Общие сведения о пневматических средствах автоматизации

Пневматические средства автоматизации (ПСА) представляют собой технические устройства и приборы, использующие энергию сжатого воздуха. ПСА пожаро- и взрывобезопасны, обладают высокой надежностью при работе в условиях агрессивных сред, электромагнитных воздействий и изменений температуры; достаточно просты в эксплуатации.К недостаткам ПСА относят низкий функционал, сравнительно низкое быстродействие, обусловленное небольшой скоростью передачи пневмосигналов (близкой к скорости звука в воздуховоде); невозможность построения высокоточных вычислительных устройств; относительно высокую энергоемкость.

Область применения Вследствие этого ПСА применяют чаще всего для автоматизации достаточно инерционных ТОУ с постоянными времени не менее 10-30 с; максимальная длина пневмокоммуникаций в таких системах управления не должна превышать 250- 300 м. Несмотря на эти ограничения, в химической промышленности ПСА составляют 60- 70% от общего числа средств автоматизации.

Уровень аналогового сигнала 20-100 кпа. Дискретные от 110 -1, до 10-0

Принципы конструирования ПСА. Серийные ПСА строят на основе принципов компенсации перемещений и сил; принцип сравнения расходов пока не нашел применения в приборостроении.

Устройства и приборы ПСА, построенные на принципе компенсации перемещений, основаны на преобразователях пневмосигналов в линейные перемещения и содержат механические рычаги, тяги и другие элементы. Такие устройства имеют сложную механическую часть, обладают небольшими коэффициентами усиления и низкой эксплуатационной надежностью. Принцип копменсации перемещений широко применяли при конструировании ПСА в 40-50-е годы; в 70- 80-е годы его иногда используют при создании встроенных регуляторов.

Устройства ПСА, базирующиеся на принципе компенсации сил, содержат преобразователи давлений в усилия и мембранные компараторы. Для таких устройств характерны почти полное отсутствие механических узлов, малые перемещения чувствительных элементов и большие коэффициенты усиления. На этом принципе сконструированы пневматические устройства и приборы ГСП [34, 35].

16 Конструктивное оформление ПСА. Отечественные ПСА имеют четыре условных уровня агрегатизации: элементный, модульный (агрегатный); приборный и блочный.

Под элементом в ПСА понимают законченную конструкцию, предназначенную для выполнения одной простой операции (усиление, ^сложение, преобразование и т.п.). Элементы условно классифицируют а простые (неделимые) и сложные (составные). Простые элементы 'Дроссели, емкости, мембраны, пружины и др.) не имеют самостоятельного значения в ПСА, их используют для конструирования более ^{: л}ожных элементов (типа пневмокамер, усилителей, реле и т.п.).

Совокупность элементов с унифицированными сигналами и единым конструктивным оформлением образует систему элементов. Применяемые системы элементов ПСА обычно избыточны, в их состав входят более сложные узлы, ячейки, модули с единым конструктивным оформлением. Отечественные ПСА базируются преимущественно на универсальной системе элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА), комплексе миниатюрных элементов и модулей пневмоавтоматики (КЭМП) и - частично - системе элементов струйной техники.

Элементы ПСА по характеру изменения сигналов во времени разделяют на аналоговые и дискретные. Сигналы аналоговых элементов изменяются в стандартном диапазоне (20-100) кПа, дискретные сигналы принимают условное значение " О" (не более 10 кПа) и " 1" (не менее ПО кПа). Питание всех элементов УСЭППА и КЭМП осуществляется сжатым воздухом давлением (140 ± 14) кПа.

Элементы УСЭППА и КЭМП конструктивно допускают " печатный" монтаж на платах с расположенными в них межэлементными каналами. Элементы УСЭППА имеют небольшие габаритные размеры - в среднем 40x40x50 мм; линейные размеры элементов КЭМП уменьшены в 1, 5- 2 раза.

Элементы ПСА применяют для построения более сложных устройств - модулей (ячеек), выполняющих самостоятельные функции типа интегрирование, дифференцирование, запоминание и т.п. Конструктивно модуль представляет собой единое устройство, состоящее из группы элементов, которые закреплены на унифицированной плате и соединены внутренними коммуникационными каналами.

