Сизых В.А. Судовая автоматика и аппаратура контроля

Подождите немного. Документ загружается.

показателей превысил допустимую норму и не

может

быть восстановлен в условиях судна.

У дизелей, работающих без смены масла, содержа-

ние механических примесей, воды и топлива в смазоч-

ных материалах следует проверять через каждые 100 ч

работы. Для оценки интенсивности действия средств

очистки масла и необходимости смены масла при тепло-

технических испытаниях может

производиться

диагно-

стирование дизелей по концентрации продуктов изна-

шивания (железа, меди, олова) в смазочном масле. Для

этого пробу масла сжигают с помощью вольтовой дуги

и регистрируют спектр паров продуктов износа с помо-

щью специального спектрографа. По спектральным ли-

ниям определяют наличие в масле тех или иных метал-

лов изнашивающихся деталей.

2. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

11 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

О СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

Понятие об автоматических системах. Работу СЭУ

характеризуют: температура, давление, напряжение, уг-

ловая скорость коленчатого вала, мощность, уровень

жидкости, производительность, подача и другие пара-

метры. Целенаправленное изменение указанных пара-

метров при работе СЭУ и составляет сущность управ-

ления.

Желаемый

режим работы (управления СЭУ) мо-

жет быть обеспечен обслуживающим персоналом вруч-

ную или с помощью взаимосвязанных и взаимодейст-

вующих между собой устройств автоматизации. Сово-

купность таких устройств, осуществляющих управление

производственным процессом без непосредственного

участия человека, называют автоматическими система-

ми управления. В общем виде автоматические системы

управления обеспечивают не только изменение парамет-

ров работы СЭУ, но и их контроль, а также поддержа-

ние определенных параметров работы судовой техники

в заданных пределах.

Как в промышленности, так и на транспорте

пол\

чи-

ли распространение разнообразные автоматические сис-

темы, в которых применяются различные по конструк-

ции механические, электрические, пневматические, гид-

равлические, радиотехнические и другие устройства.

Автоматические системы могут различаться характером

работы, назначением, однако принципы построения

различных систем, предназначенных для управления

разными по природе физическими процессами, одинако-

вы. Любую автоматическую систему управления можно

представить в виде двух основных частей: управляюще-

го

устройства

(УУ)

и управляемого объекта (УО)

Рассмотрим взаимосвязь между ними на примере

масляного выключателя дизеля, представляющего собой

двухступенчатый цилиндр 1 (рис. 27, а), в котором на

общем штоке могут передвигаться два поршня. При

пуске дизеля (управляемого объекта) сжатый воздух

поступает в

пневмоцилиндр

и передвигает поршни вле-

во. Между штоком 2 выключателя (управляющего уст-

ройства) и тягой 3, связанной с рейкой ТНВД, устанав-

ливается

определенный зазор. По окончании пуска сжа-

тый воздух из цилиндра стравливается в атмосферу.

За это время давление в смазочной системе дизеля по-

вышается до заданного значения и шток выключателя

будет

удерживаться

давлением смазочного масла в ле-

вом крайнем

положении.

В момент снижения давления

в смазочной системе до установленного значения стрел-

ка электроконтактного манометра 4 замыкает цепь сиг-

нальной лампы или звуковой сигнализации (сирены),

предупреждая обслуживающий персонал о предаварий-

ном режиме дизеля. В случае падения давления смазоч-

ного масла ниже допустимого значения пружина пере-

мещает поршни и шток 2 вправо.

Последний,

воздейст-

вуя на тягу 3 управляющего устройства, выключает топ-

ливные

насосы,

и дизель останавливается.

В данном примере состояние

УО

характеризуется

давлением в смазочной системе, а управляющего

уст-

ройства — положениями штока 2 и стрелки электрокон-

тактного манометра 4. В общем виде состояние (выход-

ную величину) УО (рис. 27, б) обозначают буквой

х,

а состояние

УУ

(управляющее воздействие) — буквой

и. Кроме управляющего воздействия, на объект могут

действовать также и

возмущающие

воздействия

/. К по-

следним относят различные помехи (например, выход

из строя смазочного насоса, разрыв трубопровода и

т. п.), предсказать конкретное влияние которых на

управление практически невозможно.

Задающее

воздействие

(в нашем примере натяже-

ние пружины) регулируют таким образом, чтобы при

падении давления в смазочной системе до заданного

значения шток выключателя устанавливал рейки ТНВД

в положение, соответствующее нулевой подаче.

В качестве средств автоматизации судовой техники

широкое распространение получили системы автомати-

ческого управления, уравнивающие значения х и

§.

не-

смотря на различные помехи. Управляющее устройство

таких систем называют

регулятором,

а выходную вели-

чину —

регулируемой

величиной.

