Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 7
16.8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И УСТРОЙСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ
Исполнительные механизмы и устройства (ИМ, ИУ) промышленных систем автоматики входят в функциональную группу устройств использования командной информации в целях воздействия на процесс и для связи с оператором (сюда же входят устройства сбора, регистрации, передачи и отображения информации). Термины «исполнительное устройство» и «исполнительный механизм» иногда употребляются как синонимы. В дальнейшем будем преимущественно использовать термин «исполнительное устройство», понимая под этим силовое устройство, назначение которого состоит в изменении регулирующего воздействия на объект управления в соответствии с сигналом (командной информацией), подаваемым на его вход от командного устройства (регулятора, ручного дистанционного задатчика, УВМ).
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
К основным блокам ИУ относятся исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО), которые конструктивно могут быть объединены в едином изделии или собираются из индивидуально выпускаемых блоков. В некоторых случаях ИУ может состоять из одного блока, выполняющего функции исполнительного механизма, как, например, в электри ческих усилителях мощности типа РНТО, РНТТ, У252. Под исполнительным механизмом в общем случае подразумевают блок ИУ (рис. 9.1), преобразующий входной управляющий сигнал от регулирующего устройства в сигнал, который через соответствующую связь осуществляет воздействие на регулирующий орган или непосредственно на объект регу-лирования. Регулирующим органом называют блок ИУ, с помощью которого производится регулирующее воздействие на объект регулирования. Кроме исполнительного механизма и регулирующего органа ИУ содержит ряд дополнительных блоков, назначение и способы подключения которых ясны из блок-схемы (рис. 9.1). Кратко остановимся на основных типах и характеристиках исполнительных механизмов и регулирующих органов.
Рис. Блок-схема исполнительных устройств.
лирования. Регулирующим органом называют блок ИУ, с помощью которого производится регулирующее воздействие на объект регулирования. Кроме исполнительного механизма и регулирующего органа ИУ содержит ряд дополнительных блоков, назначение и способы подключения которых ясны из блок-схемы (рис. 9.1). Кратко остановимся на основных типах и характеристиках исполнительных механизмов и регулирующих органов.
Одной из основных характеристик ИУ является величина перестановочного усилия (момента), передаваемого выходным органом исполнительного механизма на регулирующий орган. Эта величина обычно указывается в паспорте и является основной при энергетическом расчете и выборе ИУ.
По виду энергии, создающей перестановочное усилие, ИМ подразделяются на пневматические, гидравлические и электрические. Существуют ИМ, в которых используются одновременно два вида энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмогидравлические. Наиболее распространенными из них являются электрогидравлические ИМ. Вид энергии управляющего сигнала может отличаться от вида энергии, создающей перестановочное усилие.
В пневматических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон. В соответствии с этим пневматические подразделяются на мембранные, поршневые и сильфонные. Давление сжатого воздуха в пневматических ИУ обычно не превышает 103 кПа.
В гидравлических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть. В соответствии с этим различают мембранные, поршневые и лопастные гидравлические ИМ. Давление жидкости в них обычно находится в пределах (2,5 ... 20)103 кПа. Отдельный подкласс гидравлических ИУ составляют ИУ с гидромуфтами. Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые ИМ подразделяются на пружинные и беспружинные. В пружинных ИМ перестановочное усилие в одном направлении создается давлением в рабочей полости ИМ, а в обратном направлении – силой упругости сжатой пружины. В беспружинных ИМ перестановочное усилие в обоих направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма.
Электрические ИМ по принципу действия подразделяются на электродвигательные и электромагнитные; по характеру движения выходного элемента –на прямоходные с поступательным движением выходного элемента, поворотные с вращательным движением до 360° (однооборотные) и с вращательным движением на угол более 360° (многооборотные). На рис. 9.2 показана классификация исполнительных механизмов.
