Исполнительные механизмы в системах управления

      Принципиально возможно создание многопозиционного соленоидного исполнительного механизма. Однако решение этой задачи сопряжено со значительными конструктивными трудностями, поэтому широкого распространения многопозиционные соленоидные приводы не получили.

     Электромагнитные исполнительные механизмы по сравнению с электродвигательными отличаются простотой конструкции и схем управления, меньшими весом и размерами и значительно меньшей стоимостью. Благодаря отсутствию редуктора они более надёжны в эксплуатации.

     Тем не менее, область применения электромагнитных исполнительных механизмов невелика. Она ограничивается не только двухпозиционным характером их действия, но также и размерами и весом регулирующих органов, ибо для создания необходимого усилия для перемещения большого и тяжёлого рабочего органа приходится значительно увеличивать рабочий ток катушек соленоида. В результате такие устройства становятся громоздкими и невыгодными.

     Известно что тяговое усилие электромагнита пропорционально квадрату намагничивающей силы, а следовательно, и квадрату тока, протекающего по его обмотке. Поэтому электромагнитный привод может работать при питании его обмоток как постоянным, так и переменным током. Однако электромагниты переменного тока в общем случае имеют значительно худшие параметры, чем электромагниты постоянного тока, поскольку при одинаковых размерах развивают меньшее тяговое усилие, обладают меньшей чувствительностью и значительно худшей стабильностью параметров, а также конструктивно сложнее и дороже из-за необходимости иметь шихтованный магнитопровод.

     Однако для возможности использования в системах автоматического управления и регулирования производственными процессами переменного тока, применяемого на промышленных предприятиях значительно шире, чем постоянный ток, электромагнитные исполнительные устройства изготавливаются для работы, как на постоянном, так и на переменном токе. При этом на переменном токе широко используются соленоидные приводы постоянного тока со встроенными в цепи питания выпрямителями.

     2.Многооборотные исполнительные механизмы

      Автоматизация очень многих производственных процессов связана с необходимостью быстро и надёжно управлять различными запорными и регулирующими рабочими органами с винтовым шпинделем, требующими для своего перемещения более одного оборота шпинделя. К таким рабочим органам в первую очередь относится разнообразная многооборотная трубопроводная арматура: запорные и регулирующие задвижки, вентили, клапан, заслонки и т.п.

     Условия работы трубопроводной арматуры часто бывают довольно тяжёлыми. Рабочие органы нередко располагаются в трудно доступных или совсем недоступных местах, что затрудняет их обслуживание. Часть рабочих органов может использоваться весьма редко и притом нерегулярно. Однако арматура всегда должна быть полностью исправна и готова к действию в любой момент. Запорные органы, кроме того, должны всегда обеспечивать необходимую плотность закрытия рабочей линии. Все эти специфические особенности работы запорных и регулирующих органов в производственных условиях, естественно, обусловливают определённые требования к исполнительным механизмам, приводящим в действие эти рабочие органа.

     В качестве исполнительных механизмов для управления многооборотными запорными и регулирующими рабочими органами наиболее широкое применение получили электромеханические приводы, состоящие из электродвигателя, понижающего механического редуктора и ряда дополнительных узлов.

     В настоящее время разработан и производится целый ряд многооборотных электрических исполнительных механизмов с постоянной скоростью выходного вала. Несмотря на конструктивные и схемные различия, все эти исполнительные механизмы в общем случае позволяют производить:

1. Дистанционный или автоматический пуск электропривода с помощью пусковых кнопок «закрыть» и «открыть» или посредством контактов блокированных реле.
2. Остановку электропривода в любом промежуточном положении рабочего органа с помощью кнопки «стоп» или соответствующих контактов блокированных реле.
3. Автоматическую остановку электропривода при чрезмерном возрастании крутящего момента, что возможно при отказе путевых выключателей или заедании подвижных частей привода или рабочего органа.
4. Дистанционную световую сигнализацию крайних положений рабочего органа.
5. Местное определение положения рабочего органа в данный момент с помощью стрелочного указателя, имеющегося на коробке путевых выключателей.
6. Дистанционное показание любого промежуточного положения рабочего органа с помощью указателя положения, датчик которого может быть установлен на коробке путевых выключателей.
7. Электрическую блокировку данного электропривода с другими механизмами и агрегатами.
8. Ручное управление электроприводом при помощи маховика на случай временного прекращения подачи электроэнергии.

     Следует отметить, что в большинстве своём многообразные исполнительные механизмы являются устройствами позиционного действия, и только исполнительные механизмы, снабжённые датчиком обратной связи по положению выходного вала, могут быть использованы в автоматических системах, обеспечивающих законы регулирования.

