智能控制隔膜閥的設計及應用研究

摘要：我國將生物制藥、生物疫苗及食品加工行業列為重點優先發展領域，并為上述領域帶來廣闊的發展前景。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Burkert、GEMUE兩家企業為主導，這兩家在我國市場占有率達到80%以上。目前，產品普遍存在的交貨期長、價格高昂、維護不方便等問題。基于此，本文將針對智能控制隔膜閥的設計及應用進行具體的闡述與研究，旨在為推進我國醫藥領域智能控制隔膜閥的研究提供助力。

關鍵詞：智能控制；隔膜閥；醫藥；設計

DOI：10.12433/zgkjtz.20231907

因隔膜閥閥座采用獨特的無填料隔膜片設計，可使閥門中的物料與所有驅動部件處于隔離狀態（無死區），通過一定角度安裝實現自動排凈管道閥門中物料（無滯留）的作用，所以該閥大多數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體等行業，值得注意的是，上述行業自動化無菌化已是大勢所趨，其中，智能控制顯得尤為重要。目前，國內的智能控制閥主要依靠進口，存在交貨期長、價格高昂、維護不方便等問題。因此，開發新型具有自主知識產權的智能控制閥，可以推進制藥、食品裝備現代化整體發展，促使智能控制閥能夠與國際先進水平并肩，降低工業自動化應用成本。

一、智能控制隔膜閥的設計與分析

（一）智能控制隔膜閥的設計思路

智能控制隔膜閥在進行實際設計的過程中，主要任務包括閥門氣動執行機構、閥體、隔膜片、智能定位器及其內部的電磁閥島氣路集成控制設計和規劃，系統軟硬件的設計與優化，流量特性實現方式，控制算法相關研究與實驗。在實際應用的過程中，具體的思路與工作內容是：第一，智能定位器的核心是控制主板，微處理采用STM32F103B，硬件電路的設計、優化等也由此完成，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轉換電路、串口通訊電路等的設計，發揮的作用是硬件電路的測試工作，并處置硬件電路中存在的相應問題，在此基礎上，底層驅動函數的編寫、軟件規劃的編寫也要順利完成。第二，智能定位器根據設定的模擬量信號值控制電磁閥進排氣，輸送精準氣壓至隔膜閥氣動執行機構，通過驅動閥門開合定位的精準控制，調節管道內流量、壓力以及溫度等。要做到對智能定位器工作原理的深入了解，詳細分析控制系統的各個組成部分，在確定電磁閥的工作原理后，完成PWM電磁閥驅動；同時，應用電子尺式的精密電位器做位置傳感器之用，并實時開展對位置傳感器的標定、檢測工作，確定閥桿行程和AD采樣值之間的關系，執行機構是直行程，需要進行閥位反饋的非線性修正；對于整個控制系統而言，軟件部分的核心是控制算法，基于PWM電磁閥驅動實驗的完成，獲得進排氣狀態之中的最小占空比，并根據調節閥所具備的特點，研究控制算法，盡快完成五步開關控制算法的改善，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用。

隔膜閥潔凈度會直接影響物料的品質，將閥芯在氣缸體上的直行程導向槽設計在同閥體中口內部，當螺栓將執行機構、隔膜片、閥體連接鎖緊后形成圓形閉環，減少死區。隔膜閥使用壽命和穩定性主要取決于隔膜片，隔膜片上的預埋螺釘設計為T字形，插入閥芯槽內旋轉90?，通過柔性連接固定方式，實現閥門關閉時擠壓隔膜片受力均勻的效果，延長使用壽命。為了避免隔膜閥在高溫使用中出現隔膜片橡膠層受熱收縮變形帶來的外泄風險，將隔膜片橡膠層內嵌到氣缸體內部，同時確保鎖緊后的氣缸體、隔膜片、閥體相對平行，提升隔膜片密封性能。

（二）智能控制隔膜閥的技術指標與經濟指標

在實際設計智能控制隔膜閥的過程中，需要確定技術指標以及經濟指標。技術指標包括：第一，操作模式：手動、自動；第二，輸入電阻：480Ω；第三，輸入信號：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：0.6%；第九，氣室的密封性：在額定氣源壓力下，5min內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，環境溫度：溫度－25℃～+55℃，相對溫度5%～100%。而經濟指標表現為根據公司現有生產能力和市場需求情況，產品將投入大批量生產，計劃年產量4000臺，以平均價格6000元/臺計算，年銷售收入可達2400萬元，每年可創利潤480多萬元，稅金120多萬元。隨著國內外市場不斷擴大，公司將進行技術改造，逐步提高生產能力；并進一步加強企業管理，改進工藝和提高生產效率，降低生產成本，以此獲得更好的經濟效益。

