Проектиране на система за управление за преносим кислороден генератор за адсорбция с промяна на налягането

Проектиране на система за управление на преносим адсорбционен кислороден генератор с промяна на налягането
 

 

Кислородът е основен елемент за поддържане на човешките жизнени дейности и играе жизненоважна роля при различни медицински лечения и спешни спасителни операции. Оборудването за производство на кислород е важно оборудване за медицинска помощ. Методът за производство на кислород чрез адсорбция с промяна на налягането (PSA) е широко използван в малки и средни съоръжения за производство на кислород поради предимствата си на ниска консумация на енергия, липса на замърсяване и ниски инвестиции. Принципът на работа на метода на адсорбция с промяна на налягането е: чрез разликата в характеристиките на адсорбция на молекулярните сита към кислород и азот, азотът се адсорбира при условия на налягане, за да се отдели кислородът; при условия на понижено налягане, азотът се десорбира, за да се възстанови адсорбционната производителност на молекулярното сито, за да се постигне разделяне на кислород и азот. Повечето от сегашното оборудване за производство на кислород с адсорбция при колебания на налягането е с големи размери и тежко тегло, което не може да отговори на нуждите от преносимост на полето или на превозни средства. Преносимите адсорбционни кислородни генератори с промяна на налягането се отнасят до оборудването за производство на кислород, което може да се носи леко, има собствено захранване и е с малко тегло. В Китай обаче има сравнително малко изследвания в тази област и съществуващите системи за контрол обикновено са големи по размер, ниска степен на автоматизация и ниска стабилност. В това проучване, съчетано с процеса на производство на кислород с промяна на налягането, беше проектирана и разработена система за управление, подходяща за преносими генератори на кислород с промяна на налягането, за да осигури техническа поддръжка за по-нататъшни изследвания и приложение на преносими генератори на кислород.

Процес на производство на кислород с адсорбция при промяна на налягането

За да се разработи преносим генератор на кислород за адсорбция с промяна на налягането, това проучване комбинира принципа на производство на кислород с промяна на налягането и първо определи основния процес на производство на кислород, както е показано на фигурата. За да се намалят обемът и теглото на преносимия генератор на кислород, този експеримент възприе процес на производство на кислород с две кули. Процесът на производство на кислород с две кули се използва широко в малко оборудване за производство на кислород поради своята проста структура, удобна поддръжка и ниска цена. Чрез редуване на работата на две адсорбционни кули може да се постигне непрекъснато и стабилно производство на кислород, като същевременно се намаляват ефективно обемът и масата на оборудването. За да се увеличи добивът на кислород и да се намали консумацията на енергия, този експеримент проектира и прие процес с изравняващ процес. Процесът на изравняване допълнително подобрява ефективността на производството на кислород и намалява консумацията на енергия на системата чрез оптимизиране на разликата в налягането. Комбинацията от този процес не само подобрява работата на преносимия адсорбционен кислороден генератор с промяна на налягането, но също така ефективно контролира консумацията на енергия и обема на оборудването, като същевременно гарантира чистотата на кислорода.



Проектиране на веригата за задвижване на товара
Основните работни натоварвания на преносимия кислороден концентратор PSA включват въздушни компресори и електромагнитни клапани. Чрез използването на комбиниран електромагнитен клапан, обемът и теглото на кислородния концентратор могат да бъдат ефективно намалени, като същевременно се подобри стабилността на системата. Въпреки това, тъй като работното напрежение на въздушния компресор и соленоидния клапан е DC 12V, докато работното напрежение на микроконтролера е DC 3,3V, е трудно тези товари да се управляват директно. Следователно изходният сигнал от микроконтролера се инвертира от инвертора 74LVC04 и се усилва от тръбата на Дарлингтън ULN2003, за да управлява работата на въздушния компресор и соленоидния клапан.
ULN2003 е високоефективна композитна транзисторна матрица с добра устойчивост на висока температура и високо налягане и голяма товароносимост. Той интегрира свободен диод и може директно да управлява високотокови натоварвания, включително релета. Схемата на задвижващата верига на въздушния компресор и електромагнитния клапан е показана на фигурата.



Схема на задвижване на въздушен компресор
Въздушният компресор е основният енергиен компонент на преносимия кислороден генератор с промяна на налягането (PSA). Той отделя кислорода чрез вдишване на околния въздух и поставянето му под налягане, за да го изпрати в адсорбционната кула, която е ключова връзка в процеса на производство на кислород. За да отговори на изискванията за ефективна и стабилна производителност на преносимото оборудване, тази система използва микро безчетков DC компресор Thomas, който има предимствата на гладка работа, голям поток, ниски вибрации, нисък шум и ниска консумация на енергия и е много подходящ за сценария на приложение на кислородния генератор.
Безчетковият DC двигател изисква специална задвижваща верига, за да завърши електронната комутация, за да се осигури нормалната му работа. Поради това е проектиран набор от вериги за задвижване на двигателя, базирани на контролния чип JY01. Принципът е показан на фигурата. Чрез оптимизирания дизайн на веригата, работната скорост и стабилността на въздушния компресор могат да бъдат точно контролирани.
Дизайн и принцип на веригата
JY01 е контролен чип, специално използван за безчеткови DC двигатели, със следните основни функции:
Линейно регулиране на скоростта: за постигане на прецизен контрол на скоростта на двигателя;
Множество защитни механизми: включително защита от свръхток, защита от ниско напрежение и защита от късо съединение, за да се осигури безопасна работа на веригата;
Синусоидална модулация на ширината на импулса (SPWM): за подобряване на ефективността на шофиране и намаляване на вибрациите и шума на двигателя.
Задвижващата верига е базирана на JY01 и сигналът за позицията на ротора (Ha, Hb, Hc) се получава чрез сензора на Хол и чипът генерира съответния управляващ сигнал. Изходният SPWM сигнал от JY01 управлява задвижващия модул IR2021, като по този начин задвижва полевия транзистор (FET) на горното и долното мостово рамо. Управляващият сигнал е разделен на контролни сигнали на горната и долната част на рамото: сигналите на горната част на рамото на MA, MB и MC са представени съответно от AT, BT и CT, а сигналите на долната част на рамото са представени от AB, BB и CB.

В заключение
В съответствие с механизма за производство на кислород с мембранно разделяне, това изследване разработва компактна система за управление на кислороден генератор с мембранно разделяне, която приема едночиповия микрокомпютър STM32F407 като централен контролен блок, като същевременно формулира съответните периферни управляващи вериги и алгоритми за управление. Цялата настройка за управление показва предимствата на това, че е удобна за потребителя, лесна за работа, много стабилна и изключително надеждна, заедно с отлични възможности за взаимодействие човек-машина. Прототипът на кислородния генератор, разработен при този режим на управление, е с миниатюрни размери и забележително леко тегло. Когато скоростта на изхода на кислород достигне 0,8 L/min, чистотата на кислорода може да достигне до 93,2%, изпълнявайки предварително зададените критерии за проектиране. Гледайки напред, има планове за изследване на интелигентното регулиране на процеса на производство на кислород. Чрез прецизно регулиране на параметри като скоростта на помпата, времето на проникване и налягането на мембраната, скоростта на изхода на кислород и чистотата на кислородния генератор могат да бъдат автоматично настроени според промените на температурата на околната среда и да се поддържат на относително постоянно ниво.