Бабин А. - Автоматизация технологических процессов
Уральский государственный лесотехнический университет Учебное пособие составлено в соответствии с образовательным стандартом 656300 Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств Рассмотрены принципы действия основных элементов пневмоавтоматики и гидроавтоматики, а также различных устройств, построенных на этих элементах Приведены расчеты переходных процессов в пневматических линиях и устройствах Отдельно рассмотрены преобразователи гидравлических, пневматических и электрических сигналов, а также схемные решения исполнительных механизмов Предназначено для студентов специальностей 2601 Лесоинженерное дело и 2602 Технология деревообработкиы при изучении курса Автоматика и автоматизация производственных процессов
Введение
При решении задач проектирования и создания устройств для автоматического управления технологическими процессами наряду с электронными приборами широко применяются пневмогидроавтоматические элементы и устройства.
Пневматика является основным средством автоматизации в таких отраслях промышленности, как: целлюлозно-бумажная, химическая, деревообрабатывающая, текстильная и других. Это обусловлено следующими достоинствами пневмогидроаппаратуры:
а) пожаро- и взрывобезопасность;
б) высокая надежность;
в) нечувствительность к перегрузкам;
г) возможность работы при высоких температурах;
д) наличие быстродействующих и надежных исполнительных устройств;
е) неподверженность радиационным воздействиям;
ж) низкая стоимость;
з) простота в обслуживании и эксплуатации.
К недостаткам пневмогидроаппаратуры следует отнести:
а) невысокое быстродействие;
б) ограниченная дальность передачи сигналов;
в) повышенные требования, предъявляемые к рабочему воздуху для передачи сигнала.
Невысокое быстродействие обусловлено физической сущностью явлений, происходящих в пневмоэлементах и пневмолиниях, и объясняется тем, что скорость распространения пневматических сигналов соответствует скорости звука, в то время как скорость распространения электрических сигналов скорости света. Однако этот недостаток не сказывается существенным образом на качестве управления технологическим процессом в случае, когда инерционность объекта управления значительно больше, чем у пневматических элементов и устройств, составляющих систему управления.
Второй недостаток пневмоаппаратуры вызван тем, что с увеличением расстояния передачи пневмосигнала возрастают потери в линиях. Сигналы в пневмолиниях обычно передаются на расстояние не более 300 метров.
Третий недостаток обусловлен жесткими требованиями, предъявляемыми к подаваемому в пневмоаппаратуру воздуху. Воздух:
а) не должен содержать машинное масло, которое, попадая в воздух в компрессорах, вызывает изменение эластичных рабочих органов пневмоэлементов;
б) должен иметь пониженную влажность, поскольку, попадая в рабочие органы, воздух расширяется, снижая свою температуру, и из него может выделиться влага, изменяющая рабочие характеристики пневмоэлементов;
в) не должен содержать механические включения, например, в виде пыли, вызывающие порчу и засорение пневмоэлементов.
В своем развитии пневмоавтоматика прошла несколько этапов.
На раннем этапе пневматические устройства использовались в основном в качестве поршневых и мембранных исполнительных механизмов.
Следующим этапом развития пневмоавтоматики было создание универсальных крупногабаритных приборов. В этих приборах в одном корпусе совмещены измерительная система и показывающее, регистрирующее, задающее и регулирующее устройства.
Недостатком приборов такого типа являлись их узкие функциональные возможности.
В конце 40-х годов был предложен новый агрегатный принцип построения систем пневмоавтоматики.
В соответствии с этим принципом системы состоят из стандартных блоков, каждый из которых выполняет функцию какого-либо устройства, входящего в контур регулирования, например, задатчик, регулятор, суммирующее устройство и т. д. Такая система устройств называлась АУС (агрегатная унифицированная система).
В конце 50-х годов было предложено для построения приборов и систем пневмоавтоматики, как и в электронике, применять элементный принцип. При этом любой пневматический прибор создается не в виде новой конструкции, а собирается из ограниченного числа стандартных элементов.
С этой целью была разработана универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА).
Элементы этой системы унифицированы: один и тот же элемент может использоваться в одной схеме или в схемах самых различных устройств.
Набор элементов УСЭППА является функционально полным, т. е. на базе этих элементов можно создать любое устройство непрерывного или дискретного действия.
