Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства

Значения угла расширения б, обеспечивающие безотрывное течение среды в диффузоре, представлены в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Значения угла расширения б, обеспечивающие безотрывное течение среды в диффузоре

(Dp/D) 2	1,5	2	2,5	3	3,5	4
б	28°	22°	16°	12°	9°	6°

Если среда - газ, то при наличии больших потерь давления (Дщ>1,6·10⁵ Па) на сужающем устройстве необходимо рассчитывать температуру до сужающего устройства по измеренной температуре, а после сужающего устройства по формуле

, (6.22)

где Т₂ - измеренное значение температуры после сужающего устройства, К,

Дщ - потеря давления в сужающем устройстве,

м_ЈФ - коэффициент Джоуля-Томсона, К/Па.

Дщ = (1?в 1,9 )ДP , (6.23)

где ДР - перепад давления на сужающем устройстве, Па,

в - относительный диаметр отверстия сужающего устройства.

или , (6.24)

где Н - энтальпия, Дж/моль,

М - молярная масса газа, кг/моль,

Р - давление среды, Па,

С_р - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг·К),

Т - абсолютная (термодинамическая) температура среды, К,

R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31451, Дж /(моль·К),

Z - фактор (коэффициент) сжимаемости, Z = 1.

4. Вязкость нефтяного газа при давлении 0,1 МПа и температуре 0 обычно не превышает 0,01 мПа·с. С повышением давления и температуры она незначительно увеличивается. Однако при давлениях выше 3 МПа увеличение температуры вызывает понижение вязкости газа, причем газы, содержащие более тяжелые углеводороды, как правило, имеют большую вязкость. Как и в случае с определением физико-химических свойств нефти, вязкость газа можно определить с помощью вискозиметров, либо рассчитать эмпирически.

5. Теплоемкость газа - количество тепла, необходимое для нагревания единицы веса или объема этого вещества на 1 . Весовая теплоемкость газа измеряется в кДж/кг, а объемная - в кДж/м³.

6. Теплота сгорания газа какого-либо вещества определяется количеством тепла, выделяющимся при сжигании единицы веса или единицы объема данного вещества. Теплота сгорания газов выражается в кДж/кг и кДж/м³и является основным показателем, характеризующим газ или топливо.

Если при постоянной температуре повышать давление какого-либо газа, то после достижения определенного значения давления этот газ сконденсируется, т. е. перейдет в жидкость. Для каждого газа существует определенная предельная температура, выше которой ни при каком давлении газ нельзя перевести в жидкое состояние. Наибольшая температура, при которой газ не переходит в жидкое состояние, как бы велико ни было давление, называется критической температурой.

7. Давление, соответствующее критической температуре, называется критическим давлением. Таким образом, критическое давление - это предельное давление, при котором и менее которого газ не переходит в жидкое состояние, как бы ни низка была температура. Так, например, критическое давление для метана приблизительно равно 4,7 МПа, а критическая температура - 82,5.

Природные газы могут воспламеняться или взрываться, если они смешаны в определенных соотношениях с воздухом и нагреты до температуры их воспламенения при наличии открытого огня.

Минимальные и максимальные содержания газа в газовоздушных смесях, при которых может произойти их воспламенение, называются верхним и нижним пределом взрываемости. Для метана эти пределы составляют от 5 до 15 %. Эта смесь называется гремучей и давление при взрыве достигает 0,8 МПа.

Абсолютное давление может быть измерено датчиками абсолютного давления или рассчитано по результатам измерений барометрического (атмосферного) и избыточного давлений. Другими словами, абсолютное давление среды - это сумма избыточного и атмосферного давлений.

С целью расширения диапазона измеряемых расходов и снижения погрешности измерений к одному сужающему устройству может быть подключено несколько дифманометров (рис. 6.36).

Рис. 6.36. Пример подключения двух дифманометров:

1 - измерительный трубопровод; 2 - диафрагма; 3 - датчик температуры; 4, 5 - отсечные вентили; 6,7 - соединительные линии; 8 - кабель для соединения датчика температуры с вычислителем; 9 - дренажные вентили; 10 - конденсатосборники; 11 - заглушка; 12 - датчик давления; 13 - вентильный блок; 14 - штуцер со съемной резьбой; 15 - основной дифманометр; 16 - вычислитель; 17 - дополнительный дифманометр.

Диафрагмы с трехрадиусным и фланцевым способами отбора давления представлены на рис. 6.37, 6.38. Ось отверстия должна быть расположена на определенном расстоянии от соответствующего торца диафрагмы в зависимости от способа отбора давления. При размещении отверстий необходимо учитывать толщину.

Для диафрагм с трехрадиусным способом отбора давления расположение отверстий приведено на рис. 6.37. Расстояния l₁ и l₂ измеряют от входного торца диафрагмы. Значение l₁ должно быть равным (1 ± 0,1)D, значение l₂ должно находиться в следующих пределах:

* (0,5 ± 0,02)D при в ? 0,6;

* (0,5 ± 0,01)D при в > 0,6.

Для диафрагм с фланцевым способом отбора давления расположение отверстий приведено на рис. 6.38. Расстояние l₁ измеряют от входного торца диафрагмы, а расстояние - от выходного торца диафрагмы. Значения l₁ и могут находиться в следующих пределах:

* (25,4 ± 0,5) мм при в > 0,6 и D< 0,15 м;

* (25,4 ± 1) мм в остальных случаях.

Осевая линия отверстия должна пересекаться с осевой линией измерительного трубопровода под углом 90° ± 3°.

Диафрагмы с угловым способом отбора давления (рис. 6.39, 6.40).

Отверстия могут представлять собой либо отдельные отверстия, либо кольцевые щели. Отдельные отверстия для отбора давления могут быть выполнены как в трубопроводе, так и в его фланцах. Кольцевые щели выполняют в корпусе камеры усреднения или во фланцах трубопровода, как приведено на рис. 6.39.

