智能控制隔膜閥的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

摘要：我國(guó)將生物制藥、生物疫苗及食品加工行業(yè)列為重點(diǎn)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，并為上述領(lǐng)域帶來(lái)廣闊的發(fā)展前景。在生物制藥、生物疫苗及食品加工的智能控制閥主要以德國(guó)Burkert、GEMUE兩家企業(yè)為主導(dǎo)，這兩家在我國(guó)市場(chǎng)占有率達(dá)到80%以上。目前，產(chǎn)品普遍存在的交貨期長(zhǎng)、價(jià)格高昂、維護(hù)不方便等問(wèn)題?；诖?，本文將針對(duì)智能控制隔膜閥的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行具體的闡述與研究，旨在為推進(jìn)我國(guó)醫(yī)藥領(lǐng)域智能控制隔膜閥的研究提供助力。

關(guān)鍵詞：智能控制；隔膜閥；醫(yī)藥；設(shè)計(jì)

DOI：10.12433/zgkjtz.20231907

因隔膜閥閥座采用獨(dú)特的無(wú)填料隔膜片設(shè)計(jì)，可使閥門中的物料與所有驅(qū)動(dòng)部件處于隔離狀態(tài)（無(wú)死區(qū)），通過(guò)一定角度安裝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排凈管道閥門中物料（無(wú)滯留）的作用，所以該閥大多數(shù)用于潔凈度較高的生物制藥、生物疫苗、食品加工以及電子半導(dǎo)體等行業(yè)，值得注意的是，上述行業(yè)自動(dòng)化無(wú)菌化已是大勢(shì)所趨，其中，智能控制顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)的智能控制閥主要依靠進(jìn)口，存在交貨期長(zhǎng)、價(jià)格高昂、維護(hù)不方便等問(wèn)題。因此，開發(fā)新型具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能控制閥，可以推進(jìn)制藥、食品裝備現(xiàn)代化整體發(fā)展，促使智能控制閥能夠與國(guó)際先進(jìn)水平并肩，降低工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用成本。

一、智能控制隔膜閥的設(shè)計(jì)與分析

（一）智能控制隔膜閥的設(shè)計(jì)思路

智能控制隔膜閥在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要任務(wù)包括閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥體、隔膜片、智能定位器及其內(nèi)部的電磁閥島氣路集成控制設(shè)計(jì)和規(guī)劃，系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，流量特性實(shí)現(xiàn)方式，控制算法相關(guān)研究與實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，具體的思路與工作內(nèi)容是：第一，智能定位器的核心是控制主板，微處理采用STM32F103B，硬件電路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化等也由此完成，其中包括電源電路、AD采用電路、微處理器I/O資源分配、I/V轉(zhuǎn)換電路、串口通訊電路等的設(shè)計(jì)，發(fā)揮的作用是硬件電路的測(cè)試工作，并處置硬件電路中存在的相應(yīng)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫、軟件規(guī)劃的編寫也要順利完成。第二，智能定位器根據(jù)設(shè)定的模擬量信號(hào)值控制電磁閥進(jìn)排氣，輸送精準(zhǔn)氣壓至隔膜閥氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)閥門開合定位的精準(zhǔn)控制，調(diào)節(jié)管道內(nèi)流量、壓力以及溫度等。要做到對(duì)智能定位器工作原理的深入了解，詳細(xì)分析控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，在確定電磁閥的工作原理后，完成PWM電磁閥驅(qū)動(dòng)；同時(shí)，應(yīng)用電子尺式的精密電位器做位置傳感器之用，并實(shí)時(shí)開展對(duì)位置傳感器的標(biāo)定、檢測(cè)工作，確定閥桿行程和AD采樣值之間的關(guān)系，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直行程，需要進(jìn)行閥位反饋的非線性修正；對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，軟件部分的核心是控制算法，基于PWM電磁閥驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的完成，獲得進(jìn)排氣狀態(tài)之中的最小占空比，并根據(jù)調(diào)節(jié)閥所具備的特點(diǎn)，研究控制算法，盡快完成五步開關(guān)控制算法的改善，確保自整定PID控制算法在智能控制隔膜閥的閥門定位器中的應(yīng)用。

隔膜閥潔凈度會(huì)直接影響物料的品質(zhì)，將閥芯在氣缸體上的直行程導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)在同閥體中口內(nèi)部，當(dāng)螺栓將執(zhí)行機(jī)構(gòu)、隔膜片、閥體連接鎖緊后形成圓形閉環(huán)，減少死區(qū)。隔膜閥使用壽命和穩(wěn)定性主要取決于隔膜片，隔膜片上的預(yù)埋螺釘設(shè)計(jì)為T字形，插入閥芯槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)90?，通過(guò)柔性連接固定方式，實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉時(shí)擠壓隔膜片受力均勻的效果，延長(zhǎng)使用壽命。為了避免隔膜閥在高溫使用中出現(xiàn)隔膜片橡膠層受熱收縮變形帶來(lái)的外泄風(fēng)險(xiǎn)，將隔膜片橡膠層內(nèi)嵌到氣缸體內(nèi)部，同時(shí)確保鎖緊后的氣缸體、隔膜片、閥體相對(duì)平行，提升隔膜片密封性能。

