（化工过程机械专业论文）计量泵数显装置及自动控制系统的研究与开发.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 摘要 计量泵是一种具有介质输送和流量调节功能的流体机械，是现代流程工业生 产的关键装备。它广泛应用于石化、造纸、食品、制药、水处理等行业。随着科 学技术的发展，生产工艺流程控制的要求严格了，同样对计量泵的功能要求也日 益提高。然而，传统的计量泵并不能随工况条件的改变，而正确的反映出流量的 变化，特别是距泵的额定工况较远时，往往会导致一定的偏差。而且在流量显示 的直观性、自我安全防护等功能方面，均难以满足现代化大规模生产工艺流程控 制的要求，尤其在对有害液体的精确计量、危险环境下的调节操作等方面，传统 设备就显得捉襟见肘。 本文在研究、分析影响计量泵流量因素的基础上，通过一些经验公式，总结 出实际流量的数学模型，以a t 8 9 c 5 5 w d 为核心开发出一套由数据采集器、液晶显 示模块、交频器、压力传感器、报警器等组成的硬件和相应的控制软件为一体的 自动控制显示系统。该系统的特点和功能主要是： 1 ) 改进计量泵的流量显示方式，通过液晶数显替代指针式的显示模式，使 流量显示更为直观。而且在流量计算中加入泵阀损失和压力损失等因素，提高了 流量显示的精确度。 2 ) 实现行程和泵速双重调节，控制系统可智能的根据不同的行程和泵速等 参数，显示相应流量。 3 ) 实现总流量控制和压力实时监测等功能，控制系统通过继电器自动切断 电源，可进行总流量的控制，并且通过y l a 型压力变送器实时监测排出管路压力。 4 ) 实现压力报警、切换电源等安全联锁功能。对管路堵塞造成的压力过载 具有报警、自动切换以及故障排除后的自动恢复等功能。 5 ) 本系统硬件设计简单、合理，软件功能可靠、强大，硬件资源留有一定 的空间，软件开发采用了模块化的方案，易于开发新的功能软件模块，所以该系 统为以后的功能扩展、形成升级的系列产品打下了良好的软硬件基础。 通过实验证明，该控制系统结构简单、操作方便、控制灵活、运行可靠，实 现了人机对话，适用于各种类型的计量泵，有重要的工程应用价值和良好的推广 浙江工业大学硕士学位论文 前景。 关键词：单片机计量泵压力传感器流量调节安全联锁 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm e t e r i n gp u m p sd i g i t a ld i s p l a y u n i ta n da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t m e t e r i n gp u m pi sak i n do ff l u i dm a c h i n e r yw h i c hi su s u a l l ya p p l i e do ni n f u s i n g m e d i aa n dr e g u l a t i n gf l o w i th a saw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si nt h eo i l & g a s p u l p & p a p e r ，f o o d & b e v e r a g e ，p h a r m a c e u t i c a la n dw a t e rt r e a t m e n ti n d u s t r i e s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ef i m c t i o no fm e t e r i n gp u m ps h o u l db e i m p r o v e dc o r r e s p o n d i n gf o rt h eb e t t e rc o n t r o l l i n go fp r o d u c t i o np r o c e s sf l o w s t r a d i t i o n a lm e t e r i n gp u m pc a n tr e f l e c tt h ev a r i a n c eo ff l o w 、】i ，i t hs o m ec h a n g e d w o r k i n gc o n d i t i o n s a n dt h e r ea r es o m ep r o b l e m st ob ed e s i r ei nd i g i t a l i z a t i o nd i s p l a y ， a c c u r a c ya n ds e c u r i t y ，e s p e c i a l l yt h ea c c u r a t et e s t i n go nt o x i cl i q u i d sa n do p e r a t i o no n a d j u s t i n gf l o wr a t eu n d e rt h eh a z a r d o u se n v i r o l z m