(Продолжение. Начало в Методичках № 1, 2 за 2006 год, № 1 за 2008 год)
Шашкин С.Л., начальник сектора технического маркетинга
НПФ КонтрАвт
Электрический исполнительный механизм как объект управления
Регулирующая арматура, куда входят исполнительный механизм и собственно регулирующий клапан, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Управляющий клапан с электрическим исполнительным механизмом или моторный клапан (control valve or motorised valve)
Выше уже отмечалось, что электрический исполнительный механизм в силу своих конструктивных особенностей и принципа действия представляет собой разновидность интегратора, который изменяет положение выходного вала или штока при подаче импульса управления (когда электродвигатель вращается) и сохраняет это положение при отсутствии управляющего воздействия.
Это свойство электрического исполнительного механизма существенным образом выделяет и характеризует его как объект управления.
Кроме того, при рассмотрении схем автоматизации с применением электроприводов необходимо также учитывать, что электропривод, являясь физическим устройством, потребляет значительную электрическую мощность, которая составляет от нескольких десятков Ватт до нескольких тысяч Ватт.
Принимая во внимание то обстоятельство, что выходные сигналы контроллера-регулятора, как правило, имеют очень низкую выходную мощность, то для управления исполнительным механизмом, взаимодействующим с реальным физическим процессом, выходной сигнал регулятора необходимо усиливать. Применение для этих целей устройств, выпускаемых НПФ КонтрАвт, приведено далее в статье.
В составе регулирующей арматуры электроприводы имеют и целый ряд специфических характеристик, которые следует учитывать или, как минимум, иметь о них отчетливое представление. Рассмотрим их более подробно.
Время полного хода клапана
Это время, в течение которого клапан перемещается от полностью закрытого состояния до полностью открытого состояния. Этот параметр является паспортизируемым для каждого механизма.
Это время должно соответствовать максимальной длительности импульса управления, при которой происходит увеличение выходного воздействия на 100 %. Следовательно, это время может быть принято в качестве времени (периода) следования ШИМ-модулированных импульсов управления, которое устанавливается в качестве одного из
параметров контроллера-регулятора.
Инерция клапана или время инерции клапана, выраженное в секундах
Время инерции – это время, в течение которого клапан продолжает перемещаться после того, как управляющий импульс с электропривода будет снят. Если этим временем невозможно пренебречь в силу каких-либо причин, то некоторое среднее его значение необходимо вычитать из времени импульса управления.
Для современных электроприводов с малоинерционными электродвигателями этот параметр можно не учитывать.
Люфт, мертвый ход или время мертвого хода (время выборки люфта), в секундах
Это минимальное время, необходимое для преодоления люфта механизма. Люфт в механизме может оказаться достаточным для того, чтобы вызвать проблемы в управлении. Если люфт велик, что особо характерно для электроприводов, находящихся длительное время в эксплуатации, мертвый ход механизма необходимо определить как
время, в течение которого выходной элемент механизма не начинает перемещаться после поступления импульса управления.
При формировании сигналов управления это время необходимо постоянно добавлять к командам управления с тем, чтобы механизм точнее позиционировал.
Люфт в механизме проявляется не всегда, а только при реверсе. Если, например, при первом импульсе управления «вверх», когда механизм находился в некотором неопределенном положении, движение начинается с выбора люфта, то при подаче следующего импульса управления в том же направлении движение механизма начинается практически без выбора люфта, если не считать выборку упругих связей в кинематике механизма. При реверсе механизма после поступления команды «вниз» движение механизма начинается с выборки люфта. При следующем реверсе также в начале движения выбирается люфт.
Таким образом, люфт приводит к гитсетрезису в поведении регулирующего органа. В современных механизмах люфт обычно не велик и не превышает 1 % от полного хода механизма. Поэтому его влияние проявляется не очень сильно: некоторые ограничения на работу механизма, накладываемые производителями механизмов, такие, как например, минимальное время импульса управления и время запрета реверса, могут оказывать более существенное влияние на динамику и точность позиционирования электропривода.
