книги / Технические средства автоматизации химических производств

Рис. 6.14. Техническая структура программно-технического комплекса аварийной защиты

кирование; звуковую сигнализацию отклонений контролируемых координат ТОУ и состояния технологического оборудования; анализ причин нарушений в работе ТОУ (установление последовательности появления сигналов о нарушениях); самодиагностику блоков комп­ лекса.

Техническая структура ПТКАЗ изображена на рис. 6.14. Базовый комплекс ПТКАЗ состоит из модулей ввода дискретной и аналоговой информации (ВДИ-1 и ВАИ-1); блока (барьера) искробезопасности (БИБ); основной и резервной микроЭВМ типа „Электроника-60”; модуля контроля работоспособности машин (МК); модуля энергонезависимой памяти (МЭП); шин устройств ввода (ШУВ) и вывода (ШУВВ); модулей ключей силовых низковольтных (КСН-1,2) и высоковольтных (КСВ-1); блока управления блокировками (БУБ), программирующего устройст­ ва (на рис. 6.14 не показано).

Комплекс ПТКАЗ имеет до 128 аналоговых и 256 дискретных вход­ ных каналов для приема унифицированных сигналов уровня 0-5, 0-20, 4-20 мА или „0” (от 2,4 до 7 В) и „1” (от -7 до +0,4 В). Число выходных каналов для вывода 384 дискретных сигналов на сигнали­ зацию и 64 - на ИМ. Выходные сигналы постоянного тока имеют параметры до 70 Ви 0,4 А, переменного тока - до 600 и 0,3 А.

Комплекс МК-8000. Этот комплекс является техническим развитием МП-8000Д и выполняет те же функции: сбора и первичной обработки информации; регулирования координат ТОУ в режимах НЦУ, суперви* зорном, аналоговом резервном и ручном дистанционном; отображения информации о работе ТОУ.

Техническая структура МК-8000 показана на рис. 6.15. В комплекс входят стойка управления (СУ), стойка силовых ключей (ССК), персо­ нальная ЭВМ (ПЭВМ) и комплект сервисного оборудования (на рис. 6.15 не показан).

171

Рис. 6.15. Техническая структура комплекса МК-8000

В СУ размещены микропроцессорные устройства измерения коор­ динат, регулирования и логического управления. На лицевой панели СУ установлен пульт контроля, на котором расположены органы контроля и управления.

Стойка ССК содержит модули усиления командных сигналов из СУ, поступающих по линии УДС на позиционные ИМ. Здесь же размещены органы ручного дистанционного управления ИМ.

Персональная ЭВМ, имеющая дисплей, накопитель на гибком магнитном диске и печатающее устройство, выполняет централизо­ ванный контроль состояния ТОУ, автоматическое регулирование координат, оперативное отображение показателей работы ТОУ на печатающем устройстве и на дисплее. ПЭВМ используют и для конфи­ гурирования контуров регулирования.

Связь ПЭВМ с микропроцессорными регуляторами (МПР) стойки управления осуществлена с помощью стандартных каналов связи ИРПС.

Комплекс МК-8000 функционирует следующим образом. Сигналы от аналоговых (АС) и дискретных (ДС) датчиков вводят в стойку управ­ ления, в которой МПР вырабатывают по определенным алгоритмам командные регулирующие воздействия и выдают их по каналам ВАС на ИМ. По запросу оператора значения координат, заданий, регулиру­ ющих воздействий и положений ИМ из запоминающих устройств МПР можно выводить на цифровые и аналоговые индикаторы пульта контроля СУ и через канал ИРПС на дисплей ПЭВМ. Для реализации этих запросов на пульте контроля установлены предметные клавиши.

Сих помощью оператор изменяет настройки и задания МПР, включает

иотключает регуляторы. На пульте контроля расположены блоки

вызова координат и световой сигнализации их отклонений от нор­ мальных значений.

Имеющаяся в МК-8000 система централизованного контроля вход­ ных и выходных аналоговых сигналов осуществляет в случае отказа МПР автоматическое безударное включение резервных регуляторов, расположенных в СУ.