Способы отбора давления, используемые для сопел Вентури, приведены на рис. 6.39. При использовании отдельного отверстия или нескольких взаимно соединенных отверстий их оси могут быть расположены в любых осевых плоскостях измерительного трубопровода, равномерно распределенных по периметру измерительного трубопровода. Для защиты отверстий от загрязнения и попадания в них жидких капелек или газовых пузырей, недопустимо расположение отверстий в нижней и верхней частях измерительного трубопровода. Отверстие должно быть круглым и цилиндрическим на глубине не менее 2,5 диаметров этого отверстия (рис. 6.40).

Рис. 6.39. Способы отбора давления, используемые для сопел Вентури:

1 - с кольцевой щелью; 2 - с отдельным отверстием.

Диаметр a отдельных отверстий или ширины кольцевых щелей должен удовлетворять следующим условиям:

* 0,005D ? a ? 0,03D при в ? 0,65;

* 0,01D ? a ? 0,02D при в > 0,65.

Если D < 0,1 м, то при любом значении в допускается диаметр a увеличивать до 2 мм. Независимо от значения в диаметр a должен удовлетворять дополнительным условиям:

* 1 мм ? a ? 10 мм - для чистого газа;

* 4 мм ? a ? 10 мм - для сжиженного газа, в случае отдельных отверстий для отбора давления.

Кольцевые щели выполняют прерывистыми или сплошными по всему периметру корпуса камеры усреднения. Если отборы выполнены в виде прерывистой щели, то каждую камеру усреднения соединяют с внутренней полостью трубопровода не менее чем четырьмя отверстиями, оси которых находятся под равными углами друг к другу, а площадь каждого отверстия - не менее 12 мм².

Если используются отдельные отверстия, как приведено на рис. 6.40, то осевые линии отверстий должны пересекаться с осью трубопровода под углом 90° с допускаемым отклонением не более 3°.

Если используются несколько отдельных отверстий в каждой из двух групп отверстий (до и после диафрагмы), то их оси должны образовывать между собой равные углы.

При применении нескольких взаимно соединенных отверстий для отбора статического давления до сужающего устройства, после сужающего устройства или в горловине сужающего устройства их рекомендуется соединять по схеме (на примере стандартной диафрагмы), представленной на рис. 6.41.

При измерении расхода газа давление среды рекомендуется измерять через отдельное отверстие в измерительном трубопроводе или в камере усреднения давления до сужающего устройства при ее наличии. Допускается применение одного и того же отверстия для отбора статического давления с целью измерения перепада давления на сужающем устройстве и измерения давления среды.



Рис. 6.40. Схема расположения угловых отверстий для отбора давления:

1 - камеры усреднения; 2 - отдельные отверстия; 3 - отверстия; 4 - корпус камеры усреднения; 5 - диафрагма; f - глубина щели; b_k, b/k - внутренний диаметр корпуса камеры усреднения; c, c' - длина корпуса камеры усреднения; a - ширина кольцевой щели или диаметр отдельного отверстия; s - расстояние от уступа до камеры усреднения; g, h - размеры корпуса камеры усреднения; j - диаметр отверстия в камере для передачи давления на систему измерения.



Рис. 6.41. Схема соединения нескольких отверстий для отбора статического давления: сечение А-А (до сужающего устройства) и сечение В-В (после сужающего устройства)

Таблица 6.7

Достоинства и недостатки способов отбора проб давления газа

Способ отбора	Достоинства	Недостатки
Угловой	Удобство монтажа диафрагмы, а также возможность применения кольцевых камер, обеспечивающих усреднение давления, что позволяет в некоторых случаях снизить требование к эксцентриситету установки диафрагмы, уменьшить влияние МС на показание расходомера.	Зависимость измеряемого перепада давления от диаметра отверстий или ширины щели для отбора давления и большая, относительно других способов отбора давления, вероятность загрязнения отверстий
Фланцевый и трехрадиусный	Меньшая степень засорения отверстий. Имеются данные, указывающие на некоторое снижение влияния шероховатости стенок трубопровода на коэффициент истечения диафрагм с фланцевым и трехрадиусным способами отбора давления	Без применения дополни- тельных специальных кон- струкций статическое дав- ление до и после диафрагмы измеряется без их осреднения по периметру трубопровода. Кроме того, для трехрадиусного способа отбора требуется сверление стенки трубопровода

Если для изготовления измерительного трубопровода использованы прямошовные трубы и для отбора статического давления применяют одно отдельное отверстие, то шов трубы на участке длиной не менее 0,5D, расположенном непосредственно перед отверстием для отбора давления, не должен располагаться в секторе поперечного сечения измерительного трубопровода с углом ± 30° от оси данного отверстия. Если для отбора статического давления используют кольцевую щель или несколько взаимно соединенных отверстий, то шов может быть расположен в любом секторе.

При применении труб со спиральным сварным швом должна быть обеспечена гладкая внутренняя поверхность измерительного трубопровода на длине 10D до сужающего устройства (или на всем участке между сужающим устройством и ближайшим до него местным сопротивлением, если длина этого участка не более 10D) и не менее 4D после сужающего устройства (после трубы Вентури - не менее 4d), путем ее механической обработки.

При выборе способа отбора давления на диафрагмах следует учитывать следующие положения, рассмотренные в табл. 6.7.

Согласно ГОСТ 8.586.2-2005 и ГОСТ 8.586.3-2005 на территории России распространены три способа отбора давления - трехрадиусный, фланцевый и угловой [62-63].

8. Влагосодержание и гидраты природных газов. Состав гидратов природных газов. Гидратами углеводородных газов называются кристаллические вещества, образованные ассоциированными молекулами углеводородов и воды; они имеют различную кристаллическую структуру.

Свойство гидратов газов позволяет рассматривать их как твердые растворы. Исследования показывают, что содержание водяного пара в газообразной фазе в системе газ - гидрат меньше, чем в системе газ - вода.

Возникновение гидрата обусловлено определенными давлением и температурой при насыщении газа парами воды. Гидраты распадаются после того, как упругость паров воды будет ниже парциальной упругости паров исследуемого гидрата.

