Глава 12. Автоматическая блокировка и защита в системах управления

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ БЛОКИРОВКИ

Под блокировкой подразумевается взаимосвязь эле­ментов схемы управления, которая обеспечивает либо требования последовательного включения рабочих органов механизмов, либо безопасность обслуживающего персонала.

Рис. 108. Схемы управления реверсивным электродвигателем: а — без исключающей блокировки; 6 — исключающей блокировкой

По функциональному признаку, т. е. по назначению, разли­чают три вида блокировки: исключающую, разрешающую и блокировку памяти.

Исключающая блокировка — это такой вид блокировки, при которой включение одного элемента схемы исключает возмож­ность включения другого, сблокированного элемента схемы. Исключающая блокировка осуществляется с помощью логиче­ского элемента НЕ. Например, [ (X) == а, т. е. если на вход какого-либо устройства подается сигнал а, то сигнал X отсут­ствует.

Исключающая блокировка находит широкое применение в схе­мах управления. На рис. 108 показаны две схемы управления реверсивным электродвигателем с помощью пусковых и стоповых кнопок. Первая схема (рис. 108, а) не содержит исключающей блокировки, а во второй схеме (рис. 108, б) она предусмотрена. При управлении электродвигателем с помощью первой схемы возможна аварийная ситуация. Если после пуска двигателя кнопкой БЫ нажать на пусковую кнопку БВЗ или наоборот, то это приведет к срабатыванию магнитного пускателя КМ2 и, как следствие этого, к короткому замыканию в силовой цепи. Этого недостатка лишена вторая схема, так как в ней предусматривается исключающая блокировка. При нажатии на пусковую кнопку 8В1 (рис. 108, б) возбуждается катушка магнитного пускателя КМ1

и, следовательно, размыкается блокировочный контакт КМ 1.2. Если теперь нажать на пусковую кнопку БВЗ, короткое замы­кание в силовой цепи не произойдет, так как катушка магнит­ного пускателя К М2 не возбудится. Цепь будет разорвана кон­тактом КМ 1.2.

Исключающая блокировка обязательно применяется для за­щиты генератора высокой частоты, если от него питаются не­сколько индукторов, суммарная мощность которых больше уста­новочной мощности генератора, а также в ряде других схем.

Разрешающая блокировка — это такой вид блокировки, при котором включение одного элемента схемы управления разре­шается только при выполнении определенного порядка. Разре­шающая блокировка реализуется с помощью логических эле­ментов И либо ИЛИ. Если / (X) = й (|, то сигнал X появляется только тогда, когда имеются и сигнал а и сигнал Ь. Если же / (X) —

• а + Ь, то сигнал X появляется, когда имеется хотя бы один из сигналов (о или Ь).

Разрешающая блокировка находит широкое распространение в схемах управления бытовых устройств и промышленных уста­новок. Например, нельзя включить телевизор, если не закрыта его задняя крышка. Лифт не пойдет, если не закрыта его дверь. В нагревательных электрических печах нельзя включить нагре­вательные элементы, если не закрыть дверки печей, и т. д.

Блокировка памяти — это такой вид блокировки, при которой кратковременное включение одного элемента схемы управления вызывает длительное включение другого элемента.

Блокировка памяти находит применение в схемах управле­ния, когда пуск какой-либо установки осуществляется пусковой кнопкой с самовозвратом (пусковой контакт кратковременного действия). На схемах, изображенных на рис. 108, контакты К.М1.1 и К.М2.1 являются блокировочными контактами.

2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ

Системой автоматической защиты называется сово­купность элементов схемы управления, с помощью которой осу­ществляется контроль процессов в объекте управления, форми­рование сигналов в различных критических ситуациях и исполь­зование этих сигналов для предотвращения аварий путем оста­новки оборудования или переключения режима его работы, а также вызова обслуживающего персонала для выдачи ему инфор­мации о причинах возникновения и вида отклонений от нор­мальной работы.

Кроме отмеченных функций, вводимые в систему управления устройства защиты могут выполнять также функции защиты об­служивающего персонала от травматизма.

По назначению все системы автоматической защиты разде­ляются на четыре группы: системы предупредительной сигнали­зации; системы аварийного отключения и переключения обору­дования; системы защиты обслуживающего персонала от травм; системы противопожарной защиты.

