9060

90

Расходомеры переменного перепада давлений основаны на взаимосвязи расхода и перепада давлений, создаваемого потоком при протекании через не-

подвижное сужающееся устройство (калиброванное сопротивление) (рис.

Турбинные датчики основаны на зависимости частоты вращения или угла поворота устройства, установленного в трубоили воздухопроводе, от расхода протекающего вещества. Простейшими датчиками такого типа, широко исполь-

зуемыми в технике автоматизации СКВ, являются сигнализаторы расхода.

Конкретным примером таких датчиков являются датчики расхода фирмы

Honeywell с использованием в качестве чувствительного элемента крыльчатки.

Такие чувствительные элементы используются также в переносных измери-

тельных приборах. Фактически крыльчатый анемометр измеряет скорость дви-

жения воздуха. Зная поперечное сечение воздуховода, легко высчитать объем-

ный расход.

Наибольшее распространение получили датчики и преобразователи чет-

вертой группы расходомеров, использующие изменение показателей других физических процессов при изменении расхода: электромагнитные, тепловые,

ультразвуковые.

Для контроля и поддержания уровня жидкостей широко используются

датчики и преобразователи уровня. По принципу действия датчики могут быть поплавковыми, манометрическими и электрическими.

В поплавковых датчиках чувствительным элементом является поплавок,

плавающий на поверхности и перемещающийся вместе с изменением уровня.

Манометрические датчики позволяют контролировать уровень жидкост-

ной среды на границе раздела двух сред: жидкостной и газообразной. Повыше-

ние уровня жидкости вызывает интенсивный отвод тепла от термобаллона и,

как следствие, изменение усилия, действующего на мембрану или сильфон.

91

9.5 Регулирующие устройства

Регулирующие устройства (регуляторы) – это технические средства САР,

реализующие законы регулирования. Задатчик формирует величину требуемого значения регулируемого параметра. Он может быть совмещен с датчиком или вынесен за пределы регулятора и выполнен в виде отдельного устройства.

Устройство сравнения предназначено для определения разности сигналов датчика и задатчика

Формирователь управляющего воздействия включает вычислительные и ло-

гические элементы, с помощью которых вырабатывается управляющий сигнал.

Выходное устройство служит для передачи управляющих сигналов на исполнительный механизм. Выходные устройства могут быть дискретного и аналогового типов. Одни функциональные элементы регулятора могут быть совмещены с другими элементами или выполнены в виде отдельных конструк-

тивно независимых блоков (например, усилитель мощности выходного сигна-

ла). Все это определяется типом регулятора и элементной базой, на которой он выполнен.

Классификация регуляторов практически совпадает с классификацией САР. Однако есть разновидности систем регулирования, которые определяются особенностями исполнения регуляторов. Это регуляторы прямого действия, по-

зиционные, импульсные и аналоговые.

Ниже рассмотрены основные виды регулирующих устройств, применяе-

мых в технике автоматизации СКВ.

В регулирующих устройствах прямого действия измерительный элемент осуществляет воздействие на регулирующий орган непосредственно, без при-

влечения добавочного источника энергии. Классическим примером регулятора прямого действия является терморегулирующий вентиль холодильных машин.

Регуляторы прямого действия отличаются простотой конструкции и надежностью, работают без источника вспомогательной энергии, что обуслав-

ливает их применение в различных областях техники.

92

9.5.1 Позиционные регуляторы

Позиционные регуляторы реализуют пропорциональный закон регулиро-

вания. В отличие от аналоговых регуляторов позиционные регуляторы форми-

руют выходной сигнал, имеющий определенное число постоянных значений,

например, два или три, соответствующие двухили трехпозиционным регуля-

торам.

В двухпозиционных регуляторах при переходе выходной величины через заданное значение изменяется регулирующее воздействие, которое переводит регулирующий орган из одного крайнего положения в другое: «открыт» – «за-

крыт», «включен» – «выключен».

В трехпозиционном регуляторе, кроме крайних значений регулирующего значения, есть среднее значение, которое характеризует состояние – «норма».