Углеводородные и некоторые другие газы, контактирующие с водой при определенных давлении и температуре, также могут образовывать кристаллогидраты. Кристаллогидраты природных газов внешне похожи на мокрый спрессованный снег, переходящий в лед. Плотность гидратов несколько меньше плотности воды - 980 кг/м³. Образование их сопровождается выделением тепла, разложение - поглощением. Существует мнение ученых-геологов, что значительные запасы природного газа связаны с газогидратными залежами, расположенными в зонах вечномерзлотных пород, и на дне океанов, где, как известно, температура составляет 2 ч 3 .

Для определения компонентного состава применяют хроматографы любого типа, не изменяющие состав среды. Компонентный состав определяют в соответствии с требованиями ГОСТ 10679-76 [63]. Для определения влажности газа применяют влагомеры любого типа, измеряющие температуру конденсации паров влаги (температуру точки росы), массовое и (или) объемное содержание водяных паров в единице объема газа. Влажность природных газов рассчитывают в соответствии с требованиями ГОСТ 20060-83 [64].



Глава 7. РЕЛЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В системах автоматики и телемеханики одним из наиболее распространенных элементов является реле. Реле - это устройство, которое автоматически осуществляет скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала под воздействием управляющего сигнала, изменяющегося непрерывно в определенных пределах.

Электрическое реле является промежуточным элементом, который приводит в действие одну или несколько управляемых электрических цепей при воздействии на реле определенных электрических сигналов управляющей цепи (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Схема включения реле: X - контролируемая величина; Д - датчик; Р - реле; ИУ - исполнительные устройства; К - контакт реле (слева) и внешний вид электромагнитного реле.

Свойства реле характеризуются следующими основными параметрами:

1) мощностью срабатывания Р_ср (Вт) - минимальной электрической мощностью, которая должна быть подведена к реле от управляющей цепи для его надежного срабатывания, т. е. приведения в действие управляемой цепи. Эта мощность определяется общими электрическими и конструкционными параметрами реле;

2) мощностью управления Р_у (Вт) - максимальной величиной электрической мощности в управляемой цепи, при которой контакты реле еще работают надежно. Мощность управления определяется параметрами контактов реле, переключающих управляемую цепь. Выбор соответствующего типа реле производится на основании значений Р_ср и Р_у, так как эти параметры постоянны для отдельных конструкций реле;

3) допустимой разрываемой мощностью Р_р (Вт) - мощностью, разрываемой контактами при определенном токе или напряжении без образования устойчивой электрической дуги при данном напряжении;

4) коэффициентом управления - величиной, характеризующей отношение управляемой мощности к мощности срабатывания реле: К_у=Р_у/Р_ср?1;

5) временем срабатывания t_ср (с) - интервалом времени от момента поступления сигнала из управляющей цепи до момента начала воздействия реле на управляемую цепь. Допустимая величина t_ср определяется необходимой быстротой передачи сигнала в управляемую цепь.

Существующие типы реле можно классифицировать по следующим основным признакам:

по назначению:

· управления,

· защиты,

· сигнализации;

принципу действия:

· электромеханические;

· электромагнитные нейтральные,

· электромагнитные поляризованные,

· магнитоэлектрические,

· электродинамические,

· индукционные,

· электротермические,

· электронные,

· фотоэлектронные и др.

замеряемой величине:

· электрические (тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты, коэффициента мощности),

· механические (силы, давления, скорости, перемещения, уровня, объема и др.)

· тепловые (температуры, количества тепла),

· оптические (силы звука и др.),

· физических величин (времени, вязкости и др.).

мощности управления:

· маломощные с мощностью управления Р_у?1Вт,

· средней мощности с Р_у = 1-10 Вт,

· мощные с Р_у > 10 Вт.

времени срабатывания:

· безынерционные с t_cp<0,001 с,

· быстродействующие t_cp = 0,001-0,05 с,

· замедленные t_cp =0,15-1 с,

· реле времени t_cp >l с.

Наиболее распространенной группой являются электромеханические реле, в которых изменение входной электрической величины вызывает механическое перемещение подвижной части реле (якоря), приводящее к замыканию или размыканию контактов реле.

Следует отметить, что к группе электромеханических относятся реле, в основе действия которых лежат физические принципы аналогичных по названиям электроизмерительных приборов. Разница состоит в том, что в электроизмерительных приборах подвижная часть (стрелка) перемещается плавно и в больших пределах в зависимости от величины тока или напряжения, а в реле якорь совершает небольшое и обычно скачкообразное перемещение при определенных значениях входной величины (тока или напряжения).

7.1 Электромагнитные реле постоянного и переменного тока

Электромагнитные реле являются наиболее распространенными из группы электромеханических реле и получили широкое применение в устройствах автоматики, телемеханики и в вычислительной технике.

Если реле используются для переключения мощных цепей тока, то они называются контакторами. Реле и контакторы являются устройствами прерывистого действия.

Электромагнитные реле по роду используемого тока делятся:

· на реле постоянного тока;

· реле переменного тока.

Реле постоянного тока подразделяются:

· на нейтральные;

· поляризованные.

7.1.1 Электромагнитные реле постоянного (нейтральные)

Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке (т. е. положение якоря не зависит от направления тока в обмотке реле).

Поляризованное реле реагирует на полярность сигнала.

По характеру движения якоря нейтральные электромагнитные реле подразделяются на два типа:

· с угловым движением якоря;

· с втяжным якорем.

На рис. 7.2 изображены реле с угловым перемещением якоря (а) и с втягивающим якорем (б).

При отсутствии управляющего сигнала якорь удален от сердечника на максимальное расстояние за счет возвратной пружины. В этом случае одна пара контактов замкнута (размыкающие контакты РК), а другая пара разомкнута (замыкающие контакты ЗК),

Принцип действия реле, изображенного на рис. 7.2., основан на следующем: при подаче тока в обмотку (катушку) создается магнитный поток, который, проходя через сердечник, ярмо, якорь и воздушный зазор д_Н(0), создает магнитное усилие, притягивающее якорь к сердечнику. При этом якорь, воздействуя на колодку, перемещает ее таким образом, что контакты ЗК замыкаются, а РК размыкаются. В некоторых конструкциях реле якорь при выключении тока под действием собственного веса возвращается в исходное положение.

