計(jì)量泵是一種可按工藝流程的要求，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)、精確計(jì)量和連續(xù)給料的特殊通用機(jī)械產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于石油化工和金屬冶煉等領(lǐng)域。為滿足遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)流量的要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵。該產(chǎn)品采用電機(jī)替代傳統(tǒng)手輪調(diào)節(jié)行程長度，并借助通過PLC 和反饋機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)控制，具備遠(yuǎn)程精確調(diào)節(jié)的功能。

　　1、概述

　　計(jì)量泵屬流體精密計(jì)量與加壓輸送關(guān)鍵設(shè)備，已被廣泛應(yīng)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(dān)負(fù)著強(qiáng)腐蝕性、毒害性等特殊化工介質(zhì)的計(jì)量與增壓添加任務(wù)。隨著科技的發(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(jì)量泵流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無人值守的遠(yuǎn)程控制，已成為計(jì)量泵重要發(fā)展趨勢之一。與現(xiàn)場手動(dòng)計(jì)量泵相比，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵具有以下明顯優(yōu)勢:

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

　　(2) 節(jié)約了計(jì)量泵的流量調(diào)節(jié)時(shí)間，提高終端產(chǎn)品的質(zhì)量; 適合頻繁進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的輔助添加系統(tǒng)。且可以與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行再次連鎖控制，使流量控制信號與其他參數(shù)進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，在其他參數(shù)改變時(shí)，自動(dòng)發(fā)送調(diào)節(jié)信號，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的自動(dòng)化，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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

　　(4) 遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵的控制系統(tǒng)可以同時(shí)集成隔膜、電機(jī)和軸承等狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障并檢修; 隔膜狀態(tài)監(jiān)控可在隔膜破裂時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)導(dǎo)致泵的次生損傷。

　　除以上優(yōu)勢外，本項(xiàng)目所研遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)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(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵不但有價(jià)格上的優(yōu)勢，在售后服務(wù)、零配件供應(yīng)等方面的優(yōu)勢更加顯著，可為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　本文中的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵為: 在保留現(xiàn)場手動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量泵的基礎(chǔ)上，開發(fā)以伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)( 下文統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)電機(jī)) 替代調(diào)量手輪，以PLC 控制系統(tǒng)接收中控室4 ～ 20mA( 對應(yīng)行程0～ 100%) 模擬量控制信號，通過控制調(diào)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和精確定位，實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵的機(jī)電一體化。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

　　現(xiàn)場手動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量泵一般由動(dòng)力電機(jī)、傳動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和液力端三部分組成，本項(xiàng)目所研遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵的機(jī)械部分，仍采用手動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量泵的動(dòng)力電機(jī)和液力端部分結(jié)構(gòu)，僅對其傳動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以滿足與調(diào)節(jié)電機(jī)的集成要求; 控制系統(tǒng)的采用PLC 程序控制，與調(diào)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器集成為一體式控制柜。現(xiàn)從以下幾個(gè)部分?jǐn)⑹鲞h(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵機(jī)械部分與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

　　2.1、現(xiàn)場手動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量泵傳動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理

　　現(xiàn)場手動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量泵調(diào)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要組成部分如圖1 所示，其流量調(diào)節(jié)原理為: 通過旋轉(zhuǎn)調(diào)量手輪( 或手柄) 帶動(dòng)調(diào)節(jié)絲桿旋轉(zhuǎn)，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(jì)量泵往復(fù)行程長度，實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

圖1 普通計(jì)量泵傳動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

　　2.2、遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵傳動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵與普通計(jì)量泵的本質(zhì)區(qū)別為調(diào)節(jié)電機(jī)代替調(diào)量手輪，其PLC 控制系統(tǒng)可接收中控室4 ～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號，并控制調(diào)節(jié)電機(jī)作，從而實(shí)現(xiàn)泵行程調(diào)節(jié)，完成流量調(diào)節(jié)工作。調(diào)節(jié)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速較高，在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)其力矩輸出基本保持不變( 隨著轉(zhuǎn)速提高，有輕微遞減) ，而調(diào)節(jié)絲桿又必須在低轉(zhuǎn)速下工作，基于以上因素考慮，決定在調(diào)節(jié)絲桿和調(diào)節(jié)電機(jī)之間添加減速裝置。減速裝置的另一重要作用為: 在調(diào)節(jié)絲桿必需轉(zhuǎn)矩不變的情況下，可選擇較小規(guī)格的調(diào)節(jié)電機(jī)，通過減速裝置提高其最終輸出轉(zhuǎn)矩，滿足調(diào)節(jié)絲桿的轉(zhuǎn)矩要求;