Минимальное время импульса управления, в секундах
Этот параметр при работе системы автоматического управления с электроприводом устанавливается с целью исключения слишком частого включения и выключения механизма и исключения чрезмерных и необоснованных пусков и остановок механизма, что может приводить к ускоренному износу шестерен и других кинематических узлов. Обычно
это время принимается равным 0,2 с.
Очевидно, минимальное время импульса должно быть сопоставимо с временем выборки люфта. Если, тем не менее, после настройки контура управления процессом активность клапана чрезмерно высокая и он постоянно переключается на открытие и закрытие, то это время рекомендуется увеличить. С увеличением этого времени может возрасти погрешность управления. Чем меньше это время, тем более точное управление.
При настройке системы автоматического управления потребуется выбор компромиссного решения.
Минимальная временная пауза между командами на изменение направления движения или запрет реверса без остановки в течение заданного времени, задаваемое в секундах или долях секунд
Этот параметр обычно задается производителем механизма и служит для исключения чрезмерных динамических нагрузок на кинематику механизма при реверсе, а также для уменьшения электромагнитных возмущений и перенапряжений, возникающих в электрической схеме электродвигателя и связанных с ним компонентах электропривода. Стандартами это время устанавливается не менее 50 мс.
На поведение системы управления и качество регулирования существенное влияние оказывает пропускная характеристика клапанов. Выделяют следующие характеристики:
- линейная пропускная характеристика (Л), у которой приращение относительной пропускной способности пропорционально относительному ходу;
- равнопроцентная пропускная характеристика (Р), у которой приращение относительной пропускной способности по ходу пропорционально текущему значению относительной пропускной способности;
- пропускная характеристика, соответствующая квадратному корню из значения относительного хода, что наиболее характерно, например, для шаровых клапанов;
- пропускная характеристика тарельчатого плунжера (Т) или пропускная характеристика двухпозиционного регулирования (открыто-закрыто);
- пропускная характеристика специальная, зависимость которой от относительного хода определяется специальными условиями применения клапана.
Графики некоторых характеристик приведены на рис. 2.
Следует отметить, что идеальный клапан равнопроцентной пропускной характеристикой не закрывается полностью и для обеспечения его полного закрытия в реальных клапанах реализуются различные конструктивные меры.
Линейная расходная характеристика при своей простоте и очевидности не всегда приемлема для регулирования технологических параметров. Так, например, при регулировании подачи тепла в теплообменники систем отопления, вентиляции и кондиционирования взаимосвязь между выходом тепла и положением открытия конечного регулирующего элемента носит явно выраженный нелинейный характер, что представлено на рис. 3.
Для достижения высокой стабильности управления конечный гидравлический регулирующий элемент должен обладать такой характеристикой потока, которая дополняет нелинейную характеристику теплообменника, а именно такой характеристикой или близкой к ней обладают клапаны с равнопроцентной характеристикой.
Равнопроцентную расходную характеристику регулирующего клапана можно обеспечивать как конструкционными мерами, например, применением так называемых корректирующих дисков или обеспечением специального профиля запорного узла клапана, так и заданием специального алгоритма позиционирования электропривода.
Здесь следует также заметить, что требуемой линейности в регулировании процессов с теплообменными агрегатами можно добиться и путем изменения технологической схемы регулирования с применением так называемых трехходовых клапанов, что иногда бывает более целесообразным и по соображениям экономичности схемы теплоснабжения.
Трехходовой регулирующий орган или клапан (смесительный, разделительный) – это такой регулирующий орган, в котором происходит изменение соотношения пропускных способностей и имеющий три присоединительных прохода, через которые один поток разделяется на два (разделительный) или два потока смешиваются в один (смесительный). Трехходовые клапаны бывают седельные и шаровые.
Рассмотрим работу такого клапана на примере седельного, представленного на рис. 4.