Материал: Штейнберг, Ш. Е. Промышленные автоматические регуляторы

Часть третья

П Н Е В М А Т И Ч Е С К И Е РЕГУЛЯТОРЫ

Глава седьмая

О Б Щ И Е С В Е Д Е Н И Я

7-1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Главной отличительной особенностью пневматических регуляторов является то, что в качестве носителя сигна­ лов и источника энергии в них используется сжатый воз­ дух. Информация о текущем значении регулируемой ве­ личины, сигнал задания, командный сигнал к исполни­ тельному механизму — все эти координаты представлены в современных пневматических регуляторах величиной избыточного давления сжатого воздуха, изменяющейся в стандартном диапазоне 0,2—1,0 кгс/см2.

По аппаратурному составу пневматический регуля­ тор, как правило, полностью аналогичен любым другим общепромышленным регуляторам (см. рис. В-1). Обыч­ но такой регулятор состоит из датчика, задающего уст­ ройства, регулирующего устройства, исполнительного механизма и линий связи — каналов передачи сигналов. Однако пневматическому варианту выполнения каждого из этих устройств и системы автоматического регулиро­ вания в целом свойственны некоторые особенности. Рас­ смотрим основные из них:

1. Сигнал на выходе чувствительного элемента пнев­ матических датчиков обычно представлен в форме меха­ нического перемещения или усилия, обладает небольшой мощностью и практически не может быть передан на рас-

стояние, к регулирующему устройству. Поэтому такие датчики всегда имеют встроенный пневматический уси­ литель, стандартный выходной сигнал которого облада­ ет достаточной мощностью. Наличие у всех пневматичес­ ких датчиков единого стандартного выходного сигнала позволяет сочленять любой из них с пневматическими регулирующими устройствами (а также с приборами ав­ томатического контроля), рассчитанными на этот стан­ дартный сигнал, что существенно упрощает задачу пост­ роения пневматических САР разнообразных технологи­ ческих параметров. Благодаря этой же особенности все современные пневматические регуляторы в целом строятся по агрегатному принципу из устройств с унифи­ цированными входными и выходными сигналами.

2. В качестве задатчика в пневматических регулято­ рах обычно применяются редукторы — стабилизаторы давления «после себя». С помощью настроечной пружины редуктора можно -плавно изменять величину давления на выходе задатчика в пределах стандартного диапазо­ на и 'затем поддерживать ее на выбранном значении с нестабильностью, не превышающей обычно 0,5—1,0%.

3. Математические операции, необходимые для вос­ произведения стандартных законов регулирования, реа­ лизуются в пневматических регулирующих устройствах аналоговыми методами с помощью пневмоусилителей, охваченных обратными связями. Усилители чаще всего строятся на базе узла «сопло — заслонка», обладающего высокой чувствительностью и большим коэффициентом усиления. Динамические связи выполняются на таких элементах, как пневмоемкости (камеры), сопротивления (дроссели) , р е ж е — н а таких как рычаги, тяги и т. п. Принцип действия, характеристики и некоторые особен­ ности этих элементов и узлов рассматриваются в § 7-3. Здесь отметим, что в пневматических регулирующих уст­ ройствах достаточно просто реализуются все стандартные законы регулирования с широкими диапазонами измене­ ния параметров настройки, в том числе с большими пос­ тоянными времени изодрома (до 100 и более минут).

Некоторые из особенностей пневмоэлементов (нели­ нейности характеристик, «паразитные инерционности» и др.) приводят к ограниченности ОНР пневматических регулирующих устройств. Учитывая, что при различных схемах построения пневматических регуляторов эти осо­ бенности проявляются по-разному, они подробно рас-

276

сматриваются в главах, посвященных описанию конкрет­ ных пневморегуляторов.

