5. Пневматические регуляторвы.

Пневматические регуляторы применяются для регулирования температуры, давления, расхода, уровня и других величин. Рабочей средой пневматических регуляторов является очищенный сжатый воздух, подаваемый под давлением 137 кПа.

Пневматические регуляторы имеют следующие достоинства:

- возможность применения в условиях пожаро- и взрывоопасных производств,

- относительная простота конструкции

-низкая стоимость,

- надежность при работе в тяжелых промышленных условиях,

- простота обслуживания,

- возможность создания из них сложных автоматических систем регулирования.

К недостаткам пневматических регуляторов относятся:

- сравнительно низкое быстродействие,

- ограниченное расстояние до исполнительного механизма из-за значительного запаздывания в передаче сигнала,

- необходимость в специальных источниках питания (очищенный сжатый воздух).

В настоящее время на предприятиях пищевой промышленности используются средства пневмоавтоматики приборного, агрегатного (блочного) и элементного типов.

Пневматические регуляторы приборного типа встраиваются в корпуса различных измерительных приборов, а также в электронные мосты и потенциометры и применяются для контроля и регулирования давления (разрежения), температуры и других параметров. Они одновременно выполняют функции измерительных приборов и автоматических регуляторов. В корпусе размещаются измерительная и регулирующая системы с показывающими и записывающими механическим и ручным задатчиками. Пневматические регуляторы отрабатывают ПИ-закон регулирования. Эти регуляторы действуют по принципу компенсации перемещений, стабилизируя отдельные параметры (давление, расход, температуру). Однако их узкие функциональные возможности не позволяют эффективно применять такие приборы в сложных взаимосвязанных системах управления и регулирования.

По агрегатному (блочному) принципу была построена выпускавшаяся ранее пневматическая агрегатная унифицированная система (АУС). Она состояла из сравнительно небольшого числа унифицированных малогабаритных взаимосочетаемых блоков, каждый из которых выполнял одну или несколько функций. Такие приборы позволяли решать задачи взаимосвязанного регулирования и создавать сложные многоконтурные системы.

Требования к современным системам автоматического регулирования и управления значительно возросли, уровень современной автоматизации требует наличия довольно сложной системы управления.

В пищевой промышленности необходимо решать задачи и по автоматической оптимизации. В таких условиях нецелесообразно было автоматизировать объекты управления только путём расширения номенклатуры приборов АУС. Поэтому естественным оказалось построение пневматических приборов по элементному принципу, реализуемому в унифицированной системе элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). Система представляет собой набор элементов, каждый из которых предназначен для выполнения определенных элементарных функций. Из этих элементов в различном сочетании можно компоновать сложные устройства.

Элементы и приборы УСЭППА делятся на две группы: дискретного и непрерывного действия, что позволяет выполнять схемы управления практически любой сложности.

Рассмотрим устройство и принцип действия нескольких элементов УСЭППА непрерывного действия, которые широко применяются в устройствах пневмоавтоматики, в регуляторах системы «Старт» (см. рис. 5.6).

.

Рис. 5.6 Схема устройства элемента сравнения

Элемент сравнения П2ЭС-3 (П-1062), показанный на рис. 5.6, служит для сравнения, а также суммирования пневматических сигналов, поступающих от измерительных приборов или других устройств. Он состоит из шести камер А, Б, В, Г, Д и Е, которые разделены мембранами из прорезиненной ткани, скрепленными в центре металлическим штоком. Положение мембранного блока, который имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении, зависит от соотношения сил, создаваемых действием давлений в разных камерах элемента на площади соответствующих мембран. Торцы металлического стержня выполняют роль заслонок по отношению к верхнему соплу, через которое сжатый воздух из магистрали питания поступает в камеру Е, и к нижнему соплу, через которое избыток воздуха сбрасывается в атмосферу. Если при нарушении равновесия сил мембранный блок перемещается вверх, то поступление воздуха из линии питания уменьшается, а сброс его в атмосферу увеличивается. В результате давление воздуха на выходе элемента уменьшается, и наоборот.

