Приводы и исполнительные механизмы запорно-регулирующей, регулирующей и запорной трубопроводной арматуры предназначены для преобразования управляющего сигнала (пневматического, электрического или механического) в механическое (линейное или вращательное) перемещение штока привода и жестко связанного со штоком запорного органа (клапана, шарового затвора, дисковой заслонки, задвижки и т.п.).
Исполнительные механизмы, применяемые для управления запорно-регулирущей арматурой по принципу действия и используемому виду энергии для создания необходимого механического усилия на рабочем затворе подразделяют на:
-
Пневматические
-
Электрические
-
Гидравлические
-
Комбинированные
-
Ручные
Пневматические исполнительные механизмы
Пневматические исполнительные механизмы в силу сложившейся традиции занимают достаточно большое место среди приводов для регулирующей арматуры различного типа. Это обусловлено в первую очередь тем, что массовая промышленная автоматизация до 50-х, 60‑х годов прошлого столетия базировалась в основном на пневматике. Пневматические системы автоматизированного управления сегодня, в эпоху микропроцессоров и широкого применения цифровой электроники, смотрятся несколько архаично, и кроме того они достаточно громоздкие, требуют организации сетей подготовки и распределения сжатого воздуха, который к тому же расходуется при работе пневматических систем.
Вместе с тем, простота конструкции пневмоприводов, а как следствие этого — достаточно высокая надежность и ремонтопригодность их позволяют успешно использовать такие приводы и в современных системах автоматизированного управления технологическими процессами.
Пневматические исполнительные механизмы предназначены для преобразования изменений давления воздуха Р на выходе регулятора в перемещение регулирующего органа — клапана, заслонки, шибера, крана и т. п. Регулирующий орган изменяет расход потока жидкости, газа, пара и т. п. на объекте управления, и тем самым вызывает изменение регулируемого технологического параметра.
По типу привода пневматические исполнительные механизмы делятся на мембранные, поршневые, поворотные, пневмодвигатели вращающиеся.
Мембранный исполнительный механизм (МИМ)
Схема мембранного исполнительного механизма (МИМа) показана на рисунке 2. Перемещение выходного штока 2, соединенного с регулирующим органом, в одну сторону осуществляется силой, которая создается давлением Р, в другую — усилием пружины 3. Сигнал Р поступает в герметичную мембранную «головку», в которой находится мембрана из прорезиненной ткани толщиной 2-4 мм с жестким центром. Снизу на мембрану давит пружина 3. В мембранных исполнительных механизмах (рис. 2) давление управляющего воздуха воздействует на мембрану 4, зажатую по периметру между крышками привода, и создает усилие, которое уравнивается пружиной 3. Таким образом, ход штока 2 привода пропорционален величине управляющего давления. Жесткость и предварительное сжатие пружины определяет диапазон усилий привода и номинальный ход.
Мембранные исполнительные механизмы классифицируют, по размерам мембранных «головок». МИМы поставляются обычно совместно с регулирующими органами — клапанами. Так как при снятии давления Р мембрана всегда перемещается вверх, то в зависимости от конструкции регулирующего органа различают нормально открытые НО и нормально закрытые НЗ клапаны.
Статические характеристики большинства МИМов близки к линейным, однако они обладают зоной гистерезиса, составляющей 2—15% от наибольшего значения Р. Эта величина зависит от усилий трения в сальнике 5, от перепада давлений на регулирующем органе, от характеристик пружины и эффективной площади мембраны.
Для уменьшения зоны гистерезиса и улучшения динамических характеристик МИМов на исполнительный механизм устанавливают дополнительные усилители мощности, называемые позиционерами. Различают позиционеры, работающие по схеме компенсации перемещений и по схеме компенсации сил. В позиционерах обоих типов МИМ охватывается отрицательной обратной связью по положению штока, что исключает влияние на статические характеристики сил трения в сальнике, перепада давлений на регулирующем органе и т.п.
Одновременно с этим увеличение расхода воздуха, подаваемого в МИМ и заметно улучшаются динамические характеристики последнего. Для сопряжения с электрическими сигналами систем управления применяют электропневматические позиционеры, которые кроме улучшения статических характеристик мембранных исполнительных механизмов, обеспечивают преобразование электрического сигнала в импульс управляющего воздуха, подаваемого на МИМ.
Основные технические характеристики МИМов представлены в таблице 3.
Внешний вид типичных МИМов, устанавливаемых на регулирующих клапанах, представлен на рисунке 3.
Поршневые пневматические приводы
Поршневые пневматические приводы (ППП) применяют в тех случаях, когда требуется линейное перемещение штока исполнительного механизма на большое расстояние – до 300 мм. Для повышения точности и улучшения динамических характеристик поршневые приводы снабжают также позиционерами, а сами приводы в этом случае называют следящими. Схема поршневого пневматического привода представлена на рисунке 4. Механизм поршневого пневматического привода состоит из закрепленного на кронштейне 1 цилиндра 2 с размещенным внутри поршнем 3, жестко соединенным со штоком привода 4, и нескольких пружин 5, ориентированных относительно поршня в зависимости от исполнения привода (нормально открытый НО или нормально закрытый НЗ). Внутренняя поверхность цилиндра имеет антифрикционное покрытие. Наиболее типичная характеристика поршневого пневматического привода приведена в таблице 4. Пневматический поршневой привод работает следующим образом.