Таким образом, электромагнитное реле состоит из трех основных частей:

· контактной системы (контактные пружины выполнены из материала нейзильбера);

· магнитопровода (ярмо, сердечник, якорь, выполненные из мягкой стали);

· обмотки (катушки).

Магнитную цепь составляют сердечник, якорь, ярмо и воздушный зазор между якорем и сердечником.

При детальном рассмотрении работы реле в процессе срабатывания и отпускания наблюдаются четыре этапа.



Рис 7.2. Разновидности конструктивных схем реле:

1 - каркас с обмоткой; 2 - ярмо; 3 - выводы обмотки; 4 - колодка; 5 - контактные пружины; 6 - замыкающий контакт ЗК; 7 - подвижный контакт; 8 - размыкающий контакт РК; 9 - якорь; 10 - штифт отлипания; 11 - сердечник.

Этап 1 - срабатывание реле. Длительность этого этапа - время полного срабатывания t_cp, т, е. от момента подачи напряжения на катушку реле до момента надежного замыкания контактов; I_mр - величина тока, при котором начинается движение якоря; t_mp - время, за которое ток достигает это значение, т. е, промежуток, соответствующий началу движения якоря; I_ср - ток, при котором срабатывает реле; t_дв - время движения якоря при срабатывании. Таким образом, время полного срабатывания, отвечающее окончанию движения якоря.

. (7.1)

Этап 2 - работа реле (t_раб - время работы реле). После того, как реле сработает, ток в обмотке продолжит увеличиваться, пока не достигнет установившегося значения. Впоследствии величина тока в обмотке реле остается неизменной. Отношение установившегося тока I_уст к величине тока срабатывания I_ср называется коэффициентом запаса реле по срабатыванию К_зап (т. е. К_зап показывает надежность работы реле).

. (7.2)

Этап 3 - отпускание реле. Этот период начинается от момента прекращения подачи сигнала до момента, когда ток в обмотке реле уменьшится до значения I_оm. Отношение тока отпускания к току срабатывания называется коэффициентом возврата.

. (7.3)

Обычно К_в=0,4-0,8.

Этап 4 - покой реле. Это отрезок времени от момента размыкания контактов реле до момента поступления нового сигнала на обмотку реле. При быстром следовании управляющего сигнала друг за другом работа реле характеризуется максимальной частотой срабатывания (количество срабатываний реле в единицу времени).

7.1.2 Электромагнитные реле постоянного тока (поляризованные)

В отличие от рассмотренных ранее нейтральных электромагнитных реле, у поляризованного реле направление электромагнитного усилия зависит от полярности сигнала постоянного тока в обмотке. Поляризация таких реле осуществляется при помощи постоянного магнита.

Существует много конструктивных разновидностей поляризованных реле, которые классифицируются по ряду признаков. По конструктивной схеме магнитной цепи различают реле с последовательной, параллельной (дифференциальной) и мостовой магнитными цепями, по числу обмоток управления - одно- и многообмоточные, по способу настройки контактов (по числу устойчивых положений якоря) различают двух- и трехпозиционные.

Поляризованные реле получили большое распространение в маломощной автоматике, особенно в следящих системах при управлении реверсивными двигателями.

К числу достоинств поляризованных реле относятся:

· высокая чувствительность, которая характеризуется мощностью срабатывания и составляет 10^-5 Вт;

· большой коэффициент управления;

· малое время срабатывания (единицы миллисекунд).

К недостаткам по сравнению с нейтральными электромагнит­ными реле относятся:

· сложность конструкции;

· большие габариты, вес и стоимость.

В поляризованных реле, как было отмечено, используют дифференциальные и мостовые схемы магнитных цепей, которые имеют много разновидностей (название цепей связано с типом электрической схемы замещения электромагнитной системы). На рис. 7.3, а изображено поляризованное реле с дифференциальной схемой магнитной цепи.

На якорь реле действуют два не зависимых друг от друга потока: поток Ф_о(п) постоянного магнита, не зависящий от рабочего состояния схемы, в которую включено реле, и рабочий (управляющий) поток Ф_э(р), определяемый намагничивающей силой катушки, т. е. величиной протекающего по обмотке тока. Электромагнитное усилие, действующее на якорь, определяется, таким образом, в зависимости от суммарного действия обоих потоков - Ф_э(р) и Ф_о(п). Изменение направления электромагнитного усилия при изменении полярности тока в рабочей обмотке происходит вследствие того, что изменяется направление рабочего потока относительно поляризующего Ф_о(п).



Рис. 7.3. Поляризованное реле (а) и способы настройки контактов (б, в) : 1, 1' - намагничивающие катушки; 2 - ярмо; 3 - постоянный магнит; 4 - якорь; 5, 5' - контакты

Поляризующий поток Ф_о(п) проходит по якорю и разветвляется на две части - Ф₀₁ и Ф₀₂ - в соответствии с проводимостями воздушных зазоров слева и справа от якоря (д_л и д_пр). В зависимости от полярности управляющего сигнала рабочий поток Ф_э(р) вычитается из потока Ф₀₁ в зазоре слева от якоря и прибавляется к потоку Ф₀₂ справа от якоря (как показано на рис. 7.3, а), или наоборот.

В данном случае якорь перекинется из левого положения в правое. При выключении сигнала якорь будет находиться в том положении, которое он занимал до выключения сигнала. Таким образом, результирующее электромагнитное усилие, действующее на якорь, будет направлено в сторону того зазора, где магнитные потоки суммируются.

Если теперь в обмотке 1 и 1' (см. рис. 7.3, а) подать управляющий сигнал I_ср такой величины, чтобы Ф_э=?Ф (), то при незначительном возрастании тока якорь перебросится в правое положение, так как, очевидно, правое усилие будет больше левого.

