизм, реализующий
прерывания, включает в себя как аппаратные средства ЭВМ, так и программные.
Инициатива обмена информацией в этом случае принадлежит внешнему
устройству. При обмене по инициативе ВУ осуществляется прерывание
выполняемой процессором программы и принудительный перевод процессора на
выполнение программы обслуживания внешнего устройства, затребовавшего
111
прерывание, по окончании которой процессор возвращается к выполнению
прерванной ранее выполняемой программы.
Для организации работы ЭВМ в режиме прерывания программы в памяти
ЭВМ помимо основной программы (программ) размещаются программы
обработки прерываний, т.е. программы обслуживания внешних устройств,
вызывающих прерывания.
Часть памяти отводится по стек - память магазинного типа, доступ к
ячейкам которой осуществляется через регистр-указатель стека по принципу
“последние записанные данные первыми считываются”. Такая организация стека
необходима для реализации вложенных подпрограмм и прерываний.
Кроме того, часть памяти отводится под так называемые векторы
прерывания. Обычно векторы прерывания - это ячейки памяти, адреса которых
жестко закреплены за конкретными внешними устройствами. В ячейках вектора
помещен адрес программы обслуживания прерывания от соответствующего
внешнего устройства. Векторы прерывания внешних устройств обычно
располагаются в начальной области оперативной памяти, занимая несколько сот
ячеек. Понятно, что в этой области не следует размещать какие-либо программы.
Алгоритм обработки прерывания выглядит следующим образом.
1. Внешнее устройство, которому необходим обмен информацией с ЭВМ,
посылает процессору по специальной линии (общей для всех внешних устройств)
сигнал запроса (требования) прерывания.
2. Получив сигнал запроса прерывания, процессор выполняет действия,
обеспечивающие возврат в прерванную программу после выполнения программы
обслуживания ВУ. Процессор завершает выполнение команды основной
программы; запоминает в стеке содержимое регистра состояния процессора;
вслед за этим в стеке запоминает содержимое регистра-счетчика команд, т.е.
адрес возврата.
3. Обеспечив сохранение текущего состояния выполняемой программы,
процессор посылает внешнему устройству (по общей для всех внешних устройств
линии) сигнал предоставления прерывания, сообщая о своей готовности к
обслуживанию прерывания.
4. Получив от процессора сигнал предоставления прерывания, внешнее
устройство передает процессору адрес своего вектора прерывания. Адреса
векторов прерывания, которые уникальны для каждого внешнего устройства, по
сути, являются их идентификаторами.
5. Процессор, получив от внешнего устройства адрес его вектора прерывания,
пересылает в свой счетчик команд содержимое ячеек вектора, т.е. адрес
программы обслуживания данного ВУ. Выполняя команду, адрес которой
находится в его счетчике команд, т.е. первую команду программы обслуживания
прерывания, процессор обычным образом начинает выполнение программы
обслуживания. Выполнение программы обслуживания ВУ завершается
специальной командой "ВОЗВРАТ ИЗ ПРЕРЫВАНИЯ ".
6. Получив команду "ВОЗВРАТ ИЗ ПРЕРЫВАНИЯ", завершающую программу
обслуживания, процессор выталкивает (считывает) из стека ранее сохраненный
там адрес возврата и пересылает его в свой счетчик команд, затем выталкивает из
112
стека и записывает в свой регистр состояния прежнее слово состояния
процессора, полностью восстанавливая тем самым свое состояние.
7. Процессор возобновляет выполнение ранее прерванной программы с точки
прерывания.
Адреса векторов для каждого ВУ жестко фиксированы в памяти ЭВМ,
размещение программ обслуживания прерываний в памяти определяется
пользователем или операционной системой. Адреса этих программ или
устанавливаются аппаратно или заносятся в соответствующие ячейки векторов
операционной системой или основной программой пользователя.
Использование стека для сохранения адреса возврата из прерывания и
текущего слова состояния процессора позволяет реализовать процесс
обслуживания вложенных прерываний. Вопросы приоритетности, конфликтов и
запретов при прерываниях решаются следующими архитектурными средствами.
Существует возможность программного запрета обслуживания следующего
прерывания от ВУ путем установки/снятия определенного разряда (разрядов)
регистра состояния процессора при обслуживании текущего прерывания. Запись
слова состояния процессора (PSW) может осуществляться специальной командой
программным путем. Это обеспечит запрет прерываний, если этот разряд не
будет очищен программным путем.
В отдельных внешних устройствах существует также возможность запрета
прерывания путем установки/снятия определенного разряда в регистрах
состояния внешних устройств. Сигнал требования прерывания внешним
устройством в этом случае не вырабатывается.
В некоторых ЭВМ используется так называемая цепочечно-групповая
схема установления приоритета устройства при прерываниях. В этом случае
сигнал предоставления (подтверждения) прерывания проходя последовательно
через интерфейсы всех внешних устройств,
доходит до устройства,
затребовавшего прерывание. Само же это устройство запрещает дальнейшее
распространение этого сигнала к другим, более удаленным от процессора
устройствам. Таким образом, если два устройства одновременно затребуют
прерывание, сигнал предоставления прерывания поступит только на то из них,
которое расположено ближе по цепочке к процессору. Фактический приоритет
устройства в обслуживании прерывания будет определяться "близостью"
расположения его интерфейса к центральному процессору.
В других ЭВМ для организации прерываний и разрешения конфликтов
используется специализированный контроллер прерываний, на который
поступают запросы от внешних устройств. Контроллер обеспечивает вызовы
прерываний от внешних устройств в соответствии с их приоритетом и передачу
соответствующих векторов процессору при обработке прерывания.
Во многих ЭВМ выделяют, кроме того, так называемые немаскируемые
прерывания. Обычно ими являются прерывания, сигнализирующие процессору о
внешних событиях особой важности (носящих катастрофический характер таких, как отключение питания, сбой памяти и т.п.). Немаскируемые прерывания
признаются процессором всегда независимо от установки его приоритета, т.е.
они обладают наивысшим приоритетом. Обслуживание такого рода прерываний
113
позволяет в ряде случаев спасти данные и программу пользователя от
необратимых нарушений.
Кроме прерываний, вызываемых внешними по отношению к ЭВМ
событиями, в ЭВМ обычно реализованы и так называемые внутренние
прерывания, называемые еще ловушками. Такие прерывания возникают
автоматически по сигналам в самом процессоре, например, в случае получения
процессором несуществующего кода команды, обращения по несуществующему
адресу, ошибки деления и др. Как и внешние, внутренние прерывания
обеспечивают переход процессора на программы обслуживания этих нештатных
ситуаций, задаваемых соответствующими векторами прерываний.
В системе команд многих ЭВМ существуют также специальные команды,
вызывающие командные прерывания, или команды-ловушки. Командные
прерывания являются способом обращения из основной программы к
программным блокам с последующим возвратом в основную программу.
Командные прерывания подобны подпрограммам, но использ уют несколько
отличный механизм работы. Командное прерывание- это команда с особым
форматом и алгоритмом выполнения, как при аппаратном прерывании. При
обработке этих команд также осуществляется переход на программы, адреса
которых задаются векторами прерывания, связанными с этими командами.
Каждая команда имеет свой вектор прерывания, содержащий адрес программы
обработки прерывания (новое значение счетчика команд процессора PC). При
выполнении команды значения счетчика команд (PC) берется из вектора
прерывания, а его предыдущее значение (адрес возврата) заносятся в стек.
Использование командных прерываний в какой-то мере напоминает
подпрограммы, однако является более удобным в программах операционных
систем для организации библиотек системных макрокоманд, операций вводавывода и других операций, связанных с взаимодействием пользовательских и
системных программ. Особенно широко они используются в микро-ЭВМ на базе
INTEL 80286.
Обработка прерывания должна завершаться командой возврата из
прерывания, по которой происходит возврат в основную программу.
4.7.6. Прямой доступ к памяти
Обмен данными в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) позволяет
осуществлять быстрый обмен данными непосредственно между основной
памятью ЭВМ и интерфейсом ввода-вывода без участия процессора, что экономит
его временной ресурс. Обычно в таком режиме проводится обмен с внешними
запоминающими устройствами, например, с накопителями на магнитных дисках.
Обменом в режиме прямого доступа к памяти управляет не программа,
выполняемая процессором, а устройство, называемом контроллером прямого
доступа к памяти.
При необходимости осуществления сеанса прямого доступа к памяти
контроллер ПДП посылает процессору сигнал "требование прямого доступа".
Процессор, получив этот сигнал, завершает цикл обращения к каналу ЭВМ и
114
приостанавливает выполнение очередной команды, не дожидаясь ее завершения.
После этого выдает в контроллер ПДП сигнал "предоставление прямого доступа"
и отключается от шин системного интерфейса. С этого момента все шины канала
ЭВМ управляются контроллером ПДП. Таким образом осуществляется захват
управления шинами ЭВМ. Контроллер ПДП, используя адресные шины, шины
данных и управления ЭВМ, самостоятельно формирует адрес соответствующей
ячейки памяти и выполняет пересылку данных из ВУ в память или из ячейки
памяти в ВУ, он также ведет подсчет числа переданных байтов или слов. После
завершения обмена управление возвращается процессору ЭВМ.
Передача информации в режиме ПДП может вестись как большими блоками
информации, так и малыми порциями, вписывая их в промежутки между
циклами обращения процессора к каналу. Захват контроллером ПДП циклов
управления шинами ЭВМ для работы с ее памятью, конечно, замедляет
выполнение процессором основной программы, хотя при
правильной
организации
работы
процессора во время цикла ПДП он может не
приостанавливать полностью свою работу, а выполнять операции, не связанные
с обращением к памяти по шинам данных и адреса. Заметим, что в режиме
прямого доступа к памяти контроллер ПДП должен обеспечить выполнение
регенерации динамической памяти ОЗУ. Режим прямого доступа к памяти
позволяет гораздо более эффективно использовать время процессора при обмене
большими блоками информации.
4.7.7. Подключение внешних устройств
На основе микроЭВМ производится построение контрольно-измерительных
систем, систем управления технологическими процессами, контроллеров
периферийных устройств, бытовых приборов и игровых автоматов. Примером
может служить программируемый контроллер "Ломиконт".
Подключение регистров внешних устройств в системе с раздельными
шинами адреса и данных существенно проще и реализуется по следующей
функциональной схеме представленной на рис. 4.53. Устройство сопряжения с
объектом управления может содержать несколько параллельных регистров
вывода для хранения выходных данных. Разряды выходных регистров
подключаются к объектам управления для дискретного управления ИМ. Для
формирования выходного аналогового сигнала на выходе регистра может быть
установлен ЦАП.
Адрес регистра, к которому производится обращение, поступает на
дешифратор адреса и сигналов управления. Дешифратор вырабатывает сигнал
(строб) записи или строб чтения для конкретного регистра, если выставленный
адрес совпадает с адресом (номером) регистра (устройства) и присутствует
управляющий сигнал записи (вывод) или чтения (ввод) в шине управления. Строб
записи поступает на вход записи (синхронизации) соответствующего регистра.
Строб чтения поступает на управляющий вход (Е) микросхемы передатчика (ВД),
разрешая передачу данных с входа передатчика в шину данных. Дешифратор
115
формирует также сигналы квитирования, которые поступают в шину управления
и информируют процессор о завершении цикла обмена
Вход данных каждого регистра подключен к шине данных. При записи
данных в выходной регистр, процессор выставляет в шине адреса адрес регистра,
в шине данных – данные, выводимые в регистр, и с задержкой - сигнал вывод
(запись) в шине управления. Дешифратор при получении адреса и сигнала
вывода вырабатывает строб записи. По стробу записи данные из шины данных
заносятся в адресуемый регистр.