Элемент П2ЭС-3 имеет несколько вариантов включения в схемы пневмоавтоматики. Так, если он используется как элемент сравнения, то при нарушении равновесия сравниваемых давлений мембранный блок занимает либо крайнее верхнее положение, при котором выходной сигнал элемента равен нулю, либо крайнее нижнее положение, при котором он равен 98 кПа. При этом элемент П2ЭС-3 обладает свойствами двухпозиционного реле.

Если же элемент используется для суммирования, умножения на 2 или повторения сигнала, то мембранный блок может занимать не только крайнее, но и любое промежуточное положение, которому будет соответствовать и определенное выходное давление. В этих случаях суммарное усилие от входных сигналов, поступающих в камеры В, Г и Д, уравновешивается усилием, возникающим от подачи выходного сигнала элемента в камеру Б отрицательной обратной связи.

Усилитель мощности П2П.7 (П-1100), показанный на рис. 5.7, служит для усиления пневматического сигнала по мощности. Входной сигнал подается в глухую камеру Г и действует на мембранный блок вниз. Сжатый воздух из магистрали питания подается в камеру А, из которой он через большой шариковый клапан попадает в проточную камеру Б и далее на выход элемента (Я_Вых)- Избыток воздуха сбрасывается через второй шариковый клапан в пространство между мембранами, соединенное с атмосферой.

Рис. 5.7 Схема устройства усилителя мощности

Если давления на входе и выходе элемента равны, то мембранный блок находится в равновесии. При нарушении равновесия он перемещается вверх (если Рвых> Рвх) или вниз (если Рвых<Р_Вх). В первом случае большой шариковый клапан прикрывает поступление воздуха из линии питания в камеру Б, а малый клапан, наоборот, открывается, увеличивая сброс воздуха в атмосферу. В результате давление на выходе элемента уменьшается. Во втором случае (при Рвых<Р_Вх) происходят обратные процессы.

Элемент П2П.7 обеспечивает усиление пневматического сигнала по мощности до величины, необходимой для передачи его на расстояние до 300 м при внутреннем диаметре линии связи 6 мм.

Выключающее реле П-1086 (рис. 5.8) служит для отключения или переключения линий связи в системах пневмоавтоматики. Реле состоит из четырех камер, которые разделены мембранами из прорезиненной ткани, соединенными общим металлическим штоком. Торцы штока выполняют функции заслонок по отношению к соплам, через которые пневматические сигналы поступают в проточные камеры А и Г.

В камеру Б подается постоянное давление «подпора», которое благодаря разности площадей верхней и нижней мембран, ограничивающих эту камеру, перемещает мембранный блок в крайнее верхнее положение. При этом верхнее сопло закрыто, а нижнее открыто, так что сигнал, поступающий по каналу а в камеру А, беспрепятственно проходит на выход элемента.

Если в камеру Б подать по каналу в командный сигнал Р_к, больший по величине, чем давление «подпора», подаваемое по каналу б, мембранный блок переместится в крайнее нижнее положение и закроет сопло в камере А, открыв одновременно сопло в камере Г. При этом сигнал, поступающий по каналу а в камеру А, будет отключен, а сигнал, поступающий по каналу г в камеру Г, пройдет на выход элемента (в канал г\).

Проходные сечения каналов а и а_х больше, чем у остальных, что обеспечивает прохождение через них пневматических сигналов, усиленных по мощности.

Рис. 5.8. Схема устройства выключающего реле

Элемент П-1086 аналогичен по своим свойствам электромагнитному реле с двумя парами контактов, нормально замкнутых (клапан в камере А) и нормально разомкнутых (клапан в камере Г).

По аналогии с электрическими системами при разработке систем пневмоавтоматики требуется применение пневматических ёмкостей и сопротивлений, которые также входят в комплект элементов УСЭППА. Например, элемент ПОЕ.50 (П-1035) представляет собой ёмкость объёмом 50 см³, а ПОЕ.25 – 25 см³. Установка и крепление пневмоёмкости на плате регулятора производится с помощью входной и выходной ножек.

