Файл: Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 148
Скачиваний: 0
Г Л А В А IX
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ
Исполнительный механизм и регулирующий орган — это устрой ства, которые изменяют расход регулируемого агента в объекте ре гулирования. Существуют различные конструкции исполнительных механизмов: пневматические, гидравлические и электрические.
Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы характеризуются простотой конструкции, большими выходными моментами, надежностью и возможностью получать различные ско рости перемещения регулирующего органа. В качестве привода электрических исполнительных механизмов используют электродви гатели переменного или постоянного тока.
Выбор того или иного типа исполнительного механизма зави сит от типа применяемого регулятора. Исполнительный механизм выбирают с учетом величины перестановочного усилия, необходи мого для регулирующего органа.
§ ІХ.І. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Электрические исполнительные механизмы применяют для пе ремещения различных регулирующих органов: клапанов, дроссель ных заслонок, задвижек, кранов и т.п. Они работают в комплекте с электрическими и электронными регуляторами. В этих исполни тельных механизмах применяют двух-и трехфазные асинхронные электродвигатели. Промышленность выпускает однооборотные ме ханизмы, где угол поворота выходного вала не превышает 360°, и многооборотные механизмы, вал которых делает несколько оборо тов. Многооборотные исполнительные механизмы применяют для управления задвижками и вентилями. Разберем некоторые типы электрических исполнительных механизмов.
Исполнительный механизм ПР (рис. ІХ.І) может быть установлен на двухседельном регулирующем клапане. Он имеет асинхронный электродвигатель 1 для прямого и обратного перемещения регули рующего органа, шестеренчатый редуктор 2, конечные выключа тели 3 и реостат обратной связи 4. Путем замены шестерен редук тора можно в широких пределах изменять скорость вращения выход ного вала 5 исполнительного механизма. Исполнительный механизм ПР может сообщать регулирующему органу как вращательное, так
170
и поступательное движение. Вращательное движение передается через вал 5, а поступательное — через шток 6. Например, испол нительный механизм может работать совместно с разобранным вы ше пропорциональным электрическим регулятором БР (балансовое
реле).
Электрический исполнительный механизм ДР устроен анало гично исполнительному механизму ПР. Он предназначен для пози ционного регулирования. В отличие от исполнительного механизма ПР его применяют в схемах двухпозиционного регулиро вания. Он также может сооб щать поступательное и вра щательное движение регули рующему органу, но в нем отсутствует реостат обратной
связи.
−−−−−−0
Рис. IX.1. Исполнительный механизм ПР
а — схема установки на регулирующем клапане; б — электрическая схема
Электрический исполнительный механизм МЭК также служит для перемещения регулирующих органов. В этом исполнительном механизме применен двухфазный асинхронный конденсаторный элек тродвигатель с полым ротором. Электродвигатель имеет две обмот ки: обмотку возбуждения и обмотку управления. Изменением на пряжения на обмотке управления можно изменять скорость враще ния выходного вала исполнительного механизма. От электродвига теля вращение через соединительную муфту передается на пятисту пенчатый редуктор. Выходной вал редуктора может вращаться на 360°. С целью уменьшения выбега выходного вала в механизме при менен электромагнитный тормоз. Для наблюдения за положением выходного вала имеется механический указатель положения (шка ла с делениями в градусах).
Узел реостатов и конечных выключателей связан с выходным ва лом исполнительного механизма при помощи двух пар цилиндричес
171
ких шестерен. Узел содержит два реостата по 120 ± 5 0 м и два ко нечных выключателя. Один из реостатов предназначен для обрат ной связи, другой — для подключения дистанционного указателя положения. Конечные выключатели служат для выключения элек тродвигателя в крайних положениях и для ограничения угла пово рота выходного вала.
§ IX.2. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Пневматические исполнительные механизмы обладают малой инерционностью и позволяют получать большие усилия. Эти меха низмы применяют в основном для передачи поступательных дви жений. По принципу действия их можно разбить на две группы: поршневые и диафрагменные.
Рис. IX.2. Схема поршневых исполнительных механизмов
а — одностороннего действия; б — двухстороннего действия
Поршневые исполнительные механизмы (пневмоприводы) мо гут быть одностороннего и двустороннего действия. Приводы одно стороннего действия применяют в тех случаях, когда возвратное движение поршня совершается вхолостую (без нагрузки). В кон струкцию поршневого исполнительного механизма входят цилиндр, шток с поршнем и система уплотняющих устройств.
Пневматический исполнительный механизм одностороннего дей ствия (рис. IX.2, а) состоит из цилиндра 1, штока 2 с поршнем 3, возвратной пружины 4, уплотняющих устройств, крышки и шту цера 5. Наружный конец штока 2 соединяют с регулирующим ор ганом. Пневматический исполнительный механизм работает следую щим образом: через отверстие штуцера 5 в полость I цилиндра по даете» сжатый воздух; воздух давит на поршень 3, который, пере мещаясь вправо, выполняет необходимую работу, одновременно сжимая пружину 4. Полость II цилиндра должна свободно со общаться с атмосферой; в противном случае при движении поршня вправо здесь может образоваться противодавление воздуха, а при движении поршня влево — вакуум. Для осуществления возвратно го движения следует открыть доступ воздуха из полости I в атмос-
172
феру. В исходное положение поршень и связанный с ним регулируе мый орган возвращаются под действием сжатой пружины.
На рис. IX.2, б приведена схема пневматического привода дву стороннего действия. Воздух можно подавать к обеим полостям ци линдра.
Для передачи движений с небольшим ходом в пневматических системах применяют мембранные пневмоприводы (рис. ІХ.З). Ди аметр этих пневмоприводов 125—500 мм при ходе штока от 6 до
100 |
мм. |
Принцип |
действия |
|
||||
пневматического |
мембранного |
|
||||||
привода состоит в том, что рези |
|
|||||||
новая мембрана/, |
закрепленная |
|
||||||
между крышками |
2 и 3, |
может |
|
|||||
прогибаться |
в зависимости |
от |
|
|||||
разности давлений, создаваемых |
|
|||||||
с одной стороны воздухом, с дру |
|
|||||||
гой стороны — спиральной пру |
|
|||||||
жиной 4. |
Спиральная пружина |
|
||||||
одним концом упирается в мем |
|
|||||||
брану |
при |
помощи |
металличе |
|
||||
ского диска 5, а другим |
концом |
|
||||||
во втулку 6 и гайку |
7. |
Давле |
|
|||||
ние воздуха |
на |
мембрану |
по |
|
||||
дается через |
отверстие 8. |
К |
ме |
|
||||
таллическому диску 5 |
прикреп |
|
||||||
лен шток 9 привода, который |
|
|||||||
соединен со штоком регулирую |
|
|||||||
щего органа. При отсутствии дав |
Рис. ІХ.З. Схема мембранного ис |
|||||||
ления воздуха на мембрану |
ре |
полнительного механизма |
гулирующий орган под действи ем пружины 4 поднимается вверх. При подаче на мембрану сжатого
воздуха шток 9 перемещается вниз. При помощи диска 10 и шкалы 11 можно наблюдать за положением регулирующего органа. Ве личину предварительного сжатия пружины устанавливают гайкой 7. У большинства исполнительных механизмов давление воздуха на мембрану меняется в пределах 0,02—0,1 МПа (0,2 — 1 кгс/см2), что обеспечивает полный ход регулирующего органа. Исполнитель ный механизм с мембранным приводом может быть использован для управления регулирующим клапаном, поворотной заслонкой или шибером, помещенным в трубопроводе или коробе.
Между давлением воздуха над мембраной и перемещением регу лирующего органа должна быть прямолинейная зависимость. От клонения, которые могут возникнуть при прямом и обратном ходах, не должны превышать 2% полного хода золотника. Эта величина в значительной степени зависит от силы трения в сальнике штока кла пана, которая может возрасти вследствие плохой смазки и тугой затяжки. Поэтому при эксплуатации необходимо следить за нали чием смазки в сальнике и его своевременным заполнением.
173
§ ІХ.З. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Гидравлические исполнительные механизмы предназначены для преобразования разности давлений жидкости, поступающей от гид равлического регулятора, в механическое перемещение регулирую щего органа. Промышленность выпускает гидравлические испол нительные механизмы двух типов: поршневые с поступательным^движением штока и кривошипные с поворотным валом.
Рис. ІХ.4. Гидравлические исполнительные механизмы
а — поршневой; б — кривошипный
Принцип действия поршневого исполнительного механизма
(рис. ІХ.4, а) основан на том, что давление жидкости, действующей на поршень 1, вызывает его перемещение, что в свою очередь вы зывает перемещение штока 2. Давление жидкости подается от регу лятора через штуцера 3 и 4.
В гидравлическом кривошипном исполнительном механизме
(рис. ІХ.4, б) при перемещении поршня 1 через шатун 2 и кривошип 3 поворачивается выходной вал 4. Регулирующий орган может быть соединен с валом 4 непосредственно или при помощи ведущего ры чага 5. Давление жидкости подается от регулятора через штуцера 6 и 7.
Характеристикой гидравлического исполнительного механизма является время перемещения поршня из одного крайнего положения в другое, а также величина развиваемого усилия.
174
§ IX.4. РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ
Регулирующий орган непосредственно воздействует на приток или расход регулирующего агента в объекте регулирования. Рабо та регулирующего органа заключается в дросселировании потока — носителя энергии или регулирующего агента путем увеличения или уменьшения проходного сечения.
Регулирующий орган может быть выполнен в виде клапана
(рис. IX.5, а), шибера (рис. IX.5, б), заслонки (рис. |
IX.5, в), |
кото |
рые устанавливают на трубопроводах, а также на |
питателях, |
теч |
ках и т. п. Корпус регулирующего органа выбирают из условий прочности, т. е. величины рабочего давления, а также температу ры и коррозионности регулируемой среды. Большее распростране-
Рис. IX.5. Схема регулирующих клапанов
— а —-клапан; б — шибер; б — заслонки
175
ние в качестве регулирующих органов получили регулирующие клапаны, которые изготовляют из чугуна и стали. Чугунные кла паны устанавливают на воздушных и водяных линиях с давлением до 1,6 МПа (16 кгс/см2) и температурой до 100° С. Стальные клапа ны применяют при более высоких давлениях и температуре.
По роду действия клапаны всех типов (рис. IX.6) делят на кла паны прямого 1 и 2 и обратного 3 и 4 действия. Клапаном прямого действия называют такой, у которого золотник при движении вниз уменьшает проходное сечение, клапаном обратного действия — у которого проходное сечение уменьшается при движении золотни ка вверх. Приводы клапанов прямого и обратного действия могут быть совершенно одинаковыми.
Рис. IX.6. Типы регулирующих клапанов
Пневматические клапаны с мембранным приводом прямого дей ствия называют нормально открытыми или воздухозакрывающими (в. з.), так как при отсутствии давления воздуха над мембраной кла пан находится в открытом положении. Такие же клапаны обрат ного действия называют нормально закрытыми или воздухооткры вающими (в. о.), так как при отсутствии давления воздуха над мем браной они находятся в закрытом положении. Кроме того, регу лирующие клапаны могут быть односедельными — с одним золот ником и двухседельными — с двумя золотниками. Для перестановки золотника односедельных клапанов 1 я 4 (см. рис. IX.6) требуют ся большие усилия. Двухседельные же клапаны 2 и 3 являются поч ти разгруженными, так как один золотник клапана испытывает усилие на открытие клапана, а другой — такое же усилие на закры тие клапана. В результате эти два усилия компенсируются, так как они направлены в разные стороны, а привод клапана должен раз вивать усилие только на преодоление силы трения. Поэтому двух седельные клапаны, как правило, применяют в условиях высоких давлений и большой производительности.
§ IX.5. РАСЧЕТ РЕГУЛИРУЮЩЕГО КЛАПАНА
Для обеспечения качественного регулирования необходимо вы бирать размер клапана. Пропускная способность клапана должна обеспечивать возможность регулирования объекта. При нормально протекающем процессе в объекте регулирования регулирующий
176
орган должен находиться в среднем положении (т. е. быть открытым примерно на 50%).
Пропускную способность клапана Q, м3/ч, W, кг/ч для жидкости определяют по формуле
или
W ^ C Y A p y ,
где Др = Р і ~ Рі — перепад давления на клапане; у — плотность жидкости; С — коэффициент расхода, учитывающий площадь прохода и конструкцию клапана.
Пропускную способность клапана W, кг/ч для пара (насыщенно го и перегретого) подсчитывают по выражению
W^3l,6CeY&PV,
где у — плотность пара перед клапаном; е — коэффициент сжимаемости пара.
При — |
0,08 8 = 1, при — ^ 0,08 |
е = 1 —0,46 — |
Р1 |
Pi |
Pi |
(где ру — абсолютное давление пара перед клапаном). Формула для пара действительна при перепадах на клапане ^ ^ 0,52.
Расход газа через клапан Q, м3/ч вычисляют по формуле '
Q = 5 1 4 C e l/ — |
---- ; |
|
V |
У„(273 -И ) |
где t — температура газа перед клапаном; ун — масса единицы объема газа
внормальном состоянии.
Вслучае, если расход газа задан в единицах массы, можно поль зоваться формулой
№ = 5 1 4 С е і/
|
V |
2 7 3 + t |
При |
0,52 расход газа определяют по формулам: |
|
|
Q = 280Cp1\ / |
----- -------; |
|
Н V -Ун (2 7 3 + 0 |
|
|
W = 28QCPl- \ / -З з — ■ |
|
|
н V |
2 7 3 + / |
Ниже приведены приближенные значения коэффициента С для полностью открытых клапанов.
