Электрический исполнительный механизм как объект управления

(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.

Регулирующая арматура

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.

Регулирование тепла через теплообменник

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.

Седельный клапан

Подводя итог рассмотрению электрических исполнительных механизмов как объектов управления, можно отметить, что Исполнительные механизмы сами по себе представляют целую науку [См. Густав Олсон, Джангуидо Пиани, Цифровые системы автоматизации и управления. -СПб.: Невский Диалект, 2001]. Применение электрических исполнительных механизмов в системах управления требует определенного навыка, опыта и специализированных для этих задач средств автоматизации.

Схемы управления

Далее мы рассмотрим несколько примеров практических схем управления с применением серийно выпускаемого ООО НПФ КонтрАвт оборудования при реализации контуров управления с использованием электрических исполнительных механизмов.

Рис. 5. Управление однооборотным исполнительным механизмом типа МЭО 16/63 0,25-У-01

Управление однооборотным исполнительным механизмом типа МЭО 16/63 0,25-У-01

Рис. 6. Управление приводом однооборотным типа SP 0.1 производства REGADA (Словакия)

Управление приводом однооборотным типа SP 0.1 производства REGADA (Словакия)

Рис. 7. Управление прямоходным электроприводом трехходового клапана отопительной системы

Управление прямоходным электроприводом трехходового клапана отопительной системы

Рис. 8. Управление механизмом поворотным типа GT 31 (Gear motors GT) производства фирмы Kromshcroder (Германия)

Управление механизмом поворотным типа GT 31 (Gear motors GT) производства фирмы Kromshcroder (Германия)

Рис. 9. Управление механизмом поворотным типа GT 31…Е (Gear motors GT…Е) производства фирмы Kromshcroder (Германия)

Управление механизмом поворотным типа GT 31…Е (Gear motors GT…Е) производства фирмы Kromshcroder (Германия)

Рис. 10. Управление электроприводом типа AMV 13, производства DANFOSS

Управление электроприводом типа AMV 13, производства DANFOSS

Рис. 11. Управление электроприводом типа ВПК производства ЗАО «Тулаэлектропривод»

Управление электроприводом типа ВПК производства ЗАО «Тулаэлектропривод»

Рис. 12. Управление двумя многооборотными электроприводами по одному параметру, например, по температуре

Управление двумя многооборотными электроприводами по одному параметру, например, по температуре

Приведем несколько комментариев к представленным выше схемам.

На рис. 5 представлен пример схемы управления наиболее распространенными электрическими исполнительными механизмами типа МЭО, МЭОФ производства ОАО “ЗЭиМ” г. Чебоксары, который в данной схеме осуществляет управление заслонкой. Для измерения технологического параметра (температуры) используется термопара, непосредственно подключенная ко входу микропроцессорного измерительного регулятора типа МЕТАКОН 514-Т, специально разработанного для управления исполнительными механизмами интегрирующего типа. В качестве усилителя выходного сигнала регулятора применен блок коммутации реверсивный типа БКР. Представленная схема обеспечивает бесконтактное управление электроприводом. Конечные выключатели крайних положений исполнительного механизма, в соответствии с рекомендациями производителя механизмов, включены в цепи управления, формирующие сигналы БОЛЬШЕ и МЕНЬШЕ. Дополнительные конечные выключатели механизма и потенциометрические датчики положения могут быть использованы по своему прямому функциональному назначению при решении задач автоматизации
конкретной технологической установки.

На рис. 6 представлен пример схемы управления приводом однооборотным типа SP0.1 производства фирмы REGADA, Словакия. Для измерения технологического параметра (температуры) используется термопара, подключенная к входу микропроцессорного измерительного регулятора типа МЕТАКОН 514-Т через преобразователь с выходным током 4…20 мА, что особо актуально при больших удалениях вторичных приборов от датчиков температуры.
В представленном примере реализуется также бесконтактное управление исполнительным механизмом, а отключение механизма в крайних положениях осуществляется конечными выключателями, включенными непосредственно в цепи питания электродвигателя механизма, благодаря чему уменьшается число проводов, поступающих от схемы управления к исполнительному механизму.

