專(zhuān)利名稱(chēng)：36通旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)電一體化的驅(qū)動(dòng)控制方法和裝置，特別是一種用于高效液相制備色譜模擬移動(dòng)床或微流控旋轉(zhuǎn)分液等核心部件一36通旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)控制方法和裝置。
背景技術(shù)：
色譜根據(jù)混合物中不同組分在兩相間平衡分配的差異分離提取物質(zhì)，它既可作為分析工具使用，也可用于藥物大規(guī)模制備。近三十年，色譜技術(shù)經(jīng)歷了環(huán)形色譜、錯(cuò)流梯度色譜、真實(shí)移動(dòng)床(Ture moving bed,TMB)及模擬移動(dòng)床(Simulated moving bed,SMB)等。 SMB作為一種高效連續(xù)制備型色譜，廣泛地應(yīng)用于手性藥物分離、精細(xì)化工、生物工藝學(xué)、藥品學(xué)和食物糖處理等方面。其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備結(jié)構(gòu)小、投資成本低、產(chǎn)率高、分離能力強(qiáng)、能耗低、污染少、便于連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)等。在SMB中，固、液兩相的相對(duì)反向流動(dòng)是通過(guò)按順序開(kāi)關(guān)進(jìn)出料閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖I所示，SMB用閥門(mén)和液流管線把多根色譜柱連接在一起， 每根柱子都有樣品的進(jìn)出口 I. 1-1. 4，并通過(guò)閥沿著液相的流動(dòng)方向I. 5不斷地向前更替， 改變樣品的進(jìn)出口位置，以此來(lái)模擬液相和固相之間的逆流移動(dòng)，而不需要固定相真正移動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)兩組分的連續(xù)分離。
SMB核心的部分是以帶區(qū)(一根或多跟色譜柱所形成的功能區(qū)域)切換來(lái)模擬逆流移動(dòng)實(shí)現(xiàn)帶區(qū)移動(dòng)的過(guò)程。切換時(shí)，由連接色譜柱的閥門(mén)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作模擬實(shí)現(xiàn)帶區(qū)的移動(dòng)。所以，針對(duì)SMB的控制主要是針對(duì)連接色譜柱的閥門(mén)進(jìn)行控制(包括切換順序和時(shí)間間隔)，而在SMB中閥門(mén)的連接方式主要可以分為分散閥門(mén)方式(Distributed valve) 和集中閥門(mén)方式(Concentrate valve)兩種,針對(duì)這兩種閥門(mén)連接方式的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也主要分為三個(gè)種方式
方式一、SMB的色譜柱之間使用數(shù)個(gè)單通路的通斷式電磁閥(Solenoid valve)來(lái)連接。手動(dòng)閥、氣動(dòng)閥和電磁閥控制的本質(zhì)都是執(zhí)行通斷開(kāi)關(guān)作用。這里只綜述SMB中電磁閥的控制形式。以《生產(chǎn)銀杏黃酮的模擬移動(dòng)床色譜工藝》中的對(duì)苯丙氨酸模擬移動(dòng)床為例，整個(gè)系統(tǒng)是由16根內(nèi)裝固體吸附劑的色譜柱彼此串聯(lián)，其中每根色譜柱上有19個(gè)閥門(mén)分別連接洗脫液、萃取液、萃余液和循環(huán)液體等管道，當(dāng)帶區(qū)進(jìn)行切換時(shí)，每根色譜柱上的閥門(mén)要進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作(一個(gè)開(kāi)通，其余的關(guān)斷)。所有的電磁閥門(mén)由PLC(可編程邏輯控制器)控制，PLC間又通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信(串口或PR0FIBUS等)。十六根色譜柱共計(jì)需要16X19 = 304個(gè)閥門(mén)，其中電磁閥為160個(gè)，則系統(tǒng)中至少需要進(jìn)行控制以及通信的節(jié)點(diǎn)就有160個(gè)，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建需要建立一個(gè)較大的網(wǎng)絡(luò)。因此，系統(tǒng)故障診斷及維修就相對(duì)復(fù)雜了。同時(shí)，閥門(mén)越多、閥門(mén)間的聯(lián)通管道越多，柱外體積越大，對(duì)于小柱實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的SMB來(lái)說(shuō)，其柱內(nèi)固有體積較小，則柱外死體積就相對(duì)增大，這就降低了 SMB的分離效率。
