طراحی سیستم کنترل برای ژنراتور اکسیژن جذبی نوسان فشار قابل حمل

طراحی سیستم کنترل برای ژنراتور اکسیژن جذب نوسان فشار قابل حمل
 

 

اکسیژن یک عنصر اساسی برای حفظ فعالیت های زندگی انسان است و نقش حیاتی در درمان های مختلف پزشکی و نجات اضطراری ایفا می کند. تجهیزات تولید اکسیژن یک تجهیزات پشتیبانی پزشکی مهم است. روش تولید اکسیژن جذب نوسان فشار (PSA) به دلیل مزایای مصرف انرژی کم، عدم آلودگی و سرمایه گذاری کم، به طور گسترده در تجهیزات تولید اکسیژن با اندازه کوچک و متوسط ​​استفاده شده است. اصل کار روش جذب نوسان فشار این است: از طریق تفاوت در ویژگی‌های جذب غربال‌های مولکولی به اکسیژن و نیتروژن، نیتروژن در شرایط تحت فشار برای جداسازی اکسیژن جذب می‌شود. در شرایط فشار کاهش یافته، نیتروژن برای بازیابی عملکرد جذب الک مولکولی برای دستیابی به جداسازی اکسیژن و نیتروژن دفع می شود. اکثر تجهیزات تولید اکسیژن جذب نوسان فشار فعلی از نظر اندازه بزرگ و وزن سنگین هستند که نمی توانند نیازهای قابل حمل در میدان یا وسایل نقلیه را برآورده کنند. ژنراتورهای اکسیژن جذب نوسان فشار قابل حمل به آن دسته از تجهیزات تولید اکسیژن اطلاق می شود که می توانند به راحتی حمل شوند، منبع تغذیه خود را دارند و وزن سبکی دارند. با این حال، تحقیقات نسبتا کمی در این زمینه در چین وجود دارد و سیستم‌های کنترل موجود عموماً از نظر اندازه بزرگ، اتوماسیون پایین و از نظر پایداری ضعیف هستند. در این مطالعه، همراه با فرآیند تولید اکسیژن جذب نوسان فشار، یک سیستم کنترل مناسب برای ژنراتورهای اکسیژن جذب نوسان فشار قابل حمل طراحی و توسعه داده شد تا پشتیبانی فنی برای تحقیقات بیشتر و کاربرد ژنراتورهای اکسیژن قابل حمل فراهم کند.

فرآیند تولید اکسیژن جذب نوسان فشار

به منظور توسعه یک ژنراتور اکسیژن جذب نوسان فشار قابل حمل، این مطالعه اصل تولید اکسیژن جذب نوسان فشار را ترکیب کرد و ابتدا جریان فرآیند اصلی تولید اکسیژن را تعیین کرد، همانطور که در شکل نشان داده شده است. به منظور کاهش حجم و وزن مولد اکسیژن قابل حمل، این آزمایش یک فرآیند تولید اکسیژن دو برج را اتخاذ کرد. فرآیند تولید اکسیژن دو برج به دلیل ساختار ساده، نگهداری راحت و هزینه کم به طور گسترده در تجهیزات تولید اکسیژن کوچک استفاده می شود. با کارکرد متناوب دو برج جذب، می توان به تولید اکسیژن مداوم و پایدار دست یافت، در حالی که به طور موثر حجم و جرم تجهیزات را کاهش داد. به منظور افزایش بازده اکسیژن و کاهش مصرف انرژی، این آزمایش فرآیندی با فرآیند یکسان سازی طراحی و اتخاذ کرد. فرآیند یکسان سازی بیشتر بازده تولید اکسیژن را بهبود می بخشد و با بهینه سازی اختلاف فشار، مصرف انرژی سیستم را کاهش می دهد. ترکیب این فرآیند نه تنها عملکرد ژنراتور اکسیژن جذب نوسان فشار قابل حمل را بهبود می بخشد، بلکه به طور موثر مصرف انرژی و حجم تجهیزات را کنترل می کند و در عین حال خلوص اکسیژن را تضمین می کند.



طراحی مدار محرک بار
بارهای کاری اصلی دستگاه اکسیژن ساز قابل حمل PSA شامل کمپرسورهای هوا و شیرهای برقی می باشد. با استفاده از یک شیر برقی ترکیبی، می توان حجم و وزن متمرکز کننده اکسیژن را به طور موثر کاهش داد و در عین حال پایداری سیستم را افزایش داد. با این حال، از آنجایی که ولتاژ عملکرد کمپرسور هوا و شیر برقی DC 12V است، در حالی که ولتاژ کاری میکروکنترلر DC 3.3V است، هدایت مستقیم این بارها دشوار است. بنابراین، سیگنال خروجی توسط میکروکنترلر توسط اینورتر 74LVC04 معکوس شده و توسط لوله دارلینگتون ULN2003 تقویت می شود تا عملکرد کمپرسور هوا و شیر برقی را هدایت کند.
ULN2003 یک آرایه ترانزیستور کامپوزیتی با کارایی بالا با مقاومت در برابر دمای بالا و فشار بالا و ظرفیت بار قوی است. این دیود آزاد چرخ را ادغام می کند و می تواند مستقیماً بارهای جریان بالا از جمله رله ها را هدایت کند. شماتیک مدار محرک کمپرسور هوا و شیر برقی در شکل نشان داده شده است.



