Návrh riadiaceho systému pre prenosný generátor adsorpčného kyslíka s kolísaním tlaku

Návrh riadiaceho systému pre prenosný generátor adsorpčného kyslíka s kolísaním tlaku
 

 

Kyslík je základným prvkom na udržanie ľudských životných aktivít a zohráva dôležitú úlohu pri rôznych lekárskych ošetreniach a núdzových záchranách. Zariadenie na výrobu kyslíka je dôležitým zdravotníckym podporným zariadením. Metóda výroby kyslíka s tlakovou swingovou adsorpciou (PSA) bola široko používaná v malých a stredne veľkých zariadeniach na výrobu kyslíka kvôli jej výhodám nízkej spotreby energie, žiadneho znečistenia a nízkych investícií. Pracovný princíp metódy adsorpcie s kolísaním tlaku je: cez rozdiel v adsorpčných charakteristikách molekulových sít na kyslík a dusík sa dusík adsorbuje za tlakových podmienok na oddelenie kyslíka; za podmienok zníženého tlaku sa dusík desorbuje, aby sa obnovila adsorpčná výkonnosť molekulového sita, aby sa dosiahla separácia kyslíka a dusíka. Väčšina súčasných zariadení na výrobu adsorpčného kyslíka s kolísaním tlaku má veľké rozmery a veľkú hmotnosť, čo nemôže spĺňať potreby prenosnosti v teréne alebo na vozidlách. Prenosné generátory adsorpčného kyslíka s výkyvom tlaku sa týkajú tých zariadení na výrobu kyslíka, ktoré sa dajú ľahko prenášať, majú vlastný zdroj energie a majú nízku hmotnosť. V Číne je však v tejto oblasti relatívne malý výskum a existujúce riadiace systémy sú vo všeobecnosti veľké, s nízkou automatizáciou a slabou stabilitou. V tejto štúdii, v kombinácii s procesom výroby kyslíka s adsorpciou s kolísaním tlaku, bol navrhnutý a vyvinutý riadiaci systém vhodný pre prenosné generátory kyslíka s adsorpciou s kolísaním tlaku, aby poskytoval technickú podporu pre ďalší výskum a aplikáciu prenosných generátorov kyslíka.

Proces výroby adsorpčného kyslíka pri kolísaní tlaku

S cieľom vyvinúť prenosný generátor adsorpčného kyslíka s kolísaním tlaku táto štúdia skombinovala princíp výroby kyslíka s adsorpciou s kolísaním tlaku a najprv určila základný procesný tok výroby kyslíka, ako je znázornené na obrázku. Aby sa zmenšil objem a hmotnosť prenosného kyslíkového generátora, tento experiment prijal dvojvežový proces výroby kyslíka. Dvojvežový proces výroby kyslíka je široko používaný v malých zariadeniach na výrobu kyslíka vďaka svojej jednoduchej štruktúre, pohodlnej údržbe a nízkym nákladom. Striedaním prevádzky dvoch adsorpčných veží možno dosiahnuť kontinuálnu a stabilnú produkciu kyslíka pri efektívnom znížení objemu a hmotnosti zariadenia. Aby sa zvýšil výťažok kyslíka a znížila spotreba energie, tento experiment navrhol a prijal proces s vyrovnávacím procesom. Vyrovnávací proces ďalej zlepšuje účinnosť výroby kyslíka a znižuje spotrebu energie systému optimalizáciou tlakového rozdielu. Kombinácia tohto procesu nielen zlepšuje výkon prenosného generátora adsorpčného kyslíka s kolísaním tlaku, ale tiež efektívne riadi spotrebu energie a objem zariadenia pri zabezpečení čistoty kyslíka.



Návrh obvodu pohonu zaťaženia
Medzi hlavné pracovné zaťaženia prenosného kyslíkového koncentrátora PSA patria vzduchové kompresory a solenoidové ventily. Použitím kombinovaného solenoidového ventilu možno efektívne znížiť objem a hmotnosť koncentrátora kyslíka a zároveň zvýšiť stabilitu systému. Keďže však prevádzkové napätie vzduchového kompresora a solenoidového ventilu je 12 V DC, zatiaľ čo prevádzkové napätie mikrokontroléra je 3,3 V DC, je ťažké priamo poháňať tieto záťaže. Preto je výstup signálu mikrokontroléra invertovaný invertorom 74LVC04 a zosilnený Darlingtonovou trubicou ULN2003 na riadenie prevádzky vzduchového kompresora a solenoidového ventilu.
ULN2003 je vysokovýkonné kompozitné tranzistorové pole s dobrou odolnosťou voči vysokej teplote a vysokému tlaku a vysokou zaťažiteľnosťou. Integruje voľnobežnú diódu a môže priamo riadiť vysoké prúdové zaťaženie vrátane relé. Schéma hnacieho obvodu vzduchového kompresora a solenoidového ventilu je znázornená na obrázku.



