Системы управления исполнительными механизмами
..pdfСиловая передача и силовой редуктор, как уже отмечалось, имеют, как правило, большое передаточное отношение, благодаря чему силовая передача обладает свойством самоторможения и любые моменты или усилия, прикладываемые со стороны выходного вала, не приводят к вращению валов механизма. Выходной вал исполнительного механизма, таким образом, сохраняет свое положение при отсутствии сигналов управления и обесточенном электродвигателе.
Очевидно, что в этом случае исполнительный механизм представляет собой разновидность интегратора, который суммирует
исохраняет управляющие воздействия. Для контроля положения выходного вала механизмы оснащаются блоками сигнализации 4, которые могут содержать датчики положения 5 и концевые микровыключатели 6, которые также кинематически связаны с главной силовой передачей механизма, благодаря чему обеспечивается достоверная информация о положении выходного вала механизма
иего промежуточных положениях. Для перемещения выходного вала механизма без подачи напряжения на электродвигатель, что бывает необходимо при монтаже, пусконаладочных работах и при парировании аварийных ситуаций, электроприводы оснащаются ручными дублерами 11, которые могут быть либо постоянно подключенными к главной передаче механизма, либо подключаться через соответствующие механизмы блокирования/деблокирования ручного привода.
Наиболее часто в отечественной практике применяются ЭИМ постоянной скорости следующих производителей:
–ОАО «ЗЭиМ», г. Чебоксары;
–ЗАО «Тулаэлектропривод» (301114, Тульская обл., Ленинский р-н, пос. Плеханово);
–ООО «Научно-производственное предприятие „Томская электронная компания“» (ООО НПП «Томская электронная компания», ООО «НПП ТЭК»);
–ООО НПО«Сибирский Машиностроитель» (ООО «Сибмаш»). Среди зарубежных производителей на российском рынке
наиболее широко представлена продукция фирм: AUMA, BIFFI,
31
Hartmann & Braun, Honeywell, Kromshcroder, REGADA, ROTORK, Siemens, Sauter, Danfoss, Belimo и др.
Основными параметрами, определяющими типоразмер ЭИМ ЗРА, являются следующие:
–номинальный крутящий момент на выходном валу в ньютон метрах (Н·м) или номинальное перестановочное усилие (Н);
–номинальное значение полного хода выходного элемента
воборотах или миллиметрах;
–номинальное значение времени полного хода выходного вала в секундах.
В табл. 1.2 приведены основные технические характеристики ЭИМ ЗРА, выпускаемых одним из крупнейших производителей и поставщиков ЭИМ – Московским заводом тепловой автоматики (ОАО «МЗТА»).
Таблица 1.2 Технические характеристики ЭИМ ЗРА фирмы ОАО «МЗТА»
Показатели |
Типы электрических исполнительных механизмов |
|||
|
Однообо- |
Однооборот- |
Много- |
Прямоходный |
|
ротный |
ный фланце- |
оборот- |
МЭП |
|
рычажный |
вый МЭОФ |
ный МЭМ |
|
|
МЭО |
|
|
200; 800; |
Номинальный |
6,3; 10; 12,5; |
1,6; 3,2; 4,0; |
6.3; 16; |
|
крутящий момент, |
16; 25; 32; |
6,3; 12,5; 16; |
63; 100; |
1250; 2500; |
Н·м (для МЭО, |
40; 100; 250; |
25; 32; 40; |
160 |
6300; 16000; |
МЭМ); усилие на |
630; 1600; |
100; 250; 320; |
|
20000; 25000 |
выходном валу, Н |
4000; 10000 |
630; 1000; |
|
|
(для МЭП) |
|
1600; 2500; |
|
|
|
|
4000; 10000 |
|
12,5; 25; 30; |
Номинальное вре- |
10; 12,5; 25; |
10; 25; 63; 160 |
7,5; 15; |
|
мя полного хода |
30; 63; 160 |
|
45; 63; 90; |
40; 50; 60; 63; |
выходного вала, с |
|
|
160; 250; |
100; 125; 200; |
|
|
|
400; 500 |
240; 340 |
Номинальный |
0,25; 0,63 |
0,25; 0,63 |
6; 10; 25; |
20; 25; 30; 40; |
полный ход вы- |
|
|
36; 63; |
50; 60; 100; |
ходного вала, об. |
|
|
200 |
120; 170 |
(для МЭО, МЭМ); |
|
|
|
|
мм (для МЭП) |
|
|
|
|
32 |
|
|
|
|
Ниже рассмотрены основные функциональные возможности ЭИМ и опции комплектации на примере продукции ОАО «МЗТА».