     3.Схемы управления многооборотными исполнительными механизмами

     При всём разнообразии условий работы многооборотных исполнительных механизмов электрические схемы управления этими механизмами должны удовлетворять в общем случае следующим основным техническим требованиям:

1. Питание силовых цепей и цепей управления должно осуществляться от сети трёхфазного тока напряжением 380/220В.
2. Схемы должны иметь защиту от перегрузок и от коротких замыканий в силовых цепях электропривода, а так же в цепях управления и сигнализации.
3. При выполнении схем управления и сигнализации контакты аппаратов управления, конечных выключателей, блокированные цепи, блок-контакты магнитных пускателей и другие должны включаться со стороны фазы, а катушки пускателя присоединяться к нулевому проводу. Такое построение схем предотвращает их ложную работу при появлении «земли» в цепях управления.
4. Схема управления запорным устройством должна обеспечивать возможность как дистанционного управления со щита или с места, так и автоматического управления по команде от устройства регулирования или блокирования.
5. Схема управления регулирующим устройством должна обеспечивать движение последнего только во время действий импульса дистанционного или автоматического управления.
6. Схема управления должна исключать возможность одновременной подачи командных импульсов от устройств дистанционного и автоматического управления, а также возможность подачи питания на одну из катушек реверсивного магнитного пускателя при обтекании током второй катушки.
7. Схемы управления из двух и более мест должны быть построены таким образом, чтобы была исключена возможность одновременного управления одним устройством из разных пунктов.
8. Желательно, чтобы схема управления обеспечивала возможность остановки электропривода запорного устройства в любом промежуточном положении, а также возможность последующей посылки команды, как на открытие, так и на закрытие.
9. Нормально остановка электродвигателя привода запорного устройства в положении полного открытия или закрытия должна осуществляться с помощью конечных включателей, разрывающих цепь питания соответствующей катушки реверсивного магнитного пускателя.
10. Как при ручном, так и при автоматическом управлении, рассматриваемые схемы должны иметь нулевую защиту
11. При наименьшем количестве сигнальных ламп схема сигнализации положения запорного устройства должна показывать наибольшее количество его состояний.
12. Схема контроля состояния регулирующего устройства должна непрерывно фиксировать его положение.
13. Схемы управления должны быть построены так, чтобы для их реализации требовалось наименьшее количество аппаратуры, кабели с наименьшим возможным количеством жил и конечные выключатели с наименьшим количеством контактов.

     Необходимо отметить, что перечисленные требования к составлению схем управления запорными и регулирующими устройствами не являются исчерпывающими. Особенности работы указанных аппаратов в условиях определённой технологической схемы уточняют дополнительные.

     4. Колонки дистанционного управления

      В системах автоматического регулирования различных тепловых процессов находят широкое применение исполнительные механизмы, называемые колонками дистанционного управления (КДУ). Которые  работают в комплексе с электронными регулирующими пропорционально-интегральными приборами с контактным и бесконтактным выходами типа РПИК и РПИБ. Кроме того, КДУ успешно используются в качестве исполнительных механизмов в системах дистанционного управления такими регулирующими органами, как направляющие аппараты, поворотные шиберы, заслонки и т.п.

     Исполнительный механизм дистанционного управления типа КДУ представляет собой силовое устройство для перемещения регулирующего органа и состоит из корпуса колонки и электродвигателя с червячным редуктором (серводвигателя).

     На рисунке ниже показана колонка дистанционного управления КДУ с серводвигателем РМ.

      Управление исполнительным механизмом производится при помощи реверсивного магнитного пускателя, обеспечивающего возможность включения электродвигателя с требуемым направлением вращения. Электродвигатель через сочленённый с ним редуктор, кривошип, сидящий на выходном валу редуктора, и соединительные тяги перемещает регулирующий орган. В крайних положениях регулирующего органа, соответствующих полному открытию или закрытию, цепи управляющих катушек магнитного пускателя разрываются конечными выключателями, встроенными в корпус колонки и кинематически связанными с валом редуктора. Предельный угол поворота выходного вала исполнительного механизма составляет 90˚.

Для уменьшения выбега выходного вала по инерции после отключения электродвигателя исполнительные механизмы дистанционного управления, помимо фрикционного тормоза, расположенного на конце червячного вала первой степени редуктора, снабжаются электрическим конденсаторным тормозом: для серводвигателей малой модели – типа ТЭК-30/60, а для серводвигателей большой модели – типа ТЭК-60/150.

     Все колонки дистанционного управления независимо от типа снабжены маховикам ручного управления, которые позволяют вращать вручную выходной вал редуктора, и связанный с ним регулирующий оран.

     Способ сочленения выходного вала механизма дистанционного управления с регулирующим органом определяется в каждом конкретном случае в зависимости от местных условий: конструкции регулирующего органа, его местоположения и т.п. Обычно для этой цели используются металлические тяги, штанги или стальные тросы. Это даёт возможность дистанционно управлять и такими регулирующими органами, непосредственный доступ к которым затруднён.

      Механизмы дистанционного управления типа КДУ предназначены для работы в закрытом помещении при температуре окружающего воздуха от 0 до +50˚С и его относительной влажности до 80%. Питание колонок осуществляется переменным током промышленной частоты напряжением 220/380 В.

