Барьеры искробезопасности
Предприятия нефтехимической, химической, газоперерабатывающей промышленности, а также некоторые предприятия пищевой промышленности предъявляют особые требования к системам управления технологическими процессами. Особенностью таких производств является постоянное или временное наличие взрывоопасных газовоздушных смесей на некоторых производственных установках. Таким образом, на подобных объектах неисправности электрических цепей систем управления, такие как замыкание сигнальных цепей или попадание высокого потенциала на сигнальные цепи может вызвать искрение и спровоцировать пожар или взрыв. Именно поэтому раньше для управления взрывоопасными объектами в основном применялись пневматические системы, которые исключали возможность возникновения искры во взрывоопасных зонах, но вместе с тем были дороги и обладали невысокой точностью. Редкие же электрические цепи защищались взрывозащитными оболочками – провода прокладывались в стальных трубах, а приборы располагались в литых алюминиевых коробках, что создавало массу неудобств при монтаже и эксплуатации.
В последнее десятилетие все большее распространение получил вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь». Данный метод основан на ограничении электрической энергии, передаваемой во взрывоопасную зону, а также на ограничении энергии, запасаемой самой цепью таким образом, что цепь теряет возможность генерировать искру, мощности которой достаточно для воспламенения взрывоопасной смеси. Такой метод взрывозащиты отличают высокая безопасность, экономичность, удобство и простота установки и обслуживания, а также широкие возможности по расширению и модернизации систем управления.
Помимо требований по ограничению энергии, накопляемой электрической цепью, которая зависит от величины емкости и индуктивности цепи и включенных в ее состав приборов, вид защиты «искробезопасная электрическая цепь» требует наличия специальных устройств, которые не допускают попадания высокого потенциала или прохождения высокого тока со стороны системы управления в защищенную цепь – барьеров искробезопасности. Фактически, барьеры искробезопасности являются устройствами, устанавливающимися в сигнальные цепи между системой управления и первичными преобразователями или исполнительными механизмами, защищающими цепи, расположенные во взрывоопасных зонах от возможного попадания высокого потенциала в случае неисправности системы управления или возникновение высокого тока в цепи вследствие ее короткого замыкания.
Конструктивно барьеры искробезопасностибывают двух основных типов: с использованием стабилитронов и предохранителей, а также с гальванической изоляцией. Конструкция барьеров искробезопасности на стабилитронах (или, как их еще называют, Зенеровских барьеров) приведена на рисунке 1.
Как видно, защита от перенапряжения обеспечивается за счет стабилитронов, а защита от превышения тока – за счет предохранителей. Достоинством данного типа барьеров является невысокая цена, а также передача сигналов (например, от термопар или тензомостов) в их первоначальном виде, без преобразования. Список же недостатков у таких приборов существенен. Во-первых, такие барьеры нуждаются в заземлении, причем сопротивление такого заземления не должно превышать 1 Ом. Во-вторых, данные барьеры не позволяют использовать изолированные от земли цепи. И, самое главное, в случае сбоя (аварийной ситуации) предохранитель данного барьера перегорает, что выводит барьер из строя.
Всех этих недостатков лишены барьеры искробезопасности с гальванической изоляцией (рис. 2). Гальваническая изоляция (трансформаторная или оптическая) обеспечивает полную развязку искробезопасной цепи от контура системы управления, что позволяет отказаться от заземления барьеров.
Кроме того, данные барьеры часто наделелены дополнительными функциями по преобразованию сигналов, что упрощает подключение различных промышленных сигналов к системам управления. Например, некоторые барьеры имеют функцию преобразования сигнала 4…20 мА в сигнал 0…10 В, или преобразуют температурный сигнал, поступающий, например, от термопары или термосопротивления в стандартный сигнал 4…20 мА. Среди недостатков же можно указать на необходимость внешнего питания и относительно высокую цену. Однако, несмотря на это, именно такой тип барьеров вполне оправданно получил в последнее время наибольшее распространение.
