книги / Основы пневмоавтоматики

Принципиальная схема блока представлена на рис. 101. Блок состоит из следующих основных элементов: мембранного изме­ рительного устройства, образованного камерами 12, 14, 16, и

двухкаскадного усилителя. Первый каскад усилителя выполнен на базе элемента типа сопло — заслонка (сопло 10, постоянный дроссель 25 и междроссельная камера 9). Второй каскад, обра­

зованный камерами У, 3, 5, 5, является усилителем мощности. Второй каскад усиления, существенно увеличивающий выходную

Рис. 101. Принципиальная схема пневматического блока суммиро­ вания БС-34А

мощность прибора, позволяет подключать к его выходу длинные линии и большие нагрузки, не снижая его точности. Работа при­ бора основана на принципе компенсации сил.

Измерительное устройство предназначено для алгебраическо­ го сложения усилий, возникающих под действием входных дав­ лений р 1, р2Урз и усилия пружины 18. Вырабатываемое усилите­ лем мощности давление р в качестве отрицательной обратной связи подается в камеру 11 и уравновешивает усилия, действую­

щие со стороны измерительного (суммирующего) устройства. В пневматическом блоке суммирования БС-34А предусмотре­ ны также вспомогательные устройства, позволяющие поддержи­ вать постоянный перепад давлений на постоянном дросселе 25 и переменном дросселе 10 типа сопло — заслонка, управляющим

пневматическим усилителем (первым каскадом усиления). Обес­ печение постоянного перепада на постоянном и переменном дрос­

171

селях, как известно, существенно увеличивает крутизну статиче­ ской характеристики пневматического усилителя сопло — за­ слонка, благодаря чему уменьшается прогиб мембран и повы­ шается стабильность их эффективных площадей, а в целом повышается точность прибора. Заслонкой для сопла 10 служит нижний торец штока 13, который жестко соединяет между собой мембраны 19, 20, 21 измерительного элемента.

Рассмотрим работу сумматора. На шток 13 действуют уси­ лия, обусловленные давлениями р\, р2, рг, р и усилием пружи­ ны 18. В положении статического равновесия сумма этих сил

равна нулю. При нарушении статического равновесия, напри­ мер, в случае изменения одного из входных пневматических сиг­ налов горец штока 13 смещается относительно сопла 10, что влечет за собой изменения давлений воздуха в камерах 6 и 9, в которые через постоянный дроссель 25 непрерывно поступает воздух. Если давление в камерах 6 и 9 повышается, что может быть вызвано опусканием штока 13, то мембраны 27 и 28 усили­ теля, соединенные полым штоком 4, под действием этого давле­

ния перемещаются вниз в направлении открытия шарикового клапана. Из камеры 1 питающий воздух через шариковый кла­ пан проходит в камеру 3, а оттуда на выход и в камеру 11 отри­

цательной обратной связи. Усилитель мощности работает с коэф­ фициентом усиления по давлению, равным единице, т. е. давле­ ние в камере 6 всегда равно давлению в камере 3, если прене­ бречь усилием, создаваемым пружиной 2. Если шток 13 под дей­ ствием результирующей силы отодвигается от сопла 10, то дав­ ление в камерах 9 и 6 уменьшается, в результате чего мембран­

ный блок усилителя мощности перемещается вверх. Полый шток отходит от шарика, и камера 3 соединяется с атмосферой. Дав­ ление в камерах 3 и 11, а следовательно, и на выходе уменьшает­

ся до тех пор, пока мембраны сумматора не займут новое рав­ новесное положение. При этом шарик и шток усилителя мощно­ сти (вторичного реле) занимают положение, при котором отсутствует расход воздуха в камеру 3 и из нее в атмосферу.