Модули с унифицированными информационными и конструктивными характеристиками называют агрегатами. Каждый агрегат предназначен для выполнения определенной функции системы контроля или регулирования, например сигнализации, стабилизации, регистрации. Агрегатные унифицированные системы (АУС) широко применяли в 50- 60-е годы для автоматизации химических производств.

Приборное конструктивное оформление ПСА предполагает размещение в корпусе одного прибора всех (или почти всех) ячеек, реализующих АСР - измерительного, задающего, регулирующего и регистрирующего устройства. Приборные ПСА строят по принципу компенсации перемещений, что снижает их функциональные возможности и усложняет эксплуатацию. Такие ПСА широко применяли для автоматизации химических производств в 30- 50-е годы; в настоящее время их иногда производят в форме встроенных регуляторов [34].

Блочное конструктивное оформление ПСА применяют при построении систем контроля и управления сложных ТОУ. В этом случае систему управления делят на ряд взаимосвязанных блоков, содержащих однотипные функциональные агрегаты или модули, например регуляторы, регистраторы, сигнализаторы и т.п. Блочная компоновка упрощает проектирование, монтаж и эксплуатацию пневматических систем управления. Блочный принцип построения широко используют при создании пневматических и пневмоэлектрических комплексов ТСА

Устройства и приборы ПСА, построенные по принципу компенсации перемещения, преобразуют пневматические сигналы в линейные перемещения и содержат рычаги, тяги и т.д. Такие приборы имеют низкие коэффициенты усиления и невысокую эксплуатационную надежность. В настоящее время этот принцип применяется при разработке встроенных регуляторов.

Устройства ПСА, базирующиеся на принципе компенсации сил, содержат преобразователи давления (усилия) и мембранные компараторы. Для таких устройств характерно почти полное отсутствие механических узлов, малое перемещение чувствительных элементов и, следовательно, большие коэффициенты усиления.
2 Элементы и устройства пневматических средств автоматизации

Пневмосопротивления (ПС) применяют для создания местного сопротивления потоку воздуха и изменения его расхода G. Пневмосопротивления разделяют на постоянные, регулируемые вручную и переменные. Впостоянных ПС типа жиклер, капилляр (рис. 7.2, а, б) площадь F проходного сечения неизменна. В регулируемых ПС типа конус - конус, цилиндр - цилиндр, шарик - цилиндр (рис. 7.2, в, г, д) и переменных дросселях типа сопло - заслонка (рис. 7.2, е) площадь F изменяет человек или какое-либо техническое устройство.

По режиму течения воздуха ПС делят на ламинарные (обычно капилляры), турбулентные (жиклеры) и смешанные. Статические характеристики пневмосопротивлений С = f(P_l, Р₂, F) обычно нелинейны, но при малом перепаде давления Др = p_l - Р₂ их можно линеаризовать в виде G* о (Pi - Р₂)» ^{где fl} ~ коэффициент проводимости дросселя. Такая линеаризация справедлива для ламинарных ПС приД Р< (20-30) кПа, для остальных - при ДР< (10-20) кПа. Статическая характеристика дросселя типа сопло - заслонка линейна при перемещениях Л< (0, 06-0, 08) мм.

Наибольшее применение в ПСА получили постоянные ПС типа П2Д.4, САМП-4 с отношениями диаметров d к длинам капилляра L, равными 0, 18/20; 0, 3/20; 0, 18/7; 0, 5/20, и САМП-4 с отношениями d/L * =0, 18/40; 0, 4/20. В состав УСЭППА входят регулируемые дроссели конус- конус и цилиндр- цилиндр типов П2П.2М, П2П.1М. Их аналогами в КЭМП являются САМП-1, 2, 3.

