Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy tạo oxy hấp phụ xoay áp suất di động

Thiết kế hệ thống điều khiển máy tạo oxy hấp phụ dao động áp suất di động
 

 

Oxy là yếu tố cơ bản để duy trì các hoạt động sống của con người và đóng vai trò quan trọng trong các phương pháp điều trị y tế và cứu hộ khẩn cấp khác nhau. Thiết bị sản xuất oxy là một thiết bị hỗ trợ y tế quan trọng. Phương pháp sản xuất oxy hấp phụ dao động áp suất (PSA) đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị sản xuất oxy vừa và nhỏ do ưu điểm là tiêu thụ năng lượng thấp, không gây ô nhiễm và đầu tư thấp. Nguyên lý làm việc của phương pháp hấp phụ dao động áp suất là: thông qua sự khác biệt về đặc tính hấp phụ của sàng phân tử đối với oxy và nitơ, nitơ được hấp phụ trong điều kiện có áp suất để tách oxy; trong điều kiện áp suất giảm, nitơ được giải hấp để khôi phục hiệu suất hấp phụ của sàng phân tử để đạt được sự tách oxy và nitơ. Hầu hết các thiết bị sản xuất oxy hấp phụ dao động áp suất hiện nay đều có kích thước lớn và trọng lượng nặng, không đáp ứng được nhu cầu di chuyển tại hiện trường hoặc trên các phương tiện giao thông. Máy tạo oxy hấp phụ xoay áp suất di động dùng để chỉ những thiết bị sản xuất oxy có thể được vận chuyển nhẹ, có nguồn điện riêng và có trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, có tương đối ít nghiên cứu về lĩnh vực này ở Trung Quốc và các hệ thống điều khiển hiện tại nhìn chung có quy mô lớn, mức độ tự động hóa thấp và độ ổn định kém. Trong nghiên cứu này, kết hợp với quy trình sản xuất oxy hấp phụ dao động áp suất, một hệ thống điều khiển phù hợp cho máy tạo oxy hấp phụ dao động áp suất di động đã được thiết kế và phát triển để cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho nghiên cứu và ứng dụng tiếp theo của máy tạo oxy di động.

Quá trình sản xuất oxy hấp phụ dao động áp suất

Để phát triển máy tạo oxy hấp phụ dao động áp suất di động, nghiên cứu này đã kết hợp nguyên lý sản xuất oxy hấp phụ dao động áp suất và trước tiên xác định quy trình cơ bản của quá trình sản xuất oxy, như trong hình. Để giảm khối lượng và trọng lượng của máy tạo oxy di động, thí nghiệm này đã áp dụng quy trình sản xuất oxy hai tháp. Quy trình sản xuất oxy hai tháp được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị sản xuất oxy nhỏ do cấu trúc đơn giản, bảo trì thuận tiện và chi phí thấp. Bằng cách xen kẽ hoạt động của hai tháp hấp phụ, có thể đạt được việc sản xuất oxy liên tục và ổn định, đồng thời giảm thể tích và khối lượng của thiết bị một cách hiệu quả. Để tăng sản lượng oxy và giảm tiêu thụ năng lượng, thí nghiệm này đã thiết kế và áp dụng một quy trình có quy trình cân bằng. Quá trình cân bằng cải thiện hơn nữa hiệu quả sản xuất oxy và giảm mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống bằng cách tối ưu hóa chênh lệch áp suất. Sự kết hợp của quá trình này không chỉ cải thiện hiệu suất của máy tạo oxy hấp phụ xoay áp suất di động mà còn kiểm soát hiệu quả mức tiêu thụ năng lượng và thể tích của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo độ tinh khiết của oxy.



Thiết kế mạch truyền động tải
Tải trọng làm việc chính của máy tạo oxy PSA di động bao gồm máy nén khí và van điện từ. Bằng cách sử dụng van điện từ kết hợp, thể tích và trọng lượng của bộ tập trung oxy có thể giảm một cách hiệu quả đồng thời tăng cường độ ổn định của hệ thống. Tuy nhiên, do điện áp hoạt động của máy nén khí và van điện từ là DC 12V, trong khi điện áp hoạt động của vi điều khiển là DC 3,3V nên rất khó để truyền động trực tiếp các tải này. Do đó, tín hiệu đầu ra của bộ vi điều khiển được đảo ngược bởi biến tần 74LVC04 và được khuếch đại bởi ống Darlington ULN2003 để điều khiển hoạt động của máy nén khí và van điện từ.
ULN2003 là mảng bóng bán dẫn tổng hợp hiệu suất cao với khả năng chịu nhiệt độ cao và áp suất cao cũng như khả năng chịu tải mạnh. Nó tích hợp một diode quay tự do và có thể điều khiển trực tiếp các tải dòng điện cao bao gồm cả rơle. Sơ đồ mạch dẫn động của máy nén khí và van điện từ được thể hiện trên hình.