（二）智能控制隔膜閥的技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

在實(shí)際設(shè)計(jì)智能控制隔膜閥的過(guò)程中，需要確定技術(shù)指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。技術(shù)指標(biāo)包括：第一，操作模式：手動(dòng)、自動(dòng)；第二，輸入電阻：480Ω；第三，輸入信號(hào)：4～20mA、0～20mA、0～10V、0～5V；第四，行程：15～25mm；第五，氣源壓力（最大值）：氣壓700kPa；第六，回差：1.5%；第七，基本誤差：±1.5%；第八，死區(qū)：0.6%；第九，氣室的密封性：在額定氣源壓力下，5min內(nèi)氣缸各氣室的壓力下降不得大于5kPa；第十，功耗：小于5W；第十一，輸入電源：VDC±10%，最大紋波5%；第十二，環(huán)境溫度：溫度－25℃～+55℃，相對(duì)溫度5%～100%。而經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表現(xiàn)為根據(jù)公司現(xiàn)有生產(chǎn)能力和市場(chǎng)需求情況，產(chǎn)品將投入大批量生產(chǎn)，計(jì)劃年產(chǎn)量4000臺(tái)，以平均價(jià)格6000元/臺(tái)計(jì)算，年銷售收入可達(dá)2400萬(wàn)元，每年可創(chuàng)利潤(rùn)480多萬(wàn)元，稅金120多萬(wàn)元。隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，公司將進(jìn)行技術(shù)改造，逐步提高生產(chǎn)能力；并進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)管理，改進(jìn)工藝和提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，以此獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

（三）智能控制隔膜閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.結(jié)構(gòu)

智能控制閥的主要附件為智能定位器和氣動(dòng)隔膜閥。它將閥桿位移信號(hào)作為輸入的反饋測(cè)量信號(hào)，以控制器輸出信號(hào)作為設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)二者有偏差時(shí)，改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)作，以建立閥桿位移量與控制器輸出信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，智能定位器組成以閥桿位移為測(cè)量信號(hào)，以控制器輸出為設(shè)定信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)。操縱變量是智能定位器對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出控制。雖然智能定位器與傳統(tǒng)定位器在控制原理上基本相同，都是將輸入信號(hào)與閥位反饋信號(hào)比較后，調(diào)節(jié)輸出壓力信號(hào)，但在執(zhí)行元件上智能定位器和傳統(tǒng)定位器完全不同，工作方式上二者完全不同。智能定位器以微處理器為核心，利用新型的電磁閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)定位器中的噴嘴、擋板調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出壓力。智能定位器與隔膜閥配套使用，組成一個(gè)閉合的控制回路系統(tǒng)。

2.工作原理

由閥桿位置傳感器拾取閥門的實(shí)際開度信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，與定位器的輸入（設(shè)定）信號(hào)在CPU中進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算二者偏差值。如果偏差值超出定位精度，CPU輸出指令使相應(yīng)的開/關(guān)壓電閥動(dòng)作，即當(dāng)設(shè)定信號(hào)大于閥位反饋信號(hào)時(shí)，打開進(jìn)氣電磁閥V－1，輸出氣源壓力P1增大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力增加使閥門開度增加，減小二者偏差；如果設(shè)定信號(hào)小于閥位反饋信號(hào)，打開排氣電磁閥V－2，通過(guò)消音器排氣減小輸出氣源壓力Pl，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力減小使閥門開度減小，二者偏差減小?？刂聘裟らy是根據(jù)設(shè)定的模擬量信號(hào)值對(duì)定位器內(nèi)部電磁閥控制進(jìn)排氣，輸送精準(zhǔn)氣壓至隔膜閥氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)閥門開合定位的精準(zhǔn)控制，保證調(diào)節(jié)管道內(nèi)流量、壓力以及溫度等控制目的的實(shí)現(xiàn)。

