智能控制隔膜阀的设计及应用研究

摘要：我国将生物制药、生物疫苗及食品加工行业列为重点优先发展领域，并为上述领域带来广阔的发展前景。在生物制药、生物疫苗及食品加工的智能控制阀主要以德国Burkert、GEMUE两家企业为主导，这两家在我国市场占有率达到80%以上。目前，产品普遍存在的交货期长、价格高昂、维护不方便等问题。基于此，本文将针对智能控制隔膜阀的设计及应用进行具体的阐述与研究，旨在为推进我国医药领域智能控制隔膜阀的研究提供助力。

关键词：智能控制；隔膜阀；医药；设计

DOI：10.12433/zgkjtz.20231907

因隔膜阀阀座采用独特的无填料隔膜片设计，可使阀门中的物料与所有驱动部件处于隔离状态（无死区），通过一定角度安装实现自动排净管道阀门中物料（无滞留）的作用，所以该阀大多数用于洁净度较高的生物制药、生物疫苗、食品加工以及电子半导体等行业，值得注意的是，上述行业自动化无菌化已是大势所趋，其中，智能控制显得尤为重要。目前，国内的智能控制阀主要依靠进口，存在交货期长、价格高昂、维护不方便等问题。因此，开发新型具有自主知识产权的智能控制阀，可以推进制药、食品装备现代化整体发展，促使智能控制阀能够与国际先进水平并肩，降低工业自动化应用成本。

一、智能控制隔膜阀的设计与分析

（一）智能控制隔膜阀的设计思路

智能控制隔膜阀在进行实际设计的过程中，主要任务包括阀门气动执行机构、阀体、隔膜片、智能定位器及其内部的电磁阀岛气路集成控制设计和规划，系统软硬件的设计与优化，流量特性实现方式，控制算法相关研究与实验。在实际应用的过程中，具体的思路与工作内容是：第一，智能定位器的核心是控制主板，微处理采用STM32F103B，硬件电路的设计、优化等也由此完成，其中包括电源电路、AD采用电路、微处理器I/O资源分配、I/V转换电路、串口通讯电路等的设计，发挥的作用是硬件电路的测试工作，并处置硬件电路中存在的相应问题，在此基础上，底层驱动函数的编写、软件规划的编写也要顺利完成。第二，智能定位器根据设定的模拟量信号值控制电磁阀进排气，输送精准气压至隔膜阀气动执行机构，通过驱动阀门开合定位的精准控制，调节管道内流量、压力以及温度等。要做到对智能定位器工作原理的深入了解，详细分析控制系统的各个组成部分，在确定电磁阀的工作原理后，完成PWM电磁阀驱动；同时，应用电子尺式的精密电位器做位置传感器之用，并实时开展对位置传感器的标定、检测工作，确定阀杆行程和AD采样值之间的关系，执行机构是直行程，需要进行阀位反馈的非线性修正；对于整个控制系统而言，软件部分的核心是控制算法，基于PWM电磁阀驱动实验的完成，获得进排气状态之中的最小占空比，并根据调节阀所具备的特点，研究控制算法，尽快完成五步开关控制算法的改善，确保自整定PID控制算法在智能控制隔膜阀的阀门定位器中的应用。

隔膜阀洁净度会直接影响物料的品质，将阀芯在气缸体上的直行程导向槽设计在同阀体中口内部，当螺栓将执行机构、隔膜片、阀体连接锁紧后形成圆形闭环，减少死区。隔膜阀使用寿命和稳定性主要取决于隔膜片，隔膜片上的预埋螺钉设计为T字形，插入阀芯槽内旋转90?，通过柔性连接固定方式，实现阀门关闭时挤压隔膜片受力均匀的效果，延长使用寿命。为了避免隔膜阀在高温使用中出现隔膜片橡胶层受热收缩变形带来的外泄风险，将隔膜片橡胶层内嵌到气缸体内部，同时确保锁紧后的气缸体、隔膜片、阀体相对平行，提升隔膜片密封性能。

（二）智能控制隔膜阀的技术指标与经济指标

在实际设计智能控制隔膜阀的过程中，需要确定技术指标以及经济指标。技术指标包括：第一，操作模式：手动、自动；第二，输入电阻：480Ω；第三，输入信号：4～20mA、0～20mA、0～10V、0～5V；第四，行程：15～25mm；第五，气源压力（最大值）：气压700kPa；第六，回差：1.5%；第七，基本误差：±1.5%；第八，死区：0.6%；第九，气室的密封性：在额定气源压力下，5min内气缸各气室的压力下降不得大于5kPa；第十，功耗：小于5W；第十一，输入电源：VDC±10%，最大纹波5%；第十二，环境温度：温度－25℃～+55℃，相对温度5%～100%。而经济指标表现为根据公司现有生产能力和市场需求情况，产品将投入大批量生产，计划年产量4000台，以平均价格6000元/台计算，年销售收入可达2400万元，每年可创利润480多万元，税金120多万元。随着国内外市场不断扩大，公司将进行技术改造，逐步提高生产能力；并进一步加强企业管理，改进工艺和提高生产效率，降低生产成本，以此获得更好的经济效益。