Входные данные от дискретных датчиков, как правило, не хранятся в
регистрах и поступают непосредственно на вход передатчика (виртуальный
входной регистр). При чтении процессор устанавливает адрес и с задержкой сигнал "Ввод". Дешифратор вырабатывает сигнал (строб) включения передатчика,
данные поступают в шину данных и считываются процессором.
Для ввода аналоговых сигналов в устройство сопряжения с объектами
(УСО) входит АЦП. Обычно используется один АЦП, выход которого подключен
к своему передатчику. Для ввода нескольких аналоговых сигналов на входе АЦП
устанавливается коммутатор аналоговых сигналов, управляемый от выходного
регистра. Сигнал о готовности АЦП обычно подключают к одному из разрядов
виртуального входного регистра состояния (передатчика), чтение которого
позволяет процессору определить готовность АЦП к обмену. При вводе быстро
меняющихся аналоговых сигналов между коммутатором и АЦП устанавливается
управляемое от выходного регистра устройство выборки-хранения (УВХ),
которое замораживает входной аналоговый сигнал на время преобразования в
АЦП. Некоторые АЦП можно подключать непосредственно к шине данных. В
этом случае оно должно иметь выход с 3 состояниями и вход управления
передачей. Более сложные УСО позволяют управлять диапазонами входных и
выходных аналоговых сигналов, для чего они имеют в своем составе управляемые
делители сигналов.
В качестве регистров выходных данных и приемопередатчиков
(виртуальных входных регистров) в устройствах (платах) сопряжения с объектами
(УСО)
целесообразно
использовать
микросхемы
программируемого
параллельного интерфейса (микросхемы ППИ).
116
ШИНА
АДРЕСА
ВВОД
ВЫВОД
ДЕШИФРАТОР
АДРЕСА И
СИГНАЛОВ
УПРАВЛЕНИЯ
ШИНА ДАННЫХ
с RG (регистр)
DO
ВД
DI E
с RG (регистр)
с RG (регистр)
к ОУ
ЦАП
от ОУ
к ОУ
DO
ВД
DI E
Готовность
АЦП
КОММУТАТОР АНАЛ.
номер входа
СИГНАЛОВ
от ОУ
Рис.4.53. Функциональная схема подключения внешних устройств
117
5. ЗАПОРНАЯ И РЕГУЛИРУЮЩАЯ АРМАТУРА
Запорная и регулирующая арматура относится к средствам воздействия на
технологический процесс. Устройства имеют разные принципы действия, разное
исполнение и условия эксплуатации. Дроссельные регулирующие органы могут
снабжаться электрическими и пневматическими исполнительными механизмами.
Инженер в области автоматизации должен знать номенклатуру средств
воздействия на технологический процесс и их характеристики.
Цель главы – ознакомление с принципом действия основных типов
дроссельных регулирующих органов, их характеристиками,
методикой расчета и выбора устройств, обеспечивающих заданную
величину управляющего воздействия.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ
типы и принцип действия регулирующих органов,
типы и принцип действия дроссельных регулирующих органов.
методику расчета дроссельных регулирующих органов
118
5. Запорная и регулирующая арматура
Регулирующий орган необходим для воздействия на режим работы объекта
путем изменения прохождения через него количества вещества или энергии.
Регулируемой средой (веществом) может быть жидкость, пар, газ, сыпучие или
комковатые (кучковатые) вещества, количество или мощность электроэнергии.
Регулирующие органы делятся на:
дроссельные, представляющие собой переменное гидравлическое или
пневматическое сопротивление, изменяющее расход вещества за счет
изменения проходного сечения;
дозирующие, изменяющие расход вещества за счет изменения
производительности агрегатов (дозаторы, питатели, насосы, компрессоры);
электрические (регулирующие трансформаторы и автотрансформаторы,
дроссели и реостаты, устройства регулирования мощности на тиристорах).
Дроссельные регулирующие органы (клапаны и заслонки), входящие в
состав исполнительных устройств систем автоматического регулирования,
устанавливаются на технологических трубопроводах для регулирования расхода
вещества, протекающего по трубопроводу, с целью поддержания заданного
значения регулируемой величины в управляемом объекте.
Дроссельные регулирующие органы (РО) по функциональному назначению
делятся на:
*
регулирующие, предназначенные для изменения параметров среды;
*
запорные, предназначенные для перекрытия потока среды;
*
распределительные, предназначенные для распределения потока среды по
определенным направлениям;
*
предохранительные, предназначенные для предотвращения аварийного
повышения давления путем автоматического сброса избыточного количества
рабочей среды;
*
защитные (отсечные), предназначенные для защиты оборудования от
аварийных изменений параметров среды путем отключения обслуживаемой
линии или участка.
Основными характеристиками дроссельных регулирующих органов
являются пропускная и условная пропускная способность,
пропускная
характеристика и условный проход. Пропускной способностью КV, измеряемой в
кубических метрах в час, называется расход жидкости с плотностью 1000кг/м 3
пропускаемый РО при перепаде давления на нем в 105Па (~1кГ/см3). Условной
пропускной способностью КVУ, называется номинальное значение пропускной
способности РО при максимальном ходе затвора (полном открытии), которая
зависит от типа РО и размера его условного прохода DУ. Условным проходом DУ
в РО называется номинальный диаметр прохода в присоединительных патрубках.
Пропускной характеристикой называется зависимость пропускной способности от
перемещения затвора при постоянном перепаде давления на РО.
Конструктивно дроссельный РО (ДРО) состоит из корпуса с
присоединительными патрубками, крышки, рабочего органа и привода.
119
Рабочий орган состоит из седла и затвора. Седло- неподвижная часть
рабочего органа, обычно выполненная в виде уплотнительного кольца в корпусе.
Затвор - подвижная часть, перемещающаяся относительно седла при помощи
штока или шпинделя и изменяющая величину открытого сечения в седле.
По характеру перемещения затвора ДРО делятся на:
перемещаемые параллельно потоку (клапаны, золотники),
перемещаемые перпендикулярно потоку (шиберные задвижки),
вращающиеся вокруг оси (краны, поворотные заслонки),
со сжатием проходного канала (шланговые, диафрагмовые).
В соответствии с действующими стандартами на исполнительные устройства
Государственной системы приборов (ГСП) клапаны подразделяются на
двухседельные и односедельные клапаны средних расходов.
У клапанов (рис.5.1) затвор выполнен в виде плоской или конусной тарелки,
которая перемещается возвратно-поступательно вдоль центральной оси
уплотнительной поверхности седла. Клапан, в котором затвор перемещается с
помощью винтовой пары, называется
уплотнение
шток
вентилем. Односедельные клапаны
выпускаются двух видов: проходные и
затвор
угловые. В проходных клапанах
направление потока при входе и
седло
выходе не изменяется, а в угловых —
изменяется при выходе на 90° к
направлению
при
входе.
корпус
Односедельные проходные клапаны
применяются при небольших размерах
Рис. 5.1. Клапан
прохода, а односедельные угловые - и
при больших проходах и в тех случаях, когда регулируемая среда
характеризуется большой вязкостью или наличием в ней твердых частиц.
Вследствие воздействия давления среды на затвор, односедельные клапаны
требуют значительных усилий со стороны исполнительного механизма для их
закрытия.
Для снижения перестановочного усилия промышленностью выпускаются
двухседельные клапаны. В двухседельных клапанах один из патрубков соединен с
пространством между двумя седлами. Вследствие того, что перепад давлений
протекающего вещества в равной мере воздействует на верхнюю и нижнюю части
затворного устройства клапана, возникающие усилия на штоке клапана почти
полностью уравновешиваются. Это обеспечивает разгрузку клапана от
одностороннего
воздействия
статического
давления.
Двухседельные
регулирующие клапаны применяют для регулирования жидкостей, паров и газов
при относительно больших перепадах давлений в клапане. Двухседельные
клапаны по сравнению с односедельными характеризуются повышенной
негерметичностью и относительно большой величиной пропуска регулируемой
среды через клапан в положении его полного закрытия. Применение этих
клапанов при сверхкритической скорости пара и газа не рекомендуется, т.к. при
этом появляется значительный шум и вибрации клапана. Односедельные
120
клапаны обычно применяют в тех случаях, когда невозможно применение
двухседельных клапанов.
Трехходовые смесительные клапаны служат для смешения двух
регулируемых потоков жидкости в один, а разделительные - для разделения
одного регулируемого потока жидкости на два потока.
Недостаток клапанов – относительно большое гидравлическое
сопротивление. Достоинство – доступность уплотнительных колец и затворов для
ремонта.
В задвижках (рис.5.2) затвор выполнен в виде
шток
прямоугольника, клина или диска и перемещается
корпус вдоль уплотнительных колец седла перпендикулярно
оси потока. Недостаток – большой ход затвора и
затвор
трудность ремонта при эксплуатации. Достоинство малая габаритная длина и низкое гидравлическое
сопротивление, возможность получения большого
седло
значения условного прохода.
В кранах затвор поворачивается вокруг оси
Рис.5.2. Задвижка
перпендикулярной оси потока (Рис.5.3). Затворы
бывают конусные, цилиндрические и шаровые.
Достоинство – небольшие габариты,
малое гидравлическое сопротивление,
простота управления. Недостаток –
большой
крутящий
момент,
необходимость в тщательном уходе,
смазке.
В шланговых регулирующих
органах ИМ пережимает шланг.
Шланговые регулирующие клапаны
Рис.5.3. Кран
находят
применение
для
регулирования пульпы и веществ,
содержащих твердые примеси, так как прямолинейность потока среды в клапане и
отсутствие мертвых полостей предохраняет клапан от оседания в нем твердых
частиц.
Диафрагмовые клапаны применяются для регулирования кислот и щелочей.
Для предохранения диафрагм от разрушения их выполняют из кислотостойкой ре-*
зины или других упругих материалов, стойких по отношению к протекающей среде, а
внутренняя поверхность корпуса клапана гуммируется или покрывается тонким'
слоем фторопласта или другого кислотостойкого материала.
121
К группе устройств для
регулирования больших расходов
относятся поворотные заслонки. Их
применяют для регулирования потоков
жидкости,
газа
и
пара
в
трубопроводах
круглой
и
прямоугольной формы. Заслонки
бывают
однодисковые
и
многолопастные
(Рис.5.4).
Рис.5.4. Однодисковая и
Однодисковая заслонка является
многолопастная заслонки
затвором в виде диска, вращающимся
вместе с осью перпендикулярной потоку среды. Запорный орган образуется
диском и седлом, расположенным в корпусе. Заслонки применяются для
трубопроводов диаметром более 200мм при давлении среды до 0.6 Мпа и
пониженных требованиях к герметичности. Достоинство – простота конструкции,
низкая металлоемкость, малые габариты. Наличие частичной разгруженности диска
заслонки позволяет применять для управления заслонками исполнительные механизмы
сравнительно небольшой мощности. Однако, при больших диаметрах прохода и
значительных перепадах давления на диске возникают большие крутящие
моменты, стремящиеся повернуть диск вокруг оси. Многолопастные заслонки
представляют собой корпус прямоугольного сечения, в котором расположены
затворы в виде плоских параллельных пластин закрепленных на параллельных
осях. На осях находятся кривошипы шарнирно соединенные общей тягой. При
перемещении тяги лопасти поворачиваются одновременно. Такие заслонки
используются в воздуховодах.