e n tw h i c ha r en o ts a t i s f yt h ea c t u a l r e q u i r e m e n t t h i sp a p e rs u m m a r i z e do n es e to f m a t h e m a t i c a lm o d e l t h r o u g hs t u d y i n gt h ef l o w i n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h em e t e r i n gp u m p t h ec o n t r o ls y s t e mw i t ha t 8 9 c 5 5 w dc o r e a n dc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r e & s o f t w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e d t h eh a r d w a r e c o n s i s t so fd a t aa c q u i s i t i o nu n i t , l c dm o d u l e , f r e q u e n c yc o n v e r t e r , p r e s s u r eg a u g e a n da l a r ma p p a r a t u s a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n df u n c t i o no ni ta r ed e s c r i b e da sf o l l o w ： 1 ) l c dm o d u l er e p l a c e dp o i n t e rt y p e sd i s p l a ym o d e s a n di ti m p r o v e dt h e d i s p l a ym o d e so f m e t e r i n gp u m p i na d d i t i o n , s o m ei n f l u e n t i a lf a c t o r so f p u m pv a l v e l o s sa n dp r e s s u r el o s sw e l et a k e ni n t oa c c o u n tt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ff l o w d i s p l a y 2 ) t h es y s t e mh a st h ef u n c t i o no fa d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so fs t r o k ea n dp u m p s p e e d a n do p e r a t i n gs y s t e mw i l ls h o wt h ec o r r e s p o n d i n gf l o wr a t ea c c o r d i n gt ot h e s e p a r a m e t e r si n t e l l i g e n t l y 3 ) t h eo p e r a t i n gs y s t e mw i l lr e a l i z et h ef u n c t i o no fc o n t r o l l i n gt o t a lf l o wr o t e m 浙江工业大学硕士学位论文 a n dm o n i t o r i n gr e a l t i m e p r e s s u r ed a t ab ye l e c t r i cr e l a ya n dp r e s s u r e s e n s o r r e s p e c t i v e l y 4 ) t h e r ea r es o m es a f e t yi n t e r l o c k i n gf u n c t i o n s ，s u c ha sp r e s s u r ea l a r m ，s w i t c h p o w e rs u p p l ya n da u t o m a t i cr e c o v e r yw h e nt h ep r e s s u r ei so v e r l o a d 5 ) t h e s y s t e ms o f t w a r ep o s s e s s e s a ne x c e l l e n tf i m c t i o na n d r e l i a b i l i t y ；h a r d w a r e d e s i g n i n gi ss i m p l ea n dr e a s o n a b l e b e s i d e s ，h a r d w a r er e s o u r c er e m a i n