Класифікація і типові структури промислових автоматичних регуляторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматичні регулятори, класифікація і типові структури промислових автоматичних регуляторів

Класифікація автоматичних регуляторів

автоматичний регулятор температура приладовий

Автоматичні регулятори характеризуються величезною розмаїтістю по призначенню, принципу дії, конструктивним особливостям, виду використовуваної енергії, характеру зміни регулюючого впливу і т.п.

У зв'язку з цим є велика кількість класифікацій автоматичних регуляторів по різних ознаках. Розглянемо найбільше істотні з них із позиції прикладної теорії автоматичного регулювання.

По виду регульованого параметра автоматичні регулятори підрозділяються на регулятори температури, тиски, розрідження, витрати, рівня, складу й утримання речовини та ін. При цьому слід зазначити, що за останні роки створюються регулюючі пристрої універсального типу, призначені для регулювання різних технологічних параметрів. У цих пристроях специфічні особливості має тільки первинний вимірювальний перетворювач, що вимірює значення регульованого параметра і вторинний вимірювальний перетворювач, який перетворює виміряне значення регульованого параметра в еквівалентне значення уніфікованого електричного або пневматичного сигналу.

По конструктивних ознаках автоматичні регулятори підрозділяються на апаратні, приладові, агрегатні і модульні (елементні).

Регулятори апаратного типу конструктивно являють собою єдине ціле зі структурною схемою (див. мал. 2.2). Тому що регулятори апаратного типу часто використовуються як автономні засоби автоматизації, то вони можуть мати вбудовані вимірювальні прилади для контролю за дійсним значенням регульованої величини, комплектуватися первинним вимірювальними перетворювачами, що задають пристроями і т.п.

Регулятори приладового типу працюють тільки в комплекті з вторинним вимірювальним приладом. Приладові регулятори не мають безпосереднього зв'язок із первинним вимірювальним перетворювачем. Сигнал про відхилення регульованого розміру від заданого значення (t) надходить на вхід приладового регулятора від вторинного вимірювального приладу. Для цього вимірювальний прилад має задаючий пристрій, на якому в ручну встановлюється необхідне задане значення регульованої величини. Задане значення g(t) у приладі порівнюється з дійсним значенням x(t) регульованого розміру, що визначається положенням рухливої вимірювальної системи приладу, і різниця (t)= g(t)- x(t) подається на вхід регулятора. У ряді випадків і саморегулюючий пристрій приладового типу розміщається в одному корпусі з вторинним вимірювальним приладом.

Перевагою регуляторів приладового типу є те, що вони не вимагають установки додаткових первинних вимірювальних перетворювачів і прокладки від них до регуляторів лінії зв'язку.

Автоматичні регулятори, побудовані по агрегатному (блоковому) принципі, складаються з окремих уніфікованих блоків, що виконують визначені функції. Вхідні і вихідні сигнали цих блоків уніфіковані. Це дозволяє, як і у випадки агрегатних регуляторів, збирати автоматичні регулятори різного функціонального призначення.

Автоматичні регулятори, побудовані по модульному (елементному) принципі, складаються з окремих модулів (елементів), що виконують найпростіші операції. Вхідні і вихідні модулів уніфіковані. Це дозволяє, як і у випадку агрегатних регуляторів, збирати автоматичні регулятори різного функціонального призначення.

Слід зазначити, що чіткої границі між агрегатними і модульними регуляторами нема, але в загальному випадку найпростіші модулі дозволяють реалізувати більшу кількість регуляторів із різними функціональними особливостями. Слід також мати на увазі, що ряд найпростіших блоків у регуляторах можна розглядати як модулі і, навпаки, ряд модулів по конструктивному виконанню і функціональному призначенню можна вважати блоками.

По енергетичним ознаках автоматичні регулятори підрозділяються на регулятори прямої дії і регулятори непрямої дії.

У регуляторах прямої дії одночасно з вимірюванням регульованої величини від об'єкта регулювання відбирається частина енергії, що використовується для роботи регулятора і впливу на його виконавчий механізм, що переміщає регулюючий орган об'єкта регулювання. Таким чином, до автоматичної системи «об'єкт-регулятор» енергія ззовні не підводиться.