Пропускная способность регулирующих заслонок выше пропускной
способности двухседельных регулирующих клапанов при одних и тех же
размерах условного прохода. Регулирующие заслонки выпускаются для легких
условий работы (на условное давление 6 кгс/см2) и для тяжелых условий работы
(на условное давление от 6 до 40 кгс/см).
В каталоге ДРО обозначаются в следующем формате: ЦЦ1-Б1-ЦЦЦ2-Б2 , где
*
ЦЦ1 - две цифры, кодирующие тип регулирующего органа ( 11 - кран, 13,14
- вентиль, 30, 31- задвижка, 32- заслонка;
*
Б1- одна или две буквы, кодирующие материал корпуса (С-сталь, НЖнержавеющая сталь, Ч - чугун, Б-бронза, П- пластмасса);
*
ЦЦЦ2 -три цифры, первая из которых кодирует вид привода (3,4 механический привод, 6 -пневматический, 7- гидравлический, 8электромагнитный, 9- электродвигательный, "-" - без привода), а две следующие являются номером регулирующего органа по каталогу;
*
Б2 - одна или две буквы, кодирующие материал уплотнительного кольца (Ббронза, НЖ-нержавеющая сталь, К- кожа, Р - резина, ВП - винилпласт, ФПфторопласт).
Методика расчета регулирующих органов подробно изложена в
технической литературе /3,4/. При расчете регулирующего органа необходимо
учитывать, что перепад давления в регулирующем органе PMIN (минимальный
122
при максимальном расходе) определяется с учетом потерь давления в подводящей
сети.
PMIN P0 PK H
PT , где: Р0 ,РК - давление в начале и в конце технологического участка, - удельный вес среды, Н - разница высот начала и конца
технологического участка, PT
PП
PМ - потери давления на трение и на
местные сопротивления трубопровода, включая изгибы. Величины потерь равны:
PП
Lw 2
;
2 Dg
PМ
w2
, где: L,D - длина и внутренний диаметр участков
2g
трубопровода соответственно, w-скорость протекания среды, g- ускорение
свободного падения, - коэффициент сопротивления на трение в прямых участках
трубопровода, зависящий от числа Рейнольдса (Re) и шероховатости стенок
трубы, - коэффициент местного сопротивления, обусловленный изгибами и
разветвлениями (определяется по справочникам). Число Рейнольдса (Re)
определяет режим течения потока: при Re<21320 поток ламинарный, при
Re>21320 поток турбулентный.
Расчет передаточной функции регулирующего органа приближенно можно
провести в предположении его линейной расходной характеристики пренебрегая
влиянием подводящей линии, т.е. считать, что подводящая сеть отсутствует и
весь перепад давления расходуется в регулирующем органе. Для линеаризации
расходной характеристика иногда используется нелинейная механическая связь
между рабочим органом и исполнительным механизмом.
Для упрощенного выбора рабочего органа и расчета его коэффициента
передачи по максимальному значению регулируемого параметра А объекта и
коэффициенту передачи объекта в установившемся режиме К 0 определяется
необходимый максимальный объемный Q или весовой G расход протекающего
вещества: QMAX
AMAX
или GMAX
K0
AMAX
.
K0
По ним определяется требуемая максимальная пропускная способность
KVMAX [м3/ч] регулирующего органа. Расчетные формулы для KVMAX в положении
полного открытия регулирующего органа зависят от физической прир оды
протекающей среды.
GMAX
Для потока жидкости K VMAX QMAX
или K VMAX
, где:
PMIN
1000 PMIN
QMAX[м3/ч]- максимальный объемный расход протекающего вещества,
GMAX [кГ/ч]- максимальный весовой расход протекающего вещества,
[Г/см3 ]- объемный вес жидкости,
РMIN [кГ/см2 ] - минимальный перепад давлений в регулирующем органе при
максимальном расходе рабочего вещества.
Для вязких жидкостей полученное значение необходимо умножить на
поправочный коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса / 3,4 /.
Поправку следует учитывать при числе Рейнольдса Re<103 .
Число Рейнольдса для жидкостей и газов определяют по формулам:
123
Re
0.354
Q0
VD
0.354
QM
DV
0.0361
Q0
D
0.0361
QH
H
D
, где:
Q0 [м3 /ч] - объемный расход,
QH [м3 /ч] - объемный расход, приведенный к нормальным условиям,
QM [кг/ч] - массовый расход,
D[мм] - внутренний диаметр трубопровода при рабочей температуре,
[кг/м3 ] - плотность среды в рабочих условиях,
3
Н[кг/м ] - плотность газа в нормальном состоянии,
V[м2/с] - кинематическая вязкость среды,
[кГ/м2] - динамическая вязкость среды.
Величина требуемой максимальной пропускной способности для
газообразных сред зависит от режима течения газа, определяемого скоростью
течения, в свою очередь, зависящей от перепада давления P в РО. Максимальная
скорость течения газа, равная местной скорости звука, называется критической и
достигается при критическом отношении давлений до и после РО.
Для потока газа при докритическом режиме течения, когда скорость течения
газа меньше местной скорости звука (при P< PКРИТ),
KVMAX
QНМАХ
535
Т10 к '
PMIN P2
Н
GMAX
535
T10 k '
PMIN
Н
P2
где:
T10 - абсолютная температура газа до регулирующего органа,
QHMAX [м3/ч] - объемный расход газа, приведенный к нормальным условиям ,
3
H[кГ/м ] - объемный вес газа, приведенный к нормальным условиям,
Р2 [кГ/см2 ] - давление после регулирующего органа,
k' - коэффициент сжимаемости газа.
Значение коэффициента сжимаемости газов приведены в /5/. За
нормальное состояние газа принимается состояние при температуре t=0 0С,
давлении р=1.0332кгс/см2 (101325Па) и относительной влажности =0.
Для потока газа при критическом режиме течения (при P> PКРИТ)
K VMAX
QНМАХ
0
Н 1
268P1
T k'
GMAX T10 k '
, где P1 – давление до регулирующего органа.
268P1
Н
Критический перепад давления РКРИТ для газа и пара определяется по
графикам, приведенным в / 3/. Если отсутствуют точные данные о свойствах
среды, то РКРИТ принимается равным Р 1/2.
Для газа значение коэффициента максимальной пропускной способности
РО может быть также определено более точно с использованием таблиц исходя из
знания показателя адиабаты, удельного веса газа в рабочих условиях и значения
давлений на входе и выходе /4 /.
Заметим, что если известна плотность сухого газа Н в нормальном
состоянии (при Р=РН и Т=ТН), то его плотность в рабочем состоянии при
давлении P 1 и температуре Т 1 определяется по формуле
P1TН
T1 PН k
Н
.
124
Для влажного газа его плотность в рабочем состоянии определяется по
формулам:
С
В
y
С
НП
P1
, где:
С
Н
yPНП Т Н
Т 1 PН k '
кг
м3
- плотность
сухой части газа во влажном газе при его парциальном давлении равным Р 1-yPНП
и температуре T 1, В[кг/м3 ] - плотность водяного пара в газе при его парциальном
давлении равном yPНП и температуре T 1, y - относительная влажность газа в долях
единицы, P НП – давление насыщенных паров при температуре Т1, НП[кг/м3 ] плотность насыщенного водяного пара при температуре T 1.
Если рабочая температура T 1 газа превышает температуру насыщения T НАС
водяного пара при давлении Р 1, то НП равно плотности перегретого водяного
пара при T 1 и P1 , а PНР =P1. Значение плотности водяного пара при различных
давлениях и температурах приведены в таблицах.
Если относительная влажность газа y известна при параметрах P и T ,
отличающихся от рабочих параметров P1 и T1 , то относительную влажность газа
в рабочем состоянии определяют по формуле: y
y P1T
P T1
НП
, где плотности
и
НП
НП
НП определены при температурах Т 1 и Т соответственно.
Если получаемое значение y>1, то в рабочем состоянии газ будет насыщен
водяным паром и при этом часть его сконденсируется. В данном случае за
действительное значение принимается y=1.
Для газов низкого давления вводится понятие условной пропускной
способности С , определяемой из соотношения С
кг
м3
кГ
Р 2
м
м
ч
3
Q
; где
- плотность газа и С =0.316KVM AX.
Для потока перегретого пара или сухого насыщенного пара
V1
при
Р
PКРИТ
K VMAX
G MAX
33
и при
Р
PКРИТ
K VMAX
G MAX
23.4
V2
PMIN
V1
P1
,
, где
, V1[м3/кг] - удельный объем пара при температуре Т1 и при давлении Р1
1
1
до регулирующего органа, V2[м3/кг] ] - удельный объем пара при температуре Т1
и давлении Р2 после регулирующего органа.
Выпускаемые
заводами-изготовителями
регулирующие
органы
характеризуются условным коэффициентом пропускной способности КVУ,
коэффициентом гидравлического сопротивления У и площадью проходного
отверстия FУ[см2]. Связь между параметрами регулирующего органа
устанавливается
соотношением:
К VУ
5.04 FУ
У
необходимый параметр при знании других.
,
что
позволяет вычислить
125
Исходя из найденного значения К VM AX, по заводским каталогам или из
технической литературы выбирается стандартный регулирующий орган с
условной пропускной способностью К VУ 1.1 1.2 К VMAX и определяется его
условный проход (диаметр трубопровода). Для выбранного рабочего органа
определяется точное значение условной пропускной способности КVMAX , по
которой уточняется максимальный объемный QMAX или весовой GMAX расход
вещества.
Коэффициент передачи регулирующего органа К равен производной от
расхода вещества Q (или G ) по ходу L подвижной части регулирующего органа.
Для случая, когда динамические свойства объекта с нагрузкой не меняются, в
качестве оптимальной выбирается линейная расходная характеристика
(зависимость расхода от хода подвижной части РО). В этом случае отношение
максимального расхода к ходу подвижной части (допустимо к 100% хода)
определяет коэффициент передачи регулирующего органа: К =Q/L, K=G /L.
Для газов малого давления в качестве регулирующих органов используются
заслонки. Зависимость величины условной пропускной способности С от угла
поворота плоского крыла для квадратных и круглых поворотных заслонок
приведены также в технической литературе. Тогда для поворотных заслонок
коэффициент передачи может быть определен как К=dQ(C( ))/d , где - угол
поворота заслонки.
Исполнительный механизм в системе автоматического регулирования
должен обеспечить перемещение РО с возможно меньшим искажением законов
регулирования. Для получения постоянного коэффициента передачи необходимо
иметь регулирующий орган с линейной расходной характеристикой. Форма
расходной характеристики будет повторять форму пропускной характеристики
только в том случае, если на подводящем трубопроводе отсутствуют
гидравлические сопротивления. Наличие сопротивлений в подводящей сети
приводит к тому, что при изменении расхода происходит перераспределение
перепадов давления между сетью и РО. Изменение перепада давления на РО при
изменении расхода вызывает искажение расходной характеристики относительно
формы пропускной характеристики и изменение коэффициента передачи.. Расчет
расходной характеристики необходимо проводить с учетом подводящей сети.
Выбираемый исполнительный механизм должен обеспечивать усилие
большее, чем максимальное перестановочное усилие рабочего органа,
определяемого из его технических характеристик. Способы сочленения ИМ и РО
зависит от их конструкции, взаимного расположения и требуемого характера
перемещения рабочего органа. Соединение ИМ с РО может быть
непосредственным, жестким и тросовым. Непосредственное соединение
выходного вала (штока) ИМ с валом (штоком) РО наиболее простое и
обеспечивает равенство скоростей перемещения. Жесткое соединение
осуществляется с помощью рычагов или реечных передач и связь может быть
линейной или нелинейной. При линейной связи перемещение вала ИМ и
подвижного элемента РО отличаются только масштабом. При нелинейной
жесткой связи реализуются неравные перемещения РО при равных перемещениях
вала ИМ. Применение нелинейных кинематических связей позволяет при
126
необходимости изменять расходные характеристики РО за счет соответствующего
подбора (расчета) длин соединительных звеньев.