В состав УСЭППА входят: пневмосопротивления, пневмоемкости, усилители, повторители, пневмореле, органы управления (задатчики, кнопки, тумблеры), дискретные преобразователи, исполнительные устройства.
На базе элементов УСЭППА разработана система промышленных приборов Старт, включающая в себя функциональные устройства, регуляторы, преобразователи и т. д.
Элементы пневмоавтоматики
1.1. Пневматические сопротивления
Пневмосопротивления (дроссели) предназначены для создания сопротивления течению воздуха (дросселирования потока). Назначение их в системах пневмоавтоматики то же, что и у электрических сопротивлений в электрических схемах.
По характеру течения газов пневмосопротивления делятся на турбулентные и ламинарные.
По виду расходной характеристики различают линейные и нелинейные пневмосопротивления.
По функциональному назначению их подразделяют на постоянные, переменные и управляемые.
Турбулентные сопротивления представляют собой канал цилиндрической формы с малым отношением длины к диаметру. Эффект дросселирования вызывается местными сопротивлениями на входе и потерей энергии на выходе. Процесс течения газа адиабатический.
Сопротивления могут работать в докритическом и надкритическом режиме истечения газа.
Конструкция турбулентных сопротивлений показана на
Рис. 1. Турбулентные сопротивления: а, б постоянные, в переменное
Расходная характеристика описывается выражением (1)
где р коэффициент расхода;
F площадь отверстия;
Рі, Р2 давление, соответственно до и после дросселя.
Это выражение трудно использовать для расчетов, но его можно упростить
(2)
При небольших перепадах давления считаем величину р постоянной (т. е. рі = рг).
Тогда р ¦ F ¦ у]2р - а постоянный коэффициент.
Уравнение расходной характеристики турбулентного сопротивления имеет вид
3
Характеристики нелинейны и представляют собой семейство парабол с различными коэффициентами а (рис. 2).
Перепад давления на дросселе АР = Р, - Р2
Рис. 2. Расходные характеристики турбулентных сопротивлений
Ламинарные сопротивления изготавливаются в виде капилляров, т. е. трубок малого сечения с большим отношением длины к диаметру. Потери давления обусловлены наличием трения в канале.
Ламинарные сопротивления работают в до-критическом режиме истечения. Конструкция ламинарных сопротивлений показана на рис. 3.
Рис. 3. Ламинарные сопротивления: а, б постоянные, в переменное
Расход газа описывается уравнением (4).
x-d*
256-nd l-R-?
{Р.-Рг)-
(4)
Из этого уравнения видно, что расход не является линейной функцией перепада давлений. Преобразуем эту формулу:
x-d'-ft-Pj Р1 + Р2_ ж-d* {р
128 Hj R-? I 2 128 ¦ рл1
(5)
G.
. л - Pt+P2 - ^
Где Р 2R9 R-?
средняя плотность газа в пневмо
сопротивлении.
При малых перепадах давления:
(6)
а = const.
Тогда: GB = а - (Р, - Р2). (7)
И это выражение является линейным.
Обозначая Р\-Рг = АР, запишем
АР
г- (8)
Сравним с записью закона Ома для электрической цепи:
U = Rc-I. (9)
Сравним выражения (8) и (9). Налицо аналогия.
Исходя из аналогии, выбрано и название для коэффициента а проводимость пневмосопротивления. Если в электрических цепях проводимость резистора определяется длиной и диаметром проводника, то в пневмосопротивлениях проводимость определяется длиной и диаметром капилляра.
Пневматические емкости
Пневматические емкости предназначены для накапливания определенного количества сжатого воздуха. В сочетании с пневмосопротивлениями применяют для создания устройств, реализующих временные операции (интегрирование, дифференцирование и т. д.).
Рассмотрим уравнение, связывающее изменение массы газа в сосуде с изменением его объема от ?о до V, при изменении давления в нем от Ро до Л при постоянной температуре:
т = р-?±гЪ-у* (Ю)
R ? ’
где ? абсолютная температура.
По аналогии с электрической емкостью величину т будем считать пневматическим зарядом.
Тогда заряд ш, накапливаемый в сосуде постоянного объема V, при изменении давления в нем от Ро (атмосферное давление) до Рі равен
т = У (Л - Л,) = ?_-?х (11)
_ R ? R ? ’
где Р, избыточное давление в сосуде.
Таким образом, пневматический заряд т, накапливаемый в сосуде постоянного объема, пропорционален избыточному давлению воздуха в нем.
Уравнение (11) при постоянной температуре можно записать в виде _
т -СР,
где С =- коэффициент, характеризующий аккумули-
R ¦ ?
рующую способность емкости.
Условные обозначения пневмоемкости постоянного (а) и переменного (б) объема показаны на рис. 4.
Рис. 4. Пневмоемкости:
а постоянного объема; б переменного объема
Пневматические усилители
При создании любой функционально полной системы элементов (электронной, гидравлической, пневматической) необходимо иметь элемент, осуществляющий усиление сигналов.
Принцип, положенный в основу создания таких устройств из элементов пневмоавтоматики, состоит в изменении сопротивления усилителя при помощи сигналов, меньших по давлению и мощности по сравнению с выходными сигналами. Наибольшее распространение получили усилители с преобразователями типа сопло-заслонка.
Этот принцип используется и в усилителях УСЭППА.
Рассмотрим работу преобразователя типа соплозаслонка (рис. 5). Он осуществляет преобразование механического перемещения в пневматический сигнал.
Преобразователь состоит из дросселя постоянной проводимости А, дросселя переменной проводимости А, состоящего из сопла 1, заслонки 2 и пневмоемкости 3, включенной между дросселями.
\2
Ш/. d, d,'i т ~т / і і а
Рис. 5. Усилитель-преобразователь типа сопло-заслонка
Работа преобразователя происходит следующим образом. К постоянному сопротивлению А подведено давление питания Ро.
При изменении расстояния h между соплом 1 и заслонкой 2 изменяется давление воздуха Рі в пневмоемкости 3. При уменьшении h давление Рі возрастает, при увеличении падает. Перемещение заслонки h является входным сигналом преобразователя, давление в пневмоемкости Рі выходным.
Статическая характеристика преобразователя представляет собой зависимость изменения давления в пневмоемкости РІ от перемещения заслонки h. Эту зависимость можно построить по расходным характеристикам постоянного и управляемого пневмосопротивления. В практических расчетах сопротивление преобразователя сопло-заслонка принимают турбулентным.
Это подтверждается совпадением статической характеристики преобразователя, полученной расчетным п^тем, для турбулентных сопротивлений и снятой экспериментально.
При различных положениях заслонки относительно сопла и различных давлениях питания, возможны четыре сочетания режимов истечения воздуха через постоянное и переменное сопротивления. Наибольшее распространение в промышленной пневмоавтоматике получил режим докритического истечения воздуха через постоянное и переменное сопротивления.
В этом случае расход воздуха в статике через постоянное сопротивление(12)
Gg 2| F}
w - K d\
где Г\ - - площадь проходного сечения постоянного
сопротивления.
Расход через переменное сопротивление
где Fi = ж dr h площадь поперечного сечения переменного сопротивления.
(14)
Считая, что температура воздуха постоянна (?й = ?\), принимая коэффициенты расхода йі ий2 постоянными и равными и учитывая равенство расходов Gb\ = Овг, из (12) и (13) получим
Так как при работе пневмопреобразователя d\, d2, Ро, Рь величины постоянные, то, задаваясь значениями Р\, получим соответствующие h. Статическая характеристика преобразователя типа сопло-заслонка P\-f(h) представлена кривой на рис. 6.
Р, х ІО5, Па
А
1 односоплового преобразователя,
2 предпочтительный вид характеристики;
3 двухсоплового преобразователя
В начальном участке статическая характеристика имеет малый наклон к оси абсцисс, далее угол увеличивается, Затем опять уменьшается. Так как характеристика нелинейна, то используют только ее средний участок. При работе на начальном участке (при малых h) преобразователь чувствителен к перекосам заслонки и вибрациям, что снижает его точность.
При работе на конечном участке характеристики чувствительность мала.
Для повышения точности и чувствительности преобразователя необходимо расширить и поднять в область высоких давлений начальный участок характеристики и увеличить крутизну и линейность рабочего участка. Это дает возможность располагать заслонку дальше от сопла, что делает устройство нечувствительным к перекосам заслонки, вибрациям и увеличивает диапазон изменения выходного давления Рі на рабочем участке.
Желательный вид статической характеристики преобразователя показан на рис. 6, кривой 2.