Рис. 27. Автоматические системы управления и регулирования:

а — масляный выключатель; б — структурная схема системы

управления^

в — регулятор

угловой

скорости вала; г — структурная схема

регулятора-

Рассмотрим принцип действия подобных систем па

примере регулятора угловой скорости коленчатого вала

(рис, 27, в). С изменением нагрузки на дизель повыша-

ется или понижается угловая скорость коленчатого ва-

ла и соединенного с ним вала 7 регулятора. Предполо-

жим, что с падением нагрузки угловая скорость вала 7

увеличилась. Грузы 6 под действием центробежной си-

лы расходятся и поднимают муфту 4. Рейка 1 ТНВД

че-

рез угловой рычаг 2 сдвигается влево и подача топлива

уменьшается. Угловая скорость коленчатого вала дизеля"

начинает снижаться до

значения,

ограниченного регули-

ровочной пружиной 3. При уменьшении угловой скоро-

сти коленчатого вала (с возрастанием нагрузки) ТНВД,

наоборот,

увеличивают подачу топлива. Натяжение пру-

жины, а следовательно, и угловую скорость

коленчатого-

вала дизеля можно изменять рукояткой 5.

В подобных устройствах (их называют системами

автоматического регулирования) управляющее воздейст-

вие и (рис. 27, г) возникает тогда, когда истинное зна-

чение регулируемой величины

д:

отличается от установ-

ленного значения задающего воздействия

§.

Элементом

сравнения (ЭС) в данном случае является муфта 4

(рис. 27, в). Результат сравнения (ошибка, рассогласо-

вание) поступает на вход управляющего устройства, ко-

торое в соответствии со знаком значения

^Ь\§—х\

выра-

батывает управляющее воздействие

и,

в результате

чего уменьшается рассогласование (отклонение, регули-

руемой величины А от

§).

Ясность, что при

§—А-=0

и=0

и регулятор бездействует.

Такой принцип управления по отклонению регулируе-

мой величины лежит в основе работы большинства ав-

томатических регуляторов

известен как принцип регу-

лирования

Ползунова—Уатта,

названный так в честь

изобретателей, впервые его применивших.

Как видно из изложенного, в функциональных схе-

мах систем автоматического регулирования предусмат-

ривается непрерывная передача обратной информации

(обратная связь) от управляемого объекта к управляю-

щему устройству. Обратная связь (ОС) обеспечивает

непрерывный контроль за процессом и замыкает контур

воздействия. Таким образом, регулирование — это

управление с обратной связью, при котором значение

управляемой величины в каждый момент времени сопос-

тавляется с ее заданным значением, цель его заключа-

ется в обеспечении равенства между ними, несмотря

на различные помехи (возмущающие

воздействия).

В системах автоматического регулирования параметров

СЭУ входное регулирующее воздействие и находится в

-определенной

зависимости от выходных

величин

к. Кро-

ме внутренних, система воспринимает также и внешние

воздействия. К ним относятся задающие и возмущаю-

щие воздействия. Задающее воздействие

вводится в

систему обслуживающим персоналом. Оно может быть

постоянным "(при постоянной настройке) или перемен-

ным (при переменной

настройке).

Внешнее возмущающее воздействие

связано с изме-

нением нагрузки на объект автоматизации (увеличением

расхода пара, жидкости, повышением или понижением

сопротивлений на валолроводе и т. п.), а также с на-

рушением нормального режима питания (колебанием

напряжения в электросети, давления в трубопроводе и

т.

п.).

Классификация

автоматических

систем. На водном

транспорте с каждым годом

все

более широкое

приме-

нение находят автоматические (без участия человека) и

автоматизированные (с участием человека) системы уп-

равления,

регулирования,

контроля,

защиты и диагнос-

тирования производственных

процессов.

Одновременное

использование информации о состоянии объекта

(по

внутренним воздействиям) и внешней ситуации (по вне-

шним возмущающим воздействиям) позволяет

повысить,

точность систем

регулирования,

однако конструкции ре-

гуляторов в таких случаях усложняются.

Регуляторы,

получающие информацию о значении регулируемой ве-

личины и изменении нагрузки

объекта,

называются

двухимпульсным и.

В зависимости от способа передачи

воздействий

раз-

личают автоматические системы непрерывного и преры-

вистого действия.

В системах непрерывного действия

при

изменении ре-

гулируемой величины непрерывно изменяются также

механические, электрические и другие величины во всех

элементах системы. Таким образом, для систем непре-

рывного действия характерна непрерывная функци-

ональная связь между «входом» и «выходом» каждого

элемента, а также между звеньями всей системы. К та-

ким системам относят регулятор угловой скорости ко-

ленчатого вала дизеля.

