多参数控制器

[color=#990000]摘要：目前各实验室有众多各种渠道购置和自行搭建的旋转蒸发仪，在蒸发仪真空度控制方面，国内客户普遍要求能替代价格较贵的国外真空控制系统、提高真空控制的程序化和自动化水平、改进真空控制的精度和稳定性、解决控制阀门的耐腐蚀性问题，甚至要求采用一个控制器对温度、真空度和旋转同时进行程序控制。本文针对用户提出的改进要求，提出了相应的解决方案，并介绍专门用于蒸发仪温度、真空度和旋转电机控制的相关产品。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、用户要求[/color][/size]旋转蒸发仪（旋转蒸发器）是实验室一种常用设备，通过蒸发仪中的电子控制，使烧瓶中的溶剂在合适的旋转速度、温度和真空度下快速蒸发。一般旋转蒸发器的工作真空度范围为 1～760毫米汞柱（绝对真空度），具体应用中会根据不同混合物要求来设定和控制真空度。作为一种简单的实验室常用设备，旋转蒸发仪即可以实验室自行搭建，市场上也有多种规格可供选择订购。针对目前有些用户实验室在用的旋转蒸发仪，用户提出以下几方面的明确要求：（1）有些实验室配备了进口旋转蒸发仪，但还需单独配备价格较高的真空控制器，希望能用国内产品进行替换。（2）国产和自行搭建的旋转蒸发仪，希望配备多功能高精度的真空控制器，以实现试验过程计算机控制的程序化和自动化，希望能存储多组控制过程设定曲线便于直接调用，希望能计算机设定试验程序和显示整个控制过程的变化。（3）目前国内外旋转蒸发仪真空控制过程，普遍都采用阀门通断或真空泵停启方式，控制精度和稳定性较差，希望采用开度可连续可调的高速数字阀门。（4）目前国内外旋转蒸发仪真空控制装置中的控制阀门，普遍缺乏抗腐蚀性，希望采用可耐腐蚀气体和液体的真空调节阀门。（5）对于一些自行搭建的旋转蒸发仪，希望能将温度控制、真空控制和旋转控制集成在一起，减小仪器及其操作的复杂程度，提高集成化和自动化水平。本文将针对上述要求，提出相应的解决方案，介绍了专门用于蒸发器的集成式温度、真空度和旋转控制器以及步进电机驱动的耐腐蚀数控针阀，可满足不同用户旋转蒸发器的试验需求。[size=18px][color=#990000]二、国产24位高精度多功能控制器[/color][/size]为实现旋转蒸发仪的温度、真空度和旋转的测试和程序控制，目前我们已经开发出VPC-2021系列24位高精度可编程PID通用控制器，如图1所示。此系列PID控制器功能十分强大，且性价比非常高。[align=center][color=#990000][img=蒸发器真空控制,650,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202081749460848_7428_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 国产VPC-2021系列高精度PID程序控制器[/color][/align]VPC-2021系列控制器主要性能指标如下：（1）精度：24位A/D，16位D/A。（2）最高采样速度：50ms。（3）多种输入参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可连接各种温度和真空度传感器进行测量、显示和控制。（4）多种输出形式：16BIT模拟信号 、2A (250V AC)继电器、22V/20mA固态继电器、3A/250VAC可控硅。（5）多通道：独立1通道或2通道输出。2通道可实现温度和真空度的同时测控，报警输出通道可用来控制旋转电机启停。（6）多功能：正向、反向、正反双向控制、加热/制冷控制。（7）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）。（8）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。（9）显示方式：数码馆和IPS TFT真彩液晶。（10）软件：通过软件计算机可实现对控制器的操作和数据采集存储。（11）外形尺寸：96×96×87mm(开孔尺寸92×92mm)。[size=18px][color=#990000]三、步进电机驱动耐腐蚀高速数控针阀[/color][/size]为实现真空度控制过程中的高精度调节，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，如图2所示。此系列数控针阀的磁滞远小于电磁阀，并具有1秒以内的高速响应，特别是采用了氟橡胶（FKM）密封技术，使阀门具有超强的耐腐蚀性，详细技术指标如图3所示。[align=center][color=#990000][/color][/align][align=center][color=#990000][img=蒸发器真空控制,450,385]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202081750301727_9546_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 国产NCNV系列数控针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][/color][/align][align=center][img=蒸发器真空控制,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202081750469538_6188_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列数控针阀技术指标[/color][/align]NCNV系列数控针阀配备了一个步进电机驱动电路模块，给数控针阀提供了所需电源和控制信号，並以将直流信号转换为双极步进电机的步进控制，同时也可提供 RS485 串口通讯的直接控制，其规格尺寸如图4所示。[align=center][color=#990000][img=蒸发器真空控制,690,219]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202081752076651_3769_3384_3.png!w690x219.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 NCNV系列数控针阀驱动模块及其尺寸[/color][/align]旋转蒸发仪在使用数控针阀时，可采用开环控制方式将针阀安装来真空泵前端，通过调节抽气流量来实现真空度的控制，但这种开环控制方式的稳定性差，难达到较高的纯度需求。为解决这一问题，可采用闭环控制方式，即在蒸发器上增加一路进气控制阀，通过调节进气流量和排气流量可实现真空度的精密控制。[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]