Návrh řídicího systému pro přenosný generátor adsorpčního kyslíku s kolísáním tlaku

Návrh řídicího systému pro přenosný generátor adsorpčního kyslíku s kolísáním tlaku
 

 

Kyslík je základním prvkem pro udržení lidských životních aktivit a hraje zásadní roli při různých lékařských ošetřeních a nouzových záchranách. Zařízení na výrobu kyslíku je důležitým lékařským podpůrným zařízením. Metoda výroby kyslíku pomocí tlakové adsorpce (PSA) je široce používána v malých a středně velkých zařízeních na výrobu kyslíku díky svým výhodám nízké spotřeby energie, žádného znečištění a nízkých investic. Pracovní princip metody adsorpce s kolísáním tlaku je: díky rozdílu v adsorpčních charakteristikách molekulových sít na kyslík a dusík je dusík adsorbován za tlakových podmínek k oddělení kyslíku; za sníženého tlaku se dusík desorbuje, aby se obnovila adsorpční účinnost molekulárního síta, aby se dosáhlo separace kyslíku a dusíku. Většina současných zařízení na výrobu adsorpčního kyslíku s kolísáním tlaku má velké rozměry a velkou hmotnost, což nemůže splnit potřeby přenosnosti v terénu nebo na vozidlech. Přenosné adsorpční kyslíkové generátory s výkyvným tlakem se týkají těch zařízení na výrobu kyslíku, která lze přenášet nalehko, mají vlastní zdroj energie a mají nízkou hmotnost. V Číně je však v této oblasti relativně malý výzkum a stávající řídicí systémy jsou obecně velké co do velikosti, málo automatizace a špatná stabilita. V této studii byl v kombinaci s procesem výroby kyslíku s adsorpcí s kolísáním tlaku navržen a vyvinut řídicí systém vhodný pro přenosné generátory kyslíku s adsorpcí s kolísáním tlaku, aby poskytoval technickou podporu pro další výzkum a aplikaci přenosných generátorů kyslíku.

Proces výroby adsorpce kyslíku při kolísání tlaku

Aby bylo možné vyvinout přenosný generátor kyslíku s adsorpcí s kolísáním tlaku, tato studie spojila princip výroby kyslíku s adsorpcí s kolísáním tlaku a nejprve určila základní procesní tok výroby kyslíku, jak je znázorněno na obrázku. Aby se zmenšil objem a hmotnost přenosného kyslíkového generátoru, tento experiment přijal dvouvěžový proces výroby kyslíku. Dvouvěžový proces výroby kyslíku je široce používán v malých zařízeních na výrobu kyslíku díky své jednoduché struktuře, pohodlné údržbě a nízkým nákladům. Střídavým provozem dvou adsorpčních věží lze dosáhnout kontinuální a stabilní produkce kyslíku při efektivním snížení objemu a hmotnosti zařízení. Aby se zvýšil výtěžek kyslíku a snížila spotřeba energie, tento experiment navrhl a přijal proces s vyrovnávacím procesem. Vyrovnávací proces dále zlepšuje účinnost výroby kyslíku a snižuje spotřebu energie systému optimalizací tlakového rozdílu. Kombinace tohoto procesu nejen zlepšuje výkon přenosného tlakového adsorpčního kyslíkového generátoru, ale také účinně řídí spotřebu energie a objem zařízení při zajištění čistoty kyslíku.



Návrh obvodu pohonu zátěže
Mezi hlavní pracovní zátěže přenosného kyslíkového koncentrátoru PSA patří vzduchové kompresory a solenoidové ventily. Použitím kombinovaného solenoidového ventilu lze účinně snížit objem a hmotnost koncentrátoru kyslíku a zároveň zvýšit stabilitu systému. Protože je však provozní napětí vzduchového kompresoru a solenoidového ventilu DC 12V, zatímco provozní napětí mikrokontroléru je DC 3,3V, je obtížné přímo řídit tyto zátěže. Proto je výstup signálu mikrokontroléru invertován invertorem 74LVC04 a zesílen Darlingtonovou trubicí ULN2003 pro řízení provozu vzduchového kompresoru a solenoidového ventilu.
ULN2003 je vysoce výkonné kompozitní tranzistorové pole s dobrou odolností vůči vysokým teplotám a vysokému tlaku a vysokou nosností. Integruje volnoběžnou diodu a může přímo řídit vysoké proudové zatížení včetně relé. Schéma hnacího obvodu vzduchového kompresoru a solenoidového ventilu je znázorněno na obrázku.