Thiết kế mạch điều khiển máy nén khí
Máy nén khí là thành phần năng lượng cốt lõi của máy tạo oxy hấp phụ dao động áp suất di động (PSA). Nó tách oxy bằng cách hít vào không khí xung quanh và tạo áp suất để đưa nó vào tháp hấp phụ, đây là mắt xích quan trọng trong quá trình sản xuất oxy. Để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và ổn định của thiết bị di động, hệ thống này sử dụng máy nén DC không chổi than Thomas micro, có ưu điểm là vận hành êm ái, lưu lượng lớn, độ rung thấp, tiếng ồn thấp và tiêu thụ năng lượng thấp, rất phù hợp cho kịch bản ứng dụng của máy tạo oxy.
Động cơ DC không chổi than yêu cầu một mạch truyền động chuyên dụng để hoàn thành quá trình chuyển mạch điện tử nhằm đảm bảo hoạt động bình thường của nó. Do đó, một bộ mạch điều khiển động cơ dựa trên chip điều khiển JY01 được thiết kế. Nguyên tắc được thể hiện trong hình. Thông qua thiết kế mạch tối ưu, tốc độ vận hành và độ ổn định của máy nén khí có thể được kiểm soát chính xác.
Thiết kế và nguyên lý mạch
JY01 là chip điều khiển chuyên dùng cho động cơ DC không chổi than, với các chức năng chính sau:
Điều chỉnh tuyến tính tốc độ: để đạt được sự kiểm soát chính xác tốc độ động cơ;
Nhiều cơ chế bảo vệ: bao gồm bảo vệ quá dòng, bảo vệ thấp áp và bảo vệ ngắn mạch để đảm bảo vận hành mạch an toàn;
Đầu ra điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM): để cải thiện hiệu suất truyền động và giảm độ rung và tiếng ồn của động cơ.
Mạch điều khiển dựa trên JY01 và tín hiệu vị trí rôto (Ha, Hb, Hc) được lấy thông qua cảm biến Hall và chip tạo ra tín hiệu điều khiển tương ứng. Đầu ra tín hiệu SPWM của JY01 điều khiển mô-đun dẫn động IR2021, từ đó điều khiển bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) của nhánh cầu trên và cầu dưới. Tín hiệu điều khiển được chia thành tín hiệu điều khiển tay trên và tay dưới: tín hiệu tay trên của MA, MB và MC lần lượt được biểu thị bằng AT, BT và CT và tín hiệu tay dưới được biểu thị bằng AB, BB và CB.

Tóm lại
Cùng với cơ chế sản xuất oxy tách màng, nghiên cứu này phát minh ra một hệ thống điều khiển máy tạo oxy tách màng nhỏ gọn lấy máy vi tính đơn chip STM32F407 làm bộ điều khiển trung tâm, đồng thời xây dựng các mạch điều khiển ngoại vi tương ứng và thuật toán điều khiển. Toàn bộ thiết lập điều khiển thể hiện ưu điểm là thân thiện với người dùng, dễ vận hành, có độ ổn định cao và cực kỳ đáng tin cậy, cùng với khả năng tương tác giữa người và máy tuyệt vời. Nguyên mẫu của máy tạo oxy được phát triển theo chế độ điều khiển này có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ đáng kể. Khi tốc độ oxy đầu ra đạt 0,8 L/phút, độ tinh khiết oxy có thể đạt tới 93,2%, đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế đặt trước. Nhìn về phía trước, có kế hoạch khám phá quy định thông minh của quá trình sản xuất oxy. Bằng cách điều chỉnh chính xác các thông số như tốc độ bơm, thời gian thẩm thấu và áp suất màng, tốc độ đầu ra oxy và độ tinh khiết của máy tạo oxy có thể được điều chỉnh tự động theo sự thay đổi nhiệt độ môi trường và duy trì ở mức tương đối ổn định.