Disseny del sistema de control per al generador d'oxigen d'adsorció d'oscil·lació de pressió portàtil

Disseny del sistema de control per al generador d'oxigen d'adsorció d'oscil·lació de pressió portàtil
 

 

L'oxigen és un element bàsic per mantenir les activitats de la vida humana i juga un paper vital en diversos tractaments mèdics i rescats d'emergència. L'equip de producció d'oxigen és un important equip de suport mèdic. El mètode de producció d'oxigen d'adsorció de canvi de pressió (PSA) s'ha utilitzat àmpliament en equips de producció d'oxigen de mida petita i mitjana a causa dels seus avantatges de baix consum d'energia, sense contaminació i poca inversió. El principi de funcionament del mètode d'adsorció de canvi de pressió és: a través de la diferència en les característiques d'adsorció dels tamisos moleculars a l'oxigen i al nitrogen, el nitrogen s'adsorbeix en condicions de pressió per separar l'oxigen; en condicions de pressió reduïda, el nitrogen es desorbeix per restaurar el rendiment d'adsorció del tamís molecular per aconseguir la separació d'oxigen i nitrogen. La majoria dels actuals equips de producció d'oxigen d'adsorció d'oscil·lació de pressió són de grans dimensions i pesats, que no poden satisfer les necessitats de portabilitat al camp o als vehicles. Els generadors d'oxigen portàtils d'adsorció de canvi de pressió es refereixen a aquells equips de producció d'oxigen que es poden transportar lleugerament, tenen la seva pròpia font d'alimentació i tenen un pes lleuger. No obstant això, hi ha relativament poca investigació en aquest camp a la Xina, i els sistemes de control existents són generalment de grans dimensions, de poca automatització i de poca estabilitat. En aquest estudi, combinat amb el procés de producció d'oxigen d'adsorció de pressió, es va dissenyar i desenvolupar un sistema de control adequat per a generadors d'oxigen portàtils d'adsorció de pressió per proporcionar suport tècnic per a més investigacions i aplicació de generadors d'oxigen portàtils.

Procés de producció d'oxigen d'adsorció de canvi de pressió

Per tal de desenvolupar un generador d'oxigen d'adsorció d'oscil·lació de pressió portàtil, aquest estudi va combinar el principi de producció d'oxigen d'adsorció d'oscil·lació de pressió i primer es va determinar el flux bàsic del procés de producció d'oxigen, tal com es mostra a la figura. Per tal de reduir el volum i el pes del generador d'oxigen portàtil, aquest experiment va adoptar un procés de producció d'oxigen de dues torres. El procés de producció d'oxigen de dues torres s'utilitza àmpliament en petits equips de producció d'oxigen a causa de la seva estructura senzilla, manteniment convenient i baix cost. Alternant el funcionament de dues torres d'adsorció, es pot aconseguir una producció d'oxigen contínua i estable, alhora que es redueix eficaçment el volum i la massa de l'equip. Per tal d'augmentar el rendiment d'oxigen i reduir el consum d'energia, aquest experiment va dissenyar i adoptar un procés amb un procés d'igualització. El procés d'igualització millora encara més l'eficiència de producció d'oxigen i redueix el consum d'energia del sistema optimitzant la diferència de pressió. La combinació d'aquest procés no només millora el rendiment del generador d'oxigen d'adsorció d'oscil·lació de pressió portàtil, sinó que també controla eficaçment el consum d'energia i el volum de l'equip alhora que garanteix la puresa de l'oxigen.



Disseny del circuit d'accionament de càrrega
Les principals càrregues de treball del concentrador d'oxigen portàtil PSA inclouen compressors d'aire i vàlvules solenoides. Mitjançant l'ús d'una vàlvula de solenoide combinada, el volum i el pes del concentrador d'oxigen es poden reduir de manera efectiva alhora que es millora l'estabilitat del sistema. Tanmateix, com que la tensió de funcionament del compressor d'aire i de la vàlvula solenoide és de 12 V CC, mentre que la tensió de funcionament del microcontrolador és de 3,3 V CC, és difícil conduir directament aquestes càrregues. Per tant, la sortida del senyal del microcontrolador és invertida per l'inversor 74LVC04 i amplificada pel tub Darlington ULN2003 per impulsar el funcionament del compressor d'aire i la vàlvula solenoide.
ULN2003 és una matriu de transistors compost d'alt rendiment amb una bona resistència a alta temperatura i alta pressió i una gran capacitat de càrrega. Integra un díode de roda lliure i pot conduir directament càrregues de corrent elevat, inclosos els relés. A la figura es mostra l'esquema del circuit de conducció del compressor d'aire i la vàlvula solenoide.



