АСУ

Исполнительные устройства (Лекция)

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Исполнительные устройства

2. Регулирующие органы

 

1. Исполнительные устройства

Устройство автоматической системы управления, воздействующее на технологический процесс в соответствии с полученным от управляющего устройства командным сигналом, называется исполнительным устройством. Выходным параметром исполнительного устройства (ИУ) является расход вещества или энергии, поступающих в объект управления или выходящих из него, а входным – командный сигнал управляющего устройства.

Исполнительное устройство содержит, как правило, несколько функциональных блоков: усилитель мощности; исполнительный механизм; регулирующий орган; датчик положения; блок обратной связи; блок сигнализации крайних положений; блок ручного управления.

В зависимости от конкретных условий структура и конструкция ИУ могут существенно различаться. Например, если управляющим воздействием является изменение потока электроэнергии (в аппаратах с электрообогревом, в электролитических ваннах, в электролизерах), то необходимость в исполнительном механизме и регулирующем органе отпадает, а роль исполнительного устройства играет усилитель. В ряде устройств регулирующий орган является частью технологического оборудования. Например, при формовании полимерных пленок, асбестоцементных плит, металлического проката толщина изделия регулируется за счет изменения расстояния между прокатными валками, которые и являются в данном случае регулирующим органом.

Структура исполнительного устройства может быть разнообразной. Например, микропроцессорная техника позволяет регуляторы встраивать в исполнительные устройства, тем самым превращая ИУ в комбинированные устройства для управления различными технологическими параметрами.

По виду действия ИУ делятся на нормально открытые (НО) и нормально закрытые (НЗ). При прекращении подвода энергии, создающей перестановочные усилия, проходное сечение нормально открытого ИУ полностью открывается, нормально закрытого ИУ – полностью перекрывается.

Исполнительные устройства типа НО целесообразно применять, когда при аварийном прекращении подачи воздуха в исполнительный механизм безопасно иметь открытую технологическую линию (трубопровод). В противном случае применяют исполнительные устройства типа НЗ. Например, в ректификационной колонне на технологических линиях подачи исходного сырья и теплоносителя для его подогрева, а также на линиях отбора высококипящего и низко-кипящего компонентов ставят исполнительные устройства типа НЗ; на линиях же подачи пара в куб ректификационной колонны и орошения в верхнюю часть (укрепляющую) ректификационной колонны устанавливают исполнительные устройства типа НО. В случае аварийной ситуации ректификационная колонна работает «сама на себя». Из такого состояния ректификационную колонну легче вывести на заданный режим, чем из состояния полного ее останова.

Исполнительное устройство является «рабочей лошадкой» процессов управления. Одно из главных требований к ИУ – высокая надежность работы. В большинстве современных контуров управления используются датчики и регуляторы без движущихся частей. Единственным элементом контура, содержащим движущиеся части, остается исполнительное устройство. Следовательно, оно наиболее подвержено износу и коррозии и требует повышенного внимания для того, чтобы находиться в рабочем состоянии. К сожалению, исполнительное устройство является также и наиболее затратным элементом контура регулирования. На его долю приходится от 50 % до 75 % капитальных затрат на контур регулирования и до 90 % затрат на ремонт и текущие расходы.

 

Рис. Схемы клапанов с мембранными исполнительными механизмами

 

Правильный выбор и расчет исполнительных устройств имеет первостепенное значение, поскольку погрешности в их работе непосредственно влияют на качество управления.

Основными функциональными блоками ИУ являются исполнительный механизм и регулирующий орган.

 

2. Регулирующие органы

Регулирующий орган (РО) – это техническое средство изменения материального или энергетического потока, влияющего на регулируемую величину в ОУ. Это устройство, непосредственно воздействующее на ОУ для поддержания заданного значения регулируемой величины или изменения ее по заданному закону. Регулирующие органы различаются по непрерывности воздействия на расход рабочей среды, по конструкции, по пропускным характеристикам, по типоразмерам, по материалам, применяемым для их изготовления, области применения.

Для непрерывного регулирования расхода жидкостей и газов в химической промышленности широко применяются дроссельные РО, представляющие собой переменное гидравлическое сопротивление для протекающей рабочей среды. Изменение расхода рабочей среды осуществляется за счет изменения проходного сечения РО.

