王運(yùn)韜

【摘 要】 計(jì)量泵是一種既具有介質(zhì)輸送又具流量調(diào)整功能的機(jī)械設(shè)備，很適于作執(zhí)行元件在每種需進(jìn)行液體介質(zhì)輸送的流程管理系統(tǒng)中運(yùn)用。流量控制是計(jì)量泵工作的核心內(nèi)容，對(duì)流量實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的控制，能夠促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，達(dá)到對(duì)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程進(jìn)行整體優(yōu)化，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文探討了計(jì)量泵機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】 計(jì)量泵；機(jī)電一體化；控制系統(tǒng)

計(jì)量泵是一種既具有介質(zhì)輸送又具流量調(diào)整功能的機(jī)械設(shè)備，很適于作執(zhí)行元件在每種需進(jìn)行液體介質(zhì)輸送的流程管理系統(tǒng)中運(yùn)用。但傳統(tǒng)的計(jì)量泵調(diào)整流量的精確度，難以滿足現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)工藝流程管理的自動(dòng)化要求，尤其在對(duì)有害液體的計(jì)量、在危險(xiǎn)條件下的調(diào)整等方面，傳統(tǒng)設(shè)備更是愛(ài)莫能助。因此，對(duì)計(jì)量泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，精確調(diào)整勢(shì)在必行。

在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來(lái)所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱，其涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個(gè)方面。

流量控制是計(jì)量泵工作的核心內(nèi)容，對(duì)流量實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的控制能夠促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，達(dá)到對(duì)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程進(jìn)行整體優(yōu)化，增強(qiáng)市場(chǎng)地應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前計(jì)量泵流量的調(diào)整是經(jīng)過(guò)人工對(duì)泵體上的手輪進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)的.其調(diào)整流量的精確度難以滿足現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)工藝流程管理的自動(dòng)化要求.對(duì)于這一問(wèn)題，進(jìn)行了計(jì)量泵機(jī)電一體化管理系統(tǒng)的研發(fā)，采用了一種對(duì)計(jì)量泵用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用單片機(jī)進(jìn)行管理，并對(duì)其流量進(jìn)行閉環(huán)管理的辦法。

1.機(jī)電一體化的核心技術(shù)

機(jī)電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元等部分組成。因此，為加速推進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手：

1.1 機(jī)械本體技術(shù)?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，還應(yīng)考慮利用非金屬?gòu)?fù)合材料。只有機(jī)械本體減輕了重量，才有可能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化，進(jìn)而在控制方面改善快速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提高效率。

1.2 傳感技術(shù)。傳感器的問(wèn)題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。對(duì)外部信息傳感器來(lái)說(shuō)，目前主要發(fā)展非接觸型檢測(cè)技術(shù)。

1.3 信息處理技術(shù)。為進(jìn)一步發(fā)展機(jī)電一體化，必須提高信息處理設(shè)備的可靠性，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和分時(shí)處理的輸入輸出的可靠性，進(jìn)而提高處理速度，并解決抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。

1.4 驅(qū)動(dòng)技術(shù)。電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問(wèn)題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機(jī)以及控制專用組件- 傳感器-電機(jī)三位一體的伺服驅(qū)動(dòng)單元。

1.5 接口技術(shù)。為了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。自吸離心泵接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

1.6 軟件技術(shù)。軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)維修的效率，要逐步推行軟件標(biāo)準(zhǔn)化，包括程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。

2.計(jì)量泵機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流量控制系統(tǒng)是集機(jī)電液為一體的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域中非常實(shí)用，它的準(zhǔn)確控制在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，如加油系統(tǒng)的油量控制、水位的精確控制、化工企業(yè)中的有機(jī)物的投料控制，以及稀土萃取過(guò)程中的給料控制等。計(jì)量泵機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面內(nèi)容：

2.1 控制系統(tǒng)的總體描述。本控制系統(tǒng)是通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)脈沖，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。由于計(jì)量泵本身的精度是很高的，因此，它的控制也必須滿足一定的精度要求。在本控制系統(tǒng)中，可以人工的輸入所需要的流量值，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，也就是通過(guò)外部的模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)—經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)。當(dāng)輸入期望數(shù)據(jù)后，處理器將輸入的數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)相比較，得到相應(yīng)的動(dòng)作值，計(jì)算出相應(yīng)的脈沖數(shù)，通過(guò)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到期望值。在步進(jìn)起動(dòng)時(shí)，采用加速過(guò)程，在即將到達(dá)期望值時(shí)，采用減速過(guò)程，使得步進(jìn)電機(jī)能不失步的穩(wěn)定運(yùn)行。在軟件設(shè)計(jì)中，對(duì)控制裝置采用了軟件保護(hù)措施，如當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和輸入值超過(guò)系統(tǒng)的最大值時(shí)，所輸入的數(shù)據(jù)命令是無(wú)效的。