По физической природе входного сигнала устройства защиты делятся на электрические, гидравлические, механические, теп­ловые и др.

По числу контролируемых параметров различают системы защиты единичного и множественного контроля.

По числу выполняемых функций системы защиты делятся на однофункциональные и многофункциональные. Первые выпол­няют только одно действие (например, выключают электродви­гатель при перегрузке). Многофункциональное устройство может кроме остановки электродвигателя включить сигнализацию или дополнительно выполнить какие-либо другие действия.

Системы автоматической защиты в большинстве случаев пред­ставляют собой разомкнутые системы, в состав которых входят следующие основные элементы: индикаторы аварийных ситуа­ций; усилительно-преобразующие устройства и элементы; испол­нительные механизмы.

В индикаторе аварийных ситуаций текущее значение контро­лируемого параметра воспринимается первичным преобразова­телем (датчиком) и сравнивается с заданным значением. Именно в схеме сравнения происходят обнаружение признаков аварийной ситуации и формирование сигнала об этом событии.

Как правило, сигнал, полученный на выходе индикатора ава­рийных ситуаций, обладает малой мощностью и не может непо­средственно воздействовать на исполнительный механизм. В этих случаях сигнал предварительно подается на усилительно-преобра- зующее устройство, где сигнал может усиливаться, преобразо­вываться, а также стабилизироваться.

Сигналы индикатора аварийных ситуаций после усиления и преобразования приводят в действие исполнительные меха­низмы, которые предотвращают возможность аварии и оповещают обслуживающий персонал о ненормальных режимах работы обо­рудования.

В системах защиты, применяемых в сложных объектах, могут контролироваться сразу несколько параметров. В этом случае контроль осуществляется непрерывно или последовательно. При непрерывном контроле система защиты состоит из нескольких (по числу контролируемых параметров) параллельно включенных индикаторов аварийных ситуаций и усилительно-преобразующих элементов с одним исполнительным органом.

При последовательном контроле в одних и тех же индикаторах и усилительно-преобразующих элементах производится поочеред­ная обработка исходной информации первичных преобразова­телей, поочередное включение которых осуществляется специаль­ным переключателем.

К основным характеристикам устройств защиты относятся статические и динамические характеристики, чувствительность, инерционность, параметры и точность срабатывания, стабиль­ность работы, способность к перегрузкам и надежность.

Статические характеристики выражают связь между вход­ными и выходными параметрами в установившемся режиме, а динамические — в переходном, когда входные и выходные пара­метры изменяются во времени.

Инерционность определяется временем срабатывания, т. е. интервалом времени между моментами подачи на вход сигнала и выработки управляющего сигнала.

Точность срабатывания — разность между истинным значе­нием и заданным значением контролируемого параметра, приво­дящая к срабатыванию устройства защиты.

Стабильность работы во времени определяется временными, температурными и другими интервалами, в пределах которых устройства могут нормально выполнять свои функции.

Способность к перегрузкам определяется максимальным зна­чением контролируемого параметра и временем его действия, при которых устройства защиты не выходят из строя.

Надежность работы устройства защиты определяется рядом показателей, к числу которых относятся: вероятность безотказ­ной работы в течение заданного интервала времени, средняя наработка на отказ и т. п.

Основными элементами индикаторов аварийных ситуаций являются первичные преобразователи, которые по конструкции и своим характеристикам практически не отличаются от первич­ных преобразователей, рассмотренных выше (см. гл. 2).

В устройствах защиты применяют стандартные схемы срав­нения, усилители, преобразователи и исполнительные органы. Довольно часто в системах защиты используется исполнительный орган общей системы управления. Конструкции всех перечислен­ных элементов были рассмотрены выше.

В этом параграфе рассмотрены только те или иные индикаторы и сигнализаторы аварийны^ ситуаций.

На практике наибольшее распространение (в схемах управле­ния оборудованием литейных и термических цехов) получили индикаторы аварийных ситуаций предельных положений, ава­рийных перемещений, предельных уровней жидкостей и сыпучих сред, аварийных деформаций и механических напряжений, аварий­ных сил И давлений, нарушений температурных режимов, пога­сания измени топок, аварийной влажности, концентрации пыли и дыма, аварийных значений силы токов и напряжений, замы­кания токоведущих шин на землю, систем защиты от трав­матизма и др.