Введение зоны нечувствительности особенно важно при реализации двух противоположно направленных управляющих воздействий, например, нагрева и охлаждения. При отсутствии зоны нечувствительности процесс регулирова-

ния будет иметь ярко выраженный автоколебательный характер.

В технике автоматизации систем кондиционирования и вентиляции двух-

позиционные регуляторы в виду простоты и надежности нашли широкое при-

менение при регулировании температуры (термостаты), давления (прессостаты)

и других параметров состояния процесса. Двухпозиционные регуляторы ис-

пользуются также в системах автоматической защиты, блокировок и переклю-

чения режимов работы оборудования. В этом случае их функции выполняют датчики-реле.

Для примера рассмотрим термостат типа МСR 2000 фирмы GEA для управления двух- и четырехтрубными фэнкойлами. Двухпозиционное регули-

рование осуществляется в двухтрубных фэнкойлах с помощью электромагнит-

ного клапана. Выбор режима нагрев/охлаждение может производиться ручным способом или с помощью датчика температуры наружного воздуха. Трехпози-

ционное регулирование для четырехтрубного фэнкойла осуществляется двумя самостоятельными клапанами. Конструктивно термостат выполнен в пластмас-

93

совом корпусе, на передней панели которого размещены органы управления:

задатчик температуры, выключатель термостата и переключатель скоростей вентилятора.

9.5.2 Импульсные регуляторы

Повышение качества регулирования позиционных регуляторов может быть достигнуто путем преобразования величины выходного сигнала в дли-

тельность выходных импульсов относительно периода их следования:

То есть максимальные (или минимальные) значения напряжения на вы-

ходе позиционного регулятора формируются не в течение всего времени нали-

чия рассогласования регулируемого параметра, а периодически. Это позволяет с известной степенью точности реализовать любой закон регулирования, если длительность управляющего импульса будет пропорциональна комбинации П,

И и Д-составляющих. Достигается это с помощью широтно-импульсной моду-

ляции (ШИМ-регуляторов). Смысл широтно-импульсной модуляции заключа-

ется в преобразовании уровня выходного сигнала в соответствующую ему дли-

тельность выходного сигнала.

При П-законе регулятор выдает импульсы, в которых присутствует толь-

ко пропорциональная составляющая величины отклонения регулируемого па-

раметра (рис. 15, а). При реализации ПИ-закона ШИМ-регулятор с появлением

ε(t) выдает импульсы, длительность которых постепенно увеличивается. В каж-

дом импульсе присутствует как пропорциональная составляющая (не заштри-

хованная часть импульса), так и интегральная (заштрихованная часть), которая зависит от Tи (рис. 15, б).

При управлении исполнительным механизмом трехходового клапана или заслонки необходимо две пары контактов. При подаче управляющих импульсов на первую пару контактов механизм перемещается в одну сторону, например,

открывается, при подаче импульсов на вторую пару – закрывается.

Если исполнительный механизм имеет датчик положения, то регулятор вычисляет выходной сигнал и перемещает задвижку в нужное положение (до

94

совпадения выходного сигнала с сигналом датчика положения). Такие регуля-

торы иногда еще называют позиционерами.

Если датчик положения отсутствует, то регулятор вычисляет среднюю скорость перемещения задвижки, которую затем преобразует в относительную длительность импульса Tи. В этом случае реализуется только ПИ-закон регули-

рования.

Рис. 15. Реализация законов регулирования с помощью ШИМ-регуляторов: а – П-регулятор;

б– ПИ-регулятор.

9.5.3Управляющие контроллеры

Современные САУ в качестве средств управления используют, как прави-

ло, электронные цифровые устройства на базе микропроцессоров. В цифровых устройствах представление и обработка информации осуществляется в двоичной

95

(бинарной) системе счисления, в которой информация передается двумя цифра-

ми («0» и «1»). Физически им соответствуют два уровня напряжения.