　　計(jì)量泵在運(yùn)行過程中，柱塞力通過連桿作用于滑軸，產(chǎn)生一個(gè)作用于調(diào)節(jié)絲桿軸向力分量，造成泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，調(diào)量手輪隨著泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生有節(jié)奏的軸向竄動(dòng)。在手動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量泵的結(jié)構(gòu)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(jì); 而在遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)中，則可能造成調(diào)節(jié)電機(jī)或其他相關(guān)零件的損壞和計(jì)量的不穩(wěn)定。因此，在遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵的結(jié)構(gòu)中，必須對調(diào)節(jié)絲桿進(jìn)行軸向定位，消除其軸向力造成的負(fù)面影響。

　　綜上所述，在調(diào)節(jié)電機(jī)與調(diào)節(jié)絲桿之間，設(shè)計(jì)了一套減速止動(dòng)機(jī)構(gòu)( 如圖2 所示) 。其作用一是對調(diào)節(jié)電機(jī)進(jìn)行減速( 使用減速比為30 的蝸輪蝸桿副) ，二是對調(diào)節(jié)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(yuǎn)程行程調(diào)節(jié)計(jì)量泵減速止動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　2.3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

　　輯程序，主要包括動(dòng)作執(zhí)行控制系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)。動(dòng)作執(zhí)行控制系統(tǒng)功能為: 接收到遠(yuǎn)程行程控制信號，通過對比現(xiàn)有行程的狀態(tài)( 值) ，經(jīng)PLC 邏輯計(jì)算后，向調(diào)節(jié)電機(jī)發(fā)送工作信號，使調(diào)節(jié)電機(jī)按要求進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，完成計(jì)量泵行程調(diào)節(jié)動(dòng)作; 反饋系統(tǒng)的作用則是監(jiān)控調(diào)節(jié)過程中行程的真實(shí)位置，在動(dòng)作至要求行程后，向控制系統(tǒng)發(fā)送完成信號，使調(diào)節(jié)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并時(shí)時(shí)掃描當(dāng)前行程位置，與動(dòng)作執(zhí)行控制系統(tǒng)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(tǒng)流程如圖3 所示。

圖3 PLC 控制系統(tǒng)流程

3、整機(jī)的運(yùn)行情況和性能測試

　　以J5M - 500 /1. 6 參數(shù)的計(jì)量泵為基礎(chǔ)，在完成傳動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，生產(chǎn)整機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)。其參數(shù)為: 柱塞直徑D = 63mm;行程長度s = 32mm; 往復(fù)速度n = 102 r /min; 出口壓力P = 1. 6MPa; 則本樣機(jī)100% 行程理論流量Q≈610. 5L /h。經(jīng)流量標(biāo)定和計(jì)量精度性能試驗(yàn)，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)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(shù)Ks =98. 3%，調(diào)節(jié)范圍Sre = 10% ～ 100%內(nèi)，穩(wěn)定性精度Es( max) = 0. 25%，復(fù)線性精度與線性度皆小于1%; 遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵與普通計(jì)量泵試驗(yàn)的流量標(biāo)定和計(jì)量精度曲線對比如圖4 所示。

圖4 流量標(biāo)定和計(jì)量精度曲線對比

　　通過圖4 的對比曲線可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)量泵流量曲線的線性度和穩(wěn)定性精度，和同規(guī)格手動(dòng)計(jì)量泵精度相當(dāng)，某些行程還要略好，完全滿足GB /T7782 - 2008《計(jì)量泵》的相關(guān)要求[7]。遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵在調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無異常噪音和偏離行程的情況出現(xiàn)，表明減速止動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，且可以消除因調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而造成的誤差; 在反復(fù)調(diào)節(jié)行程若干次后，行程調(diào)回零點(diǎn)并對柱塞打表，表明零點(diǎn)無漂移;綜合上述情況，表明該遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵研制成功，已可推廣使用。

4、結(jié)語

　　在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)量泵基礎(chǔ)上，以調(diào)節(jié)電機(jī)替代調(diào)量手輪，通過控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵遠(yuǎn)程精確調(diào)節(jié)。樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況表明，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)量泵流量穩(wěn)定，調(diào)節(jié)精度高，滿足工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的各項(xiàng)要求。目前，該類型遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)計(jì)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(yīng)用。