4. Пневматическим исполнительным механизмам свой­ ственны простота конструкции, низкая стоимость, высо­ кая мощность и достаточное быстродействие. Благодаря

информации в пневматических регуляторах используют­ ся металлические или пластмассовые трубопроводы. По ним сигнал в виде избыточного давления сжатого возду­ ха, изменяющегося в стандартном диапазоне 0,2—1,0 кгс/см2, передается от датчика или задатчика к регули­ рующему устройству и от этого устройства — к исполни­ тельному механизму. Подобные линии связи — пневмопроводы характеризуются существенно ограниченной скоростью передачи сигналов давления: она значительно ниже скорости звука, равной примерно 330 м/сек. В связи с этим пневматические регуляторы целесообразно ис­ пользовать для автоматизации только достаточно инер­ ционных объектов, с постоянными времени, например, не менее 3—5 сек.

Протяженность пневматических линий связи также заметно ограничена. Для большинства современных средств пневмоавтоматики максимальное расстояние, на которое может быть передан их выходной сигнал, обыч­

очищенного от пыли и масла, с хорошо стабилизирован­ ным давлением 1,4 кгс/см2+10%. В большинстве случа­ ев для этой цели приходится создавать специальную си­ стему воздухоснабжения, к качеству и надежности рабо­ ты которой предъявляются достаточно жесткие требо­ вания.

7. Важной особенностью пневматических регулято­ ров является свойственный им высокий уровень эксплуа­ тационной надежности. Как и большинство других уст-_ ройств пневмоавтоматики, они могут безотказно функци­ онировать в тяжелых эксплуатационных условиях в течение длительного времени. В отличие от многих элек-

277

трйческих средств автоматизации пневматические регу­ ляторы часто не имеют конструктивных или схемных элементов с существенно ограниченным сроком службы.

Эта особенность пневматических регуляторов вместе со свойственной им простотой конструктивного выполне­ ния предопределяет легкость и удобство их использова­ ния. Для эксплуатации пневматических САР обычно не требуется обслуживающего персонала с высокой квали­ фикацией.

Неудивительно поэтому, что пневматические регуля­ торы получили широкое распространение в системах про­ мышленной автоматики. Особенно давно и часто они применяются в таких отраслях промышленности, как нефтеперерабатывающая, газовая, химическая и т. п., где предъявляются повышенные требования к надежнос­ ти работы САР. Важное значение для этих отраслей име­ ет также присущее пневморегуляторам свойство полной

способствует развитие номенклатуры средств пневмоав­ томатики, которое происходит в последние годы. Поя­ вился достаточно полный набор пневматических уст­ ройств, позволяющий строить на его базе самые разно­ образные системы автоматического контроля, регулиро­ вания и управления технологическими процессами.

Разработка новых пневматических средств автомати­ ки проводится в нашей стране в рамках единого комп­ лекса научно-исследовательских и опытно-конструктор­ ских работ, направленных на создание пневматической ветви ГСП. В структуре этой ветви ГСП предусматрива­ ются все необходимые группы пневматических приборов автоматического контроля и регулирования, в том числе средства получения контрольной информации (датчики

ипреобразователи), приборы обработки, хранения конт­ рольной информации и выдачи командной информации (различные регулирующие и функциональные устройства

исредства автоматического контроля), устройства ис­ пользования командной информации (исполнительные механизмы), а также пневматические линии связи и не­ обходимые вспомогательные устройства.

278

Основой пневматической ветви ГСП являются две си­ стемы устройств, разработанных и освоенных у нас в по­ следние годы: пневматическая АУС и универсальная си­ стема элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). Первая представляет собой комплекс отдель­ ных блоков, каждый из которых выполняет самостоятель­ ную законченную функцию в общей системе. Вторая яв­ ляется совокупностью отдельных элементов, каждый из которых способен реализовать лишь простейшую (часто даже незаконченную) функцию; из таких элементов на специальных платах набираются блоки системы регули­ рования или управления, выполняющие в ней любые функциональные задачи.

Очевидно, что функциональные возможности УСЭППА значительно шире, чем приборов АУС, однако включение

впневматическую ветвь ГСП приборов как блочного, так

иэлементного построения позволяет использовать в ней преимущества, свойственные обоим типам приборов. По­

этому развитие пневматических средств ГСП идет по пути все более широкого применения элементного способа построения с его большими возможностями и простотой освоения новых функций и одновременно—по пути созда­ ния новых приборов блочного типа (особенно датчиков, обладающих высокой надежностью и простотой приме­ нения).

