陶奇鈞，余世明

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州310023)

0 引 言

計(jì)量泵作為往復(fù)泵的分支，廣泛運(yùn)用于石油、化工、水處理、食品、制藥、環(huán)保、醫(yī)療器械等行業(yè)的流體定量投加和比例投加(簡(jiǎn)稱流體定比投加)，已成為流程工業(yè)的心臟和發(fā)動(dòng)機(jī)［1］。

對(duì)于一個(gè)工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，研究者往往需要對(duì)液體排量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，例如在工業(yè)尾氣處理中，處理液使用過(guò)少，達(dá)不到處理作用，而處理液使用過(guò)多往往又會(huì)造成另一種污染的產(chǎn)生。這樣的工業(yè)系統(tǒng)便對(duì)計(jì)量泵的排量控制提出了很高的精度要求。

由于受制造工藝、作業(yè)環(huán)境等因素的影響，計(jì)量泵的實(shí)際排量和理論排量會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，需要調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。而計(jì)量泵常常被用來(lái)傳輸有毒液體、腐蝕性液體、易燃易爆液體等，在許多危險(xiǎn)的環(huán)境下，工作人員很難進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)計(jì)量泵排量進(jìn)行手工調(diào)節(jié)，這就使得計(jì)量泵的應(yīng)用受到了很大的限制［2］。

在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有時(shí)更需要幾臺(tái)或者更多的計(jì)量泵組成計(jì)量泵組進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，完成精確的排量任務(wù)。顯然這樣的協(xié)同工作若是由工作人員手動(dòng)完成，其精準(zhǔn)度必然會(huì)受到一定的影響。

為了彌補(bǔ)上述計(jì)量泵的缺陷，本研究對(duì)計(jì)量泵排量的誤差進(jìn)行了具體分析，并通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)量泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)計(jì)量泵排量進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和補(bǔ)償。

1 理論排量值的計(jì)算

計(jì)算排量的誤差首先要計(jì)算出排量的理論值，再與實(shí)際排量值相減，才能得出排量誤差值，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

隔膜計(jì)量泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由3部分組成:電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和泵頭。減速機(jī)是一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)利用齒輪轉(zhuǎn)換速度，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)降下來(lái)，減到所需的回轉(zhuǎn)數(shù)，從而得到較大轉(zhuǎn)矩。通過(guò)該減速機(jī)便把電機(jī)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成了柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)［3］。圖1中的柱塞和隔膜實(shí)際上是相連接的，這里為了更加形象地描述工作原理而把它們分開(kāi)。隔膜的凹變化和凸變化是隨著柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，這種交替的變化能夠使得泵缸內(nèi)的壓強(qiáng)進(jìn)行改變，當(dāng)壓強(qiáng)減小時(shí)，從下面吸進(jìn)流體，反之則從上面排出流體。

圖1 隔膜計(jì)量泵結(jié)構(gòu)

設(shè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)n0圈，經(jīng)減速機(jī)后驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)一次，那么傳動(dòng)比為n0，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n(單位:r/min)時(shí)，每秒活塞的往復(fù)次數(shù)(沖程頻率)f可用下式表示:

電機(jī)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在電機(jī)軸上設(shè)置一個(gè)霍爾傳感器并均勻安裝了4個(gè)磁鋼，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周，則檢測(cè)到4個(gè)脈沖，當(dāng)活塞往復(fù)一次時(shí)，檢測(cè)到的脈沖數(shù)nm為4n0。將nm代入上式，得:

在一定的有效隔膜面積下，泵的輸出流體的體積流量與沖程長(zhǎng)度和沖程頻率成正比。因此，當(dāng)使用往復(fù)式隔膜計(jì)量泵時(shí)，其有效隔膜面積A是確定的，只需考慮另外兩個(gè)因素對(duì)流體排量的影響:

令沖程長(zhǎng)度為S，沖程頻率為f，可以把流體的理論排量Q1(單位:m3/h)表示成一個(gè)函數(shù):

式中:λ—比例系數(shù);A—有效隔膜面積，m3;S—沖程長(zhǎng)度，m;f—沖程頻率。

將式(2)代入式(3)，可得理論排量Q1(單位:m3/h)與電機(jī)轉(zhuǎn)速n(單位:r/min)的關(guān)系式:

柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)隔膜運(yùn)動(dòng)做凹凸變化，令凹變化的最大彎曲曲面與凸變化的最大彎曲曲面所圍成的體積為V1，即一次理論沖程排量為V1，則流體的理論排量Q1(單位:m3/h)可以表示為:

由公式(4，5)可得:

2 排量誤差分析

導(dǎo)致隔膜計(jì)量泵的排量誤差的因素有很多［4］，包括制造精度引起的誤差、出口壓力引起的誤差、流體粘度不同造成的誤差、工作磨損引起的誤差等［5］。其中制造進(jìn)度以及流體粘度引起的誤差較為顯著。以下便對(duì)這兩處進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 制造精度排量誤差

本研究將因制作精度引起的誤差記為ΔV(ξ)，實(shí)際排量用V1，可表示為:

筆者根據(jù)實(shí)際情況使其他因素穩(wěn)定，測(cè)出可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定每臺(tái)泵的ΔV(ξ)。

設(shè)k為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，檢測(cè)到的脈沖數(shù)為nms1，nms2，…，nmsk，測(cè)得的流體體積為 Q'11，Q'12，…，Q'1k，將誤差記作 ΔV1(ξ)，ΔV2(ξ)，...，ΔVk(ξ)，那么:

可得:

