Proiectarea sistemului de control pentru generatorul portabil de oxigen cu adsorbție cu variație de presiune

Proiectarea sistemului de control pentru generatorul portabil de oxigen cu adsorbție cu variație de presiune
 

 

Oxigenul este un element de bază pentru menținerea activităților vieții umane și joacă un rol vital în diferite tratamente medicale și salvari de urgență. Echipamentul de producere a oxigenului este un echipament de suport medical important. Metoda de producere a oxigenului prin adsorbție prin variație de presiune (PSA) a fost utilizată pe scară largă în echipamentele de producție de oxigen mici și mijlocii datorită avantajelor sale de consum redus de energie, lipsă de poluare și investiții reduse. Principiul de funcționare al metodei de adsorbție prin fluctuație de presiune este: prin diferența dintre caracteristicile de adsorbție ale sitelor moleculare la oxigen și azot, azotul este adsorbit în condiții de presiune pentru a separa oxigenul; în condiții de presiune redusă, azotul este desorbit pentru a restabili performanța de adsorbție a sitei moleculare pentru a obține separarea oxigenului și a azotului. Majoritatea echipamentelor actuale de producere a oxigenului cu adsorbție prin variație de presiune sunt mari ca dimensiuni și grele ca greutate, ceea ce nu poate satisface nevoile de portabilitate în câmp sau pe vehicule. Generatoarele portabile de oxigen cu adsorbție cu variație de presiune se referă la acele echipamente de producție de oxigen care pot fi transportate cu ușurință, au propria lor sursă de alimentare și au greutate redusă. Cu toate acestea, există relativ puține cercetări în acest domeniu în China, iar sistemele de control existente sunt, în general, de dimensiuni mari, automatizare redusă și stabilitate slabă. În acest studiu, combinat cu procesul de producere a oxigenului cu adsorbție prin variație de presiune, a fost proiectat și dezvoltat un sistem de control adecvat pentru generatoarele portabile de oxigen cu adsorbție cu variație de presiune pentru a oferi suport tehnic pentru cercetarea și aplicarea ulterioară a generatoarelor portabile de oxigen.

Procesul de producere a oxigenului prin adsorbție prin variație de presiune

Pentru a dezvolta un generator portabil de oxigen cu adsorbție cu oscilație de presiune, acest studiu a combinat principiul producției de oxigen prin adsorbție prin variație de presiune și a determinat mai întâi fluxul de bază al procesului de producere a oxigenului, așa cum se arată în figură. Pentru a reduce volumul și greutatea generatorului de oxigen portabil, acest experiment a adoptat un proces de producere a oxigenului cu două turnuri. Procesul de producție de oxigen cu două turnuri este utilizat pe scară largă în echipamentele mici de producere a oxigenului datorită structurii sale simple, întreținerii convenabile și costurilor reduse. Prin alternarea funcționării a două turnuri de adsorbție, se poate obține o producție continuă și stabilă de oxigen, reducând în același timp eficient volumul și masa echipamentului. Pentru a crește randamentul de oxigen și a reduce consumul de energie, acest experiment a conceput și adoptat un proces cu un proces de egalizare. Procesul de egalizare îmbunătățește în continuare eficiența producției de oxigen și reduce consumul de energie al sistemului prin optimizarea diferenței de presiune. Combinația acestui proces nu numai că îmbunătățește performanța generatorului de oxigen portabil cu adsorbție cu variație de presiune, ci și controlează eficient consumul de energie și volumul echipamentului, asigurând în același timp puritatea oxigenului.



Proiectarea circuitului de antrenare a sarcinii
Principalele sarcini de lucru ale concentratorului portabil de oxigen PSA includ compresoare de aer și supape solenoide. Prin utilizarea unei electrovalve combinate, volumul și greutatea concentratorului de oxigen pot fi reduse eficient, sporind în același timp stabilitatea sistemului. Cu toate acestea, deoarece tensiunea de funcționare a compresorului de aer și a electrovalvei este DC 12V, în timp ce tensiunea de funcționare a microcontrolerului este DC 3,3V, este dificil să conduceți direct aceste sarcini. Prin urmare, semnalul de ieșire de către microcontroler este inversat de invertorul 74LVC04 și amplificat de tubul Darlington ULN2003 pentru a conduce funcționarea compresorului de aer și a electrovalvei.
ULN2003 este o matrice de tranzistori compozit de înaltă performanță, cu rezistență bună la temperatură ridicată și presiune ridicată și capacitate de încărcare puternică. Acesta integrează o diodă cu roată liberă și poate conduce direct sarcini de curent ridicat, inclusiv relee. Schema circuitului de antrenare a compresorului de aer și a electrovalvei este prezentată în figură.



