專利名稱：36通旋轉閥的驅動控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機電一體化的驅動控制方法和裝置，特別是一種用于高效液相制備色譜模擬移動床或微流控旋轉分液等核心部件一36通旋轉閥的驅動控制方法和裝置。
背景技術：
色譜根據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，它既可作為分析工具使用，也可用于藥物大規模制備。近三十年，色譜技術經歷了環形色譜、錯流梯度色譜、真實移動床(Ture moving bed,TMB)及模擬移動床(Simulated moving bed,SMB)等。 SMB作為一種高效連續制備型色譜，廣泛地應用于手性藥物分離、精細化工、生物工藝學、藥品學和食物糖處理等方面。其優點在于設備結構小、投資成本低、產率高、分離能力強、能耗低、污染少、便于連續化大規模生產等。在SMB中，固、液兩相的相對反向流動是通過按順序開關進出料閥門來實現的。如圖I所示，SMB用閥門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出口 I. 1-1. 4，并通過閥沿著液相的流動方向I. 5不斷地向前更替， 改變樣品的進出口位置，以此來模擬液相和固相之間的逆流移動，而不需要固定相真正移動，而實現兩組分的連續分離。
SMB核心的部分是以帶區(一根或多跟色譜柱所形成的功能區域)切換來模擬逆流移動實現帶區移動的過程。切換時，由連接色譜柱的閥門進行相應的動作模擬實現帶區的移動。所以，針對SMB的控制主要是針對連接色譜柱的閥門進行控制(包括切換順序和時間間隔)，而在SMB中閥門的連接方式主要可以分為分散閥門方式(Distributed valve) 和集中閥門方式(Concentrate valve)兩種,針對這兩種閥門連接方式的驅動控制系統也主要分為三個種方式
方式一、SMB的色譜柱之間使用數個單通路的通斷式電磁閥(Solenoid valve)來連接。手動閥、氣動閥和電磁閥控制的本質都是執行通斷開關作用。這里只綜述SMB中電磁閥的控制形式。以《生產銀杏黃酮的模擬移動床色譜工藝》中的對苯丙氨酸模擬移動床為例，整個系統是由16根內裝固體吸附劑的色譜柱彼此串聯，其中每根色譜柱上有19個閥門分別連接洗脫液、萃取液、萃余液和循環液體等管道，當帶區進行切換時，每根色譜柱上的閥門要進行相應的動作(一個開通，其余的關斷)。所有的電磁閥門由PLC(可編程邏輯控制器)控制，PLC間又通過相應的網絡進行通信(串口或PR0FIBUS等)。十六根色譜柱共計需要16X19 = 304個閥門，其中電磁閥為160個，則系統中至少需要進行控制以及通信的節點就有160個，整個系統的構建需要建立一個較大的網絡。因此，系統故障診斷及維修就相對復雜了。同時，閥門越多、閥門間的聯通管道越多，柱外體積越大，對于小柱實驗室規模的SMB來說，其柱內固有體積較小，則柱外死體積就相對增大，這就降低了 SMB的分離效率。
方式二、SMB色譜柱之間使用多個多通閥，參見《Application of continuouschromatographic separation in sugar processing〉〉、〈〈閥門的使用方法-國產PAX-2000A型對二甲苯吸附劑小型模擬移動床試驗》、((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多通閥(Rotated valve) 0 SMB系統采用多通閥時，其控制節點的數目較電磁閥方式確實有所減少，雖然在一定程度上解決了第一種方式中所存在的問題，但是整個SMB通常也要五個8+1路多通閥以及數個電磁閥門，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》，帶區進行切換時，控制系統至少也要對五個控制點進行控制動作。在構造以及維護上仍然不可避免的存在著第一種方式所存在的問題。