Disseny del circuit d'accionament del compressor d'aire
El compressor d'aire és el component de potència principal del generador d'oxigen portàtil d'adsorció de canvi de pressió (PSA). Separa l'oxigen inhalant aire ambient i pressionant-lo per enviar-lo a la torre d'adsorció, que és un enllaç clau en el procés de producció d'oxigen. Per tal de satisfer els requisits de rendiment eficient i estable dels equips portàtils, aquest sistema utilitza un compressor de corrent continu sense escombretes micro Thomas, que té els avantatges d'un funcionament suau, gran cabal, baixa vibració, baix soroll i baix consum d'energia, i és molt adequat per a l'escenari d'aplicació del generador d'oxigen.
El motor DC sense escombretes requereix un circuit d'accionament dedicat per completar la commutació electrònica per garantir el seu funcionament normal. Per tant, es dissenya un conjunt de circuits d'accionament del motor basats en el xip de control JY01. El principi es mostra a la figura. Mitjançant el disseny del circuit optimitzat, la velocitat de funcionament i l'estabilitat del compressor d'aire es poden controlar amb precisió.
Disseny i principi de circuits
JY01 és un xip de control utilitzat especialment per a motors de corrent continu sense escombretes, amb les següents funcions principals:
Regulació lineal de velocitat: per aconseguir un control precís de la velocitat del motor;
Múltiples mecanismes de protecció: inclosa la protecció contra sobreintensitat, la protecció contra baixa tensió i la protecció contra curtcircuits per garantir un funcionament segur del circuit;
Sortida de modulació d'amplada de pols sinusoïdal (SPWM): per millorar l'eficiència de conducció i reduir la vibració i el soroll del motor.
El circuit de conducció es basa en JY01 i el senyal de posició del rotor (Ha, Hb, Hc) s'obté a través del sensor Hall i el xip genera el senyal de conducció corresponent. La sortida del senyal SPWM de JY01 controla el mòdul de conducció IR2021, impulsant així el transistor d'efecte de camp (FET) dels braços del pont superior i inferior. El senyal de conducció es divideix en senyals de control del braç superior i inferior: els senyals del braç superior de MA, MB i MC estan representats per AT, BT i CT respectivament, i els senyals del braç inferior estan representats per AB, BB i CB.

En conclusió
D'acord amb el mecanisme de producció d'oxigen per separació de membrana, aquesta investigació idea un sistema compacte de control del generador d'oxigen de separació de membrana que pren el microordinador d'un sol xip STM32F407 com a unitat de control central, alhora que formula els circuits de control perifèrics corresponents i algorismes de control. Tota la configuració de control presenta els mèrits de ser fàcil d'utilitzar, fàcil d'operar, altament estable i extremadament fiable, juntament amb excel·lents capacitats d'interacció entre persones i màquines. El prototip del generador d'oxigen desenvolupat sota aquest règim de control és de mida reduïda i té un pes notablement lleuger. Quan la velocitat de sortida d'oxigen arriba a 0,8 L/min, la puresa de l'oxigen pot arribar al 93,2%, complint els punts de referència de disseny preestablerts. De cara al futur, hi ha plans per explorar la regulació intel·ligent del procés de producció d'oxigen. Ajustant amb precisió paràmetres com la velocitat de la bomba, el temps de permeació i la pressió de la membrana, la taxa de sortida d'oxigen i la puresa del generador d'oxigen es poden ajustar automàticament segons els canvis de temperatura ambient i mantenir-se a un nivell relativament constant.