Выходное давление р, действующее на нижнюю поверхность мембраны 28, осуществляет внутреннюю отрицательную обрат­

ную связь в усилителе мощности. Давление отрицательной об­ ратной связи в камере 11, а следовательно, и на выходе блока

при статическом равновесии всегда равно алгебраической сумме давлений, подводимых к входным штуцерам сумматора, плюс давление, уравновешивающее усилия от задающей пружины 18

ипружины 22. Такое равенство имеет место потому, что эффек­ тивные площади мембран 19 и 21 выбраны равными между собой

иравными половине эффективной площади мембраны 20. Для

доказательства этого напишем уравнение, выражающее равно­ весие сил на штоке 13:

N + pxF + p2F— p3F— pF = О,

172

откуда

Р = Р1 + Р2- - Ръ +, ~N у

Г

где N — суммарная сила, развиваемая пружинами 18 и 22; F — эффективная площадь мембран 19 и 21.

Величина дополнительного слагаемого N/F устанавливается натяжением задающей пружины 18 путем вращения винта 17.

Рассмотрим работу устройства, поддерживающего постоян­ ный перепад давлений на постоянном дросселе 25 пневматиче­

ского усилителя сопло — заслонка. Устройство включает в себя подпружиненный шариковый клапан 26, под который подводится давление питания, мембрану 24 и пружину 23, усилие которой

определяет собой величину постоянного перепада давлений на дросселе 25. Покажем, что это устройство действительно поддер­

живает постоянный перепад.

Для этого напишем уравнение сил, действующих на мембра­ ну 24:

воздуха в междроссельной камере 9 усилителя сопло—заслонка; К — сила, развиваемая пружиной 23; р'2— давление в камере 8.

Сила К при работе устройства остается практически постоян­

ной, так как прогиб мембраны крайне незначителен, а жест­ кость пружины 23 невелика. Из равенства (98) следует, что при уменьшении давления р [ уменьшается также и давление пита­ ния первичного реле р v' так как шарик 26 прикрывает отверстие,

через которое камера 7 сообщается с камерой 8. Это обстоятель­

ство и обеспечивает высокую крутизну статической характери­ стики. Постоянный перепад на переменном дросселе 10 поддер­

живается за счет введения отрицательной обратной связи путем подачи давления р под мембрану 21. Величина постоянного пе­

репада на сопле определяется величиной усилия, создаваемого пружиной 2. Это легко проверить, написав уравнение равновесия

сил на мембранном блоке усилителя мощности.

К устройствам, предназначенным для выполнения нелинейных математических операций, могут быть отнесены множительные устройства, устройства для извлечения квадратного корня, для возведения в квадрат, функциональные преобразователи и неко­ торые другие приборы. Например, множительное устройство БФ-2 может быть использовано для возведения в квадрат вход­ ного сигнала, а в некоторых случаях — для извлечения квадрат­ ного корня из входного сигнала. Принцип работы блока БФ-2 заключается в том, что момент, создаваемый силой, пропорцио­

173

нальной одному из входных сигналов и действующей на перемен­ ном плече, длина которого пропорциональна второму входному сигналу, уравновешивается моментом силы, создаваемой выход­ ным давлением и действующей на постоянном плече. Работа блока основана на принципе компенсации моментов сил.

Система приборов КУСПА. Эта система включает в себя ряд регуляторов, предназначенных для регулирования парамет­ ров потоков газового топлива (КУСПА расшифровывается как комплексная упруго-силовая пневмогазовая автоматика). Регу­ ляторы системы КУСПА реализуют различные законы регули­ рующих воздействий (П, ПИ, ПИД и др.).

Регуляторы системы КУСПА построены по принципу компен­ сации сил (моментов). Но в отличие от систем АУС и УСЭППА здесь усилия (моменты) суммируются на рычагах, а вместо мем­ бран для преобразования давления в усилие применяют сильфо­ ны. Благодаря применению сильфонов, которые, как известно, по сравнению с резинотканевыми и резиновыми мембранами имеют высокую стабильность, точность регуляторов повышается. Все усилия, развиваемые сильфонами при подаче в них сигналов давления, суммируются на системе связанных между собой ры­ чагов, расположенных в одной плоскости с упругими опорами. Рычаги соединяются упругими стяжками. Подвижная система рычагов имеет незначительное перемещение, что является след­ ствием применения в качестве управляющего органа усилителя сопло — заслонка.

