книги из ГПНТБ / Кисельников В.Б. Системы автоматизации силового дизельного привода

связаны с дискретными методами приема и переработки информа­ ции. Следовательно, таким системам присущи основные категории информационных систем, и для их построения необходим анализ информационных процессов с целью алгоритмизации задач уп­ равления.

Под алгоритмом управления будем понимать строго обуслов­ ленную последовательность действий, необходимых для измене­ ния состояния объекта управления, с целью достижения задан­ ного (конечного) режима его работы.

Необходимость выведения объекта управления в тот или иной режим работы, например пуск или остановка дизеля, и связанный с этим объем необходимых воздействий на объект полностью зави­ сят от характера полученной информации и заданного алгоритма управления. Заметим, что для алгоритмов управления характерны некоторые общие положения, такие, например, как простота закона перехода одного объема информации в дискретном времени в дру­ гой, т. е. минимальные изменения предыдущего объема информа­ ции по отношению к последующему.

Рассмотрим вопросы определения путей ввода и обработки информации и формулировки промежуточных и конечной задач автоматизации дизеля в режимах пуска и остановки. Эти задачи целесообразно решить последовательным установлением алгорит­ мов управления, обусловленных особенностями дизеля как объ­ екта управления и эксплуатационными условиями.

Поскольку схемы автоматического управления дизелями сило­ вого привода являются дискретными, их реализация построена на применении элементов так называемой релейной техники. В релей­ ных элементах как входы, так и выходы характеризуются двумя значениями (уровнями) сигналов. Существует много форм, в кото­ рых может быть выражена эта двузначность. Для электрических цепей она может выражаться высоким или низким уровнями на­ пряжения, отсутствием или наличием тока в цепи, двумя раз­ личными частотами сигналов и т. п. Для пневматических цепей управления дискретное состояние входных и выходных цепей может определяться низким и высоким уровнями давления сжа­ того воздуха, а также двумя значениями частотной модуляции или скважностью пневматических сигналов. Существенным яв­ ляется то, что работа релейных устройств основана не'просто на дискретном принципе, а на двузначности состояния параметров цепей управления. Одной из основных характеристик работы отдельных элементов и цепей управления в целом, построенных на двузначном принципе действия, является время изменения одного уровня сигнала на другой. Для электрических цепей, построенных на контактных электромагнитных реле, это время лежит в зависимости от типов реле в пределах 0,10—0,01 с . Д л я электрических цепей управления, построенных на полупровод­ никовых элементах, это время характеризуется долями милли­ секунд. Для пневматических цепей управления характеристики

114

Бремени перехода из одного состояния цепей в другое определяется 1—2 с. Другой существенной характеристикой двоичных цепей управления является коэффициент перепада уровней двоичных сигналов

Полупро­

водниковые

триоды

Рис. 36. Схемы реализации основных логических функций на электрических и пневматических элементах

Так, например, в электрических схемах двоичность сигналов может быть выражена двумя уровнями напряжения одной поляр-

115

от различного числа аргументов, его значение в каждом экстре­ муме может меняться. При увеличении значения Кур увеличивается помехоустойчивость и тем самым надежность работы цепей и

имеющим свои основные правила и оперирующим рядом логиче­ ских понятий.

Основными из них являются: отрицание НЕ (инверсия); логи­ ческое сложение ИЛИ (конъюнкция); логическое умножение И (дизъюнкция).

Практически в схемах управления логическое отрицание НЕ реализуется изменением сигнала с одного экстремального уровня на другой. Логическое сложение определяется возможностью получения выходного сигнала высокого уровня при переходе одного или нескольких входных сигналов на тот же уровень. Логическое умножение определяется возможностью получения выходного сигнала высокого уровня при условии перехода всех входных сигналов на тот же уровень.

