精密計(jì)量泵基本原理及其控制方法

 

一、概述

        作為流體精密計(jì)量與投加的理想設(shè)備，計(jì)量泵如今已被廣泛地應(yīng)用于包括制藥、食品飲料和石油化工行業(yè)在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域，在工藝過程擔(dān)負(fù)著強(qiáng)腐蝕性、毒害性、高粘性和高壓介質(zhì)的計(jì)量添加任務(wù)。經(jīng)過超過半個(gè)世紀(jì)的實(shí)踐應(yīng)用和技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)在計(jì)量泵已經(jīng)進(jìn)入其高速增長(zhǎng)期。現(xiàn)在，成熟的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式和液體輸送端（泵頭）材料技術(shù)使得新型計(jì)量泵幾乎可以完成輸送任何常規(guī)和特殊介質(zhì)的要求，其工作壓力和容量亦能滿足工業(yè)生產(chǎn)的絕大多數(shù)要求。

        隨著人們對(duì)生產(chǎn)工藝過程指標(biāo)和自動(dòng)化程度要求的普遍提高，作為化學(xué)藥劑計(jì)量和添加環(huán)節(jié)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，計(jì)量泵的安全性和可控制性變得日益重要起來。石油化工等行業(yè)向來以生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化而著稱，也是集散式、分布式和智能式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，因而要求與之相配套的執(zhí)行器——計(jì)量泵亦要具備靈活多樣的控制模式，可以方便地與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成各種控制回路，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更精確的過程控制。為順應(yīng)這一新的趨勢(shì)，國(guó)際上著名的計(jì)量泵制造商如德國(guó)普羅名特公司在保證其產(chǎn)品傳統(tǒng)性能繼續(xù)領(lǐng)先世界的同時(shí)，借助于嵌入式微處理器系統(tǒng)，將多種調(diào)節(jié)控制功能和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議整合到計(jì)量泵中，真正實(shí)現(xiàn)了從沖程頻率到?jīng)_程長(zhǎng)度的雙維調(diào)節(jié)，使其產(chǎn)品成為世界首創(chuàng)的智能精密計(jì)量泵。

二、計(jì)量泵的基本工作原理

        眾所周知，計(jì)量泵主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、流體輸送和調(diào)節(jié)控制三部分組成。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)由機(jī)械聯(lián)桿系統(tǒng)帶動(dòng)流體輸送隔膜（活塞）實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)：

        隔膜（活塞）于沖程的前半周將被輸送流體吸入并于后半周將流體排出泵頭；所以，改變沖程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率或每一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的沖程長(zhǎng)度即可達(dá)至調(diào)節(jié)流體輸送量之目的。精密的加工精度保證了每次泵出量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被輸送介質(zhì)的精密計(jì)量。

        因其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和流體輸送方式的不同，計(jì)量泵可以大致劃分成柱塞式和隔膜式兩大種類。

        2.1、柱塞式計(jì)量泵

        主要有普通有閥泵和無閥泵兩種。柱塞式計(jì)量泵因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。針對(duì)高粘度介質(zhì)在高壓力工況下普通柱塞泵的不足，一種無閥旋轉(zhuǎn)柱塞式計(jì)量泵受到愈來愈多的重視，被廣泛應(yīng)用于糖漿、巧克力和石油添加劑等高粘度介質(zhì)的計(jì)量添加。因被計(jì)量介質(zhì)和泵內(nèi)潤(rùn)滑劑之間無法實(shí)現(xiàn)完全隔離這一結(jié)構(gòu)性缺點(diǎn)，柱塞式計(jì)量泵在高防污染要求流體計(jì)量應(yīng)用中受到諸多限制。