У автоматичних регуляторах непрямої дії для роботи регулятора і впливу на його виконавчий механізм підводиться енергія ззовні. У залежності від виду використовуваної енергії регулятори непрямої дії підрозділяються на електричні (електромеханічні, електронні), пневматичні, гідравлічні і комбіновані (електропневматичні, електрогідравлічні і т.д.).

Вибір регулятора по виду використовуваної енергії визначається характером об'єкта регулювання і особливостями автоматичної системи.

Електричні автоматичні регулятори застосовуються для регулювання невибухонебезпечних об'єктів при великих відстанях пунктів керування від об'єкта регулювання.

Перевагами електричних регуляторів є відносна простота реалізації складних схем автоматичного керування, наявність на об'єктах керування електричної енергії, можливість при необхідності розробки систем регулювання без рухливих частин, велика швидкодія при передачі, переробці і відображенні інформації, виробленню і передачі регулюючих сигналів.

Недоліком електричних регуляторів в окремих випадках є підвищена вартість забезпечення вибухонебезпечності (при роботі у вибухонебезпечних зонах), підвищена небезпека що до можливості ураження експлуатаційного персоналу електричним струмом; складні електричні регулятори (особливо електронні) вимагають високої кваліфікації експлуатаційного і обслуговуючого персоналу, оснащення служб експлуатації дорогими засобами для випробування і наладки регуляторів.

Пневматичні автоматичні регулятори застосовуються у вибухонебезпечних пожежонебезпечних зонах і приміщеннях при невеликих відстанях (до 400 м) від пунктів керування до об'єкта регулювання.

Перевагами пневматичних регуляторів є відносна простота всіх елементів регулятора, простота в обслуговуванні і наладці, вибухо- і пожежобезпечність.

Недоліками пневматичних регуляторів є необхідність у спеціальному джерелі живлення систем пневмоавтоматики стиснутим повітрям, високі вимоги до очищення повітря від пилу, вологи і масла, велика інерційність елементів пневмоавтоматики, ліній зв'язку і обмеженість у зв'язку з цим їхньої довжини.

Гідравлічні регулятори застосовуються у вибухо- і пожежонебезпечних помешканнях, як правило, при безпосередньому розміщенні елементів регулятора в зоні об'єкта регулювання. Гідравлічні регулятори надійні в роботі, їхні виконавчі механізми при невеликих розмірах розвивають великі переставні зусилля. Недоліками гідравлічних регуляторів є необхідність у спеціальному джерелі живлення регулятора робочою рідиною, обмеженість радіуса дії, необхідність повної герметизації всіх елементів регулятора і ліній зв'язку, трудність реалізації складних законів регулювання.

Комбіновані регулятори застосовуються в тих випадках, коли необхідно використовувати окремі переваги електро-, пневмо- або гідрорегуляторів. Наприклад, якщо потрібно розробити автоматичну систему регулювання вибухонебезпечним об'єктом при великому видаленні пункту керування від об'єкта, то можна застосувати електропневматичний принцип регулювання. Первинний вимірювальний перетворювач (датчик), виконавчий механізм і лінії зв'язку в межах вибухонебезпечних зон виконують із використанням енергії стиснутого повітря, а елементи регулятора на пункті керування і лінії зв'язку до об'єкта керування виконують із використанням електричної енергії.

Сполучення ліній електричного зв'язку з пневматичними лініями зв'язку здійснюють на межах вибухонебезпечних зон за допомогою спеціальної перетворюючої пневмоелектричної і електропневматичної апаратури.

Так, пневматичний сигнал від датчика за допомогою пневмоелектроперетворювача перетвориться в еквівалентний електричний сигнал, що передається по електричних лініях зв'язку на електричні елементи регулятора в пункт керування, а електричний сигнал від пункту керування за допомогою електропневмоперетворювача перетвориться на еквівалентний пневматичний сигнал, що по пневматичних лініях зв'язку надходить на пневматичний механізм регулятора. По характеру зміни регулюючого впливу автоматичні регулятори підрозділяються на регулятори з лінійним і нелінійним законами регулювання.

