И общее устройство исполнительных механизмов как функциональных элементов систем управления исполнительными механизмами

Согласно ГОСТ 14691–69 [1] «устройство исполнительное для систем автоматического регулирования представляет собой устройство системы автоматического управления или регулирова- ния, воздействующее на процесс в соответствии с полученной ко- мандной информацией». При этом имеется в виду, что исполни- тельное устройство состоит из двух функциональных блоков – собственно исполнительного механизма и регулирующего органа и может оснащаться дополнительными блоками. Так что же такое исполнительный механизм в концепции исполнительного устрой- ства систем автоматизации? Приведем необходимые для дальней- шего понимания материала определения и некоторые сопутст- вующие комментарии преимущественно в авторской трактовке, но базирующиеся на общепринятых в данной предметной области понятиях.

 

1.1. Основные понятия и определения. Классификация исполнительных механизмов

Исполнительный механизм (ИМ) – термин (понятие) инже- неров по автоматизации. Существует достаточно много определе- ний этого понятия. В различных энциклопедических словарях (БСЭ, Википедия, Англо-русский словарь технических терминов и др.) приводится та или иная его трактовка. Различия в определе- нии понятия определяются прежде всего различными воззрениями исследователей на проблему управления техническими объектами, степенью обобщения отраслевых и межотраслевых понятий, а также отраслевой спецификой (объекты электроэнергетики и те-

плоэнергетики, объекты атомной энергетики, металлорежущие станки, роботы и манипуляторы, общепромышленные механизмы и т.п.).

В частном случае ИМ – это устройство в системе автоматиче- ского регулирования и (или) дистанционного управления, непо- средственно осуществляющее механическое перемещение (посту- пательное или вращательное) рабочего органа трубопроводной арматуры некоего объекта управления. При этом подразумевается, что рабочим органом является регулирующий орган (РО), который принадлежит той или иной запорно-регулирующей арматуре (ЗРА), управляющей потоками жидкостей, газов, различных сме- сей или сыпучих материалов (клапаны, пробковые и шаровые кра- ны, заслонки, шиберы, задвижки и т.п.). Изменение положения регулирующего органа вызывает изменение потока энергии или материала, поступающих на объект, и тем самым воздействует на рабочие машины (механизмы и технологические процессы), уст- раняя тем самым отклонения регулируемой величины (давления, расхода, уровня и т.п.) от заданного значения.

Вместе с тем в соответствии с ГОСТ Р 52720–2007 [2] термин

«регулирующий орган» не является рекомендуемым к употреблению, а если и употребляется, то в понимании «регулирующий клапан».

На рис. 1.1 приведена в качестве наглядного примера класси- фикация основных видов трубопроводной арматуры систем водо- снабжения, две левые «ветви дерева» которой относятся к ЗРА.

В наиболее общей трактовке под ИМ понимают любой меха- низм, осуществляющий воздействие на технический (технологиче- ский) объект управления по сигналам оператора или от системы управления (пульта управления оператора, промышленного логи- ческого контроллера (ПЛК), контурного регулятора и т.п.). При этом подразумевается, что ИМ воздействует на некий рабочий ор- ган (РО) объекта управления (рабочую машину). Рабочими маши- нами в этом случае могут быть, например, установки графического замедлителя реакции ядерного реактора, крановые установки, ме- ханизмы металлорежущих станков и т.п. К рабочим органам

в этом случае будут относиться графитовые стержни замедлителя ядерного графитоводяного реактора, механизмы перемещения и подъема мостового, козлового, портального крана, шпиндель, продольный и поперечный суппорты станка и т.п.

 

Рис. 1.1. Классификация трубопроводной арматуры

 

Таким образом, по виду воздействия на объект РО можно под- разделить на два основных типа: дросселирующие и дозирующие.

Дросселирующие РО изменяют сопротивление (гидравличе- ское, аэродинамическое) в системе путем изменения своего про- ходного сечения, воздействуя на расход вещества. При этом реали- зуется принцип дросселирования.

Дозирующие РО выполняют заданное дозирование посту- пающего вещества или энергии за счет изменения производитель- ности определенных агрегатов: дозаторов, насосов, компрессоров, питателей, электрических усилителей мощности. В этом случае реализуется так называемое объемное регулирование.

В англоязычной литературе также имеются различные трак- товки понятия «исполнительный механизм»: actuating device, actu- ating unit, actuator, executive device, actuating mechanism, executing mechanism, operating mechanism.

Из этого следует, что основные различия в определении поня- тия «исполнительный механизм» лежат в проблеме стандартиза- ции понятий «рабочая машина», «рабочий орган», «регулирующий орган». До настоящего времени эти понятия трактовались доста- точно произвольно.

В дальнейшем, чтобы не обременять читателей возможными интерпретациями понятия «исполнительный механизм», будем полагать, что он воздействует на некие рабочие органы (РО) рабо- чих машин, а в тех случаях, когда идет речь об управлении ЗРА, – на регулирующие органы (регулирующие клапаны) ЗРА (собст- венно клапаны, затворы, шиберы, заслонки, вентили, шаровые или пробковые краны и др.), которые будем также обозначать аббре- виатурой «РО».