Индикаторы предельных положений используют конечные (путевые) выключатели. Они устанавливаются таким образом, что срабатывают под действием подвижного элемента защищаемой системы при достижении им соответствующих точек контролиру­емого пути.

Индикаторы предельных уровней отличаются многообразием конструкций и принципов действия. Выбор типа индикатора зависит от физических свойств среды, уровень которой контроли­руется. Наибольшее распространение получили поплавковые и кондуктометрическ ие и ндикаторы.

Индикаторы предельных деформаций и механических напря­жений наиболее часто содержат тензометрические чувствитель­ные элементы.

Индикаторы контроля статических и медленно изменяющихся сил обычно основаны на использовании динамометрических пре­образователей с упругими элементами в виде пружин и колец. Для преобразования деформации в электрический сигнал приме­няют электроконтактные, потенциометрические или индуктив­ные первичные преобразователи.

Индикаторы аварийных давлений обычно имеют чувствитель­ные элементы, подобные чувствительным элементам манометров (мембраны, сильфоны, трубчатые пружины и др.).

Индикаторы нарушений температурных режимов обычно ба­зируются на чувствительных элементах, преобразующих тепло­вую энергию в электрический сигнал, т. е. различного типа тер­мометры.

Индикаторы погасания пламени в топках контролируют нали­чие факела в камере сгорания нагревательной и плавильной печей, работающих на жидком или газообразном топливе. Пода­вая сигнал на отключение подачи топлива, индикаторы позво­ляют защищать печи от взрывов и других опасных последствий, которые могут возникнуть при погасании пламени. В таких индикаторах используются различные способы контроля наличия пламени: контроль за тепловыделением с помощью термочувстви­тельного элемента; контроль за световым излучением,, где исполь­зуют фотоэлектрические преобразователи (фоторезисторы и фото­элементы).

Весьма перспективными являются индикаторы в виде элек­тронных датчиков, использующих ионную проводимость пла­мени. Так, через электроды датчика, введенные в зону факела, может протекать электрический ток с силой 2 ... 1200 тА.

Индикаторы дыма и пыли используются в системах противо­пожарной защиты, при контроле горения топлива, степени загряз­нения окружающей среды и обнаружения недопустимых концен­траций пыли в атмосфере цехов и помещений. Наиболее часто контроль осуществляется оптическими или радиоактивными мето­дами по интенсивности излучения, поглощения или рассеивания частицами пыли и дыма.

Наиболее простыми защитными устройствами от перегрузок по току и коротких замыканий являются плавкие, предохрани­тели.

Система защиты от производственного травматизма, кото­рый возможен при эксплуатации прессов, циркуляционных пил, механических фуганков и другого оборудования, останавливает машину при обнаружении приближения человека в опасной зоне. В этих случаях обычно применяют индикаторы на базе фотореле, которые срабатывают при прерывании светового барьера, ограждающего опасную зону. Кроме того, используют индикаторы генераторного типа, в качестве чувствительного элемента которого служит антенна. При приближении человека к антенне, подве­шенной в опасной зоне, изменяется частота генератора. На выходе генератора появляется сигнал, который можно использовать для остановки оборудования. Генераторный индикатор может сра­батывать на расстоянии 1 ... 100 см. Длина антенны может дости­гать 10 м.

Рис. 109. Схемы защиты элек­тродвигателя от коротких за­мыканий:

а — с помощью плавких предо­хранителей; б — с помощью автоматического выключателя; в — с помощью реле максималь­ного тока

Для оповещения обслуживающего персонала о возникновении опасных ситуаций, а также о причинах и характере аномальных режимов работы применяется специальная сигнализация, которая осуществляется акустическими и визуальными средствами, кон­струкция которых будет рассмотрена в последующих парагра­фах (см. гл. 13).

Из большого числа различных систем аварийного отключения оборудования наибольшее распространение в литейных и терми­ческих цехах получили системы защиты электродвигателей от перегрузок и короткого замыкания, нулевая защита, защита при обрыве троллейных проводов и другие, принцип которых будет рассмотрен ниже.