Связь исполнительного механизма с рабочим органом при помощи
профильных шайб позволяет реализовать нелинейные соотношения между
перемещениями вала ИМ и подвижного элемента РО и, тем самым, позволяет
получать требуемые расходные характеристики.
127
6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
АВТОМАТИЗАЦИИ
6.1 Рабочие жидкости и газы
6.2 Элементы пневматических и гидравлических систем
6.3. Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы
6.4 Механогидравлические и механопневматические усилители
6.5. Гидравлические и пневматические корректирующие устройства
6.6. Электромеханические преобразователи
6.7. Примеры реализации пневморегуляторов.
Пневматическая автоматика отличается простотой эксплуатации,
надежностью и пожаробезопасностью. Она широко применяется для
регулирования и управления в простых пневматических и
электропневматических системах автоматизации, в основном на нижних уровнях
иерархии.
Гидравлические и электрогидравлические средства автоматизации
используются, когда требуется обеспечить точность перемещения регулирующего
органа при значительных усилиях. Гидравлические регуляторы применяются в
локальных системах автоматического регулирования. Элементы пневмо- и
гидроавтоматики содержат в своем составе все необходимые функциональные
устройства для построения замкнутой системы регулирования.
Цель главы – ознакомление с принципом действия основных
функциональных устройств пневматических и гидравлических систем
автоматизации.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ
устройство и принцип действия пневматических и гидравлических
исполнительных механизмов,
устройство и принцип действия гидравлических и пневматических
регуляторов,
устройство и принцип действия усилителей и корректирующих звеньев,
особенности подготовки рабочих сред для пневмо- и гидросистем.
В гидравлических и пневматических устройствах автоматики основным
носителем информации является жидкость или газ. Эти вещества в большей или
меньшей степени
являются основными носителями энергии. Между
гидравлическими и электрическими величинами и процессами существует
формальная аналогия так как процессы описываются одинаковыми
дифференциальными уравнениями. Аналогом электрического тока является
объемный расход жидкости Q (объем протекающего вещества через живое
сечение за единицу времени), а аналогом потенциала - давление P. Разность
128
давлений в сечениях трубопровода P (перепад давлений) и объемный расход
жидкости связаны соотношением - аналогом закона Ома: QR= P , где Rгидравлическое сопротивление. Величина R зависит от сечения, длины
трубопровода и типа течения. В гидравлических системах при каналах, диаметр
которых имеет величину порядка десятка микрон, оказывает влияние
облитерация, которая выражается в уменьшении или прекращении расхо да
жидкости через малые каналы с течением времен (несколько минут).
Аналогом емкости в гидропневмосистемах является объем. Инерционность
жидкости и газов (особенно в длинных трубах) проявляется подобно
электрической индуктивности. Гидравлическая индуктивность характеризует
инерционную массу жидкости. Поэтому явление гидравлического удара при
резком перекрытии гидропровода эквивалентно перенапряжению в цепях с
индуктивностью.
129
6.1 Рабочие жидкости и газы
В гидравлических системах находят применение вода, керосин,
минеральные масла, и специальные огнестойкие жидкости. Жидкости должны
удовлетворять следующим эксплуатационным требованиям:
вязко-температурные характеристики должны быть стабильны в рабочем
диапазоне температур,
обладать хорошей смазывающей способностью,
нетоксичными и пожаро-взрывобезопасными,
не разрушать уплотнений и не вызывать коррозии,
не растворять воздух,
не содержать примесей (более 3-5мкм),
дешевой.
В качестве рабочих жидкостей используются масла: веретенное, машинное,
трансформаторное, турбинное, приборное, керосин, велосит, МС-20...
В дросселирующих устройствах с узким проходом менее 0.5мм при выборе
рабочей жидкости необходимо учитывать явление облитерации. В отличии от
минеральных масел на нефтяной и кремниевой основе толуол, уайт-спирит мало
склонны к облитерации. Для очистки рабочей жидкости от примесей после
гидронасоса необходима установка фильтра.
В пневматических устройствах в качестве рабочего газа используется
воздух. Перед использованием он должен быть подготовлен: очищен и обезвожен
(высушен). Для питания используют воздух трех диапазонов давлений.
Низкий диапазон (0.0012-0.005Мпа) используется для питания струйных
устройств и для мембранных вычислительных приборов. При низких перепадах
сохраняется ламинарность течения и, следовательно, линейная зависимость
между перепадом давления и расходом воздуха и можно использовать капилляры
большего диаметра. При отверстиях больше 0.5мм тонкая очистка также
необходима.
Нормальный диапазон (0.118-0.175Мпа)
используется для питания
мембранных управляющих и регулирующих приборов.
Высокий диапазон (0.4-0.98Мпа) - для питания поршневых и мембранных
исполнительных устройств.
При работе на нормальных и высоких
давлениях истечение воздуха из сопла,
сопровождаемое резким расширением, вызывает
его резкое охлаждение, что приводит к
обмерзанию сопла с нарушением работы.
Поэтому необходима предварительная осушка
воздуха в дегидраторах. При резком сжатии
Фильтр
воздуха происходит его нагревание и возможна
Рис. 6.1 Эжектор
вспышка паров масла.
Схема подготовки воздуха нормального и
высокого давления следующая. Воздух, очищенный от пыли фильтром
130
поступает в компрессор, где сжимается. Сжатый воздух поступает в водяной
холодильник для конденсации водяных и масляных паров, содержащихся в
воздухе. Далее воздух поступает в ресивер, служащий для аккумулирования
запасов воздуха и сглаживания пульсаций. В ресивере устанавливают
предохранительный клапан на максимальное давление и вентиль для удаления
конденсата воды и масла. Из ресивера воздух проходит через маслоотделитель, в
котором освобождается от остатков паров масла и в селикагелиевый
двухступенчатый дегидратор для глубокой осушки воздуха. Далее воздух
проходит через регулятор давления, распределительную гребенку, фильтры,
редукторы и поступает к пневматическим устройствам. В качестве фильтра
используют техническую ткань ФПП обладающую малым сопротивлением
потоку и задерживающую частицы более 1мкм.
Для получения воздуха малого давления можно использовать вентиляторы,
пылесосы. Для получения воздуха низкого давления из воздуха высокого
давления используются эжекторы. Эжектор содержит два сопла расположенные
навстречу друг другу. Питающее сопло подключено к линии высокого давления.
Пройдя через малое сопло воздух попадает в приемное сопло большего диаметра,
а внутри корпуса эжектора создается разряжение и затягивается вторичный
воздух.
131
6.2 Элементы пневматических и гидравлических систем
6.2.1 Гидравлические и пневматические сопротивления
Элементы, создающие сопротивления в гидравлических и пневматических
цепях, называют дросселями. Дроссели могут быть регулируемые и
нерегулируемые. Простейший дроссель представляет собой втулку с одним или
несколькими калиброванными каналами. В зависимости от режима течения,
который хотят получить в дросселе, каналы выполняют длинными и уз кими или
очень короткими (шайба). Гидросопротивление ламинарных дросселей линейно
зависит от длины канала и обратно пропорционально четвертой степени
диаметра канала, что позволяет управлять гидравлическим сопротивлением,
путем изменения сечения и длины канала. При значительных перепадах давления
в длинных каналах и даже при малых перепадах в коротких каналах и шайбах
течение становится турбулентным и сопротивление нелинейно зависит от
давления.
Помимо дросселей с цилиндрическими каналами существуют
разнообразные щелевые дроссели. В щелевых дросселях используется зазор
между двумя поверхностями или кромками, на которых осуществляется
дросселирование потока жидкости.
Примеры
ламинарных
цилиндрического
и
конусного (игольчатого)
дросселей приведены на
рис.6.2.
Коэффициент
передачи
конусного
Рис.6.2 Цилиндрический и конусный дроссели
дросселя в десятки раз
больше,
чем
у
цилиндрического.
Наибольшее распространение получили
щелевые
дроссели
с
поступательным
перемещением
дросселирующих
кромок.
Дроссели такого типа используются в
золотниках. Дросселирование происходит на
щели, образованной кромками отверстия во
втулке и кромками штока (Рис.6.3). Щелевые
Рис.6.3 Золотниковый
дроссели делятся на проточные и отсечные.
дроссель
Последние полностью перекрывают окна в
Рис. 6.4 Дроссель
сопло-заслонка
нейтральном положении, но зато являются
существенно нелинейными.
Широкое
распространение получили
дроссели с соплом и заслонкой (Рис.6.4). Они не
имеют трущихся деталей, свободны от заедания
132
и имеют стабильные передаточные коэффициенты.
В системах автоматического управления дроссели выступают в качестве
распределителей и усилителей мощности, как элементы корректирующих и
управляющих устройств. Последовательное соединение регулируемых дросселей
может
быть
исR0
R
пользовано для реP0
P
P1
гулирования давления в
2
R
пространстве
между
дросселями (Рис.6.5).
R0
Учитывая
равенство
расхода через дроссели,
От насоса
d2
d1
можно
записать
P0
Р1
Po P1 P1 P2
, где:
Q
R0
Рис.6.5 Схема последовательного
соединения дросселей и ее реализация
дросселями соответственно.
От насоса
Q – расход, R0 и R –
сопротивления, P0,P1,P2
– величины давления
перед, между и за
P2
Коэффициент передачи k равен
P0
R0
R
dP1
dR
k
R0
R0 ( P0 P2 )
( R R0 ) 2
Для
того,
чтобы
коэффициент
передачи
не
зависел от R необходимо
выбирать
R0>>R.
Тогда
k
P0
P2
R0
. В этом случае, когда
Р2=0 имеем Р1=кR.
Мостовая
схема
включения дросселей позволяет
изменять знак (направление)
перепада давления аналогично
перепаду
напряжения
в
диагонали
мостовой
R1
R2
электрической схемы. Обычно
для
управления
выходным
сигналом
используется
P3
изменение сопротивления не
Рис.6.6 Реализация мостовой схемы
одного
дросселя
мостовой
схемы,
а
нескольких,
расположенных в различных плечах моста. Очень часто
используется
одновременное изменение сопротивлений дросселей в смежных плечах, причем,
P1
к ИМ
P2
133
если одно сопротивление увеличивается, то другое уменьшается. Реализация
такой схемы с дросселями типа сопло-заслонка приведена на рис.6.6.
Пневматические сопротивления имеют аналогичные конструкции.
6.2.3 Гидравлические и пневматические емкости
Элементами гидравлических цепей , помимо сопротивлений, являются
индуктивности и емкости. Индуктивность, являясь проявлением инерционности
жидкости, способна лишь ухудшить работу системы и специально не реализуется
в гидравлических устройствах.
Гидравлические емкости реализуются в гидроаккумуляторах переменного
объема. Открытые гидроаккумуляторы (Рис. 6.7а) практически не применяются.
Для целей автоматики используются воздушные гидроаккумуляторы (Рис. 6.7б),
представляющие собой герметизированные камеры, частично заполненные
воздухом. Жидкость, заполняя камеру, сжимает воздух над своей поверхностью,
который оказывает упругое противодействие.