В автоматических системах прерывистого действия

цепь воздействий замыкается или размыкается в опре-

деленные, заранее заданные промежутки времени

или"

при определенных заранее заданных условиях, как, на-

пример, в системах автоматического контроля,

сигнали-

зации и защиты. Прерывистые автоматические системы

работают по двухпозиционному принципу

«включено—

выключено». Поэтому их иногда называют

двухпозщи-

очными.

Они делятся на импульсные и

релейные,

К им-

пульсным системам можно отнести,

например,

применяе-

мые на судах

светоимпульсные

отмашки, при включе-

нии которых цепь сигнальной лампы замыкается на оп-

ределенные промежутки времени и размыкается в опре-

деленные промежутки времени. Релейными называют

системы, имеющие в составе релейное устройство, кото-

рое при определенных значениях входной величины раз-

мыкает или замыкает цепь воздействия в автоматической

системе. Примером таких систем могут служить регуля-

торы температуры воды в котлах. При повышении тем-

пературы воды, например, до

95°С

регулятор выключает

котел, а при снижении ее до

80°С

снова включает

котел в работу.

По характеру задающего (управляющего) воздейст-

вия различают системы стабилизации, следящие и

прог-

раммного регулирования.

К системам стабилизации относят автоматические

системы, которые при постоянном значении управляю-

щего воздействия (настройки) длительное время с опре-

деленной точностью поддерживают одно и то же значе-

ние регулируемой величины,

В следящих системах задающее воздействие (на-

стройка) может в процессе эксплуатации изменяться,

причем характер его изменения заранее неизвестен (см.

рис. 27, в). Регулятор следит за этим воздействием и

поддерживает тот режим работы объекта, который ему

задан.

Так же, как и в следящих системах, в системах прог-

раммного регулирования используется переменное зада-

ющее

воздействие

(настройка). Однако в отличие от

следящих систем характер изменения настройки в сис-

темах программного регулирования заранее известен.

Непрерывное воздействие на настройку во время работы

системы и приводит к изменению регулируемой величи-

ны по заранее известной программе.

Выше рассматривались одноконтурные автоматиче-

ские системы, т. е. системы, состоящие из одного объек-

та и одного регулятора. В

практике

эксплуатации СЭУ

применяют также и

многоконтурные

системы, например,

дизель, как управляемый объект, снабжен несколькими

регуляторами (угловой скорости вала, температуры во-

ды, давления, смазочного масла и т. д.). Многоконтур-

ные системы могут быть независимыми одна от другой

и связанными.

К последним относят такие

системы,

в которых в

единый автоматически работающий комплекс объеди-

нены несколько регуляторов и несколько объектов с

перекрестными связями между ними.

12. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Классификация элементов. Автоматические системы

включают в себя много различных элементов, под кото-

рыми понимают технические устройства, выполняющие

одну из следующих операций:

измерение

контролируе-

мой величины и преобразование ее в сигнал (сообщение

о состоянии объекта, команда управления и т. п.), удоб-

ный для дальнейшей обработки и дистанционной пере-

дачи (измерительные элементы); преобразование сигна-

ла одного рода энергии в сигнал другого рода (преоб-

разователи) ; преобразование сигналов по значению

энергии (усилительные элементы); преобразование не-

прерывного сигнала в прерывистый и наоборот, сигна-

лов постоянного тока в сигналы переменного тока или

наоборот (модуляторы и

демодуляторы);

функциональ-

ное распределение сигналов (счетно-решающие устрой-

ства); распределение сигналов по различным направле-

ниям (распределители,

коммутаторы);

сравнение (эле-

менты сравнения) и хранение сигналов (элементы памя-

ти); использование сигналов для воздействия на управ-

ляемый объект (исполнительные элементы) и т. д.

Часто в автоматических системах элементы выполня-

ют сразу несколько операций, например, измеряют конт-

ролируемую величину и затем преобразуют ее в сигналы

другой физической природы, выполняют логические опе-

рации и сравнивают сигналы. Обычно первые измерите-

ли параметров регулируемых величин называют первич-

ными преобразователями (чувствительными элемента-

ми),

а в комплексе с одним или несколькими преобразо-

вателями сигналов — измерительными преобразователя-

ми (датчиками),

Различают элементы систем активные и пассивные.

Выходной сигнал в пассивных элементах образуется за

счет энергии входного сигнала, и вследствие потерь мощ-

ность выходного сигнала всегда меньше мощности вход-

ного сигнала.

Автоматические системы с активными элементами

снабжают

дополнительными

источниками энергии. Вход-

ной сигнал активного элемента в этом случае управляет

подачей энергии от дополнительного источника, и мощ-

ность сигнала на выходе из активного элемента

может

быть больше мощности входного сигнала.

По виду энергии входных и выходных сигналов эле-

менты подразделяют на механические,

пневматические,

гидравлические, электрические, электронные и комби-

нированные.

