遠程調節計量泵的研制

　　計量泵是一種可按工藝流程的要求，實(shí)現流量調節、精確計量和連續給料的特殊通用機械產(chǎn)品，廣泛應用于石油化工和金屬冶煉等領(lǐng)域。為滿(mǎn)足遠程調節流量的要求，設計開(kāi)發(fā)了一種新型遠程調節計量泵。該產(chǎn)品采用電機替代傳統手輪調節行程長(cháng)度，并借助通過(guò)PLC 和反饋機構進(jìn)行閉環(huán)控制，具備遠程精確調節的功能。

　　1、概述

　　計量泵屬流體精密計量與加壓輸送關(guān)鍵設備，已被廣泛應用于包括石油化工、制藥和食品飲料等行業(yè)，在工藝流程中擔負著(zhù)強腐蝕性、毒害性等特殊化工介質(zhì)的計量與增壓添加任務(wù)。隨著(zhù)科技的發(fā)展和企業(yè)人力資源成本的不斷增加，在中控室快速完成計量泵流量調節，實(shí)現無(wú)人值守的遠程控制，已成為計量泵重要發(fā)展趨勢之一。與現場(chǎng)手動(dòng)計量泵相比，遠程調節計量泵具有以下明顯優(yōu)勢:

　　(1) 可接收信號進(jìn)行遠程控制，在中央控制室即可實(shí)現對設備的操作管理。

　　(2) 節約了計量泵的流量調節時(shí)間，提高終端產(chǎn)品的質(zhì)量; 適合頻繁進(jìn)行流量調節的輔助添加系統。且可以與DCS 系統進(jìn)行再次連鎖控制，使流量控制信號與其他參數進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，在其他參數改變時(shí)，自動(dòng)發(fā)送調節信號，實(shí)現流量調節的自動(dòng)化，有較好的經(jīng)濟效益。

　　(3) 避免了操作人員的現場(chǎng)操作，適宜在現場(chǎng)環(huán)境惡劣( 如金屬冶煉) 和危險( 如物料有毒或易爆) 的場(chǎng)合使用，減少操作人員在危險現場(chǎng)的滯留時(shí)間，有較好的社會(huì )效益。

　　(4) 遠程調節計量泵的控制系統可以同時(shí)集成隔膜、電機和軸承等狀態(tài)監控系統，及時(shí)發(fā)現設備的故障并檢修; 隔膜狀態(tài)監控可在隔膜破裂時(shí)及時(shí)發(fā)現，并可連鎖停泵，避免泵中的液壓油進(jìn)入物料產(chǎn)生污染，也可避免物料進(jìn)入泵的液壓系統導致泵的次生損傷。

　　除以上優(yōu)勢外，本項目所研遠程調節計量泵亦可替代工藝流程中的進(jìn)口產(chǎn)品。相較進(jìn)口產(chǎn)品，國產(chǎn)遠程調節計量泵不但有價(jià)格上的優(yōu)勢，在售后服務(wù)、零配件供應等方面的優(yōu)勢更加顯著(zhù)，可為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟效益。

　　本文中的遠程調節計量泵為: 在保留現場(chǎng)手動(dòng)調節計量泵的基礎上，開(kāi)發(fā)以伺服電機或步進(jìn)電機( 下文統稱(chēng)為調節電機) 替代調量手輪，以PLC 控制系統接收中控室4 ～ 20mA( 對應行程0～ 100%) 模擬量控制信號，通過(guò)控制調節電機的旋轉和精確定位，實(shí)現計量泵的機電一體化。

2、結構設計與研究

　　現場(chǎng)手動(dòng)調節計量泵一般由動(dòng)力電機、傳動(dòng)調節機構和液力端三部分組成，本項目所研遠程調節計量泵的機械部分，仍采用手動(dòng)調節計量泵的動(dòng)力電機和液力端部分結構，僅對其傳動(dòng)調節機構進(jìn)行重新設計，以滿(mǎn)足與調節電機的集成要求; 控制系統的采用PLC 程序控制，與調節電機的驅動(dòng)器集成為一體式控制柜�，F從以下幾個(gè)部分敘述遠程調節計量泵機械部分與控制系統的設計過(guò)程。

　　2.1、現場(chǎng)手動(dòng)調節計量泵傳動(dòng)調節機構及調節原理

　　現場(chǎng)手動(dòng)調節計量泵調節傳動(dòng)機構主要組成部分如圖1 所示，其流量調節原理為: 通過(guò)旋轉調量手輪( 或手柄) 帶動(dòng)調節絲桿旋轉，使得滑軸( 斜槽軸) 產(chǎn)生軸向位移，改變偏心輪的偏心距，即改變計量泵往復行程長(cháng)度，實(shí)現流量的調節。