ss o m es p a c e a n ds o f t w a r ed e s i g n i n ga d o p t sm o d u l em a n n e r i ti sv e r ye a s yt oc o n n e c tn e w f u n c t i o n ss o f t w a r em o d u l e t h e r e f o r e ，t h i ss y s t e mc r e a t e sav e r yn i c es o f t w a r ea n d h a r d w a r eb a s ef o rt h ef u t u r ef u n c t i o n e x t e n d i n ga n df o r m i n gu p g r a d es e r i e s p r o d u c t i o n i ti sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mc a nb ea p p l i e dt oa l lk i n d so fm e t e r i n gp u m p sa n di t h a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s 髂f o l l o w ；s i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l eo p e r a t i o n ，a c c u r a t e l y c o n t r o l l i n ga n df u n c t i o nc r e d i b i l i t y t h e r ew i l lb eaw i d ef u t u r ea p p l i c a t i o nf o rt h e m e a n i n g f u le n g i n e e r i n gv a l u e k e y w o r d s ：c h i pm i c r o p r o c e s s o r ；m e t e r i n gp u m p ；p r e s s u r es e n s o r ；f l o wc o n t r o l ； s a f e t yi n t e r l o c k i n g i v 浙江工业大学硕士学位论文 u 活塞运动的速度，m s 2 r 曲柄半径。m 主要符号表 l连杆长度，m p 曲轴转角t a d 口连杆与液缸体轴线间的夹角，r a d a柱塞( 或活塞) 的截面积，舻 d柱塞或活塞宣径，m s行程长度，m n 曲轴转速，s p m z 联数( 柱塞或活塞数) k活塞杆截面积与直径之比的系数 a r 活塞杆截面积，m 2 d 活塞杆直径，m q泵的流量，l h q 。泵的平均理论流量，l ，h a r , 泵的容积损失率 c 相对余隙容积 屈液体在该温度下的压缩率 p 排出管路压力，m p a 届吸入阀滞后角，。 展排出阀的滞后角，。 a t i c i 液体压缩容积损失率 仉2 泵阀滞后角容积损失率 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 改f 1 7 磷日期：珈侔2 月2 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名政p 星讳 导师签名：撕 ， 日期：如辟2 月2 t 日 日期：础，二月对日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景n 3 1 第一章绪论 计量泵是一种定量输送各种介质的特种容积式往复泵，迄今只有7 0 年的发展史。国 内的发展时间更短，还不到五十年。作为流体精密计量与输送的理想设备，计量泵常被 用来输送腐蚀性液体、悬浮液、熔融液、放射性料液、易燃易爆液体、有毒液体、液化 气或液态金属等，它是确保工艺要求、连续工业生产的关键设备。随着工业自动化及其 工艺流程的不断发展，计量泵已广泛应用于石油、化工、环保、油田、轻工、日化等行 业。同时，新技术的发展和工艺水平的提高对泵的精度、稳定性以及安全性能等方面提 出了更高的要求。 目前，传统计量泵的流量调节主要由手动改变行程参数而实现。输出流量的计量， 往往通过额定工况下的实验数据确定，而忽略了由于压力、泵阀滞后角和液体粘度等影 响因素。当计量泵在偏离额定工况条件下运行时，由于压力、泵阀滞后角等因素的存在， 会导致一定的偏差。现代石油、化工企业要求设备在生产过程中具有精确、安全、稳定、 连续运转的特点。而传统计量泵在流量显示方面广泛使用指针式仪表显示，显示数据不 直观，读取数据时，容易产生误差，不适于精度要求较高的场合。传统的计量泵也不具 备实用的安全联锁功能，对于运行过程中可能出现的流量不稳定、管道压力突增等异常 情况没有防护功能和相应的处理措施，难以保证工艺过程的要求，也使得操作人员在运 行过程中面临一定的危险。 机电一体化和计算机及控制技术的发展及其在工业生产中的广泛应用，为计量泵整 体设备进一步优化提供了良好的条件。本论文正是在这样的背景下提出的。 