Как было отмечено ранее, вторым основным блоком исполнительного устройства является регулирующий орган (РО). Различные РО по виду воздействия на объект подразделяются на два основных типа: дросселирующие и дозирующие. Ниже приводится классификация исполнительных органов.
|
I. Дросселирующие |
II. Дозирующие |
|
1. Для стандартных исполнительных устройств: заслоночные односедельные трехходовые двухседельные диафрагмовые шланговые |
1. Механические: плужковые сбрасыватели дозаторы насосы питатели компрессоры |
|
1. Для специальных исполнительных устройств: задвижные крановые клапаны с поворотными створками шиберные направляющие аппараты специальные |
1. Электрические: реостатные автотрансформаторы специальные |
Рис.9.2. Классификация исполнительных механизмов
Дросселирующие регулирующие органы изменяют гидравлическое сопротивление в системе, воздействующее на расход вещества путем изменения своего проходного сечения. В дозирующих регулирующих органах осуществляется заданное дозирование поступающего вещества или энергии или изменение расхода вещества путем изменения производительности агрегатов. В настоящее время широкое распространение в АСУ ТП получили дросселирующие РО, хотя применение дозирующих РО экономически более оправдано (см. [26]).
К вспомогательным блокам (см. рис. 9.1) исполнительных устройств относят блоки, расширяющие область применения ИУ и обеспечивающие выполнение ряда дополнительных функций. К вспомогательным блокам относятся блок ручного управления для механического (ручного) управления регулирующим органом, блок сигнализации конечных положений для выдачи информации о положении выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа, фиксаторы положения для фиксации положения выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа, блок дистанционного управления, блок обратной связи для улучшения статических и динамических характеристик ИУ или всей замкнутой системы регулирования.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Электрические исполнительные устройства (ЭИУ) находят преимущественное распространение в системах автоматизации, использующих изделия электрической ветви ГСП. При необходимости использовать пневматические и гидравлические ИУ последние дополняются электропневмо- и электрогидропреобразователями (см., например, [26, 33]). ЭИУ разделяются на четыре группы: ЭИУ позиционного действия; ЭИУ постоянной скорости; ЭИУ переменной скорости; усилители мощности.
Исполнительные механизмы ЭИУ позиционного типа, постоянной или переменной скорости состоят из электродвигателя и редуктора. Такой ИМ по своим динамическим свойствам соответствует интегрирующему звену, если в качестве выходной переменной в ИУ принят угол поворота (перемещение). Вследствие этого силовая часть может формировать интегральную составляющую таких законов регулирования, как ПИ и ПИД в структуре регулятора (собственно регулятор при этом формирует П- и ПД-составляющие). Наибольшее распространение получило именно такое использование ИМ.
Другой способ использования ИМ с электродвигателями состоит в охвате двигателя жесткой обратной связью, и в этом случае ЭИУ является пропорциональным звеном (точнее, малоинерционным), положение выходного органа которого пропорционально входному сигналу. ИМ с корректирующими обратными связями используют в ЭИУ переменной скорости.
Качество работы ЭИУ с электродвигателями характеризуют такими показателями, как номинальный момент, время полного хода, выбег, люфт, гистерезис, импульсные характеристики, режим работы [1, 17].
Номинальный момент ИМ развивают при всех допустимых условиях эксплуатации, при понижении напряжения питания до 0,85Uс.ном. Пусковой момент при номинальном напряжении питания должен не менее чем в 1,7 раза превышать номинальный.
Время полного хода Tим выбирают исходя из допустимого времени Тро перестановки затвора РО от начала до конца. Это время равно Тим = -1Тpo, где – отношение диапазона рабочего перемещения выходного органа к величине полного хода.
Выбег есть перемещение выходного органа ИМ после выключения механизма, работающего в установившемся режиме. Выбег желательно иметь таким, чтобы после выключения двигателя изменение сигнала обратной связи по регулируемому параметру было в пределах установленной зоны нечувствительности регулятора. Согласно требованиям ГОСТ 7192–80Е, величина выбега не должна быть более 1% для ЭИУ с временем полного хода 10 с, 0,5% для механизмов с временем 25 с и 0,25% для механизмов с временем 63 с и более.
Люфт и гистерезис характеризуют нелинейности статической характеристики ЭИУ. Люфт образуется свободным ходом выходного органа при неподвижном вале электродвигателя из-за зазора в зацеплении кинематических узлов редуктора, износа контактирующих поверхностей. Согласно ГОСТ 7192–80Е, люфт выходного органа не должен превышать 1° для однооборотных ЭИУ с номинальной нагрузкой 40 Нм и менее; 0,75° для однооборотных ЭИУ нагрузкой более 40 Н×м; 3° для многооборотных ЭИУ; 0,2 мм для прямоходных ЭИУ с нагрузкой до 1000 Н и 0,5 мм при нагрузке свыше 1000 Н. Гистерезис между положением выходного органа и сигналом датчика положения складывается из люфта механической передачи и вариаций показания датчика. По стандарту гистерезис не должен быть более 1,5% от полной шкалы показаний датчика при нелинейности статической характеристики менее 2,5%.
Импульсная характеристика ЭИУ определяется как средняя относительная скорость S перемещения выходного органа. Для ЭИУ постоянной скорости с импульсным сигналом управления рассматривается отношение величины перемещения выходного органа к длительности импульса, вызвавшего перемещение. Если это перемещение брать в долях от полного хода, а длительность – в долях времени полного хода, то соответственно их отношение даст значение S. Значение S=f(t), где – относительная длительность импульса управления, и образует импульсную характеристику. Для идеального ЭИУ постоянной скорости S = 1. Реальное значение S для отечественных ЭИУ постоянной скорости лежит в диапазоне от 0,5 до 1,5.
Режим работы ИУ – повторно-кратковременный реверсивный, с частотой до 320 включений в час и продолжительностью до 25% при нагрузке на выходном органе в пределах от номинальной противодействующей до 0,5 номинального значения сопутствующей. К ЭИУ предъявляются требования к повышенной частоте включений: в течение часа 600 и более с интервалом времени между выключением и включением на обратный ход не менее 50 мс [1, 17].
Позиционные электрические исполнительные устройства предназначены для установки РО в определенные фиксированные положения. Чаще всего таких положений бывает два – «Открыто» и «Закрыто», хотя возможно построение и многопозиционных ЭИУ (например, с помощью шаговых двигателей). Примером ЭИУ позиционного действия является исполнительный механизм типа ИМТМ-4/2,5, предназначенный для быстрого перемещения РО в системах позиционного регулирования и дистанционного управления. Номинальный момент на валу ИМ составляет около 40 Н×м, время одного полного оборота выходного вала – 2,5 с.
ИМ состоит из трехфазного асинхронного двигателя типа АОЛ21-4 мощностью 270 Вт с присоединенным к нему червячным понижающим редуктором и концевыми выключателями. Для устранения вращения после отключения от сети питания ИМ имеет фрикционный тормоз, поэтому «выбег» выходного вала не превышает 3°.
К числу позиционных ИУ относятся исполнительные механизмы ДР-М, ДР-1М, предназначенные для управления РО с малыми перестановочными усилиями. ИМ типов ДР используются в двухпозиционных системах регулирования для работы по принципу «открыть– закрыть». Устройство этих ИМ подобно устройству ИМТМ-4/2,5: однофазный конденсаторный электродвигатель с зубчатым понижающим редуктором и предельный концевой выключатель, заключенные в общий пыленепроницаемый корпус. ДР-М имеет два выходных устройства: диск, вращающий на 180° поворотный РО, и шток с ходом 19 мм, воздействующий на поступательный РО. ИМ типа ДР-1М имеет только поворотный диск.
В позиционных системах программного управления для отработки типовых команд используются шаговые двигатели (ШД). В шаговых ИУ электродвигатель управляется последовательностью импульсов и перемещается строго на определенный угол (шаг), пропорциональный числу импульсов управления. По принципу действия ШД представляет собой дискретный синхронный двигатель, ротор которого поворачивается после каждого импульса на входе системы управления и остается неподвижным при отсутствии импульса. Блок управления ШД содержит коммутатор на логических схемах (триггеры, схемы совпадения) и усилитель мощности (релейные усилители). Шаговые двигатели имеют более низкие энергетические показатели, чем регулируемые двигатели непрерывного действия, поэтому ШД используется в маломощных системах, в частности в системах с ЧПУ. ШД широко используются в качестве электромеханических преобразователей унитарного кода в угол поворота, воздействуя на задатчик программы силового следящего привода.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
ЭИУ постоянной скорости. Исполнительные устройства постоянной скорости являются силовыми устройствами пропорционального действия: РО с помощью таких ЭИУ устанавливаются в любое промежуточное положение в зависимости от величины и длительности управляющего сигнала с выхода регулятора.
В практике автоматизации традиционно наибольшей известностью пользуются ЭИУ постоянной скорости, управляемые от импульсных регуляторов последовательностью импульсов различной длительности (информативный признак). Частота вращения выходного органа ИМ постоянна и не зависит от величины (амплитуды) управляющего сигнала, вследствие этого в системах регулирования с ЭИУ постоянной скорости реализуется широтно-импульсная модуляция сигналов управления.
Минимальная длительность импульсов для отечественных ЭИУ составляет 0,1 с. Между командами на перемещение (это время составляет более 90% срока службы) выходной вал ЭИУ сохраняет свое положение при наличии активной механической нагрузки в условиях вибрации. Для этого ЭИУ снабжаются автоматическим устройством торможения. К ЭИУ предъявляются повышенные требования по надежности, так как ни дублирование, ни «горячее» резервирование в этой части замкнутой системы невозможны.
ЭИУ постоянной скорости типов МЭО, ИМТ, МЭМ, МЭП являются основными в системах промышленной автоматики (энергетика, металлургия). В зависимости от характера изменения выходного органа различают одно- и многооборотные (МЭО, ИМТ и МЭМ соответственно) и прямоходные (МЭП).
В ЭИУ постоянной скорости ранних выпусков применялись асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором типа АОЛ и редукторы на основе червячной передачи (ЭИУ типов МЭОБ, МЭОК, ИМТ). Это упрощало конструкцию редуктора, и автоматически решался вопрос самоторможения.
Дальнейшее повышение качественных показателей, надежности и долговечности ЭИУ при работе «на упор» и большой частоте включений (до 300–600 включений в час) потребовало разработки специальных двигателей типа ДАУ. Для уменьшения разброса значения средней относительной скорости при отработке импульсов управления малой длительности потребовались эффективные тормозные устройства. Стремление к повышению ресурса ЭИУ при работе «на упор» потребовало применения редукторов с цилиндрическими передачами, отличающимися большим КПД. Все эти качества нашли воплощение в ЭИУ типа ВЭО.
Выпуск в начале 80-х годов новой серии электродвигателей типа 4А с лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с двигателями типа АОЛ, разработка тиристорных устройств бесконтактного управления и блокировки двигателя по потребляемому току составили основу для современного параметри ческого ряда ЭИУ постоянного тока типа МЭО.
Перспективное направление в развитии ЭИУ постоянного тока состоит в применении низкооборотных электродвигателей с электромагнитной редукцией частоты вращения типа ДСР-4 и ДСР-10 (мощности 4 и 10 Вт). Особенно
|
стью этих двигателей является возможность весьма высокой частоты включений – до 1200 включений в час (для АОЛ– 120 включений в час). На базе электродвигателей с электромагнитной редукцией в СССР осуществляется серийное производство [1] прямоходных ЭИУ типа МЭП. Такие ЭИУ значительно упрощают сочленение с арматурой, исключают люфт. На рис. 9.3 изображена кинематическая схема ЭИУ типа МЭП. Основная кинематическая цепь механизмов состоит из низкооборотного электродвигателя типа ДСРТ, механического тормоза автоматического действия, трехступенчатого редуктора на основе ци- |
линдрической передачи и прямоходной приставки на основе шариковинтового преобразователя движения. Для связи с блоком сигнализации положения (типа БСПТ-10) предусмотрен дополнительный редуктор. Быстрый пуск и малый выбег двигателя ДСРТ позволяют обходиться в МЭП без тормозных устройств. Однако как здесь, так и в ЭИУ типов МЭО-16, МЭО-40 потребовалось применение в редукторе самотормозящейся передачи.
ЭИУ постоянной скорости кроме ИМ содержат устройства, выполняющие дополнительные функции (см. рис. 9.1). Для изменения положения выходного органа ИМ предусматривается устройство ручного управления. Для дистанционной передачи информации о текущем значении положения РО оператору или для введения в автоматическую систему устанавливаются датчики положения (один или два) выходного органа ЭИУ. Для выдачи информации о положении выходного органа в виде дискретного сигнала предусматриваются путевые и концевые выключатели. Иногда устанавливаются выключатели по моменту или усилию, которые выдают дискретный сигнал при достижении величины момента на выходном органе или усилия заданного уровня.
Важным устройством ЭИУ является блок усиления (управления) ИМ. Реализация этих блоков может быть в виде контактной аппаратуры – электромагнитных реле и магнитных пускателей, а также в виде бесконтактных устройств – магнитных усилителей, дросселей насыщения, бесконтактных реверсивных пускателей на полупроводниковых силовых устройствах – тиристорах и симисторах[1, 16].
В настоящее время с контактным управлением выпускается еще большая часть ЭИУ постоянного тока. Причинами этого являются простота исполнения, низкая стоимость и доступность в приборостроении контактной аппаратуры. Входным сигналом контактных пускателей служит напряжение постоянного тока 24 В, 400 мА. Промышленность выпускает реверсивные магнитные пускатели МКР-0-58, рассчитанные на входные сигналы 24 В постоянного тока и 220 В переменного тока, ПМРТ-69, ПМЕ.
Выпуск магнитных усилителей мощности УМД-4, УМД-10, УМД-25, УМД-63 и УМД-160 в качестве бесконтактных пускателей в ЭИУ постоянного тока осуществлялся до 1973 г., и до настоящего времени ЭИУ с магнитными усилителями эксплуатируются в системах промышленной автоматики. Надежность и повышенный срок службы ЭИУ с магнитными усилителями в контурах управления с повышенной частотой включений обусловили их большое распространение. Однако большие размеры и масса УМД (от 12 до 60 кг), большая мощность входного сигнала (до 8–10 Вт), трудоемкость изготовления магнитных усилителей в значительной мере препятствовали расширению их производства.
Высокоэффективные бесконтактные ЭИУ созданы на основе тиристоров и симисторов. Эти блоки по размерам, массе и стоимости приближаются к аналогичным устройствам контактного исполнения, но имеют практически неограниченный ресурс по числу включений и не требуют обслуживания в течение всего срока службы.
|
На рис. 9.4 изображены схемы тиристорных коммутаторов в цепи статора асинхронного двигателя: а) тиристорно-диодная, б) симисторная [16]. Для тиристорного управления асинхронных двигателей в режиме непрерывных токов угол управления (задержка по фазе управляющих импульсов отно- |
сительно нуля фазы опорного напряжения, например, питающей сети) меняется от 20 до 80°, при этом управляющий импульс тиристора должен иметь достаточную крутизну и ширину не менее 60°. Источником управляющих импульсов в бесконтактных коммутирующих устройствах ЭИУ являются блокинг-генераторы, возбуждаемые сигналами с выхода регулятора или разностью между ними и сигналами с блоков обратных связей ЭИУ (более подробно о тиристорных коммутирующих устройствах см. в [16]).
Промышленностью выпускаются бесконтактные реверсивные пускатели типа ПБР (ПБР-2-3 и ПБР-2М) для управления двигателями ДАУ, ДСР в составе ЭИУ типа МЭО; ПБР-ЗА для управления двигателями типов АОЛ, 4А мощностью 120, 180 и 370 Вт. Управление этими пускателями может осуществляться как ключами регуляторов и устройств дистанционного управления, так и от регуляторов с выходным сигналом в виде постоянного напряжения [двухполупериодное выпрямленное напряжение со средним значением (24±6) В]. Коммутация силовых цепей управления электродвигателями производится бесконтактными ключами, выполненными на основе симисторов.
В [1, 17, 26] приведены технические характеристики ЭИУ постоянного тока, выпускаемых в СССР.
ЭИУ переменной скорости. В основу бесконтактных ЭИМ переменной скорости положен способ регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при постоянной частоте путем изменения значения или симметрии напряжения, подводимого к обмоткам двигателя. Напряжение в бесконтактных ИМ переменной скорости изменяется с помощью дросселей насыщения или магнитных усилителей. Применение асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (в частности, асинхронных двигателей с массивным ферромагнитным ротором) обусловлено их мягкими механическими характеристиками, что дает возможность плавно регулировать частоту вращения в широких пределах путем изменения подводимого к обмотке статора напряжения. Для расширения зоны пропорциональности между величиной управляющего сигнала и скоростью и для повышения устойчивости работы ИМ при малых скоростях вращения ротора в ИМ переменной скорости вводится стабилизирующая отрицательная обратная связь по скорости (ОСС) вращения. Кроме ОСС в ИМ переменной скорости используют устройства ОС по положению выходного вала редуктора, что позволяет использовать ИМ переменной скорости в системах пропорционального регулирования.
Из серийно выпускаемых бесконтактных ЭИУ переменной скорости можно назвать исполнительные механизмы типа ИМ-Б, БИМ, МЭК-Б, МЭК-25Б, предназначенные для перемещения однооборот-ных РО. Для реализации надежных и мощных ЭИУ переменной скорости необходим довольно сложный блок усиления большой мощности (блок управления) для питания обмотки статора или фазного ротора на силовых полупроводниковых элементах (см., например, [16]). По этой и другим причинам ЭИУ переменной скорости пока не нашли столь широкого распространения в системах промышленной автоматики, как ЭИУ постоянной скорости.