（三）智能控制隔膜閥的結構和工作原理

1.結構

智能控制閥的主要附件為智能定位器和氣動隔膜閥。它將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號，以控制器輸出信號作為設定信號進行比較，當二者有偏差時，改變執行機構的輸出信號，使執行機構產生動作，以建立閥桿位移量與控制器輸出信號之間的對應關系。因此，智能定位器組成以閥桿位移為測量信號，以控制器輸出為設定信號的反饋控制系統。操縱變量是智能定位器對氣動執行機構的輸出控制。雖然智能定位器與傳統定位器在控制原理上基本相同，都是將輸入信號與閥位反饋信號比較后，調節輸出壓力信號，但在執行元件上智能定位器和傳統定位器完全不同，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傳統定位器中的噴嘴、擋板調壓系統調節輸出壓力。智能定位器與隔膜閥配套使用，組成一個閉合的控制回路系統。

2.工作原理

由閥桿位置傳感器拾取閥門的實際開度信號，通過A/D轉換變為數字信號，與定位器的輸入（設定）信號在CPU中進行對比，計算二者偏差值。如果偏差值超出定位精度，CPU輸出指令使相應的開/關壓電閥動作，即當設定信號大于閥位反饋信號時，打開進氣電磁閥V－1，輸出氣源壓力P1增大，執行機構氣室壓力增加使閥門開度增加，減小二者偏差；如果設定信號小于閥位反饋信號，打開排氣電磁閥V－2，通過消音器排氣減小輸出氣源壓力Pl，氣動執行機構氣室壓力減小使閥門開度減小，二者偏差減小。控制隔膜閥是根據設定的模擬量信號值對定位器內部電磁閥控制進排氣，輸送精準氣壓至隔膜閥氣動執行機構，從而實現驅動閥門開合定位的精準控制，保證調節管道內流量、壓力以及溫度等控制目的的實現。

（四）智能控制隔膜閥的軟硬件系統設計

在智能控制隔膜閥的軟件系統設計中，包括以下內容：第一，通信模塊：完成不同設備之間的信息傳輸和交換。第二，顯示模塊：系統將各種信息通過顯示設備輸出，供操作者使用。第三，數據處理模塊：將采集到的信號進行加工處理，得到所需結果。第四，監控模塊：通過獲得鍵盤信息，解釋并執行，完成操作者對系統的控制，實現系統的可操作性。第五，初始化模塊：完成系統硬件的初始設置和軟件系統中各個變量默認值的設置。第六，信號輸出模塊：根據控制決策模塊的結論，輸出對應的模擬信號或數字信號，對控制對象進行操作，使其按預定要求運行。第七，控制決策模塊：根據數據處理的結果和系統的狀態，通過智能算法，決定系統應采取的運行策略。第八，數據采集模塊：采集系統運行需要的外部信息，通常包括采集從調節閥傳來的信號和設定的信號，并進行相應的轉換，使之被單片機接收并處理。第九，時鐘模塊：對于時鐘系統運行、設置等的完成，為其他模塊提供時間數據。確保系統時鐘實現的方式包括定時器實現和時鐘芯片實現。

而在智能控制隔膜閥的硬件系統設計中，包括人機界面（按鍵、液顯）、電磁閥、微控制器、閥位傳感器、CAN總線通信六個部分。

二、智能控制隔膜閥的應用研究

（一）基本應用原理

隔膜閥的結構形式與一般閥門不同，是一種新型的閥門，一般驅動方式為手動、氣動以及電動，具備形式較特殊，其啟閉件為隔膜片、材質一般為軟質雙層結構，上層為三元乙丙（EPDM）橡膠，下層為聚四氟乙烯（TFFE），發揮的作用體現在將閥體、閥蓋內腔、驅動部件等進行隔離，實現無死區的目的，通過一定角度安裝閥門自動排凈管道閥門中的物料，進而呈現無滯留效果，使用后還可對閥門內腔進行在線高溫蒸汽滅菌（SIP）。這種方式現被廣泛應用在各個領域中，尤其是生物制藥和生物疫苗領域。而目前市場上隔膜閥存在的不足包括缺少高精度智能化控制模塊、不能完全達到無菌需求、隔膜片高溫滅菌易損壞、閥門外部整體死區較多不易清潔、維修不便、維護成本較高等。

（二）具體應用與應用效果分析

1.具體應用探索

生物制藥、食品工業及生物疫苗對生產環境潔凈度要求較苛刻，傳統手動閥、氣動閥或電動閥無法滿足行業發展的需求，自動化智能化控制閥顯得尤為重要，在氣動閥基礎上設計一款以微處理器為核心智能定位器也很重要。