1 2 课题的来源及其意义 “计量泵数显装置及自动控制系统”是由杭州德帕姆泵业有限公司委托浙江工业大 学工业泵研究所研制开发的系统装置。近年来，随着对计量泵及其相关设备无泄漏、安 全、环保、计量精度等方面要求的提高，国内许多企业和部门，为保证生产长期、连续、 正常、稳定运转，不得不大量进口国外带有控制系统的计量泵。据我国海关统计，仅2 0 0 2 浙江工业大学硕士学位论文 年我国就5 0 5 4 万美元的计量泵产品，这样不仅耗资巨大，而且不利于提高我国泵行业的 技术水平。所以进行本项科研工作，开发研制有自主知识产权的、与现代控制技术相结 合的、可广泛应用于各种不同工况的计量泵控制系统。该系统具有泵速和行程双重调节、 压力和流量精确液晶数显、安全防护以及故障排除后的自动恢复等功能，适合于各种不 同类型的计量泵。因此，该系统的研制开发不仅具有重要的实用价值，也具有一定的学 术意义。 当今各行各业对计量泵的要求越来越高，不仅针对一台计量泵单位时间内的排出量， 甚至每次的排出量都要做到立即测量、随时调节、以及实现安全防护功能：如系统可实 时监控压力数据，一旦压力超限，为防止引起设备故障立即切断运行泵电源，并自动接 通配套的泵系统，从而避免了危险情况，增加了生产的连续性和人员的安全性；采用微 机为核心的控制系统，不仅具有很高的可靠性，而且可扩大计量泵的应用范围，提高计 量准确度，同时也大大提高了生产率。综上所述，研究开发出的计量泵的控制系统，基 本上能满足和解决计量泵产品在当今面临的机电一体化改造的问题，研究势在必行。本 文涉及多方面知识，包括变频技术、传感器技术、数字和模拟电路、单片机控制技术， 是机电一体化技术运用到计量泵控制系统的一次尝试。 1 3 文献综述 1 3 15 1 单片机的发展及其开发语言“ ” 大规模集成电路技术的发展将c p u 、r a m 、r o m 、定时器计数器以及输人输出( i o ) 接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。所组成的芯片级的微型计算机 称为单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，或称为单片机。 自1 9 7 1 年美国i n t e l 公司首先研制出4 位单片机以来，单片机的发展十分迅猛。特别 是1 9 7 6 年i n t e l 公司推出的m c s 一4 8 系列单片机，片内含多个8 位并行i o 接口、一个8 位定 时器计数器，其功能可满足一般工业控制和智能化仪器仪表等的需要，m c s 一4 8 为单片机 的发展奠定了基础，成为单片机发展中的一个重要阶段。 目前为止，世界各地厂商已相继研制出5 0 多个系列3 0 0 多个品种的单片机产品，其中， 最典型的是i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列。该系列的代表产品为8 0 5 1 ，内部包含了4 k 字节的 r o m 、1 2 8 个字节的r a m 、4 个8 位并行口、一个全双工的串行口、二个1 6 位的定时器计数 器以及一个处理功能很强的中央处理器。十多年来，m c s 一5 1 系列单片机无论在教学、工 2 浙江工业大学硕士学位论文 业控制、仪器仪表、信息通信，还是在交通、航运、家用电器领域，取得了大量的应用 成果。 以m c s 一5 1 技术核心为主导的微控制器技术被a t m e l ，p h i l i p s 等公司所继承，并在原 有基础上又进行了新的开发，从而产生了与m c s 一5 1 兼容且功能更加强劲的微控制器系列。 a t m e l 公司所生产的8 9 系列单片机是基于i n t e l 公司的m c s - 5 1 系列而研制的，并与m c s 一5 1 兼容的微控制器系列。a t m e l 公司是美国在2 0 世纪8 0 年代中期成立并发展起来的半导体公 司，该公司的技术优势在于f l a s h 存储器技术、高质高可靠性生产技术。随着业务的发展， 在2 0 世纪9 0 年代初，a t m e l 公司一跃成为全球最大的e 2 p r o m 供应商。1 9 9 4 年，为了介入单 片机市场，a t b l e l 公司以e 2 p r o m 技术和i n t e l 公司的8 0 c 3 1 单片机核心技术进行交换，从而 取得8 0 c 3 1 核的使用权。a t m e l 公司把自身的先进f l a s h 存储器技术和8 0 c 3 1 核相结合，从 而生产出了f l a s h 单片机a t 8 9 c 系列，这是一种内部含f l a s h 存储器的特殊单片机。由于它 内部含有大容量的f l a s h 存储器，所以在产品开发等方面有着十分广泛的应用，也是目前 取代传统的m c s 一5 1 系列单片机的主流单片机之一。 单片机应用程序的开发，最早采用汇编语言，它与硬件紧密相关，可以方便地实现 诸如中断管理以及模拟数字量的输入输出等功能，且占用系统资源小、执行速度快。 但是，随着单片微机的更广泛、深入的开发应用、存储器和寻址空间的扩大、高级c 语 言面向对象的进步、c 语言编译器的成熟等都为c 语言开发单片微机应用软件提供了充 分的条件，再加上用汇编语言设计复杂程序存在可读性差，不利于系统的升级与维护等 缺点，因此，用c 语言开发单片微机应用软件将成为必然。