承壓類仿真培訓(xùn)裝置壓力表電氣化改裝方案研究
壓力表的電氣化改裝在承壓類仿真培訓(xùn)裝置的開發(fā)過程中有重要的應(yīng)用。在分析改裝技術(shù)需求的基礎(chǔ)上，提出了直接采用電子轉(zhuǎn)速表以及采 用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)兩種實(shí)現(xiàn)方案，通過開展具體的測試研究歸納了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為仿真培訓(xùn)裝置的研發(fā)及同類儀表的改裝提供技術(shù)依據(jù)。
1.前言
壓力表是承壓類特種設(shè)備的重要安全附 件之一，它的作用是指示鍋爐或容器內(nèi)工作 介質(zhì)壓力的高低，保證承壓設(shè)備正常運(yùn)行， 防止事故的發(fā)生。常用的壓力表有U型管 壓力表、彈簧管壓力表、電接點(diǎn)壓力表等幾 種，其中彈簧管壓力表使用最為普遍，它是 在圓形的外殼內(nèi)，由一根斷面呈橢圓形的彈 簧彎管兩端分別連接介質(zhì)和連桿，當(dāng)彈簧彎 管受到介質(zhì)壓力作用時(shí)，因截面有變成圓形 的趨勢迫使彎管逐漸伸直，從而使連桿端向 外移動，經(jīng)連桿、扇形齒輪、小齒輪等傳動 機(jī)構(gòu)使指針向順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，從 而指示出介質(zhì)的壓力大小。
然而在承壓類特種設(shè)備的模擬培訓(xùn)裝置 中，如鍋爐模擬機(jī)、化工過程設(shè)備仿真 培訓(xùn)裝置等，考慮到培訓(xùn)的安全性和經(jīng)濟(jì) 性，通常在設(shè)備模型中不存在真實(shí)的工作介 質(zhì)，這使得常規(guī)的彈簧管式壓力表無法正常 工作，為了使壓力表能夠指示計(jì)算機(jī)所模擬 出的介質(zhì)壓力必須對常規(guī)的壓力表進(jìn)行電氣 化改裝，使壓力表的指針能夠接受電信號的 驅(qū)動和控制，并自由地在指示范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。 本文首先對壓力表電氣化改裝的技術(shù)要求和 指標(biāo)進(jìn)行分析，然后提出兩種實(shí)現(xiàn)方案，并 開展具體的設(shè)計(jì)研究。
2.改裝實(shí)現(xiàn)方案研究
對壓力表進(jìn)行電氣化改裝需要采用機(jī) 電方式來驅(qū)動指針，并使指針能夠受電信號 或數(shù)字信號的控制。另外，為使改裝后的壓 力表能真實(shí)地模擬出實(shí)際壓力表工作時(shí)指針 的運(yùn)行現(xiàn)象，要求對指針的位置和運(yùn)動速度 進(jìn)行調(diào)節(jié)，使指針能夠在量程范圍內(nèi)以不同 的運(yùn)動速度轉(zhuǎn)動到任意指定位置。最后，要 求電氣化改裝所添加的機(jī)械電子元件能完全 裝入壓力表表盤內(nèi)部，不影響到壓力表的外 觀。本文根據(jù)以上改裝需求，以型號為Y150 量程為1.6MPa的彈簧管壓力表為例，提出并 研究兩種實(shí)現(xiàn)方案。
2.1電子轉(zhuǎn)速表方案
電子轉(zhuǎn)速表主要由固定不動的永久磁鐵 和可以轉(zhuǎn)動的線圈兩部分組成[6]。永久磁鐵 與儀表殼體支架連在一起而固定不動，由磁 鋼、極環(huán)和極板組成。電子電路中產(chǎn)生的直 流電通過裝套在極環(huán)臂上的線圈時(shí)將發(fā)生電 磁作用，產(chǎn)生的電磁力使線圈沿極環(huán)的環(huán)型 臂作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，從而帶動與線圈架固 定在一起的骨架和指針軸作同向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電 磁作用的感應(yīng)力矩與游絲相平衡時(shí)，指針便 停留在刻度盤上的某個(gè)位置，指示出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。
考慮到電子轉(zhuǎn)速表是一種成熟產(chǎn)品，在 現(xiàn)有的各種行駛車輛中已得到廣泛應(yīng)用，且 現(xiàn)有的電子轉(zhuǎn)速表尺寸和性能均能滿足壓力 表改裝要求，改裝時(shí)直接將電子轉(zhuǎn)速表表芯 裝入壓力表表盤內(nèi)部，將壓力表指針代替電 子轉(zhuǎn)速表指針即可，因此提出用電子轉(zhuǎn)速表 的形式來改裝壓力表，該方案簡單可靠，開 發(fā)成本低，可縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。
采用PLC控制電子轉(zhuǎn)速表的原理，其中 使用PLC—個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)向電子轉(zhuǎn)速表提供控 制脈沖信號，脈沖信號的頻率對應(yīng)壓力表的 轉(zhuǎn)角位置，脈沖信號頻率變化的速度對應(yīng)壓 力表指針轉(zhuǎn)角的變化速度。
改變脈沖信號的頻率對PLC來說較易實(shí) 現(xiàn)，而要改變脈沖信號頻率的變化率卻增加 了PLC程序的開發(fā)難度，即該方案較易實(shí)現(xiàn) 壓力表指針的位置控制，而實(shí)現(xiàn)指針的速度 控制則較為復(fù)雜。
2.2步進(jìn)電機(jī)方案