Пневмопроводы служат для передачи импульса давления (реже -расхода) на расстояния до 250 - 300 м. Их изготовляют из пластмассовых (металлических) трубок внутренним диаметром d = 4- 8 мм. Динамику безрасходного пневмопровода длиной L приближенно описывают передаточной функцией

W(s)= ехр{-τ s}/(T₁s+1),

где время запаздывания τ ≈ (2- 3)L/ν ₀; ν ₀ - скорость звука в воздухе; постоянная времени T₁ = 1- 15 с.

Мембраны применяют для преобразования давления Pили перепада Δ Р в перемещение h или в силу Ф. Наиболее часто используют " вялые" плоские или гофрированные мембраны из тонкой прорезиненной ткани с малой собственной упругостью. Такие мембраны имеют жесткие центры диаметром d_ци при малых h рассматриваются как усилительные звенья с передаточной функцией

W(s) = Ф(s)/Δ P(s) = F_э

где эффективная площадь F_э = π (d_м² + d_ц² + d_м d_ц)/12; d_м - диаметр заделки мембраны.

Силъфоны предназначены для преобразования перепада Δ Р в перемещение h или силу Ф. Тонкостенные гофрированные сильфоны со значительным коэффициентом собственной жесткости k_c при Δ Р < 200кПа в области низких частот рассматривают как линейные усилительные звенья с передаточной функцией

W(s) = Ф(s)/Δ P(s) = F_э/k_c,

где эффективная площадь F_э ≈ π (d_H + d_B)3/16; d_H и d_B - наружный и внутренний диаметры сильфона.

Рис. 7.1. Схемы емкостей:

а — постоянного объема; б — условное обозначение емкости

Рис. 7.2. Схемы пневматических сопротивлений:

в — жиклер; б — капилляр; в — конус — конус; г — цилиндр — цилиндр; д — шарик — цилиндр; е — сопло — заслонка

Пружины используют в пневматических устройствах для преобразования силы Фв перемещения h. В области низких частот цилиндрические пружины с коэффициентом жесткости k_п характеризуют как усилительные звенья с

W(s) = h(s)/Ф(s) = l/k_п.

Рычаги -суммирование перемещений и сил
3)

Усилители давления предназначены для усиления алгебраической суммы одного, двух или четырех давлений.

Одновходовые усилители строят на базе переменного ПС типа сопло - заслонка и стабилизатора перепада давления Р₀ - Р (рис. 7.5, a). В таком усилителе заслонку, закрепленную на жестком центре мембраны М, перемещает сила F _ЭР₁. При изменении давления Р мембрана обратной связи М₀ передвигает шарик Ш переменного ПС до восстановления баланса сил PF₀ - Ф = P₀F₀, где F₀ - эффективная площадь мембраны М₀; Ф -усилие пружины (на рис. 7.5, a использовано условное обозначение питания). Статическая характеристика усилителя линейна при малых перемещениях сопла, коэффициент усиления не зависит от перепада Р₀ - Р и достигает значения 1, 5•10³ кПа/мм. Усилитель применяют в приборных конструкциях ПСА.

Двух- и четырехвходовые усилители конструируют на основе двух последовательно включенных переменных ПС типа сопло-заслонка и мембранного сумматора сил, формируемых давлениями Р₁ P₂ или Р₁ –P₄ (рис 7.5 б, в)- Возникающий разбаланс сил на сумматоре компенсируется за счет собственной жесткости " вялых" мембран. Обычно эта жесткость невелика, и зона линейности статической характеристики

P = f(Δ P), Δ P=P₁ –P₂ или Δ Р=Р₁ + Р₃ –Р₂-Р₄,

также очень мала и не превышает 200 Па для двухвходового и 400 Па - для четырехвходового усилителя (коэффициенты усиления равны 600 - 700 и 300 - 400 Па/Па соответственно). Статическая характеристика усилителей имеет малое начальное смещение │ С │ ≤ 200 Па и небольшую зону гистерезиса.

Усилители давления УСЭППА называют элементами сравнения. Трехмембранный элемент П2ЭС.1 (рис. 7.5, 6) сравнивает два давления Р\ и Р₂ и в зависимости от знака их разности формирует на выходе сигнал ^Я0" или " 1" (в системе КЭМП аналогичный элемент назван компаратором КАМП). В пятимембранном элементе П2ЭС.З сравнивают три давления (на рис. 7.5, в камера Д соединена с атмосферой); выходной сигнал вне зоны линейности равен нулю или единице.