（三）智能控制隔膜阀的结构和工作原理

1.结构

智能控制阀的主要附件为智能定位器和气动隔膜阀。它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，以控制器输出信号作为设定信号进行比较，当二者有偏差时，改变执行机构的输出信号，使执行机构产生动作，以建立阀杆位移量与控制器输出信号之间的对应关系。因此，智能定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。操纵变量是智能定位器对气动执行机构的输出控制。虽然智能定位器与传统定位器在控制原理上基本相同，都是将输入信号与阀位反馈信号比较后，调节输出压力信号，但在执行元件上智能定位器和传统定位器完全不同，工作方式上二者完全不同。智能定位器以微处理器为核心，利用新型的电磁阀代替传统定位器中的喷嘴、挡板调压系统调节输出压力。智能定位器与隔膜阀配套使用，组成一个闭合的控制回路系统。

2.工作原理

由阀杆位置传感器拾取阀门的实际开度信号，通过A/D转换变为数字信号，与定位器的输入（设定）信号在CPU中进行对比，计算二者偏差值。如果偏差值超出定位精度，CPU输出指令使相应的开/关压电阀动作，即当设定信号大于阀位反馈信号时，打开进气电磁阀V－1，输出气源压力P1增大，执行机构气室压力增加使阀门开度增加，减小二者偏差；如果设定信号小于阀位反馈信号，打开排气电磁阀V－2，通过消音器排气减小输出气源压力Pl，气动执行机构气室压力减小使阀门开度减小，二者偏差减小。控制隔膜阀是根据设定的模拟量信号值对定位器内部电磁阀控制进排气，输送精准气压至隔膜阀气动执行机构，从而实现驱动阀门开合定位的精准控制，保证调节管道内流量、压力以及温度等控制目的的实现。

（四）智能控制隔膜阀的软硬件系统设计

在智能控制隔膜阀的软件系统设计中，包括以下内容：第一，通信模块：完成不同设备之间的信息传输和交换。第二，显示模块：系统将各种信息通过显示设备输出，供操作者使用。第三，数据处理模块：将采集到的信号进行加工处理，得到所需结果。第四，监控模块：通过获得键盘信息，解释并执行，完成操作者对系统的控制，实现系统的可操作性。第五，初始化模块：完成系统硬件的初始设置和软件系统中各个变量默认值的设置。第六，信号输出模块：根据控制决策模块的结论，输出对应的模拟信号或数字信号，对控制对象进行操作，使其按预定要求运行。第七，控制决策模块：根据数据处理的结果和系统的状态，通过智能算法，决定系统应采取的运行策略。第八，数据采集模块：采集系统运行需要的外部信息，通常包括采集从调节阀传来的信号和设定的信号，并进行相应的转换，使之被单片机接收并处理。第九，时钟模块：对于时钟系统运行、设置等的完成，为其他模块提供时间数据。确保系统时钟实现的方式包括定时器实现和时钟芯片实现。

而在智能控制隔膜阀的硬件系统设计中，包括人机界面（按键、液显）、电磁阀、微控制器、阀位传感器、CAN总线通信六个部分。

二、智能控制隔膜阀的应用研究

（一）基本应用原理

隔膜阀的结构形式与一般阀门不同，是一种新型的阀门，一般驱动方式为手动、气动以及电动，具备形式较特殊，其启闭件为隔膜片、材质一般为软质双层结构，上层为三元乙丙（EPDM）橡胶，下层为聚四氟乙烯（TFFE），发挥的作用体现在将阀体、阀盖内腔、驱动部件等进行隔离，实现无死区的目的，通过一定角度安装阀门自动排净管道阀门中的物料，进而呈现无滞留效果，使用后还可对阀门内腔进行在线高温蒸汽灭菌（SIP）。这种方式现被广泛应用在各个领域中，尤其是生物制药和生物疫苗领域。而目前市场上隔膜阀存在的不足包括缺少高精度智能化控制模块、不能完全达到无菌需求、隔膜片高温灭菌易损坏、阀门外部整体死区较多不易清洁、维修不便、维护成本较高等。

（二）具体应用与应用效果分析

1.具体应用探索

生物制药、食品工业及生物疫苗对生产环境洁净度要求较苛刻，传统手动阀、气动阀或电动阀无法满足行业发展的需求，自动化智能化控制阀显得尤为重要，在气动阀基础上设计一款以微处理器为核心智能定位器也很重要。

