ГЛАВА 11. Электрические средства автоматического регулирования

Электрические средства автоматического регулирования широко используются в энергетике и других отраслях промышленности. К числу достоинств этих средств относятся: простота энергоснабжения; возможность преобразования регулируемых величин различной физической природы в электрический сигнал и передачи его на значительное расстояние; возможность формирования разнообразных алгоритмов функционирования с широким диапазоном изменения параметров настройки регуляторов; удобство централизации управления технологическими процессами; возможность построения сложных систем управления, в том числе многоуровневых с использованием ЭВМ, реализованных в АСУ ТП.

Электрические средства автоматизации в своем развитии насчитывает четыре поколения. При их эволюции произошли значительные изменения в электронной базе, конструктивном исполнении, функциональном составе, технологических характеристиках и сигналах связи.

Первое поколение электрических средств автоматизации характеризуется применением электронных ламп для усиления и преобразовании сигналов, использованием индивидуальных измерительных приборов с естественным (не унифицированным) сигналом связи. Основным типом регулирующих приборов первого поколения были РПИБ – регулирующий прибор импульсного действия с бесконтактным выходом и РПИК – тот же прибор, но с контактным выходом.

Второе поколение электрических средств автоматизации отличается применением полупроводниковых элементов и переходом к блочно-модульному принципу конструирования приборов с унификацией корпусов отдельных блоков и преимущественным использованием унифицированных сигналов связи, главным образом токового сигнала 0 – 5 мА.

В схеме регулирующих приборов этого поколения аппаратура серии РП-2 Чебоксаркского завода электрических исполнительных механизмов и комплекс блоков под общим названием «КАСКАД» Московского завода тепловой автоматики.

Третье поколение характеризуется использованием в качестве элементной базы интегральных микросхем. Это «в частности» агрегатный комплекс электрических средств регулирования «АКЭСР».

К четвертому поколению электрических средств автоматизации относится программируемые регуляторы с автоматической переменной настройкой в зависимости от свойств объекта регулирования «ПРОТАР», «РЕМИКОНТ». В их числе системы приборов автоматического регулирования «РЕМИКОНТ» и «ПРОТАР».

11.1 Электрическая унифицированная система приборов автоматического регулирования «КАСКАД».

Конструктивно структурная схема системы «КАСКАД» состоит из: измерительного и нормирующего блоков, функциональных и регулирующих блоков, исполнительных механизмов, оперативных и вспомогательных устройств. (Рис. 11.1)

Рис. 11.1 Функциональная структурная схема системы «КАСКАД»

Входные сигналы поступают от первичных измерительных преобразователей (датчиков) с унифицированными токовыми сигналами 0-5 мА.

От датчиков с не унифицированными токовыми сигналами сигналы подаются на преобразователи, которые преобразуют их в унифицированные сигналы.

Унифицированные токовые сигналы, пропорциональные значениям регулируемой величины, могут поступать на вход соответственно функциональных блоков, измерительного блока или непосредственно на регулирующие блоки Р-21 и Р-12.

По своему функциональному назначению все устройства, относящиеся к аппаратуре «КАСКАД», делят на следующие группы: статического преобразования информации; динамического преобразования информации; оперативного управления; исполнительные механизмы; вспомогательные устройства.

Устройства статического преобразования информации. Функциональные блоки.Блок суммирования А-04 – обеспечивает суммирование 4-х токовых сигналов 0-5мА, выдача результата также в виде токового сигнала 0-5мА.Блок умножения А-31 – выполняет операции умножения двух сигналов.Блок деления двух токовых сигналов , блок А-32.Блок извлечения корня А-33 – выполняет операцию извлечения квадратного корня в соответствии с зависимостью .Блок ограничения Н-02 – предназначен для применения в схемах автоматического регулирования в качестве устройства, обеспечивающего ограничение токового сигнала по минимуму и максимуму.Блок аналого-релейного преобразования Л-02 – реализует характеристику 2-х позиционного реле с зоной возврата. Используется в схемах синхронизации хода двух исполнительных механизмов и других схемах регулирования.Блок нелинейных преобразований БНП-04 – предназначен для воспроизведения статической функциональной зависимости с помощью кусочно-линейной аппроксимации из шести участков.Блок диффиринцирования Д-01 – реализует передаточную функцию. Используется обычно в каскадных системах регулирования (регулирования температуры и давления пара).Блок динамического преобразования Д-03 – обеспечивает реализацию передаточной функции одного из следующих звеньев:реального дифференцирующего звена; идеального дифференцирующего звена; апериодического, интегрирующего и пропорционального звена. Особенностью блока является возможность дистанционного дискретного изменения коэффициента передачи и постоянной времени этих звеньев.