Условный диаметр |
15 |
25 |
25 |
40 |
50 |
70 |
80 |
100 |
150 |
|
с |
мм |
|||||||||
клапана в |
|
5 |
8 |
14 |
32 |
50 |
80 |
100 |
210 |
425 |
|
|
177
Г Л А В А X
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ
Достигнутые успехи в развитии многих отраслей промышлен ности стали возможны благодаря широкому использованию средств вычислительной техники.
Электронные цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ) опе рируют величинами, представленными в цифровой форме. Для изо бражения каждой цифры применяют какой-либо прибор (элемент), который может быть в одном из нескольких резко разграниченных между собой состояний. Каждому состоянию элемента соответ ствует определенная цифра. Для изображения числа служит на бор элементов.
Любая ЭЦВМ состоит из трех основных устройств: арифметическо'го (АУ), предназначенного для выполнения операций над чис лами и командами; запоминающего (ЗУ), предназначенного для приема, хранения и выдачи чисел, которое в свою очередь бывает трех типов — оперативное (ОЗУ), внешнее (ВЗУ) и промежуточное буферное (ПЗУ); устройства управления (УУ), предназначенного для управления автоматической работой машины. Кроме того, в сос тав машины входят различные вспомогательные устройства, пред назначенные для предварительной подготовки исходных данных и оформления результатов решения. Состав каждого устройства, его объем и технические параметры зависят от типа и назначения ЭЦВМ.
В процессе работы ЭЦВМ используют информацию двух типов: программу решения и исходные данные. Программа решения определяет последовательность выполняемых машиной операций. Процесс решения задачи разбивается на операции, каждая из кото рых выполняется по определенной команде, которая включает ука зания на то, какую операцию и над какими числами следует произ водить. Время, в течение которого выполняется одна команда, на зывается тактом машины. Исходные данные определяют начальные условия задачи и ход ее решения. Машина имеет чрезвычайно боль шие преимущества по скорости и точности переработки информации, что позволяет создавать высокоэффективные системы управления.
ЭЦВМ классифицируют по многим признакам: по назначению, типу основных элементов, типу команд. По назначению машины
178
делят на расчетные — для вычислений, управляющие — для регу лирования или управления процессами и информационные.
По типу основных схемных элементов ЭЦВМ делят на ламповые, полупроводниковые и молектронные. Ламповые машины характе ризуются большой выходной мощностью, хорошими усилительно формирующими возможностями, но имеют большие габариты и энер гоемкость. Полупроводниковые ЭЦВМ, работающие на транзисто рах и диодах, получили наиболее широкое применение, так как они имеют небольшую энергоемкость, компактны и обладают высокой степенью надежности. Вместе с тем они весьма чувствительны к тем пературным изменениям. Наиболее современные молектронные ЭЦВМ создают на базе микроминиатюрных схем. Они обладают боль шой плотностью монтажа (на два-три порядка больше, чем полу проводниковые), высокой надежностью и характеризуются очень малым потреблением энергии.
По вычислительной мощности ЭЦВМ различают малые, сред ние и большие машины. Машины малой мощности имеют объем ОЗУ до 2 тыс. ячеек и среднее быстродействие до 5 тыс. операций в 1 с. Машины средней мощности имеют объем ОЗУ от 2 до 8 тыс. яче ек и среднее быстродействие 20—30 тыс. операций в 1 с. В машинах большой мощности развитая многоступенчатость запоминающего устройства. Емкость ОЗУ превосходит 100 тыс. ячеек, среднее быстродействие — 200—300 тыс. операций в 1 с. Они имеют много канальную систему ввода.
§ Х.1. ФУНКЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН В СИСТЕМАХ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
Вычислительные машины в управляющую систему могут быть включены различными способами. В зависимости от выбранного способа включения меняется роль и место машины в системе управ ления. В системах автоматизации используют информационные вычислительные машины; вычислительные машины — советчики оператора (диспетчера); управляющие вычислительные машины.
Основная задача информационных вычислительных машин (ИВМ)
состоит в собирании, накапливании, обработке и регистрации ин формации об управляемом объекте. Обработанная в удобном для восприятия человеком виде информация сообщается оператору (дис петчеру), который принимает.нужное решение для управления про цессом в конкретных условиях. Таким образом, эта машина не яв ляется управляющей, а занимает промежуточное положение между обычными системами контроля и регулирования и управляющими машинами. Схема системы управления с информационной’машиной представлена на рис. Х.1.
Производственный процесс может быть охарактеризован опре деленным числом переменных величин, часть из которых является управляемой, а часть — неуправляемой. Значения параметров про-
179