针阀控制器

[color=#990000]摘要：目前真空冷冻干燥过程中已普遍使用了电容压力计，使得与电容压力计相配套的压力控制器和电动进气调节阀这两个影响压力控制精度和重复性的主要环节显着尤为突出。为解决控制精度问题，本文介绍了国产最新型的2通道24位高精度PID压力控制器和步进电机驱动电动针阀的功能、技术指标及其应用。经试验验证，上游控制模式中使用电动针阀和高精度控制器可将压力精确控制在±1%以内，并且此控制器还可以同时用于冷冻干燥过程中皮拉尼真空计的监控，以进行初次冻干终点的自动判断。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size] 压力控制是真空冻干过程中的一个重要工艺过程，其控制精度严重影响产品质量，对于一些敏感产品的冷冻干燥尤为重要。因此，为使冷冻干燥过程可靠且可重复地进行，必须在干燥室内准确、重复地测量和控制压力，这是考察冷冻干燥硬件设备能力的重要指标之一。同时因为一次干燥时的压力或真空度，直接影响产品升华界面温度，因此准确平稳的控制压力，对于一次干燥过程至关重要。但在实际真空冷冻干燥过程中，在准确压力控制方面目前国内还存在以下问题： （1）压力控制器不匹配问题：尽管冷冻干燥工艺和设备都配备了精度较高的电容压力计，其精度可达到满量程的0.2%~0.5%，但目前国内大多配套采用PLC进行电容压力计直流电压信号的测量和控制，PLC的A/D和D/A转换精度明显不够，严重影响压力测量和控制精度。A/D和D/A转换精度至少要达到16位才能满足冷冻干燥过程的需要。 （2）进气控制阀不匹配问题：对于冷冻干燥中的真空压力控制，其压力恒定基本都在几帕量级，因此一般都采用上游进气控制模式，即在真空泵抽速一定的情况下，通过电动调节阀增加进气流量以降低压力，减少进气流量以增加压力。但目前国内普遍还在使用磁滞很大的电磁阀来进行调节，严重影响压力控制精度和重复性，而目前国际上很多已经开始使用步进电机驱动的低磁滞电动调节阀。 为解决上述冷冻干燥过程中压力控制存在的问题，本文将介绍国产最新型的2通道24位高精度PID压力控制器、电动针阀的功能、技术指标及其应用。经试验考核和具体应用的验证，上游控制模式中使用电动针阀和高精度PID压力控制器可将压力精确控制在±1%以内，并且2通道PID控制器还可以同时用于冷冻干燥过程中皮拉尼真空计的监控和记录。[size=18px][color=#990000]二、国产2通道24位高精度PID压力控制器[/color][/size] 为充分利用电容压力计的测量精度，控制器的数据采集和控制至少需要16位以上的模数和数模转化器。目前我们已经开发出VPC-2021系列高精度24位通用性PID控制器，如图1所示。此系列PID控制器功能强大远超国外产品，但价格只有国外产品的八分之一。[align=center][img=冷冻干燥压力控制,550,286]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211608584555_3735_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 国产VPC-2021系列温度/压力控制器[/color][/align] 压力控制器其主要性能指标如下： （1）精度：24位A/D，16位D/A。 （2）多通道：独立1通道或2通道。2通道可实现双传感器同时测量及控制。 （3）多种输出参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制。 （4）多功能：正向、反向、正反双向控制。 （5）PID程序控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。可存储20组分组PID，支持20条程序曲线（每条50段）。 （6）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。 在冷冻干燥的初级冻干终点判断中，VPC-2021系列中的2通道控制器可同时接入电容压力计和皮拉尼压力计，其中电容压力计用作真空压力控制，皮拉尼计用来监视冻干过程中水汽的变化，当两个真空计的差值消失时则认为初级冻干过程结束。整个过程的典型变化曲线如图2所示。[align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,586,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211609304857_1459_3384_3.png!w586x392.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2. 初级干燥过程中的典型电容压力计和皮拉尼压力计的测量曲线[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、国产步进电机驱动电子针阀[/color][/size] 为实现进气阀的高精度调节，我们在针阀基础上采用数控步进电机开发了一系列不同流量的电子针阀，其磁滞远小于电磁阀，如图3所示，价格只有国外产品的三分之一，详细技术指标如图4所示。[align=center][img=冷冻干燥压力控制,400,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211609435684_1917_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610002292_1250_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列电子针阀技术指标[/color][/align][size=18px][color=#990000]四、国产PID控制器和电子针阀考核试验[/color][/size] 考核试验采用了1Torr量程的电容压力计，电子针阀作为进气阀以上游模式进行控制试验。首先开启真空泵后使其全速抽气，然后在68Pa左右对PID控制器进行 PID参数自整定。自整定完成后，分别对12、27、40、53、67、80、93和 107Pa 共 8 个设定点进行了控制，整个控制过程中真空度的变化如图 5所示。 [align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,418]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610175473_9598_3384_3.png!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 多点压力控制考核试验曲线[/color][/align] 将图5曲线的控制效果以波动率来表达，则得到如图6所示的不同真空压力下的波动率。