5.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПНЕВМАТИЧЕСКИМ СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ И ЛИНИЯМ СВЯЗИ

Любая автоматическая система управления или регулирования состоит из отдельных взаимосвязанных устройств и звеньев.

Например, системы автоматического контроля состоят из датчиков и вторичных измерительных приборов, а в состав системы автоматического регулирования входят датчик, задатчик, регулирующее устройство, исполнительный механизм, регулирующий орган и линии связи.

Однако независимо от состава той или иной системы ее надежность и работоспособность во многом зависят от того, насколько полно и правильно используются характерные возможности и особенности отдельных звеньев.

Рассмотрим характерные особенности и требования, предъявляемые к отдельным средствам автоматизации, которые следует

иметь в виду при выборе этих средств для работы в автоматических системах управления, регулирования и контроля.

Датчики. Датчик является одним из наиболее ответственных звеньев автоматической системы контроля, регулирования или управления. Основным назначением пневматического датчика является преобразование контролируемой или регулируемой величины в унифицированный пневматический выходной сигнал. Пневматический датчик состоит из измерительного устройства и пневмопреобразователя. Некоторые датчики содержат также показывающий или самопишущий механизм для отсчета текущего значения контролируемой или регулируемой величины.

В качестве датчиков широкое распространение в пневмоавтоматике получили показывающие и самопишущие приборы с встроенным механизмом пневматической ди- станщіонной передачи. К числу таких приборов относятся электронные мосты и потенциометры, приборы с дифференциальнотрансформаторным измерительным устройством, ротаметры, плотномеры и т. п.

Наиболее высокие требования (по сравнению с другими устройствами) предъявляются к датчикам по точности, чувствительности и динамическим свойствам. Другими, не менее важными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются безотказность работы в заданных условиях эксплуатации, износоустойчивость деталей, простота обнаружения и устранения неисправностей. Повышение безотказности датчиков может быть достигнуто конструктивными или схемными способами.

К числу конструктивных способов относятся повышение качества чувствительных элементов, применение антикоррозионных покрытий, высококачественных заполнителей, разделителей, уплотнителей, смазок и т. п.

К числу схемных способов относятся различные варианты трубных обвязок датчиков и их резервирование. Резервирование датчиков применяется, как правило, в тех случаях, когда конструктивные способы исчерпаны или неосуществимы.

Точность и чувствительность датчиков определяются технологическими требованиями, а также зависят от того, в каких системах они работают: автоматического контроля, регулирования или управления. Важнейшим требованием, предъявляемым к датчикам, работающим в автоматических системах контроля, является обеспечение высокой точности отработки выходного сигнала (минимальной погрешности) в рабочем

диапазоне. В этом случае порог чувствительности имеет второстепенное значение и должен лишь укладываться в допустимую погрешность.

Точность датчика в автоматических системах контроля обычно считается удовлетворительной при значении основной приведенной погрешности, не превышающей ±0,5-^1,0% диапазона шкалы.

Важнейшим требованием, предъявляемым к датчикам, работающим в автоматических системах регулирования, является обеспечение высокой чувствительности и стабильности; точность датчиков имеет второстепенное значение и должна лишь находиться в допустимых пределах, установленных для пневматических регуляторов. Чувствительность датчиков, работающих в автоматических системах регулирования, считается удовлетворительной при значении порога чувствительности, не превышающем

0,2 —0,4 значения основной погрешности.

Большинство пневматических датчиков предназначено для работы одновременно в автоматических системах контроля, регулирования и управления, поэтому точность и чувствительность их должна быть по возможности выше.

Одним из способов повышения точности и чувствительности датчиков, без снижения их надежности, является переход на компенсационные схемы измерения и сужения (уменьшения) их рабочего диапазона. Точность измерения зависит не только от точности датчика, но и от метода измерения. Поэтому при проектировании систем автоматизации необходимо прежде всего обращать внимание на выбор метода измерения, наиболее подходящего для данного конкретного случая.

Динамические свойства датчиков определяются динамическими характеристиками, представляющими собой аналитическую или графическую зависимость изменения выходного сигнала при изменении входного. Прохождение сигнала через датчик сопряжено с преодолением сопротивлений и заполнением емкостей. Кроме того, датчики, стоящие на входе и выходе системы, имеют линии связи, которые еще больше усложняют процесс отработки и передачи выходного сигнала. Из-за необходимости заполнения объемов установившиеся значения выходного сигнала существенно отстают во времени от изменившегося значения регулируемой величины. Такое отставание часто называют инерционностью, мерой которой во многих случаях может служить (при некоторых упрощениях) постоянная времени датчика Т.

Эффективными средствами улучшения динамических свойств датчиков являются уменьшение длин импульсных линий, устранение люфтов, уменьшение порогов чувствительности.

Реі'улируюіцие устройства. Основным назначением регулирующих устройств является формирование закона регулирования. Под законом регулирования принято понимать функциональную зависимость выходного сигнала регулирующего устройства от входного.