Формирование статической характеристики осуществляется созданием перепада давления на одном из сопротивлений или на обоих сразу.
Одним из способов создания статической характеристики, удовлетворяющей перечисленным требованиям, является использование двухсопловой системы преобразователя (рис. 7).
Рис. 7. Двухсопловый усилитель-преобразователь:
?„ D2 дроссели переменного сопротивления, 3 заслонка
При перемещении заслонки 3 одно из управляемых сопротивлений увеличивается, другое уменьшается.
Расходы воздуха через сопла управляемых сопротивлений Учитывая, что сс\ = аг, d\ = di, в статике Gb\ = Gbi, а полный ход заслонки определяется как сумма расстояний заслонки от сопл, т. е. ho = hi + /ц, получим
По этому выражению можно построить статическую характеристику преобразователя (см. рис. 6. кривая 3).
Двухсопловый преобразователь имеет большую крутизну статической характеристики, чем простой, и при h = ho выходное давление преобразователя равно нулю.
Пневматические повторители
Во многих схемах пневмоавтоматики необходимо осуществлять пневматическое разделение одного элемента от другого для того, чтобы исключить влияние последующего элемента на режим работы предыдущего. Рассматривая работу отдельных элементов, мы предполагаем, что расход воздуха на выходе элемента равен нулю. Появление утечек воздуха на выходе элемента, вызванное потреблением последующего элемента, приводит к существенным искажениям характеристик устройств.
С аналогичной ситуацией мы сталкиваемся в электронной технике, когда хотим исключить влияние нагрузки на работу каскада. В электронике для этой цели между каскадами включают повторитель (катодный, эмиттерный), имеющий коэффициент усиления, по напряжению равный единице и осуществляющий разделение каскадов по току.
Аналогичный элемент имеется и в пневмоавтоматике. Это пневматический повторитель.
Он осуществляет пневматическое разделение каскадов и имеет коэффициент усиления, по давлению равный единице.
Промышленность выпускает три модификации преобразователя: маломощный точный повторитель, маломощный точный повторитель со сдвигом, усилитель мощности. На рис.
8. представлена схема маломощного точного повторителя.
Рис. 8. Маломощный точный повторитель П2П.1
Рис. 9. Статическая характеристика маломощного точного повторителя
Нагрузкой предыдущего каскада, на выходе которого включен повторитель, является глухая камера А повторителя. Последующий каскад подключен к камере Б. Благодаря этому мембрана повторителя, осуществляет пневматическое разделение каскадов.
Так как объем камеры мал, то потребление воздуха не окажет влияния на работу предыдущего каскада.
Сочетание дросселя а, камеры Б и дросселя соплозаслонка представляет собой преобразователь типа соплозаслонка, рассмотренный ранее. При подаче давления Рвх в камеру А на мембрану действует усилие Q\ = PBX FM (Fu эффективная площадь мембраны), перемещающее ее вниз. При этом уменьшается расстояние h между соплом и заслонкой в камере Б. В соответствии со статической характеристикой
преобразователя (рис. 6) возрастает давление Р в камере Б. При этом растет усилие обратной связи Qi - P FM, перемещающее мембрану вверх.
Система придет в равновесие при Q\ - Qi, т. е. когда давление на выходе повторителя Р станет равным входному давлению Р,х. Это говорит о том, что выходной сигнал повторителя равен входному, т. е. его коэффициент усиления равен единице.
Статическая характеристика преобразователя представлена на рис. 9. Ее уравнение Р = Ptx.
Относительная статическая погрешность повторителя ±0,25%.
В силу того, что преобразователь типа сопло-заслонка, входящий в состав повторителя, является инерционным элементом, с повышением частоты входного сигнала возрастают амплитудные (уменьшение коэффициента усиления) и фазовые (отставание по фазе выходного сигнала) погрешности. При подаче на вход преобразователя ступенчатого сигнала эти погрешности скажутся на уменьшении крутизны переднего фронта выходного сигнала.
На рис. 10 показаны экспериментально снятые частотные характеристики повторителя, а на рис.
11 переходная функция идеального (1) и реального (2) повторителя.
Рис. 10. Частотные характеристики повторителя: А амплитудная; В фазовая
Рис. 11. Переходные функции повторителя:
1 идиальная; 2 реальная
Принимая допустимую фазовую погрешность Лрдоп = 7, определим граничную частоту входного сигнала сі)ср 12 рад/с. Граничная частота для повторителя с нагрузкой (емкостью 50см3) 3 рад/с, без нагрузки 20 рад/с.
