承壓類仿真培訓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裝置的開發過程中有重要的應用。在分析改裝技術需求的基礎上，提出了直接采用電子轉速表以及采 用單片機控制步進電機兩種實現方案，通過開展具體的測試研究歸納了兩種方案的優缺點，為仿真培訓裝置的研發及同類儀表的改裝提供技術依據。
1.前言
壓力表是承壓類特種設備的重要安全附 件之一，它的作用是指示鍋爐或容器內工作 介質壓力的高低，保證承壓設備正常運行， 防止事故的發生。常用的壓力表有U型管 壓力表、彈簧管壓力表、電接點壓力表等幾 種，其中彈簧管壓力表使用最為普遍，它是 在圓形的外殼內，由一根斷面呈橢圓形的彈 簧彎管兩端分別連接介質和連桿，當彈簧彎 管受到介質壓力作用時，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，經連桿、扇形齒輪、小齒輪等傳動 機構使指針向順時針方向偏轉一個角度，從 而指示出介質的壓力大小。
然而在承壓類特種設備的模擬培訓裝置 中，如鍋爐模擬機、化工過程設備仿真 培訓裝置等，考慮到培訓的安全性和經濟 性，通常在設備模型中不存在真實的工作介 質，這使得常規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算機所模擬 出的介質壓力必須對常規的壓力表進行電氣 化改裝，使壓力表的指針能夠接受電信號的 驅動和控制，并自由地在指示范圍內轉動。 本文首先對壓力表電氣化改裝的技術要求和 指標進行分析，然后提出兩種實現方案，并 開展具體的設計研究。
2.改裝實現方案研究
對壓力表進行電氣化改裝需要采用機 電方式來驅動指針，并使指針能夠受電信號 或數字信號的控制。另外，為使改裝后的壓 力表能真實地模擬出實際壓力表工作時指針 的運行現象，要求對指針的位置和運動速度 進行調節，使指針能夠在量程范圍內以不同 的運動速度轉動到任意指定位置。最后，要 求電氣化改裝所添加的機械電子元件能完全 裝入壓力表表盤內部，不影響到壓力表的外 觀。本文根據以上改裝需求，以型號為Y150 量程為1.6MPa的彈簧管壓力表為例，提出并 研究兩種實現方案。
2.1電子轉速表方案
電子轉速表主要由固定不動的永久磁鐵 和可以轉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、極環和極板組成。電子電路中產生的直 流電通過裝套在極環臂上的線圈時將發生電 磁作用，產生的電磁力使線圈沿極環的環型 臂作順時針方向轉動，從而帶動與線圈架固 定在一起的骨架和指針軸作同向轉動。當電 磁作用的感應力矩與游絲相平衡時，指針便 停留在刻度盤上的某個位置，指示出相應的轉速。
考慮到電子轉速表是一種成熟產品，在 現有的各種行駛車輛中已得到廣泛應用，且 現有的電子轉速表尺寸和性能均能滿足壓力 表改裝要求，改裝時直接將電子轉速表表芯 裝入壓力表表盤內部，將壓力表指針代替電 子轉速表指針即可，因此提出用電子轉速表 的形式來改裝壓力表，該方案簡單可靠，開 發成本低，可縮短系統開發周期。
采用PLC控制電子轉速表的原理，其中 使用PLC—個輸出節點向電子轉速表提供控 制脈沖信號，脈沖信號的頻率對應壓力表的 轉角位置，脈沖信號頻率變化的速度對應壓 力表指針轉角的變化速度。
改變脈沖信號的頻率對PLC來說較易實 現，而要改變脈沖信號頻率的變化率卻增加 了PLC程序的開發難度，即該方案較易實現 壓力表指針的位置控制，而實現指針的速度 控制則較為復雜。
2.2步進電機方案
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移 或線位移的開環控制元件[7]。在非超載的情 況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈 沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的 影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號， 它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固 定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以 固定的角度一步一步運行的。可以通過控制 脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定 位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控 制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速 的目的。
步進電機分三種：永磁式（PM)、反 應式（VR)和混合式（HB)。永磁式步進 電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角 一般為7.5度或15度；反應式步進電機一般 為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為 1.5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發 達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混 合了永磁式和反應式的優點，分為兩相和五 相，兩相步進角一般為1.8度，而五相步進角 一般為0.72度，這種步進電機的應用最為廣 泛。
永磁式步進電機具有體積小、價格便宜 等特點，其性能能夠滿足壓力表電氣化改裝 的技術需求，同時其尺寸也能直接裝入表盤 內，因此選擇一款型號為28BYJ48的永磁式 步進電機，該電機采用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路一定時序的脈 沖信號。
考慮到采用PLC直接控制步進電機需要 占用PLC四路輸出口，且編程實現較復雜。 因此采用單片機直接控制步進電機，而PLC 間接控制的實現方案。控制信號為一路脈沖 信號，由PLC輸出至單片機，其脈沖數控制 指針的轉動角度，脈沖頻率控制指針的轉動 速度。該方案僅占用PLC (模擬仿真設備主 控制器）的一個輸出點，并且簡化了PLC的 編程任務。
步進電機的控制芯片選取ATM公司的 ATmega8單片機。ATmega8是一款高性能、 低功耗的8位單片機，采用先進的RISC結 構，其芯片內部集成了較大容量的存儲器和 豐富強大的硬件接口電路，具有8路10位 ADC、23個可編程的I/O 口、三通道PWM 等，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部 性能和特點，但由于采用了小引腳的封裝 (為DIP28和TQFP/MLF32)，所以其價格僅 與低檔單片機相當，成為極高性價比的單片 機。脈沖信號由單片機第9引腳即PD5 (T1) 引腳輸入，PB0-PB2引腳輸出電平，用于控 制步進電機轉動。夕卜圍電路包括穩壓電路， 為單片機提供穩定5V電壓；反相器電路，使 電機輸入穩定電平；程序下載電路，用于單 片機程序下載；還有其他的如晶振電路、指 示燈等。
3.結論
本文針對承壓類仿真培訓裝置中的壓力 表的電氣化改裝提出兩種實現方案。電子轉 速表方案結構簡單可靠，改裝開發成本低， 周期短，較容易實現壓力表指針的位置控 制，但指針的速度控制實現較為復雜。由PLC 輸出控制信號，單片機直接驅動控制的步進 電機方案增加了改裝的復雜度，但卻能容易 地實現壓力表指針的位置和速度控制，占用 較少的PLC節點，簡化了PLC的編程任務。
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