116

Таблица 9. Таблица условных обозначений логических операций

Логическое устройство, реализу­ ющее логическую операцию с числом входов 1 или 2

Логическое устройство, реализу­ ющее логическую операцию с числом входов более двух

Логическая операция ДА

Логическая операция НЕ

Логическая операция И

Логическая операция ИЛИ

Логическая операция ПАМЯТЬ

Импульсатор

117

Продолжение табл. 9

Триггер:

Т

с раздельными входами

На рис. 36 показаны примеры схемной реализации основных логических функций на контактных и бесконтактных логических элементах.

Релейные цепи управления по принципам действия могут быть разделены на однотактные и многотактные. Для однотактных цепей значения выходных сигналов полностью. определяются задан­ ными значениями входных сигналов в данный момент времени. Для многотактных схем управления значения выходных сигналов зависят не только от значений входных сигналов в данный мо­ мент времени, но и от того, каковы были их значения в предыду­ щие моменты времени. Многотактные схемы характеризуются наличием специальных схемных решений, обеспечивающих за­ поминание состояния входных сигналов на необходимый промежу­ ток времени. Эти схемы называются ПАМЯТЬ и примеры их реа­ лизации показаны на рис. 37.

Следует упомянуть, что для схем управления часто необходима задержка сигнала на некоторое заданное время. Эта задача может быть реализована в контактных электрических схемах при по­ мощи реле времени, а в бесконтактных — элементами, обеспечи­ вающими временную задержку. В последнем случае элементы представляют собой релейные устройства с растянутым временем срабатывания.

При помощи алгебры логики можно произвести анализ и синтез как однотактных, так и многотактных схем управления, а также обеспечить минимизацию структур проектируемых схем управле-

118

ния. Эти вопросы подробно рассмотрены в специальной литера­ туре [2, 12] и в данной книге не рассматриваются.

В табл. 9 приведены условные обозначения логических опера­ ций,' наиболее типичные для схем управления дизелями силового привода.

При помощи этих обозначений может быть графически воспро­ изведен алгоритм управления в виде логической схемы, явля­ ющейся базой для построения систем управления на выбранных для заданных условий эксплуатации конкретных элементах.

14. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПУСКА И ОСТАНОВКИ

Требования к системам автоматического пуска и остановки

Пусковые операции являются наиболее ответственными при управлении дизелем. Правильное и своевременное их выполнение обеспечивает высокий уровень ряда технических показателей, достижение которых при ручном управлении не всегда возможно.

К этим показателям относятся:

повышение надежности работы дизеля и агрегата в целом за

снижение расхода энергии при пуске за счет быстродействия систем управления;

уменьшение времени на пуск дизеля, что имеет большое зна­ чение для агрегатов резервного назначения;

обеспечение экономичности режима «горячей» готовности ди­ зеля;

улучшение санитарных условий труда мотористов, поскольку исключается необходимость их Присутствия в машинном поме­ щении;

снижение эксплуатационных затрат на обслуживание агре­ гатов за счет полного или частичного высвобождения обслужива­ ющего персонала;

возможность комплексной автоматизации и диспетчеризации управления агрегатом и объектом;

возможность дистанционного управления дизелем и агрегатом. Важным требованием к рассматриваемой системе автоматиза­ ции, как и к другим системам, является обеспечение необходимого уровня надежности ее работы. Повышение надежности должно достигаться не только за счет выбора соответствующей аппаратуры для построения систем, но в первую очередь за счет простоты структуры, обусловленной рациональным алгоритмом управле­ ния. Простота системы- в значительной мере достигается при под­ готовленности объекта управления к автоматической работе, когда в самой конструкции агрегата заложены решения, умень­ шающие число необходимых воздействий на дизель. Минимизация

119

структур, уменьшение числа связей между отдельными элемен­ тами и устройствами системы также влияют на повышение надеж­ ности системы.

Системы автоматизации пуска и остановки могут быть по­ строены на электрических и пневматических приборах. Выбор того или иного вида оперативной энергии и, следовательно, обо­ рудования для систем также в первую очередь подчинен требова­ ниям надежности. Равноценные для одних условий эксплуатации или для какого-либо типа дизелей электрические и пневматические системы управления могут обеспечить различные показатели по надежности для каких-то специфических условий эксплуатации. Так, для агрегатов, работающих во взрывоопасных условиях, применение пневматических систем может оказаться предпочти­ тельным перед электрическими, и в то же время электрические системы смогут обеспечить более высокие показатели надежности для агрегатов, эксплуатируемых при отрицательных температурах окружающего воздуха или при необходимости дистанционного управления.