На рис. 7 представлена практически аналогичная предыдущей схема, с той лишь разницей, что в примененном исполнительном механизме привода трехходового клапана несколько изменена нумерация клемм, к которым подключается схема управления (такие механизмы достаточно часто встречаются в эксплуатации).

На рис. 8 представлена схема управления исполнительным механиз мом типа GT31 производства фирмы KROMSHCRODER, Германия. В данном механизме, как опция, может присутствовать пост ручного управления приводом, который обеспечивает управление механизмом «по месту» в обход электронной схемы управления. Кроме того, данная схема призвана продемонстрировать, что не зависимо от производителя, отечественного или зарубежного, схемы управления электрическими исполнительными механизмами с использованием средств автоматизации, серийно выпускаемых ООО НПФ КонтрАвт, строятся практически одинаково.

На рис. 9 представлена схема управления исполнительным механизмом типа GT31…Е производства фирмы KROMSHCRODER, Германия. Данные исполнительные механизмы могут управляться как сигналами напряжения и тока, так и от подключаемого к определенным входным клеммам потенциометрам. Преобразование непрерывного аналогового сигнала тока управления 4…20 мА в импульсные команды управления осуществляется специальным
преобразователем, установленным непосредственно в исполнительном механизме. Так как в этом случае напряжение питания 220 В, 50 Гц всегда присутствует на механизме, то пост ручного управления в этой модификации механизмов устанавливается постоянно и также, как в предыдущем случае, обеспечивает управление механизмом «по месту» в обход электронной схемы управления. При управлении исполнительными механизмами такого типа может успешно применяться регулятор микропроцессорный измерительный типа МЕТАКОН 515-З1-У-Х, который, благодаря встроенному источнику напряжения и активному токовому выходу, позволяет минимизировать всю схему измерения и управления, обеспечивая при этом высокое качество и высокую надежность контура управления.

На рис. 10 представлена схема управления электроприводом типа AMV 13, производства DANFOSS, Дания. Здесь необходимо отметить, что используется модификация электропривода, рассчитанная на напряжение питания 230 В, 50 Гц при так называемом трехпозиционном регулировании, в отличии от аналогового управления.

На рис. 11 представлена схема управления исполнительным механизмом типа ВПК производства ЗАО «Тулаэлектропривод». Большинство приводов данного производителя предназначены для установки на запорную арматуру, что, вместе с тем, не исключает использование такой арматуры и в качестве регулирующей. Вместе с тем, запорная арматура, как правило, используется в качестве двухпозиционных регуляторов. В этом случае целесообразно применение контроллеров типа МЕТАКОН-512, при этом совместно с блоком питания и реле (БПР) может быть успешно реализована схема измерения и управления, когда обеспечивается питание постоянным стабилизированным напряжением 24 В встраиваемого в головку удаленной термопары преобразователя температуры в токовый сигнал 4…20 мА, а контактами реле БПР включаются магнитные пускатели подачи на трехфазный электродвигатель 380 В, 50 Гц.

В представленной на рис. 12 схеме предусмотрено также ручное управление запорной арматурой по схеме, которая несколько лучше той, что рекомендована поставщиком электропривода.

На рис. 12 представлена схема управления одновременно двумя исполнительными механизмами типа МЭО при регулировании по одному технологическому параметру, причем для одного из механизмов (А2) предусмотрено также ручное управление в обход электронной схемы управления и показана возможность организации сигнализации крайних положений исполнительного механизма.

На представленных рис. 5…12 показаны только наиболее типовые примеры из практически бесконечного множества возможных вариантов реализации схем управления с использованием электрических исполнительных механизмов и средств автоматизации, серийно выпускаемых ООО НПФ КонтрАвт, которые отмечены на приведенных выше схемах соответствующим ярлычком .