     Глава третья: Бесконтактные исполнительные механизмы постоянной скорости

     1. Общие сведения

      Задача повышения эксплуатационной надёжности систем автоматического регулирования не может быть полностью решена при сохранении в своей основе принципа контактного управления исполнительным устройством. Основной причиной отказов в работе электрических исполнительных механизмов с контактным управлением являются те или иные виды отказов в срабатывании их контактных управляющих устройств. Как уже отмечалось, это связано с тем, что большую часть своего рабочего времени исполнительные механизмы находятся в переходных режимах, в течении которых нагрузки именно на управляющие устройства оказываются наиболее критическими. Процесс управления исполнительным механизмом часто связан с большим числом пусков и остановок или изменений величины и знака управляющего сигнала. Так, в системе автоматического регулирования с импульсным управлением необходимо обеспечение очень большого (до 5 млн.) числа срабатываний элементов управления за период между их профилактическими осмотрами и до 20 млн. срабатываний за период гарантийного безремонтного срока службы исполнительных устройств. При наличии контактного управления эти требования оказываются почти невыполнимыми. Условия работы этих устройств ухудшаются ещё и тем, что длительность управляющего импульса в некоторых режимах настройки регулирующего прибора оказывается соизмеримой или равной времени врабатывания самого силового контактного пускового устройства.

     В этих условиях подгорание контактов или залипание подвижных систем становится обычным явлением, и только ценой очень больших затрат от применения специальных устройств, конструкций и материалов удаётся уменьшить, но не исключить эти явления. В связи с этим в основу высоконадёжных исполнительных механизмов современных систем регулирования была положена их бесконтактность. В настоящее время на многих предприятиях страны работают системы регулирования, в которых использованы бесконтактные исполнительные устройства, и уже накоплен некоторый опыт их создания и эксплуатации.

     Основными звеньями электромеханических исполнительных устройств, по каналам которых проходит командный сигнал, являются электрический усилитель мощности, электродвигатель и механический редуктор. К ним добавляются ещё устройства, осуществляющие иногда обратную связь по положению выходного органа исполнительного механизма с регулирующим прибором. Полностью бесконтактным или вообще бесконтактным электромеханическим может быть названо такое исполнительное устройство, все перечисленные звенья которого не содержат в электрических цепях размыкаемых или скользящих контактов.

     В качестве достаточно надёжных бесконтактных усилителей мощности могут быть применены полупроводниковые или магнитные усилители. Большой надёжностью и стабильностью характеристик обладают магнитные усилители. Силовые полупроводниковые приборы дороги и недостаточно проверены в длительной эксплуатации в условиях работы систем регулирования. Промышленные управляющие усилители на основе полупроводниковых элементов и прежде всего управляемых кремниевых вентилей находятся в стадии разработки и освоения. В настоящее же время основным типом усилителя в диапазоне мощностей приводов, используемых в исполнительных механизмах, можно считать магнитный усилитель.

      Основным элементом электрического исполнительного механизма является электродвигатель, управляемый от бесконтактного усилителя, имеющего ограниченную мощность. Эти два звена в цепи регулирования – усилитель и электродвигатель, обладая при использовании магнитных усилителей высокой надёжностью, затрудняют получение хороших динамических свойств механизма.

     Динамические свойства электродвигателя зависят в конечном итоге от его добротности. Высоконадёжные же магнитные усилители имеют достаточно хорошие динамические свойства только при наличии не очень большого коэффициента усиления.

     В результате этого становится желательным обеспечение в механизме минимальной массы движущихся частей, приведённой к валу электродвигателя, при одновременном снижении мощности управления, потребляемой электродвигателем.

     Для обеспечения ряда таких дополнительных требований  исполнительному механизму, как малая величина выбега, гарантированное и в условиях работы при вибрации самоторможение его со стороны выходного вала или штока, часто используется тормозное устройство. Но следует учесть, что механическая характеристика и настройка тормоза в значительной степени влияют на регулировочные характеристики исполнительного механизма и вместе с тем могут привести к увеличению его постоянной времени. Это обстоятельство особенно важно учитывать в системах регулирования, где сумма постоянных времени разгона и торможения электродвигателя обусловливает ту минимальную величину перемещения регулирующего органа, что в конечном счёте определяет точность системы регулирования.

     Существенный элемент ненадёжности в исполнительный механизм вносят конечные выключатели, поэтому применение их в бесконтактном механизме в основной рабочей цепи не может быть приемлемым. В бесконтактном исполнительном механизме для ограничения крайних положений выходного органа могут применяться бесконтактные выключатели или механические упоры. В последнем случае вся силовая передача редуктора, электродвигатель и магнитный усилитель должны допускать возможность длительной работы «на упор», т.е. исполнительный механизм должен нормально выдерживать и такой режим, когда на него поданы полное напряжение питания и управления, а скорость вращения электродвигателя равна нулю.