Регулирующие устройства, входящие в комплекс системы «Старт», представляют собой конструктивно законченные функциональные блоки, отличающиеся друг от друга главным образом законом регулирования.

Основным требованием, предъявляемым к регулирующим устройствам, является правильный выбор отрабатываемого им закона регулирования. Последний, как известно, выбирается исходя из требований, предъявляемых к качеству регулирования и динамическим свойствам регулируемого объекта.

Перечень и основные характеристики регулирующих устройств комплекса приборов «Старт» приведены в табл. 5.2.

Исполнительные мехаішзмы и регул>ірую- щие органы. В качестве исполнительных механизмов в пневматических автоматических системах регулирования применяются мембранные, поршневые пневматические и гидравлические механизмы.

При выборе исполнительного механизма необходимо учитьшать следующие основные требования:

1)   исполнительный механизм должен развивать перестановочное усилие, достаточное для преодоления реакции рабочих частей регулирующего органа на всем диапазоне их перемещения при наиболее тяжелых допустимых условиях эксплуатации;

2)   исполнительный механизм должен обладать детектирующим действием, т. е. передавать воздействие только от регулирующего устройства к регулируемому объекту;

3)   значения основных величин, характеризующих статические и динамические свойства исполнительного механизма (порог чувствительности, гистерезис, люфт, скорость перемещения выходного звена при максимальной нагрузке, выбег), должны быть соизмеримыми (равными или максимально приближаться) со значениями аналогичных величин других элементов системы регулирования;

4)   в конструкции исполнительного меха

низма желательно иметь дополнительные устройства, такие как ручной привод местного управления регулирующим органом; местный указатель положения выходного звена; устройство ручной подрегулировки начального и конечного положений рабочих частей регулирующего органа; тормоз, стопорящий выходное звено в достигнутом промежуточном положении при прекращении давления питающего воздуха.

В качестве регулирующих органов в пневматических системах автоматизации применяются регулирующие клапаны, заслонки, направляющие аппараты, форсунки, горелки, реостаты и др. Выбор конструкции, пропускной способности и статической характеристики регулирующих органов необходимо производить с учетом требований автоматического управления.

Важным параметром регулирующего органа, оказывающим влияние на выбор типа и размера исполнительного механизма, является реакция, возникающая при перемещении рабочих частей. При этом учитывается как величина реакции, так и ее постоянство во времени на различных нагрузках. По этому параметру регулирующие органы подразделяются на разгруженные, частично разгруженные и перегруженные.

Полностью разгруженных регулирующих органов, у которых отсутствует реакция при перемещении рабочих частей, не существует. Правильный выбор типа и размера исполнительного механизма по перестановочному усилию можно осуществить только при условии достаточно точного определения реакции регулирующего органа. Правильный выбор исполнительного механизма по перестановочному усилию частично предопределяет также и выполнение требования детектирующего действия автоматической системы регулирования, так как одним из условий удовлетворения этому требованию является необходимость наличия запаса перестановочного усилия исполнительного механизма по сравнению с реакцией регулирующего органа. Однако одного наличия запаса перестановочного усилия исполнительного механизма еще недостаточно для полного удовлетворения указанному требованию, поскольку вследствие упругости сжатого воздуха заполняющего рабочие полости исполнительного механизма, рабочие части неразгруженного регулирующего органа могут произвольно и в широких пределах перемещаться под действием реакции рабочей среды. Такие перемещения равносильны увеличению зоны нечувствительности регулятора, что может привести к ухудшению ка-

чества регулирования, а иногда и к неустойчивости системы регулирования.

Таким образом, необходимость выполнения условий детектирующего действия исполнительного механизма вызывает необходимость установки в нем специального детектирующего устройства. В качестве детектирующих устройств применяются пневматические и пневмогидравлические позиционеры. Позиционеры улучшают также и динамические характеристики исполнительного механизма, так как рабочие полости пневматического и гидравлического исполнительных механизмов заполняются рабочей средой параллельно с заполнением линии связи.

В автоматических системах управления и регулирования могут применяться следующие исполнительные механизмы:

1)   мембранные типа МИМ (применяются в системах с относительно невысокими требованиями к качеству регулирования приводов регулирующих клапанов);

2)   поршневые типа ПНП;

3)   приводы следящие поршневые пневматические типа ПСП.

Находят применение и другие пневмати- .ческие исполнительные механизмы, однако предпочтение следует отдать поршневым как

более совершенным. Благодаря применению силовой компенсационной следящей системы они имеют более высокую чувствительность.

Вторвчные измервтельные приборы и ставціш управлеввя. По функциональному назначению вторичные измерительные приборы делятся на показывающие, самопишущие, суммирующие и многофункциональные с встроенными дополнительными устройствами (сигнальными, ручными задатчиками, станшіями управления).