当然，用汇编语言开发应用软件 仍将普遍采用，只是不同应用场合的选择不同。 1 3 2 计量泵机电一体化的发展 泵的出现，作为一种通用机械设备已有很长的发展历史。但计量泵作为往复泵的分 支，迄今只有7 0 年的发展史。1 9 3 6 年，美国米顿罗公司应美国最大的化学药剂生产商之 一贝兹公司的要求发明了专用于定量添加药剂的计量泵。早期计量泵的运动行程不可 调节，流量的改变是通过调节计量泵的出口位置而实现，泵的动力驱动部分与液体传送部 分是分离的，故体积较大，易产生故障。随着机械结构设计的改进和加工设备的发展，动力 驱动和机械传动部分合二为一，减少了机械故障发生的概率。对流量无级调节的要求，使 流量调节部分成为一个独立开发的模块得到不断发展。现已开发出了手动控制、电动伺 3 浙江工业大学硕士学位论文 服控制、气动伺服控制和变频控制等调节方式，以满足各种配置的需要。 早在7 0 年代，国内泵行业的专家们就清楚地指出计量泵的流量通过改变柱塞行程进 行调节是一种既方便，又经济的调节方案。同时，提出通过对与泵的行程机构相衔接的电 动伺服机构的控制，可以实现对计量泵流量的电气自动调节，也进行过这方面技术的探 索。工业发达国家在计量泵的电气控制及行程调节机电一体化技术方面投注了相当的开 发力量，它主要表现在以下两个方面嘲： 1 ) 计量泵柱塞行程的电气调节与控制 柱塞行程调节机构配上专门设计加工的电动执行机构，配合专用控制器，可以方便地 对计量泵的柱塞行程长度进行现场或远距离监控与定位调节。从而改变了柱塞行程长度 通过手轮调整的单一手动操作方式。西德l e w a 公司于7 0 年代末就将具有这种机电一体 化特征的计量泵推入市场。同一时期，其他一些制造商和公司推出了能接受液位控制信 号、脉冲调位控制信号，而使计量泵产生相应动作的电控型计量泵系列产品。与此相隔 不久，日本n k k i s o 公司又推出一种能满足工艺流程参数自动调节应用要求的计量泵及其 配套的专用控制器。通过选配公司不同的专用控制器不仅使得计量泵的流量可由对柱塞 行程的远距离定位控制来进行调整，也可与一些通用调节仪表组合成自动调节系统对工 艺流程中的p h 值、温度、压力、浊度、液位等参数进行p i 调节。 2 ) 小流量电磁泵的开发 小流量电磁泵就是直接利用通电螺线管线圈的电磁力来驱动柱塞作往复直线运动。 它打破了计量泵传统设计上用电动机作原动机，齿轮和曲柄连杆作为传动机构的结构形 式，从而使机械结构在很大程度上得到了简化，机械损耗、单机能耗及振动噪声都大为降 低。整体结构上，这类计量泵仍然可以看成由液力端和动力端两个基本部分组成。液力端 由进、出口阀、隔膜( 隔膜泵) ，拉杆和液缸组成。动力端由衔铁、线圈、铁磁件及变频电 源组成。衔铁与隔膜相联，在变频电源发出的脉冲电流激励下，线圈产生电磁力使衔铁带 动隔膜作往复运动。所以，调节变频电源的脉冲频率也就调节了电磁计量泵的泵速，从而 便利地调节了泵的输出流量。在工业发达国家，它已广泛地用于化工工艺过程中的辅料的 定量或配比输送以及p h 值的控制和家用电器行业中。 且前，计量泵的结构设计已被模块化，针对不同的应用要求，只需适当调整或改变模 块组合，即能满足不同需要。计量泵的结构种类较多，其中机械驱动柱塞计量泵是较早使 用的计量泵之一，由于易于维护的特性和独特的高压性能，使其仍具有广泛的应用。在柱 4 浙江工业大学硕士学位论文 塞计量泵的基础上，增加隔膜计量泵的种类，使其能替代柱塞计量泵适合的绝大部分应用 要求。国内外对于不同的流量范围，在计量泵中开发不同驱动形式，包括电磁驱动式计量 泵、机械驱动式隔膜计量泵、液压驱动式隔膜计量泵。磁驱动式计量泵适用于小功率、 小流量应用的结构形式。机械驱动隔膜计量泵适于处理中等流量范围的介质。液压驱动 隔膜计量泵则应用于高压、大流量的定量输送系统。随着生产的发展和生活质量的不断 提高，计量泵的应用范围正不断扩大到国民经济生产的各个行业。同时，科学技术的发展 和生产工艺控制过程要求的提高，必将不断完善计量泵与现代控制技术、材料科学技术、 安全联锁等技术的融合，使得先进计量泵产品的开发速度不断加快。 1 3 3 国内外现状与发展趋势 目前，我国生产的计量泵产品多为技术水平较低的产品。绝大多数计量泵显示的流 量值，均以额定流量的百分数表示，很不直观。少部分根据变转速调节流量的计量泵， 则是以实际转速或频率大小反映其流量值，这些计量泵流量值要通过计算求得，不仅流 量值显示不直观，而且还存在计算误差与调节目测误差，无法保证产品的计量精度。此 外，国产计量泵缺乏与现代控制技术和二次仪表等自动控制系统的衔接，需要进一步提 高产品的技术指标和整体水平。但是，随着国内计量泵以及相关设备市场与国际市场的 接轨和融合程度不断提高。一方面，国际大型泵及相关设备厂商不断加大在我国的投资 力度，建立了一批具有一定水平的工厂、技术支持中心。另一方面，我国泵及相关设备 厂商也在不断发展其技术，例如出现了以脉冲宽度调制( p 州) 信号和计数脉冲信号为接 入信号，实现对计量泵行程的p l c 控制方式0 1 、8 0 3 1 芯片控制异步电动机驱动行程机构 的控制方式“”和实现计算机远程控制与通信技术“”等不同控制方式。 