2.2 系統(tǒng)硬件電路的基本組成。控制系統(tǒng)采用作為主控單元，通過(guò)與的串口通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制。控制系統(tǒng)的硬件電路總體結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、操作顯示面板等。

2.3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)原則。在進(jìn)行硬件的總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，所涉及的具體電路可借鑒他人在這方面工作，有些電路還需自己設(shè)計(jì)。在參考別人的電路時(shí)，需對(duì)其工作原理有較徹底的分析和理解，了解其適用范圍，確定其移植的可能性和需要修改的地方。為使硬件設(shè)計(jì)盡可能合理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈巧性。在條件允許的情況下，盡可能選用功能強(qiáng)、集成度高的電路或芯片。注意選擇通用性強(qiáng)、市場(chǎng)貨源充足的元器件，尤其對(duì)需要大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合，更應(yīng)注意這方面的問(wèn)題。在對(duì)硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)考慮時(shí)，同樣要注意通用性的問(wèn)題。系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)，在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地以備將來(lái)修改、擴(kuò)展之余，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地作些調(diào)研采用最新的技術(shù)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動(dòng)能力，要注意增加系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，或減少系統(tǒng)的功耗。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，包括機(jī)箱、面板、配線、接插件等，要充分考慮到安裝、調(diào)試、維修的方便。

2.4 控制系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)。軟件程序一般都是由一個(gè)主程序，包括若干個(gè)功能模塊和多個(gè)子程序構(gòu)成，每一程序模塊都能完成某一明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)具體的功能。軟件設(shè)計(jì)的目的，就是為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種功能。在滿足基本功能要求的前提下，采用各種有效方式，使操作靈活、簡(jiǎn)便增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性提高系統(tǒng)的抗干擾能力。就以上原則思想，本控制系統(tǒng)軟件的總體構(gòu)思如下：當(dāng)由鍵盤或外部的—的信號(hào)輸入單片機(jī)時(shí)，由其計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)所要走的步數(shù)，程序轉(zhuǎn)入串行通訊子程序單片機(jī)，將電機(jī)所要走的步數(shù)傳送給單片機(jī)，從而完成數(shù)據(jù)的輸入和對(duì)電機(jī)控制功能的實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)將泵流量控制，轉(zhuǎn)換為對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，通過(guò)對(duì)流量進(jìn)行一定的運(yùn)算，可得出相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)。當(dāng)流量變化時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，為此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的步距角被細(xì)分為度。這種控制方式是相對(duì)的控制系統(tǒng)從上一次的基礎(chǔ)上運(yùn)行，將當(dāng)前的數(shù)據(jù)與上一次的數(shù)據(jù)相減，經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換得出向步進(jìn)電機(jī)所發(fā)的脈沖數(shù)和方向。方向是由所減結(jié)果的“正”、“負(fù)”來(lái)判斷，結(jié)果為“正”則反轉(zhuǎn)，結(jié)果為“負(fù)”則正轉(zhuǎn)。接近開(kāi)關(guān)信號(hào)是形軸的零位標(biāo)志。單片機(jī)上電初始化電機(jī)正轉(zhuǎn)到達(dá)零位時(shí)，接近開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)觸發(fā)的外部中斷，進(jìn)入外部中斷程序，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。為增強(qiáng)本控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采取了一些措施。系統(tǒng)軟件中設(shè)定了許多標(biāo)志位，例如，有電機(jī)是否處于工作狀態(tài)的標(biāo)志單元、電機(jī)正反轉(zhuǎn)的標(biāo)志單元，以及程序內(nèi)部需要的各種標(biāo)志單元等。程序運(yùn)行時(shí)，通過(guò)對(duì)標(biāo)志位的查詢和修改，從而進(jìn)行對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控管理。

總之，機(jī)電一體化技術(shù)是眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。它促使機(jī)械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)概念發(fā)生著革命性的變化。大力發(fā)展新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的要求，而且是推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開(kāi)辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必由之路。通過(guò)對(duì)計(jì)量泵的機(jī)電一體化實(shí)行研制開(kāi)發(fā)，可改善計(jì)量泵的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高計(jì)量泵的工作效率。

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