Основными управляемыми координатами ИМ являются ко- ординаты механического движения – положение и скорость ИМ (угловые или линейные) или эти же координаты, приведенные к координатам движения РО. Вместе с тем, поскольку ИМ совме- стно с РО может воздействовать на технологические координаты (температуру, расход, давление, концентрацию, уровень и др.) объекта управления, зачастую именно эти координаты рассматри- вают как управляемые координаты ИМ. Отсюда ИМ и СУИМ в целом могут рассматриваться лишь как некое нижнеуровневое образование в структуре автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП).

В большинстве случаев ИМ работают от посторонних источ- ников энергии и требуют применения соответствующих силовых преобразователей энергии (СПЭ), так как непосредственное (пря- мое) управление ими от первичных элементов регулирования (ре- ле, датчиков и др.), как правило, невозможно вследствие их малой мощности, недостаточной для воздействия на выходной элемент рабочего (регулирующего) органа.

Как уже отмечалось, любой ИМ призван обеспечивать каче- ство и в общем случае надежность регулирования той или иной технологической координаты. Ввиду этого в дальнейшем рассмат-

риваются варианты приложений ИМ к структурам АСУТП, но безотносительно конкретных технологических координат. При этом под координатами собственно ИМ будем понимать механи- ческие фазовые переменные – положение, скорость, ускорение и рывок.

С учетом вышесказанного ниже приведены основные классифи- кационные признаки ИМ без претензии на полноту и постулат.

По виду регулируемой технологической координаты объ- екта управления:

– скорость РО (угловая – рад/c, линейная – м/c);

– положение РО (угловое – рад, линейное – м);

– температура (°С);

– расход (м³/c);

– давление (Па);

– уровень (м);

– концентрация раствора (моль/л, г/л, % и др.);

– прочие.

По способу преобразования фазовых координат ИМ в тех- нологические параметры:

– ИМ, функционирующие по принципу дросселирования;

– ИМ, функционирующие по принципу объемного регули- рования.

Первые работают на изменение проходного сечения трубопро- вода (жидкостей, газов, сыпучих материалов, смесей и т.п.) и, соот- ветственно, реализацию принципа дросселирования. При этом ско- рость перемещения ИМ постоянна на некотором интервале времени его включения (нулевая или номинальная для заданного направле- ния движения РО). Такой режим работы характерен для ЗРА.

Вторые работают на изменение скорости истечения и объема рабочего продукта по трубопроводу и, соответственно, реализацию принципа объемного регулирования. При этом скорость движения ИМ является переменной (от нулевой до номинальной). Такой ре- жим работы характерен, в частности, для таких общепромышлен- ных механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры и др.

В любом случае технологические координаты определяются изменением основных фазовых переменных ИМ – ускорения, ско- рости, положения.

По конструкции рабочего органа ИМ:

– запорная арматура (вентиль, кран, задвижка);

– регулирующая арматура (клапан, вентиль);

– насос (вентилятор, компрессор, конвейер);

– теплонагревательные элементы (ТЭНы); используются для регулирования температуры какой-либо среды;

– иные РО ИМ, такие как схват робота-манипулятора, револь- верная головка металлообрабатывающего станка, предохранитель- ный клапан непрямого действия, графитовые стержни замедлителя ядерного реактора и т.п.

По типу привода:

– электрический ИМ (ЭИМ);

– пневматический ИМ (ПИМ);

– гидравлический ИМ (ГИМ);

– электромагнитный (ЭМИМ);

– ручной (РИМ);

– комбинированный.

По виду движения РО:

– прямоходные (возвратно-поступательные);

– поворотные (неполноповоротные);

– многооборотные (вращательные).

Прямоходный ИМ – исполнительный механизм, выходной элемент которого перемещается поступательно.

Поворотный ИМ – исполнительный механизм, выходной элемент которого перемещается по дуге (до 360°).

Многооборотный ИМ – исполнительный механизм, выходной элемент которого вращается (более 360°).

Примечания:

1. Все ИМ ЗРА обладают возможностью изменения направле- ния движения РО, т.е. являются реверсивными.

2. Все ИМ переменной скорости являются многооборотными

(нереверсивными или реверсивными).

3. К многооборотным ИМ переменной скорости относятся регулируемые ИМ возвратно-поступательного движения с ли- нейными электроприводами и иными приводами линейного движения (регулируемыми пневмоприводами, гидроприводами, реверсивными приводами реактивной тяги летательных аппара- тов и т.п.).

По мощности ИМ:

Границы применения этого понятия очень обширны. Вместе с тем можно указать некие типовые номинальные значения мощ- ности для ЭИМ или эквивалентные значения давления для ПИМ и ГИМ.

ЭИМ постоянной скорости, работающие на ЗРА объектов те- плоэнергетики, транспорта нефти и газа, имеют мощность элек- тродвигателей от 10 Вт до нескольких киловатт.

ГИМ работают при давлении до 3 МН/м² (30 кгс/см²).

ПИМ работают при значениях давления до 0,6 МН/м²

(6 кгс/см²).

ЭИМ переменной скорости:

– малой мощности (до 10 кВт);

– средней мощности (10–100 кВт);

– большой мощности (свыше 100 кВт).

По типу механической передачи от привода ИМ к РО:

– с непосредственной связью (безредукторный ИМ);

– с цилиндрическим редуктором;

– с коническим редуктором;

– с червячным редуктором;

– с планетарным редуктором;

– с ременной, тросовой или цепной передачей;

– с рычажной передачей;

– с винтовой передачей;

– с реечной передачей;

– с комбинированными передачами.