Распространены также устройства для регулирования расхода рабочей среды изменением располагаемого напора. К этому классу РО можно отнести приводы с регулируемой угловой скоростью вращения, устройства для ее изменения.

Для регулирования расхода сыпучих материалов применяются питатели: ленточные, шнековые, скребковые, дисковые, лопастные и т.д.

 

2.1. Дроссельные регулирующие органы

К дроссельным РО можно отнести регулирующие клапаны различных конструкций (односедельные, двухседельные, клеточные, шаровые, трехходовые, шланговые, диафрагмовые и др.), поворотные заслонки, шиберы, краны и т.д.

Среди регулирующих клапанов дроссельного типа различают клапаны прямого и обратного действия. У клапанов прямого действия затвор при движении вниз уменьшает проходное сечение РО, а у клапана обратного действия – увеличивает.

Иногда, в зависимости от характера движения и формы затвора, различные конструкции РО объединяют в конструктивные группы: с плунжерным затвором (односедельные, двухседельные, клеточные, трехходовые); бесплунжерные (шланговые, диафрагмовые), с поворотным затвором (шаровые, поворотные заслонки).

По числу затворов дроссельные устройства делятся на односедельные и двухседельные.

В односедельном РО проходное сечение образовано одним цилиндрическим или профилированным затвором 2, который перемещается вдоль оси неподвижного седла 3. При перемещении затвора изменяется проходное сечение и соответственно расход среды, проходящей через РО. Односедельные РО применяют в ИУ малых размеров при низких давлениях среды. Для регулирования расхода особо агрессивных сред применяют футерованные односедельные РО. Материалом футеровки служат пластические материалы, такие как фторопласт, пентапласт и т.д. Основным недостатком односедельных РО является неразгруженный затвор, поскольку регулируемая рабочая среда действует на плунжер сверху и снизу с разной силой, так как находится под разным давлением. Это приводит к необходимости применять сравнительно мощные исполнительные механизмы.

 

Рис. Схемы регулирующих органов

 

В двухседельном РО проходное сечение образовано двумя цилиндрическими или профилированными затворами, перемещающимися вдоль оси двух неподвижных седел. При перемещении затворов изменяется проходное сечение и соответственно расход среды, проходящей через РО. Двухседельные РО отличаются высокой надежностью и применяются для изменения расходов жидкостей, паров и газов, параметры которых могут изменяться в широких пределах. Пропускная способность двухседельного РО примерно в 1,6 раза выше пропускной способности односедельного РО при одинаковом диаметре условного прохода. Затвор двухседельного РО разгружен, так как усилия, создаваемые регулируемой средой, действуют на плунжеры в противоположных направлениях. Разгрузка затвора в двухседельных РО по сравнению с односедельными улучшает качество регулирования и снижает необходимое перестановочное усилие ИМ, а следовательно, габариты и массу ИМ.

Односедельные и двухседельные РО не применяются для изменения расхода суспензии или пульпы, а также расхода жидкостей, способных к кристаллизации. В противном случае твердые частицы оседают в нижней части регулирующего органа, что препятствует нормальному перемещению его затвора. Кроме того, наличие твердых частиц в движущейся среде приводит к износу корпуса и поверхностей затвора, а также седел.

В клеточном РО проходное сечение образовано профилированными отверстиями в клетке 2 и затвором 3, перекрывающим эти отверстия. Затвор 3 представляет собой полый цилиндр с отверстиями в верхнем торце для уравновешивания давлений над затвором и под ним. Затвор перемешается в клетке-направляющей 2, которая одновременно служит седлом затвора. В данной конструкции затворная пара имеет не одну, а две посадочные поверхности, что позволяет значительно повысить герметичность регулирующего органа. В клеточном регулирующем органе устранены недостатки односедельного РО (неразгруженность затвора) и двухседельного РО (негерметичность затвора).