Типові лінійні закони регулювання описані в § 3.4 (Клюєв). Прикладом регуляторів із нелінійним законом регулювання можуть служити позиційні і, зокрема, двох і трьохпозиційні регулятори (див. § 1.4, Клюєв). За останні роки для автоматизації виробничих процесів стали застосовувати багатоканальні, що самонастроюються й оптимальні (екстремальні) регулятори, а також цифрові регулятори, що реалізують режим керування технологічним процесом за допомогою мікро ЕОМ.

Регулятор прямої дії

За наявністю додаткових джерел живлення регулятори поділяються на регулятори прямої і непрямої дії.

Рис

Регулятори прямої дії немають ніякого додатковогоживлення для своєї роботи, їх виконавчий механізм працює за рахунок енергії первинного вимірювального перетворювача.

Приклад регулятора прямої дії показаний на рис. 6.6,а. Об'єкт - бак А, доякого подається газ під тиском. Якщо Qв < Qп, тиск у баці зростає, мембрана вимірювального перетворювача 2 прогинається й зменшує подачу газу через клапан 1. Функціональна схема для цієї системи - на рис 6.6, б:

4.1 - первинний вимірювальний перетворювач тиску, який виступає як функція виконавчого механізму (РС);

4.2 - регулюючий орган (клапан).

У цьому разі виконавчий механізм окремо не зображується.

У регуляторах непрямої дії використовується додаткове живлення для роботи тих чи інших елементів.

Приклад регулятора непрямої дії наведено на рис. 6.7,а: при Qв < Qп тиск у баці В зростає, мембрана вимірювального перетворювача 4 прогинається ліворуч, заслінка частково прикриває сопло вторинного перетворювача 3, зростає тиск у верхній частині виконавчого механізму 2, зменшується подача Qп газу через клапан 1.

Відповідна функціональна схема -- на рис. 6.7, б:

5.1 - первинний вимірювальний перетворювач (РЕ);

5.2 - регулятор тиску (РС);

5.3 - виконавчий механізм;

5.4 - клапан.

За алгоритмом функціонування системи автоматичного регулювання поділяються на три види: стабілізуючі, програмні, слідкуючі.

У стабілізуючих системах регулятор підтримує контрольовану величину на постійному рівні, який задається уставкою Наприклад (рис 6.8, а): у камері К нагрівання здійснюється за допомогою електронагрівача ЕК. Первинним вимірювальним перетворювачем є термопара, електрорушійна сила е_t якої порівнюється з напругою U, що знімається з подільника R і відіграє роль уставки . Подільник R живиться від джерела стабільної напруги Uст.Оскільки е_t і U ввімкнуті назустріч одне одному, при е_t=Uїх сума дорівнює нулю. Якщо температура в камері К вище заданої, то е_t U, величина е_t - U перетворюється на змінний струм (1-перетворювач постійного струму у змінний), підсилюється (2 - підсилювач) і вмикає сервоелектродвигун 3, який переміщує

Рис. 6.8

Рис. 6.10

повзун автотрансформатора 4 униз, зменшуючи напругу живлення нагрівача. У результаті температура у камері К. не перевищує заданої межі. Якщо температура в камері нижче заданої, сервоелектродвигун перемістить повзун автотрансформатора вгору, збільшуючи температуру.

Функціональна схема - на рис. 6.8, б:

6.1 - первинний вимірювальний перетворювач температури (ТЕ);

6.2 - регулятор температури (ТС);

6.3 - виконавчий механізм, який після припинення подачі розпорядчого сигналу залишає регулюючий орган у незмінному стані;

6.4 - регулювальний орган (автотрансформатор).