Proiectarea circuitului de antrenare a compresorului de aer
Compresorul de aer este componenta centrală de putere a generatorului de oxigen portabil cu adsorbție prin variație de presiune (PSA). Separă oxigenul prin inhalarea aerului ambiental și presurizarea acestuia pentru a-l trimite în turnul de adsorbție, care este o verigă cheie în procesul de producere a oxigenului. Pentru a îndeplini cerințele de performanță eficiente și stabile ale echipamentelor portabile, acest sistem folosește un compresor DC micro brushless Thomas, care are avantajele unei funcționări line, debit mare, vibrații reduse, zgomot redus și consum redus de energie și este foarte potrivit pentru scenariul de aplicare al generatorului de oxigen.
Motorul DC fără perii necesită un circuit de antrenare dedicat pentru a finaliza comutația electronică pentru a asigura funcționarea sa normală. Prin urmare, este proiectat un set de circuite de acționare a motorului bazate pe cipul de control JY01. Principiul este prezentat în figură. Prin proiectarea optimizată a circuitului, viteza de funcționare și stabilitatea compresorului de aer pot fi controlate cu precizie.
Proiectarea circuitului și principiul
JY01 este un cip de control utilizat special pentru motoarele de curent continuu fără perii, cu următoarele funcții principale:
Reglarea liniară a vitezei: pentru a obține un control precis al vitezei motorului;
Mecanisme multiple de protecție: inclusiv protecție la supracurent, protecție la subtensiune și protecție la scurtcircuit pentru a asigura funcționarea sigură a circuitului;
Ieșire de modulare a lățimii impulsului sinusoidal (SPWM): pentru a îmbunătăți eficiența condusului și pentru a reduce vibrațiile și zgomotul motorului.
Circuitul de conducere se bazează pe JY01, iar semnalul de poziție a rotorului (Ha, Hb, Hc) este obținut prin senzorul Hall, iar cipul generează semnalul de conducere corespunzător. Semnalul SPWM ieșit de JY01 controlează modulul de comandă IR2021, conducând astfel tranzistorul cu efect de câmp (FET) al brațelor de punte superioare și inferioare. Semnalul de conducere este împărțit în semnale de control al brațului superior și inferior: semnalele brațului superior ale MA, MB și MC sunt reprezentate de AT, BT și, respectiv, CT, iar semnalele brațului inferior sunt reprezentate de AB, BB și CB.

În concluzie
În conformitate cu mecanismul de producere a oxigenului prin separare prin membrană, această cercetare elaborează un sistem compact de control al generatorului de oxigen cu separare cu membrană care ia microcalculatorul cu un singur cip STM32F407 ca unitate centrală de control, formulând în același timp circuitele de control periferice corespunzătoare și algoritmi de control. Întreaga configurație de control prezintă avantajele de a fi ușor de utilizat, ușor de operat, foarte stabil și extrem de fiabil, împreună cu capabilități excelente de interacțiune om-mașină. Prototipul generatorului de oxigen dezvoltat în acest regim de control este de dimensiuni reduse și are o greutate remarcabil de ușoară. Când rata de ieșire a oxigenului atinge 0,8 L/min, puritatea oxigenului poate atinge până la 93,2%, îndeplinind criteriile de proiectare prestabilite. Privind în perspectivă, există planuri pentru a explora reglarea inteligentă a procesului de producere a oxigenului. Prin ajustarea precisă a parametrilor cum ar fi viteza pompei, timpul de penetrare și presiunea membranei, rata de ieșire a oxigenului și puritatea generatorului de oxigen pot fi reglate automat în funcție de schimbările de temperatură ambientală și menținute la un nivel relativ constant.