а)
б)
h
в)
h
h
Рис.6.7 Гидроаккумуляторы
Гидроаккумулятор такого типа хорошо поддается управлению путем
изменения массы воздуха в камере. Для таких гидроаккумуляторов необходимо
постоянство температуры. Емкость С зависит от уровня жидкости и равна
С
S 2h2
, где: S– площадь поперечного сечения аккумулятора, m - масса воздуха,
mgRT
g –ускорение свободного падения, R- универсальная газовая постоянная, Tабсолютная температура. Такой аккумулятор не допускает опрокидывания, т.к.
воздух может попасть в гидросистему. Часто для отделения жидкости от воздуха
используют плавающий поршень или резиновую диафрагму устраняющие этот
недостаток. Аккумулятор может развивать большие давления.
Пружинные аккумуляторы (Рис. 6.7в) работают при невысоких давлениях и
имеют по сравнению с пневмогидравлическими меньшую емкость, которая равна
C
S2
, где kП – жесткость пружины.
kП
Такая емкость может работать в любом положении и ее величину изменяют
заменой пружины. Для подстройки постоянной времени участка гидросистемы,
состоящей из гидросопротивления и емкости, обычно используют изменение
гидравлического сопротивления т.к. изменять емкость затруднительно.
134
6.2.4 Гидро(пневмо)механические преобразователи
В состав гидро и пневмо систем входят различные преобразователи
измеряемого параметра в величину другой физической природы, используемую
далее для выработки сигнала управления. Рассмотрим некоторые из них.
Гидро(пневмо)механические
преобразователи
преобразуют
контролируемую величину (давление,расход жидкости или газа) в линейное или
угловое перемещение. По принципу действия они могут быть упругими или
поплавковыми. В свою очередь, упругие преобразователи могут быть
мембранными, сильфонными или трубчатыми.
Мембранный преобразователь (Рис. 6.8) содержит круглую пластину, из
упругого материала, которая под воздействием приложенного давления
прогибается, заставляя перемещаться выходной шток. Мембрана (диафрагма)
может быть выполненной из различных упругих материалов (резина, сталь).
Использование хлопающей мембраны позволяет реализовать релейный вариант
преобразователя. Такая мембраны
имеет вид купола (Рис. 6.8б) и
а)
б)
выполнена из материала с высоким
Р
Р
пределом
упругости.
При
повышении давления до некоторого
предельного
значения
она
практически не прогибается, а затем
резко меняет свой прогиб на
противоположный. При уменьшении
Рис. 6.8 Преобразователи с простой и
давления под действием пружины
хлопающей мембраной
мембрана хлопком переходит в
исходное положение
Сильфонные преобразователи представляют собой гофрированные трубки,
которые сжимаются под действием приложенного давления и смещают связанный
с донышком шток (Рис.6.9а). При уменьшении давления под действием пружины
сильфон
распрямляется.
а)
Сильфонные
преобразователи
Р
б)
Р
используются, если необходимо
получить
значительные
перемещения.
Трубчатые упругие элементы
(Рис.6.9б) представляют собой
трубку, запаянную с одного конца и
Рис. 6.9 Сильфонный и трубчатый
изогнутую в форме незамкнутого
преобразователи
кольца. При повышении давления
трубка стремится распрямиться и ее
свободный конец смещается на величину пропорциональную приложенному
давлению. Для увеличения хода свободного конца используют и другие формы
пружины.
135
Поплавковые преобразователи применяются для контроля уровня жидкости.
Они представляют собой полое тело, плавающее на поверхности, по положению
которого определяется уровень жидкости. Для контроля расхода жидкости или
газа поплавок размещают внутри потока, протекающего снизу вверх по
конусообразному трубопроводу (ротаметр). Каждому значению расхода
соответствует устойчивое положение поплавка в трубопроводе.
6.2.5 Механогидравлические преобразователи
136
Для построения гидросистем и
пневмосистем
используются
D2
механогидравлические преобразователи,
Р
которые преобразуют механический
Р1
Р2
сигнал в гидравлический. При этом чаще
всего имеет место усиление энергии
D3
D4
сигнала за счет энергии гидронасоса, что
позволяет относить такие устройства к
Рис.6.10 Механогидравлический
классу усилителей. Примером такого
преобразователь
устройства может служить мостовая
схема с соплом и заслонкой (рис.6.10).
Преобразователь содержит два постоянных дросселя D1, D2 и два регулируемых
типа сопло-заслонка D3, D4. В каждом плече входное давление распределяется
между постоянным и регулируемым дросселем. При смещении заслонки влево
сопротивление дросселя D3 растет, а сопротивление D4 падает. При этом давление
Р1 в левой выходной
магистрали растет, а в
Qд
правой Р 2 – падает.
D1
Другим примером
может
служить
Р2
Р1
золотниковый
преобразователь (рис.
6.11.), преобразующий
поступательное
перемещение золотника
в
гидравлическую
величину расхода среды
Р3
Р0
Р3
или в перепад давления.
На слив
От насоса
На слив
Преобразователь
6.11 Золотниковый преобразователь
представляет в общем
случае мостовую схему
соединения 4 одновременно управляемых щелевых дросселей.
Дроссельные преобразователи имеют существенный недостаток,
заключающийся в обратном влиянии потоков жидкости на подвижные элементы,
что усложняет работу управляющих устройств.
Преобразователь со струйной трубкой лишен этого недостатка. Он состоит из
струйной трубки, способной смещаться относительно сопловой головки с двумя
близко расположенными приемными соплами. В нейтральном положении сопло
трубки
в
точности
расположено
посредине
Р2
между приемными соплами
на небольшом расстоянии.
к ИМ
Рабочая жидкость поступает
в
трубку
от
насоса.
Р1
РПИТ
Рис.6.12. Преобразователь со
струйной трубкой
137
Струйная трубка формирует свободную струю жидкости, которая обладает
большой кинетической энергией и ударяет в приемные сопла. При этом
кинетическая энергия струи переходит в потенциальную энергию давления,
одинаковую в обоих каналах в нейтральном положении сопла. При небольшом
смещении сопла от нейтрального положения давление в одном сопле
увеличивается, а в другом уменьшается. В зависимости от направления смещения
трубки изменяется знак перепада давления и, следовательно, направление
движения подключенного к соплам исполнительного механизма. Преобразователь
со струйной трубкой в отличие от предыдущих не имеет недостатков дроссельных
преобразователей, в которых имеется обратное влияние потока жидкости на
подвижные элементы, что может привести к автогенерации .
138
6.3. Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы
В системах дистанционного и автоматического управления для
перемещения регулирующих органов применяют пневматические и
электропневматические исполнительные механизмы, а для непосредственного
воздействия на потоки жидких и газообразных сред - запорную и регулирующую
трубопроводную арматуру с пневмоприводом.
Пневматические исполнительные механизмы
различаются по виду
чувствительного элемента, преобразующего энергию командного сигнала в
перемещение выходного звена, и по характеру перемещения.
Пневматические ИМ подразделяются на мембранные, поршневые и
лопастные. Лопастные механизмы обеспечивают поворотное движение
выходного вала, остальные - возвратно-поступательное движение штока, которое
может быть преобразовано в поворотное.
Пневматические мембранные и поршневые ИМ подразделяются на
пружинные и беспружинные. В пружинных механизмах давление в рабочей
полости создает перестановочное усилие в одном направлении. Обратный ход
обеспечивается за счет силы упругости пружины. В беспружинных конструкциях
давление на чувствительном элементе обеспечивает перестановочное усилие в
обоих направлениях. В пружинных ИМ при аварийном прекращении подачи
энергии пружина устанавливает затвор в одно из крайних положений.
Мембранно-пружинные пневматические ИМ типа МИМ имеют одну
рабочую полость, образуемую мембраной и крышкой. Шток, связанный с
мембраной, совершает возвратно-поступательное движение. Перестановочное
усилие в одном направлении создается за счет давления сжатого воздуха в
рабочей полости на мембрану, в противоположном - за счет усилия сжатой
пружины. МИМ бывают прямого и обратного действия, нормально открытые и
нормально закрытые. При повышении давления в МИМ прямого действия
свободный конец штока удаляется от плоскости заделки мембраны. МИМ могут
поставляться с ручным дублером и позиционером. Диаметры заделки мембраны
160-500мм. При давлении 0.25Мпа в рабочей полости развиваемое усилие равно
0.2-35Кн, а рабочий хорд 6-100мм.
К поршневым ИМ относятся прямоходные пневмоцилиндры. В зависимости
от модификации обеспечивают ход поршня до 320мм и усилие до 28Кн.
Исполнительный механизм ПСП-Г-1 имеет встроенный позиционер, ход поршня
320мм и усилие до 6 Кн. Позиционер – является устройством, обеспечивающим
перемещение ИМ на величину пропорциональную давлению.
Пневмопривод ПРП предназначен для управления запорной и
регулирующей арматурой и имеет в составе длок конечных выключателей.
Давление воздуха цепи питания 0.4-6.3 Мпа; цепи управления 0-10Кпа и
логической "1" -110-140Кпа.Имеет дистанционный указатель положения ИМ. В
приводе имеется два пневмодвигателя одностороннего действия. Возвратно поступательное движение штока преобразуется в прерывистое вращательное
движение выходного вала с помощью системы клапанов и золотников.
139
Принцип действия лопастного пневмопривода основан на создании
вращательного момента на валу поворотной заслонки (лопасти) перемещающейся
внутри полого корпуса под действием сжатого воздуха.
Пневмоприводы могут комплектоваться пневматическими сигнализаторами
крайних положений, устройствами возврата, предназначенными для перевода
привода в одно из крайних положений при падении ниже заданного предела
давления в сети, позиционером.
Позиционер представляет собой усилитель с обратной связью по
положению
выходного звена исполнительного устройства.
Устройство
представлено на рис.6.13. Работа позиционера основана на методе компенсации
моментов на подвижном рычаге, развиваемых чувствительным элементом
(сильфоном)
и
пружиной обратной
связи. Рычаг связан с
заслонкой
сопла
Усилитель
усилительного реле.
Входной
сигнал
поступает в сильфон,
который воздействует
МИМ
РПИТ
на
рычаг.
Р
Перемещение рычага
вызывает изменение
Рис. 6.13. Позиционер
давления в линии
сопла. Это давление поступает на усилитель-реле. На выходе формируется
усиленный по мощности сигнал, который поступает в камеру мембранно пружинного механизма и вызывает перемещение штока, который связан через
рычаг с пружиной обратной связи. Перемещение рычага будет происходить до
тех пор, пока он не придет в равновесие. Каждому значению входного сигнала
соответствует определенное положение выходного вала звена МИМ.
Гидравлические ИМ отличаются высоким быстродействием и жесткостью.
По конструктивному исполнению они могут быть поршневыми и роторными.
Поршневые ИМ служат для получения поступательного движения штока. В
гидравлических ИМ при повышенных требованиях к габаритам и ограниченном
сроке службы используются рабочие давления 15 30 Мпа, в стационарных
системах – 2.5 6Мпа, при пониженных требованиях к скорости перемещения
используются давления менее 2.5Мпа.
Роторные гидромоторы применяются для получения вращательного
движения выходного вала. Они делятся на радиальные, аксиальные и лопастные.
140
В радиальном гидромоторе внутренний ротор смещен от центра кожуха
(рис. 6.14.). В роторе имеются проточки по которым движутся поршни под
действием давления жидкости, поступающей
через торец
ротора. В торец входит
неподвижная перегородка, разделяющая
внутреннюю полость ротора на две части. В
одну половину с торца подается давление, а с
другой половины производится слив. Под
действием давления половина поршней
выдвигается и упирается в кожух под острым
углом. Это приводит к появлению
вращающего момента, под действием
которого ротор вращается. Другая половина
поршней вдвигается в ротор и их них
происходит слив.