Автоматические системы с пассивными элементами

называют

системами

прямого

действия,

Измерительные элементы. По принципу работы раз-

личают измерительные элементы непрерывного и пре-

рывистого действия. Последние обычно называют

реле*

они включают или выключают регулятор при опреде-

ленных

заданных условиях или через установленные

промежутки

времени.

В соответствии с

назначением

ре-

гуляторов в судовых условиях в основном используют

измерительные

элементы

давления, температуры, уров-

ня, расхода, напряжения, угловой скорости

вала.

В общем виде измерительный элемент состоит из од-

ного

или

нескольких

преобразователей.

Первичный пре-

образователь

воспринимает

сигнал

от

объекта автома-

тизации, а

последующие

преобразователи

преобразуют

его в сигналы, удобные для дальнейшего использования

в автоматическом регуляторе. Измерительные преобра-

зователи давления (мембраны, сильфоны, трубчатые

пружины), температуры

(манометрические,

термопары

и термометры сопротивления), уровня (поплавковые и

пневматические уровнемеры), угловой скорости вала

(механические и электрические

тахометры),

применяе-

мые в средствах судовой автоматизации, по конструкции

принципу

действия аналогичны подобным устройствам

в контрольно-измерительных приборах (см. гл. 1). Пре-

образователи же измерительных элементов

автоматиче-

ских систем несколько отличаются по конструкции от

аналогичных по функциям преобразователей КИП. Су-

щественная разница между теми и другими определяет-

ся, прежде всего, их назначением. Измерительные преоб-

разователи КИП, преобразуя сигналы первичных пре-

образователей в линейные или угловые перемещения

стрелки указательного прибора, фиксируют на данный

момент абсолютные значения контролируемых величин

в Паскалях, градусах и т. д. Преобразователи же изме-

рительных элементов автоматических систем, как прави-

ло, не связаны с указательными приборами. Получив

-сигнал от первичного преобразователя, они

сравнивают

-сигнал

с заданным

значением

(настройкой) и при рас-

согласовании воздействуют на последующие

звенья

автоматической

системы с тем, чтобы восстановить уста-

новленные пределы регулируемого параметра (давле-

ния, температуры и т.

п.).

Преобразователи систем автоматического регулиро-

вания (САР) сигнал на входе чувствительного элемента

через

штоки,

коромысла и рычаги преобразуют на выхо-

де, как правило, в угловые и линейные перемещения или

в электрические сигналы. В последнем случае линейные

перемещения сердечника катушки индуктивности, движ-

ка реостата или пластин

конденсатора

приводят

к изме-

нению соответственно индуктивности, сопротивления

или:

емкости в электрической цепи регулятора.

Усилительные элементы. В системах непрямого дей-

ствия сигнал на выходе измерительного элемента посту-

пает к усилителю, где за счет дополнительной энергии

он усиливается до значения, при котором срабатывает

исполнительный

элемент,

и перемещается

регулирующин

орган (устройство, управляющее подводом либо отводом

энергии к УО в целях изменения регулируемого пара-

метра).

Причем сигнал на выходе усилителя может быть

по абсолютному значению

больше

сигнала на входе

(положительное усиление) или меньше поступившего

в.

него сигнала (отрицательное усиление). Отношение аб-

солютных значений этих сигналов называют коэффици-

ентом усиления

1г.

Усилители судовых автоматических

систем в

зависимости

от вида подводимой к ним энер-

гии делят на гидравлические, пневматические и электри-

ческие.

Основными элементами гидравлических и пневмати-

ческих усилителей являются обычные краны (рис. 28, а),

золотники (рис. 28, б), дроссельные заслонки (рис. 28, в)

и струйные трубки (рис. 28, г). Их принцип работы ос-

нован на преобразовании кинетической энергии

струн

жидкости, вытекающей из усилителя, в давление на

исполнительный элемент системы.

Золотник представляет собой цилиндр с

отверстиями

для входа и выхода рабочей жидкости. Внутри цилинд-

ра установлен золотник (два или три поршня, соеди-

ненных общим штоком). Шток жестко связан с измери-

тельным

элементом регулятора. При отклонении золот-

ника от среднего положения одна из его полостей сооб-

щается со сливной магистралью, из другой — рабочая

жидкость попадает к исполнительному элементу.

В состоянии равновесия золотник находится в среднем

положении, и его поршни перекрывают отверстия, через

которые поток жидкости может поступать к последую-

щим элементам системы.

Золотниковые усилители используют главным обра-

зом в регуляторах с измерительными элементами, раз-

вивающими сравнительно большие перестановочные

силы. Ограничение области применения золотниковых

усилителей объясняется наличием трения, а также склон-

ностью золотников к заеданию из-за попадания механи-

ческих примесей в зазор между золотником и цилинд-