国外计量泵产品的开发、研究工作比国内早，投入多，产品的计量精度、可靠性较 高。西德的l e w a 、日本的n 1 k s o 很早就开发了通过专门的控制器实现对计量泵柱 塞行程的精确定位，从而精确控制流量的柱塞行程电控调节系统“3 】。而且，国外计量泵 种类较多，包括电磁驱动式计量泵、机械驱动式隔膜计量泵、液压驱动式隔膜计量泵和 机械驱动式柱塞计量泵。特别是近几年来，其产品融进了不少先进的现代控制技术与二 次仪表相等自动控制技术。例如，新开发的数字化e z b 系列“”计量泵能通过液晶屏幕数 字化控制相关操作。而微型计量泵的研究开发已经向准确监测、精确计量以及智能控制 等方向发展“”。 5 浙江工业大学硕士学位论文 与国外计量泵以及相关设备厂商相比，我国的泵制造行业具有规模小、技术水平较 低、在新产品、新技术、新工艺开发等方面投入不足等缺点。但是随着技术的不断发展， 我国计量泵产业呈现如下发展趋势： 1 ) 国产化程度越来越高：据我国海关统计，0 2 年进口计量泵1 1 3 万台，金额为5 0 5 4 万美元。但是，随着近年来国内计量泵新产品的不断研制，计量泵进口量逐渐减少，改 变了我国石油、化工等行业完全依赖进口计量泵的局面，为国家节约了大量外汇，同时 可提高我国计量泵的技术水平和档次。 2 ) 与现代控制技术的结合日趋紧密：计量泵的发展过程也包含着其控制技术的不断 发展，现代科技的不断进步必然导致计量泵的控制水平的不断提高，也促使国内不断研 发出具有高计量精度、先进控制方式以及安全、稳定的计量产品。 3 ) 市场广阔，增长迅速：计量泵作为一种定量输送设备，是实现工艺流程自动化现 代化必不可少的一种特殊泵。将随着我国石油、化工、轻工、日化、电力、环保等行业 的高速发展而快速增长。不久的将来，年产值将突破数十亿人民币。 1 4 研究内容： 本文所研究的“计量泵数显装置及自动控制系统”是在查阅了国内外有关文献、分 析计量泵的运行特性和研究影响计量泵流量因素的基础上，将成熟的微机控制技术用于 计量泵数显装置及自动控制系统中。整个系统包含了泵技术、变频技术、传感器技术、 数字和模拟电路技术、微机控制技术等多学科的专业知识。本文所研究的内容，正是在 掌握相关知识的前提下，从以下几个方面重点展开工作： 1 ) 硬件电路设计 为了最终实现流量液晶数显、行程和泵速双重调节、总流量控制、压力实时监测、 压力报警、以及安全联锁等功能，整个硬件电路可分为主控单元、数据采集单元、显示 单元以及安全联锁单元等部分，并融入了硬件抗干扰技术。 ( 1 ) 主控单元 主控单元是计量泵数显装置及自动控制系统的核心，它具有协调、指挥整个系统运 行的功能，由于本系统需要完成多种管理功能，还要处理大量浮点数据，所以，应该选 择较强处理能力和较大的数据存储器与程序存储器空间的主控芯片。并设计相应的时钟 电路和复位电路，驱动主控芯片运行。 6 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据采集单元 本单元实现泵速频率和排出管路压力两路信号数据的采集。它不但要将采集到的模 拟信号转换为数字信号，还要将相应的数字信号传递给主控芯片。 ( 3 ) 显示单元 显示单元是计量泵数显装置及自动控制系统的重要组成部分，它实现了控制系统与 操作者之间的交互。 ( 4 ) 安全联锁单元 安全联锁功能的研制是本文的创新点，考虑到计量泵常用于一些重要生产流程中， 为保证生产的安全性和连续性而研制的功能。 2 ) 系统软件开发 系统软件开发采用单片机c 语言编程环境，通过计量泵流量数显模型，实现流量的精 确显示，并按照模块化的设计方法：“自顶向下”按功能分成系统主程序、数据采集程 序、功能模块程序等模块，分别进行设计和调试，使软件更加灵活，便于调用、移植， 而且在软件程序中加入抗干扰语句，提高系统运行的可靠性。 ( 1 ) 计量泵流量数显模型 此数学模型是在一系列经验公式的基础上总结而成。它是本文的重要部分，控制系 统显示的流量数据由该模型运算得出。 ( 2 ) 系统主程序 该部分主要包括系统初始化、参数输入，数据显示以及按键处理等过程。整个系统 主要是该系统主程序不断循环执行的过程。 ( 3 ) 数据采集程序 系统采集到的泵速频率信号与泵速成线性关系，而排出管路的压力处于脉动的不断 变化过程中，所以其压力数据使用相关算法，得到其有效值。 ( 4 ) 功能模块程序 本部分通过行程与总流量输入、流量显示与总流量控制、安全联锁三个模块实现控 制系统的具体功能。 7 浙江工业大学硕士学位论文 第二章计量泵控制系统总体设计规划 本章简要介绍计量泵的基本工作原理、工作范围以及性能曲线等，还涉及了计 量泵的瞬时流量和平均理论流量等概念。并且依据计量泵相关工作特性，给出了计 量泵控制系统的总体设计规划，该总体设计规划将系统分为硬件设计、软件开发、 样机测试及可靠性核实、仿真实验等阶段，最终使控制系统达到设计的要求。 2 1 计量泵工作原理 2 1 1 基本工作原理 计量泵是一种能够进行计量输送液体的往复泵，它具有一般往复泵的特性。图 2 1 为常见的单作用往复泵的工作简图，它通常由两部分组成：一部分直接输送液 体，把机械能转换为液体压力能的液力端，另一部分将原动机的能量传递给液力端 的传动端。