Усилители- мощности предназначены для увеличения расхода воздуха без существенного изменения его давления. Такие усилители называют пневмоповторителями и применяют для разделения пневматических устройств на независимые по расходу части. Различают точные (маломощные) и грубые (мощные) повторители, имеющие разные классы точности и расходы воздуха.

Точный повторитель строят на одновходовом усилителе, состоящем из мембранного сумматора сил и двух ПС (рис. 7.6, а). Такой повторитель типа П2П. 1 обладает погрешностью 0, 25%; в полосе частот от 0 до 5 рад/с его рассматривают как усилительное звено.

Грубый повторитель (рис. 7.6, б) состоит из двухмембранного сумматора ∑ и двух последовательно включенных переменных ПС (клапанов) К₁ и К₂ с большими проходными сечениями. Такой повторитель типа П2П.З воспроизводит входное давление P₁ с погрешностью 3% и имеет расход воздуха до 400- 450 л/ч. Повторители П2П.З устанавливают на выходе пневматических приборов и регуляторов.

3 Релейные элементы ПСА используют для реализации зависимости Р =sign Δ P (где Δ P –P₁ - Р₂, P₁, Р₂ – входные сигналы). Реле строят на базе двухвходовых усилителей давления с положительной обратной связью и регулируемым смещением С статических, характеристик. Для создания смещения в одну из камер усилителя вводят малое или большое давление подпора, равное 30-40 или 70-80% от давления питания Р_п (на схемах ПСА камера малого подпора имеет одинарную штриховку, большого - двойную).

На рис. 7.7, a показаны схема и статическая характеристика реле с малым смещением С ≈ 0 и большой зоной гистерезиса Г, возникающей из-за действия обратной связи по давлению. На рис. 7.7, б приведена схема реле с большим смещением с и зоной гистерезиса.

В УСЭППА входят трехмембранные реле типа П1Р.1 (см. рис. 7.7, 6), П1Р.З (см. рис. 7.7, а) и РУП-1М. В составе КЭМП специальных релейных элементов нет, их функции выполняют клапаны.

3 Устройства ПСА. К устройствам, состоящим из нескольких элементов, условно относят мощные повторители, интеграторы, умножители, дифференциаторы, сумматоры, селекторы, квадраторы и т.п. Некоторые из этих устройств конструктивно оформлены как единое изделие (например, сумматоры, дифференциаторы и т.д.), другие устройства (интеграторы, генераторы и т.п.) используют только как составные части приборов и регуляторов.

Точные мощные повторители строят на базе повторителя типа П2П.7 и оформляют как самостоятельное изделие, либо конструируют на основе двухвходового усилителя давления и грубого повторителя, охваченных отрицательной обратной связью ОС (рис.7.11, а). Такой повторитель ПП1.5 имеет класс точности 0, 5 и обеспечивает расход воздуха 180-200 л/ч.

Устройство алгебраического суммирования типа ПФ1.1М1 реализует с погрешностью 1 % зависимость Р=Р₁ – P₂ + P₃ –H₁+ H₂ где Р₁, Р₃ – входные сигналы, H₁, H₂ – опорные давления из интервала (20 -100) кПа. В состав устройства (рис. 7.11, б) входят семимембранный элемент сравнения, усилитель мощности, два задатчика и линия обратной связи ОС.

Умножители сигнала на константу k с погрешностью 0, 5% выполняют операцию P = k(P₁ - Н)+Н, где k Є (0, 2, 1) или k Є [l, ∞ ], H = 20 кПа. Устройство умножения ПФ1.3.9 (рис. 7.12) состоит из задатчика для получения сигнала H, дроссельного сумматора, двухнходового усилителя УС, охваченного отрицательной обратной связно ОС, и усилителя мощности типа П2П.7. Переключатели П₁, П₂ сложат для установки диапазона изменения k (для k < 1 коммутация сигналов показана на рис. 7.12 сплошными линиями).