可見，基于分散多閥的SMB需要多個控制節點間的協同工作，這就存在以下問題。I.復雜聯通管路增加了系統的柱外死體積，導致系統分離效率降低；2.系統復雜程度提高及硬件成本的增加；3.在故障診斷以及維護方面成本也會相應的增加；4.因系統復雜而引入一系列的防錯校驗機制增加了系統的復雜程度和成本。
方式三、一個旋轉多通閥組成的SMB，如Kuaner所生產的SMB，對于驅動控制來講是一種完美的結構方式，即通過驅動裝置實現閥中動盤部分的轉動來實現閥位切換，而不需要同時對多個控制點進行操作。故以旋轉閥為核心的SMB構造更為緊湊，分離系統的柱外體積大幅度的減小。但是對于Kuaner中的SMB中的核心結構-旋轉閥有著其自身的缺陷，即色譜柱是隨著動盤一起旋轉的，這就限制了色譜柱的長度和重量，這對實現大規模 SMB是不利的。對比多閥門的SMB控制系統，多通閥的驅動控制系統在先天上有著很大的優勢SMB閥切換時僅需要確保閥位(帶區切換時閥的動盤和靜盤的相對位置)的正確及精確切換即可。所以SMB核心應當更傾向于采用集成的單個旋轉閥連接多個色譜柱的形式，特別是色譜柱不隨閥門位置切換而旋轉的“一種用于高效液相制備色譜模擬移動床的 36通旋轉閥”。36通旋轉閥(詳見專利CN101008455)通過將色譜柱安裝在靜盤上，克服了 Kuaner旋轉閥的不足，同時又具備了旋轉多通閥的結構優點，極大地減少了模擬移動床設備的故障率和其加工成本。
本發明的核心內容即為精確驅動控制36通旋轉閥(詳見專利CN101008455)，完成閥位切換。在基于針對SMB的36通旋轉閥的驅動控制裝置中，該發明公布的內容還未見報道。發明內容
為了實現上述任務，本發明采用如下技術解決方案
I.控制裝置
圖2為36通旋轉閥的驅動控制通路圖，上位機中設置閥位切換信息，并轉換為步進電機所需轉動的角度值，發送給步進電機控制器，并由其將該數字信號轉換為包含一定個數脈沖的方波信號，再發送給步進電機驅動器，步進電機驅動器將該信息進行功率放大， 轉換成為步進電機可以直接識別和響應的時序信息，再由步進電機執行轉動操作，帶動位于其軸上的小帶輪4. 3轉動，通過同步帶的傳動作用，大帶輪4. I和從動輪4. 2同時轉動， 大帶輪4. I帶動36通閥的動盤進行閥位切換，從動輪4. 2帶動計數裝置計數，計數裝置通過光電旋轉編碼器測量動盤轉動的實際角度，并生成方波信號，該方波信號通過相應的51 單片機進行計算處理之后，生成閥動盤轉動的位置的數字信號，該數字信號經串口通信反饋給上位機，上位機比較實際和預定的動盤旋轉角度的差值，再運用程序命令，高精度地調節步進電機旋轉角度，解決步進電機丟步導致的動盤和靜盤上的細孔對準誤差問題。
2.閥體結構
該此前申請的36通旋轉閥(如圖3)是一種用于高效液相制備色譜SMB的旋轉閥， 主要包括動盤、驅動盤、碟形彈簧、調整墊塊和推力軸承(詳見專利公開CN101008455)，在原設計的基礎，本發明的特征在于本發明對此前申請專利36通旋轉閥的靜盤表面最外周的環形凹槽進行了改進，把靜盤表面由原來的5條同心環形凹槽改為4條，即把其中最外一條同心環形凹槽(它是由16段均布的、非聯通的間斷圓弧構成)改為16個直徑為0. 35mm 圓孔，各圓孔與靜盤上的各色譜柱的接頭相連通。并在閥位切換時，經本發明的控制調整， 使動盤對應圓孔與經盤的圓孔精確對齊，從而實現預定液體流路，減小環形凹槽在高壓下對非金屬墊層的磨損。