В лопастном гидромоторе (рис.6.15)
Рис. 6.14. Радиальный гидромотор
Р2
Р1
ротор
помещен
в
кожух
эллиптического
сечения.
В
роторе имеются проточки, в
которых находятся подвижные
лопасти. Лопасти прижимаются
давлением жидкости к стенкам
статора. Кожух имеет 4 патрубка
для подвода и отвода рабочей
жидкости. При подаче рабочей
жидкости в правую верхнюю и
левую нижнюю части статора
Р2
Р1
ротор начинает вращаться по
часовой стрелке под действием
Рис.6.15. Лопастный гидромотор
суммы
сил
давления,
приложенных к лопастям.
В аксиальном гидромоторе ротор расположен в кожухе и связан с
выходным валом. Ротор содержит цилиндры с поршнями, которые связаны с
поворотным диском, повернутым под углом к валу ротора. Подача и слив рабочей
жидкости производится через кожух. При
вращении
ротора
происходит
Р1
переключение питания цилиндров с
рабочего хода на слив. При подаче
жидкости
в
цилиндр
последний
выдвигается и, упираясь в поворотный диск
Р2
под острым углом, поворачивает ротор.
При этом из цилиндров с вдвигаемыми
поршнями производится слив.
Рис.6.16. Аксиальный гидромотор
141
6.4 Механогидравлические и механопневматические усилители
Механогидравлические и механопневматические усилители применяются в
системах гидропневмоавтоматики для усиления входного сигнала по мощности.
При их реализации широко применяются преобразователи рода сигнала. Для
улучшения характеристик усилителей они могут иметь контуры обратной связи.
Примером усилителя без обратной связи может служить гидравлический
усилитель с золотником в качестве исполнительного элемента (рис.6.17).
Усилитель состоит из управляющего и распределительного золотниковых
устройств.
Входной
величиной
является
x
перемещение
x
управляющего золотника, а
слив
слив
выходной – перемещение y
распределительного
Р0
золотника.
Управляющий
золотник
выбран
с
y
отрицательным
перекрытием, поэтому при
a
b
нейтральном
положении
слив
слив
управляющего
золотника
проходные сечения его
Рп
окон равны и в силу этого в
обоих выходных линиях
Нагрузка (ИМ)
устанавливаются
одинаковые давления и из
Рис. 6.17. Принципиальная схема
золотника постоянно идет
механогидравлического усилителя мощности
слив рабочей жидкости, что
обеспечивает
лучшую
управляемость. Тогда в обеих полостях a и b распределительного золотника
устанавливаются одинаковые давления. Возвратные пружины в этих полостях
удерживают распределительный золотник в нейтральном положении.
Распределительный золотник выполнен с положительным (или с нулевым)
перекрытием. Поэтому при нейтральном положении распределительного
золотника проход жидкости к нагрузке оказывается перекрытым. При смещении
управляющего золотника (например, влево) увеличивается проходное сечение
правого окна и давление жидкости в полости b распределительного золотника
увеличивается. Соответственно уменьшается давление в полости a. Под
действием появившейся разности давлений распределительный золотник
смещается влево, сжимая одну пружину и растягивая другую. Перемещение
распределительного золотника определяется жесткостью пружин и разностью
давлений в камерах a и b, т. е. в конечном итоге определяется смещением х
управляющего золотника. Таким образом, выходная координата у
рассматриваемого усилителя в некотором масштабе повторяет входную
142
координату х, так как силы, вызванные перепадом давлений в полостях a и b,
уравновешиваются устанавливающими силами пружин. Если рассматривать
данное устройство как распределитель потоков жидкости в нагрузку, то
мощность гидравлического сигнала на выходе распределительного золотника
будет существенно больше мощности управления, поскольку выходная
мощность будет определяться давлением питания Р П и расходом через
распределительный золотник, зависящим от подачи питающего насоса.
Пример реализации гидравлического усилителя мощности с обратной
связью по перемещению исполнительного элемента представлен на рис.6.18.
Усилитель состоит из золотника 1, корпуса 2 (поршень силового цилиндра) и
силового цилиндра 3. При отсутствии входного управляющего воздействия
золотник находится в исходном положении и перекрывает окна а и в (золотник
выполнен с положительным или нулевым перекрытием). При этом полости А и Б
отделены друг от друга, что обеспечивает необходимую жесткость усилителя.
При перемещении золотника 1, например вправо, рабочая жидкость от
насоса поступает через окно а в полость А силового цилиндра. Одновременно
полость В силового цилиндра через окно в и каналы оказывается соединенной с
1
A
в
а
3
B
слив
2
РП
Рис.6.18. Гидроусилитель
магистралью слива. Под действием разности давлений в полостях А и Б поршень
2 силового цилиндра перемещается вправо до тех пор, пока дросселирующие окна а
и в не окажутся перекрытыми. При такой конструкции гидроусилителя
коэффициент отрицательной обратной связи по перемещению оказывается равным
единице. Однако коэффициент передачи по силе (мощности) будет существенно
больше единицы, так как развиваемая на выходе сила, приложенная к поршнюкорпусу 2, будет определяться давлением питания Р П, которое может быть выбрано
достаточно большим. Сила же, необходимая для смещения золотника 1,
незначительна и реализуется с помощью маломощного электромеханического
элемента.
Рассматривая данное устройство как динамическое звено системы автоматики, за
входную координату можно принять перемещение золотника, а за выходную —
перемещение корпуса 2. Структурная схема такого усилителя представляется в
виде динамического звена с единичной отрицательной обратной связью.
143
В промышленной пневмогидроавтоматике широкое распространение получили усилители давления с силовой компенсацией (Рис.6.19), в которых входное
давление Р ВХ преобразуется
F1
x
PВЫХ
PВХ
в преобразователе P/F (давF/L
P/F
L/P
ление — сила) в силовое
_
воздействие F 1 . Выходное
F2
давление Р ВЫХ устройством
P/F
обратной связи P/F также
Pис.6.19. Блок-схема усилителя
преобразуется в силу F 2 .
Усилия F 1 и F 2 сравниваются в устройстве F/L, и их разность преобразуется в перемещение х. Далее
механопневматическим
(механогидравлическим)
преобразователем
L/P
перемещение преобразуется в выходное давление Р ВЫХ. Этот принцип действия
реализован в пневматическом усилителе давления. В качестве преобразователя
перемещение-давление часто используются преобразователи типа «сопло —
заслонка». В качестве преобразователя давление-сила обычно используют гибкую
мембрану, на жесткий центр которой передается усилие.
Использование компенсации сил позволяет свести перемещения подвижных
элементов к минимуму, что повышает точность преобразования, а если в качестве
заслонки использовать жестко закрепленные мембраны, то последнее позволяет
избавиться от перемещающихся с трением друг относительно друга подвижных
частей усилителей. Усиление входного давления осуществляется за счет выбора
различных эффективных площадей преобразователей давления в силу.
Этот принцип преобразования реализован
РВХ
в простейшем мембранном пневматическом
S1
А
в атм.
усилителе давления (Рис. 6.20), подвижным
Б
узлом которого является мембранный блок,
S2
связывающий
воедино
две
мембраны
РПИТ
РВЫХ
В
различных эффективных площадей S1 и S2.
Давление питания Р ПИТ поступает через
Др
постоянный дроссель Др в камеру В, в которой
расположено сопло. Камера В является
проточной и соединена с выходным каналом
Рис. 6.20 Пневмоусилитель
пневмоусилителя.
Сопло
соединено
с
атмосферой. Входное давление Р ВХ подается в глухую камеру А и, воздействуя на
эффективную площадь мембранного блока, создает силу F1= РВХ*S1. Таким
образом реализуется преобразователь P/F (Рис.6.19). Мембранный блок
смещается вниз (камера Б соединена с атмосферой), смещается мембрана с
эффективной площадью S2 относительно сопла и давление Р ВЫХ в камере В
повышается. При этом на мембранный блок со стороны камеры В действует сила
F2=РВЫХ*S2, т. е. реализуется преобразователь P/F.
Мембранный блок будет перемещаться до тех пор, пока F2 не станет равным F1
т.е. пока не выполнится условие РВХ*S1 = РВЫХ*S2. Выбирая различные площади
S1 и S2, можно получить коэффициент усиления S1/S2. В рассмотренном
пневматическом усилителе коэффициент усиления определяется только
144
конструктивными параметрами (соотношением эффективных площадей мембран) и
для конкретного усилителя является неизменным.
Переменный коэффициент усиления по
РПИТ
давлению реализуется в
представленной
на
S1
рис.2.21 схеме мемR1
R2
РВХ
бранного пневмоусилР1
теля. Здесь также реаS2
лизуется силовая комРВЫХ
пенсация, причем эфР2
фективные
площади
S3
S1=S3 и S1<S2. Тогда
R3
R4
для статического режима давления Р 1 =Р 2 .
Они равны соответственно
Рис.6.21. Схема усилителя с изменяемым
коэффициентом усиления
P2
R4
R3
R4
PВ Ы Х ,
P1
R2
R1
R2
PВХ
и
где R 1 , R 2 , R 3 , R 4 пневматические сопротивления
R2 R3 R4
PВХ . Так как
соответствующих дросселей. Тогда
R1 R2 R4
сопротивления R 2 , R 4 на выхлопе выбраны переменными, то, изменяя их, можно
менять коэффициент усиления по давлению данного пневматического усилителя.
Для усиления пневматического сигнала по мощности и повторения входного
давления с точностью до 0,5% используется схема рис. 6.22. В ней содержится
переменный дроссель «сопло — заслонка 2» (сопло 1 соединено с атмосферой) и
устройство типа «сопло — заслонка», образованное постоянным дросселем 8 и
переменным дросселем сопло 4, заслонка 3. Роль заслонок выполняют мембраны
2, 3 с жесткими центрами. Давление в междроссельной камере Г воздействует на
подпружиненный клапан 6, размещенный на мембране 5. Давление питания
подается в камеру Е с размещенной в ней пружиной 7. Выходное давление Р ВЫХ
снимается с соединенных между собой камер Д, В, А.
PВЫХ
145
При подаче входного давления Р ВХ в глухую камеру Б мембраны 2 и 3
прогибаются в разные стороны соответственно к соплам 1 и 4. Расход газа
через сопло 4 уменьшается и уменьшается сброс газа через сопло 1 в атмосферу.
При этом давление в междроссельной камере Г возрастает, что вызывает прогиб
мембраны 5 и смещение
1
вниз клапана 6. Клапан 6,
отжимая пружину 7, от2
крывается, и расход газа
A
Рвх
с камеры Е от давления
Б
3
питания идет на выход,
увеличивая Р ВЫХ. ВыходВ
4
ное давление РВЫХ увеличивается до тех пор, пока
силы, действующие на
Г
мембрану 3 со стороны
Рвых камер Б и В, не уравнове8
Д
5
сятся. При этом Р ВЫХ
=РВХ, поскольку эффективные площади мемЕ
6
браны 3 со стороны камер
Б и В одинаковы. Таким
7
образом реализуется повторение входного и выходного давлений в данРис.6.22. Пневмоусилитель мощности
ном пневматическом усилителе мощности. Усиление сигнала по мощности достигается тем, что проходное сечение клапанного блока
выбирается большим и таким образом обеспечивается большой расход газа на
выходе усилителя мощности. Однако неуравновешенность воздействия выходного
давления на клапанный блок может привести к гистерезису статической
характеристики усилителя. Поэтому схемными решениями стремятся разгрузить
клапан от воздействия выходного давления.
