試述計量泵機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計

王運韜

【摘 要】 計量泵是一種既具有介質(zhì)輸送又具流量調(diào)整功能的機械設(shè)備，很適于作執(zhí)行元件在每種需進行液體介質(zhì)輸送的流程管理系統(tǒng)中運用。流量控制是計量泵工作的核心內(nèi)容，對流量實現(xiàn)機電一體化的控制，能夠促進企業(yè)技術(shù)進步，提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，達到對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程進行整體優(yōu)化，增強市場競爭力，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。本文探討了計量泵機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 計量泵；機電一體化；控制系統(tǒng)

計量泵是一種既具有介質(zhì)輸送又具流量調(diào)整功能的機械設(shè)備，很適于作執(zhí)行元件在每種需進行液體介質(zhì)輸送的流程管理系統(tǒng)中運用。但傳統(tǒng)的計量泵調(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化要求，尤其在對有害液體的計量、在危險條件下的調(diào)整等方面，傳統(tǒng)設(shè)備更是愛莫能助。因此，對計量泵實現(xiàn)自動管理，實時監(jiān)測，精確調(diào)整勢在必行。

在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(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“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱，其涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。

流量控制是計量泵工作的核心內(nèi)容，對流量實現(xiàn)機電一體化的控制能夠促進企業(yè)技術(shù)進步、提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，達到對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程進行整體優(yōu)化，增強市場地應(yīng)變能力和競爭能力，從而獲得更好的經(jīng)濟效益。當(dāng)前計量泵流量的調(diào)整是經(jīng)過人工對泵體上的手輪進行操作實現(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化要求.對于這一問題，進行了計量泵機電一體化管理系統(tǒng)的研發(fā)，采用了一種對計量泵用步進電機驅(qū)動，用單片機進行管理，并對其流量進行閉環(huán)管理的辦法。

1.機電一體化的核心技術(shù)

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

1.1 機械本體技術(shù)?，F(xiàn)代機械產(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，還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的小型化，進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。對外部信息傳感器來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測技術(shù)。

1.3 信息處理技術(shù)。為進一步發(fā)展機電一體化，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)備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。

1.4 驅(qū)動技術(shù)。電機作為驅(qū)動機構(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題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機以及控制專用組件- 傳感器-電機三位一體的伺服驅(qū)動單元。

1.5 接口技術(shù)。為了與計算機進行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標準化、規(guī)格化。自吸離心泵接口采用同一標準規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設(shè)計。

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，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。

2.計量泵機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計

流量控制系統(tǒng)是集機電液為一體的自動控制系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域中非常實用，它的準確控制在工業(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)中的有機物的投料控制，以及稀土萃取過程中的給料控制等。計量泵機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計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)是通過向步進電機發(fā)脈沖，以控制步進電機的轉(zhuǎn)數(shù)。由于計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，也可以實現(xiàn)自動控制，也就是通過外部的模擬信號標準—經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，來控制步進電機的脈沖數(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)的動作值，計算出相應(yīng)的脈沖數(shù)，通過正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來達到期望值。在步進起動時，采用加速過程，在即將到達期望值時，采用減速過程，使得步進電機能不失步的穩(wěn)定運行。在軟件設(shè)計中，對控制裝置采用了軟件保護措施，如當(dāng)步進電機處于運動狀態(tài)和輸入值超過系統(tǒng)的最大值時，所輸入的數(shù)據(jù)命令是無效的。

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，通過與的串口通訊，實現(xiàn)對步進電機的遠程控制?？刂葡到y(tǒng)的硬件電路總體結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)換電路、單片機系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、操作顯示面板等。

2.3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計原則。在進行硬件的總體方案設(shè)計時，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。在參考別人的電路時，需對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)計盡可能合理系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)注意以下幾點：盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈巧性。在條件允許的情況下，盡可能選用功能強、集成度高的電路或芯片。注意選擇通用性強、市場貨源充足的元器件，尤其對需要大批量生產(chǎn)的場合，更應(yīng)注意這方面的問題。在對硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)考慮時，同樣要注意通用性的問題。系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計，在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地以備將來修改、擴展之余，設(shè)計時盡可能地作些調(diào)研采用最新的技術(shù)。在電路設(shè)計時，要充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力，要注意增加系統(tǒng)的驅(qū)動能力，或減少系統(tǒng)的功耗。在工藝設(shè)計時，包括機箱、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主程序，包括若干個功能模塊和多個子程序構(gòu)成，每一程序模塊都能完成某一明確的任務(wù)，實現(xiàn)具體的功能。軟件設(shè)計的目的，就是為了實現(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、簡便增強系統(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—的信號輸入單片機時，由其計算出步進電機所要走的步數(shù)，程序轉(zhuǎn)入串行通訊子程序單片機，將電機所要走的步數(shù)傳送給單片機，從而完成數(shù)據(jù)的輸入和對電機控制功能的實現(xiàn)。

本系統(tǒng)將泵流量控制，轉(zhuǎn)換為對步進電機的控制，通過對流量進行一定的運算，可得出相應(yīng)的步進電機脈沖數(shù)。當(dāng)流量變化時，步進電機的脈沖數(shù)，為此時步進電機的步距角被細分為度。這種控制方式是相對的控制系統(tǒng)從上一次的基礎(chǔ)上運行，將當(dāng)前的數(shù)據(jù)與上一次的數(shù)據(jù)相減，經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換得出向步進電機所發(fā)的脈沖數(shù)和方向。方向是由所減結(jié)果的“正”、“負”來判斷，結(jié)果為“正”則反轉(zhuǎn)，結(jié)果為“負”則正轉(zhuǎn)。接近開關(guān)信號是形軸的零位標志。單片機上電初始化電機正轉(zhuǎn)到達零位時，接近開關(guān)發(fā)出信號觸發(fā)的外部中斷，進入外部中斷程序，使電機停轉(zhuǎn)。為增強本控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在軟件設(shè)計時采取了一些措施。系統(tǒng)軟件中設(shè)定了許多標志位，例如，有電機是否處于工作狀態(tài)的標志單元、電機正反轉(zhuǎn)的標志單元，以及程序內(nèi)部需要的各種標志單元等。程序運行時，通過對標志位的查詢和修改，從而進行對控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控管理。

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

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