У слідкуючій системі автоматичного регулювання вихідний сигнал повинен відтворювати вхідну керуючу дію, яка змінюється за довільним законом. Повзун С реостата R₁ (рис. 6.10, а) переміщується залежно від змін рівня води в резервуарі. Якщо потенціал точки D відрізняється від потенціалу точки С, різниця потенціалів Uc-Ud перетворюється на змінний струм, підсилюється й вмикає конденсаторний сервоелектродвигун, який переміщує повзун D доти, поки Uc не зрівняється з Ud . Таким чином, повзун D слідкує за положенням повзуна С і повторює усі його переміщення. А в цілому ця система може бути використана для дистанційного вимірювання рівня води в резервуарі; функціональна схема - на рис. 6.10, б.

Слідкуюче регулювання здійснюється також у схемах автоматичних мостів і потенціометрів (див. рис. 2 9, 2 10, 2.32, 233, 4.21...4.26, 4.28).

Регулятори приладового типу

Розглянемо регулятори приладового типу. Найбільше широко регулятори даного типу будуються на базі автоматичних приладів слідкуючого зрівноважування, до яких відносяться автоматичні потенціометри й урівноважені мости. У вторинних приладах типу КП, КМ, КС використовується принцип слідкуючого зрівноважування вхідного сигналу, сигналом зворотного перетворювача реостатного типу. У приладах здійснений механічний зв'язок реверсивного двигуна, що переміщає реохорд, із стрілкою приладу, із записуючим пристроєм, і з додатковими пристроями (сигналізації, позиційного регулювання, реостатного пристрою, пристрої з уніфікованими вихідними сигналами ДСП).

У приладі ДИСК-250 застосовані мікросхеми, що дозволило створити більш раціональну конструкцію приладу. Функціональна схема одноканального приладу ДИСК-250 побудована в такий спосіб (мал. 2.10), що вхідної сигнал спочатку нормалізується. Потім підсилюється і після цього здійснюється зрівноважування, що стежить. Конструкція приладу уніфікована для будь-яких видів первинних перетворювачів. Вихідні пристрої, оскільки в них використовується мікроелектроніка, займають мало місця і перетворять посилений вхідної сигнал у вихідні сигнали.

Для дистанційної передачі показів прилади оснащуються реостатним вихідним пристроєм, движок якого зв'язаний із повзунком вимірювального реохорда. Вторинні прилади, призначені для роботи з П-, ПІ-, ПІД-регуляторами, випускаються з реостатними задатчиками із 10- і 100%-ною зоною пропорційності. Повзунок 10%-ного задатчика через диференціальний підоймовий механізм зв'язаний із стрілкою приладу так, що при відповідності значення регульованого параметра значенню завдання він розташовується посередині намотки задатчика. Відхилення параметра від завдання викликає пропорційна зміна положення повзунка щодо обмотки тільки в діапазоні ±10% шкали приладу. Повзунок 100%-ного реостатного задатчика встановлений на центральній осі приладу. Кожному значенню що вимірюється розміру відповідає визначене положення контакту повзунка датчика на намотці, а значить і визначений рівень електричного сигналу.

Регулятори приладового типу. Найбільше широко регулятори даного типу будуються на базі автоматичних приладів слідкуючого зрівноважування, до яких відносяться автоматичні потенціометри і зрівноважені мости. У вторинних приладах типу КП, КМ, КС використовується принцип слідкуючого зрівноважування вхідного сигналу, сигналом зворотного перетворювача реостатного типу. У приладах здійснений механічний зв'язок реверсивного двигуна, що переміщає реохорд, із стрілкою приладу, із записуючим пристроєм, і з додатковими пристроями (сигналізації, позиційного регулювання, реостатного пристрою, пристрої з уніфікованими вихідними сигналами ДСП).

Для дистанційної передачі показів прилади оснащуються реостатним вихідним пристроєм, який зв'язаний із повзунком вимірювального реохорда. Вторинні прилади, призначені для роботи з П-, ПІ-, ПІД-регуляторами, випускаються з реостатними задатчиками із 10- і 100%-ною зоною пропорційності. Повзунок 10%-ного задатчика через диференціальний підоймовий механізм зв'язаний із стрілкою приладу так, що при відповідності значення регульованого параметра значенню завдання він розташовується посередині котушки задатчика. Відхилення параметра від завдання викликає пропорційна зміна положення повзунка, щодо обмотки тільки в діапазоні ±10% шкали приладу. Повзунок 100%-ного реостатного задатчика встановлений на центральній осі приладу. Кожному значенню вимірювальної величини відповідає визначене положення контакту повзунка датчика на котушці, а значить і визначений рівень електричного сигналу.