Например, «0» соответствует 0-0,8 В, «1» соответствует 2,4-5,0 В – стан-

дартные уровни для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

В устройствах, основанных на «жесткой» (аппаратно реализованной) ло-

гике, каждый элемент выполняет одну функцию, определяемую базовыми опе-

рациями («И», «ИЛИ», «НЕ»), Микропроцессоры – устройства, реализующие последовательную во времени обработку данных с помощью фиксированного количества аппаратно реализованных логических функций. При этом порядок выполняемых микропроцессором операций определяется записанной в память последовательностью команд (алгоритмом), под управлением которых устрой-

ство управления микропроцессора задействует те или иные аппаратно-

реализованные логические функции.

Для выполнения микропроцессором регулирующих функций необходимо преобразовать непрерывные (аналоговые) сигналы от измерительных датчиков

(например, датчик температуры) в двоичный код. Для адекватного представле-

ния аналоговой величины в двоичном виде производится измерение величины

(напряжения) в определенный момент времени (квантование по времени) с по-

следующим сопоставлением ее с ближайшим условным уровнем, жестко опре-

деленным двоичным кодом (квантование по уровню).

При квантовании по уровню сигнал округляется до ближайшего разре-

шенного уровня, который преобразуется в цифровой код (двоичное число). Эта операция называется кодированием. Совокупность двоичных чисел представля-

ет собой цифровой сигнал, соответствующий аналоговому сигналу. Ошибки преобразования зависят от числа разрешенных уровней.

Основным устройством, которое способно запомнить элементарную еди-

ницу цифровой информации – один разряд (бит), является триггер – устрой-

ство из двух, определенным образом соединенных элементарных логических ячеек «И» либо «ИЛИ», имеющее два устойчивых состояния, одно из которых принимается за «1», а второе – за «0».

96

Для хранения многоразрядного двоичного числа используют несколько триггеров, по одному на каждый разряд. Такую группу триггеров называют ре-

гистром. На базе триггеров построены и другие элементы цифровых устройств,

осуществляющие логические и математические операции: счетчики, суммато-

ры, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, преобра-

зователи аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП).

Сами микропроцессоры, объединяющие заданный набор цифровых устройств, выполнены в виде больших интегральных микросхем (БИС), деля-

щихся на два основных класса:

– микропроцессоры общего применения – БИС, не имеющие встроенных дополнительных средств и периферии и обладающие большой гибкостью про-

ектирования готовых устройств управления и регулирования (контроллеров);

– однокристальные микро-ЭВМ – сложные и дорогие БИС, содержащие в одном корпусе, помимо ядра микропроцессора общего применения, встроен-

ную память (постоянное запоминающее устройство – ПЗУ), память данных

(оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) и широкий набор периферий-

ных средств: 8-12-разрядные АЦП, один-два 6-Поразрядных ЦАП, десятки двунаправленных линий ввода-вывода дискретных сигналов, приемопередат-

чики для обмена информацией по последовательному каналу и др.

Современные микропроцессоры, микро-ЭВМ и контроллеры по своим техническим возможностям позволяют обеспечить управление множеством па-

раметров, таких как пуск и остановка отдельных устройств и всей системы в целом, блокировка и защита оборудования в аварийных ситуациях, индикация,

переход с режима на режим и т. д.

Устройства, комплексно решающие функции управления и регулирова-

ния, называются управляющими контроллерами. При их использовании в большинстве случаев исключается необходимость применения таких элементов автоматики, как реле, преобразователи, переключатели, счетчики, индикаторы,

измерительные приборы и т. п. Это в свою очередь позволяет:

97

– повысить точность поддержания регулирующих параметров и надеж-

ность работы системы;

–уменьшить габариты средств управления;

–упростить монтаж и сократить сроки его выполнения;

–облегчить эксплуатацию системы.

В ряде случаев за счет перечисленных достоинств можно уменьшить фак-

тическую стоимость средства автоматики с учетом капитальных и эксплуата-

ционных затрат.

Основные функциональные части управляющего контроллера:

–устройство ввода-вывода;

–арифметико-логическое устройство (АЛУ);

–постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

–перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ);

–индикатор;

–пульт управления.