Схема повторителя со сдвигом приведена на рис. 12.
Этот повторитель осуществляет сдвиг сигнала (увеличение или уменьшение) на некоторую постоянную и настраиваемую величину давления. Повторитель со сдвигом выполняет операцию Рвых = Рвх±АР. Величина АР может составлять ±0,15-105 Па. Точность и граничная рабочая частота те же, что и у повторителя без сдвига.
Статические характеристики повторителя со сдвигом приведены на рис. 13.
Сдвиг устанавливают, меняя напряжение пружин.
Рис. 12. Повторитель со сдвигом
Рис. 13. Статические характеристики повторителя со сдвигом
В оконечных каскадах пневматических устройств, подключаемых к большим расходным нагрузкам или к длинным линиям, применяют усилитель мощности. Этот элемент усиливает сигнал по расходу, не изменяя при этом давления.
Усиление по расходу обеспечивается применением в качестве управляемых сопротивлений клапанов с большим проходным сечением.
Статическая характеристика усилителя мощности такая же, как и у повторителя без сдвига (рис. 9).
Пропорциональный регулятор
Пропорциональный регулятор непрерывного действия (П-регулятор) предназначен для получения непрерывного управляющего воздействия, подаваемого на исполнительное устройство с целью поддержания на заданном уровне регулируемого параметра технологического процесса, формирование управляющего воздействия осуществляется в соответствии с выражением
и = КрЛХ, (16)
где U управляющее воздействие;
АХ рассогласование на выходе регулятора;
А'р коэффициент пропорциональности регулятора.
АХ=Х, - Ym , (17)
где X, заданное значение регулируемого параметра (задание);
Ym текущее значение регулируемого параметра.
Из выражения (16) видно, что управляющее воздействие пропорционально (с коэффициентом Кр) отклонению регулируемого параметра от заданного значения. Отсюда и название закона регулирования и регулятора, реализующего его, пропорциональный.
Из уравнения (17) видно, что при равенстве текущего значения регулируемого параметра заданному (Ym = X,; АХ - 0), управляющее воздействие равно нулю (рис. 14).
Чтобы избежать этого, вводят в закон регулирования сигнал Uo, обеспечивающий базовую степень открытия регулирующего органа, что соответствует номинальному (заданному) значению регулируемого параметра.
U = KP-AX+U0. (18)
В соответствии с уравнением (18) регулирование ведется в отклонениях от базового режима. При АХ = 0; U = Uo, что обеспечивает Ym = Х3.
Регулятор
Рис. 14. Структурная схема системы регулирования технологического параметра
Уравнение (18) используется при разработке конструкции регулятора. При синтезе автоматической системы регулирования (АСР) работа системы рассматривается в отклонениях от базового режима. В этом случае используют уравнение регулятора в виде (16).
Параметром настройки регулятора является его коэффициент усиления Кр. В паспорте регулятора часто приводят величину о, обратную коэффициенту усиления, выраженную в процентах.
Этот параметр настройки называется статизмом или диапазоном дросселирования.
О = 100 %,
к р (19) Кр = 1-100 %. (20)
Числовое значение статизма определяется в виде интервала измерения регулируемой величины (выраженной в процентах), вызывающего изменение выходного сигнала П-регулятора от одного крайнего значения до другого или перемещение исполнительного механизма из одного крайнего положения в другое.
В пневматических регуляторах, построенных на базе элементов У СЭППА (например, регуляторы системы Старт)
используются стандартные пневматические сигналы, меняющиеся в диапазоне 0,2 -г- 105 Н/м2(0,2 ч- 1 кгс/см2).
Для использования этих регуляторов в системах регулирования или управления необходимо преобразовать регулируемый параметр в форму стандартного пневматического сигнала.
П-закон регулирования, записанный в виде (18), реализуется пневматическим регулятором в виде
Р=Кр(Р,-Р2) + Рз, (21)
где Р выходной сигнал регулятора;
АР = Pi - Р2 отклонение регулируемого параметра от заданного значения;
Рі входной сигнал регулятора, пропорциональный заданному значению регулируемой величины (задание);
Р2 входной сигнал регулятора, пропорциональный текущему значению регулируемой величины;