Návrh okruhu pohonu vzduchového kompresoru
Vzduchový kompresor je hlavní výkonovou součástí přenosného generátoru kyslíku s adsorpcí s kolísáním tlaku (PSA). Odděluje kyslík vdechováním okolního vzduchu a jeho natlakováním, aby se poslal do adsorpční věže, která je klíčovým článkem v procesu výroby kyslíku. Aby byly splněny požadavky na efektivní a stabilní výkon přenosných zařízení, používá tento systém bezkomutátorový DC kompresor Thomas micro, který má výhody plynulého provozu, velkého průtoku, nízkých vibrací, nízké hlučnosti a nízké spotřeby energie a je velmi vhodný pro scénář aplikace generátoru kyslíku.
Bezkomutátorový stejnosměrný motor vyžaduje vyhrazený hnací obvod pro dokončení elektronické komutace, aby byl zajištěn jeho normální provoz. Proto je navržena sada obvodů pohonu motoru na bázi řídicího čipu JY01. Princip je znázorněn na obrázku. Prostřednictvím optimalizovaného návrhu okruhu lze přesně řídit provozní rychlost a stabilitu vzduchového kompresoru.
Návrh a princip obvodu
JY01 je řídicí čip speciálně používaný pro bezkomutátorové stejnosměrné motory s následujícími hlavními funkcemi:
Lineární regulace rychlosti: k dosažení přesné regulace rychlosti motoru;
Vícenásobné ochranné mechanismy: včetně nadproudové ochrany, podpěťové ochrany a ochrany proti zkratu pro zajištění bezpečného provozu obvodu;
Výstup sinusové pulzní šířkové modulace (SPWM): pro zlepšení efektivity jízdy a snížení vibrací a hluku motoru.
Budicí obvod je založen na JY01 a signál polohy rotoru (Ha, Hb, Hc) je získáván přes Hallův snímač a čip generuje odpovídající řídící signál. Výstup signálu SPWM z JY01 řídí budící modul IR2021, čímž budí tranzistor s efektem pole (FET) horního a spodního ramene můstku. Řídicí signál je rozdělen na řídicí signály horního a dolního ramene: signály horního ramene MA, MB a MC jsou reprezentovány AT, BT a CT a signály dolního ramene jsou reprezentovány AB, BB a CB.

Na závěr
V souladu s mechanismem membránové separační produkce kyslíku tento výzkum navrhuje kompaktní řídicí systém membránového separačního kyslíkového generátoru, který využívá jednočipový mikropočítač STM32F407 jako centrální řídicí jednotku a zároveň formuluje odpovídající periferní řídicí obvody a řídicí algoritmy. Celé nastavení ovládání se vyznačuje tím, že je uživatelsky přívětivé, snadno ovladatelné, vysoce stabilní a extrémně spolehlivé, spolu s vynikajícími schopnostmi interakce člověk-stroj. Prototyp generátoru kyslíku vyvinutý v tomto kontrolním režimu je malých rozměrů a má pozoruhodně nízkou hmotnost. Když rychlost výstupu kyslíku dosáhne 0,8 l/min, může čistota kyslíku dosáhnout až 93,2 %, čímž jsou splněny přednastavené designové standardy. Do budoucna existují plány na prozkoumání inteligentní regulace procesu výroby kyslíku. Přesným nastavením parametrů, jako je rychlost čerpadla, doba permeace a tlak membrány, lze rychlost výstupu kyslíku a čistotu generátoru kyslíku automaticky ladit podle změn okolní teploty a udržovat je na relativně konstantní úrovni.