（四）智能控制隔膜閥的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在智能控制隔膜閥的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包括以下內(nèi)容：第一，通信模塊：完成不同設(shè)備之間的信息傳輸和交換。第二，顯示模塊：系統(tǒng)將各種信息通過(guò)顯示設(shè)備輸出，供操作者使用。第三，數(shù)據(jù)處理模塊：將采集到的信號(hào)進(jìn)行加工處理，得到所需結(jié)果。第四，監(jiān)控模塊：通過(guò)獲得鍵盤信息，解釋并執(zhí)行，完成操作者對(duì)系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可操作性。第五，初始化模塊：完成系統(tǒng)硬件的初始設(shè)置和軟件系統(tǒng)中各個(gè)變量默認(rèn)值的設(shè)置。第六，信號(hào)輸出模塊：根據(jù)控制決策模塊的結(jié)論，輸出對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作，使其按預(yù)定要求運(yùn)行。第七，控制決策模塊：根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果和系統(tǒng)的狀態(tài)，通過(guò)智能算法，決定系統(tǒng)應(yīng)采取的運(yùn)行策略。第八，數(shù)據(jù)采集模塊：采集系統(tǒng)運(yùn)行需要的外部信息，通常包括采集從調(diào)節(jié)閥傳來(lái)的信號(hào)和設(shè)定的信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，使之被單片機(jī)接收并處理。第九，時(shí)鐘模塊：對(duì)于時(shí)鐘系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)置等的完成，為其他模塊提供時(shí)間數(shù)據(jù)。確保系統(tǒng)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)的方式包括定時(shí)器實(shí)現(xiàn)和時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)。

而在智能控制隔膜閥的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包括人機(jī)界面（按鍵、液顯）、電磁閥、微控制器、閥位傳感器、CAN總線通信六個(gè)部分。

二、智能控制隔膜閥的應(yīng)用研究

（一）基本應(yīng)用原理

隔膜閥的結(jié)構(gòu)形式與一般閥門不同，是一種新型的閥門，一般驅(qū)動(dòng)方式為手動(dòng)、氣動(dòng)以及電動(dòng)，具備形式較特殊，其啟閉件為隔膜片、材質(zhì)一般為軟質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)，上層為三元乙丙（EPDM）橡膠，下層為聚四氟乙烯（TFFE），發(fā)揮的作用體現(xiàn)在將閥體、閥蓋內(nèi)腔、驅(qū)動(dòng)部件等進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)無(wú)死區(qū)的目的，通過(guò)一定角度安裝閥門自動(dòng)排凈管道閥門中的物料，進(jìn)而呈現(xiàn)無(wú)滯留效果，使用后還可對(duì)閥門內(nèi)腔進(jìn)行在線高溫蒸汽滅菌（SIP）。這種方式現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，尤其是生物制藥和生物疫苗領(lǐng)域。而目前市場(chǎng)上隔膜閥存在的不足包括缺少高精度智能化控制模塊、不能完全達(dá)到無(wú)菌需求、隔膜片高溫滅菌易損壞、閥門外部整體死區(qū)較多不易清潔、維修不便、維護(hù)成本較高等。

（二）具體應(yīng)用與應(yīng)用效果分析

1.具體應(yīng)用探索

生物制藥、食品工業(yè)及生物疫苗對(duì)生產(chǎn)環(huán)境潔凈度要求較苛刻，傳統(tǒng)手動(dòng)閥、氣動(dòng)閥或電動(dòng)閥無(wú)法滿足行業(yè)發(fā)展的需求，自動(dòng)化智能化控制閥顯得尤為重要，在氣動(dòng)閥基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款以微處理器為核心智能定位器也很重要。

在生產(chǎn)制藥和疫苗中，隔膜閥潔凈度會(huì)直接影響物料的質(zhì)量，傳統(tǒng)閥芯與氣缸體兩側(cè)有延伸的導(dǎo)向槽，本文將閥芯在氣缸體上的直行程導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)在同閥體中口內(nèi)部，當(dāng)螺栓將執(zhí)行機(jī)構(gòu)、隔膜片、閥體連接鎖緊后形成圓形閉環(huán)，減少死區(qū)。

隔膜閥使用壽命和穩(wěn)定性主要取決于隔膜片，傳統(tǒng)隔膜片預(yù)埋螺釘與閥芯通過(guò)螺紋硬性連接，導(dǎo)致閥門關(guān)閉時(shí)擠壓隔膜片的受力點(diǎn)集中在螺紋區(qū)域，容易壓壞隔膜片。本文將隔膜片上的預(yù)埋螺釘設(shè)計(jì)為T字形，插入閥芯槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)90?，通過(guò)柔性連接固定方式，確保閥門關(guān)閉時(shí)擠壓隔膜片的受力均勻，延長(zhǎng)使用壽命。