Постоянный дроссель П2Д.7 (П-1017), показанный на рис. 5.9, представляет собой винт 5, ввернутый в корпус 4 с двумя перпендикулярными сообщающимися отверстиями. В отверстии, расположенном на продольной оси винта, помещен капилляр 2 диаметром 0,3 мм с навитым па него фильтром 3 из шерстяной пряжи.

Рис. 5.9. Схема устройства постоянного дросселя

Воздух питания подводится в дроссель через входную ножку, проходит через второе отверстие винта 5, расположенное на его боковой поверхности, затем через пряжу в капилляр и далее на выход через ножку 1. Дроссель П2Д.7 сохраняет в процессе эксплуатации постоянное гидравлическое сопротивление, установленное при его настройке.

Регулируемый дроссель П2Д.1 (П-1016), показанный на рис. 5.10, состоит из корпуса 2, в который помещена втулка 4 с иглой 6 и мембраной 7.

Рис. 5.10 Схема устройства регулируемого дросселя

Пружина 5 удерживает иглу 6 в крайнем верхнем положении. Ось 13, на которой вращается диск 11 с прикрепленной к нему шкалой 12, запрессована в корпус 2. При вращении диска винт 9, опирающийся на пружинную фасонную шайбу 8, давит на иглу, заставляя ее перемещаться в оловянной втулке 3. Отверстие под иглу в этой втулке для каждого дросселя обжимается по профилю иглы. При вращении диска изменяется степень открытия дросселя, и следовательно, его гидравлическое сопротивление. Стрелка 10 служит для отсчета по шкале 12 установленной степени открытия дросселя. Вход и выход сжатого воздуха осуществляются через отверстия в ножках 7.

Система автоматических регуляторов «Старт», разработанная на основе элементов УСЭППА, выпускается заводом «Тиз-прибор». В состав системы «Старт» входят: пропорциональный регулятор ПР2.8; пропорционально-интегральный регулятор ПР3.21; пропорционально-интегральный регулятор соотношения ПРЗ-33 и другие регуляторы и функциональные блоки, а также вторичные приборы модели ПВ нескольких модификаций. Конструкция регуляторов позволяет устанавливать их на вторичных приборах системы «Старт», а также отдельно.

Пропорциональный регулятор ПР2.8 (рис. 5.11) состоит из двух элементов I и II типа П2ЭС.З (П-1062), элемента III типа П23Д (П-1083), элемента IV типа П2ЭС.2, усилителя мощности выходного сигнала V и выключающего реле VI Он работает следующим образом. Давление Р_п от измерительного преобразователя автоматической системы регулирования, пропорциональное текущему значению регулируемого параметра, подается в камеру Г элемента I, а давление Р₃ от задатчика, пропорциональное заданному значению регулируемого параметра, в камеру В того же элемента. Кроме того, на вход элемента II подается постоянное давление Р" от элемента П23Д (в камеру Д) и давление Pi с выхода элемента I (в камеру Б). Сигнал Pi с выхода элемента I подается на один из выходов элемента IV и суммируется в нем с сигналом Р_вых, поступающим с выхода усилителя мощности V.

Выходной сигнал элемента IV подается в минусовую камеру Б элемента II, а постоянное давление Р" с выхода элемента III подается в плюсовую камеру Д элемента II. Сигнал, равный их разности, усиливается элементом V и поступает через выключающее реле VI на выход регулятора в линию исполнительного механизма, а также на второй вход элемента IV.

Рис. 5.11 Принципиальная схема регулятора ПР2.8

Настройка регулятора ПР2.8 на заданный предел пропорциональности осуществляется изменением степени открытия регулируемого дросселя Д". Пределы настройки - от 2 до 3000 % диапазона входного сигнала.

Выключающее реле VI служит для отключения выходного сигнала регулятора при подаче командного давления Р_к в камеру А этого элемента (при переходе с автоматического на ручное управление).

Пропорционально-интегральный регулятор ПР3.31 (рис. 5.12) состоит из интегрирующей части, собранной из элемента I типа П2ЭС-3, регулируемого дросселя Д" типа П2Д.1 и пневматической емкости II и пропорциональной части из элементов III и V типа П2ЭС.З, элемента IV типа П2ЭС.2, усилителя мощности выходного сигнала VI и выключающего реле VII.

