計量泵是一種可按工藝流程的要求，實現流量調節、精確計量和連續給料的特殊通用機械產品，廣泛應用于石油化工和金屬冶煉等領域。為滿足遠程調節流量的要求，設計開發了一種新型遠程調節計量泵。該產品采用電機替代傳統手輪調節行程長度，并借助通過PLC 和反饋機構進行閉環控制，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，在工藝流程中擔負著強腐蝕性、毒害性等特殊化工介質的計量與增壓添加任務。隨著科技的發展和企業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，實現無人值守的遠程控制，已成為計量泵重要發展趨勢之一。與現場手動計量泵相比，遠程調節計量泵具有以下明顯優勢:

　　(1) 可接收信號進行遠程控制，在中央控制室即可實現對設備的操作管理。

　　(2) 節約了計量泵的流量調節時間，提高終端產品的質量; 適合頻繁進行流量調節的輔助添加系統。且可以與DCS 系統進行再次連鎖控制，使流量控制信號與其他參數進行邏輯關聯，在其他參數改變時，自動發送調節信號，實現流量調節的自動化，有較好的經濟效益。

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

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

　　除以上優勢外，本項目所研遠程調節計量泵亦可替代工藝流程中的進口產品。相較進口產品，國產遠程調節計量泵不但有價格上的優勢，在售后服務、零配件供應等方面的優勢更加顯著，可為企業帶來良好的經濟效益。

　　本文中的遠程調節計量泵為: 在保留現場手動調節計量泵的基礎上，開發以伺服電機或步進電機( 下文統稱為調節電機) 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，通過控制調節電機的旋轉和精確定位，實現計量泵的機電一體化。

2、結構設計與研究

　　現場手動調節計量泵一般由動力電機、傳動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，仍采用手動調節計量泵的動力電機和液力端部分結構，僅對其傳動調節機構進行重新設計，以滿足與調節電機的集成要求; 控制系統的采用PLC 程序控制，與調節電機的驅動器集成為一體式控制柜。現從以下幾個部分敘述遠程調節計量泵機械部分與控制系統的設計過程。

　　2.1、現場手動調節計量泵傳動調節機構及調節原理

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

圖1 普通計量泵傳動調節機構

　　2.2、遠程調節計量泵傳動調節機構設計

　　遠程調節計量泵與普通計量泵的本質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，通過減速裝置提高其最終輸出轉矩，滿足調節絲桿的轉矩要求;

　　計量泵在運行過程中，柱塞力通過連桿作用于滑軸，產生一個作用于調節絲桿軸向力分量，造成泵在運轉過程中，調量手輪隨著泵的運轉，產生有節奏的軸向竄動。在手動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機構( 如圖2 所示) 。其作用一是對調節電機進行減速( 使用減速比為30 的蝸輪蝸桿副) ，二是對調節絲桿進行軸向定位，使得其軸向竄動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 和驅動器等在內的電子元器件集成在一個控制柜中，組成控制系統的硬件，而控制系統的靈魂為PLC 邏

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

　　整個控制系統流程如圖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，在完成傳動調節機構和控制系統的設計后，生產整機并進行試驗。其參數為: 柱塞直徑D = 63mm;行程長度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。經流量標定和計量精度性能試驗，遠程調節計量泵實測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%，復線性精度與線性度皆小于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對比如圖4 所示。

圖4 流量標定和計量精度曲線對比

　　通過圖4 的對比曲線可以發現，電動調節計量泵流量曲線的線性度和穩定性精度，和同規格手動計量泵精度相當，某些行程還要略好，完全滿足GB /T7782 - 2008《計量泵》的相關要求[7]。遠程調節計量泵在調節過程中，調節電機運轉平穩，無異常噪音和偏離行程的情況出現，表明減速止動機構和控制系統運轉良好，且可以消除因調節電機轉動慣量而造成的誤差; 在反復調節行程若干次后，行程調回零點并對柱塞打表，表明零點無漂移;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

　　在傳統結構計量泵基礎上，以調節電機替代調量手輪，通過控制系統進行閉環控制，實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，滿足工業運轉的各項要求。目前，該類型遠程調節計量泵已在陜西某冶煉企業和山東某化工企業生產中實際應用。