تصميم نظام التحكم لمولد الأوكسجين المحمول ذو الضغط المتأرجح

تصميم نظام التحكم لمولد الأكسجين المحمول بامتصاص الضغط
 

 

يعد الأكسجين عنصرًا أساسيًا للحفاظ على أنشطة حياة الإنسان ويلعب دورًا حيويًا في العلاجات الطبية المختلفة وعمليات الإنقاذ في حالات الطوارئ. معدات إنتاج الأكسجين هي معدات دعم طبية مهمة. لقد تم استخدام طريقة إنتاج الأكسجين بامتصاص الضغط المتأرجح (PSA) على نطاق واسع في معدات إنتاج الأكسجين الصغيرة والمتوسطة الحجم نظرًا لمزاياها المتمثلة في انخفاض استهلاك الطاقة وعدم التلوث والاستثمار المنخفض. مبدأ العمل لطريقة الامتزاز المتأرجح بالضغط هو: من خلال الاختلاف في خصائص الامتزاز للمناخل الجزيئية للأكسجين والنيتروجين، يتم امتصاص النيتروجين تحت ظروف مضغوطة لفصل الأكسجين؛ في ظل ظروف الضغط المنخفض، يتم امتصاص النيتروجين لاستعادة أداء الامتزاز للمنخل الجزيئي لتحقيق فصل الأكسجين والنيتروجين. معظم معدات إنتاج الأكسجين الممتصة للضغط المتأرجح كبيرة الحجم وثقيلة الوزن، ولا يمكنها تلبية احتياجات قابلية النقل في الميدان أو على المركبات. تشير مولدات الأكسجين المحمولة ذات الضغط المتأرجح إلى معدات إنتاج الأكسجين التي يمكن حملها بخفة، ولها مصدر طاقة خاص بها، وخفيفة الوزن. ومع ذلك، هناك القليل نسبيًا من الأبحاث في هذا المجال في الصين، وأنظمة التحكم الحالية كبيرة الحجم بشكل عام، ومنخفضة في الأتمتة، وضعيفة في الاستقرار. في هذه الدراسة، جنبًا إلى جنب مع عملية إنتاج الأكسجين بامتصاص الضغط المتأرجح، تم تصميم وتطوير نظام تحكم مناسب لمولدات الأكسجين المحمولة بامتصاص الضغط المتأرجح لتوفير الدعم الفني لمزيد من البحث وتطبيق مولدات الأكسجين المحمولة.

عملية إنتاج الأكسجين بامتصاص الضغط

من أجل تطوير مولد الأكسجين المحمول لامتصاص الضغط المتأرجح، جمعت هذه الدراسة مبدأ إنتاج الأكسجين بامتصاص الضغط المتأرجح وحددت أولاً تدفق العملية الأساسية لإنتاج الأكسجين، كما هو موضح في الشكل. من أجل تقليل حجم ووزن مولد الأكسجين المحمول، اعتمدت هذه التجربة عملية إنتاج الأكسجين ذات البرجين. يتم استخدام عملية إنتاج الأكسجين ذات البرجين على نطاق واسع في معدات إنتاج الأكسجين الصغيرة نظرًا لهيكلها البسيط والصيانة المريحة والتكلفة المنخفضة. من خلال التشغيل المتناوب لبرجين للامتصاص، يمكن تحقيق إنتاج مستمر ومستقر للأكسجين، مع تقليل حجم وكتلة المعدات بشكل فعال. من أجل زيادة إنتاج الأكسجين وتقليل استهلاك الطاقة، صممت هذه التجربة واعتمدت عملية ذات عملية معادلة. تعمل عملية التعادل على تحسين كفاءة إنتاج الأكسجين وتقليل استهلاك الطاقة للنظام عن طريق تحسين فرق الضغط. إن الجمع بين هذه العملية لا يؤدي فقط إلى تحسين أداء مولد الأكسجين المحمول الممتص للضغط، ولكن أيضًا يتحكم بشكل فعال في استهلاك الطاقة وحجم المعدات مع ضمان نقاء الأكسجين.



تصميم دائرة محرك التحميل
تشمل أحمال العمل الرئيسية لمكثف الأكسجين المحمول PSA ضواغط الهواء وصمامات الملف اللولبي. باستخدام صمام الملف اللولبي المدمج، يمكن تقليل حجم ووزن مُكثّف الأكسجين بشكل فعال مع تعزيز استقرار النظام. ومع ذلك، نظرًا لأن جهد تشغيل ضاغط الهواء وصمام الملف اللولبي هو DC 12V، في حين أن جهد تشغيل وحدة التحكم الدقيقة هو DC 3.3V، فمن الصعب قيادة هذه الأحمال مباشرة. لذلك، يتم عكس إشارة خرج المتحكم الدقيق بواسطة العاكس 74LVC04 ويتم تضخيمها بواسطة أنبوب Darlington ULN2003 لتشغيل ضاغط الهواء وصمام الملف اللولبي.
ULN2003 عبارة عن مجموعة ترانزستورات مركبة عالية الأداء تتمتع بدرجة حرارة عالية جيدة ومقاومة للضغط العالي وقدرة تحميل قوية. إنه يدمج الصمام الثنائي الحر ويمكنه دفع الأحمال الحالية العالية مباشرة بما في ذلك المرحلات. يظهر في الشكل مخطط دائرة القيادة لضاغط الهواء وصمام الملف اللولبي.