Один из вариантов такого решения представлен на рис. 6.23. В корпусе 1
такого
мембранно-клапанного
механопневматического
распределителя
установлен мембранный блок из трех мембран: сложной мембраны,
составленной из мембран 2 и 3 и мембраны 4, жесткие центры которых
соединены между собой и контактируют с запорным органом. Камера между
мембранами 2,3 и 4 соединена с выходным каналом. В исходном положении
мембранноклапанного блока пружина 5 поджимает заслонку 6 к соплу
питания 7, закрывая его. При создании силы Р ЭМ П (например, от управляющего
электромеханического преобразователя) запорный орган 8 отжимает заслонку
6 от сопла 7 и поток газа идет на выход. При этом 8 все время остается
прижатым к заслонке 6 и тем самым предотвращается соединение Р ПИТ через
камеру сброса А с атмосферой (предотвращается прямой сброс давления питания
в атмосферу). Воздух из камеры сброса А выталкивается в атмосферу, создавая
146
некоторое избыточное давление в этой камере. Это давление воздействует на
эффективные площади мембран 4 и 9, вызывая результирующую силу,
направленную вниз, поскольку
F
ЭМП
эффективная
площадь
11
мембраны 4 больше, чем
В
10
мембраны 9.
РВЫХ
В связи с этим при уменьшении
РПИТ
8
7
управляющего усилия FЭМ П в
течение времени опорожнения
1
камеры сброса А возможен
А
9
5
случай,
когда
заслонка
6
6
отойдет от запорного органа 8 и
12
в результате давление питания
соединяется
с
атмосферой.
Чтобы этого не произошло, в
С
конструкции
механогидравлического
2 4
3
(механопневматического)
мембранно-клапанного
Рис.6.23. Усилитель мощности
распределителя предусмотрена
дополнительная камеру В, которая, так же как и камера С, соединяется с
магистралью слива (атмосферой). При уменьшении усилия управления РЭМ П
мембраны 9 и 10 приподнимают наружное седло и сбрасывают часть давления
в камеру сброса А. Эффективная площадь дополнительной мембраны 11 равна
разности эффективных площадей мембраны 9 и 10, поэтому общее усилие от
давления сброса на мембранную сборку 9,10,11 равно нулю.
Для компенсации действия давления сброса на мембрану 4 камера С
соединена с камерой сброса А, а жесткий центр мембраны 2,3 выполнен в
виде дисков 2 и 3 разных диаметров. Диаметр жесткого центра 2 этой
мембраны
равен диаметру жесткого центра мембраны 4, поэтому
результирующее силовое воздействие на шток 12 из-за действия давления
сброса равно нулю.
Разгрузка по выходному давлению Р ВЫХ осуществляется тем, что
результирующее силовое воздействие со стороны мембран 4 и 3
противодействует через шток 12 усилию, возникающему на рабочей площади
запорного органа (мембране 9).
В качестве материала плоских эластичных мембран применяется
мембранное полотно толщиной 0,2 и 0,4 мм.
147
6.5. Гидравлические и пневматические корректирующие устройства
Корректирующие устройства обыкновенно выполняют какие-либо
математические операции: сложение, умножение, дифференцирование и т. п. или
их комбинации.
Суммирующие гидравлические устройства служат для сложения двух (и
более) воздействий и могут складывать давления или расходы жидкости. Они
выполняются в нескольких вариантах — мембранные и безмембранные.
Мембранные
сумматоры
работают на принципе компенсации
10
Р0
сил (Рис.6.24). Мембраны 1-4 под
действием
давлений
Р 1-Р4
РВЫХ
воздействуют
пропорционально
9
этим давлениям на диск 6 так, что
это перемещение пропорционально
8
7
5
алгебраической сумме давлений.
2
6
Р2
При этом давления Р1, Р3. Р4
учитываются со знаком плюс, а Р 2
1
4
- со знаком минус. Диск 6 через
3
шток 7 связан с заслонкой 8 сопла 9.
Перемещение диска и заслонки
Р3
Р4
Р1
приводит к пропорциональному
перераспределению
перепадов
Рис. 6.24 Схема гидравлического
давлений на сопле 9 и дросселе 10.
суммирующего устройства
Таким образом, выходное давление
РВЫХ изменяется пропорционально
Р1
алгебраической сумме давлений Р1Р4 . Мембрана 5 осуществляет
отрицательную обратную связь,
компенсирующую
влияние
РВЫХ
нагрузки на работу сумматора.
Р2
Р4
На рис. 6.25 изображена схема
Р3
безмембранного
непрерывного
сумматора. Учитывая, что сумма
Рис.6.25. Безмембранный
расходов протекающего через
сумматор
дроссели вещества равны 0 и расход
вещества через каждый дроссель равен перепаду давления, деленному на
сопротивление, легко получить, что выходное давление пропорционально
алгебраической сумме входных давлений.
Один из способов реализации дифференцирующего звена представлен на
рис.6.26а. Устройство представляет собой масляной (воздушный) демпфер,
предназначенный для демпфирования колебаний, возникающих при движении
механических элементов. Демпфирующее усилие в них пропорционально
скорости перемещения х. При смещении штока 1, жестко связанного с поршнем 3,
148
имеющим капиллярные каналы 4, поршень смещается относительно
неподвижного корпуса 2, рабочая жидкость по капиллярным каналам
перетекает
из
1
2
4
4
полости в полость,
2
у
вызывая
3
1
х
демпфирующую
силу,
3
х
препятствующую
движению.
а
Пренебрегая массой
б
поршня и считая
Рис. 6.26 Дифференцирующие устройства
выходной
величиной данного
устройства демпфирующую силу, а входной - перемещение поршня, можно
получить
передаточную
функцию
соответствующую
идеальному
дифференцирующему звену.
Другой тип устройства, реализующего реальное дифференцирующее звено ,
представлено на рис. 6.26б. Устройство состоит из масляного демпфера, корпус
которого 1 механически связан с входной величиной у, а перемещение поршня 2
со штоком является выходной координатой х. В поршне 2 выполнены
дросселирующие капиллярные отверстия 3. Шток поршня 2 растягивает или
сжимает при своем движении пружину 4. При смещении корпуса 1 управляющим
сигналом у рабочая жидкость начинает перетекать по каналам 3 из полости в
полость, возникают силы вязкого трения и поршень начинает перемещаться,
воздействуя на пружину . Сила вязкого трения при этом пропорциональна
разности скоростей движения корпуса 1 и поршня 2 со штоком. Пренебрегая
силами инерции поршня со штоком, можно утверждать, что сила в
установившемся режиме уравновешивается силой пружины. При резком
перемещении штока корпуса также перемещается выходной шток пружины, сжимая
(растягивая пружину), которая в дальнейшем переместит выходной шток в прежнее
положение. Проводя расчет такой системы, можно показать, что передаточная
функция устройства равна W (s)
Ts
, где T
Ts 1
f
- постоянная времени изодрома,
c
f- коэффициент вязкого трения, c – жесткость пружины.
Гидравлическое интегрирующее устройство наиболее
Q
просто реализуется по схеме изображенной на рис.
6.27. Расход жидкости Q, вызванный перепадом
x
давлений, смещает поршень на величину х, причем в
каждый момент времени Q S
Рис.6.27. Интегрирующее
устройство
поршня.
W ( s)
X ( s)
Q( s )
Тогда
dx
, где S – площадь
dt
передаточная
функция
равна
1
.
Ss
Пневматические корректирующие устройства можно строить подобно
рассмотренным выше соответствующим гидравлическим устройствам.
149
Для
реализации
пневматических систем широкое
РПИТ
применение получили устройства,
построенные на базе устройств
непрерывного
действия
Р1
универсальной системы элементов
Р
промышленной пневмоавтоматики
ВЫХ
А
(УСЭППА),
работающих
по
Р2
Б
принципу
компенсации
сил.
Конструкция
трехмембранного
элемента сравнения этой системы
представлена на рис.6.28. Этот
простейший элемент имеет одну
РАТМ
большую
диафрагму
и
две
маленькие. Диафрагмы образуют
Рис.6.28 Конструкция
две
глухие
камеры
и
два
трехмембранного элемента сравнения
сопротивления
типа
“соплозаслонка”.
При
увеличении
давления поступающего в камеру А мембранный блок смещается вниз
уменьшая сопротивление в цепи подачи давления питания. Такая камера
считается положительной и часто отмечается знаком “+”. Камера Б будет
отрицательной и может быть использована для создания отрицательной
обратной связи. Для получения выходного сигнала образованные
сопротивления соединяют последовательно, образуя делитель. Такое
устройство работает как релейный элемент сравнения и его коэффициент
передачи можно считать бесконечно большим. На базе таких элементов можно
строить различные усилительные и корректирующие устройства.
Принципиальные схемы пневматических корректирующих устройств на
элементах УСЭППА представлены на рис. 6.29.
Дроссельное пневматическое суммирующее устройство с повторителем на
трехмембранном элементе представлено на рис. 6.29а. Повторитель состоит из
двух пар узлов «сопло — заслонка» и трех мембран, образующих вместе с
корпусом глухие камеры. Узлы “сопло — заслонка” включены последовательно и
образуют два переменных сопротивления в линии “питание — атмосфера”.
Сумматор входных пневматических сигналов P1 и P2 выполнен на двух дросселях с
сопротивлениями R1 и R2 соответственно, один из которых нерегулируемый.
Статический выходной сигнал дроссельного сумматора равен РВЫХ k1 P1 k 2 P2 , где
k1
R2
R1
R2
, k2
R1
R1
R2
- коэффициенты усиления, которые настраиваются
изменением сопротивления регулируемого дросселя. Передаточная функция
дроссельного сумматора по i-тому входу при условии, что другое давление
меняться не будет, равна Wi ( s )
ki
, где T – постоянная времени зависящая от
Ts 1
глухой камеры, температуры и плотности газа, сопротивления дросселей. Выходной
150
сигнал сумматора поступает в положительную камеру повторителя, рост давления в
которой приводит к смещению мембранного блока вниз и, следовательно, к
большему открытию входного и прикрытию выходного сопла. Смещение
мембранного блока должно приводить к увеличению выходного сигнала. Но
выходной сигнал одновременно поступает в отрицательную камеру (камеру
отрицательной обратной связи) рост давления в которой смещает мембранный блок
вверх. В результате блок займет равновесное положение при котором выходное
давление повторителя равно его входному давлению.
Р1
Р2
РПИТ
РПИТ
в атм.
РВЫХ
R1
V
+
R2
R
-
Р1
Р2
+
V
РВЫХ
+
-
V
-
в атм.
R
+
а
Р1
РВЫХ
в атм.
РПИТ
б
в
Рис. 6.29. Пневматические корректирующие устройства
Для реализации пневматического интегратора используют повторитель,
охваченный единичной положительной обратной связью через апериодическое
звено первого порядка с единичным коэффициентом передачи (Рис.6.29б).
Пневматический повторитель разности входных сигналов Р 1 и Р2 реализован на
пятимембранном элементе УСЭППА. Переменный дроссель R с емкостью V
представляет собой апериодическое звено первого порядка, включенное в цепь
положительной обратной связи мембранного повторителя. Выходное давление
РВЫХ снимается после переменного дросселя.