172

Рис. 6.16. Структурная схема измерительного канала МК-8000

Измерительные каналы МК-8000 построены на базе микропроцес­ сорного контроллера (МПК) и контроллера ручного управления (КРУ) (рис. 6.16). Входной сигнал от датчика (Д) поступает на клеммник СУ и далее на один из 16 фильтров низких частот (ФНЧ), подавляющий помехи нормального и общего вида. Одновременно ФНЧ преобразует токовые сигналы в постоянное напряжение и коммутирует выходы фильтров согласно адресным командам вычислительного модуля (ВМ) ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Управление работой АЦП, а также первичную обработку кодированного сигнала и его запоминание осуществляет модуль (МВ). При нажатии клавиши блока выбора параметров (ВВП) контроллер КРУ формирует код номера измерительного канала, который через модули связи (МС) и приема и передачи (МПП) вводится в МПК. Далее МВ извлекает из своего запоминающего устройства значения сигнала, через МПЦ и МС передает его в КРУ и с помощью модуля интерфейса (МИ) выводит на показывающий индикаторный прибор (ПИУ), расположенный на пане­ ли контроля (ПК). Для вызову сигналов датчиков на дисплей ДМ персональной ЭВМ оператор использует клавиатуру (К) и модуль обмена (МО), подключенный через интерфейс ИРПС к магистрали МПК.

Канал регулирования МК-8000 состоит из микропроцессорного регулятора МПР, аналогового резервного ПИД-регулятора, блока переключения режимов (БПР) на пульте контроля (ПК) и блока резер­ вирования регуляторов (БРР) (рис. 6.17). Аналоговые сигналы от датчиков Д вводят параллельно в фильтр низких частот ФНЧ и БРР. Отфильтрованный и преобразованный в АЦП в двоичный код сигнал поступает в вычислительный модуль МВ, где в соответствии с ПИД-за- коном вычисляется командное воздействие, подаваемое через модуль приема и передачи (МПП2) на одно из выходных устройств (УР) блока БРР и далее на исполнительный механизм ИМ.

Выходные устройства служат для преобразования цифрового сигнала от МВ и органов ручного управления в аналоговый сигнал и формирования командного воздействия на ИМ при использовании резервного регулятора (РА). В супервизорном режиме управления

173

Рис. 6.17. Структурная схема канала регулирования МК-8000

МПК управляет сигналом „Задание” РА; этот же регулятор формирует и командный сигнал на ИМ. В режиме „Автоматическое регулирова­ ние” командный сигнал на ИМ формирует РА, задание которому устанавливает вручную оператор с панели пульта ПК. В режиме „Руч­ ное управление” командные сигналы на ИМ вручную изменяет опера­ тор с панели ПК. Сигналы ВХД и ЗДН от РА и УР используют в МПК как обратную связь. Безударную смену режимов управления АСР осущест­ вляют с помощью команд от блока переключения режимов БПР, расположенного на пульте контроля ПК.

В состав контуров логического управления в МК-8000 входят двухпозиционные датчики; модули ввода ДС; алгоритмы управления, реализуемые микроконтроллерами стойки управления СУ; усилители мощности (силовые ключи) выходных дискретных сигналов потенци­ ального или импульсного типа. Алгоритмы логического управления реализуют технологические операции пуска насосов, измерения дозы вещества, пуск и останов отдельного агрегата, программный вывод ТОУ на заданный режим и т.п. Формулирование алгоритмов управле­ ния МПК осуществляют с помощью ПЭВМ.

Комплекс МК-8000 имеет 12 базовых исполнений, отличающихся характеристиками используемых стоек СУ и ССК.

Комплекс МК-8010 является техническим развитием МК-8000. В его состав входят стойки управления СУ, силовых ключей ССК, связи и питания ССП, станция оператора, комплект сервисного оборудования. Стойки СУ и ССК являются полными аналогами блоков СУ и ССК МК-8000. ССП содержит 4 блока питания, один из которых является резервным, и два модуля интерфейса (один резервный) для связи МПР и МПК стойки СУ между собой и со станцией оператора через интер­ фейс ИРПС и канал связи КС-2.

В состав станции оператора входят три ПЭВМ с цветными монитора­ ми, функциональная и сигнальная клавиатура. Станция обеспечивает централизованный контроль состояния ТОУ с отображением информа­ ции на экране видиомонитора, конфигурирование и параметрирование контуров регулирования и логического управления, документирова­ ние работы ТОУ.

Комплект сервисного оборудования содержит устройства наладки и настройки модулей СУ, ССК, ССП.

174

Совокупность элементов с унифицированными сигналами и единым конструктивным оформлением образует систему элементов. Применя­ емые системы элементов ПСА обычно избыточны, в их состав входят более сложные узлы, ячейки, модули с единым конструктивным оформлением. Отечественные ПСА базируются преимущественно на универсальной системе элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА), комплексе миниатюрных элементов и модулей пневмоав­ томатики (КЭМП) и - частично - системе элементов струйной техники.

Элементы ПСА по характеру изменения сигналов во времени разде­ ляют на аналоговые и дискретные. Сигналы аналоговых элементов изменяются в стандартном диапазоне (20-100) кПа, дискретные сигналы принимают условное значение ”0” (не более 10 кПа) и ”1” (не менее 110 кПа). Питание всех элементов УСЭППА и КЭМП осуществля­ ется сжатым воздухом давлением (140 ±14) кПа.

Элементы УСЭППА и КЭМП конструктивно допускают "печатный” монтаж на платах с расположенными в них межэлементными канала­ ми. Элементы УСЭППА имеют небольшие габаритные размеры - в среднем 40x40x50 мм; линейные размеры элементов КЭМП умень­ шены в 1,5 - 2 раза.

Элементы ПСА применяют для построения более сложных устройств - модулей (ячеек), выполняющих самостоятельные функ­ ции типа интегрирование, дифференцирование, запоминание и т.п. Конструктивно модуль представляет собой единое устройство, состо­ ящее из группы элементов, которые закреплены на унифицированной плате и соединены внутренними коммуникационными каналами.

Модули с унифицированными информационными и конструктив­ ными характеристиками называют агрегатами. Каждый агрегат пред­ назначен для выполнения определенной функции системы контроля или регулирования, например сигнализации, стабилизации, регистра­ ции. Агрегатные унифицированные системы (АУС) широко применяли в 50- 60-е годы для автоматизации химических производств.

Приборное конструктивное оформление ПСА предполагает разме­ щение в корпусе одного прибора всех (или почти всех) ячеек, реали­ зующих АСР - измерительного, задающего, регулирующего и регистри­ рующего устройства. Приборные ПСА строят по принципу компенсации перемещений, что снижает их функциональные возможности и услож­ няет эксплуатацию. Такие ПСА широко применяли для автоматизации химических производств в 30-50-е годы; в настоящее время их иногда производят в форме встроенных регуляторов [34].

Блочное конструктивное оформление ПСА применяют при постро­ ении систем контроля и управления сложных ТОУ. В этом случае систему управления делят на ряд взаимосвязанных блоков, содержа­ щих однотипные функциональные агрегаты или модули, например регуляторы, регистраторы, сигнализаторы и т.п. Блочная компоновка упрощает проектирование, монтаж и эксплуатацию пневматических систем управления. Блочный принцип построения широко используют при создании пневматических и пневмоэлектрических комплексов ТСА типа "Центр”, "Режим”, "Ритминал” [35, 36].

1 7 6

7.2. Элементы и устройства пневматических средств автоматизации

Простые элементы ПСА. К простым элементам ПСА относят емкости, пневмосопротивления (ПС) или дроссели, пневмопроводы, мембраны, сильфоны, пружины, рычаги.

Пневмоемкости предназначены для накопления сжатого воздуха; основной характеристикой их служит постоянный или переменный объем V. Емкость с постоянным объемом показана на рис. 7.1, а, условное обозначение емкости в схемах ПСА изображено на рис. 7.1, б, В УСЭППА применяют емкости типа ПОЕ. 50 с постоянным объемом V = =(50±8) см3, в КЭМПемкость типа ЕАМП с У=(25±4) см3.

Пневмосопротивления (ПС) применяют для создания местного сопротивления потоку воздуха и изменения его расхода С. Пневмосоп­ ротивления разделяют на постоянные, регулируемые вручную и переменные. Вп остоянны х ПС типа жиклер, капилляр (рис. 7.2, а, б) площадь Р проходного сечения неизменна. В регулируемых ПС

(рис. 7.2, е) площадь Р изменяет человек или какое-либо техническое устройство.

По режиму течения воздуха ПС делят на ламинарные (обычно капилляры), т у р б у л е н т н ы е (жиклеры) и смешанные. Статичес­

линеаризовать в виде Съ а (?1 - Р2 )> где а - коэффициент проводи­ мости дросселя. Такая линеаризация справедлива для ламинарных ПС приД Р^ (20-30) кПа, для остальных - при Д Р< (10-20) кПа. Стати­ ческая характеристика дросселя типа сопло - заслонка линейна при

Наибольшее применение в ПСА получили постоянные ПС типа П2Д.4, САМП-4 с отношениями диаметров 4 к длинам капилляра I, равными 0,18/20; 0,3/20; 0,18/7; 0,5/20, и САМП-4 с отношениями б/1 * =0,18/40; 0,4/20. В состав УСЭППА входят регулируемые дроссели конус - конус и цилиндр - цилиндр типов П2П.2М, П2П.1М. Их анало­ гами в КЭМП являются САМП-1,2,3.

Пневмопроводы служат для передачи импульса давления (реже - расхода) на расстояния до 250 - 300 м. Их изготовляют из пластмас­ совых (металлических) трубок внутренним диаметром д = 4 -8 мм. Динамику безрасходного пневмопровода длиной I приближенно описывают передаточной функцией

№($)= ехр{-Т5} / ( ^ 5 + 1),

где время запаздывания т * (2-3)1,/ у0 ; у0 - скорость звука в воздухе; постоянная времени = 1 -15 с.

Мембраны применяют для преобразования давления р или перепада ДР в перемещение Ь или в силу Ф. Наиболее часто используют “вялые” плоские или гофрированные мембраны из тонкой прорезиненной тка­ ни с малой собственной упругостью. Такие мембраны имеют жесткие

177

центры диаметром й и при малых Нрассматриваются как усилитель­ ные звенья с передаточной функцией

Сильфоны предназначены для преобразования перепада ДР в перемещение Ьили силу Ф. Тонкостенные гофрированные сильфоны со значительным коэффициентом собственной жесткости кс при ДР<200кПа в области низких частот рассматривают как линейные усилительные звенья с передаточной функцией

Ь'Ы = Ф(«)/ДР(5) = ^э/1сс,

где эффективная площадь Р « л(йн + йв)з/16; йя и йв - наружный и внутренний диаметры сильфона.

Пружины используют в пневматических устройствах для преобра­ зования силы Фв перемещения /?. В области низких частот цилиндри­ ческие пружины с коэффициентом жесткости кп характеризуют как усилительные звенья с

М ( з ) в Ь(5)/Ф(5) = 1 / к п.

Механические рычаги применяют в ПСА для суммирования пере­ мещений и сил. Рычажный сумматор малых перемещений х ^ х 2 имеет две оси вращения, сумматор сил конструируют на одноосном рычаге, снабженном уравновешивающей пружиной.

Сложные элементы ПСА. К ним относят пневматические камеры, дроссельные делители, преобразователи перемещений и сил в давле­ ние, усилители давления и мощности, сумматоры и реле.

Пневмокамеры служат для аккумуляции сжатого воздуха и измене­ ния его давления во времени по определенному закону. Камера состоит из емкости объемом у и нескольких ПС на вводах. Различают гл у х и е камеры с одним вводом (рис. 7.3,о) и п р о т о ч н ы е

178

Преобразователь перемещения в давление применяют в приборах ПСА для трансформации малых перемещений Н заслонки (мембраны) чувствительного элемента в большие изменения давления Р. Такие преобразователи строят на переменных ПС типа сопло - заслонка, охваченных отрицательной обратной связью (рис. 7.4). Преобразова­ тель состоит из двух ПС (постоянного и соплозаслонка), механичес­ кого сумматора перемещений I и сильфона обратной связи (ОС). При перемещении верхней оси сумматора I на расстояние х\ он перейдет из

кп^ 103 кПа/мм и в общем случае зависит от перепада давления Р$-Р. Преобразователи силы в давления конструируют на базе рассмот­

ренного преобразователя перемещения в давление.

Усилители давления предназначены для усиления алгебраической суммы одного, двух или четырех давлений.

О д н о в х о д о в ы е усилители строят на базе переменного ПС типа сопло - заслонка и стабилизатора перепада давления Р0 - Р (рис. 7.5,о). В таком усилителе заслонку, закрепленную на жестком центре мембраны М, перемещает сила 1ГЭР1. При изменении давления Р мембрана обратной связи М0 передвигает шарик Ш переменного ПС до восстановления баланса сил РР0 - Ф = Р0Р0, где Р0 “ эффективная площадь мембраны М0; Ф - усилие пружины (на рис. 7.5, а использо­ вано условное обозначение питания). Статическая характеристика усилителя линейна при малых перемещениях сопла, коэффициент

основе двух последовательно включенных переменных ПС типа соплозаслонка и мембранного сумматора сил, формируемых давле­ ниями Рр Р2 или - Р4 (рис. 7.5, б, в). Возникающий разбаланс сил на сумматоре компенсируется за счет собственной жесткости ”вялых” мембран. Обычно эта жесткость невелика, и зона линейности статичес­ кой характеристики

Р = Н а Р),ЬР = Р1 - Р 2 или д р = р 1 + р 3 - р 2 - р 4,

также очень мала и не превышает 200 Па для двухвходового и 400 Па - для четырехвходового усилителя (коэффициенты усиления равны 600 - 700 и 300 - 400 Па/Па соответственно). Статическая харак­ теристика усилителей имеет малое начальное смещение |С|< 200 Па и небольшую зону гистерезиса.

Усилители давления УСЭППА называют э л е м е н т а м и с р а в н е ­ ния . Трехмембранный элемент П2ЭС.1 (рис. 7.5,6) сравнивает два давления Р| и Р2 и в зависимости от знака их разности формирует на выходе сигнал я0” или ”1” (в системе КЭМП аналогичный элемент

180