1-2 Измерительный блок И-04 осуществляет суммирование четырех токовых сигналов 0-5 мА. Служит для формирования сигнала рассогласования между сигналом задания входным и выходным сигналоми.

Устройства динамического преобразования информации.Регулирующий блок аналоговый Р-12 – обеспечивает формирование выходного сигнала постоянного тока 0-5 мА, связанного с входными сигналами пропорциональным (П), пропорционально-интегральным (ПИ), и ПИД законом регулирования и имеет ограничитель выходного сигнала по min и по max, а также обеспечивает сглаживание (демпфирование) пульсаций входных сигналов.

Регулирующий блок релейный Р-21 служит для формирования импульсов управления электрическими ИМ постоянной скорости, в комплекте с которыми обеспечивает ПИ закон регулирования.

Устройства оперативного управления. Устройство задающее потенциометрическое ЗУ-11 предназначено для оперативного изменения задающего значения регулируемой величины с пульта управления. Устройство, задающее токовое ЗУ-05 – обеспечивает формирование задания в виде унифицированного токового сигнала 0-5мА с ручным управлением. Применяется в тех случаях, когда в системе регулирования отсутствует измерительный блок и требуется распределение сигнала задания нескольким потребителям. Блок управления аналогового регулятора БУ-12 – предназначен для переключения выходных цепей регулирующего блока Р-12 с автоматического регулирования на ручное и обратно. Блок управления релейного регулятора БУ-21 – позволяет реализовывать следующие функции:

- переключение цепей управления ИМ постоянной скорости при работе его в комплекте с релейными регулирующим блоком Р-21 с возможностью установки трех режимов: автоматического управления; ручного управления, внешнего управления с блочного щита управления (БЩУ). Блок селектирования БСЛ-04 обеспечивает выделение нпибольшего и наименьшего токового сигнала.

Исполнительные устройства и механизмы. В соответствии с двумя разновидностями регулирующих блоков Р-21 и Р-12 в системе «КАСКАД» имеется два вида усилителей мощности: для усиления аналогового сигнала 0-5мА и дискретного сигнала 0; 24В.

Аналоговый усилитель мощности У-252 используется в комплекте с блоком Р-12 и предназначен для управления объектами , требующими непрерывного измерения электрического сигнала. Релейные усилители мощности используются в комплекте с релейными регулирующими блоками и электрическими ИМ постоянной скорости.

В системе «КАСКАД» с регулирующим блоком Р-21 ИМ снабжаются пусковыми устройствами. Пусковые устройства обеспечивают необходимое усиление мощности управляющих сигналов, поступающих от регулирующего блока, при автоматическом регулировании или при ручном управлении от оператора.

При использовании электрических исполнительных механизмов постоянной скорости управляющие сигналы носят характер импульсов одинаковой амплитуды.

Пусковые устройства могут быть контактные и бесконтактные. Каждый тип пускового устройства рассчитан на работу в комплекте с определенным типом исполнительного механизма. С ИМ типа МЭОБ (механизм электрический однооборотный бесконтактный) используется теристорный усилитель мощности релейного типа У-101. С ИМ типа МЭО (механизм электрический однооборотный) – пускатель бесконтактный реверсивный ПБР-2. С ИМ типа МЭОК (механизм электрический однооборотный контактный) – пускатель магнитный реверсивный ПМРТ.

Контактные пусковые устройства - пускатель магнитный реверсивный предназначен для управления трехфазным асинхронным электродвигателем переменного тока мощностью 0,27 кВт, при напряжении 220/380 В,. либо электродвигатель мощностью 0,4-1 кВт типа МЭОК.

Бесконтактные пусковые устройства (ПБР) применяют для бесконтактного управления электроприводом, используя при этом магнитный или тиристорный усилитель.

