Dizajn upravljačkog sustava za prijenosni adsorpcijski generator kisika s promjenom tlaka

Dizajn upravljačkog sustava za prijenosni adsorpcijski generator kisika s promjenom tlaka
 

 

Kisik je osnovni element za održavanje ljudskih životnih aktivnosti i igra vitalnu ulogu u raznim medicinskim tretmanima i hitnim spašavanjima. Oprema za proizvodnju kisika važna je oprema za medicinsku podršku. Metoda proizvodnje kisika adsorpcijom s promjenom tlaka (PSA) naširoko se koristi u maloj i srednjoj opremi za proizvodnju kisika zbog svojih prednosti niske potrošnje energije, bez zagađenja i niskih ulaganja. Princip rada metode adsorpcije s promjenom tlaka je: kroz razliku u karakteristikama adsorpcije molekularnih sita na kisik i dušik, dušik se adsorbira u uvjetima pod tlakom kako bi se odvojio kisik; pod uvjetima sniženog tlaka, dušik se desorbira kako bi se obnovila adsorpcijska izvedba molekularnog sita kako bi se postiglo odvajanje kisika i dušika. Većina trenutne opreme za proizvodnju kisika s adsorpcijom uz promjenu tlaka velike je veličine i teške, što ne može zadovoljiti potrebe prenosivosti na terenu ili u vozilima. Prijenosni adsorpcijski generatori kisika s promjenjivim pritiskom odnose se na onu opremu za proizvodnju kisika koja se može lagano nositi, ima vlastito napajanje i male je težine. Međutim, postoji relativno malo istraživanja u ovom području u Kini, a postojeći sustavi upravljanja općenito su veliki, imaju nisku automatizaciju i lošu stabilnost. U ovoj studiji, u kombinaciji s postupkom proizvodnje adsorpcijskog kisika s promjenjivim pritiskom, dizajniran je i razvijen sustav upravljanja prikladan za prijenosne adsorpcijske generatore kisika s promjenjivim pritiskom kako bi se pružila tehnička podrška za daljnja istraživanja i primjenu prijenosnih generatora kisika.

Proces proizvodnje kisika adsorpcijom promjenjivog tlaka

Kako bi se razvio prijenosni adsorpcijski generator kisika s promjenjivim pritiskom, ova studija kombinirala je princip adsorpcijske proizvodnje kisika s promjenjivim pritiskom i prvo odredila osnovni tok procesa proizvodnje kisika, kao što je prikazano na slici. Kako bi se smanjio volumen i težina prijenosnog generatora kisika, ovaj je eksperiment usvojio proces proizvodnje kisika s dva tornja. Proces proizvodnje kisika s dva tornja naširoko se koristi u maloj opremi za proizvodnju kisika zbog svoje jednostavne strukture, praktičnog održavanja i niske cijene. Izmjeničnim radom dvaju adsorpcijskih tornjeva može se postići kontinuirana i stabilna proizvodnja kisika, uz učinkovito smanjenje volumena i mase opreme. Kako bi se povećao prinos kisika i smanjila potrošnja energije, ovaj eksperiment je dizajnirao i usvojio proces s procesom izjednačavanja. Proces izjednačavanja dodatno poboljšava učinkovitost proizvodnje kisika i smanjuje potrošnju energije sustava optimizacijom razlike tlakova. Kombinacija ovog procesa ne samo da poboljšava izvedbu prijenosnog adsorpcijskog generatora kisika s promjenom tlaka, već također učinkovito kontrolira potrošnju energije i volumen opreme, a istovremeno osigurava čistoću kisika.



Dizajn pogonskog kruga opterećenja
Glavna radna opterećenja prijenosnog PSA koncentratora kisika uključuju zračne kompresore i solenoidne ventile. Korištenjem kombiniranog solenoidnog ventila, volumen i težina koncentratora kisika mogu se učinkovito smanjiti uz povećanje stabilnosti sustava. Međutim, budući da je radni napon zračnog kompresora i solenoidnog ventila DC 12 V, dok je radni napon mikrokontrolera DC 3,3 V, teško je izravno upravljati ovim teretima. Stoga se izlazni signal mikrokontrolera invertira pomoću pretvarača 74LVC04 i pojačava pomoću ULN2003 Darlingtonove cijevi za pokretanje rada zračnog kompresora i solenoidnog ventila.
ULN2003 je niz kompozitnih tranzistora visokih performansi s dobrom otpornošću na visoke temperature i tlakove te velikim kapacitetom opterećenja. Integrira diodu slobodnog hoda i može izravno pokretati velika strujna opterećenja uključujući releje. Shema pogonskog kruga zračnog kompresora i solenoidnog ventila prikazana je na slici.