Вторичные приборы выпускаются следующих модификаций:

ПВ1.3 — показывающий текущее значение одного параметра;

ПВ2.2 — показывающий с двухпозиционным пневмоконтактным устройством для сигнализации;

ПВ2.3 — показывающий с ручным задатчиком ;

ПВ3.2 — показывающий текущее значение регулируемой величины, задания и командного давления, подаваемого к исполнительному механизму, с встроенной станцией управления, на три положения; ручное дистанционное управление (Р), автоматическое регулирование (А), автоматическое программное регулирование (АП), содержащей

в своем составе также устройство отклонения регулятора и ручной задатчик;

ПВ4.2Э и ПВ4.2П - записывающий и показывающий текущее значение одного параметра;

ПВ4.3Э и ПВ4.3П — записывающий и показывающий текущее значение двух параметров;

ПВ4.4Э и ПВ4.4П — записывающий и показывающий текущее значение трех параметров ;

ПВ10.1Э и ПВ10.1П записывающий и показывающий текущее значение регулируемой величины, показывающий значения задания и командного давления, подаваемые к исполнительному механизму, с встроенной станцией управления;

ПВ10.2Э и ПВ10.2П — записывающий и показывающий текущее значение двух параметров (один из них является регулируемой величиной), показывающий значения задания и командного давления, подаваемые к исполнительному механизму, с встроенной станцией управления;

ПВ9.4П — интегрирующий с лішейной зависимостью входного сигнала от контроли-’ руемой величины;

ПИК-1 — интегрирующий с квадратичной зависимостью входного сигнала от контролируемой величины.

Самопишущие приборы с шифром Э имеют привод диаграммной ленты от синхронного электродвигателя напряжением 127 или 220 В, с шифром П — от пневматического двигателя.

В качестве станций управления в пневматических системах автоматизации используются устройства следующих типов;

ДПУ-1 — панель управления дистанционная пневматическая в комплекте с вторичными контрольными и регулирующими приборами, предназначенная для построения одноконтурных схем регулирования. С помощью панели управления осуществляется ручное дистанционное управление исполнительным механизмом, авторегулирование с постоянным заданием, авторегулирование с программным заданием, плавный переход с ручного управления на автоматическое. Панель выполнена на базе элементов У СЭПП А и двухстрелочного манометра МТ211-7;

ДПУ-2 — панель управления дистанционная пневматическая в комплекте с вторичными пневматическими приборами и регуляторами для построения каскадных схем регулирования. С помощью панели управления осуществляется ручное управление исполнительным механизмом, автоматическое регулирование вспомогательной величины.

каскадное регулирование, плавный переход с одного вида работы на другой. Панель управления построена на базе элементов У СЭППА и двухстрелочных манометров МТ211-7;

ПП12.2 — панель управления дистанционная пневматическая, служащая для переключения с автоматического на ручное управление исполнительным механизмом при совместной работе панели управления с пневматическим регулирующим устройством приборов КС-3 и КС-4. Панель построена на элементах У СЭПП А и состоит из ручного задатчика, усилителя мощности, переключающего реле, пневмотумблера и малогабаритного профильного манометра.

Кроме перечисленных станций управления, задатчики и переключатели управления имеют вторичные приборы типов ПВ3.2, ПВШ.ІП, ПВ10.1Э, ПВ10.2П, ПВ10.2Э. Эти приборы имеют три показывающие шкалы; по первой контролируется давление воздуха от датчика регулируемой величины, по второй ~ давление воздуха к исполнительному механизму, по третьей — давление воздуха от задатчика.

Пневматические линии связи. Связь регулируемого объекта с регулятором, а также связи между отдельными функциональными блоками регулятора осуществляются с помощью пневматических линий связи, обладающих принципиально ограниченным быстродействием и оказывающих отрицательное влияние на качество регулирования.

Инерционность пневматических линий связи зависит от их емкости и сопротивления, которые, в свою очередь, зависят от внутренних диаметров и длин трубопроводов, а также от мощности (пропускной способности) усилителей на выходе датчиков, регулирующих устройств и других активных элементов.

Увеличение диаметра трубопровода приводит к уменьшению его сопротивления и, следовательно, к уменьшению инерционности линий связи. Вместе с тем увеличение диаметра трубопровода вызывает увеличение его емкости, что при заданной пропускной способности усилителей мощности приводит к увеличению инерционности линий связи.

Инерционность линий связи в ряде случаев является критерием самой возможности реализации пневматической системы автоматизации. В связи с этим учет требований, предъявляемьіх к пневматическим линиям связи, является необходимым условием обоснованного проектирования системы автоматизации.

На основании экспериментальных иссле

дований установлено, что оптимальным по динамическим свойствам значением внутреннего диаметра трубопровода для пневматических линий связи длиной до 300 м, построенных на приборах комплекса «Старт», является 4,8 —5,0 мм. Для линий связи длиной до 150—200 м влутренний диаметр трубопровода может приниматься равным 4 или 6 мм.

Оценка влияния параметров пневматических линий связи на качество работ автоматической системы регулирования при проектировании и наладке может быть произведена по значению соотношения постоянных времени линии связи и регулируемого объекта