在生产制药和疫苗中，隔膜阀洁净度会直接影响物料的质量，传统阀芯与气缸体两侧有延伸的导向槽，本文将阀芯在气缸体上的直行程导向槽设计在同阀体中口内部，当螺栓将执行机构、隔膜片、阀体连接锁紧后形成圆形闭环，减少死区。

隔膜阀使用寿命和稳定性主要取决于隔膜片，传统隔膜片预埋螺钉与阀芯通过螺纹硬性连接，导致阀门关闭时挤压隔膜片的受力点集中在螺纹区域，容易压坏隔膜片。本文将隔膜片上的预埋螺钉设计为T字形，插入阀芯槽内旋转90?，通过柔性连接固定方式，确保阀门关闭时挤压隔膜片的受力均匀，延长使用寿命。

为了避免隔膜阀在高温使用中出现隔膜片橡胶层受热收缩变形带来的外泄风险，传统隔膜片橡胶层与聚四氟乙烯层外形尺寸一致，而边缘会裸露在外，本文将橡胶层外形设计成圆形且比聚四氟乙烯层小一圈，并将隔膜片橡胶层内嵌到气缸体内部，同时确保锁紧后的气缸体、隔膜片、阀体处于相对平行，提升隔膜片密封性能。

气缸体与气缸盖连接采用三段卡槽设计，取消了传统螺纹或螺栓连接的固定方式、利于拆卸维护，同时尺寸更小、外形光整、便于清洁。智能定位器通过二颗小螺丝与气动执行结构连接一体，便于拆卸维护。

2.应用效果分析

该产品通过采用电气控制、机械设计、流体动力学及材料等技术解决了目前市场上同类产品的缺点，突破我国智能控制阀产品的技术瓶颈；对我国食品制药装备现代化省级高新技术产业基地建设、食品制药装备整体水平的提升、食品制药行业生产条件的改善具有重要作用。在投入生产后，实现新增解决就业人员30名，带动了相关产品的发展和市场的开拓，带动了紧固件、密封件、铸、锻、焊、热处理专业工艺的提高，产业链延伸、品牌提升、效益提升的带动和辐射效应十分明显。产品质量与性能得到一致的好评，解决了客户因购买进口控制阀带来的交货期长、价格高昂、维护不便等问题。同时，这种隔膜阀的技术优势也较显著，整个产品采用不锈钢和环保材料设计，安全无污染，适用于生物制药、生物疫苗、食品工业及半导体等行业。产品采用标准化、模组化设计，通过简单组合，实现功能的多样化。一个智能控制可安装到不同规格、不同种类的气动阀上进行组合。

智能控制阀带有自整定功能，在自整定过程中对记忆气源气压大小、阀门行程进行记忆，以确定阀门的开启速度等，从而使控制精度更加准确。可通过控制器或信号变送器将模拟位置反馈显示到终端显示器上，便于观察阀门运行状态。同时，具有故障报警、紧闭、反向、用户可自由编程的特性曲线、起始位置、行程限制、死区设置、密码保护、安全位置等辅助功能，能满足不同的控制需求；相比较而言，比例调节阀和PLC（或其他控制器）组合，可以实现控制阀功能，智能控制阀整合了二者功能，可以节省成本和空间；高精度化的结构设计，使其具备外形精小简洁、产品稳定性好、可动部件少、对振动不敏感等优势特点；产品控制准度高、安装容易、操作简便、故障率低、维护方便、可远程操作适用于各种工业场合；标准的NAMUR和DINIEC连接界面，适用于第三方公司的阀门控制；配有LCD操作面、内置四键式菜单、具有手动和自动控制功能选项、可实现简捷的操作和编程指示，便于现场调试和维护。

三、结语

综上所述，关于智能控制隔膜阀的设计与应用，适用于生物制药、生物疫苗、食品加工以及电子半导体等领域，笔者从智能控制隔膜阀的设计思路、技术指标与经济指标、结构和工作原理、软硬件系统设计以及应用研究多个角度出发，着重阐述智能控制隔膜阀的设计在多个领域发展中的关键作用，希望能为相关领域的发展提供助力，将隔膜阀设计推广到更多行业中。

参考文献：

[1]唐金鑫，杜亮，李培源，等.基于氟塑料的超洁净气动液体隔膜阀结构设计与制备[J].电子工业专用设备，2022，51（05）：5-9+28.

[2]闵为，米智强，李成，等.不同驱动方式下超纯水隔膜阀阀口流动特性研究[J].液压与气动，2022，46（05）：18-25.

作者简介：王阳锋（1988），男，江西省上饶市人，本科，中级工程师，现任浙江希伯伦自控工程科技有限公司副总经理兼总工程师，主要从事生物制药、食品饮料等工程研究（工艺生产制造）。