Dizajn pogonskog kruga zračnog kompresora
Zračni kompresor je glavna energetska komponenta prijenosnog generatora kisika s promjenjivom adsorpcijom (PSA). Odvaja kisik udisanjem okolnog zraka i stavljanjem pod tlak kako bi ga poslao u adsorpcijski toranj, koji je ključna karika u procesu proizvodnje kisika. Kako bi se zadovoljili zahtjevi učinkovitih i stabilnih performansi prijenosne opreme, ovaj sustav koristi Thomas mikro DC kompresor bez četkica, koji ima prednosti glatkog rada, velikog protoka, niske vibracije, niske buke i niske potrošnje energije, te je vrlo prikladan za scenarij primjene generatora kisika.
Istosmjerni motor bez četkica zahtijeva poseban pogonski krug za dovršetak elektroničke komutacije kako bi se osigurao normalan rad. Stoga je dizajniran skup krugova motornog pogona temeljen na upravljačkom čipu JY01. Princip je prikazan na slici. Kroz optimizirani dizajn strujnog kruga, brzina rada i stabilnost zračnog kompresora mogu se točno kontrolirati.
Dizajn strujnog kruga i princip
JY01 je upravljački čip posebno korišten za istosmjerne motore bez četkica, sa sljedećim glavnim funkcijama:
Linearna regulacija brzine: za postizanje precizne kontrole brzine motora;
Višestruki mehanizmi zaštite: uključujući prekostrujnu zaštitu, zaštitu od preniskog napona i zaštitu od kratkog spoja kako bi se osigurao siguran rad kruga;
Izlaz sinusoidalne modulacije širine pulsa (SPWM): za poboljšanje učinkovitosti vožnje i smanjenje vibracija i buke motora.
Pogonski krug temelji se na JY01, a signal položaja rotora (Ha, Hb, Hc) dobiva se preko Hallovog senzora, a čip generira odgovarajući pogonski signal. Izlaz SPWM signala JY01 kontrolira pogonski modul IR2021, čime pokreće tranzistor s efektom polja (FET) gornjeg i donjeg kraka mosta. Pogonski signal podijeljen je na upravljačke signale gornjeg i donjeg kraka: signali gornjeg kraka MA, MB i MC predstavljeni su redom AT, BT i CT, a signali donjeg kraka predstavljeni su AB, BB i CB.

U zaključku
U skladu s mehanizmom proizvodnje kisika za membransku separaciju, ovo istraživanje osmišljava kompaktni upravljački sustav generatora kisika za membransku separaciju koji uzima STM32F407 mikroračunalo s jednim čipom kao središnju upravljačku jedinicu, dok također formulira odgovarajuće periferne upravljačke krugove i kontrolni algoritmi. Cjelokupna kontrolna postavka pokazuje zasluge kao što je jednostavna za korištenje, jednostavna za rukovanje, vrlo stabilna i iznimno pouzdana, zajedno s izvrsnim mogućnostima interakcije između čovjeka i stroja. Prototip generatora kisika razvijen pod ovim režimom upravljanja je male veličine i izuzetno male težine. Kada izlazna brzina kisika dosegne 0,8 L/min, čistoća kisika može doseći čak 93,2%, ispunjavajući unaprijed postavljena mjerila dizajna. Gledajući unaprijed, postoje planovi za istraživanje inteligentne regulacije procesa proizvodnje kisika. Preciznim podešavanjem parametara kao što su brzina pumpe, vrijeme prodiranja i tlak membrane, izlazna brzina kisika i čistoća generatora kisika mogu se automatski podesiti prema promjenama temperature okoline i održavati na relativno konstantnoj razini.