Пневматический входной сигнал от управляющего устройства поступает в рабочую полость и воздействует на поршень. При этом пружины противодействуют усилию, создаваемому давлением сжатого воздуха, вследствие чего шток перемещается на величину, обратно пропорциональную жесткости пружин.
Поворотные пневматические приводы
Поворотные пневматические приводы типа ППР предназначены для управления трубопроводной арматурой (краны шаровые и пробковые, затворы дисковые и шиберные и т.п.) при аналоговом или дискретном управлении положением запорного элемента, когда управляющее воздействие на шток запорного элемента требует поворотного воздействия или приложения к нему вращательного момента.
Поворотные пневматические приводы могут рассматриваться как некоторая разновидность поршневого пневматического привода, где поршень, выполненный в виде лепестка перемещается под давлением управляющего воздуха в специальной камере. Движение силового элемента (лепестка) пневмопривода непосредственно передается на вал запорного элемента трубопроводной арматуры, обеспечивая его требуемое положение.
Внешний вид поворотного пневматического привода представлен на рисунке 5.
Основные технические данные и характеристики различных типоразмеров поворотных пневмоприводов представлены в таблице 5.
Поворотные пневматические приводы могут оснащаться дополнительными блоками, обеспечивающими аналоговое или дискретное управление, а также сигнализацию положения вала. Взрывозащищенные блоки имеют маркировку взрывозащиты IExdsIICT6 – виды взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка».
Пневматические исполнительные механизмы
Электропневматические преобразователи и позиционеры
При управления пневматическими исполнительными устройствами применяют электропневматические позиционеры и электропневматические преобразователи. Несмотря на схожесть в названиях, это два различных прибора. Вместе с тем в некоторых моделях приборов позиционеры и преобразователи функционально объединены, что порой создает определенную путаницу и очень часто порождает многочисленные вопросы.
Мы рассмотрим сначала разницу между этими двумя приборами.
Электропневматический преобразователь предназначен для преобразования стандартного токового сигнала в пневматический сигнал для управления пневматическим исполнительным механизмом. Например, стандартный токовый сигнал 4…20 мА преобразуется в пневматический сигнал 0,2…1,0 бар или в сигнал любого другого диапазона в соответствии с имеющимся давлением сжатого воздуха.
Электропневматический позиционер является регулятором положения подвижной системы регулирующего клапана и как каждый регулятор он имеет объект регулирования, параметр, задание, сигнал действующего рассогласования и выход (сигнал управления). Объект управления – это исполнительный механизм регулирующего клапана, параметр – положение штока клапана, задание - управляющий сигнал от системы управления или регулятора, сигнал действующего рассогласования – разница между управляющим сиг налом и действительным положением штока, а выход – давление сжатого воздуха, поступающее в рабочую полость исполнительного механизма или изменяющееся усилие тарированной пружины. Изменяя выходное давление или усилие тарированной пружины, позиционер обеспечивает соответствие положения штока клапана управляющему сигналу, компенсируя усилия, действующие на подвижную систему клапана (трение в подвижных соединениях, статическое и динамическое воздействие регулируемой среды).
Если применяется регулирующий клапан с пневматическим позиционером, но имеется необходимость интегрировать этот клапан в электронную систему управления, то можно установить между системой и пневматическим позиционером электропневматический преобразователь.
Применение электропневматического преобразователя может быть обусловлено так же тем, что для малоинерционных систем управления (например, в случае регулирования расхода жидкости) применение позиционеров является нежелательным, так как ухудшает динамику процесса регулирования. В частности, в таких системах применение позиционера при наличии значительных сил трения вызывает высокую колебательность процесса регулирования. Более благоприятный переходный процесс регулирования может быть обеспечен именно с помощью электропневматического преобразователя. Например, известно, что управление клапанами антипомпажной защиты компрессора осуществляется при помощи электропневматического преобразователя, а не позиционера.
Современные интеллектуальные позиционеры сегодняшнего дня, кроме своей главной задачи – регулировать положение штока клапана, позволяют реализовать большое количество дополнительных функций: обзор параметров состояния клапана, автоматическую настройку, диагностику, конфигурирование, моделирование, архивирование. Но существует много систем, где эти замечательные возможности не востребованы. Тогда можно выбирать между аналоговым позиционером и преобразователем.
Таким образом, как уже отмечалось выше, что электропневматические преобразователи (сокр. Преобразователи) предназначены для преобразования унифицированного непрерывного сигнала постоянного тока в унифицированный пропорциональный пневматический непрерывный сигнал. Преобразователи преобразуют электрические сигналы 0-5, 0-20 или 4-20 мА в давление воздуха 20-100 кПа.