Переход на бесконтактные пусковые устройства связан с недостаточной надежностью контактных магнитных пускателей. В тиристорном и магнитном усилителях сигнал, поступающий от регулируемого блока, усиливается до уровня, достаточного для управления исполнительным механизмом.

В состав ИМ входят: асинхронный электродвигатель (2-х или 3-х фазный), редуктор, концевые или путевые выключатели, датчики положения, тормозное устройство, ручной привод.

Электродвигатель с регулятором служит для преобразования электрической энергии в механическую, достаточную для преодоления сил сопротивления от действия среды со стороны регулировочных органов.

Концевые выключатели - используются для отключения пускового устройства при достижении регулировочным органом крайних положений, тем самым, они выполняют защитные функции.

Путевые выключатели служат для ограничения диапазона перемещения регулировочного органа в автоматическом режиме.

Датчики положения - формируют сигнал, пропорциональный углу поворота выходного устройства-вала ИМ. Этот сигнал подается на индикатор положения на пульте оператора, а так же может быть использован в системе управления в качестве сигнала обратной связи по положению регулировочного органа.

Тормозное устройство- устанавливается в ИМ для уменьшения выбега выходного вала в процессе останова электродвигателя.

Ручной привод служит в ИМ для обеспечения возможности перемещения регулировочного органа при входе из строя пускового устройства.

Параметры сигналов связи регулирующих блоков, пусковых устройств и исполнительных механизмов стандартизованы, поэтому один и тот же тип исполнительных устройств может использоваться с различными системами регулирования.

Исполнительные механизмы типа МЭО имеют наибольшее распространение среди электрических ИМ постоянной скорости в составе релейно-импульсных регуляторов. МЭО состоит из 2-х фазного асинхронного электродвигателя (типа ДАУ) многоступенчатого зубчатого редуктора, электромагнитного тормоза и датчика перемещения. Частота вращения выходного вала редуктора при работе электродвигателя постоянна, но может меняться путем изменения передаточного отношения редуктора. Угол полного перемещения выходного вала может устанавливаться в диапазоне 0-90º и 0-240º. Фрикционная муфта электрического тормоза расположена на валу электродвигателя и прижата к нему пружиной. При появлении управляющего сигнала пружина вновь прижимает муфту к валу, при этом разгон и выбег выходного вала находятся в пределах 0,5-1 градуса.

Исполнительные механизмы типа МЭОК предназначены для контактного управления электроприводом и перемещения регулировочных органов АСР. В соответствии с управляющими сигналами, поступающими от регулирующего блока. В корпусе ИМ размещается тихоходный редуктор с электроприводом и узел ручного привода –дублера, а так же датчик перемещения с унифицированным токовым выходным сигналом 0-5 мА и два концевых выключателя.

Исполнительные механизмы типа МЭОБ предназначен для бесконтактного управления сервоприводом и снабжен электромагнитным тормозом, подключенным параллельно обмоткам статора электродвигателя.

Вспомогательный устройства системы «КАСКАД». Блок указателей В-12 содержит два стрелочных индикатора один из которых используется для контроля выходного сигнала аналогового регулирующего прибора Р-12 или в качестве индикатора положения ИМ, а второй для контроля сигнала рассогласования на входе в Р-12. Блок сигнализирующих приставок В-21, используемых при работе релейного регулирующего блока Р-21 с магнитным пускателем ПМР-69.

11.2 Агрегатный комплекс электрических средств регулирования «АКЭСР».

«АКЭСР» по сравнению с другими комплексами средств автоматического регулирования имеет ряд особенностей, основные из которых следующие:

- широкое использование интегральных микросхем специального и общего назначения, благодаря чему сокращаются габариты отдельных модулей и обеспечивается высокая надежность устройств.

- повышение функциональности и насыщенности отдельных блоков. Каждый блок АКЭСР может выполнять обычно несколько функций одновременно, что приводит к сокращению общего числа блоков в схеме управления. Расширение функциональных возможностей системы управления, среди которых выполнение дистанционного изменения параметров динамической настройки параметров регулирующих блоков.

- выполнение дистанционного и автоматического переключения режима работы схемы регулирования с помощью блоков управления. Широкий выбор унифицированных электрических сигналов связи - токовых и напряжения.

Блочно модульный принцип агрегатированного построения «АКЭСР» позволяет проектировать и применять комплексные АСР практически любой сложности с различными вычислительными и логическими функциями.

