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(cè)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(shì)迫使彎管逐漸伸直，從而使連桿端向外移動(dòng)，經(jīng)連桿、扇形齒輪、小齒輪等傳動(dòng)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(duì)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(hào)的驅(qū)動(dòng)和控制，并自由地在指示范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。本文首先對(duì)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(duì)壓力表進(jìn)行電氣化改裝需要采用機(jī)電方式來驅(qū)動(dòng)指針，并使指針能夠受電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)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(duì)指針的位置和運(yùn)動(dòng)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(dòng)速度轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)為Y150量程為1.6MPa的彈簧管壓力表為例，提出并研究?jī)煞N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(dòng)的永久磁鐵和可以轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)，從而帶動(dòng)與線圈架固定在一起的骨架和指針軸作同向轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jiǎn)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(hào)，脈沖信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)壓力表的轉(zhuǎn)角位置，脈沖信號(hào)頻率變化的速度對(duì)應(yīng)壓力表指針轉(zhuǎn)角的變化速度。

改變脈沖信號(hào)的頻率對(duì)PLC來說較易實(shí)現(xiàn)，而要改變脈沖信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�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(hào)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(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)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�？梢酝ㄟ^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(dòng)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(dòng)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(hào)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(hào)。

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�？刂菩盘�(hào)為一路脈沖信號(hào)，由PLC輸出至單片機(jī)，其脈沖數(shù)控制指針的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，脈沖頻率控制指針的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiǎn)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(chǔ)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(hào)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(dòng)。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(duì)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(jiǎn)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(hào)，單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化了PLC的編程任務(wù)。