Projekt układu sterowania dla przenośnego generatora tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową

Projekt układu sterowania przenośnego generatora tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową
 

 

Tlen jest podstawowym pierwiastkiem niezbędnym do utrzymania czynności życiowych człowieka i odgrywa istotną rolę w różnych zabiegach medycznych i ratownictwie medycznym. Sprzęt do produkcji tlenu jest ważnym sprzętem wsparcia medycznego. Metoda produkcji tlenu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA) jest szeroko stosowana w małych i średnich urządzeniach do produkcji tlenu ze względu na jej zalety, takie jak niskie zużycie energii, brak zanieczyszczeń i niskie inwestycje. Zasada działania metody adsorpcji zmiennociśnieniowej jest następująca: poprzez różnicę w charakterystyce adsorpcji sit molekularnych na tlen i azot, azot jest adsorbowany pod ciśnieniem w celu oddzielenia tlenu; w warunkach obniżonego ciśnienia azot jest desorbowany w celu przywrócenia wydajności adsorpcji sita molekularnego i uzyskania separacji tlenu i azotu. Większość obecnych urządzeń do produkcji tlenu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej ma duże rozmiary i jest ciężka, co nie pozwala na ich przenośność w terenie lub w pojazdach. Przenośne generatory tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową to urządzenia do produkcji tlenu, które można przenosić lekko, mają własne zasilanie i są lekkie. Jednakże w Chinach prowadzi się stosunkowo niewiele badań w tej dziedzinie, a istniejące systemy sterowania są na ogół duże, charakteryzują się niskim stopniem automatyzacji i słabą stabilnością. W tym badaniu, w połączeniu z procesem produkcji tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową, zaprojektowano i opracowano system sterowania odpowiedni dla przenośnych generatorów tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową, aby zapewnić wsparcie techniczne dla dalszych badań i zastosowań przenośnych generatorów tlenu.

Proces produkcji tlenu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej

Aby opracować przenośny generator tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową, w tym badaniu połączono zasadę produkcji tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową i najpierw określono podstawowy przebieg procesu produkcji tlenu, jak pokazano na rysunku. Aby zmniejszyć objętość i wagę przenośnego generatora tlenu, w tym eksperymencie zastosowano proces produkcji tlenu w dwóch wieżach. Proces produkcji tlenu z dwiema wieżami jest szeroko stosowany w małych urządzeniach do produkcji tlenu ze względu na prostą konstrukcję, wygodną konserwację i niski koszt. Dzięki naprzemiennej pracy dwóch wież adsorpcyjnych można osiągnąć ciągłą i stabilną produkcję tlenu, jednocześnie skutecznie zmniejszając objętość i masę sprzętu. Aby zwiększyć uzysk tlenu i zmniejszyć zużycie energii, w tym eksperymencie zaprojektowano i przyjęto proces z procesem wyrównywania. Proces wyrównywania dodatkowo poprawia wydajność produkcji tlenu i zmniejsza zużycie energii przez system poprzez optymalizację różnicy ciśnień. Połączenie tego procesu nie tylko poprawia wydajność przenośnego generatora tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową, ale także skutecznie kontroluje zużycie energii i objętość sprzętu, zapewniając jednocześnie czystość tlenu.



Projekt obwodu napędu obciążenia
Do głównych obciążeń roboczych przenośnego koncentratora tlenu PSA należą sprężarki powietrza i zawory elektromagnetyczne. Dzięki zastosowaniu kombinowanego zaworu elektromagnetycznego można skutecznie zmniejszyć objętość i wagę koncentratora tlenu, jednocześnie zwiększając stabilność systemu. Ponieważ jednak napięcie robocze sprężarki powietrza i zaworu elektromagnetycznego wynosi 12 V prądu stałego, podczas gdy napięcie robocze mikrokontrolera wynosi 3,3 V prądu stałego, trudno jest bezpośrednio sterować tymi obciążeniami. Dlatego sygnał wyjściowy mikrokontrolera jest odwracany przez falownik 74LVC04 i wzmacniany przez lampę Darlingtona ULN2003 w celu sterowania pracą sprężarki powietrza i zaworu elektromagnetycznego.
ULN2003 to wysokowydajny kompozytowy układ tranzystorowy o dobrej odporności na wysokie temperatury i wysokie ciśnienie oraz dużej obciążalności. Zawiera diodę gaszącą i może bezpośrednio sterować obciążeniami wysokoprądowymi, w tym przekaźnikami. Schemat obwodu sterującego sprężarki powietrza i zaworu elektromagnetycznego pokazano na rysunku.