        2.2、隔膜式計(jì)量泵

        顧名思義，隔膜式計(jì)量泵利用特殊設(shè)計(jì)加工的柔性隔膜取代活塞，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成吸入－排出過程。由于隔膜的隔離作用，在結(jié)構(gòu)上真正實(shí)現(xiàn)了被計(jì)量流體與驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)之間的隔離。高科技的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新型材料的選用已經(jīng)大大提高了隔膜的使用壽命，加上復(fù)合材料優(yōu)異的耐腐蝕特性，隔膜式計(jì)量泵目前已經(jīng)成為流體計(jì)量應(yīng)用中的主力泵型。在隔膜式計(jì)量泵家族成員里，液力驅(qū)動(dòng)式隔膜泵由于采用了液壓油均勻地驅(qū)動(dòng)隔膜，克服了機(jī)械直接驅(qū)動(dòng)方式下泵隔膜受力過分集中的缺點(diǎn)，提升了隔膜壽命和工作壓力上限。為了克服單隔膜式計(jì)量泵可能出現(xiàn)的因隔膜破損而造成的工作故障，有的計(jì)量泵配備了隔膜破損傳感器，實(shí)現(xiàn)隔膜破裂時(shí)自動(dòng)連鎖保護(hù)；具有雙隔膜結(jié)構(gòu)泵頭的計(jì)量進(jìn)一步提高了其安全性，適合對(duì)安全保護(hù)特別敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。

        作為隔膜式計(jì)量泵的一種，電磁驅(qū)動(dòng)式計(jì)量泵以電磁鐵產(chǎn)生脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，省卻了電機(jī)和變速機(jī)構(gòu)，使得系統(tǒng)小巧緊湊，是小量程低壓計(jì)量泵的重要分支。

        現(xiàn)在，精密計(jì)量泵技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其流體計(jì)量輸送能力最大可達(dá)0-100,000l/h，工作壓力最高達(dá)4000bar，工作范圍覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)所有領(lǐng)域的要求。

三、計(jì)量泵的控制

        計(jì)量泵每一次的流體泵出量決定了其計(jì)量容量。在一定的有效隔膜面積下，泵的輸出流體的體積流量正比與沖程長(zhǎng)度L和沖程頻率F：V∝A*F*L

        在計(jì)量介質(zhì)和工作壓力確定情況下，通過調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度L和沖程頻率F即可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量泵輸出的雙維調(diào)節(jié)。

        盡管沖程長(zhǎng)度和頻率都可以作為調(diào)節(jié)變量，但在工程應(yīng)用中一般將沖程長(zhǎng)度視為粗調(diào)變量，沖程頻率為細(xì)調(diào)變量：調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度至一定值，然后通過改變其頻率實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)，增加調(diào)節(jié)的靈活性。在相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，亦可以手動(dòng)設(shè)置沖程長(zhǎng)度，僅將沖程頻率作為調(diào)節(jié)變量，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置。

        3.1、常規(guī)模擬/開關(guān)信號(hào)調(diào)節(jié)方式

        過程控制應(yīng)用中廣泛采用0/4-20mA模擬電流信號(hào)作為傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間信號(hào)交換的標(biāo)準(zhǔn)，具有外控功能的計(jì)量泵亦主要采用這種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖程頻率和沖程頻率的外部調(diào)節(jié)。

        位置式伺服機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)沖程長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的最普遍方法。一體化的伺服機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)成能夠直接接受來自調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)的0/4-20mA控制信號(hào)，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度在0-100％范圍內(nèi)變化。

        相對(duì)而言實(shí)現(xiàn)沖程頻率調(diào)節(jié)的方法比較多樣，主要有變頻電機(jī)控制和直接繼電觸點(diǎn)控制兩種。經(jīng)由0/4-20mA電流信號(hào)控制的變頻調(diào)速器驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)按所需速度運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)沖程頻率的調(diào)節(jié)。對(duì)于電磁驅(qū)動(dòng)和部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)的計(jì)量泵，亦可以利用外部觸點(diǎn)信號(hào)來調(diào)節(jié)沖程頻率。

        3.2、基地式控制方式

        在某些特殊場(chǎng)合，如ph值調(diào)節(jié)，計(jì)量泵作為執(zhí)行器，在調(diào)節(jié)器的控制下添加酸或堿。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置和提高可靠性，以微處理器為核心的嵌入式控制系統(tǒng)被直接集成到計(jì)量泵內(nèi)，如此只需外接一支pH傳感器，即可構(gòu)成完整的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種基地式智能計(jì)量泵概念也適用于控制其它工藝參數(shù)，如氧化還原電位(ORP)和余氯濃度調(diào)節(jié)等應(yīng)用場(chǎng)合。

        3.3、設(shè)定程序式控制

        由于內(nèi)部集成了微處理計(jì)算機(jī)，一些計(jì)量泵產(chǎn)品的調(diào)控性能和操作性能得到了充分提升，在跟隨外部控制命令實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)量流量調(diào)節(jié)之外，還具有定量添加，時(shí)間序列觸發(fā)程序式添加，事件序列觸發(fā)程序式添加，時(shí)間－事件混合觸發(fā)程序式添加和自動(dòng)校正等多種工作模式，并可以提供以泵出流體總量，剩余沖程次數(shù)和待輸送流體容量，設(shè)定沖程長(zhǎng)度和其它相關(guān)的計(jì)量泵工作參數(shù)等有用信息。

 

        時(shí)間序列觸發(fā)程序式工作方式令計(jì)量泵完全依據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，按預(yù)先規(guī)劃的任務(wù)清單，在指定時(shí)刻按設(shè)定的沖程次數(shù)或時(shí)間定量添加工作介質(zhì)，時(shí)間可以以每小時(shí)，天，工作日，公休日，一周和二周為周期靈活設(shè)定；而事件序列觸發(fā)程序式工作方式令計(jì)量泵完全依據(jù)實(shí)時(shí)觸發(fā)事件，按預(yù)先規(guī)劃的任務(wù)清單，在特定事件發(fā)生時(shí)（觸點(diǎn)輸入）按設(shè)定的沖程次數(shù)或時(shí)間定量添加工作介質(zhì)。以上兩種方式可以有機(jī)混合，完成更復(fù)雜的時(shí)間－事件混合觸發(fā)工作模式。最多可設(shè)定81個(gè)事件。

        一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是冷卻塔循環(huán)水消毒滅藻系統(tǒng)。消毒劑以特定濃度根據(jù)補(bǔ)充水流量比例添加；并按工藝要求，在比例添加過程當(dāng)中，每周還應(yīng)脈沖式大劑量添加一次消毒劑（如設(shè)定在周五12-13時(shí)），并要求此時(shí)暫停比例添加作用。整個(gè)編程十分簡(jiǎn)捷，令復(fù)雜多變的流體添加任務(wù)得以輕松而精確地實(shí)現(xiàn)。

        3.4、現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus控制方式

        在石油化工等大規(guī)模高自動(dòng)化成度的應(yīng)用場(chǎng)合，利用數(shù)字通訊協(xié)議進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備之間數(shù)據(jù)的高速傳輸進(jìn)而組成網(wǎng)絡(luò)式控制系統(tǒng)，容量大，可靠性高，已成為發(fā)展的主流。繼二十世紀(jì)九十年代初被納入德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)后，現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus于九十年代末又成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛采用，已成為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中代表性協(xié)議之一。

        現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus由三種形勢(shì)組成。ProFibus－DP，ProFibus－PA和ProFibus－FMS。其中ProFibus－DP(DecentralizedPeriphery)定義為分散型外圍設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線，系專門為過程控制系統(tǒng)與分散的外圍設(shè)備之間高速數(shù)據(jù)信息交換而設(shè)計(jì)的。其傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖聯(lián)接的RS485傳輸制式，波特率9.6-12Mb/s，系統(tǒng)構(gòu)成成本低，高速可靠。

        現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus指令集精簡(jiǎn)凝練，編程非常方便。具有現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus通訊功能的計(jì)量泵，在具有所有手動(dòng)調(diào)節(jié)功能的同時(shí)，可以方便地溶入高級(jí)的如集散式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使其各種功能得以充分地發(fā)揮，已經(jīng)成為現(xiàn)代精密計(jì)量泵的佼佼者。普羅名特公司計(jì)量泵家族中即有三大系列數(shù)十個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品配置了現(xiàn)場(chǎng)總線功能。

 

四、結(jié)束語

 

        今天，計(jì)量泵的研發(fā)已經(jīng)超越了其傳統(tǒng)意義上單純追求容量和材質(zhì)的范疇，轉(zhuǎn)而面向高精度，多功能和智能化的發(fā)展方向，這一趨勢(shì)已經(jīng)成為世界主要計(jì)量泵生商的共識(shí)。

 

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