Магнитные потоки до момента переброски якоря будут соответственно равны:

и . (7.4)

После переброски якоря в правое положение знаки ?Ф в указанных выражениях изменятся: если Ф_э=?Ф, то получим выражения для потоков при правом положении якоря:

и . (7.5)

После перехода якоря за нейтральную линию перераспределяющийся поток Ф_0(п) создает дополнительное усилие, необходимое для перемещения якоря. Этим и объясняется, что поляризованные реле имеют незначительное время срабатывания, не превышающее нескольких миллисекунд. Кроме того, дополнительное усилие, сжимая контакты, позволяет при очень малой величине управляющего сигнала управлять относительно мощными электрическими цепями, т. е. коэффициент управления имеет значительную величину (до 5000), чего не достигает ни одно нейтральное реле.

Обычно отклонение якоря от нейтрали составляет 0,05-0,1 мм.

В поляризованном реле с мостовой схемой магнитной цепи (рис. 7.4) силы притяжения якоря, включенного в одну из диагоналей мостовой схемы, действуют так же, как и в дифференциальной схеме, т. е. в воздушном зазоре с одной стороны якоря рабочий поток Ф_э(р) направлен согласно с поляризующим потоком Ф_0(п), а с другой - встречно. Мостовые схемы поляризованных реле имеют более высокую стабильность параметров и устойчивость к внешним механическим воздействиям.

Рис. 7.4. Поляризованное реле с мостовой схемой магнитной цепи.

Поляризованные реле выпускаются трех видов настройки. Реле, изображенное на рис. 7.3, а, является двухпозиционным. Если неподвижные контакты 5 и 5' симметрично расположены относительно нейтральной линии (якорь отрегулирован симметрично), то при выключении управляющего сигнала якорь реле остается в том же положении, которое он занимал при наличии управляющего сигнала. Повторное включение управляющего сигнала прежней полярности не вызовет изменения положения якоря. Если изменить полярность управляющего сигнала, то якорь перебросится в другое положение, например в положение 5', и останется в нем после снятия сигнала. Такая настройка называется нейтральной или двухпозиционной.

Если один из контактных винтов, 5 или 5', выдвинут за нейтральную линию (рис. 7.3, б), то реле является двухпозиционным с преобладанием к одному из контактов. При выключенном реле якорь всегда прижат к левому контакту 5 (или к правому контакту 5', если за нейтральную линию выдвинут левый контакт) и перебрасывается вправо лишь на время протекания в управляющей обмотке тока соответствующей полярности.

Трехпозиционное реле имеет симметрично расположенные от нейтральной линии неподвижные контакты (рис. 7.3, в). Якорь при отсутствии управляющего сигнала удерживается в среднем положении с помощью специальных пружин (с двух сторон) или закрепляется на плоской пружине, упругость которой, создает устойчивое положение равновесия в среднем положении. При подаче сигнала в управляющую обмотку контакт на якоре замыкается с левым или правым контактом (в зависимости от полярности сигнала) и возвращается в нейтральное положение после снятия сигнала.

Поляризованные реле находят широкое применение в схемах автоматики благодаря своим характерным особенностям. Наличие нескольких обмоток позволяет использовать их в качестве логических элементов, небольшая мощность срабатывания - в качестве элементов контроля небольших электрических сигналов, малое время срабатывания и чувствительность к полярности входных сигналов - в качестве амплитудных модуляторов и демодуляторов. Благодаря высокой чувствительности поляризованные реле часто используют в маломощных цепях переменного тока с включением через выпрямитель.

7.1.2 Электромагнитные реле переменного тока

В тех случаях, когда основным источником энергии является сеть переменного тока, желательно применять реле, обмотки которых питаются переменным током. При подаче в обмотку реле переменного тока якорь будет притягиваться к сердечнику так же, как и при постоянном токе. При одинаковых конструктивных размерах реле и равных значениях максимальной индукции среднее значение электромагнитного усилия у реле переменного тока вдвое меньше, чем у реле постоянного тока.

Электромагнитное усилие меняется (пульсирует) с удвоенной частотой 2щ, обращаясь в нуль дважды за период питающего напряжения. Следовательно, якорь реле может вибрировать, периодически оттягиваться от сердечника возвратной пружиной, что вызывает дрожание якоря и, как следствие, износ оси якоря.

Реле переменного тока имеют худшие параметры, чем реле постоянного тока, так как при одинаковых размерах имеют меньшее электромагнитное усилие и менее чувствительны. Кроме того, они сложнее и дороже, поскольку необходимо иметь шихтованный магнитопровод (набранный из отдельных листов, а также применять специальные меры для устранения вибрации якоря - явление, которое нежелательно, так как может привести к обгоранию контактов, прерыванию электрической цепи и др. поэтому для ослабления вибрации принимают специальные конструктивные меры.

Рассмотрим три способа устранения вибрации якоря реле переменного тока.

1. Применение утяжеленного якоря. Утяжеленный якорь благодаря большой инерции не может вибрировать с удвоенной частотой (2щ), т. е. он не успевает отходить от сердечника в те моменты времени, когда ток в обмотке реле переходит через нуль. Вибрация якоря в этом случае уменьшается. Однако применение утяжеленного якоря вызывает увеличение его размеров, что приводит к уменьшению чувствительности реле. Кроме того, габариты, вес и стоимость реле увеличивается. Этот способ находит применение в том случае, если исполнительный механизм, связанный с якорем реле, обладает большой инерцией.

2. Применение двухфазного реле. Двухфазное реле переменного тока (рис. 7.5) имеет две обмотки, расположенные на двух сердечниках ЭМ1 и ЭМ2, имеющих общий якорь. Обмотки реле соединены параллельно относительно друг друга. В цепь одной из обмоток включен конденсатор С, благодаря чему токи в обмотках реле оказываются сдвинутыми по фазе на угол р/2. Так как токи в обмотках проходят через нуль в разные моменты времени, то результирующее тяговое усилие, действующее на якорь, никогда не обращается в нуль и имеет постоянное значение, т. е. не содержит переменной составляющей (при сдвиге токов в обмотках двух электромагнитов на угол р/2).