Для усиления сигнала, снимаемого с выхода усилителя соп­ ло — заслонка по мощности, служит мембранный усилитель мощности, выходной сигнал с которого направляется на выход регулятора и на сильфон отрицательной обратной связи, а в изодромном регуляторе — и на блок изодрома, который состоит из емкости, регулируемого сопротивления и сильфона. Постоянный перепад давлений, поддерживаемый на постоянном сопротивле­ нии усилителя сопло — заслонка, усилителя мощности, еще в большей степени уменьшает ход заслонки. Так как смещения рычагов очень незначительные, для их поворота можно исполь­ зовать крестообразные упругие опоры без трения. Все это также приводит к повышению точности приборов КУСПА.

Все приборы для конкретного объекта составляют один блок в виде колонки, в котором монтируются регуляторы, система за­ щиты, контрольно-измерительные приборы, аппаратура дистан­ ционного управления и вспомогательное оборудование. Такое конструктивное оформление позволяет получить компактный блок, сократить сроки монтажа и стоимость устройства. Это связано с тем, что при таком монтаже, например, отпадает не­ обходимость в индивидуальных корпусах регуляторов и т. д. Пневматические регуляторы системы КУСПА питаются сжатым воздухом с избыточным давлением 0,14 МПа. В качестве источ­ ника питания может быть использован транспортируемый газ.

174

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПА КОМПЕНСАЦИИ СИЛ И ЭЛЕМЕНТНОГО СПОСОБА ПОСТРОЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ В СИСТЕМЕ УСЭППА

Блоки пневматической агрегатной унифицированной системы обеспечивают построение широкого класса систем автоматиче­ ского регулирования. Если задача автоматизации не столь слож­ на и является типовой, то ее можно решить с помощью типовых блоков АУС. Однако, так как каждый блок АУС выполняет свою определенную функциональную зависимость и является закон­ ченной конструкцией, то реализация новой сложной системы уп­ равления требует конструирования новых блоков.

Требования к современным системам автоматического управ­ ления значительно возросли и уровень современной автоматиза­ ции требует наличия довольно сложной системы управления, ча­ сто дискретного или дискретно-непрерывного действия, когда, например, управляющая логическая часть задает режимы рабо­ ты отдельным регуляторам либо включает их в определенной по­ следовательности. В химической, нефтеперерабатывающей и иных отраслях промышленности приходится решать задачи ав­ томатической оптимизации. В таких условиях нецелесообразно автоматизировать объекты управления только путем расшире­ ния номенклатуры приборов, например, увеличения ассортимен­ та приборов АУС. Поэтому естественным оказалось применение элементного способа построения пневматических приборов, ши­ роко используемого в электроавтоматике, при котором каждый новый прибор, реализуемый в системе УСЭППА, собирают из отдельных стандартных элементов.

На целесообразность использования поэлементного способа построения пневматических приборов впервые обратил внимание немецкий инженер В. Фернер [46]. Практическое применение этот способ впервые нашел в СССР после того, как в Институте ав­ томатики и телемеханики была предложена полная система уни­

отработан бесшланговый (печатный) способ монтажа [5]. Стан­ дартные элементы, объединенные в универсальную систему эле­ ментов промышленной пневмоавтоматики УСЭППА, собирают на платах. На основе этих элементов могут быть реализованы приборы практически любой сложности.

Все элементы УСЭППА малогабаритные, выполняют лишь самые простейшие функции и не содержат внутренних соедини­ тельных каналов (коммуникаций). Практически любой из эле­ ментов имеет свой аналог в электрической и электронной аппа­ ратуре. Монтаж элементов ведется на специальных коммутаци­ онных платах, внутри которых проложены каналы, необходимые для соединения элементов между собой и подвода к ним питаю­ щего воздуха. У элементов имеются специальные коммутацион­

175

ные ножки, которые служат для крепления, коммутирования с платой и для подключения контрольных приборов во время на­ ладки устройств.