从图6可以看出，整个压力范围内只有在12Pa控制时波动率大于1%，显然将68Pa下自整定得到的PID参数应用于12Pa压力控制并不太合适，还需要进行单独的PID 参数自整定。[align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610294377_3818_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6. 多点压力恒定控制波动率[/color][/align][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：在目前的流体比值混合控制系统中，普遍采用的是多通道闭环PID控制系统对各路流量进行准确控制后再进行混合，这种控制方式普遍存在的问题是对流量调节阀的响应速度、耐腐蚀性和线性度有很高要求。为此本文提出的第一个解决方案是采用NCNV系列强耐腐蚀的高速和高线性度电控针阀，第二个解决方案则是不再使用流量调节阀，改用压力控制器通过调节流体进口压力来实现流量的精密控制，而第二种方案更适用于微流量的精密控制。[/b][/color][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在医药实验室、燃烧系统和化工领域的生产过程中，常需要将两种或两种以上的流体物料保持一定的比例进行混合，如比例一旦失调，将影响质量甚至造成事故，因此这种多种流体精密混合的控制需要采用精密的PID比值控制系统。一个比较典型的两种流体混合的双闭环PID比值控制系统如图1所示，但这种比值控制系统存在以下几方面的问题和注意事项：[/size][align=center][size=18px][color=#339999][b][img=常用双回路比值控制系统示意图,600,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231002390515_7752_3221506_3.jpg!w690x408.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 常用化学药品注入双回路比值控制系统示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）图1所示结构是一种典型的流量调节方式的控制系统，即通过两个控制阀同时调节两路流体流量，并使两路流量达到设定比值，以实现混合后的准确比率。但这种流量调节方式的前提是其中的两路液体必须有相应的压力进行驱动，且要求相应的驱动压力尽可能稳定。[/size][size=16px] （2）流量调节方式要求控制阀具有较快的调节速度，如果流量调节速度慢于驱动压力的波动速度，则很难实现准确控制。[/size][size=16px] （3）在很多流体比值混合中，流体介质往往都带有腐蚀性，这就要求液体流动管路中的所有装置都需要具有耐腐蚀性，特别是对内部带有运动机构的控制阀，其耐腐蚀性尤为关键。[/size][size=16px] （4）PID控制是一种典型的线性控制技术，为了保证比值控制的准确性，除了要求流量计和PID控制器具有相应的测量控制精度之外，更要求控制阀开度与控制信号之间具有很好的线性关系，否则很难实现较高精度的流量控制，从而也无法实现高精度的比值控制。[/size][size=16px] 上述的快速调节能力、耐腐性以及线性度往往是对流量控制阀的严峻挑战，很少有控制阀能同时满足这些要求，而且口径越大的控制阀越难实现。[/size][size=16px] 为了解决比值控制中控制阀中存在的响应速度、耐腐蚀性和线性度问题，本文提出了两种解决方案。第一种方案是在流量调节的基础上，采用耐腐蚀的线性度好的高速数控针阀；第二种方案是采用压力控制方式来实现流量调节，省略掉流量控制阀，同样可以实现高精度比值控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 本文在这里设计了两套解决方案，第一套方案还是采用流量调节技术，只是对控制阀和比值控制器进行了明确，关键是将流量控制阀采用了NCNV系列步进电机驱动的高速高线性度的数控针阀来代替，整个控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用高速数控针阀的比值控制系统,600,341]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231003088266_938_3221506_3.jpg!w690x393.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 采用高速数控针阀的比值控制系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] 所用的NCNV数控针阀的通经范围为0.9~4.1mm（甚至更大），全量程响应时间小于1秒，可实现高速流量调节。由于采用了步进电机驱动，从而具有很小的磁滞和优于±2%的线性度，全量程的重复精度可以达到±0.1%。另外此系列数控针阀还具有极低的漏率，可用于对真空密封要求苛刻的使用场合。数控针阀的控制除了可以直接采用0~10V模拟电压控制之外，也可采用RS485信号进行通讯控制。[/size][size=16px] 图2所示的流量调节比值控制系统中，比值控制器采用了VPC2021系列多功能PID控制器。此控制器具有两路独立通道进行比值控制。重要的是这两路PID控制通道都具有24位AD采集精度和16位DA控制精度，由此可进行高精度的比值控制，还可以满足微小流量变化的控制要求。[/size][size=16px] 在第二套解决方案中，采用了压力控制器、流量计和比值控制器构成的双闭环控制回路来进行每个独立管路中的流量控制，由此最终实现比值控制。由于每个管路中的管径保持不变，那么通过改变进液压力就可以调节流量。这种采用压力控制方式的比值控制系统如图3所示。进液压力控制可以采用对进液容器内部的气压控制方式将流体压出，这时的气压控制就相当于一个气压泵，此流量控制方式可以实现很高的控制精度。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用压力控制器的比值控制系统,600,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231003293037_3318_3221506_3.jpg!w690x389.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 采用压力控制器的比值控制系统[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过上述的两套解决方案，可以很好的解决目前流体混合中比值控制在响应速度、耐腐蚀性和线性度等方面存在的问题，可以实现流体比值混合的高精度控制。特别在第二套解决方案中所采用的压力控制技术，去掉了流量控制阀，但增加了压力控制来调节流量，由此可以实现超高精度的流量控制，特别适用于微流量的快速控制，可推广应用于微流控领域。[/size][align=center][size=16px][/size][/align][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]