Пневматическое дифференцирующее устройство получается, если выходной
сигнал Р ВЫХ снимается с входа апериодического звена первого порядка,
включенного в цепь отрицательной обратной связи трехмембранного усилителя
с большим коэффициентом усиления (Рис. 6.29в). Апериодическое звено, как и в
предыдущем случае, образовано переменным дросселем с сопротивление R и
постоянным объемом V. В установившемся режиме Р ВЫХ=Р1, т. е. имеем
повторитель входного давления.
151
6.6. Электромеханические преобразователи
Электромеханические преобразователи применяются для преобразования
электрических величин в линейное или угловое перемещения. Преобразователи
применяются для реализации электропневматических и электрогидравлических
систем в качестве силовых преобразователей на стыке электрической и
пневматической или гидравлической части. Наиболее простыми являются
преобразователи электромагнитного и магнитоэлектрического типа. В
электромагнитном преобразователе электромагнит создает тяговое усилие, которое
уравновешивается силой со стороны плоской центрующей пружины. В
дифференциальном преобразователе имеются два электромагнита тянущих якорь в
противоположные стороны. Поступательное движение якоря передается на
управляющие органы механогидравлических или механопневматических
преобразователей.
В магнитоэлектрических преобразователях управляющий ток поступает в
подвижную катушку находящуюся в магнитном поле постоянного магнита или
электромагнита. Подвижная катушка механически связаны со штоком передающим
усилие на механогидро или механопневмопреобразователь. Усилие, развиваемое
магнитоэлектрическим преобразователем, практически не зависит от положения
подвижной катушки и пропорционально току в ней. Постоянная времени
магнитоэлектрического преобразователей обычно значительно меньше, чем
постоянная времени электромагнитных преобразователей.
В магнитострикционных и электрострикционных преобразователях
используются свойства некоторых материалов изменять свой размер в магнитном
или электрическом полях.
152
6.7. Примеры реализации пневморегуляторов.
Рассмотрим в качестве примеров реализации некоторых регуляторов.
В пропорциональном
пневматическом регуляторе, приведенным на
рис.6.30 входной величиной является механическое перемещение заслонки 1, а
выходной – перемещение штока 4. Смещение заслонки вызывает изменение
давления над мембраной 2 исполнительного механизма. В результате мембрана
смещается на величину, определяемую жесткостью пружины 3. В результате
смещается связанный с мембраной шток, воздействуя на регулирующий орган.
Взаимодействие элементов регулятора отражено в структурной схеме (Рис.6.30.).
В
пропорционально-интегральном
регуляторе
(Рис.6.31)сигнал
рассогласования от датчика поступает на вход усилителя-сумматора и, после
усиления, воздействует на электромеханический преобразователь 1, смещающий
струйную трубку 2 из нейтрального положения. Питание струйной трубки может
проводиться как жидкостью, так и газом. Отклонение струйной трубки вызывает
движение поршня
5 исполнительного
механизма со
скоростью,
пропорциональной сигналу рассогласования.
От датчика
1
РПИТ
2
1
k1
T1 s 1
2
k2
T s
T3 s 1
2
2
2
3
4
3
k3
Рис.6.30. Принципиальная и структурная схемы
пропорционального регулятора
Поршень изодрома 4 сместится на величину пропорциональную скорости
исполнительного механизма и через реостатный датчик положения сформирует
сигнал отрицательной обратной связи по скорости ИМ.
153
4
3
1
5
2
РПИТ
Рис.6.31. ПИ-регулятор
Структурная схема этого регулятора, отражающая функциональные связи,
представлена на рис.6.32.
Пневматический пропорциональный регулятор легко реализуется на
элементах системы УСЭППА (рис. 6.33). Регулятор состоит из сумматораповторителя 2, задатчика 1, усилителя 3 и усилителя мощности 4. Задатчик
регулятора образован последовательным соединением постоянного дросселя Д1 и
элементом ”сопло - заслонка” задатчика 1. Установка задания осуществляется
поджатием пружины в блоке задатчика.
1
k1
5
k2
T12 s 2 T2 s 1
k4
T5 s 1
k3
T32 s 2 T4 s 1
1
s
4
Рис. 6.32. Структурная схема ПИ-регулятора
На усилитель-сумматор 2 поступает сигнал рассогласования Р ВХ , сигнал от
задатчика 1 и сигнал от внешнего задатчика Р ЗАД. Если сигнал датчика и сумма
сигналов задатчиков равны, то мембранный блок находится в равновесии. С
ростом сигнала рассогласования Р ВХ верхнее сопло будет прикрываться, а
выходное давление – падать. Через сумматор, образованный регулируемым
дросселем Д2 и дросселем Д3 выходное давление поступает в камеру
отрицательной обратной связи Б усилителя 3. На сумматор через дроссель Д3
поступает выходное давление.
154
РПИТ
Д1
РАТМ
1
3
Е
РПИТ
2
РВХ
РЗАД
Г (-)
Д(+)
Е
4
РПИТ
В (+)
РВЫХ
Г (-)
Д(+)
Д2
Г (-)
Д4
Б (-)
В (+)
А
Б (-)
В (+)
Д3
Б (-)
А
РПИТ
РАТМ
А
РАТМ
Рис.6.33. Пневматический пропорциональный регулятор
Настройка сумматора определяет степень воздействия отрицательной
обратной связи и, следовательно, коэффициент передачи.
В камеру положительной обратной связи Д усилителя 3 поступает давление
от задатчика, с помощью которого выходное давление настраивается на
оптимальную для данного процесса управления величину (выбирается рабочая
точка).
Для гашения автоколебаний в усилитель 3 вводятся две обратные связи:
положительная – в камеру В и отрицательная – в камеру Г. Автоколебания
предотвращаются из-за включения постоянного дросселя Д4 включенного в
линию положительной обратной связи и вносящего дополнительный фазовый
сдвиг. Выходной сигнал промежуточного усилителя 3 поступает на выходной
усилитель мощности 4.
В пневматическом ПИ-регуляторе (рис.6.34) пропорциональная часть
состоит из сумматора-повторителя 1 и сумматора на дросселях Д1 и Д2
реализующих отрицательную обратную связь через усилитель мощности 4.
Интегральная часть (интегратор) состоит из усилителя-сумматора 2, дросселя Д3
и емкости V охваченных положительной обратной связью.
155
РВХ
3
РПИТ
2
V
Е
Д(+)
Е
D3
В (+)
Г (-)
В (+)
РВЫХ
Б (-)
В (+)
D4
Б (-)
Б (-)
А
А
РАТМ
1
РПИТ
4
Г (-)
Д(+)
Г (-)
РЗАД
РПИТ
А
РПИТ
РАТМ
D1
D2
Е
Д(+)
Г (-)
В (+)
Рис. 6.34. Пневматический
ПИ-регулятор
Б (-)
А
РАТМ
Сигналы рассогласования Р ВХ и задания Р ЗАД поступают на сумматоры
повторитель 1 и интегратор. Связь между пропорциональной и интегральной
частями регулятора осуществляется путем подачи выходного давления с выхода
интегратора в камеры Д сумматора 1 и усилителя 3. На усилитель 3 поступают
сигналы интегратора, усилителя-сумматора и сигнал отрицательной обратной
связи с выходного усилителя мощности. Величина пропорциональной
составляющей выходного сигнала изменяется путем изменения сопротивления
дросселя Д1.Интегральная составляющая регулируется путем изменения
сопротивления дросселя Д3.
156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Технические средства являются наиболее быстро изменяемой частью
автоматических систем управления технологическими процессами. Они
обновляются значительно быстрее, чем происходят изменения в принципах
организации и составе типовых функциональных задач управления. Остаются
постоянными принципы получения, передачи, хранения, обработки и
использования информации, носителями которой могут являться сигналы
различной физической природы.
Успехи микроэлектроники привели к созданию малогабаритных
многофункциональных устройств, обеспечивающих предварительную обработку
информации и простое сопряжение с другими элементами системы на основе
использования унифицированных сигналов.
Появление микропроцессорной элементной базы послужило предпосылкой
для создания программируемых логических и регулирующих контроллеров. На
их основе разрабатываются интеллектуальные средства сбора и первичной
обработки информации о состоянии технологического объекта, способные
осуществлять простейшие функции управления. Применение цифровых систем
для управления объектами технологических процессов позволяет реализовать
более сложные законы управления, перестраивать структуру и параметры
системы управления как в период настройки, так и в период эксплуатации. На
микроЭВМ или
микроконтроллер,
способный
заменить несколько
автоматических регуляторов, могут быть возложены функции поиска
неисправностей и проверку готовности системы к работе. Объединение
микроЭВМ и контроллеров в сети обусловило развитие систем с распределенным
управлением, с гибкой структурой. Получили широкое распространение системы
с иерархической структурой системы управления. Все это обусловило
доминирующее развитие электрической “ветви” средств автоматизации и, прежде
всего, основанных на микропроцессорной базе.
Основные направления развития и совершенствования ТСА в основном
связаны с улучшением аппаратных и программных средств микропроцессорной
базы и состоят в:
развитии и реализации адаптивных алгоритмов,
развитии программных средств автоматизированного проектирования
систем управления,
расширении спектра интерфейсных устройств и улучшении их
характеристик,
сочетании функций измерения, контроля, сигнализации и защиты,
повышении надежности,
создании и совершенствовании агрегатных комплексов с проблемной
или объектной ориентацией, способных работать в составе
локальных вычислительных сетей.
157
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Родионов В. Д., Терехов В. А., Яковлев В. Б. Технические средства
АСУ ТП: Учеб. Пособие для вузов/ Под ред. В. Б. Яковлева. - М., Высш.
шк. 1989г.-263 с.: ил.
2.
Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы
систем. Учебник ля вузов. –М., машиностроение, 1978. 736 с.
3.
А. С. Клюев Двухпозиционные автоматические регуляторы и их
настройка. – М.: Энергия, 1967. - 104с.
4.
А. С. Клюев Автоматическое регулирование - М.: Энергия, 1967. 344с.
5.
Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник
/ В. Я. Баранов и др.; Под общ. ред. В.В. Черенкова. Л.: Машиностроение. 1987.- 847с.
6.
Техника проектирования систем автоматизации технологических
процессов. Под ред Л. И. Шипетина. -М.: Машиностроение. 1976. –496с.
7.
Нагорный В. С., Денисов А. А. Устройства автоматики гидро- и
пневмосистем: Учеб. Пособие техн. Вузов. – М.: Высш. Шк., 1991. – 367
с.:ил.
8.
Денисов А. А., Нагорный В. С. Пневматические и гидравлические
устройства автоматики. – М.: Высш. Шк., 1978. – 213 с.:ил.
9.
Наладка средств автоматизации и автоматических систем
регулирования% Справочное пособие/ А. С. Клиев и др.. Под ред А. С.
Клюева. –M.:Энергоатомиздат,1989.-Энергоатомиздат, 1989. - 368 c.: ил.
10.
С. Т. Хвощ, Н. Н. Варлинский, Е. А. Попов. Микропроцессоры и
микроэвм в системах автоматического управления. Справочник . Под ред.
С. Т. Хвоща. – Л.: Машиностроение. 1987. – 640 с.:ил.
11.
Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM
PC: Пер. с англ./ Под ред У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. – Ь.: Мир, 1992. –
592 с., ил.
12.
Пей Ан Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. – М.:
ДМК Пресс, 2003.-320 с.: ил.
13.
Нортон П. Программно-аппаратная организация IBM PC: Пер. с англ. _
М.: Радио и связь, 1991. – 328 с.: ил.
1.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
53
Размер файла
2 019 Кб
Теги
615, tca, 681, удк
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа