книги / Технические средства автоматизации химических производств

Рис. 7.17. Структурная схема пневматической АСР

ния вырабатывает командный сигнал, поступающий по линии связи (пневмопроводу длиной до 250-300 м) на пневматический мембран­ ный исполнительный механизм.

В динамическом отношении мембранные ИМ в области частот [0, 0,3] рад/с рассматривают как последовательное соединение аперио­ дического звена с малой (порядка нескольких секунд) постоянной времени и усилителя с зоной гистерезиса 2-10%. При длине пневмо­ линии более 100150 м ИМ оборудуют усилителями мощности и охватывают жесткой отрицательной обратной связью по перемещению РО. При использовании таких позиционеров ИМ принимают за линей­ ное усилительное звено, не влияющее на динамические характерис­ тики пневматического регулятора и всей АСР.

Пневматические регуляторы. Применяемые в ПСА регуляторы имеют одинаковую функциональную структуру (рис. 7.17): сумматор 2 для сравнения сигналов от датчика Д, устройства обратной связи ОС и задатчика ЗД; усилитель давления с большим коэффициентом переда­ чи Ку; оконечный усилитель мощности и ОС с передаточной функцией №о($). При /Су » 1 динамику линеаризованного в малом регулятора приближенно описывают передаточной функцией IV“д1 ($)»4X0 позволя­ ет формировать нужный закон всей АСР подбором инверсных характе­ ристик устройства обратной связи.

Для автоматизации химических производств в основном применяют пневматические регуляторы системы "Старт”, построенные на элемен­ тах УСЭППА и частично КЭМП (встроенные регуляторы типа 04, ПР3.27М серийно не выпускают). Эти регуляторы построены по прин­ ципу компенсации сил, что обеспечивает высокую точность (статичес­ кая погрешность 0,5- 1,0%) реализации позиционного, П-, ПИ-, ПД- и ПИД-законов регулирования и возможность установки ПР непосредст­ венно на ТОУ, на щите управления или на вторичном приборе.

Позиционный регулятор типа ПР1,5М1 формирует дискретный командный сигнал

1 при Р\ —Р3 > 0

Р = 518п (Р 1 -Р 3) =

0 при Р\ - Р3 < 0,

где Р\ - контрольный сигнал от датчика; Р3 - задание АСР, Р, е (20, 100) кПа.

191

Рис. 7.18. Схема позиционных регуляторов:

а— типа ПР1.5; б —типа ПР1.6М1

Всостав регулятора ПР 1.5 (рис. 7.18, о) входят задачик для выработ­ ки сигнала Р3, переключатель П, усилители давления УС и мощности. Переключатель П позволяет изменять знак обратной связи АСР в зависимости от характеристик ИМ и РО (нормально открытый и нор­ мально закрытый). В частности, при коммутации сигналов Р\ и Р3 в

СООТВеТСТВИИ С ПуНКТИрНЫМИ ЛИНИЯМИ Р = 81П8 (Р3 - Р\ ).

Позиционный регулятор ПР1.6М1 реализует релейный закон

регулятор (рис. 7.18,6) содержит переключатель П для смены знака обратной связи в АСР; четырехвходовой элемент сравнения ЭС, в котором определяют знак сигнала е * Р\ - Р3 - 0,5 Г; усилитель мощ­ ности; реле К\, реализующее функцию отрицания НЕ; выключающее реле ВР; усилитель расхода 1 для формирования дискретного сигнала ”1” и трехмембранные реле Щ и К3, обеспечивающие получение зоны гистерезиса ± 0,5 Г. В регуляторе используют задатчики (на рис. 7.18, б

одно из его сопел в камеру В или Г элемента сравнения ЭС, выход которого е инвертируют в # 1 , усиливают по расходу и при Рк = 0 подают через выключающее реле ВР на ИМ (при Рк = 1 на выходе регулятора Р* = 0 при любом Р). Одновременно сигнал е , е = 0 или 1 переключает ПС реле # 2 , ^ 3 , что ведет к смене знака слагаемого 0,5 Г в сумматоре ЭС.

Величину зоны гистерезиса Г настраивают с помощью независимого задатчика с учетом условия 20 кПа ^ Р3 + 0,5 Г ^ 100 кПа.

Пропорциональный регулятор типа ПР2.8 предназначен для стаби­ лизации с погрешностью А регулируемой координаты Р\ на уровне

1 9 2

Рис. 7.19. Схема П-регуляхора типа ПР2.8

задания Р3. В статических режимах сигнал на выходе регулятора

? := * :(?!-Р3) + Р0,

где /с- коэффициент усиления, к - 100/6 ; 6 -предел пропорциональнос­ ти, %; Рдопорное давление, вводимое для смещения ”нуля” регуля­ тора при Р\—Р3. Статическая погрешность Д регулятора зависит от ко­ эффициента усиления ТОУ /сд и амплитуды возмущения А:А-коА/(1 + +к$к).

Регулятор ПР2.8 (рис. 7.19) состоит из переключателя П, дроссельных

проводимостями 01 и 01 и регулируемого ПС с проводимостью Ь\. На

/с 2 е (0 ,0 1 ; 0,99). Равновесный режим регулятора возможен при Рб- Рв + +Рг~Рд"О, откуда Р - (Р\ -РзМ/*С2+Ро*

Для изменения параметра настройки б—^2/^1 в регуляторе использу­ ютпневмосопротивления с проводимостями и &2»При настройке б от 100до 3000% варьируют проводимостью 61 (при закрытом ПС с проводи­ мостью Ьг и к2**1). Для настройки б от 2 до 100% изменяют проводимость 62 (дроссель Ь\ при этом закрывают полностью, так что к \" 1 и б**^)* Вы­ ходной сигнал Р усиливают по мощности в точном повторителе типа П2П.7и при Рк=0 через реле ВРпередают на ИМ (при Рк~1 командный сиг­ нал Р=0). Для формирования давлений Р3, Рд используют дополнитель­ ныезадатчики. Постоянный дроссель р перед усилителем мощности слу­ житдля ослабления автоколебаний, возникающих в контуре ”ЭСЕг”*

Динамические режимы работы регулятора ПР2.8 описывают в первом приближении передаточной функцией №($) = К'п(5 )/б, где

"паразитных” глухих камер ЭС. Постоянная 7з характеризует прово­ димость дросселя р и объем глухой камеры усилителя мощности. Обычно Ти Г2, Рз менее 0,1 - 0,20 с, поэтому при(о< 0,15 рад/с функция Ь/п(5 )% 1, и ПР2.8 рассматривают как П-регулятор.

193

Рис. 7.20. Схема ПИ-регулятора типа ПР3.31

Регулятор типа ПР3.31 предназначен для осуществления ПИ-закона

р(0 - «-4*1(0 - Рз)+ т-* I (Рх(X) - Ра) а X,

о

где б"*1- коэффициент усиления (6 - предел пропорциональности); Гивремя интегрирования (изодрома). Регулятор (рис. 7.20) условно разделяют на интегральный, пропорциональный и усилительный узлы. Интегральная составляющая ПИ-закона вырабатывается мембранным сумматором 2 и глухой камерой V, охваченными положительной обратной связью ПОС, которая вводится в камеру Б сумматора. Вход­ ной сигнал Р\ - Р3 = АР проходит через переключатель П, сумматор Е, выключающее реле ВР, и на выходе интегрального узла Ри($) = &Р(5)/(Тк5)9где Типостоянная времени глухой камеры)..

Сигнал Ри через повторитель вводят в пропорциональный узел, образованный линейными дроссельными делителями Ец, Е2 и усили­ телем давления УС. Из условия равновесия сил на сумматоре УС определяется выходное давление

Р=(Р2 - Р И)/С1Д 2 + Р„,

где к] = Ь^/(а^ + ЬД У - 1,2; а\, -02» Ьь &2 - проводимости ПС суммато­ ров Еь Е2. Сигнал

Р2 (5)=АР(5)+АР(5)/(Г„5),

поэтому

Р(5)= АРМ/С1Д 2+ АР(5)/(Г„5),

и передаточная функция регулятора ПР3.31 принимает вид:

N(5) =Р(5 )/ДР(5) = к г1к 2 +1/{ТИз) = 1/6 +1/(Ги5),

где б = к2/^ 1 . Настройку параметра б в интервале от 2 до 100% осущест­ вляют проводимостью Ь2 (при установке Ь1 на отметку 1 0 0 % и к 1 ^ 1). При Ь2 = 0 коэффициент ^ 2 * 0 , и предел пропорциональности б » 0 . Если регулируемый дроссель открыт и Ь2^ с2, то к% = 1, и б * 100%.

194

Настройку параметра б в интервале 100-3000% осуществляют прово­ димостью Ь\ регулируемого ПС (при открытом дросселе с проводимос­ тью Ьг). Время Ти изменяют независимо от б регулируемым дросселем Ьз глухой камеры в интервале 3 - 6000 с.

Узел усиления содержит точный мощный повторитель типа П2П.У, на входе которого установлен дроссель р для демпфирования автоко­ лебаний в усилителе расхода. Выключающие реле ВР1, ВР2 по команде Рк = 1 отключают глухую камеру V и регулятор от ИМ. Одновременно с этим линия ИМ соединяется с камерами У и Б сумматора 2, что позво­ ляет осуществлять "безударное” включение регулятора в работу при переводе с ручного режима на автоматический.

Динамику регулятора ПР3.31 характеризуют в малом передаточной

функцией:

и*)=[1/б+1/(адп*'п(4

где Мп($) = (1 + С \8 + С25)/[(Ги 5 + б)(1 + С $з + С452)], параметры С \ - С4 зависят от значений к \ 9 /с2 и б. При 1 0 < б < 3000% и со <0,3 рад/с функция Ни(8) несущественно отличается от 1, и блок ПР3.31 рассмат­ ривают как ПИ-регулятор.

Пропорционально-интегральный регулятор типа ПР3.32 аналогичен регулятору ПР3.31 и отличается лишь наличием местного ручного задатчика для установки Р3.

Регулятор соотношения типа ПРЗ.ЗЗ обеспечивает пропорциональ­

и ПИ-регулятора типа ПР3.31, конструктивно оформленных как один прибор. Узел соотношения координат Р\ и Р{ построен на базе двух дроссельных делителей, каждый из которых имеет постоянные и регулируемые ПС с проводимостями аз, Ьз и 0 4 , Ь+. Давление на выходе узла . х

? Г - Р ,Д = к 1 ( Р Г1 - Р 0 ) - ' С 2 ( ^ - П ) .

где = а]!{й] + Ь/),) = 3,4; Ро - опорное давление от задатчика, Р% = ■ 20 кПа. В статике Рг ~ Рд = 0> поэтому

М с1-(Р 1-Р о)/(*|-*о)-С в.

Настройку Со осуществляют регулируемыми ПС с проводимостями Ьз иЬ4.В частности, если Ьз = 0 , то к \ « 1, и изменяя проводимость Ь4 от 0 до 100%, можно устанавливать Со в интервале от 0,1 до 1. Если Ьз = - 100% 0 ,0 1 , от вариации Ь4 изменяют Со от 1 до 10 .

Регулятор соотношения ПР3.34 позволяет корректировать параметр

1 9 5

Рис. 7.21. Схема регуляторов соотношения: а —типа ПРЗ.ЗЗ; б —типа ПР3.34

Со в зависимости от третьего сигнала ? 4 (0 *Этот регулятор отличается от прибора ПРЗ.ЗЗ только узлом соотношения, схема которого приве­ дена на рис. 7.21, б. В узел соотношения введен повторитель давления

с двумя переменными ПС, выполняющими роль дросселя Ь+. Узел соотношения в общем случае нелинеен, поэтому при его индивидуальной настройке и линеаризации в малом отношения Р4 /Р1 или Р4 /Р1 используют дроссели Ь$, и опорное давление Р0.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор ПР3.35

где Тп - время предварения.

Регулятор ПР3.35 (рис. 7.22) содержит блоки предварения Д, пропор­ циональный П и интегральный И.

Блок Д представляет собой устройство прямого предварения типа ПФ2.1 (бс^э оконечного усилителя мощности). Его выходной сигнал Рг * аЛ + 7пР2 вводят в пропорциональный блок П, представляющий регулятор типа ПР2.8. Интегральный узел И построен в основном аналогично интегральному блоку регулятора ПР3.31 (элементы П, ЭС, ВК, V и ПОС на рис. 7.20), однако его дроссельный делитель с ПС Ь\ 9а\ перенесен в регуляторе ПР3.35 в блок П.

В блоке П суммируют сигналы Р |/б , Р3/б и 5 ( ? 1 - Р3)х*т/Ги, образуя командное давление Р. Настройку регулятора ПР3.35 осущест­ вляют с помощью регулируемого дросселя Ь1 (предел пропорциональ­ ности 6 изменяется от 100 до 3000%), ПС (параметр б варьируется от 2 до 100%); дросселем Ь3 устанавливают время интегрирования Ти от 3 до 6000 с, а ПС Ъл в устройстве предварения ПФ2.1 - время Г„ от 3 до 600 с.

Каждый узел регулятора ПР3.35 имеет выключающее реле, что позволяет осуществлять его безударное включение при смене режима управления с ручного на автоматический. Регулятор имеет два перек­ лючателя, обеспечивающие возможность работы как с нормально открытыми, так и с нормально закрытыми ИМ и РО.

196

р

Рис. 7.22. Схеме ПИД-регулятора типа ПР3.35

ПИД-закон реализуют также с помощью ПИ-регулятора ПР3.31 и устройства прямого предварения ПФ 2.1. При параллельном соедине­ нии ПР3.31 и ПФ2.1 используют дополнительный сумматор типа ПФ1.1, где из выходных сигналов регулятора и устройства предварения вычитают вследствие чего параметры настройки ПИД-регулятора оказываются независимыми друг от друга. При последовательном соединении ПФ2.1 и ПР3.31 (или ПР3.31 и ПФ2.1) параметр настройки Д-составляющей ПИД-регулятора зависит от предела пропорциональ­ ности 6 .

Пневматические вторичные приборы. Эти приборы предназначены для показания и регистрации сигнала Р, а также сигнализации об его отклонениях за диапазон заданных изменений. Все вторичные при­ боры имеют одинаковую функциональную структуру измерительного узла: преобразователь сигнала Р в усилие (чаще всего сильфон); рычажный сумматор сил; преобразователь малых перемещений в давление воздуха Р0; исполнительный механизм (преобразователь давления Р0 в большие перемещения стрелки прибора); устройство отрицательной обратной связи (пружина). В зависимости от типа прибора в его состав дополнительно входит лентопротяжный меха­ низм с редуктором и двигателем, станция управления режимами работы АСП, устройства сигнализации.

Вторичные приборы типа ПКП предназначены для показания с погрешностью! 0,5 и ли ! 1,0% одного (ПКП.1) или двух (ПКП.2) сигна­ лов. В соответствии с этим прибор имеет один или два однотипных измерительных узла (рис. 7.23,о) и две шкалы. Измеряемое давление Р\ вводят в сильфон С, усилие от которого передается на рычажный сумматор 2 . При вариациях давления Р\ рычаг перемещается и изме­ няет расстояние до сопла (СП) и давление воздуха ?о, вводимого в

камеру исполнительного механизма (ИМ), что приводит к перемеще­ ниям поршня (ПР) с мягкой уплотнительной манжетой (М). Поступа­ тельное движение поршня преобразуется во вращение вала, на шкиве

(Ш) которого закреплен тросик (ТР), перемещающий каретку (К) со стрелкой относительно линейной (или квадратической) шкалы (ШК). Одновременно изменяется натяжение пружины обратной связи Пр, что ведет к уравновешиванию моментов сил, действующих на рычаг 2 .

197

Рис. 7.23. Вторичные пневматические приборы:

а — измерительная схема прибора ПКП; б — исполнительный механизм прибора ПВ

показания пневматическуюиэлектрическую сигнализацию достижения давлением Р\ заданных значений Р~,Р*. Для этого в приборе ПКП.1 устанавливают2 фиксатора диапазона [Р- ,^ ] , представляющие собой ПС типа соплозаслонка, и два пневмоклапана КЛАМП или дискрет­ ный пневмоэлектропреобразователь ППЭД.2 (либо не выпускаемый серийно П1ПР.4). При Р\ = Р“ илиР+ каретка прибора открывает сопло фиксатора, и давление воздуха на входе клапана или преобразователя становится равным нулю, вследствие чего на выходе КЛАМП (или ППЭД.2) появляется усиленный пневматический (или электрический) командный сигнал.

Вторичные приборы типа ПВ функционально устроены аналогично приборам ПКП и отличаются от них только исполнительным механиз­ мом (рис. 7.23,6). При изменении давления Рд после сопла СП и в камере ИМ упругая чашечная мембрана (МБ) перемещает опору (ОП), которая поворачивает вспомогательный рычаг Ев около оси, что вызывает перемещение тросика ТР с закрепленной на нем кареткой со стрелкой и пером и пружины обратной связи.