在生產制藥和疫苗中，隔膜閥潔凈度會直接影響物料的質量，傳統閥芯與氣缸體兩側有延伸的導向槽，本文將閥芯在氣缸體上的直行程導向槽設計在同閥體中口內部，當螺栓將執行機構、隔膜片、閥體連接鎖緊后形成圓形閉環，減少死區。

隔膜閥使用壽命和穩定性主要取決于隔膜片，傳統隔膜片預埋螺釘與閥芯通過螺紋硬性連接，導致閥門關閉時擠壓隔膜片的受力點集中在螺紋區域，容易壓壞隔膜片。本文將隔膜片上的預埋螺釘設計為T字形，插入閥芯槽內旋轉90?，通過柔性連接固定方式，確保閥門關閉時擠壓隔膜片的受力均勻，延長使用壽命。

為了避免隔膜閥在高溫使用中出現隔膜片橡膠層受熱收縮變形帶來的外泄風險，傳統隔膜片橡膠層與聚四氟乙烯層外形尺寸一致，而邊緣會裸露在外，本文將橡膠層外形設計成圓形且比聚四氟乙烯層小一圈，并將隔膜片橡膠層內嵌到氣缸體內部，同時確保鎖緊后的氣缸體、隔膜片、閥體處于相對平行，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計，取消了傳統螺紋或螺栓連接的固定方式、利于拆卸維護，同時尺寸更小、外形光整、便于清潔。智能定位器通過二顆小螺絲與氣動執行結構連接一體，便于拆卸維護。

2.應用效果分析

該產品通過采用電氣控制、機械設計、流體動力學及材料等技術解決了目前市場上同類產品的缺點，突破我國智能控制閥產品的技術瓶頸；對我國食品制藥裝備現代化省級高新技術產業基地建設、食品制藥裝備整體水平的提升、食品制藥行業生產條件的改善具有重要作用。在投入生產后，實現新增解決就業人員30名，帶動了相關產品的發展和市場的開拓，帶動了緊固件、密封件、鑄、鍛、焊、熱處理專業工藝的提高，產業鏈延伸、品牌提升、效益提升的帶動和輻射效應十分明顯。產品質量與性能得到一致的好評，解決了客戶因購買進口控制閥帶來的交貨期長、價格高昂、維護不便等問題。同時，這種隔膜閥的技術優勢也較顯著，整個產品采用不銹鋼和環保材料設計，安全無污染，適用于生物制藥、生物疫苗、食品工業及半導體等行業。產品采用標準化、模組化設計，通過簡單組合，實現功能的多樣化。一個智能控制可安裝到不同規格、不同種類的氣動閥上進行組合。

智能控制閥帶有自整定功能，在自整定過程中對記憶氣源氣壓大小、閥門行程進行記憶，以確定閥門的開啟速度等，從而使控制精度更加準確。可通過控制器或信號變送器將模擬位置反饋顯示到終端顯示器上，便于觀察閥門運行狀態。同時，具有故障報警、緊閉、反向、用戶可自由編程的特性曲線、起始位置、行程限制、死區設置、密碼保護、安全位置等輔助功能，能滿足不同的控制需求；相比較而言，比例調節閥和PLC（或其他控制器）組合，可以實現控制閥功能，智能控制閥整合了二者功能，可以節省成本和空間；高精度化的結構設計，使其具備外形精小簡潔、產品穩定性好、可動部件少、對振動不敏感等優勢特點；產品控制準度高、安裝容易、操作簡便、故障率低、維護方便、可遠程操作適用于各種工業場合；標準的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、內置四鍵式菜單、具有手動和自動控制功能選項、可實現簡捷的操作和編程指示，便于現場調試和維護。

三、結語

綜上所述，關于智能控制隔膜閥的設計與應用，適用于生物制藥、生物疫苗、食品加工以及電子半導體等領域，筆者從智能控制隔膜閥的設計思路、技術指標與經濟指標、結構和工作原理、軟硬件系統設計以及應用研究多個角度出發，著重闡述智能控制隔膜閥的設計在多個領域發展中的關鍵作用，希望能為相關領域的發展提供助力，將隔膜閥設計推廣到更多行業中。

參考文獻：

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作者簡介：王陽鋒（1988），男，江西省上饒市人，本科，中級工程師，現任浙江希伯倫自控工程科技有限公司副總經理兼總工程師，主要從事生物制藥、食品飲料等工程研究（工藝生產制造）。