7-2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

Типовая функциональная схема пневматического авто­ матического регулятора (рис. 7-1) имеет некоторые осо­ бенности.

Рис. 7-1. Функциональная схема пневматического регулятора.

Источником информации о состоянии регулируемой величины в пневморегуляторах обычно служит отдельный прибор — датчик /, преобразующий эту величину в пнев-

279

матический сигнал — давление сжатого воздуха. Датчик состоит из чувствительного элемента / и усилителя 2, ох­ ваченного обратной связью через устройство 3. Сигнал с выхода пневматического датчика поступает на входной элемент сравнения 4 пневматического регулирующего устройства //. У некоторых пневматических регуляторов мощность сигнала элемента 1 и чувствительность элемен­ та сравнения 4 оказываются достаточно высокими для то­ го, чтобы этот сигнал с выхода элемента 1 можно было подавать непосредственно на вход элемента 4; в этих слу­ чаях усилитель 2 и устройство 3 обратной связи датчика отсутствуют, а сам чувствительный элемент 1 конструк­ тивно объединяется с регулирующим устройством.

Элемент сравнения 4 регулирующего устройства. I I че­ рез управляющий элемент 5 воздействует на выходной пневматический усилитель 6. В большинстве пневматиче­ ских регуляторов имеется устройство обратной связи 7, через которое сигнал с выхода регулирующего устройства может воздействовать на его входной элемент сравнения 4. Тот же выходной пневматический сигнал регулирую­ щего устройства / / передается на входной элемент 8 ис­ полнительного механизма ///, и этот сигнал преобразует­ ся в усилие или механическое перемещение. Если эле­ мент 8 не обеспечивает мощности выходного сигнала, необходимой для управления регулирующим органом дан­ ного объекта, то в исполнительном механизме / / / исполь­ зуется дополнительный пневмомеханический усилитель 9 (позиционер) с рычажной обратной связью П по пере­ мещению выходного элемента (штока) 10. Пневматиче­ ские исполнительные механизмы, как правило, представ­ ляют собой статические (пропорциональные) устройства (следящие системы по командному пневматическому сиг­ налу), поэтому в пневматических регуляторах обычно не применяется обратная связь с выхода исполнительного механизма на вход регулирующего устройства.

7-3. О С Н О В Н Ы Е КОНСТРУКТИВНЫЕ Э Л Е М Е Н Т Ы И У З Л Ы

Конструктивное выполнение пневматических регуляторов и их отдельных блоков (датчиков, регулирующих и функ­ циональных устройств, исполнительных механизмов) весьма разнообразно. Однако можно выделить небольшое число основных типов конструктивных элементов, приме­ няемых в пневматических регуляторах. В соответствии с

280

их функциональным назначением эти элементы можно разделить па следующие группы: чувствительные элемен­ ты, управляющие элементы, усилители, элементы связей (механические и пневматические), переключающие (ком­ муникационные) устройства и пневмопроводы.

Рассмотрим типичные схемы, принцип действия и наи­ более важные характеристики основных конструктивных элементов и узлов пневматических регуляторов.

давления сжатого воздуха в пропорциональные измене­ ния усилия или механические перемещения. Несколько иное назначение имеют чувствительные элементы, применямые в пневматических датчиках, на входе пневматиче­ ских автоматических регуляторов: они преобразуют в усилие (или перемещение) изменения регулируемой ве­ личины.

В пневматических регулирующих устройствах наиболь­ шее применение получили следующие чувствительные элементы: мембраны (мембранные пакеты) и сильфоны.

Мембраны пневматических приборов изготавливаются из специального прорезиненного мембранного полотна или листовой резины. По периметру они «защемляются» деталями корпуса, а в своей свободной, активной части обычно имеют жесткий центр. Чаще всего применяются мембраны с кольцевым полукруглым гофром (рис. 7-2,а), реже — плоские (рис. 7-2,6). Основным параметром мем-

281