Нужно отметить, что выбор характера оперативного питания системы обусловлен многими факторами, и только их всесторон­ няя оценка обеспечивает правильность выбора. При этом жела­ тельно блочное построение^ системы, что дает возможность привыходе из строя отдельных узлов производить замену блока, которая может быть выполнена быстро обслуживающим персона­ лом любой квалификации.

Непременным требованием к системам автоматического управ­ ления пуском и остановкой является возможность ручного управ­ ления агрегатом при выходе из строя устройств автоматики.

Поскольку системы управления пуском и остановкой могут явиться частью комплексной системы автоматизации, для соответ­ ствующих случаев должна быть предусмотрена возможность сты­ ковки с другими устройствами автоматического управления.

Система должна обеспечивать минимально необходимый'объемвизуальной исполнительной и аварийной сигнализации.

Исполнительная сигнализация должна быть достаточной для выполнения технологического цикла на объекте.

Для электрических систем желательно использование низких уровней напряжения, поскольку часть приборов и узлов системы навешивается непосредственно на дизельный агрегат. В частности, существующий ГОСТ 11102—64 на приборы и устройства дизель­ ной автоматики регламентирует использование напряжения 24 В постоянного тока.

Структура систем автоматического пуска и остановки

Так же как и всякая дискретная система, система автома­ тического пуска и остановки состоит из трех групп элементов, входящих соответственно в поля информации, управления и исполнения.

120

К первой группе относятся приемные реле, командные аппа­ раты, программные устройства и выходные коммутационные аппа­ раты других систем комплексной автоматизации. Назначение этих устройств — вырабатывать информационные сигналы дискрет­ ного действия, свидетельствующие о состоянии управляемого объекта или устанавливающие необходимость определенного ре­ жима работы объекта в зависимости от эксплуатационных ус­ ловий.

Ко второй группе относятся устройства, обеспечивающие ло­ гическое решение задачи управления в соответствии с получаемой информацией и алгоритмом управления. В эти устройства вклю­ чаются также элементы, преобразующие информационные сигналы какого-либо вида энергии в сигналы, необходимые для работы логической схемы. Сюда относятся сами логические элементы, различные устройства развязки цепей управления, выходные усилительные элементы и преобразователи, вырабатывающие сигналы управляющего воздействия.

К третьей группе относятся исполнительные механизмы и сигнализационная аппаратура. Часть исполнительных механиз­ мов и приемных реле размещается на дизеле, часть в блоках и пультах управления.

Для общего случая система автоматического управления пуском и остановкой включает в себя объект управления •-— дизель с на­ вешенными приемными реле и исполнительными устройствами, блок управления, пульт управления местный, пульт управления дистанционный, блок питания.

Блоки и пульты конструктивно могут быть выполнены раз­ дельно или в виде единой конструкции и размещаться в зави­ симости от типа эксплуатируемого агрегата в непосредственной близости от него или на дистанции. В некоторых случаях часть логических цепей системы автоматизации пуска и остановки может входить в другие системы, например в системы ДАУ или А П С

15. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ С ДИЗЕЛЯМИ СИЛОВОГО ПРИВОДА

Основным режимом работы силового дизельного привода яв­ ляется сообщение крутящего момента оборудованию в течение рабочего цикла, длительность которого может быть достаточно большой.