Защита в схемах управления электроприводами предназна­чена для предотвращения повреждения электрооборудования. Устройство защиты устанавливают как в силовых цепях, так и в цепях управления. К основным видам защиты в электроприводе относятся: защита от короткого замыкания; максимальная за­щита, срабатывающая даже при кратковременном превышении установленного значения силы тока; защита двигателей от пере­грузок, если сила тока длительно превышает ее номинальное зна­чение; защита от перенапряжения, возникающего в электриче­ских цепях.

Защита от короткого замыкания обеспечивает немедленное отключение цепи, в которой произошло короткое замыкание или чрезмерное увеличение силы тока. Защита осуществляется с по­мощью плавких предохранителей (рис. 109, а), автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями (рис. 109, б) и тепловых реле (рис. 109, в).

Защита плавкими предохранителями трехфазной силовой цепи двигателя обладает большим недостатком. При перегорании од­ной из вставок двигатель будет работать на двух фазах, что при­ведет к его перегреву. Этого недостатка лишена защита автома­тическими выключателями. При их срабатывании отключаются все три фазы питающего напряжения..

Защита двигателя от перегрузки током предназначается для предотвращения перегрева двигателя при продолжительном режиме работы.

Рис. 110. Схемы защиты элек­тродвигателя от длительных нагрузок с помощью тепло­вых реле

Для этого в цепи трехфазного двигателя вклю­чаются два однополюсных или одно двухфазное тепловое реле. Тепловые элементы (нагреватели) этих реле включаются в цепи двигателя, как правило, после главных контактов магнитного пускателя или контактора (рие. 110).

Защита от длительных перегрузок может также осуществляться и автоматами и тепловыми расцепителями.

Схема защиты от перенапряжения выполняется на реле мак­симального напряжения, катушка которого включается в измери­тельную электрическую цепь. Необходимость такой защиты воз­никает при питании электроприводов от отдельных генераторов или преобразователей.

Нулевая защита — это такой вид защиты, который исклю­чает возможность самопроизвольного включения электродвига' теля после исчезновения напряжения или чрезмерного его сни­жения. При управлении двигателем с помощью кнопок по схемам, приведенным на рис. 108, такую защиту осуществляют магнитные пускатели КМ1 и КМ2. В этих схемах после отключения магнит­ных пускателей, замыкающих контакты КМ 1.1 и КМ2.1, вклю­чение параллельно пусковых кнопок 5В/ и БВЗ при появлении напряжения на схеме не позволяет включаться магнитным пуска­телям, так как цепи включения катушек разомкнуты.

Если управление электроприводом “Осуществляется переклю­чателем с фиксированным положением, то нулевая защита обес­печивается включением реле напряжения КУ (рис. 111). Реле включается в исходном положении переключателем, становится на самопитание и через замыкающий контакт создает цепь пита­ния магнитных пускателей КМ1 и К М2. При срабатывании

Рис. 111. Схема нулевой защиты с реле Рис. 112. Схема защиты при обрыве

защиты для включения КУ надо переключатель поставить в ис­ходное положение «О». В цепи катушки реле КV находятся таюре контакты теплового реле КК.

Система защиты при обрыве троллейных проводов служит для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током. Троллейные провода предназначаются в цехах для под­вода электроэнергии к мостовым кранам, кран-балкам и другим транспортным средствам.

При обрыве одного из троллейных проводов (рис. 112) между точками А и В возникает разность потенциалов и возбуждается промежуточное реле КА. Размыкающий контакт реле размыкает цепь (с управляющими контактами УК) управления контак­тора КМ, и троллейные провода обесточиваются прежде, чем оборванный провод долетит до пола цеха. Для повышения чув­ствительности схемы промежуточное реле включено в диагональ диодного моста.

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите о назначении исключающей блокировки.

2. Расскажите о назначении разрешающей блокировки.

3. Расскажите о назначении блокировки памяти.

4. Какие требования предъявляются к системам автоматической защиты?

5. Расскажите о структуре системы автоматической защиты.

6. Перечислите и дайте определения основных характеристик систем защиты.

7. Расскажите о классификациях систем автоматической защиты.

8. Расскажите об индикаторах аварийных ситуаций.

9. Какие виды сигнализации аварийного состояния применяются в настоя­щее время? I

10. Расскажите о видах защиты в схемах управления электроприводами.

11. Расскажите о целях и видах нулевой защиты.

12. Дайте описание защиты при обрыве троллейных проводов.