Функциональная структурная схема «АКЭСР». По функциональному назначению комплекс АКЭСР содержит следующие блоки: кондуктивного разделения, функциональные, регулирующие, оперативного управления и исполнительные устройства.

Рис. 11.2 Функциональная структурная схема «АКЭСР».

Блоки кондуктивного разделения(БКР). БКР образуют группу устройств ввода – вывода информации. В каждом из 3-х модификаций БКР производится преобразование токового сигнала (0-5; 0-20; 4-20 мА) в сигнал напряжения (0-10В), а так же демпфирование (сглаживание) сигнала или дифференцирование с помощью реального дифференциального звена с постоянной времени Т=0-24с и коэффициентом усиления К=0,5-24. Блок БКР-1 в дополнение к общим функциям выполняет алгебраическое суммирование 3-х сигналов с масштабированием 2-х из них. Блок БКР-2 отличается тем, что имеет два независимых идентичных канала, каждый из которых реализует указанные выше функции.

Блок БКР-3 в дополнение к общим функциям так же обеспечивает двухпредельную сигнализацию с независимой установкой порогов срабатывания и контактным выходом. Для ввода сигналов в систему регулирования может применятся та из модификаций БКР, которая в большей степени отвечает функциональной структуре схемы. Если специальная функция не требуется, то используют БКР-2 для сокращения количества аппаратуры. Для вывода аналоговых сигналов из схемы регулирования с выдачей токового сигнала предназначен блок БКР-1.

Функциональные блоки.Функциональные блоки предназначены для статического преобразования информации.

Блок вычислительных операций является универсальным вычислительным устройством и обеспечивает выполнение следующих операций: умножение двух сигналов; возведение в квадрат; деление двух сигналов; извлечение квадратного корня; кроме того блок содержит два сумматора входных сигналов;

БСГ – блок сигнализации служит для сигнализации о достижении установленных значений. Позволяет реализовать релейную характеристику (Рис. 11.3) двухпозиционную (а) трехпозиционную (б).

Рис. 11.3 Релейные характеристики

БНП – блок нелинейных преобразователей позволяет реализовать нелинейную зависимость выходного сигнала от входного путем кусочно-линейной аппроксимации из шести участков, обеспечивает суммирование двух сигналов с масштабированием одного из них.

БСЛ – блок селектирования – содержит 4 сумматора с умножением на постоянный коэффициент. Блок позволяет: выделять наибольший и наименьший сигнал из комбинации входных сигналов; воспроизводить простейшие нелинейные зависимости, как ограничение выходного сигнала, зона нечувствительности и др;

Все рассмотренные блоки статического преобразования информации рассчитаны на сигналы по напряжению.

Функциональные блоки динамического преобразования информации. БПИ - блок прецизионного интегрирования - служат для преобразования дискретного входного сигнала в аналоговый выходной и интегрирования аналогового сигнала с логическим управлением и сохранением информации в перерывах питания.

БДП – блок динамических преобразователей может выполнять одновременно функции сумматора и интегратора, либо дифференциатора.

Устройства динамического преобразования информации – регулирующие блоки. Регулирующий блок импульсный (РБИ) предназначен для формирования ПИ и ПИД законов регулирования в автоматах регуляторах, содержащих ИМ постоянной скорости.

Выпускаются три основные разновидности РБИ отличающиеся дистанционной подстройки параметров регулятора: постоянной времени интегрирования Та и скорости связи Vсв, скорости заряда RC-цепочки обратной связи.

РБИ – 1 не имеет дистанционной подстройки параметров.

РБИ – 2 обеспечивает дистанционную подстройку параметров Vсв и Та.

РБИ – 3 обеспечивает аналоговую дистанционную подстройку параметров.

Регулирующий блок аналоговый РБА – обеспечивает формирование сигнала рассогласования и его динамическое преобразование в выходной аналоговый (плавно меняющийся) сигнал в соответствии с П-, ПД-, ПИД- или ПИД- законом регулирования с ограничением выходного сигнала по верхнему либо нижнему уровню. Блок обеспечивает переключение с режима ручного управления на автоматический и обратно. Блок РБА имеет 5 входов для аналоговых сигналов по напряжению и два входа для сигналов по току и выходы как по напряжению, так и по току.