Простейший интегратор реализуют с помощью глухой камеры с постоянной времени Т и ламинарным ПС. Он не имеет обратной связи и обеспечивает приемлемую точность только при малых (по сравнению с Т) значениях времени интегрирования.

Чаще всего интеграторы строят на базе мембранного сумматора и глухой камеры объема V, охваченных положительной обратной связью (рис. 7.13, а). Динамика интегратора характеризуется передаточной функцией

W(s)=P(s)/Δ P(s) = l/(Ts),

где Δ P = P₁ - Р₂; Т = V/(Rθ b); b - проводимость ПС. Погрешность данного интегратора составляет 2-3%. Для уменьшения погрешности интегрирования применяют несколько повторителей и камер.

Устройства дифференцирования строят на основе тоехмембранного усилителя УС, охваченного отрицательной обратной связью ОС с глухой камерой (рис. 7.13, 6). Если коэффициент усиления УС k> > 1 " паразитные" емкости малы, то динамику рассматриваемого идеализированного устройства предварения описывают передаточной функцией

W(s)=P₂(s)/P₁(s)=T_пs+1.

Рис. 7.13. Схемы пневматических устройств: а — интегратора; б — дифференциатора;

Для преобразования его в идеальный дифференциатор с передаточной функцией

W(s)=P(s)/P₁(s)=T_пs. следует ввести дополнительный сумматор ∑, в котором из давления Р₂ необходимо вычесть P₁ (на рис. 7.13, б дополнительные коммуникации ∑ показаны пунктиром). Для обеспечения условной знакопеременности P(t) в сумматор ∑ вводят опорное давление Р₀.

4 Преобразователи пневмоэлектрические и электропневматические предназначены для преобразования рода энергии непрерывных сигналов.

Рис. 7.16. Схемы устройства преобразования рода сигнала:

a —пневмоэлектрический преобразователь ППЭ-2; б — электропневматический преобразователь ЭП-0000

Преобразователь типа ППЭ-2 преобразует с погрешностью 1 % пнев­матический сигнал в сигнал постоянного тока 0-5, 0-20 или 4-20 (при нагрузке на выходе не более 2, 5 кОм). Принципиальная схема устройства приведена на рис. 7.16, а. Пневмосигнал p1 поступает в манометрическую трубку (Д), которая перемещает постоянный магнит (М) в управляемом дросселе (УД) с обмотками возбуждения (0В) и обратной связи (ОС). Электрический сигнал, пропорциональный Р1, выделяется на сопротивлении R, включенном через триггер Шмидта Т в обмотку 0В. Сигнал от резистора R поступает на усилитель (УС) и далее на выход преобразователя. Часть тока I_в вводят в обмотку ОС дросселя. В контуре < < С триггер Т - обмотка 0В - сопротивление R> > возникают автоколебания тока, среднее значение и знак которого пропорциональны величине и направлению перемещения магнита М и выходному току I_в. Параметрами настройки преобразователя служат сменное сопротивление r1 и корректор нуля в УС.

Преобразователь ЭП-0000 преобразует электрические сигналы 0-5, 0-20 или 4-20 мА в давление воздуха 20- 100 кПа. Принципиальная схема преобразователя приведена на рис. 7.16, 6. Входной сигнал Iв вводят в катушку (К), в которой расположен постоянный магнит М, притягивающий с определенной силой, пропорциональной I_в, рычаг I. Это ведет к изменению расстояния между соплом и заслонкой в ПС и давлений на входе p1 и выходе Р усилителя мощности. Одновременно изменяется давление в сильфоне С, включенном в контур отрица­тельной обратной связи, что приводит к восстановлению равновесия рычажного сумматора X. Настройку преобразователя производят винтом Я, изменяющим расстояние от оси сильфона до оси вращения I, а также шунтом постоянного магнита. Серийно выпускают 4 моди­фикации ЭП-0000 в разных исполнениях: обыкновенном, защищенном от пыли (влаги) и агрессивной среды, электробезопасном.