Електричні регулятори апаратного типу, застосовувані в хімічній промисловості, будуються по агрегатному принципі й в основному входять у наступні комплекси регулюючих і функціональних блоків: «Каскад», «Каскад-2», «Контур», «Контур-2».

Комплекс регулюючих і функціональних блоків «Каскад» і «Каскад-2». Комплекс «Каскад» складається з груп вимірювальних (И), алгебраїчних (А), логічних (Л), нелінійних (Н) і регулюючих (Р) блоків, динамічних (Д) перетворювачів, задаючих (3), підсилювальних (У), і допоміжних (В) пристроїв. У комплекс входять також блоки керування БУ21 і БУ12, пускові і підсилювальні пристрої ПМРТ-69-1, ПМРТ-69-2, У21, У22, блок покажчиків В12 і виконавчі механізми МЭОБ-21 і МЭОК-12. Блоки мають уніфіковану конструкцію, що складається зі зварного корпуса з рамою і висувного шасі з передньою панеллю. Корпус вставляється у виріз щита таким чином, що його обрамлення розміщається з зовнішньої сторони, а рама з направляючою - із внутрішньої сторони.

На сучасній мікроелектронній базі створений комплекс регулюючих і функціональних блоків “Каскад-2”, що є продовженням комплексу “Каскад”. Комплекс забезпечує керування технологічними процесами з використанням електричних виконавчих однооборотних механізмів МЭО. Блоки комплексу мають уніфіковану конструкцію і призначені для втопленого щитового монтажу.

Основу комплексу «Каскад-2» складають регулюючі аналогові блоки з неперервним вихідним сигналом Р17 і з імпульсним вихідним сигналом Р27 і Р28.

Регулюючий блок Р17 і його модифікації Р17.1, Р17.2 і Р17.3 забезпечують формування вихідного неперервного електричного сигналу відповідно до одного із наступних законів регулювання: П, ПД, ПІ, ПІД. Всі блоки виконують наступні функції:

- введення інформації про відхилення значення регульованої величини від заданого,

- ручне керування і переключення з режиму ручного керування на режим автоматичного керування,

- обмеження вихідного сигналу по мінімуму і по максимуму,

- масштабування вхідних сигналів,

- демпфування сигналу відхилення,

- гальванічний поділ вхідних кіл один від одного і від вихідних ланцюгів.

Вихідні сигнали: 0...5, 0...20, 4...20 ма і 0..10 В постійного струму.

Регулюючий блок Р27 і його модифікації Р27.1, Р27.2, Р27.3 забезпечують формування вихідного імпульсного електричного сигналу відповідно до П-, ПІ-, ПІД-законів регулювання, а також двох- і трохпозиційне регулювання, введення інформації про задане значення регульованої величини, формування і підсилення сигналу відхилення регульованої величини від заданого значення, масштабування вхідних сигналів, демпфування сигналу відхилення, гальванічний поділ вхідних і вихідних ланцюгів, індикацію вихідного сигналу, введення заборони на керування навантаженням.

Регулятор Р28 виконує ті ж функції, що і регулятор Р27, крім того, він забезпечує аналогове, дискретне або аналого-дискретне триступінчасте автопідстроювання коефіцієнта передачі і постійної часу інтегрування. Вихідні сигнали блоків типу Р27 і Р28 - постійний пульсуючий струм (24 В) або зміна стану вихідних перемикачів, що забезпечують сигнал +10 або -10 В постійного струму.