方式二、SMB色譜柱之間使用多個(gè)多通閥，參見(jiàn)《Application of continuouschromatographic separation in sugar processing〉〉、〈〈閥門(mén)的使用方法-國(guó)產(chǎn)PAX-2000A型對(duì)二甲苯吸附劑小型模擬移動(dòng)床試驗(yàn)》、((Enantioseparationof I-phenyl-1-propanol by supercritical fluid-simulated moving bed chromatography》 和《Experimental implementation of automatic ‘cycle to cycle’control of a chiral simulated moving bed separation〉〉。通常多通閥是指方定轉(zhuǎn)多通閥(Rotated valve) 0 SMB系統(tǒng)采用多通閥時(shí)，其控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)目較電磁閥方式確實(shí)有所減少，雖然在一定程度上解決了第一種方式中所存在的問(wèn)題，但是整個(gè)SMB通常也要五個(gè)8+1路多通閥以及數(shù)個(gè)電磁閥門(mén)，參照《Management and control of modifier content in preparative SFC solvent cycles》及《Separation of stereoisomers in a simulated moving bed-supercritical fluid chromatography plant》，帶區(qū)進(jìn)行切換時(shí)，控制系統(tǒng)至少也要對(duì)五個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行控制動(dòng)作。在構(gòu)造以及維護(hù)上仍然不可避免的存在著第一種方式所存在的問(wèn)題。
可見(jiàn)，基于分散多閥的SMB需要多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作，這就存在以下問(wèn)題。I.復(fù)雜聯(lián)通管路增加了系統(tǒng)的柱外死體積，導(dǎo)致系統(tǒng)分離效率降低；2.系統(tǒng)復(fù)雜程度提高及硬件成本的增加；3.在故障診斷以及維護(hù)方面成本也會(huì)相應(yīng)的增加；4.因系統(tǒng)復(fù)雜而引入一系列的防錯(cuò)校驗(yàn)機(jī)制增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。
方式三、一個(gè)旋轉(zhuǎn)多通閥組成的SMB，如Kuaner所生產(chǎn)的SMB，對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制來(lái)講是一種完美的結(jié)構(gòu)方式，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)閥中動(dòng)盤(pán)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)閥位切換，而不需要同時(shí)對(duì)多個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行操作。故以旋轉(zhuǎn)閥為核心的SMB構(gòu)造更為緊湊，分離系統(tǒng)的柱外體積大幅度的減小。但是對(duì)于Kuaner中的SMB中的核心結(jié)構(gòu)-旋轉(zhuǎn)閥有著其自身的缺陷，即色譜柱是隨著動(dòng)盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)的，這就限制了色譜柱的長(zhǎng)度和重量，這對(duì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模 SMB是不利的。對(duì)比多閥門(mén)的SMB控制系統(tǒng)，多通閥的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在先天上有著很大的優(yōu)勢(shì)SMB閥切換時(shí)僅需要確保閥位(帶區(qū)切換時(shí)閥的動(dòng)盤(pán)和靜盤(pán)的相對(duì)位置)的正確及精確切換即可。所以SMB核心應(yīng)當(dāng)更傾向于采用集成的單個(gè)旋轉(zhuǎn)閥連接多個(gè)色譜柱的形式，特別是色譜柱不隨閥門(mén)位置切換而旋轉(zhuǎn)的“一種用于高效液相制備色譜模擬移動(dòng)床的 36通旋轉(zhuǎn)閥”。36通旋轉(zhuǎn)閥(詳見(jiàn)專(zhuān)利CN101008455)通過(guò)將色譜柱安裝在靜盤(pán)上，克服了 Kuaner旋轉(zhuǎn)閥的不足，同時(shí)又具備了旋轉(zhuǎn)多通閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，極大地減少了模擬移動(dòng)床設(shè)備的故障率和其加工成本。
本發(fā)明的核心內(nèi)容即為精確驅(qū)動(dòng)控制36通旋轉(zhuǎn)閥(詳見(jiàn)專(zhuān)利CN101008455)，完成閥位切換。在基于針對(duì)SMB的36通旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)控制裝置中，該發(fā)明公布的內(nèi)容還未見(jiàn)報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下技術(shù)解決方案
I.控制裝置
圖2為36通旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)控制通路圖，上位機(jī)中設(shè)置閥位切換信息，并轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值，發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制器，并由其將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為包含一定個(gè)數(shù)脈沖的方波信號(hào)，再發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將該信息進(jìn)行功率放大， 轉(zhuǎn)換成為步進(jìn)電機(jī)可以直接識(shí)別和響應(yīng)的時(shí)序信息，再由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)操作，帶動(dòng)位于其軸上的小帶輪4. 3轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)同步帶的傳動(dòng)作用，大帶輪4. I和從動(dòng)輪4. 