تصميم دائرة محرك ضاغط الهواء
ضاغط الهواء هو مكون الطاقة الأساسي لمولد الأكسجين المحمول لامتصاص الضغط المتأرجح (PSA). فهو يفصل الأكسجين عن طريق استنشاق الهواء المحيط وضغطه لإرساله إلى برج الامتزاز، الذي يعد حلقة وصل أساسية في عملية إنتاج الأكسجين. من أجل تلبية متطلبات الأداء الفعال والمستقر للمعدات المحمولة، يستخدم هذا النظام ضاغط DC بدون فرش Thomas micro، والذي يتميز بمزايا التشغيل السلس، والتدفق الكبير، والاهتزاز المنخفض، وانخفاض مستوى الضجيج، وانخفاض استهلاك الطاقة، وهو مناسب جدًا سيناريو تطبيق مولد الأكسجين.
يتطلب محرك DC بدون فرش دائرة محرك مخصصة لإكمال عملية التبديل الإلكترونية لضمان تشغيله الطبيعي. لذلك، تم تصميم مجموعة من دوائر قيادة المحرك على أساس شريحة التحكم JY01. يظهر المبدأ في الشكل. من خلال تصميم الدائرة الأمثل، يمكن التحكم بدقة في سرعة التشغيل واستقرار ضاغط الهواء.
تصميم الدوائر والمبدأ
JY01 عبارة عن شريحة تحكم تستخدم خصيصًا لمحركات DC بدون فرش، مع الوظائف الرئيسية التالية:
التنظيم الخطي للسرعة: لتحقيق التحكم الدقيق في سرعة المحرك؛
آليات حماية متعددة: بما في ذلك حماية التيار الزائد، وحماية الجهد المنخفض وحماية الدائرة القصيرة لضمان التشغيل الآمن للدائرة؛
مخرج تعديل عرض النبض الجيبي (SPWM): لتحسين كفاءة القيادة وتقليل اهتزاز المحرك والضوضاء.
تعتمد دائرة القيادة على JY01، ويتم الحصول على إشارة موضع الدوار (Ha، Hb، Hc) من خلال مستشعر Hall، وتولد الرقاقة إشارة القيادة المقابلة. يتحكم خرج إشارة SPWM بواسطة JY01 في وحدة القيادة IR2021، وبالتالي يقود ترانزستور التأثير الميداني (FET) لأذرع الجسر العلوية والسفلية. تنقسم إشارة القيادة إلى إشارات تحكم بالذراع العلوي والسفلي: يتم تمثيل إشارات الذراع العلوي MA وMB وMC بـ AT وBT وCT على التوالي، ويتم تمثيل إشارات الذراع السفلية بـ AB وBB وCB.

ختاماً
تماشيًا مع آلية إنتاج الأكسجين لفصل الغشاء، يبتكر هذا البحث نظام تحكم في مولد الأكسجين لفصل الغشاء المدمج الذي يستخدم الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة STM32F407 كوحدة تحكم مركزية، بينما يقوم أيضًا بصياغة دوائر التحكم الطرفية المقابلة و خوارزميات التحكم. يُظهر إعداد التحكم بالكامل مزايا كونه سهل الاستخدام، وسهل التشغيل، ومستقر للغاية، وموثوق للغاية، إلى جانب قدرات التفاعل الممتازة بين الإنسان والآلة. النموذج الأولي لمولد الأكسجين الذي تم تطويره بموجب نظام التحكم هذا هو ذو حجم صغير ووزن خفيف بشكل ملحوظ. عندما يصل معدل إخراج الأكسجين إلى 0.8 لتر/دقيقة، يمكن أن يصل نقاء الأكسجين إلى 93.2%، مما يلبي معايير التصميم المحددة مسبقًا. وبالنظر إلى المستقبل، هناك خطط لاستكشاف التنظيم الذكي لعملية إنتاج الأكسجين. من خلال ضبط المعلمات بدقة مثل سرعة المضخة، ووقت التخلل، وضغط الغشاء، يمكن ضبط معدل إخراج الأكسجين ونقاء مولد الأكسجين تلقائيًا وفقًا لتغيرات درجة الحرارة المحيطة والحفاظ عليه عند مستوى ثابت نسبيًا.