上述36通閥每次閥位切換動盤所轉過的角度為22. 5°。步進電機的控制精確度由36通旋轉閥靜盤上通孔直徑和通孔距軸的位置決定。若要減小柱外死體積，而要求靜盤上通孔直徑很小時，驅動控制系統對步進電機以及角度測量設備(如光電旋轉編碼器)的精確度要求也較高。若把靜盤最外面的16個通孔以及動盤最外面的4個通孔的直徑設計為0. 35mm，若通孔所在外周圓的直徑為37mm，當動盤旋轉22. 5°時，要保證液路暢通，假定其動盤與靜盤對應通孔之間至少有2/3直徑(或面積)準確對齊，這就要求動盤所允許的圓心角誤差為±0.36°，考慮機械加工各個環節的積累誤差，將圓心角誤差定為±0.2°。 四相步進電機步進角通常為0.9°到I. 8°，不能滿足36通旋轉閥圓心角誤差要求，故使用步進電機必需細分驅動電路達到要求精度(如采用8細分驅動器)。另外，細分能提高步進電機低速運行時的穩定性。考慮到電磁感應和旋轉閥旋轉過程中輕微震動影響，以及在SMB 中每個閥位間距角為22. 5°，對于4000線的光電旋轉編碼器，其分辨角度為0.09°，根據整數的特征計算公式
權利要求
1.一種驅動36通閥門的驅動控制裝置，其特征在于包括步進電機、控制器、驅動器、 36通閥門、計數裝置、上位機，控制器接收上位機傳輸的閥門切換指令，并將該指令轉換成電機所需的脈沖信息發送給驅動器，驅動器對上述脈沖信息放大并生成步進電機的相序信號，驅動步進電機帶動所述閥門的動盤轉動；計數裝置根據所述閥門的動盤轉動生成位置信號，經過上位機處理，反饋給控制器，進行閉環控制，防止步進電機丟步；所述36通閥門的閥位間距角度為光電旋轉編碼器的分辨角度的整數倍。
2.根據權利要求I所述的驅動控制裝置，其特
3.根據權利要求I或2所述的驅動控制裝置，其特征在于所述步進電機的控制器主要由MPC07控制卡構成，其中MPC07控制卡接收上位機發出的時序控制的角度設置指令；計數裝置包括光電旋轉編碼器和51單片機，光電旋轉編碼器用于檢測步進電機的旋轉角度， 并生成相應方波信號，單片機接受該方波信號并進行計數處理，生成閥動盤轉動的位置的數字信號。
4.根據權利要求I所述的驅動控制裝置，其特征在于步進電機軸頭上安裝有第一同步帶輪、36通閥門的軸頭上安裝有第二同步帶輪；通過兩個同步帶輪的皮帶無滑動地連接，使步進電機帶動所述閥門轉動。
5.根據權利要求4所述的驅動控制裝置，其特征在于光電旋轉編碼器通過一軸頭安裝第三同步帶輪，通過H型同步帶與所述第一同步帶輪和第二同步帶輪連接。
6.根據權利要求4或5所述的驅動控制裝置，其特征在于光電旋轉編碼器的軸芯與步進電機之間通過同步帶輪相連。
7.根據權利要求5所述的驅動控制裝置，其特征在于所述計數裝置還包括一個可以漲緊同步帶的從動輪，將該從動輪緊貼在所述同步帶內側，在同步帶的轉動過程中，同步帶和從動輪相咬合。
8.—種36通旋轉閥，包括動盤、動盤、碟形彈簧、調整墊塊和推力軸承，其特征在于在靜盤表面具有4條同心環形凹槽和在凹槽外圍的16個圓孔，相鄰兩個色譜柱之間通過圓孔相連通，并且在閥位切換的時候，該圓孔通過與動盤相關圓孔之間對齊，實現預定液體流路。
9.根據權利要求8所述的36通旋轉閥，其特征在于所述圓孔的直徑為0.35mm。
全文摘要
本發明公開了一種多用途如用于高效液相制備色譜模擬移動床或微流控旋轉分液等的，以36通旋轉閥為核心部件的驅動控制方法和裝置。36通旋轉閥通過皮帶與步進電機相連。從動帶輪帶動光電旋轉編碼器，并測量動盤的實際旋轉角度，測量信號經51單片機處理后反饋給上位機。上位機比較實際和預定的動盤旋轉角度，再運用程序命令，自動高精度調節步進電機旋轉角度，解決步進電機丟步導致的動盤和靜盤上的細孔對準誤差問題，從而在指定時間區間內，形成設定的、暢通的液流流路。該驅動控制裝置成本低、結構簡單、精度高等特點，滿足了36通旋轉閥動盤和靜盤上的細孔位置高精度控制要求。
文檔編號F16K11/072GK102537473SQ201210005729
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者于永會, 倪振威, 劉倩, 梁恒, 歐陽良飛, 范軍 申請人:西安交通大學