圖1 普通計量泵傳動(dòng)調節機構

　　2.2、遠程調節計量泵傳動(dòng)調節機構設計

　　遠程調節計量泵與普通計量泵的本質(zhì)區別為調節電機代替調量手輪，其PLC 控制系統可接收中控室4 ～ 20mA 標準信號，并控制調節電機作，從而實(shí)現泵行程調節，完成流量調節工作。調節電機的額定轉速較高，在額定轉速內其力矩輸出基本保持不變( 隨著(zhù)轉速提高，有輕微遞減) ，而調節絲桿又必須在低轉速下工作，基于以上因素考慮，決定在調節絲桿和調節電機之間添加減速裝置。減速裝置的另一重要作用為: 在調節絲桿必需轉矩不變的情況下，可選擇較小規格的調節電機，通過(guò)減速裝置提高其最終輸出轉矩，滿(mǎn)足調節絲桿的轉矩要求;

　　計量泵在運行過(guò)程中，柱塞力通過(guò)連桿作用于滑軸，產(chǎn)生一個(gè)作用于調節絲桿軸向力分量，造成泵在運轉過(guò)程中，調量手輪隨著(zhù)泵的運轉，產(chǎn)生有節奏的軸向竄動(dòng)。在手動(dòng)調節計量泵的結構中，可采用手輪鎖緊裝置鎖緊，在此情況下，軸向竄動(dòng)影響可以忽略不計; 而在遠程調節的機構中，則可能造成調節電機或其他相關(guān)零件的損壞和計量的不穩定。因此，在遠程調節計量泵的結構中，必須對調節絲桿進(jìn)行軸向定位，消除其軸向力造成的負面影響。

　　綜上所述，在調節電機與調節絲桿之間，設計了一套減速止動(dòng)機構( 如圖2 所示) 。其作用一是對調節電機進(jìn)行減速( 使用減速比為30 的蝸輪蝸桿副) ，二是對調節絲桿進(jìn)行軸向定位，使得其軸向竄動(dòng)得到有效的限制和平衡。

圖2 遠程行程調節計量泵減速止動(dòng)機構

　　2.3、控制系統設計

　　控制系統的載體為控制柜，包括PLC 和驅動(dòng)器等在內的電子元器件集成在一個(gè)控制柜中，組成控制系統的硬件，而控制系統的靈魂為PLC 邏

　　輯程序，主要包括動(dòng)作執行控制系統和反饋系統。動(dòng)作執行控制系統功能為: 接收到遠程行程控制信號，通過(guò)對比現有行程的狀態(tài)( 值) ，經(jīng)PLC 邏輯計算后，向調節電機發(fā)送工作信號，使調節電機按要求進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉，完成計量泵行程調節動(dòng)作; 反饋系統的作用則是監控調節過(guò)程中行程的真實(shí)位置，在動(dòng)作至要求行程后，向控制系統發(fā)送完成信號，使調節電機停止運轉，并時(shí)時(shí)掃描當前行程位置，與動(dòng)作執行控制系統形成閉環(huán)，對偏離要求的行程進(jìn)行修正，確保真實(shí)的行程位置與要求的行程相符合。

　　整個(gè)控制系統流程如圖3 所示。

圖3 PLC 控制系統流程

3、整機的運行情況和性能測試

　　以J5M - 500 /1. 6 參數的計量泵為基礎，在完成傳動(dòng)調節機構和控制系統的設計后，生產(chǎn)整機并進(jìn)行試驗。其參數為: 柱塞直徑D = 63mm;行程長(cháng)度s = 32mm; 往復速度n = 102 r /min; 出口壓力P = 1. 6MPa; 則本樣機100% 行程理論流量Q≈610. 5L /h。經(jīng)流量標定和計量精度性能試驗，遠程調節計量泵實(shí)測100% 行程流量Qc =600. 3L /h，排出壓力P = 1. 6MPa，容積系數Ks =98. 3%，調節范圍Sre = 10% ～ 100%內，穩定性精度Es( max) = 0. 25%，復線(xiàn)性精度與線(xiàn)性度皆小于1%; 遠程調節計量泵與普通計量泵試驗的流量標定和計量精度曲線(xiàn)對比如圖4 所示。

圖4 流量標定和計量精度曲線(xiàn)對比

　　通過(guò)圖4 的對比曲線(xiàn)可以發(fā)現，電動(dòng)調節計量泵流量曲線(xiàn)的線(xiàn)性度和穩定性精度，和同規格手動(dòng)計量泵精度相當，某些行程還要略好，完全滿(mǎn)足GB /T7782 - 2008《計量泵》的相關(guān)要求[7]。遠程調節計量泵在調節過(guò)程中，調節電機運轉平穩，無(wú)異常噪音和偏離行程的情況出現，表明減速止動(dòng)機構和控制系統運轉良好，且可以消除因調節電機轉動(dòng)慣量而造成的誤差; 在反復調節行程若干次后，行程調回零點(diǎn)并對柱塞打表，表明零點(diǎn)無(wú)漂移;綜合上述情況，表明該遠程調節計量泵研制成功，已可推廣使用。

4、結語(yǔ)

　　在傳統結構計量泵基礎上，以調節電機替代調量手輪，通過(guò)控制系統進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現計量泵遠程精確調節。樣機的試驗數據和連續運轉情況表明，遠程調節計量泵流量穩定，調節精度高，滿(mǎn)足工業(yè)運轉的各項要求。目前，該類(lèi)型遠程調節計量泵已在陜西某冶煉企業(yè)和山東某化工企業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應用。