Прибор ПВ.1 осуществляет показания одного сигнала Р\. Вторичный прибор ПВ3.2 контролирует сигнал Р\, задание Р3 и командное давле­ ние регулятора Р на трех независимых шкалах. Он снабжен станцией управления, позволяющей реализовать с помощью переключателя и двух кнопок режимы ручного дистанционного управления (регулятор отключен); автоматического регулирования (регулятор включен,

Р3 = соп$0; автоматического программного регулирования (регулятор включен, Р3 (?) вырабатывает программный задатчик).

Приборы контроля регулирующие типа ПКР.1, ПКР.2 позволяют показывать на одной или двух шкалах один или два сигнала и регист­ рировать с погрешностью ±0,5% на одной ленточной диаграмме один или два сигнала. Измерительный узел прибора аналогичен узлу ПКП, с той разницей, что на каретке К закреплено кроме стрелки перо с чернильным баллончиком. Приборы работают с линейными или квад-

198

Таблица 7.2. Перечень пневматических регулирующих устройств и приборов

ратическими шкалами длиной 100 мм, диаграммная бумага движется со скоростью 20 мм/ч (по заказу 40, 60 или 1200 мм/ч). Для перемеще­ ния ее с погрешностью ± 0,3% необходимы электродвигатель перемен­ ного тока, понижающий редуктор со сменными зубчатыми шестернями и лентопротяжный механизм.

Серийно выпускаемые пневматические приборы и регулирующие устройства приведены в табл. 7.2.

199

Глава 8

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕАГРЕГАТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

8.1. Общие сведения о пневматических агрегатных комплексах

Для автоматизации сложных химико-технологических процессов и производств с большим числом контролируемых и регулируемых координат широко применяют пневматические агрегатные комплексы (ПАК). Такие комплексы предназначены для централизованного контроля, сигнализации, автоматического регулирования и логичес­ кого управления координатами сравнительно инерционных ТОУ.

Техническую основу ПАК составляют пневматические средства автоматизации. Вместе с тем отдельные функциональные устройства ПАК содержат микропроцессорные контроллеры, встроенные микроЭВМ и другие электрические ТСА. Некоторые ПАК имеют каналы связи с микроили миниЭВМ или ПЭВМ, входящими в системы управ­ ления более высокого уровня иерархии. Для отображения информации о состоянии ТОУ в ПАК используют щитовые системы приборов, а при наличии микроЭВМ - дисплеи.

ПАК строят на основе агрегатно-блочного принципа. Минимальными единицами пневматических средств в ПАК являются агрегаты (моду­ ли) - взаимосвязанные наборы элементов для выполнения опреде­ ленных функций (коммутирования, регулирования, запоминания и т.п.). Агрегаты имеют унифицированные информационные сигналы, что позволяет конструировать из них блоки и установки. Типовые блоки ПАК представляют собой набор однотипных модулей (субблоков), реализующих ту или иную функцию всего комплекса (контроль по вызову, сигнализация отклонений координат от нормы, программное управление и т.п.). Типовые многоканальные установки ПАК реализу­ ют несколько наиболее часто сочетаемых между собой функций для широкого класса ТОУ. Специализированные многоканальные установ­ ки ПАК выполняют набор функций, наиболее часто встречающихся при автоматизации определенного класса ТОУ. Установки, в отличие от блоков, обладают большей автономностью и допускают самостоятель­ ное применение.

Конструктивно модули представляют собой многослойные платы, на которых смонтированы элементы и клеммы разъемов. Коммуника­ ционные линии между элементами выполнены в нескольких слоях платы. Блоки содержат несколько (примерно 8-12) модулей и выпол­ няются в виде небольших шкафов или вставных каркасов. Наиболее распространенные размеры шкафов: 1000x810x470; 1800x600 (800)х450; 2200x800x800(1200); 1800x1000x800 мм. Типовые и специализирован­ ные многоканальные установки конструируют либо из модулей, размещенных в монтажных рамах или, стойках, либо из типовых и специализированных блоков, также устанавливаемых в стойках.

ПАК выпускают серийно с 70-х годов. Первые комплексы „Центр”,

200