В нашем каталоге представлены барьеры искробезопасности серии Ккомпании Pepperl+Fuchs, которые за последние 15 лет стали наиболее популярным решением для искробезопасных цепей. В настоящее время серия K включает в себя более 100 моделей барьеров искробезопасности, предназначенных для большинства стандартных промышленных сигналов, которые могут использоваться в каналах дискретного ввода, аналогового ввода, ввода сигналов от датчиков температуры, ввода частотных сигналов, а также для сигналов дискретного и аналогового вывода. Для облегчения выбора в нашем каталоге представлены только наиболее часто используемые типы барьеров, однако в случае, если задача требует нестандартного оборудования, наши специалисты обязательно подберут решение для такой искробезопасной цепи.
36. Электропривод в исполнительных устройствах. Частотно- регулируемый привод.
Электрическим исполнительным механизмом в системах управления обычно называют устройство, предназначенное для перемещения рабочего органа в соответствии с сигналами, поступающими от управляющего устройства.
Рабочими органами могут быть различного рода дроссельные заслонки, клапаны, задвижки, шиберы, направляющие аппараты и другие регулирующие и запорные органы, способные производить изменение количества энергии или рабочего вещества, поступающего в объект управления. При этом перемещение рабочих органов может быть как поступательным, так и вращательным в пределах одного или нескольких оборотов. Следовательно, исполнительный механизм с помощью рабочего органа осуществляет непосредственное воздействие на управляемый объект.
В общем случае электрический исполнительный механизм состоит из электропривода, редуктора, узла обратной связи, датчика указателя положения выходного элемента и конечных выключателей.
В качестве электропривода в исполнительных механизмах используются либо электромагниты, либо электродвигатели с понижающим редуктором для снижения скорости перемещения выходного элемента до величины, обеспечивающей возможность непосредственного соединения этого элемента (вала или штока) с рабочим органом.
Узлы обратной связи предназначены для введения в контур регулирования воздействия, пропорционального величине перемещения выходного элемента исполнительного механизма, а следовательно, и сочлененного с ним рабочего органа. С помощью конечных выключателей производится отключение электропривода исполнительного механизма при достижении рабочим органом своих конечных положений во избежание возможных повреждений механических звеньев, а также для ограничения перемещения рабочего органа.
Как правило, мощность сигнала, вырабатываемого регулирующим устройством, бывает недостаточной для непосредственного перемещения рабочего органа, поэтому исполнительный механизм можно рассматривать как усилитель мощности, в котором слабый входной сигнал, усиливаясь во много раз, передается на рабочий орган.
Все электрические исполнительные механизмы, нашедшие широкое применение в самых различных отраслях современной техники автоматизации производственных процессов, можно разделить на две основные группы:
1) электромагнитные
2) электродвигательные.
Классификация электрических исполнительных механизмов
К первой группе относятся прежде всего соленоидные электроприводы, предназначенные для управления различного рода регулирующими и запорными клапанами, вентилями, золотниками и т. п. Сюда же можно отнести исполнительные механизмы с различными видами электромагнитных муфт. Характерная особенность электрических исполнительных механизмов этой группы состоит в том, что необходимое для перестановки рабочего органа усилие создается за счет электромагнита, являющегося неотъемлемой частью исполнительного механизма.
Для целей регулирования соленоидные механизмы обычно применяются только в системах двухпозиционного регулирования. В системах автоматического управления в качестве исполнительных элементов часто используются электромагнитные муфты, которые подразделяются на муфты трения и муфты скольжения.
Ко второй, наиболее распространенной в настоящее время группе относятся электрические исполнительные механизмы с электродвигателями различных типов и конструкций.
Электродвигательные исполнительные механизмы обычно состоят из двигателя, редуктора и тормоза (последнего иногда может и не быть). Сигнал управления поступает одновременно к двигателю и тормозу, механизм растормаживается и двигатель приводит в движение выходной орган. При исчезновении сигнала двигатель выключается, а тормоз останавливает механизм. Простота схемы, малое число элементов, участвующих в формировании регулирующего воздействия, и высокие эксплуатационные свойства сделали исполнительные механизмы с управляемыми двигателями основой для создания исполнительных устройств современных промышленных систем автоматического регулирования.
Существуют, хотя и не получили широкого распространения, исполнительные механизмы с неуправляемыми двигателями, которые содержат управляемую электрическим сигналом механическую, электрическую либо гидравлическую муфту. Характерной их особенностью является то, что двигатель в них работает непрерывно все время работы системы регулирования, а сигнал управления от регулирующего прибора передается рабочему органу через управляемую муфту
Исполнительные механизмы с управляемыми двигателями в свою очередь можно разделить по способу построения системы управления на механизмы с контактным и бесконтактным управлением.
