试述计量泵机电一体化控制系统设计

王运韬

【摘 要】 计量泵是一种既具有介质输送又具流量调整功能的机械设备，很适于作执行元件在每种需进行液体介质输送的流程管理系统中运用。流量控制是计量泵工作的核心内容，对流量实现机电一体化的控制，能够促进企业技术进步，提高企业的现代化管理水平，达到对企业生产经营过程进行整体优化，增强市场竞争力，提高企业的经济效益。本文探讨了计量泵机电一体化控制系统设计。

【关键词】 计量泵；机电一体化；控制系统

计量泵是一种既具有介质输送又具流量调整功能的机械设备，很适于作执行元件在每种需进行液体介质输送的流程管理系统中运用。但传统的计量泵调整流量的精确度，难以满足现代化大规模生产工艺流程管理的自动化要求，尤其在对有害液体的计量、在危险条件下的调整等方面，传统设备更是爱莫能助。因此，对计量泵实现自动管理，实时监测，精确调整势在必行。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展，及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称，其涵盖“技术”和“产品”两个方面。

流量控制是计量泵工作的核心内容，对流量实现机电一体化的控制能够促进企业技术进步、提高企业的现代化管理水平，达到对企业生产经营过程进行整体优化，增强市场地应变能力和竞争能力，从而获得更好的经济效益。当前计量泵流量的调整是经过人工对泵体上的手轮进行操作实现的.其调整流量的精确度难以满足现代化大规模生产工艺流程管理的自动化要求.对于这一问题，进行了计量泵机电一体化管理系统的研发，采用了一种对计量泵用步进电机驱动，用单片机进行管理，并对其流量进行闭环管理的办法。

1.机电一体化的核心技术

机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：

1.1 机械本体技术。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。

1.2 传感技术。传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。

1.3 信息处理技术。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。

1.4 驱动技术。电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件- 传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。

1.5 接口技术。为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。自吸离心泵接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。

1.6 软件技术。软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。

2.计量泵机电一体化控制系统设计

流量控制系统是集机电液为一体的自动控制系统，在工业领域中非常实用，它的准确控制在工业中得到了广泛应用，如加油系统的油量控制、水位的精确控制、化工企业中的有机物的投料控制，以及稀土萃取过程中的给料控制等。计量泵机电一体化控制系统设计主要包括以下几方面内容：

2.1 控制系统的总体描述。本控制系统是通过向步进电机发脉冲，以控制步进电机的转数。由于计量泵本身的精度是很高的，因此，它的控制也必须满足一定的精度要求。在本控制系统中，可以人工的输入所需要的流量值，也可以实现自动控制，也就是通过外部的模拟信号标准—经过转换后，来控制步进电机的脉冲数。当输入期望数据后，处理器将输入的数据与当前数据相比较，得到相应的动作值，计算出相应的脉冲数，通过正转或反转来达到期望值。在步进起动时，采用加速过程，在即将到达期望值时，采用减速过程，使得步进电机能不失步的稳定运行。在软件设计中，对控制装置采用了软件保护措施，如当步进电机处于运动状态和输入值超过系统的最大值时，所输入的数据命令是无效的。

2.2 系统硬件电路的基本组成。控制系统采用作为主控单元，通过与的串口通讯，实现对步进电机的远程控制。控制系统的硬件电路总体结构，包括转换电路、单片机系统、单片机系统、操作显示面板等。

2.3 系统硬件电路的设计原则。在进行硬件的总体方案设计时，所涉及的具体电路可借鉴他人在这方面工作，有些电路还需自己设计。在参考别人的电路时，需对其工作原理有较彻底的分析和理解，了解其适用范围，确定其移植的可能性和需要修改的地方。为使硬件设计尽可能合理系统的设计，应注意以下几点：尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵巧性。在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。注意选择通用性强、市场货源充足的元器件，尤其对需要大批量生产的场合，更应注意这方面的问题。在对硬件系统总体结构考虑时，同样要注意通用性的问题。系统的扩展及各功能模块的设计，在满足应用系统功能要求的基础上，应适当留有余地以备将来修改、扩展之余，设计时尽可能地作些调研采用最新的技术。在电路设计时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力，要注意增加系统的驱动能力，或减少系统的功耗。在工艺设计时，包括机箱、面板、配线、接插件等，要充分考虑到安装、调试、维修的方便。

2.4 控制系统软件的总体结构。软件程序一般都是由一个主程序，包括若干个功能模块和多个子程序构成，每一程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的功能。软件设计的目的，就是为了实现控制系统的各种功能。在满足基本功能要求的前提下，采用各种有效方式，使操作灵活、简便增强系统的稳定性、可靠性提高系统的抗干扰能力。就以上原则思想，本控制系统软件的总体构思如下：当由键盘或外部的—的信号输入单片机时，由其计算出步进电机所要走的步数，程序转入串行通讯子程序单片机，将电机所要走的步数传送给单片机，从而完成数据的输入和对电机控制功能的实现。

本系统将泵流量控制，转换为对步进电机的控制，通过对流量进行一定的运算，可得出相应的步进电机脉冲数。当流量变化时，步进电机的脉冲数，为此时步进电机的步距角被细分为度。这种控制方式是相对的控制系统从上一次的基础上运行，将当前的数据与上一次的数据相减，经过计算转换得出向步进电机所发的脉冲数和方向。方向是由所减结果的“正”、“负”来判断，结果为“正”则反转，结果为“负”则正转。接近开关信号是形轴的零位标志。单片机上电初始化电机正转到达零位时，接近开关发出信号触发的外部中断，进入外部中断程序，使电机停转。为增强本控制系统的可靠性和抗干扰能力，在软件设计时采取了一些措施。系统软件中设定了许多标志位，例如，有电机是否处于工作状态的标志单元、电机正反转的标志单元，以及程序内部需要的各种标志单元等。程序运行时，通过对标志位的查询和修改，从而进行对控制系统运行状态的监控管理。

总之，机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。通过对计量泵的机电一体化实行研制开发，可改善计量泵的工作环境，实现自动控制，提高计量泵的工作效率。

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