Блоки оперативного управления и исполнительные устройства.Ручные задатчики РЗД и РЗД-К которые обеспечивают ручную установку задания в виде унифицированного аналогового сигнала по току или по напряжению.

Задатчик РЗД-к кнопочный содержит дистанционный переключатель на два положения с импульсным управлением, а так же кнопку для ручной установки переключателя в одно из положений. Блок ручного управления БРУ служит для перевода управления ИМ с ручного на автоматическое и обратно, а так же для работы ИМ в режиме ручного управления. Блок имеет три кнопки: Кн. А – включение автоматического режима. Кн. «Меньше» - ручное управление в сторону «меньше». Кн. «Больше» - ручное управление в сторону «больше».

БРУ имеет модификации по исполнению и функциям, так, например, БРУ-У имеет встроенный указатель для индикации выходного сигнала регулирующего блока РБА, интеграторов БПИ и БДП, а так же для индикации положения ИМ при наличии соответствующего датчика положения с унифицированным сигналом.

В системе «АКЭСР» используются те же исполнительные устройства, что и в аппаратуре «КАСКАД», благодаря унификации выходных сигналов регулирующих блоков.

11.3 Система приборов автоматического регулирования «РЕМИКОНТ».

«РЕМИКОНТ» это регулирующие микропроцессорные контроллеры. Они представлены тремя сериями: ; ; .

Контроллеры «РЕМИКОНТ» серии ; представляют собой микропроцессорные устройства управления, архитектура которых оптимизирована для решения задач автоматического регулирования технологических процессов в энергетической, металлургической, химической и др. отраслях промышленности.

Основные функции контроллеров ; : локальное, каскадное, программное, многосвязное регулирование, управление с переменной структурой; формирование ПИД- законов регулирования; выполнение разнообразных статических и динамических преобразований аналоговых сигналов; обработка и формирование дискретных сигналов; выполнение всех алгоритмических задач, которые решаются с помощью традиционных аналоговых приборов автоматического регулирования; формирование программно-изменяющихся во времени сигналов; выполнение операций управляющей логики.

В состав серии входят две модели контроллеров: модель -одиночный «РЕМИКОНТ» и дублированный «РЕМИКОНТ»- модель , каждый из которых рассчитан на большое (40-200) число входных- выходных сигналов.

В состав серии также входят две модели контроллеров: одиночный «Ремиконт» и дублированный – модель на среднее (15-90) число входных -выходных сигналов.

Технические характеристики контроллеров и :

- количество сигналов ввода: аналоговых-64, дискретных-126;

- количество сигналов вывода: аналоговых-64, дискретных-126, импульсных-64;

- количество выполняемых функций (алгоритмов) -45;

- входные сигналы: аналоговые постоянного тока , , мА, напряжения постоянного тока В, дискретные напряжением В;

- выходные сигналы: аналогичные входным, дискретные рассчитаны на максимальное напряжение В и максимальный ток нагрузки А;

- питание от сети переменного тока напряжением , В при частоте , Гц;

- потребляемая мощность - ВА;

- время сохранения информации при отключении питания -360 часов;

- точность установки сигнала задания - .

Контроллер «РЕМИКОНТ» Р-130 малоканальный многофункциональный регулирующий.

«Ремиконт» серии Р-130 предназначен для построения современных автоматизированных систем управления технологическими процессами и позволяет выполнять оперативное управление с использованием персональных ЭВМ, автоматическое регулирование, автоматическое логико- программное управление, автоматическое управление с переменной структурой, защиту и блокировку, сигнализацию, регистрацию событий.

Контроллер Р-130 применяется для управления сложными технологическими процессами с большим числом контролируемых параметров и управляющих сигналов. Он имеет проектную компановку, которая позволяет пользователю выбрать нужный набор модулей и блоков согласно числа и вида входных- выходных сигналов. Входные сигналы от термопар ТХК, ТХА, ТПР, ТВР, ТИП, сигналы от термометров сопротивления ТСМ, ТСП; унифицированные аналоговые сигналы постоянного тока , , мА; В; дискретные сигналы. Выходные сигналы: постоянного тока, аналогичные входным, дискретные.

Напряжение питания от сети переменного тока 220 или 240 В; постоянного тока 24 В.

Время сохранение информации при отключении питания -168 часов. Потребляемая мощность-15 ВА.