試述計量泵機電一體化控制系統設計

王運韜

【摘 要】 計量泵是一種既具有介質輸送又具流量調整功能的機械設備，很適于作執行元件在每種需進行液體介質輸送的流程管理系統中運用。流量控制是計量泵工作的核心內容，對流量實現機電一體化的控制，能夠促進企業技術進步，提高企業的現代化管理水平，達到對企業生產經營過程進行整體優化，增強市場競爭力，提高企業的經濟效益。本文探討了計量泵機電一體化控制系統設計。

【關鍵詞】 計量泵；機電一體化；控制系統

計量泵是一種既具有介質輸送又具流量調整功能的機械設備，很適于作執行元件在每種需進行液體介質輸送的流程管理系統中運用。但傳統的計量泵調整流量的精確度，難以滿足現代化大規模生產工藝流程管理的自動化要求，尤其在對有害液體的計量、在危險條件下的調整等方面，傳統設備更是愛莫能助。因此，對計量泵實現自動管理，實時監測，精確調整勢在必行。

在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展，及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱，其涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。

流量控制是計量泵工作的核心內容，對流量實現機電一體化的控制能夠促進企業技術進步、提高企業的現代化管理水平，達到對企業生產經營過程進行整體優化，增強市場地應變能力和競爭能力，從而獲得更好的經濟效益。當前計量泵流量的調整是經過人工對泵體上的手輪進行操作實現的.其調整流量的精確度難以滿足現代化大規模生產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的研發，采用了一種對計量泵用步進電機驅動，用單片機進行管理，并對其流量進行閉環管理的辦法。

1.機電一體化的核心技術

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

1.1 機械本體技術。現代機械產品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質量除了在結構上加以改進，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現驅動系統的小型化，進而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。

1.2 傳感技術。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系。對外部信息傳感器來說，目前主要發展非接觸型檢測技術。

1.3 信息處理技術。為進一步發展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數轉換設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 驅動技術。電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發展內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動單元。

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

1.6 軟件技術。軟件與硬件必須協調一致地發展。為了減少軟件的研制成本，提高生產維修的效率，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設計

流量控制系統是集機電液為一體的自動控制系統，在工業領域中非常實用，它的準確控制在工業中得到了廣泛應用，如加油系統的油量控制、水位的精確控制、化工企業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設計主要包括以下幾方面內容：

2.1 控制系統的總體描述。本控制系統是通過向步進電機發脈沖，以控制步進電機的轉數。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。在本控制系統中，可以人工的輸入所需要的流量值，也可以實現自動控制，也就是通過外部的模擬信號標準—經過轉換后，來控制步進電機的脈沖數。當輸入期望數據后，處理器將輸入的數據與當前數據相比較，得到相應的動作值，計算出相應的脈沖數，通過正轉或反轉來達到期望值。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定運行。在軟件設計中，對控制裝置采用了軟件保護措施，如當步進電機處于運動狀態和輸入值超過系統的最大值時，所輸入的數據命令是無效的。

2.2 系統硬件電路的基本組成。控制系統采用作為主控單元，通過與的串口通訊，實現對步進電機的遠程控制。控制系統的硬件電路總體結構，包括轉換電路、單片機系統、單片機系統、操作顯示面板等。

2.3 系統硬件電路的設計原則。在進行硬件的總體方案設計時，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。為使硬件設計盡可能合理系統的設計，應注意以下幾點：盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設計的成功率和結構的靈巧性。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的場合，更應注意這方面的問題。在對硬件系統總體結構考慮時，同樣要注意通用性的問題。系統的擴展及各功能模塊的設計，在滿足應用系統功能要求的基礎上，應適當留有余地以備將來修改、擴展之余，設計時盡可能地作些調研采用最新的技術。在電路設計時，要充分考慮應用系統各部分的驅動能力，要注意增加系統的驅動能力，或減少系統的功耗。在工藝設計時，包括機箱、面板、配線、接插件等，要充分考慮到安裝、調試、維修的方便。

2.4 控制系統軟件的總體結構。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成，每一程序模塊都能完成某一明確的任務，實現具體的功能。軟件設計的目的，就是為了實現控制系統的各種功能。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、簡便增強系統的穩定性、可靠性提高系統的抗干擾能力。就以上原則思想，本控制系統軟件的總體構思如下：當由鍵盤或外部的—的信號輸入單片機時，由其計算出步進電機所要走的步數，程序轉入串行通訊子程序單片機，將電機所要走的步數傳送給單片機，從而完成數據的輸入和對電機控制功能的實現。

本系統將泵流量控制，轉換為對步進電機的控制，通過對流量進行一定的運算，可得出相應的步進電機脈沖數。當流量變化時，步進電機的脈沖數，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從上一次的基礎上運行，將當前的數據與上一次的數據相減，經過計算轉換得出向步進電機所發的脈沖數和方向。方向是由所減結果的“正”、“負”來判斷，結果為“正”則反轉，結果為“負”則正轉。接近開關信號是形軸的零位標志。單片機上電初始化電機正轉到達零位時，接近開關發出信號觸發的外部中斷，進入外部中斷程序，使電機停轉。為增強本控制系統的可靠性和抗干擾能力，在軟件設計時采取了一些措施。系統軟件中設定了許多標志位，例如，有電機是否處于工作狀態的標志單元、電機正反轉的標志單元，以及程序內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運行狀態的監控管理。

總之，機電一體化技術是眾多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。它促使機械工業發生戰略性的變革，使傳統的機械設計方法和設計概念發生著革命性的變化。大力發展新一代機電一體化產品，不僅是改造傳統機械設備的要求，而且是推動機械產品更新換代和開辟新領域、發展與振興機械工業的必由之路。通過對計量泵的機電一體化實行研制開發，可改善計量泵的工作環境，實現自動控制，提高計量泵的工作效率。

參考文獻

[1] 陳煥林；計量泵機電一體化控制系統設計[J].中國科技博覽.2009年第6期

[2] 龔姚騰，肖順根，宋萌萌；機電液一體化的流量控制系統建模與仿真[J].機床與液壓. 2008年11期

[3] 芮延年；機電一體化系統設計[M].北京機械工業出版社.2004年

[4] 梁俊彥，李玉翔；機電一體化技術的發展及應用[J].科技資訊，2007年第9期

[5] 王中杰，余章雄，柴天佑；智能控制綜述[J].基礎自動化，2006年第6期

[6] 章浩，張西良，周士沖；機電一體化技術的發展與應用[J].農機化研究，2006年第7期