[color=#990000]摘要：对标美国MKS公司的148J、248A和154A 系列上游流量控制阀以及244、250、946和651系列控制器，介绍了相应的国产化替代产品电子针阀和多功能高精度控制器，并介绍了国产化替代产品的相应特点和技术指标 。[/color][color=#990000][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、MKS公司上游流量控制阀[/color][/size] MKS上游流量控制阀是一类真空型电磁比例阀，如图1所示，主要有以下三个系列产品： （1）148J全金属流量控制阀：金属密封，流量范围0.01~20L/mim。 （2）154B大流量控制阀：橡胶密封，流量范围20~200L/mim。 （3）248D通用型流量控制阀：橡胶密封，流量范围0.01~50L/mim。[align=center][color=#990000][img=MKS上游气体流量控制阀,690,259]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012251024178_4191_3384_3.png!w690x259.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 MKS公司上游流量控制阀[/color][/align][size=18px][color=#990000]二、MKS公司流量/压力控制器[/color][/size] MKS公司的流量/压力控制器是一类PID控制器，如图2所示，主要有以下4个系列产品： （1）244系列：手动PID控制，单通道控制，适配多种传感器，0~10VDC输入信号，手动/自动/外部控制模式，精度为满量程的0.25%，多个设定点（3或4），控制偏差指针显示。此型号系列控制器现已停产。 （2）250系列：手动PID控制，单通道控制，适配多种真空传感器，0~10VDC输入信号 ，手动/自动/外部控制模式，精度为满量程的0.25%，最多4个设定点，外部编程设定，数码显示测量值和控制偏差值。此型号系列控制器现已停产。[align=center][color=#990000][img=MKS流量压力控制器,690,102]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012251398451_7424_3384_3.png!w690x102.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 MKS公司流量/压力控制器[/color][/align] （3）946系列：自动PID控制，16位A/D采集，6通道控制，适配多种真空传感器，最多可同时监测6路传感器信号，0~10VDC输入/输出信号 ， 手动/自动/外部控制模式，内部编程设定，数字显示测量值和控制偏差值，12路继电器输出，RS232/485通讯。 （4）651系列：自调节快速PID控制，16位A/D采集，单通道控制，适配多种真空传感器，0~10VDC输入/ 输出信号 ， 手动/自动/外部控制模式，重复性为满量程的±0.1%，外部编程设定，数字显示测量值， 多路I/O接口，RS232/485通讯。[size=18px][color=#990000]三、国产化电子针阀替代MKS电磁控制阀[/color][/size] MKS公司的上游流量控制阀是一种传统的电磁阀，电磁阀最大的问题是磁滞比较大，会明显的影响线性度和控制精度。这些控制阀的整体价格较高，也没有相应的国产品牌。 为了实现上游流量控制阀的国产化替代并提高性价比，我们在针阀技术上采用数控步进电机来代替电磁阀，开发了一些列不同流量的电子针阀，如图3和图4所示，完全实现了国产化替代。[align=center][color=#990000][img=电子针阀,500,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012252026101_430_3384_3.gif!w599x513.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align][align=center][img=电子针型阀技术指标,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012252322209_7636_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列电子针阀技术参数[/color][/align][align=left][size=18px][color=#990000]四、国产化高精度PID控制器替代MKS控制器[/color][/size][/align] MKS公司的气体流量/压力控制属于专用控制器，只能满足真空领域内的气体流量和压力控制，尽管功能十分强大，但价格较贵。国产化替代的PID控制器，采用了更高精度的24位A/D采集器，控制器更趋于通用性，可实现温度和真空压力的同时控制，如图5所示。[align=center][color=#990000][img=VPC-2021系列控制器,690,358]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112012252599268_5639_3384_3.png!w690x358.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 国产VPC-2021系列温度/压力控制器[/color][/align] 国产高精度多功能PID控制器主要特点如下： （1）高精度：±0.05%满量程，24位A/D采集，16位D/A输出。 （2）多通道：独立的1通道和2通道。 （3）多功能：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制，可进行正反向控制（双向控制模式）。 （4）PID控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。20组分组PID，分组输出限幅功能。 （5）双传感器切换：每一个通道都可支持温度高低温和高低真空度的双传感器切换，两通道可形成总共接入四只传感器的控制组合。 （6）程序控制：支持20条工艺曲线，每条50段，支持段内循环和曲线循环。[hr/]