3. Применение короткозамкнутого витка (экрана). Короткозамкнутый виток, охватывающий часть конца сердечника (расщепленный сердечник), является более эффективным способом.

На рис. 7.6 изображена схема реле переменного тока с короткозамкнутым витком. Конец сердечника, обращенный к якорю, расщеплен (пропилен) на две части, на одну из которых надета короткозамкнутая обмотка - экран Э (один или несколько витков).

Рис. 7.6. Реле переменного тока с короткозамкнутым витком



Рис. 7.7. Обозначение реле на схемах: 1 -- обмотка реле (A1, A2 -- управляющая цепь), 2 -- контакт замыкающий, 3 -- контакт размыкающий, 4 -- контакт замыкающий с замедлителем при срабатывании, 5 -- контакт замыкающий с замедлителем при возврате, 6 -- контакт импульсный замыкающий, 7 -- контакт замыкающий без самовозврата, 8 -- контакт размыкающий без самовозврата, 9 -- контакт размыкающий с замедлителем при срабатывании, 10 -- контакт размыкающий с замедлителем при возврате, 11 -- общий контакт, 11-12 -- нормально замкнутые контакты, 11-14 -- нормально разомкнутые контакты.

Магнитопровод выполнен из отдельных листов для уменьшения потерь.

Принцип работы реле заключается в следующем. Переменный магнитный поток Ф_осн основной обмотки щ_осн, проходя через разрезанную часть сердечника, делится на две части. Часть потока Ф₂ проходит через экранированную половину полюса сечением S_д2, в которой размещается короткозамкнутая обмотка, а другая часть потока Ф₁ проходит через неэкранированную половину полюса сечением S_д1. Поток Ф₂ наводит в короткозамкнутом витке эдс (е_кз), которая создает ток i_кз. При этом возникает еще один магнитный поток Ф_кз, который воздействует на магнитный поток Ф₂ и вызывает отставание этого потока по фазе относительно потока Ф₁ на угол ц=60-80 градусов. Благодаря этому результирующее тяговое усилие F_э никогда не доходит до нуля, так как оба потока проходят через нуль в разные моменты времени.

7.2 Магнитоуправляемые контакты (герконы)

Геркон - это сокращение от «герметичный контакт» - такое коммутационное устройство, которое замыкает контакты при воздействии магнитного поля. Переключение геркона из между состоянием «включен» и «выключен» происходит под действием магнитного поля постоянного магнита или электромагнита, поэтому герконы еще называют магнитоуправляемыми контактами.

Геркон представляет собой герметичную стеклянную колбу или трубку, внутри которой находятся упругие металлические контакты. По длине они перекрывают друг друга, но между ними есть небольшой зазор. Контакты геркона сделаны из упругого ферримагнитного сплава, имеют плоскую форму. В разомкнутом состоянии контакты не соприкасаются, но при появлении магнитного поля достаточной силы контакты геркона намагничиваются и притягиваются друг к другу, происходит замыкание. Если магнитное поле исчезает, то контакты размагничиваются и размыкаются под действием силы упругости, переходят в исходное состояние. Полость геркона заполнена инертным газом, либо в ней вакуум: это препятствует появлению нагара на контактах, если в момент замыкания между ними пробегает искра. Концы контактов, которые непосредственно соприкасаются при замыкании, покрыты благородным металлом, который уменьшает переходное сопротивление и предотвращает коррозию. Так продлевается срок службы геркона.

Разновидности герконов.

По устройству работы герконы разделяют на три группы:

· Герконы, работающие на замыкание (рис.7.8).

В нормальном состоянии (без воздействия магнитного поля) такие герконы находятся в разомкнутом состоянии, а под действием магнитного поля они замыкаются.

· Герконы, работающие на размыкание.

Герконы, работающие на размыкание

Без магнитного поля контакты геркона замкнуты, а при намагничивании отталкиваются друг от друга и размыкаются.

· Герконы, работающие на переключение.

В таком герконе не два, а три контакта: два остаются неподвижными, а третий переключается между двумя другими. Без магнитного поля замыкается одна цепь, а при воздействии магнита происходит переключение на другой контакт. Нормально замкнутый контакт (тот на который переключается геркон без магнитного поля) выполняется из немагнитного материала, а два других - из магнитного.

Самыми распространёнными являются герконы, работающие на замыкание.

Магнитоуправляемые герметичные контакты можно использовать во влажных и запылённых условиях, они быстро срабатывают и надёжно работают при самых разных температурах.

Преимущества.

· Практически отсутствие дребезга контактов. Контакты геркона находятся в вакууме или в инертном газе и слабо обгорают, даже если при замыкании или размыкании между контактами возникает искра.

· Долговечность герконов. Считается, что если не бить геркон и не пропускать очень большие токи, то срок службы геркона бесконечен, (хотя в технических данных на герконы указаны ограничения, 10³--10⁸ и больше срабатываний).

· Меньший размер по сравнению с классическим реле, рассчитанным на такой же ток.

· Отсутствие необходимости применения тугоплавких и драгоценных металлов для контактов.

· Герконы почти бесшумны.

· Высокое (относительно классических реле) быстродействие.

· Удобство применения.

Недостатки:

· Больший вес по сравнению с открытыми контактами.

· Необходимость создания магнитного поля.

· Восприимчивость к внешним магнитным полям, необходимость защиты от них.

· Сложность монтажа.

· Хрупкость -- герконы нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударных нагрузок.

· Ограниченная скорость срабатывания.

· Возможность самопроизвольного размыкания контактов геркона при больших токах.

· Иногда контакты «залипают» (остаются в замкнутом состоянии) -- такой геркон подлежит замене.

Применение герконов

Герконы широко применяются в различных датчиках, цель которых фиксировать какое-то положение предметов: открывание и закрывание дверей, крышки ноутбука и т.п. В частности герконы используются в поплавковых датчиках уровня жидкости в резервуарах [65].



Глава 8. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

8.1 Основные сведения о системах телемеханики

Телемеханика -- область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приема информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии.