為了避免隔膜閥在高溫使用中出現(xiàn)隔膜片橡膠層受熱收縮變形帶來(lái)的外泄風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)隔膜片橡膠層與聚四氟乙烯層外形尺寸一致，而邊緣會(huì)裸露在外，本文將橡膠層外形設(shè)計(jì)成圓形且比聚四氟乙烯層小一圈，并將隔膜片橡膠層內(nèi)嵌到氣缸體內(nèi)部，同時(shí)確保鎖緊后的氣缸體、隔膜片、閥體處于相對(duì)平行，提升隔膜片密封性能。

氣缸體與氣缸蓋連接采用三段卡槽設(shè)計(jì)，取消了傳統(tǒng)螺紋或螺栓連接的固定方式、利于拆卸維護(hù)，同時(shí)尺寸更小、外形光整、便于清潔。智能定位器通過(guò)二顆小螺絲與氣動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)連接一體，便于拆卸維護(hù)。

2.應(yīng)用效果分析

該產(chǎn)品通過(guò)采用電氣控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、流體動(dòng)力學(xué)及材料等技術(shù)解決了目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的缺點(diǎn)，突破我國(guó)智能控制閥產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸；對(duì)我國(guó)食品制藥裝備現(xiàn)代化省級(jí)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)、食品制藥裝備整體水平的提升、食品制藥行業(yè)生產(chǎn)條件的改善具有重要作用。在投入生產(chǎn)后，實(shí)現(xiàn)新增解決就業(yè)人員30名，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展和市場(chǎng)的開拓，帶動(dòng)了緊固件、密封件、鑄、鍛、焊、熱處理專業(yè)工藝的提高，產(chǎn)業(yè)鏈延伸、品牌提升、效益提升的帶動(dòng)和輻射效應(yīng)十分明顯。產(chǎn)品質(zhì)量與性能得到一致的好評(píng)，解決了客戶因購(gòu)買進(jìn)口控制閥帶來(lái)的交貨期長(zhǎng)、價(jià)格高昂、維護(hù)不便等問(wèn)題。同時(shí)，這種隔膜閥的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也較顯著，整個(gè)產(chǎn)品采用不銹鋼和環(huán)保材料設(shè)計(jì)，安全無(wú)污染，適用于生物制藥、生物疫苗、食品工業(yè)及半導(dǎo)體等行業(yè)。產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)化、模組化設(shè)計(jì)，通過(guò)簡(jiǎn)單組合，實(shí)現(xiàn)功能的多樣化。一個(gè)智能控制可安裝到不同規(guī)格、不同種類的氣動(dòng)閥上進(jìn)行組合。

智能控制閥帶有自整定功能，在自整定過(guò)程中對(duì)記憶氣源氣壓大小、閥門行程進(jìn)行記憶，以確定閥門的開啟速度等，從而使控制精度更加準(zhǔn)確?？赏ㄟ^(guò)控制器或信號(hào)變送器將模擬位置反饋顯示到終端顯示器上，便于觀察閥門運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，具有故障報(bào)警、緊閉、反向、用戶可自由編程的特性曲線、起始位置、行程限制、死區(qū)設(shè)置、密碼保護(hù)、安全位置等輔助功能，能滿足不同的控制需求；相比較而言，比例調(diào)節(jié)閥和PLC（或其他控制器）組合，可以實(shí)現(xiàn)控制閥功能，智能控制閥整合了二者功能，可以節(jié)省成本和空間；高精度化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具備外形精小簡(jiǎn)潔、產(chǎn)品穩(wěn)定性好、可動(dòng)部件少、對(duì)振動(dòng)不敏感等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)；產(chǎn)品控制準(zhǔn)度高、安裝容易、操作簡(jiǎn)便、故障率低、維護(hù)方便、可遠(yuǎn)程操作適用于各種工業(yè)場(chǎng)合；標(biāo)準(zhǔn)的NAMUR和DINIEC連接界面，適用于第三方公司的閥門控制；配有LCD操作面、內(nèi)置四鍵式菜單、具有手動(dòng)和自動(dòng)控制功能選項(xiàng)、可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷的操作和編程指示，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，關(guān)于智能控制隔膜閥的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，適用于生物制藥、生物疫苗、食品加工以及電子半導(dǎo)體等領(lǐng)域，筆者從智能控制隔膜閥的設(shè)計(jì)思路、技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)和工作原理、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用研究多個(gè)角度出發(fā)，著重闡述智能控制隔膜閥的設(shè)計(jì)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展中的關(guān)鍵作用，希望能為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供助力，將隔膜閥設(shè)計(jì)推廣到更多行業(yè)中。

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作者簡(jiǎn)介：王陽(yáng)鋒（1988），男，江西省上饒市人，本科，中級(jí)工程師，現(xiàn)任浙江希伯倫自控工程科技有限公司副總經(jīng)理兼總工程師，主要從事生物制藥、食品飲料等工程研究（工藝生產(chǎn)制造）。