طراحی مدار محرک کمپرسور هوا
کمپرسور هوا جزء قدرت هسته ژنراتور اکسیژن قابل حمل نوسان فشار (PSA) است. اکسیژن را با استنشاق هوای محیط و تحت فشار قرار دادن آن برای فرستادن آن به داخل برج جذب جدا می کند، که یک حلقه کلیدی در فرآیند تولید اکسیژن است. این سیستم به منظور پاسخگویی به الزامات عملکرد کارآمد و پایدار تجهیزات قابل حمل، از کمپرسور DC میکرو براشلس توماس استفاده می کند که از مزایای عملکرد روان، جریان زیاد، لرزش کم، صدای کم و مصرف انرژی کم استفاده می کند و بسیار مناسب برای سناریوی کاربردی ژنراتور اکسیژن
موتور DC بدون جاروبک به یک مدار درایو اختصاصی برای تکمیل کموتاسیون الکترونیکی نیاز دارد تا از عملکرد عادی آن اطمینان حاصل شود. بنابراین مجموعه ای از مدارهای محرک موتور بر اساس تراشه کنترلی JY01 طراحی شده است. اصل در شکل نشان داده شده است. از طریق طراحی مدار بهینه شده، سرعت عملکرد و پایداری کمپرسور هوا را می توان با دقت کنترل کرد.
طراحی مدار و اصل
JY01 یک تراشه کنترلی است که به ویژه برای موتورهای DC بدون جاروبک استفاده می شود، با عملکردهای اصلی زیر:
تنظیم خطی سرعت: برای دستیابی به کنترل دقیق سرعت موتور.
مکانیسم های حفاظتی چندگانه: از جمله حفاظت در برابر جریان اضافه، حفاظت در برابر ولتاژ و حفاظت از اتصال کوتاه برای اطمینان از عملکرد ایمن مدار.
خروجی مدولاسیون عرض پالس سینوسی (SPWM): برای بهبود راندمان رانندگی و کاهش لرزش و نویز موتور.
مدار رانندگی بر اساس JY01 است و سیگنال موقعیت روتور (Ha, Hb, Hc) از طریق سنسور هال به دست می آید و تراشه سیگنال رانندگی مربوطه را تولید می کند. سیگنال خروجی SPWM توسط JY01 ماژول محرک IR2021 را کنترل می کند و در نتیجه ترانزیستور اثر میدانی (FET) بازوهای پل بالایی و پایینی را هدایت می کند. سیگنال رانندگی به سیگنال‌های کنترل بازوی بالا و پایین تقسیم می‌شود: سیگنال‌های بازوی بالایی MA، MB، و MC به ترتیب با AT، BT، و CT و سیگنال‌های بازوی پایین با AB، BB و CB نشان داده می‌شوند.

در نتیجه
در راستای مکانیسم تولید اکسیژن جداسازی غشایی، این تحقیق یک سیستم کنترل مولد اکسیژن جداسازی غشایی فشرده را ابداع می کند که میکروکامپیوتر تک تراشه STM32F407 را به عنوان واحد کنترل مرکزی می گیرد، در حالی که مدارهای کنترل محیطی مربوطه را نیز فرموله می کند. الگوریتم های کنترل کل تنظیمات کنترل، ویژگی کاربرپسند بودن، کارکرد آسان، بسیار پایدار و بسیار قابل اعتماد بودن، همراه با قابلیت‌های عالی تعامل انسان و ماشین را نشان می‌دهد. نمونه اولیه ژنراتور اکسیژن که تحت این رژیم کنترلی توسعه یافته است، اندازه کوچکی دارد و وزن بسیار سبکی دارد. هنگامی که نرخ خروجی اکسیژن به 0.8 لیتر در دقیقه می رسد، خلوص اکسیژن می تواند به 93.2٪ برسد که معیارهای طراحی از پیش تعیین شده را برآورده می کند. با نگاهی به آینده، برنامه‌هایی برای بررسی تنظیم هوشمند فرآیند تولید اکسیژن وجود دارد. با تنظیم دقیق پارامترهایی مانند سرعت پمپ، زمان نفوذ و فشار غشا، میزان اکسیژن خروجی و خلوص ژنراتور اکسیژن را می توان به طور خودکار با توجه به تغییرات دمای محیط تنظیم کرد و در یک سطح نسبتاً ثابت نگه داشت.