ЭИМ ЗРА обеспечивают:
–автоматическое, дистанционное или ручное управление рабочим органом запорной арматуры;
–автоматический или дистанционный останов рабочего органа в любом промежуточном положении;
–позиционирование рабочего органа в любом промежуточном положении;
–формирование сигнала обратной связи о конечных и промежуточных положениях рабочего органа.
ЭИМ оснащаются одним из видов блока сигнализации положения выходного вала (БСПИ):
И – индуктивный БСПИ; выходной сигнал представлен в виде изменения взаимоиндуктивности в диапазоне 0–10 мГн;
Р – реостатный БСПР; выходной сигнал представлен в виде изменения активного сопротивления в диапазоне 0–120 Ом;
У – токовый БСПТ; выходной сигнал представлен в виде унифицированного токового сигнала в диапазонах 0–5, 0–20, 4–20 мА;
М – блок концевых выключателей без датчика положения выходного вала (при ручном управлении).
ЭИМ ЗРА могут комплектоваться силовыми реверсивными преобразователями энергии (СПЭ) и реверсивной коммутационной аппаратурой типов:
ПБР, БУЭР, ФЦ и др. – при бесконтактном управлении; ПМЛ – при контактном управлении.
Выбор типа управляющего устройства зависит от типа механизма, напряжения питания, условий эксплуатации и др.
Рекомендуемые типы управляющих (усилительных) устройств:
–для механизмов, имеющих трехфазное напряжение питания (220/380 В): пускатели ПБР-3, ПБР-3А, ПБР-3А АЭС, усилители ФЦ-0610, ФЦ-0620, ФЦ-0650 АЭС;
33
– для механизмов, имеющих однофазное напряжение питания
(220 В): пускатели ПБР-2М (ПБР-2М2.1), ПБР-2М1 (ПБР-2М2.2),
ПБР-2М АЭС.
Механизмы МЭО и МЭОФ производства ОАО «МЗТА» обладают целым рядом достоинств:
– большой пусковой момент на выходном валу (Мпуск = = 1,7 Мном), что обеспечивает высокие динамические характеристики механизма;
–малый люфт выходного вала механизма, что обеспечивает высокую точность регулирования и малое времяпозиционирования;
–наличие в составе прибора датчика положения выходного вала (токовый, индуктивный или реостатный), концевых и пусковых микропереключателей, что позволяет формировать дискретную информацию о крайних и промежуточных положениях рабочего органа арматуры и аналоговую (цифровую) информацию о динамике его перемещения;
–установленный ограничитель полного хода выходного вала предохраняет арматуру от механического повреждения при отказе концевых микропереключателей;
–наличие в составе механизма местного указателя положения регулирующего органа арматуры позволяет оператору следить за работой арматуры непосредственно на месте ее эксплуатации;
–возможность установки механизмов в любом положении
впространстве;
–высокая степень защиты оболочки механизмов – IP54 по ГОСТ 14254;
–соответствие приборов требованиям ГОСТ 7192–89 «Механизмы исполнительные электрические постоянной скорости ГСП».
Принцип работы механизмов МЭО заключается в преобра-
зовании электрического сигнала, поступающего от регулирующего или управляющего устройства, во вращательное перемещение выходного вала в пределах 0,25–0,63 об.
ИМ МЭО и МЭОФ могут применяться в различных отраслях промышленности. Основное применение они находят в системах
34
вентиляции, энергетике, ЖКХ, газовой, нефтяной и химической промышленности, т.е. везде, где используется трубопроводная арматура.
Механизмы МЭО и МЭОФ работают либо в кратковременном, либо в повторно-кратковременном реверсивном режиме циклами, в которых перемещения выходного вала чередуются с паузами. После паузы (не менее 50 мс) возможно изменение направления перемещения выходного вала на противоположное (реверс).
ИМ МЭО изготовляются с датчиком обратной связи (блоком сигнализации положения БСП выходного вала) для работы в системах автоматического регулирования или без датчиков обратной связи – с блоком концевых выключателей для режима ручного управления.
Параметры питания механизмов:
–для однофазной сети: 220, 230, 240 В частотой 50 Гц, 220 В частотой 60 Гц;
–для трехфазной сети: 220/380, 230/400, 240/415 В частотой
50 Гц, 220/380 B частотой 60 Гц;
–допустимое отклонение напряжения –15…+10 %;
–допустимое отклонение частоты –2…+2 %.
ИМ МЭО выполнены в исполнении У категории размещения 2 и предназначены для работы в следующих условиях:
–температура окружающего воздуха от –30 до +50 °С;
–относительная влажность окружающего воздуха до 85 % при температуре +35 °С и более низких температурах без конденсации влаги;
–вибрация в диапазоне частот от 10 до 150 Гц с амплитудой 0,075 мм для частот до 57–62 Гц и ускорением 9,8 мм/с2 для частот свыше 62 Гц;
–наличие пыли и брызг воды;
–отсутствие прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков.
ИМ МЭО тропического исполнения выполнены в исполнении Т категории размещения 2 и предназначены для работы при
35
температуре от –10 до +50 °С и относительной влажности до 100 % при температуре 35 °С с конденсацией влаги.
ИМ МЭО не предназначены для работы в средах, содержащих агрессивные пары, газы и вещества, вызывающие разрушение покрытий, изоляции и материалов, и во взрывоопасных средах.
Структура условного обозначения и основные параметры ИМ МЭО:
МЭО – ммм / вв – ххх д гг, где ммм – номинальный крутящий момент на выходном валу в Н·м;
вв– номинальное значение полного хода выходного органа
воборотах;
ххх – номинальное значение времени полного хода в секун-
дах;
д – тип датчика сигнализации положения выходного вала: И – индуктивный (БСПИ), Р – резистивный (БСПР), У – токовый (БСПТ);
гг – год разработки.
В механизмах используются электродвигатели:
– синхронные низкооборотные с частотой вращения 150 об/мин для механизмов с крутящим моментом до 250 Н·м;
– асинхронные двигатели АИР56А4, АИР56В4 для механизмов
скрутящиммоментом от250 до 4000 Н·м и даже до 10 000 Н·м. Двигатели обеспечивают повторно-кратковременный режим
работы механизмов с частыми пусками S4 по ГОСТ 183:
–продолжительностью включений (далее ПВ) до 25 % и номинальной частотой включения до 630 в час при нагрузке на выходном валу в пределах от номинальной противодействующей до 0,5 номинального значения сопутствующей нагрузки;
–максимальная частота включений – до 1200 в час при ПВ до 5 % (механизмы с крутящим моментом до 250 Н·м включительно).
Понижение частоты вращения и увеличение крутящего момента, создаваемых двигателем, осуществляется посредством многоступенчатых цилиндрических зубчатых или комбинированных червячно-зубчатых передач. Валы вращаются на шарикоподшип-
36
никах. Зубчатые передачи и шарикоподшипники смазываются густой смазкой, что обеспечивает установку механизма в любом положении в пространстве.
Механизмы МЭО оснащаются одним из видов блока сигнализации положения выходного вала с датчиком обратной связи (блок датчика): реостатным БСПР; индуктивным БСПИ; токовым БСПТ с унифицированным токовым сигналом 0–5, 0–20 или 4–20 мА по ГОСТ 26.011. В условном обозначении механизма ставятся соответственно буквы Р, И, У. В состав каждого блока сигнализации положений входит два основных узла: блок микропереключателей и блок датчиков. Микропереключатели предназначены для ограничения и сигнализации положения выходного вала, расположены компактно и образуют собственно блок концевых выключателей БКВ.
В случае отсутствия потребности в датчике обратной связи (при ручном управлении) механизмы оснащаются только блоком концевых выключателей БКВ. В условном обозначении механизма ставится буква М.
Управление работой механизмов может быть как контактное при помощи пускателей ПМЛ, так и бесконтактное при помощи пускателей бесконтактных реверсивных ПБР, БУЭР или усилителей тиристорных трехпозиционных типа ФЦ.
Для оперативного управления МЭО или МЭОФ с пульта или щита управления может использоваться блок управления релейного регулятора БУ21. Он предназначен для переключения управления цепями нагрузки с автоматического на ручное или внешнее управление. Кроме того, БУ21 имеет две кнопки «Больше» и «Меньше» с самовозвратом для оперативного управления перемещением выходного вала МЭО и МЭОФ в прямом или обратном направлении.
Механизмы обеспечивают фиксацию положения выходного вала при отсутствии напряжения питания.
Принцип работы механизмов МЭМ заключается в преобра-
зовании электрического командного сигнала во вращательное
37
перемещение регулирующего органа механизма в пределах
6–200 об.
МЭМ предназначены для перемещения регулирующих и запорных органов самотормозящейся запорно-регулирующей арматуры в системах автоматического регулирования технологических процессов в соответствии с командными сигналами, поступающими от регулирующих или исполнительных устройств.
МЭМ – механизм, устанавливаемый непосредственно на арматуре. Соединение с арматурой – квадратное отверстие на выходном валу. Соединение модифицированного механизма МЭМ-2 с арматурой – кулачковая полумуфта на выходном валу.
Управление работой механизмов может осуществляться как контактным способом при помощи электромагнитных пускателей типа ПМЛ, так и бесконтактным способом с помощью пускателей бесконтактных реверсивных ПБР, БУЭР или усилителей тиристорных ФЦ. В системах автоматического регулирования рекомендуется использовать бесконтактный способ управления, как более надежный.