液力端主要有液缸体、活塞( 柱塞) 、吸入阀和排出阀等部件；传动端主 要有曲柄、连杆、十字头等部件。如图所示，液缸体中活塞与阀门之间的空间称为 工作室，它通过吸入阀和排出阀分别与吸入管路和排出管路相连。 图2 一l 单作用往复泵示意图 l 捧出管2 - 摔出阀3 - 吸入管4 - 吸入阀5 - 活塞 6 一工作腔7 - 活塞杆8 - 十字头9 - 连杆l o - 曲柄 8 如图2 1 所示，活塞行程用s 表示，s = 2 r ，r 为曲柄半径。当曲柄以角速度 逆时针旋转时，活塞从左极限位置开始向右移动，工作液缸的容积增大，压力降低， 液体在压力差的作用下克服吸入管路和吸入阀的阻力损失进入液缸体中a 当活塞运 动到右极限时，吸入液体过程停止，吸入阀关闭。当曲柄转过1 8 0 。后，活塞开始向 左运动，液缸体中的液体被挤压，液体压力急骤增加。在这一压力作用下，排出阀 打开，液缸体内液体在活塞的作用下被送到排出管路中去。当往复泵的曲柄以角速 度m 不停的旋转时，往复泵就不断地实现吸入和排出液体的过程 图2 - 2 为往复泵与叶片式泵的性能曲线图( 图中h 表示扬程，q 表示流量) ，图 2 3 分别是活塞泵、离心泵、轴流泵的工作范围图。从图中可以得出往复泵( 包括 计量泵) 具有以下特点“”： 1 ) 适用于高扬程、小流量的场合，或者要求流量恒定的场合。 2 ) 它的性能曲线是一条垂直的直线，但是高扬程时流量会有所减少。 3 ) 由图2 3 知，往复泵与其它泵的工作范围是互补的，它们具有各自的优势。 图2 - 2 往复泵与叶片式泵的性能曲线 2 1 2 泵的瞬时流量 暑 釜 入 活塞夏 ， ， 、 离心曩 | ，_ 一 一。， 轴派系 口m 3 h 一1 ， 图2 - 3 泵的工作范围 由图2 - 1 可知活塞作变速运动，所以往复泵工作过程中的流量也是变化的。本 文为了研究流量的变化规律，就必须知道每一瞬间的流量。即活塞的面积和在任一 瞬时活塞运动速度的乘积。 9 浙江工业大学硕士学位论文 瞬时理论流量：g 咖= a u 式中 “一活塞运动的速度 ( 2 1 ) 活塞面积a 在泵的工作过程中是不变的，所以瞬时理论流量和活塞运动速度有 同样的变化规律。如2 - 1 图可知，当曲柄转过妒角后，活塞移动距离为x ，可表示为： x = d o b o = r d f + f o ) - ( c o + s c ) ：工+ r 一似c o s 妒+ 上c o s ) ( 2 - 2 ) 式中r 一曲柄半径5 卜琏杆长度； 妒一曲轴转角； 一曲柄转角p 时，连杆与液缸体轴线间的夹角； 且 s i i l = 兰s i i l 妒 c o s = 1 - ( r ) 2 s i n 2 令旯= 兰，且把上式代入2 - 2 并求导得： ( 2 3 ) 舻生d t2 嘉生d t 娟“i n p 0 2 彘1 2 i n 2 ) 生d t ( z 4 ) d 妒 一j qm 77 d 口 令 云锄 所以 再对上式求导可得到 材= 且以s 访伊+ 害盏 1 0 ( 2 5 ) 浙江工业大学硕士学位论文 为： 如“2 l ，2 3 s i n 22 。p l c o s 2 矿1 弘考础国2 卜+ 而丽+ 百面研 用简谐分析方法对上述进行分析可得到 “= 姒s 妯缈+ 害s 缸2 伊) 卵d 出u = r 0 7 2 【c o s 妒+ a c o s 2 妒】 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由于吾s i n 2 矿值较小可以忽略不计，因此，单缸作用往复泵的瞬时流量可表示 = a u = a r c o s i n q p ( 2 8 ) 图2 - 4 为单作用往复泵的瞬时流量曲线：由该图可知单缸作用的计量泵流量呈 脉动式的正弦变化，排出管路的压力也随之脉动变化。 叮厶 ，、。八 | 哥弋1 i 4 芹ml 0 口 霄 2 x ， 图2 4 单作用往复泵的流量 2 1 3 泵的平均理论流量 不计泵内任何容积损失“”，通常把单位时间内应排出的液体容积作为理论平均 流量，由于不计任何容积损失，泵在单位时间内吸入和排出的体积，采用下式表示： 单作用泵：q=asnz(2-9) 浙江工业大学硕士学位论文 双作用泵：q ，= a s n z ( 1 + k ) ( 2 1 0 ) 式中q t 一泵的平均理论流量； a 一柱塞( 或活塞) 的截面积，彳= 三d 2 p 一柱塞或活塞直径) ； s 一行程长度； n 一曲轴转速： z - 一联数( 柱塞或活塞数) ； k 一系数，x ：l - 生：1 一f - 嬖l ( a 厂活塞杆截面积，d r _ 活塞杆直径) ； 1 d 当双作用泵的活塞杆直径与活塞直径相等时回，= d ) ，k = 0 ，而这时双作用泵 也就成了单作用泵。将k = 0 代入式( 2 1 0 ) 也就得到了式( 2 9 ) 的形式。 2 2 控制系统开发过程及性能指标 2 2 1 系统开发过程 本控制系统的研究与开发是依据计量泵相关工作特性，以微机为核心组成的应 用系统。它包括从任务提出、设计定型、制造调试、直到使用的整个过程。图2 5 所示为本控制系统的研制、开发流程。