Пропорциональная часть регулятора ПР3.31 аналогична по устройству вышерассмотренному регулятору ПР2.8, только постоянный сигнал Р_н заменен выходным сигналом интегрирующей части Гц. Остается рассмотреть работу интегрирующей части регулятора. На вход элемента 1 подаются три сигнала: давление Р_п, пропорциональное текущему значению регулируемого параметра, поступает в плюсовую камеру Д; давление Р₃, пропорциональное заданному значению регулируемого параметра, поступает в минусовую камеру Б и давление Р" с выхода интегрирующей части подается в плюсовую камеру В.

Регулятор ПР3.31 работает как ПИ-регулятор. На заданный предел пропорциональности он настраивается, как и регулятор ПР2.8 - путем изменения степени открытия регулируемого дросселя Д_п. Настройка может быть установлена в пределах от 2 до 3000 % входного сигнала, настройка времени изодрома производится изменением степени открытия регулируемого дросселя Д_а и возможна в пределах от 3 до 100 мин.

Рис. 5.12. Схема пропорционально-интегрального регулятора ПР3.31

Выключающее реле регулятора ПР3.31 выполняет те же функции, что и в регуляторе ПР2.8,- отключает давление от линии исполнительного механизма при переходе на ручное управление. При этом открывается сопло С₂ выключающего реле и давление из его камеры Б, равное давлению в линии исполнительного механизма при ручном управлении, подается в камеру В элемента I ив камеры Д элементов III и V. Благодаря этому в перечисленных камерах поддерживается то же давление, что и в линии исполнительного механизма, и при обратном переключении с ручного управления на автоматическое регулятор начинает работать более плавно. ПИ-регулятор ПР3.31 применяется при регулировании температуры бензина, подаваемого из подогревателя бензина в экстракторы; при регулировании давления пара на цеховом коллекторе; расхода мисцеллы на дистилляционную установку; температуры мыльной основы на входе в камеру ВСУ и др.

Вторичные приборы системы «Старт» 'выпускаются в трех модификациях:

- РПВ4.2 - прибор для непрерывной записи и показания величины одного параметра;

- РПВ4.3Э - прибор для непрерывной записи на одной диаграмме величин двух параметров и показания их на двух шкалах;

- ПВ10.1Э - прибор для непрерывной записи и показания величины регулируемого параметра, указания положения контрольной точки и величины давления на исполнительном механизме.

В прибор ПВ10.1Э встроена станция управления, обеспечивающая возможность управления исполнительным механизмом вручную и плавного перехода на автоматическое регулирование. Станция управления включает задатчик и переключатель.

Измерительные схемы всех этих приборов основаны на принципе компенсации сил, что обеспечивает их высокую чувствительность и точность измерений. Схема измерительного устройства для записи и показания одного параметра показана на рис. 5.13. В разных модификациях приборов «Старт» измерительная часть состоит из одного (РПВ4.2), двух (РПВ4.3Э) и трех (ПВ10.1Э) таких устройств.

Рис. 5.13 Принципиальная схема регулятора ПР3.31

Приёмный элемент - сильфон 1 - воспринимает давление Р_вх, пропорциональное текущему значению измеряемой величины; сжатый воздух от источника питания поступает в линию сопла 2 и в линию силового элемента 6 узла обратной связи. Изменение Р_вх вызывает изменение зазора между соплом и заслонкой, укрепленной на конце рычага 3 приемного элемента, а это ведет к изменению давления в линии сопла и в силовом элементе 6. При этом перемещается чашечная мембрана силового элемента и упирающийся в нее рычаг 5, который связан с рычагом 3 заслонки пружиной 4. Таким образом, силовой элемент 6 оказывает на заслонку действие, уравновешивающее воздействие приёмного элемента 1. Перемещение рычага 5 силового элемента передается показывающей стрелке 7 и записывающему перу прибора. Привод диаграммы осуществляется от синхронного двигателя через редуктор со скоростью 20 мм/ч.