Регулюючі прилади Р25. У промисловості найбільше широко поширені регулюючі прилади Р25. Ці прилади виконують наступні функції:

-сумування неуніфікованих сигналів, які поступають від вимірювальних перетворювачів, а також коригувальних сигналів постійного струму або напруги, введення інформації про задане значення, формування і підсилення сигналу розузгодження;

-формування на виході електричних імпульсів постійного або змінного струму для керування виконавчим механізмом із постійною швидкістю переміщення,

-формування разом із виконавчим механізмом постійної швидкості пропорційно-інтегрального закону регулювання,

-формування разом із диференціатором і виконавчим механізмом постійної швидкості пропорційно-інтегрально-диференціального закону регулювання;

-демфування сигналів розузгодження;

- ручне керування виконавчим механізмом;

-індикація положення виконавчого механізму; індикація відхилення параметра (розузгодження).

Регулятори Р25 мають три модифікації, що залежать від виду вхідного сигналу, виду і числа підключених вимірювальних перетворювачів, а також чотири модифікації, що залежать від наявності вмонтованих індикаторів Конструктивно прилад складається зі зварного металевого корпуса із передньою панеллю. В корпуcі розміщені два субблоки: вимірювальний і регулюючий. На рис. 1 показана передня панель регулятора Р25. Торцеві панелі вимірювального а і регулюючого б субблоків займають основну частину передньої панелі. Крім того, на передній панелі розташовані загальні оперативні органи керування і контролю регулятора: задатчик 1, індикатор положення робочого органа виконавчого механізму 2, перемикач керування А - Р (автоматичне, ручне) 21 перемикач Р (/ - більше // - менше) 22.

Інші органи настроювання і контролю розміщені на торцевих панелях субблоків. На регулюючому субблоці Р011 знаходяться: два світлодіоди, що показують напрямок дії регулюючого приладу (///-більше, /V менше) 9, 11, пepeмикач режиму роботи приладу (ПИ пропорційно-інтегральний - трьохпозиційний) 13; потенціометр «Зона» для зміни зони нечутливості приладу 10; потенціометр «Імпульс» для зміни тривалості вмиканні в пульсуючому режимі 12; потенціометр Кп-63 для зміни коефіцієнта пропорційності приладу для Т_им-6З із 14; потенціометр і перемикач Т_и для зміни величини постійної часу інтегрування плавно і дискретно 15, 16; потенціометр «Демпфер» для зміни постійної часу демфування 19; гніздо для контролю сигналу відхилення 17; гніздо ОС для контролю сигналу зворотного зв'язку 18; гніздо ОТ (загальна точка субблока) 20; На вимірювальному субблоці Р012 знаходяться три потенціометра К1, К2 і КЗ для зміни масштабного коефіцієнта передачі по кожному з трьох каналів 3, 4 і 5. У приладі Р25.2 використовуються тільки потенціометри К2 і КЗ Потенціометр «Коректор» (внутрішній широкодіапазонний задатчик) 6 дозволяє збалансувати субблок при будь-якому заданому значенні сигналу (регулюючого параметра). Покажчик 7 «Отклонение» індукує відхилення параметра від заданого значення (тільки для приладів виконання 2 і 3) Потенціометр ИП8 служить для підстроювання верхньої межі шкали індикатора положення виконавчого механізму (регулюючого органа). В залежності від модифікації регулятори мають наступні субблоки Р25.1 - субблоки P01I і Р012; Р25.2 -субблоки P011 і Р012; Р25.3 - субблоки P011 і Р013. В першій модифікації використовується вхідний сигнал у виді змінного струму частотою 50 Гц і напругою від 0 до 0,5 В; у другій - у виді зміни активного опору термоперетворювача опору на 46 Ом, у третій у виді зміни термо е. р. с. термоелектричного перетворювача від 0 до 50 м.

Рис. 1. Передня панель регулятора Р25

Література

1. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. - М.: “Высшая школа” 1986.

2. Гинзбург С.А. и др. Основы автоматики и телемеханики. - М.: Энергия, 1968.

3. Головко Д.Б., Рего К.Г., Скрипник Ю.О. Автоматика і автоматизація технологічних процесів. - Київ: Либідь, 1997.

4. Горинштейн Л.Л. Основы автоматики и автоматизации производственных процесов. - М.: «Высшая школа», 1968.

Размещено на Allbest.ru