Специфическими особенностями телемеханики являются:

1) удаленность объектов контроля и управления;

2) необходимость высокой точности передачи измеряемых величин;

3) недопустимость большого запаздывания сигналов;

4) высокая надежность передачи команд управления;

5) высокая степень автоматизации процессов сбора информации. Телемеханизация применяется тогда, когда необходимо объединить разобщенные или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом) либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (например, в атомной промышленности, на химических предприятиях) или невозможно (например, при управлении непилотируемой ракетой).

Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием автоматизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улучшить контроль за технологическим процессом и упростить управление.

Поэтому в настоящее время понятия «телемеханика» и АСУ ТП становятся синонимами. Разница между этими понятиями заключается не столько в технической сути, сколько в традициях использования в определенной области промышленности. Например, в трубопроводном транспорте предпочитают использовать слово «телемеханика», на промышленных предприятиях -- АСУ ТП.

В англоязычных источниках аналогом понятия «телемеханика» является сокращение SCADA -- Supervisory Control And Data Acquisition --диспетчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл.

Пример построения двухуровневой телемеханической системы, ставшей классической схемой, показан на рис. 8.1.

Контроль и управление системой осуществляют с пункта управления (ПУ), где находятся диспетчер, аппаратура телемеханики, ЭВМ, мнемонический щит. Объекты контроля и управления находятся на одном или нескольких контролируемых пунктах (КП).

Базовыми функциями системы телемеханики являются телеуправление (ТУ), телеизмерение (ТИ), телесигнализация (ТС) и телерегулирование (TP).

Телеуправление обеспечивает дистанционное управление объектом контроля. ТУ представляет собой воздействие на исполнительные органы контролируемых пунктов, имеющие дискретное состояние, путем подачи также дискретных команд. Команды ТУ обычно двухпозиционные: включить -- отключить.

Телесигнализация используется для дистанционного контроля дискретных изменений состояния объекта, например, включен/выключен, открыт/закрыт, норма/авария и т.п. Для получения данных объект оснащают датчиками состояния. В простейшем случае применяют двухпозиционные контактные переключатели, но могут использоваться и многопозиционные переключатели.

Телеизмерение используется для получения количественных значений непрерывных параметров контролируемого процесса, например температуры, давления и т. п. Для измерения на объекте используют преобразователи, которые преобразуют эти параметры в нормированные электрические сигналы. Контроллер КП измеряет значения этих сигналов и по запросам ПУ или периодически передает их на ПУ в цифровом виде.

Телерегулирование обеспечивает дистанционное задание уровня воздействия на объект управления. Оно представляет собой телеуправление объектами с непрерывным множеством состояний. Для реализации телерегулирования используются функции ТИ--ТУ или ТС--ТУ. Управление начинается с задания оператором величины воздействия, а затем выдачей команды с ЭВМ.

Пункт управления -- это место размещения диспетчерского персонала, аппаратуры для приема и обработки информации от контролируемых пунктов. Часто под термином ПУ подразумевают контроллеры, непосредственно выполняющие прием и первичную обработку данных от КП. В задачи ПУ входят:

1) прием данных с КП по каналам связи;

2) организация опроса КП при подключении нескольких КП на один канал связи;

3) передача на КП команд управления;

4) передача данных и прием команд ЭВМ;

5) переадресация, передача данных на верхний уровень и прием команд с верхнего уровня в многоуровневых системах.

Контролируемый пункт -- это место размещения объектов контроля и управления, а также аппаратура, выполняющая функции контроля и управления, обычно называемая контроллером КП. Часто под термином КП подразумевают один контроллер, установленный на контролируемом объекте.

На крупных объектах (таких как нефтеперекачивающие или компрессорные станции) могут находиться несколько контроллеров КП.

Взаимодействие между ПУ и КП происходит по каналу связи.

Каналом связи называется совокупность технических средств и тракта для передачи сообщений на расстояние независимо от других каналов. Он образуется в линии связи -- проводной, радиолинии и др.

Линия связи -- это физическая среда или тракт, по которым происходит передача сигналов между КП и ПУ, например проводная или кабельная линия, оптоволокно, выделенный телефонный канал, радиоканал и т. п.

Способ кодирования данных и порядок обмена посылками обычно называют протоколом обмена.

Мнемонический щит представляет собой табло с пассивной схемой контролируемого объекта и активными элементами, отображающими текущее состояние объекта.

Автоматизированное рабочее место (АРМ) -- это рабочее место специалиста в какой-либо предметной области, оборудованное компьютером и специальным программным обеспечением, помогающее решать задачи в рамках деятельности этого специалиста (например, АРМ диспетчера, АРМ технолога и т.п.). АРМ может быть оснащено дополнительным нестандартным оборудованием

В современных системах телемеханики большое внимание уделяется их программному обеспечению и интеграции с действующими системами и программными комплексами. В программном обеспечении наблюдается тенденция к стандартизации программных интерфейсов систем сбора данных и обрабатывающих программ, обеспечению возможности экспорта собранных данных в специализированные программы (расчета режимов, планирования, аналитические, АРМ специалистов).

С технической стороны в системах все чаще используются современные скоростные каналы связи (оптоволокно, Ethernet) и беспроводные технологии (например, транкинговая и сотовая связь). К традиционным функциям телемеханики (телесигнализация, телеизмерение, телеуправление) добавляются функции различного учета, транспорта данных с локальных автоматических приборов.

При управлении производственным процессом происходит постоянный обмен различными сообщениями о событиях, происходящих в той или иной точке процесса.

Эти сообщения несут информацию о его состояниях или предназначены для изменения этих состояний -- например, сообщение об изменении давления в трубопроводе или команда на закрытие задвижки.

Для получателя сообщения, как правило, интерес представляет только его новая часть -- информация, т. е. содержательные сведения (данные), ранее ему неизвестные. Сообщения передаются с помощью сигналов.

Сигналом называется носитель (переносчик) сообщения.