Включение, отключение и реверсирование электродвигателей исполнительных механизмов с контактным управлением производится с помощью различной релейной или контактной аппаратуры. Это определяет основную отличительную особенность исполнительных механизмов с контактным управлением: у таких механизмов скорость выходного органа не зависит от величины управляющего сигнала, подаваемого на вход исполнительного устройства, а направление перемещения определяется знаком (или фазой) этого сигнала. Поэтому исполнительные механизмы с контактным управлением относят обычно к исполнительным устройствам с постоянной скоростью перемещения рабочего органа.
Для получения средней переменной скорости перемещения выходного органа исполнительного механизма при контактном управлении широко используется импульсный режим работы его электродвигателя.
В большинстве исполнительных механизмов, предназначенных для работы в схемах с контактным управлением, используются реверсивные электродвигатели. Применение электродвигателей вращающихся только в одну сторону, весьма ограничено, но все же имеет место.
Бесконтактные электрические исполнительные механизмы отличаются повышенной надежностью и позволяющие относительно просто получать как постоянную, так и переменную скорость перемещения выходного органа. Для бесконтактного управления исполнительными механизмами используются электронные, магнитные или полупроводниковые усилители, а также их сочетание. При работе управляющих усилителей в релейном режиме скорость перемещения выходного органа исполнительных механизмов постоянна.
Как электрические исполнительные механизмы с контактным управлением, так и бесконтактные можно подразделять также по следующим признакам.
По назначению: с вращательным движением выходного вала — одиооборотные; с вращательным движением выходного вала — многооборотпые; с поступательным движением выходного вала — прямоходпые.
По характеру действия: позиционного действия; пропорционального действия.
По исполнению: в нормальном исполнении, в специальном исполнении (пылеводозащищенном, взрывозащищениом, тропическом, морском и т. п.).
Выходной вал однооборотных исполнительных механизмов может вращаться в пределах одного полного оборота. Такие механизмы характеризуются величиной крутящего момента на выходном валу и временем его полного оборота.
В отличие от однооборотных многооборотные механизмы, выходной вал которых может осуществлять перемещение в пределах нескольких, иногда значительного количества, оборотов, характеризуются также полным числом оборотов выходного вала.
Прямоходные механизмы имеют поступательное движение выходного штока и оцениваются усилием на штоке, величиной полного хода штока, временем его перемещения на участке полного хода и по скорости движения выходного органа в оборотах в минуту для однооборотных и многооборотных и в миллиметрах в секунду для прямоходных механизмов.
Конструкция исполнительных механизмов позиционного действия такова, что с их помощью рабочие органы можно устанавливать только в определенные фиксированные положения. Чаще всего таких положений бывает два: «открыто» и «закрыто». В общем случае возможно существование и многопозиционных механизмов. Исполнительные механизмы позиционного действия обычно не имеют устройств для получения сигнала обратной связи по положению выходного органа.
Исполнительные механизмы пропорционального действия конструктивно таковы, что обеспечивают в заданных пределах установку рабочего органа в любое промежуточное положение в зависимости от величины и длительности управляющего сигнала. Подобные исполнительные механизмы могут использоваться как в позиционных, так и в П, ПИ и ПИД-системах автоматического регулирования.
Существование электрических исполнительных механизмов как нормального, так и специальных исполнений в значительной мере расширяет возможные области их практического применения.
Электрический привод (сокращённо — электропривод) — это электромеханическая система для приведения в движение исполнительных механизмов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.
Современный электропривод — это совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической энергии (до 60 %)[1] и главным источником механической энергии в промышленности.
Определение по ГОСТу Р 50369-92 [2] Электропривод - электромеханическая система, состоящая из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.
Как видно из определения, исполнительный орган в состав привода не входит. Однако, авторы авторитетных учебников [1] [3] включают исполнительный орган в состав электропривода. Это противоречие объясняется тем, что при проектировании электропривода необходимо учитывать величину и характер изменения механической нагрузки на валу электродвигателя, которые определяются параметрами исполнительного органа. При невозможности реализации прямого привода электродвигатель приводит исполнительный орган в движение через кинематическую передачу. КПД, передаточное число и пульсации, вносимые кинематической передачей также учитываются при проектировании электропривода.