2同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)， 大帶輪4. I帶動(dòng)36通閥的動(dòng)盤(pán)進(jìn)行閥位切換，從動(dòng)輪4. 2帶動(dòng)計(jì)數(shù)裝置計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)裝置通過(guò)光電旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度，并生成方波信號(hào)，該方波信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的51 單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理之后，生成閥動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)串口通信反饋給上位機(jī)，上位機(jī)比較實(shí)際和預(yù)定的動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度的差值，再運(yùn)用程序命令，高精度地調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，解決步進(jìn)電機(jī)丟步導(dǎo)致的動(dòng)盤(pán)和靜盤(pán)上的細(xì)孔對(duì)準(zhǔn)誤差問(wèn)題。
2.閥體結(jié)構(gòu)
該此前申請(qǐng)的36通旋轉(zhuǎn)閥(如圖3)是一種用于高效液相制備色譜SMB的旋轉(zhuǎn)閥， 主要包括動(dòng)盤(pán)、驅(qū)動(dòng)盤(pán)、碟形彈簧、調(diào)整墊塊和推力軸承(詳見(jiàn)專(zhuān)利公開(kāi)CN101008455)，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本發(fā)明的特征在于本發(fā)明對(duì)此前申請(qǐng)專(zhuān)利36通旋轉(zhuǎn)閥的靜盤(pán)表面最外周的環(huán)形凹槽進(jìn)行了改進(jìn)，把靜盤(pán)表面由原來(lái)的5條同心環(huán)形凹槽改為4條，即把其中最外一條同心環(huán)形凹槽(它是由16段均布的、非聯(lián)通的間斷圓弧構(gòu)成)改為16個(gè)直徑為0. 35mm 圓孔，各圓孔與靜盤(pán)上的各色譜柱的接頭相連通。并在閥位切換時(shí)，經(jīng)本發(fā)明的控制調(diào)整， 使動(dòng)盤(pán)對(duì)應(yīng)圓孔與經(jīng)盤(pán)的圓孔精確對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定液體流路，減小環(huán)形凹槽在高壓下對(duì)非金屬墊層的磨損。
上述36通閥每次閥位切換動(dòng)盤(pán)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為22. 5°。步進(jìn)電機(jī)的控制精確度由36通旋轉(zhuǎn)閥靜盤(pán)上通孔直徑和通孔距軸的位置決定。若要減小柱外死體積，而要求靜盤(pán)上通孔直徑很小時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)以及角度測(cè)量設(shè)備(如光電旋轉(zhuǎn)編碼器)的精確度要求也較高。若把靜盤(pán)最外面的16個(gè)通孔以及動(dòng)盤(pán)最外面的4個(gè)通孔的直徑設(shè)計(jì)為0. 35mm，若通孔所在外周圓的直徑為37mm，當(dāng)動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)22. 5°時(shí)，要保證液路暢通，假定其動(dòng)盤(pán)與靜盤(pán)對(duì)應(yīng)通孔之間至少有2/3直徑(或面積)準(zhǔn)確對(duì)齊，這就要求動(dòng)盤(pán)所允許的圓心角誤差為±0.36°，考慮機(jī)械加工各個(gè)環(huán)節(jié)的積累誤差，將圓心角誤差定為±0.2°。 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角通常為0.9°到I. 8°，不能滿(mǎn)足36通旋轉(zhuǎn)閥圓心角誤差要求，故使用步進(jìn)電機(jī)必需細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到要求精度(如采用8細(xì)分驅(qū)動(dòng)器)。另外，細(xì)分能提高步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性?？紤]到電磁感應(yīng)和旋轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)過(guò)程中輕微震動(dòng)影響，以及在SMB 中每個(gè)閥位間距角為22. 5°，對(duì)于4000線的光電旋轉(zhuǎn)編碼器，其分辨角度為0.09°，根據(jù)整數(shù)的特征計(jì)算公式