Процесс передачи сообщений условно показан в виде схемы, показанной на рис. 8.2. Сообщение от источника поступает в передающее устройство, которое преобразует его в сигнал, передаваемый по каналу связи. Процесс автоматического преобразования в сигнал, происходящий в передающем устройстве, включает в себя одну или несколько из следующих операций: преобразование из одной физической формы в другую, квантование, модуляцию, кодирование. Канал связи начинается на входе передающего устройства и кончается на выходе приемного устройства. В процессе передачи на сигнал накладываются различные помехи. Приемное устройство отфильтровывает их и восстанавливает по полученному сигналу сообщение для получателя.

В зависимости от характера изменения во времени сообщения делятся на четыре группы:

1) непрерывные;

2) дискретные по времени;

3) дискретные по множеству;

4) дискретные по времени и по множеству.

Процесс наложения сообщения на переносчик информации называется модуляцией. Основной смысл модуляции -- передача низкочастотного сообщения высокочастотным сигналом.

Преимущества: значительное уменьшение мощности передатчика и затухания сигнала; возможность одновременной передачи по одной линии связи разных сообщений; повышение достоверности передаваемых сообщений вследствие лучшей помехозащищенности модулированных сигналов.

В зависимости от того, какой параметр переносчика меняется, модуляция может быть непрерывной (амплитудной, частотной, фазовой) или импульсной (широтно-импульсной и т. д.). А параметры сигнала, используемые для передачи, называются импульсными признаками.

К ним относятся:

1) полярность -- этот признак является наиболее помехозащищенным, но позволяет формировать только два различных состояния;

2) амплитуда импульса -- с помощью этого признака можно сформировать любое число состояний, но амплитуда сигнала наиболее подвержена действию помех; кроме того, если амплитуды соседних сигналов отличаются незначительно, их трудно различать на приемной стороне;

3) длительность импульса;

4) частота импульсов;

5) фаза импульса -- с помощью этого признака обычно тоже формируется только два состояния, одному из которых соответствует посылка импульса, синфазного опорному сигналу, а другому сообщению -- импульса, находящегося в противофазе с опорным сигналом.

Кодирование, -- это преобразование по определенному правилу дискретного сообщения в дискретный сигнал в виде кодовых комбинаций. Обратный процесс (декодирование) должен однозначно восстановить передаваемое сообщение. Целью кодирования является эффективное использование каналов связи и увеличение достоверности передачи информации.

Код -- система условных знаков, символов для передачи, обработки и хранения различной информации.

Конечная последовательность кодовых знаков называется кодовым словом. Число различных символов, которые используются в словах кода, называется основанием данного кода, а сами символы составляют так называемый кодовый алфавит.

Число элементов кода в кодовом слове определяет его длину, или разрядность, п.

В качестве примера представлена запись чисел от 0 до 9 четырехразрядным двоичным кодом.

Двоично-десятичный код позволяет записать каждый разряд десятичного числа в виде четырехразрядного двоичного кода, т. е. в двоичной системе счисления представляется отдельно каждая цифра. Например, число 8 247 запишется в виде 1000 0010 0100 0111 (8->1000, 2->0010, 4->0100, 7->0111).

Коды, позволяющие обнаружить ошибку, называются обнаруживающими. Коды, позволяющие обнаружить и исправить ошибки, называются корректирующими.

В цифровых устройствах носителем информации является цифровой двоичный код. Этот код состоит из множества двоичных разрядов, каждый из которых принимает только два фиксированных значения -- «0» или «1». Двум двоичным цифрам соответствуют два состояния электронной схемы.

Основанием системы служит число два, а коэффициентами могут быть только две цифры -- ноль (0) и единица (1), которые называют битами (двоичными цифрами).

В любой системе кодирования должно выполняться неравенство

N< Sⁿ, (8.1.)

где N -- количество кодируемых объектов;

S -- основание кода (основание системы счисления);

n -- длина кода (количество разрядов в кодовом слове).

Например, для записи числа 14 в двоичной системе счисления необходим четырехразрядный код: 2⁴ = 16, 14 < 16.

Для хранения и обработки информации в виде текстов, формул и чисел необходимо с помощью бит закодировать около 150 различных символов (заглавные и строчные буквы латинского и русского алфавитов, знаки препинания, математические знаки, десять цифр и т.п.), т.е. N~ 150.

Для этого необходимы 8-разрядные коды (2⁸ = 256).

Восьмиразрядный код называют байтом. Емкость памяти ЭВМ оценивают в килобайтах (кбайт), мегабайтах (Мбайт) и гигабайтах (Гбайт).

Все цифровые устройства основаны на принципе многократного повторения относительно простых базовых логических схем. Связи между этими схемами строятся на основе чисто формальных методов.

Инструментом такого построения служит булева алгебра, названная по имени одного из ее разработчиков -- английского математика Дж. Буля. Применительно к цифровой технике она называется также алгеброй логики. Логическая переменная имеет только два значения, которые обычно называются логическим нулем и логической единицей и обозначаются «0» и «1» или просто 0 и 1.

Существует три основные операции между логическими переменными:

· конъюнкция (логическое И);

· дизъюнкция (логическое ИЛИ);

· инверсия (логическое НЕ).

Конъюнкция называется также логическим умножением,

. (8.2)

дизъюнкция -- логическим сложением



, (8.3)

инверсия -- отрицанием

(8.4)

где F -- логическая (булева) функция;

А и В -- логические переменные.

Значения этих логических функций для всех возможных значений двух переменных называются таблицей истинности.

Таблица 8.1.

Таблицы истинности логических операций

A	B	Отрицание Инверсия (НЕ)	Конъюнкция Логическое умножение (И, «&»)	Дизъюнкция Логическое сложение (ИЛИ, «1»)	Следование Импликация А	Тождество АВ
0	0	1	0	0	1	1
0	1	1	0	1	1	0
1	0	0	0	1	0	0
1	1	0	1	1	1	1

Операции над логическими переменными выполняются по определенным правилам. Прежде всего, необходимо учитывать принцип двойственности (теорема де Моргана), который в общем виде записывается так: