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【摘要】压力表的电气化改装在承压类仿真培训装置的开发过程中有重要的应用。在分析改装技术需求的基础上，提出了直接采用电子转速表以及采用单片机控制步进电机两种实现方案，通过开展具体的测试研究归纳了两种方案的优缺点，为仿真培训装置的研发及同类仪表的改装提供技术依据。
【关键词】压力表 电子转速表 步进电机 改装
1 前言
压力表是承压类特种设备的重要安全附件之一，它的作用是指示锅炉或容器内工作介质压力的高低，保证承压设备正常运行，防止事故的发生[1]。常用的压力表有U型管压力表、弹簧管压力表、电接点压力表等几种，其中弹簧管压力表使用最为普遍，它是在圆形的外壳内，由一根断面呈椭圆形的弹簧弯管两端分别连接介质和连杆，当弹簧弯管受到介质压力作用时，因截面有变成圆形的趋势迫使弯管逐渐伸直，从而使连杆端向外移动，经连杆、扇形齿轮、小齿轮等传动机构使指针向顺时针方向偏转一个角度，从而指示出介质的压力大小[2]。
然而在承压类特种设备的模拟培训装置中，如锅炉模拟机[3，4]、化工过程设备仿真培训装置[5]等，考虑到培训的安全性和经济性，通常在设备模型中不存在真实的工作介质，这使得常规的弹簧管式压力表无法正常工作，为了使压力表能够指示计算机所模拟出的介质压力必须对常规的压力表进行电气化改装，使压力表的指针能够接受电信号的驱动和控制，并自由地在指示范围内转动。本文首先对压力表电气化改装的技术要求和指标进行分析，然后提出两种实现方案，并开展具体的设计研究。
2 改装实现方案研究
对压力表进行电气化改装需要采用机电方式来驱动指针，并使指针能够受电信号或数字信号的控制。另外，为使改装后的压力表能真实地模拟出实际压力表工作时指针的运行现象，要求对指针的位置和运动速度进行调节，使指针能够在量程范围内以不同的运动速度转动到任意指定位置。最后，要求电气化改装所添加的机械电子元件能完全装入压力表表盘内部，不影响到压力表的外观。本文根据以上改装需求，以型号为Y150量程为1.6MPa的弹簧管压力表为例，提出并研究兩种实现方案。
2.1 电子转速表方案
电子转速表主要由固定不动的永久磁铁和可以转动的线圈两部分组成[6]。永久磁铁与仪表壳体支架连在一起而固定不动，由磁钢、极环和极板组成。电子电路中产生的直流电通过装套在极环臂上的线圈时将发生电磁作用，产生的电磁力使线圈沿极环的环型臂作顺时针方向转动，从而带动与线圈架固定在一起的骨架和指针轴作同向转动。当电磁作用的感应力矩与游丝相平衡时，指针便停留在刻度盘上的某个位置，指示出相应的转速。
考虑到电子转速表是一种成熟产品，在现有的各种行驶车辆中已得到广泛应用，且现有的电子转速表尺寸和性能均能满足压力表改装要求，改装时直接将电子转速表表芯装入压力表表盘内部，将压力表指针代替电子转速表指针即可，因此提出用电子转速表的形式来改装压力表，该方案简单可靠，开发成本低，可缩短系统开发周期。
采用PLC控制电子转速表的原理，其中使用PLC一个输出节点向电子转速表提供控制脉冲信号，脉冲信号的频率对应压力表的转角位置，脉冲信号频率变化的速度对应压力表指针转角的变化速度。
改变脉冲信号的频率对PLC来说较易实现，而要改变脉冲信号频率的变化率却增加了PLC程序的开发难度，即该方案较易实现压力表指针的位置控制，而实现指针的速度控制则较为复杂。
2.2 步进电机方案
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件[7]。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机分三种：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。
永磁式步进电机具有体积小、价格便宜等特点，其性能能够满足压力表电气化改装的技术需求，同时其尺寸也能直接装入表盘内，因此选择一款型号为28BYJ48的永磁式步进电机，该电机采用5线4相，12V供电，减速比为1：64，步距角为5.625/64。如果直接采用PLC控制，则需要提供4路一定时序的脉冲信号。
考虑到采用PLC直接控制步进电机需要占用PLC四路输出口，且编程实现较复杂。因此采用单片机直接控制步进电机，而PLC间接控制的实现方案。控制信号为一路脉冲信号，由PLC输出至单片机，其脉冲数控制指针的转动角度，脉冲频率控制指针的转动速度。该方案仅占用PLC（模拟仿真设备主控制器）的一个输出点，并且简化了PLC的编程任务。
步进电机的控制芯片选取ATM公司的ATmega8单片机。ATmega8是一款高性能、低功耗的 8 位单片机，采用先进的RISC 结构，其芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具有8 路10 位ADC、23个可编程的I/O 口、三通道PWM等，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚的封装（为DIP28和TQFP/MLF32），所以其价格仅与低档单片机相当，成为极高性价比的单片机。脉冲信号由单片机第9引脚即PD5（T1）引脚输入，PB0-PB2引脚输出电平，用于控制步进电机转动。外围电路包括稳压电路，为单片机提供稳定5V电压；反相器电路，使电机输入稳定电平；程序下载电路，用于单片机程序下载；还有其他的如晶振电路、指示灯等。
3 结论
本文针对承压类仿真培训装置中的压力表的电气化改装提出两种实现方案。电子转速表方案结构简单可靠，改装开发成本低，周期短，较容易实现压力表指针的位置控制，但指针的速度控制实现较为复杂。由PLC输出控制信号，单片机直接驱动控制的步进电机方案增加了改装的复杂度，但却能容易地实现压力表指针的位置和速度控制，占用较少的PLC节点，简化了PLC的编程任务。
参考文献
[1] 朱传标.工业锅炉技术基础.上海：上海远东出版社，1995
[2] 劳动社保部教材办公室.锅炉操作工-基础知识.北京：中国劳动社会保障出版社，2001
[3] 马舜，韩树新，孙志敏.工业锅炉模拟机发展综述.特种设备技术与管理，2012，（3）：5-7
[4] 王洵，张馨，宫立良.锅炉仿真培训系统.计算机仿真，2002，19（3）：71-73
[5] 葛海燕，钟威，张勤鑫，et al.化工过程控制仿真培训系统的开发范式.计算机工程与应用，2000，（5）：183-185
[6] 吴正权.摩托车用电子转速表结构原理及维护.摩托车，2006，（10）：20-22
[7] 骆涵秀，李式伦，朱捷，等.机电控制.杭州：浙江大学出版社，1994
【关键词】压力表 电子转速表 步进电机 改装
1 前言
压力表是承压类特种设备的重要安全附件之一，它的作用是指示锅炉或容器内工作介质压力的高低，保证承压设备正常运行，防止事故的发生[1]。常用的压力表有U型管压力表、弹簧管压力表、电接点压力表等几种，其中弹簧管压力表使用最为普遍，它是在圆形的外壳内，由一根断面呈椭圆形的弹簧弯管两端分别连接介质和连杆，当弹簧弯管受到介质压力作用时，因截面有变成圆形的趋势迫使弯管逐渐伸直，从而使连杆端向外移动，经连杆、扇形齿轮、小齿轮等传动机构使指针向顺时针方向偏转一个角度，从而指示出介质的压力大小[2]。
然而在承压类特种设备的模拟培训装置中，如锅炉模拟机[3，4]、化工过程设备仿真培训装置[5]等，考虑到培训的安全性和经济性，通常在设备模型中不存在真实的工作介质，这使得常规的弹簧管式压力表无法正常工作，为了使压力表能够指示计算机所模拟出的介质压力必须对常规的压力表进行电气化改装，使压力表的指针能够接受电信号的驱动和控制，并自由地在指示范围内转动。本文首先对压力表电气化改装的技术要求和指标进行分析，然后提出两种实现方案，并开展具体的设计研究。
2 改装实现方案研究
对压力表进行电气化改装需要采用机电方式来驱动指针，并使指针能够受电信号或数字信号的控制。另外，为使改装后的压力表能真实地模拟出实际压力表工作时指针的运行现象，要求对指针的位置和运动速度进行调节，使指针能够在量程范围内以不同的运动速度转动到任意指定位置。最后，要求电气化改装所添加的机械电子元件能完全装入压力表表盘内部，不影响到压力表的外观。本文根据以上改装需求，以型号为Y150量程为1.6MPa的弹簧管压力表为例，提出并研究兩种实现方案。
2.1 电子转速表方案
电子转速表主要由固定不动的永久磁铁和可以转动的线圈两部分组成[6]。永久磁铁与仪表壳体支架连在一起而固定不动，由磁钢、极环和极板组成。电子电路中产生的直流电通过装套在极环臂上的线圈时将发生电磁作用，产生的电磁力使线圈沿极环的环型臂作顺时针方向转动，从而带动与线圈架固定在一起的骨架和指针轴作同向转动。当电磁作用的感应力矩与游丝相平衡时，指针便停留在刻度盘上的某个位置，指示出相应的转速。
考虑到电子转速表是一种成熟产品，在现有的各种行驶车辆中已得到广泛应用，且现有的电子转速表尺寸和性能均能满足压力表改装要求，改装时直接将电子转速表表芯装入压力表表盘内部，将压力表指针代替电子转速表指针即可，因此提出用电子转速表的形式来改装压力表，该方案简单可靠，开发成本低，可缩短系统开发周期。
采用PLC控制电子转速表的原理，其中使用PLC一个输出节点向电子转速表提供控制脉冲信号，脉冲信号的频率对应压力表的转角位置，脉冲信号频率变化的速度对应压力表指针转角的变化速度。
改变脉冲信号的频率对PLC来说较易实现，而要改变脉冲信号频率的变化率却增加了PLC程序的开发难度，即该方案较易实现压力表指针的位置控制，而实现指针的速度控制则较为复杂。
2.2 步进电机方案
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件[7]。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机分三种：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。
永磁式步进电机具有体积小、价格便宜等特点，其性能能够满足压力表电气化改装的技术需求，同时其尺寸也能直接装入表盘内，因此选择一款型号为28BYJ48的永磁式步进电机，该电机采用5线4相，12V供电，减速比为1：64，步距角为5.625/64。如果直接采用PLC控制，则需要提供4路一定时序的脉冲信号。
考虑到采用PLC直接控制步进电机需要占用PLC四路输出口，且编程实现较复杂。因此采用单片机直接控制步进电机，而PLC间接控制的实现方案。控制信号为一路脉冲信号，由PLC输出至单片机，其脉冲数控制指针的转动角度，脉冲频率控制指针的转动速度。该方案仅占用PLC（模拟仿真设备主控制器）的一个输出点，并且简化了PLC的编程任务。
步进电机的控制芯片选取ATM公司的ATmega8单片机。ATmega8是一款高性能、低功耗的 8 位单片机，采用先进的RISC 结构，其芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具有8 路10 位ADC、23个可编程的I/O 口、三通道PWM等，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚的封装（为DIP28和TQFP/MLF32），所以其价格仅与低档单片机相当，成为极高性价比的单片机。脉冲信号由单片机第9引脚即PD5（T1）引脚输入，PB0-PB2引脚输出电平，用于控制步进电机转动。外围电路包括稳压电路，为单片机提供稳定5V电压；反相器电路，使电机输入稳定电平；程序下载电路，用于单片机程序下载；还有其他的如晶振电路、指示灯等。
3 结论
本文针对承压类仿真培训装置中的压力表的电气化改装提出两种实现方案。电子转速表方案结构简单可靠，改装开发成本低，周期短，较容易实现压力表指针的位置控制，但指针的速度控制实现较为复杂。由PLC输出控制信号，单片机直接驱动控制的步进电机方案增加了改装的复杂度，但却能容易地实现压力表指针的位置和速度控制，占用较少的PLC节点，简化了PLC的编程任务。
参考文献
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[2] 劳动社保部教材办公室.锅炉操作工-基础知识.北京：中国劳动社会保障出版社，2001
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[6] 吴正权.摩托车用电子转速表结构原理及维护.摩托车，2006，（10）：20-22
[7] 骆涵秀，李式伦，朱捷，等.机电控制.杭州：浙江大学出版社，1994