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)36通閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于包括步進(jìn)電機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)器、 36通閥門(mén)、計(jì)數(shù)裝置、上位機(jī)，控制器接收上位機(jī)傳輸?shù)拈y門(mén)切換指令，并將該指令轉(zhuǎn)換成電機(jī)所需的脈沖信息發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器對(duì)上述脈沖信息放大并生成步進(jìn)電機(jī)的相序信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)所述閥門(mén)的動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)；計(jì)數(shù)裝置根據(jù)所述閥門(mén)的動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)生成位置信號(hào)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)處理，反饋給控制器，進(jìn)行閉環(huán)控制，防止步進(jìn)電機(jī)丟步；所述36通閥門(mén)的閥位間距角度為光電旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨角度的整數(shù)倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于所述步進(jìn)電機(jī)的控制器主要由MPC07控制卡構(gòu)成，其中MPC07控制卡接收上位機(jī)發(fā)出的時(shí)序控制的角度設(shè)置指令；計(jì)數(shù)裝置包括光電旋轉(zhuǎn)編碼器和51單片機(jī)，光電旋轉(zhuǎn)編碼器用于檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度， 并生成相應(yīng)方波信號(hào)，單片機(jī)接受該方波信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，生成閥動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置的數(shù)字信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于步進(jìn)電機(jī)軸頭上安裝有第一同步帶輪、36通閥門(mén)的軸頭上安裝有第二同步帶輪；通過(guò)兩個(gè)同步帶輪的皮帶無(wú)滑動(dòng)地連接，使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)所述閥門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于光電旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)一軸頭安裝第三同步帶輪，通過(guò)H型同步帶與所述第一同步帶輪和第二同步帶輪連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于光電旋轉(zhuǎn)編碼器的軸芯與步進(jìn)電機(jī)之間通過(guò)同步帶輪相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于所述計(jì)數(shù)裝置還包括一個(gè)可以漲緊同步帶的從動(dòng)輪，將該從動(dòng)輪緊貼在所述同步帶內(nèi)側(cè)，在同步帶的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，同步帶和從動(dòng)輪相咬合。
8.—種36通旋轉(zhuǎn)閥，包括動(dòng)盤(pán)、動(dòng)盤(pán)、碟形彈簧、調(diào)整墊塊和推力軸承，其特征在于在靜盤(pán)表面具有4條同心環(huán)形凹槽和在凹槽外圍的16個(gè)圓孔，相鄰兩個(gè)色譜柱之間通過(guò)圓孔相連通，并且在閥位切換的時(shí)候，該圓孔通過(guò)與動(dòng)盤(pán)相關(guān)圓孔之間對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)預(yù)定液體流路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的36通旋轉(zhuǎn)閥，其特征在于所述圓孔的直徑為0.35mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多用途如用于高效液相制備色譜模擬移動(dòng)床或微流控旋轉(zhuǎn)分液等的，以36通旋轉(zhuǎn)閥為核心部件的驅(qū)動(dòng)控制方法和裝置。36通旋轉(zhuǎn)閥通過(guò)皮帶與步進(jìn)電機(jī)相連。從動(dòng)帶輪帶動(dòng)光電旋轉(zhuǎn)編碼器，并測(cè)量動(dòng)盤(pán)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，測(cè)量信號(hào)經(jīng)51單片機(jī)處理后反饋給上位機(jī)。上位機(jī)比較實(shí)際和預(yù)定的動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度，再運(yùn)用程序命令，自動(dòng)高精度調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，解決步進(jìn)電機(jī)丟步導(dǎo)致的動(dòng)盤(pán)和靜盤(pán)上的細(xì)孔對(duì)準(zhǔn)誤差問(wèn)題，從而在指定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，形成設(shè)定的、暢通的液流流路。該驅(qū)動(dòng)控制裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高等特點(diǎn)，滿(mǎn)足了36通旋轉(zhuǎn)閥動(dòng)盤(pán)和靜盤(pán)上的細(xì)孔位置高精度控制要求。
文檔編號(hào)F16K11/072GK102537473SQ201210005729
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者于永會(huì), 倪振威, 劉倩, 梁恒, 歐陽(yáng)良飛, 范軍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)