Элементы и приборы УСЭППА делят на две группы: анало­ говую и дискретную. Возможна комбинация элементов обеих групп с целью создания дискретно-аналоговых систем управ­ ления.

Элементы и основные узлы УСЭППА непрерывного дей­ ствия. Элементы этой группы работают по принципу компен­

сации сил и предназначены для построения аналоговых (непре-

Ро

I

Pi Pz

рывных) пневматических устройств. Аналоговая группа элемен­

(рис. 102, б) операционного усилителя с двумя входами (до на­

сыщения), работающего в режиме элемента сравнения, можно приближенно записать в следующем виде:

р = ц р х— р2).

Благодаря тому, что выходное давление р отбирается из меж­

дроссельной камеры пневматического усилителя сопло — заслон­ ка, образованного двумя соплами и заслонкой, удалось получить коэффициент усиления k = 250. Как известно, в АУС для увели­

чения коэффициента усиления применяют специальные устрой­ ства, поддерживающие постоянные перепады давлений на посто­ янном и переменном дросселях.

Имея в виду сравнительно высокое значение коэффициента

176

считать вертикальным и уравнение элемента сравнения предста­ вить в следующем виде:

P = PoSg(pi— Р2)*.

Четырехвходовый операционный усилитель также может ра­ ботать в режиме элемента сравнения (рис. 102, в). Соответству­

ющее уравнение записывается в виде

Р = РоSg [(Pi + Рз) — {р2 + Pi)\■

К пневмосопротивлениям и пневмоемкостям относится посто­ янное и регулируемое сопротивления и пневмоемкости в виде сосудов с постоянным и регулируемым объемами (сильфонами).

Р ис. 103. С хем ы п овтори тел ей :

а —маломощный точный повторитель; 6 — маломощный точный повто­ ритель со сдвигом; в — усилитель мощности низкой точности

В рабочем диапазоне давлений 0—0,14 МПа, принятом для промышленной пневмоавтоматики, пневмосопротивления нели­ нейны. Однако при реализации устройств, не предназначенных для выполнения вычислительных операций с высокой точностью, например, различного рода регуляторов, для реализации сумма­ торов и апериодических звеньев допустимо применять нелиней­ ные дроссели. Конструктивно постоянное сопротивление оформ­ лено в виде капилляра, имеющего индивидуальный фильтр и расположенного в винте, который размещают в корпусе с двумя стандартными ножками. Конструктивное оформление регулируе­ мых дросселей конус — конус и конус — цилиндр принципиально также ничем не отличается от оформления регулируемых дроссе­ лей, входящих в состав приборов АУС, но выполняют их в виде отдельных элементов.

Набор повторителей состоит из трех элементов: двух мало­ мощных повторителей и одного мощного повторителя (усилителя мощности). Схемы повторителей представлены на рис. 103. По­ вторитель, схема которого дана на рис. 103, а, осуществляет операцию повторения с точностью ±0,5% . У второго повторителя (рис. 103, б) к сигналу, повторенному с той же точностью, добав­

ляется постоянная составляющая, настраиваемая путем поджа-

* Функция S g ( p i — р г ) р авн а 1, к о гд а р \ — р 2^ 0, и р авн а 0, к огд а

Pi — Р2 < 0.

тия пружин винтом. Таким образом, для второго повторителя действительно равенство

P = P i± А,

где А — дополнительное постоянное давление, зависящее от уси­ лия, создаваемого пружинами.

Причем знак плюс относится к случаю, когда равнодействую­ щая сила двух пружин направлена вниз, а минус — когда сила направлена вверх.