Projekt obwodu napędu sprężarki powietrza
Sprężarka powietrza jest głównym elementem zasilającym przenośny generator tlenu z adsorpcją zmiennociśnieniową (PSA). Oddziela tlen poprzez wdychanie otaczającego powietrza i zwiększanie jego ciśnienia w celu przesłania go do wieży adsorpcyjnej, która jest kluczowym ogniwem w procesie produkcji tlenu. Aby spełnić wymagania wydajności i stabilności sprzętu przenośnego, w tym systemie zastosowano mikrobezszczotkową sprężarkę DC firmy Thomas, która ma zalety płynnej pracy, dużego przepływu, niskich wibracji, niskiego poziomu hałasu i niskiego zużycia energii i jest bardzo odpowiednia dla scenariusz zastosowania generatora tlenu.
Bezszczotkowy silnik prądu stałego wymaga dedykowanego obwodu napędowego, aby zakończyć komutację elektroniczną i zapewnić jego normalne działanie. W związku z tym zaprojektowano zestaw obwodów napędu silników w oparciu o układ sterujący JY01. Zasada jest pokazana na rysunku. Dzięki zoptymalizowanej konstrukcji obwodu można dokładnie kontrolować prędkość roboczą i stabilność sprężarki powietrza.
Projekt obwodu i zasada
JY01 to układ sterujący specjalnie stosowany w bezszczotkowych silnikach prądu stałego, posiadający następujące główne funkcje:
Liniowa regulacja prędkości: w celu uzyskania precyzyjnej kontroli prędkości silnika;
Wiele mechanizmów zabezpieczających: w tym zabezpieczenie nadprądowe, zabezpieczenie podnapięciowe i zabezpieczenie przed zwarciem, aby zapewnić bezpieczną pracę obwodu;
Wyjście sinusoidalnej modulacji szerokości impulsu (SPWM): w celu poprawy wydajności jazdy i zmniejszenia wibracji i hałasu silnika.
Obwód napędowy oparty jest na JY01, a sygnał położenia wirnika (Ha, Hb, Hc) uzyskiwany jest przez czujnik Halla, a układ generuje odpowiedni sygnał sterujący. Sygnał wyjściowy SPWM przez JY01 steruje modułem sterującym IR2021, sterując w ten sposób tranzystorem polowym (FET) górnego i dolnego ramienia mostka. Sygnał sterujący dzieli się na sygnały sterujące górnym i dolnym ramieniem: sygnały MA, MB i MC górnego ramienia są reprezentowane odpowiednio przez AT, BT i CT, a sygnały dolnego ramienia są reprezentowane przez AB, BB i CB.

Podsumowując
Zgodnie z mechanizmem produkcji tlenu z separacją membranową, w ramach tych badań opracowano kompaktowy system sterowania generatorem tlenu z separacją membranową, w którym jednoukładowy mikrokomputer STM32F407 pełni rolę centralnej jednostki sterującej, formułując jednocześnie odpowiednie peryferyjne obwody sterujące i algorytmy sterujące. Cały układ sterowania ma zalety: jest przyjazny dla użytkownika, łatwy w obsłudze, wysoce stabilny i wyjątkowo niezawodny, a także oferuje doskonałe możliwości interakcji człowiek-maszyna. Prototyp generatora tlenu opracowany w ramach tego systemu kontroli ma niewielkie rozmiary i jest wyjątkowo lekki. Gdy wydajność tlenu osiągnie 0,8 l/min, czystość tlenu może osiągnąć nawet 93,2%, spełniając wstępnie ustawione kryteria projektowe. Patrząc w przyszłość, planuje się zbadanie inteligentnej regulacji procesu produkcji tlenu. Dzięki precyzyjnemu dostosowaniu parametrów, takich jak prędkość pompy, czas permeacji i ciśnienie membrany, wydajność tlenu i czystość generatora tlenu można automatycznie dostroić do zmian temperatury otoczenia i utrzymywać na stosunkowo stałym poziomie.