Návrh okruhu pohonu vzduchového kompresora
Vzduchový kompresor je hlavným energetickým komponentom prenosného generátora kyslíka na adsorpciu s kolísaním tlaku (PSA). Oddeľuje kyslík vdychovaním okolitého vzduchu a jeho natlakovaním, aby sa poslal do adsorpčnej veže, ktorá je kľúčovým článkom v procese výroby kyslíka. Aby boli splnené požiadavky na efektívny a stabilný výkon prenosných zariadení, tento systém využíva bezkomutátorový DC kompresor Thomas micro, ktorý má výhody plynulej prevádzky, veľkého prietoku, nízkych vibrácií, nízkej hlučnosti a nízkej spotreby energie a je veľmi vhodný pre scenár aplikácie generátora kyslíka.
Bezuhlíkový jednosmerný motor vyžaduje vyhradený hnací obvod na dokončenie elektronickej komutácie, aby sa zabezpečila jeho normálna prevádzka. Preto je navrhnutý súbor obvodov pohonu motora na báze riadiaceho čipu JY01. Princíp je znázornený na obrázku. Prostredníctvom optimalizovaného dizajnu okruhu je možné presne riadiť prevádzkovú rýchlosť a stabilitu vzduchového kompresora.
Návrh a princíp obvodu
JY01 je riadiaci čip špeciálne používaný pre bezkomutátorové jednosmerné motory s nasledujúcimi hlavnými funkciami:
Lineárna regulácia rýchlosti: na dosiahnutie presného riadenia rýchlosti motora;
Viacnásobné ochranné mechanizmy: vrátane nadprúdovej ochrany, podpäťovej ochrany a ochrany proti skratu na zaistenie bezpečnej prevádzky obvodu;
Výstup sínusovej pulznej šírkovej modulácie (SPWM): na zlepšenie efektivity jazdy a zníženie vibrácií a hluku motora.
Budiaci obvod je založený na JY01 a signál polohy rotora (Ha, Hb, Hc) sa získava cez Hallov snímač a čip generuje zodpovedajúci riadiaci signál. Výstup signálu SPWM z JY01 riadi budiaci modul IR2021, čím riadi tranzistor s efektom poľa (FET) horných a dolných ramien mostíka. Hnací signál je rozdelený na riadiace signály horného a spodného ramena: signály horného ramena MA, MB a MC sú reprezentované AT, BT a CT a signály spodného ramena sú reprezentované AB, BB a CB.

Na záver
V súlade s mechanizmom membránovej separačnej výroby kyslíka tento výskum navrhuje kompaktný riadiaci systém membránového separačného kyslíkového generátora, ktorý využíva jednočipový mikropočítač STM32F407 ako centrálnu riadiacu jednotku a zároveň formuluje zodpovedajúce obvody periférneho riadenia a riadiacich algoritmov. Celé nastavenie ovládania vykazuje výhody, že je užívateľsky prívetivé, ľahko ovládateľné, vysoko stabilné a mimoriadne spoľahlivé, spolu s vynikajúcimi schopnosťami interakcie človek-stroj. Prototyp generátora kyslíka vyvinutý v tomto kontrolnom režime má malú veľkosť a má pozoruhodne nízku hmotnosť. Keď výstupná rýchlosť kyslíka dosiahne 0,8 l/min, čistota kyslíka môže dosiahnuť až 93,2 %, čím sú splnené prednastavené konštrukčné kritériá. Pokiaľ ide o budúcnosť, existujú plány na preskúmanie inteligentnej regulácie procesu výroby kyslíka. Presným nastavením parametrov, ako je rýchlosť pumpy, čas permeácie a tlak membrány, sa môže výstupná rýchlosť kyslíka a čistota generátora kyslíka automaticky vyladiť podľa zmien okolitej teploty a udržiavať na relatívne konštantnej úrovni.