Передача крутящего момента', как правило, осуществляется двумя способами. В первом способе передача крутящего момента осуществляется непосредственно от вала дизеля к приводному оборудованию через жесткую или полужесткую связь. Напри­ мер, дизель-компрессоры и дизель-насосы, в которых компрессор или насос через муфту связан с дизелем или приводится непо­ средственно от коленчатого вала дизеля. Для второго способа характерным является передача крутящего момента через про-

121

межуточное звено, позволяющее по крайней мере разобщать ди­ зель и приводимое оборудование, а в большинстве случаев и трансформировать передаваемый крутящий момент (схема 3, б). Например, нефтекачалки с дизельным приводом, имеющие муфту сцепления и коробку передач, буровые агрегаты с дизельным при­ водом и разобщающими шинно-пневматическими муфтами и т. п.

Рассмотрим особенности пусковых операций для обоих видов установок с дизельным силовым приводом. Для установок, рабо­ тающих по схеме, показанной на схеме 3, а, характерным является проведение операции пуска дизеля под нагрузкой, которая может изменяться в диапазоне от величины, необходимой для покрытия

до величины, составляющей 30—40% от номинального значения полезной нагрузки.

Естественно, пуск дизеля будет осуществляться более уве­ ренно в условиях, когда внешний момент будет сведен к минимуму. Поэтому при наличии разобщающего звена, как это имеет место в схеме 3, б, следует обеспечивать контроль при пуске за положе­ нием разобщенного звена. Это дает возможность более экономно расходовать энергию для раскрутки дизеля при пуске на холо­ стом ходу, обеспечивает появление устойчивых вспышек в ци­ линдре и прогревание дизеля до приема нагрузки. В то же время

выми устройствами, увеличение мощности средств раскрутки дизеля, затягивает цикл получения устойчивых вспышек в ци­ линдрах и увеличение вероятности неудавшегося пуска. Для об­ легчения пускового режима в этом случае следует предусматри­ вать блокировку с органами управления приводимого оборудо­ вания, обеспечивающую ограничение нагрузки при пуске дизеля. Большую роль здесь может сыграть и предварительный прогрев неработающего дизеля,- который не только облегчит пуск, но создаст благоприятные условия работы под нагрузкой сразу ж£ после пуска.

В случае, если имеется звено, разобщающее дизель и приво­ димое оборудование, то пуск дизеля производится на холостом ходу и включение нагрузки осуществляется только после соответ-

122

ствующей готовности. В эксплуатационных режимах после приема нагрузки возможны случаи аварии приводимого оборудования, которые могут привести к выходу из строя и дизеля, если не при­ нять меры к остановке агрегата или отключению дизеля от на­ грузки. В связи с этим для дизелей силового привода характерны системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты, включающие в себя контроль за аварийными состояниями при­ водимого оборудования.

16. РЕЖИМЫ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ПУСКА И ОСТАНОВКИ

При рассмотрении алгоритма управления дизелями силового привода следует исходить из следующих характерных режимов работы дизеля: пуск, прием нагрузки и остановка. В свою очередь, указанные режимы могут быть разбиты на отдельные операции, анализ которых позволяет сформулировать частные алгоритмы автоматического управления.

Хотя конкретные системы автоматического -управления дизе­ лями силового привода базируются на определенном алгоритме, отражающем специфику данного типа дизеля и агрегата, имеется ряд общих задач, решение которых позволяет определить опти­ мальные условия автоматического управления широкого круга дизельных агрегатов. Ниже рассматриваются свойства дизеля как объекта автоматического управления и определяются исходя из этих свойств технически обоснованные задачи автоматизации, наиболее характерные для большинства дизелей силового при­ вода. Следует отметить, что задачи автоматизации дизеля рассма­ триваются применительно к каждому из основных режимов его работы, для которых в итоге сформулированы общие алгоритмы управления. . . .

Пуск дизеля. При пуске дизеля должно быть обеспечено выполнение ряда операций, обеспечивающих необходимые га­ рантии по предотвращению повышенного износа, выхода из строя отдельных узлов дизеля или аварии агрегата.

Надежный пуск дизеля зависит от различных факторов, обес­ печивающих воспламенение впрыскиваемого топлива. Известно [7, 16], что минимальное значение температуры Тс воздушного заряда к концу хода сжатия должно быть не менее 750° К, чтобы было обеспечено надежное воспламенение топлива. Эта темпе­

123