Устройство ввода-вывода обеспечивает прием, обработку сигналов от датчиков, преобразование их в цифровой код и передачу в АЛУ для дальней-

шей обработки. Полученные в цифровом виде управляющие сигналы также преобразовываются устройством ввода-вывода в аналоговые или дискретные для передачи на исполнительные механизмы. Устройство ввода-вывода выпол-

няется на базе элементов: мультиплексоров, демультиплексоров, ЦАП и АЦП.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполне-

ния команд, поступающих с пульта управления и запоминающих устройств,

выполнения математических и логических операций и выработки управляющих сигналов в цифровом виде.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) включает программы, ко-

торые обычно записываются заводом-изготовителем контроллера или произво-

дителем оборудования. Такие программы могут состоять из одного или не-

скольких управляющих алгоритмов, ориентированных на работу с теми или иными конфигурациями систем (например, приточной вентсистемой, вентиля-

98

торным доводчиком (фэнкойлом) или небольшим холодильным агрегатом.

Контроллеры с такими ПЗУ предназначены для выполнения четко определен-

ных задач. Например, в автоматической стиральной машине пользователем за-

дается вид ткани, которую необходимо постирать, масса, степень загрязнен-

ности, а контроллер из разнообразных алгоритмов обработки выбирает опти-

мальный. В данном случае пользователь или механик сервисной службы не мо-

гут изменить алгоритм работы машины. Такие контроллеры называют жестко программируемыми.

Часть памяти данных, выполненная на основе электрически перепро-

граммируемого запоминающего устройства, служит для настроек параметров управляющего алгоритма наладчиком, а также значений счетчиков статистики

(общее количество циклов включений установки, причины и время отказов и т. п.) и параметров автонастройки «самообучающихся» алгоритмов.

9.6 Электродвигатели. Классификация электрических машин

Электродвигатели в системах вентиляции и кондиционирования воздуха используются для вращения вентиляторов, компрессоров, терморегулирующих вентилей, воздушных заслонок, водяных вентилей и т. д.

Электродвигатели относятся к классу электрических машин, в которых происходит преобразование одного вида энергии в другой вследствие процесса электромагнитной индукции.

По назначению электрические машины разделяют на:

–генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую;

–электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механиче-

скую;

– специальные машины, преобразующие один вид энергии в другой

(трансформаторы, магнитные усилители и др.).

По устройству электрические машины принято разделять на кол-

лекторные и бесколлекторные.

99

Коллекторные машины используются чаще всего для работы на пос-

тоянном токе, бесколлекторные машины работают на переменном токе.

Параметры режима, определяющие работу машины в условиях, для кото-

рых она предназначена, называются номинальными.

К номинальным параметрам электрических машин относятся нап-

ряжение, мощность, ток, частота, число фаз, скорость вращения, пусковой ток,

коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, пусковой и номи-

нальный моменты. Основные номинальные величины указываются на завод-

ском щитке.

9.6.1 Устройство электрических машин

Электрические машины имеют две основные части: статор и вращаю-

щийся ротор, разделенные зазором. На статоре и роторе размещаются стальные сердечники, которые служат для проведения магнитного потока. Для уменьше-

ния потерь на вихревые токи при переменном магнитном поле сердечники вы-

полняются из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. На внутренней окружности листов имеются пазы, в ко-

торые укладываются обмотки.

Сердечники ротора крепятся на валу. Вал вращается в подшипниках,

встроенных в торцевые щиты. Обмотки и сердечники для охлаждения в боль-

шинстве случаев обдуваются воздухом. В герметичных компрессорах ох-

лаждение осуществляется хладагентом.

Обмотка ротора укладывается в пазы. Выводы обмотки выводятся на коллекторные кольца. Такой ротор называется фазным. Фазный ротор имеет,

как правило, трехфазную обмотку, выполняемую аналогично статорной.

Через щетки, укрепленные на неподвижной части машины и скользящие по контактным кольцам, к ротору подключается трехфазный пусковой или ре-

гулируемый реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводится активное сопротивле-

ние. Двигатели с фазным ротором применяются там, где требуется регулирова-