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?/span> 或線位移的開環(huán)控制元件[7]。在非超載的情 況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈 沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的 影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號， 它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固 定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以 固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制 脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定 位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控 制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速 的目的。
步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM)、反 應(yīng)式（VR)和混合式（HB)。永磁式步進(jìn) 電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角 一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般 為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發(fā) 達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混 合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，分為兩相和五 相，兩相步進(jìn)角一般為1.8度，而五相步進(jìn)角 一般為0.72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣 泛。
永磁式步進(jìn)電機(jī)具有體積小、價(jià)格便宜 等特點(diǎn)，其性能能夠滿足壓力表電氣化改裝 的技術(shù)需求，同時(shí)其尺寸也能直接裝入表盤 內(nèi)，因此選擇一款型號為28BYJ48的永磁式 步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)采用5線4相，12V供電， 減速比為1:64，步距角為5.625/64。如果直接 采用PLC控制，則需要提供4路一定時(shí)序的脈 沖信號。
考慮到采用PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)需要 占用PLC四路輸出口，且編程實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。 因此采用單片機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)，而PLC 間接控制的實(shí)現(xiàn)方案。控制信號為一路脈沖 信號，由PLC輸出至單片機(jī)，其脈沖數(shù)控制 指針的轉(zhuǎn)動角度，脈沖頻率控制指針的轉(zhuǎn)動 速度。該方案僅占用PLC (模擬仿真設(shè)備主 控制器）的一個(gè)輸出點(diǎn)，并且簡化了PLC的 編程任務(wù)。
步進(jìn)電機(jī)的控制芯片選取ATM公司的 ATmega8單片機(jī)。ATmega8是一款高性能、 低功耗的8位單片機(jī)，采用先進(jìn)的RISC結(jié) 構(gòu)，其芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和 豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具有8路10位 ADC、23個(gè)可編程的I/O 口、三通道PWM 等，具備AVR高檔單片機(jī)MEGE系列的全部 性能和特點(diǎn)，但由于采用了小引腳的封裝 (為DIP28和TQFP/MLF32)，所以其價(jià)格僅 與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為極高性價(jià)比的單片 機(jī)。脈沖信號由單片機(jī)第9引腳即PD5 (T1) 引腳輸入，PB0-PB2引腳輸出電平，用于控 制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。夕卜圍電路包括穩(wěn)壓電路， 為單片機(jī)提供穩(wěn)定5V電壓；反相器電路，使 電機(jī)輸入穩(wěn)定電平；程序下載電路，用于單 片機(jī)程序下載；還有其他的如晶振電路、指 示燈等。
3.結(jié)論
本文針對承壓類仿真培訓(xùn)裝置中的壓力 表的電氣化改裝提出兩種實(shí)現(xiàn)方案。電子轉(zhuǎn) 速表方案結(jié)構(gòu)簡單可靠，改裝開發(fā)成本低， 周期短，較容易實(shí)現(xiàn)壓力表指針的位置控 制，但指針的速度控制實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。由PLC 輸出控制信號，單片機(jī)直接驅(qū)動控制的步進(jìn) 電機(jī)方案增加了改裝的復(fù)雜度，但卻能容易 地實(shí)現(xiàn)壓力表指針的位置和速度控制，占用 較少的PLC節(jié)點(diǎn)，簡化了PLC的編程任務(wù)。