В шланговом регулирующем органе регулируемая среда проходит через эластичный патрубок 3 (шланг), который, деформируясь под действием усилия, развиваемого исполнительным механизмом, изменяет площадь проходного сечения и, следовательно, пропускную способность. В зависимости от среды шланги могут быть изготовлены из бензостойких, маслостойких, химически стойких, эрозионно-стой-ких материалов. Шланговые регулирующие органы применяются для изменения расхода сред, содержащих твердые и абразивные частицы, шламообразующих, а также агрессивных сред, например, кислот, в которых стойки резиновые шланги соответствующих марок. Основными преимуществами шланговых РО являются малое гидравлическое сопротивление, отсутствие застойных зон, отсутствие уплотнения штока в связи с герметичностью проточной части, надежное перекрытие потока в закрытом положении. К недостаткам шланговых РО относятся невысокая допустимая температура (до 80 °С), небольшое рабочее давление (до 1 МПа), значительная неуравновешенность РО, небольшой срок службы эластичного патрубка.

 

Рис. Шланговый регулирующий орган

 

В диафрагмовом регулирующем органе изменение проходного сечения осуществляется за счет деформации эластичной диафрагмы 2 относительно неподвижного седла под действием усилия, развиваемого исполнительным механизмом. Эластичная диафрагма может быть изготовлена из резины, фторопласта и т.п. Диафрагмовый РО применяется для изменения расхода агрессивных сред (например, кислот) при невысоких давлениях и температурах. Внутренняя поверхность корпуса РО футерована химически стойким материалом, например, полиэтиленом, резиной, фторопластом, или покрыта эмалью. Основным преимуществом диафрагмовых РО является применение дешевых антикоррозионных материалов вместо дорогостоящих нержавеющих сталей, а также бессальниковая конструкция. К недостаткам диафрагмовых РО относится их неразгруженность и ограниченные давления и температуры регулируемых сред (до 150 °С).

 

Рис. Диафрагмовый регулирующий орган

 

Шаровой регулирующий орган снабжен поворотным затвором 2 в виде сферы с цилиндрическим отверстием и седлами 3, уплотнительные поверхности которых имеют форму сферы. Шток /, связанный с исполнительным механизмом, осуществляет поворот шарового затвора, изменяя тем самым площадь проходного сечения. В закрытом положении затвор упирается в пару седел, изготовленных из упругих материалов (например, фторопласта), обеспечивая герметичность перекрытия прохода. Чрезвычайно простая форма проточной части шарового РО позволяет его применять для регулирования потоков вязких и кристаллизующихся сред, шламов, пульп, а также сред, содержащих абразивные частицы. Пропускная характеристика шарового РО близка к равнопроцентной. При открытом положении затвора сопротивление потоку очень мало. Шаровые РО могут работать, выдерживая перепады давления до 8 МПа в интервале температур от –60 °С до +230 °С.

 

Рис. Шаровой регулирующий орган

 

Затвор заслоночного регулирующего органа представляет собой заслонку 2 (например, металлический диск), при повороте которой изменяется проходное сечение и, следовательно, пропускная способность РО. Когда заслонка полностью открыта (расположена параллельно оси трубопровода), пропускная способность РО максимальна. При закрытой заслонке (расположенной перпендикулярно оси трубопровода) пропускная способность РО минимальна (так как затвор не обеспечивает полного перекрытия трубопровода; всегда остается небольшой кольцевой зазор). Для поворота заслонки нужен ИМ относительно небольшой мощности. При одинаковых размерах условного прохода поворотные заслонки обладают большей пропускной способностью, чем двухседельные регулирующие клапаны (примерно на 50 %). Заслоночные РО применяются для изменения больших расходов газа и пара при невысоких перепадах давления (до 2,5 МПа) и температурах до 400 °С.

 

Рис. Заслоночный регулирующий орган

 

В шиберах затвор, изготовленный в виде полотна, перемещается перпендикулярно направлению потока. Шиберы применяются для регулирования расходов воздуха и газов при небольших статических давлениях (до 0,01 МПа), а также для дозирования сыпучих материалов. Шиберы изготовляют из различных материалов, что определяется условиями эксплуатации. Для работы с инертными газами (температура до 300 °С) шиберы изготовляют из листовой стали; при температуре выше 300 °С – из чугуна. Для работы с агрессивными газами шиберы изготовляют из легированных сталей (или из листовой стали со специальным покрытием). Шиберы устанавливают на трубопроводах, коробах и каналах любой геометрической формы сечения.

Рис. Схема шибера