Принцип работы механизмов МЭП заключается в преобра-
зовании электрического командного сигнала в возвратно-посту- пательное перемещение выходного штока РО ИМ с помощью электродвигателя. Принцип работы механизмов МЭПК (моди-
фикация прямоходных механизмов) заключается в преобразовании электрического сигнала, поступающего от регулирующего или исполняющего устройства, во вращательное перемещение выходного вала привода, а затем через кривошипно-шатунный механизм в возвратно-поступательное перемещение штока РО ИМ.
МЭП предназначены для возвратно-поступательного перемещения регулирующих органов запорно-регулирующей арматуры типа «регулирующий клапан», «задвижка» и тому подобное в системах автоматическогорегулирования технологических процессов.
Механизмы устанавливаются непосредственно на арматуре и соединяются со штоком регулирующего органа посредством резьбовой муфты.
38
МЭП часто устанавливаются на трехходовые клапаны (см. рис. 1.9, б) и используются на технологических линиях подачи пара, воздуха, в системах холодного и горячего водоснабжения, в системах отопления.
Как правило, ЭИМ производства зарубежных компаний, таких как Sauter, Danfoss, Belimo, имеют в своем составе контроллер для осуществления так называемых интеллектуальных функций. Среди российских компаний интеллектуализацией ЭИМ плодотворно в течение более 20 лет занимается ОАО «ЗЭиМ» (г. Чебоксары). К таким интеллектуальным функциям ИМ относятся: дистанционное управление ЭИМ сигналами 0–10 В, или 0–20 мА, передача информации о текущем положении (состоянии) клапана, электронная диагностика и блокировка ЭИМ в случае аварийных ситуаций – механических перегрузок (заклинивание механических элементов), интеграция в информационные сети АСУТП с полноценным доступом как по управлению ЭИМ, так и по получению выходной информации о его состоянии и др.
1.2.3. Пневматические исполнительные механизмы
Пневматический исполнительный механизм (далее – ПИМ) является неотъемлемой и основной конструктивной частью пнев-
матического привода (пневмопривода), включающего помимо ПИМ сети подготовки сжатого воздуха (компрессоры воздуха, фильтры и др.) и его распределения.
Рабочим телом в пневматических устройствах является сжатый воздух, представляющий собой смесь азота, кислорода (по объему примерно 78 и 21 % соответственно) и других газов, содержащихся в небольшом количестве (аргон, углекислый газ и др.), а также водяного пара.
Сжимаемость газа оказывает значительное влияние на снижение быстродействия системы, особенно при значительной нагрузке или при значительных ускорениях.
Пневматические системы автоматизированного управления сегодня, в эпоху микропроцессоров и широкого применения циф-
39
ровой электроники, смотрятся несколько архаично, они достаточно громоздкие, к тому же сжатый воздух расходуется при работе пневматических систем.
В связи с этим ПИМ являются гораздо менее распространенным классом ИМ в сравнении с ЭИМ в системах автоматизации (около 4 % от объема всех ИМ). Вместе с тем простота конструкции пневмоприводов и, как следствие, достаточно высокая надежность и ремонтопригодность позволяют успешно использовать такие приводы в современных системах автоматизированного управления технологическими процессами. При этом ПИМ широко применяются там, где регламентированы требования по взрывозащите (нефтяное, газовое хозяйство и т.п.).
ПИМ предназначены для преобразования изменений давления воздуха Р на выходе регулятора в перемещение h регулирующего органа – клапана, заслонки, шибера, крана и тому подобного. Регулирующий орган изменяет расход потока жидкости, газа, пара и тому подобного, вводимого в объект управления, и тем самым вызывает изменение регулируемой выходной координаты.
По типу привода ПИМ подразделяются на мембранные и поршневые, по виду движения РО – прямоходные и поворотные (моментные пневмодвигатели).
К прямоходным относятся поршневые, сильфонные, камерные, шланговые и мембранные пневмодвигатели различных конструкций, к поворотным – такие же, но с винтовым или лопастным рабочим элементом. Шланговые и мембранные РО – это бессальниковые регулирующие органы, которые используются для изменения расхода агрессивных и загрязненных жидкостей. Наибольшее распространение получили поршневые пневмодвигатели, которые называют также пневмоцилиндрами.
Еще один тип пневмоприводов – пневмомоторы, работающие с неограниченным вращательным движением выходного звена. Пневмомоторы по конструктивным признакам разделяют на поршневые, мембранные, пластинчатые, винтовые и турбинные. Упрощенная классификация ПИМ представлена на рис. 1.11.
40