2.2 流體粘度排量誤差

流體的粘度系數(shù)η不同，在其他條件全都相同的情況下，其實(shí)際排量將存在誤差［6］。本研究用函數(shù)x(η)表示粘度系數(shù)η不同帶來(lái)的誤差影響，可將一次實(shí)際排量表示成:

所以:

該數(shù)據(jù)的獲得需要研究者對(duì)測(cè)量進(jìn)行必要的控制，使得其他因素不影響理論排量的大小;本研究設(shè)定所用流體均為清水，可得清水所對(duì)應(yīng)的函數(shù)x(η)值為1。

對(duì) η，取一些典型的值:η1，η2，…，ηn通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定 x(ηi)(i=1，2，…，m)，對(duì)于 η 的非典型值 ηα，通過(guò)線性差值可求得相對(duì)應(yīng)的x(ηα)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于計(jì)量泵的控制有著很高的實(shí)時(shí)性要求，而基于TCP/IP的以太網(wǎng)采用的是帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議(CSMA/CD)，無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。而CAN網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)(取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符)采用無(wú)損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。

但是CAN總線無(wú)論是其通信距離還是通信速率都無(wú)法和以太網(wǎng)相比，且不易于與上位控制機(jī)直接接口，現(xiàn)有的CAN接口卡與以太網(wǎng)網(wǎng)卡相比大都價(jià)格昂貴。因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了協(xié)議轉(zhuǎn)換器這個(gè)中間環(huán)節(jié)，來(lái)連接以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡(luò)，使得兩者的優(yōu)劣能夠形成互補(bǔ)［7］。

計(jì)量品泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為3個(gè)部分:監(jiān)控平臺(tái)及其服務(wù)器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、CAN網(wǎng)絡(luò)組成的計(jì)量泵組。

圖2 計(jì)量泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

協(xié)議轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)原理較為簡(jiǎn)單，筆者將接收到的CAN數(shù)據(jù)幀分離出數(shù)據(jù)部分，然后對(duì)數(shù)據(jù)打包成以太網(wǎng)協(xié)議棧格式，發(fā)送到以太網(wǎng)，以太網(wǎng)到CAN的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程正好和CAN到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程相反。

4 排量補(bǔ)償方法

在上述計(jì)量泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，每一臺(tái)計(jì)量泵可以把自身集成的傳感器采集到的流量、轉(zhuǎn)速、流體粘度等數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)?？刂浦鳈C(jī)可以把計(jì)量泵組實(shí)時(shí)傳遞上來(lái)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)放入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣工作人員便可以在控制室，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的監(jiān)控和管理，來(lái)實(shí)時(shí)得調(diào)節(jié)不同區(qū)域、不同排放任務(wù)的計(jì)量泵組的轉(zhuǎn)速，并實(shí)時(shí)監(jiān)控排量情況。

通過(guò)這樣一個(gè)遠(yuǎn)程計(jì)量泵組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，本研究可以對(duì)不同工作情況下的計(jì)量泵組進(jìn)行對(duì)應(yīng)的排量誤差的補(bǔ)償。在實(shí)際的操作中，研究者并不能對(duì)排量進(jìn)行直接的控制，而是通過(guò)改變控制芯片輸出PWM占空比的配置，來(lái)改變?nèi)喈惒诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變了計(jì)量泵柱塞運(yùn)動(dòng)的頻率，來(lái)達(dá)到排量控制的目的［8］。由于各種誤差的存在，同樣的PWM占空比配置在不同的單臺(tái)計(jì)量泵控制系統(tǒng)中所產(chǎn)生的排量并不相同。此時(shí)就需要研究者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程地更改PWM占空比的配置，使得排量能夠精確地達(dá)到理想值。

在排量補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中可以引入模糊規(guī)則，對(duì)排量補(bǔ)償進(jìn)行智能控制［9-11］。根據(jù)計(jì)量泵的運(yùn)行特點(diǎn)和使用情況，本研究把排量誤差和誤差變化的語(yǔ)言值取為{負(fù)極大，負(fù)非常大，負(fù)很大，負(fù)較大，負(fù)微大，零，正微大，正較大，正很大，正非常大，正極大}，并用數(shù)字來(lái)表示，即{－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5}。而同樣的，對(duì)于PWM占空比配置變化的模糊化也可以用相同的數(shù)字來(lái)表示。根據(jù)圖3所示模糊規(guī)則隸屬度函數(shù)，產(chǎn)生的模糊規(guī)則控制表如表1所示，在實(shí)際的排量補(bǔ)償中，本研究便可以通過(guò)模糊規(guī)則表來(lái)進(jìn)行解模糊化，來(lái)控制PWM占空比配置的智能調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)排量調(diào)節(jié)的智能調(diào)節(jié)。

圖3 隸屬度函數(shù)

表1 模糊規(guī)則控制表

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)際工業(yè)中計(jì)量泵運(yùn)行的狀況，以及目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的欠缺，本研究詳盡地分析了計(jì)量泵的排量及其誤差計(jì)算，并根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況提出了對(duì)計(jì)量泵組進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制其排量補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ罱嘶谝蕴W(wǎng)以及CAN總線的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，筆者加入了模糊控制器，來(lái)對(duì)補(bǔ)償過(guò)程進(jìn)行智能控制。

對(duì)計(jì)量泵的排量進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)有著精確排量要求的工業(yè)控制將有很大的幫助作用，網(wǎng)絡(luò)化的排量補(bǔ)償使得大規(guī)模的計(jì)量泵組的排量精度都得到了保障。

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