Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

Для устранения тока I

в цепи нагрузки при отсутствии управляющего

сигнала I

применяют двухтактные МУ, представляющие встречное вклю-

чение двух однотактных МУ. При этом при подмагничивании одного МУ

двигатель ИМ вращается в одном направлении, а при подмагничивании

другого МУ

в противоположном направлении. Кривая управления двух-

тактного МУ представлена на рис. 6.19, в.

Пневматический усилитель типа «сопло

заслонка» является

одним из распространенных усилителей в системах с пневматическим

исполнительным приводом (рис. 6.20). Сжатый воздух с давлением Р

проходит через дроссель с постоянным проходным сечением 1. В

результате перемещения заслонки 4 каким-либо чувствительным

элементом относительно сопла 2 изменяется величина h, что приводит к

изменению пневмосопротивления в переменном дросселе 3, а в

междроссельной полости устанавливается давление Р

(отличное от Р

действующее на поршень 7 исполнительного механизма 5, шток 8

которого связан с

регулирующим органом.

Поршень 7 будет переме-

шаться до тех пор, пока

не наступит пор, пока не

наступит равновесие между

силой, с которой сжатый

воздух давит на поршень, и

упругими силами пружины

6. При этом усилие,

развиваемое вдоль штока

поршня, значительно

превышает усилие

чувствительного элемента,

необходимое для

перемещения заслонки 4.

Коэффициент усиления по

мощности некоторых

пневматических усилителей достигает 10

6.4.6. Реле

Реле

это устройство автоматики, преобразующее заданное

значение контролируемой величины в скачкообразное изменение

состояния управляемой цепи (например, ее замыкание или размыкание).

Реле широко используется в управлении поточно-транспортной сис-

темой (ПТС) различных технологических процессов, а также для про-

Рис. 6.20. Пневматический усилитель типа

“сопло

заслонка”

граммного управления отдельным оборудованием (стиральная машина,

аппараты химчистки, холодильники и т.д.).

Реле бывают электрическими, гидравлическими, пневматическими и

комбинированными. Среди электрических реле большое распространение

получили электромеханические реле, которые в свою очередь подразделя-

ются на электромагнитные (постоянного и переменного тока); магнито-

электрические; электродинамические; индуктивные; электротермические.

В свою очередь реле постоянного тока подразделяют на нейтральные и по-

ляризованные. Нейтральное реле одинаково реагирует на постоянный ток

обоих направлений, протекающий по его обмотке. Действие поляризован-

ного реле зависит от направления тока.

Электромагнитное реле переменного тока

Особенностью реле переменного тока (рис. 6.21) является возникнове-

ние пульсаций магнитного потока, вследствие чего происходит пульсация

электромагнитной тяговой силы (рис. 6.22). Поэтому происходит вибра-

ция якоря 3 и контактов 4, обуславливающая подгорание контактов и сни-

жающая надежность реле в работе.

Рис. 6.21. Схема устройства

электромагнитного реле: 1

ферро-

магнитный сердечник; 2

обмотка; 3

якорь; 4

контакты; 5

короткозамкнутый виток

Рис. 6.22. Зависимость тягового усилия

реле без короткозамкнутого витка (1) и

короткозамкнутым витком (2)

Для устранения вибрации обычно применяют короткозамкнутый ви-

ток 5, устанавливаемый на расщепленном полюсе ферромагнитного сер-

дечника 1. Благодаря этому переменный магнитный поток Ф катушки 2

разветвляется на два потока Ф

и Ф

Поток Ф

наводит в короткозамкнутом витке 5 ЭДС и, следовательно

в нем возникает ток, который создает свой магнитный поток Ф

КАТ

, направ-

ленный навстречу потоку Ф

, его вызвавшему. Поток Ф

КАТ

замедляет

изменение основного магнитного потока Ф

, проходящего через экраниро-

ванную короткозамкнутым витком часть полюса. Поэтому результирую-

щая тяговая сила F

(кривая 2) хотя и имеет пульсирующий характер, но ее

мгновенное значение, изменяясь от F

Э max

до F

Э min

, не снижается до нуля,

и при этом тяговая сила в течение всего времени больше противо-

действующих механических сил.

Реле времени. В практике управления технологическим процессом

и отдельным оборудованием часто возникает необходимость включения

цепей управления по истечению определенного времени после достиже-

ния регулируемым параметром заданного значения. Для этой цели при-

меняют реле времени (РВ).

Замедление срабатывания (отпускания) реле, обеспечивающее за-

держку появления (исчезновения) выходного сигнала после подачи (сня-

тия) входного сигнала, осуществляется электрическими (схемными),

механическими или конструктивными методами.

РВ бывают: а) тепловые; б) моторные; в) электронные (полупровод-

никовые); г) электромагнитные с электронным, пневматическим и др. ме-

ханическими замедлителями.

Выдержка времени бывает от долей секунд до нескольких минут.

Реле имеют разные наборы контактов: замыкающие и размыкающие

с выдержкой времени при замыкании или размыкании входных цепей

реле, а также мгновенно срабатывающие контакты.

Серийно выпускаются: электронные реле времени серии ВЛ; мотор-

ные реле времени серии МРВ; программные реле серии ВС-10; а также

командные электропневматические приборы типа КЭП-12 для управления

(до 12) электрическими и пневматическими цепями.

Герконы

это особый тип реле, представляющий наполненную

инертным газом герметизированную стеклянную ампулу с контактными

пружинами, помещенную внутри цилиндрической катушки. При пропус-

кании тока по катушке контактные пружины притягиваются друг к другу

и замыкают управляющую цепь. Эти реле отличаются высокой надежно-

стью и малыми размерами, частота срабатываний может достигать сотен

герц. Диаметр ампулы реле равен 5 мм, а ее длина 20 мм. Срок службы их

достигает 10

циклов, тогда как у выше

рассмотренных реле он со-

ставляет 10

циклов.

6.4.7. Исполнительные механизмы и регулирующие

органы

Исполнительное устройство АСР состоит из двух функциональных

блоков: исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО).

Исполнительный механизм под действием управляющего воздейст-

вия регулятора у(t) преобразует вспомогательную энергию в перестано-

вочное усилие, благодаря чему перемещается затвор регулирующего

органа, изменяющего, например, количество вещества или энергии, по-

ступающего в объект (подачи пара, электроэнергии, газа и т.п.).

Дополнительно с помощью ИМ решаются и другие задачи

управления: пуск и останов самого технологического процесса, а также

различных машин и механизмов по ходу процесса. Исполнительные

механизмы бывают: электрические, пневматические, гидравлические, а

также комбинированные. Достоинством электрических ИМ является

возможность дистанционного управления и простота конструкции. Они в

свою очередь подразделяются на электродвигательные и элек-

тромагнитные (соленоидные).

Электродвигательные ИМ.

Основным

элементом их конструкции

является электродвигатель. Как правило, используются двигатели пере-

менного тока. В зависимости от диапазона поворота выходного вала ИМ

бывают однобортные и многобортные. Характеристикой ИМ является

номинальный крутящий момент на выходном валу (Н

м), который указы-

вается в числителе индекса механизма, и время одного оборота вала (с).

Позиционные ИМ предназначены для перемещения регулирующего

органа в одно из фиксированных положений. Примерами таких ИМ явля-

ются механизмы для двухпозиционного регулирования типов ДР-М, ДР-

1М и др. Эти ИМ чаще работают в комплекте с двухпозиционными ре-

гуляторами.

Пропорциональные ИМ обеспечивают перемещение РО в

соответствии с величиной управляющего воздействия. К ним относятся

ИМ типов ПР-1М, ПР-М, ИМ-2/120, МЭО и др. Пропорциональные ИМ

используются в системах, оснащенных регуляторами непрерывного

действия. Системы управления ИМ делятся на релейно-контактные и

бесконтактные. Релейно-контактное управление осуществляется

посредством различных реле, трехфазных релейных контакторов и

магнитных пускателей. Основным недостатком релейно-контактных

систем управления электроприводами ИМ является их пониженная

надежность, что связано с подгоранием и залипанием контактов. Поэтому

в последние десятилетия все большее распространение стали получать

бесконтактные системы управления электродвигательными ИМ.

Релейно-контактное управление ИМ. Блок-схема управления

представлена на рис. 6.23.

Рис. 6.23. Блок-схема релейно-контактного управления ИМ

Сигнал управления регулирующего устройства у(t), которым, в част-

ности, может быть выходной сигнал чувствительного элемента х

чэ

(напри-

мер, положение поплавкового уровнемера), воздействует на включение

реле, которое своими контактами включает реверсивный магнитный пус-

катель МП, включающий соответствующую фазу силовой цепи (силовую

цепь) питания реверсивного двигателя РД, выходной вал которого сочле-

нен с редуктором Ред, управляющим РО, а последний изменяет свое по-

ложение на увеличение или уменьшение количества вещества или энер-

гии в объект регулирования.

Бесконтактное управление ИМ. Для такого управления часто ис-

пользуются дроссели насыщения или магнитные усилители МУ. В об-

щем случае блок-схему управления ИМ бесконтактным способом можно

представить, как на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Блок-схема бесконтактного управления ИМ

В этих системах обязательным является применение усилителей У,

обусловленное тем, что мощности выходного сигнала х

чэ

ЧЭ (датчика), не-

сущего информацию об изменении технологических параметров, как пра-

вило, очень малы.

Электромагнитные ИМ. По виду движения исполнительного

органа они подразделяются на ходовые и электромагнитные муфты с

вращательным движением.

Электромагнитные ИМ применяются в

системах позиционного (чаще

двухпозиционного) регулирования, а

также для привода различных

механизмов в системах

автоматического дистанционного

управления. Основным рабочим

органом ИМ с прямолинейным

движением является тяговый

Рис. 6.25. Схема электромагнитного

клапана

электромагнит (соленоид). Применяются электромагнитные приводы как

переменного, так и постоянного тока, однако последние используются

реже, так как требуют дополнительных выпрямительных устройств.

Основными достоинствами электромагнитных ИМ являются про-

стота конструкции и высокое быстродействие (по сравнению с электро-

двигательными механизмами). Однако они развивают меньшие переста-

новочные усилия и отличаются меньшей надежностью в работе.

Схема электромагнитного соленоидного клапана приведена на рис.

6.25. При замыкании управляющего контакта К электромагнит ЭМ возбу-

ждается и втягивает якорь, в результате чего клапан открывается. При

размыкании контакта К якорь электромагнита под действием возвратной

пружины перемещается вниз и клапан закрывается.

Электромагнитная муфта является связующим звеном между приво-

дом и рабочим механизмом. Они подразделяются на муфты фрикционного

сухого трения, вязкого трения и индукционные.

Пневматические ИМ особо удобны в условиях централизованного

пневмохозяйства, не требующего использования индивидуальных ком-

прессоров. Существенным достоинством их является взрыво- и пожаробе-

зопасность, а также самоблокировка при аварийном отключении питания.

В пневматических исполнительных механизмах усилие, необходимое для

перестановки регулирующего органа, создается управляющим сигналом

в виде давления сжатого воздуха P

, действующего на мембрану или

поршень.

Прямолинейные мембранные или поршневые ИМ, дополненные ры-

чажной передачей, создают поворотное перемещение регулирующего ор-

гана (например, заслонки в трубопроводе). На рис. 6.26 представлена

Рис. 6.27. Схема гидравлического

поршневого ИМ

Рис. 6.26

. Схема устройства пневматического

мембранного ИМ прямого действия

схема устройства мембранного ИМ прямого действия, сочлененного с од-

носедельным клапаном, установленным на трубопроводе с малыми рас-

ходами вещества. Мембрана с жестким центром связана со штоком 3, на

конце которого располагается односедельный клапан 4. Цилиндрическая

пружина 2 опирается на регулировочную гайку (на схеме не показано), с

помощью которой регулируется степень предварительного сжатия пру-

жины 2. При подаче в рабочую полость ИМ сжатого воздуха (управляю-

щий сигнал давления Р

) усилие, развиваемое мембраной, передается на

шток 3, перемещение которого пропорционально давлению сжатого воз-

духа Р

Перемещение регулирующего органа 4 (клапана) прекратится, когда

упругое противодействие пружины 2 станет равным силе, действующей со

стороны мембраны.

Гидравлические ИМ

в основном бывают

поршневого типа. Они

применяются при давлении рабочей жидкости в диапазоне 2,5·10

2·10

Па, следовательно, могут развивать большие перестановочные усилия при

небольших размерах.

На рис. 6.27 показана схема действия гидравлического поршневого

ИМ двухстороннего действия с золотниковым управлением. Масло по

трубе 1 под давлением Р

подается в цилиндрический золотник 2 с двой-

ным поршнем 3. В нейтральном положении, изображенном на рисунке,

золотник закрывает оба окна п и т, через которые по соединительным ка-

налам 4 масло может поступать в рабочий цилиндр 5. Если поршень зо-

лотника перемещается вверх от нейтрального положения, то масло нач-

нет поступать в полость рабочего цилиндра, расположенную над поршнем

6, а последний благодаря разности давлений (Р

>Р

) будет перемещаться

вниз. Масло из-под поршня будет сливаться через сливную трубку 7. При

перемещении поршня золотника вниз поршень 6 будет двигаться в обрат-

ном направлении. Шток 8 перемещает регулирующий орган, например

клапан на трубопроводе.

В зависимости от моделей ИМ для перемещения поршня золотника

требуется усилие 0,2

50 Н, а усилие, развиваемое штоком 8, в 10

раз

больше. Таким образом, гидравлический исполнительный механизм явля-

ется одновременно гидравлическим усилителем силы и мощности.

Регулирующие органы. Осуществляют непосредственное

воздействие на объект путем изменения расхода вещества или энергии,

подаваемых в объект или отводимых из него. РО можно

классифицировать по конструкции, виду энергии, способу перестановки и

т.д. Примеры сочленения игольчатых клапанов с электромагнитным и

пневматическим ИМ даны соответственно на рис. 6.25 и 6.26.

По количеству потоков регулируемого вещества различают одно- и

двухседельные РО. По конструктивным особенностям различают РО:

шланговые и диафрагменные клапаны, с поворотной заслонкой (рис. 6.28,

а), краны (рис. 6.28, б), регулирующие реостаты в электрических систе-

мах, различные питатели для регулирования расхода сыпучих материалов

(порошков, клея и др.), среди которых распространены скребковые,

ленточные, шнековые (рис. 6.28, в).

Для агрессивных сред применяют диафрагменные и шланговые кла-

паны, в которых конструкция металлического корпуса изолируется от аг-

рессивной среды диафрагмой с кислотостойкой футеровкой или кислото-

стойким резиновым шлангом.

Для регулирования больших расходов применяют поворотные

заслонки. Краны применяют для регулирования расходов жидкости и

газов в трубопроводах небольшого сечения. Их преимуществом является

простота сочленения с электрическими однооборотными ИМ.

6.4.8. Управление приводами машин и механизмов

Задачей системы управления приводами является организация пуска

и торможения машин и механизмов, переход с одной ступени скорости на

другую, реверс и осуществление этих операций в определенной последова-

тельности во времени или по командам от машин, завершивших очеред-

ную технологическую операцию. Эти функции, как правило, являются ло-

гическими, определенная их очередность выполнения представляет жест-

кую программу выполнения операций и реализуется на релейно-кон-

тактной аппаратуре при относительно небольшом числе срабатываний ее

в час или на бесконтактной аппаратуре, например тиристорных переклю-

чателях и др., при большом числе срабатываний.

Основными элементами релейно-контактных систем автоматики яв-

ляются реле, контакторы, магнитные пускатели, кнопки управления, ко-

мандоконтроллеры, универсальные переключатели, технологические дат-

чики, конечные и путевые выключатели и др.

Рис. 6.28. Типы регулирующих органов: а

с поворотной заслонкой; б

край;

тисковый

Контактор

это двухпозиционный аппарат с самовозвратом, пред-

назначенный для частых включений и отключений в силовых цепях. В

качестве пускорегулирующей аппаратуры дистанционного действия они

применяются для управления приводами мощностью до 20 кВт. Контак-

торы обладают высокой механической износоустойчивостью и обеспечи-

вают до 1500 срабатываний в час.

Магнитные пускатели

это специальные пусковые устройства,

состоящие из одного или двух контакторов, тепловых реле и кнопок

управления, применяемые в основном при управлении пуском, реверсом,

остановом трехфазных асинхронных двигателей.

На рис. 6.29 приведена схема дистанционного управления асинхрон-

ным двигателем с одного места, в котором имеются силовые цепи подклю-

чения двигателя к питающей сети, цепи управления с кнопками управле-

ния, катушками контакторов и вспомогательными контактами, а также це-

пи сигнализации с сигнальными лампами и вспомогательными контакта-

ми.

Общие принципы построения релейных схем на примере схем блоки-

ровки при кнопочном управлении сводятся к следующему. При блокиров-

ке в результате взаимосвязи отдельных элементов обеспечивается опреде-

ленная последовательность включения ряда устройств (механизмов) или

выполнения технологических операций. Так, для нормального

функционирования схемы с кнопочным управлением применяют само-

блокировку в виде параллельного включения замыкающего контакта К.

Благодаря этому после включения контактора с помощью кнопки КнП

«Пуск» цепь питания катушки сохраняется независимо от положения

кнопки.

Для бесконтактного управления асинхронными приводами в силовую

цепь включают тиристорные коммутаторы. Тиристорные устройства бла-

годаря небольшим габаритным размерам и массе, практической безынер-

ционности, хорошим надежностным характеристикам, обеспечиваемым

бесконтактными схемами управления, оказываются вне конкуренции по

сравнению с другими устройствами преобразования и управления.

6.4.9. Основные характеристики элементов и линейных

систем автоматического регулирования непрерывного

действия

Исследование элементов и систем автоматического регулирования

(управления) связано с изучением процессов, в них протекающих. Харак-

тер этих процессов описывается с помощью различных зависимостей, ос-

нованных на определенных физико-механических законах, лежащих в ос-

нове функционирования элементов систем. Эти характеристики отражают

чисто математическую связь между входными и выходными величинами и

не зависят от функционального назначения, принципа действия и конст-

руктивного выполнения элементов системы. Поэтому такие характеристи-

ки для различных физических элементов (устройств) могут иметь

одинаковый вид, что будет свидетельствовать об однотипности характера

протекающих в них процессов.

АСР и АСУ состоят из связанных между собой функциональных эле-

ментов. Поэтому характеристики системы в целом можно получить из ха-

рактеристик отдельных ее элементов.

Статическая характеристика устанавливает зависимость между

входной Х

вх

и выходной Х

вых

величинами элементов и систем в устано-

вившемся состоянии равновесия:

вых

= Х

вх

(6.24)

Рис. 6.29. Принципиальная схема управления асинхронным двигателем с

магнитным пускателем