在该控制系统的开发和设计中，首先要明确 设计要求，即确定系统的功能指标，然后是制定系统方案，最后是方案的实施。它 的主要内容包含硬件设计、软件开发、样机测试及可靠性核实、仿真实验等： 1 ) 硬件设计“”：根据计量泵的各项技术指标，用p r o t e ld x p 软件设计、绘 制控制电路原理图，并按照设计的原理图电路，在综合考虑计量泵的性能和功能要 求与合理布置元器件以及综合考虑整个电路抗干扰设计的情况下，进行印制电路板 的设计。然后加工制成相应的p c b 电路板，并将元器件仔细核对后焊接在线路板上。 最后用万用表、逻辑测试笔、示波器等仪器对硬件线路进行检查排错，必要时借助 仿真器进行硬件调试。 2 ) 软件开发与硬件调试：主要针对控制系统各项功能逐一进行的，硬件在驱动 程序的配合下与相应的软件结合进行联机调试，进一步排除软、硬件的错误和不足， 浙江工业大学硕士学位论文 及时修正，直至系统达到预期要求。 图2 - 5 系统开发流程 3 ) 样机测试及可靠性考核：样机组装并经调试后，分别进行流量测试、压力报 警以及相应的安全联锁等实验，并进行连续运转实验，考核它们的可靠性。 4 ) 模拟仿真试验叫。”：为了对计量泵性能进行验证，在i u a t l a b 软件环境下采 用三次样条插值形式对系统进行模拟仿真验证，把样机测试的结果与控制系统显示 的结果的曲线图对比分析从而进一步确认系统的可行性。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 系统性能指标 本控制系统设计的性能指标如下所示： 1 ) 适用范围：适用于柱塞式、隔膜式等不同类型的计量泵，有广泛的适用范围； 2 ) 流量调节方式：采用行程、泵速双重调节方式； 3 ) 操作面板：操作简单，使用者能够快速掌握操作方法； 4 ) 计量精度：不同的工况下，稳定在1 以内，这是本控制系统的特点之一； 5 ) 显示方式：液晶数字显示，方便直观； 6 ) 面板按键：少量面板操作按键，实现较为复杂功能； 7 ) 安全功能：实现安全联锁功能，增加安全系数； 2 3 控制系统设计方案 2 3 1 设计思想 本系统的硬件和软件都采用模块化的设计思想，该系统的整体设计模块如图2 6 所示。系统根据计量泵的功能、精度和技术指标“自顶向下”按功能把硬件和软件 分成若干模块，分别进行设计和调试，然后把硬件和软件相结合，再进行总的调试。 该系统的流量精确数显与安全防护功能是设计的关键部分，也是本文的创新之处。 针对目前计量泵普遍存在的局限，为了更好地提高计量精度、显示效果及稳定性和 安全性，采取了下列功能稳定的元器件： 1 ) 采用运行稳定的a t 8 9 c 5 5 w d 主控芯片作为控制电路的核心。 2 ) 采用t l c 2 5 4 3 芯片作为数据采集部分，实现泵速与压力数据的a d 转换。 3 ) 采用技术成熟的1 6 0 2 液晶模块作为显示部分，其主要由内部芯片1 珂) 4 4 7 8 0 以 及相关的电路组合而成。 4 ) 采用专用a b b 变频器与驱动电机相连，通过调节频率实现流量调节。 5 ) 压力采集采用压阻式传感器的y l a 型压力变送器。 6 ) 采用蜂鸣器和欧姆：龙g 5 v - 1 型继电器作为压力报警、电源切换部分，实现安 全联锁功。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 2 技术方案 图2 - 6 系统整体设计模块 本控制系统技术方案如下所示： 1 ) 主控单元汹”1 ：选用a t 8 9 c 5 5 w d 主控芯片作为控制电路的核心。该系统的主 要硬件控制示意图如图2 7 所示，其中主控芯片a t 8 9 c 5 5 w d p h 部有2 0 k b 可复编程的 f l a s h 存储器，可进行1 0 0 0 次擦写操作。有2 5 6 字节的r a m 和3 2 条可编程的i 0 线。采 用a t 8 9 c 5 5 w d 芯片而不是常用的8 0 3 1 芯片，可以简化电路。如可以省略扩展r o m 用的 2 7 6 4 芯片、扩展r a m 用的6 2 6 4 芯片、扩展i 0 口用的8 1 5 5 ，8 2 5 5 等芯片等。 2 ) 数据采集单元：采用十二位串行模数转换器t l c 2 5 4 3 作为系统数据采集 器，t l c 2 5 4 3 是美国t i 公司的串行控制1 l 路模拟量输入的模数转换器。该转换器具 有零值设定端r e f - 和满度值设定端r e f + ，可对输入模拟量上下限进行设定，同时该 器件具有最多1 1 路的模拟量输入功能，因而可使系统实现最多1 1 路模拟信号。本系 浙江工业大学硕士学位论文 图2 7 硬件控制示意图 统通过数据采集单元实现泵速频率信号和排出管路压力信号的采集。该单元不但要 将采集到的模拟信号转换为数字信号，还要将相应的数字信号传递给主控芯片。 3 ) 显示单元：采用1 6 0 2 液晶模块，该模块是由低功耗c m o s 技术制造的大规 模点阵l c d 控制器h d 4 4 7 8 0 ( 兼带驱动器) 和4 b i t 8 b i t 微处理器相连，能使点阵 l c d 显示大小英文字母，数字和符号。应用h i ) 4 4 7 8 0 ，用户