Новой отраслью пневмоавтоматики, которая в последнее время интенсивно развивается, является струйная техника. Принципы построения приборов струйной техники коренным образом отличаются от всех ранее известных принципов построения пневматических приборов. В приборах струйной техники полностью отсутствуют какие-либо подвижные механические детали, а управление осуществляется за счет взаимодействия струй воздуха.

Приборы струйной техники миниатюрны и допускают применение технологии печатных схем. Используются как постоянные, так и переменные пневматические токи. Последнее обеспечивает получение высокой точности при создании вычислительных приборов.

Приборы струйной техники имеют ряд достоинств: быстродействие, малая масса и малые габариты, высокая эксплуатационная надежность, устойчивость к воздействию вибрации и радиации, способность работать (при соответствующем выборе материала) при любых температурах, простота изготовления и эксплуатации, дешевизна. Для питания приборов струйной техники применяют вентиляторы.

6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ.

Принцип действия гидравлических регуляторов основан на использовании энергии давления жидкости, подводимой от специальной насосной установки, входящей в комплект регулятора.

В качестве рабочих жидкостей служат минеральные масла (турбинное, трансформаторное), специальные смеси и вода с добавлением веществ, ослабляющих коррозию.

Гидравлические регуляторы предназначены для поддержания давления, разрежения, перепада давления,расхода, уровня, а также соотношения двух давлений или расходов веществ. Эти регуляторы имеют ряд достоинств: простота конструкции, надежность в работе, несложность обслуживания. Однако им свойственны недостатки: громоздкость, необходимость герметизации гидрокоммуникаций, ограниченность радиуса действия и др.

Гидравлические регуляторы наиболее часто применяются для автоматизации теплосиловых установок предприятий. Регуляторы со струйными усилителями работают на трансформаторном масле. Они реализуют И- и ПИ-законы регулирования. На рис. 5.14 показана схема И-регулятора расхода. Полая струйная трубка 1 с сопловой насадкой может поворачиваться относительно оси 0 в вертикальной плоскости до упоров 4 или 4'. Во внутреннюю полость струйной трубки под давлением подается масло, вытекающее из сопла со скоростью 25- 30 м/с. Для подачи масла используется шестеренчатый насос 9 с электроприводом, он забирает масло из специального резервуара 8.

На струйную трубку действуют встречные усилия: от чувствительного элемента диф-манометра, расходомера 5 (это усилие тем больше, чем больше расход в трубопроводе) и от задатчика 2, натяжение пружины которого изменяется с помощью специального винта и устанавливается вручную пропорционально заданному значению расхода. Если заданное и текущее значения регулируемой величины равны, то равны усилия, действующие на струйную трубку, которая будет находиться в среднем положении. При этом масло, вытекающее из сопла сильной струей, будет бить в плоскость сопловой плитки 3, затем через слив попадет в резервуар 8, откуда вновь закачивается насосом 9 в трубку 1.

Рис. 5.14 Принципиальная схема гидравлического И-регулятора

Предположим, что расход в трубопроводе превысил заданный. В этом случае усилие от чувствительного элемента дифманометра возрастёт, и струйная трубка повернётся до упора 4', а сопло установится против правого канала сопловой плитки 3.

Через этот канал масло начнет поступать по трубопроводу на поршень исполнительного механизма 6, а задвижка 7 (регулирующий орган) будет перемещаться вниз, уменьшая расход. Как только усилия от задатчика и дифманометра уравняются, струйная трубка вернется в исходное положение и действие регулятора прекратится.

Если расход в трубопроводе станет меньше заданного, то струйная трубка переместится до упора 4, и масло начнет поступать в нижнюю полость цилиндра исполнительного механизма 6, что приведет к перемещению задвижки 7 вверх и увеличению расхода.

Система элементов гидравлической регулирующей автоматики позволяет создавать развернутые системы управления и формировать сложные законы регулирующего воздействия. Основным звеном системы является гидравлический операционный усилитель. Здесь применен принцип компенсации сил на мембранах в сочетании с компенсацией расходов на дросселях.