Низкий уровень выходной мощности двух первых повторите­ лей обусловлен тем, что выходное давление р забирается из

междроссельной камеры пневматического усилителя сопло — за­ слонка, имеющего постоянный дроссель с большим сопротивле­ нием. Эти повторители предназначены для работы на внутри­

(±5% ) и большую выходную мощность. При отсутствии расхо­ да на выходе повторитель не потребляет никакой мощности, так как в этом состоянии клапан находится на своем седле, а конец штока закрыт. По принципу работы и схеме этот повторитель аналогичен усилителю мощности, входящему в состав АУС. Зна­ чительная мощность на выходе повторителя обеспечивается при­ менением клапана с большими размерами.

Реализация некоторых алгебраических операций, таких, как суммирование, усиление и т. д., на операционных усилителях с применением пневмосопротивлений может быть выполнена на схемах, приведенных в табл. 4.

Наиболее простым сумматором пневматических сигналов яв­ ляется сумматор, выполненный на дросселях (схема 1, а в табл. 4). Однако погрешность выполнения операций таким сум­ матором достаточно велика, а на выходе не получается сигнала необходимой мощности. Поэтому часто применяют сумматор, со­ стоящий из дроссельного сумматора и повторителя (схема 1, б

в табл. 4), подключаемого к его выходу, а также сумматор, вы­ полненный на четырехвходовом усилителе (схема 1, в в табл. 4). На сумматоре, собранном по последней схеме, точность выпол­ нения операций вполне приемлема и составляет величину поряд­ ка ±0,5% . На четырехвходовом усилителе можно реализовать также операцию

- _ Р\ + Р2

И2

Операцию повторения сигнала можно реализовать на одном двухвходовом усилителе. Если в линию отрицательной обратной связи такого усилителя включить усилитель мощности, то полу­ чается усилительное звено с коэффициентом усиления по давле­ нию, равным 1, и с усилением выходного сигнала по расходу и

178

Т а б л и ц а 4

мощности (см. табл. 4). Такого типа мощный и точный повтори­ тель осуществляет операцию р = р\ с точностью ±0,5% (схема 2

в табл. 4).

Операцию умножения входной величины или разности вход­ ных величин на постоянный коэффициент осуществляется на двухвходовых или четырехвходовых усилителях с включением сумматора на дросселях. При этом в зависимости от схемы под­

выходного давления р через дроссель а в камеру осуществляется

отрицательная обратная связь, которая обеспечивает баланс сил на штоке. Таким образом, работа усилителя может быть описана двумя уравнениями, одно из которых выражает равенство сил на штоке, а второе — равенство расходов в статике через дрос­ сели а и р . Приближенно будем считать дроссели а и р линей­

ными. Тогда

P\F = pxF;

а(р— рх) = $Рх,

где F — разность площадей мембран; рх — давление в камере

отрицательной обратной связи. Откуда

Коэффициент усиления k настраивают дросселем р.

Элементы и основные узлы УСЭППА дискретного действия.

Если пневматическая непрерывная вычислительная техника ха­ рактеризуется тем, что входные и выходные давления принимают в процессе работы приборов любые значения в заданных преде­ лах, то релейная техника отличается тем, что сигналы могут при­ нимать лишь два значения: 0 и 1, причем нулю в системе УСЭППА соответствует нулевое давление, а 1 — давление в пре­ делах 0,08 МПа до 0,14 МПа. Эти два уровня сигналов исполь­ зуют в качестве двух значений логических переменных.

Основным элементом релейной техники является пневмореле (рис. 104, а), схема которого не отличается от схемы аналогового решающего усилителя. Однако их конструкции различны: пнев­ матическое реле имеет меньшие габаритные размеры, так как чувствительность его не должна быть столь высокой, как у опе­ рационного усилителя. Упомянутые элементы отличаются друг от друга также и способом включения. Для введения положи­ тельной обратной связи в пневмореле нижнюю камеру соединя­ ют с атмосферой, а верхнюю камеру с нижним соплом. Выход-

180