Элементы промышленной пневмоавтоматики
Пневмоавтоматика используется на взрыво- и пожароопасных
объектах, например при подготовке природного газа к дальнему
транспорту. Эти элементы относятся к пневматической ветви ГСП,
использующей в качестве основного источника энергии сжатый воз-
дух. Рабочий диапазон изменения входных и выходных пневматиче-
ских сигналов приборов и средств автоматизации обычно находится
в пределах 20... 100 кПа. Номинальное нормальное питающее давле-
ние сжатого воздуха составляет 140 кПа. Допустимое отклонение
давления питания установлено в пределах ± 10 % от номинального
значения. В вычислительных пневматических приборах используется
также низкий диапазон рабочих давлений 0... 1000 Па.
Все пневматические регуляторы, как правило, состоят из отдель-
ных пневматических элементов: пневмосопротивлений, пневмоем-
костей, пневмоповторителей, элементов сравнения, пневмореле
и т. п. Их принцип действия аналогичен соответствующим элементам
электрических цепей, что позволяет применить при исследовании
пневматических цепей известные законы электрических цепей.
При течении воздуха по каналу имеют место потери давления
вследствие вязкостного трения о стенки канала и трения между воз-
душными слоями. В местах сужения канала силы вязкостного трения
и потери давления будут значительно больше, чем на других его
участках. Таким образом, дроссели, капилляры и другие сужения
являются элементами, воспроизводящими пневмосопротивления.
Пневматической емкостью тела или устройства по аналогии с элек-
трической емкостью можно назвать его способность вмещать (на-
капливать) некоторое количество воздуха вследствие его сжимаемо-
сти. В качестве пневматических емкостей в пневмонике применяют-
ся пневматические камеры определенного объема. Как правило, они
используются совместно с дросселями и делятся на два типа: про-
точные и непроточные. В проточных камерах имеются один или не-
сколько входных дросселей, через которые воздух поступает в камеру,
и один или несколько выходных дросселей, через которые воздух вы-
текает из камеры. Непроточная камера имеет лишь один дроссель,
через который она сообщается с окружающей средой или с другой
пневматической камерой.
Универсальная система элементов промышленной пневмоавтома-
тики (УСЭППА) позволяет строить приборы пневмоавтоматики по
принципу электронных приборов. Система состоит из набора унифи-
цированных элементов дискретного и непрерывного действия, каждый
из которых выполняет одну простейшую операцию. Монтаж элементов
в схемы ведется на коммутационных платах, внутри которых проходят
каналы, необходимые для соединения элементов друг с другом.
УСЭППА включает пневмосопротивления, пневмоемкости, уси-
лители, повторители, пневмореле, сдвоенный обратный клапан,
органы управлении (задатчики, кнопки, тумблеры), дискретные пре-
образователи, коммутирующие органы (пневмоклапаны). При изо-
бражении элементов УСЭППА на схемах используются условные
изображения, приведенные в приложении 4.
На элементах УСЭППА могут быть созданы узлы непрерывного,
дискретного и непрерывно-дискретного действия, которые часто
встречаются в различных пневматических схемах. Так, на этих эле-
ментах строятся устройства системы СТАРТ, включающие регулято-
ры, функциональные и контрольные приборы.
Исполнительные устройства
Технические средства использования командной информации и
воздействия на объект управления образуют выходную функциональ-
ную группу изделий ГСП. Эти технические средства обычно называ-
ют исполнительными устройствами. Исполнительное устройство
(ИУ) — это силовое устройство, предназначенное для изменения
регулирующего воздействия на объект управления в соответствии с
сигналом управления, поступающим на его вход от командного
устройства (блока ручного управления, регулятора, контроллера,
управляющей ЭВМ). Исполнительное устройство в общем случае
состоит из двух основных частей: исполнительного механизма (ИМ)
и регулирующего органа (РО). Исполнительный механизм преоб-
разует входную командную информацию в определенное силовое
воздействие на регулирующий орган объекта управления или на сам
объект управления. Он не только изменяет состояние управляемого
объекта, но и перемещает регулирующий орган в соответствии с за-
данным законом регулирования при минимально возможных откло-
нениях. Регулирующий орган производит непосредственное регули-
рующее воздействие на объект управления. В большинстве случаев
исполнительный механизм действует от посторонних источников
энергии, так как непосредственное управление исполнительным
механизмом от первичных элементов регулирования (микропроцес-
соров, реле, датчиков) невозможно вследствие их малой мощности,
недостаточной для воздействия на регулирующий орган.
Классификация исполнительных механизмов производится прежде
всего по виду энергии, создающей усилие (момент) перемещения
регулирующего органа. Соответственно, ИМ бывают пневматические,
гидравлические и электрические. В п н е в м а т и ч е с к и х ИМ усилие
перемещения создается за счет давления сжатого воздуха на мембра-
ну, поршень или сильфон; давление обычно не превышает 103 кПа.
В г и д р а в л и ч е с к и х ИМ усилие перемещения создается за счет
давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть; давление
жидкости в них обычно находится в пределах (2,5...20) 103 кПа.
Э л е к т р и ч е с к и е ИМ по принципу действия подразделяются на
электродвигательные (электромашинные) и электромагнитные. Су-
ществуют ИМ, в которых используются одновременно два вида
энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмо-
гидравлические. Вид энергии управляющего сигнала может отличать-
ся от вида энергии, создающей усилие перемещения.
По характеру движения выходного элемента большинство ИМ
подразделяются на п р я м о х о д н ы е с поступательным движением
выходного элемента, п о в о р о т н ы е с вращательным движением до
360° (однооборотные) и с вращательным движением на угол более
360° (многооборотные).
В электрических системах автоматизации и управления наиболее
широко применяются электромашинные и электромагнитные исполни-
тельные механизмы. Основным элементом э л е к т р о м а ш и н н о го
ИМ является электрический двигатель постоянного или переменного
тока. Такие исполнительные механизмы обычно называют электро-
приводами. Электромагнитные ИМ дискретного действия выполняют-
ся в основном на базе электромагнитов постоянного и переменного тока
и постоянных магнитов. Жесткое и упругое соединение узлов систем
осуществляют различного рода электромагнитные муфты.
Регулирующие органы имеют самые разнообразные конструкции,
зависящие от объекта управления. По виду воздействия на объект их
можно подразделить на два основных типа: дросселирующие и до-
зирующие. Д р о с с е л и р у ю щ и е РО изменяют сопротивление
(гидравлическое, аэродинамическое) в системе путем изменения
своего проходного сечения, воздействуя на расход вещества (напри-
мер, заслонки,диафрагмы,задвижки,краны,клапаны).Дозирующие ^
РО выполняют заданное дозирование поступающего вещества или
энергии за счет изменения производительности определенных агре-
гатов: дозаторов, насосов, компрессоров, питателей, электрических
усилителей мощности.
В настоящее время создается новое поколение ИМ — интеллек-
туальные ИМ. Это связано с появлением интеллектуальных систем
управления, под которыми понимаются системы, ориентированные
на обработку и использование знаний. В интеллектуальной системе
можно выделить следующие слои обработки неопределенной инфор-
мации (слои интеллектуальности): прогноз событий; самообучение
и адаптация; работа с базами событий, знаний и формирование ре-
шений; исполнительный слой. В самом нижнем исполнительном слое
могут использоваться классические модели систем автоматического
управления. Слои более высокого ранга можно рассматривать как
надстройку над классическими моделями, соответствующую совре-
менным информационным технологиям работы со знаниями и су-
щественно расширяющую возможности этих моделей. В зависимости
от того, сколько слоев интеллектуальности имеет та или иная систе-
ма, их можно подразделить на системы со степенью интеллектуаль-
ности в малом, в большом и в целом. Под интеллектуальным испол-
нительным механизмом (приводом) обычно понимается привод с
системой управления, имеющей степень интеллектуальности в малом.
Это означает, что функционирование системы управления привода
ограничено двумя нижними слоями интеллектуальности. Интеллек-
туальный ИМ способен совершать сложные траекторные движения,
контролировать свое состояние и адаптироваться к изменениям
внешней среды.
Создание интеллектуальных ИМ неразрывно связано с развитием
мехатроники — области науки и техники, которая занимается управ-
лением механизмов от ЭВМ. Мехатронная (механико-электронная)
система представляет собой единую систему механических, электро-
механических, электрических и электронных узлов, между которыми
осуществляется обмен энергией и информацией. Одним из основных
принципов мехатронного подхода к созданию исполнительных меха-
низмов нового поколения заключается в переносе функциональной
нагрузки от механических узлов к интеллектуальным компонентам
(электронным, компьютерным и информационным), которые гораз-
до легче перепрограммируются под новые задачи и в настоящее
время относительно недороги.
Для интеллектуальных мехатронных устройств характерен принцип
модульности. Существует пять групп стандартных модулей. Первая
группа — двигатели (электрические двигатели, преобразующие элек-
трическую энергию в механическую). К этой группе относятся асин-
хронные трехфазные двигатели, исполнительные асинхронные микро-
двигатели, исполнительные двигатели постоянного тока, синхронные
шаговые двигатели. Вторая группа — силовые преобразователи, ис-
точники электрической энергии для управляемого двигателя. Вход и
выход у этих модулей электрический; к их числу относятся управляе-
мые выпрямители, широтно-импульсные преобразователи, преобра-
зователи частоты, электронные и магнитные усилители мощности
переменного тока. В третью группу входят передаточные устрой-
ства — механические устройства для соединения вала двигателя с
регулирующим органом объекта управления. Вход и выход у таких
модулей механический; к их числу относятся муфты, кинематические
механизмы типа редукторов и тормозные устройства. Четвертую груп-
пу образуют датчики, преобразующие скорость и/или перемещение
в электрический сигнал. В качестве измерителей скорости и переме-
щения широко применяются тахогенераторы, поворотные трансфор-
маторы, сельсины. И наконец, пятая группа модулей — контроллеры,
микропроцессорные системы, предназначенные для управления си-
ловым преобразователем с целью реализации требуемого режима ра-
боты двигателя, соответствующего заданному закону перемещения
регулируемого органа объекта управления. Вход и выход таких модулей
электрический; обмен информацией контроллера с силовым преоб-
разователем, датчиком и, при необходимости, вышестоящей управ-
ляющей ЭВМ осуществляется на основе стандартных интерфейсов.
Таким образом, интеллектуальный мехатронный исполнительный
механизм — это объединение перечисленных модулей, снабженное
необходимым программным обеспечением для контроллера.
Контрольные вопросы
1. Какие принципы положены в основу построения ГСП?
2. Что такое естественный выходной сигнал?
3. Какие унифицированные сигналы предусмотрены в ГСП?
4. На какие группы делятся устройства ГСП по роду используемой энергии?
5. Что такое принцип силовой компенсации?
6. Как вводится поправка на температуру свободных концов термопары в
нормирующем преобразователе ЭДС в унифицированный токовый сиг-
нал?
7. Объясните понятие «интеллектуальный датчик».
8. Что означает аббревиатура УСЭППА?
9. Что такое исполнительное устройство и из каких частей оно состоит?
10. Как классифицируются регулирующие органы по виду воздействия на
объект?
Гл а в а 10
РЕЛЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