Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Тема 6 Исполнительные устройства промышленных систем автоматики План лекции 1. Общие сведения 2. ИУ электрические, пневматические и гидравлические 3. Основные характеристики ЭИУ с электродвигателями 4. Позиционные ЭИУ 1. Исполнительные механизмы и устройства (ИМ, ИУ) промышленных систем автоматики входят в четвертую функциональную группу изделий ГСП в соответствии с ГОСТ 12997-84 — группу устройств использования командной информации в целях воздействия на процесс и для связи с оператором (сюда же входят рассматриваемые в следующей главе 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 регулирую- щего воздействия на объект управления в соответствии с сигналом (командной информацией), подаваемым на его вход от командного устройства (регулятора, ручного дистанционного задатчика, УВМ). К основным блокам ИУ относятся исполнительные механизмы (ИМ) и регулирующие органы (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. Под исполнительным механизмом в общем случае подразумевают блок ИУ, преобразующий входной управляющий сигнал от регулирующего устройства в сигнал, который через соответствующую связь осуществляет воздействие на регулирующий орган или непосредствен но на объект регулирования. Регулирующим органом называют блок ИУ, с помощью которого производится регулирующее воздействие на объект регулирования. 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. 2. 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. 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) 10 3 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). 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. В табл.1 приведена классификация регулирующих органов. 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. К вспомогательным блокам 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. Таблица 1 I . Дросселирующие II . Дозирующие 1. Для стандартных исполнительных устройств: 2. Механические: заслоночные односедельные трехходовые двухседельные диафрагмовые шланговые плужковые сбрасыватели дозаторы насосы питатели компрессоры 2. Для специальных исполнительных устройств: 2. Электрические: задвижные крановые клапаны с поворотными створками шиберные направляющие аппараты специальные реостатные автотрансформаторы специальные Электрические исполнительные устройства (ЭИУ) находят преимущественное распространение в системах автоматизации, использующих изделия электрической ветви средств автоматизации. При необходимости пневматические и гидравлические ИУ дополняются электропневмо- либо электрогидропреобразователями. 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-составляю- щие). 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. 3. Качество работы ЭИУ с электродвигателями характеризуют такими показателями, как номинальный момент, время полного хода, выбег, люфт, гистерезис, импульсные характеристики, режим работы. Номинальный момент ИМ должен поддерживаться при всех допустимых условиях эксплуатации, при понижении напряжения питания до 0,85U с.ном. Пусковой момент при номинальном напряжении питания должен не менее чем в 1,7 раза превышать номинальный. Время полного хода Т ИМ выбирают исходя из допустимого вреени Т РО перестановки затвора РО от начала до конца. Это время равно T ИМ = РО Т 1 − β , где β – 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 превышать 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 Н-м 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 ) ( t f S ∆ = , где t ∆ – 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. 4. Позиционные электрические исполнительные устройства пред- назначены 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° пово- ротный РО, и шток с ходом 19 мм, воздействующий на поступательный РО. ИМ типа ДР–1М имеет только поворотный диск. 5. 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. Советские (российские) 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 в СССР серии асинхронных электродвигателей типа 4А (а затем новой серии типа 5А) с улучшенными технико-экономическими показателями по сравнению с двигателями типа АОЛ, разработка тиристорных устройств бесконтактного управления и блокировки двигателя по потребляемому току составили основу для современного параметрического ряда ЭИУ постоянного тока типа МЭО. Перспективное направление в развитии ЭИУ постоянного тока состоит в применении низкооборотных электродвигателей с электромагнитной редукцией частоты вращения. Особенностью этих двигателей является возможность весьма высокой частоты включений – до 1200 включений в час. На базе электродвигателей с электромагнитной редукцией в СССР осуществлялось серийное производство прямоходных ЭИУ типа МЭП. Такие ЭИУ значительно упрощают сочленение с арматурой, исключают люфт. Основная кинематическая цепь механизмов состоит из низкооборотного электродвигателя типа ДСРТ, механического тормоза автоматического действия, трехступенчатого редуктора на основе цилиндрической передачи и прямоходной приставки на основе шариковинтового преобразователя движения. Быстрый пуск и малый выбег двигателя ДСРТ позволяют об- ходиться в МЭП без тормозных устройств. ЭИУ постоянной скорости кроме ИМ содержат устройства, выполняющие дополнительные функции. 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. Важным элементом ЭИУ является блок усиления (управления) ИМ. Реализация этих блоков может быть выполнено на контактной аппаратуре (электромагнитных реле и магнитных пускателях), а также на бесконтактных устройствах – магнитных усилителях, бесконтактных реверсивных пускателях на полупроводниковых тиристорах и симистоpax. 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. Выпускаются реверсивные магнитные пускатели ПМЕ, ПМА и др. Высокоэффективные бесконтактные ЭИУ создаются на основе полупроводниковых 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. 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. 6. 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 возмож- ность 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 выпускавшихся в СССР бесконтактных ЭИУ переменной ско- рости следует упомянуть исполнительные механизмы типа ИМ-Б, БИМ, МЭК-Б, МЭК-25Б, предназначенные для перемещения однооборотных РО. Для реализации надежных и мощных ЭИУ переменной скорости необходим достаточно сложный блок усиления большой мощности (блок управления) на силовых полупроводниковых элементах. По этой и другим причинам ЭИУ переменной скорости пока не нашли столь широкого распространения в системах промышленной автоматики нежели ЭИУ постоянной скорости. Рекомендуемая литература 1. Шишмарев В.Ю. Автоматика: Учеб.пособие. – М.: Изд. центр «Академия», 2005. С.114-126. 2. Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления: Учеб.пособие. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. С.215-236. 3. Промышленные приборы и средства автоматизации / В.Я.Баранов, Т.Х.Безновская, В.А.Бек и др./ Под ред. В.В.Черенкова. – Л.: Машиностроение, 1987. С.716-726, 753-765, 784-788. 4 . Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП / Под ред. В.Б.Яковлева. – М.: ВШ, 1989. С.218-226. Контрольные задания для СРС [1, 2] 1. Принцип действия, основные характеристики, конструкция, область применения электрических, пневматических и гидравлических исполнительных механизмов |