Принцип действия преобразователей основан на методе силовой компенсации, при котором момент, развиваемый катушкой, расположенной в поле постоянного магнита, пропорциональный входному сигналу, компенсируется моментом силы, развиваемым сильфоном обратной связи. Элементом, устанавливающим равновесие моментов, является пневматическая система “сопло-заслонка”.
Принципиальная схема преобразователя приведена на рисунке.
Входной сигнал I в вводят в катушку (К), в которой расположен постоянный магнит М, притягивающий с определенной силой, пропорциональной I в, рычаг S. Это ведет к изменению расстояния между соплом и заслонкой в ПС и давлений на входе P1 и выходе Р усилителя мощности. Одновременно изменяется давление в сильфоне С, включенном в контур отрицательной обратной связи, что приводит к восстановлению равновесия рычажного сумматора S. Настройку преобразователя производят винтом H, изменяющим расстояние от оси сильфона до оси вращения S, а также шунтом постоянного магнита Ш. Точная настройка диапазона осуществляется шунтом Ш магнитопровода.
В некоторых конструкциях электропневматических позиционеров функции преобразователе встроены, а обратная связь по положению рабочего органа механизма (штока) осуществляется с помощью рычага (для линейно перемещающихся штоков) или эксцентрикового ролика для поворотных механизмов.
Интеллектуальные электропневматические позиционеры также используются для управления регулирующими клапанами, поворотными или линейными. Они устанавливают регулирующий орган (например, МИМ) в положение, соответствующее электрическому входному управляющему сигналу. Дополнительные функциональные входы могут быть использованы для блокировки клапана или для установки его в безопасное положение.
Таким образом пневматические и электропневматические позиционеры существенно дополняют возможности регуляторов давления с пневмоприводом. Они позволяют исключить влияние гистерезиса, увеличить быстродействие и точность поддержания параметров, обеспечить надежное закрытие клапана при больших перепадах давления.
Технические характеристики электропневмопреобазователя типа ЭПП 300 представлены в таблице 6.
Внешний вид электропневматических преобразователей представлен на рисунке
Электромагнитные приводы
Электромагнитные или соленоидные приводы предназначены для перемещения регулирующих или запорных органов, механически связанных с якорем электромагнита. Электромагнитный привод, как следует из его названия, представляет собой магнитопровод с катушкой. Часть магнитопровода выполняется подвижной относительно катушки и неподвижной части магнитопровода. Между подвижной и неподвижной частями магнитопровода обеспечивается воздушный зазор, где собственно и происходит преобразование электрической энергии, подаваемой на катушку, в механическую энергию перемещения подвижной части магнитопровода и механически связанного с ним запорного органа. Электромагнитные приводы в силу своего конструктивного исполнения и принципа действия имеют как правило только два крайних положения:
-
когда на катушку подано напряжение (якорь втянут, воздушный зазор минимален);
-
когда с катушки снято напряжение (якорь отброшен возвратными пружинами, воздушный зазор максимален).
Такая двухпозиционная характеристика электромагнитных приводов позволяет их успешно применять для запорных, отсечных, предохранительных и т.п. клапанов. Рассмотрим конструкцию такого привода на примере запорных клапанов производства ЗАО “Руст-95”.
Запорные клапаны с электромагнитным приводом предназначены для перекрытия трубопроводов с жидкими и газообразными средами, в том числе взрывопожароопасными. Клапаны закрываются за время не более 1 сек. Конструктивно, в зависимости от назначения, клапаны могут быть «перепадными» (работающими только при наличии перепада между давлением на входе и на выходе не менее 0,3 кгс/см2 ) и «бесперепадными» (работающими даже при отсутствии перепада между давлением на входе и выходе). На рисунке представлен бесперепадный клапан с электромагнитным приводом.
Клапан состоит из следующих блоков: корпуса 1, запорного узла 2, электромагнита 3 с сигнализатором состояния клапана 4 и блока управления 5, седла 7 и разделительной трубки 8. Запорный узел у такого клапана выполняется пилотным, обеспечивающим быструю разгрузку основного затвора при наличии перепада давления на входе и выходе клапана. Это позволяет электромагниту перемещать плунжер в верхнее положение. При отсутствии перепада давления на клапане электромагнит также сможет открыть клапан. Электромагнит с сигнализатором состояния клапана имеет уровень взрывозащиты lExdll CT4. Блок управления не имеет взрывозащиты и предназначен для эксплуатации во взрывобезопасных зонах.
Герметичность относительно внешней среды обеспечивается разделительной трубкой электромагнита, и при эксплуатации клапана не требуется контроль за состоянием сальникового уплотнения. Уплотнение затвора может быть как типа «металл-металл», так и типа «металл-эластомер». Технические характеристики клапанов с электромагнитным приводом приведены в таблице 7
